作動器齒環(huán)的機器視覺檢測系統(tǒng)設計與應用*

夏如艇，王益恩

（1.臺州學院機械工程學院，浙江臺州 318000；2.浙江理工大學機械與自動控制學院，浙江杭州 310018）

0 引言

在汽車轉(zhuǎn)向作動器的生產(chǎn)過程中，作動器齒環(huán)質(zhì)量直接影響作動器的傳動性能，由于齒環(huán)經(jīng)常出現(xiàn)缺齒和表面瑕疵等缺陷，產(chǎn)品檢測工序中必須進行逐個檢測，以保證所有齒環(huán)的質(zhì)量達到設計和加工要求。傳統(tǒng)的檢測方式是由檢測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，人工檢測方法易產(chǎn)生視覺疲勞導致檢測效率低、漏檢率高、勞動強度大，已經(jīng)不能滿足齒環(huán)生產(chǎn)和質(zhì)量檢測發(fā)展的需要[1]。隨著機器視覺技術日趨成熟和圖像處理技術的快速發(fā)展，將機器視覺技術應用到齒環(huán)檢測中已勢在必行?；谝曈X檢測技術的零件缺齒和表面瑕疵的缺陷檢測技術相對于傳統(tǒng)的檢測方法具有快速、準確、可靠與智能化等優(yōu)點[2-3]，因此，本文分析了齒環(huán)形狀結(jié)構(gòu)和精度要求，在對齒環(huán)缺齒和表面缺陷檢測技術進行研究的基礎上，提出了一套齒環(huán)表面缺陷檢測系統(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，詳細制定了檢測系統(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，若出現(xiàn)齒環(huán)缺陷，檢測人員可判斷該成型零件的模具編號，便于查找模具故障。因此，具體的檢測內(nèi)容為：（1）檢測系統(tǒng)軟件能快速準確地采集齒環(huán)圖像，計算齒環(huán)齒數(shù)，并準確檢測齒環(huán)最大外徑80 mm；（2）能夠比對齒環(huán)端面的數(shù)字編號，檢測模具號；（3）工件檢測周期應小于1秒，以保證檢測速度，確保生產(chǎn)效率；（4）對缺齒或混料工件給出自動報警信號。

圖1 作動器齒環(huán)零件

2 視覺檢測系統(tǒng)的總體方案設計

基本的設計思路是：利用CCD相機作為光電轉(zhuǎn)換傳感器完成齒環(huán)圖像的采集，對齒環(huán)進行非接觸測量，根據(jù)齒環(huán)零件的質(zhì)量要求，檢測系統(tǒng)的構(gòu)成包括機械固定裝置、視覺傳感器、光源照明系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、計算機、圖像處理與數(shù)據(jù)統(tǒng)計系統(tǒng)及機械部分構(gòu)成。工作過程是：當平臺上的齒環(huán)零件運行到檢測工位時，照明系統(tǒng)對零件打光，根據(jù)零件安置狀況調(diào)整相機，相機拍攝齒環(huán)圖片，檢測軟件根據(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)的距離定制檢測項目。圖像處理軟件進行齒形特征的提取并依據(jù)預先設定的條件進行判斷，輸出檢測結(jié)果，采用聲光報警方式，合格品則顯示成功信息，不合格品顯示報警信息。

圖2 檢測系統(tǒng)工作流程

3 檢測系統(tǒng)的硬件設計

檢測系統(tǒng)的硬件組成如圖3所示，主要包括檢測工作平臺，機械支架，視覺傳感器，LED光源照明箱，視覺及運動控制器，LCD顯示器。

圖3 檢測系統(tǒng)的組成

（1）檢測工作平臺的設計

平臺有效行程200 mm×200 mm，臺灣上銀HIWIN精密級級。平臺在X軸和Y軸方向上的重復精度要求大于±0.01 mm，為保證檢測系統(tǒng)裝置穩(wěn)定牢固和安全，采用大理石基座和機械固定方式。相機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)，可方便實現(xiàn)相機的位置調(diào)整。

（2）視覺傳感器的選擇

視覺傳感器包括工業(yè)相機和鏡頭。因齒環(huán)最大尺寸有80 mm，但模具號只有2 mm左右的高度，為了確保讀出的可靠性，相機采用500萬像素的德國Basler高分辨率工業(yè)相機9fps，逐行掃描，2 544×1 968像素。鏡頭選用意大利OPTO-engineering大視野遠心鏡頭，單幅視場為71.3 mm×53.7 mm。可用手動微調(diào)的方式調(diào)整Z軸上下位置，相機在Z軸上的有限行程為150 mm。

（3）光源照明系統(tǒng)的設計

如圖4所示，根據(jù)被測齒環(huán)的尺寸和表面狀態(tài)及檢測現(xiàn)場的工作環(huán)境進行合理選擇與搭配。

圖4 光源照明系統(tǒng)

光源照明箱安置在運動平臺的上方，采用背光源方式照明，光源為發(fā)光二極管。

4 檢測系統(tǒng)的軟件設計

檢測系統(tǒng)的軟件運行包采用Adept公司出品的HexSight視覺軟件全工具集，具有穩(wěn)定可靠及準確定位和檢測零件的機器視覺底層函數(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)品不停頓動態(tài)取圖；（3）不合格品自動報警；（4）實時監(jiān)視畫面；（5）數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計功能；（6）故障產(chǎn)品畫面保存，并與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)對應。

5 齒環(huán)檢測結(jié)果

齒環(huán)通過人工擺放到工作平臺上，LED背光源將齒環(huán)的輪廓信息呈現(xiàn)，控制器激發(fā)相機拍圖，軟件自動檢測齒環(huán)直徑、齒數(shù)和比對模具號。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，視覺軟件檢測到齒形的邊緣直線有84條邊，每個齒形有兩條邊，所以齒環(huán)呈42個齒的形狀，說明齒環(huán)完整，不存在缺齒的問題。圖8表示齒環(huán)端面的模具號信息，模具號218能正確讀出，而圖9顯示的是因模具號218被遮擋，導致軟件不能識別，說明模具號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)端面模具號的清晰圖像

6 總結(jié)

本文設計了一種作動器齒環(huán)視覺檢測系統(tǒng)，主要檢查齒環(huán)的齒數(shù)，齒面瑕疵和端面上的模具號。通過非接觸式缺陷檢測，齒環(huán)的檢測精度達到0.03 mm，同時可減輕操作工人的視覺疲勞，測量方法可靠。總結(jié)如下：

圖9 齒環(huán)端面模具號的非清晰圖像

（1）零件的檢測精度與CCD相機的像素有直接關系，當被檢測參數(shù)或形狀的差異性較大時，應主要考慮小尺寸的被測參數(shù)或形狀的特點；

（2）在確定光源照明系統(tǒng)時，光照形式直接影響圖像采集的準確度，背向光源照射或正向光源照射應根據(jù)被測零件的形狀和尺寸大小來確定；

（3）在設計檢測系統(tǒng)時，選擇視覺軟件應考慮功能擴展和使用方便等特性。

［1］胡興軍，唐向陽，張勇.機器視覺技術及其在汽車制造質(zhì)量檢測中的應用［J］.現(xiàn)代零部件，2005（1）：96-100.

［2］劉金橋，吳金強.機器視覺系統(tǒng)發(fā)展及其應用［J］.機械工程與自動化，2010（1）：215-216.

［3］李樹杰.中國機器視覺的發(fā)展趨勢［J］.赤峰學院學報：自然科學版.2010，26（1）：161-162.