-
TECHNISCHES GEBIET
-
Diese Erfindung betrifft allgemein Metallgussteile und sichtbasierte, kontaktlose Inspektionssysteme zum Inspizieren von Metallgussteilen.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Hersteller von Metallgusskomponenten mit bearbeiteten Oberflächen inspizieren typischerweise jede Komponente, um ein Vorhandensein von Oberflächenfehlern zu identifizieren, um zu ermitteln, ob die Komponente Qualitätsstandards erfüllt. Interessierende Oberflächenfehler umfassen typischerweise Poren oder Öffnungen, die auf Hohlräume in dem Metallguss hinweisen. Solche Hohlräume werden zum Beispiel durch Verunreinigungen in dem Gussmetall und durch Metallfließprobleme während des Gießvorgangs verursacht. Eine spezielle Pore kann auf einen kleinen Hohlraum hinweisen, oder sie kann auf einen viel größeren Hohlraum unter der Oberfläche hinweisen und zu ihm hinführen. Eine Pore kann sich an einer kritischen Stelle in dem Gussteil befinden, wie zum Beispiel einem Rand eines Gussstücks oder nahe einer Wärme beeinflussten Zone, und die Gesamtqualität des Teils und die Leistungsfähigkeit beim Gebrauch beeinträchtigen. Alternativ kann sich eine Pore an einer unkritischen Stelle befinden, mit geringer oder keiner Auswirkung auf die Qualität des Teils und die Verlässlichkeit und Leistungsfähigkeit beim Gebrauch. Hohlräume in dem Gussstück, die typischerweise mit Oberflächenfehlern zusammenhängen, umfassen zum Beispiel eine kleine isolierte Öffnung, eine Pore mit einem konkaven Bereich, eine konvexe Hülle in dem Gussstück, die vor einer Porenseparation erzeugt wurde, eine obere randverbundene Pore oder eine randverbundene Pore an der Innenseite eines konkaven Bereichs.
-
Ein bestehendes Verfahren und eine bestehende Vorrichtung zum Inspizieren und Detektieren von Oberflächenfehlern umfasst, dass ein menschlicher Bediener eine bearbeitete Oberfläche unter Verwendung einer MYLARTM-Schablone (oder einer entsprechenden Schablone) vermisst und das Ergebnis visuell beurteilt, um daraus Fehler zu identifizieren und zu detektieren. Die Qualität und Verlässlichkeit einer derartigen Inspektion unterliegt der Gesamtbefähigung und Leistungsfähigkeit des Bedieners über die Zeit.
-
Ein zweites Verfahren und System wurden entwickelt, die einen Oberflächenporositäts-Inspektionsprozess umfassen, der eine Zeilenscan-Kamera und ein Beleuchtungssystem verwendet, um ein Bild einer Oberfläche zu beschaffen. Software wurde entwickelt, um die Oberflächenporen unter Verwendung eines adaptiven Schwellenwerts und einer Charakterisierung von isolierten und randverbundenen Poren zu beurteilen. Ein Graustufenprozess mit adaptivem Schwellenwert erzeugt ein Schwarzweißbild der Oberfläche. Ein invertiertes binäres (d. h. reines schwarz und weiß) Bild wird zur Verarbeitung dargestellt, um die Poren unter Verwendung von Algorithmen zu identifizieren. Aufgrund von Beschränkungen, die sich auf die Identifizierung von Oberflächenfehlern mit randverbundenen Poren beziehen, ist ein derartiges System in einer Fertigungs-Produktionsumgebung nicht robust. Diese Beschränkungen umfassten eine Unfähigkeit, eine Pore mit einem konkaven Bereich, eine konvexe Hülle, die vor einer Porenseparation erzeugt wurde oder eine randverbundene Pore an einer Innenseite eines konkaven Bereichs verlässlich zu detektieren. Zusätzlich kann die Größe von Ausbuchtungsfehlern und benachbarten Poren ungenau gemessen werden, was zu falschen Detektionen führt. Des Weiteren kann das System kleine Fehler oder scharfe Merkmale oder engwinklige Merkmale falsch detektieren. Ein derartiges System erfordert typischerweise, dass ein Bediener die Teile nach der Maschineninspektion in Verbindung mit der Analyse von dem Inspektionssystem inspiziert und sortiert, wobei der Zweck der Inspektionsstation zunichte gemacht und das Risiko menschlichen Versagens in den Prozess eingeführt wird.
-
Deshalb gibt es einen Bedarf, eine Oberfläche eines bearbeiteten Metallgussteils bei Fertigungslinien-Verarbeitungsgeschwindigkeiten objektiv zu inspizieren und zu analysieren, um Fehler genau, wiederholbar und verlässlich zu identifizieren, um so Fehler eines falschen Durchlassens zu minimieren und zu beseitigen. Es gibt ferner einen Bedarf, kompliziert geformte Fehler und Fehler mit hoher Dichte und kleiner Größe verlässlich zu identifizieren. Es gibt ferner einen Bedarf, die Einbindung eines Bedieners in den Inspektionsprozess zu minimieren und die Teiledurchsatzrate des Inspektionsprozesses zu verbessern.
-
Ein Verfahren zum automatischen Untersuchen von Stahlbauteilen auf Oberflächenfehler mittels elektronischer Kameras ist in der
US 4 519 041 A offenbart.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein effektiveres Inspizieren von Metallguss-Bauteilen zu ermöglichen.
-
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren und ein System eine computerbasierte, visuelle, kontaktlose Inspektion von bearbeiteten Oberflächen von Metallgussteilen zur Verfügung, um Oberflächenfehler gemäß vorbestimmter Qualitätsspezifikationen verlässlich zu identifizieren und zu detektieren. Das offenbarte Verfahren und das offenbarte System arbeiten bei Produktionsliniengeschwindigkeit. Das Verfahren und das System stellen ein sichtbasiertes System zur Verfügung, um spezielle Gießfehler, die allgemein als Poren bekannt sind, zu identifizieren und zu beurteilen, und beseitigen eine Notwendigkeit einer eingehenden Bedienung und Interaktion durch einen Bediener, die zuvor erforderlich waren, um kritische bearbeitete Oberflächen bestimmter Komponenten, zum Beispiel gegossener Motorkomponenten, visuell zu inspizieren. Das Verfahren und das System verringern die Teilebeurteilungszeit, verbessern die Produktverlässlichkeit und schaffen eine größere Konsistenz der Teilebeurteilung, während sie eine potenziell willkürliche Entscheidungsfindung durch einen Bediener in Bezug auf die Oberflächenqualität beseitigen, die in einer Produktionsumgebung auftreten kann. Im Allgemeinen werden alle Teile unter Verwendung des gleichen Messsystems und der gleichen Beurteilungskriterien beurteilt, und unannehmbare Teile werden automatisch aus der Fertigungslinie entfernt.
-
Das vorliegende Verfahren und System zum Beurteilen einer bearbeiteten Oberfläche eines Metallgussteils umfassen vorzugsweise mehrere Förderer, die dazu dienen, das Metallgussteil zu einer Porositätsinspektionsstation und von dieser weg zu bewegen. Die Porositätsinspektionsstation umfasst eine monochrome Digitalkamera, eine Beleuchtungsstation und eine präzisionsgesteuerte Übergabestation. Es gibt eine Computerarbeitsstation, die mehrere datenverarbeitende Computer und eine graphische Benutzerschnittstelle aufweist. Die Arbeitsstation ist funktionsmäßig mit den mehreren Förderern verbunden und signalmäßig und funktionsmäßig mit der Porositätsinspektionsstation verbunden.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung dienen das System und das Verfahren dazu, ein originales Pixelbild der bearbeiteten Oberfläche zu erfassen, wobei jedes Pixel eine digitalisierte Darstellung eines Abschnitts der bearbeiteten Oberfläche umfasst, und auf der Grundlage von vorbestimmten Kriterien bekannte Konstruktionsmerkmale der Oberfläche in dem originalen Pixelbild zu identifizieren. Das originale Pixelbild der bearbeiteten Oberfläche wird auf der Grundlage der identifizierten Konstruktionsmerkmale in einem XY-Koordinatensystem ausgerichtet und skaliert. Ein invertiertes digitales Bild der bearbeiteten Oberfläche wird aus dem skalierten Pixelbild erzeugt. Ein invertiertes Vergleichsbild der bearbeiteten Oberfläche wird erzeugt, wobei die identifizierten Konstruktionsmerkmale aus dem invertierten digitalen Bild herausgefiltert werden. Das invertierte digitale Bild wird pixelweise mit dem invertierten Vergleichsbild verglichen. Jedes Oberflächenmerkmal, das in dem invertierten digitalen Bild und in dem invertierten Vergleichsbild vorhanden ist, wird identifiziert. Jedes identifizierte Oberflächenmerkmal wird durch Vergleich mit einem Schwellenwert analysiert. Ein Fehler für ein Oberflächenmerkmal wird identifiziert, wenn der Schwellenwert überschritten wird.
-
Ein anderer Aspekt der Erfindung umfasst, dass die Computerarbeitsstation dazu dient, die mehreren Förderer zu steuern, um die Metallgusskomponente in eine Position zur weiteren Bearbeitung zu bewegen, wenn eine Anzahl von identifizierten Fehlern unterhalb eines Schwellenwerts liegt. Die Computerarbeitsstation dient dazu, die mehreren Förderer zu steuern, um die Metallgusskomponente aus einer Position zur weiteren Bearbeitung heraus zu bewegen, wenn die Anzahl der identifizierten Fehler den Schwellenwert übersteigt.
-
Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, das Verfahren und das System mit einem Entscheidungsschema zu versehen, bei dem nur Teile für eine weitere Bearbeitung angenommen werden, welche die vorbestimmten Qualitätsspezifikationen erfüllen.
-
Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, das Verfahren und das System mit einem Schema zu versehen, um die Dichte von Oberflächenfehlern innerhalb eines speziellen interessierenden Bereichs zu identifizieren.
-
Es ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, Oberflächenfehler zu identifizieren, die aufweisen: einen konkaven Bereich, und, wenn eine konvexe Hülle vor der Fehlerseparation (Porenseparation) erzeugt wird, eine obere randverbundene Pore, eine isolierte Pore und eine randverbundene Pore an einem inneren Abschnitt eines konkaven Bereichs. Es ist auch ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine Pore und einen Fehler in Beziehung zu benachbarten Fehlern und scharfen oder engwinkligen Merkmalen zu analysieren.
-
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden dem Fachmann durch Lesen und Verstehen der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen ersichtlich werden.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die Erfindung kann in bestimmten Teilen und einer bestimmten Anordnung von Teilen eine physikalische Form annehmen, deren Ausführungsform detailliert beschrieben wird und in den begleitenden Zeichnungen, die einen Teil hiervon bilden, dargestellt wird, wobei:
-
1 eine schematische Grundrissdarstellung eines beispielhaften Inspektionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
-
2 eine schematische Vorderansichtsdarstellung eines Elements des beispielhaften Inspektionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
-
3 eine schematische Grundrissdarstellung eines Elements des beispielhaften Inspektionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
-
4 eine schematische Seitenansichtsdarstellung eines Elements des beispielhaften Inspektionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
-
4A eine detaillierte Grundrissdarstellung eines Elements des beispielhaften Inspektionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
-
5 eine Darstellung eines ersten Flussdiagramms zum Beurteilen einer Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
-
6 eine Darstellung eines zweiten Flussdiagramms zum Beurteilen einer Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
-
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen die Darstellungen nur zum Zweck der Veranschaulichung der Erfindung dienen und nicht zum Zweck der Beschränkung derselben, zeigt 1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Sichtsystems, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert worden ist. Das beispielhafte Sichtsystem umfasst einen Zuführförderer 12, eine Porositätsinspektionsstation 14, einen Bearbeitungsförderer 16, eine Teilependelvorrichtung 18, einen Fertigungsförderer 20 und Ausschussförderer 22, 24. Jede der zuvor erwähnten Einrichtungen wird funktionsmäßig durch die Arbeitsstation 10 gesteuert, wie nachfolgend detailliert beschrieben wird. Im Gesamtbetrieb wird eine zu inspizierende Komponente 1 (nicht gezeigt) dem Zuführförderer 12 übergeben, vorzugsweise mit einer Produktionsliniengeschwindigkeit. Eine beispielhafte Liniengeschwindigkeit liegt vorzugsweise in dem Bereich von 20 Sekunden pro beurteilter Komponente, wohingegen der tatsächliche Prozess des Erfassens eines Bildes der Oberfläche der Komponente 1 etwa 5 bis 7 Sekunden benötigt. Wenn die Porositätsinspektionsstation 14 bereit ist, die Komponente 1 zu empfangen und zu inspizieren, steuert die Arbeitsstation 10 den Zuführförderer 12, um die Komponente 1 in die Porositätsinspektionsstation 14 zu bewegen. Die Komponente 1 wird dorthin bewegt und inspiziert, wie hier beschrieben ist. Wenn die Inspektion abgeschlossen ist, steuert die Arbeitsstation 10 den Bearbeitungsförderer 16, um die Komponente zu der Teilependelvorrichtung 18 zu bewegen. Wenn die Arbeitsstation 10 bestimmt, dass die Komponente 1 annehmbar ist, d. h. nicht genügend Fehler aufweist, um einen Ausschuss oder eine Überarbeitung zu rechtfertigen, bewegt die Pendelvorrichtung 18 die Komponente zu dem Fertigungsförderer 20 zur weiteren Bearbeitung. Wenn die Arbeitsstation 10 bestimmt, dass die Komponente 1 unannehmbar ist, d. h. genügend Fehler aufweist, welche erfordern, dass die Komponente 1 dem Ausschuss zugeführt oder überarbeitet wird, bewegt die Pendelvorrichtung 18 die Komponente zu den Ausschussförderern 22, 24. Die beispielhafte Komponente 1 dieser Ausführungsform umfasst einen Aluminiumgussblock für einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern.
-
Nun auf 2–4A Bezug nehmend werden schematische Vorderansichts-, Grundriss- und Seitenansichtsdarstellungen der Porositätsinspektionsstation 14 mit der Arbeitsstation 10 des beispielhaften Inspektionssystems detailliert beschrieben. Die Porositätsinspektionsstation 14 umfasst eine Basis 32 mit einem Rollenförderer 26 und einem Teileaufzug und eine Inspektionsfläche 28 sowie eine Inspektionsstation 42, die eine scannende Kamera-/Beleuchtungsmastanordnung mit zwei Etagen umfasst. Die Basis 32 weist einen herkömmlichen Rollenförderer 26 auf, der dazu dient, die Komponente 1 in eine Position zu bewegen, wobei die Komponente zur Inspektion auf die Inspektionsfläche 28 gehoben wird. Vorzugsweise wird die Komponente 1 unter Verwendung des Rollenförderers 26 und des Teileaufzugs einschließlich eines Teileplatzierungssensors (nicht gezeigt) in einer im Wesentlichen korrekten Position und Ausrichtung auf der Inspektionsfläche 28 angeordnet, wobei die für die Inspektion interessante bearbeitete Oberfläche in geeigneter Weise zum Betrachten durch die scannende Kamera-/Beleuchtungsmastanordnung 42 mit zwei Etagen positioniert wird. Dies wird vorzugsweise unter Verwendung von bekannten Förder- und Positioniersystemen bewerkstelligt. Ein Fachmann ist in der Lage, eine Reihe von Komponenten in einer vorbestimmten Lage zur Inspektion korrekt anzuordnen und auszurichten. Die Arbeitsstation 10 ist in der Lage, vor dem Ausführen irgendeines Inspektionsalgorithmus zu detektieren, dass sich jede Komponente 1 in einer für die Inspektion korrekten Position befindet. Die Basis 32 weist ein Paar von Lagerungsführungen 30 auf, wobei jede Führung 30 parallel zu einer Achse 27 longitudinal zu dem Komponentendurchlauf durch das System 14 verläuft. Das Inspektionssystem 42 weist eine präzisionsgesteuerte Übergabestation auf, die dazu dient, die scannende Kamera-/Beleuchtungsmastanordnung mit zwei Etagen zur Inspektion auf den Lagerungsführungen 30 und über die Komponente 1 zu befördern. Das Inspektionssystem 42 umfasst ein Paar von Stützmasten 34, eine obere Etage 38 zum Montieren einer Kamera 40 und eine untere Etage 36 zum Montieren eines Beleuchtungssystems 37, und weist ein Gehäuse 44 auf, um zumindest einen Abschnitt der Komponente visuell zu umschließen und vom Umgebungslicht abzuschirmen, um den Sichtinspektionsprozess zu vereinfachen. Die Stützmasten 34 umfassen ein Paar von vertikalen Stützbeinen orthogonal zu der Inspektionsfläche 28. Die Basis jedes Stützmasts 34 ist auf einer der Lagerungsführungen 30 angeordnet. Bei dieser Anordnung ist das Inspektionssystem 42 in der Lage, sich über die Lagerungsführungen 30 über der Basis mit der Inspektionsfläche 28 zu bewegen, um jede darauf angeordnete Komponente 1 zu inspizieren.
-
Die obere Etage 38 umfasst einen horizontalen Balken, der an den Stützmasten 34 angebracht ist und durch diesen getragen wird und der eine Befestigungsvorrichtung aufweist, an der die Kamera 40 montiert ist. Die beispielhafte Kamera 40 umfasst eine monochrome Zeilenscan-Digitalkamera mit einer Auflösung von 8 Kilobyte (8 K), an der eine 175 Millimeter-Linse angebracht ist und die sich vorzugsweise in einem Bereich von 150 Millimeter bis 450 Millimeter von der Oberfläche der inspizierten Komponente 1 befindet. Die Kamera 40 bietet vorzugsweise eine minimale Pixelauflösung von vier Kilobyte und eine maximale quadratische Pixelgröße von zehn Mikrometer mal zehn Mikrometer. Die Kamera 40 koppelt unter Verwendung einer Bilderfassungskarte, vorzugsweise einer PCI- oder PXI-basierten Framegrabberkarte (nicht gezeigt), elektrisch signalmäßig an einen ersten Computer 50 in der Arbeitsstation 10 an.
-
Die untere Etage 36 umfasst einen horizontalen Balken, der an den Stützmasten 34 angebracht ist und durch diesen getragen wird und der eine Befestigungsvorrichtung aufweist, an der das Beleuchtungssystem 37 montiert ist. Das Beleuchtungssystem 37 weist eine in Richtung der inspizierten Oberfläche 28 emittierte Lichtquelle (nicht gezeigt) auf. Die Lichtquelle umfasst vorzugsweise rotes diffuses Licht, das unter Verwendung einer Anordnung von rotes Licht emittierenden Dioden ('LED') erzeugt wird. Licht, das aus der Anordnung von roten LEDs austritt, wird vorzugsweise durch eine entsprechende Anordnung von Fresnellinsen geleitet, um die auf die inspizierte Komponente 1 projizierte Lichtquelle zu streuen. Das Lichtsystem ist vorzugsweise so angeordnet, dass das ausstrahlende Licht nicht direkt orthogonal zu der Oberfläche der Komponente ist, wobei das Ziel darin besteht, einen visuell unterscheidbaren Unterschied zwischen einer Oberflächenpore und der bearbeiteten Oberfläche zu erzeugen. Rotes Licht wird bevorzugt verwendet, wenn die inspizierte Oberfläche bearbeitetes Aluminium ist, obwohl andere Farben des Spektrums verwendet werden können, wenn ein anderes Metallmaterial inspiziert werden soll. Das Beleuchtungssystem 37 weist einen rechtwinklig zu der Achse 27 angeordneten und eine Öffnung von mindestens der Breite der zur Inspektion positionierten Komponente 1 bereitstellenden Scanspalt 39 auf. Die Achse 27 definiert eine Y-Dimension, und eine X-Dimension ist als orthogonal zu der Y-Dimension in einer Ebene definiert, die durch die inspizierte Oberfläche 28 definiert ist, so dass auf diese Weise ein XY-Koordinatensystem definiert ist, das nachfolgend diskutiert wird. Die obere Etage 38 befindet sich vorzugsweise so über der unteren Etage 36, dass es der Kamera 40 ermöglicht ist, ein Bild eines Abschnitts der inspizierten Oberfläche der Komponente 1 zu erfassen, wenn sie zur Inspektion positioniert ist. Die Kamera 40 ist vorzugsweise so positioniert, dass sie ein Bild der Komponente durch den Scanspalt 39 in dem Beleuchtungssystem 37 erfasst.
-
Die beispielhafte Arbeitsstation 10 umfasst einen rahmenmontierbaren Stapel, der fünf Computer 50, 51, 52, 53, 54 umfasst, wobei jeder Computer vorzugsweise eine einzelne Mikroprozessoreinrichtung aufweist, von denen jede in der Lage ist, unabhängig und gleichzeitig zu arbeiten. Alle fünf Computer sind in einem einzelnen Schrank oder Gestell montiert und in geeigneter Weise miteinander verbunden, um Eingabedaten von der Kamera 40 anzunehmen, die Eingabedaten zu analysieren, eine Entscheidung über die Annehmbarkeit der bearbeiteten Oberfläche der speziellen Komponente, die inspiziert wird, auszugeben, eine detaillierte statistische Analyse der Eingabedaten für jede Komponente zu liefern und zu speichern, und jede Komponente durch die Inspektionsstation 14 vorwärts zu bewegen, entweder direkt oder durch Interaktion mit einem Bediener. Der Computer 50 erfasst Eingabedaten von der Kamera 40 in Form eines digitalen Bildes der bearbeiteten Oberfläche der Komponente 1, wie zuvor beschrieben wurde; die Computer 51, 52 und 53 verarbeiten das Bild zu einem skalierten Bild, analysieren und invertieren das skalierte Bild und vergleichen das Bild mit einem bekannten, erwarteten Bild der Oberfläche, analysieren das skalierte Bild weiter und vergleichen es mit dem invertierten Bild, um ein endgültiges Bild zu erzeugen. Der Computer 54 führt an dem endgültigen Bild eine statistische Analyse durch, gibt die Ergebnisse der statistischen Analyse an einen oder mehrere Bildschirme zum Überprüfen durch einen Bediener aus und liefert eine Koordination der graphischen Benutzeroberflächen (”GUI”), deren Ausgabe Ansichts- und Arbeitsstationsmonitore einschließt. Die GUIs sind ausgebildet, um das spezielle Bedürfnis der einzelnen Anwendung und der Bediener und Techniker zu erfüllen, wie dem Fachmann bekannt ist und wie hier nicht im Detail diskutiert wird. Die verschiedenen Systeme und Komponenten sind unter Verwendung von geeignet dimensionierten und abgeschirmten Kabeln elektrisch verbunden, die Industriestandards entsprechen, welche für eine Fertigungsanlage maßgeblich sind.
-
Der Computer 50 ist signalmäßig elektrisch mit einer Ausgabe der Zeilenscan-Kamera 40 verbunden. Die Kamera 40 dient dazu, ein originales zweidimensionales (in XY-Koordinaten) monochromes digitales Bild der interessierenden bearbeiteten Oberfläche der Komponente 1 zu erfassen und das Bild an einen Computer 50 zu übermitteln. Das originale monochrome digitale Bild umfasst eine Reihe von Pixeln, von denen jedes eine digitalisierte Darstellung eines Abschnitts der interessierenden bearbeiteten Oberfläche umfasst und vorzugsweise eine acht Bit Graustufen-Auflösung aufweist, d. h. dass die Werte im Bereich zwischen 0 (schwarz) und 255 (weiß) liegen, wobei jedes Pixel ein Quadrat mit einer Größe im Bereich von zehn Mikrometer mal zehn Mikrometer ist.
-
Nun auf 5 Bezug nehmend wird ein Verfahren zur Verwendung eines Sichtsystems zum Erfassen eines Bildes der bearbeiteten Oberfläche der Metallgusskomponente zur Beurteilung des Bildes, um Oberflächenfehler zu identifizieren und von Konstruktionsmerkmalen zu trennen, im Detail beschrieben. Das Verfahren wird vorzugsweise als ein oder mehrere Algorithmen ausgeführt, der bzw. die in einem der Computer der Arbeitsstation 10 enthalten ist bzw. sind. Ein Fachmann ist allgemein in der Lage, Algorithmen zur Anwendung in einem Computer zu entwerfen, zu entwickeln, zu implementieren und auszuführen, in Verbindung mit externen Einrichtungen, wie zum Beispiel den unter Bezugnahme auf 1–4 beschriebenen, und dieser Prozess ist hier nicht im Detail beschrieben.
-
Das Verfahren umfasst das Erfassen und Verarbeiten eines digitalen Bildes, das die bearbeitete Oberfläche der Komponente 1 darstellt, unter Verwendung des zuvor erwähnten Sichtsystems, das unter Bezugnahme auf 1–4 beschrieben wurde. Dies umfasst zuerst das Erfassen des originalen Pixelbildes der bearbeiteten Oberfläche (Block 110), wobei jedes Pixel eine digitalisierte Darstellung eines Abschnitts der bearbeiteten Oberfläche umfasst, wie oben beschrieben wurde. Die Inspektionsstation 42 bewegt sich mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit parallel zu der Y-Achse entlang dem Paar von Lagerungsführungen 30, wobei das Beleuchtungssystem 37 die Oberfläche der inspizierten Komponente 1 beleuchtet. Die Kamera 40 erfasst digital eine Reihe von Zeilenscan-Bildern der Komponente, wobei jedes ein Pixel lang ist. Wenn ein vollständiges originales digitales Bild der bearbeiteten Oberfläche der Komponente 1 erfasst ist, wird es an dem oben erwähnten XY-Koordinatensystem ausgerichtet und skaliert, und es weist Messeinheiten auf, vorzugsweise in Millimeter, welche die tatsächliche Komponente, die inspiziert wird, darstellen (Blöcke 112, 114). Die Ausrichtung und das Skalieren werden durch das Anwenden von Mustererkennungsverfahren, kombiniert mit bekannten Konstruktionsmerkmalen der bearbeiteten Oberflächen, bewerkstelligt. Die bekannten Konstruktionsmerkmale umfassen zum Beispiel Zylinderbohrungen und Bolzenlöcher, wenn die Komponente 1 einen Motorblock umfasst, und wurden vorbestimmt und in mindestens einen der Computer 50, 51,52, 53, 54 für die Verwendung als ein Element der Algorithmusausführung vorprogrammiert. Eine Reihe von interessierenden Bereichen wird für die Verwendung während einer Komponentenanalyse vorbestimmt und in den Computer vorprogrammiert. Jeder interessierende Bereich umfasst einen speziellen Bereich der bearbeiteten Oberfläche, die inspiziert wird, wobei das entsprechende Bild durch das Sichtsystem erfasst wird. Jeder interessierende Bereich weist ein ihm zugeordnetes, eindeutiges Schwellenniveau auf, das während des Identifizierens von Oberflächenfehlern verwendbar ist (Block 116).
-
Eine Reihe von Operationen wird ausgeführt, um Oberflächenfehler in der inspizierten Oberfläche zu identifizieren (Block 118). Der abbildende Algorithmus, bezeichnet als Schwellenwert I bis Mathematische Operationen I (Blöcke 120 bis 132), beschreibt die Schritte, die ausgeführt werden, um das erfasste Bild zu verarbeiten und die Partikel in einer binären Form zu trennen, um Porositätsfehler in der inspizierten Oberfläche zu identifizieren. Der erste Abschnitt dieses Prozesses umfasst das Erzeugen eines invertierten digitalen Bildes der bearbeiteten Oberfläche. Dies umfasst vorzugsweise ein Analysieren jedes Pixels des originalen Pixelbildes in Bezug auf ein Cluster von dazu benachbarten Pixeln; ein Erklären jedes analysierten Pixels entweder zu einer digitalen ”1” oder zu einer digitalen ”0”, auf der Grundlage der Analyse des originalen Pixelbildes und des Clusters von dazu benachbarten Pixeln; und ein Invertieren jedes erklärten analysierten Pixels, wie unten beschrieben wird.
-
Wieder auf 5 Bezug nehmend wird ein Schwellenwert-Schritt ausgeführt (Block 120), bei dem eine Cluster-Schwellenwert-Operation ausgeführt wird. Die Cluster-Schwellenwert-Operation verwendet einen statistischen Algorithmus, der bekannte Gaußsche Analysetechniken umfasst, um jedes Grauwertpixel in einen digitalen Nullwert oder einen digitalen 255-Wert umzuwandeln und so das erfasste Bild in ein binäres Bild aufzulösen. Ein Cluster von Pixeln, die benachbart zu einem speziellen Pixel liegen, wird analysiert. Der Wert des speziellen, zentral gelegenen Pixels wird auf der Grundlage der statistischen Analyse des Clusters entweder in 0 (schwarz) oder 255 (weiß) umgewandelt. Jedes Pixel in dem erfassten Bild wird so analysiert.
-
Eine elementare morphologische Operation wird ausgeführt (Block 122), die eine Erosion umfasst, bei der kleine Partikel aus dem erfassten Bild gefiltert werden, z. B. wird ein einzelnes Pixel mit einem Wert von 255, das von einer großen Menge von Pixeln umgeben ist, von denen jedes einen Wert von Null aufweist, in einen Wert von Null umgewandelt. Dieser Schritt ist in der Lage, mehrere Male während der Ausführung des Algorithmus zu laufen, um das Bild zu säubern und die Anzahl von verrauschten Objekten in einem speziellen interessierenden Bereich zu minimieren, um so die Genauigkeit des Inspektionsprozesses zu verbessern.
-
Das Bild, das nach der Ausführung der elementaren morphologischen Operation zurückbleibt, wird invertiert (Block 124). Dies umfasst ein Ändern jedes Pixelwertes von Null in 255, oder alternativ von 255 in Null. Das Ergebnis ist ein Bild, das digital von dem Eingabebild umgekehrt ist, d. h. ein digitales Äquivalent eines fotografischen Negativs. Das invertierte Bild wird zur nachfolgenden Verwendung (Block 128) in einem Bildpuffer gespeichert, vorzugsweise in dem Computer 52.
-
In einer erweiterten morphologischen Operation wird ein zweites Bild der bearbeiteten Oberfläche erzeugt, was ein Beseitigen der bekannten Konstruktionsoberflächenmerkmale aus dem invertierten digitalen Bild umfasst (Block 130). Dies umfasst ein Identifizieren der zuvor erwähnten bekannten Konstruktionsmerkmale der bearbeiteten Oberfläche unter Verwendung einer Information, die in dem Computer 54 gespeichert ist. Identifizierbare große Objekte und Grenzobjekte werden entfernt, wohingegen bekannte Hohlräume, die zum Beispiel Ventilsitze, Führungen und Löcher umfassen, in der Bilddatendatei ”aufgefüllt” werden. Bekannte Ränder werden geglättet.
-
Der Mathematische Operation-Schritt (Block 132) umfasst ein Vergleichen jedes Pixels des invertierten digitalen Bildes mit einem entsprechend gelegenen Pixel des zweiten Bildes. Die Pixellage beruht auf dem Pixelbild, das wie voranstehend beschrieben an dem XY-Koordinatensystem ausgerichtet und skaliert wurde. Das Ergebnis dieser Maßnahme besteht darin, dass jedes Oberflächenmerkmal identifiziert wird, d. h. Poren und andere Fehler, die dem invertierten digitalen Bild und dem zweiten Bild gemeinsam sind. Der Mathematische Operation-Schritt umfasst bevorzugt ein Vergleichen jedes Pixels des invertierten digitalen Bildes mit dem entsprechend gelegenen Pixel des zweiten Bildes durch Ausführen einer einfachen digitalen Logik-Operation, die als eine Exklusiv-ODER-Funktion (XOR-Funktion) bezeichnet wird. Das aus dieser Operation resultierende Bild wird auf Erfüllung vorbestimmter Qualitätsstandards analysiert.
-
Eine statistische Partikelanalyse wird an dem resultierenden Bild durchgeführt (Block 134). Dies umfasst ein Identifizieren der interessierenden Bereiche in dem originalen Pixelbild der bearbeiteten Oberfläche in Bezug auf das skalierte XY-Koordinatensystem für das digitale Bild (Block 136). Ein hoher Detektionsschwellenwert wird zum Beurteilen von Poren und Identifizieren von Fehlern verwendet, wenn der interessierende Bereich einen interessierenden kritischen Bereich umfasst, so dass relativ kleine Oberflächenporen, typischerweise im Bereich von 0,3 Millimeter, als Fehler identifiziert werden. Ein niedriger Detektionsschwellenwert wird zum Beurteilen von Oberflächenporen und zum Identifizieren von Fehlern verwendet, wenn der interessierende Bereich einen interessierenden nichtkritischen Bereich umfasst, so dass eine Pore relativ groß sein muss, typischerweise im Bereich von 2,0 Millimeter, bevor sie als ein Fehler identifiziert wird (Block 138). Ein interessierender kritischer Bereich für eine bearbeitete Oberfläche einer Metallgusskomponente umfasst typischerweise jeden Bereich, der im Gebrauch hohen Graden von mechanischer Belastung oder thermischer Belastung ausgesetzt ist. Typische Bereiche umfassen Zylinderwände und Ränder sowie Quetschbereiche von Dichtungsringen, d. h. Bereiche, an denen Dichtungsringe auf einen typischen Motorblock gepresst werden, wenn ein Zylinderkopf (nicht gezeigt) daran angebaut wird.
-
Die Fehler werden innerhalb jedes interessierenden Bereichs identifiziert und klassifiziert, was ein Erkennen der Lage und der Größe jedes Oberflächenfehlers innerhalb jedes interessierenden Bereichs in Bezug auf das skalierte XY-Koordinatensystem für das digitale Bild (Block 140) umfasst.
-
Die Größe jedes Oberflächenfehlers wird auf der Grundlage von mehreren Analysetechniken klassifiziert, einschließlich des Durchmessers des Fehlers oder der Pore, des Flächenverhältnisses des Fehlers oder der Pore und der XY-Lage des Fehlers. Der Porendurchmesser wird vorzugsweise als ein Durchmesser des kleinsten Kreises definiert, der in der Lage ist, die identifizierte Pore oder den identifizierten Fehler vollständig zu umschreiben, und wird in Millimeter gemessen. Das Flächenverhältnis der Poren umfasst eine Berechnung eines Verhältnisses zwischen der Fläche des Kreises, der durch den Porendurchmesser definiert ist, und der tatsächlichen Fläche der identifizierten Pore auf der Grundlage von Pixeln. Als Teil der Analyse liegt ein hoher Detektionsschwellenwert für die Porengröße typischerweise im Bereich von 0,3 Millimeter, wenn er sich in einem interessierenden kritischen Bereich befindet. Deshalb wird jede Pore mit einem Durchmesser über 0,3 Millimeter als ein identifizierbarer Fehler in einem interessierenden Bereich nahe einer Zylinderwand oder nahe einem Quetschbereich für Dichtungsringe und eines Randes betrachtet. Alternativ liegt ein niedriger Detektionsschwellenwert für die Parengröße typischerweise im Bereich von 2,0 Millimeter, wenn er sich in einem interessierenden nichtkritischen Bereich befindet. Deshalb wird jede Pore mit einem Durchmesser über 2,0 Millimeter als ein identifizierbarer Fehler in einem interessierenden Bereich betrachtet, der deutlich von einer Zylinderwand entfernt liegt. Die Nähe von Poren in jedem interessierenden Bereich ist wichtig, und ein typischer Schwellenwert für den minimalen Abstand zwischen den Poren liegt in dem Bereich von 3,0 Millimeter (Block 142).
-
Nachdem Fehler identifiziert und klassifiziert wurden, werden sie durch den Computer 54 analysiert. Eine Schätzung der Fehlerdichte wird für jeden interessierenden Bereich berechnet (Block 144). Ein Histogramm wird erzeugt, was ein Zeigen der Anzahl von Fehlern in Abhängigkeit von der Größe für jeden interessierenden Bereich und für die gesamte bearbeitete Oberfläche der Komponente umfasst. Andere Analysen werden durchgeführt, die ein Schätzen des Flächenverhältnisses für jeden identifizierten Fehler (Block 148) und ein Schätzen der Flächenverhältnisse von Fehlern jedes interessierenden Bereichs, angepasst für unregelmäßige Formen (Block 150), beinhalten.
-
Die Fehler werden statistisch analysiert, und Beurteilungskriterien werden angewendet, und eine Entscheidung wird getroffen, die inspizierte Komponente abzulehnen oder anzunehmen (Block 152). Die statistische Analyse wird vorzugsweise unter Verwendung von leicht erhältlichen Softwarepaketen durchgeführt, die dem Fachmann bekannt sind und die hier nicht im Detail beschrieben werden. Die Fehler, die zu einer Ablehnung eines gegebenen Teils führen, werden physikalisch an dem Teil markiert (Block 154), und es wird entweder ausgesondert oder in einer weiteren Analyse verwendet (Block 156), wie es durch Qualitätsvorgänge in der Fertigungsanlage bestimmbar ist. Die angenommenen Teile werden in der Fertigungslinie zur weiteren Bearbeitung und zum Zusammenbau vorwärts transportiert (Block 158).
-
Nun auf 6 Bezug nehmend wird ein zweites System und Verfahren zum Beurteilen der bearbeiteten Oberfläche einer Metallgusskomponente zum Identifizieren und Separieren von Oberflächenfehlern von Konstruktionsmerkmalen detailliert beschrieben. Die Hardware, auf die unter Bezugnahme auf 1–4 Bezug genommen wird, ist unverändert, und ein Lasersensor (nicht gezeigt) wird der scannenden Kamera-/Beleuchtungsmastanordnung mit zwei Etagen der Inspektionsstation 42 zugefügt und zum Verarbeiten des Signals signalmäßig mit der Arbeitsstation 10 verbunden. Der Lasersensor dient dazu, eine Tiefe jedes detektierten Oberflächenfehlers zu detektieren. Das Verfahren, wie in 6 gezeigt, entspricht im Wesentlichen dem Verfahren, das in Bezug auf 5 beschrieben ist, wobei Schritte 160, 162 hinzugefügt sind. Die Tiefendimension, die in der Z-Dimension orthogonal zu dem XY-Koordinatensystem ist, wird als ein hinzugefügtes Element zu der Klassifikation von Fehlern in die Analyse eingegeben (Blöcke 162, 142). Die Beurteilungskriterien (Block 152), die bestimmen, ob eine spezielle Komponente anzunehmen oder abzulehnen ist, können angepasst werden, und diese Beurteilung und Entscheidungsfindung ist durch einen Fachmann bestimmbar.
-
Die Erfindung wurde mit speziellem Bezug auf die Ausführungsformen und Modifikationen davon beschrieben. Dies umfasst jede Ausführungsform, bei der die inspizierte Komponente unter der Kamera bewegt wird, sowie alternative Verfahren zum Erfassen des originalen Bildes, z. B. unter Verwendung einer multidimensionalen Digitalkamera. Weitere Modifikationen und Änderungen können anderen beim Lesen und Verstehen der Beschreibung einfallen. Es ist beabsichtigt, alle derartigen Modifikationen und Änderungen insoweit einzuschließen, als sie in dem Rahmen der Erfindung liegen.
