CN104976959B - 一种基于机器视觉的弹簧尺寸在线测量系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的弹簧尺寸在线测量系统及其方法，该方法包括工业相机采集弹簧图像，并将采集的弹簧图像传送至主控制器；主控制器对接收的弹簧图像进行畸变校正和减背景处理；对上步处理后的图像进行阈值分割，得到弹簧目标初始区域的二值图；采用圆形结构元素处理弹簧目标初始区域的二值图，得到包含弹簧内外边缘的弹簧区域，作为感兴趣的待处理区域；检测感兴趣的待处理区域内的弹簧内外边缘，计算弹簧的内外径以及打磨角；计算得到的弹簧的内外径和打磨角与预设的弹簧的内外径和打磨角尺寸范围比较，若弹簧的内外径和打磨角均在预设的弹簧的内外径和打磨角尺寸范围内，则判断弹簧合格；否则，主控制器控制剔除机构剔除弹簧。

Description

一种基于机器视觉的弹簧尺寸在线测量系统及其方法

技术领域

本发明属于机器视觉测量领域，尤其涉及一种基于机器视觉的弹簧尺寸在线测量系统及其方法。

背景技术

弹簧的外观参数是衡量弹簧好坏很重要的指标之一，主要有：外径、内径、簧面打磨四分之三圈以上、簧高、圈数和钢丝直径等。当前与先进工业化国家相比，我国弹簧行业总体技术水平较为落后，国内外的测量系统并不是很完善，存在着许多问题和缺陷，尤其是对于一些中小型弹簧企业，现有的弹簧参数测量基本是人工抽检，手动测量的方式，这种方式不仅费时费力，测量精度低，受人员因素影响较大，同时会出现出厂的弹簧不能完全达到精度要求的情况，造成很大的浪费和经济损失，而且，国内企业在设计研发、弹簧质量、废品率、过程控制等环节与国际先进水平相比仍存较大差距。在检测装备方面，国外已普遍采用了自动在线检测手段、检测结果数据的显化、自动进行数理统计、自动反馈调整功能、压力自动分选等控制手段；对弹簧的尺寸，如高度、外径、圈数、负荷及探伤、弹簧簧面打磨面的角度即弹簧簧面打磨角等实施全部产品自动检测，但是国外全自动弹簧质量检测的系统对于小型的弹簧生产企业来说，投资比较大。

随着光电传感器元件的高速发展和日益提高，机器视觉测量技术已经成为一种对工业现场环境要求小的高速度、高精度非接触式几何量测量方案。现有的对基于机器视觉的弹簧参数自动测量的研究，希望能改善人工测量的不足，并能降低成本。如何自动、快速、高精度的测量生产的每根弹簧的外观参数，从而根据技术标准判断弹簧外观是否满足质量要求，成为急需解决的问题；同时弹簧测量精度和速度的提升，可以提高生产弹簧的质量，降低生产成本，提高经济效益和社会效益。

发明内容

为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种基于机器视觉的弹簧尺寸在线测量系统及其方法，该方法能够实现自动、快速、高精度的测量弹簧外观参数，同时通过对弹簧尺寸数据的实时分析，及时发现问题并纠正，可提高生产效率，节约成本，提高所生产弹簧的精度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于机器视觉的弹簧尺寸在线测量系统，包括：

载物台，所述载物台上设有传输待测弹簧的传送机构，所述传送机构与驱动机构相连；所述载物台上还设有剔除机构，所述驱动机构和剔除机构分别与主控制器相连；

光源，其设置在待测弹簧上方，用于为待测弹簧提供照明；

光源控制器，其与光源相连，用于控制光源的通断和强度；

工业相机，设置于待测弹簧的正上方，所述工业相机与主控制器相连，工业相机用于采集弹簧图像并传送至主控制器进行处理，得到待测弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸参数，并存入存储器中；

主控制器得到的待测弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸参数与预设的弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸参数范围相比较，若待测弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸参数均在预设的弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸参数范围内，则判定待测弹簧合格，传送机构继续传输弹簧；否则主控制器控制剔除机构剔除不合格弹簧。

所述光源为LED光源，用于为工业相机提供效率高的照明。

所述驱动机构包括第一驱动电机，所述第一驱动电机与减速器相连，所述第一驱动电机与减速器均与主控制器相连，用于驱动传送机构运动，进而带动待测弹簧运动。

所述剔除机构包括推板，所述推板设置于载物台上，推板与第二驱动电机相连，所述第二驱动电机与主控制器相连，用于剔除不合格弹簧。

所述主控制器还连接有声光报警模块，当主控制器判断待测弹簧不合格时，主控制器驱动声光报警模块发出预警信号。

一种基于机器视觉的弹簧尺寸在线测量系统的测量方法，包括：

步骤(1)：工业相机采集弹簧图像，并将采集的弹簧图像传送至主控制器；

步骤(2)：主控制器对接收的弹簧图像进行畸变校正和减背景处理；

步骤(3)：对步骤(2)处理后的图像进行阈值分割，得到弹簧目标初始区域的二值图；

步骤(4)：采用圆形结构元素形态学处理弹簧目标初始区域的二值图，得到包含弹簧内外边缘的弹簧区域，作为感兴趣的待处理区域；

步骤(5)：检测感兴趣的待处理区域内的弹簧内外边缘，计算弹簧的内外径以及簧面打磨角；

步骤(6)：计算得到的弹簧的内外径和簧面打磨角与预设的弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸范围进行比较，如果弹簧的内外径和簧面打磨角均在预设的弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸范围内，则判断弹簧合格，传送机构继续传输弹簧；否则，主控制器控制剔除机构剔除弹簧。

所述步骤(4)中的圆形结构元素的半径为15个像素，为了保证避免形变和噪声干扰影响感兴趣处理区域。

所述步骤(5)中检测感兴趣的待处理区域内的弹簧内外边缘的过程包括：

步骤(5.1)：对感兴趣的待处理区域进行高斯平滑滤波；

步骤(5.2)：对滤波后的图像进行亚像素边缘检测，得到弹簧簧面内外边缘。

所述步骤(5.1)中对感兴趣的待处理区域进行高斯平滑的过程为：

采用5×5的高斯滤波器，对感兴趣的待处理区域I_roi进行高斯平滑滤波，得到滤波后的图像I_sm：

其中，G为5×5的高斯滤波器，表示卷积运算。

所述步骤(5.2)中对高斯平滑后的区域进行亚像素边缘检测的过程为：

步骤(5.2.1)：对滤波后的图像进行sobel算子的像素级边缘检测，得到边缘点及其边缘方向；

步骤(5.2.2)：在每个边缘点处，在滤波后的图像中沿着垂直于边缘方向，对边缘点附近7个像素进行二阶多项式拟合；

步骤(5.2.3)：对拟合曲线求一阶微分，计算绝对值极大值位置，所求得的极大值位置为亚像素级的边缘点。

所述步骤(5)中计算簧面打磨角的过程为：

在感兴趣的待处理区域内，以弹簧的相对中心位置为极坐标原点进行极坐标转换，并沿弹簧边缘角度方向进行投影；根据弹簧内外径的大小，统计投影值大于弹簧内外径差值的3/4时的角度大小作为簧面打磨角。

本发明的有益效果为：

(1)本发明解决了传统人工检测方式测量准确性低的缺陷，实现了对每根弹簧的内径、外径、簧面打磨角的准确测量，将不合格的弹簧直接从载物台上剔除；

(2)本发明采用机器视觉和图像处理方法，满足载物台上实时检测的需求；

(3)本发明的主控制器处理得到待测弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸参数存入存储其中，可以对弹簧进行批量的质量分析，该发明改造了传统的生产过程中检测部分，既提高了生产效率，减少了废品率和返工率，也使产品质量的可靠性和稳定性得到了保证。

附图说明

图1为本发明的基于机器视觉的弹簧尺寸在线测量系统结构示意图；

图2为本发明的基于机器视觉的弹簧尺寸在线测量系统的测量方法流程图；

图3为多图平均进行估计得到的背景；

图4为工业相机采集得到的弹簧图；

图5为减背景后的差图像；

图6为感兴趣的待处理区域；

图7为待测弹簧的内边界轮廓；

图8为待测弹簧的外边界轮廓；

图9为环形簧面极坐标变换图；

图10为显示测量未打磨部分对应的角度。

其中，1、主控制器；2、载物台；3、驱动机构；4、剔除机构；5、工业相机；6、存储器；7、声光报警模块；8、传送机构。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

如图1所示，一种基于机器视觉的弹簧尺寸在线测量系统，包括：

载物台2，载物台2上设有传输待测弹簧的传送机构8，传送机构8与驱动机构3相连；载物台2上还设有剔除机构4，驱动机构3和剔除机构4分别与主控制器1相连；

光源，其设置在待测弹簧上方，用于为待测弹簧提供照明；

光源控制器，其与光源相连，用于控制光源的通断和强度；

工业相机5，设置于待测弹簧的正上方，所述工业相机5与主控制器1相连，工业相机5用于采集弹簧图像并传送至主控制器1进行处理，得到待测弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸参数，并存入存储器6中；

主控制器1得到的待测弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸参数与预设的弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸参数范围相比较，若待测弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸参数均预设的弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸参数范围内，则判定待测弹簧合格，传送机构继续传输弹簧；否则主控制器1控制剔除机构4剔除不合格弹簧。

光源为LED光源。

驱动机构3包括第一驱动电机，第一驱动电机与减速器相连，第一驱动电机与减速器均与主控制器相连。

剔除机构4包括推板，推板设置于载物台上，推板与第二驱动电机相连，第二驱动电机与主控制器相连。

主控制器1还连接有声光报警模块7，当主控制器1判断待测弹簧不合格时，主控制器1驱动声光报警模块7发出预警信号。

其中，传送机构8可以选择传送带或者其他形式的传送装置。

如图2所示，一种基于机器视觉的弹簧尺寸在线测量系统的测量方法，包括：

步骤(1)：工业相机采集弹簧图像，并将采集的弹簧图像传送至主控制器；

步骤(2)：主控制器对接收的弹簧图像进行畸变校正和减背景处理；

步骤(3)：对步骤(2)处理后的图像进行阈值分割，得到弹簧目标初始区域的二值图；

步骤(4)：采用圆形结构元素形态学处理弹簧目标初始区域的二值图，得到包含弹簧内外边缘的弹簧区域，作为感兴趣的待处理区域，如图6所示；

步骤(5)：检测感兴趣的待处理区域内的弹簧内外边缘，如图7和图8所示，计算弹簧的内外径以及簧面打磨角；

步骤(6)：计算得到的弹簧的内外径和簧面打磨角与预设的弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸范围进行比较，如果弹簧的内外径和簧面打磨角均在预设的弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸范围内，则判断弹簧合格，传送机构继续传输弹簧；否则，主控制器控制剔除机构剔除弹簧。

本发明的基于机器视觉的弹簧尺寸在线测量系统，在进行图像采集测量之前，先进行成像系统标定。利用棋盘格标定板，采用亚像素级角点检测方法来进行成像系统标定，得到标定参数以及畸变校正矩阵H。其中，工业相机采集弹簧图像I，弹簧图像I的行数*列数＝N*W，如图4所示。

步骤(2)中主控制器首先对接收的图像进行畸变校正，得到图像I_s；然后，图像I_s与如图3所示的背景图像I_bg采用减背景算法作差运算，得到差图像I_d，如图5所示：

I_s＝I*H (1)

其中，x,y分别表示图像的像素点的行列位置；x＝0,1,2...,m_H-1；y＝0,1,2...,m_W-1；其中，m_H和m_W分别为采集到图像的高和宽。

所述步骤(4)中，为了保证有形变和噪声等干扰存在的情况下得到包含簧面内外边缘的感兴趣区I_bs，采用半径为15个像素的圆形结构元素进行膨胀运算。

所述步骤(5)中包含簧面内外边缘的感兴趣区I_bs对应部分作为图像感兴趣区域，图像感兴趣区域I_roi的表达式为：

其中，x,y分别表示图像的像素点的行列位置；x＝0,1,2...,m_H-1；y＝0,1,2...,m_W-1；其中，m_H和m_W分别为采集到图像的高和宽。

所述步骤(5)中检测感兴趣的待处理区域内的弹簧内外边缘的过程包括：

步骤(5.1)：对感兴趣的待处理区域进行高斯平滑滤波；

步骤(5.2)：对滤波后的图像进行亚像素边缘检测，得到弹簧簧面内外边缘。

所述步骤(5.1)中对感兴趣的待处理区域进行高斯平滑的过程为：

采用5×5的高斯滤波器，对感兴趣的待处理区域I_roi进行高斯平滑滤波，得到滤波后的图像I_sm：

其中，G为5×5的高斯滤波器，表示卷积运算。

所述步骤(5.2)中对高斯平滑后的区域进行亚像素边缘检测的过程为：

步骤(5.2.1)：对滤波后的图像进行sobel算子的像素级边缘检测，得到边缘幅度和方向；

步骤(5.2.2)：在每个边缘点处，在滤波后的图像中沿着垂直于边缘方向，对边缘点附近7个像素进行二阶多项式拟合；

步骤(5.2.3)：对拟合曲线求微分，计算极大值位置，所求得的极大值位置为亚像素级的边缘点。

所述步骤(5)中计算簧面打磨角的过程为：

在感兴趣的待处理区域内，以弹簧的相对中心位置为极坐标原点进行极坐标转换，并沿弹簧边缘角度方向进行投影；根据弹簧内外径的大小，统计投影值大于弹簧内外径差值的3/4时的角度大小作为簧面打磨角，如图10所示。

大量实验结果表明，该系统可以完成对每根弹簧的内径、外径、弹簧面打磨面的角度的快速准确测量，快速判断是否合格，并将不合格的弹簧直接从载物台上剔除；测量每根弹簧用时约为0.6s，满足载物台上实时检测的需求；系统可实时分析弹簧质量，或进行批量弹簧质量分析。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于机器视觉的弹簧尺寸在线测量系统，其特征在于，包括：

载物台，所述载物台上设有传输待测弹簧的传送机构，所述传送机构与驱动机构相连；所述载物台上还设有剔除机构，所述驱动机构和剔除机构分别与主控制器相连；

光源，其设置在待测弹簧上方，用于为待测弹簧提供照明；

光源控制器，其与光源相连，用于控制光源的通断和强度；

工业相机，设置于待测弹簧的正上方，所述工业相机与主控制器相连，工业相机用于采集弹簧图像并传送至主控制器进行处理，得到待测弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸参数，并存入存储器中；

主控制器得到的待测弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸参数与预设的弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸参数范围相比较，若待测弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸参数均预设的弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸参数范围内，则判定待测弹簧合格，传送机构继续传输弹簧；否则主控制器控制剔除机构剔除不合格弹簧；

其中，主控制器得到待测弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸参数的具体过程为：

主控制器对接收的弹簧图像进行畸变校正和减背景处理；

对畸变校正和减背景处理后的图像进行阈值分割，得到弹簧目标初始区域的二值图；

采用圆形结构元素形态学处理弹簧目标初始区域的二值图，得到包含弹簧内外边缘的弹簧区域，作为感兴趣的待处理区域；

检测感兴趣的待处理区域内的弹簧内外边缘，计算弹簧的内外径以及簧面打磨角；

其中，计算簧面打磨角的过程为：

在感兴趣的待处理区域内，以弹簧的相对中心位置为极坐标原点进行极坐标转换，并沿弹簧边缘角度方向进行投影；根据弹簧内外径的大小，统计投影值大于弹簧内外径差值的3/4时的角度大小作为簧面打磨角。

2.如权利要求1所述的一种基于机器视觉的弹簧尺寸在线测量系统，其特征在于，所述光源为LED光源。

3.如权利要求1所述的一种基于机器视觉的弹簧尺寸在线测量系统，其特征在于，所述驱动机构包括第一驱动电机，所述第一驱动电机与减速器相连，所述第一驱动电机与减速器均与主控制器相连。

4.如权利要求1所述的一种基于机器视觉的弹簧尺寸在线测量系统，其特征在于，所述剔除机构包括推板，所述推板设置于载物台上，推板与第二驱动电机相连，所述第二驱动电机与主控制器相连。

5.一种如权利要求1所述的基于机器视觉的弹簧尺寸在线测量系统的测量方法，其特征在于，包括：

步骤(1)：工业相机采集弹簧图像，并将采集的弹簧图像传送至主控制器；

步骤(2)：主控制器对接收的弹簧图像进行畸变校正和减背景处理；

步骤(3)：对步骤(2)处理后的图像进行阈值分割，得到弹簧目标初始区域的二值图；

步骤(4)：采用圆形结构元素形态学处理弹簧目标初始区域的二值图，得到包含弹簧内外边缘的弹簧区域，作为感兴趣的待处理区域；

步骤(5)：检测感兴趣的待处理区域内的弹簧内外边缘，计算弹簧的内外径以及簧面打磨角；

步骤(6)：计算得到的弹簧的内外径和簧面打磨角与预设的弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸范围进行比较，如果弹簧的内外径和簧面打磨角均在预设的弹簧的内外径和簧面打磨角尺寸范围内，则判断弹簧合格，传送机构继续传输弹簧；否则，主控制器控制剔除机构剔除弹簧。

6.如权利要求5所述的一种基于机器视觉的弹簧尺寸在线测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中的圆形结构元素的半径为15个像素。

7.如权利要求5所述的一种基于机器视觉的弹簧尺寸在线测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤(5)中检测感兴趣的待处理区域内的弹簧内外边缘的过程包括：

步骤(5.1)：对感兴趣的待处理区域进行高斯平滑滤波；

步骤(5.2)：对滤波后的图像进行亚像素边缘检测，得到弹簧簧面内外边缘。

8.如权利要求7所述的一种基于机器视觉的弹簧尺寸在线测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤(5.1)中对感兴趣的待处理区域进行高斯平滑的过程为：

采用5×5的高斯滤波器，对感兴趣的待处理区域I_roi进行高斯平滑滤波，得到滤波后的图像I_sm：

<mrow> <mi>I</mi> <mo>_</mo> <mi>s</mi> <mi>m</mi> <mo>=</mo> <mi>I</mi> <mo>_</mo> <mi>r</mi> <mi>o</mi> <mi>i</mi> <mo>&amp;CircleTimes;</mo> <mi>G</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，G为5×5的高斯滤波器，表示卷积运算。

9.如权利要求7所述的一种基于机器视觉的弹簧尺寸在线测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤(5.2)中对高斯平滑后的区域进行亚像素边缘检测的过程为：

步骤(5.2.1)：对滤波后的图像进行sobel算子的像素级边缘检测，得到边缘幅度和方向；

步骤(5.2.2)：在每个边缘点处，在滤波后的图像中沿着垂直于边缘方向，对边缘点附近7个像素进行二阶多项式拟合；

步骤(5.2.3)：对拟合曲线求微分，计算极大值位置，所求得的极大值位置为亚像素级的边缘点。

10.如权利要求5所述的一种基于机器视觉的弹簧尺寸在线测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤(5)中计算簧面打磨角的过程为：

在感兴趣的待处理区域内，以弹簧的相对中心位置为极坐标原点进行极坐标转换，并沿弹簧边缘角度方向进行投影；根据弹簧内外径的大小，统计投影值大于弹簧内外径差值的3/4时的角度大小作为簧面打磨角。