基于機器視覺的軸承轉(zhuǎn)速測量方法

盧夢思 郝鐸 劉華宇

北華航天工業(yè)學(xué)院，河北廊坊 065000

0 前言

機器視覺（Machine Vision）是用機器來代替人眼做出判斷。機器視覺系統(tǒng)[1]是通過圖像攝取裝置將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)化為圖像信號，再經(jīng)過處理轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的過程。隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展成熟，基于視覺的非接觸測量方法的應(yīng)用也越來越廣泛[2-7]，在航天事業(yè)、國防科技等方面發(fā)揮著重要作用。

滾動軸承由內(nèi)圈、外圈、滾珠、保持架4個部分組成[8]。目前對軸承保持架轉(zhuǎn)速進行測量大多是通過編碼器或者磁電式轉(zhuǎn)速傳感器來獲取軸承的轉(zhuǎn)速。光電編碼器[9]主要是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換為脈沖或數(shù)字量的傳感器。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器[10]是通過磁通量的變化將轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢。然而，光電編碼器要安裝在被測軸上需要占用空間；磁感應(yīng)傳感器檢測目標(biāo)時，需要在檢測的位置安裝傳感器和齒輪，從而測量出結(jié)果，所以都有一定的局限性。

本文基于機器視覺檢測軸承轉(zhuǎn)速，使用CCD攝像機采集視頻信息，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)動過程對軸承的非接觸、無損傷、便捷快速的測量。

1 目標(biāo)檢測

在圖像處理中，視頻可以分為若干幀，從中提取目標(biāo)信息。將采集的運動軸承的視頻轉(zhuǎn)化成幀，通過圖像處理的方法，將特征點提取出來。以軸承的圓心為參考點，特征點隨著軸承運動，即特征點代表著軸承，通過軸承和圓心的位置關(guān)系，求取軸承轉(zhuǎn)速信息。圖1為檢測流程圖。

1.1 圖像采集

將相機、光源固定在支架上，調(diào)整CCD攝像機參數(shù)，實現(xiàn)對運動目標(biāo)圖像的采集，視頻序列的序列幀分解，獲取采集頻率和幀間時間差。圖2所示為硬件搭建平臺，主要由相機、光源、滾動軸承、電機、上位機組成。

1.2 特征點提取

采集到的圖像中，每個像素對應(yīng)一個三維向量（r，g，b），3個疊加起來就是每個像素的顏色。將帶有標(biāo)記點的RGB圖像分成R、G、B對應(yīng)顏色的3個二維矩陣，先預(yù)設(shè)一個閾值，如圖3所示，假定選用紅色標(biāo)記，R與G、B逐點比較，得到標(biāo)記顏色對應(yīng)的二值圖像，即像素點做差，若R與G和R與B的差同時滿足大于閾值，則為標(biāo)記區(qū)域位置，若差小于閾值，則將閾值減小，繼續(xù)逐點比較，以此方法類推，直到找到標(biāo)記區(qū)域位置為止。因為標(biāo)記點是一個區(qū)域，由多塊像素構(gòu)成，可以用標(biāo)記點的中心點代表整個標(biāo)記為特征點，根據(jù)二值圖像標(biāo)記顏色對應(yīng)的像素以此得到標(biāo)記的形心坐標(biāo)。

1.3 參考點提取

以軸承的圓心為參考點，要想求得圓心，必須將軸承的邊緣提取出來，所以，圖像處理中最關(guān)鍵的就是提取圖像的邊緣。通過Canny算法[11]對圖像進行邊緣檢測，原理和步驟為：使用高斯濾波平滑圖像來減少噪聲干擾；再用一階偏導(dǎo)的有限差分計算每個像素點梯度的幅值和邊緣方向，將梯度幅值進行非極大值抑制，即將某一點和它邊緣方向上相鄰的兩個點的梯度值比較，將不是最大值的像素梯度值設(shè)為0，如此循環(huán)，得到初步的邊緣輪廓圖像；最后使用雙閾值算法檢測邊緣；將得到的圖像取兩個閾值，T1和T2，將小于T1的像素設(shè)為0，有大部分的邊緣信息，將小于T2的像素設(shè)為0，去除了較多的噪聲，將兩個閾值圖結(jié)合得到連接圖像的邊緣。

霍夫變換[12]是常用的檢測圓的方法。該方法是將圖像空間通過映射關(guān)系轉(zhuǎn)化為參數(shù)空間中的累加問題，最終達到檢測直線或者圓的目的。利用霍夫變換可識別出目標(biāo)軸承，得出軸承保持架的圓心坐標(biāo)，即參考點的位置，如圖4所示。

1.4 轉(zhuǎn)速和接觸角計算

將軸承的圓心作為原點，右邊水平方向為x軸正方向，上方垂直方向為y軸正方向，根據(jù)兩點確定一條直線，由直線的斜率可計算出標(biāo)記點和參考點圓心構(gòu)成的直線與x軸正方向所形成夾角，可得到每一幀圖像標(biāo)記角度，進而可得到所有時間序列的標(biāo)記點的角度序列。根據(jù)采集到的離散數(shù)據(jù)，利用幀間差分法計算軸承的瞬時速度。

由相鄰幀圖像上的標(biāo)志物的旋轉(zhuǎn)角度差，計算角速度和轉(zhuǎn)速。如公式（1）、（2）：

其中，Δθ——角度差；

Δt——時間差；

ω——角速度；

nc——保持架轉(zhuǎn)速。

由公式（1）、（2）可以得到軸承保持架的轉(zhuǎn)速，將得到的數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)建模，擬合實現(xiàn)軸承轉(zhuǎn)速的實時測量。

接觸角就是球軸承在承受軸向載荷的時候，內(nèi)外圈溝道與鋼球的實際接觸點連線與平行于該軸承端面的徑向平面之間的夾角。球軸承的接觸角大小會直接影響到軸承的承載能力、剛性，以及工作可靠性，所以在實際項目中，獲取接觸角信息變得尤為重要。計算接觸角是需要滾珠的直徑（DW）、截圓直徑（DPW）、內(nèi)外圈轉(zhuǎn)速和軸承保持架與內(nèi)外滾道的相對轉(zhuǎn)速測量的。

固定內(nèi)圈，即ni=0旋轉(zhuǎn)外圈的接觸角為公式（3）：

其中，no——外圈轉(zhuǎn)速；

DW——滾珠直徑。

固定外圈，即no=0旋轉(zhuǎn)內(nèi)圈的接觸角為公式（4）：

其中，ni——內(nèi)圈轉(zhuǎn)速；

Dpw——截圓直徑。

由此，可計算出接觸角的大小。

2 可靠性分析和檢測結(jié)果

利用搭建的模型測量軸承內(nèi)徑的轉(zhuǎn)速，對比電機設(shè)定的轉(zhuǎn)速，得出模型的相對誤差來驗證模型的可靠性。表1為不同設(shè)定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速測量情況及相對誤差值。

從表1計算結(jié)果中可以看出，用此方法檢測到的轉(zhuǎn)速與用JW6314型號電機設(shè)定的轉(zhuǎn)速很相近。依照J(rèn)JG 1134-2017轉(zhuǎn)速測量國家標(biāo)準(zhǔn)，本文所設(shè)計轉(zhuǎn)速測量裝置符合0.01等級最大誤差性能指標(biāo)。

表1 不同設(shè)定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速測量情況及相對誤差值

根據(jù)本文提出的方法對軸承的轉(zhuǎn)速和接觸角進行實時在線測量，表2為測量結(jié)果。

表2 轉(zhuǎn)速與接觸角測量結(jié)果

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于機器視覺技術(shù)檢測軸承轉(zhuǎn)速的方法，首先通過工業(yè)相機實時獲取圖像信息，再經(jīng)過圖像算法處理得到軸承保持架的轉(zhuǎn)速信息和保持架接觸角度信息。該測量方法可實現(xiàn)轉(zhuǎn)動過程對軸承的非接觸、無損傷、快速的實時測量。該方法抗干擾能力強，操作便捷，克服了傳統(tǒng)檢測方法的弊端。缺點是檢測樣本需要設(shè)置標(biāo)記點，檢測結(jié)束還需要擦除操作，當(dāng)遇到樣本量大時，工作量也會加大，因此，需要進一步研究測量方法，以便更快捷地實時檢測。