摘要：針對孔內(nèi)壁表面上的砂眼、裂紋等疵病造成的精密零件安裝調(diào)試?yán)щy問題，提出一種新型疵病檢測系統(tǒng)。首先通過水平運動系統(tǒng)帶動測頭運動到待測小孔上方，測頭固定不動，然后通過豎直運動系統(tǒng)帶動測頭并采用內(nèi)窺鏡的測量原理提取小孔內(nèi)表面的圖像，最后利用MATLAB進行圖像處理。結(jié)果表明，此新型檢測裝置光學(xué)測頭長為150mm，直徑為14mm，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)徑為15~20mm，孔深100mm的細(xì)長孔內(nèi)壁測量，并且能夠標(biāo)記孔內(nèi)壁疵病的具體位置，測量準(zhǔn)確且可操作性強。
關(guān)鍵詞：光學(xué)系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；非接觸式在線測量；MATLAB
目前，一般工業(yè)設(shè)備中，很多零件具有深孔結(jié)構(gòu)，比較典型的諸如液壓缸筒內(nèi)孔、主軸軸套內(nèi)孔等具體結(jié)構(gòu)。這些具有內(nèi)孔結(jié)構(gòu)的零件，往往是設(shè)備中的重要組成部分。許多內(nèi)孔直徑只有15~20mm，而其深度則為直徑的5~7倍。這種深細(xì)孔的內(nèi)表面檢測因操作空間的限制具有一定難度，且現(xiàn)有的測量裝置無法實現(xiàn)對此類零件進行在線測量，滿足不了現(xiàn)代生產(chǎn)自動化的需要。本文研制的小孔內(nèi)表面檢測裝置，采用非接觸式測量方法，操作簡便，功能齊全，測量精度高，自動化程度好，且實現(xiàn)了細(xì)孔類零件的在線測量，實用性強，具有良好的應(yīng)用前景。
1?系統(tǒng)工作原理
小孔內(nèi)表面檢測系統(tǒng)用于對內(nèi)徑為15~20mm且深為100mm的內(nèi)孔表面進行形貌檢測。該檢測裝置滿足批量檢測以及位移動態(tài)檢測等多方面的要求。檢測系統(tǒng)流程圖如圖1所示，檢測裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖1檢測系統(tǒng)流程圖
圖2檢測裝置結(jié)構(gòu)圖
主要測量原理為：光學(xué)測量系統(tǒng)固定在連接板上，連接板安裝在豎直運動系統(tǒng)的導(dǎo)軌上，升降運動系統(tǒng)可通過電機帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，從而帶動連接板與光學(xué)測量裝置在豎直方向上運動，而升降運動系統(tǒng)安裝在連接架上，水平運動系統(tǒng)的絲杠和導(dǎo)軌在電機帶動下可實現(xiàn)連接架在水平方向上運動，綜上，光學(xué)測量裝置可在測量基點所在直線上運動，從而可對任意位置的孔類零件的小孔進行對準(zhǔn)。但光學(xué)測量系統(tǒng)只能實現(xiàn)在豎直方向上下運動，并且基于內(nèi)窺鏡原理的光學(xué)測量系統(tǒng)只能測量小孔內(nèi)有限張角的內(nèi)壁特征，欲實現(xiàn)對小孔內(nèi)壁全方位檢測，在光學(xué)系統(tǒng)升降運動進行測量的同時，安裝在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)上的零件在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的帶動下旋轉(zhuǎn)，并且旋轉(zhuǎn)裝置采用槽輪機構(gòu)，使得當(dāng)被測零件旋轉(zhuǎn)到光學(xué)系統(tǒng)正下方時才進行自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)的同時光學(xué)測量系統(tǒng)向下運動對小孔進行測量，從而實現(xiàn)對小孔內(nèi)壁表面的在線檢測。并且在水平運動系統(tǒng)和升降運動系統(tǒng)中加有光柵傳感器，旋轉(zhuǎn)運動系統(tǒng)中加有角度傳感器，實時記錄小孔內(nèi)疵病的具體位置。
2?測量系統(tǒng)組成
2.1? ?光學(xué)測頭水平和升降運動系統(tǒng)
水平運動系統(tǒng)如圖3所示：包括水平導(dǎo)軌、連接架、滾柱絲杠、絲杠螺母、電機以及軸承和軸承蓋。其作用是當(dāng)被測量件放置在旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)臺上時，水平運動調(diào)整光學(xué)測量裝置，使其與被測量小孔對中，實現(xiàn)在線測量。防止光學(xué)測量裝置在與小孔不對中的情況下，即與小孔內(nèi)壁產(chǎn)生相對距離，使得光學(xué)測量裝置與小孔內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦或者測量時光學(xué)測量裝置相對小孔內(nèi)壁偏心，甚至無法進入小孔進行測量的現(xiàn)象發(fā)生；另外，當(dāng)被測零件無法安裝在旋轉(zhuǎn)臺上進行在線測量時，可將其放置在支撐臺上，使水平裝置運動，與小孔進行對中，從而實現(xiàn)測量。即水平運動系統(tǒng)作用是配合測量多個測量物。
圖3水平運動系統(tǒng)
圖4升降運動系統(tǒng)
升降運動系統(tǒng)如圖4所示：水平運動系統(tǒng)帶動升降運動系統(tǒng)及光學(xué)測量系統(tǒng)在水平方向上運動，豎直運動系統(tǒng)則帶動光學(xué)測量系統(tǒng)在豎直方向上運動，包括豎直導(dǎo)軌、滾珠絲杠、電機及連接板等。測量前，調(diào)整水平運動系統(tǒng)使得光學(xué)測量系統(tǒng)和小孔對中，升降運動系統(tǒng)帶動光學(xué)測量系統(tǒng)進行測量，通過豎直光柵尺讀出光學(xué)測量系統(tǒng)檢測到的小孔內(nèi)壁疵病的軸向位置。
2.2? ?旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)
為達(dá)到對小孔內(nèi)表面360°檢測的目的。本設(shè)計方案中將旋轉(zhuǎn)驅(qū)動與光學(xué)測量系統(tǒng)升降驅(qū)動區(qū)分為兩部分。升降運動由上述升降運動系統(tǒng)控制，而回轉(zhuǎn)運動由安裝在底座上的回轉(zhuǎn)裝置完成。光學(xué)測量系統(tǒng)在升降運動的同時，驅(qū)動被測物按一定速度旋轉(zhuǎn)，以滿足測量要求。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)如圖5所示。
圖5旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)
旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置由支撐臺、自轉(zhuǎn)電機、卡具、槽輪機構(gòu)以及驅(qū)動電機等組成。測量前，將待測孔類零件安裝在卡具上；測量時，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)帶動槽輪機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，槽輪機構(gòu)通過軸鍵帶動整個旋轉(zhuǎn)臺進行間歇運動，當(dāng)待測零件到達(dá)光學(xué)測量系統(tǒng)正下方時，與之對應(yīng)的自轉(zhuǎn)電機帶動零部件進行自轉(zhuǎn)，于此同時，升降運動系統(tǒng)帶動光學(xué)測量系統(tǒng)豎直運動，進行測量。當(dāng)測量頭測量完成并脫離被測小孔時，間歇槽輪機構(gòu)回轉(zhuǎn)到初始位置，重復(fù)如上運動。并且每個卡具轉(zhuǎn)臺下都有深溝球軸承，減少旋轉(zhuǎn)阻力；每個測量轉(zhuǎn)臺都有微型驅(qū)動電機帶動旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)臺上部安裝有三爪卡盤，對被測物體起到鎖緊與保護作用，本固定裝置可拆卸，若被測物外形為非圓柱形物體，可更換三爪卡盤為其他固定鎖緊裝置。間歇槽輪機構(gòu)如圖6所示。
圖6槽輪機構(gòu)
裝置中設(shè)計的槽輪機構(gòu)用于測量一組（四個）被測物小孔內(nèi)壁。此間歇機構(gòu)能夠留有足夠時間來完成小孔不同位置深度的內(nèi)壁檢測。并且在槽輪機構(gòu)不起作用的3/4圈處，可對其他幾個卡具位置進行拆卸和安裝零部件，即完成在線測量。主動輪在電機作用下帶動從動輪，從動輪帶動每個待測小孔運動到指定位置以便測頭檢測。
同時，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)中的角度傳感器對小孔內(nèi)壁疵病的旋轉(zhuǎn)角度進行檢測，通過測量小孔內(nèi)疵病的軸向位置和角度位置得到疵病的具體位置。
2.3? ?光學(xué)測量裝置
光學(xué)測量裝置采用內(nèi)窺鏡原理，用于對小孔內(nèi)壁表面進行圖像采集，且外形尺寸應(yīng)小于待測小孔最小待測直徑15mm，使得光學(xué)測量裝置可深入小孔內(nèi)部進行測量。裝置主要包括：激光發(fā)射器、分光鏡、成像光學(xué)系統(tǒng)、內(nèi)窺鏡物鏡光學(xué)系統(tǒng)、直角棱鏡以及CCD接收裝置。光學(xué)測量裝置結(jié)構(gòu)如圖7所示。
圖7光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
測量原理為：由激光器發(fā)射激光，分光鏡進行分光，經(jīng)由成像光學(xué)系統(tǒng)和內(nèi)窺鏡物鏡光學(xué)系統(tǒng)，并由直角棱鏡對光線進行折轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對小孔內(nèi)壁進行照明；被照明的小孔內(nèi)壁反射的光通過直角棱鏡折轉(zhuǎn)，并通過其他幾個分系統(tǒng)傳播，由CCD圖像傳感器接收小孔內(nèi)壁圖像光信號。
3?內(nèi)表面缺陷檢測原理
CCD圖像傳感器接收光信號并轉(zhuǎn)換為電信號，通過A/D轉(zhuǎn)換獲得數(shù)字信號。要完成缺陷識別先將已數(shù)字化的圖像進行預(yù)處理得到二值圖像，然后進行特征提取，最后對病灶缺陷進行識別分類。圖8為內(nèi)表面缺陷識別過程，具體過程如下：
圖8內(nèi)表面缺陷識別過程
（1）圖像的預(yù)處理：將數(shù)字圖像濾波、去噪，該操作能在盡量保留圖像細(xì)節(jié)特征的條件下對目標(biāo)像的噪聲進行抑制。突出圖像中的目標(biāo)對象濾波的算法很多，中值濾波更為適合在本文中應(yīng)用。中值濾波的基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點的值用該點的一個鄰域中各點值得中值代替，讓周圍的像素值接近的真實值，從而消除孤立的噪聲點。
（2）圖像增強：圖像增強是指對圖像的某些特征，如邊緣、輪廓、對比度等進行強調(diào)或尖銳化，以便于顯示，觀察或進一步分析與處理。在小孔內(nèi)壁缺陷檢測的圖像中為了突出邊緣，本文選用Laplacian算子。
（3）特征提取：根據(jù)各區(qū)域的灰度不同從而區(qū)分出孔內(nèi)缺陷區(qū)域。通過對待測小孔內(nèi)表面圖像進行分析，得出各種缺陷的主要特征，詳述如下：
孔洞：孔洞是由于材料撕裂而產(chǎn)生的，這些撕裂狀的孔洞大小和形狀各不相同，切邊緣不規(guī)則。因為對光的漫反射不同而使其灰度與小孔的背景灰度有明顯的差別。
裂紋：裂紋呈細(xì)長狀，端頭呈尖狀。其灰度值與缺陷明顯不同。
缺陷特征參數(shù)：孔洞缺陷的識別特征參數(shù)為缺陷灰度（G），其表示圖像的明亮程度。根據(jù)圖像上的孔洞灰度值，可以區(qū)分是什么缺陷?；叶却笮∨c光反射強弱成正比關(guān)系。凸面反射強些，所以灰度大些，凹面的灰度則相對較小，裂紋的灰度為最小。通過MATLAB進行多次仿真，可以確定區(qū)分它們的灰度值。
（4）圖像分割：即把一副圖像分成一些特定的、具有特殊性質(zhì)的區(qū)域并提取出感興趣目標(biāo)的技術(shù)和過程。圖像閾值分割利用圖像中提取的目標(biāo)物與其背景在灰度特性上的差異，把圖像視為具有不同灰度級的兩類區(qū)域的組合，選取一個合適的閾值，以確定圖像中每個像素點應(yīng)該屬于目標(biāo)還是背景區(qū)域，從而產(chǎn)生相應(yīng)的二值圖像。
4?結(jié)論
本文針對細(xì)長孔類零件內(nèi)孔疵病檢測技術(shù)進行了分析，并考慮到被測孔類零件需批量和動態(tài)檢測的特殊性，提出了利用間歇機構(gòu)實現(xiàn)在線測量的檢測裝置，所設(shè)計的檢測裝置為集光、機、電、算于一體的檢測裝置，實現(xiàn)了對細(xì)長孔內(nèi)壁疵病的檢測，并實現(xiàn)了對內(nèi)壁疵病的精確定位。
論文題目：小孔內(nèi)表面在線檢測裝置設(shè)計
作者：王蕾，馮進良，張堯禹，張雪峰（1.長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，?2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所）