基于機器視覺技術軸承缺陷檢測應用

軸承視覺檢測技術，軸承被稱為工業(yè)的“心臟”，是一種廣泛應用的精密基礎部件。

除基本型外，還有各種變型結構，如帶防塵蓋的、帶橡膠密封圈的、帶止動槽的等?；拘蜕顪锨蜉S承主要由外圈、內(nèi)圈、鋼球、保持架、鉚釘組成。

以汽車為例，一輛汽車通常有約30種50余套軸承，分布在汽車底盤、變速箱、輪轂、剎車盤、發(fā)動機等位置，行駛中高速轉(zhuǎn)動的軸承有絕對的承上啟下的作用，容不得一點閃失，也關乎汽車的壽命和質(zhì)量。

目前我國軸承產(chǎn)業(yè)規(guī)模已居世界軸承總量第三位，然而，在成品軸承外觀檢測上，基本依賴于人工，在工業(yè)領域，質(zhì)檢要想擺脫人力就必須進行技術升級和轉(zhuǎn)型。

保證出廠軸承的良品率至關重要

軸承作為現(xiàn)代機械設備中的重要零部件，主要功能是支撐機械旋轉(zhuǎn)體，降低運動過程中的摩擦系數(shù)，并保證其回轉(zhuǎn)精度。

在生產(chǎn)中，質(zhì)檢是重要的一環(huán)。通常情況下，質(zhì)檢員采用人工肉眼觀察、手指轉(zhuǎn)動軸承等質(zhì)檢方式挑出表面有油污、劃痕等缺陷的軸承。

但質(zhì)檢結果易受人為因素影響，檢驗標準難以保持一致，穩(wěn)定性差且易漏檢，始終不能做到良品率100%。

就汽車而言，汽車的動力、可靠性、安全性和舒適性都與其息息相關。

因此，保證出廠軸承的良品率至關重要。

軸承常見的表面缺陷一般有以下幾種：

1.麻點

零件表面呈分散或群集狀的細小坑點,呈黑色針孔狀凹坑,有一定深度,個別存在或密集分布。形成原因為金屬表面疲勞,在滾動接觸應力的循環(huán)作用下,金屬亞表面形成微觀裂紋,并逐漸發(fā)展成凹坑狀。

2.擦傷

零件表面因滑動摩擦而產(chǎn)生的金屬遷移現(xiàn)象，其形態(tài)特征為沿軸承零件的滑動方向，并具有一定的長度和深度的表面機械性損傷，這種缺陷多發(fā)生在軸承零件的工作面。

3.裂損

軸承零件金屬的連續(xù)性遭到破壞而產(chǎn)生的損傷，呈現(xiàn)線狀，方向不定有一定的長度和深度，有時肉眼不可見，磁化后有聚粉現(xiàn)象。

由于軸承表面缺陷形態(tài)各異，有些缺陷形態(tài)差別很大，很難找出這類缺陷的共同特點，造成識別上的困難。

有些缺陷目標的空間分布范圍由單一連通的空間區(qū)域組成，而有些缺陷目標則可能由多個子區(qū)域組成；有些缺陷目標具有相當大的形狀任意性和復雜性，并且不同類別的缺陷形狀有可能相當接近，從而使目標和特征之間失去一一對應關系。有些非缺陷，如油印與缺陷非常相似，可能被誤認成缺陷。

基于機器視覺技術軸承缺陷檢測應用

眾所周知，3C電子制造行業(yè)要求使用無塵車間生產(chǎn)，為AI質(zhì)檢提供了良好的環(huán)境。然而，軸承零部件行業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境卻要差很多，即使是號稱使用“無塵車間”的成品軸承生產(chǎn)，其環(huán)境也只是相對干凈和無塵，卻無法與3C電子行業(yè)的無塵車間相提并論。

其次，軸承外觀檢測往往依賴于人，對工藝、要求的認知極大程度上依賴于行業(yè)經(jīng)驗的判斷，軸承缺陷種類繁多，如端面缺陷、外徑缺陷、內(nèi)徑磨削燒傷等，有些瑕疵普通人甚至很難用肉眼觀測得到。

這種情況下，對傳統(tǒng)的檢測方式無疑提出了很大的挑戰(zhàn)。

近幾年，機器視覺在軸承行業(yè)的發(fā)展突飛猛進，已經(jīng)實現(xiàn)的功能主要如下：

宏觀缺陷的檢測

1）滾動體的數(shù)量和位置識別與判定。

2）密封件的標識內(nèi)容、形狀、外觀的識別與判定。

3）套圈表面、滾子表面宏觀裂紋、磕碰等缺陷的識別與判定。

微觀缺陷的檢測

1）軸承零件半成品的尺寸形狀檢測與判定（精度±0.01mm）?？蓪崿F(xiàn)鍛件、車件、保持架、密封圈等主要尺寸精度在0.01mm以上的檢測。目前已經(jīng)穩(wěn)定實現(xiàn)，并有不少實際應用。

2）軸承零件成品的尺寸形狀檢測與判定（精度±0.001mm）。由于成品零件尺寸形狀精度普遍達到0.001mm，通過單純的光學成像原理來檢測很難達到其精度等級。目前國內(nèi)有一些科創(chuàng)企業(yè)通過后處理算法的優(yōu)化，對檢測精度進行了大幅的提高。

3）軸承零件表面微觀裂紋、麻點、磕碰傷等缺陷的識別與判定。

機器視覺智能在線檢測，摒棄繁瑣低質(zhì)的人工肉眼檢測方式，提升并改進軸承品質(zhì)。

以精加工軸承內(nèi)環(huán)外環(huán)凹槽表面缺陷檢測為例：

根據(jù)軸承特性，視覺系統(tǒng)圖像采集的實際視野大小，寬度方向為10mm左右（軸承實際寬度為7mm左右），本案例采用2K的線掃相機，寬度方向能夠達到的最大分辨率為2048個像素。

相機像素精度=單方向視野范圍大小/相機單方向分辨率。

系統(tǒng)的相機像素精度為10mm/2048pix = 0.0048mm/pix，即每個像素的寬度為0.0048mm。我們規(guī)定缺陷直徑方向上最少有5個像素，所以能夠檢測到寬度0.024mm的缺陷。

采用4K線掃相機，能檢測寬度為0.012mm的缺陷；

采用8K線掃相機，能檢測寬度為0.006mm的缺陷；

本系統(tǒng)視覺組件：2K線掃工業(yè)相機，Schneider線掃工業(yè)鏡頭，鏡頭附加鏡，專用線掃光源，高精度旋轉(zhuǎn)平臺，工業(yè)內(nèi)窺鏡。

表面缺陷檢系統(tǒng)硬件：MV-VS078FC 1024х768面陣相機，M0814-MP 鏡頭，CCD條形光源，高精度旋轉(zhuǎn)平臺

工業(yè)線掃相機具體參數(shù)如下所示：

鏡頭選型

根據(jù)實際情況，圖像采集系統(tǒng)選擇 M0814-MP 鏡頭，該鏡頭結構設計較為緊湊，分辨率也較高，畸變小（小于 1.0%），非常適合需要高精度的檢測場合。此外，鏡頭上面設計有鎖緊螺母，用于在定好焦距和光圈后進行鏡頭鎖緊，防止圖像采集過程中由于震動而使焦距發(fā)生變化而影響圖像的采集效果。

光源選型

選擇的光源是LED 高角度條形光，型號為 LDR2-90SW，顏色為白色，耗電量為24V/4.2W，發(fā)光面積為100mm×80mm，厚為8mm。

精度分析

根據(jù)軸承特性，視覺系統(tǒng)圖像采集的實際視野大小，寬度方向為10mm左右（軸承實際寬度為7mm左右），長度方向為14本實驗采用1024х768面陣相機，長度方向能夠達到的最大分辨率為1024像素，寬度方向能夠達到的最大分辨率為768個像素。

滾動軸承內(nèi)圈缺陷檢測的 CCD 成像系統(tǒng)設計

為了能利用 CCD 面陣攝像機對軸承外圈表面成像 ，需要用機械設備支撐軸承軸部，使其能轉(zhuǎn)動。用面陣 CCD 攝像頭垂直于軸承外圈面(軸承的法線方向)，光源對著軸承外圈面。

滾動軸承外圈缺陷的 CCD 成像系統(tǒng)設計

CCD 攝像機配合光源對軸承外圈滾道面進行了圖像采集，如果金屬表面存在缺陷，其形態(tài)、大小、程度會反映在圖像上，通過專門的圖像檢測軟件，發(fā)現(xiàn)缺陷并對其進行分類。

相機和光源的布置如下圖所示，相機光源布置在軸承外圈兩側，來防止出現(xiàn)一側遮擋現(xiàn)象。

審核編輯 ：李倩