周佳藝,石照耀*,南浩軒,李 睿,童愛軍
(1. 北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院 北京市精密測(cè)控技術(shù)與儀器工程技術(shù)研究中心,北京 100124;2.東莞市星火齒輪有限公司,廣東 東莞 523723)
注塑齒輪具有重量輕、慣性小、噪聲低、自潤(rùn)滑、生產(chǎn)效率高,制造成本低等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛[1]。但在注塑齒輪的生產(chǎn)過程中,因工藝不穩(wěn)定、模具劣化、原料含雜質(zhì)等原因,易產(chǎn)生齒輪尺寸超差、披鋒、缺齒、黑點(diǎn)等缺陷,這些不合格齒輪是必須被篩選出來。目前,很多企業(yè)采用人工抽檢的方式檢驗(yàn)注塑齒輪產(chǎn)品質(zhì)量,不但檢測(cè)效率低、精度不高[2],而且耗費(fèi)了大量人力,提高了成本。
在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)注塑齒輪進(jìn)行100%在線檢測(cè)和分選,是保證注塑齒輪產(chǎn)品質(zhì)量最有效的方法之一。注塑齒輪具有生產(chǎn)自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)量大、彈性模量小、熱敏性強(qiáng)、尺寸小、缺陷不易觀察等特點(diǎn),因此面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的注塑齒輪快速分選檢測(cè)系統(tǒng)需要滿足:(1)檢測(cè)速度快,注塑齒輪檢測(cè)速度應(yīng)高于生產(chǎn)速度,以適應(yīng)注塑齒輪高效、快速的生產(chǎn)節(jié)奏;(2)注塑齒輪生產(chǎn)自動(dòng)化程度高,檢測(cè)系統(tǒng)需要與自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)有效銜接;(3)注塑齒輪彈性模量小,并且在剛出模的一段時(shí)間內(nèi)未充分冷卻,極易受力變形,因此要求檢測(cè)方法為非接觸式檢測(cè)或接觸力很小。
視覺檢測(cè)技術(shù)將被測(cè)對(duì)象的圖像作為檢測(cè)源信息,經(jīng)有效的圖像處理后得到檢測(cè)結(jié)果信息[3],具有非接觸、精度高、速度快、自動(dòng)化和智能化水平高等優(yōu)點(diǎn)[4]。因此,基于機(jī)器視覺的注塑齒輪在線并聯(lián)測(cè)量技術(shù)[5]成為了解決當(dāng)前先進(jìn)生產(chǎn)模式與落后檢測(cè)模式之間矛盾的最佳選擇之一。
近幾年,國(guó)內(nèi)外針對(duì)注塑齒輪視覺檢測(cè)的研究也逐漸發(fā)展起來,總體而言,呈現(xiàn)出以下特點(diǎn):(1)偏重于對(duì)圖像處理和視覺檢測(cè)算法研究,不注重其實(shí)際應(yīng)用,很少實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用并得到長(zhǎng)期測(cè)量實(shí)踐檢驗(yàn);(2)多針對(duì)單一檢測(cè)項(xiàng),很少一次性實(shí)現(xiàn)尺寸測(cè)量和缺陷檢測(cè);(3)多為離線檢測(cè)研究,對(duì)檢測(cè)效率、自動(dòng)化控制、環(huán)境因素考慮較少,很少實(shí)現(xiàn)面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化快速在線檢測(cè)。
針對(duì)注塑齒輪生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)急需,本文提出了基于機(jī)器視覺的注塑齒輪尺寸及表面缺陷在線檢測(cè)方法,研制了耦合在塑齒生產(chǎn)線上的分選檢測(cè)系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)注塑齒輪尺寸測(cè)量、表面缺陷檢測(cè)與良次品分選,具有快速、高效、非接觸、高精度、自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),對(duì)提高注塑齒輪加工質(zhì)量和企業(yè)生產(chǎn)效率具有重要意義。
檢測(cè)對(duì)象為白色注塑雙聯(lián)齒輪,其大、小齒輪為直齒或斜齒齒輪。根據(jù)注塑齒輪的尺寸、存在的缺陷類型以及企業(yè)的生產(chǎn)狀況,需滿足以下檢測(cè)要求。
尺寸測(cè)量項(xiàng)包括:大齒輪齒頂圓直徑;小齒輪齒頂圓直徑;中孔直徑;大齒輪齒頂圓與中孔的同心度;小齒輪齒頂圓與中孔的同心度。
外觀缺陷檢測(cè)項(xiàng)包括:中孔披鋒,即中孔內(nèi)部異常突出,又稱飛邊、溢邊、毛刺; 黑點(diǎn)不良,即表面存在深色污跡;小齒輪缺齒;大齒輪缺齒。
尺寸測(cè)量項(xiàng)中,中孔直徑測(cè)量精度0.01 mm,其余尺寸測(cè)量項(xiàng)精度0.03 mm。
根據(jù)注塑齒輪的最高生產(chǎn)效率,檢測(cè)速度要求大于每分鐘30個(gè)。
雙面檢測(cè),注塑齒輪兩個(gè)端面均需檢測(cè)。
該分選檢測(cè)系統(tǒng)由機(jī)械、圖像采集、檢測(cè)軟件等幾部分組成。
機(jī)械部分是儀器實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能的基礎(chǔ),也是保證儀器的定位精度和運(yùn)動(dòng)精度的關(guān)鍵[6];圖像采集部分是實(shí)現(xiàn)高精度視覺測(cè)量的前提;多功能的交互式檢測(cè)軟件主要用于圖像處理、系統(tǒng)控制和結(jié)果反饋。該系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。
表1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)
3.1.1 機(jī)械部分
該檢測(cè)系統(tǒng)主體部分由玻璃轉(zhuǎn)盤、徑向定位裝置、位置傳感器、多個(gè)圖像采集裝置、氣動(dòng)分選裝置、玻璃清潔裝置等組成,其分布如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.1 Mechanical structure of the system
玻璃轉(zhuǎn)盤組件用于注塑齒輪的傳送;徑向定位裝置由兩個(gè)徑向定位輪組成,可以保證圖像采集時(shí)被測(cè)齒輪位于相機(jī)視野中心;光纖位置傳感器用于探測(cè)被測(cè)齒輪是否到達(dá);圖像采集裝置用于被測(cè)齒輪的圖像采集;氣動(dòng)下料分選裝置由2個(gè)氣體通道組成,其末端為針形噴嘴,通過電磁閥開閉控制氣流通斷,利用噴嘴釋放的瞬時(shí)氣流將注塑齒輪吹落至相應(yīng)的集料盒中,完成下料。
3.1.2 圖像采集
圖像采集系統(tǒng)由黑白面陣工業(yè)相機(jī)、雙遠(yuǎn)心鏡頭及光源組成。其中,光源是圖像采集系統(tǒng)的重要組成部分之一,光源選型及其照明方式極大地影響了視覺系統(tǒng)的應(yīng)用效果。為滿足尺寸和外觀缺陷同時(shí)檢測(cè)的設(shè)計(jì)要求,須采用前向照明方式,選取多種前向照明光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn),照明效果如圖2所示。
(a)環(huán)形光照明(a)Ring illumination
(b)同軸光照明(b)Coaxial illumination
(c)同軸光與穹頂光組合照明(c)Coaxial light and dome light combined illumination
(d)穹頂光照明(d)Dome illumination圖2 多種光源照明效果Fig.2 Variety of light source illumination effect
圖2中,環(huán)形光源照明圖像齒廓對(duì)比度較低,難以對(duì)輪齒進(jìn)行邊緣提??;同軸光照明和組合照明會(huì)保留齒輪表面劃痕、紋理等細(xì)節(jié),冗余信息較多,為后續(xù)的圖像處理增加了一定的難度;穹頂光照明均勻,圖像冗余信息較少,齒廓對(duì)比度高,從而很大程度上降低了圖像分割、邊緣提取和識(shí)別等算法的難度,提高了系統(tǒng)的檢測(cè)精度,故采用穹頂光源進(jìn)行照明。
3.1.3 檢測(cè)軟件
檢測(cè)軟件基于Windows操作系統(tǒng)平臺(tái),以Visual Studio 2015為開發(fā)工具,利用C#語言進(jìn)行開發(fā)。該軟件帶有可操作交互界面,操作簡(jiǎn)單、方便,可以實(shí)現(xiàn)相機(jī)控制、圖像顯示、參數(shù)輸入及管理、系統(tǒng)標(biāo)定、圖像及數(shù)據(jù)處理、結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、合格率統(tǒng)計(jì)、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控及異常報(bào)警等功能,軟件主界面如圖3所示。
圖3 檢測(cè)軟件界面Fig.3 Inspection software interface
面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的注塑齒輪快速分選檢測(cè)系統(tǒng)工作原理如圖4所示。
圖4 工作原理示意圖Fig.4 Working principle of the system
注塑齒輪由注塑機(jī)下料機(jī)械手從模具中抓取到傳送帶上,隨傳送帶運(yùn)動(dòng),經(jīng)導(dǎo)向桿引導(dǎo)至玻璃轉(zhuǎn)盤。PLC控制伺服電機(jī)并通過軸系帶動(dòng)玻璃轉(zhuǎn)盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),將待檢注塑齒輪傳送至檢測(cè)系統(tǒng)各工位。注塑齒輪首先經(jīng)過定位機(jī)構(gòu),通過兩個(gè)定位輪的撥擋作用實(shí)現(xiàn)徑向定位。當(dāng)光纖傳感器探測(cè)到注塑齒輪時(shí),PLC立即根據(jù)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速及各個(gè)工位的位置,計(jì)算相機(jī)觸發(fā)信號(hào)及氣動(dòng)分選信號(hào)的延時(shí)。PLC根據(jù)延時(shí)觸發(fā)相機(jī)采集圖像,圖像由千兆網(wǎng)線傳輸至上位機(jī),并通過軟件系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行尺寸測(cè)量和缺陷檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果通過IO卡傳輸至PLC,PLC根據(jù)檢測(cè)結(jié)果和分選信號(hào)延時(shí)來控制氣動(dòng)分選機(jī)構(gòu)中相應(yīng)的電磁閥工作,使針形噴嘴在注塑齒輪經(jīng)過的瞬間釋放氣流,將齒輪吹落至與檢測(cè)結(jié)果相對(duì)應(yīng)的收料盒中,最終完成注塑齒輪檢測(cè)及分選過程。
此外,軟件系統(tǒng)將會(huì)對(duì)注塑齒輪品質(zhì)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,當(dāng)單項(xiàng)或總體合格率低于閾值時(shí),以及連續(xù)不合格數(shù)目達(dá)到閾值時(shí),觸發(fā)報(bào)警機(jī)制,指示燈和蜂鳴器報(bào)警。
視覺檢測(cè)一般包括圖像采集、圖像預(yù)處理、特征提取和缺陷判別4個(gè)步驟。
獲取圖像后,為了降低圖像噪聲,采用半徑為2的圓形濾波窗口對(duì)塑齒輪圖像進(jìn)行中值濾波處理,在去除椒鹽噪聲的同時(shí)又能保留圖像邊緣細(xì)節(jié)[7]。濾波完成后,采用最大類間方差法[8],以區(qū)域間方差最大為目標(biāo)確定分割閾值,進(jìn)行圖像分割,提取出齒輪區(qū)域,如圖5所示。
圖5 感興趣區(qū)域提取Fig.5 Region of interest extraction
根據(jù)檢測(cè)要求,需要對(duì)注塑齒輪的5個(gè)尺寸測(cè)量項(xiàng)和4個(gè)缺陷檢測(cè)項(xiàng)進(jìn)行視覺檢測(cè)。其中,尺寸測(cè)量項(xiàng)的缺陷判別通過比較測(cè)量結(jié)果與其公差上、下限來實(shí)現(xiàn),若在公差范圍內(nèi)則判定該項(xiàng)檢測(cè)合格,否則,不合格。
4.2.1 大齒輪齒頂圓直徑
大齒輪為右旋斜齒輪,如圖6所示。右齒廓較左齒廓灰度梯度小且均勻,邊緣不易提取,由于無法提取完整的齒廓,增加了齒頂點(diǎn)提取和齒頂圓測(cè)量算法通用化的難度。
圖6 輪齒Fig.6 Gear teeth
為解決上述問題,提出根據(jù)理論分度圓及齒厚定位齒頂點(diǎn)的方法,實(shí)現(xiàn)了斜齒齒頂點(diǎn)的準(zhǔn)確提取,具體步驟如下:
(1)提取齒頂部分感興趣區(qū)域
首先,需要將大齒的齒頂區(qū)域分割出來。求取圖5齒輪區(qū)域的最小外接圓,獲取其圓心Ob1的坐標(biāo)(xOb1,yOb1),粗定位齒頂圓圓心。
已知被測(cè)齒輪齒頂圓半徑理論值Rab0與齒根圓半徑理論值Rfb0,以Rfb0及Rab0為內(nèi)外圓半徑、以O(shè)b1(xOb1,yOb1)為圓心生成一個(gè)環(huán)形區(qū)域并向外擴(kuò)展幾個(gè)像素,用濾波后的圖像與該區(qū)域作交集,提取出大齒輪齒頂區(qū)域,如圖7所示。
(2)基于Canny算子的雙閾值Zernike矩亞像素邊緣提取
圖像邊緣指圖像中灰度快速變化的位置,根據(jù)邊緣像素灰度值不連續(xù)的特點(diǎn),可以通過基于Canny算子[9-10]的雙閾值邊緣提取算法來檢測(cè)邊緣,其基本思想是在濾波后的圖像中找出圖像灰度梯度幅值的極大值點(diǎn),算法的具體實(shí)現(xiàn)過程如下:
圖7 大齒輪齒頂區(qū)域Fig.7 Top area of the large gear
使用高斯濾波器對(duì)圖像進(jìn)行高斯濾波去噪,使用的二維高斯函數(shù)如式(1)所示:
(1)
Canny算子使用2×2窗口大小的一階偏導(dǎo)數(shù)有限差分,計(jì)算經(jīng)過高斯濾波器濾波后的圖像I(i,j)的梯度幅值和梯度方向,其中沿x和y方向的偏導(dǎo)數(shù)分別為:
(2)
(3)
梯度幅值為:
(4)
梯度方向?yàn)椋?/p>
(5)
其中:M(i,j)為圖像上點(diǎn)(i,j)處的邊緣強(qiáng)度,θ(i,j)為圖像上點(diǎn)(i,j)處的法向矢量,垂直于邊緣的方向。
邊緣的梯度為局部極大值,Canny算法選用了一個(gè)3×3大小、包含8個(gè)不同方向的模板作用于幅值陣列,對(duì)局部邊緣梯度幅值比較大的非極大值進(jìn)行抑制,得到圖像N(i,j)。
為了消除由噪聲和紋理引起的假邊緣,進(jìn)行雙閾值處理:首先,設(shè)置高閾值Th和低閾值Tl兩個(gè)閾值。對(duì)圖像N(i,j)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,高于Th的像素全部提取,作為第一選定邊緣;低于Tl的像素作為非邊緣像素;像素梯度幅值在Tl與Th之間的像素,若與第一選定邊緣相連,則將此像素確定為邊緣像素,否則為非邊緣像素。
為避免邊緣斷裂,在每條邊緣端點(diǎn)處搜索并連接端點(diǎn)距離小于3個(gè)像素的邊緣。為了進(jìn)一步避免噪聲及細(xì)小紋理邊緣的影響,計(jì)算每條邊緣的長(zhǎng)度,剔除長(zhǎng)度小于3個(gè)像素的邊緣以消除噪聲邊緣的影響。
根據(jù)上述邊緣提取方法獲取了像素級(jí)邊緣點(diǎn),然后采用Zernike矩亞像素邊緣檢測(cè)方法進(jìn)行亞像素邊緣提取,獲取部分齒廓邊緣及齒頂邊緣信息,如圖8所示。
圖8 大齒輪邊緣提取Fig.8 Edge extraction of large gear
(3)齒頂點(diǎn)提取
已知注塑齒輪基本參數(shù)理論值,以大齒輪分度圓半徑理論值Rb0為直徑,以上述齒頂圓圓心粗定位點(diǎn)Ob1(xOb1,yOb1)為圓心作分度圓,與圖8大齒輪邊緣相交,獲得與齒數(shù)相等個(gè)交點(diǎn),如圖9所示。
圖9 分度圓與斜齒輪邊緣交點(diǎn)Fig.9 Intersection point between reference circle and helical gear contour
圖10 斜齒輪齒頂點(diǎn)提取示意圖Fig.10 Extraction of helical gear tooth vertex
根據(jù)上述方法獲取每個(gè)齒的齒頂點(diǎn)。為減小隨機(jī)誤差的影響,在齒頂點(diǎn)左右共取5個(gè)邊緣點(diǎn),用于齒頂圓的擬合。
(4)齒頂圓擬合
采用最小二乘法[11]進(jìn)行圓擬合,設(shè)提取出的齒頂點(diǎn)坐標(biāo)為(xbi,ybi),i=1,2,…,n,最小二乘圓的圓心坐標(biāo)為Ob(xOb,yOb),半徑為Rab,根據(jù)最小二乘法原理,有:
Min(ε2)=
(6)
根據(jù)最小二乘法擬合齒頂圓,求其圓心坐標(biāo)Ob2(xOb2,yOb2)及直徑。
(5)重復(fù)計(jì)算
為了提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度,用最小二乘法擬合所得齒頂圓圓心Ob2代替粗定位齒頂圓圓心Ob1,重復(fù)上述步驟(3)和步驟(4),再次求取齒頂圓圓心和齒頂圓直徑的精確解Ob(xOb,yOb)和Dab。
4.2.2 中孔直徑
首先根據(jù)中孔直徑理論值將中孔區(qū)域分割出來,獲得定義域?yàn)橹锌讌^(qū)域的圖像;然后利用基于Canny算子的雙閾值亞像素邊緣提取方法提取中孔邊緣;最后利用最小二乘法擬合中孔圓,求得中孔圓心坐標(biāo)Oh(xOh,yOh)和中孔直徑測(cè)量值Dh。
4.2.3 大齒輪同心度
圓柱齒輪的齒頂圓與其中孔在理論上應(yīng)是同軸的,但在齒輪的注塑成型過程中,由于模具精度、冷卻變形等原因,可能造成兩圓柱的軸不重合,產(chǎn)生同軸度誤差,影響齒輪的傳動(dòng)精度。
同軸度誤差反應(yīng)在截面上的圓心不同心為同心度,同心度誤差即為圓心的偏移程度。
同心度Δbh計(jì)算公式為:
(7)
其中:Ob(xOb,yOb)為大齒輪齒頂圓心,Oh(xOh,yOh)為中孔圓圓心。
4.2.4 小齒輪齒頂圓直徑
小齒輪為直齒齒輪,首先根據(jù)其齒頂圓、齒根圓直徑理論值和中孔圓心測(cè)量值Oh(xOh,yOh),提取小齒輪輪齒部分的圖像,如圖11(a)所示。然后根據(jù)基于Canny算子的雙閾值亞像素邊緣提取方法,提取小齒輪輪齒邊緣,如圖11(b)所示。
(a)小齒輪輪齒部分(a)Tooth area of small gear
(b)小齒輪邊緣(b)Edge of small gear圖11 小齒輪邊緣提取Fig.11 Edge extraction of small gear
小齒輪分度圓直徑理論值為Ds0,以中孔擬合圓心Oh(xOh,yOh)為圓心、以1/2Ds0為半徑,作小齒輪的理論分度圓,如圖12(a)所示,與小輪齒輪廓交于2倍小齒輪齒數(shù)個(gè)交點(diǎn)。
以上述交點(diǎn)為起點(diǎn)、中孔中心Oh(xOh,yOh)為圓心、小齒輪分度圓半徑理論值1/2Ds0為半徑、小齒輪齒厚理論值Ss的一半為弧長(zhǎng),沿同一方向作圓弧,再由中孔擬合圓心向各圓弧末端點(diǎn)作一條射線,該射線若與齒輪輪廓相交,則該交點(diǎn)為小齒輪齒頂點(diǎn),如圖12(b)。
(a)直齒輪分度圓與輪廓交點(diǎn)(a)Intersection point between reference circle and spur gear contour
(b)直齒輪齒頂點(diǎn)提取(b)Extraction of spur gear tooth vertex圖12 直齒輪齒頂點(diǎn)提取Fig.12 Extraction of spur gear tooth vertex
為減小隨機(jī)誤差的影響,在齒頂點(diǎn)左右共取5個(gè)邊緣點(diǎn),采用最小二乘法擬合小齒輪齒頂圓,求解其圓心坐標(biāo)Os(xOs,yOs)及直徑Das。
4.2.5 小齒輪同心度
小齒輪齒頂圓圓心為Os(xOs,yOs),中孔圓心為Oh(xOh,yOh),同心度Δsh計(jì)算公式為:
(8)
4.2.6 中孔披鋒
中孔披鋒指中孔部位存在多余的膠料或毛刺,選取中孔披鋒最大徑向長(zhǎng)度lh作為判別該缺陷的幾何特征,lh為中孔各輪廓點(diǎn)與中孔擬合圓最小距離的最大值:
(9)
其中:(xhi,yhi)為中孔輪廓點(diǎn)坐標(biāo),(xOh,yOh)為中孔圓心坐標(biāo),Rh、Dh分別為中孔擬合圓半徑和直徑,如圖13所示。
圖13 中孔披鋒最大徑向長(zhǎng)度Fig.13 Maximum radial length of burr on hole
根據(jù)中孔披鋒的檢測(cè)要求,給出缺陷判別函數(shù):
(10)
其中:Hlh為中孔披鋒徑向最大允許尺寸。若lh超過Hlh,則為中孔披鋒不良;否則,該項(xiàng)檢測(cè)合格。
4.2.7 大齒輪齒數(shù)
大齒輪輪廓邊緣的數(shù)量可以反映實(shí)際齒數(shù),計(jì)算圖8中邊緣數(shù)量,即為大齒輪齒數(shù)檢測(cè)值z(mì)b,將其與理論齒數(shù)進(jìn)行比較,若相等,該項(xiàng)檢測(cè)合格,反之不合格。
4.2.8 小齒輪齒數(shù)
經(jīng)過邊緣提取處理獲取的小齒輪輪齒邊緣個(gè)數(shù)可反映實(shí)際齒數(shù),計(jì)算圖11(b)中邊緣的數(shù)量,即為小齒輪齒數(shù)檢測(cè)值z(mì)s。將其與理論齒數(shù)進(jìn)行比較,若相等,該項(xiàng)檢測(cè)合格,反之不合格。
4.2.9 黑點(diǎn)不良
首先提取感興趣區(qū)域的圖像設(shè)為f(x,y),圖像分割閾值為黑點(diǎn)灰度上限值T,T根據(jù)產(chǎn)品外觀要求進(jìn)行設(shè)定,分割后的二值圖像為b(x,y),則閾值分割函數(shù)如式(11)所示:
(11)
遍歷圖像所有像素,當(dāng)像素灰度小于或等于該灰度閾值時(shí),將該像素值置1,否則置0,得到二值圖像。
計(jì)算每個(gè)連通域的最小外接圓直徑的長(zhǎng)度li,剔除li (12) 若Num=0,則為黑點(diǎn)不良;否則,該項(xiàng)檢測(cè)合格。 根據(jù)上述9個(gè)檢測(cè)項(xiàng)的檢測(cè)結(jié)果對(duì)被檢注塑齒輪進(jìn)行良次品判定:若注塑齒輪兩個(gè)端面所有檢測(cè)項(xiàng)均合格,則該注塑齒輪為合格品;若存在一項(xiàng)或多項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果不合格,則該注塑齒輪為不合格品。 注塑齒輪快速分選檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物如圖14所示,將該系統(tǒng)投入日產(chǎn)量2萬件的注塑齒輪自動(dòng)生產(chǎn)線試運(yùn)行了180天,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,可以滿足注塑齒輪生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間、大批量在線檢測(cè)的需求。 為進(jìn)一步測(cè)試系統(tǒng)性能,分別對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了尺寸測(cè)量復(fù)性試驗(yàn)、檢測(cè)速度試驗(yàn)和缺陷判別準(zhǔn)確率試驗(yàn)。 圖14 檢測(cè)系統(tǒng)Fig.14 Inspection system 將注塑齒輪置于玻璃轉(zhuǎn)盤上,在相同條件下對(duì)其尺寸測(cè)量項(xiàng)進(jìn)行30次重復(fù)測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如表2所示。 表2 尺寸測(cè)量結(jié)果 測(cè)量結(jié)果顯示,各測(cè)量項(xiàng)重復(fù)測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.001 2,極差均在0.005 mm以內(nèi),該檢測(cè)設(shè)備整體測(cè)量重復(fù)性小于0.005 mm。 人工檢測(cè)常借助千分尺或影像儀進(jìn)行尺寸測(cè)量。千分尺測(cè)量方法為接觸式測(cè)量,注塑齒輪受力產(chǎn)生變形,因此測(cè)量結(jié)果往往偏小,并且測(cè)量時(shí)僅通過兩點(diǎn)確定齒頂圓直徑,受粗大誤差影響較大;影像儀測(cè)量方法通過人工選取3個(gè)及以上齒頂點(diǎn)進(jìn)行圓擬合,這兩種方法都需要人工操作,測(cè)量結(jié)果受人為因素影響較大。以注塑齒輪齒頂圓直徑測(cè)量為例,分別用千分尺、影像儀和本文研制的檢測(cè)系統(tǒng)各進(jìn)行了10次測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如表3所示。 表3 檢測(cè)結(jié)果對(duì)比 通過3種方法的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比可知,千分尺測(cè)量值較其他兩種檢測(cè)方法偏小,標(biāo)準(zhǔn)差和極差最大,檢測(cè)速度較慢;影像儀測(cè)量法需要人工選點(diǎn),檢測(cè)速度最慢;本文提出的檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量值極差為0.002 mm,重復(fù)精度最高,檢測(cè)速度最快。 檢測(cè)時(shí)間由軟件計(jì)算,從相機(jī)觸發(fā)拍照開始計(jì)時(shí),到圖像處理完成給出判別信號(hào)結(jié)束。結(jié)果如圖15所示,每個(gè)注塑齒輪平均用時(shí)0.33 s,最高用時(shí)0.35 s,因此,該檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)速度大于150個(gè)/min。 圖15 檢測(cè)時(shí)間Fig.15 Inspection time 選取100個(gè)包含所有缺陷類型的注塑齒輪,使用該系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)、分選,記錄其檢測(cè)結(jié)果。然后用千分尺人工測(cè)量這100個(gè)塑料齒輪的各項(xiàng)尺寸,用顯微鏡觀察外觀缺陷,記錄人工檢測(cè)結(jié)果,并與該系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果相比較,結(jié)果對(duì)比如表4所示,兩種檢測(cè)方法得到的檢測(cè)結(jié)果相同,系統(tǒng)缺陷檢測(cè)準(zhǔn)確率為100%。 表4 齒輪缺陷檢測(cè)結(jié)果 本文根據(jù)注塑齒輪多測(cè)量項(xiàng)、大批量、高效率等在線檢測(cè)要求,提出運(yùn)用視覺檢測(cè)的方法,研發(fā)了一套面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的注塑齒輪快速分選檢測(cè)系統(tǒng),介紹了其機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理、視覺檢測(cè)算法及軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)成功克服了注塑齒輪生產(chǎn)批量大、尺寸小、剛度小、缺陷類型多樣等檢測(cè)困難,實(shí)現(xiàn)了注塑齒輪尺寸及外觀缺陷的快速、非接觸、自動(dòng)化在線檢測(cè)。 試驗(yàn)結(jié)果證明,該檢測(cè)系統(tǒng)尺寸測(cè)量重復(fù)性≤0.005 mm,檢測(cè)速度大于150個(gè)/min,缺陷判定及分選功能準(zhǔn)確無誤,可以滿足面向工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的注塑齒輪快速、大批量的檢測(cè)需求。4.3 良次品判定
5 檢測(cè)實(shí)踐
5.1 測(cè)量重復(fù)性
5.2 測(cè)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)
5.3 檢測(cè)速度試驗(yàn)
5.4 缺陷判別試驗(yàn)
6 結(jié) 論