作動器齒環的機器視覺檢測系統設計與應用*

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

在汽車轉向作動器的生產過程中，作動器齒環質量直接影響作動器的傳動性能，由于齒環經常出現缺齒和表面瑕疵等缺陷，產品檢測工序中必須進行逐個檢測，以保證所有齒環的質量達到設計和加工要求。傳統的檢測方式是由檢測工人依靠眼睛的視覺判別產品是否存在缺齒和瑕疵，因此，人工檢測方法易產生視覺疲勞導致檢測效率低、漏檢率高、勞動強度大，已經不能滿足齒環生產和質量檢測發展的需要[1]。隨著機器視覺技術日趨成熟和圖像處理技術的快速發展，將機器視覺技術應用到齒環檢測中已勢在必行。基于視覺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的檢測方法具有快速、準確、可靠與智能化等優點[2-3]，因此，本文分析了齒環形狀結構和精度要求，在對齒環缺齒和表面缺陷檢測技術進行研究的基礎上，提出了一套齒環表面缺陷檢測系統的總體方案，確定了系統的硬件組成和軟件的性能要求，詳細制定了檢測系統中各硬件的選擇方法。

1 齒環零件質量要求

齒環的形狀結構如圖1所示。齒環零件是采用精密鑄造成型工藝生產的，齒數42，外徑80 mm，齒環端面有鑄造模具的編號，若出現齒環缺陷，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，具體的檢測內容為：（1）檢測系統軟件能快速準確地采集齒環圖像，計算齒環齒數，并準確檢測齒環最大外徑80 mm；（2）能夠比對齒環端面的數字編號，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 作動器齒環零件

2 視覺檢測系統的總體方案設計

基本的設計思路是：利用CCD相機作為光電轉換傳感器完成齒環圖像的采集，對齒環進行非接觸測量，根據齒環零件的質量要求，檢測系統的構成包括機械固定裝置、視覺傳感器、光源照明系統、圖像采集系統、計算機、圖像處理與數據統計系統及機械部分構成。工作過程是：當平臺上的齒環零件運行到檢測工位時，照明系統對零件打光，根據零件安置狀況調整相機，相機拍攝齒環圖片，檢測軟件根據邊界工具判斷齒頂到內環圓心的距離及外環到內環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預先設定的條件進行判斷，輸出檢測結果，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 檢測系統工作流程

3 檢測系統的硬件設計

檢測系統的硬件組成如圖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，為保證檢測系統裝置穩定牢固和安全，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整結構，可方便實現相機的位置調整。

（2）視覺傳感器的選擇

視覺傳感器包括工業相機和鏡頭。因齒環最大尺寸有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。可用手動微調的方式調整Z軸上下位置，相機在Z軸上的有限行程為150 mm。

（3）光源照明系統的設計

如圖4所示，根據被測齒環的尺寸和表面狀態及檢測現場的工作環境進行合理選擇與搭配。

圖4 光源照明系統

光源照明箱安置在運動平臺的上方，采用背光源方式照明，光源為發光二極管。

4 檢測系統的軟件設計

檢測系統的軟件運行包采用Adept公司出品的HexSight視覺軟件全工具集，具有穩定可靠及準確定位和檢測零件的機器視覺底層函數。平移精度1/40亞像素，旋轉精度0.01°，定位模式對環境等影響不敏感。軟件的界面如圖5所示。

圖5 軟件系統界面

軟件的具體要求為：（1）保存多種齒環模板文件；（2）支持產品不停頓動態取圖；（3）不合格品自動報警；（4）實時監視畫面；（5）數據庫統計功能；（6）故障產品畫面保存，并與數據庫數據對應。

5 齒環檢測結果

齒環通過人工擺放到工作平臺上，LED背光源將齒環的輪廓信息呈現，控制器激發相機拍圖，軟件自動檢測齒環直徑、齒數和比對模具號。圖6所示為顯示器上呈現的輪廓邊緣狀況和齒環直徑信息，檢測到的齒環外徑精度為0.03 mm。

圖6 齒環輪廓邊緣

圖7 表示齒環齒數的圖像信息，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，所以齒環呈42個齒的形狀，說明齒環完整，不存在缺齒的問題。圖8表示齒環端面的模具號信息，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 齒環齒數圖像

圖8 齒環端面模具號的清晰圖像

6 總結

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

圖9 齒環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，當被檢測參數或形狀的差異性較大時，應主要考慮小尺寸的被測參數或形狀的特點；

（2）在確定光源照明系統時，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被測零件的形狀和尺寸大小來確定；

（3）在設計檢測系統時，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量檢測中的應用［J］.現代零部件，2005（1）：96-100.

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

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