基于圖像處理齒輪表面缺陷測(cè)量技術(shù)

袁端磊，董華軍，2，田小靜，叢宇，司博文

(1.中電裝備平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001;2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連116028;3.大連供電公司，遼寧 大連 116001;4.北車(chē)集團(tuán) 大連機(jī)車(chē)有限公司，遼寧 大連 116022)

0 引言

齒輪是各種機(jī)械設(shè)備中常用的一種重要傳動(dòng)零件，其齒面質(zhì)量和精度高低對(duì)整個(gè)機(jī)械設(shè)備的綜合性能和實(shí)用壽命有著重要的影響.發(fā)展齒輪表面質(zhì)量和精度的檢測(cè)技術(shù)是提高齒輪產(chǎn)品質(zhì)量的必要條件［1］.傳統(tǒng)的齒輪測(cè)量?jī)x器相對(duì)而言結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格昂貴，技術(shù)要求高，一般企業(yè)僅靠人眼在顯微鏡下逐個(gè)分辨，效率和精度極低，因而在很大程度上制約了其應(yīng)用.近年來(lái)，隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，利用光學(xué)、圖像處理等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械零件表面質(zhì)量檢測(cè)已經(jīng)受到人們的重視，該方法具有效率高、動(dòng)態(tài)范圍大、成本低及非接觸測(cè)量等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種實(shí)時(shí)在線機(jī)械零件檢測(cè)［2］.在齒輪質(zhì)量檢測(cè)領(lǐng)域，目前國(guó)內(nèi)楊淑櫻等運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)生產(chǎn)制造的齒輪和標(biāo)準(zhǔn)齒輪作對(duì)比，以檢測(cè)生產(chǎn)的齒輪是否合格［3］.賀秋偉等應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)對(duì)塑料齒輪中心孔的圓心和齒形缺陷進(jìn)行了檢測(cè)［4］.運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理技術(shù)在齒輪檢測(cè)領(lǐng)域顯示了其優(yōu)越性，為了進(jìn)一步擴(kuò)展數(shù)字圖像處理技術(shù)在齒輪表面檢測(cè)上的應(yīng)用，本文提出了基于數(shù)字圖像處理技術(shù)齒輪表面缺陷檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)圖像預(yù)處理，邊緣提取及圖像識(shí)別等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了齒輪表面缺陷幾何特征參數(shù)的提取，且運(yùn)用MATLAB開(kāi)發(fā)了齒輪表面缺陷參數(shù)診斷軟件，為實(shí)現(xiàn)齒輪表面缺陷的非接觸測(cè)量提供了技術(shù)基礎(chǔ).

1 齒輪表面缺陷圖像采集系統(tǒng)

齒輪圖像采集系統(tǒng)主要包括照明系統(tǒng)、光學(xué)鏡頭、CCD攝像機(jī)、圖像采集卡及計(jì)算機(jī)等組成，如圖1所示.整個(gè)系統(tǒng)工作過(guò)程如下，將被檢測(cè)齒輪齒面盡可能放置在光照均勻的背景下，調(diào)節(jié)光學(xué)鏡頭，設(shè)置 CCD相機(jī)分辨率和曝光時(shí)間，將CCD采集得到的圖片通過(guò)采集卡存到計(jì)算機(jī)內(nèi)存，隨后應(yīng)用相應(yīng)軟件對(duì)齒輪齒面進(jìn)行分析和檢測(cè)，最后將檢測(cè)結(jié)果輸出.

圖1 齒輪齒面圖像采集系統(tǒng)

2 齒輪表面缺陷圖像處理分析

一般情況下，經(jīng)過(guò)CCD攝像機(jī)采集得到的齒面圖像不可避免會(huì)受到外界噪聲影響，而這些噪聲的存在使圖像變得模糊，甚至淹沒(méi)了圖像特征，對(duì)齒面分析產(chǎn)生一定的影響，因此在圖像特征提取之前，需要對(duì)齒面圖像進(jìn)行噪聲濾除，改善圖像質(zhì)量，突出圖像中的目標(biāo)對(duì)象.

同時(shí)為了方便提取齒面的缺陷幾何特征，在對(duì)齒面圖像分析前，需要對(duì)齒面圖像進(jìn)行二值化處理，即處理成只有0和1兩種值的黑白圖像.且二值化圖像容易獲取、存取和處理，能給出圖像的輪廓信息，因此適合圖像幾何特征的提取.

將數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用到齒輪表面缺陷檢測(cè)中，主要是利用齒面表面缺陷形狀特征明顯特點(diǎn).將齒面樣本拍照成數(shù)字圖像并根據(jù)處理的需要可進(jìn)行適當(dāng)放大或縮小，然后通過(guò)圖像處理和分析，可快速計(jì)算檢測(cè)出每個(gè)齒面缺陷的幾何特征參數(shù)，得到診斷結(jié)果.

3 齒輪表面缺陷幾何參數(shù)提取

齒輪表面圖像如圖2所示，在圖2中提取3處不同表面缺陷進(jìn)行圖像處理得到如圖3所示的(a)，(b)，(c)表面缺陷.由于表面缺陷形狀不同、大小各異，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同缺陷進(jìn)行量化描述，本文采用幾何特征來(lái)描述齒輪表面缺陷.常用來(lái)表征幾何特征的參數(shù)有面積、周長(zhǎng)、矩形度和伸長(zhǎng)度四個(gè)參數(shù)［5］.其中面積和周長(zhǎng)是對(duì)表面缺陷的二值圖像進(jìn)行分析計(jì)算得到的，都是通過(guò)統(tǒng)計(jì)圖像像素點(diǎn)操作完成的.而矩形度和伸長(zhǎng)度具有圖像平移，旋轉(zhuǎn)縮放不變性的好處.通過(guò)這四個(gè)特征參數(shù)的研究對(duì)齒輪表面缺陷的診斷具有重要的意義.

圖2 齒輪表面圖像［6］

圖3 齒輪表面不同缺陷

缺陷面積描述缺陷輪廓區(qū)域的大小，即齒輪圖像中所有屬于該缺陷的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，一般用“A”表示.而缺陷周長(zhǎng)則是包含缺陷而不包括缺陷的邊界長(zhǎng)度，用“L”表示.缺陷矩形度則是缺陷輪廓的面積與缺陷的高度和寬度的乘積之比，用“R”表示.伸長(zhǎng)度則是指缺陷短軸與長(zhǎng)軸的比值，用“E”表示［6］.通過(guò)這四個(gè)特征參數(shù)可以將齒輪表面缺陷進(jìn)行有效的分類(lèi)和檢測(cè).附表是對(duì)圖4中缺陷特征參數(shù)檢測(cè)的結(jié)果.

附表 齒輪缺陷檢測(cè)結(jié)果

4 基于MATLAB齒輪表面檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)齒輪表面缺陷檢測(cè)的自動(dòng)化、批量化及提高檢測(cè)效率，本系統(tǒng)是基于MATLAB開(kāi)發(fā)的，該軟件主要包括圖像預(yù)處理、圖像分析、圖像識(shí)別模塊，系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)具有模塊化和智能化特點(diǎn).模塊化的設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)清晰，便于維護(hù)和擴(kuò)展特點(diǎn)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪表面缺陷檢測(cè)提供了擴(kuò)展空間.智能化主要是用戶輸入齒輪齒面圖像后，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)齒面缺陷進(jìn)行檢測(cè)并自動(dòng)輸出缺陷的幾何特征參數(shù)［7］.本系統(tǒng)軟件界面設(shè)計(jì)如圖4所示，在窗口中可顯示原始采集得到的齒輪圖像，然后對(duì)齒輪缺陷部分進(jìn)行剪輯和提取，最后經(jīng)過(guò)處理之后并顯示缺陷部分，同時(shí)對(duì)缺陷部分的幾何特征進(jìn)行提取并顯示，且應(yīng)用該軟件對(duì)齒輪齒面缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，軟件可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)齒面缺陷的剪輯并顯示出缺陷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了缺陷的周長(zhǎng)、面積、矩形度和伸長(zhǎng)度幾何特征參數(shù)的檢測(cè).

圖4 齒輪表面缺陷質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

本文介紹了利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)齒輪表面缺陷進(jìn)行非接觸測(cè)量方法，討論了圖像采集、圖像預(yù)處理、邊緣提取及齒輪缺陷幾何特征參數(shù)等測(cè)量步驟.運(yùn)用MATLAB開(kāi)發(fā)了齒輪表面缺陷幾何特征參數(shù)軟件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)用該檢測(cè)系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)齒輪缺陷幾何特征的檢測(cè)，為齒輪表面質(zhì)量檢測(cè)提供了一種新的途徑.

［1］左建中，陳賢青，尹輝，等.基于小波變換的齒輪圖像邊緣檢測(cè)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2007，7(8):1602-1604.

［2］倪振松，邢濟(jì)收.計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在齒輪測(cè)量中的應(yīng)用研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(7):123-125.

［3］楊淑瑩，任翠池，張成，等.基于機(jī)器視覺(jué)的齒輪產(chǎn)品外觀缺陷檢測(cè)［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，40(9):1111-1113.

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