摘要：針對(duì)孔內(nèi)壁表面上的砂眼、裂紋等疵病造成的精密零件安裝調(diào)試?yán)щy問題，提出一種新型疵病檢測(cè)系統(tǒng)。首先通過水平運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)測(cè)頭運(yùn)動(dòng)到待測(cè)小孔上方，測(cè)頭固定不動(dòng)，然后通過豎直運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)測(cè)頭并采用內(nèi)窺鏡的測(cè)量原理提取小孔內(nèi)表面的圖像，最后利用MATLAB進(jìn)行圖像處理。結(jié)果表明，此新型檢測(cè)裝置光學(xué)測(cè)頭長(zhǎng)為150mm，直徑為14mm，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)徑為15~20mm，孔深100mm的細(xì)長(zhǎng)孔內(nèi)壁測(cè)量，并且能夠標(biāo)記孔內(nèi)壁疵病的具體位置，測(cè)量準(zhǔn)確且可操作性強(qiáng)。
關(guān)鍵詞：光學(xué)系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；非接觸式在線測(cè)量；MATLAB
目前，一般工業(yè)設(shè)備中，很多零件具有深孔結(jié)構(gòu)，比較典型的諸如液壓缸筒內(nèi)孔、主軸軸套內(nèi)孔等具體結(jié)構(gòu)。這些具有內(nèi)孔結(jié)構(gòu)的零件，往往是設(shè)備中的重要組成部分。許多內(nèi)孔直徑只有15~20mm，而其深度則為直徑的5~7倍。這種深細(xì)孔的內(nèi)表面檢測(cè)因操作空間的限制具有一定難度，且現(xiàn)有的測(cè)量裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)此類零件進(jìn)行在線測(cè)量，滿足不了現(xiàn)代生產(chǎn)自動(dòng)化的需要。本文研制的小孔內(nèi)表面檢測(cè)裝置，采用非接觸式測(cè)量方法，操作簡(jiǎn)便，功能齊全，測(cè)量精度高，自動(dòng)化程度好，且實(shí)現(xiàn)了細(xì)孔類零件的在線測(cè)量，實(shí)用性強(qiáng)，具有良好的應(yīng)用前景。
1?系統(tǒng)工作原理
小孔內(nèi)表面檢測(cè)系統(tǒng)用于對(duì)內(nèi)徑為15~20mm且深為100mm的內(nèi)孔表面進(jìn)行形貌檢測(cè)。該檢測(cè)裝置滿足批量檢測(cè)以及位移動(dòng)態(tài)檢測(cè)等多方面的要求。檢測(cè)系統(tǒng)流程圖如圖1所示，檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖1檢測(cè)系統(tǒng)流程圖
圖2檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖
主要測(cè)量原理為：光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)固定在連接板上，連接板安裝在豎直運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的導(dǎo)軌上，升降運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可通過電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)連接板與光學(xué)測(cè)量裝置在豎直方向上運(yùn)動(dòng)，而升降運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)安裝在連接架上，水平運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的絲杠和導(dǎo)軌在電機(jī)帶動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)連接架在水平方向上運(yùn)動(dòng)，綜上，光學(xué)測(cè)量裝置可在測(cè)量基點(diǎn)所在直線上運(yùn)動(dòng)，從而可對(duì)任意位置的孔類零件的小孔進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。但光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)在豎直方向上下運(yùn)動(dòng)，并且基于內(nèi)窺鏡原理的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)只能測(cè)量小孔內(nèi)有限張角的內(nèi)壁特征，欲實(shí)現(xiàn)對(duì)小孔內(nèi)壁全方位檢測(cè)，在光學(xué)系統(tǒng)升降運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量的同時(shí)，安裝在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)上的零件在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，并且旋轉(zhuǎn)裝置采用槽輪機(jī)構(gòu)，使得當(dāng)被測(cè)零件旋轉(zhuǎn)到光學(xué)系統(tǒng)正下方時(shí)才進(jìn)行自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)的同時(shí)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)向下運(yùn)動(dòng)對(duì)小孔進(jìn)行測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小孔內(nèi)壁表面的在線檢測(cè)。并且在水平運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和升降運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中加有光柵傳感器，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中加有角度傳感器，實(shí)時(shí)記錄小孔內(nèi)疵病的具體位置。
2?測(cè)量系統(tǒng)組成
2.1? ?光學(xué)測(cè)頭水平和升降運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)
水平運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示：包括水平導(dǎo)軌、連接架、滾柱絲杠、絲杠螺母、電機(jī)以及軸承和軸承蓋。其作用是當(dāng)被測(cè)量件放置在旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)臺(tái)上時(shí)，水平運(yùn)動(dòng)調(diào)整光學(xué)測(cè)量裝置，使其與被測(cè)量小孔對(duì)中，實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。防止光學(xué)測(cè)量裝置在與小孔不對(duì)中的情況下，即與小孔內(nèi)壁產(chǎn)生相對(duì)距離，使得光學(xué)測(cè)量裝置與小孔內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦或者測(cè)量時(shí)光學(xué)測(cè)量裝置相對(duì)小孔內(nèi)壁偏心，甚至無(wú)法進(jìn)入小孔進(jìn)行測(cè)量的現(xiàn)象發(fā)生；另外，當(dāng)被測(cè)零件無(wú)法安裝在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行在線測(cè)量時(shí)，可將其放置在支撐臺(tái)上，使水平裝置運(yùn)動(dòng)，與小孔進(jìn)行對(duì)中，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量。即水平運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)作用是配合測(cè)量多個(gè)測(cè)量物。
圖3水平運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)
圖4升降運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)
升降運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)如圖4所示：水平運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)升降運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)在水平方向上運(yùn)動(dòng)，豎直運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)則帶動(dòng)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)在豎直方向上運(yùn)動(dòng)，包括豎直導(dǎo)軌、滾珠絲杠、電機(jī)及連接板等。測(cè)量前，調(diào)整水平運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)使得光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)和小孔對(duì)中，升降運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，通過豎直光柵尺讀出光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)到的小孔內(nèi)壁疵病的軸向位置。
2.2? ?旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
為達(dá)到對(duì)小孔內(nèi)表面360°檢測(cè)的目的。本設(shè)計(jì)方案中將旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)與光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)升降驅(qū)動(dòng)區(qū)分為兩部分。升降運(yùn)動(dòng)由上述升降運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制，而回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由安裝在底座上的回轉(zhuǎn)裝置完成。光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)在升降運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)被測(cè)物按一定速度旋轉(zhuǎn)，以滿足測(cè)量要求。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖5所示。
圖5旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置由支撐臺(tái)、自轉(zhuǎn)電機(jī)、卡具、槽輪機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成。測(cè)量前，將待測(cè)孔類零件安裝在卡具上；測(cè)量時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)槽輪機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，槽輪機(jī)構(gòu)通過軸鍵帶動(dòng)整個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行間歇運(yùn)動(dòng)，當(dāng)待測(cè)零件到達(dá)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)正下方時(shí)，與之對(duì)應(yīng)的自轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)零部件進(jìn)行自轉(zhuǎn)，于此同時(shí)，升降運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)豎直運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)測(cè)量頭測(cè)量完成并脫離被測(cè)小孔時(shí)，間歇槽輪機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)到初始位置，重復(fù)如上運(yùn)動(dòng)。并且每個(gè)卡具轉(zhuǎn)臺(tái)下都有深溝球軸承，減少旋轉(zhuǎn)阻力；每個(gè)測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)都有微型驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)臺(tái)上部安裝有三爪卡盤，對(duì)被測(cè)物體起到鎖緊與保護(hù)作用，本固定裝置可拆卸，若被測(cè)物外形為非圓柱形物體，可更換三爪卡盤為其他固定鎖緊裝置。間歇槽輪機(jī)構(gòu)如圖6所示。
圖6槽輪機(jī)構(gòu)
裝置中設(shè)計(jì)的槽輪機(jī)構(gòu)用于測(cè)量一組（四個(gè)）被測(cè)物小孔內(nèi)壁。此間歇機(jī)構(gòu)能夠留有足夠時(shí)間來(lái)完成小孔不同位置深度的內(nèi)壁檢測(cè)。并且在槽輪機(jī)構(gòu)不起作用的3/4圈處，可對(duì)其他幾個(gè)卡具位置進(jìn)行拆卸和安裝零部件，即完成在線測(cè)量。主動(dòng)輪在電機(jī)作用下帶動(dòng)從動(dòng)輪，從動(dòng)輪帶動(dòng)每個(gè)待測(cè)小孔運(yùn)動(dòng)到指定位置以便測(cè)頭檢測(cè)。
同時(shí)，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的角度傳感器對(duì)小孔內(nèi)壁疵病的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測(cè)，通過測(cè)量小孔內(nèi)疵病的軸向位置和角度位置得到疵病的具體位置。
2.3? ?光學(xué)測(cè)量裝置
光學(xué)測(cè)量裝置采用內(nèi)窺鏡原理，用于對(duì)小孔內(nèi)壁表面進(jìn)行圖像采集，且外形尺寸應(yīng)小于待測(cè)小孔最小待測(cè)直徑15mm，使得光學(xué)測(cè)量裝置可深入小孔內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量。裝置主要包括：激光發(fā)射器、分光鏡、成像光學(xué)系統(tǒng)、內(nèi)窺鏡物鏡光學(xué)系統(tǒng)、直角棱鏡以及CCD接收裝置。光學(xué)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)如圖7所示。
圖7光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
測(cè)量原理為：由激光器發(fā)射激光，分光鏡進(jìn)行分光，經(jīng)由成像光學(xué)系統(tǒng)和內(nèi)窺鏡物鏡光學(xué)系統(tǒng)，并由直角棱鏡對(duì)光線進(jìn)行折轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小孔內(nèi)壁進(jìn)行照明；被照明的小孔內(nèi)壁反射的光通過直角棱鏡折轉(zhuǎn)，并通過其他幾個(gè)分系統(tǒng)傳播，由CCD圖像傳感器接收小孔內(nèi)壁圖像光信號(hào)。
3?內(nèi)表面缺陷檢測(cè)原理
CCD圖像傳感器接收光信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換獲得數(shù)字信號(hào)。要完成缺陷識(shí)別先將已數(shù)字化的圖像進(jìn)行預(yù)處理得到二值圖像，然后進(jìn)行特征提取，最后對(duì)病灶缺陷進(jìn)行識(shí)別分類。圖8為內(nèi)表面缺陷識(shí)別過程，具體過程如下：
圖8內(nèi)表面缺陷識(shí)別過程
（1）圖像的預(yù)處理：將數(shù)字圖像濾波、去噪，該操作能在盡量保留圖像細(xì)節(jié)特征的條件下對(duì)目標(biāo)像的噪聲進(jìn)行抑制。突出圖像中的目標(biāo)對(duì)象濾波的算法很多，中值濾波更為適合在本文中應(yīng)用。中值濾波的基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值得中值代替，讓周圍的像素值接近的真實(shí)值，從而消除孤立的噪聲點(diǎn)。
（2）圖像增強(qiáng)：圖像增強(qiáng)是指對(duì)圖像的某些特征，如邊緣、輪廓、對(duì)比度等進(jìn)行強(qiáng)調(diào)或尖銳化，以便于顯示，觀察或進(jìn)一步分析與處理。在小孔內(nèi)壁缺陷檢測(cè)的圖像中為了突出邊緣，本文選用Laplacian算子。
（3）特征提?。焊鶕?jù)各區(qū)域的灰度不同從而區(qū)分出孔內(nèi)缺陷區(qū)域。通過對(duì)待測(cè)小孔內(nèi)表面圖像進(jìn)行分析，得出各種缺陷的主要特征，詳述如下：
孔洞：孔洞是由于材料撕裂而產(chǎn)生的，這些撕裂狀的孔洞大小和形狀各不相同，切邊緣不規(guī)則。因?yàn)閷?duì)光的漫反射不同而使其灰度與小孔的背景灰度有明顯的差別。
裂紋：裂紋呈細(xì)長(zhǎng)狀，端頭呈尖狀。其灰度值與缺陷明顯不同。
缺陷特征參數(shù)：孔洞缺陷的識(shí)別特征參數(shù)為缺陷灰度（G），其表示圖像的明亮程度。根據(jù)圖像上的孔洞灰度值，可以區(qū)分是什么缺陷?；叶却笮∨c光反射強(qiáng)弱成正比關(guān)系。凸面反射強(qiáng)些，所以灰度大些，凹面的灰度則相對(duì)較小，裂紋的灰度為最小。通過MATLAB進(jìn)行多次仿真，可以確定區(qū)分它們的灰度值。
（4）圖像分割：即把一副圖像分成一些特定的、具有特殊性質(zhì)的區(qū)域并提取出感興趣目標(biāo)的技術(shù)和過程。圖像閾值分割利用圖像中提取的目標(biāo)物與其背景在灰度特性上的差異，把圖像視為具有不同灰度級(jí)的兩類區(qū)域的組合，選取一個(gè)合適的閾值，以確定圖像中每個(gè)像素點(diǎn)應(yīng)該屬于目標(biāo)還是背景區(qū)域，從而產(chǎn)生相應(yīng)的二值圖像。
4?結(jié)論
本文針對(duì)細(xì)長(zhǎng)孔類零件內(nèi)孔疵病檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了分析，并考慮到被測(cè)孔類零件需批量和動(dòng)態(tài)檢測(cè)的特殊性，提出了利用間歇機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量的檢測(cè)裝置，所設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置為集光、機(jī)、電、算于一體的檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)長(zhǎng)孔內(nèi)壁疵病的檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)壁疵病的精確定位。
論文題目：小孔內(nèi)表面在線檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)
作者：王蕾，馮進(jìn)良，張堯禹，張雪峰（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，?2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）