研析空壓機活塞誤差系統

　　1檢測方法分析

　　根據活塞端面圖像邊緣的灰度階躍性變化，通過(guò)(tōng guò)圖像處理，檢測出活塞端面邊緣，并提取其邊界，進(jìn)而確定邊界特征的位置（position )和大小。圖像邊界圓的檢測包括(bāo kuò)圓邊緣檢測，圓心位置檢測。邊緣誤差測量是以圓心為參考點(diǎn)進(jìn)行測量，首先擬合出邊界函數，然后與標準函數進(jìn)行像素級比較，得到圓位置偏差和圓度偏差；圓心位置的確定結合圓自身特性，通過(guò)最小二(xiǎo èr)乘法對取得的坐標進(jìn)行圓擬合，得到圓心坐標和圓的函數，從而得到圓的位置和大小。
　　2檢測方法實(shí)現。
　　活塞圓度誤差的檢測是以較為理想的活塞端面數字圖像為基礎的，在圖像采集過(guò)程中，因為光照，設備特性，以及各種噪聲的影響(influence)，直接采集到的活塞端面圖像無(wú)法滿(mǎn)足檢測的要求。為實(shí)現高精度的誤差檢測，必須對圖像進(jìn)行預處理以得到高質(zhì)量(quality)的圖像，然后對圖像進(jìn)行邊界提取運算。檢測系統選用復合Canny算子進(jìn)行邊界提取，從而為圓度分析提供基礎數據。下面介紹圖像預處理的方法。
　　2.1圖像(image)增強。
　　圖像在采集，傳輸，存儲的過(guò)程中通常都會(huì )受到各種各樣的噪聲污染而產(chǎn)生畸變，嚴重影響圖像的質(zhì)量，所以在對圖像進(jìn)行分析之前，應該對圖像進(jìn)行改善質(zhì)量的處理。圖像增強（ImageEnhancem ent）的主要目的是增強圖像中的有用信息，削弱噪聲和其他干擾的影響，使圖像更加清晰，更便于人或計算機對圖像進(jìn)行分析。圖像增強和圖像復原不同，它不要求恢復圖像的原始圖像信息，也不用了解圖像降質(zhì)的具體原因，只是用實(shí)驗調整的方式方法(method)對圖像進(jìn)行處理，達到改善圖像質(zhì)量的目的。圖像增強技術(shù)主要包括(bāo kuò)圖像灰度變換，圖像平滑處理等。在實(shí)際應用中可以采用單一方法處理，也可以采用幾種方法聯(lián)合處理，以便達到理想的增強效果。
　　2.2圖像灰度調整。
　　有些圖像的對比度比較低，整個(gè)圖像看起來(lái)模糊不清，這時(shí)可以按一定的規則修改原來(lái)圖像的每一個(gè)像素點(diǎn)的灰度值，從而改變圖像灰度的動(dòng)態(tài)范圍。設原始圖像為f（x，y），其灰度范圍是<m，M>；調整后的圖像為g（x，y），其灰度范圍是<n，N>；則g（x，y）-n=（N-n）<f（x，y）-m>/（M-m）。
　　由Matlab實(shí)現活塞端面圖像的對比度增強效果。圖中縱橫坐標為像素點(diǎn)坐標，（0，0）在圖像左上角。
　　由實(shí)驗（experiment)結果可以看出，設定不同的灰度，圖像處理的結果往往也不一樣，灰度范圍(fàn wéi)越小，圖像對比度越高，邊界越清晰，但對圖像背景破壞越大。因此在實(shí)際圖像處理過(guò)程中選取適當的灰度范圍十分關(guān)鍵。
　　2.3圖像平滑處理。
　　數字圖像可能存在著(zhù)各種噪聲感染。噪聲污染既可能產(chǎn)生于圖像數據傳輸過(guò)程(guò chéng)中，又可能產(chǎn)生于量化等處理(chǔ lǐ)過(guò)程中。在圖像平滑處理階段，需要找到一個(gè)理想的平滑處理方法，這種方法要求是既能消除圖像噪聲，又不使圖像的邊緣輪廓和線(xiàn)條模糊。
　　為了消除噪聲又要保持圖像的細節，采用中值濾波是比較理想的處理方法。其原理是：將模板在圖像中窮盡掃描，并將模板中心分別與圖像中某個(gè)像素位置重合，對模板下各對應像素的灰度值進(jìn)行排序并找到排在中間的那一個(gè)，而這個(gè)中間值將作為新圖像中對應模板中心位置的像素的灰度值。
　　中值濾波實(shí)質(zhì)是讓與周?chē)袼鼗叶戎档牟畋容^大的像素改為與周?chē)袼氐幕叶戎当容^接近的灰度值，從而消除孤立的噪聲(noise)點(diǎn)。昆山空壓機保養冷卻水通過(guò)管道進(jìn)入空壓機中間冷卻器對一級壓縮排出的氣體進(jìn)行冷卻降溫，再進(jìn)入后冷器對排氣進(jìn)行冷卻，另一路冷卻水進(jìn)水管道經(jīng)過(guò)主電機上部的兩組換熱器冷卻電機繞組，還有一路對油冷卻器進(jìn)行冷卻。由于它不是簡(jiǎn)單的取平均值（The average value)，故不容易產(chǎn)生邊緣模糊。進(jìn)行中值濾波的結果(result)比對，邊界信息得到了進(jìn)一步的加強。實(shí)驗表明，活塞端面圖像預處理采用中值濾波方法，能夠得到理想的處理效果。
　　3邊界擬合及誤差檢測。昆山空壓機是回轉容積式壓縮機，在其中兩個(gè)帶有螺旋型齒輪的轉子相互嚙合，使兩個(gè)轉子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。
　　圓擬合的最終目的是將活塞端面擬合出邊界圓，求取擬合圓的中心坐標和半徑值等特征參數，從而對活塞零件加工(Processing)精度（精確度）進(jìn)行檢測。
　　在對采集的活塞(piston)端面圖像(image)進(jìn)行預處理之后，即可進(jìn)行邊界提取。為了分析其加工偏差，必須對提取的邊界，求出邊界函數，然后進(jìn)行擬合誤差比較，從而判定其誤差大小和位置。
　　3.1邊界圓擬合的數學(xué)工具。
　　在進(jìn)行邊界圓弧檢測時(shí)，需要確定邊界圓的函數和圓心。
　　3.2圓擬合算法的改進(jìn)。昆山空壓機維修軸承跑外圈一般是因為配合的精度不夠以及外圈定位方式設計不合理造成的。并非所有機頭都按這個(gè)時(shí)間進(jìn)行，如果保養好的可以延后，保養差的則需要提前。 
　　圓擬合算法除了要求達到一定的擬合精度外，還必須滿(mǎn)足穩定性，高效性，實(shí)時(shí)性的要求在圓的擬合方面，已經(jīng)提出了多種算法，首先是傳統(Tradition)的統計方法，它是在最小二乘方法的基礎上，尋求最佳擬合的點(diǎn)集，這通常是一種非線(xiàn)性問(wèn)題，需要采用迭(dié)代方法進(jìn)行求解，當選擇的初始值不合適時(shí)，可能會(huì )導致(cause)該算法的失效。其次是采用Hough變換方法來(lái)求取圓孔或者圓弧的中心坐標和半徑等特征參數，其優(yōu)點(diǎn)是能夠直接求出圓各個(gè)參數。缺點(diǎn)是運算量比較大，運算速度也比較慢，不能滿(mǎn)足在線(xiàn)(Online)檢測對實(shí)時(shí)性的要求。
　　根據以上分析，針對以上2種算法的特點(diǎn)，結合圓的自身性質(zhì)，提出圓擬合的改進(jìn)算法，旨在提高擬合算法的精度和實(shí)效性。其實(shí)現過(guò)程(guò chéng)為：　　?。?）設E為一個(gè)圓，現對E自上而下掃描。假設每一水平掃描線(xiàn)與E相交于2點(diǎn)，然后求取2點(diǎn)間距離的中點(diǎn)，則可得所有水平線(xiàn)（Horizontal line)段的中點(diǎn)，這些點(diǎn)是離散的點(diǎn)，運用最小二(xiǎo èr)乘法對其進(jìn)行直線(xiàn)擬合，求得擬合直線(xiàn)。
　?。?）用同樣的方法，在垂直方向逐步掃描，分別求中點(diǎn)，進(jìn)行直線(xiàn)擬合。
　?。?）求擬合直線(xiàn)1和2的交點(diǎn)，即為邊界圓圓心的坐標。當在水平和垂直掃描(scanning)的時(shí)候，有可能在某些水平線(xiàn)上是沒(méi)有邊界像素點(diǎn)的，這樣的情況舍掉即可。
　?。?）在求取圓心時(shí)，邊界圖像(image)難免會(huì )存在部分噪聲，對第（1），（2）步掃描形成很大干擾，對掃描的精度造成較大的影響，故提出二次掃描去噪聲的方法(method)以提高求圓心像素點(diǎn)的精度。為此，可以設定圓心掃描約束條件，即在一次求取圓心坐標之后，通過(guò)(tōng guò)計算各像素點(diǎn)到圓心的距離，判明那些不合理點(diǎn)并加以去除。設ri=|r1-ri|（r1為邊界像素點(diǎn)平均半徑，ri為邊界像素點(diǎn)到圓心的距離），如偏差(deviation)ri>n（n為整數），則舍去該邊界像素點(diǎn)，稱(chēng)為不符合掃描值的樣本點(diǎn)，反之，為掃描值合格樣本點(diǎn)。
　?。?）篩除噪聲后，重復進(jìn)行（1）-（3）步掃描和擬合運算，求出新的精度較高的圓心坐標。
　　該方法(method)對圓及橢圓度不太大的圖像(image)，可以快速提取圓中心坐標，對于圓的其它參數可以采用最小二(xiǎo èr)乘法來(lái)求取，利用這種方法可以提高圓的擬合速度(speed)和精度，能夠滿(mǎn)足活塞圓度數字檢測系統對精度和實(shí)時(shí)性的要求。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設備?？諝鈮嚎s機與水泵構造類(lèi)似。大多數空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉葉片或旋轉螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。
　　按上述方法進(jìn)行圖像處理的實(shí)例。在第一次求取圓心之后，為濾除噪聲(noise)，提高所求圓心像素點(diǎn)的精度（精確度），設定圓心掃描約束條件偏差ri>2即取n=2，舍去了偏差大于2個(gè)像素的像素點(diǎn)。由圖（c）和圖（d）直接比較可知，圓心坐標點(diǎn)由一次定位（356，264）到二次定位（358，266），在縱橫坐標方向(direction)上，分別提高了2個(gè)像素的精度，說(shuō)明該方法有很好的實(shí)用性，特別是在強噪聲圖像中效果改善更為明顯。
　　對于活塞端面數字圖像，其邊界圓擬合的步驟如下：
　?。?）通過(guò)對圖像的處理，分離出圓的邊界輪廓。
　?。?）利用改進(jìn)的邊界圓圓心求法，求出圓心坐標，用最小二乘法對邊界像素點(diǎn)進(jìn)行圓擬合，求出圓的獨立參數。對活塞端面數字圖像(image)進(jìn)行圓擬合。
　　3.3圓度誤差分析。
　　經(jīng)過(guò)理論分析和算法編程，實(shí)現了較快提取活塞(piston)端面圖像邊界的圓心坐標值，對于邊界圓的其他參數利用最小二乘法來(lái)處理(chǔ lǐ)?；钊嗣孢吔缯`差檢測，可以根據圓度誤差評定方法(method)來(lái)進(jìn)行評定，將圓中心平移到像素坐標系的原點(diǎn)，可以求出活塞端面邊界圖像像素點(diǎn)所對應的圓上的點(diǎn)之間的差值。
　　以最小二乘擬合圓的中心為原點(diǎn)，分別以水平方向和垂直方向為x軸和y軸，建立笛卡爾坐標系
　　4結語(yǔ)。昆山空壓機維修軸承跑外圈一般是因為配合的精度不夠以及外圈定位方式設計不合理造成的。并非所有機頭都按這個(gè)時(shí)間進(jìn)行，如果保養好的可以延后，保養差的則需要提前。 
　　采用數字圖像檢測方法，運用計算機圖像處理技術(shù)(technology)，結合MATLAB強大的數學(xué)運算和圖像處理能力，能夠對活塞端面圓度進(jìn)行像素級誤差檢測，能在保證檢測精度的前提下，降低人工勞動(dòng)強度，提高誤差檢測自動(dòng)化水平(Level)，這對大批量生產(chǎn)有著(zhù)積極作用。數字檢測系統對于提高空壓機(compressor)活塞制造業(yè)的技術(shù)水平也有一定的實(shí)際意義。