【行业应用】激光三角-圆筒内壁圆度误差在线检测系统研究
摘要：圆筒内壁的圆度检测工作环境恶劣,检测要求严格,目前缺乏合适的解决方案。因此对其研究将促进圆筒内壁圆度误差检测的机械化自动化水平,提高产品质量,降低生产成本,加快生产速度,系统采用改进的激光三角测距法作为测量方法,既能在高温环境下工作,又可对小径圆筒进行测量。而机器视觉是用机器代替人眼来做测量和判断,测量精度高、速度快。将二者相结合,可有效解决圆筒内壁高质量、高速度的在线检测难题。
关键词：圆筒内壁检测；机器视觉；激光三角测距法
0 引言
在圆筒生产的加工过程中,本工序的前驱工序是高温钢冲压成型。由于振动磨损等原因,冲压设备在工作一段时间后会出现较大的偏差,必须对产品进行检测,发现问题后,对冲压设备进行调整。而圆筒内壁检测的传统解决方法是：冲压一批圆筒,冷却后抽样检查,不合格则本批报废,同时校正冲压设备,以便继续生产。这种传统做法采用抽样检测,如果出现废品则报废一批,存在很大的浪费,而且经过前驱工序的冲压成型,内壁表面温度高达100°Ｃ左右,必须等待产品冷却后才能检验,大大限制了生产线的工作速度；另一方面传统检测方法也不够准确、全面,故难以适应现代工业高质量生产的要求。
本系统的提出能够精确地完成圆筒的实时在线检测任务,在圆筒内壁的圆度不合格时,能够实时检测到不合格圆筒并及时报警，以便立即调整冲压设备。新检测方法既能全面检测提高了产品质量,避免更大的损失,又可加快检测速度,提高生产效率。
1 工作原理
系统采用激光测距方法,选定扫描的旋转角度和垂直间隔后,在圆筒内壁进行全扫描。因为待测目标周围环境的特殊性,现对激光三角法加以改进-由带有光路变向的激光三角检测法来进行设计。先分析激光三角法工作原理,再介绍改进的方法。
1∙1激光三角法工作原理
激光三角法由激光器、成像透镜及光电传感器组成。激光器发出的激光投射到被测物体表面上形成漫反射光斑。将漫反射光斑作为传感信号,用透镜成像原理将收集到的反射光汇聚到成像透镜的焦平面上,此处放置光电传感器。当漫反射光斑随被测物体表面移动时,成像光点在光电传感器面上作相应的移动。根据像移距离的大小和传感器的结构参数可以确定被测物体表面的位移量,激光束如同接触测量的机械探针,可确定被测表面测点的位置。为了减小被测表面质量对测量的影响,通常采用激光束垂直入射被测物体表面的测量方式。
图1激光三角法原理示意图
图1中ｓ为待测物体表面位移,ｓ′为待测物体表面光斑在传感器上的相对位移,ａ为镜头到物体的物距,ｂ为镜头到成像面的像距,θ为观察角。由几何光学知识可求得ｓ＇与ｓ关系如下：
当被测距离大于基准距离时取减号,小于基准距离时取加号。
1∙2光路改进原理分析
由于圆筒内径的限制,可能会小到80ｍｍ左右,激光无法照射整个内壁表面；又由于圆筒温度高达100℃,激光三角测量装置不能直接伸入到圆筒内部进行检测,所以需要对传统的激光三角法检测方案进行改进。
1∙2∙1改进方案
（1）采用反射镜反射激光,改变激光光路方向（如图2）。在检测装置底部放置45°反射镜,将平行内壁表面入射的激光光路变为垂直照射内壁表面,这样可以在圆筒外远距离垂直放置激光器。
图2光路改进原理示意图
（2）采用三棱镜作为观察装置,观察三棱镜内成像。在检测装置内部放置折射光路用的三棱镜应满足如下条件：①三棱镜摆放的位置不可挡住激光器发出的激光线；②保证三棱镜的长边与圆筒底面平行；③要使基准待测表面反射出的45°漫反射光在三棱镜边线的中点射入三棱镜,以保证测量范围。经过计算可知：当三棱镜的角度分别为2∙5°、45°和12∙5°时,可以将45°出射的激光光路改变为恰好90°垂直出射,这样可以在圆筒外远距离垂直放置视觉图像采集器来采集三棱镜所成的像。
图3机械装置工作示意图
图3中的轴线为检测装置的轴线,设轴线到待测表面的距离为Ｓ。因装置中激光发射器、反射镜与三棱镜已经定位并固定,则可计算出三棱镜上边到激光线水平段的高度Ｈ、三棱镜2∙5°角的顶点到轴线的距离Ｗ,再设轴线到射入镜头的激光线的距离为Ｖ。由几何光学知识可求得：
Ｓ＝Ｈ＋Ｗ＋（Ｗ＋Ｖ）ｔａｎ2∙5° （2）
其中Ｈ、Ｗ为固定值,Ｖ为镜头中的测量值,则Ｓ可计算出。
1∙2∙2优点
（1）将反射镜以45°放置,可使激光光路垂直于内壁表面,有效的减小激光三角法检测的误差,且便于计算。
（2）检测过程中,在三棱镜内发生的两次反射都是全反射,所以,一方面在理论上不存在反射光能的损失,另一方面在光学理论上三棱镜最后所成的实像与实际物体大小相等,方向相同,只是相对距离有变化。
（3）此方法可对大小不同的圆筒内壁进行检测,可检测的圆筒内壁最小直径约为80ｍｍ,装置不受圆筒高度限制,可根据圆筒的具体高度来设计系统。
（4）此方法消除了传统激光三角法中由计算公式带来的非线性误差。
2 机械装置模型
机械装置部分负责在远端容纳并固定图像采集系统和激光器。在伸入端内安装反射镜和三棱镜,两端之间要能够传导光线,如图3所示。机械装置除了起到固定与定位的作用,还要保持一定的定位精度,此外机械装置部分也要保证适当的工作距离,使电路部分能够正常工作。
3 系统的图像处理
3∙1系统的图像处理流程
（1）图像采集,需要对图像传感器进行操作,实时读取数字化图像；
（2）图像预处理,对采集到的图像进行一系列基本处理,为后续的处理提供简单、清楚、无噪声的图像
（3）提取光斑中心,将图像上光斑的中心提取出来,完成从一幅图像到一个数据的转换；
（4）计算Ｖ值,将光斑中心的坐标数据转换为轴线到射入镜头的激光线的测量数据。
3∙2图像处理工作平台的选择
由于系统要求运算精度高、速度快,所以一般的单片机无法满足需求,而高级的单片机又不够经济实用。本系统选用的是ＴＩ公司的ＴＭＳ320ＶＣ5416进行嵌入式开发,54ｘ是ＴＩ公司的一个低端系列,低能耗、高效率。而5416是54系列ＤＳＰ（数字信号处理器）中最高端的产品,专为数字信号处理而优化,适于进行图像处理这种卷积运算任务复杂的应用环境。性能上能够满足本系统的应用需求,且成本低、易使用、外观小巧,便于嵌入系统,也便于隔温保护。
在ＴＭＳ320ＶＣ5416的强大运算能力基础上,采用ＯＶ760图像传感器采集视觉图像。ＯＶ760ＣＭＯＳ图像传感器,体积小、重量轻、集成度高、可以直接输出数字图像信号、内含几种基本的图像处理功能、输出格式丰富。既简化了后续电路设计,又提高了图像采集质量。
将ＴＭＳ320ＶＣ5416与ＯＶ760结合进行硬件设计,在空间上非常节省。因此,如果系统工作环境温度成为障碍的时候,甚至可以考虑将硬件系统隔离。
4 检测过程
圆筒在生产线传送带上运动,到达检测装置所在位置后停止,进行检测。将检测装置平行于圆筒轴线伸入圆筒内,在圆筒内壁进行全扫描。采集全部的数据点后带入式（2）中,得出相应的数据值进行分析。由于检测装置伸入时与圆筒的轴线位置会有一定的偏差,所以先将每一横截面上的数据值分别进行分析,找出每个横截面上的圆心位置,从而确定圆筒轴线位置。再分析该圆筒轴线是否与圆筒底面垂直,并分析所有检测点是否都在误差范围内。若两项都满足要求,则该圆筒合格,通知传送带继续前进,准备检查下一个圆筒；若其中有一项不合格,则该圆筒不合格,并将数据值分组对比,找出原因,通知前驱工序,调整冲压设备。
5 结束语
系统结合了光学成像、机械、图像信息处理等多个学科技术交叉融合、互相配合,并对系统中的基本激光三角法方案进行改进,成功解决了圆筒内壁圆度的实时在线检测问题。系统还应该考虑光学领域的照明工程、工程光学、光学材料等相关技术；考虑机械装置中的材料、加工、精度因素；在电子电路上,芯片、接口、电磁特性也需要研究；并结合了图像采集、图像预处理、图像光斑位置检测等图像信息处理技术。故本系统是光学、机械、电子、信息一化的检测系统,为实现圆筒内壁均匀度的在线检测提供了一种有效的途径。
论文题目：圆筒内壁圆度误差在线检测系统研究∗
作者：段振云，付连海，况卫平，毛波（沈阳工业大学，机械工程学院）