Способ автоматического контроля дефектов поверхности деталей и изделий Советский патент 1992 года по МПК G01B21/30 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, в частности к опти- ко-электронным способам контроля дефектов, полученных в результате механических повреждений, грубой обработки, несоблюдения технологических операций и т.п. на поверхностях деталей и изделий с учетом возможности оценки параметров дефектов в трех измерениях.

Известны способы контроля дефектов поверхностей, базирующиеся на анализе либо амплитудных диаграмм рассеяния сканирующего светового пучка, отраженного от контролируемых поверхностей (заявка Японии №58-57684, кл.С 01 В 11/24,1983), либо градаций яркости изображения контролируемых поверхностей (заявка ФРГ № 3309584, кл. G01 В 11/30. 1983).

VI

оо

ю со

Ј

со

Применение этих способов контроля, достаточно просто реализуемых, позволят решать задачи обнаружения и идентификации дефектов и частично метрологические, связанные с определением параметров дефектов, описываемых двумерной характеристикой (длина, ширина, площадь и т.д.). При этом вопрос получения заданной производительности контроля, как правило решается.

Однако контроль дефектов по глубине (высоте) данными способами невозможен. Это связано, 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 контроля они не могут быть применены.

Известны также методы контроля дефектов поверхностей, позволяющие решать весь комплекс задач дефектоскопирования поверхностей, в том числе и измерять параметры дефектов по трем координатам. Наиболее распространенные из них это - метод светового сечения (Кучин А.А., Обрадович К.А. - Оптические приборы для измерения шероховатости поверхности. - Л., Машиностроение. Л.О., 1981, с. 6-9) и триангуляционный метод (Быстрое Ю.А., Колгин Е.А., Котлецов Б.Н. - Технологический контроль размеров в микроэлектронном производстве. - М.: Радио и связь, 1988, с.78, 79).

Вместе с тем, применение данных высокоинформативных методов контроля в де- фектоскопировании поверхностей ставит проблему обеспечения оптимального компромиссного решения между производительностью и точностью контроля.

Выражение, позволяющее оценить производительность контроля при заданных параметрах сканирования, имеет вид

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

-ti ,

tii 2Кгде Т - суммарное время сканирования и обработки информации при осмотре поверхности деталей;

S - площадь осматриваемой поверхности;

А1, Д2 - шаги осмотра во взаимоперпендикулярных направлениях;

ti - время сканирования и обработки информации в одном кадре;

k - число кадров, вписывающихся в базовый участок;

t2 - время обработки информации, полученной на базовом участке.

Например, для выявления дефектов и определения их параметров в трех измерениях при осмотре поверхности площадью 1000 мм2 с дискретом 0,1 мм и, применяя микроЭВМ, имеющую быстродействие 6 Ю6 операций в секунду, по формуле (1) получаем (для триангуляционного метода)

Tmln -

1000 0,1 -0,1

10 3 300с;

для метода светового сечения (длина световой полоски 3,0 мм) с учетом использования фотоматричных приемников с параллельной выборкой информации и предварительной аппаратной обработкой, связанной с

определением координат центров элементов световой полоски для каждой строки фотоматрицы

т - ЮОО 20lmln 3,0-0,1

10 ,3с.

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

обработки информации в кадрах.

В связи с большим объемом информации, поступающей с фотоматрицы (примерно 160 кбайт в секунду), а также достаточно сложным алгоритмом обработки информации (см. дальше по тексту), достигаемая производительность средств контроля даже при использовании микроЭВМ повышенного быстродействия при известных способах контроля не удовлетворяет требованиям

производства.

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

позволяет известными способами и устройствами получить требуемую производительность контроля.

Из существующих способов наиболее близким по технической сущности для решения задачи контроля дефектов поверхностей деталей и изделий с учетом возможности определения параметров де- фектов(длина. ширина, глубина, площадь на заданной глубине и т.д.) является 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 профиля поверхности, изображение которой в отраженном свете строят на двумерном фотоприемнике так, что оно пер- пендикулярно направлению строчной развертки, относительно начала которой определяют построчно координаты передней границы изображения световой полоски, запоминают их и осуществляют расчет в каждом кадре базовой линии и относительно нее параметров микро- и макрогеометрии рельефа поверхности.

Недостатками этого способа при контроле дефектов поверхности является;

низкая производительность, обусловленная большим объемом перерабатываемой информации и вычислений;

снижение точности и достоверности контроля в связи с тем, что средняя линия, являющаяся базой отсчета параметров дефектов определяется по информации, снятой при сканировании участков поверхности с аномалиями качества;

снижение точности и достоверности контроля в связи с измерением ширины изображения световой полоски, обусловленным различием отражательных характеристик поверхностей объектов контроля и расфокусировкой.

Целью технического решения является повышение производительности, точности и достоверности контроля дефектов поверхности деталей и изделий.

Поставленная цель достигается тем, что в способе автоматического контроля дефектов поверхности деталей и изделий, при котором на сканируемой контролируемой поверхности на базовой длине формируют световую полоску, принимающую форму профиля поверхности, изображение которой в. отраженном свете строят на двумерном фотоприемнике так, что оно перпендикулярно направлению строчной развертки, относительно начала которой определяют построчно координаты передней границы изображения световой полоски, запоминают и х и осуществляют расчет в каждом кадре базовой линии и относительно нее параметров микро- и макрогео- метрии рельефа поверхности, с целью повышения производительности контроля, принимают дополнительно диффузию отраженную составляющую светового потока, преобразуют оптический сигнал в электри- ческий, сравнивают уровень полученного электрического сигнала с минимальным и максимальным уровнями, установленными по заданному критерию обнаружения, фиксируют моменты времени, в которые сигнал

от диффузной составляющей соответственно меньше или больше заданных, в зафиксированные моменты вырабатывают сигналы обнаружения аномалий качества поверхности, а расчет базовой линии и параметров рельефа производят только для участков поверхности с аномалиями качества.

С целью повышения точности и достоверности контроля, базовую линию рассчитывают по информации от последнего кадра перед появлением сигнала об обнаружении аномалии качества контролируемой поверхности.

С целью повышения точности и достоверности контроля, суммируют число элементов разложения строки с числом элементов, пропорциональным координате передней границе изображения, и вычитают число элементов пропорциональное координате задней границы, которое находят в направлении,обратном направлению развертки от точки ее окончания, и берут половину полученного значения, по которой определяют построчно координаты центров элементов бинарного изображения световой полоски, которые используют в качестве исходной информации для расчета параметров аномалий качества контролируемой поверхности.

На фиг, 1 изображена схема способа автоматического контроля дефектов поверхности деталей и изделий; на фиг. 2 - бинар- ные изображения световой полоски с привязкой к фотоматричной структуре для бездефектного и дефектного участка поверхности; на фиг. 3 - структурная схема алгоритма программной обработки информации о параметрах дефектов; на фиг. 4 - иллюстрация влияния отражательных характеристик контролируемой поверхности расфокусировки изображения световой полоски на точность контроля параметров дефектов поверхности для предложенного способа и прототипа.

Сущность предложенного способа иллюстрируется схемой, представленной на фиг. 1. На сканируемой поверхности 1 формируют световую полоску 2, длина которой равна базовой длине, выбираемой исходя из параметров микро- и макрогеометрии рельефа поверхности, производительности и точности контроля. Световую полоску 2, принимающую форму профиля поверхности 1, проецирует в отраженном свете с помощью объектива 3 на двумерный фотопри- емник 4 так, что изображение ее перпендикулярно направлению строчной развертки, относительно, начала которой в блоке обработки информации канала измерения (БОЙКИ) 5 определяют построчно координаты центров у,- элементов изображения световой полоски, предварительно преобразовав его в бинарное. Бинарное изображение световой полоски с привязкой к фотоматричной структуре для бездефектного и дефектного участка поверхности представлены на фиг. 2. Координаты yi заносятся в автономную оперативную память 6, состоящую из нескольких ОЗУ. каждое из которых позволяет записать в нее объем

информации, соответствующий одному базовому участку, на которые условно разделена контролируемая поверхность, Шаг сканирования и число кадров на базовом участке зависят от вида и качества обработки поверхности и от требуемой точности контроля. Запись информации в автономную оперативную память производят поочередно. При заполнении первого ОЗУ осуществляется автоматическое г ереклю- чение на запись информации во второе ОЗУ и так далее по кольцевой схеме. При этом информация с заполненных ОЗУ доступна по чтению через блок интерфейса 7 со стороны вычислительного блока 8. Однако расчета параметров микро- и макрогеометрии рельефа поверхности не производят вплоть до моментов времени, в которые в зоне световой полоски появляются аномалии качества 9, вызывающие изменение энергии в зоне диффузного отражения, где в зависимости от индикатрис рассеяния на характерных видах дефектов располагают в пространстве дополнительные фотопреобразователи 10 канала обнаружения аномалий (на фиг. 1 показаны 2 фотопреобразователя). Напряжения с выходов фотопреобразователей 10 сравниваются в блоке обработки информации канала обнаружения (БОИКО) аномалий 11с установленным по заданному критерию обнаружения минимальным и максТШальным пороговыми уровнями напряжений и в случае выхода их значений за допустимый интервал в БОИКО 11 вырабатывается сигнал наличия аномалии, который подается в ОЗУ для фиксирования адресов массивов информации

соответствующих аномалиям качества, и в-блоке 8 для запуска алгоритма расчета параметров рельефа аномалии качества, текущая информация о которых сравнивается с предельно допустимыми значениями по параметрам (глубина, ширина, длина, площадь на заданной глубине и т.д.), и в случае их превышения 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 вырабатывается сигнал годен. Блок исполнительных устройств 12 управляет разбраковкой объектов

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

Структурная схема алгоритма программной обработки информации о параметрах

дефектов представлена на фиг. 3. Обработка информации начинается с момента разрешения доступа микроЭВМ к секции ОЗУ, в которую была записана информация о координатах yi(ординатах профиля рельефа) и

адресах кадров во время действия сигнала наличия аномалии качества. В память блока 8 записывается весь массив информации из секции ОЗУ, включая информацию о бездефектных кадрах. Далее определяется адрес

бездефектного кадра, последнего перед появлением сигнала о наличии аномалии, по информации которого (ординатам yi) рассчитываются ординаты средней линии mi, имеющей форму номинального профиля

контролируемой поверхности и расположенного так, что в пределах длины светового сечения, вписанного во входное окно фотоматрицы сумма квадратов расстояний отточек профиля светового сечения до этой

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

С целью снижения 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 определяется относительно средней линии по формуле

(mi-yi),

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

бм - шаг элементов фотоматрицы в меридиональной плоскости;

- линейное увеличение проекционной системы в меридиональной плоскости.

Текущая ширина дефекта на заданной глубине (высоте) находится из выражения

входящих в аномалию, вычисляется по формуле:

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано при автоматизации визуального контроля дефектов. Цель изобретения - повышение производительности, контроля. Способ автематического контроля заключается в сканировании контролируемой поверхности световой полоски, принимающей форму профиля поверхности, анализе параметров формы и положения изображения световой полоски с помощью двумерного фотопреобразователя и микроЭВМ при обнаружении аномалии качества поверхности, осуществляемом фотопреобразователями, установленными в зоне диффузного отражения. Анализ параметров формы и положения изображения световой полоски включает в себя: определение построчно координат центров элементов бинарного изображения световой полоски; расчет для бездефектного кадра ординат базовой линии, относительно которой определяются параметры дефектов (глубина, ширина, длина, площадь на заданной глубине и т.д.), сравниваемые с предельно допустимыми установленными величинами, и в зависимости от сравнения вырабатываются сигналы разбраковки проконтролированных деталей и изделий. 2 з.п. ф-лы, 4 ил. С/) С

gpk25)ai,

х

где k2 -Ј - масштабней коэффициент для

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) находится из выражения

Lk v Т 2, с j, 1

где v - скорость движения 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 максимальная и минимальная глубина дефекта в кадре.

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

Sk

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

S

Sk.

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

Среднее арифметическое значение координат центров элементов бинарного изображения световой полоски для кадров,

УГ { Ј

5

0

5

0

5

О

5

0

5

Получаемая текущая информация о параметрах дефекта сравнивается в вычислительном блоке с установленными предельно допустимыми значениями, при превышении которых по какому-либо параметру вырабатываются сигналы разбраковки и индикации, поступающие соответственно в блок исполнительных устройств и информационное табло.

Влияние отражательных характеристик контролируемой поверхности и расфокусировки световой полоски на точность контроля параметров дефектов для предложенного способа и прототипа иллюстрируется на фиг. А (а - за счет изменения параметров шероховатости; б - за счет изменения коэффициента отражения; в - за счет расфокусировки изображения световой полоски; г - бинарное изображение элемента световой полоски с привязкой к элементам строки фотоматрицы),

Световая полоска на контролируемой поверхности формируется световым потоком 14. Индикатрисы рассеяния отраженного потока в зависимости от разброса параметров шероховатости и изменения коэффициента отражения имеют вид, соответствующий позициям -15, 16, 17, согласно которым видеосигналы, снимаемые со строки фотоматрицы представлены на эпюрах 18, 19, 20, а также на эпюре 21, характеризующей влияние расфокусировки изображения световой полоски. При получении относительно порогового напряжения бинарного изображения элемента световой полоски, представленного на строке фотоматрицы 22 в виде позиции 23 (соответствует эпюре 18) и позиции 24 (соответствует эпюрам 19-21), передние границы изображения у/ и уГпринятые в качестве ординат профиля рельефа поверхности в прототипе, имеют разные значения для бездефектной поверхности и вызывают ошибку A yi-y существенно влияющую на точность определения параметров микро- и макрогеометрии рельефа поверхности. В предложенном способе определение координаты yi центра элемента бинарного изображения, неизменной по отношению к эпюрам 18-21, позволяет практически исключить влияние разброса параметров шероховатости, коэффициента отражения контролируемой поверхности, а также расфокусировки

изображения световой полоски на точность контроля.

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

2yi t+a-b.

То, что вместо yi вводится 2yi, легко учитывается при расчетах в вычислительном блоке.

Рассмотрим пример осуществления способа автоматического контроля дефектов поверхности цилиндрических деталей диаметром 40 мм и высотой 120 мм.

по глубине (д у), мм - 0,01; ,

по ширине, длине (д х), мм - 0,17

размер рабочего п оля в меридиональной и сагиттальной плоскостях (С), мм - 8;

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

выборка информации - параллельно по строкам.

Выбираем микроЭВМ, имеющую быстродействие 6 106 операций в секунду, что позволяет обеспечить обработку информации, имеющейся в кадре за время 1 мс.

/Зм

Ду 0,25

бу -2 sin a 0,01 V2

« 17.7

д Ах 0, А -7|5---ТГГ-2 5

Ж-Т5Т

всем строкам, определяется из выражения:

Ј ,2мм

способу прототипа, вычисляется по формуле (1)

т - 40 3,14-120 .

Ттах з.О 0,110 28 С

25

Tmin

Ai Да

ts Q

30

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

20 ,56 с

где т.3 - время записи однобайтового слова в память микроЭВМ. что соответствует кадровой частоте фотоматрицы 50 кГц:

Q - объем информации (однобайтовых

слов) в кадре.

Tmin 100 0.56 100 „ о,

2 % .

i max

28

контроль составляет 5,6 с, что в 5 раз ниже, чем для способа контроля, взятого в качест- ёе прототипа.- -- -Таким образом, применение предлагаемого способа автоматического контроля дефектов поверхности деталей и изделий обеспечивает по сравнению со способом, взятым в качестве прототипа, следующие преимущества:

существенное повышение производительности контроля при обеспечении заданной достоверности;

повышение точности и достоверности контроля дефектов.

Формула изобретения 1. Способ автоматического контроля дефектов поверхности деталей и изделий, при котором на сканируемой контролируемой поверхности на боковой длине формируют световую полоску, принимающую форму профиля поверхности, изображение которой в отраженном свете строят на двумерном фотоприемнике так, что оно перпендикулярно направлению строчной развертки, относительно начала которой определяют построчно координаты передней границы изображения световой полоски, запоминают их и осуществляют расчет в каждом кадре базовой линии и относитель- но нее параметров микро- и макрогеометрии рельефа поверхности, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности контроля, принимают дополнительнодиффузно-отраженнуюсоставляющую светового потока, преобразуют оптический сигнал в электрический, сравнивают уровень полученного электрического сигнала с минимальным и макси0

5 0 5 0

мальным уровнями, установленными по заданному критерию обнаружения, фиксируют моменты времени, в которые сигнал от диффузной составляющей соответственно больше или меньше заданных, в зафиксированные моменты вырабатываютсигналы обнаружения аномалий качества поверхности, а расчет базовой линии и параметров рельефа производят только для участков поверхности с аномалиями качества.

8

12

13

Фиг.1

/ г

б

/ г

Уу

:Ш:

0-З

/г

для бездефектного участка; для дефектного участка

Фиг. 2

-4

Средняя линия для бездефектного участка

KoHTyJB сечения 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 (для 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