CN107525467B - 一种电机转子磁钢片安装缺陷组合检测方法及装置 - Google Patents

一种电机转子磁钢片安装缺陷组合检测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电机转子磁钢片安装缺陷组合检测方法及装置，属于视觉检测技术领域。它解决了现有检测方法及装置检测速度慢，检测精度低的问题。本电机转子磁钢片安装缺陷的组合检测方法包括九个步骤，来判断电机转子磁钢片安装是否存在断面不齐、边缘缺角和间隙过大的缺陷；本检测装置的工业相机、第一激光测距仪、第二激光测距仪和红外条形光源均固定在固定轴上；工业相机、第一激光测距仪、第二激光测距仪与计算单元的信号输入端相连，计算单元可获取工业相机采集的图片、以及第一激光测距仪和第二激光测距仪采集的距离数据并做实时计算。本电机转子磁钢片安装缺陷组合检测方法及装置具有检测速度快、测量精度及准确性高的优点。

Description

一种电机转子磁钢片安装缺陷组合检测方法及装置
技术领域
本发明属于视觉检测领域，涉及一种电机转子磁钢片安装缺陷组合检测方法及装置。
背景技术
电动车的大功率高效电机中的定子和转子是核心元件。定子由多个相互冲压叠加而成的硅钢片和定子绕组组成。转子设置在定子的外侧，由转子轮辋和粘接在轮辋内侧的多个同心瓦形磁钢片组成。磁钢片与硅钢片之间形成气隙。磁钢片在安装过程中，由于装配不良和磁钢片易碎，磁钢片会出现边缘缺角、片与片间距过大、磁钢叠高尺寸过大造成的断面不齐、磁钢过厚外凸等缺陷。在磁钢片安装缺陷检测方面，面临的问题主要是检测速度达不到工厂要求、误检率高。
目前，对于普通安装缺陷的检测，常用的有人工目测法、激光检测方法、光电检测方法等。但是，上述检测方法不适用于电机转子磁钢片安装检测，例如：人工目测法存在检测效率低、检测质量受人为因素影响大，增加生产成本；激光超声检测方法不能检测出全部缺陷。
因此，设计一种对边缘缺角、间隙过大、断面不齐和过厚外凸等多种缺陷的缺陷检测方法具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术中存在的上述问题，提出一种电机转子磁钢片安装缺陷组合检测方法及装置，解决的技术问题是如何使安装缺陷的检测速度快、测量精度及准确性高。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种电机转子磁钢片安装缺陷的组合检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、利用工业相机采集磁钢片表面图像，并对采集到的图像进行预处理，获取磁钢片的轮廓；
步骤2、平滑步骤1获取的图像轮廓，对图像进行二值化处理；
步骤3、对二值化后的图像采用canny算法获取基准线的轮廓点；
步骤4、根据步骤3获取的轮廓点拟合出直线，标记为底边基准线；
步骤5、对步骤1中获取的图片执行步骤2，调整二值化阈值，采用步骤3中canny算法提取磁钢片轮廓；
步骤6、逐列扫描步骤5获取的图片，计算每一片磁钢片窄边各点到基准线的距离，并根据距离的范围确定每片磁钢片底边的起始点坐标和终止点坐标，对磁钢片窄边各点到基线距离累加后求取平均值，距离平均值在允许范围外，判定为安装缺陷：断面不齐；
步骤7、以一个10像素×10像素的矩形框从每一块磁钢片的左上角端点开始水平向右滑动至右上角端点或者从左下角端点开始水平向右滑动至右下角端点，统计矩形框内像素个数，像素点个数少于设定缺角阈值时，判定为安装缺陷：边缘缺角；
步骤8、对步骤5图片逐行扫描，找出像素点最多的行，将磁钢片上部分像素点最多的行序号增加p或者将磁钢片下部分像素点最多的行序号减去p获得矩形框运动起点的纵坐标，以磁钢片左侧长边所在列序号为矩形框运动起点的横坐标，选取26像素×80像素矩形框从运动起点开始水平向右滑动至磁钢片右侧长边所在的列，当矩形框内满足下列条件时，判定间隙轮廓在矩形框内：
(1)同一行的两相邻像素点横坐标差的绝对值在区间(5,21)上，记为一组点对；
(2)矩形框内不同行的点对数大于50；
计算间隙宽度，当间隙宽度超过设定间隙阈值时，判定为安装缺陷：间隙过大；
步骤9、采用激光测距仪来获取装配中磁钢片凸起信息，包括第一激光测距仪和第二激光测距仪，分别用于获取磁钢片上下边缘到电机轮辋中心距离，并采用磁钢片环周模型拟合测量值，磁钢片环周模型如下式(1)：
Figure GDA0002262107070000021
式中θ是电机轮辋从某一位置开始旋转角度，d是传感器探头固定轴与电机轮辋几何中心距离，n是激光测距仪测量值序列数，为自然数，T是一个工作周期内激光测距仪采集数据个数，R′是一个与电机轮辋半径、传感器探头固定轴与轮辋实际转动中心距离、传感器探头方向角有关的常量；
根据拟合测量值重构正常的电机轮辋内圆周，计算出理论测量距离，将实际测量值与理论测量值作差，并进行邻域叠加，当叠加值超过凸起阈值则判定为安装缺陷：过厚外凸。
一种电机转子磁钢片安装缺陷的组合检测装置，包括红外条形光源、旋转平台和计算单元，其特征在于，所述工业相机、第一激光测距仪、第二激光测距仪和红外条形光源均固定在固定轴上；所述旋转平台由基座和旋转盘组成；所述旋转盘用于放置待检测工件，所述旋转盘能带动待检测工件转动；所述工业相机、第一激光测距仪、第二激光测距仪与计算单元的信号输入端相连，所述计算单元可获取工业相机采集的图片，所述计算单元可获取第一激光测距仪和第二激光测距仪采集的距离数据并做实时计算。
在上述的一种电机转子磁钢片安装缺陷的组合检测装置中，所述第一激光测距仪和第二激光测距仪沿轴向错开分布安装，所述第一激光测距仪和第二激光测距仪分别检测磁钢片上下边沿到电机轮辋中心的距离。
在上述的一种电机转子磁钢片安装缺陷的组合检测装置中，所述红外条形光源设有一对，一对所述红外条形光源相对工业相机镜头上下对称分布和联动调整角度。
与现有技术相比，本发明提供的电机转子磁钢片安装缺陷组合检测方法及装置，具有以下优点：
1、方法简便，运行稳定。
2、测量精度高，误判率低。
3、检测速度可达600个每小时，工程使用性强。
附图说明
图1是本电机转子磁钢片安装缺陷的组合检测方法的流程图。
图2是本电机转子磁钢片安装缺陷的组合检测装置的结构图。
图3是本磁钢片安装正确时的示意图。
图4是本磁钢片安装间隙过大时的示意图。
图5是本磁钢片安装缺角缺陷时的示意图。
图6是本磁钢片安装断面不齐时的示意图。
图7是本磁钢片安装过厚外凸时的示意图。
图8是本激光测距仪检测过厚外凸的检测模型。
图9是本磁钢片的径向误差曲线。
图中，1、工业相机；21、第一激光测距仪；22、第二激光测距仪；3、红外条形光源；4、旋转平台；5、基座；6、旋转盘；7、待检测工件；8、固定轴；9、磁钢片。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本发明不仅适用于磁钢片9安装质量的检测，而且适用于各种贴片平整度、对齐和缺边状态的检测。
针对现有方法在检测电机轮辋磁钢片时可能存在的问题，本发明基于机器视觉逆问题理论，通过分析磁钢贴片工艺过程中缺陷的形成原因以及缺陷的几何轮廓与正常片轮廓存在的固有差异，提出了一种视觉与光学测距复合安装缺陷检测方法。
结合附图1、图3-图9，本发明提供的电机转子磁钢片安装缺陷的组合检测方法的实例步骤如下：
步骤1、利用工业相机1采集磁钢片9表面图像，并对采集到的图像进行预处理，获取磁钢片9的轮廓，具体方法如下：将电机轮置于旋转平台4上，通过升降装置提升待检测工件7，使轮辋磁钢片9装配部分出现在工业相机视野中部。打开对称分布的红外条形光源3，工业相机1采集到磁钢片9表面图像。并将图像从中部分割成上下两部分，将上部分图片水平翻转180°，获得新图片，与下部分图片单独处理，且在步骤2～8中操作相同。
步骤2、采用开运算平滑步骤1中获取的图像表面轮廓，对图像进行二值化处理，选择小阈值(如thread＝20，基准线两侧亮度差异很大，较暗的一侧像素值不超过20)，保留灰度值高于小阈值区域，从而消除图片中的噪声。
步骤3、对二值化后的图像采用canny算法获取基准线的轮廓点。具体方法如下：
首先，用高斯滤波器平滑图像：通过高斯函数产生3*3的模板，使用模板H对每个像素进行加权平均，如公式(1)：
Figure GDA0002262107070000041
接着，利用Sobel模板G1计算图像灰度水平梯度，利用Sobel模板G2计算图像灰度竖直梯度，尺寸为3*3的Sobel梯度模板如公式(2)：
Figure GDA0002262107070000042
使用下面的公式(3)计算梯度幅值G和方向θ：
Figure GDA0002262107070000043
其中，Gx＝G1*A，Gy＝G2*A，A是高斯滤波后的图像矩阵。
当计算得到的幅值G低于128时，除去该像素；当幅值G高于256时，保留该像素；当幅值G在区间[128,256]内，如果连接到一个高于256的幅值点则保留该像素，否则去除该像素。
步骤4、根据步骤3获取的基准线轮廓点拟合出直线，作为底边基准线。
步骤5、对步骤1中获取的图片执行步骤2，调整二值化阈值(如thread＝120)，采用步骤三中canny算法提取磁钢片9轮廓。
步骤6、断面不齐判断：逐列扫描上一步获取的图片，计算每一片磁钢片9下端各点到基线的距离di，并根据距离的范围确定每片磁钢片9底边的起始点坐标(Point[i].start_col,Point[i].row)和终止点坐标(Point[j].end_col,Point[j].row)，累加di后求取平均值。设断面不齐阈值为(daxial_inf,daxial_sup)，当满足下式(4)判定为安装缺陷“断面不齐”：
Figure GDA0002262107070000044
步骤7、边缘缺角判断：从第i个磁钢片9起始点(Point[i].start_col,Point[i].row)以1个10×10的矩形框(选取磁钢片9底边各点纵坐标平均值为矩形框中心纵坐标)开始平行向右滑动。统计第k个矩形框内像素个数count[k]。合格情况下，磁钢片9底边贯穿矩形框，像素点数量为10±2个。设缺角边缘阈值区间为[8,12]，当满足下式判定为安装缺陷“边缘缺角”：
Figure GDA0002262107070000051
步骤8、间隙过大缺陷判断：对步骤5图片逐行扫描，找出像素点最多的行Row_max(对应磁钢片9底边)。具体的，在磁钢片9上(下)部分边沿向下(上)移动p行(本例中p＝25)，选取26×80矩形框从第Row_max±p行开始，向右滑动扫描。当扫描到的矩形框满足下列条件时，可以判定间隙轮廓在矩形框内：
(1)同一行的两相邻像素点横坐标差的绝对值dot_pair(k)在区间(5,21)内，则记为一组点对；
(2)矩形框内不同行的点对数大于50。
设间隙宽度阈值为gap，满足下式判定为安装缺陷“间隙过大”：
Figure GDA0002262107070000052
步骤9、如图7所示，由于环周存在磁钢片9过厚外凸不能在图片中体现出来，即过厚外凸不能在工业相机1获取的图片中体现出来。因此本发明中采用激光测距仪来获取装配中磁钢片9凸起信息。第一激光测距仪21和第二激光测距仪22分别获取磁钢片9上下边缘到电机轮辋中心距离(第一激光测距仪21和第二激光测距仪22的数据采集和处理过程相同，后面统一写成激光测距仪2)。根据图8中的模型并忽略小量可以推导出下式：
Figure GDA0002262107070000053
式中θ0是电机轮辋从某一位置开始旋转角度，d是传感器探头固定轴8与电机轮辋几何中心距离，n是激光测距仪2测量值序列数，T是一个工作周期内激光测距仪2采集数据个数(本例中T＝530)，R′是一个与电机轮辋半径、传感器探头固定轴8与轮辋实际转动中心距离、传感器探头方向角有关的常量。
上式(7)的计算过程如下：图7模型中，O点是电机轮辋形状中心，激光测距仪2在O′点，激光束方向沿着O′A′。电机轮辋以O″为圆心做匀速圆周运动。激光测距仪2与电机轮辋形状中心O之间的距离为L＝|O″O′|，电机轮辋旋转中心O″到形状中心的距离为d＝|OO″|，线段A′O′的长度即为激光测距仪2测量值M(θ)＝|O′A′|，记ρ(θ)＝|O″A′|＝|O″A|，电动机轮辋内径为R＝|OA|，容易计算得到：
ρ2(θ)+2ρ(θ)dcosθ+d2-R2＝0 (8)
M2(θ)+2M(θ)Lcosα+L2-ρ2(θ)＝0 (9)
根据d＜＜L＜＜R，可得：
M(θ)＝-dcosθ+R-2Lcosα＝-dcosθ+R′ (10)
Figure GDA0002262107070000054
将式(11)代入式(10)可以得到式(7)。当O′在旋转中心O″的另一侧时，只会改变上式参数R′，不会改变形式。从式(7)，造成测量值变化的原因(1)有过厚外凸缺陷；(2)偏心距。通过参数拟合计算消除偏心距的影响后，测量结果只受到外凸缺陷的影响，从而可以判断缺陷是否存在。
具体方法如下：读取激光测距仪2测量值(n,M(n))，调用matlab中曲线拟合函数Isqcurvefit拟合出参数
Figure GDA0002262107070000061
代入上式，计算出理论测量距离Mth(n)。将实际测量值与理论测量值作差，并进行邻域叠加，如下式(12)：
Figure GDA0002262107070000062
过厚凸起阈值为thick_max(本例中thick_max＝3.5)，满足下式(13)定为安装缺陷“过厚外凸”，如图8所示，工件中存在一处缺陷。
Δth(n)＞thick_max (13)
如附图2所示，本电机转子磁钢片9安装缺陷的组合检测装置：包括工业相机1、第一激光测距仪21和第二激光测距仪22、红外条形光源3、旋转平台4、控制单元和计算单元；工业相机1、第一激光测距仪21、第二激光测距仪22和红外条形光源3固结于固定轴8上；旋转平台4由基座5和旋转盘6组成；待检测工件7放置在旋转盘6上，旋转盘6带动待检测工件7转动；工业相机1、第一激光测距仪21、第二激光测距仪22与计算单元的信号输入端相连，计算单元可获取工业相机1采集的图片、第一激光测距仪21和第二激光测距仪22采集的距离数据并做实时计算。
第一激光测距仪21和第二激光测距仪22沿轴向错开分布安装，第一激光测距仪21和第二激光测距仪22分别检测磁钢片9上下边沿到电机轮辋中心的距离。红外条形光源3设有一对，一对红外条形光源3相对工业相机1镜头上下对称分布和联动调整角度。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电机转子磁钢片安装缺陷的组合检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、利用工业相机(1)采集磁钢片(9)表面图像，并对采集到的图像进行预处理，获取磁钢片(9)的轮廓；
步骤2、平滑步骤1获取的图像轮廓，对图像进行二值化处理；
步骤3、对二值化后的图像采用canny算法获取基准线的轮廓点；
步骤4、根据步骤3获取的轮廓点拟合出直线，标记为底边基准线；
步骤5、对步骤1中获取的图片执行步骤2，调整二值化阈值，采用步骤3中canny算法提取磁钢片(9)轮廓；
步骤6、逐列扫描步骤5获取的图片，计算每一片磁钢片(9)窄边各点到基准线的距离，并根据距离的范围确定每片磁钢片(9)底边的起始点坐标和终止点坐标，对磁钢片(9)窄边各点到基线距离累加后求取平均值，当距离平均值在允许范围外时，判定为安装缺陷：断面不齐；
步骤7、以一个10像素×10像素的矩形框从每一块磁钢片(9)的左上角端点开始水平向右滑动至右上角端点或者从每一块磁钢片(9)的左下角端点开始水平向右滑动至右下角端点，统计矩形框内像素个数，像素点个数少于设定缺角阈值时，判定为安装缺陷：边缘缺角：
步骤8、对步骤5图片逐行扫描，找出像素点最多的行，将磁钢片(9)上部分像素点最多的行序号增加p或者将磁钢片(9)下部分像素点最多的行序号减去p获得矩形框运动起点的纵坐标，以磁钢片(9)左侧长边所在的序列号为矩形框运动起点的横坐标，选取26像素×80像素矩形框从运动起点开始水平向右滑动至磁钢片(9)右侧长边所在的列，当矩形框内同时满足下列条件a和b时，计算间隙宽度：
a.矩形框内同一行的两相邻像素点横坐标差的绝对值在区间(5，21)内时，记为一组点对；
b.矩形框内不同行的点对数大于50；
当间隙宽度超过设定间隙阈值时，判定为安装缺陷：间隙过大；
步骤9、采用激光测距仪来获取装配中磁钢片(9)凸起信息，包括第一激光测距仪(21)和第二激光测距仪(22)，分别用于获取磁钢片(9)上下边缘到电机轮辋中心距离，并采用磁钢片(9)环周模型拟合测量值，磁钢片(9)环周模型如下：
Figure FDA0002262107060000011
式中θ是电机轮辋从某一位置开始旋转角度，d是传感器探头固定轴(8)与电机轮辋几何中心距离，n是激光测距仪测量值序列数，为自然数，T是一个工作周期内激光测距仪采集数据个数，R′是一个与电机轮辋半径、传感器探头固定轴(8)与轮辋实际转动中心距离、传感器探头方向角有关的常量；
根据拟合测量值重构正常的电机轮辋内圆周，计算出理论测量距离，将实际测量值与理论测量值作差，并进行邻域叠加，当叠加值超过凸起阈值则判定为安装缺陷：过厚外凸。
2.根据权利要求1所述检测方法的一种电机转子磁钢片安装缺陷的组合检测装置，包括红外条形光源(3)、旋转平台(4)和计算单元，其特征在于：所述工业相机(1)、第一激光测距仪(21)、第二激光测距仪(22)和红外条形光源(3)均固定在固定轴(8)上；所述旋转平台(4)由基座(5)和旋转盘(6)组成；所述旋转盘(6)用于放置待检测工件(7)，所述旋转盘(6)能带动待检测工件(7)转动；所述工业相机(1)、第一激光测距仪(21)、第二激光测距仪(22)与计算单元的信号输入端相连，所述计算单元可获取工业相机(1)采集的图片，所述计算单元可获取第一激光测距仪(21)和第二激光测距仪(22)采集的距离数据并做实时计算。
3.根据权利要求2所述一种电机转子磁钢片安装缺陷的组合检测装置，其特征在于：所述第一激光测距仪(21)和第二激光测距仪(22)沿轴向错开分布安装，所述第一激光测距仪(21)和第二激光测距仪(22)分别检测磁钢片(9)上下边沿到电机轮辋中心的距离。
4.根据权利要求2所述一种电机转子磁钢片安装缺陷的组合检测装置，其特征在于：所述红外条形光源(3)设有一对，一对所述红外条形光源(3)相对工业相机(1)镜头上下对称分布和联动调整角度。
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基于机器视觉的磁钢片缺陷检测研究;周江;《机电工程》;20141231;第31卷(第12期);全文 *

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