基于机器视觉的高精度同轴度图像检测系统

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1、基于机器视觉的高精度同轴度图像检测系统傅海轮1梁冬泰2（1.浙江省计量科学研究院；2.宁波大学机械工程与力学学院）【摘要】：针对磁推轴承同轴度高精度测量的要求，实现了一种基于机器视觉的数字图像测量系统，对系统的机械结构、运动控制、光学成像和图像检测系统进行了设计。提出了Canny-Hough图像边缘检测定位算法，精确检测和定位导向针轮廓，实现同轴度的高精度测量。【关键词】：磁推轴承同轴度数字图像测量中图分类号：TH文献标识码：A文章编号：：1002-6908(2012)0610016-021、前言磁推轴承是单向、三相机械

2、式电能表的关键元件，其结构主要包括轴承外圆柱面、导向针和永磁体三个部分。磁推轴承在出厂必须经过同轴度检测，国家标准规定轴承的外圆柱面与导向针的同轴度不应大于75um[1]。目前，国内许多磁推轴承生产厂家在产品的同轴度检测上，还是依靠机械式光学投影仪进行同轴度检查，利用人工进行手动操作和肉眼读数。这类检测方法效率低，易造成检测人员的疲劳，降低了测量精度和可靠性。随着经济的发展，工业生产线对产品质量控制的要求越来越高，利用人眼进行检测并不能满足生产线对实时性与可靠性的要求[2]。随着现代制造业的发展，基于数字图像传感器、图像

3、处理技术的机器视觉自动检测系统和设备，在各种工业产品检测中得到了广泛应用[3,4]。尺寸及形状的机器视觉检测是根据图像测量物体的尺寸，判断其是否在允许的公差范围内，对物体的姿态进行定位或者检测物体的形状是否符合要求等。在尺寸测量及形状检测应用中，Jimenez提出利用形状识别算法识别树上的果实，并利用激光测距来定位果实位置，实现果实自动收获[5]。Magee利用基于模型的计算机视觉方法，设计实现了在复杂工业环境下能够估计物体姿态的检测系统[6]。机器视觉特别适合复杂形状尺寸的测量，Hunsicker在文献提出利用机器视觉

4、检测螺纹线的方法，取得了较好的测量精度[7]。国外对磁推轴承同轴度的检测已经有研究，JozeDerganc提出磁推轴承同轴度和轴针长度的检测方法，并进行了初步的实验[8]。但由于技术与成本等限制，国内磁推轴承同轴度的机器视觉检测应用还比较少，针对磁推轴承导向针同轴度高精度自动测量的要求，本文设计实现了一种基于机器视觉的数字图像测量系统。2、系统工作原理与硬件设计2.1工作原理磁推轴承同轴度机器视觉检测系统由机械台架、电动旋转夹具、步进电机控制器、背光光源、高分辨率USB相机及放大镜头和工控计算机几个部分组成，如图2所示。

5、电动旋转夹具由夹具底座、2组高精度轴承和步进电机驱动的压轮构成，高精度轴承提供了测量同轴度所需的V型支承，测量时由步进电机带动压轮，压紧磁推轴承的基准圆柱面，驱动磁推轴承在夹具上绕基准圆柱面的轴线旋转，完成导向针同轴度的测量。背光光源和相机分别位于导向针的两侧，背光光源近似是平行光，将导向针前端部分的背影轮廓经过放大镜头，投影聚焦在数字相机的CCD成像元件上。数字相机采用USB2.0接口，直接与工控计算机相连。整个系统的应用程序运行在工控机上，应用程序根据相机提供的API程序获得图像数据，并对图像进行数字图像处理。工控机

6、通过R232串口与运动控制器进行通讯，获得系统启动、停止和结果保存的命令。系统启动后，步进电机驱动压轮带动磁推轴承旋转，工控机利用图像处理算法获得导向针上边缘轮廓在旋转过程中的径向跳动，把距离导向针顶部1mm的位置作为测量点，将该点的最大径向跳动作为导向针的同轴度。2.2机械结构及运动控制设计为了实现同轴度的高精度测量，必须设计实现高精度的电动旋转夹具。系统中采用了两组SKF高精度轴承作为支承结构，被测的磁推轴承安装在高精度轴承构成的V型支承面上。为了实现轴针在V型支承结构上的自动旋转，设计了步进电机驱动的压轮。步进电机

7、及传动齿轮和压轮都安装在可以向上打开的回转手柄上，打开手柄安装上被测的磁推轴承，压轮依靠整个手柄的重力压紧在轴针的基准圆柱面上。压轮可以由步进电机驱动，也可以由与压轮直接连接的手轮手动驱动。运动控制器主要用来控制和驱动步进电机，同时包含红色“启动”和绿色“保存”两个用户输入按钮，能够和工控计算机进行串口通讯。运动控制器由AVRMega32单片机和步进电机驱动芯片及电路构成。当用户按一下“启动”按钮后，步进电机按照用户设定的速度旋转，同时运动控制器发送串口命令，工控机上的应用程序接收到开始命令后，进行图像处理检测导向针的上

8、边缘的径向跳动，旋转中测量到的最大跳动作为同轴度。当用户再次按启动按钮后，步进电机停止转动，同时运动控制器通过串口发送停止命令，工控机应用程序接收到停止命令后，停止图像处理，显示测量到的同轴度，并判断被测轴针同轴度是否在误差范围内，显示合格与否。按下保存按钮后，可以将本次测量数据保存到计算机excel数据文件中。2.