面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的注塑齒輪快速分選檢測(cè)系統(tǒng)

周佳藝，石照耀*，南浩軒，李 睿，童愛(ài)軍

(1. 北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院 北京市精密測(cè)控技術(shù)與儀器工程技術(shù)研究中心，北京 100124；2.東莞市星火齒輪有限公司，廣東 東莞 523723)

1 引 言

注塑齒輪具有重量輕、慣性小、噪聲低、自潤(rùn)滑、生產(chǎn)效率高，制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛[1]。但在注塑齒輪的生產(chǎn)過(guò)程中，因工藝不穩(wěn)定、模具劣化、原料含雜質(zhì)等原因，易產(chǎn)生齒輪尺寸超差、披鋒、缺齒、黑點(diǎn)等缺陷，這些不合格齒輪是必須被篩選出來(lái)。目前，很多企業(yè)采用人工抽檢的方式檢驗(yàn)注塑齒輪產(chǎn)品質(zhì)量，不但檢測(cè)效率低、精度不高[2]，而且耗費(fèi)了大量人力，提高了成本。

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)注塑齒輪進(jìn)行100%在線(xiàn)檢測(cè)和分選，是保證注塑齒輪產(chǎn)品質(zhì)量最有效的方法之一。注塑齒輪具有生產(chǎn)自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)量大、彈性模量小、熱敏性強(qiáng)、尺寸小、缺陷不易觀察等特點(diǎn)，因此面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的注塑齒輪快速分選檢測(cè)系統(tǒng)需要滿(mǎn)足：(1)檢測(cè)速度快，注塑齒輪檢測(cè)速度應(yīng)高于生產(chǎn)速度，以適應(yīng)注塑齒輪高效、快速的生產(chǎn)節(jié)奏；(2)注塑齒輪生產(chǎn)自動(dòng)化程度高，檢測(cè)系統(tǒng)需要與自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)有效銜接；(3)注塑齒輪彈性模量小，并且在剛出模的一段時(shí)間內(nèi)未充分冷卻，極易受力變形，因此要求檢測(cè)方法為非接觸式檢測(cè)或接觸力很小。

視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)將被測(cè)對(duì)象的圖像作為檢測(cè)源信息，經(jīng)有效的圖像處理后得到檢測(cè)結(jié)果信息[3]，具有非接觸、精度高、速度快、自動(dòng)化和智能化水平高等優(yōu)點(diǎn)[4]。因此，基于機(jī)器視覺(jué)的注塑齒輪在線(xiàn)并聯(lián)測(cè)量技術(shù)[5]成為了解決當(dāng)前先進(jìn)生產(chǎn)模式與落后檢測(cè)模式之間矛盾的最佳選擇之一。

近幾年，國(guó)內(nèi)外針對(duì)注塑齒輪視覺(jué)檢測(cè)的研究也逐漸發(fā)展起來(lái)，總體而言，呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：(1)偏重于對(duì)圖像處理和視覺(jué)檢測(cè)算法研究，不注重其實(shí)際應(yīng)用，很少實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用并得到長(zhǎng)期測(cè)量實(shí)踐檢驗(yàn)；(2)多針對(duì)單一檢測(cè)項(xiàng)，很少一次性實(shí)現(xiàn)尺寸測(cè)量和缺陷檢測(cè)；(3)多為離線(xiàn)檢測(cè)研究，對(duì)檢測(cè)效率、自動(dòng)化控制、環(huán)境因素考慮較少，很少實(shí)現(xiàn)面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化快速在線(xiàn)檢測(cè)。

針對(duì)注塑齒輪生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)急需，本文提出了基于機(jī)器視覺(jué)的注塑齒輪尺寸及表面缺陷在線(xiàn)檢測(cè)方法，研制了耦合在塑齒生產(chǎn)線(xiàn)上的分選檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)注塑齒輪尺寸測(cè)量、表面缺陷檢測(cè)與良次品分選，具有快速、高效、非接觸、高精度、自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高注塑齒輪加工質(zhì)量和企業(yè)生產(chǎn)效率具有重要意義。

2 檢測(cè)對(duì)象及檢測(cè)要求

檢測(cè)對(duì)象為白色注塑雙聯(lián)齒輪，其大、小齒輪為直齒或斜齒齒輪。根據(jù)注塑齒輪的尺寸、存在的缺陷類(lèi)型以及企業(yè)的生產(chǎn)狀況，需滿(mǎn)足以下檢測(cè)要求。

2.1 檢測(cè)項(xiàng)

尺寸測(cè)量項(xiàng)包括：大齒輪齒頂圓直徑；小齒輪齒頂圓直徑；中孔直徑；大齒輪齒頂圓與中孔的同心度；小齒輪齒頂圓與中孔的同心度。

外觀缺陷檢測(cè)項(xiàng)包括：中孔披鋒，即中孔內(nèi)部異常突出，又稱(chēng)飛邊、溢邊、毛刺； 黑點(diǎn)不良，即表面存在深色污跡；小齒輪缺齒；大齒輪缺齒。

2.2 測(cè)量精度

尺寸測(cè)量項(xiàng)中，中孔直徑測(cè)量精度0.01 mm，其余尺寸測(cè)量項(xiàng)精度0.03 mm。

2.3 檢測(cè)速度

根據(jù)注塑齒輪的最高生產(chǎn)效率，檢測(cè)速度要求大于每分鐘30個(gè)。

2.4 檢測(cè)模式

雙面檢測(cè)，注塑齒輪兩個(gè)端面均需檢測(cè)。

3 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

該分選檢測(cè)系統(tǒng)由機(jī)械、圖像采集、檢測(cè)軟件等幾部分組成。

機(jī)械部分是儀器實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能的基礎(chǔ)，也是保證儀器的定位精度和運(yùn)動(dòng)精度的關(guān)鍵[6]；圖像采集部分是實(shí)現(xiàn)高精度視覺(jué)測(cè)量的前提；多功能的交互式檢測(cè)軟件主要用于圖像處理、系統(tǒng)控制和結(jié)果反饋。該系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

3.1.1 機(jī)械部分

該檢測(cè)系統(tǒng)主體部分由玻璃轉(zhuǎn)盤(pán)、徑向定位裝置、位置傳感器、多個(gè)圖像采集裝置、氣動(dòng)分選裝置、玻璃清潔裝置等組成，其分布如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.1 Mechanical structure of the system

玻璃轉(zhuǎn)盤(pán)組件用于注塑齒輪的傳送；徑向定位裝置由兩個(gè)徑向定位輪組成，可以保證圖像采集時(shí)被測(cè)齒輪位于相機(jī)視野中心；光纖位置傳感器用于探測(cè)被測(cè)齒輪是否到達(dá)；圖像采集裝置用于被測(cè)齒輪的圖像采集；氣動(dòng)下料分選裝置由2個(gè)氣體通道組成，其末端為針形噴嘴，通過(guò)電磁閥開(kāi)閉控制氣流通斷，利用噴嘴釋放的瞬時(shí)氣流將注塑齒輪吹落至相應(yīng)的集料盒中，完成下料。

3.1.2 圖像采集

圖像采集系統(tǒng)由黑白面陣工業(yè)相機(jī)、雙遠(yuǎn)心鏡頭及光源組成。其中，光源是圖像采集系統(tǒng)的重要組成部分之一，光源選型及其照明方式極大地影響了視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用效果。為滿(mǎn)足尺寸和外觀缺陷同時(shí)檢測(cè)的設(shè)計(jì)要求，須采用前向照明方式，選取多種前向照明光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，照明效果如圖2所示。

(a)環(huán)形光照明(a)Ring illumination

(b)同軸光照明(b)Coaxial illumination

(c)同軸光與穹頂光組合照明(c)Coaxial light and dome light combined illumination

(d)穹頂光照明(d)Dome illumination圖2 多種光源照明效果Fig.2 Variety of light source illumination effect

圖2中，環(huán)形光源照明圖像齒廓對(duì)比度較低，難以對(duì)輪齒進(jìn)行邊緣提?。煌S光照明和組合照明會(huì)保留齒輪表面劃痕、紋理等細(xì)節(jié)，冗余信息較多，為后續(xù)的圖像處理增加了一定的難度；穹頂光照明均勻，圖像冗余信息較少，齒廓對(duì)比度高，從而很大程度上降低了圖像分割、邊緣提取和識(shí)別等算法的難度，提高了系統(tǒng)的檢測(cè)精度，故采用穹頂光源進(jìn)行照明。

3.1.3 檢測(cè)軟件

檢測(cè)軟件基于Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)，以Visual Studio 2015為開(kāi)發(fā)工具，利用C#語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。該軟件帶有可操作交互界面，操作簡(jiǎn)單、方便，可以實(shí)現(xiàn)相機(jī)控制、圖像顯示、參數(shù)輸入及管理、系統(tǒng)標(biāo)定、圖像及數(shù)據(jù)處理、結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、合格率統(tǒng)計(jì)、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控及異常報(bào)警等功能，軟件主界面如圖3所示。

圖3 檢測(cè)軟件界面Fig.3 Inspection software interface

3.2 工作原理

面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的注塑齒輪快速分選檢測(cè)系統(tǒng)工作原理如圖4所示。

圖4 工作原理示意圖Fig.4 Working principle of the system

注塑齒輪由注塑機(jī)下料機(jī)械手從模具中抓取到傳送帶上，隨傳送帶運(yùn)動(dòng)，經(jīng)導(dǎo)向桿引導(dǎo)至玻璃轉(zhuǎn)盤(pán)。PLC控制伺服電機(jī)并通過(guò)軸系帶動(dòng)玻璃轉(zhuǎn)盤(pán)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，將待檢注塑齒輪傳送至檢測(cè)系統(tǒng)各工位。注塑齒輪首先經(jīng)過(guò)定位機(jī)構(gòu)，通過(guò)兩個(gè)定位輪的撥擋作用實(shí)現(xiàn)徑向定位。當(dāng)光纖傳感器探測(cè)到注塑齒輪時(shí)，PLC立即根據(jù)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速及各個(gè)工位的位置，計(jì)算相機(jī)觸發(fā)信號(hào)及氣動(dòng)分選信號(hào)的延時(shí)。PLC根據(jù)延時(shí)觸發(fā)相機(jī)采集圖像，圖像由千兆網(wǎng)線(xiàn)傳輸至上位機(jī)，并通過(guò)軟件系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行尺寸測(cè)量和缺陷檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果通過(guò)IO卡傳輸至PLC，PLC根據(jù)檢測(cè)結(jié)果和分選信號(hào)延時(shí)來(lái)控制氣動(dòng)分選機(jī)構(gòu)中相應(yīng)的電磁閥工作，使針形噴嘴在注塑齒輪經(jīng)過(guò)的瞬間釋放氣流，將齒輪吹落至與檢測(cè)結(jié)果相對(duì)應(yīng)的收料盒中，最終完成注塑齒輪檢測(cè)及分選過(guò)程。

此外，軟件系統(tǒng)將會(huì)對(duì)注塑齒輪品質(zhì)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，當(dāng)單項(xiàng)或總體合格率低于閾值時(shí)，以及連續(xù)不合格數(shù)目達(dá)到閾值時(shí)，觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，指示燈和蜂鳴器報(bào)警。

4 檢測(cè)原理及關(guān)鍵算法

視覺(jué)檢測(cè)一般包括圖像采集、圖像預(yù)處理、特征提取和缺陷判別4個(gè)步驟。

4.1 圖像預(yù)處理

獲取圖像后，為了降低圖像噪聲，采用半徑為2的圓形濾波窗口對(duì)塑齒輪圖像進(jìn)行中值濾波處理，在去除椒鹽噪聲的同時(shí)又能保留圖像邊緣細(xì)節(jié)[7]。濾波完成后，采用最大類(lèi)間方差法[8]，以區(qū)域間方差最大為目標(biāo)確定分割閾值，進(jìn)行圖像分割，提取出齒輪區(qū)域，如圖5所示。

圖5 感興趣區(qū)域提取Fig.5 Region of interest extraction

4.2 特征提取及缺陷判定

根據(jù)檢測(cè)要求，需要對(duì)注塑齒輪的5個(gè)尺寸測(cè)量項(xiàng)和4個(gè)缺陷檢測(cè)項(xiàng)進(jìn)行視覺(jué)檢測(cè)。其中，尺寸測(cè)量項(xiàng)的缺陷判別通過(guò)比較測(cè)量結(jié)果與其公差上、下限來(lái)實(shí)現(xiàn)，若在公差范圍內(nèi)則判定該項(xiàng)檢測(cè)合格，否則，不合格。

4.2.1 大齒輪齒頂圓直徑

大齒輪為右旋斜齒輪，如圖6所示。右齒廓較左齒廓灰度梯度小且均勻，邊緣不易提取，由于無(wú)法提取完整的齒廓，增加了齒頂點(diǎn)提取和齒頂圓測(cè)量算法通用化的難度。

圖6 輪齒Fig.6 Gear teeth

為解決上述問(wèn)題，提出根據(jù)理論分度圓及齒厚定位齒頂點(diǎn)的方法，實(shí)現(xiàn)了斜齒齒頂點(diǎn)的準(zhǔn)確提取，具體步驟如下：

(1)提取齒頂部分感興趣區(qū)域

首先，需要將大齒的齒頂區(qū)域分割出來(lái)。求取圖5齒輪區(qū)域的最小外接圓，獲取其圓心Ob1的坐標(biāo)(xOb1，yOb1)，粗定位齒頂圓圓心。

已知被測(cè)齒輪齒頂圓半徑理論值Rab0與齒根圓半徑理論值Rfb0，以Rfb0及Rab0為內(nèi)外圓半徑、以O(shè)b1(xOb1，yOb1)為圓心生成一個(gè)環(huán)形區(qū)域并向外擴(kuò)展幾個(gè)像素，用濾波后的圖像與該區(qū)域作交集，提取出大齒輪齒頂區(qū)域，如圖7所示。

(2)基于Canny算子的雙閾值Zernike矩亞像素邊緣提取

圖像邊緣指圖像中灰度快速變化的位置，根據(jù)邊緣像素灰度值不連續(xù)的特點(diǎn)，可以通過(guò)基于Canny算子[9-10]的雙閾值邊緣提取算法來(lái)檢測(cè)邊緣，其基本思想是在濾波后的圖像中找出圖像灰度梯度幅值的極大值點(diǎn)，算法的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

圖7 大齒輪齒頂區(qū)域Fig.7 Top area of the large gear

使用高斯濾波器對(duì)圖像進(jìn)行高斯濾波去噪，使用的二維高斯函數(shù)如式(1)所示：

(1)

Canny算子使用2×2窗口大小的一階偏導(dǎo)數(shù)有限差分，計(jì)算經(jīng)過(guò)高斯濾波器濾波后的圖像I(i，j)的梯度幅值和梯度方向，其中沿x和y方向的偏導(dǎo)數(shù)分別為：

(2)

(3)

梯度幅值為：

(4)

梯度方向?yàn)椋?/p>

(5)

其中：M(i，j)為圖像上點(diǎn)(i，j)處的邊緣強(qiáng)度，θ(i，j)為圖像上點(diǎn)(i，j)處的法向矢量，垂直于邊緣的方向。

邊緣的梯度為局部極大值，Canny算法選用了一個(gè)3×3大小、包含8個(gè)不同方向的模板作用于幅值陣列，對(duì)局部邊緣梯度幅值比較大的非極大值進(jìn)行抑制，得到圖像N(i，j)。

為了消除由噪聲和紋理引起的假邊緣，進(jìn)行雙閾值處理：首先，設(shè)置高閾值Th和低閾值Tl兩個(gè)閾值。對(duì)圖像N(i，j)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，高于Th的像素全部提取，作為第一選定邊緣；低于Tl的像素作為非邊緣像素；像素梯度幅值在Tl與Th之間的像素，若與第一選定邊緣相連，則將此像素確定為邊緣像素，否則為非邊緣像素。

為避免邊緣斷裂，在每條邊緣端點(diǎn)處搜索并連接端點(diǎn)距離小于3個(gè)像素的邊緣。為了進(jìn)一步避免噪聲及細(xì)小紋理邊緣的影響，計(jì)算每條邊緣的長(zhǎng)度，剔除長(zhǎng)度小于3個(gè)像素的邊緣以消除噪聲邊緣的影響。

根據(jù)上述邊緣提取方法獲取了像素級(jí)邊緣點(diǎn)，然后采用Zernike矩亞像素邊緣檢測(cè)方法進(jìn)行亞像素邊緣提取，獲取部分齒廓邊緣及齒頂邊緣信息，如圖8所示。

圖8 大齒輪邊緣提取Fig.8 Edge extraction of large gear

(3)齒頂點(diǎn)提取

已知注塑齒輪基本參數(shù)理論值，以大齒輪分度圓半徑理論值Rb0為直徑，以上述齒頂圓圓心粗定位點(diǎn)Ob1(xOb1，yOb1)為圓心作分度圓，與圖8大齒輪邊緣相交，獲得與齒數(shù)相等個(gè)交點(diǎn)，如圖9所示。

圖9 分度圓與斜齒輪邊緣交點(diǎn)Fig.9 Intersection point between reference circle and helical gear contour

圖10 斜齒輪齒頂點(diǎn)提取示意圖Fig.10 Extraction of helical gear tooth vertex

根據(jù)上述方法獲取每個(gè)齒的齒頂點(diǎn)。為減小隨機(jī)誤差的影響，在齒頂點(diǎn)左右共取5個(gè)邊緣點(diǎn)，用于齒頂圓的擬合。

(4)齒頂圓擬合

采用最小二乘法[11]進(jìn)行圓擬合，設(shè)提取出的齒頂點(diǎn)坐標(biāo)為(xbi，ybi)，i=1，2，…，n，最小二乘圓的圓心坐標(biāo)為Ob(xOb，yOb)，半徑為Rab，根據(jù)最小二乘法原理，有：

Min(ε2)=

(6)

根據(jù)最小二乘法擬合齒頂圓，求其圓心坐標(biāo)Ob2(xOb2，yOb2)及直徑。

(5)重復(fù)計(jì)算

為了提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度，用最小二乘法擬合所得齒頂圓圓心Ob2代替粗定位齒頂圓圓心Ob1，重復(fù)上述步驟(3)和步驟(4)，再次求取齒頂圓圓心和齒頂圓直徑的精確解Ob(xOb，yOb)和Dab。

4.2.2 中孔直徑

首先根據(jù)中孔直徑理論值將中孔區(qū)域分割出來(lái)，獲得定義域?yàn)橹锌讌^(qū)域的圖像；然后利用基于Canny算子的雙閾值亞像素邊緣提取方法提取中孔邊緣；最后利用最小二乘法擬合中孔圓，求得中孔圓心坐標(biāo)Oh(xOh，yOh)和中孔直徑測(cè)量值Dh。

4.2.3 大齒輪同心度

圓柱齒輪的齒頂圓與其中孔在理論上應(yīng)是同軸的，但在齒輪的注塑成型過(guò)程中，由于模具精度、冷卻變形等原因，可能造成兩圓柱的軸不重合，產(chǎn)生同軸度誤差，影響齒輪的傳動(dòng)精度。

同軸度誤差反應(yīng)在截面上的圓心不同心為同心度，同心度誤差即為圓心的偏移程度。

同心度Δbh計(jì)算公式為：

(7)

其中：Ob(xOb，yOb)為大齒輪齒頂圓心，Oh(xOh，yOh)為中孔圓圓心。

4.2.4 小齒輪齒頂圓直徑

小齒輪為直齒齒輪，首先根據(jù)其齒頂圓、齒根圓直徑理論值和中孔圓心測(cè)量值Oh(xOh，yOh)，提取小齒輪輪齒部分的圖像，如圖11(a)所示。然后根據(jù)基于Canny算子的雙閾值亞像素邊緣提取方法，提取小齒輪輪齒邊緣，如圖11(b)所示。

(a)小齒輪輪齒部分(a)Tooth area of small gear

(b)小齒輪邊緣(b)Edge of small gear圖11 小齒輪邊緣提取Fig.11 Edge extraction of small gear

小齒輪分度圓直徑理論值為Ds0，以中孔擬合圓心Oh(xOh，yOh)為圓心、以1/2Ds0為半徑，作小齒輪的理論分度圓，如圖12(a)所示，與小輪齒輪廓交于2倍小齒輪齒數(shù)個(gè)交點(diǎn)。

以上述交點(diǎn)為起點(diǎn)、中孔中心Oh(xOh，yOh)為圓心、小齒輪分度圓半徑理論值1/2Ds0為半徑、小齒輪齒厚理論值Ss的一半為弧長(zhǎng)，沿同一方向作圓弧，再由中孔擬合圓心向各圓弧末端點(diǎn)作一條射線(xiàn)，該射線(xiàn)若與齒輪輪廓相交，則該交點(diǎn)為小齒輪齒頂點(diǎn)，如圖12(b)。

(a)直齒輪分度圓與輪廓交點(diǎn)(a)Intersection point between reference circle and spur gear contour

(b)直齒輪齒頂點(diǎn)提取(b)Extraction of spur gear tooth vertex圖12 直齒輪齒頂點(diǎn)提取Fig.12 Extraction of spur gear tooth vertex

為減小隨機(jī)誤差的影響，在齒頂點(diǎn)左右共取5個(gè)邊緣點(diǎn)，采用最小二乘法擬合小齒輪齒頂圓，求解其圓心坐標(biāo)Os(xOs，yOs)及直徑Das。

4.2.5 小齒輪同心度

小齒輪齒頂圓圓心為Os(xOs，yOs)，中孔圓心為Oh(xOh，yOh)，同心度Δsh計(jì)算公式為：

(8)

4.2.6 中孔披鋒

中孔披鋒指中孔部位存在多余的膠料或毛刺，選取中孔披鋒最大徑向長(zhǎng)度lh作為判別該缺陷的幾何特征，lh為中孔各輪廓點(diǎn)與中孔擬合圓最小距離的最大值：

(9)

其中：(xhi，yhi)為中孔輪廓點(diǎn)坐標(biāo)，(xOh，yOh)為中孔圓心坐標(biāo)，Rh、Dh分別為中孔擬合圓半徑和直徑，如圖13所示。

圖13 中孔披鋒最大徑向長(zhǎng)度Fig.13 Maximum radial length of burr on hole

根據(jù)中孔披鋒的檢測(cè)要求，給出缺陷判別函數(shù)：

(10)

其中：Hlh為中孔披鋒徑向最大允許尺寸。若lh超過(guò)Hlh，則為中孔披鋒不良；否則，該項(xiàng)檢測(cè)合格。

4.2.7 大齒輪齒數(shù)

大齒輪輪廓邊緣的數(shù)量可以反映實(shí)際齒數(shù)，計(jì)算圖8中邊緣數(shù)量，即為大齒輪齒數(shù)檢測(cè)值z(mì)b，將其與理論齒數(shù)進(jìn)行比較，若相等，該項(xiàng)檢測(cè)合格，反之不合格。

4.2.8 小齒輪齒數(shù)

經(jīng)過(guò)邊緣提取處理獲取的小齒輪輪齒邊緣個(gè)數(shù)可反映實(shí)際齒數(shù)，計(jì)算圖11(b)中邊緣的數(shù)量，即為小齒輪齒數(shù)檢測(cè)值z(mì)s。將其與理論齒數(shù)進(jìn)行比較，若相等，該項(xiàng)檢測(cè)合格，反之不合格。

4.2.9 黑點(diǎn)不良

首先提取感興趣區(qū)域的圖像設(shè)為f(x，y)，圖像分割閾值為黑點(diǎn)灰度上限值T，T根據(jù)產(chǎn)品外觀要求進(jìn)行設(shè)定，分割后的二值圖像為b(x，y)，則閾值分割函數(shù)如式(11)所示：

(11)

遍歷圖像所有像素，當(dāng)像素灰度小于或等于該灰度閾值時(shí)，將該像素值置1，否則置0，得到二值圖像。

計(jì)算每個(gè)連通域的最小外接圓直徑的長(zhǎng)度li，剔除li

(12)

若Num=0，則為黑點(diǎn)不良；否則，該項(xiàng)檢測(cè)合格。

4.3 良次品判定

根據(jù)上述9個(gè)檢測(cè)項(xiàng)的檢測(cè)結(jié)果對(duì)被檢注塑齒輪進(jìn)行良次品判定：若注塑齒輪兩個(gè)端面所有檢測(cè)項(xiàng)均合格，則該注塑齒輪為合格品；若存在一項(xiàng)或多項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果不合格，則該注塑齒輪為不合格品。

5 檢測(cè)實(shí)踐

注塑齒輪快速分選檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物如圖14所示，將該系統(tǒng)投入日產(chǎn)量2萬(wàn)件的注塑齒輪自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)試運(yùn)行了180天，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可以滿(mǎn)足注塑齒輪生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間、大批量在線(xiàn)檢測(cè)的需求。

為進(jìn)一步測(cè)試系統(tǒng)性能，分別對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了尺寸測(cè)量復(fù)性試驗(yàn)、檢測(cè)速度試驗(yàn)和缺陷判別準(zhǔn)確率試驗(yàn)。

圖14 檢測(cè)系統(tǒng)Fig.14 Inspection system

5.1 測(cè)量重復(fù)性

將注塑齒輪置于玻璃轉(zhuǎn)盤(pán)上，在相同條件下對(duì)其尺寸測(cè)量項(xiàng)進(jìn)行30次重復(fù)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 尺寸測(cè)量結(jié)果

測(cè)量結(jié)果顯示，各測(cè)量項(xiàng)重復(fù)測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.001 2，極差均在0.005 mm以?xún)?nèi)，該檢測(cè)設(shè)備整體測(cè)量重復(fù)性小于0.005 mm。

5.2 測(cè)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)

人工檢測(cè)常借助千分尺或影像儀進(jìn)行尺寸測(cè)量。千分尺測(cè)量方法為接觸式測(cè)量，注塑齒輪受力產(chǎn)生變形，因此測(cè)量結(jié)果往往偏小，并且測(cè)量時(shí)僅通過(guò)兩點(diǎn)確定齒頂圓直徑，受粗大誤差影響較大；影像儀測(cè)量方法通過(guò)人工選取3個(gè)及以上齒頂點(diǎn)進(jìn)行圓擬合，這兩種方法都需要人工操作，測(cè)量結(jié)果受人為因素影響較大。以注塑齒輪齒頂圓直徑測(cè)量為例，分別用千分尺、影像儀和本文研制的檢測(cè)系統(tǒng)各進(jìn)行了10次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

通過(guò)3種方法的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比可知，千分尺測(cè)量值較其他兩種檢測(cè)方法偏小，標(biāo)準(zhǔn)差和極差最大，檢測(cè)速度較慢；影像儀測(cè)量法需要人工選點(diǎn)，檢測(cè)速度最慢；本文提出的檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量值極差為0.002 mm，重復(fù)精度最高，檢測(cè)速度最快。

5.3 檢測(cè)速度試驗(yàn)

檢測(cè)時(shí)間由軟件計(jì)算，從相機(jī)觸發(fā)拍照開(kāi)始計(jì)時(shí)，到圖像處理完成給出判別信號(hào)結(jié)束。結(jié)果如圖15所示，每個(gè)注塑齒輪平均用時(shí)0.33 s，最高用時(shí)0.35 s，因此，該檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)速度大于150個(gè)/min。

圖15 檢測(cè)時(shí)間Fig.15 Inspection time

5.4 缺陷判別試驗(yàn)

選取100個(gè)包含所有缺陷類(lèi)型的注塑齒輪，使用該系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)、分選，記錄其檢測(cè)結(jié)果。然后用千分尺人工測(cè)量這100個(gè)塑料齒輪的各項(xiàng)尺寸，用顯微鏡觀察外觀缺陷，記錄人工檢測(cè)結(jié)果，并與該系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果相比較，結(jié)果對(duì)比如表4所示，兩種檢測(cè)方法得到的檢測(cè)結(jié)果相同，系統(tǒng)缺陷檢測(cè)準(zhǔn)確率為100%。

表4 齒輪缺陷檢測(cè)結(jié)果

6 結(jié) 論

本文根據(jù)注塑齒輪多測(cè)量項(xiàng)、大批量、高效率等在線(xiàn)檢測(cè)要求，提出運(yùn)用視覺(jué)檢測(cè)的方法，研發(fā)了一套面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的注塑齒輪快速分選檢測(cè)系統(tǒng)，介紹了其機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理、視覺(jué)檢測(cè)算法及軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)成功克服了注塑齒輪生產(chǎn)批量大、尺寸小、剛度小、缺陷類(lèi)型多樣等檢測(cè)困難，實(shí)現(xiàn)了注塑齒輪尺寸及外觀缺陷的快速、非接觸、自動(dòng)化在線(xiàn)檢測(cè)。

試驗(yàn)結(jié)果證明，該檢測(cè)系統(tǒng)尺寸測(cè)量重復(fù)性≤0.005 mm，檢測(cè)速度大于150個(gè)/min，缺陷判定及分選功能準(zhǔn)確無(wú)誤，可以滿(mǎn)足面向工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的注塑齒輪快速、大批量的檢測(cè)需求。