郭 斌，華士丹，范偉軍，陸 藝，胡曉峰

(1.中國計(jì)量大學(xué)計(jì)量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018;2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司，浙江 杭州 310018)

0 引 言

柱塞主缸[1]是車輛制動(dòng)系統(tǒng)的重要零部件之一，其工作原理是將助力器推桿的推力轉(zhuǎn)化為液壓壓力，因此主缸需要維持良好的密封性且能夠承受一定的壓力。其壓力由密封圈與活塞相對位置控制，非制動(dòng)時(shí)活塞上的小孔徑與主缸內(nèi)壁上的補(bǔ)償孔連通，主缸內(nèi)無壓力。而影響密封圈密封性能的關(guān)鍵因素即為凹槽內(nèi)壁是否平整。若凹槽內(nèi)壁不平整，則會(huì)影響密封性能，進(jìn)而影響汽車的制動(dòng)性能。

由于柱塞主缸口徑極小，無法直接觀測，傳統(tǒng)方法由人工將工業(yè)內(nèi)窺鏡探入主缸內(nèi)部，不斷調(diào)整方向，查看側(cè)面內(nèi)壁凹槽表面情況。此方法耗時(shí)長，成本高，且極易誤判。韓文強(qiáng)等[2-3]設(shè)計(jì)了一個(gè)全景成像系統(tǒng)，將錐面鏡探入管孔，能夠?qū)崿F(xiàn)一次成像，檢測微小孔徑，但其光路設(shè)計(jì)復(fù)雜，視像管制作成本高。本文針對以上研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套基于LabVIEW的視覺檢測系統(tǒng)，通過錐面鏡兩次全景成像，將圖片拼接后檢測。此方法工業(yè)成本低，可復(fù)現(xiàn)性強(qiáng)，能夠提高柱塞主缸的工業(yè)檢測效率。

1 檢測原理

柱塞主缸剖面示意圖如圖1所示，主缸內(nèi)徑20 mm、縱深130 mm的圓柱形挖槽，上方為開口，其他面均封閉。挖槽內(nèi)壁從上至下共有4個(gè)凹槽（圖中對應(yīng)標(biāo)注 1、2、3、4），每個(gè)凹槽寬 4.5 mm，直徑22.22 mm。檢測面為凹槽位置豎直面。

圖1 柱塞主缸剖面圖

主要技術(shù)參數(shù)為：檢測上下運(yùn)動(dòng)距離范圍130 mm；檢測凹槽寬度為4.5 mm；檢測凹槽直徑為22.22 mm；環(huán)境溫度為–10～55 ℃。測量精度要求： 長方向和寬方向的像素當(dāng)量[2]都小于0.1 mm，即系統(tǒng)檢測精度優(yōu)于0.1 mm。

由于主缸內(nèi)徑狹小，管口透光極少，因此本文設(shè)計(jì)了一種360°錐面鏡全景成像方法，通過錐面鏡反射光線至主缸內(nèi)部，反射的內(nèi)壁全景圖將以圓環(huán)的方式映射到相機(jī)靶面，其光路圖如圖2（a）所示。A點(diǎn)為凹槽上端點(diǎn)，B點(diǎn)為凹槽下端點(diǎn)。A′B′為錐面鏡中A、B點(diǎn)的虛像。整個(gè)凹槽經(jīng)反射后在相機(jī)靶面呈現(xiàn)以凹槽上邊緣為內(nèi)圓，下邊緣為外圓的圓環(huán)。通過此方法能夠一次性采集凹槽360°方向全景圖，快速方便且易于實(shí)現(xiàn)。錐面鏡由固定支架固定，安裝如圖2（b）所示。為補(bǔ)償支架遮擋造成的圖像缺失，在檢測時(shí)將工件旋轉(zhuǎn)一定角度避開遮擋部分二次成像，對兩幅圖進(jìn)行裁剪和拼接得到全景圖。

圖2 360°錐面鏡全景成像示意圖

2 系統(tǒng)構(gòu)成及臺(tái)架設(shè)計(jì)

為滿足性能檢測功能需求，需設(shè)計(jì)一個(gè)凹槽內(nèi)壁缺陷自動(dòng)檢測平臺(tái)，使錐面鏡在主缸中定位精準(zhǔn)并上下運(yùn)動(dòng)、缸體以固定角度旋轉(zhuǎn)、視覺傳感器拍攝圖片送至上位機(jī)進(jìn)行圖像處理。通過設(shè)計(jì)合理的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和視覺傳感系統(tǒng)，搭建臺(tái)架調(diào)整缸體軸心與錐面鏡軸心一致，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測。

2.1 檢測系統(tǒng)性能指標(biāo)

整個(gè)平臺(tái)采用全自動(dòng)工作方式，設(shè)計(jì)合理的視覺傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和臺(tái)架。視覺傳感系統(tǒng)需選用合適的相機(jī)、鏡頭、光源以及錐面鏡?？刂葡到y(tǒng)由上位機(jī)PC發(fā)送數(shù)據(jù)到運(yùn)動(dòng)控制卡，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)動(dòng)作，分別負(fù)責(zé)位移給進(jìn)和工件旋轉(zhuǎn)。圖3為控制系統(tǒng)硬件模塊構(gòu)成原理圖。

伺服控制機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求：錐面鏡到達(dá)第1個(gè)凹槽位移給進(jìn)12 mm，第2個(gè)位置給進(jìn)35 mm，第3個(gè)位置85 mm，第4個(gè)位置93 mm。每個(gè)凹槽位置工件旋轉(zhuǎn)1次。錐面鏡固定支架的一邊在圖像中的寬度遮擋占整張圖片的12.7%，故旋轉(zhuǎn)角度在22.86°～157.14°之間均可以在拼接時(shí)避免遮擋部分重合，本文選擇旋轉(zhuǎn)角度為70°較為適中。

圖3 控制系統(tǒng)硬件模塊構(gòu)成原理圖

視覺傳感要求：相機(jī)像素大于200萬，光學(xué)尺寸7.2 mm×5.3 mm。鏡頭視場大于20 mm×20 mm，物距大于130 mm。光源：環(huán)形光源，光照角度60°。

2.2 視覺傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

視覺傳感系統(tǒng)采集錐面鏡反射的全景圖，并將其送至上位機(jī)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 視覺傳感系統(tǒng)

錐面鏡底面直徑為17 mm，高8.5 mm，錐面斜角為45°，能一次呈現(xiàn)寬度4.5 mm的凹槽景象且不會(huì)對凹槽寬度進(jìn)行壓縮。由于曲率、畸變等因素影響，凹槽長度的壓縮可通過圖像處理補(bǔ)償。

相機(jī)型號(hào)為MV-CA060-10M。像素600萬，感光尺寸7.2 mm×5.3 mm。鏡頭型號(hào)MVL-HF2528M-6MP，焦距25 mm。因?yàn)槌上裎锞噍^大，錐面鏡成像面積較小，所以選擇600萬像素的相機(jī)以保證錐面鏡成像分辨率。相機(jī)通過以太網(wǎng)通與PC通信，由LabVIEW VAS驅(qū)動(dòng)并獲取圖像。

由于主缸口徑小使得光源光線難以進(jìn)入，需考慮光線入射情況。選擇一款內(nèi)徑25 mm，外徑50 mm，入射角度60°的高角度照射環(huán)形光源[4]。光源與相機(jī)相對靜止，越往下進(jìn)入主缸的光線越少，需通過可通信光源控制器調(diào)節(jié)光源亮度。光源控制器通過RS232通信，亮度0～255級(jí)可調(diào)，一通道亮度級(jí)為100，二通道亮度級(jí)為150。該試驗(yàn)采用一通道工作控制光源，第1個(gè)凹槽亮度級(jí)設(shè)為200級(jí)，第2個(gè)設(shè)為230級(jí)，第3個(gè)240級(jí)，第4個(gè)255級(jí)。

2.3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及臺(tái)架設(shè)計(jì)

臺(tái)架結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，由視覺傳感機(jī)構(gòu)、垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、產(chǎn)品固定平臺(tái)以及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)共同組成。其中，垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)、絲桿、360°錐面鏡視覺檢測系統(tǒng)組成，通過電機(jī)帶動(dòng)絲桿做上下運(yùn)動(dòng)；產(chǎn)品固定平臺(tái)用于主缸的固定裝夾，通過光電傳感器對其裝夾實(shí)現(xiàn)到位判斷；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)位于產(chǎn)品固定平臺(tái)底部，由控制旋轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制流程：設(shè)定4個(gè)凹槽位置坐標(biāo)值，到達(dá)位置進(jìn)入拍照流程，即初次拍照、工件旋轉(zhuǎn)70°、補(bǔ)償拍照，完成拍照流程后系統(tǒng)復(fù)位。

圖5 臺(tái)架結(jié)構(gòu)圖

運(yùn)動(dòng)控制卡采用MPC08，該卡有4個(gè)軸，能同時(shí)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)4個(gè)電機(jī)。選擇軸1控制位移電機(jī)，軸2控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)?？刂瓶ǖ拿}沖信號(hào)頻率決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)決定電機(jī)的轉(zhuǎn)角。伺服電機(jī)為富士GYS201D5-RA2型，在垂直方向上通過電機(jī)帶動(dòng)絲桿使錐面鏡做垂直運(yùn)動(dòng)。電機(jī)帶動(dòng)的絲桿導(dǎo)程為5 mm，即電機(jī)轉(zhuǎn)一周，絲桿前進(jìn)5 mm。因信號(hào)干擾電機(jī)每轉(zhuǎn)一周會(huì)有數(shù)個(gè)脈沖丟失，影響定位精度，故提高電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需的脈沖數(shù)至10 000，即每10 000個(gè)脈沖絲桿前進(jìn)5 mm，此時(shí)丟失的脈沖可忽略不計(jì)。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的伺服電機(jī)上安裝減速器以提高扭矩，設(shè)定100個(gè)脈沖對應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度1°，即完成70°旋轉(zhuǎn)需7 000個(gè)脈沖信號(hào)[5]。

2.4 同軸驗(yàn)證

為保證成像質(zhì)量，減小由垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和產(chǎn)品軸心不重合導(dǎo)致的位置偏差引起成像畸變，需調(diào)整產(chǎn)品固定平臺(tái)姿態(tài)，保證軸心一致。檢測軸心是否一致的方法為：先將錐面鏡探入主缸12 mm至第一個(gè)凹槽位置A，拍照檢測錐面鏡圓心與主缸管孔圓心；再下降100 mm到達(dá)位置B，再次拍照檢測；將兩次結(jié)果處理分析，若兩組數(shù)據(jù)的4個(gè)圓心像素坐標(biāo)偏差均在5個(gè)像素之內(nèi)，即實(shí)際偏差優(yōu)于0.1 mm，則認(rèn)為軸心的偏差在允許的范圍之內(nèi)。圓心檢測圖如圖6所示。錐面鏡圓為綠色，主缸管孔圓為紅色。同一位置3次測量后圓心數(shù)據(jù)如表1所示[6]。其中，錐面鏡圓心為O1(X1,Y1)，主缸管孔圓心為O2(X2,Y2)。

圖6 圓心檢測示意圖

表1 兩次拍照檢測到的圓心坐標(biāo)

由表可得，A、B位置圓心數(shù)組橫縱坐標(biāo)偏差均在±5 pixel內(nèi)，認(rèn)為誤差在可接受范圍內(nèi)，完成驗(yàn)證。

3 圖像處理算法設(shè)計(jì)

基于系統(tǒng)采集的環(huán)形圖像為兩張有遮擋的凹槽景象圖，需先展開成矩形圖，并將遮擋部分裁去，對整張圖片進(jìn)行完整拼接后，才能進(jìn)行缺陷檢測。

3.1 環(huán)形圖像展開

獲取圖像后采用NI Assistant圓檢測模塊檢測圖像圓心與半徑。基于坐標(biāo)變換和插值運(yùn)算理論，將原圖像映射為矩形圖，并復(fù)制灰度值，完成圖像展開[7]。

如圖7所示，設(shè)原圖像正方形左上角為原點(diǎn)Q，水平方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閅軸。圓心坐標(biāo)為O(x0,y0)，內(nèi)環(huán)半徑為r，外環(huán)半徑為R。設(shè)矩形原點(diǎn)為C，水平方向?yàn)閁軸，豎直方向?yàn)閂軸。θ對應(yīng)的扇環(huán)ACGE展開為矩形ACG?E?，其對應(yīng)關(guān)系如下式所示：

圖7 圓環(huán)展開示意圖

圓環(huán)上的任意一點(diǎn)F(x,y)與矩形上對應(yīng)點(diǎn)F'(u,v)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

3.2 圖像拼接

拼接之前需將旋轉(zhuǎn)得到的第2張圖片平移。由于旋轉(zhuǎn)角度為逆時(shí)針70°，故展開第2張圖時(shí)將起始角延后70°，即可得到兩張景象相同，遮擋位置不同的展開圖。展開公式為

圖8（a）、圖8（b）即為兩次成像后帶有遮擋的全景圖。綠色部分即為替換部分。

圖8 圖像平移與拼接

圖像掩膜[8]是圖像融合拼接的常用方法，能夠通過對處理的圖像（全部或局部）進(jìn)行遮擋，來控制圖像處理的區(qū)域。設(shè)旋轉(zhuǎn)0°展開圖為f(x1)，旋轉(zhuǎn)70°展開圖為f(x2)，掩膜如圖8（c）所示，設(shè)為g(x)，則完整圖：

完整展開圖如圖8（d）所示，圖中黑色長條形方塊由工件切割造成。

3.3 凹槽提取與缺陷檢測

1）凹槽邊緣提取

由圖8（d）可知，凹槽邊緣較周圍更黑，像素點(diǎn)對應(yīng)灰度值更小。因此掃描圖像進(jìn)行投影變換，以行為單位統(tǒng)計(jì)每行灰度和，圖像左上角為原點(diǎn)，繪制垂直投影圖[9]，如圖9所示?？梢缘玫桨疾凵线吘壴诘?4行，下邊緣在第255行。提取后得到凹槽圖如圖10所示。

2）缺陷提取

缺陷檢測前先將圖片進(jìn)行中值濾波[10]，有效去除椒鹽噪聲。

鑄件表面砂眼缺陷如圖11（a）所示。去處噪聲后如圖11（b）所示。利用Canny算子[11]通過對信噪比與定位乘積進(jìn)行測度，得到最優(yōu)化逼近邊緣算子，并使用高斯平滑濾波器和圖像卷積得到一個(gè)濾波后的矩陣，處理后得到圖11（c）。最后進(jìn)行孤立點(diǎn)面積閾值處理，對圖像進(jìn)行膨脹處理并移除像素面積小于300的對象。標(biāo)記后得到圖11（d），統(tǒng)計(jì)得到構(gòu)成砂眼的像素點(diǎn)數(shù)544[12]。

圖9 凹槽全景圖垂直投影圖

圖10 提取的凹槽景象圖

圖11 砂眼缺陷檢測示意圖

劃痕缺陷示意圖如圖12（a）所示。中值濾波去噪后利用Canny算子進(jìn)行邊緣提取圖像像素灰度值大于144（較白）的部分，得到圖12（b）。通過數(shù)學(xué)形態(tài)處理對圖像進(jìn)行膨脹運(yùn)算得到圖12（c）。最后通過長寬比閾值處理提取連通區(qū)域像素點(diǎn)數(shù)大于300且長寬比大于5的缺陷，即為劃痕[13]。標(biāo)記后如圖12（d）所示，標(biāo)記的劃痕最長的長度為151 pixel，寬度最寬為27 pixel。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

選取合格產(chǎn)品切開，在凹槽表面制造劃痕后粘合工件獲取圖像。像素標(biāo)定通過拍攝3 mm的標(biāo)準(zhǔn)量塊測得，如圖13所示即為縱放X方向3 mm與橫放Y方向3 mm的量塊拍攝圖。

圖12 劃痕缺陷檢測示意圖

圖13 量塊標(biāo)定示意圖

旋轉(zhuǎn)平臺(tái)至不同角度，量塊相應(yīng)旋轉(zhuǎn)，測得量塊厚度如表2所示。其中，像素當(dāng)量=實(shí)際尺寸/占用像素?cái)?shù)[14]。

表2 像素尺寸與像素當(dāng)量數(shù)據(jù)表

由表可知，X方向像素當(dāng)量為0.027 mm，Y方像像素當(dāng)量為0.024 mm，均滿足小于0.1 mm的精度要求。

檢測得到砂眼面積544 pixel，實(shí)際面積為0.35 mm2，劃痕長151 pixel，寬27 pixel，實(shí)際長4.01 mm，寬0.62 mm。均能夠準(zhǔn)確識(shí)別，滿足現(xiàn)場工業(yè)要求。

5 結(jié)束語

本文將360°錐面鏡全景成像系統(tǒng)應(yīng)用到柱塞主缸凹槽表面缺陷檢測中，與伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合，通過電機(jī)帶動(dòng)相機(jī)鏡頭探入主缸內(nèi)部，以環(huán)形圖的方式將景象反射到相機(jī)靶面上。旋轉(zhuǎn)工件二次成像補(bǔ)償錐面鏡支架的遮擋，將兩張圖片展開、拼接，得到完整全景圖后進(jìn)行缺陷檢測。運(yùn)動(dòng)部分均由伺服電機(jī)控制，通過軟硬件結(jié)合的方式，此方法達(dá)到了最終一次呈現(xiàn)全景圖的目的，且快速高效地實(shí)現(xiàn)了對封閉式工件內(nèi)壁檢測。檢測最終得到的精度均優(yōu)于0.1 mm，滿足工業(yè)需求，優(yōu)化了小口徑半封閉系統(tǒng)表面缺陷檢測的方法。