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基于图像的O型密封圈尺寸检测方法

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2014年1月 第39卷第1期 润滑与密封 LUBRICAT10N ENGINEERING Jan.2014 Vo1.39 No.1 DOI:10.3969/j.issn.0254—0150.2014.01.020 基于图像的0型密封圈尺寸检测方法 肖锋王和顺 (西华大学机械工程与自动化学院 四川成都610039) 摘要:针对O型密封圈传统尺寸检测技术精度较低的缺点,提出一种新的基于图像的尺寸检测方法。该方法首先 应用数字图像处理技术,对形状多变的O型密封圈图像进行边缘检测;再采用多边形近似法得到其内.外径周长,并 计算出相应的线径。实验结果表明,该方法具有较高的精度,满足装配的要求。 关键词:O型密封圈;尺寸检测;周长 中图分类号:TB42文献标识码:A文章编号:0254—0150(2014)1—093—4 Size Detection Method of 0-ring Based on Image Xiao Feng Wang Heshun (School of Mechanical Engineering&Automation,Xihua University,Chengdu Sichuan 6 1 0039,China) Abstract:Aimed at the disadvantage of low accuracy of traditional 0一ring size detection technology,a new size detection method was put forward.For this method,the digital image processing technology was used to detect the image edge of 0一 ring whose shape is variable,the approximate polygon method was used to get the inside and outside perimeter of 0一ring, and the corresponding diameter was calculated by the inside and outside perimeter.The experimental result shows that this method has higher accuracy and can satisfy assembly requirements. Keywords:0一ring;size detection;perimeter 0型密封圈是一种最常见的密封件,具有结构 简单、成本低廉、密封性能良好、安装使用方便等 特点,是一种具有很强适应性的密封件,其性能会 直接影响设备的正常工作。而密封圈的尺寸公差, 特别是截面直径公差对设备的密封性能影响巨 大…。 果,其主体由PC控制的视觉系统和PLC控制的送料 系统组成,视觉系统由高分辨率相机、远心定倍镜头 和组合LED照明组成,应用于小尺寸密封圈检测 (最大直径d≤40 mm)。对于直径d≤20 mm的密封 圈,其测量精度只能达到0.05 mm,对于直径d≤40 mm的密封圈,其测量精度甚至达到0.1 mm 。基于 此,本文作者设计了一种基于图像的密封圈尺寸检测 的方法,并对一标准的密封圈进行非接触式的快速检 测。实验结果表明,无论密封圈是否变形,该方法的 测量结果精度很高。 1 基于图像的密封圈尺寸检测方法 1.1 系统结构及原理 工业上对密封圈的尺寸检测主要是人工检测。方 法是将其套在圆锥量规上,利用重力自然落下,确定 其内径,再利用游标卡尺来确定其他的相关尺寸。这 种检测方法容易受密封圈弹性形变的影响,误差较 大,并且劳动强度高,检测人员长时间工作,眼睛比 较疲劳,容易出错 。目前,针对这种检测弊端国内 外都提出了解决的办法。如国外一些公司采用由 KMK公司开发的第三代新型光学检测系统,可检测 密封圈的大小与质量,能达到极高的检测速度与检测 精度 ,但它主要应用于高质量要求的密封件检测。 国内深圳市视觉龙科技有限公司设计的橡胶智能密封 圈检测机能够替代人工,获得既快速又可靠的检验结 收稿日期:2012—12—05 基于图像的O型密封圈的尺寸检测方法,其原 理是应用数字图像处理技术,对O型密封圈进行边 缘检测,再采用多边形近似法得到其内、外径周长, 并计算出相应的线径。O型密封圈图像采集部分的结 构如图1所示,将被测量的密封圈2随机地置于检测 平台1上,通过LED光源5产生平行光,照射密封 圈;高清摄像机4正焦正对着密封圈进行拍照,两者 间距600 mm,以.jpg的格式保存密封圈图像(摄像 机像素为1 600×1 200)。 作者简介:肖锋(1986一),男,硕士研究生,从事机械密封技 术研究.E—mail:554507282@qq.con.r 94 润滑与密封 第39卷 1.检测平台 2.密封圈 3.立柱 4.高清摄像机 5.LED光源 图1 图像采集部分的结构图 Fig l Structure of image acquisition 1.2 图像采集及预处理 采用计算机采集获得的清晰的密封圈图像并进行 处理,包括噪声的去除、图像轮廓的提取以及内外径 的提取及显示等。图像的处理采用Matlab7.0编程 实现。 图像预处理能改善图像的质量,便于计算机对图 像进行后期的分析和处理。高清摄像机得到的图像由 于受到噪声干扰,直接使用前,应先对其进行一定的 预处理。由于在减少随即噪声影响的同时,图像边缘 部分也处在高频部分,预处理过程会导致边缘模糊 化,这里采用中值滤波法,在抑制噪声的同时能有效 地保护目标图像的边缘。 中值滤波是一种非线性平滑技术,它将每一像素 点的灰度值设置为该点某邻域窗口内的所有像素点灰 度值的中值 。即 g( ,Y)=median[z1, 2,…, ] (1) 其中, , ,…, 为点( ,Y)的像素值。中值 滤波有各种形式的滤波窗口,如图2所示。 ● ●●●●● ● ●●●●● ●●● ●●●●● ●●●●● ● ●●●●● ● ●●●●● (b) (c) (d) 图2滤波窗口的形式 Fig 2 Form of filter window 在检测系统中采用第二种滤波窗口(见图 2(b)),即采用逐行扫描的方法来进行滤波。 1.3 图像二值化 经过图像预处理后,图像包含的数据量仍然很 大。为使图像变得简单,数据量减小,凸显出密封圈 的轮廓,对预处理后的图像进行二值化处理。图像二 值化的方法有很多,常用的有固定阈值法、迭代阈值 法和自适应阈值法。这里选用固定阈值法对图像进行 二值化。设 为图像中像素点的灰度值,灰度阈值的 变换函数为 f(x = ; 式中: 为固定阈值法中指定的阈值。 1,4 Canny算子边缘检测 边缘检测一般要顾及定位精度。传统的算法速度 快,但精度差。因此,可先利用传统算法速度快的特 点大致确定图像的边缘位置即粗定位。然后对包含边 缘点的领域,利用边界跟踪得到边界闭合曲线,定位 到像素级。最后利用多项式插值获得亚像素级地边缘 精度定位。 粗定位可以选用传统的差分算子。由于许多经典 的边缘检测算法很难同时兼顾这两点:去噪同时不损 坏边缘信息,这里选用Canny算法对原始图像求其灰 度梯度图。 一副M×N大小的图像可以用一个二维的灰度矩 阵G来表示其灰度值。遍历(见图3)8个方向图像 像素对G逐点进行卷积,然后把每个像素偏导值与 相邻像素的模值比较,取其Max值为边缘点,并将 该点对应的模板方向顺时针转90。得到梯度方向。这 样就得到了一幅具有方向信息的梯度图像 。 4 3 2 1 B l 2 3 4 图3 Canny算法的方向模板 Fig 3 Direction templates of canny Canny算子得到的边缘像素不一定能组成闭合曲 线,故使用边界跟踪方法来解决这种问题。对梯度图 搜索,找到梯度最大点,作为边界跟踪的起始点,由 起始点出发,在梯度图上搜索下一点,此点又作为下 一点的起始点,如此继续所搜,直至回到最先的起始 点 。边缘检测结果如图4所示。 图4 Canny算法边缘检测结果 Fig 4 Result of edge detection on Canny 1.5 多项式插值边缘定位及尺寸计算 Canny边缘检测算法只能达到像素级,为了提高 2014年第1期 肖 锋等:基于图像的0型密封圈尺寸检测方法 测量精度,使边缘定位的精度达到亚像素级,常用 的算法有拟合法、空间灰度矩法,以及基于梯度图的 多项式插值法。由于多项式插值法准确性较好,且计 算量较小,因此选用多项式插值亚像边缘检测算 法 。在边缘点(m,n)对应的梯度图像上取3点, 设为边缘点(m,n)梯度幅值,分别为另外两相邻 像素点的梯度幅值,代入二次多项式插值函数: 咖( ) 磊 Y (3) 式中:Y 为函数值; 为插值基点。 令堂 :0堂 :0,,则经过推导可得亚像 CIX oy 素点坐标( , )为: Xe一十…  亏co y =n++ _  _: l一 詈s詈 仰 in 式中: 为相邻像素点到边缘点的距离;0为梯度方 向与 轴正向夹角。 由式(4)可以得出,对边缘进行多项式插值亚 像素细分定位的前提条件是: R0>R1且Ro>R1 (5) 跟踪所得的链码中相邻的亚像素边缘点(X )和( … , …)间的直线距离为: D = ̄/( … 一 ) +( 一 ) (6) 将所有这些线段加起即得到逼近的图形周长。 密封圈安装时嵌入圆形凹槽,根据圆形周长计算 公式: C=2,rrR (7) 可得图4中大、小圆的直径(即密封圈的内外 径),在计算其截面尺寸。 1.6检测结果及其误差分析 由于只定义了8个方向的模板,而实际图像的灰 度梯度方向可取周向任意值,系统存在一定的定位误 差。根据误差理论,首先对式(4)中的 分量进行 微分,计算 方向的坐标误差dX,可得: ,(R 一R0)d 一 +(R一 一R )dRo+(R。一R一 )dR ( 一】一2R。+尺1) (8) 因式(5)成立且使用方向模板计算得到的梯度 幅值均为整数,故有:  ldRdR0 I+}dR1 ,.,1 I-4-l — ■ ≤ 3IdR0I 3IdR0 rq、 R1—2Ro-4-Rl ,) 由于一般图像采集卡的灰度级量化误差不大于 ±1个灰度级,所以d ≤寻( )。同理dY <e 专 ,所以理论上边缘定位的精度最高可达到 专 个像素,但由于方向模板数目的有限性,系统 的定位误差应大于 专 个像素。 2应用 采用基于图像的密封圈尺寸的检测方法,对同一 标准密封圈变换形状(变换的形状没有交叉点)进 行了尺寸检测。结果如表1所示。 表1 密封圉尺寸检测结果 Table 1 Detecting results of ring size mm 依据《O型密封圈尺寸公差标准》,该标准密封 圈的内径、线径尺寸及其公差如表2所示。 表2标准密封圉的参数 Table 2 Parameter of the ring mm 由表1和表2的数据可以得到检测结果的误差如 图5所示。 罐一 图5检测结果误差曲线图 Fig 5 Error diagram of detecting results 实验结果表明:对同一密封圈变化形状重复6次 润滑与密封 第39卷 检测,系统的检测误差都在公差允许的范围之内, 能够满足使用的要求。 3结论 20.http://www.dzsc.com/product/infomatiorV726906/1 18101 8201 10228180033098. 【5】苏金明,王永利.Matlablab7.0实用指南[M].北京:国防工 业出版社,2004. 利用数字图像处理的测量技术设计了一种密封 圈尺寸检测的方法,并对一种O型密封圈的不同形 状进行边缘检测,实验结果表明,该方法的测量精 度能够达到0.03 mm,满足厂家的装配要求,为工 业上对密封圈尺寸的实时检测提供了一种新的方 法。 参考文献 【1】王建军,高新陵.O形橡胶密封圈尺寸公差对密封性能的影 响[J].机电产品开发与创新,2008,21(5):78—80. Wang Jianjun,Gao Xinling.Effects of dimensional tolerance on 【6】黄俊敏,吴庆华,周金山,等.基于机器视觉的轴承密封圈缺 陷检测方法[J].湖北工业大学学报,2009,24(4):13—15. Huang Junmin,Wu Qinghua,Zhou Jinshan,et a1.A default de~ tecting approach to bearing seal ring based on machine vision [J].Journal of Hubei University of Technology,2009,24(4): 13—15. 【7】李庆利.尺寸测量中的边缘检测算法研究[J].计算机测量 与控制,2004,12(4):334—337. Li Qingli.Study of edge detection in size measurenlent[J]. Computer Measurement&Control,2004,12(4):334—337. sealing characteristic of O—ring[J].Development&Innovation of Machinery&Electrical Products,2008,21(5):78—80. 【8】王资.基于图像的周长精密测量[J].电脑开发与应用, 2006,19(4):35—38. Wang Yun.Precision circumference nleasurenlent based on im. 【2】李踞,姜寿山,王云伟.密封件内外径测量算法的研究[J]. 西安工程科技学院学报,2007,21(4):480—483. L1 Jun,Jiang Shoushan,Wang Yunwei.Algorithm research on age[J].Computer Development&Applications,2006,19(4): 35—38. measuring the inner and outer diameters of the sealings[J]. Journal of Xi’an University of Engineering Science and Technol— 【9】吴晓波,钟先信,刘厚权,等.应用多项式插值函数提高面阵 CCD尺寸测量的分辨力[J].仪器仪表学报,1996,17(2): l54—159. Wu Xiaobo,Zhong Xiaoxin,Liu Houquan,et a1.Improving reso— lution of CCD camera in dimensional measurement by polynomi~ ogy,2007,21(4):480—483. 【3】林原,黄兴.橡塑密封行业的发展动向[J J.液压气动与密 封,2003(3):39—40. 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