一种滚珠式操纵软轴珠子自动计数及其位置标注的方法与流程

本发明属于工业x射线无损探伤领域，涉及一种滚珠式操纵软轴珠子自动计数及其位置标注的方法。

背景技术：

滚珠式操纵软轴是操纵软轴的一种，其中间的芯部滑杆作为运动和力的唯一传递机构，上下两边规则排列着两排称为“滚珠”的小钢球，用来引导芯部滑杆的运动，同时降低运动时的摩擦阻力。滚珠式操纵软轴通过圆形的金属管和保护套把内部结构组装起来，两排滚珠隐藏不可见，为了确保组装过程中没有丢失任何一颗滚珠，需要用x射线透射成像的设备来检测。

滚珠式操纵软轴从外观上来讲是直径约几厘米左右、长度数十米的细长圆形轴状物体，现有的滚珠操纵软轴x射线检测设备，如专利文献号为cn205229070u和cn106546608a公开的检测设备，把整根软轴放置在直线导轨内，通过导轨上的移动铅房不断前进来完成一次检测，具有设备结构复杂、体积巨大、操作繁琐等缺点，同时机电控制精度要求高，实际应用中无法满足需求。同时，现有检测设备缺乏珠子的自动计数和位置标注功能，每次检测后需要人工来查看并数珠子的个数，效率低下且结果容易人为漏计或重计，极大地限制了产品应用。

技术实现要素：

针对检测需求和现有设备的不足，本发明提供了一种滚珠式操纵软轴珠子自动计数及其位置标注的方法，实现滚珠式操纵软轴内部钢珠的自动检测，提高工作效率。

本发明采用如下技术方案：

一种滚珠式操纵软轴珠子自动计数及其位置标注的方法，包括如下步骤：

(1)、获取软轴的原始图像，同时复制一幅图像记为f(x，y)；

(2)、使用固定阈值t1将f(x，y)二值化，提取软轴成像区域，得到图像b(x，y)；

(3)、在垂直方向上对b(x，y)中的软轴区域进行缩小操作，第一次缩小为原来的80％，得到图像b1(x，y)，第二次缩小为原来的30％，得到图像b2(x，y)，使用图像b1(x，y)减去图像b2(x，y)，得到图像m(x，y)；

(4)、使用垂直的直线型结构元素对f(x，y)进行膨胀运算，得到图像g(x，y)，再对g(x，y)设定固定阈值t2对进行二值化处理，得到图像r(x，y)；

(5)、使用图像m(x，y)和图像r(x，y)进行像素间的数学相与运算，得到的结果图像记为f(x，y)；

(6)、计算结果图像f(x，y)中每个白色区域的面积，并求出这些区域的平均面积s，然后统计面积处于0.8倍到1.2倍s之间的白色区域个数，即为软轴的珠子个数；

(7)、计算步骤(6)中留下的每个白色区域的质心，以此质心坐标为中心，在图像f(x，y)上绘制边长为9的正方形，完成软轴珠子位置的自动标注。

进一步，第(1)步骤具体实现方式是软轴通过x射线成像装置后，获取的图像数据传输到工业计算机主机内，为软轴检测的原始图像，供最后原始数据保存使用，同时复制一幅图像记为f(x，y)，供后续步骤珠子检测及位置标注使用。

进一步，所述的x射线扫描成像装置包括铅房、x射线源、线阵探测器和软轴导轨，铅房底部和顶部分别安装x射线源和线阵探测器，其中x射线源的射线辐射中心和线阵探测器的成像中心位于同一垂直轴线上，铅房左右两侧的中间部位设置开口，开口处分别安装有软轴导轨供软轴进出，所述的软轴导轨由两段组成，一段固定于铅房内部左侧开口处，一段固定于铅房内部右侧开口处，中间留下有缝隙，为软轴在铅房中行进时的x射线成像区域。

进一步，第(2)步骤中所述的固定阈值t1为200，灰度值小于t1的像素取1，灰度值大于等于t1的像素取0，得到二值图像b(x，y)，灰度值为1的白色区域对应提取出的待检测软轴区域。

进一步，第(4)步骤中优选9行1列的垂直直线型结构元素，对g(x，y)设定固定阈值t2进行二值化处理，阈值t2设定为90，小于阈值t2的像素灰度值取1，大于阈值t2的像素灰度值取0，得到图像r(x，y)。

本发明基于数字图像处理方法的珠子自动计数及其位置自动标注的方法，实现软轴检测的自动化和智能化。

附图说明

图1是本发明的检测装置结构示意图；

图2是本发明的珠子自动计数及其位置自动标注方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但并不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明提供一种用于滚珠式操纵软轴的检测装置15，包括软轴移送装置、x射线扫描成像装置2、图像采集处理装置、控制装置；所述的软轴移送装置包括软轴自动进料装置1和软轴自动出料装置8，所述的x射线扫描成像装置2包括铅房3、x射线源4、线阵探测器5和软轴导轨，所述的软轴导轨包括左侧软轴导轨6和右侧软轴导轨7，所述的图像采集处理装置包括工业计算机主机12、显示器13，所述的控制装置包括启动按钮9、停止按钮10、电气柜11和工作台14。

其中，软轴自动进料装置1的进料口与左侧软轴导轨6的入口相重合，软轴自动出料装置8的出料口与右侧软轴导轨7的出口相重合，软轴自动进料装置1、左侧导轨6、右侧导轨7和软轴自动出料装置8的轴线处于同一水平线上，确保软轴可以在轨道内顺利进出铅房，软轴自动进料装置1和软轴自动出料装置8为通用的带式、链式传动方式。x射线源4的射线辐射中心和线阵探测器5的成像中心位于同一垂直轴线上，该轴线与左侧软轴导轨6和右侧软轴导轨7的水平轴线垂直相交，相交处为左侧软轴导轨6和右侧软轴导轨7留下的约5厘米的间隙，为软轴的x射线扫描成像区域。启动按钮9和停止按钮10位于工作台14的左侧上部，分别与软轴自动进料装置1、软轴自动出料装置8、x射线源4、线阵探测器5和工业计算机主机12相连，按下启动按钮9后，软轴自动进料装置1和软轴自动出料装置8按设定的速度开始工作，x射线源4按设定电压打开射线，线阵探测器5接收射线，同时将成像数据实时传输到工业计算机主机12上，并在显示器13显示。按下停止按钮10后，软轴自动进料装置1和软轴自动出料装置8停止工作，x射线源4关闭射线，工业计算机主机12自动保存采集的软轴原始图像和检测的软轴标注图像，同时生成检测报表，完成一次检测过程。电气柜11位于工作台14的左侧下部，提供整个检测装置的电气连接和能源供应。工业计算机主机12位于工作台14的右侧下部，安装有软轴的自动计数及其位置自动标注程序，负责将线阵探测器5传回的数据实时显示在显示器13上，同时自动检测软轴的珠子个数，标注珠子的具体位置，生产检测结果的报表，保存软轴的原始图像和检测的标注图像，供日后查验。显示器13位于工作台14的上侧中间部位，为操作者提供交互界面。

本检测装置15工作时，由操作人员提前设定好软轴自动进料装置1和软轴自动出料装置8的运行速度，设定好x射线源4的工作电压，同时打开工业计算机主机12上的软轴珠子自动检测程序，把待检软轴送入到软轴自动进料装置1的进料口，按下启动按钮9后装置开始工作。待检软轴在自动进料装置1的作用下，按照设定速度匀速在左侧软轴导轨6内行进，经过左侧软轴导轨6和右侧软轴导轨7之间的缝隙时，被x射线源4发射的x射线穿透，数据被线阵探测器5接收，实时传输到工业计算机主机12内，显示在显示器13上，同时自动检测软件实时监测当前被检部位的珠子个数和珠子位置。待检软轴经过x射线检测的缝隙后，进入右侧导轨7，再进入软轴自动出料装置8的出料口，由软轴自动出料装置8按设定速度移出铅房3。

当整条软轴都被自动出料装置8移出铅房后，操作人员按下停止按钮10，软轴自动进料装置1和软轴自动出料装置8停止工作，x射线源4关闭，工业计算机主机12上运行的软轴自动检测软件分别保存采集的原始软轴x射线图像和检测后标注位置的x射线图像，同时生产待检软轴的检测报表，供操作人员查看。整条软轴的x射线成像检测过程是通过软轴匀速穿过x射线成像区域来实现的，射线源4和线阵探测器5无需移动，因此不论软轴长度为几米，都可以通过本检测装置来检测，同时设备的主体x射线扫描成像装置2可以设计为比较小巧的标准尺寸，不随被检测软轴的变化而变换。

为了保证软轴在成像过程中的匀速运动，软轴自动进料装置1和软轴自动出料装置8的运行速度需要设置为同一速度，具体速度大小取决于检测设备的成像硬件参数。假设线阵探测器5的像素间距为a微米，成像时的像素合并个数为n个(n一般取1、2、4、8等整数)，积分时间为t毫秒，线阵探测器5距离软轴的高度为h1毫米，x射线源4的灯丝焦点距离软轴的高度为h2毫米，则设定的速度v由下式来决定：

速度设置比理论速度v大时，扫描的成像结果比实际物体窄，速度设置比理论速度v小时，扫描的成像结果比实际物体宽，都会导致成像失真。当x射线扫描成像装置2的具体参数确定后，软轴的运行速度也随之确实，操作人员设定一次后就无需再次设定。

x射线源4的工作电压设定取决于滚珠式操纵软轴的具体构成，如钢珠的大小、金属管和保护套的厚度等。实际应用时，对于某一型号的软轴需要通过提前实验来确实最佳工作电压，以恰好能穿透软轴、可以清楚分辨滚珠形状为宜，常见软轴的最佳电压为90kv。线阵探测器的像素合并个数和积分时间的设定一般取决于线阵探测器本身的制造工艺，按生产商家给出的最佳参数设置即可。

左侧软轴导轨6和右侧软轴导轨7选用圆形薄壁钢管，分别直接固定在铅房左右两侧的开口处。铅房3的开口的大小和圆形薄壁钢管的直径相匹配，实际大小取决于被检测软轴本身的直径大小，一般选择被检软轴直径的1.8倍左右为宜，太大容易导致软轴运行轨迹不稳影响扫描成像质量，太小容易导致软轴运行时卡住。本实施例中优选直径为15厘米的圆形开口和圆形薄壁钢管，可对直径几厘米左右的软轴进行检测。

如图2所示，本发明还公开的一种滚珠式操纵软轴的珠子自动计数及其位置标注的方法，具体包含以下步骤：

(1)、获取软轴的原始图像，同时复制一幅图像记为f(x，y)，软轴通过x射线成像设备后，获取的图像数据传输到工业计算机主机内，为软轴检测的原始图像，供最后原始数据保存使用，同时复制一幅图像记为f(x，y)，供后续步骤珠子检测及位置标注使用。

(2)、使用固定阈值t1将f(x，y)二值化，提取软轴成像区域，得到图像b(x，y)，软轴x射线图像f(x，y)中软轴的成像区域仅占其一部分，由于软轴吸收x射线导致该区域灰度值较低，其它区域x射线没有被吸收灰度值为255，充分考虑x射线接收器自身误差产生的灰度波动，设定固定阈值t1为200，灰度值小于t1的像素取1，灰度值大于等于t1的像素取0，得到二值图像b(x，y)，灰度值为1的白色区域对应提取出的待检测软轴区域。

(3)、在垂直方向上对b(x，y)中的软轴区域进行缩小操作，第一次缩小为原来的80％，得到图像b1(x，y)，第二次缩小为原来的30％，得到图像b2(x，y)，使用图像b1(x，y)减去图像b2(x，y)，得到图像m(x，y)，步骤2提取出的软轴区域是整条软轴的x射线扫描成像区域，其中包含软轴的全部几何结构包括保护套、金属管、滚珠固定支架、中间的芯部滑竿和滚珠，跟滚珠无关的部件会对滚珠计算造成干扰，由于滚珠式软轴内部结构固定，反应在x射线的成像区域上，在垂直方向上从上倒下依次是保护套、金属管、上排滚珠及其支架、芯部滑竿、下排滚珠及其支架、金属管和保护套，其中上下两边的保护套和金属管约占软轴垂直方向上20％的区域，上下两排的滚珠及支架约占软轴垂直方向上50％的区域，中间的芯部滑竿约占软轴垂直方向上30％的区域，准确提取出上、下两排滚珠区域可有效避免计数可能产生的误判，在分析滚珠式软轴几何结构的基础上，第一次缩小为原来的80％得到图像b1(x，y)，分别去掉了软轴上下两边的金属管和保护套区域，第二次缩小为原来的30％得到图像b2(x，y)，仅留下软轴中间的芯部滑竿区域，使用图像b1(x，y)减去图像b2(x，y)得到的图像m(x，y)恰好是软轴的上下两排滚珠区域。

(4)、使用垂直的直线型结构元素对f(x，y)进行膨胀运算，得到图像g(x，y)，再对g(x，y)设定固定阈值t2对进行二值化处理，得到图像r(x，y)，膨胀运算是数字图像处理中数学形态学的基本运算之一，使用选定的结构元素对图像进行膨胀运算相当于局部极大值运算，即每次在结构元素涉及的像素范围内选择最大灰度值赋给目标像素，待处理图像的每一个像素都要进行同样的运算，最终处理结果是图像整体变亮，比结构元素小的暗细节被去掉。软轴的x射线图像上钢珠体积较大，表现为一个圆形的黑色区域，滚珠的固定支架为一层细薄的钢架，表现为钢珠黑色圆形区域之间水平方向上的黑色连线。使用垂直的直线型结构元素对f(x，y)进行膨胀运算，可以去掉钢架形成的水平黑线，本实施理中优选9行1列的垂直直线型结构元素，能够去掉钢架对应的水平黑线，同时不影响钢珠的圆形区域，得到的结果图像记为g(x，y)。对g(x，y)设定固定阈值t2进行二值化处理，小于阈值t2的像素灰度值取1，大于阈值t2的像素灰度值取0，得到图像r(x，y)，本实施例中阈值t2设定为90，体积比较大的软轴构件，如芯部滑竿、滚珠和软轴的金属管保护套会被保留下来灰度值取1，体积较小的构件如滚珠之间的支架，膨胀过程中被去除，二值化的过程中灰度值取0，图像r(x，y)中的白色区域为软轴的芯部滑竿、滚珠和最外层的保护结构，三者连接在一起。

(5)、使用图像m(x，y)和图像r(x，y)进行像素间的数学相与运算，得到的结果图像记为f(x，y)，步骤(3)获取的图像m(x，y)为软轴上下两排的滚珠区域，步骤(4)获取的图像r(x，y)为软轴的芯部滑竿、滚珠和最外层的保护结构区域，二者进行像素间的数学相与运算，芯部滑竿区域和最外层的保护结构区域被去掉，仅有滚珠区域被保留下来，得到的结果图像f(x，y)为上下两排分离的白色区域，分别对应于软轴上的滚珠部位。

(6)、计算结果图像f(x，y)中每个白色区域的面积，并求出这些区域的平均面积s，然后统计面积处于0.8倍到1.2倍s之间的白色区域个数，即为软轴的珠子个数，步骤(5)中得到的结果图像由于成像过程中的机械误差或者噪声干扰，可能存在面积较大或较小的白色区域，这些区域不是真正的滚珠区域，需要进一步去除。根据前面步骤的运算过程可知，结果图像f(x，y)中的白色区域滚珠占绝大多数，同时滚珠大小一致，对应的白色区域面积也基本一致，使用统计的方法可以鉴别出滚珠区域和非滚珠区域，本实施例中使用平均面积的0.8倍和1.2倍作为鉴别区间，小于0.8倍平均面积的白色区域为噪声干扰，大于1.2倍平均面积的白色区域为成像过程中机械误差产生的结构性干扰，可以实现去除伪钢珠的目的。

(7)、计算步骤(6)中留下的每个白色区域的质心，以此质心坐标为中心，在图像f(x，y)上绘制边长为9的正方形，完成软轴珠子位置的自动标注，步骤(6)中的白色区域对应软轴的滚珠区域，其质心对应滚珠的中心部位，以此坐标为中心绘制边长为9的正方形可以标注出检测出钢珠的具体位置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。