获得圆柱滚子轴承滚子柱面最佳成像参数的装置及方法与流程

本发明涉及获得圆柱滚子轴承滚子柱面最佳成像参数的装置及方法，属于轴承圆柱滚子柱面缺陷检测领域。

背景技术：

随着工业自动化领域技术的发展，工业产品的生产自动化程度、生产效率都在随之不断提升，对于产品的品质把控也不断提高，同时，经过一段时间使用后的产品会发生多少损伤，还能不能满足工作要求，都是人们关心的问题，因此，行业内对自动化检测技术的要求日益提高，特别是检测的高精度、高效率成为了人们的追求，在自动化检测行业中，机器视觉检测是十分常用的。

机器视觉检测的特点是提高生产的柔性和自动化程度，在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度，而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。

在机器视觉系统中，获得一张高质量的可处理的图像是至关重要，首先要保证图像质量好、特征明显，一个机器视觉项目失败的原因大部分情况是由于图像质量不好，特征不明显引起的。在使用机器视觉对轴承圆柱滚子柱面进行缺陷检测时，高质量的圆柱滚子柱面图像更加有利于检测缺陷，以往的研究对圆柱滚子柱面成像质量及其影响因素的探讨不够充分，没有建立确切的数学模型，无法客观的判断图像的质量，也不能给出最佳的成像条件。

基于上述问题，亟需提出一种获得圆柱滚子轴承滚子柱面最佳成像参数的装置及方法，以解决上述技术问题。

技术实现要素：

本发明提供一种获得圆柱滚子轴承滚子柱面最佳成像参数的装置及方法，其目的是为了解决现有技术圆柱滚子柱面成像质量及其影响因素的探讨不够充分，没有建立确切的数学模型，无法客观的判断图像的质量，也不能给出最佳的成像条件的问题。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

一种获得圆柱滚子轴承滚子柱面最佳成像参数的装置及方法，包括视觉实验支撑架、线阵相机、线阵光源、展开轮、从动轮、主动轮和驱动电机，所述视觉实验支撑架上部安装有线阵相机，线阵光源安装在支撑架上，线阵光源位于线阵相机的下侧，视觉实验支撑架具有底座，视觉实验支撑架的底座上安装有驱动电机，驱动电机的输出端安装有主动齿轮，视觉实验支撑架的底座上通过轴承座安装有展开轮，展开轮的一端安装有从动齿轮，从动轮与主动轮啮合。

优选的：所述从动轮和展开轮的数量各为两个，从动轮对称安装在主动轮的两侧。

优选的：还包括圆柱滚子，所述圆柱滚子放置在两个展开轮上，圆柱滚子材料为gcr15。

优选的：所述还包括副线阵单元，线阵相机和圆柱滚子垂直布置，副线阵单元和线阵光源对称布置在线阵相机和圆柱滚子的两侧。

一种获得圆柱滚子轴承滚子柱面最佳成像参数的采集方法，包括以下步骤：

步骤一：将圆柱滚子放置在两个展开轮上，调整线阵光源分别对称位于圆柱滚子的两侧，调整线阵相机位于圆柱滚子的正上方；

步骤二：驱动电机启动，驱动电机通过主动齿轮带动从动齿轮匀速旋转，直至圆柱滚子匀速绕自身轴线转动；

步骤三：线阵光源发射的光源沿着入射角照射到圆柱滚子母线上，并在这条母线位置发生反射光源，一部分反射光源沿着线阵相机扫描面通过镜头照射到线阵相机靶面上，完成圆柱滚子一条母线的图像采集；

步骤四：圆柱滚子匀速绕自身轴线转动一周后，线阵相机对圆柱滚子的柱面进行图像采集，图像采集完成。

一种获得圆柱滚子轴承滚子柱面最佳成像参数的分析方法，包括以下步骤：

步骤①：经过gauss滤波器滤波后的图像使用brenner梯度函数进行计算，构建了列车轴承圆柱滚子柱面成像质量评价方法；

步骤②：分析圆柱滚子柱面成像原理，找到影响列车轴承圆柱滚子柱面成像质量的三个影响因素，对这三个影响因素基于box-behnkendesign设计了一个三因素三水平的实验方案，根据试验结果通过响应面分析法构建了列车轴承圆柱滚子柱面成像质量及其影响因素之间的数学关系模型；

步骤③：通过分析列车轴承圆柱滚子柱面成像质量及其影响因素之间的数学模型，找到列车轴承圆柱滚子柱面成像的最佳成像条件。

优选的：步骤②包括以下步骤：

步骤ⅰ：建立圆柱滚子柱面图像采集系统，固定除光源强度、光源入射角度和圆柱滚子展开速度外的其他因素，对光源强度、光源入射角度和圆柱滚子展开速度分别进行单因素实验，对实验得到的图像按步骤①中的评价函数进行计算并比较，得到图像质量评价。准确确定单因素对圆柱滚子柱面成像质量的影响；

步骤ⅱ：利用box-behnkendesign设计了光源强度、光源入射角度和圆柱滚子展开速度对圆柱滚子柱面成像质量影响的三因素三水平试验方案；分别选取光源强度、光源入射角度和圆柱滚子展开速度为三个因素自变量，选取圆柱滚子柱面成像质量为因变量，结合单因素实验结果对每个因素取三个水平，进行响应面分析实验；

步骤ⅲ：将三因素三水平试验的实验结果数据进行二次回归响应分析，得到了圆柱滚子柱面成像质量与光源强度、光源入射角度和圆柱滚子展开速度之间的数学关系模型。

优选的：在步骤①中，所述列车轴承圆柱滚子柱面成像质量评价方法为：

在相同条件下获取五张圆柱滚子柱面展开图像，并对这些图像进行滤波，再将这五张滤波图像的brenner梯度函数计算值的平均值作为最终圆柱滚子柱面成像质量计算值，该值越大表示图像质量越好，选取的滤波器为11×11的方形gauss滤波器。

g[i(x,y)]＝ig(x,y)；

其中，i(x,y)表示图像i对应像素点(x,y)的灰度值；ig(x,y)是图像i(x,y)经过gauss滤波后的图像；di(i)为第i张gauss滤波图像的brenner梯度函数计算值，d为最终图像质量值计算结果，d值越大表示图像质量越好。

优选的：在步骤②中，圆柱滚子柱面成像质量与光源强度、光源入射角度和圆柱滚子展开速度之间的数学关系模型形式如下：

y＝β0+β1a+β2b+β3c+β12ab+β13ac+β23bc+β11a²+β22b²+β33c²

其中y为圆柱滚子柱成像质量，a为光源强度，b为光源入射角度，c为圆柱滚子展开速度，β为design-expert10.0软件对试验数据进行拟合后的系数。

优选的：在步骤②中，所述三个影响因素为光源强度、光源入射角度和圆柱滚子展开速度。

本发明具有以下有益效果：

1.两个展开轮对圆柱滚子的支撑力大小相同，圆柱滚子受力平衡，振动小，使图像采集的质量高；

2.线阵光源发出的光源照在圆柱滚子柱面反射光，圆柱滚子柱面反射光进入相机，使得获取的图像，智能化程度高，解决了人工视觉检查产品质量效率低且精度不高的问题；

3.建立了圆柱滚子柱面成像质量及其影响因素之间数学模型，进而得到最佳的圆柱滚子柱面成像条件。

附图说明

图1是一种获得圆柱滚子轴承滚子柱面最佳成像参数的装置的主视图；

图2是一种获得圆柱滚子轴承滚子柱面最佳成像参数的装置及方法的立体图；

图3是展开轮的结构示意图；

图4是一种获得圆柱滚子轴承滚子柱面最佳成像参数的方法的流程图；

图5是通过单因素和三因素三水平实验得到数学模型的流程图；

图6是圆柱滚子柱面图像采集系统硬件型号图；

图中1-视觉实验支撑架，2-线阵相机，3-副线阵光源，4-线阵光源，5-圆柱滚子，6-展开轮，7-从动轮，8-主动轮，9-驱动电机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接(即为不可拆卸连接)包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。

具体实施方式一：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的一种获得圆柱滚子轴承滚子柱面最佳成像参数的装置，包括视觉实验支撑架1、线阵相机2、线阵光源4、展开轮6、从动轮7、主动轮8和驱动电机9，所述视觉实验支撑架1上部安装有线阵相机2，线阵光源4安装在支撑架1上，线阵光源4位于线阵相机2的下侧，视觉实验支撑架1具有底座，视觉实验支撑架1的底座上安装有驱动电机9，驱动电机9的输出端安装有主动齿轮8，视觉实验支撑架1的底座上通过轴承座安装有展开轮6，展开轮6的一端安装有从动齿轮7，从动齿轮7与主动齿轮8啮合。

具体实施方式二：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的一种获得圆柱滚子轴承滚子柱面最佳成像参数的装置，所述从动齿轮7和展开轮6的数量各为两个，从动齿轮7对称安装在主动齿轮8的两侧，两个展开轮6对圆柱滚子5的支撑力大小相同，圆柱滚子5受力平衡，振动小，使图像采集的质量高。

具体实施方式三：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的一种获得轴承圆柱滚子柱面最佳成像参数的装置及方法，还包括圆柱滚子5，所述圆柱滚子5放置在两个展开轮6上，圆柱滚子5材料为gcr15，表面加工精度很高，对光线的反射能力极强。

具体实施方式四：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的一种获得圆柱滚子轴承滚子柱面最佳成像参数的装置，还包括副线阵光源3，线阵相机2和圆柱滚子5垂直布置，副线阵光源3和线阵光源4对称布置在线阵相机2和圆柱滚子5的两侧，可实现光的补充，同时可以更改光线的入射方向和角度。

具体实施方式五：结合图1-图6说明本实施方式，本实施方式的一种获得圆柱滚子轴承滚子柱面最佳成像参数的采集方法，包括以下步骤：

步骤一：将圆柱滚子5放置在两个展开轮6上，调整线阵光源4分别对称位于圆柱滚子5的两侧，调整线阵相机2位于圆柱滚子5的正上方；

步骤二：驱动电机9启动，驱动电机9通过主动齿轮8带动从动齿轮7匀速旋转，直至圆柱滚子5匀速绕自身轴线转动，2个轴线位于同一水平内的展开轮6具有相同材料、尺寸和表面粗糙度；

步骤三：线阵光源4发射的光源13沿着入射角照射到圆柱滚子5母线上，并在这条母线位置发生反射光源，一部分反射光源沿着线阵相机2扫描面通过镜头照射到线阵相机2靶面上，完成圆柱滚子一条母线的图像采集；

步骤四：圆柱滚子5匀速绕自身轴线转动一周后，线阵相机2对圆柱滚子5的柱面进行图像采集，图像采集完成，智能化程度高，解决了人工视觉检查产品质量效率低且精度不高的问题。

具体实施方式六：结合图1-图2说明本实施方式，本实施方式的一种获得圆柱滚子轴承滚子柱面最佳成像参数的分析方法，包括以下步骤：

步骤①：将11×11的方形gauss滤波器与brenner梯度函数相结合，构建了列车轴承圆柱滚子5柱面成像质量评价方法；

步骤②：分析圆柱滚子5表面成像原理，找到影响列车轴承圆柱滚子5表面成像质量的三个影响因素，对这三个影响因素基于box-behnkendesign设计了一个三因素三水平的实验方案，根据试验结果通过响应面分析法构建了列车轴承圆柱滚子5柱面成像质量及其影响因素之间的数学关系模型；

步骤③：通过分析列车轴承圆柱滚子5柱面成像质量及其影响因素之间的数学模型，找到列车轴承圆柱滚子5柱面成像的最佳成像条件。

具体实施方式七：结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式的一种获得圆柱滚子轴承滚子柱面最佳成像参数的采集方法，步骤②包括以下步骤：

步骤ⅰ：建立圆柱滚子5柱面图像采集系统，固定除光源13强度、光源13入射角度和圆柱滚子5展开速度外的其他因素，对光源13强度、光源13入射角度和圆柱滚子5展开速度分别进行单因素实验，对实验得到的图像按步骤①中的评价函数进行计算并比较，得到图像质量评价，准确确定单因素对圆柱滚子柱面成像质量的影响；采用origin9.0软件对单因素试验数据进行处理；

步骤ⅱ：利用box-behnkendesign设计了光源13强度、光源13入射角度和圆柱滚子5展开速度对圆柱滚子5表面成像质量影响的三因素三水平试验方案；分别选取光源13强度、光源13入射角度和圆柱滚子5展开速度为三个因素自变量，选取圆柱滚子5柱面成像质量为因变量，结合单因素实验结果对每个因素取三个水平，进行响应面分析实验；

步骤ⅲ：将三因素三水平试验的实验结果数据进行二次回归响应分析，得到了圆柱滚子5表面成像质量与光源13强度、光源13入射角度和圆柱滚子5展开速度之间的数学关系模型，本发明中采用designexpert10软件进行响应面优化设计及数据处理，利用design-expert10.0软件对试验数据进行拟合，得到二次回归方程的响应面，从而得到系数β，在一个因素条件固定不变的情况下，考察各因素交互作用对圆柱滚子柱面成像质量的影响；以圆柱滚子柱面成像质量为响应值，对试验数据进行响应面分析，得到在本次实验条件下，最佳的成像条件为光源强度1.576w，光源入射角度为14.321°，圆柱滚子展开速度为1.193r/s；根据实验材料或其他条件的变化所得到的最佳的成像条件可能有所不同，本发明仅列出一种在本次实验条件下已具体得到的结果，建立了圆柱滚子柱面成像质量及其影响因素之间数学模型，进而得到最佳的圆柱滚子柱面成像条件。

具体实施方式八：结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式的一种获得圆柱滚子轴承滚子柱面最佳成像参数的采集方法，在步骤①中，所述列车轴承圆柱滚子柱面成像质量评价方法为：在相同条件下获取五张圆柱滚子柱面展开图像，并对这些图像进行滤波，再将这五张滤波图像的brenner梯度函数计算值的平均值作为最终圆柱滚子柱面成像质量计算值，该值越大表示图像质量越好，选取的滤波器为11×11的方形gauss滤波器；

g[i(x,y)]＝ig(x,y)；

其中，i(x,y)表示图像i对应像素点(x,y)的灰度值；ig(x,y)是图像i(x,y)使用11×11的gauss滤波后的图像；di(i)为第i张图像brenner梯度函数计算结果，d为最终图像质量值计算结果，d值越大表示图像质量越好；本发明中采用halcon17.12软件进行图像滤波和质量评价计算。

具体实施方式九：结合图1-图2说明本实施方式，本实施方式的一种获得圆柱滚子轴承滚子柱面最佳成像参数的采集方法，在步骤②中，圆柱滚子柱面成像质量与光源13强度、光源13入射角度和圆柱滚子5展开速度之间的数学关系模型形式如下：

y＝β0+β1a+β2b+β3c+β12ab+β13ac+β23bc+β11a²+β22b²+β33c²；

其中y为圆柱滚子柱面成像质量，a为光源强度，b为光源入射角度，c为圆柱滚子展开速度，β为design-expert10.0软件对试验数据进行拟合后的系数；

进行二次回归响应分析后，可得到在本次实验条件下的圆柱滚子柱面成像质量y与光源强度a、光源入射角度b和圆柱滚子展开速度c之间的多元二次响应面回归模型,如下所示:

y＝-152.83814+13.67241a+1.21621b+241.77916c+9.24953×10^-3ab-1.06248ac+4.4199×10^-2bc-3.97736a²-4.4809×10^-2b²-100.86737c²

具体实施方式十：结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式的一种获得圆柱滚子轴承滚子柱面最佳成像参数的采集方法，在步骤②中，所述三个影响因素为光源13强度、光源13入射角度和圆柱滚子5展开速度。

需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。