本發(fā)明涉及電子檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于圖像處理的圓錐滾子軸承端面識(shí)別系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

軸承打標(biāo)是軸承生產(chǎn)工藝中必不可少的環(huán)節(jié)。圓錐滾子軸承的內(nèi)外圈由于具有錐形滾道，所以軸承存在大小端面，通常對(duì)其大端面進(jìn)行打標(biāo)。目前軸承生產(chǎn)廠家通常采用人工檢測的方法進(jìn)行大小端面的判斷，勞動(dòng)強(qiáng)度高，檢測效率較低。

申請(qǐng)公布號(hào)為CN103722468A的中國專利提出了一種用于圓錐滾子軸承自動(dòng)上料認(rèn)面機(jī)的認(rèn)面系統(tǒng)，采用了紅外線檢測探頭來判斷圓錐滾子軸承的端面。

圖像檢測技術(shù)具有非接觸、速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，正逐步應(yīng)用于軸承檢測中。因此需要一種基于圖像處理的圓錐滾子軸承端面識(shí)別方法，解決在軸承自動(dòng)化生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)圓錐滾子軸承大小端面在線檢測問題，提高軸承打標(biāo)自動(dòng)化程度。

采用基于圖像處理的識(shí)別方法比使用機(jī)械探針和紅外傳感器的檢測方法對(duì)軸承端面的識(shí)別更為精準(zhǔn)，識(shí)別速度更快，且對(duì)正反端面差異小的軸承也能達(dá)到100％的識(shí)別率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中所述問題，本發(fā)明提供一種基于圖像處理的圓錐滾子軸承端面識(shí)別系統(tǒng)及方法，采用圖像識(shí)別技術(shù)，能夠檢測出待測軸承的端面并根據(jù)檢測的端面結(jié)果判定是否需要翻面，使打標(biāo)設(shè)備在指定端面進(jìn)行打標(biāo)，識(shí)別更為精準(zhǔn)，識(shí)別速度更快，且對(duì)正反端面差異小的軸承也能達(dá)到100％的識(shí)別率。從而提高軸承打標(biāo)自動(dòng)化程度。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于圖像處理的圓錐滾子軸承端面識(shí)別系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集控制卡、圖像處理系統(tǒng)、圖像采集單元；所述的圖像采集單元包括工業(yè)相機(jī)、工業(yè)鏡頭、機(jī)器視覺光源、可控相機(jī)支架。

所述的圖像處理系統(tǒng)為工控機(jī)，其通過USB接口方式與圖像采集單元中的工業(yè)相機(jī)相連接，通過RS232方式與數(shù)據(jù)采集控制卡相連接，數(shù)據(jù)采集控制卡還通過控制電纜連接現(xiàn)場的PLC控制系統(tǒng)。

所述的圖像處理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集控制卡接收到現(xiàn)場PLC的發(fā)送的軸承到位信號(hào)后，開始接收?qǐng)D像采集單元采集的圖像信號(hào)，并將采集到的圖像通過圓錐滾子軸承端面識(shí)別方法檢測出軸承端面，最后將檢測結(jié)果-軸承正反端面信息和檢測完畢信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集控制卡發(fā)送至PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)檢測結(jié)果決定是否控制翻面機(jī)構(gòu)進(jìn)行翻面。

所述的圖像采集單元采用機(jī)器視覺光源提供穩(wěn)定光照環(huán)境，采用工業(yè)鏡頭調(diào)整至最佳對(duì)焦位置，采用工業(yè)相機(jī)進(jìn)行圖像采集，采用可控相機(jī)支架根據(jù)軸承型號(hào)的大小自動(dòng)調(diào)整支架伸縮長度，使被測軸承圖像位于圖像中心位置。

所述的圖像采集單元中的可控相機(jī)支架上安裝有步進(jìn)電機(jī)，所述步進(jìn)電機(jī)通過絲杠連接相機(jī)支架，通過控制電纜與現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)相連接，在軸承生產(chǎn)線上更換下一規(guī)格軸承時(shí)，PLC控制系統(tǒng)控制可控相機(jī)支架的步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)可控相機(jī)支架前后移動(dòng)，調(diào)節(jié)相機(jī)固定架的伸縮長度。所述的可控相機(jī)支架上還安裝有機(jī)器視覺光源的光源固定架，隨著可控相機(jī)支架的伸縮，將相機(jī)和光源調(diào)整到最佳采集位置，使被測軸承圖像位于圖像中心位置。

一種基于圖像處理的圓錐滾子軸承端面識(shí)別系統(tǒng)中的錐滾子軸承端面識(shí)別方法,包括如下步驟：

步驟一、圖像預(yù)處理：將采集到的圖像通過圖像裁剪、灰度處理、二值化處理得到圖像預(yù)處理效果。

為提高后續(xù)圖像處理速度，將軸承外圍圖像進(jìn)行裁剪；將裁剪后的彩色圖像進(jìn)行灰度處理；為增強(qiáng)軸承圖像信息對(duì)灰度圖像進(jìn)行中值濾波降噪，突出軸承的邊沿信息；為方便提取軸承圖像特征信息，采用局部自適應(yīng)閾值的方式對(duì)圖像做二值化處理，以最大程度保留軸承輪廓信息。

步驟二、特征信號(hào)分析與提?。壕珳?zhǔn)確定軸承圓心和半徑。

為準(zhǔn)確提取軸承圖像特征信號(hào)，需精準(zhǔn)確定軸承圓心和半徑；以預(yù)處理后的二值圖像中心坐標(biāo)點(diǎn)為搜索圓心，設(shè)置最大搜索半徑，形成搜索圓，從搜索圓上選取n個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)為搜索起始點(diǎn)，各自延搜索圓心方向搜索的第一個(gè)像素值突變點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)為(像素值由0變1的坐標(biāo)點(diǎn))，根據(jù)這n個(gè)像素值突變點(diǎn)的坐標(biāo)，利用最小二乘法擬合求得軸承圓心(x_c,y_c)及圓心到軸承外圈的半徑R，則(x_c,y_c)和R之間的關(guān)系如式(1)所示。

進(jìn)一步地，軸承定位后，確定了軸承圖像的圓心和半徑，對(duì)以軸承圓心為起始點(diǎn)向上下左右四個(gè)方向做像素值檢測；由于二值圖像中僅存在像素值為0和1的像素點(diǎn)，所以可以將檢測到的一維像素值數(shù)組轉(zhuǎn)化為波形圖(X軸為坐標(biāo)點(diǎn)距離圓心長度，Y軸為像素值)；各方波下降沿對(duì)應(yīng)的X軸坐標(biāo)為所對(duì)應(yīng)圓環(huán)的半徑長度；基于圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通常根據(jù)測得的圖像外圓半徑長度和次外圓半徑長度之差作為特征值，外圓半徑為R₁，次外圓半徑為R₂，設(shè)ΔR為特征值，ΔR計(jì)算方法為四個(gè)方向測得的R₁平均值與四個(gè)方向測得的R₂平均值之差。

步驟三、將測得的數(shù)據(jù)存入特征數(shù)據(jù)庫：如果所檢測的圓錐滾子軸承規(guī)格為第一次檢測的規(guī)格，則需要將此軸承的A面和B面分別進(jìn)行上述步驟一和步驟二的檢測，并將測得的特征值ΔR_A和ΔR_B存入特征數(shù)據(jù)庫；并設(shè)定各規(guī)格軸承的A、B端面的特征范圍寫入特征庫，為待測軸承的端面判定提供特征值的所屬區(qū)間；如果所檢測的圓錐滾子軸承規(guī)格不是第一次檢測，特征值已經(jīng)存在數(shù)據(jù)庫中，則跳過此步驟。

步驟四、端面判定：通過確認(rèn)被測軸承的判定規(guī)格和尋找被測軸承所提取特征值的所屬區(qū)間，來判斷軸承A、B端面。

當(dāng)軸承生產(chǎn)線上更換其他規(guī)格軸承時(shí)，從圖像處理系統(tǒng)的操作界面中選擇待測軸承規(guī)格，圖像處理系統(tǒng)通過確認(rèn)被測軸承的判定規(guī)格和尋找被測軸承所提取特征值的所屬區(qū)間，來判斷軸承A、B端面，即：

If P is P_i andthen檢測端面為A面

If P is P_i andthen檢測端面為B面

其中P為待測軸承規(guī)格，P_i為圖像處理系統(tǒng)當(dāng)前判定規(guī)格；分別是A面和B面特征值的最小值和最大值，ΔR為在線提取被測軸承的特征值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、在端面識(shí)別過程中，采用基于圖像處理的識(shí)別方法相比使用機(jī)械探針和紅外傳感器的檢測方法對(duì)軸承端面的識(shí)別更為精準(zhǔn)，識(shí)別速度更快，且對(duì)正反端面差異小的軸承也能達(dá)到100％的識(shí)別率。

2、圖像采集單元采用機(jī)器視覺光源能夠?yàn)樵O(shè)備提供穩(wěn)定光照環(huán)境，采用可控相機(jī)支架并安裝有步進(jìn)電機(jī)，使步進(jìn)電機(jī)能夠根據(jù)現(xiàn)場的PLC指令動(dòng)作，根據(jù)軸承型號(hào)的大小自動(dòng)調(diào)整支架伸縮長度，使被測軸承圖像位于圖像中心位置。

3、采用的串口數(shù)據(jù)采集卡含有4路DI輸入和4路DO輸出并支持RS232MODBUS RTU串口通信協(xié)議，能夠連接圖像處理系統(tǒng)的工控機(jī)和現(xiàn)場的PLC控制系統(tǒng)，使本發(fā)明的基于圖像處理的圓錐滾子軸承端面識(shí)別系統(tǒng)能夠與現(xiàn)場的控制系統(tǒng)相連通，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場的一體化控制。

4、采用圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行圓錐滾子軸承的端面識(shí)別，在更換軸承規(guī)格的過程中，僅需在圖像處理系統(tǒng)的特征庫中選擇待檢測軸承的特征值判定區(qū)間，然后根據(jù)圖像處理系統(tǒng)的判定規(guī)則完成端面識(shí)別功能。相比采用機(jī)械探針檢測手動(dòng)調(diào)節(jié)探針位置的方式更為方便、迅捷。

5、采用圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行圓錐滾子軸承的端面識(shí)別，在加入新規(guī)格軸承時(shí)，僅需在圖像處理系統(tǒng)中對(duì)新增規(guī)格軸承的特征值進(jìn)行入庫，即可對(duì)新增規(guī)格軸承進(jìn)行端面判定。

附圖說明

圖1為基于圖像處理的圓錐滾子軸承端面識(shí)別系統(tǒng)示意圖；

圖2為可控相機(jī)支架示意圖；

圖3為軸承端面識(shí)別算法流程圖。

其中，1-數(shù)據(jù)采集控制卡 2-圖像處理系統(tǒng) 3-圖像采集單元 4-步進(jìn)電機(jī) 5-可控相機(jī)支架 6-光源固定架 7-工業(yè)相機(jī) 8-工業(yè)鏡頭 9-機(jī)器視覺光源 10-絲杠。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，一種基于圖像處理的圓錐滾子軸承端面識(shí)別系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集控制卡1、圖像處理系統(tǒng)2、圖像采集單元3；

如圖2所示，所述的圖像采集單元3包括工業(yè)相機(jī)7、工業(yè)鏡頭8、機(jī)器視覺光源9、可控相機(jī)支架5。

所述的圖像處理系統(tǒng)2為工控機(jī)，其通過USB接口方式與圖像采集單元3中的工業(yè)相機(jī)相連接，通過RS232方式與數(shù)據(jù)采集控制卡1相連接，數(shù)據(jù)采集控制卡1還通過控制電纜連接現(xiàn)場的PLC控制系統(tǒng)。

如圖1所示，上料機(jī)構(gòu)的推板將待測工件推入“V”形鉗夾，鉗夾將待測工件從上料位帶至檢測位，PLC控制系統(tǒng)立即向數(shù)據(jù)采集控制卡1發(fā)送檢測位到位信號(hào)。

所述的圖像處理系統(tǒng)2通過數(shù)據(jù)采集控制卡1接收到現(xiàn)場PLC的發(fā)送的軸承到位信號(hào)后，開始接收?qǐng)D像采集單元3采集的圖像信號(hào)，并將采集到的圖像通過圓錐滾子軸承端面識(shí)別方法檢測出軸承端面，最后將檢測結(jié)果-軸承正反端面信息和檢測完畢信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集控制卡1發(fā)送至PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)檢測結(jié)果決定是否控制翻面機(jī)構(gòu)進(jìn)行翻面。

待上料機(jī)構(gòu)的鉗夾將軸承從檢測位帶至翻轉(zhuǎn)位后，所述的翻面機(jī)構(gòu)執(zhí)行PLC控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，若軸承處于指定打標(biāo)端面，則翻面機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)一定角度使軸承通過重力滑至后續(xù)打標(biāo)環(huán)節(jié)；若軸承未處于指定打標(biāo)端面，則翻面機(jī)構(gòu)帶動(dòng)軸承翻轉(zhuǎn)，并通過重力使軸承滑至后續(xù)打標(biāo)環(huán)節(jié)。

所述的圖像采集單元3采用機(jī)器視覺光源9提供穩(wěn)定光照環(huán)境，采用工業(yè)鏡頭8調(diào)整至最佳對(duì)焦位置，采用工業(yè)相機(jī)7進(jìn)行圖像采集，采用可控相機(jī)支架5根據(jù)軸承型號(hào)的大小自動(dòng)調(diào)整支架伸縮長度，使被測軸承圖像位于圖像中心位置。

所述的圖像采集單元3中的可控相機(jī)支架5上安裝有步進(jìn)電機(jī)4，所述步進(jìn)電機(jī)4通過絲杠10連接相機(jī)支架5，通過控制電纜與現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)相連接，在軸承生產(chǎn)線上更換下一規(guī)格軸承時(shí)，PLC控制系統(tǒng)控制可控相機(jī)支架5的步進(jìn)電機(jī)4，帶動(dòng)可控相機(jī)支架5前后移動(dòng)，調(diào)節(jié)相機(jī)固定架5的伸縮長度。所述的可控相機(jī)支架5上還安裝有機(jī)器視覺光源9的光源固定架6，隨著可控相機(jī)支架5的伸縮，將相機(jī)和光源調(diào)整到最佳采集位置，使被測軸承圖像位于圖像中心位置。

所述的數(shù)據(jù)采集卡優(yōu)選型號(hào)為DAM0404，包括4路DI輸入和4路DO輸出，支持RS232 MODBUS RTU串口通信協(xié)議。

所述的工業(yè)相機(jī)7采用顯微精工的XG500型，免驅(qū)工業(yè)相機(jī)USB高清500萬像素；所述的工業(yè)鏡頭8采用XG0612型，300萬高清監(jiān)控鏡頭1/2C口手動(dòng)變焦6-12無畸變；所述的機(jī)器視覺光源9選擇200LIGHTING的LED環(huán)形光源，60內(nèi)徑帶磨砂罩。

如圖3所示，一種基于圖像處理的圓錐滾子軸承端面識(shí)別系統(tǒng)中的錐滾子軸承端面識(shí)別方法,包括如下步驟：

步驟一、圖像預(yù)處理：將采集到的圖像通過圖像裁剪、灰度處理、二值化處理得到圖像預(yù)處理效果。

為提高后續(xù)圖像處理速度，將軸承外圍圖像進(jìn)行裁剪；將裁剪后的彩色圖像進(jìn)行灰度處理；為增強(qiáng)軸承圖像信息對(duì)灰度圖像進(jìn)行中值濾波降噪，突出軸承的邊沿信息；為方便提取軸承圖像特征信息，采用局部自適應(yīng)閾值的方式對(duì)圖像做二值化處理，以最大程度保留軸承輪廓信息。

步驟二、特征信號(hào)分析與提?。壕珳?zhǔn)確定軸承圓心和半徑。

為準(zhǔn)確提取軸承圖像特征信號(hào)，需精準(zhǔn)確定軸承圓心和半徑；以預(yù)處理后的二值圖像中心坐標(biāo)點(diǎn)為搜索圓心，設(shè)置最大搜索半徑，形成搜索圓，從搜索圓上選取n個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)為搜索起始點(diǎn)，各自延搜索圓心方向搜索的第一個(gè)像素值突變點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)為(像素值由0變1的坐標(biāo)點(diǎn))，根據(jù)這n個(gè)像素值突變點(diǎn)的坐標(biāo)，利用最小二乘法擬合求得軸承圓心(x_c,y_c)及圓心到軸承外圈的半徑R，則(x_c,y_c)和R之間的關(guān)系如式(1)所示。

進(jìn)一步地，軸承定位后，確定了軸承圖像的圓心和半徑，對(duì)以軸承圓心為起始點(diǎn)向上下左右四個(gè)方向做像素值檢測；由于二值圖像中僅存在像素值為0和1的像素點(diǎn)，所以可以將檢測到的一維像素值數(shù)組轉(zhuǎn)化為波形圖(X軸為坐標(biāo)點(diǎn)距離圓心長度，Y軸為像素值)；各方波下降沿對(duì)應(yīng)的X軸坐標(biāo)為所對(duì)應(yīng)圓環(huán)的半徑長度；基于圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通常根據(jù)測得的圖像外圓半徑長度和次外圓半徑長度之差作為特征值，外圓半徑為R₁，次外圓半徑為R₂，設(shè)ΔR為特征值，ΔR計(jì)算方法為四個(gè)方向測得的R₁平均值與四個(gè)方向測得的R₂平均值之差。

步驟三、將測得的數(shù)據(jù)存入特征數(shù)據(jù)庫：如果所檢測的圓錐滾子軸承規(guī)格為第一次檢測的規(guī)格，則需要將此軸承的A面和B面分別進(jìn)行上述步驟一和步驟二的檢測，并將測得的特征值ΔR_A和ΔR_B存入特征數(shù)據(jù)庫；并設(shè)定各規(guī)格軸承的A、B端面的特征范圍寫入特征庫，為待測軸承的端面判定提供特征值的所屬區(qū)間；如果所檢測的圓錐滾子軸承規(guī)格不是第一次檢測，特征值已經(jīng)存在數(shù)據(jù)庫中，則跳過此步驟。

步驟四、端面判定：通過確認(rèn)被測軸承的判定規(guī)格和尋找被測軸承所提取特征值的所屬區(qū)間，來判斷軸承A、B端面。

當(dāng)軸承生產(chǎn)線上更換其他規(guī)格軸承時(shí)，從圖像處理系統(tǒng)2的操作界面中選擇待測軸承規(guī)格，圖像處理系統(tǒng)2通過確認(rèn)被測軸承的判定規(guī)格和尋找被測軸承所提取特征值的所屬區(qū)間，來判斷軸承A、B端面，即：

If P is P_i andthen檢測端面為A面

If P is P_i andthen檢測端面為B面

其中P為待測軸承規(guī)格，P_i為圖像處理系統(tǒng)當(dāng)前判定規(guī)格；分別是A面和B面特征值的最小值和最大值，ΔR為在線提取被測軸承的特征值。

以上實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于上述的實(shí)施例。上述實(shí)施例中所用方法如無特別說明均為常規(guī)方法。