用于檢測回轉部件質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，借助檢測球(11)和球形隨動件(43)來檢測回轉部件，如回轉齒輪或軸承的外形功能尺寸的制造質量。該裝置包括一個帶相機(30)、成像鏡頭(32)、照明系統(35)的視覺系統；控制計算機；圖像采集和成像處理的計算機軟件程序：以及旋轉部件和檢查球(11)和球的隨動件(43)的固定和夾具系統(40)。它在檢查期間確保檢測球接合到待測回轉部件的槽口(12)或導軌中。檢查時，自動視覺系統對視場內的待測部件、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量控制尺寸，并將其存入計算機數據庫或工廠生產管理信息系統數據庫中，或作出直觀的曲線圖進行顯示，與該產品質量控制尺寸的上，下限(Ds_max和Ds_min)比較，便于產品質量管理。
【專利說明】用于檢測回轉部件質量的自動器具及檢驗方法
發明領域
[0001 ] 本發明的內容涉及機器視覺自動檢測裝置的技術及其應用方法。該裝置及軟件系統可以快速，準確地檢測外緣帶有內凹槽的回轉部件。
[0002]本發明的背景
[0003]對所有行業，產品安全都是至關重要的。尤其是汽車行業中大批量生產的汽車零件。許許多多的回轉部件的質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中使用的驅動齒輪。這種驅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)的半球槽蓋連結在一起以形成一個完整的具有外凹球槽的驅動齒輪，或由多軸數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就屬于這一類驅動齒輪。其外緣具有向內凹的球槽12。該內凹的球槽12可以與滾珠11嚙合以便驅動相連的其他部件。圖2中所示的零件15表示了一個旋轉的軸承內圈零件。其外緣的內凹軌16可以和外部的旋轉球11嚙合形成球軸承。對于這樣的旋轉部件，內部的球槽或內凹槽的尺寸精度必需進行適當的質量檢測，以確保球與球槽或內凹槽的光滑平順嚙合驅動。
[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限定的質量控制范圍內。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行的，借助于一個“通規”(內部直徑Ds_max)和一個“止規”(內部直徑Ds_min)檢具。當檢球都嚙合到凹球槽內，那些合格的零件將可以通過“通規”，但不能穿過“止規”。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。有時還會發生操作者的疏忽大意而出現漏檢。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。統計出Ds的實際尺寸分布對上下游制造工序的生產管理，以及零件的質量等級分類具有重要意義。例如，可以根據Ds的實際尺寸變動趨勢來預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，為實現對此類回轉齒輪或軸承部件的高效質量檢測和完善的生產管理的需求，有必要開發一個高效的自動檢測設備和檢驗方法。

【發明內容】
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[0008]本發明是一種自動機器視覺檢查系統。可以高效的自動檢測外緣帶有內凹槽的回轉部件。如齒輪或軸承內圈。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，用相機捕捉到的圖像包括整個待測內凹齒輪外緣部。此實施范例包括一個視覺像機，成像鏡頭，照明系統，控制計算機和圖像獲取和成像處理程序，待測內凹齒輪零件的夾具和夾具系統，以及檢測球和推球桿。正如在圖5中所不,每一個內凹球槽由推桿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，則自動觸發視覺系統照相抓取圖像，捕捉到的包含齒輪10和球11和推桿21的圖像被自動傳輸到計算機程序做圖像處理。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，若要求檢測系統達到高的像素分辨率，例如10微米/像素，則視覺檢測系統需要的視場(FOV)約60x60mm。這樣的相機需要達到36MP像素分辨率。這樣的檢測系統的成本會高得多。并且圖像系統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也是非常復雜和高成本。
[0010]本發明的另一個優選的實施方案(實施范例2)如圖6所示。在圖6所示的本發明的裝置中，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，和自動電機旋轉工作臺50的自動視覺檢測系統。其中的視覺像機30，成像鏡頭32和照明系統35安裝于待測內凹齒輪零件的上方。其中的視覺攝像系統的視場(FOV)41涵蓋待測內凹齒輪36的左側小半部分，以及檢測球11和推桿43右側部分。如在圖7所示。在一個完整的檢測周期期間，自動電機旋轉工作臺50轉動待測零件36大約一圈，檢測球11逐次被推桿43推入各球槽，以實現對所有球槽的檢測。
[0011]由于視覺系統的視場41只涵蓋待測內凹齒輪36的左側小半部分，自動電機旋轉工作臺50必需轉動待測零件36大約一圈，并逐次自動觸發視覺系統抓取檢測球11逐次被推桿43推入各球槽時的實時視場(FOV)圖像。自動觸發傳感器，以及可調節的軟件延時等功能實現了旋轉運動與視覺系統實時取像的同步，以確保每個待測球槽對應的圖像的都能在檢測球與基準標記22 (已經刻蝕在檢測球從動推桿43的頂面)和待測內凹齒輪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分度檢查方法，可以利用小分辨率視覺系統實現對大尺寸回轉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像素分辨率。對比實施范例I (如圖5所示)視覺檢查系統的視場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值，從而軟件程序可以推導出到檢測球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的Rs值都推導出以后，待測零件的外廓功能尺寸Ds就可以推導出來了。另外，該計算機自動分析軟件程序還可以將每個零件的Ds值存儲到計算機數據庫中，并制作成直觀的Ds分布曲線圖。從而方便產品質量監控(Dsjnax和Ds_min)。或進一步使用這種統計QC數據作為參考，以預測上游沖壓工序中使用的模具的壽命時間。
[0014]本發明以及實施范例闡述了對回轉齒輪或軸承部件的高效自動質量檢測。特別是外緣帶有內凹槽的回轉部件，使用外置的推桿機構21或43將檢測球壓入待測零件的內凹槽，并通過自動視覺系統檢出基準標記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明的性質和目的，應參考下面的附圖以及詳細說明，其中:
[0017]圖1是一個簡單的回轉齒輪事例，齒輪外緣帶有內凹槽，并有一個球從外側嚙合入齒輪內凹槽。
[0018]圖2是一個簡單的類似回轉軸承內圈，其外緣帶有內凹槽，并有一個球從外側嚙合入內凹槽。
[0019]圖3是一個簡單的回轉齒輪，齒輪外緣帶有多個內凹槽，并有球從外側嚙合入全部齒輪內凹槽。
[0020]圖4示意的是樣品回轉齒輪的上視圖。該齒輪外緣的內凹槽已經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示意的是本發明的實施范例I的視覺系統視場(FOV)，以及檢測球和夾具在工作狀態時的上視圖。
[0022]圖6示意的是本發明的優選實施范例的立體圖。包含像機系統，自動電機旋轉工作臺，待測內凹齒輪零件，和檢測球以及夾具。
[0023]圖7示意的是優選的實施范例2的關鍵部件上視圖。包含視覺系統視場(FOV)，待測內凹齒輪零件，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明的某些實施例，可以更容易地理解本發明。
[0026]圖1是一個簡單的回轉齒輪10事例，齒輪外緣帶有內凹槽12，并有一個球11從外側嚙合入齒輪內凹槽12內。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在一起。
[0027]圖2是一個簡單的類似回轉軸承內圈，其外緣帶有內凹軌道16，并有一個球11從外側嚙合入內凹軌道槽。
[0028]圖3是一個簡單的回轉齒輪，齒輪外緣帶有多個內凹槽，并有球從外側嚙合入全部齒輪內凹槽。
[0029]圖4示意的是樣品回轉齒輪的上視圖。該齒輪外緣的內凹槽已經嚙合入所有匹配的球，Ds標示的是該零件的外廓功能尺寸。對于這樣的大規模生產的回轉齒輪，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。為了便于質量控制，應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”(Ds_max)和“止規”(Ds_min)即可以此工差帶制作。
[0030]圖5示意的是本發明的實施范例I的視覺系統視場(FOV) 25，以及檢測球11嚙合入回轉齒輪10，和檢測球推桿21在工作狀態時的上視圖。基準標記22刻蝕在檢測球推桿21上。
[0031]圖6示意的是本發明的優選實施范例的立體圖。包含像機系統，自動電機旋轉工作臺，待測內凹齒輪零件，和檢測球以及夾具。視像系統像機30，透鏡32，和照明系統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安裝到電動旋轉工作臺50的驅動軸51上。然后，通過電或氣作動器推動滑動工作臺系統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嚙合入回轉齒輪36。然后電動旋轉工作臺50的驅動齒輪36沿方向53旋轉。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，傳感系統將觸發相機30捕捉視場(FOV)41的第一幅圖像。如圖7中所示。隨著齒輪36的連續旋轉(旋轉臺50)，其他檢測球將逐一進入視場41，相機也被逐一觸發采集所有檢測球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出。
[0033]圖7示意的是優選的實施范例2的關鍵部件上視圖。包含視覺系統視場(F0V)41，待測內凹齒輪零件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，再由相機30實時捕獲視場41的圖像。
[0034]用于本發明的實施范例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值，從而軟件程序可以推導出到檢測球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的Rs值都推導出以后，待測零件的外廓功能尺寸Ds就可以推導出來了。
【權利要求】
1.一種用于檢測回轉部件(如回轉齒輪或軸承)質量的視覺檢測系統。該系統可以用來檢測此類部件的外形功能尺寸，或槽口或導軌的制造質量。該系統包括帶攝像頭的視覺系統、成像鏡頭、照明設備、控制計算機、圖像采集和成像處理的計算機程序、用于夾持及旋轉待測部件和檢測球的夾具系統，以確保檢測球及時有效地嚙合到待測部件的槽口或內凹導軌。
2.權利要求1所述的視覺檢測系統，該檢測系統還包括控制系統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凹導軌的回轉部件(如回轉齒輪或軸承)的質量的視覺檢測系統。該系統可以用來檢測此類部件的功能尺寸，或槽口或導軌的制造質量。該系統包括以下組成部分:采集視像的相機、成像鏡頭、照明設備、控制計算機、圖像采集和成像處理的計算機程序、用于夾持及旋轉待測部件和檢測球的夾具系統，以及用于轉動待測零件大約一圈的電動旋轉工作臺。
4.權利要求3所述的檢測系統，它包括至少一套視覺系統。該視覺系統包含相機、成像鏡頭、照明設備，并且可以由一個控制單元或外部傳感器觸發，采集視場FOV內的項目圖像。
5.權利要求3所述的檢測系統，它還包括控制系統，以便將檢測球嚙合入待測回轉部件，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.權利要求3所述的檢測系統，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的滑動臺驅動以便探入待測部件的凹槽或軌道中。
7.權利要求6所述的檢測系統，包括一個隨動桿以便將檢測球推入待測部件的凹槽或導軌中。
8.權利要求7所述的檢測系統，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的視場容易識別的十字標記。
9.權利要求3所述的圖像采集系統，它還包括一個或多個攝像頭和成像鏡頭。該系統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.權利要求3所述的圖像采集系統，還包括一個或多個視覺照明設備，用于產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.權利要求3所述的視覺檢測系統，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量控制尺寸(Ds)。
12.權利要求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，以便獲得準確穩定的光學測量性能。該成像鏡頭也可調節光圈和調焦。
13.一種用于檢測回轉部件(如回轉齒輪或軸承)的質量的檢測方法。該方法采用推桿機構將檢測球(或將另一其它形狀探測頭)壓入待測回轉部件的槽口，或內凹導軌中。自動視覺系統將對視場內的待測部件、檢測球，以及推桿機構上的基準標記，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量控制尺寸。
14.權利要求13所述的質量檢測方法，它還包括以下的存儲方法。該方法將檢出的各零件的質量控制尺寸Ds的值存入到計算機數據庫或工廠生產管理信息系統數據庫中，或制成直觀的曲線圖顯示，并且和該產品質量控制尺寸的上、下限(Dsjnax和DS_min)比較。以便于產品質量管理。同時，也可以此作為參考，預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 優先權日:2010年9月15日
【發明者】吳乃恩 申請人:吳乃恩