摘要：圓筒內(nèi)壁的圓度檢測(cè)工作環(huán)境惡劣,檢測(cè)要求嚴(yán)格,目前缺乏合適的解決方案。因此對(duì)其研究將促進(jìn)圓筒內(nèi)壁圓度誤差檢測(cè)的機(jī)械化自動(dòng)化水平,提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本,加快生產(chǎn)速度,系統(tǒng)采用改進(jìn)的激光三角測(cè)距法作為測(cè)量方法,既能在高溫環(huán)境下工作,又可對(duì)小徑圓筒進(jìn)行測(cè)量。而機(jī)器視覺是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷,測(cè)量精度高、速度快。將二者相結(jié)合,可有效解決圓筒內(nèi)壁高質(zhì)量、高速度的在線檢測(cè)難題。

關(guān)鍵詞：圓筒內(nèi)壁檢測(cè)；機(jī)器視覺；激光三角測(cè)距法

0? ? ?引言

在圓筒生產(chǎn)的加工過(guò)程中,本工序的前驅(qū)工序是高溫鋼沖壓成型。由于振動(dòng)磨損等原因,沖壓設(shè)備在工作一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)較大的偏差,必須對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后,對(duì)沖壓設(shè)備進(jìn)行調(diào)整。而圓筒內(nèi)壁檢測(cè)的傳統(tǒng)解決方法是：沖壓一批圓筒,冷卻后抽樣檢查,不合格則本批報(bào)廢,同時(shí)校正沖壓設(shè)備,以便繼續(xù)生產(chǎn)。這種傳統(tǒng)做法采用抽樣檢測(cè),如果出現(xiàn)廢品則報(bào)廢一批,存在很大的浪費(fèi),而且經(jīng)過(guò)前驅(qū)工序的沖壓成型,內(nèi)壁表面溫度高達(dá)100°Ｃ左右,必須等待產(chǎn)品冷卻后才能檢驗(yàn),大大限制了生產(chǎn)線的工作速度；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)檢測(cè)方法也不夠準(zhǔn)確、全面,故難以適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)高質(zhì)量生產(chǎn)的要求。

本系統(tǒng)的提出能夠精確地完成圓筒的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)任務(wù),在圓筒內(nèi)壁的圓度不合格時(shí),能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)到不合格圓筒并及時(shí)報(bào)警，以便立即調(diào)整沖壓設(shè)備。新檢測(cè)方法既能全面檢測(cè)提高了產(chǎn)品質(zhì)量,避免更大的損失,又可加快檢測(cè)速度,提高生產(chǎn)效率。

1? ? ?工作原理

系統(tǒng)采用激光測(cè)距方法,選定掃描的旋轉(zhuǎn)角度和垂直間隔后,在圓筒內(nèi)壁進(jìn)行全掃描。因?yàn)榇郎y(cè)目標(biāo)周圍環(huán)境的特殊性,現(xiàn)對(duì)激光三角法加以改進(jìn)-由帶有光路變向的激光三角檢測(cè)法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。先分析激光三角法工作原理,再介紹改進(jìn)的方法。

1?1激光三角法工作原理

激光三角法由激光器、成像透鏡及光電傳感器組成。激光器發(fā)出的激光投射到被測(cè)物體表面上形成漫反射光斑。將漫反射光斑作為傳感信號(hào),用透鏡成像原理將收集到的反射光匯聚到成像透鏡的焦平面上,此處放置光電傳感器。當(dāng)漫反射光斑隨被測(cè)物體表面移動(dòng)時(shí),成像光點(diǎn)在光電傳感器面上作相應(yīng)的移動(dòng)。根據(jù)像移距離的大小和傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以確定被測(cè)物體表面的位移量,激光束如同接觸測(cè)量的機(jī)械探針,可確定被測(cè)表面測(cè)點(diǎn)的位置。為了減小被測(cè)表面質(zhì)量對(duì)測(cè)量的影響,通常采用激光束垂直入射被測(cè)物體表面的測(cè)量方式。

圖1激光三角法原理示意圖

圖1中ｓ為待測(cè)物體表面位移,ｓ′為待測(cè)物體表面光斑在傳感器上的相對(duì)位移,ａ為鏡頭到物體的物距,ｂ為鏡頭到成像面的像距,θ為觀察角。由幾何光學(xué)知識(shí)可求得ｓ＇與ｓ關(guān)系如下：

當(dāng)被測(cè)距離大于基準(zhǔn)距離時(shí)取減號(hào),小于基準(zhǔn)距離時(shí)取加號(hào)。

1?2光路改進(jìn)原理分析

由于圓筒內(nèi)徑的限制,可能會(huì)小到80ｍｍ左右,激光無(wú)法照射整個(gè)內(nèi)壁表面；又由于圓筒溫度高達(dá)100℃,激光三角測(cè)量裝置不能直接伸入到圓筒內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè),所以需要對(duì)傳統(tǒng)的激光三角法檢測(cè)方案進(jìn)行改進(jìn)。

1?2?1改進(jìn)方案

（1）采用反射鏡反射激光,改變激光光路方向（如圖2）。在檢測(cè)裝置底部放置45°反射鏡,將平行內(nèi)壁表面入射的激光光路變?yōu)榇怪闭丈鋬?nèi)壁表面,這樣可以在圓筒外遠(yuǎn)距離垂直放置激光器。

圖2光路改進(jìn)原理示意圖

（2）采用三棱鏡作為觀察裝置,觀察三棱鏡內(nèi)成像。在檢測(cè)裝置內(nèi)部放置折射光路用的三棱鏡應(yīng)滿足如下條件：①三棱鏡擺放的位置不可擋住激光器發(fā)出的激光線；②保證三棱鏡的長(zhǎng)邊與圓筒底面平行；③要使基準(zhǔn)待測(cè)表面反射出的45°漫反射光在三棱鏡邊線的中點(diǎn)射入三棱鏡,以保證測(cè)量范圍。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知：當(dāng)三棱鏡的角度分別為2?5°、45°和12?5°時(shí),可以將45°出射的激光光路改變?yōu)榍『?/span>90°垂直出射,這樣可以在圓筒外遠(yuǎn)距離垂直放置視覺圖像采集器來(lái)采集三棱鏡所成的像。

圖3機(jī)械裝置工作示意圖

圖3中的軸線為檢測(cè)裝置的軸線,設(shè)軸線到待測(cè)表面的距離為Ｓ。因裝置中激光發(fā)射器、反射鏡與三棱鏡已經(jīng)定位并固定,則可計(jì)算出三棱鏡上邊到激光線水平段的高度Ｈ、三棱鏡2?5°角的頂點(diǎn)到軸線的距離Ｗ,再設(shè)軸線到射入鏡頭的激光線的距離為Ｖ。由幾何光學(xué)知識(shí)可求得：

Ｓ＝Ｈ＋Ｗ＋（Ｗ＋Ｖ）_ｔａｎ2?5°? ? ?（2）

其中Ｈ、Ｗ為固定值,Ｖ為鏡頭中的測(cè)量值,則Ｓ可計(jì)算出。

1?2?2優(yōu)點(diǎn)

（1）將反射鏡以45°放置,可使激光光路垂直于內(nèi)壁表面,有效的減小激光三角法檢測(cè)的誤差,且便于計(jì)算。

（2）檢測(cè)過(guò)程中,在三棱鏡內(nèi)發(fā)生的兩次反射都是全反射,所以,一方面在理論上不存在反射光能的損失,另一方面在光學(xué)理論上三棱鏡最后所成的實(shí)像與實(shí)際物體大小相等,方向相同,只是相對(duì)距離有變化。

（3）此方法可對(duì)大小不同的圓筒內(nèi)壁進(jìn)行檢測(cè),可檢測(cè)的圓筒內(nèi)壁最小直徑約為80ｍｍ,裝置不受圓筒高度限制,可根據(jù)圓筒的具體高度來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

（4）此方法消除了傳統(tǒng)激光三角法中由計(jì)算公式帶來(lái)的非線性誤差。

2? ? ?機(jī)械裝置模型

機(jī)械裝置部分負(fù)責(zé)在遠(yuǎn)端容納并固定圖像采集系統(tǒng)和激光器。在伸入端內(nèi)安裝反射鏡和三棱鏡,兩端之間要能夠傳導(dǎo)光線,如圖3所示。機(jī)械裝置除了起到固定與定位的作用,還要保持一定的定位精度,此外機(jī)械裝置部分也要保證適當(dāng)?shù)墓ぷ骶嚯x,使電路部分能夠正常工作。

3? ? ?系統(tǒng)的圖像處理

3?1系統(tǒng)的圖像處理流程

（1）圖像采集,需要對(duì)圖像傳感器進(jìn)行操作,實(shí)時(shí)讀取數(shù)字化圖像；

（2）圖像預(yù)處理,對(duì)采集到的圖像進(jìn)行一系列基本處理,為后續(xù)的處理提供簡(jiǎn)單、清楚、無(wú)噪聲的圖像

（3）提取光斑中心,將圖像上光斑的中心提取出來(lái),完成從一幅圖像到一個(gè)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換；

（4）計(jì)算Ｖ值,將光斑中心的坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為軸線到射入鏡頭的激光線的測(cè)量數(shù)據(jù)。

3?2圖像處理工作平臺(tái)的選擇

由于系統(tǒng)要求運(yùn)算精度高、速度快,所以一般的單片機(jī)無(wú)法滿足需求,而高級(jí)的單片機(jī)又不夠經(jīng)濟(jì)實(shí)用。本系統(tǒng)選用的是ＴＩ公司的ＴＭＳ320ＶＣ5416進(jìn)行嵌入式開發(fā),54ｘ是ＴＩ公司的一個(gè)低端系列,低能耗、高效率。而5416是54系列ＤＳＰ（數(shù)字信號(hào)處理器）中最高端的產(chǎn)品,專為數(shù)字信號(hào)處理而優(yōu)化,適于進(jìn)行圖像處理這種卷積運(yùn)算任務(wù)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。性能上能夠滿足本系統(tǒng)的應(yīng)用需求,且成本低、易使用、外觀小巧,便于嵌入系統(tǒng),也便于隔溫保護(hù)。

在ＴＭＳ320ＶＣ5416的強(qiáng)大運(yùn)算能力基礎(chǔ)上,采用ＯＶ760圖像傳感器采集視覺圖像。ＯＶ760ＣＭＯＳ圖像傳感器,體積小、重量輕、集成度高、可以直接輸出數(shù)字圖像信號(hào)、內(nèi)含幾種基本的圖像處理功能、輸出格式豐富。既簡(jiǎn)化了后續(xù)電路設(shè)計(jì),又提高了圖像采集質(zhì)量。

將ＴＭＳ320ＶＣ5416與ＯＶ760結(jié)合進(jìn)行硬件設(shè)計(jì),在空間上非常節(jié)省。因此,如果系統(tǒng)工作環(huán)境溫度成為障礙的時(shí)候,甚至可以考慮將硬件系統(tǒng)隔離。

4? ? ?檢測(cè)過(guò)程

圓筒在生產(chǎn)線傳送帶上運(yùn)動(dòng),到達(dá)檢測(cè)裝置所在位置后停止,進(jìn)行檢測(cè)。將檢測(cè)裝置平行于圓筒軸線伸入圓筒內(nèi),在圓筒內(nèi)壁進(jìn)行全掃描。采集全部的數(shù)據(jù)點(diǎn)后帶入式（2）中,得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)值進(jìn)行分析。由于檢測(cè)裝置伸入時(shí)與圓筒的軸線位置會(huì)有一定的偏差,所以先將每一橫截面上的數(shù)據(jù)值分別進(jìn)行分析,找出每個(gè)橫截面上的圓心位置,從而確定圓筒軸線位置。再分析該圓筒軸線是否與圓筒底面垂直,并分析所有檢測(cè)點(diǎn)是否都在誤差范圍內(nèi)。若兩項(xiàng)都滿足要求,則該圓筒合格,通知傳送帶繼續(xù)前進(jìn),準(zhǔn)備檢查下一個(gè)圓筒；若其中有一項(xiàng)不合格,則該圓筒不合格,并將數(shù)據(jù)值分組對(duì)比,找出原因,通知前驅(qū)工序,調(diào)整沖壓設(shè)備。

5? ? ?結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)結(jié)合了光學(xué)成像、機(jī)械、圖像信息處理等多個(gè)學(xué)科技術(shù)交叉融合、互相配合,并對(duì)系統(tǒng)中的基本激光三角法方案進(jìn)行改進(jìn),成功解決了圓筒內(nèi)壁圓度的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)問(wèn)題。系統(tǒng)還應(yīng)該考慮光學(xué)領(lǐng)域的照明工程、工程光學(xué)、光學(xué)材料等相關(guān)技術(shù)；考慮機(jī)械裝置中的材料、加工、精度因素；在電子電路上,芯片、接口、電磁特性也需要研究；并結(jié)合了圖像采集、圖像預(yù)處理、圖像光斑位置檢測(cè)等圖像信息處理技術(shù)。故本系統(tǒng)是光學(xué)、機(jī)械、電子、信息一化的檢測(cè)系統(tǒng),為實(shí)現(xiàn)圓筒內(nèi)壁均勻度的在線檢測(cè)提供了一種有效的途徑。

論文題目：圓筒內(nèi)壁圓度誤差在線檢測(cè)系統(tǒng)研究?

作者：段振云，付連海，況衛(wèi)平，毛波（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院）