RU1782314C - Способ автоматического контрол дефектов поверхности деталей и изделий - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике, может быть использовано при автоматизации визуального контрол  дефектов . Цель изобретени  - повышение производительности, контрол . Способ автематического контрол  заключаетс  в сканировании контролируемой поверхности световой полоски, принимающей форму профил  поверхности, анализе параметров формы и положени  изображени  световой полоски с помощью двумерного фотопреобразовател  и микроЭВМ при обнаружении аномалии качества поверхности, осуществл емом фотопреобразовател ми, установленными в зоне диффузного отражени . Анализ параметров формы и положени  изображени  световой полоски включает в себ : определение построчно координат центров элементов бинарного изображени  световой полоски; расчет дл  бездефектного кадра ординат базовой линии, относительно которой определ ютс  параметры дефектов (глубина, ширина, длина, площадь на заданной глубине и т.д.), сравниваемые с предельно допустимыми установленными величинами, и в зависимости от сравнени  вырабатываютс  сигналы разбраковки проконтролированных деталей и изделий. 2 з.п. ф-лы, 4 ил. С/) С

Description

Изобретение относитс  к контрольно- измерительной технике, в частности к опти- ко-электронным способам контрол  дефектов, полученных в результате механических повреждений, грубой обработки, несоблюдени  технологических операций и т.п. на поверхност х деталей и изделий с учетом возможности оценки параметров дефектов в трех измерени х.

Известны способы контрол  дефектов поверхностей, базирующиес  на анализе либо амплитудных диаграмм рассе ни  сканирующего светового пучка, отраженного от контролируемых поверхностей (за вка Японии №58-57684, кл.С 01 В 11/24,1983), либо градаций  ркости изображени  контролируемых поверхностей (за вка ФРГ № 3309584, кл. G01 В 11/30. 1983).

VI

оо

ю со

Ј

со

Применение этих способов контрол , достаточно просто реализуемых, позвол т решать задачи обнаружени  и идентификации дефектов и частично метрологические, св занные с определением параметров дефектов , описываемых двумерной характеристикой (длина, ширина, площадь и т.д.). При этом вопрос получени  заданной производительности контрол , как правило решаетс .

Однако контроль дефектов по глубине (высоте) данными способами невозможен. Это св зано, в зависимости от разновидностей способов, или с отсутствием в отраженном световом поле информации о глубине (высоте) дефектов, или с невозможностью ее выделить. Поэтому часто, из-за низкой достоверности контрол  они не могут быть применены.

Известны также методы контрол  дефектов поверхностей, позвол ющие решать весь комплекс задач дефектоскопировани  поверхностей, в том числе и измер ть параметры дефектов по трем координатам. Наиболее распространенные из них это - метод светового сечени  (Кучин А.А., Обрадович К.А. - Оптические приборы дл  измерени  шероховатости поверхности. - Л., Машиностроение . Л.О., 1981, с. 6-9) и триангул ционный метод (Быстрое Ю.А., Колгин Е.А., Котлецов Б.Н. - Технологический контроль размеров в микроэлектронном производстве . - М.: Радио и св зь, 1988, с.78, 79).

Вместе с тем, применение данных высокоинформативных методов контрол  в де- фектоскопировании поверхностей ставит проблему обеспечени  оптимального компромиссного решени  между производительностью и точностью контрол .

Выражение, позвол ющее оценить производительность контрол  при заданных параметрах сканировани , имеет вид

T -xA-ti-f|t2,(1)

-ti ,

tii 2Кгде Т - суммарное врем  сканировани  и обработки информации при осмотре поверхности деталей;

S - площадь осматриваемой поверхности;

А1, Д2 - шаги осмотра во взаимоперпендикул рных направлени х;

ti - врем  сканировани  и обработки информации в одном кадре;

k - число кадров, вписывающихс  в базовый участок;

t2 - врем  обработки информации, полученной на базовом участке.

Например, дл  вы влени  дефектов и определени  их параметров в трех измерени х при осмотре поверхности площадью 1000 мм2 с дискретом 0,1 мм и, примен   микроЭВМ, имеющую быстродействие 6 Ю6 операций в секунду, по формуле (1) получаем (дл  триангул ционного метода)

Tmln -

1000 0,1 -0,1

10 3 300с;

дл  метода светового сечени  (длина световой полоски 3,0 мм) с учетом использовани  фотоматричных приемников с параллельной выборкой информации и предварительной аппаратной обработкой, св занной с

определением координат центров элементов световой полоски дл  каждой строки фотоматрицы

т - ЮОО 20lmln 3,0-0,1

10 ,3с.

Примечание. В примерах расчета Tmin не учитывалось врем , затрачиваемое на обработку информации, полученной на базовых участках, так как оно в основном зависит от требований к конкретным типам объектов контрол  и, если не требуетс  статистической обработки информации, то оно значительно меньше суммарного времени

обработки информации в кадрах.

В св зи с большим объемом информации , поступающей с фотоматрицы (примерно 160 кбайт в секунду), а также достаточно сложным алгоритмом обработки информации (см. дальше по тексту), достигаема  производительность средств контрол  даже при использовании микроЭВМ повышенного быстродействи  при известных способах контрол  не удовлетвор ет требовани м

производства.

Таким образом, обеспечение заданной точности и достоверности контрол  при автоматизации визуального осмотра основной номенклатуры деталей и изделий не

позвол ет известными способами и устройствами получить требуемую производительность контрол .

Из существующих способов наиболее близким по технической сущности дл  решени  задачи контрол  дефектов поверхностей деталей и изделий с учетом возможности определени  параметров де- фектов(длина. ширина, глубина, площадь на заданной глубине и т.д.)  вл етс  способ,

описанный в статье (H.Kramer. Oberflachenmessung mit dem Laserllchtschnlttverfahren. Undustrle- Anzelger, v.100, 1978, N 103/104. p.p.60-61). при котором на сканируемой контролируемой поверхности на базовой длине формируют световую полоску, принимающую форму профил  поверхности, изображение которой в отраженном свете стро т на двумерном фотоприемнике так, что оно пер- пендикул рно направлению строчной развертки, относительно начала которой определ ют построчно координаты передней границы изображени  световой полоски , запоминают их и осуществл ют расчет в каждом кадре базовой линии и относительно нее параметров микро- и макрогеометрии рельефа поверхности.

Недостатками этого способа при контроле дефектов поверхности  вл етс ;

низка  производительность, обусловленна  большим объемом перерабатываемой информации и вычислений;

снижение точности и достоверности контрол  в св зи с тем, что средн   лини ,  вл юща с  базой отсчета параметров дефектов определ етс  по информации, сн той при сканировании участков поверхности с аномали ми качества;

снижение точности и достоверности контрол  в св зи с измерением ширины изображени  световой полоски, обусловленным различием отражательных характеристик поверхностей объектов контрол  и расфокусировкой.

Целью технического решени   вл етс  повышение производительности, точности и достоверности контрол  дефектов поверхности деталей и изделий.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе автоматического контрол  дефектов поверхности деталей и изделий, при котором на сканируемой контролируемой поверхности на базовой длине формируют световую полоску, принимающую форму профил  поверхности, изображение которой в. отраженном свете стро т на двумерном фотоприемнике так, что оно перпендикул рно направлению строчной развертки, относительно начала которой определ ют построчно координаты передней границы изображени  световой полоски , запоминают и х и осуществл ют расчет в каждом кадре базовой линии и относительно нее параметров микро- и макрогео- метрии рельефа поверхности, с целью повышени  производительности контрол , принимают дополнительно диффузию отраженную составл ющую светового потока, преобразуют оптический сигнал в электри- ческий, сравнивают уровень полученного электрического сигнала с минимальным и максимальным уровн ми, установленными по заданному критерию обнаружени , фиксируют моменты времени, в которые сигнал

от диффузной составл ющей соответственно меньше или больше заданных, в зафиксированные моменты вырабатывают сигналы обнаружени  аномалий качества поверхности, а расчет базовой линии и параметров рельефа производ т только дл  участков поверхности с аномали ми качества .

С целью повышени  точности и достоверности контрол , базовую линию рассчитывают по информации от последнего кадра перед по влением сигнала об обнаружении аномалии качества контролируемой поверхности .

С целью повышени  точности и достоверности контрол , суммируют число элементов разложени  строки с числом элементов, пропорциональным координате передней границе изображени , и вычитают число элементов пропорциональное координате задней границы, которое наход т в направлении,обратном направлению развертки от точки ее окончани , и берут половину полученного значени , по которой определ ют построчно координаты центров элементов бинарного изображени  световой полоски, которые используют в качестве исходной информации дл  расчета параметров аномалий качества контролируемой поверхности .

На фиг, 1 изображена схема способа автоматического контрол  дефектов поверхности деталей и изделий; на фиг. 2 - бинар- ные изображени  световой полоски с прив зкой к фотоматричной структуре дл  бездефектного и дефектного участка поверхности; на фиг. 3 - структурна  схема алгоритма программной обработки информации о параметрах дефектов; на фиг. 4 - иллюстраци  вли ни  отражательных характеристик контролируемой поверхности расфокусировки изображени  световой полоски на точность контрол  параметров дефектов поверхности дл  предложенного способа и прототипа.

Сущность предложенного способа иллюстрируетс  схемой, представленной на фиг. 1. На сканируемой поверхности 1 формируют световую полоску 2, длина которой равна базовой длине, выбираемой исход  из параметров микро- и макрогеометрии рельефа поверхности, производительности и точности контрол . Световую полоску 2, принимающую форму профил  поверхности 1, проецирует в отраженном свете с помощью объектива 3 на двумерный фотопри- емник 4 так, что изображение ее перпендикул рно направлению строчной развертки, относительно, начала которой в блоке обработки информации канала измерени  (БОЙКИ) 5 определ ют построчно координаты центров у,- элементов изображени  световой полоски, предварительно преобразовав его в бинарное. Бинарное изображение световой полоски с прив зкой к фотоматричной структуре дл  бездефектного и дефектного участка поверхности представлены на фиг. 2. Координаты yi занос тс  в автономную оперативную пам ть 6, состо щую из нескольких ОЗУ. каждое из которых позвол ет записать в нее объем

информации, соответствующий одному базовому участку, на которые условно разделена контролируема  поверхность, Шаг сканировани  и число кадров на базовом участке завис т от вида и качества обработки поверхности и от требуемой точности контрол . Запись информации в автономную оперативную пам ть производ т поочередно . При заполнении первого ОЗУ осуществл етс  автоматическое г ереклю- чение на запись информации во второе ОЗУ и так далее по кольцевой схеме. При этом информаци  с заполненных ОЗУ доступна по чтению через блок интерфейса 7 со стороны вычислительного блока 8. Однако расчета параметров микро- и макрогеометрии рельефа поверхности не производ т вплоть до моментов времени, в которые в зоне световой полоски по вл ютс  аномалии качества 9, вызывающие изменение энергии в зоне диффузного отражени , где в зависимости от индикатрис рассе ни  на характерных видах дефектов располагают в пространстве дополнительные фотопреобразователи 10 канала обнаружени  аномалий (на фиг. 1 показаны 2 фотопреобразовател ). Напр жени  с выходов фотопреобразователей 10 сравниваютс  в блоке обработки информации канала обнаружени  (БОИКО) аномалий 11с установленным по заданному критерию обнаружени  минимальным и максТШальным пороговыми уровн ми напр жений и в случае выхода их значений за допустимый интервал в БОИКО 11 вырабатываетс  сигнал наличи  аномалии, который подаетс  в ОЗУ дл  фиксировани  адресов массивов информации

соответствующих аномали м качества, и в-блоке 8 дл  запуска алгоритма расчета параметров рельефа аномалии качества, текуща  информаци  о которых сравниваетс  с предельно допустимыми значени ми по параметрам (глубина, ширина, длина, площадь на заданной глубине и т.д.), и в случае их превышени  микроЭВМ 8 вырабатывает сигнал брак по соответствующему параметру , который поступает в блок исполнительных устройств 12 и на информационное

табло 13. Если параметры рельефа аномалии качества в норме, то вырабатываетс  сигнал годен. Блок исполнительных устройств 12 управл ет разбраковкой объектов

контрол  на годные и брак. При необходимости можно производить разбраковку по видам брака.

Структурна  схема алгоритма программной обработки информации о параметрах

дефектов представлена на фиг. 3. Обработка информации начинаетс  с момента разрешени  доступа микроЭВМ к секции ОЗУ, в которую была записана информаци  о координатах yi(ординатах профил  рельефа) и

адресах кадров во врем  действи  сигнала наличи  аномалии качества. В пам ть блока 8 записываетс  весь массив информации из секции ОЗУ, включа  информацию о бездефектных кадрах. Далее определ етс  адрес

бездефектного кадра, последнего перед по влением сигнала о наличии аномалии, по информации которого (ординатам yi) рассчитываютс  ординаты средней линии mi, имеющей форму номинального профил 

контролируемой поверхности и расположенного так, что в пределах длины светового сечени , вписанного во входное окно фотоматрицы сумма квадратов рассто ний отточек профил  светового сечени  до этой

линии минимальна (Дунин-Барковский И.В., Карташова А.Н. Измерени  и анализ шероховатости , волнистости и не кругл ости поверхности . - М.: Машиностроение, 1978, с. 12-41).

С целью снижени  объема вычислений при незначительной потере точности, можно рассчитать ординаты средней линии по формулам (фиг.2)

1/2

2

yi т 2 yi: У2 т,.Ј У ; У) (yi + w):

(/2 + 1

45

j

ДУ j(92-yi); (y2-yi); m, Ду,

где I - число ординат (строк) в кадре.

Текущий высотный параметр RI рельефа поверхности в кадре определ етс  относительно средней линии по формуле

(mi-yi),

где ki -п-. 2MQin аГ масштабный коэффициентдл  меридиональной плоскости;

бм - шаг элементов фотоматрицы в меридиональной плоскости;

- линейное увеличение проекционной системы в меридиональной плоскости.

Текуща  ширина дефекта на заданной глубине (высоте) находитс  из выражени 

вход щих в аномалию, вычисл етс  по формуле:

gpk25)ai,

х

где k2 -Ј - масштабней коэффициент дл 

сагиттальной плоскости;

5С - шаг элементов фотоматрицы в сагиттальной плоскости;

линейное увеличение проекционной системы в сагиттальной плоскости; 1 при , (-Ri)R3e ,

аН

О при Ri R3r. (-Ri :ЈR3B j - текущий номер кадра в пределах аномалии (на базовом участке).

Длина дефекта на заданной глубине (высоте) находитс  из выражени 

Lk v Т 2, с j, 1

где v - скорость движени  контролируемой поверхности;

Т - период кадровой развертки фотоматрицы;

1 при Rjmax R3r, (-Rjmin R3B)

СН

{. О при Rjmax Ј Rsr, (-Rjmin RSB)

где k - текущий номер аномалии (базового участка);

j - число кадров в пределах аномалии (на базовом участке);

Rjmax; Rjmin максимальна  и минимальна  глубина дефекта в кадре.

Площадь дефекта на заданной глубине (высоте) RsKRss) в пределах аномалии определ етс  по формуле

Sk

У1Площадь распределенного дефекта на заданной глубине по всей поверхности контролируемого объекта определ етс  по формуле:

S

Sk.

где k - количество аномалий (локальных дефектов ) на поверхности.

Среднее арифметическое значение координат центров элементов бинарного изображени  световой полоски дл  кадров,

УГ { Ј

5

0

5

0

5

О

5

0

5

Получаема  текуща  информаци  о параметрах дефекта сравниваетс  в вычислительном блоке с установленными предельно допустимыми значени ми, при превышении которых по какому-либо параметру вырабатываютс  сигналы разбраковки и индикации , поступающие соответственно в блок исполнительных устройств и информационное табло.

Вли ние отражательных характеристик контролируемой поверхности и расфокусировки световой полоски на точность контрол  параметров дефектов дл  предложенного способа и прототипа иллюстрируетс  на фиг. А (а - за счет изменени  параметров шероховатости; б - за счет изменени  коэффициента отражени ; в - за счет расфокусировки изображени  световой полоски; г - бинарное изображение элемента световой полоски с прив зкой к элементам строки фотоматрицы),

Светова  полоска на контролируемой поверхности формируетс  световым потоком 14. Индикатрисы рассе ни  отраженного потока в зависимости от разброса параметров шероховатости и изменени  коэффициента отражени  имеют вид, соответствующий позици м -15, 16, 17, согласно которым видеосигналы, снимаемые со строки фотоматрицы представлены на эпюрах 18, 19, 20, а также на эпюре 21, характеризующей вли ние расфокусировки изображени  световой полоски. При получении относительно порогового напр жени  бинарного изображени  элемента световой полоски, представленного на строке фотоматрицы 22 в виде позиции 23 (соответствует эпюре 18) и позиции 24 (соответствует эпюрам 19-21), передние границы изображени  у/ и уГприн тые в качестве ординат профил  рельефа поверхности в прототипе, имеют разные значени  дл  бездефектной поверхности и вызывают ошибку A yi-y существенно вли ющую на точность определени  параметров микро- и макрогеометрии рельефа поверхности. В предложенном способе определение координаты yi центра элемента бинарного изображени , неизменной по отношению к эпюрам 18-21, позвол ет практически исключить вли ние разброса параметров шероховатости, коэффициента отражени  контролируемой поверхности , а также расфокусировки

изображени  световой полоски на точность контрол .

При параллельном по строкам съеме ин- форм зции с фотоматрицы с целью увеличени  производительности контрол  можно легко реализовать аппаратно узлы определени  удвоенных координат центров элементов бинарного изображени  светопой полоски, например на базе реверсивных счетчиков, работающих по алгоритму (фиг. 4):

2yi t+a-b.

То, что вместо yi вводитс  2yi, легко учитываетс  при расчетах в вычислительном блоке.

Рассмотрим пример осуществлени  способа автоматического контрол  дефектов поверхности цилиндрических деталей диаметром 40 мм и высотой 120 мм.

1.Исходные данные:

1.1.На цилиндрической поверхности деталей не допускаютс  дефекты глубиной более 0,05 мм и раскрывом более 0,3 мм.

1.2.Необходима  разрешающа  способность обнаружени  дефектов:

по глубине (д у), мм - 0,01; ,

по ширине, длине (д х), мм - 0,17

1.3.Производительность контролй, дет/ч - не менее 360.

2.Дл  обеспечени  высокой производительности контрол  выбираем в качестве фотоприемника канала измерени  фотоматрицу МФ-14, имеющую основные параметры:

размер рабочего п ол  в меридиональной и сагиттальной плоскост х (С), мм - 8;

шаг фотоэлементов в меридиональной (Л у) и сагиттальной ( Дх) плоскост х, мм - 0,25; - - - - кадрова  частота, кГц - 100,0:

выборка информации - параллельно по строкам.

Выбираем микроЭВМ, имеющую быстродействие 6 106 операций в секунду, что позвол ет обеспечить обработку информации , имеющейс  в кадре за врем  1 мс.

3.Угол а выбираетс  равным 45° с целью исключени  дефокусировки komrpo- лируемой поверхности детали при ее смещений относительно проекционного обнектива,

4.Линейное увеличение проекционного объектива в меридиональной плоскости вычисл етс  по формуле:

/Зм

Ду 0,25

бу -2 sin a 0,01 V2

« 17.7

5. Линейное увеличение проекционного объектива в сагиттальной плоскости вычисл етс  по формуле

д Ах 0, А -7|5---ТГГ-2 5

Ж-Т5Т

6.Длина световой полоски на детали, обеспечивающа  работу фотоматрицы по

всем строкам, определ етс  из выражени :

Ј ,2мм

7.Максимальное врем , необходимое дл  контрол  всей поверхности детали по

способу прототипа, вычисл етс  по формуле (1)

т - 40 3,14-120 .

Ттах з.О 0,110 28 С

8.Минимальное врем  сканировани  поверхности детали, при котором обеспечиваетс  запись врей информации в автономную пам ть и выборка ее в микроЭВМ определ етс  из выражени :

25

Tmin

Ai Да

ts Q

30

40-3.14-120 3,0-0,1

20 ,56 с

где т.3 - врем  записи однобайтового слова в пам ть микроЭВМ. что соответствует кадровой частоте фотоматрицы 50 кГц:

Q - объем информации (однобайтовых

слов) в кадре.

9. Определ ем, какой процент площади поверхности детали можно проконтролировать за врем  Tmin, при котором по способу прототипа:

Tmin 100 0.56 100 „ о,

2 % .

i max

28

10. Учитыва  реальную на насто щее врем  частоту импульсных полупроводниковых излучателей, на базе которых собираетс  формирователь световой полоски, Составл ющую 5 кГц (соответствует частоте кадров фотоматрицы), можно проконтролировать по предлагаемому алгоритму обработки информации 20% площади поверхности детали, что существенно больше площади, занимаемой аномали ми качества , при этом врем , затрачиваемое на

контроль составл ет 5,6 с, что в 5 раз ниже, чем дл  способа контрол , вз того в качест- ёе прототипа.- -- -Таким образом, применение предлагаемого способа автоматического контрол  дефектов поверхности деталей и изделий обеспечивает по сравнению со способом, вз тым в качестве прототипа, следующие преимущества:

существенное повышение производительности контрол  при обеспечении заданной достоверности;

повышение точности и достоверности контрол  дефектов.

Claims (3)

1. Формула изобретени  1. Способ автоматического контрол  дефектов поверхности деталей и изделий, при котором на сканируемой контролируемой поверхности на боковой длине формируют световую полоску, принимающую форму профил  поверхности, изображение которой в отраженном свете стро т на двумерном фотоприемнике так, что оно перпендикул рно направлению строчной развертки, относительно начала которой определ ют построчно координаты передней границы изображени  световой полоски, запоминают их и осуществл ют расчет в каждом кадре базовой линии и относитель- но нее параметров микро- и макрогеометрии рельефа поверхности, отличающийс  тем, что, с целью повышени  производительности контрол , принимают дополнительнодиффузно-отраженную составл ющую светового потока, преобразуют оптический сигнал в электрический, сравнивают уровень полученного электрического сигнала с минимальным и макси0

   5 0 5 0

   мальным уровн ми, установленными по заданному критерию обнаружени , фиксируют моменты времени, в которые сигнал от диффузной составл ющей соответственно больше или меньше заданных, в зафиксированные моменты вырабатываютсигналы обнаружени  аномалий качества поверхности, а расчет базовой линии и параметров рельефа производ т только дл  участков поверхности с аномали ми качества.
2. 2.Способ по п. 1.отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности и достоверности контрол , базовую линию рассчитывают по информации от последнего кадра перед по влением сигнала об обна- ружениианомалиикачества контролируемой поверхности.
3. 3.Способ по п. 1,отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности и достоверности контрол , суммируют число элементов разложени  строки с числом элементов , пропорциональным координате передней границы изображени , и вычитают число элементов, пропорциональных координате задней границы, которое наход т в направлении, обратном направлению развертки от точки ее окончани , и берут поло- ви ну полученного значени , по которой определ ют построчно координаты центров элементов бинарного изображени  световой полоски, которую используют в качестве исходной информации дл  расчета параметров аномалий качества контролируемой поверхности .

   8

   12

   13

   Фиг.1

   / г

   б

   / г

   Уу

   :Ш:

   0-З

   /г

   дл  бездефектного участка; дл  дефектного участка

   Фиг. 2

   -4

   Средн   лини  дл  бездефектного участка

   KoHTyJB сечени  дефек:

   0-ЗШ

   ГГЛ1

   Ј

   Определение адреса бездефектного кадра

   i

   I Расче т ередне и линии I

   Определение параметров аномалии в J-ом кадре

   Расчет параметров аномалии на всей поверхности детали (дл  К аномалий)

   Переход к анализу последующей аномалии

   (Начало)

   Запись массива информации

   Ј

   деление адреса дефектного кадр

   i

   ед

   Вывод информации о браке

   Вывод информации о браке

   Вывод информации о браке

   Фиг. 3

   видеосигнал строки фотоматрицы

   16

   15