钢球表面检测装置.pdf

本发明所涉及的钢球表面缺陷检测装置，因为钢球表面被激光照射后形成散射光，散射光在薄幕上形成散射图像，因为表面光滑的钢球在薄幕上形成的散射图像比较均匀，而表面粗糙的钢球，则在薄幕上形成的散射图像不均匀，如果钢球表面有滑条、擦痕、凹坑、麻点，则在薄幕上形成的散射图像有亮斑，如果钢球表面有污渍和铁锈，则在薄幕上形成的散射图像有暗斑，这些亮斑和暗斑统称离散散射光斑。照相机采集散射图像后，计算单元根据散斑图像的灰度值基于一定的规则得到离散散射光斑的面积，判断单元根据离散散射光斑的面积基于一定规则判断出钢球是否合格，因此，达到了自动对钢球表面进行检测，并且检测精度高、效率高和自动化高的目的。

1.  一种钢球表面检测装置，用于检测钢球表面粗糙度，其特征在于，包括：
驱动部，包含：用于放置所述钢球的第一转盘、带动所述第一转盘转动的第一驱动单元以及用于带动与所述第一转盘对应的钢球朝各个方向旋转的转动单元；
检测部，包含：用于朝向所述钢球发出激光的激光器、接收所述激光被所述钢球散射的散射光并且形成散射图像的薄幕以及设置在所述薄幕上部用于采集所述散射图像的照相机；
处理部，包含：根据所述散射图像的灰度值基于一定的规则得到离散散射光斑面积的计算单元以及根据所述离散散射光斑面积基于一定的规则判断钢球表面是否合格的判断单元；以及
控制部，用于控制所述驱动部以及所述检测部。

2.  根据权利要求1所述的钢球表面缺陷检测装置，其特征在于：
其中，所述第一转盘呈环形状，等间距设置至少两个盛放孔，所述盛放孔用于放置所述钢球。

3.  根据权利要求1或权利要求2所述的钢球表面缺陷检测装置，其特征在于，还包括：
分选部，根据所述判断单元不同的判断结果将所述钢球分开，包括：将所述判断单元判断为合格的钢球推出所述第一转盘的第一分选棒、用于收集所述合格的钢球的第一收集单元、将所述判断单元判断为不合格的钢球推出所述第一转盘的第二分选棒、用于收集所述不合格的钢球的第二收 集单元以及用于驱动所述第一分选棒和第二分选棒的分选驱动单元，所述控制部控制所述分选驱动单元。

4.  根据权利要求1所述的钢球表面缺陷检测装置，其特征在于，还包括：
支撑部，用于支撑所述驱动部和所述检测部，包含圆柱形进样口，用于向所述第一转盘输送所述钢球，所述进样口向所述外壳内部凹陷且与所述盛放孔的中轴线相对应。

5.  根据权利要求1所述的钢球表面缺陷检测装置，其特征在于：
其中，所述转动单元包含：第二转盘、驱动所述第二转盘转动的第一电机、第三转盘以及设置在所述第二转盘上驱动所述第三转盘转动的第二电机，
所述第二转盘转动带动所述第二电机和所述第三转盘整体转动，所述第三转盘的整体转动和自身转动带动与所述第三转盘相接触的钢球朝各个方向旋转。

6.  根据权利要求1所述的钢球表面缺陷检测装置，其特征在于：
其中，所述照相机为面阵CCD相机。

钢球表面检测装置
技术领域
本发明属于机械领域，具体涉及一种钢球表面检测装置。
背景技术
轴承用钢球是一种表面光滑呈镜面反射状态的机械配件，作为各类轴承的滚动体，其缺陷程度直接影响轴承精度、动态性能和使用寿命。轴承网和企业内部自测的轴承试验表明：钢球的表面质量占影响轴承全部因素的60％，而国外名牌产品因钢球表面缺陷而失效的比例却占23.3％。钢球表面质量作为衡量轴承质量的一项重要指标，必须对其进行严格检测。
国外发达国家在钢球检测技术及检测仪器方面处于领先地位，美国、捷克、瑞典、日本等国都进行过相关检测仪器的研制与开发，已经有自动化程度较高的光电自动化检测仪器，其中实际使用效果较好的是捷克SOMET公司的AVIKO系列钢球表面自动检测仪，AVIKO系列钢球表面自动检测仪主要利用光电，振动以及电涡流传感器进行检测，其中光电探测用来剔除表面有点缺陷的钢球，光洁度不均匀的钢球以及脏钢球。采用振动传感器检测用来剔除表面有明显缺陷的钢球，如表面有群点和划痕的钢球。整个仪器结构紧凑、操作方便、检测效率高，但是它属于接触式检测，对钢球表面质量有一定的损伤，而且价格昂贵、检测成本高，核心技术封锁，不易维护。
用于钢球表面缺陷检测的技术有：涡流探伤法、光电检测法、超 声波探伤法、声发射法、地磁场检测法以及人工检测法。其中涡流探伤法利用电磁感应原理进行缺陷的检测。钢球在交变磁场作用下，由于电磁感应将产生涡电流，钢球的表面缺陷影响涡电流的大小和分布，可根据传感器接收到涡电流的变化来判断缺陷是否存在，该方法对裂纹、烧伤及针孔等钢球加工及材料缺陷具有较高的分选能力，对表面缺陷识别较差，检测成本极高，一般只能用于航空高精密钢球抽检，不能对所生产的钢球进行全部检测；光电检测法是通过照在光敏电阻上的光强度的变化来判断钢球是否有缺陷，用该方法进行检测时，必须保证钢球整个表面都能被光点照到，而钢球在高速展开转动时，球心有上下振动和水平移动，造成球面上的缺陷有漏扫现象，检测准确度不高，且对缺陷大小有要求，检测范围小，另外球是靠自身重力为压力的摩擦转动，所以检测效率低；其他方法主要处于实验阶段，至今没有开发出具有自主知识产权的钢球表面缺陷自动检测仪。因此，国内钢球厂家对钢球的表面质量检测还是人工抽检，检测方法也是传统的灯检，即在灯光下用推板在小簸箕里推动钢球进行检查。这种人工检验方法无疑需要大量人力，生产效率低下，而且检测质量难以保证，从而降低了钢球的可靠性。
发明内容
本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种表面缺陷识别能力较好、检测精度高、自动化程度高的钢球表面缺陷检测装置。
本发明提供的钢球表面缺陷检测装置，其特征在于，包括：驱动部，包含：用于放置钢球的第一转盘、带动第一转盘转动的第一驱动单元以及用于带动与第一转盘对应的钢球朝各个方向旋转的转动单元；检测部，包含：用于朝向钢球发出激光的激光器、接收激光被钢球散射的散射光并且形成散射图像的薄幕以及设置在薄幕上部用于采集散射图像的照相机；处理部，包含：根据散射图像的灰度值基于一定的规则得到离散散射光斑面积的计算单元以及根据离散散射光斑面积基于一定的规则判断钢球表面是否合格的判断单元；以及控制部，用于控制驱动部以及检测部。
本发明的钢球表面检测装置还可以具有这样的特征：其中，第一转盘呈环形状，等间距设置至少两个盛放孔，盛放孔用于放置钢球。
本发明的钢球表面检测装置还可以具有这样的特征：还包括分选部，根据判断单元不同的判断结果将钢球分开，包括：将判断单元判断为合格的钢球推出第一转盘的第一分选棒、用于收集合格的钢球的第一收集单元、将判断单元判断为不合格的钢球推出第一转盘的第二分选棒、用于收集不合格的钢球的第二收集单元以及用于驱动第一分选棒和第二分选棒的分选驱动单元，控制部控制分选驱动单元。
本发明的钢球表面检测装置还可以具有这样的特征：还包括外壳，用于支撑驱动部和检测部，外壳包含圆柱形进样口，用于向第一转盘输送钢球，进样口向外壳内部凹陷且与盛放孔的中轴线相对应。
本发明的钢球表面检测装置还可以具有这样的特征：其中，转动单元包含：第二转盘、驱动第二转盘转动的第一电机、第三转盘以及 设置在第二转盘上驱动第三转盘转动的第二电机，第二转盘转动带动第二电机和第三转盘整体转动，第三转盘的整体转动和自身转动带动与第三转盘相接触的钢球朝各个方向旋转。
本发明的钢球表面检测装置还可以具有这样的特征：其中，照相机为面阵CCD相机。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的钢球表面缺陷检测装置，因为钢球表面被激光照射后形成散射光，散射光在薄幕上形成散射图像，因为表面光滑的钢球在薄幕上形成的散射图像比较均匀，而表面粗糙的钢球，则在薄幕上形成的散射图像不均匀，如果钢球表面有滑条、擦痕、凹坑、麻点，则在薄幕上形成的散射图像有亮斑，如果钢球表面有污渍和铁锈，则在薄幕上形成的散射图像有暗斑，这些亮斑和暗斑统称离散散射光斑。照相机采集散射图像后，计算单元根据散斑图像的灰度值基于一定的规则得到离散散射光斑的面积，判断单元根据离散散射光斑的面积基于一定规则判断出钢球是否合格，因此，达到了自动对钢球表面进行检测，并且检测精度高、效率高和自动化高的目的。
附图说明
图1是本发明的实施例中钢球表面缺陷检测装置的主视图；
图2是本发明的实施例中钢球表面缺陷检测装置处理过程的结构示意图；以及
图3是本发明的实施例中钢球表面缺陷检测装置的局部放大图。
具体实施案例
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的钢球表面检测装置作具体阐述。
图1是本发明的实施例中钢球表面检测装置的主视图。
如图1所示，钢球表面缺陷检测装置100用于检测钢球表面粗糙度并将合格钢球与有表面缺陷的钢球分开，钢球表面缺陷检测装置100包含：驱动部、检测部、处理部(图中未显示)、控制部(图中未显示)、分选部和支撑部140。控制部用于控制驱动部、检测部和分选部。
驱动部包含：用于放置钢球的第一转盘111、用于带动与第一转盘111对应的钢球朝各个方向旋转的转动单元112以及带动第一转盘111转动的第一驱动单元113。
其中，第一转盘111为环形，环形面上等间距设置16个盛放孔。
第一驱动单元112包含：第三电机112a和第四转盘112b，控制部控制第三电机112a运行，从而驱动第四转盘112b转动，第四转盘112b与第一转盘111的外边缘齿轮啮合，第四转盘112b转动能够带动第一转盘111顺时针转动。
转动单元113包含：第二转盘113a、驱动第二转盘113a自身转动的第一电机113b、第三转盘113c以及设置在第二转盘113a上用于 驱动第三转盘113c转动的第二电机113d。第二转盘113a转动带动第二电机113d和第三转盘113c整体转动。
第三转盘113c设置在第一转盘111的下方且与第一转盘111相交，放置在第三转盘113c与第一转盘111相交的部分的钢球能够与第三转盘113c接触，第三转盘113c的整体转动和自身转动能够带动与第三转盘113c接触的钢球朝各个方向旋转。控制部控制第一电机113b和第二电机113d运行，从而驱动第三转盘113c的整体转动和自身转动进而带动与第三转盘113c接触的钢球朝各个方向旋转。
控制部控制第一电机113b、第二电机112a、第三电机112a的运行。
检测部包含：用于朝向钢球发出激光的激光器121、接收激光被钢球散射的散射光并且形成散射图像的薄幕122以及设置在薄幕122上部用于采集散射图像的面阵CCD相机123。其中，激光器121和面阵CCD相机123的关和闭均由控制部控制。
其中，激光器121用于发出激光，以图1中的方向来看，设置在第一转盘111中心的右边，并且激光能够照射到与第一转盘111中心的右边对应的钢球上。
薄幕122设置在第一转转盘111的上方，并且激光被钢球散射的散射光能够全部照射到薄幕122上，在薄幕122上形成散射图像。
面阵CCD相机123采集薄幕122上形成的散射图像，并将散射图像传送给处理部。
因为表面光滑的钢球在薄幕122上形成的散射图像比较均匀，而 表面粗糙的钢球，则在薄幕122上形成的散射图像不均匀，如果钢球表面有滑条、擦痕、凹坑、麻点，则在屏幕122上形成的散射图像有亮斑，如果钢球表面有污渍和铁锈，则在屏幕122上形成的散射图像有暗斑。散射图像中的亮斑和暗斑在这里统称为离散散射光斑。
处理部包含：根据散射图像的灰度值基于一定的规则得到离散散射光斑面积的计算单元以及根据离散散射光斑面积基于一定的规则判断钢球表面是否合格的判断单元。
为了减小原始散射图像在获取和传输过程中受到的各种噪声干扰，计算单元首先需要对散射图像进行预处理，然后用局部自适应二值化法处理得到考查点的阈值。
局部自适应二值化通过定义考察点的领域，比较参考点与其领域的灰度值来确定当前考察点的阈值，非均匀光照条件等虽然影响整体图像的灰度分布却不影响局部的图像性质，使得局部阈值法得到广泛使用。由于散射图像是钢球表面散射的光形成，每个部分光照不均匀，需要采用Niblack局部自适应的方法进行二值化。Niblack法是根据散射图像中局部均值和局部标准差得到不同的阈值。像素点(x,y)阈值的计算如下：
T(x,y)＝m(x,y)+k·s(x,y)      (1)
其中，T(x,y)为阈值，m(x,y)为样本均值，s(x,y)为标准差，k为参数。另外，对于考察点领域的选择需要满足既能保存局部细节同时又能抑制噪声的产生。
然后进行形态学处理，由于各种干扰或者缺陷内部不光滑而导致 二值化后的散射图像里面会有一个个很小的孔洞，需采用形态学填充孔洞来消除这些干扰。处理过程为：假设选择了一幅标记图像f，该图像边缘部分的灰度值为1-f(x,y),其余部分的值为0，则有：

利用公式(2)中散射图像的f_m(x,y)填充孔洞，这里省略(x,y)表示，得到公式(3)如下式所示：
g=[Rfc(fm)]c---(3)]]>
当离散散射光斑的边界被相机拍下时，边界在处理时会成为干扰，因此，采用边界清除算法对散射图像中离散散射光斑进行提取，通过消除边界对象来消除此干扰。
利用原离散散射光斑作为模板，且标记的离散散射光斑f_m(x,y)定义为：

边界清除算法首先计算形态学重构R_f(f_m)(只包含与边界接触的对象)，然后计算差：
X＝1-R_f(f_m)         (5)
即得到一幅只包含原离散散射光斑中不与边界接触的对象。
将经过形态学处理之后的离散散射光斑利用LabVIEW视觉与运动模块函数计算得到离散散射光斑面积，然后设定阈值面积，判断单元根据离散散射光斑面积与预设阈值的对比判别钢球表面是否存在缺陷，当离散散射光斑面积大于阈值面积时则判定为表面粗糙的不合 格钢球，并将不合格钢球为记录1；当离散散射光斑面积小于阈值面积时则判定为表面光滑的合格钢球，并将合格钢球记录为0。
利用LabVIEW中“IMAQ Particle Analysis”函数计算缺陷圆度因子和延长因子以判断表面粗糙的类型。
图2是本发明的实施例中钢球表面检测装置处理过程示意图。
如图2所示，首先检测部对待测钢球钢球进行检测，然后计算单元提取面阵CCD相机114采集的散射图像，并对散射图像进行预处理，接着对散射图像进行特征提取，最后根据离散散射光斑面积与阀值面积进行识别判断。
分选部根据判断单元不同的判断结果将钢球分开，包含：将判断单元判断为合格的钢球推出第一转盘111的第一分选棒131、用于收集合格的钢球的第一收集单元132、将判断单元判断为不合格的钢球推出第一转盘的第二分选棒133、用于收集不合格的钢球的第二收集单元134以及用于驱动第一分选棒131、第四转盘135和第二分选棒133的分选驱动单元136，控制部控制分选驱动单元136。
分选驱动单元136包含：第三电机136a和第五转盘136b。第三电机136a驱动第五转盘136b转动。
图3是本发明的实施例中钢球表面检测装置的局部放大图。
如图3所示，第五转盘135为环形，固定在支撑部140上，第一转盘111的环孔安装在第五转盘135外边缘上，并且第一转盘111能够绕第五转盘135转动，第五转盘135的环孔套在第三电机136a上。第五转盘135平面上设置有第一导轨135a和第二导轨135b，第一分 选棒131设置在第一导轨135a内并能够沿第一导轨135a运动，第二分选棒133设置在第二导轨135b内并能够沿第二导轨135b运动。
第一分选棒131和第二分选棒133分别与第六转盘136b齿轮啮合，第四电机136a驱动第六转盘136b逆时针转动时，第六转盘136b带动第一分选棒131运动将钢球推出第一转盘111，然后进入第一收集单元132；第四电机136a驱动第六转盘136b顺时针转动时，第六转盘136b带动第二分选棒133运动将钢球推出第一转盘111，然后进入第二收集单元134。
当第一转盘111带钢球转动经过检测部后，控制部根据判断单元对钢球的标记控制分选单元对钢球进行分选。当钢球被判断单元记录为0时，控制部控制第四电机136a使第六转盘136b逆时针转动，从而将钢球推出第一转盘111，进入第一收集单元132，从而合格钢球被第一收集单元132收集；当钢球被判断单元记录为1时，控制部控制第四电机136a使第六转盘136b顺时针转动，从而将钢球推出第一转盘111，进入第二收集单元134，从而不合格钢球被第二收集单元134收集。
支撑部140，用于支撑驱动部和检测部，包含圆柱形进样口141，圆柱形进样口141用于向第一转盘111输送钢球，进样口141向支撑部140内部凹陷且与第一转盘111的盛放孔的中轴线相对应。
盛放在第一转盘111的盛放孔上的钢球经过检测部的检测，处理部的计算和判断后被分选单元推出第一转盘111，第一转盘111上出现空置的盛放孔，随着第一转盘111的转动，当空置的盛放孔转动到 与进样口141对应的位置时，控制部控制其它待测钢球通过进样口141落入空置的盛放孔，从而能够不断的对钢球进行检测。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的钢球表面缺陷检测装置，因为钢球表面被激光照射后形成散射光，散射光在薄幕上形成散射图像，因为表面光滑的钢球在薄幕上形成的散射图像比较均匀，而表面粗糙的钢球，则在薄幕上形成的散射图像不均匀，如果钢球表面有滑条、擦痕、凹坑、麻点，则在薄幕上形成的散射图像有亮斑，如果钢球表面有污渍和铁锈，则在薄幕上形成的散射图像有暗斑，这些亮斑和暗斑统称离散散射光斑。照相机采集散射图像后，计算单元根据散斑图像的灰度值基于一定的规则得到离散散射光斑的面积，判断单元根据离散散射光斑的面积基于一定规则判断出钢球是否合格，因此，达到了自动对钢球表面进行检测，并且检测精度高、效率高和自动化高的目的。
在本实施例中，分选部将判断单元判断的钢球表面合格与不合格的钢球分开，进一步提高了效率和并且更适合自动化操作。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。