轴承外观缺陷检测算法设计与仿真

王琮寒

大连产品质量检验检测研究院有限公司 辽宁大连 116300

使轴承表面缺陷检测工序实现自动化，提高出厂产品的总体质量，目前机器视觉检测被广泛应用于轴承外观缺陷检测。论文专门针对CCD工业摄像头采集到的轴承外观图像，综合了中值滤波、圆心标定、最小误差分割法、canny算子边缘检测等机器视觉图像检测方法，设计了一套缺陷检测算法并且对此算法进行仿真。仿真结果表明，该算法通过对机器视觉图像进行一系列分析处理，可顺利实现对轴承表面缺陷的自动检测，提高了轴承外观检测精度和检测效率。

1 系统硬件设计及原理

轴承外观缺陷检测系统硬件平台以TMS320-DM642为核心，主要包含CCD相机、视频编解码模块、存储器模块及CPLD模块。当系统通电后，首先完成对DM642芯片的初始化，DM642通过I2C总线进行视频编解码芯片中寄存器的配置，使其分别初始化为编码状态和解码状态，当轴承到达指定检测工位，此时摄像机对待检测轴承进行一帧的图像采集，视频解码电路将采集到的模拟视频信号解码为数字视频信号，并传送输入到SDRAM中的图像采集缓冲区，当此帧图像数据采集完成后，CPU对采集的这一帧图像进行分析和处理，外部设备可根据此检测结果进行分料操作，将有缺陷的轴承剔除，处理完成后，将图像数据存入SDRAM显示缓冲区，此时通过视频编码芯片将显示缓冲区中的数字视频信号编码为模拟视频信号，并传输到LCD液晶显示器显示，从而完成一次轴承外观缺陷检测[1]。

2 轴承的故障机理

2.1 轴承的故障机理

轴承在多数机械设备中都较为常见，具有较高的使用率，同时也存在较高的损坏率。轴承具有起动性能好、可靠性较高、维护方便诸多优点，被广泛应用于机械设备中。轴承在设备处于等速度状态时，具有较高的承载力，长期受力作用，导致轴承相对其他机件，跟容易发生故障，在各类机械故障类型中，轴承故障占据较大比例。

相比而言，滚动轴承比滑动轴承的径向尺寸大且减振能力比较差，机械设备处于高速状态下滚动轴承要比滑动轴承的寿命低，噪音也比较高。其中的向心轴承的主要作用是承受径向力，其组成包括四部分，即内、外圈、滚动体与保持架。内圈紧紧套在轴颈上随轴同步旋转，而外圈则在轴承座孔中。当内外圈做相对转动的运动时，滚动体会在内圈外周与外圈内周的滚道上滚动，为防止摩擦保持架将二者隔开。多数情况下轴承之所以会出现问题，主要是由于运行过程中密封轴套以及固定螺栓等零件松动，造成滚动体及滚动体保持架磨损，或轴承压盖，轴套等处有缝隙，水或粉尘等杂质从这些缝隙中进入轴承箱，润滑油变脏造成润滑不良，最终导致轴承的故障。

2.2 轴承的损伤

正常情况下，只要正常使用，轴承都可以使用到疲劳寿命为止。轴承出现不耐用、过早损伤、和疲劳寿命相对的早期损伤，被称为轴承故障。究其原因，轴承故障一般都是由于安装或使用时，不注意轴承的润滑，导致从外部有异物侵入，或者是由轴承外壳的热影响导致润滑不良，从而过早损坏[2]。

轴承一般存在挡边卡伤、套圈卡伤等不同的损伤状态，损伤原因一般可考虑为：异物侵入、安装存在较大误差、轴承供排油存在结构缺陷、润滑剂不适合、润滑剂不足、轴的绕曲度过大等等，不排除各类原因的重合。仅仅从轴承的损伤方面很难得知轴承损坏的真正原因，要深入分析损坏原因，需要结合事故发生的前后过程、轴承结构、轴承周围构造、轴承使用条件等多方面进行考察。

3 轴承外观缺陷检测算法设计与仿真

3.1 圆心标定

由于轴承在生产流水线上摆放的位置是随机的，所以我们无法保证所有轴承都在所采集到的图像正中央，为了方便进一步的区域分割以及图像旋转，所以必须将所采集到的图像裁剪成图像中心即为轴承圆心的图像。本文设计的圆心标定思路如下：首先根据预处理图像的实际情况，在预处理图像中任意选取一个确定在轴承内圈内部的像素点N作为参考点；其次，以参考点N为中心，向左、右、上、下四个方向分别寻找到轴承内圈上的四个像素点A、B、C、D；然后求取A、B两点中点的横坐标，以此作为轴承圆心O的横坐标，求取C、D两点中点的纵坐标，以此作为轴承圆心O点的纵坐标；最后，为了提高圆心标定结果的准确性，重新选取参考点N的位置并计算圆心O，如此重复计算五次，取其中相近的三组数据，并求取平均值，从而最终确定轴承圆心O点的坐标。

3.2 改进的快速中值滤波

在轴承图像信息采集与传送过程中，会受到各类环境噪声的干扰或其他因素的影响，使得图像的质量下降，易导致在缺陷检测过程中出现错判、漏判，因此为提高检测质量与精度，需对采集到的轴承原始图像进行滤波处理，以抑制噪声对有用图像信息的干扰。通过反复实验验证，本系统采用中值滤波算法对轴承图像进行滤波处理。中值滤波可在消除噪声干扰的同时，很好地保留图像的原始细节信息。中值滤波的算法思想是将滤波窗口中的所有像素点按灰度值大小从小到大进行排序，以排序序号中间的灰度值代替窗口中心像素灰度值[3]。

4 结语

基于DM642的轴承外观缺陷检测系统是运用DSP数字信号处理的硬件检测平台，结合实时缺陷检测算法，旨在提高轴承外观质量、企业生产效率及自动化水平，经实验验证，该方法可有效检测出轴承外观缺陷，并具有检测效率高、精度高及稳定性好等特点。