用于檢測回轉(zhuǎn)部件質(zhì)量的自動器具及檢驗方法
【專利摘要】一種計算機控制的自動視覺檢測系統(tǒng)，借助檢測球(11)和球形隨動件(43)來檢測回轉(zhuǎn)部件，如回轉(zhuǎn)齒輪或軸承的外形功能尺寸的制造質(zhì)量。該裝置包括一個帶相機(30)、成像鏡頭(32)、照明系統(tǒng)(35)的視覺系統(tǒng)；控制計算機；圖像采集和成像處理的計算機軟件程序：以及旋轉(zhuǎn)部件和檢查球(11)和球的隨動件(43)的固定和夾具系統(tǒng)(40)。它在檢查期間確保檢測球接合到待測回轉(zhuǎn)部件的槽口(12)或?qū)к壷?。檢查時，自動視覺系統(tǒng)對視場內(nèi)的待測部件、檢測球(11)、以及隨動件(43)上的基準標記(22)采集圖像。計算機軟件程序進一步處理該圖像的特征部位，并計算出待測部件的質(zhì)量控制尺寸，并將其存入計算機數(shù)據(jù)庫或工廠生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，或作出直觀的曲線圖進行顯示，與該產(chǎn)品質(zhì)量控制尺寸的上，下限(Ds_max和Ds_min)比較，便于產(chǎn)品質(zhì)量管理。
【專利說明】用于檢測回轉(zhuǎn)部件質(zhì)量的自動器具及檢驗方法
發(fā)明領(lǐng)域
[0001 ] 本發(fā)明的內(nèi)容涉及機器視覺自動檢測裝置的技術(shù)及其應(yīng)用方法。該裝置及軟件系統(tǒng)可以快速，準確地檢測外緣帶有內(nèi)凹槽的回轉(zhuǎn)部件。
[0002]本發(fā)明的背景
[0003]對所有行業(yè)，產(chǎn)品安全都是至關(guān)重要的。尤其是汽車行業(yè)中大批量生產(chǎn)的汽車零件。許許多多的回轉(zhuǎn)部件的質(zhì)量撿測控制是非常嚴格的，并要求做到100%逐一全檢。例如，一款汽車主動安全帶自動張緊系統(tǒng)中使用的驅(qū)動齒輪。這種驅(qū)動齒輪可以通過焊接(或其它的接合方法制造)將兩片沖壓(或鑄造)的半球槽蓋連結(jié)在一起以形成一個完整的具有外凹球槽的驅(qū)動齒輪，或由多軸數(shù)控加工中心或其他成形機器加工而成。如圖1中所示的零件10就屬于這一類驅(qū)動齒輪。其外緣具有向內(nèi)凹的球槽12。該內(nèi)凹的球槽12可以與滾珠11嚙合以便驅(qū)動相連的其他部件。圖2中所示的零件15表示了一個旋轉(zhuǎn)的軸承內(nèi)圈零件。其外緣的內(nèi)凹軌16可以和外部的旋轉(zhuǎn)球11嚙合形成球軸承。對于這樣的旋轉(zhuǎn)部件，內(nèi)部的球槽或內(nèi)凹槽的尺寸精度必需進行適當?shù)馁|(zhì)量檢測，以確保球與球槽或內(nèi)凹槽的光滑平順嚙合驅(qū)動。
[0004]對于圖1中所示的零件10，在頂蓋17和底蓋18之間的球槽的驅(qū)輪齒輪，齒輪功能要求所有球槽與滾珠11，(如在圖3所示)，能夠從外面很好地嚙合。如圖4所示，當所有的球11都進入凹球槽12嚙合時，從頂部看，由球最外表面頂點形成的最小圓(在直徑為Ds)必須符合設(shè)計尺寸范圍，也就是說Ds_max > Ds > Ds_min。如果一個或多個凹球槽的加工誤差超標時，球11將無法可靠的哨合到Ds_max和Ds_min限定的質(zhì)量控制范圍內(nèi)。該零件將被視為球槽有缺陷的廢品。
[0005]要檢查出凹球槽的缺陷，以往的檢查通常是手動執(zhí)行的，借助于一個“通規(guī)”(內(nèi)部直徑Ds_max)和一個“止規(guī)”(內(nèi)部直徑Ds_min)檢具。當檢球都嚙合到凹球槽內(nèi)，那些合格的零件將可以通過“通規(guī)”，但不能穿過“止規(guī)”。其他的將被視為有缺陷的零件。
[0006]然而，手動檢測方法的效率低，并依賴于操作者的技能和熟練程度。有時還會發(fā)生操作者的疏忽大意而出現(xiàn)漏檢。因此手動檢測方法也是不可靠的。此外，人工檢測方法也不能對實際Ds的尺寸大小進行分類。統(tǒng)計出Ds的實際尺寸分布對上下游制造工序的生產(chǎn)管理，以及零件的質(zhì)量等級分類具有重要意義。例如，可以根據(jù)Ds的實際尺寸變動趨勢來預(yù)測前期沖壓工序所用模具的磨損程度，以便及時更新或維修所用的模具。
[0007]綜上所述，為實現(xiàn)對此類回轉(zhuǎn)齒輪或軸承部件的高效質(zhì)量檢測和完善的生產(chǎn)管理的需求，有必要開發(fā)一個高效的自動檢測設(shè)備和檢驗方法。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0008]本發(fā)明是一種自動機器視覺檢查系統(tǒng)。可以高效的自動檢測外緣帶有內(nèi)凹槽的回轉(zhuǎn)部件。如齒輪或軸承內(nèi)圈。其中一個實施范例(實施范例1，如圖5中所示)包括一套機器視覺系統(tǒng)，用相機捕捉到的圖像包括整個待測內(nèi)凹齒輪外緣部。此實施范例包括一個視覺像機，成像鏡頭，照明系統(tǒng)，控制計算機和圖像獲取和成像處理程序，待測內(nèi)凹齒輪零件的夾具和夾具系統(tǒng)，以及檢測球和推球桿。正如在圖5中所不,每一個內(nèi)凹球槽由推桿21和夾具從外部將檢測球11壓入凹球槽，全部檢測球壓入后，則自動觸發(fā)視覺系統(tǒng)照相抓取圖像，捕捉到的包含齒輪10和球11和推桿21的圖像被自動傳輸?shù)接嬎銠C程序做圖像處理。每個推桿21上識別出所有的徑向位置的基準標記22 (交叉的標記或其他特征，便于模式識別)，然后推導(dǎo)出的待測齒輪的功能尺寸Ds。
[0009]然而，該方法受限于檢查分辨率的要求。對相對較大的部件，例如，Ds達到55毫米，若要求檢測系統(tǒng)達到高的像素分辨率，例如10微米/像素，則視覺檢測系統(tǒng)需要的視場(FOV)約60x60mm。這樣的相機需要達到36MP像素分辨率。這樣的檢測系統(tǒng)的成本會高得多。并且圖像系統(tǒng)處理需要更長的時間來找出的功能的尺寸。此外，可用于所有的檢測球的機械夾具系統(tǒng)也是非常復(fù)雜和高成本。
[0010]本發(fā)明的另一個優(yōu)選的實施方案(實施范例2)如圖6所示。在圖6所示的本發(fā)明的裝置中，包括照相機30，成像鏡頭32，照明(35)，控制計算機和圖像獲取和成像處理的程序，夾具40與集成的檢測球11和檢測球從動推桿43，和自動電機旋轉(zhuǎn)工作臺50的自動視覺檢測系統(tǒng)。其中的視覺像機30，成像鏡頭32和照明系統(tǒng)35安裝于待測內(nèi)凹齒輪零件的上方。其中的視覺攝像系統(tǒng)的視場(FOV)41涵蓋待測內(nèi)凹齒輪36的左側(cè)小半部分，以及檢測球11和推桿43右側(cè)部分。如在圖7所示。在一個完整的檢測周期期間，自動電機旋轉(zhuǎn)工作臺50轉(zhuǎn)動待測零件36大約一圈，檢測球11逐次被推桿43推入各球槽，以實現(xiàn)對所有球槽的檢測。
[0011]由于視覺系統(tǒng)的視場41只涵蓋待測內(nèi)凹齒輪36的左側(cè)小半部分，自動電機旋轉(zhuǎn)工作臺50必需轉(zhuǎn)動待測零件36大約一圈，并逐次自動觸發(fā)視覺系統(tǒng)抓取檢測球11逐次被推桿43推入各球槽時的實時視場(FOV)圖像。自動觸發(fā)傳感器，以及可調(diào)節(jié)的軟件延時等功能實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)運動與視覺系統(tǒng)實時取像的同步，以確保每個待測球槽對應(yīng)的圖像的都能在檢測球與基準標記22 (已經(jīng)刻蝕在檢測球從動推桿43的頂面)和待測內(nèi)凹齒輪36的中心38處于一條直線時抓取。這種的部分零件成像和旋轉(zhuǎn)分度檢查方法，可以利用小分辨率視覺系統(tǒng)實現(xiàn)對大尺寸回轉(zhuǎn)零件的全外廓尺寸檢測。從而確保100% QC控制。
[0012]由于視場41只包括小于1/3的整個齒輪部分36，從而只要有約1/9的像機的分辨率，即刻達到實施范例I所需要的相同的系統(tǒng)像素分辨率。對比實施范例I (如圖5所示)視覺檢查系統(tǒng)的視場25，和如圖7所示的實施范例2的視場41可以明示。
[0013]用于本發(fā)明的實施范例2也包括一組計算機自動分析軟件程序。該軟件將拍攝的視場(F0V)41的圖像進行分析識別，并找出待測內(nèi)凹齒輪36上類似月牙的邊緣弧段39，以及檢測球從動推桿43上的基準特征十字標記22。由于十字標記22到檢測球11的外表面之間的水平距離是一個恒定的數(shù)值，從而軟件程序可以推導(dǎo)出到檢測球11的外表面到待測零件中心38的直線距離Rs 37。把待測零件的所有球槽對應(yīng)的Rs值都推導(dǎo)出以后，待測零件的外廓功能尺寸Ds就可以推導(dǎo)出來了。另外，該計算機自動分析軟件程序還可以將每個零件的Ds值存儲到計算機數(shù)據(jù)庫中，并制作成直觀的Ds分布曲線圖。從而方便產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控(Dsjnax和Ds_min)?；蜻M一步使用這種統(tǒng)計QC數(shù)據(jù)作為參考，以預(yù)測上游沖壓工序中使用的模具的壽命時間。
[0014]本發(fā)明以及實施范例闡述了對回轉(zhuǎn)齒輪或軸承部件的高效自動質(zhì)量檢測。特別是外緣帶有內(nèi)凹槽的回轉(zhuǎn)部件，使用外置的推桿機構(gòu)21或43將檢測球壓入待測零件的內(nèi)凹槽，并通過自動視覺系統(tǒng)檢出基準標記22的相對位置。然后使用自動分析軟件程序來分析識別所捕捉的圖像，并由此推導(dǎo)出待測零件36的功能尺寸的視覺檢測裝置和使用該裝置進行檢測的方法。
[0015]附圖簡要說明
[0016]為了更好地理解本發(fā)明的性質(zhì)和目的，應(yīng)參考下面的附圖以及詳細說明，其中:
[0017]圖1是一個簡單的回轉(zhuǎn)齒輪事例，齒輪外緣帶有內(nèi)凹槽，并有一個球從外側(cè)嚙合入齒輪內(nèi)凹槽。
[0018]圖2是一個簡單的類似回轉(zhuǎn)軸承內(nèi)圈，其外緣帶有內(nèi)凹槽，并有一個球從外側(cè)嚙合入內(nèi)凹槽。
[0019]圖3是一個簡單的回轉(zhuǎn)齒輪，齒輪外緣帶有多個內(nèi)凹槽，并有球從外側(cè)嚙合入全部齒輪內(nèi)凹槽。
[0020]圖4示意的是樣品回轉(zhuǎn)齒輪的上視圖。該齒輪外緣的內(nèi)凹槽已經(jīng)嚙合入所有匹配的球，Ds標示的是該零件的外廓功能尺寸。
[0021]圖5示意的是本發(fā)明的實施范例I的視覺系統(tǒng)視場(FOV)，以及檢測球和夾具在工作狀態(tài)時的上視圖。
[0022]圖6示意的是本發(fā)明的優(yōu)選實施范例的立體圖。包含像機系統(tǒng)，自動電機旋轉(zhuǎn)工作臺，待測內(nèi)凹齒輪零件，和檢測球以及夾具。
[0023]圖7示意的是優(yōu)選的實施范例2的關(guān)鍵部件上視圖。包含視覺系統(tǒng)視場(FOV)，待測內(nèi)凹齒輪零件，和檢測球以及從動推桿43。
[0024]附圖的i羊細i兌明:
[0025]通過參照下面的詳細描述的本發(fā)明的某些實施例，可以更容易地理解本發(fā)明。
[0026]圖1是一個簡單的回轉(zhuǎn)齒輪10事例，齒輪外緣帶有內(nèi)凹槽12，并有一個球11從外側(cè)嚙合入齒輪內(nèi)凹槽12內(nèi)。球槽12形成在頂蓋17和底蓋18之間。頂蓋17和底蓋18可以由激光焊接工藝連結(jié)在一起。
[0027]圖2是一個簡單的類似回轉(zhuǎn)軸承內(nèi)圈，其外緣帶有內(nèi)凹軌道16，并有一個球11從外側(cè)嚙合入內(nèi)凹軌道槽。
[0028]圖3是一個簡單的回轉(zhuǎn)齒輪，齒輪外緣帶有多個內(nèi)凹槽，并有球從外側(cè)嚙合入全部齒輪內(nèi)凹槽。
[0029]圖4示意的是樣品回轉(zhuǎn)齒輪的上視圖。該齒輪外緣的內(nèi)凹槽已經(jīng)嚙合入所有匹配的球，Ds標示的是該零件的外廓功能尺寸。對于這樣的大規(guī)模生產(chǎn)的回轉(zhuǎn)齒輪，每個齒輪的球槽12的幾何尺寸不盡相同，從而可能使得嚙合球壓入球槽中的位置不盡相同。為了便于質(zhì)量控制，應(yīng)給出該零件的外廓功能尺寸Ds的容許范圍，從而形成一個工差帶Ds_min?Ds_max。手動檢具的“通規(guī)”(Ds_max)和“止規(guī)”(Ds_min)即可以此工差帶制作。
[0030]圖5示意的是本發(fā)明的實施范例I的視覺系統(tǒng)視場(FOV) 25，以及檢測球11嚙合入回轉(zhuǎn)齒輪10，和檢測球推桿21在工作狀態(tài)時的上視圖?；鶞蕵擞?2刻蝕在檢測球推桿21上。
[0031]圖6示意的是本發(fā)明的優(yōu)選實施范例的立體圖。包含像機系統(tǒng)，自動電機旋轉(zhuǎn)工作臺，待測內(nèi)凹齒輪零件，和檢測球以及夾具。視像系統(tǒng)像機30，透鏡32，和照明系統(tǒng)35，模具和夾具40與集成的檢測球11和檢球從動推桿43，自動電機旋轉(zhuǎn)工作臺50。[0032]在檢查過程中，首先，通過手動或自動拾取和放置單元將待測齒輪36安裝到電動旋轉(zhuǎn)工作臺50的驅(qū)動軸51上。然后，通過電或氣作動器推動滑動工作臺系統(tǒng)47沿方向48，推動可動夾具40上的檢測球11以及從動推桿43嚙合入回轉(zhuǎn)齒輪36。然后電動旋轉(zhuǎn)工作臺50的驅(qū)動齒輪36沿方向53旋轉(zhuǎn)。以便待測齒輪36上的凹槽逐一對準并與檢測球11嚙合。當檢測球11與齒輪36的中心38以及基準標記22處于同一直線時，傳感系統(tǒng)將觸發(fā)相機30捕捉視場(FOV)41的第一幅圖像。如圖7中所示。隨著齒輪36的連續(xù)旋轉(zhuǎn)(旋轉(zhuǎn)臺50)，其他檢測球?qū)⒅鹨贿M入視場41，相機也被逐一觸發(fā)采集所有檢測球11與齒輪36凹槽嚙合時視場41的圖像。計算機圖像處理程序通過對所有的檢測球11與齒輪凹槽嚙合時的圖像的處理，可以檢出檢測球外頂點的位置。最后待測齒輪36的功能尺寸Ds也由該程序自動推導(dǎo)出。
[0033]圖7示意的是優(yōu)選的實施范例2的關(guān)鍵部件上視圖。包含視覺系統(tǒng)視場(F0V)41，待測內(nèi)凹齒輪零件36，和檢測球11以及從動推桿43。彈簧45的推力確保檢測球11可以完全嚙合到滑輪齒輪36的凹槽內(nèi)，再由相機30實時捕獲視場41的圖像。
[0034]用于本發(fā)明的實施范例2也包括一組計算機自動分析軟件程序。該軟件將拍攝的視場(F0V)41的圖像進行分析識別，并找出待測內(nèi)凹齒輪36上類似月牙的邊緣弧段39，以及檢測球從動推桿43上的基準特征十字標記22。由于十字標記22到檢測球11的外表面之間的水平距離是一個恒定的數(shù)值，從而軟件程序可以推導(dǎo)出到檢測球11的外表面到待測零件中心38的直線距離Rs 37。把待測零件的所有球槽對應(yīng)的Rs值都推導(dǎo)出以后，待測零件的外廓功能尺寸Ds就可以推導(dǎo)出來了。
【權(quán)利要求】
1.一種用于檢測回轉(zhuǎn)部件(如回轉(zhuǎn)齒輪或軸承)質(zhì)量的視覺檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以用來檢測此類部件的外形功能尺寸，或槽口或?qū)к壍闹圃熨|(zhì)量。該系統(tǒng)包括帶攝像頭的視覺系統(tǒng)、成像鏡頭、照明設(shè)備、控制計算機、圖像采集和成像處理的計算機程序、用于夾持及旋轉(zhuǎn)待測部件和檢測球的夾具系統(tǒng)，以確保檢測球及時有效地嚙合到待測部件的槽口或內(nèi)凹導(dǎo)軌。
2.權(quán)利要求1所述的視覺檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)還包括控制系統(tǒng)以便將檢測球嚙合入待測部件，采集包含了整個待測部件、檢測球和球隨動件上的可識別的基準標記的視場的圖像，并處理所采集的圖像，計算出該待測部件功能尺寸。
3.一種用于檢測外緣帶有槽口或內(nèi)凹導(dǎo)軌的回轉(zhuǎn)部件(如回轉(zhuǎn)齒輪或軸承)的質(zhì)量的視覺檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以用來檢測此類部件的功能尺寸，或槽口或?qū)к壍闹圃熨|(zhì)量。該系統(tǒng)包括以下組成部分:采集視像的相機、成像鏡頭、照明設(shè)備、控制計算機、圖像采集和成像處理的計算機程序、用于夾持及旋轉(zhuǎn)待測部件和檢測球的夾具系統(tǒng)，以及用于轉(zhuǎn)動待測零件大約一圈的電動旋轉(zhuǎn)工作臺。
4.權(quán)利要求3所述的檢測系統(tǒng)，它包括至少一套視覺系統(tǒng)。該視覺系統(tǒng)包含相機、成像鏡頭、照明設(shè)備，并且可以由一個控制單元或外部傳感器觸發(fā)，采集視場FOV內(nèi)的項目圖像。
5.權(quán)利要求3所述的檢測系統(tǒng)，它還包括控制系統(tǒng)，以便將檢測球嚙合入待測回轉(zhuǎn)部件，采集包含了一部分待測部件，檢測球和球隨動推桿上的可識別的基準標記的視場FOV的圖像，并處理所采集的圖像，計算出該待測部件功能尺寸Ds。
6.權(quán)利要求3所述的檢測系統(tǒng)，包括至少一個檢測球或其他形狀的檢測探頭。該檢測探頭可以由夾具或可調(diào)的滑動臺驅(qū)動以便探入待測部件的凹槽或軌道中。
7.權(quán)利要求6所述的檢測系統(tǒng)，包括一個隨動桿以便將檢測球推入待測部件的凹槽或?qū)к壷小?br> 8.權(quán)利要求7所述的檢測系統(tǒng)，包括至少一個加工在隨動桿上的基準標記。該基準標記可以是視覺系統(tǒng)的視場容易識別的十字標記。
9.權(quán)利要求3所述的圖像采集系統(tǒng)，它還包括一個或多個攝像頭和成像鏡頭。該系統(tǒng)能夠提供清晰的視場，以涵蓋待測部件的檢測部位，檢測球、隨動推桿和基準標記，便于進一步的計算機圖像處理。
10.權(quán)利要求3所述的圖像采集系統(tǒng)，還包括一個或多個視覺照明設(shè)備，用于產(chǎn)生足夠的光強度照亮被檢查的部位和基準標記，便于相機和成像鏡頭可以捕捉到清晰的視場圖像。
11.權(quán)利要求3所述的視覺檢測系統(tǒng)，它還包括對所采集的視場FOV的圖像進行處理的計算機軟件程序。該軟件系統(tǒng)可以自動識別檢測球隨動桿上的基準標記以及待測部件，并計算出待測部件的質(zhì)量控制尺寸(Ds)。
12.權(quán)利要求9所述的相機和成像鏡頭，還包括一個或多個高性能的遠心(telecentric)鏡頭，以便獲得準確穩(wěn)定的光學(xué)測量性能。該成像鏡頭也可調(diào)節(jié)光圈和調(diào)焦。
13.一種用于檢測回轉(zhuǎn)部件(如回轉(zhuǎn)齒輪或軸承)的質(zhì)量的檢測方法。該方法采用推桿機構(gòu)將檢測球(或?qū)⒘硪黄渌螤钐綔y頭)壓入待測回轉(zhuǎn)部件的槽口，或內(nèi)凹導(dǎo)軌中。自動視覺系統(tǒng)將對視場內(nèi)的待測部件、檢測球，以及推桿機構(gòu)上的基準標記，或者其它形狀探測頭采集圖像。計算機軟件程序進一步處理該圖像的特征部位，并計算出待測部件的質(zhì)量控制尺寸。
14.權(quán)利要求13所述的質(zhì)量檢測方法，它還包括以下的存儲方法。該方法將檢出的各零件的質(zhì)量控制尺寸Ds的值存入到計算機數(shù)據(jù)庫或工廠生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，或制成直觀的曲線圖顯示，并且和該產(chǎn)品質(zhì)量控制尺寸的上、下限(Dsjnax和DS_min)比較。以便于產(chǎn)品質(zhì)量管理。同時，也可以此作為參考，預(yù)測上游沖壓工藝中使用的模具的磨損程度和壽命時間。
【文檔編號】G01B21/18GK103492834SQ201080069121
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2010年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2010年9月15日
【發(fā)明者】吳乃恩 申請人:吳乃恩