柱塞主缸密封凹槽表面缺陷檢測系統

郭 斌，華士丹，范偉軍，陸 藝，胡曉峰

(1.中國計量大學計量測試工程學院，浙江 杭州 310018;2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司，浙江 杭州 310018)

0 引 言

柱塞主缸[1]是車輛制動系統的重要零部件之一，其工作原理是將助力器推桿的推力轉化為液壓壓力，因此主缸需要維持良好的密封性且能夠承受一定的壓力。其壓力由密封圈與活塞相對位置控制，非制動時活塞上的小孔徑與主缸內壁上的補償孔連通，主缸內無壓力。而影響密封圈密封性能的關鍵因素即為凹槽內壁是否平整。若凹槽內壁不平整，則會影響密封性能，進而影響汽車的制動性能。

由于柱塞主缸口徑極小，無法直接觀測，傳統方法由人工將工業內窺鏡探入主缸內部，不斷調整方向，查看側面內壁凹槽表面情況。此方法耗時長，成本高，且極易誤判。韓文強等[2-3]設計了一個全景成像系統，將錐面鏡探入管孔，能夠實現一次成像，檢測微小孔徑，但其光路設計復雜，視像管制作成本高。本文針對以上研究現狀，設計了一套基于LabVIEW的視覺檢測系統，通過錐面鏡兩次全景成像，將圖片拼接后檢測。此方法工業成本低，可復現性強，能夠提高柱塞主缸的工業檢測效率。

1 檢測原理

柱塞主缸剖面示意圖如圖1所示，主缸內徑20 mm、縱深130 mm的圓柱形挖槽，上方為開口，其他面均封閉。挖槽內壁從上至下共有4個凹槽（圖中對應標注 1、2、3、4），每個凹槽寬 4.5 mm，直徑22.22 mm。檢測面為凹槽位置豎直面。

圖1 柱塞主缸剖面圖

主要技術參數為：檢測上下運動距離范圍130 mm；檢測凹槽寬度為4.5 mm；檢測凹槽直徑為22.22 mm；環境溫度為–10～55 ℃。測量精度要求： 長方向和寬方向的像素當量[2]都小于0.1 mm，即系統檢測精度優于0.1 mm。

由于主缸內徑狹小，管口透光極少，因此本文設計了一種360°錐面鏡全景成像方法，通過錐面鏡反射光線至主缸內部，反射的內壁全景圖將以圓環的方式映射到相機靶面，其光路圖如圖2（a）所示。A點為凹槽上端點，B點為凹槽下端點。A′B′為錐面鏡中A、B點的虛像。整個凹槽經反射后在相機靶面呈現以凹槽上邊緣為內圓，下邊緣為外圓的圓環。通過此方法能夠一次性采集凹槽360°方向全景圖，快速方便且易于實現。錐面鏡由固定支架固定，安裝如圖2（b）所示。為補償支架遮擋造成的圖像缺失，在檢測時將工件旋轉一定角度避開遮擋部分二次成像，對兩幅圖進行裁剪和拼接得到全景圖。

圖2 360°錐面鏡全景成像示意圖

2 系統構成及臺架設計

為滿足性能檢測功能需求，需設計一個凹槽內壁缺陷自動檢測平臺，使錐面鏡在主缸中定位精準并上下運動、缸體以固定角度旋轉、視覺傳感器拍攝圖片送至上位機進行圖像處理。通過設計合理的運動控制系統和視覺傳感系統，搭建臺架調整缸體軸心與錐面鏡軸心一致，實現目標檢測。

2.1 檢測系統性能指標

整個平臺采用全自動工作方式，設計合理的視覺傳感系統、控制系統和臺架。視覺傳感系統需選用合適的相機、鏡頭、光源以及錐面鏡?？刂葡到y由上位機PC發送數據到運動控制卡，驅動兩個電機動作，分別負責位移給進和工件旋轉。圖3為控制系統硬件模塊構成原理圖。

伺服控制機械結構設計要求：錐面鏡到達第1個凹槽位移給進12 mm，第2個位置給進35 mm，第3個位置85 mm，第4個位置93 mm。每個凹槽位置工件旋轉1次。錐面鏡固定支架的一邊在圖像中的寬度遮擋占整張圖片的12.7%，故旋轉角度在22.86°～157.14°之間均可以在拼接時避免遮擋部分重合，本文選擇旋轉角度為70°較為適中。

圖3 控制系統硬件模塊構成原理圖

視覺傳感要求：相機像素大于200萬，光學尺寸7.2 mm×5.3 mm。鏡頭視場大于20 mm×20 mm，物距大于130 mm。光源：環形光源，光照角度60°。

2.2 視覺傳感系統設計

視覺傳感系統采集錐面鏡反射的全景圖，并將其送至上位機，其機械結構如圖4所示。

圖4 視覺傳感系統

錐面鏡底面直徑為17 mm，高8.5 mm，錐面斜角為45°，能一次呈現寬度4.5 mm的凹槽景象且不會對凹槽寬度進行壓縮。由于曲率、畸變等因素影響，凹槽長度的壓縮可通過圖像處理補償。

相機型號為MV-CA060-10M。像素600萬，感光尺寸7.2 mm×5.3 mm。鏡頭型號MVL-HF2528M-6MP，焦距25 mm。因為成像物距較大，錐面鏡成像面積較小，所以選擇600萬像素的相機以保證錐面鏡成像分辨率。相機通過以太網通與PC通信，由LabVIEW VAS驅動并獲取圖像。

由于主缸口徑小使得光源光線難以進入，需考慮光線入射情況。選擇一款內徑25 mm，外徑50 mm，入射角度60°的高角度照射環形光源[4]。光源與相機相對靜止，越往下進入主缸的光線越少，需通過可通信光源控制器調節光源亮度。光源控制器通過RS232通信，亮度0～255級可調，一通道亮度級為100，二通道亮度級為150。該試驗采用一通道工作控制光源，第1個凹槽亮度級設為200級，第2個設為230級，第3個240級，第4個255級。

2.3 運動控制系統及臺架設計

臺架結構圖如圖5所示，由視覺傳感機構、垂直運動機構、產品固定平臺以及旋轉機構共同組成。其中，垂直運動機構由電機、絲桿、360°錐面鏡視覺檢測系統組成，通過電機帶動絲桿做上下運動；產品固定平臺用于主缸的固定裝夾，通過光電傳感器對其裝夾實現到位判斷；旋轉機構位于產品固定平臺底部，由控制旋轉的伺服電機驅動。運動控制流程：設定4個凹槽位置坐標值，到達位置進入拍照流程，即初次拍照、工件旋轉70°、補償拍照，完成拍照流程后系統復位。

圖5 臺架結構圖

運動控制卡采用MPC08，該卡有4個軸，能同時獨立驅動4個電機。選擇軸1控制位移電機，軸2控制旋轉電機?？刂瓶ǖ拿}沖信號頻率決定電機的轉速，脈沖信號的個數決定電機的轉角。伺服電機為富士GYS201D5-RA2型，在垂直方向上通過電機帶動絲桿使錐面鏡做垂直運動。電機帶動的絲桿導程為5 mm，即電機轉一周，絲桿前進5 mm。因信號干擾電機每轉一周會有數個脈沖丟失，影響定位精度，故提高電機旋轉一周所需的脈沖數至10 000，即每10 000個脈沖絲桿前進5 mm，此時丟失的脈沖可忽略不計。旋轉機構中的伺服電機上安裝減速器以提高扭矩，設定100個脈沖對應旋轉角度1°，即完成70°旋轉需7 000個脈沖信號[5]。

2.4 同軸驗證

為保證成像質量，減小由垂直運動機構和產品軸心不重合導致的位置偏差引起成像畸變，需調整產品固定平臺姿態，保證軸心一致。檢測軸心是否一致的方法為：先將錐面鏡探入主缸12 mm至第一個凹槽位置A，拍照檢測錐面鏡圓心與主缸管孔圓心；再下降100 mm到達位置B，再次拍照檢測；將兩次結果處理分析，若兩組數據的4個圓心像素坐標偏差均在5個像素之內，即實際偏差優于0.1 mm，則認為軸心的偏差在允許的范圍之內。圓心檢測圖如圖6所示。錐面鏡圓為綠色，主缸管孔圓為紅色。同一位置3次測量后圓心數據如表1所示[6]。其中，錐面鏡圓心為O1(X1,Y1)，主缸管孔圓心為O2(X2,Y2)。

圖6 圓心檢測示意圖

表1 兩次拍照檢測到的圓心坐標

由表可得，A、B位置圓心數組橫縱坐標偏差均在±5 pixel內，認為誤差在可接受范圍內，完成驗證。

3 圖像處理算法設計

基于系統采集的環形圖像為兩張有遮擋的凹槽景象圖，需先展開成矩形圖，并將遮擋部分裁去，對整張圖片進行完整拼接后，才能進行缺陷檢測。

3.1 環形圖像展開

獲取圖像后采用NI Assistant圓檢測模塊檢測圖像圓心與半徑。基于坐標變換和插值運算理論，將原圖像映射為矩形圖，并復制灰度值，完成圖像展開[7]。

如圖7所示，設原圖像正方形左上角為原點Q，水平方向為X軸，豎直方向為Y軸。圓心坐標為O(x0,y0)，內環半徑為r，外環半徑為R。設矩形原點為C，水平方向為U軸，豎直方向為V軸。θ對應的扇環ACGE展開為矩形ACG?E?，其對應關系如下式所示：

圖7 圓環展開示意圖

圓環上的任意一點F(x,y)與矩形上對應點F'(u,v)的轉換關系為

3.2 圖像拼接

拼接之前需將旋轉得到的第2張圖片平移。由于旋轉角度為逆時針70°，故展開第2張圖時將起始角延后70°，即可得到兩張景象相同，遮擋位置不同的展開圖。展開公式為

圖8（a）、圖8（b）即為兩次成像后帶有遮擋的全景圖。綠色部分即為替換部分。

圖8 圖像平移與拼接

圖像掩膜[8]是圖像融合拼接的常用方法，能夠通過對處理的圖像（全部或局部）進行遮擋，來控制圖像處理的區域。設旋轉0°展開圖為f(x1)，旋轉70°展開圖為f(x2)，掩膜如圖8（c）所示，設為g(x)，則完整圖：

完整展開圖如圖8（d）所示，圖中黑色長條形方塊由工件切割造成。

3.3 凹槽提取與缺陷檢測

1）凹槽邊緣提取

由圖8（d）可知，凹槽邊緣較周圍更黑，像素點對應灰度值更小。因此掃描圖像進行投影變換，以行為單位統計每行灰度和，圖像左上角為原點，繪制垂直投影圖[9]，如圖9所示。可以得到凹槽上邊緣在第54行，下邊緣在第255行。提取后得到凹槽圖如圖10所示。

2）缺陷提取

缺陷檢測前先將圖片進行中值濾波[10]，有效去除椒鹽噪聲。

鑄件表面砂眼缺陷如圖11（a）所示。去處噪聲后如圖11（b）所示。利用Canny算子[11]通過對信噪比與定位乘積進行測度，得到最優化逼近邊緣算子，并使用高斯平滑濾波器和圖像卷積得到一個濾波后的矩陣，處理后得到圖11（c）。最后進行孤立點面積閾值處理，對圖像進行膨脹處理并移除像素面積小于300的對象。標記后得到圖11（d），統計得到構成砂眼的像素點數544[12]。

圖9 凹槽全景圖垂直投影圖

圖10 提取的凹槽景象圖

圖11 砂眼缺陷檢測示意圖

劃痕缺陷示意圖如圖12（a）所示。中值濾波去噪后利用Canny算子進行邊緣提取圖像像素灰度值大于144（較白）的部分，得到圖12（b）。通過數學形態處理對圖像進行膨脹運算得到圖12（c）。最后通過長寬比閾值處理提取連通區域像素點數大于300且長寬比大于5的缺陷，即為劃痕[13]。標記后如圖12（d）所示，標記的劃痕最長的長度為151 pixel，寬度最寬為27 pixel。

4 實驗結果分析

選取合格產品切開，在凹槽表面制造劃痕后粘合工件獲取圖像。像素標定通過拍攝3 mm的標準量塊測得，如圖13所示即為縱放X方向3 mm與橫放Y方向3 mm的量塊拍攝圖。

圖12 劃痕缺陷檢測示意圖

圖13 量塊標定示意圖

旋轉平臺至不同角度，量塊相應旋轉，測得量塊厚度如表2所示。其中，像素當量=實際尺寸/占用像素數[14]。

表2 像素尺寸與像素當量數據表

由表可知，X方向像素當量為0.027 mm，Y方像像素當量為0.024 mm，均滿足小于0.1 mm的精度要求。

檢測得到砂眼面積544 pixel，實際面積為0.35 mm2，劃痕長151 pixel，寬27 pixel，實際長4.01 mm，寬0.62 mm。均能夠準確識別，滿足現場工業要求。

5 結束語

本文將360°錐面鏡全景成像系統應用到柱塞主缸凹槽表面缺陷檢測中，與伺服電機運動系統相結合，通過電機帶動相機鏡頭探入主缸內部，以環形圖的方式將景象反射到相機靶面上。旋轉工件二次成像補償錐面鏡支架的遮擋，將兩張圖片展開、拼接，得到完整全景圖后進行缺陷檢測。運動部分均由伺服電機控制，通過軟硬件結合的方式，此方法達到了最終一次呈現全景圖的目的，且快速高效地實現了對封閉式工件內壁檢測。檢測最終得到的精度均優于0.1 mm，滿足工業需求，優化了小口徑半封閉系統表面缺陷檢測的方法。