夏如艇，王益恩

（1.臺(tái)州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，浙江臺(tái)州 318000；2.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江杭州 310018）

0 引言

在汽車轉(zhuǎn)向作動(dòng)器的生產(chǎn)過程中，作動(dòng)器齒環(huán)質(zhì)量直接影響作動(dòng)器的傳動(dòng)性能，由于齒環(huán)經(jīng)常出現(xiàn)缺齒和表面瑕疵等缺陷，產(chǎn)品檢測(cè)工序中必須進(jìn)行逐個(gè)檢測(cè)，以保證所有齒環(huán)的質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)和加工要求。傳統(tǒng)的檢測(cè)方式是由檢測(cè)工人依靠眼睛的視覺判別產(chǎn)品是否存在缺齒和瑕疵，因此，人工檢測(cè)方法易產(chǎn)生視覺疲勞導(dǎo)致檢測(cè)效率低、漏檢率高、勞動(dòng)強(qiáng)度大，已經(jīng)不能滿足齒環(huán)生產(chǎn)和質(zhì)量檢測(cè)發(fā)展的需要[1]。隨著機(jī)器視覺技術(shù)日趨成熟和圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用到齒環(huán)檢測(cè)中已勢(shì)在必行。基于視覺檢測(cè)技術(shù)的零件缺齒和表面瑕疵的缺陷檢測(cè)技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法具有快速、準(zhǔn)確、可靠與智能化等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，因此，本文分析了齒環(huán)形狀結(jié)構(gòu)和精度要求，在對(duì)齒環(huán)缺齒和表面缺陷檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，提出了一套齒環(huán)表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的總體方案，確定了系統(tǒng)的硬件組成和軟件的性能要求，詳細(xì)制定了檢測(cè)系統(tǒng)中各硬件的選擇方法。

1 齒環(huán)零件質(zhì)量要求

齒環(huán)的形狀結(jié)構(gòu)如圖1所示。齒環(huán)零件是采用精密鑄造成型工藝生產(chǎn)的，齒數(shù)42，外徑80 mm，齒環(huán)端面有鑄造模具的編號(hào)，若出現(xiàn)齒環(huán)缺陷，檢測(cè)人員可判斷該成型零件的模具編號(hào)，便于查找模具故障。因此，具體的檢測(cè)內(nèi)容為：（1）檢測(cè)系統(tǒng)軟件能快速準(zhǔn)確地采集齒環(huán)圖像，計(jì)算齒環(huán)齒數(shù)，并準(zhǔn)確檢測(cè)齒環(huán)最大外徑80 mm；（2）能夠比對(duì)齒環(huán)端面的數(shù)字編號(hào)，檢測(cè)模具號(hào)；（3）工件檢測(cè)周期應(yīng)小于1秒，以保證檢測(cè)速度，確保生產(chǎn)效率；（4）對(duì)缺齒或混料工件給出自動(dòng)報(bào)警信號(hào)。

圖1 作動(dòng)器齒環(huán)零件

2 視覺檢測(cè)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

基本的設(shè)計(jì)思路是：利用CCD相機(jī)作為光電轉(zhuǎn)換傳感器完成齒環(huán)圖像的采集，對(duì)齒環(huán)進(jìn)行非接觸測(cè)量，根據(jù)齒環(huán)零件的質(zhì)量要求，檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成包括機(jī)械固定裝置、視覺傳感器、光源照明系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、圖像處理與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)及機(jī)械部分構(gòu)成。工作過程是：當(dāng)平臺(tái)上的齒環(huán)零件運(yùn)行到檢測(cè)工位時(shí)，照明系統(tǒng)對(duì)零件打光，根據(jù)零件安置狀況調(diào)整相機(jī)，相機(jī)拍攝齒環(huán)圖片，檢測(cè)軟件根據(jù)邊界工具判斷齒頂?shù)絻?nèi)環(huán)圓心的距離及外環(huán)到內(nèi)環(huán)的距離定制檢測(cè)項(xiàng)目。圖像處理軟件進(jìn)行齒形特征的提取并依據(jù)預(yù)先設(shè)定的條件進(jìn)行判斷，輸出檢測(cè)結(jié)果，采用聲光報(bào)警方式，合格品則顯示成功信息，不合格品顯示報(bào)警信息。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)工作流程

3 檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)的硬件組成如圖3所示，主要包括檢測(cè)工作平臺(tái)，機(jī)械支架，視覺傳感器，LED光源照明箱，視覺及運(yùn)動(dòng)控制器，LCD顯示器。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)的組成

（1）檢測(cè)工作平臺(tái)的設(shè)計(jì)

平臺(tái)有效行程200 mm×200 mm，臺(tái)灣上銀HIWIN精密級(jí)級(jí)。平臺(tái)在X軸和Y軸方向上的重復(fù)精度要求大于±0.01 mm，為保證檢測(cè)系統(tǒng)裝置穩(wěn)定牢固和安全，采用大理石基座和機(jī)械固定方式。相機(jī)安裝支架安裝在底座上，采用鋁合金型材和螺桿調(diào)整結(jié)構(gòu)，可方便實(shí)現(xiàn)相機(jī)的位置調(diào)整。

（2）視覺傳感器的選擇

視覺傳感器包括工業(yè)相機(jī)和鏡頭。因齒環(huán)最大尺寸有80 mm，但模具號(hào)只有2 mm左右的高度，為了確保讀出的可靠性，相機(jī)采用500萬(wàn)像素的德國(guó)Basler高分辨率工業(yè)相機(jī)9fps，逐行掃描，2 544×1 968像素。鏡頭選用意大利OPTO-engineering大視野遠(yuǎn)心鏡頭，單幅視場(chǎng)為71.3 mm×53.7 mm。可用手動(dòng)微調(diào)的方式調(diào)整Z軸上下位置，相機(jī)在Z軸上的有限行程為150 mm。

（3）光源照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

如圖4所示，根據(jù)被測(cè)齒環(huán)的尺寸和表面狀態(tài)及檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境進(jìn)行合理選擇與搭配。

圖4 光源照明系統(tǒng)

光源照明箱安置在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的上方，采用背光源方式照明，光源為發(fā)光二極管。

4 檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)的軟件運(yùn)行包采用Adept公司出品的HexSight視覺軟件全工具集，具有穩(wěn)定可靠及準(zhǔn)確定位和檢測(cè)零件的機(jī)器視覺底層函數(shù)。平移精度1/40亞像素，旋轉(zhuǎn)精度0.01°，定位模式對(duì)環(huán)境等影響不敏感。軟件的界面如圖5所示。

圖5 軟件系統(tǒng)界面

軟件的具體要求為：（1）保存多種齒環(huán)模板文件；（2）支持產(chǎn)品不停頓動(dòng)態(tài)取圖；（3）不合格品自動(dòng)報(bào)警；（4）實(shí)時(shí)監(jiān)視畫面；（5）數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)功能；（6）故障產(chǎn)品畫面保存，并與數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)。

5 齒環(huán)檢測(cè)結(jié)果

齒環(huán)通過人工擺放到工作平臺(tái)上，LED背光源將齒環(huán)的輪廓信息呈現(xiàn)，控制器激發(fā)相機(jī)拍圖，軟件自動(dòng)檢測(cè)齒環(huán)直徑、齒數(shù)和比對(duì)模具號(hào)。圖6所示為顯示器上呈現(xiàn)的輪廓邊緣狀況和齒環(huán)直徑信息，檢測(cè)到的齒環(huán)外徑精度為0.03 mm。

圖6 齒環(huán)輪廓邊緣

圖7 表示齒環(huán)齒數(shù)的圖像信息，從圖中可知，視覺軟件檢測(cè)到齒形的邊緣直線有84條邊，每個(gè)齒形有兩條邊，所以齒環(huán)呈42個(gè)齒的形狀，說明齒環(huán)完整，不存在缺齒的問題。圖8表示齒環(huán)端面的模具號(hào)信息，模具號(hào)218能正確讀出，而圖9顯示的是因模具號(hào)218被遮擋，導(dǎo)致軟件不能識(shí)別，說明模具號(hào)位置處的信息能正確判斷。

圖7 齒環(huán)齒數(shù)圖像

圖8 齒環(huán)端面模具號(hào)的清晰圖像

6 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種作動(dòng)器齒環(huán)視覺檢測(cè)系統(tǒng)，主要檢查齒環(huán)的齒數(shù)，齒面瑕疵和端面上的模具號(hào)。通過非接觸式缺陷檢測(cè)，齒環(huán)的檢測(cè)精度達(dá)到0.03 mm，同時(shí)可減輕操作工人的視覺疲勞，測(cè)量方法可靠?？偨Y(jié)如下：

圖9 齒環(huán)端面模具號(hào)的非清晰圖像

（1）零件的檢測(cè)精度與CCD相機(jī)的像素有直接關(guān)系，當(dāng)被檢測(cè)參數(shù)或形狀的差異性較大時(shí)，應(yīng)主要考慮小尺寸的被測(cè)參數(shù)或形狀的特點(diǎn)；

（2）在確定光源照明系統(tǒng)時(shí)，光照形式直接影響圖像采集的準(zhǔn)確度，背向光源照射或正向光源照射應(yīng)根據(jù)被測(cè)零件的形狀和尺寸大小來確定；

（3）在設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，選擇視覺軟件應(yīng)考慮功能擴(kuò)展和使用方便等特性。

［1］胡興軍，唐向陽(yáng)，張勇.機(jī)器視覺技術(shù)及其在汽車制造質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代零部件，2005（1）：96-100.

［2］劉金橋，吳金強(qiáng).機(jī)器視覺系統(tǒng)發(fā)展及其應(yīng)用［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2010（1）：215-216.

［3］李樹杰.中國(guó)機(jī)器視覺的發(fā)展趨勢(shì)［J］.赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版.2010，26（1）：161-162.