滾動軸承的缺釘、缺球及注脂定位檢測系統

王恒迪，張柳音，張占立，唐萌，周鵬舉

(河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003)

缺釘、缺球會嚴重影響滾動軸承的性能和壽命，肉眼檢測方法會產生漏檢、錯檢且效率較低[1]。另外，在軸承裝配過程中，為避免注脂溢漏，注脂時需轉動注脂機的注脂頭，使注脂口正對鉚釘位置進行注脂，注脂頭的轉動角度需通過檢測計算得出。針對上述問題，提出了將缺釘、缺球檢測及注脂頭轉動角度計算合二為一的圖像檢測方法，利用工業攝像機采集軸承圖像信息，通過計算機依據所采集的圖像信息先后進行缺釘、缺球檢測和注脂頭轉動角度計算。該檢測方法不僅提高了缺釘、缺球檢測的準確性，同時將傳統的2個工位2次檢測改為1個工位1次檢測，縮短了工作時間并提高了工作效率。

1 檢測系統總體結構

檢測系統總體結構如圖1所示，當軸承沿料道傳送至圖像采集工位時，接近開關感應到軸承并向單片機發送中斷信號，單片機通過串行通信告知計算機開始檢測：由CCD相機在背射光下采集軸承圖像并將其傳輸至計算機，在計算機內對圖像進行處理和分析，識別是否存在缺釘、缺球，若存在缺陷則自動分選出去，沒有則繼續計算注脂頭的轉動角度，計算完成后傳遞給單片機控制注脂頭轉動并注脂。

2 電路部分

為實現計算機對接近開關信號的響應和對步進電動機的控制，系統采用STC89C52單片機，并通過外部電路將單片機分別與接近開關和步進電動機相連接。單片機與計算機之間則通過RS485串行通信進行信息交互。

2.1 接近開關轉換電路

當軸承靠近接近開關時，接近開關的信號觸發單片機的INT1中斷，系統選擇下降沿觸發，故需要對接近開關的信號進行轉換，使得當接近開關導通時，輸入至單片機的信號由高電平轉換為低電平。轉換電路設計如圖2所示。從圖中可以看出，在導通瞬間，接近開關的接線端由低電平轉為高電平，而該信號經過TLP521光電耦合器之后，在導通瞬間，右側信號由高電平轉為低電平，將該信號連接至單片機的INT1端口上。

圖2 接近開關的轉換電路Fig.2 Switching circuit for proximity switch

2.2 步進電動機驅動電路

計算機對軸承圖像進行缺釘、缺球分析后，需要計算注脂頭的轉動角度，并通過控制步進電動機的運動實現注脂頭的轉動。由單片機到步進電動機的驅動電路如圖3所示，其中使用ULN2003芯片驅動電動機。

3 軟件系統

系統的軟件分為上位機程序和下位機程序。上位機程序使用LabVIEW編寫，實現圖像分析處理、型號標定以及對整個系統的控制。下位機程序為單片機上的C51程序，實現接近開關信號的處理和步進電動機的控制。上位機與下位機之間通過串行通信傳遞數據，互相配合工作支持整個系統的運行。

3.1 上位機程序

上位機軟件流程如圖4所示。開始檢測之前，調整鏡頭，對軸承的型號信息進行標定存儲。開始檢測后，首先選擇待測軸承的型號，然后進行圖像采集、圖像處理等一系列檢測和分析。圖像處理是該程序的重點，主要包括圖像預處理、圖像特征提取和分析等過程。

圖4 上位機軟件流程圖Fig.4 Flow chart of upper computer software

3.1.1 圖像預處理

在拍攝軸承圖像過程中，由于周圍環境和設備本身的影響，圖像容易受到干擾。因此，需要對采集的圖像進行預處理，以清除干擾及不必要的信息，提高圖像質量以便于提取有用信息。該檢測系統中，圖像的預處理包含中值濾波、二值化和膨脹[2]3個過程：首先，使用3×3的中值濾波窗口，將圖像中心點的灰度值用窗口內各點灰度的平均值代替；然后，使用二值化，即通過Otsu法設定閾值，將像素范圍為0～255的灰度像素轉換為灰度值為0和255的點；最后，使用5×5的窗口進行膨脹操作。預處理前后的圖像如圖5所示，從圖中可以看出預處理后的圖像更加清晰，圖像特征更加明顯。

圖5 預處理前后的軸承圖像Fig.5 Bearing images before and after preprocessing

3.1.2 圖像特征提取和分析

對圖像進行預處理后，需要提取圖像的形態特征。首先，進行軸承中心圓檢測，確定其圓心和半徑，可以據此確定軸承型號以及軸承的鉚釘、內側空隙和外側空隙的位置；然后，將圖像中連通域(二值圖像中相連通的白色像素所組成的區域)進行標定，將無效連通域濾除，保留有效連通域，并提取連通域的特征；最后，根據圖像有效連通域的特征、軸承的型號信息和中心圓信息進行圖像分析。

3.1.2.1 中心圓的檢測

二值圖像中檢測圓的經典算法是霍夫變換，圓形霍夫變換的算法[3]如下：

使用極坐標的方法，將圓上的點表示為

(1)

式中：(x0,y0)為圓心坐標；ρ為半徑；θ為坐標點的極角。

對于圓邊緣上的每一個點，均可用上述極坐標表示，所以對于二值圖像而言，遍歷圖像上的像素點、圓半徑并旋轉360°所得的中心點坐標累積，圓心處的累計值最強。因而采用如下算法：1)輸入圖像像素，根據旋轉角變換求出中心點坐標，并對各中心點進行強度累加；2)尋找強度最大的點，即為圓心點。

將霍夫變換應用在經過預處理的軸承二值化圖像上，并設定半徑的范圍和步長，找到軸承圖像中對應半徑范圍內的所有圓，在所有圓中，中心圓的圓心到圖片中心點距離最近，將其篩選出來。計算各圓心到圖片中心點的距離，即

(2)

式中：(xi,yi)為第i個圓的圓心坐標；w為圖像寬度;h為圖像高度。比較各個距離值，取最小距離并將對應的圓作為軸承的中心圓，即

dmin=min(d1,d2,d3,…,dn)。

(3)

某次檢測中通過霍夫變換檢測出的圓心坐標見表1(表中數值單位為像素)，由表可知，對應的d4最小，因而選定第4個圓為軸承的中心圓。

表1 檢測所得圓信息Tab.1 Information of detected circles

3.1.2.2 連通域的標定、篩選與特征提取

在圖像中，只有軸承內圈與外圈之間的空隙以及鉚釘缺失形成的孔是有效信息，其他均為無效信息，為減少運算量，提高運算效率，需要將無效信息剔除，根據有效信息分析缺陷是否存在并計算轉動角。

將亮度為255的像素區域經過連通域標記算法標定[4-5]，得到多個4連通的連通域，代表軸承內圈與外圈之間的空隙以及鉚釘缺失形成的孔的連通域面積遠小于中心圓連通域以及背景連通域的面積，通過設置面積閾值可將中心圓連通域和背景連通域濾除。除了計算連通域的面積之外，為獲取空隙、鉚釘孔的位置和形態特征，還需計算連通域的質心位置和最小外接矩形的長寬比。

連通域的面積和質心的計算可以通過計算幾何矩完成。對一幅2D的連續圖像，f(x,y)>0，幾何矩Mpq可表示為

(4)

式中：p，q為非負整數；D為所計算的區域。而對于離散化的數字圖像，上式轉化為

Mpq=∑∑xpyqf(x,y)dxdy;(x,y)∈D。

(5)

通過幾何矩計算面積S、質心的X坐標和Y坐標，即

(6)

本系統中，最小外接矩形是指最小面積外接矩形，一般是先使用格雷厄姆法求解目標圖像的凸殼，再使用旋轉或投影的方式求取最小面積矩形[6]，對于本系統的軸承圖像而言，空隙和鉚釘孔均以軸承中心圓圓心為圓心，其最小外接矩形長邊與質點到中心圓圓心的連線方向垂直，所以可以通過連通域的質心和中心圓圓心確定主軸，進行圖像的坐標轉換，對應的轉移關系為

x′=xcosθ+ysinθ-X，

(7)

y′=-xsinθ+ycosθ-Y，

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：(x0,y0)為中心圓圓心坐標；θ為質心到中心圓圓心的直線與平面坐標正方向的夾角；H為質心到中心圓圓心的距離。

連通域中的坐標經過轉換后，分別記錄最大和最小的x′，y′，則連通域的長寬比K為

(12)

3.1.2.3 缺釘缺球檢測

在如圖6所示的軸承圖片中，對于缺球空隙所在的連通域，其最小外接矩形的長寬比大于沒有缺球的空隙所在的連通域，比如圖中左側異?？障兜拈L寬比約為6.1∶1，右側正常空隙的長寬比約為4.1∶1，因此設定長寬比閾值，將異常長寬比的矩形篩出，然后計算其質心到中心圓點的距離H，判斷該連通域是否位于軸承內圈或外圈上，如果確定是位于內圈或外圈，則說明存在缺球缺陷，將軸承自動分選出去。

圖6 空隙連通域的正常長寬比與異常長寬比Fig.6 Normal and abnormal length-width ratio of connected domain of gap

對于確定型號的軸承，所有鉚釘中心位置構成的圓即節圓，其直徑尺寸是確定的。軸承不缺失鉚釘時，在節圓圓弧上像素亮度均為0，如圖7a所示；如果鉚釘缺失，在節圓上存在亮度為255的像素，如圖7b所示，查看該像素所在連通域的等效矩形的長寬比，若為1∶1，則確定為鉚釘缺失，將軸承自動分選出去。

圖7 鉚釘檢測Fig.7 Rivet detection

3.1.2.4 轉動角度計算

經過缺釘缺球檢測之后，對于無缺陷的軸承進行轉動角計算。軸承注脂時應盡量減小注脂頭的轉動角度，從而減少注脂工序花費的時間，提高效率。為計算注脂頭的最小轉動角度，需計算注脂頭轉動位置與注脂頭初始位置之間的角度差α，如圖8所示。

圖8 注脂頭轉動位置Fig.8 Rotational position for grease injection head

已知各連通域的質心坐標(xi,yi)，θi為質心到中心圓圓心的直線與平面坐標正方向的夾角。當sinθi>0時，結合(9)～(11)式可得

(13)

則轉動角度為

(14)

3.2 下位機程序

下位機指單片機，通過串行通信將單片機與計算機連接。下位機的程序工作流程如圖9所示。

圖9 下位機程序工作流程Fig.9 Work flow chart of lower computer program

按動開始檢測按鈕，系統測定軸承類型后，在軸承還未到達檢測工位時，單片機不間斷地向計算機發送等待檢測串口信號；軸承到達檢測位置中斷觸發，單片機通過串口發出檢測信號，提醒計

算機開始進行檢測。檢測結束后，計算機將不存在缺釘、缺球的軸承注脂頭的轉動角度信息通過串行通信傳遞給單片機，單片機通過解析串口中的信息獲取注脂頭需轉動的角度和方向。最后單片機通過改變輸入電動機驅動芯片的信號脈沖數控制注脂頭的轉動。

4 軟件界面

系統軟件的軸承型號采集界面及軸承檢測界面如圖10所示。從圖中可以看出，該軸承不存在缺釘、缺球問題，注脂頭的轉動角度為3.1°。

圖10 系統界面Fig.10 System Interface

5 結束語

使用本系統對600套軸承進行檢測，其中300套為缺釘、缺球軸承，300套為正常軸承。試驗結果表明：系統將300套缺釘、缺球軸承與正常軸承分揀開來，沒有出現漏判、誤判，正確率為100%；對于正常軸承，注脂頭轉動角度檢測誤差在±0.68°范圍內，標準差為0.35。

在計算機圖像處理的基礎上，采用虛擬儀器和單片機研發了軸承缺釘、缺球和注脂頭轉動角度檢測的控制系統，實現了在一個工位同時對缺釘缺球和注脂機轉動角度的自動檢測計算，從軸承到達檢測工位到電動機轉動完畢所需時間約為0.8 s，工作效率顯著提高。實踐表明，該系統運行穩定、高效、準確，能夠滿足工業生產中對軸承裝配檢測和注脂的要求。