CN115646841A - 一种航空球轴承分选系统及分选方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空球轴承分选系统及分选方法，涉及机器视觉与轴承检测技术领域。本发明包括轨道和转位装置，轨道，轨道上依次设有固定的入口工位、检测工位、正常品出口和次品出口；转位装置包括至少一个推杆和至少一个推动组件，推杆一端延伸至轨道的上端用以推动航空球轴承在轨道上移动，推动组件用以将位于轨道上的航空轴承推至正常品出口或次品出口；检测工位处设有图像采集装置和轴承定位装置，图像采集装置包括相机，相机位于轨道的上方，轴承定位装置位于相机下方，使位于检测工位出的航空球轴承中的每个钢球定位在相机正下方。本发明能够实现钢球直径的无损精密测量及轴承的分拣。

Description

一种航空球轴承分选系统及分选方法

技术领域

本发明涉及机器视觉与轴承检测技术领域，尤其涉及一种航空球轴承分选系统及分选方法。

背景技术

航空轴承是航空工业重要部件之一，在高转速、高负荷、高温的条件下工作，其健康状态直接影响飞机能否安全使用乃至飞行员的生命安全，对航空轴承进行质量控制以提高轴承合格率很有必要。钢球是轴承的最重要配件，也是轴承行业使用最多的滚动体，根据Hertz点接触弹性理论：一套轴承内装入直径差异较大的钢球时，会直接影响到轴承的精度、运动性能、及使用寿命。

轴承钢球在运输、储藏、分发装配过程中，可能会出现不同直径、不同批次的钢球混合在一起的情况。轴承装配过程中将混装的钢球装配到轴承中，钢球尺寸一致性得不到保证而产生不合格的轴承成品。特别是航空领域，轴承零件失效后，使其他主机零件受到连锁破坏，造成难以估量的灾难性后果。

根据目前生产厂商对成品轴承的检测手段，并没有特定的方法来应对钢球错装这一十分隐蔽的问题。原因有二：一是轴承总装配前，轴承生产厂商向钢球生产厂商订购所需规格钢球，采用随机抽检的方法验货，全部检测所有钢球尺寸耗费大量人力物力，不太现实，即使在装配前完成全检，也不能保证流通过程中是否会出现混珠现象；二是轴承总装配后，钢球处于轴承内圈、保持架、轴承外圈受限空间中，现有的钢球直径检测手段无法完成检测任务。

基于此，本领域技术人员致力于提供一种航空球轴承的钢球检测装置及方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是针对钢球内嵌在航空滚动轴承内圈、保持架、外圈之间，钢球圆弧轮廓所处空间尺寸以毫米计，常规接触式测量方法难以完成钢球尺寸无损测量，无法对轴承总成装错珠与否进行判定的问题，提出一种基于机器视觉的内嵌钢球尺直径精密测量系统与方法，实现了钢球直径的无损精密测量及轴承的分拣。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种航空球轴承分选系统，所述航空球轴承包括钢球，包括轨道和转位装置，所述轨道，轨道上依次设有固定的入口工位、检测工位、正常品出口和次品出口；

所述转位装置包括至少一个推杆和至少一个推动组件，推杆一端延伸至轨道的上端用以推动航空球轴承在轨道上移动，所述推动组件用以将位于轨道上的航空轴承推至正常品出口或次品出口；

所述检测工位处设有图像采集装置和轴承定位装置，所述图像采集装置包括相机，相机位于轨道的上方，轴承定位装置位于相机下方，使位于检测工位出的航空球轴承中的每个钢球定位在相机正下方。

进一步的，所述检测工位出的轨道上开设有上下贯通的容纳孔，轴承定位装置包括转动平台，所述转动平台位于所述容纳孔内，转动平台的上表面与轨道的底面共面。

进一步的，所述转动平台的上表面铺设有平面镜。

进一步的，所述轴承定位装置包括定位组件，转动平台的中心设有上下贯通的避让孔，定位组件位于所述避让孔内，所述定位组件包括立杆、旋转杆、抵触杆和伸缩气缸，所述立杆竖直布置，所述旋转杆的一端与立杆的顶端铰接连接，旋转杆的另一端与抵触杆固定连接，伸缩气缸固定端安装在立杆上，伸缩气缸的伸缩端与旋转杆的中部固定连接。

进一步的，所述转位装置包括动力机构，动力机构的输出端带动推杆移动。

进一步的，位于轨道上端的推杆下端设有刷毛。

进一步的，所述图像采集装置包括相机支架、同轴光源和光电开关，相机固定在相机支架上，相机的镜头位于检测工位上方，光电开关安装在相机支架上。

本发明的第二方面提供了一种航空球轴承分选方法，基于所述的一种航空球轴承分选系统实现，包括如下步骤：

S1、采集滚动轴承其中一个钢球的左右两侧轮廓的照片；

S2、对图片滤波去噪后采用R2U-Net++神经网络进行图像分割；

S3、对分割后的图像进行边缘提取，使用改进的Hough圆变换算法拟合圆；

S4、计算同一个钢球图像对拟合圆直径后求平均值即为内嵌钢球直径；

S5、重复步骤S1-S4，直至检测完所述航空球轴承所有钢球的直径，若当前待检测航空球轴承的所有钢球符合要求，转位装置将检测的完成的航空球轴承推至正常品出口，反之，将检测的完成的航空球轴承推至次品出口。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的分选系统中，待分选轴承在圆形轨道上移动，实现流水线式的轴承分选，根据检测结果将轴承推至相应的出口，全程无需人工参与，避免因人的生理和心理因素造成的分选错误的问题，有效提高了检测效率和分选精度。

2、本发明的分选方法采用局部钢球单边轮廓成像，然后采用图像融合算法融合图像的方法，这一方法减小了成像视野，在相机分辨率一定的情况下提高了像素精度，进而提高测量精度到0.001mm，足以识别错装钢球的不合格轴承。

3、由于装配完整的轴承滚珠被遮挡严重，可透过同轴光源成像测量的部位是一条0.5mm大小的缝隙，本申请将同一个滚珠轮廓分开成像、再分别分割、分别拟合圆弧计算直径后取平均值的这一过程，可以有效利用成像部位，在工业相机8像素大小限制下提高像素精度，为后续的图像分割、圆拟合获取优质原始图像信息。直接拍摄整个钢球的图片计算直径的方法，通过理论计算在相机像素限制下并不能达到所需的1μm的系统检测精度，本申请方法在目前主流工业相机像素大小限制的情况下提高了检测精度。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一具体实施例的航空球轴承分选系统的整流结构示意图；

图2是本发明一具体实施例的转位装置的推杆和推动组件的结构示意图；

图3是本发明一具体实施例的成像装置和轴承定位装置的结构示意图；

图4是本发明一具体实施例的U-Net++的原理图，图4a为循环卷积单元结构示意图，图4b为参与卷积单元结构示意图，图4c为U-Net++结构原理图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

为了阐释的目的而描述了本发明的一些示例性实施例，需要理解的是，本发明可通过附图中没有具体示出的其他方式来实现。

航空球轴承包括内圈、保持架、外圈和钢球，钢球内嵌在航空滚动轴承的内圈、保持架、外圈之间，钢球圆弧轮廓所处空间尺寸以毫米计，常规接触式测量方法难以完成钢球尺寸无损测量，无法对轴承总成装错珠与否进行判定的问题，为此，在一具体实施例中，提出了一种基于机器视觉的内嵌钢球尺直径精密测量的分选系统与基于该系统实现的分选方法，实现了球直径的无损精密测量及轴承的分拣。

如图1所示，一种航空球轴承分选系统，包括轨道5和转位装置，所述轨道5，轨道5上依次设有固定的入口工位1、检测工位2、正常品出口3和次品出口4；

所述轨道5的形状可以根据需要设定，例如，可以为圆环形轨道、直线型轨道、弧形轨道、S形轨道等，其铺设根据具体的环境和位置等设计，本实施例中的轨道选择圆环形轨道。所述轨道的宽度略大于轴承大径，轨道的侧边高度为轴承厚度的2/3，轨道的底面为水平面。

如图2所示，所述转位装置用以将位于轨道5上的航空球轴承推送到检测工位2，并根据检测结果将检测后的航空轴承推送至不同的出口完成分选；所述转位装置包括至少一个推杆6和至少一个推动组件7，推杆6一端延伸至轨道5的上端用以推动航空球轴承在轨道5上移动，推杆6的数量和运动轨迹可以根据实际情况进行设定，如图1所示，本实施例的转位装置包括动力机构19和四根推杆6，四根推杆6的一端固定在一起，另一端分别向不同的方向延伸构成“十字形”结构，动力机构19位于圆环形轨道5的中心出，动力机构19采用旋转电机18，先转电机的的输出端与四根推杆6的固定点固定连接，在工作过程中，动力机构19转动进而带动四根推杆6以一个固定点转送。

在具体使用过程中，所述推杆6数量可以变化，例如增加推杆6数量可以构成“米”字形结构，减少推杆6的数量构成“V”字形结构，推杆6也可以根据需要分别安装在两个或两个以上的动力机构19输出端，将轨道5划分成若干区域，每个区域通过相应的推杆6完成轴承的推送。所述动力机构19的位置也可根据需要移动，可以将动力机构19设置在环形轨道5的外部。当轨道5为直线轨道5时，所述动力机构19可以为伸缩气缸23、伸缩液压杆或伸缩螺杆结构，带动推杆6沿直线轨道5移动。

所述推动组可以以液压缸或气缸作为动力，推动组件7的数量可以根据需要进行设定，本实施例中推动组件7包括四个，分别安装在推杆6旁，当推杆6推动轴承达到相应的出口处时，推动组件7运动，将轴承推至出口；在具体应用过程中，推动组件7的安装位置可以根据需要进行设定，只要能够实现将轴承推送至对应的出口处即可。

如图3所示，所述检测工位2处设有图像采集装置和轴承定位装置，所述图像采集装置包括相机8，相机8位于轨道5的上方，轴承定位装置位于相机8下方，使位于检测工位2出的航空球轴承中的每个钢球定位在相机8正下方。

为了对轴承中的每个钢球都能进行图片采集，所示轴承定位装置包括转动平台14和旋转电机18，旋转电机18的输出端连接转动平台14带动转动平台14装通，相应的，在检测工位2出的轨道5上开设上下贯通的容纳孔17，所述转动平台14位于所述容纳孔17内，相机8的拍摄位置处通过旋转平台带动轴承旋转，使内嵌钢球轮廓逐个暴露在相机8镜头9视场内，用局部拍摄轴承滚珠的方法解决系统须达到的测量精度与相机8分辨率限制的矛盾的问题。所示转动平台14的上表面与轨道5的底面共面，以保证轴承的顺利换位。

所述转动平台14的上表面铺设有平面镜15，以保证钢球轮廓与背景大的对比度。轴承表面通常会沾有机油等杂质，由于钢球的直径本身很小，因此钢球表面的杂质可能对钢球直径的的计算产生影响，本实施例中，位于轨道5上端的推杆6下端设有刷毛，带毛刷推杆6宽度小于圆环厚度2～3mm，用以擦除轴承旋转平台所放置平面镜15沾染的轴承油污。

为了使轴承的每个钢球都能准确的出现在相机8的视场附近，所述轴承定位装置包括定位组件，转动平台14的中心设有上下贯通的避让孔16，定位组件位于所述避让孔16内，所述定位组件包括立杆20、旋转杆21、抵触杆和伸缩气缸23，所述立杆20竖直布置，立杆20的下端与旋转电机18的输出端固定连接，立杆20的顶端与旋转杆21的一端铰接连接，旋转杆21的另一端与抵触杆固定连接，伸缩气缸23固定端安装在立杆20上，伸缩气缸23的伸缩端与旋转杆21的中部固定连接，当需要定位时，伸缩气缸23带动旋转杆21向上抬升抵靠杆22抵靠在待检测轴承11的底端使轴承与转动平台14同轴转动，进而确保每个滚珠轮廓都能出现在相机8视场中央附近，当不需要定位时，伸缩气缸23带动旋转杆21下降，滚动轴承拜托定位组件的束缚。

所述图像采集装置包括相机8支架、同轴光源10和光电开关，相机8固定在相机8支架上，相机8的镜头9位于检测工位2上方，光电开关安装在相机8支架上，用于获得足够分辨率、边缘清晰、成像准确的优质图像，所述光电开关包括发射器12和接收器13；

相机8采用脉冲触发式拍摄滚珠轮廓，采用同轴光源10布置光场，使用远心镜头9以减小成像畸变。上述光电感应开关作为脉冲发生器，根据轴承滚珠均匀分布的特点，布置于当前非拍摄钢球处，随轴承的旋转产地周期性脉冲控制相机8拍摄时机，并且每次成像为滚珠的单边轮廓。

基于上述航空球轴承分选系统，在一具体实施例中，提供了一种航空球轴承分选方法，包括如下步骤：

S1、采集滚动轴承其中一个钢球的左右两侧轮廓的照片；

当轴承经入口推动至检测工位2的转动平台14上时，定位组件使轴承与转动平台14同轴转动，在转动过程中，当钢球遮挡住光电接收器时，触发相机8拍摄钢球单边轮廓，每一个光电感应脉冲上下触发边缘对应拍摄同一个滚珠的左右两个轮廓；

精确测量滚珠轮廓尺寸需使用同轴光源10，检测精度要求1μm＝0.001mm，滚珠轮廓范围1mm*1m。测量得到实际尺寸为1mm，所需视野选为1.2*1.2mm；像素精度：以2个像素点表示一个边界，0.001mm/2；相机8像素＝视野/像素精度＝1.2/(0.001/2)*1.2/(0.001/2)＝2400*2400＝576 0000，选用500万像素相机8。

S2、对图片滤波去噪后采用R2U-Net++神经网络进行图像分割；

建立的图像分割方法为：Recurrent Residual Convolutional NeuralNetworkbased on U-Net++(R2U-Net++)。将网络的普通卷积层更换为循环残差卷积层，同时使用U-Net++的嵌套和密集跳过连接的网络结构。

残差单元有助于训练深度架构，而具有循环残差卷积层的特征积累确保分割任务更好的特征表示，即它允许我们设计更好的U-Net++架构。在具有相同数量的网络参数的情况下，使用循环残差卷积将具有更好图像分割性能。U-Net++本质上是一个深度监督的编码器-解码器网络，其中编码器和解码器子网络通过一系列嵌套的密集跳过路径连接。重新设计的跳过路径旨在减少编码器和解码器子网络的特征图之间的语义差距，优化器将更容易的处理学习任务，具有深度监督的U-Net++在图像分割中具有更高的平均IoU增益。

S3、对分割后的图像进行边缘提取，使用改进的Hough圆变换算法拟合圆；

本发明中图像圆弧所占整个圆的比例有限，为充分利用像携带的圆弧信息，对圆轮廓进行高精度检测，在传统的Hough方法基础上，本实施例采用两个步骤进行Hough圆拟合，圆的方程在Hough变换中可以表示为(a-x)²+(b-y)²＝r²。为减少运算时间，在第一个步骤中，用较为粗略的参数空间划分，找出需要拟合圆的大致Hough空间参数，在第二个步骤中先对原始图像进行亚像素处理用以获得更为精细的测量图像，然后使用第一步获得的参数一定范围内，寻找像素图像上所产生的更为精细化的Hough空间参数。具体Hough圆变换算法流程如下：

S31、读取原始图像(I)；

S32、图像预处理，中值滤波(M)、灰度化(G)、二值化处理得到图像(B)；

S33、粗略划分参数a,b,r，进行标准的Hough变换过程，找到累加器中的最大值所在坐标，记为(a₁,b₁,r₁)；

S34、对中值滤波后的图像(M)亚像素划分得到亚像素图像(S)；

S35、在步骤S333获得(a₁,b₁,r₁)的恰当邻域内，精细划分参数a,b,r空间，再次进行标准的Hough变换过程，找到累加器中的最大值所在坐标，记为(a₂,b₂,r₂)，就是要拟合圆的参数。

S4、计算同一个钢球图像对拟合圆直径后求平均值即为内嵌钢球直径；

同一个滚珠获得两幅图像，经分割后得到两个圆边缘，之后使用hough变换拟合得到两个圆直径d₁、d₂，对两个圆直径求平均值得到滚珠最终测量直径d，即d＝(d₁+d₂)/2。

S5、重复步骤S1-S4，直至检测完所述航空球轴承所有钢球的直径，当检测航空球轴承的每个钢球的直径相同，表明此航空球轴承符合要求，否则为不符合要求的航空球轴承，当航空球轴承符合要求时，转位装置将检测的完成的航空球轴承推至正常品出口3，反之，将检测的完成的航空球轴承推至次品出口4。

本发明上述实施例的分选系统和分选方法，用于对一个内嵌滚珠的两个圆弧边缘分别单独成像，减小了相机8视野，有助于提高像素精度，在有限的相机8像素内得到所需的测量精度；同时，采用循环残差卷积层作为神经网络基础层，并结U-Net++的嵌套和密集连接的网络结构对图像进行精准分割。机器视觉技术完成了对总成轴承内嵌钢球尺寸的精密测量，精度可达到1μm。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种航空球轴承分选系统，所述航空球轴承包括钢球，其特征在于，包括轨道和转位装置，所述轨道，轨道上依次设有固定的入口工位、检测工位、正常品出口和次品出口；

所述转位装置包括至少一个推杆和至少一个推动组件，推杆一端延伸至轨道的上端用以推动航空球轴承在轨道上移动，所述推动组件用以将位于轨道上的航空轴承推至正常品出口或次品出口；

所述检测工位处设有图像采集装置和轴承定位装置，所述图像采集装置包括相机，相机位于轨道的上方，轴承定位装置位于相机下方，使位于检测工位出的航空球轴承中的每个钢球定位在相机正下方。

2.一种航空球轴承分选系统，其特征在于，所述检测工位出的轨道上开设有上下贯通的容纳孔，轴承定位装置包括转动平台，所述转动平台位于所述容纳孔内，转动平台的上表面与轨道的底面共面。

3.根据权利要求1所述一种航空球轴承分选系统，其特征在于，所述转动平台的上表面铺设有平面镜。

4.根据权利要求1所述一种航空球轴承分选系统，其特征在于，所述轴承定位装置包括定位组件，转动平台的中心设有上下贯通的避让孔，定位组件位于所述避让孔内，所述定位组件包括立杆、旋转杆、抵触杆和伸缩气缸，所述立杆竖直布置，所述旋转杆的一端与立杆的顶端铰接连接，旋转杆的另一端与抵触杆固定连接，伸缩气缸固定端安装在立杆上，伸缩气缸的伸缩端与旋转杆的中部固定连接。

5.根据权利要求1所述一种航空球轴承分选系统，其特征在于，所述转位装置包括动力机构，动力机构的输出端带动推杆移动。

6.根据权利要求5所述一种航空球轴承分选系统，其特征在于，位于轨道上端的推杆下端设有刷毛。

7.根据权利要求1所述一种航空球轴承分选系统，其特征在于，所述图像采集装置包括相机支架、同轴光源和光电开关，相机固定在相机支架上，相机的镜头位于检测工位上方，光电开关安装在相机支架上。

8.一种航空球轴承分选方法，其特征在于，基于权利要求1-7任意一项权利要求所述的一种航空球轴承分选系统实现，包括如下步骤：

S1、采集滚动轴承其中一个钢球的左右两侧轮廓的照片；

S2、对图片滤波去噪后采用R2U-Net++神经网络进行图像分割；

S3、对分割后的图像进行边缘提取，使用改进的Hough圆变换算法拟合圆；

S4、计算同一个钢球图像对拟合圆直径后求平均值即为内嵌钢球直径；

S5、重复步骤S1-S4，直至检测完所述航空球轴承所有钢球的直径，若当前待检测航空球轴承的所有钢球符合要求，转位装置将检测的完成的航空球轴承推至正常品出口，反之，将检测的完成的航空球轴承推至次品出口。

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