基于机器视觉的球笼保持架窗口位置检测方法.doc

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1、术导向基于机器视觉的球笼保持架窗口位置检测方法*蔡 艳 ( 上海交通大学，上海 200240)茅德成 ( 上海纳铁福传动轴有限公司，上海 201315)【摘要】介绍了一种基于视觉检测技术的球笼保持架窗口位置在线检测方法。采用具有独特双光源照明的成像系统的同时获取了窗口边缘和基准面的图像信息，以 VC + + 为平台对数字图像信息进行处理和分析，频域高斯滤波完成图像去噪后，采用形态学边缘检测算法获得窗口边缘点和基准点，利用两直线的平行关系开展最小二乘直线拟合确定窗口边缘位置。实际应用证明该系统稳定可靠，检测效率高，具有良好的应用前景。【Abstract】 CV Joint cage window

2、 line detection method based on a vision based detectiontechnology is described Digital image information is processed and analyzed with VC + + as a plat- form The practical application shows that the system is stable and reliable，and it is effective and has a good prospect【关键词】 在线检测 球笼保持架窗口 图像处理doi

3、: 10. 3969 / j. issn 1007-4554 2012 10 10生冲击、噪声和振动。目前，一般加工是采用数控车床车削内、外球面，再采用冲床将 6 个窗口冲切 成形，完成软加工。热处理后，再进行窗口宽度的 磨削。0引言传动轴等 速 万 向 节 总 成 是 轿 车 的 关 键 部 件，其中万向节球笼保持架窗口磨削加工是制约等速 万向节总成生产的瓶颈之一。6 等分窗口球笼式 保持架是该类产品中最普遍、应用最广泛的一种。 为充分满足加 工 工 艺 的 合 理 性 和 经 济 性，提 高 加 工效率，由此种 保 持 架 代 替 其 他 种 类 的 球 笼 保 持 架，是球笼式万向节标准

4、化、系列化、通用化和最 优化设计的趋势。6 等分窗口球笼式保持架有 6 个沿外球圆周 等分的窗口，如图 1 所示。窗口的宽度尺寸、窗口 中心线对基准面的距离都会影响内滚道、外滚道、 保持架和钢球之间的配合间隙。如尺寸不符合要 求，则不能保证最佳配合间隙，使用中万向节会产图 1 6 等分窗口球笼式保持架结构参数窗口冲压时，仅窗口宽度尺寸留有少量的磨削余量，作 为 热 处 理 后 的 窗 口 磨 削。其 余 窗 口 尺收稿日期: 2011 01 01*本文为上海市汽车工程学会 2011 年学术年会优秀论文。38上海汽车2012. 10 技术导向 寸一 次 冲 压 成 形，以 便 确 保 6 个 窗

5、 口 尺 寸 的 一致性。在实际生 产 过 程 中，由 于 铁 屑 等 杂 物 的 干 扰 会造成工件在 定 位 上 出 现 误 差，使 冲 压 后 的 窗 口 位置偏移，见图 2。这种情况虽然是偶发，但对后 工序的加工带来很大的隐患。图 4 视觉检测的范围此制定合理的磨削余量。为保证在 大 批 量 生 产 中 产 品 质 量 的 稳 定 性， 有必要在冲压 后 对 窗 口 位 置 进 行 在 线 测 量，将 不 合格工件剔除。另外，由于磨削余量很小，对于窗 口位置的检测 精 度 要 求 很 高，同 时 冲 床 震 动 等 干 扰也对检 测 方 法 和 设 备 提 出 了 较 高 的 稳 定

6、性 要 求。视觉检测技术在工业中的应用是近年来的研 究热点之一。它通过成像设备将待测目标转换成 图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号。图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特 征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。 视觉检测技术 可 以 大 幅 降 低 检 测 成 本，提 高 生 产 速度和效率。本文介绍一种基于视觉检测技术的保持架窗 口位置在线方法。采用具有独特的双光源光路的 机器视觉系统获取窗口单侧边缘和工件基准面的 图像信息，以 VC + + 为平台对数字图像进行处理 和分析，实现了球笼保持架窗口位置的快速、准确 检测。图 2 冲

7、压工件窗口位置偏移后工序的 窗 口 磨 削 加 工，一 般 是 以 高 速 磨 头对窗口的上下 两 边 进 行 磨 削，要 求 是 窗 口 底 边 全 部磨出。若窗 口 位 置 偏 移 量 达 到 一 定 值 时，就 会 产生窗口的一边磨不到，造成废品，见图 3 右 边; 窗口另一边磨削余量成倍的增加，导致砂轮爆裂， 损伤高速磨头，见图 3 左边。图 3 偏移的窗口在磨削时存在磨不到和余量过大现象根据冲压 件 加 工 本 身 的 特 点，它 的 加 工 面 不同于其他 机 加 工 面。一 般 而 言，冲 压 件 断 口 的 形 状，是有一段直线( 光亮带) 和一段斜线( 断裂带) 组成，并形成

8、一个喇叭口，见图 4。按传统的 测 量 方 法，一 般 测 量 的 是 从 窗 口 底 边上的冲切光 亮 带 到 基 准 面 的 距 离，它 并 没 有 反 应出窗口底边到基准面的最小距离。若使用视觉 检测，测量的是冲切断裂带外侧到基准面的距离，也就是最小距 离，它 不 仅 能 确 切 的 反 映 出 窗 口 底边在后工序加 工 中 能 否 被 全 部 磨 出，而 且 还 能 据1检测内容和流程支持架精冲过程中需保证 6 个窗口的宽度尺寸及窗口中心 线 对 基 准 面 的 尺 寸，前 者 通 过 冲 床自身精度可以很好保证，但后者在基准面有污物、 冲屑时则可能造成窗口位置偏差。球笼支持架窗 口

9、位置偏差包括窗口倾斜、距离过小和距离过大 3上海汽车2012. 1039 技术导向 种模式，如图 5 所示。2双光源光路系统及图像信息获取机器视觉中照明的目的是凸显被测物的重要特征，同时 抑 制 不 需 要 的 特 征。LED 灯 具 有 体 积 小、能耗小、热量低、高亮度、寿命长、环 保 及 坚 固 耐用等多种优越性能，是目前最为理想的光源。球笼支持 架 为 金 属 件，具 有 非 常 强 烈 的 金 属 反光，同轴光源 对 于 会 产 生 镜 面 反 射 的 物 体 具 有 良好的适应性。如图 7 所示，一块 45半透半反镜 是该类同 轴 光 源 的 关 键 器 件。将 高 亮 度、高 密

10、 度 的 LED 阵列排列在线路板上，形成一个面光源，面 光源发出的光线经过透镜后照射到半透半反玻璃 上，光线先通过全反射垂直照到被测物体上，从被 测物体上 反 射 的 光 线 垂 直 向 上 穿 过 半 透 半 反 玻 璃，进入摄像头。图 5 6 等分窗口球笼式保持架结构参数为了提高 检 测 系 统 对 生 产 环 境 的 适 应 能 力，本文所设计的检测系统以窗口边缘与基准面的相 对距离为检测目标，这与绝对位置检测方法不同， 大大削弱了工 件 定 位 和 设 备 震 动 等 因 素 的 影 响。 在窗口尺寸保 证 的 前 提 下，窗 口 中 心 线 对 基 准 面 的尺寸可转换 为 窗 口

11、 边 缘 距 基 准 面 的 尺 寸，这 样 可以大大减小 待 测 区 域 的 面 积，在 摄 像 头 尺 寸 和 分辨率不变的情况下获得最大的图像分辨率和检 测精度。本文采用日产 200 万像素( 1600 1200 ) TELI 摄像头，帧频为到 15 fps，拍摄区域仅包括基 准面和其同侧 的 窗 口 边 缘，这 样 在 本 文 的 检 测 系 统中 1 像素0 009 370 mm。具体检测流程如图 6 所示。图 7 含 45 角的半透半反镜的同轴远平行光照明同轴光源采用分光镜设计，既消除了反光，又避免了图像中产生摄像头的倒影; 此外，这种同轴 光源能够消除 物 体 表 面 不 平 整

12、 引 起 的 阴 影，减 少 干扰，从而提高成像清晰度，最终清晰地反映出凹 凸物体的表面图像。此类型光源最适宜用于反射 度极高的物体，如金属、玻璃、晶片等表面的高度 检测。另外，LED 条形光源的低角度照射是 检 测 金 属表面边缘和突出的理想照明。图 8 是本文采用 的照明光 源 布 置 示 意 图。其 中，同 轴 光 源 为 摄 像 头提供同轴光 照 明，其 光 源 沿 法 向 照 射 在 被 测 工 件的金属材质上，反射光的方向也是沿法向的，反图 6 基于视觉的支持架窗口位置检测流程40上海汽车2012. 10 技术导向 射光线传过同 轴 光 源 的 半 透 半 反 镜 进 入 摄 像

13、头，因此被测工件 的 金 属 部 分 为 白 色 高 亮 区 域; 对 于 精冲窗口而言，同轴光源的光线直接落入窗口，摄 像头无法接收 到 反 射 光 线，因 此 窗 口 部 分 在 图 像 上为黑色的暗区域。3图像处理及识别算法3 1图像预处理为了提高 机 器 视 觉 的 准 确 性 和 快 速 性，通 常需对所获得的 图 像 进 行 预 处 理，滤 除 成 像 过 程 和传输过程中产生的噪声。由于图像中的噪声在傅 里叶变换后的 频 率 域 中 主 要 表 现 为 高 频 部 分，因 此可以通过设计低通滤波器来实现高频分量的衰 减，频率域基本滤波模型如公式 1 所示。G( u，v) = H(

14、 u，v) F( u，v)( 1)其中，F( u，v) 是傅里叶变换后的图像，H ( u，v) 是滤波器函数，本文采用了高斯低通滤波器，如公式2 所示。图 8 球笼窗口检测的双光源光路系统示意图= e D2( u，v) /2D2H( u，v)( 2)0其中: D( u，v) 是 点 ( u，v) 到 傅 里 叶 变 换 原 点 的 距离，D0 是截止频率。当 D( u，v) = D0 时，信号强度 衰减到原来的 0 607。对于本文的图像预处理来 说，需要选取合适的截止频率，在平滑噪声的同时 避免边缘等尖锐部分细节的流失。图 10 为球笼支持架窗口图像的傅里叶频谱， 可以看到能量主要集中在以图

15、像中心为圆心的区 域，其分 布 半 径 约 为 100 个 像 素，本 文 选 取 D0 =50、D0 = 100、D0 = 150 分别构成低通滤 波 器 进 行图像平滑。由于支 持 架 基 准 面 在 工 件 定 位 时 与 工 装 接触，同轴光照明下其图像对比度不理想，因此设置 条形光源为基 准 面 提 供 低 角 度 照 明，利 用 低 角 度 照明对高度的敏感性可有效提高基准面图像的对 比度。通过上述 光 路 的 设 计，可 以 获 得 较 为 清 晰 的 球笼支持架窗口边缘和基准面图像，如图 9 所示。 其中区域为精冲窗口，区域为工件金属部分， 区域为定位 工 装，而 区 域 和

16、的 界 线 为 精 冲 后的窗口边缘，区域和的界线为工件基准面， 显著的对比度为准确判断窗口位置提供了条件和 保证。图 10 球笼支持架窗口图像的傅里叶频谱在考虑上 述 算 法 去 噪 效 果 的 同 时，需 保 留 目标边缘的清晰度和锐化效果，因此最终选取 D0 =100 作为滤波器的截止频率。3 2边缘检测球笼边缘点的定位算法是本文图像处理算法图 9 球笼窗口和基准面的照片上海汽车2012. 1041 技术导向 的核心，系统的 检 测 精 度 主 要 取 决 于 边 缘 点 定 位算法的精确度 和 稳 定 性，具 体 来 说 就 是 需 要 考 虑算法在以下几个方面的性能。( 1) 边缘点

17、定 位 精 度。由 于 球 笼 的 边 缘 并 非 一个理想的台 阶，而 是 一 个 灰 度 值 逐 渐 变 化 的 区 域，所以图像处 理 算 法 需 要 找 出 该 区 域 内 灰 度 变 化率最大的点。( 2) 边缘点定 位 速 度。算 法 的 计 算 速 度 必 须 满足工业生产的物流节拍。( 3) 边缘点误 定 位 率。误 定 位 是 指 将 非 边 缘 区域内的点认 作 为 边 缘 点，这 会 使 后 续 的 边 缘 拟 合过程出现奇 异 点，少 数 的 奇 异 点 可 以 通 过 后 续 的算法剔除，但其数量增大到一定值时，就会严重 影响边缘定位准确性。图像处理领域认为一个好的边

18、缘检测算法应 满足以下要求: 检测精度高; 抗噪能力强; 计算速 度快; 便于 并 行 实 现。形 态 学 边 缘 检 测 梯 度 算 法 根据图像的几 何 特 征，采 用 与 图 像 细 节 匹 配 的 结 构元，既 能 提 取 精 细 的 边 缘，又 能 很 好 地 抑 制 噪 声，满足上述的 4 个要求，特别是在计算速度上有 很突出的优点。所以本文采用形态学边缘梯度检 测算法来进行球笼窗口边缘点的定位。膨胀和腐 蚀 是 数 学 形 态 学 的 两 种 基 本 运 算。 对于灰度图像 f( x，y) ，令 fb 和 fb 分别表示膨 胀和腐蚀运算后得到的图像，b( m，n) 表示结构元 素

19、，Df 和 Db 分别是 f 和 b 的定义域，则膨胀和腐蚀 运算可分别定义为:用结构元素 b 对图像 f 进行开操作和闭操作表示为 f b 和 fb，分别定义如下:f = ( fb) bbfb= ( f b) b形态学的开操作和闭操作能够有效增强边缘定位算法对于 噪 声 的 稳 定 性，常 用 的 基 本 形 态 学梯度边缘检测算子如式 3 所示:G= ( f b) ( fb)( 3)利用开操作和闭操作的特性可以对上述算法进行修改，如式 4 所示:G = ( f( x，y)b) b ( f( x，y) b) b( 4)式 4 为本文所采用的形态学边缘梯度检测算子。在实际运用时，为了提高运算效

20、率，从整幅图 像中截取感兴 趣 区 域，在 该 小 尺 寸 区 域 内 寻 找 精 冲窗口边缘和工件基准面。图 11( a) 是通过该方法输出的精冲窗口边缘灰 度图像，灰度值的大小反映了边缘梯度值的强弱，但 这种方法得到的边缘可能是多像素的，这对于精确 测量是不利的，因此需对所得到的多像素边缘进行 形态学骨架化处理。具体做法是: 在每扫描行中取 灰度峰值点作为该行的边缘点，图 11( b) 是通过该 方法得到的单像素球笼窗口边缘图像。f b= max f( x m，y n) + b( m，n) |( x m) ，( y n) Df ; ( m，n) Db fb= min f( x m，y n)

21、 b( m，n) |( x m) ，( y n) Df ; ( m，n) Db 经腐蚀运 算 后，边 缘 部 位 灰 度 值 相 对 大 的 点的灰度值会降 低，从 而 边 缘 会 向 灰 度 值 高 于 相 邻 区域的亮区域内收缩; 经膨胀运算后，边缘会向灰 度值低于相邻区域的暗区域内扩张。基于以上两种运算，先腐蚀后膨胀的过程称 为开运算，它具有消除细小物体、在纤细处分离物 体和平滑较大 物 体 边 界 的 作 用; 而 先 膨 胀 后 腐 蚀 的过程称为闭运算，具有填充物体内细小空洞、连 接邻近物体和平滑边界的作用。图 11 图像水平方向边缘点提取效果由于形态学边缘梯度算法引入了开、闭运算

22、，所以移除了细 小 颗 粒 对 边 缘 定 位 的 干 扰，边 缘 图像中没有出现 奇 异 点，保 证 了 边 缘 拟 合 的 精 度 和稳定 度; 同 时 该 算 法 在 VC6 0 环 境 下 耗 时 约 为260 ms，完全满足系统整体节拍要求。42上海汽车2012. 10 技术导向 3 33 3 1边缘拟合算法设计最小二乘法窗口边缘 与 基 准 面 在 图 像 上 具 有 显 著 不 同，精冲过程中难 免 会 在 窗 口 边 缘 上 形 成 一 些 毛 刺， 在同轴光照射 下 会 在 其 图 像 上 表 现 为 边 缘 模 糊、 光晕等干扰，如图 12 所示，窗口边缘某些部 分 的 灰

23、度变化较为 平 缓，此 时 基 于 形 态 学 的 边 缘 检 测 方法易出现局 部 误 判，即 部 分 扫 描 线 上 对 窗 口 边 缘 点 的 识 别 出 现 异 常 值，给 后 续 直 线 拟 合 造 成 困难。基于最小二乘原理的直线拟合方法是最为常 用的平面直线 拟 合 方 法，由 于 异 常 值 与 拟 合 直 线 上点之间差别 很 大，使 得 其 误 差 平 方 和 的 差 值 较 大，于是就会出现拟合直线的“失真”现象，因此常 用的方法是先 将 异 常 点 剔 除 掉 再 进 行 拟 合，但 是 异常点去除判 据 常 常 缺 乏 客 观 标 准，基 于 经 验 阈 值的方法进行

24、滤波易带来检测结果的波动。对于球笼 支 持 架 而 言，窗 口 边 缘 与 基 准 面 应 当保持平行关 系，即 两 条 拟 合 直 线 的 斜 率 应 当 是 一致的，利用平 行 关 系 来 相 互 制 约 窗 口 边 缘 拟 合 时噪声点的影 响，从 而 矫 正 窗 口 边 缘 单 边 拟 合 的 “失真”。将窗口边缘拟合线写为 y = a1 X + b2 ，由 于工件定位时 具 有 微 小 波 动，因 此 对 于 每 个 窗 口 来时说，a1 的大小是变化的。在实际操作过程中， 当 a1 0 01 时将基准面边缘和窗口边缘都视为竖 直线进行计算，这样可以大大节约计算成本。图 13 中窗

25、口 边 缘 的 绿 色 点 划 线 为 最 小 二 乘 拟合的直线，红 色 线 为 采 用 平 行 拟 合 算 法 的 拟 合 效果，从中可以看出，直接对窗口边缘进行最小二 乘拟合，由于干 扰 点 的 存 在 拟 合 直 线 与 实 际 边 缘 位置存在一定差异; 采用平行拟合方法时，将基准 面 拟合线的斜率作为窗口边缘直线拟合时的指定最小二 乘 法 的 基 本 思 想 是 通 过 一 组 检 测 数据，按 残 差 平 方 和 最 小 原 则，寻 找 一 个 解 析 函数3，从而描述几个变量之间的关系。给定一组数据xi ，yi ( i = 1，2，3 n) 作拟合直线 y = ax + b，求

26、出 a、b 满足以下条件4:n2 ( b，a)于是有:= y ( b + ax ) 2( 5)iii = 1n2= 2yi ( b + axi ) ( xi )i = 1n= 2yi ( b + axi ) ( 1)= 0( 6)a2= 0( 7)bi = 1因此可得:nnnb + a xii = 1n= yii = 1nn2b xi + a xi = xi yii = 1i = 1i = 1由于支持 架 的 基 准 面 是 磨 削 过 的，不 存 在 毛刺等干扰，其图像的直线度较好，因此在实际操作 中先对基准面 利 用 最 小 二 乘 法 进 行 直 线 拟 合，得 到基准面的拟合直线 y

27、= a1 x + b1 ，图 12 所示为基 准面的拟合效果。图 12 基准面边缘点的最小二乘直线拟合图 12 中，所拟合直线的斜率 a1 = 0. 0008 43，截距 b1 = 1 513. 374 2，由此可见基准面边缘在图 像中基本是竖 直 的，当 然 这 种 竖 直 程 度 是 由 被 测 工件和摄像头 的 相 对 位 置 决 定 的，在 实 际 生 产 过 程中难免会存在一些波动。图 13 窗口边缘点的平行拟合效果( 下转第 46 页)3 3 2平行拟合算法上海汽车2012. 1043 技术导向 脚底板和踏板之间接触力过大，其原因有: 离合器设计分离力偏 大; 分 离 轴 承 与

28、导 向 套 之 间 滑 动 阻 力变大等原因 引 起 分 离 操 纵 系 统 负 载 效 率 降 低; 摩擦片磨损较 多，使 膜 片 弹 簧 达 到 了 分 离 力 最 大 的状态。与分离指之间产生的振动经拉锁传给了踏板。更换新离合器，清 理 分 离 轴 承 导 套 和 一 轴 花 键 上 的混合物，重新安装使用，上述抖动问题消失。4结语3解决离合器发抖的案例对离合器常见故障形式及原因分析、了解，可帮助排查、排除离合器故障。离合器的设计匹配、 装配、驾驶员的驾驶习惯都可能引起离合器故障。 若要减少或避 免 离 合 器 故 障，不 仅 需 要 设 计 上 做 好匹配，装配时按要求进行，也需要驾驶

29、员养成良 好的驾驶习惯。某车行驶了约 1 万 km，离合器出现发抖故障( 该车的分离机构为拉锁式) ，踏板在空档时也存 在抖动。初 步 诊 断，应 为 分 离 指 不 平 引 起。拆 开 变速器，取下离合器: 从动盘无损坏，盖总成和飞 轮的摩擦 面 无 异 常 磨 损。仔 细 观 察，分 离 指 端 有 沟槽 存 在，各 个 分 离 指 的 沟 槽 深 度 不 同; 一 轴 花 键、分离轴承导套上有油脂混合物( 油脂中混入了 灰尘、磨屑形成) ，滑动卡滞。沟槽深度不同，表明 分离指端不平; 分离轴承由于卡滞无法正常回位，参考文献1 徐石安 汽车离合器M 北京: 清华大学出版社，20052 QC

30、 / T25-2004 汽 车 干 摩 擦 式 离 合 器 总 成 技 术 条 件S 北京: 中国计划出版社，2004檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿( 上接第 43 页)斜率，得到的拟合直线更加符合实际情况。最小二乘直线拟合确定窗口边缘位置。( 2) 实际应用证明该系统对精冲窗口位置的 在线检测具有效率高、稳定性好的特点，能够满足 实际生产的需要，具有良好的应用前景。( 3) 由于球笼支持架为球面，基准面和窗口边 缘在高度方向上存在差别，本文所设计的照明和成 像系统在该方向上的容忍度有所不足，这也是造成 窗口边缘点较为分散的原因之一，

31、目前正在设计相 关改进方案，拟在今后的检测过程中有所提高。4应用效果分析本系统由上海交通大学和上海纳铁福传动轴有限公司联合开发研制，经过长期运行，该检测系 统的类误判( 将合格产品判为不合格) 出现率1% ，类误判( 将不合格产品判为合格) 的出现率为 0% ; 单个工件的全部 6 个窗口的总计检测时间10 s，满足现行冲床生产节拍要求，具有良好的应用前景。参考文献1张宝润 等速万向节球笼保持架窗口磨削技术J 制5结论和展望造技术与机床，2003( 10) : 57-592 石宝枢 六等分窗口球笼式保持架结构主参数的设计 计算J 轴承，2007( 9) : 7-103 Li Y S ，Youn

32、g T Y ，Magerl J A Subpixel edge detectionand estimation with a microprocessor controlled line scan cameraJ IEEE Transactions on Industrial Electronics，1988，35( 1) : 105-1124 许海涛，高彩霞 直线拟合算法J 电脑知识与技术，2009，5( 4) : 864-867( 1) 采用具有独特双光源照明的成像系统获取球笼支持架精冲窗口边缘和基准面图像，以 VC+ + 为平台对 数 字 图 像 信 息 进 行 处 理 和 分 析，通 过频域高斯滤 波 完 成 图 像 去 噪，设 计 了 基 于 形 态 学的边缘检测 算 法，利 用 两 直 线 的 平 行 关 系 开 展46上海汽车2012. 10