CN109916915A - 一种基于可控光源的航空轴承滚珠视觉检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于可控光源的航空轴承滚珠视觉检测装置及检测方法，属于滚珠轴承检测技术领域。本发明为了解决现有技术不能实现对航空轴承总成的检测，现有的检测装置和检测方法达不到航空轴层滚珠高精度的要求；本发明包括光源模块，包括由红、绿、蓝三色可变灯珠构成的LED点阵，光源模块的输出光线垂直照射在被测航空轴承上；定位模块，包括激光阵列板，激光阵列板发出的激光光束垂直照射在被测航空轴承上形成定位光斑点阵；图像采集模块和控制模块；本发明实现了航空轴承总成的快速，精准的检测。

Description

一种基于可控光源的航空轴承滚珠视觉检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种轴承滚珠检测装置及方法，属于滚珠轴承检测技术领域，具体涉及一种基于可控光源的航空轴承滚珠视觉检测装置及检测方法。

背景技术

航空轴承是一种非常精密的机械元件，在航空轴承装备过程中，由于装备环节较多，装备后的轴承存在缺珠、错珠、坏珠的隐患。目前对于轴承的检测只限于环节检测，缺少终端总成检测手段。

由于安装完备的轴承被保持架遮挡，滚珠只能通过狭小的细缝获得轴承滚珠图像，但是在设计时发现轴承滚珠成像为曲面局部成像，成像的清晰度决定了图像处理的难度、处理结果的准确度及处理结果的清晰度。所以基于对整个检测系统的分析发现，通过提高相机分辨率和提高光源亮度虽然能够在一定程度上提高图像的质量，但是这种方法不仅会大大的提高成本，并且由于光线亮度太高，导致所得到的图像边缘特征不够明显，如图7所示，每次调节相机焦距和物距都要手动标定，存在误差很大，自动化程度低的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提出了一种基于可控光源的航空轴承滚珠视觉检测装置，实现了航空轴承总成的快速，精准的检测。

本申请的一种基于可控光源的航空轴承滚珠视觉检测装置，包括：

光源模块，包括由红、绿、蓝三色可变灯珠构成的LED点阵，光源模块的输出光线垂直照射在被测航空轴承上；

定位模块，包括激光阵列板，激光阵列板发出的激光光束垂直照射在被测航空轴承上形成定位光斑点阵；

图像采集模块，包括图像采集器和旋转平台，图像采集器采集位于旋转平台上的航空轴承的图像；

控制模块，包括主控单元和图像测算单元，主控单元的控制输出端连接光源模块的LED灯珠、定位模块的激光阵列和图像采集模块，图像测算模块根据图像定位信息和图像采集器采集的图形对轴承滚珠的尺寸进行检测。

进一步的，所述光源模块包括灯板、扩散板和第一分光镜，灯板的板面与扩散板的板面平行，所述LED点阵安装在灯板上，灯板上的LED点阵发出的光线经扩散板照射在第一分光镜上，光线经第一分光镜形成垂直光线。

进一步的，所述扩散板靠近灯板一侧凹陷形成弧形凹陷。

进一步的，所述灯板与扩散板之间设有腔体，腔体的侧壁为锯齿螺纹结构。

进一步的，所述被测航空轴承的一侧设有反光镜，反光镜位于光源光线相对的一侧。

进一步的，所述定位模块包括第二分光镜，激光阵列发出的光线经第二分光镜后垂直照射在被测航空轴承上形成定位光斑。

进一步的，所述基于可控光源的航空轴承滚珠视觉检测装置包括固定支架，图像采集器安装在固定支架上，固定支架上安装有粗准焦螺旋和细准焦螺旋。

一种基于可控光源的航空轴承滚珠视觉检测方法，包括如下步骤：

步骤一、制备光源模块，控制模块根据航空轴承的滚珠的尺寸，控制模块控制LED点阵上的LED灯珠发光，构建所需的光照环境；

步骤二、定位模块发出定位光斑，图形采集模块获取光斑点阵图像并对航空轴承滚珠定位，进而确定定位的航空轴承滚珠的实际半径尺寸；

步骤三、控制模块发送控制指令使转动平台转动，图像采集模块完成对整个轴承的采集；

步骤四、将采集的图像进行预处理，通过CNN神经网络对航空轴承的滚珠圆弧进行训练后识别轴承滚珠的圆弧；

步骤五、通过最小二乘法计算所述滚珠半径，并重构圆；

步骤六、将检测航空轴承滚珠半径尺寸与邻近半径尺寸划分成若干区间，并对每个区间进行评分，对实际测量的尺寸评分进行分类。

进一步的，步骤一所述光源模块结构的设计方法包括：

制备灯板：将LED灯珠安装在灯板上形成LED点阵，相邻LED灯珠之间的间隔与灯珠直径的比值范围为0.2-0.5；

制备扩散板：根据单粒灯珠的配光曲线成类朗伯体发光特性，通过光学仿真得到扩散板上弧形凹陷的尺寸；

在灯板与扩散板之间搭建空心腔体，腔体内壁为锯齿螺旋结构。

进一步的，步骤二所述确定定位的航空轴承滚珠的实际半径尺寸的方法为：

根据光斑点阵中每个光斑中心在采集图像中的坐标，确定图像中任意相邻两个光斑中心坐标点之间的距离d2；

根据已知相邻激光的距离d1，求出通过K求得滚珠的实际半径尺寸。

本申请与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本申请的检测装置的光源模块根据视觉检测算法原理结合轴承滚珠检测所遇到的曲面成像问题与其他小物件视觉检测的不同而设计，具有可变换LED灯珠构成的点阵，保证光源的光色和光强可控，提供了适用于轴承滚珠检测的均匀光线，在检测过程中可以根据需要提供不同的照射环境，相比传统的强光照，采集的图像清晰度更高，可以更为清楚的识别采集图片中的轴承特征，提高了航空轴承检测的准确率；

2、本申请的光源模块发出的光源光线垂直照射在被测航空轴承上，避免反光和其他光线干扰，提高采集图片的清晰度；

3、本申请采用定位模块发出的激光光斑垂直打在被测轴承上，通过激光光斑的坐标进行轴承滚珠定位；

4、本申请的图像采集模块包括图像采集器和旋转平台，位于旋转平台上的航空轴承随着旋转平台旋转，同时图像采集器采集不同旋转角度时的航空轴承图像，直至完成整个航空轴承图像的采集；

5、本申请的采用的图像检测方法避免了轴承滚珠进行边缘检测时容易与毛屑边缘混淆，造成检查测偏差，检测准确度达到微米级，符合航空轴承的高检测标准的要求。

附图说明

图1是本发明实施例的轴承检测装置结构示意图；

图2是本发明实施例的灯板结构示意图，图2a为灯板主视图，图2b为图2a的左视图；

图3是本发明实施例的扩散板结构示意图，图3a为扩散板的主视图，图3b为图3a的右视图；

图4是本发明实施例的灯板、扩散板及腔体结构示意图；

图5是本发明实施例的激光阵列光源结构图；

图6本发明实施例控制系统框图；

图7为普通光源下拍摄的轴承图片；

图8本实施例的光源在不同的光色下拍摄的图片，图8a和图8b均为蓝色光源下拍摄的轴承图片，图8a的光源光强小于图8b的光源光强，图8c为红色光源下拍摄的轴承图片，图8d为绿色光源下拍摄的图片；

图9轴承检测算法流程效果图，图9a为采集到的原始图片，图9b为边缘检测图片，图9c为分割圆弧的图片，图9d为拟合后的圆的图片，图9e为本实施例具体计算过程；

图中，1、粗准焦螺旋，2、细准焦螺旋，3、固定支架，4、灯板，41、LED灯珠，42、LED点阵，5、扩散板，6、腔体，61、锯齿螺纹结构，7、第一分光镜，8、激光阵列，9、第二分光镜，10、旋转电机，11、反光镜,12、CCD相机。

具体实施方式

为了进一步详细说明本发明的具体方案，下面结合附图对本实施例进行进一步描述。

如图1所示，本实施例的一种基于可控光源的航空轴承滚珠视觉检测装置，包括固定支架3，固定支架3上安装有光源模块、定位模块和图像采集模块；

所述图像采集模块包括图像采集器、图像采集卡和旋转平台，本实施例采用的图像采集器为CCD相机12，旋转平台包括旋转电机10和承载平板，被测航空轴承放在承载平板上端，旋转电机10带动承载平板同步旋转，CCD相机12固定在固定支架3上，且CCD相机12位于承载平板的正上方，采集位于承载平板上的航空轴承的图像，图像信息通过图像采集卡发送至控制模块。

固定支架3上具有可以对CCD相机12进行调节的粗准焦螺旋1和细准焦螺旋2，在检测时通过调节粗准焦螺旋1粗略定焦，再通过调节细准焦螺旋2找到合适的焦点。

所述光源模块包括灯板4、扩散板5和第一分光镜7，灯板4的板面与扩散板5的板面平行，且灯板4和扩散板5均竖直放置，灯板4上安装有LED点阵42，灯板4上的LED点阵42发出的光线经扩散板5照射在第一分光镜7上，若LED点阵42光源直接照射在被测航空轴承上，会出现光线不均，使被测航空轴承的部分特征并不能清晰地采集，所以，第一分光镜7与水平面呈45°布置，灯板4发出的水平光线通过扩散板5后经第一分光镜7形成垂直向下光线，即使光源发出的光线垂直照射在轴承上，并且，本实施例的第一分光镜7采用的是二分之一分光镜，光源发出的光线经过二分之一分光镜保证光源的光线充分照射到被测轴承上，有效的减少了光强损失，由CCD相机12得到轴承清晰的轮廓后进行算法处理。

为了适应不同大小轴承滚珠的测量，灯板4的尺寸与其他相似类型的测量装置光源相比尺寸相对较大，在此将光源面板的长度L设计为70mm，每一个灯珠Φ为5mm，灯珠与灯珠之间的间隔为1.8mm，具体入图2所示。

本实施例的灯板4上LED点阵42采用了红、绿、蓝可调的单粒LED构成，光源阵列每一个LED都为单粒可控的集成芯片，可根据航空轴承滚珠的尺寸不同，通过控制模块对控制器发送不同的指令改变其灯光的颜色、亮度以及点亮的范围；在对同一个轴承的滚珠进行检测时，可以通过调节灯光的参数，为CCD相机12拍摄提供不同的拍摄环境，由图像处理算法对不同环境下的图片综合处理，计算出测量结果。

如图3所示，为扩散板5结构图，本申请为了满足对不同尺寸航空轴承滚珠的测量，加大了灯板4上LED灯珠41的直径，由于LED灯珠41之间存在着间隙，从而导致了在不同的位置光度叠加不均匀，已知单粒灯珠的配光曲线成类朗伯体发光特性，为了便于分析，朗伯体I＝I_maxcosθ，每粒LED光源中心光强叠加近似为然而相邻四粒LED其中心线交点的位置其光强叠加近似为I_a与I_b相比近似多了一个中心光强的强度，而且由a到b其光强叠加和是不断减小的，根据上述Fenix将扩散板5的结构进行优化，使得单粒LED中心到四粒LED的交点中心的厚度由大变小，扩散板5降低b点对光线的吸收，再采用TracePro光学仿真软件进行大量仿真得到扩散板5蜂窝结构中弧形凹陷最理想的半径尺寸，从而得到较好的光线输出效果，使轴承滚珠清晰成像。

如图4所示，由于本实施例的灯板4尺寸加大，响应的灯珠的数量也随之增多，因此灯板4与扩散板5之间的杂散光的影响也随之加大，为了降低杂散光，通过在灯板4与扩散板5之间搭建一个腔体6，并将腔体6侧壁设成锯齿螺旋结构61，从而减小杂散光对光源系统的影响，本实施例采用了光学分析法，根据单粒灯珠的配光曲线并结合被测对象的轴承滚珠为曲面，尺寸大小不一，测量精度为um级这些特性对整个光源系统重新构建，即如图2，图3和图4所示，得到了适用于轴承滚珠检测的均匀光线，有利于轴承滚珠的清晰成像。

由于本申请应用的CCD相机12要拍摄滚珠是通过狭窄的缝隙进行拍摄，只有很少的光线进入，光线亮度不够，现有常用的解决方案是在轴承下方再添加一个光源，这种做法不仅花费高，增加结构的复杂性，为了解决该问题，本实施例在被测航空轴承的下方放置一片反光镜11，不仅可以提高光照，而且简化检测装置，减少能量损耗。

定位模块，包括竖直布置的激光阵列8板和第二反光镜11，如图5所示，本实施例的激光阵列8板上安装有8*8单个可控的激光阵列8作为激光光源，在定位过程中可以根据实际检测需要控制每个激光，相邻两个激光的距离是相同且可知的，为d₁＝400μm，第二分光镜9与水平面成45度，并且，本实施例采用的第二分光镜9为四分之三分光镜，即当光线打到分光镜上，有四分之三的光线透过，四分之一的光线反射出去，这样可以光源光线尽可能多的进入相机中；

激光光束经准直聚焦后，激光光斑直径为200μm，当激光光束水平发射达到第二分光镜9上后垂直打到被测航空轴承上形成光斑点阵，利用500万CCD相机12拍摄打在平板上的激光光斑点阵图像，对于光斑直径为200μm，500万像素的相机来说，可以很精确的获得光斑点阵中每个光斑中心在相机拍摄图像中的坐标；进而可以计算图像中任意相邻两个光斑中心坐标点之间的距离d₂，根据已知实际相邻激光的距离d₁，直接求出比值图像处理算法可以通过比值直接求出实际轴承滚珠的尺寸，并且通过获得的激光光斑点的坐标进行轴承滚珠定位。

控制模块，包括主控单元和图像测算单元，本实施例的控制模块包括上位机、单片机STM32、数据采集卡PCI-7432，上位机通过串口发送命令给单片机STM32，控制激光对被测轴承滚珠进行坐标定位及尺寸标定，并根据定位结果反馈来调节合适的光源背景及轴承滚珠的成像位置，上位机对检测图像进行处理计算，得到最终的检测结果。

本实施例的基于可控光源的航空轴承滚珠视觉检测方法，包括如下步骤：

1、制备光源模块，控制模块根据航空轴承的滚珠的尺寸，控制模块控制LED点阵42上的LED灯珠41发光，构建所需的光照环境；

具体的包括如下步骤：

制备灯板4：将LED灯珠41安装在灯板4上形成LED点阵42，相邻LED灯珠41之间的间隔与灯珠直径的比值范围为0.2-0.5；

制备扩散板5：根据单粒灯珠的配光曲线成类朗伯体发光特性，通过光学仿真得到扩散板5上弧形凹陷的尺寸；

在灯板4与扩散板5之间搭建空心腔体6，腔体6内壁为锯齿螺旋结构。

2、按照图1结构，搭建好检测装置；

3、调节粗准焦螺旋1粗略定焦，再调节细准焦螺旋2找到合适的焦点，上位PC机通过串口发送命令给STM32，进而控制定位模块的激光阵列8发出定位光斑，图形采集模块的CCD相机12获取光斑点阵图像，根据光斑点阵中每个光斑中心在采集图像中的坐标，通过图像采集卡将光斑信息送至上位PC机中对航空轴承滚珠定位，确定图像中任意相邻两个光斑中心坐标点之间的距离d2，根据已知相邻激光的距离d1，求出通过K求得滚珠的实际半径尺寸；

4、上位机根据定位模块的反馈结果调节光源模块的LED点阵42的光强、光色，构成适合采集图像的光照环境，拍摄完成后，PCI-7432驱动旋转电机10旋转一定步长后，CCD相机12继续采集，直至完成整个轴承的图像采集；

5、上位机将采集的图像进行预处理，通过CNN神经网络对航空轴承的滚珠圆弧进行训练后识别轴承滚珠的圆弧；

6、通过最小二乘法计算所述滚珠半径，并重构圆；

7、将检测航空轴承滚珠半径尺寸与邻近半径尺寸划分成若干区间，并对每个区间进行评分，对实际测量的尺寸评分进行分类，当评分大于90分时，判定此滚珠没有安装错误，当评分小于60分时，判定此滚珠一定安装错误，当评分介于60至90之间时，需要对图像重新检测判定；本实施例中的划分区间和评分标准根据现有轴承检测标准由自行设定。

本发明的实施例的上述描述是为了示例和说明的目的而给出的。它们并不是穷举性，也不意于将本发明限制于这些精确描述的内容，在上述教导的指引下，还可以有许多改动和变化。这些实施例被选中和描述仅是为了最好解释本发明的原理以及它们的实际应用，从而使得本领域技术人员能够更好地在各种实施例中并且使用适合于预期的特定使用的各种改动来应用本发明。因此，应当理解的是，本发明意欲覆盖在下面权利要求范围内的所有改动和等同。

Claims (10)

1.一种基于可控光源的航空轴承滚珠视觉检测装置，其特征在于：包括：

光源模块，包括由红、绿、蓝三色可变灯珠构成的LED点阵，光源模块的输出光线垂直照射在被测航空轴承上；

定位模块，包括激光阵列板，激光阵列板发出的激光光束垂直照射在被测航空轴承上形成定位光斑点阵；

图像采集模块，包括图像采集器和旋转平台，图像采集器采集位于旋转平台上的航空轴承的图像；

控制模块，包括主控单元和图像测算单元，主控单元的控制输出端连接光源模块的LED灯珠、定位模块的激光阵列和图像采集模块，图像测算模块根据图像定位信息和图像采集器采集的图形对轴承滚珠的尺寸进行检测。

2.根据权利要求1所述一种基于可控光源的航空轴承滚珠视觉检测装置，其特征在于：所述光源模块包括灯板、扩散板和第一分光镜，灯板的板面与扩散板的板面平行，所述LED点阵安装在灯板上，灯板上的LED点阵发出的光线经扩散板照射在第一分光镜上，光线经第一分光镜形成垂直光线。

3.根据权利要求2所述一种基于可控光源的航空轴承滚珠视觉检测装置，其特征在于：所述扩散板靠近灯板一侧凹陷形成弧形凹陷。

4.根据权利要求2所述一种基于可控光源的航空轴承滚珠视觉检测装置，其特征在于：所述灯板与扩散板之间设有腔体，腔体的侧壁为锯齿螺纹结构。

5.根据权利要求1所述一种基于可控光源的航空轴承滚珠视觉检测装置，其特征在于：所述被测航空轴承的一侧设有反光镜，反光镜位于光源光线相对的一侧。

6.根据权利要求1所述一种基于可控光源的航空轴承滚珠视觉检测装置，其特征在于：所述定位模块包括第二分光镜，激光阵列发出的光线经第二分光镜后垂直照射在被测航空轴承上形成定位光斑。

7.根据权利要求1所述一种基于可控光源的航空轴承滚珠视觉检测装置，其特征在于：所述基于可控光源的航空轴承滚珠视觉检测装置包括固定支架，图像采集器安装在固定支架上，固定支架上安装有粗准焦螺旋和细准焦螺旋。

8.一种基于可控光源的航空轴承滚珠视觉检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、制备光源模块，控制模块根据航空轴承的滚珠的尺寸，控制模块控制LED点阵上的LED灯珠发光，构建所需的光照环境；

步骤二、定位模块发出定位光斑，图形采集模块获取光斑点阵图像并对航空轴承滚珠定位，进而确定定位的航空轴承滚珠的实际半径尺寸；

步骤三、控制模块发送控制指令使转动平台转动，图像采集模块完成对整个轴承的采集；

步骤四、将采集的图像进行预处理，通过CNN神经网络对航空轴承的滚珠圆弧进行训练后识别轴承滚珠的圆弧；

步骤五、通过最小二乘法计算所述滚珠半径，并重构圆；

步骤六、将检测航空轴承滚珠半径尺寸与邻近半径尺寸划分成若干区间，并对每个区间进行评分，对实际测量的尺寸评分进行分类。

9.根据权利要求8所述一种基于可控光源的航空轴承滚珠视觉检测方法，其特征在于：步骤一所述光源模块结构的设计方法包括：

制备灯板：将LED灯珠安装在灯板上形成LED点阵，相邻LED灯珠之间的间隔与灯珠直径的比值范围为0.2-0.5；

制备扩散板：根据单粒灯珠的配光曲线成类朗伯体发光特性，通过光学仿真得到扩散板上弧形凹陷的尺寸；

在灯板与扩散板之间搭建空心腔体，腔体内壁为锯齿螺旋结构。

10.根据权利要求8所述一种基于可控光源的航空轴承滚珠视觉检测方法，其特征在于：步骤二所述确定定位的航空轴承滚珠的实际半径尺寸的方法为：

根据光斑点阵中每个光斑中心在采集图像中的坐标，确定图像中任意相邻两个光斑中心坐标点之间的距离d2；

根据已知相邻激光的距离d1，求出通过K求得滚珠的实际半径尺寸。