压缩弹簧同心度垂直度在线视觉检测系统

　　0 引言

　　压缩弹簧是机械结构中非常重要的零部件。良好的弹簧同心度垂直度是保证协调运动的前提,所以,弹簧的同心度和垂直度检测是压缩弹簧生产流程中的重要环节[1-2]。现有对弹簧同心度和垂直度检测的方法,主要使用标尺或标准块靠模法,该方法完全靠人工进行,因此,测量速度低、精度难以保证,不能满足弹簧流水线生产的需求。采用轮廓投影测量仪,可通过人工观察求解这些量,虽然测量精度高,但测量时需要对图像进行对齐调整,测量效率低,一般用于抽样检验。本文采用CCD图像测量原理[3-5]实现了弹簧同心度和垂直度的高精度在线检测。

　　1 系统构成及测量原理

　　仅对弹簧的某个位置进行测量得到的数据不可靠,因此,在系统设计时,需要CCD摄像机对弹簧进行360b的全面测量,综合分析得到弹簧可靠的同心度和垂直度参数。因此,采用如图1所示的测量系统示意图。底座带动弹簧旋转,由CCD摄像机采集每个旋转位置时弹簧图像,采用背光板增强弹簧边界信息,易于对弹簧图像的处理。每个旋转位置图像可以得到弹簧两侧的数据,因此,为了对弹簧进行360b测量,只要采集180°内的图像即可。因此,采用位置开关和嵌在底座内的半圆盘进行旋转位置判断,位置开关在一定距离内感应到定位块把信号传送到控制系统,在没有圆盘的半边则没有感应信号。

　　在测量时,首先要通过调整云台的上下、俯仰、旋转和偏摆,尽量让CCD摄像机横向中心线和旋转轴线重合,即双线重合。采集旋转台转到某位置i时弹簧的图像,对其进行图像处理,提取弹簧边缘上的顶点,如图2采集图像上十字所示。在测量范围内取最上面左右两个点,作为弹簧顶面的端点;同理取最下的两点为底面端点。如图2所示,顶面宽度D1和底面宽度D2为端点的u坐标距离,则在屏幕坐标系中,上下面中心距定义为位置i时弹簧同心度:

　　如图2所示,从弹簧的俯视图中可以看出,实际上,弹簧上下面中心距离是所有旋转位置m中距离最大值,这个值是屏幕坐标系中整个弹簧的同心度:

　　实际横向尺寸d和屏幕横向距离D之间的关系可以表示为一阶方程式:

　　其中系数a, b可以由系统标定得出[6]。利用式(3)可以得到弹簧的实际同心度。

　　对两侧的顶点分别进行直线拟合,得到其中较大的直线斜角为θi,它和弹簧标称值θact相减,同样对弹簧旋转的不同位置,取所有差值的最大值为整个弹簧的垂直度。

　　2 系统标定

　　在系统标定之前,首先要调整CCD摄像机实现双线重合,这样保证在距离CCD同样的距离上采集弹簧图像。在采集屏幕上绘制如图3所示的栅线,其中包括屏幕横向中心线和等距离的其他竖线,并在栅线上下绘制标尺。把标定圆柱放置系统底座上,通过调整摄像机云台让圆柱的像在中心线两侧对称,然后,循环旋转圆柱一定角度,再调整云台,保证每次的像都对称,经过一周的调整后可以保证双线重合。系统底座和气缸圆盘上都有顶柱设计,保证以后放置的物体能在旋转轴上,因此系统调整完毕后,双线重合仍能保证。系统标定主要是求解式(3)中的参数。如图4所示,设计3个直径d大小不一的圆柱,分别由CCD采集它们的图像。对每个图像进行处理: (a)提取圆柱边界; (b)对其中一个边界进行直线拟合ax+by+c =0 ; (c)求另一边上的任一点到该直线的距离: