CN113465549A - 基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量系统及方法 - Google Patents

基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量系统及方法，通过工业相机采集轴承动态图像，通过上位机对图像进行处理，找出所有滚珠的运动轨迹，利用改进帧间差分算法和特征匹配平方差算法相结合的基本思想，将每次帧前图像的圆绕着圆心旋转小角度，与帧后的圆上对应的像素点灰度值比较做差，求平方和，找出最小值，得到轴承保持架帧间所转过的角度，遍历所有采集到的图像，得到所有图像的角度，计算获得保持架的转速信息，并计算接触角。本发明提供的基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量系统及方法，操作简单，监测效率高，在没有设置标志物的情况下实现了对轴承保持架转速的非接触、高精度实时测量，降低了机器的损伤。

Description

基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量系统及方法
技术领域
本发明涉及轴承测量技术领域，特别是涉及一种基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量系统及方法。
背景技术
滚动轴承由内圈、外圈、滚珠、保持架四个部分组成，其中和滚珠接触的白圈为保持架，它承载着滚珠。接触角指球轴承在承受轴向载荷的时候，内外圈沟道与钢球的实际接触点连线与平行于该轴承端面的径向平面之间的夹角。球轴承的接触角的大小会直接的影响到轴承的承载能力、刚性以及工作可靠性，轴承的接触角的值在生产的过程中应按照要求进行控制。计算接触角需要滚珠的直径、截圆直径、内外圈转速和轴承保持架转速，其中只有保持架转速是需要测量，其他的参数都为已知，所以计算接触角的重点是如何测量保持架转速。
目前对轴承保持架转速进行分析大多是采用电主轴为轴承提供转动并通过编码器或者传感器来获取轴承的实时转速，主要包括如下四类：
1、光电编码器测量轴承保持架实时转速，光电编码器的主要工作原理为光电转换，是一种通过光电转换将输出轴的机械几何位移量转换为脉冲或数字量的传感器，光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置构成，在伺服系统中，光栅盘与电动机同轴致使电动机的旋转带动光栅盘的旋转，再经光电检测装置输出若干个脉冲信号，根据该信号的每秒脉冲数便可计算当前电动机的转速。但是，光电编码器要安装在被测轴上，需要占用空间，不同的轴径需要用到不同型号的编码盘，具有一定的局限性。
2、磁电式转速传感器测量轴承保持架实时转速，磁电式转速传感器基于电磁感应原理，通过磁通量的变化将转轴转速转换为感应电动势，磁电式转速传感器的齿轮装在被测转轴上，当齿轮的齿凸与永久磁铁相对时，磁通量最大，当齿轮的齿凹与永久磁铁相对时，磁通量最小，在转轴带动齿轮旋转过程中，转速传感器的磁通量会发生周期性的变化，从而传感器相应地输出周期性变化的电动势，由于齿轮与被测转轴转速相同，故只需测量传感器输出信号的频率即可得到被测转轴的转速大小。但是，磁电式转速传感器检测目标，需要在检测的位置设置一个传感器和齿轮，检测时通过传感器和齿轮的位置信息，才能采集到所需的信息，从而测量出结果，使用传感器测量目标参数使整个检测系统的机械部分变得复杂，因为检测目标的的形状结构尺寸不定，每检测一个目标就要重新安装齿轮，调整传感器和齿轮的位置，使得整个检测系统的成本和复杂度成倍的增大。
3、光纤传感器测量轴承保持架实时转速，光纤传感器转速测量是基于光的强度调制机理，反射式光纤传感器探头对旋转被测物反射光的光强变化产生脉冲，经电路处理即可测得转速，反射式光纤传感器是一种传输型光纤传感器，光纤采用Y型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤，在被测物上贴上一定数目的反射面，光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射面，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接收到的光强明显变化的脉冲与旋转物体的转速以及反射面的数目有关，只要获得光强明显变化的脉冲数就可测量转速。但是，光纤传感器需要在测量目标上贴反射面，每测一个轴承目标都要设置标志物，测完还要清除标记物，同时增加了检测系统的劳动成本和复杂度。
4、机器视觉测速，目前检测转速主要的方法是在检测目标上设置标志物，以标志物的动态代表检测目标的动态，通过摄像机采集检测目标转动图像，经过数字图像处理技术，将标志物的特征提取出来，利用转动的特征的角度关系(标记点和水平轴的角度)求得转速，对图像序列帧之间的标志物的检测过程即可代表整个检测目标的检测过程。但是，与光纤传感器测速的缺点相同，机器视觉测速需要在测量目标上贴标记点，每测一个轴承目标都要设置标志物，测完还要清除标记物，同时增加了检测系统的劳动成本和复杂度，还有可能破坏轴承釉质，引起轴承表面腐蚀，对设备造成多余物，不适用批量检测，对于精密仪器利用此方法测量目标比较困难。
因此，发明一种基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量系统及方法是十分有必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量系统及方法，操作简单，监测效率高，有很强的移植性和稳定性，克服了一般传感器检测方法和传统有标记点的视觉转速测量的弊端，在没有设置标志物的情况下实现了对轴承保持架转速的非接触、高精度实时测量，从而计算得到了轴承保持架接触角，降低了机器的损伤。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量系统，该系统包括：工业相机、光源、固定装置、检测平台及上位机，所述固定装置为立式固定杆，所述立式固定杆上可调节设置有两个横向稳定支架，分别为第一横向稳定支架及第二横向稳定支架，所述第一横向稳定支架在所述第二横向稳定支架的上端，所述第一横向稳定支架上设置所述工业相机，所述第二横向稳定支架上设置所述光源，所述工业相机正对所述光源中心设置，所述检测平台设置在所述光源的正下方，所述检测平台用于放置需要监测的轴承，所述工业相机连接所述上位机，用于将获得的图像信息发送到上位机。
一种基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量方法，应用于所述基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量系统，包括如下步骤：
步骤1：将轴承放置在检测平台的正中心，调整第一横向支架及第二横向支架的位置，使工业相机能够清晰拍摄轴承，调整工业相机的采集频率，在动态模式下采集图像；
步骤2：将采集的图像转换为灰度图像，并对其进行滤波处理，处理完毕后，通过canny算法对其进行边缘检测，提取得到保持架的中心坐标A1(x1，y1)；
步骤3：通过ginput函数对图像进行处理，得到滚珠的中心坐标A2(x2，y2)，以坐标A1到A2的距离r为半径，计算出圆的各个点的坐标，并在图像上画出，得到滚珠旋转路径，提取所有图像上圆所在位置的各点的灰度值；
步骤4：利用改进帧间差分算法和特征匹配平方差算法相结合，对前后两帧图像上圆的灰度图像做匹配，将每次帧前图像的圆绕着圆心旋转，与帧后的圆上对应的像素点灰度值比较做差，再取平方求和，重复该方法，找出求和的最小值，若最小值越接近于0，则匹配程度越高，所转过的角度为轴承保持架帧间所转过的角度，遍历所有采集到的图像，得到每两帧图像的保持架所转过的角度，根据角度计算获得保持架的转速信息；
步骤5：根据滚珠的直径DW、截圆直径DM、内圈转速ni、外圈转速no和轴承保持架转速计算接触角。
可选的，步骤1中，将轴承放置在检测平台的正中心，调整第一横向支架及第二横向支架的位置，使工业相机能够清晰拍摄轴承，调整工业相机的采集频率，在动态模式下采集图像，具体为：
将工业相机及光源分别固定设置在所述第一横向支架及第二横向支架上，调整第一横向支架及第二横向支架的位置，使工业相机在轴承的正上方，光源围绕轴承，用于为轴承提供更好的采光效果，通过调整相机的参数控制图像的采集频率，对转动的轴承进行集中图像采样，得到每一帧的图像，其中，每张图像的拍摄都有一定的时间差，后一帧的拍摄时间减去前一帧的拍摄时间即可得到两帧之间的时间差Δt。
可选的，步骤2中，将采集的图像转换为灰度图像，并对其进行滤波处理，处理完毕后，通过canny算法对其进行边缘检测，提取得到保持架的中心坐标A1(x1，y1)，具体为：
将获取的图像转换为灰度图像，转换完毕后，采用中值滤波法对图像进行处理，去除噪声，完成后，通过canny算法对图像进行边缘检测，运用连通域对边缘进行优化，提取出保持架的中心坐标A1(x1，y1)。
可选的，步骤3中，通过ginput函数对图像进行处理，得到滚珠的中心坐标A2(x2，y2)，以坐标A1到A2的距离r为半径，计算出圆的各个点的坐标，并在图像上画出，得到滚珠旋转路径，提取所有图像上圆所在位置的各点的灰度值，具体为：
采集图像中的一个样本，调用ginput函数实现在图像中出现十字光标，将十字光标对准滚珠的中心点，即可得到滚珠的中心点坐标A2(x2，y2)，以保持架的中心坐标A1为圆心，A1到A2的距离r为半径，计算出圆的各个点的坐标，计算公式如下：
Figure BDA0003141232350000041
根据圆的各个点的坐标在图像上画圆，得到滚珠转动路径，提取所有图像上圆所在位置的各个点的灰度值。
可选的，步骤4中，利用改进帧间差分算法和特征匹配平方差算法相结合的基本思想，对前后两帧图像上圆的灰度图像做匹配，将每次帧前图像的圆绕着圆心旋转小角度，与帧后的圆上对应的像素点灰度值比较做差，再取平方求和，重复该方法，找出求和的最小值，若最小值越接近于0，则匹配程度越高，所转过的角度为轴承保持架帧间所转过的角度，遍历所有采集到的图像，得到每两帧图像的保持架所转过的角度，根据角度计算获得保持架的转速信息，具体包括如下步骤：
S1：记图像序列中圆的第n帧和n+1帧的图像为fn和fn+1，两帧对应的圆上像素点的灰度值为fn(x，y)和fn+1(x，y)；
S2：将fn按照旋转的方向以i度为步长旋转一次，旋转后的图像记为fm，对应的圆上像素点的灰度值为fm(x，y)；
S3：将图像fn+1和图像fm对应的像素点的灰度值相减，得到差分图像：
Dm1(x,y)＝fn+1(x,y)-fm(x,y) (2)
将差分图像像素点的灰度值取平方再求和得到sum1为：
sum1＝∑(fn+1(x,y)-fm(x,y))2 (3)
S4：将图象fm再旋转i度步长，得到图像fm+1，对应的圆上像素点的灰度值为fm+1(x，y)，使之与图像fn+1对应的像素点的灰度值作差后得到差分图像：
Dm2(x,y)＝fn+1(x,y)-fm+1(x,y) (4)
将差分图像像素点的灰度值取平方再求和得到sum2为：
sum2＝∑(fn+1(x,y)-fm+1(x,y))2 (5)
S5：重复S4，旋转k次，直至寻找到找平方差之和的最小值，根据旋转次数及步长i，得到前后两帧的轴承保持架所转过的角度；
S6：重复S1-S5，遍历所有采集到的图像，得到每两帧图像的保持架所转过的角度；
S7：根据角度及每两帧图像的时间差Δt利用角速度公式及转速公式得到轴承保持架的转速，并将得到的数据进行数学建模，拟合实现轴承转速的实时测量，其中角速度公式及转速公式如下：
Figure BDA0003141232350000061
Figure BDA0003141232350000062
可选的，步骤5中，根据滚珠的直径DW、截圆直径DM、内圈转速ni、外圈转速no和轴承保持架转速计算接触角，具体为：
获取滚珠的直径DW、截圆直径DM、内圈转速ni、外圈转速no和轴承保持架转速，根据保持架相对内外滚道的相对转速计算接触角，其中，固定内圈，即ni＝0，旋转外圈的接触角为：
Figure BDA0003141232350000063
固定外圈，即no＝0，旋转内圈的接触角为：
Figure BDA0003141232350000064
式中，nc为轴承保持架转速。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量系统及方法，操作简单，检测效率高，有很强的移植性和稳定性，克服了一般传感器检测方法和传统有标记点的视觉转速测量的弊端，在没有设置标志物的情况下实现了对轴承参数的非接触、高精度实时测量，减少了机器的损伤，本发明还可根据需求增加轴承的内外径测量等物理参数的测量模块，架构灵活，便于模块化功能实现；通过CCD相机图像采集、图像处理、获取滚珠转动路径及保持架转速接触角测量四个步骤，实现轴承保持架接触角的实时测量；该系统包括工业相机、光源、固定装置、检测平台及上位机，其中固定装置固定工业相机及光源，检测平台防止需要检测的轴承，光源为轴承提供清晰的采光效果，工业相机对动态轴承进行图像采集，上位机接收工业相机采集的图像并对其进行分析，计算轴承保持架的转速；该方法具体为将采集的图像转换为灰度图像，并对其进行滤波处理及边缘检测，得到保持架的中心坐标，通过手动设置标记点提取圆的像素点的位置坐标，获取滚珠的转动路径，利用改进帧间差分算法和特征匹配平方差算法相结合的基本思想，对于时间上连续的帧前帧后两张灰度图像，将帧前的图像上圆的像素点以圆心为原点，旋转小角度后，与帧后的圆上对应的像素点灰度值比较做差，再取平方求和，再将旋转后的帧前图像再旋转小角度，与帧后的圆上对应的像素点灰度值比较做差，再取平方求和，和的值越小，说明特征点越匹配，重复多次，得到和的最小值，此时，图像所转过的角度为轴承保持架帧间所转过的角度，根据角度计算保持架的转速，最终计算出接触角，该方法无需在轴承上设置标志物，不会对轴承造成损坏，十分稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量系统结构示意图；
图2为本发明实施例基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量方法流程示意图。
附图标记：1、上位机；2、立式固定杆；3、第一横向稳定支架；4、第二横向稳定支架；5、工业相机；6、光源；7、检测平台。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量系统及方法，操作简单，监测效率高，有很强的移植性和稳定性，克服了一般传感器检测方法和传统有标记点的视觉转速测量的弊端，在没有设置标志物的情况下实现了对轴承保持架转速的非接触、高精度实时测量，从而计算得到了轴承保持架接触角，降低了机器的损伤。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明实施例提供的基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量系统，包括：工业相机5、光源6、固定装置、检测平台7及上位机1，所述固定装置为立式固定杆2，所述立式固定杆2上可调节设置有两个横向稳定支架，分别为第一横向稳定支架3及第二横向稳定支架4，所述第一横向稳定支架3在所述第二横向稳定支架4的上端，所述第一横向稳定支架3上设置所述工业相机5，所述第二横向稳定支架4上设置所述光源6，所述工业相机5正对所述光源6中心设置，所述检测平台7设置在所述光源6的正下方，所述检测平台7用于放置需要监测的轴承，所述工业相机5连接所述上位机1，用于将获得的图像信息发送到上位机1，所述上位机1对获取的图像信息进行处理计算。
一种基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量方法，应用于所述基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量系统，如图2所示，包括如下步骤：
步骤1：将轴承放置在检测平台的正中心，调整第一横向支架及第二横向支架的位置，使工业相机能够清晰拍摄轴承，调整工业相机的采集频率，在动态模式下采集图像；
步骤2：将采集的图像转换为灰度图像，并对其进行滤波处理，处理完毕后，通过canny算法对其进行边缘检测，提取得到保持架的中心坐标A1(x1，y1)；
步骤3：通过ginput函数对图像进行处理，得到滚珠的中心坐标A2(x2，y2)，以坐标A1到A2的距离r为半径，计算出圆的各个点的坐标，并在图像上画出，得到滚珠旋转路径，提取所有图像上圆所在位置的各点的灰度值；
步骤4：利用改进帧间差分算法和特征匹配平方差算法相结合的基本思想，对前后两帧图像上圆的灰度图像做匹配，将每次帧前图像的圆绕着圆心旋转小角度，与帧后的圆上对应的像素点灰度值比较做差，再取平方求和，重复该方法，找出求和的最小值，若最小值越接近于0，则匹配程度越高，所转过的角度为轴承保持架帧间所转过的角度，遍历所有采集到的图像，得到每两帧图像的保持架所转过的角度，根据角度计算获得保持架的转速信息；
步骤5：根据滚珠的直径DW、截圆直径DM、内圈转速ni、外圈转速no和轴承保持架转速计算接触角。
步骤1中，将轴承放置在检测平台的正中心，调整第一横向支架及第二横向支架的位置，使工业相机能够清晰拍摄轴承，调整工业相机的采集频率，在动态模式下采集图像，具体为：
将工业相机及光源分别固定设置在所述第一横向支架及第二横向支架上，调整第一横向支架及第二横向支架的位置，使工业相机在轴承的正上方，光源围绕轴承，用于为轴承提供更好的采光效果，通过调整相机的参数控制图像的采集频率，对转动的轴承进行集中图像采样，得到每一帧的图像，其中，每张图像的拍摄都有一定的时间差，后一帧的拍摄时间减去前一帧的拍摄时间即可得到两帧之间的时间差Δt。
工业相机优选CCD工业相机，能够提供高清的图像。
步骤2中，将采集的图像转换为灰度图像，并对其进行滤波处理，处理完毕后，通过canny算法对其进行边缘检测，提取得到保持架的中心坐标A1(x1，y1)，具体为：
彩色图像中每个像素对应一个三维向量(r，g，b)，将获取的图像转换为灰度图像，相机获取图像的过程和传输的过程会产生噪声，影响图像的质量，所以要进行滤波处理，在转换完毕后，采用中值滤波法对图像进行处理，不仅可以去除噪声，同时也能很好的保留目标的边界，边缘检测的准确度不仅是测量的基础，而且是精确度的关键，通过canny算法对图像进行边缘检测，运用连通域对边缘进行优化，提取出保持架的中心坐标A1(x1，y1)。
步骤3中，通过ginput函数对图像进行处理，得到滚珠的中心坐标A2(x2，y2)，以坐标A1到A2的距离r为半径，计算出圆的各个点的坐标，并在图像上画出，得到滚珠旋转路径，提取所有图像上圆所在位置的各点的灰度值，具体为：
采集图像中的一个样本，调用ginput函数实现在图像中出现十字光标，将十字光标对准滚珠的中心点，即可得到滚珠的中心点坐标A2(x2，y2)，以保持架的中心坐标A1为原点，A1到A2的距离r为半径，计算出圆的各个点的坐标，计算公式如下：
Figure BDA0003141232350000101
根据圆的各个点的坐标在图像上画圆，得到滚珠转动路径，提取所有图像上圆所在位置的各个点的灰度值。
由于轴承一直在转动，连续帧之间的滚珠路径上像素会不断的变化。
步骤4中，利用改进帧间差分算法和特征匹配平方差算法相结合的基本思想，对前后两帧图像上圆的灰度图像做匹配，将每次帧前图像的圆绕着圆心旋转小角度，与帧后的圆上对应的像素点灰度值比较做差，再取平方求和，重复该方法，找出求和的最小值，若最小值越接近于0，则匹配程度越高，所转过的角度为轴承保持架帧间所转过的角度，遍历所有采集到的图像，得到每两帧图像的保持架所转过的角度，根据角度计算获得保持架的转速信息，具体包括如下步骤：
S1：记图像序列中圆的第n帧和n+1帧的图像为fn和fn+1，两帧对应的圆上像素点的灰度值为fn(x，y)和fn+1(x，y)；
S2：将fn按照旋转的方向以i度为步长旋转一次，旋转后的图像记为fm，对应的圆上像素点的灰度值为fm(x，y)；
S3：将图像fn+1和图像fm对应的像素点的灰度值相减，得到差分图像：
Dm1(x,y)＝fn+1(x,y)-fm(x,y) (2)
将差分图像像素点的灰度值取平方再求和得到sum1为：
sum1＝∑(fn+1(x,y)-fm(x,y))2 (3)
S4：将图象fm再旋转i度步长，得到图像fm+1，对应的圆上像素点的灰度值为fm+1(x，y)，使之与图像fn+1对应的像素点的灰度值作差后得到差分图像：
Dm2(x,y)＝fn+1(x,y)-fm+1(x,y) (4)
将差分图像像素点的灰度值取平方再求和得到sum2为：
sum2＝∑(fn+1(x,y)-fm+1(x,y))2 (5)
S5：重复S4，旋转k次，直至寻找到找平方差之和的最小值，根据旋转次数及步长i，得到前后两帧的轴承保持架所转过的角度；
S6：重复S1-S5，遍历所有采集到的图像，得到每两帧图像的保持架所转过的角度差；
S7：根据角度差及每两帧图像的时间差Δt利用角速度公式及转速公式得到轴承保持架的转速，并将得到的数据进行数学建模，拟合实现轴承转速的实时测量，其中角速度公式及转速公式如下：
Figure BDA0003141232350000111
Figure BDA0003141232350000112
步骤5中，根据滚珠的直径DW、截圆直径DM、内圈转速ni、外圈转速no和轴承保持架转速计算接触角，具体为：
获取滚珠的直径DW、截圆直径DM、内圈转速ni、外圈转速no和轴承保持架转速nc，根据保持架相对内外滚道的相对转速计算接触角，其中，固定内圈，即ni＝0，旋转外圈的接触角为：
Figure BDA0003141232350000113
固定外圈，即no＝0，旋转内圈的接触角为：
Figure BDA0003141232350000114
本发明可根据需求增加轴承的内外径测量等物理参数的测量模块，架构灵活，便于模块化功能实现。
本发明提供的基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量系统及方法，操作简单，检测效率高，有很强的移植性和稳定性，克服了一般传感器检测方法和传统有标记点的视觉转速测量的弊端，在没有设置标志物的情况下实现了对轴承参数的非接触、高精度实时测量，减少了机器的损伤，本发明还可根据需求增加轴承的内外径测量等物理参数的测量模块，架构灵活，便于模块化功能实现；通过CCD相机图像采集、图像处理、获取滚珠转动路径及保持架转速接触角测量四个步骤，实现轴承保持架接触角的实时测量；该系统包括工业相机、光源、固定装置、检测平台及上位机，其中固定装置固定工业相机及光源，检测平台防止需要检测的轴承，光源为轴承提供清晰的采光效果，工业相机对动态轴承进行图像采集，上位机接收工业相机采集的图像并对其进行分析，计算轴承保持架的转速；该方法具体为将采集的图像转换为灰度图像，并对其进行滤波处理及边缘检测，得到保持架的中心坐标，通过手动设置标记点提取圆的像素点的位置坐标，获取滚珠的转动路径，利用改进帧间差分算法和特征匹配平方差算法相结合的基本思想，对于时间上连续的帧前帧后两张灰度图像，将帧前的图像上圆的像素点以圆心为原点，旋转小角度后，与帧后的圆上对应的像素点灰度值比较做差，再取平方求和，再将旋转后的帧前图像再旋转小角度，与帧后的圆上对应的像素点灰度值比较做差，再取平方求和，和的值越小，说明特征点越匹配，重复多次，得到和的最小值，此时，图像所转过的角度为轴承保持架帧间所转过的角度，根据角度计算保持架的转速，最终计算出接触角，该方法无需在轴承上设置标志物，不会对轴承造成损坏，十分稳定。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量系统，其特征在于，包括：工业相机、光源、固定装置、检测平台及上位机，所述固定装置为立式固定杆，所述立式固定杆上可调节设置有两个横向稳定支架，分别为第一横向稳定支架及第二横向稳定支架，所述第一横向稳定支架在所述第二横向稳定支架的上端，所述第一横向稳定支架上设置所述工业相机，所述第二横向稳定支架上设置所述光源，所述工业相机正对所述光源中心设置，所述检测平台设置在所述光源的正下方，所述检测平台用于放置需要监测的轴承，所述工业相机连接所述上位机，用于将获得的图像信息发送到上位机。
2.一种基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量方法，应用于权利要求1所述的基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量系统，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将轴承放置在检测平台的正中心，调整第一横向支架及第二横向支架的位置，使工业相机能够清晰拍摄轴承，调整工业相机的采集频率，在动态模式下采集图像；
步骤2：将采集的图像转换为灰度图像，并对其进行滤波处理，处理完毕后，通过canny算法对其进行边缘检测，提取得到保持架的中心坐标A1(x1，y1)；
步骤3：通过ginput函数对图像进行处理，得到滚珠的中心坐标A2(x2，y2)，以坐标A1到A2的距离r为半径，计算出圆的各个点的坐标，并在图像上画出，得到滚珠旋转路径，提取所有图像上圆所在位置的各点的灰度值；
步骤4：利用改进帧间差分算法和特征匹配平方差算法相结合，对前后两帧图像上圆的灰度图像做匹配，将每次帧前图像的圆绕着圆心旋转，与帧后的圆上对应的像素点灰度值比较做差，再取平方求和，重复该方法，找出求和的最小值，若最小值越接近于0，则匹配程度越高，所转过的角度为轴承保持架帧间所转过的角度，遍历所有采集到的图像，得到每两帧图像的保持架所转过的角度，根据角度计算获得保持架的转速信息；
步骤5：根据滚珠的直径DW、截圆直径DM、内圈转速ni、外圈转速no和轴承保持架转速计算接触角。
3.根据权利要求2所述的基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量方法，其特征在于，步骤1中，将轴承放置在检测平台的正中心，调整第一横向支架及第二横向支架的位置，使工业相机能够清晰拍摄轴承，调整工业相机的采集频率，在动态模式下采集图像，具体为：
将工业相机及光源分别固定设置在所述第一横向支架及第二横向支架上，调整第一横向支架及第二横向支架的位置，使工业相机在轴承的正上方，光源围绕轴承，用于为轴承提供更好的采光效果，通过调整相机的参数控制图像的采集频率，对转动的轴承进行集中图像采样，得到每一帧的图像，其中，每张图像的拍摄都有一定的时间差，后一帧的拍摄时间减去前一帧的拍摄时间即可得到两帧之间的时间差Δt。
4.根据权利要求2所述的基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量方法，其特征在于，步骤2中，将采集的图像转换为灰度图像，并对其进行滤波处理，处理完毕后，通过canny算法对其进行边缘检测，提取得到保持架的中心坐标A1(x1，y1)，具体为：
将获取的图像转换为灰度图像，转换完毕后，采用中值滤波法对图像进行处理，去除噪声，完成后，通过canny算法对图像进行边缘检测，运用连通域对边缘进行优化，提取出保持架的中心坐标A1(x1，y1)。
5.根据权利要求2所述的基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量方法，其特征在于，步骤3中，通过ginput函数对图像进行处理，得到滚珠的中心坐标A2(x2，y2)，以坐标A1到A2的距离r为半径，计算出圆的各个点的坐标，并在图像上画出，得到滚珠旋转路径，提取所有图像上圆所在位置的各点的灰度值，具体为：
采集图像中的一个样本，调用ginput函数实现在图像中出现十字光标，将十字光标对准滚珠的中心点，即可得到滚珠的中心点坐标A2(x2，y2)，以保持架的中心坐标A1为圆心，A1到A2的距离r为半径，计算出圆的各个点的坐标，计算公式如下：
Figure FDA0003141232340000021
根据圆的各个点的坐标在图像上画圆，得到滚珠转动路径，提取所有图像上圆所在位置的各个点的灰度值。
6.根据权利要求3所述的基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量方法，其特征在于，步骤4中，利用改进帧间差分算法和特征匹配平方差算法相结合的基本思想，对前后两帧图像上圆的灰度图像做匹配，将每次帧前图像的圆绕着圆心旋转小角度，与帧后的圆上对应的像素点灰度值比较做差，再取平方求和，重复该方法，找出求和的最小值，若最小值越接近于0，则匹配程度越高，所转过的角度为轴承保持架帧间所转过的角度，遍历所有采集到的图像，得到每两帧图像的保持架所转过的角度，根据角度计算获得保持架的转速信息，具体包括如下步骤：
S1：记图像序列中圆的第n帧和n+1帧的图像为fn和fn+1，两帧对应的圆上像素点的灰度值为fn(x，y)和fn+1(x，y)；
S2：将fn按照旋转的方向以i度为步长旋转一次，旋转后的图像记为fm，对应的圆上像素点的灰度值为fm(x，y)；
S3：将图像fn+1和图像fm对应的像素点的灰度值相减，得到差分图像：
Dm1(x,y)＝fn+1(x,y)-fm(x,y) (2)
将差分图像像素点的灰度值取平方再求和得到sum1为：
sum1＝∑(fn+1(x,y)-fm(x,y))2 (3)
S4：将图象fm再旋转i度步长，得到图像fm+1，对应的圆上像素点的灰度值为fm+1(x，y)，使之与图像fn+1对应的像素点的灰度值作差后得到差分图像：
Dm2(x,y)＝fn+1(x,y)-fm+1(x,y) (4)
将差分图像像素点的灰度值取平方再求和得到sum2为：
sum2＝∑(fn+1(x,y)-fm+1(x,y))2 (5)
S5：重复S4，旋转k次，直至寻找到找平方差之和的最小值，根据旋转次数及步长i，得到前后两帧的轴承保持架所转过的角度；
S6：重复S1-S5，遍历所有采集到的图像，得到每两帧图像的保持架所转过的角度；
S7：根据角度及每两帧图像的时间差Δt利用角速度公式及转速公式得到轴承保持架的转速，并将得到的数据进行数学建模，拟合实现轴承转速的实时测量，其中角速度公式及转速公式如下：
Figure FDA0003141232340000041
Figure FDA0003141232340000042
7.根据权利要求6所述的基于视觉的无标记点轴承保持架接触角测量方法，其特征在于，步骤5中，根据滚珠的直径DW、截圆直径DM、内圈转速ni、外圈转速no和轴承保持架转速计算接触角，具体为：
获取滚珠的直径DW、截圆直径DM、内圈转速ni、外圈转速no和轴承保持架转速，根据保持架相对内外滚道的相对转速计算接触角，其中，固定内圈，即ni＝0，旋转外圈的接触角为：
Figure FDA0003141232340000043
固定外圈，即no＝0，旋转内圈的接触角为：
Figure FDA0003141232340000044
式中，nc为轴承保持架转速。
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