CN102288620A - 基于多图像传感器的钢球表面展开方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于多图像传感器的钢球表面展开方法及装置，方法是设置一直线导轨，直线导轨具有坡度，在直线导轨的轴线两侧的斜上方分别设置有相对称且结构相同的两个图像传感器，分别调节两个图像传感器参数及两个镜头光学参数一致，将被测钢球设置在具有凹槽的直线轨道上，被测钢球依靠重力沿着具有凹槽的直线轨道上做一维运动，当被测钢球经过图像传感器下方时，两个图像传感器实现对被测钢球连续采像。装置包括设置在工作台中部的由凹槽形成的具有坡度的直线导轨和对称的设置在工作台两端并位于直线导轨两侧的两个支架，两个支架的顶端各设置一个图像传感器，两个图像传感器的镜头均对应于直线导轨底部的中心轴线。本发明解决了钢球表面高速、精确展开的难题。

Description

基于多图像传感器的钢球表面展开方法及装置

技术领域

本发明涉及一种钢球表面展开方法。特别是涉及一种只需钢球的一维滚动，就可以达到球表面全面覆盖的基于多图像传感器的钢球表面展开方法及装置。

背景技术

钢球无论是作为轴承的组件，还是独立的滚动体，均有着广泛的应用。由于加工工艺及精度等原因，制造过程中，钢球表面会出现磨损、开裂、生锈、凹坑等缺陷，这些缺陷对轴承的速度、噪声、振动、寿命等性能有举足轻重的影响。因而钢球表面缺陷检测意义重大。

目前，国内的生产厂家大部分采用人工的方法，即在日光灯下用肉眼或者借助低倍放大镜来检查钢球的表面质量。但是人工观测随机性强，尤其对于微型钢球的表面缺陷难以发现，易产生漏检或误检；其次手工推挡无法保证球面的完全展开，也会出现漏检；检测人员长时间观测光洁度很高的钢球，易出现视觉疲劳。所以，能正确有效的评价钢球表面质量的自动检测装置成为轴承行业的迫切需求。

研制钢球表面质量的自动检测装置，除传感器不同外，钢球的表面展开装置是核心，也是一直以来国内外难以解决的技术问题。发展至今，钢球缺陷的检测方法已有很多，包括涡流探伤技术、超声波探伤技术、光电检测技术及视觉检测技术等。

在现有的钢球表面缺陷图像检测装置中，通常仅使用单一图像传感器。传感器一次成像仅能获取一定直径的球冠部分。当钢球绕过球心且垂直于光轴的某一直径回转时，即使传感器连续成像，也仅能获得钢球表面上一个环带区域的图像。为了获取钢球表面完整图像，钢球必须要有第二维的机械运动。而正是这一点，造成了获取钢球表面全覆盖图像的随机性和复杂性。

所以，钢球的展开装置仍然有以下问题：1、几乎都停留在二维运动，机械结构复杂。例如比较成熟的基于涡流探伤的子午线展开法，以钢球在展开轮和主动轮之间只做纯滚动，不产生滑动的假设为前提。展开轮在应用中易于磨损，受损的展开轮会导致钢球展开不充分，容易引起缺陷漏检，要求经常更换，维护费用高。随后发展的经纬扫描式展开的方法也存在类似问题。2、不能做到全覆盖。现有方法，钢球的充分展开比较随机。例如在一些基于视觉的钢球表面自动检测装置中，进给盘中的检测腔承载钢球以一定速度做转动，钢球的展开依靠底部摩擦盘周期的转动和间歇的平动使钢球做偏心运动，达到待检测钢球表面展开的效果。但是此种方法获取图像具有随机性，并不能保证完全覆盖钢球表面，机构也比较复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够解决钢球表面高速、精确展开的难题，增强了球表面全面覆盖的可靠性的基于多图像传感器的钢球表面展开方法及装置。

本发明所采用的技术方案是：一种基于多图像传感器的钢球表面展开方法及装置。基于多图像传感器的钢球表面展开方法，设置一由凹槽形成的直线导轨，所述的直线导轨具有使被测钢球依靠重力沿该直线导轨向前做纯滚动运动的坡度，在直线导轨的轴线两侧的斜上方分别设置有相对称且结构相同的两个图像传感器，分别调节对应的两个图像传感器参数及两个镜头光学参数一致，以期得到对称等大的球冠面，将被测钢球设置在具有凹槽的直线轨道上，被测钢球依靠重力沿着具有凹槽的直线轨道上做一维运动，当被测钢球经过图像传感器下方时，两个图像传感器实现对被测钢球连续采像。

所述的凹槽为V型槽。

所述的两个图像传感器中的任一个图像传感器的镜头与竖直方向的夹角为θ，所述夹角θ满足如下条件：

$\left\{\begin{array}{c}0<\tan \mathrm{\&theta;}\&CenterDot;\sqrt{1-k^2}/k<1\\ \arccos k<\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&pi;}/2\end{array}\right.$

其中，r为两个图像传感器所摄图像中球冠面的半径；R为钢球半径，k为比例系数k＝r/R。

一种用于基于多图像传感器的钢球表面展开方法的装置，包括有工作台、设置在工作台中部的由凹槽形成的直线导轨和对称的设置在工作台两端并位于直线导轨两侧的两个支架，所述的直线导轨具有使被测钢球依靠重力沿该直线导轨向前做纯滚动运动的坡度，所述的两个支架的顶端各设置一个图像传感器，所述的两个支架上的两个图像传感器的镜头均对应于直线导轨底部的中心轴线。

所述的形成直线导轨的凹槽为V型槽。

所述的两个图像传感器中的任一个相机的镜头与竖直方向的夹角为θ，所述夹角θ满足如下条件：

$\left\{\begin{array}{c}0<\tan \mathrm{\&theta;}\&CenterDot;\sqrt{1-k^2}/k<1\\ \arccos k<\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&pi;}/2\end{array}\right.$

其中，

r为两个图像传感器所摄图像中球冠面的半径；R为钢球半径，k为比例系数k＝r/R。

本发明的基于多图像传感器的钢球表面展开方法及装置，利用基于多图像传感器的视觉检测技术，提出了基于多图像传感器的视觉检测技术实现钢球表面全覆盖的方法。旨在不同时间内采集运动钢球的图像能把钢球表面全部覆盖到，同时钢球展开的机械结构大为简化，即由二维的相对运动简化为只有一维纯滚动的机械运动，避免采用机械结构复杂、易于磨损、展开不充分的展开轮系统，克服钢球运动中可能产生滑动的状况，解决了钢球表面高速、精确展开难题，使基于视觉的数字图像处理技术有效的应用于钢球表面质量的自动检测系统，提高自动检测系统可靠性提升钢球展开系统的可靠性，增强了球表面全面覆盖的可靠性，使之不再成为随机性的概率事件。本发明机械装置更加简单，大大降低了钢球表面缺陷自动检测的难度和成本，并且操作便捷，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构的立体示意图；

图2是图1的二维结构示意图；

图3是相机镜头全覆盖计算的立体图；

图4是球冠面展开轨迹示意图；

图5是球体竖直切面全覆盖临界示意图。

其中：

1：相机            2：镜头

3：支架            4：工作台

5：直线导轨        6：被测钢球

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于多图像传感器的钢球表面展开方法及装置做出详细说明。

本发明的基于多图像传感器的钢球表面展开方法，是设置一由凹槽形成的直线导轨，所述的凹槽为V型槽。所述的直线导轨具有使被测钢球依靠重力沿该直线导轨向前做纯滚动运动的坡度，在直线导轨的轴线两侧的斜上方分别设置有相对称且结构相同的两个图像传感器，分别调节对应的两个图像传感器参数及两个镜头光学参数一致，以期得到对称等大的球冠面，所述的直线导轨的上方设置有光源。将被测钢球设置在具有凹槽的直线轨道上，被测钢球依靠重力沿着具有凹槽的直线轨道上做一维运动，当被测钢球经过图像传感器下方时，两个图像传感器实现对被测钢球连续采像。

本发明所述的图像传感器包括CCD图像传感器和CMOS图像传感器等。本实施例所用图像传感器为面阵CCD相机。

所述的两个CCD相机中的任一个CCD相机的镜头与竖直方向的夹角为θ，所述夹角θ满足如下条件：

$\left\{\begin{array}{c}0<\tan \mathrm{\&theta;}\&CenterDot;\sqrt{1-k^2}/k<1\\ \arccos k<\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&pi;}/2\end{array}\right.$

其中，r为两个CCD相机所摄图像中球冠面的半径；R为钢球半径，k为比例系数k＝r/R。

将两个CCD相机编号分别为J、K。通过两个CCD相机得到两个球冠面的图像，如图3所示球面ABA′为J采集的球冠面，B′A′B是K采集的球冠面。有一部分重合区域，也有一部分在半球以下的区域，被测钢球沿直线轨道做一维纯滚动运动，当同一时刻两个相机的拍摄区域有重合且都超过半球时，钢球表面就能毫无遗漏的全部被采集，这样，钢球表面就能被充分展开。调节合适的重合面积及超出半球面积，就能得到一个最佳展开状态，即充分展开的同时，相机采集次数最小。图4为拍摄的球冠面随时间的展开轨迹二维图。

如图3所示，球面ABA′为J采集的球冠面，B′A′B是K采集的球冠面。两个球冠面相交于O和O′。设两个球冠面重合部分为OBO′A′，切面AOA′的圆心记为N，球心点记为M，OO′的中点记为P，连接O′N与OO′的夹角为α。根据立体几何学可以推出θ越小，重合面积越大；比例系数k越大，重合面积越大。有重合部分是每一次采集不存在死区的充分条件。将两个重合的圆切面展开，则α可用来定量分析两个圆切面的重合情况。由题设可得在ΔAMN中，

$\mathrm{MN}=\sqrt{R^2-r^2}---\left(1\right)$

在ΔNMP中，

$\mathrm{NP}=\sqrt{R^2-r^2}\&CenterDot;\tan \mathrm{\&theta;}---\left(2\right)$

在ΔPNO′中根据几何学公式得

$\sin \mathrm{\&alpha;}=\tan \mathrm{\&theta;}\&CenterDot;\sqrt{R^2-r^2}/r=\tan \mathrm{\&theta;}\&CenterDot;\sqrt{1-k^2}/k---\left(3\right)$

将两个重合的三维球切面展开成二维平面图如图三所示。则重合的临界位置是α＝π/2，重合的最大位置是α＝0。那么，两个传感器所采集的球冠面有重合的充分条件为

$0<\tan \mathrm{\&theta;}\&CenterDot;\sqrt{1-k^2}/k<1---\left(4\right)$

从展开轨迹可知，要做到全覆盖，在采集不同时刻之间没有死区存在，必须以单次采集球面最窄处即OO′为基准。只有沿OO′球面走过一个圆周，同时，覆盖的球面ABA′B′超出半球才能保证整个球充分覆盖。由图4可知

${\mathrm{OO}}^{\&prime;}=2r\cos \mathrm{\&alpha;}=2R\&CenterDot;\sqrt{k^2-{\sin }^2\mathrm{\&theta;}}/\cos \mathrm{\&theta;}---\left(5\right)$

覆盖的球面ABA′B′处于半球的临界情况(图5所示)cosθ₀＝r/2R，所以超出半球要求θ范围为

arc cos k＜θ＜π/2      (6)

综上所述，联立(4)、(5)、(6)，有

$\left\{\begin{array}{c}0<\tan \mathrm{\&theta;}\&CenterDot;\sqrt{1-k^2}/k<1\\ \arccos \left(k\right)<\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&pi;}/2\\ n=2\mathrm{\&pi;R}/{\mathrm{OO}}^{\&prime;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{\sqrt{k^2(1+{\tan }^2\mathrm{\&theta;})-{\tan }^2\mathrm{\&theta;}}}\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中n为全覆盖展开时需要采集的次数。

求解此方程组，只有当k＞0.71时，才会有满足方程的θ。k取值越大，可选择的θ范围就越大；当θ固定时，随着k值的增大，所需要采集的次数就越小。因而满足条件的k值固定，随着θ位置不同，存在不同的重合面积，当重合部分最大时，所需采集次数最小。效率最高。为了建立直观的概念，下表给出部分具体的取值情况下，所需采集次数。

表1部分参数所需采集次数

综上所述，调整相机和镜头的参数，即可固定一个k值。在可选范围内选取最佳的θ值，最终得到最少的全覆盖采集次数。同时，也证明了在被测钢球沿轨道一维运动的时间内，采取多次成像的方法能够做到无死区的充分展开球体表面。大大降低了机械展开机构的复杂度，一维的相对运动取代了二维的机械运动。

如图1、图2所示，本发明的用于基于多图像传感器的钢球表面展开方法的装置，包括有工作台4、设置在工作台4中部的由凹槽形成的直线导轨5，所述的形成直线导轨5的凹槽为V型槽，还有对称的设置在工作台4两端并位于直线导轨5两侧的两个支架3，所述的直线导轨5具有使被测钢球6依靠重力沿该直线导轨5向前做纯滚动运动的坡度，所述的两个支架3的顶端各设置一个图像传感器1，所述的两个支架3上的两个图像传感器1的镜头2均对应于直线导轨5底部的中心轴线。所述的直线导轨5的上方设置有光源7。

所述的两个图像传感器1中的任一个图像传感器的镜头2与竖直方向的夹角为θ，所述夹角θ满足如下条件：

$\left\{\begin{array}{c}0<\tan \mathrm{\&theta;}\&CenterDot;\sqrt{1-k^2}/k<1\\ \arccos k<\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&pi;}/2\end{array}\right.$

其中，r为两个图像传感器所摄图像中球冠面的半径；R为钢球半径，k为比例系数k＝r/R。

本发明所述的图像传感器包括CCD图像传感器和CMOS图像传感器等。本实施例所用图像传感器为面阵CCD相机。

本发明的用于基于多图像传感器的钢球表面展开方法的装置，在测试钢球表面时，将被测钢球放置在直线导轨5的高端，被测钢球依靠重力沿该直线导轨5向前(低端)做纯滚动运动，从而使得两个CCD相机实现对被测钢球连续采像。

Claims (6)

1.一种基于多图像传感器的钢球表面展开方法，其特征在于，设置一由凹槽形成的直线导轨，所述的直线导轨具有使被测钢球依靠重力沿该直线导轨向前做纯滚动运动的坡度，在直线导轨的轴线两侧的斜上方分别设置有相对称且结构相同的两个图像传感器，分别调节对应的两个图像传感器参数及两个镜头光学参数一致，以期得到对称等大的球冠面，将被测钢球设置在具有凹槽的直线轨道上，被测钢球依靠重力沿着具有凹槽的直线轨道上做一维运动，当被测钢球经过图像传感器下方时，两个图像传感器实现对被测钢球连续采像。

2.根据权利要求1所述的基于多图像传感器的钢球表面展开方法，其特征在于，所述的凹槽为V型槽。

3.根据权利要求1所述的基于多图像传感器的钢球表面展开方法，其特征在于，所述的两个图像传感器中的任一个图像传感器的镜头与竖直方向的夹角为θ，所述夹角θ满足如下条件：

$\left\{\begin{array}{c}0<\tan \mathrm{\&theta;}\&CenterDot;\sqrt{1-k^2}/k<1\\ \arccos k<\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&pi;}/2\end{array}\right.$

其中，r为两个图像传感器所摄图像中球冠面的半径；R为钢球半径，k为比例系数k＝r/R。

4.一种用于权利要求1所述的基于多图像传感器的钢球表面展开方法的装置，其特征在于，包括有工作台(4)、设置在工作台(4)中部的由凹槽形成的直线导轨(5)和对称的设置在工作台(4)两端并位于直线导轨(5)两侧的两个支架(3)，所述的直线导轨(5)具有使被测钢球(6)依靠重力沿该直线导轨(5)向前做纯滚动运动的坡度，所述的两个支架(3)的顶端各设置一个图像传感器(1)，所述的两个支架(3)上的两个图像传感器(1)的镜头(2)均对应于直线导轨(5)底部的中心轴线。

5.根据权利要求4所述的用于基于多图像传感器的钢球表面展开方法的装置，其特征在于，所述的形成直线导轨(5)的凹槽为V型槽。

6.根据权利要求4所述的用于基于多图像传感器的钢球表面展开方法的装置，其特征在于，所述的两个图像传感器(1)中的任一个相机的镜头(2)与竖直方向的夹角为θ，所述夹角θ满足如下条件：

$\left\{\begin{array}{c}0<\tan \mathrm{\&theta;}\&CenterDot;\sqrt{1-k^2}/k<1\\ \arccos k<\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&pi;}/2\end{array}\right.$

其中，

r为两个图像传感器所摄图像中球冠面的半径；R为钢球半径，k为比例系数k＝r/R。

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