用于检测回转部件质量的自动器具及检验方法
【专利摘要】一种计算机控制的自动视觉检测系统，借助检测球(11)和球形随动件(43)来检测回转部件，如回转齿轮或轴承的外形功能尺寸的制造质量。该装置包括一个带相机(30)、成像镜头(32)、照明系统(35)的视觉系统；控制计算机；图像采集和成像处理的计算机软件程序：以及旋转部件和检查球(11)和球的随动件(43)的固定和夹具系统(40)。它在检查期间确保检测球接合到待测回转部件的槽口(12)或导轨中。检查时，自动视觉系统对视场内的待测部件、检测球(11)、以及随动件(43)上的基准标记(22)采集图像。计算机软件程序进一步处理该图像的特征部位，并计算出待测部件的质量控制尺寸，并将其存入计算机数据库或工厂生产管理信息系统数据库中，或作出直观的曲线图进行显示，与该产品质量控制尺寸的上，下限(Ds_max和Ds_min)比较，便于产品质量管理。
【专利说明】用于检测回转部件质量的自动器具及检验方法
发明领域
[0001 ] 本发明的内容涉及机器视觉自动检测装置的技术及其应用方法。该装置及软件系统可以快速，准确地检测外缘带有内凹槽的回转部件。
[0002]本发明的背景
[0003]对所有行业，产品安全都是至关重要的。尤其是汽车行业中大批量生产的汽车零件。许许多多的回转部件的质量捡测控制是非常严格的，并要求做到100%逐一全检。例如，一款汽车主动安全带自动张紧系统中使用的驱动齿轮。这种驱动齿轮可以通过焊接(或其它的接合方法制造)将两片冲压(或铸造)的半球槽盖连结在一起以形成一个完整的具有外凹球槽的驱动齿轮，或由多轴数控加工中心或其他成形机器加工而成。如图1中所示的零件10就属于这一类驱动齿轮。其外缘具有向内凹的球槽12。该内凹的球槽12可以与滚珠11啮合以便驱动相连的其他部件。图2中所示的零件15表示了一个旋转的轴承内圈零件。其外缘的内凹轨16可以和外部的旋转球11啮合形成球轴承。对于这样的旋转部件，内部的球槽或内凹槽的尺寸精度必需进行适当的质量检测，以确保球与球槽或内凹槽的光滑平顺啮合驱动。
[0004]对于图1中所示的零件10，在顶盖17和底盖18之间的球槽的驱轮齿轮，齿轮功能要求所有球槽与滚珠11，(如在图3所示)，能够从外面很好地啮合。如图4所示，当所有的球11都进入凹球槽12啮合时，从顶部看，由球最外表面顶点形成的最小圆(在直径为Ds)必须符合设计尺寸范围，也就是说Ds_max > Ds > Ds_min。如果一个或多个凹球槽的加工误差超标时，球11将无法可靠的哨合到Ds_max和Ds_min限定的质量控制范围内。该零件将被视为球槽有缺陷的废品。
[0005]要检查出凹球槽的缺陷，以往的检查通常是手动执行的，借助于一个“通规”(内部直径Ds_max)和一个“止规”(内部直径Ds_min)检具。当检球都啮合到凹球槽内，那些合格的零件将可以通过“通规”，但不能穿过“止规”。其他的将被视为有缺陷的零件。
[0006]然而，手动检测方法的效率低，并依赖于操作者的技能和熟练程度。有时还会发生操作者的疏忽大意而出现漏检。因此手动检测方法也是不可靠的。此外，人工检测方法也不能对实际Ds的尺寸大小进行分类。统计出Ds的实际尺寸分布对上下游制造工序的生产管理，以及零件的质量等级分类具有重要意义。例如，可以根据Ds的实际尺寸变动趋势来预测前期冲压工序所用模具的磨损程度，以便及时更新或维修所用的模具。
[0007]综上所述，为实现对此类回转齿轮或轴承部件的高效质量检测和完善的生产管理的需求，有必要开发一个高效的自动检测设备和检验方法。
【发明内容】
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[0008]本发明是一种自动机器视觉检查系统。可以高效的自动检测外缘带有内凹槽的回转部件。如齿轮或轴承内圈。其中一个实施范例(实施范例1，如图5中所示)包括一套机器视觉系统，用相机捕捉到的图像包括整个待测内凹齿轮外缘部。此实施范例包括一个视觉像机，成像镜头，照明系统，控制计算机和图像获取和成像处理程序，待测内凹齿轮零件的夹具和夹具系统，以及检测球和推球杆。正如在图5中所不,每一个内凹球槽由推杆21和夹具从外部将检测球11压入凹球槽，全部检测球压入后，则自动触发视觉系统照相抓取图像，捕捉到的包含齿轮10和球11和推杆21的图像被自动传输到计算机程序做图像处理。每个推杆21上识别出所有的径向位置的基准标记22 (交叉的标记或其他特征，便于模式识别)，然后推导出的待测齿轮的功能尺寸Ds。
[0009]然而，该方法受限于检查分辨率的要求。对相对较大的部件，例如，Ds达到55毫米，若要求检测系统达到高的像素分辨率，例如10微米/像素，则视觉检测系统需要的视场(FOV)约60x60mm。这样的相机需要达到36MP像素分辨率。这样的检测系统的成本会高得多。并且图像系统处理需要更长的时间来找出的功能的尺寸。此外，可用于所有的检测球的机械夹具系统也是非常复杂和高成本。
[0010]本发明的另一个优选的实施方案(实施范例2)如图6所示。在图6所示的本发明的装置中，包括照相机30，成像镜头32，照明(35)，控制计算机和图像获取和成像处理的程序，夹具40与集成的检测球11和检测球从动推杆43，和自动电机旋转工作台50的自动视觉检测系统。其中的视觉像机30，成像镜头32和照明系统35安装于待测内凹齿轮零件的上方。其中的视觉摄像系统的视场(FOV)41涵盖待测内凹齿轮36的左侧小半部分，以及检测球11和推杆43右侧部分。如在图7所示。在一个完整的检测周期期间，自动电机旋转工作台50转动待测零件36大约一圈，检测球11逐次被推杆43推入各球槽，以实现对所有球槽的检测。
[0011]由于视觉系统的视场41只涵盖待测内凹齿轮36的左侧小半部分，自动电机旋转工作台50必需转动待测零件36大约一圈，并逐次自动触发视觉系统抓取检测球11逐次被推杆43推入各球槽时的实时视场(FOV)图像。自动触发传感器，以及可调节的软件延时等功能实现了旋转运动与视觉系统实时取像的同步，以确保每个待测球槽对应的图像的都能在检测球与基准标记22 (已经刻蚀在检测球从动推杆43的顶面)和待测内凹齿轮36的中心38处于一条直线时抓取。这种的部分零件成像和旋转分度检查方法，可以利用小分辨率视觉系统实现对大尺寸回转零件的全外廓尺寸检测。从而确保100% QC控制。
[0012]由于视场41只包括小于1/3的整个齿轮部分36，从而只要有约1/9的像机的分辨率，即刻达到实施范例I所需要的相同的系统像素分辨率。对比实施范例I (如图5所示)视觉检查系统的视场25，和如图7所示的实施范例2的视场41可以明示。
[0013]用于本发明的实施范例2也包括一组计算机自动分析软件程序。该软件将拍摄的视场(F0V)41的图像进行分析识别，并找出待测内凹齿轮36上类似月牙的边缘弧段39，以及检测球从动推杆43上的基准特征十字标记22。由于十字标记22到检测球11的外表面之间的水平距离是一个恒定的数值，从而软件程序可以推导出到检测球11的外表面到待测零件中心38的直线距离Rs 37。把待测零件的所有球槽对应的Rs值都推导出以后，待测零件的外廓功能尺寸Ds就可以推导出来了。另外，该计算机自动分析软件程序还可以将每个零件的Ds值存储到计算机数据库中，并制作成直观的Ds分布曲线图。从而方便产品质量监控(Dsjnax和Ds_min)。或进一步使用这种统计QC数据作为参考，以预测上游冲压工序中使用的模具的寿命时间。
[0014]本发明以及实施范例阐述了对回转齿轮或轴承部件的高效自动质量检测。特别是外缘带有内凹槽的回转部件，使用外置的推杆机构21或43将检测球压入待测零件的内凹槽，并通过自动视觉系统检出基准标记22的相对位置。然后使用自动分析软件程序来分析识别所捕捉的图像，并由此推导出待测零件36的功能尺寸的视觉检测装置和使用该装置进行检测的方法。
[0015]附图简要说明
[0016]为了更好地理解本发明的性质和目的，应参考下面的附图以及详细说明，其中:
[0017]图1是一个简单的回转齿轮事例，齿轮外缘带有内凹槽，并有一个球从外侧啮合入齿轮内凹槽。
[0018]图2是一个简单的类似回转轴承内圈，其外缘带有内凹槽，并有一个球从外侧啮合入内凹槽。
[0019]图3是一个简单的回转齿轮，齿轮外缘带有多个内凹槽，并有球从外侧啮合入全部齿轮内凹槽。
[0020]图4示意的是样品回转齿轮的上视图。该齿轮外缘的内凹槽已经啮合入所有匹配的球，Ds标示的是该零件的外廓功能尺寸。
[0021]图5示意的是本发明的实施范例I的视觉系统视场(FOV)，以及检测球和夹具在工作状态时的上视图。
[0022]图6示意的是本发明的优选实施范例的立体图。包含像机系统，自动电机旋转工作台，待测内凹齿轮零件，和检测球以及夹具。
[0023]图7示意的是优选的实施范例2的关键部件上视图。包含视觉系统视场(FOV)，待测内凹齿轮零件，和检测球以及从动推杆43。
[0024]附图的i羊细i兑明:
[0025]通过参照下面的详细描述的本发明的某些实施例，可以更容易地理解本发明。
[0026]图1是一个简单的回转齿轮10事例，齿轮外缘带有内凹槽12，并有一个球11从外侧啮合入齿轮内凹槽12内。球槽12形成在顶盖17和底盖18之间。顶盖17和底盖18可以由激光焊接工艺连结在一起。
[0027]图2是一个简单的类似回转轴承内圈，其外缘带有内凹轨道16，并有一个球11从外侧啮合入内凹轨道槽。
[0028]图3是一个简单的回转齿轮，齿轮外缘带有多个内凹槽，并有球从外侧啮合入全部齿轮内凹槽。
[0029]图4示意的是样品回转齿轮的上视图。该齿轮外缘的内凹槽已经啮合入所有匹配的球，Ds标示的是该零件的外廓功能尺寸。对于这样的大规模生产的回转齿轮，每个齿轮的球槽12的几何尺寸不尽相同，从而可能使得啮合球压入球槽中的位置不尽相同。为了便于质量控制，应给出该零件的外廓功能尺寸Ds的容许范围，从而形成一个工差带Ds_min?Ds_max。手动检具的“通规”(Ds_max)和“止规”(Ds_min)即可以此工差带制作。
[0030]图5示意的是本发明的实施范例I的视觉系统视场(FOV) 25，以及检测球11啮合入回转齿轮10，和检测球推杆21在工作状态时的上视图。基准标记22刻蚀在检测球推杆21上。
[0031]图6示意的是本发明的优选实施范例的立体图。包含像机系统，自动电机旋转工作台，待测内凹齿轮零件，和检测球以及夹具。视像系统像机30，透镜32，和照明系统35，模具和夹具40与集成的检测球11和检球从动推杆43，自动电机旋转工作台50。[0032]在检查过程中，首先，通过手动或自动拾取和放置单元将待测齿轮36安装到电动旋转工作台50的驱动轴51上。然后，通过电或气作动器推动滑动工作台系统47沿方向48，推动可动夹具40上的检测球11以及从动推杆43啮合入回转齿轮36。然后电动旋转工作台50的驱动齿轮36沿方向53旋转。以便待测齿轮36上的凹槽逐一对准并与检测球11啮合。当检测球11与齿轮36的中心38以及基准标记22处于同一直线时，传感系统将触发相机30捕捉视场(FOV)41的第一幅图像。如图7中所示。随着齿轮36的连续旋转(旋转台50)，其他检测球将逐一进入视场41，相机也被逐一触发采集所有检测球11与齿轮36凹槽啮合时视场41的图像。计算机图像处理程序通过对所有的检测球11与齿轮凹槽啮合时的图像的处理，可以检出检测球外顶点的位置。最后待测齿轮36的功能尺寸Ds也由该程序自动推导出。
[0033]图7示意的是优选的实施范例2的关键部件上视图。包含视觉系统视场(F0V)41，待测内凹齿轮零件36，和检测球11以及从动推杆43。弹簧45的推力确保检测球11可以完全啮合到滑轮齿轮36的凹槽内，再由相机30实时捕获视场41的图像。
[0034]用于本发明的实施范例2也包括一组计算机自动分析软件程序。该软件将拍摄的视场(F0V)41的图像进行分析识别，并找出待测内凹齿轮36上类似月牙的边缘弧段39，以及检测球从动推杆43上的基准特征十字标记22。由于十字标记22到检测球11的外表面之间的水平距离是一个恒定的数值，从而软件程序可以推导出到检测球11的外表面到待测零件中心38的直线距离Rs 37。把待测零件的所有球槽对应的Rs值都推导出以后，待测零件的外廓功能尺寸Ds就可以推导出来了。
【权利要求】
1.一种用于检测回转部件(如回转齿轮或轴承)质量的视觉检测系统。该系统可以用来检测此类部件的外形功能尺寸，或槽口或导轨的制造质量。该系统包括带摄像头的视觉系统、成像镜头、照明设备、控制计算机、图像采集和成像处理的计算机程序、用于夹持及旋转待测部件和检测球的夹具系统，以确保检测球及时有效地啮合到待测部件的槽口或内凹导轨。
2.权利要求1所述的视觉检测系统，该检测系统还包括控制系统以便将检测球啮合入待测部件，采集包含了整个待测部件、检测球和球随动件上的可识别的基准标记的视场的图像，并处理所采集的图像，计算出该待测部件功能尺寸。
3.一种用于检测外缘带有槽口或内凹导轨的回转部件(如回转齿轮或轴承)的质量的视觉检测系统。该系统可以用来检测此类部件的功能尺寸，或槽口或导轨的制造质量。该系统包括以下组成部分:采集视像的相机、成像镜头、照明设备、控制计算机、图像采集和成像处理的计算机程序、用于夹持及旋转待测部件和检测球的夹具系统，以及用于转动待测零件大约一圈的电动旋转工作台。
4.权利要求3所述的检测系统，它包括至少一套视觉系统。该视觉系统包含相机、成像镜头、照明设备，并且可以由一个控制单元或外部传感器触发，采集视场FOV内的项目图像。
5.权利要求3所述的检测系统，它还包括控制系统，以便将检测球啮合入待测回转部件，采集包含了一部分待测部件，检测球和球随动推杆上的可识别的基准标记的视场FOV的图像，并处理所采集的图像，计算出该待测部件功能尺寸Ds。
6.权利要求3所述的检测系统，包括至少一个检测球或其他形状的检测探头。该检测探头可以由夹具或可调的滑动台驱动以便探入待测部件的凹槽或轨道中。
7.权利要求6所述的检测系统，包括一个随动杆以便将检测球推入待测部件的凹槽或导轨中。
8.权利要求7所述的检测系统，包括至少一个加工在随动杆上的基准标记。该基准标记可以是视觉系统的视场容易识别的十字标记。
9.权利要求3所述的图像采集系统，它还包括一个或多个摄像头和成像镜头。该系统能够提供清晰的视场，以涵盖待测部件的检测部位，检测球、随动推杆和基准标记，便于进一步的计算机图像处理。
10.权利要求3所述的图像采集系统，还包括一个或多个视觉照明设备，用于产生足够的光强度照亮被检查的部位和基准标记，便于相机和成像镜头可以捕捉到清晰的视场图像。
11.权利要求3所述的视觉检测系统，它还包括对所采集的视场FOV的图像进行处理的计算机软件程序。该软件系统可以自动识别检测球随动杆上的基准标记以及待测部件，并计算出待测部件的质量控制尺寸(Ds)。
12.权利要求9所述的相机和成像镜头，还包括一个或多个高性能的远心(telecentric)镜头，以便获得准确稳定的光学测量性能。该成像镜头也可调节光圈和调焦。
13.一种用于检测回转部件(如回转齿轮或轴承)的质量的检测方法。该方法采用推杆机构将检测球(或将另一其它形状探测头)压入待测回转部件的槽口，或内凹导轨中。自动视觉系统将对视场内的待测部件、检测球，以及推杆机构上的基准标记，或者其它形状探测头采集图像。计算机软件程序进一步处理该图像的特征部位，并计算出待测部件的质量控制尺寸。
14.权利要求13所述的质量检测方法，它还包括以下的存储方法。该方法将检出的各零件的质量控制尺寸Ds的值存入到计算机数据库或工厂生产管理信息系统数据库中，或制成直观的曲线图显示，并且和该产品质量控制尺寸的上、下限(Dsjnax和DS_min)比较。以便于产品质量管理。同时，也可以此作为参考，预测上游冲压工艺中使用的模具的磨损程度和寿命时间。
【文档编号】G01B21/18GK103492834SQ201080069121
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2010年9月15日 优先权日:2010年9月15日
【发明者】吴乃恩 申请人:吴乃恩