CN103635794A

CN103635794A - 用于光学检查零件的方法和系统

Info

Publication number: CN103635794A
Application number: CN201280033064.0A
Authority: CN
Inventors: 迈克尔·G·尼加德
Original assignee: GII Acquisition LLC
Current assignee: GII Acquisition LLC
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2014-03-12
Also published as: US9019489B2; WO2012158670A1; US20140036260A1; US20120293789A1; US8570504B2; EP2710354A4; EP2710354A1

Abstract

本发明提供了一种用于光学检查零件的方法和系统，其中该系统包括一个零件传送子系统，该子系统包括一个传送机构，该传送机构被适配成用于在一个装载站处接收和支撑一个零件并传送所支撑的零件，使得该零件沿着一条从该装载站延伸至一个检查站的第一路径行进，在该检查站处，该零件具有用于检查的预定位置和取向。一个照明组件用多个分离的辐射束同时照射该零件的多个外部侧表面。一个远心透镜与检测器组件形成该零件的每个被照射的侧表面的至少一部分的一个光学图像并检测这些光学图像。一个处理器处理这些经检测的光学图像，以获得该零件的、围绕该零件的轴线有角度地间隔开的多个视图。

Description

用于光学检查零件的方法和系统

技术领域

本发明总体上涉及零件的无接触式光学检查的领域，更具体地涉及用于光学检查零件、例如弹药壳和螺纹紧固件的方法和系统。

综述

传统的手动计测装置和技术在某种程度上已经被自动的检查方法和系统所取代。然而，这些自动的检查方法和系统仍具有多个与其关联的缺点。

制造过程中的一个重要方面就是检查轻便武器弹药筒和弹药壳表面上的和内部的缺陷，从而允许维持军火工业的高水平的品质和可靠性。多年来，制造商们已经制定并使用了很多标准，以帮助将不同类型的缺陷分类。作为代替方案，使用一种军用标准，例如1958年由美国国防部引入的标准MIL-STD-636。对于口径达到0.50的轻便武器弹药来说，这个标准用于评估和阐述由涵盖了美国所有轻便武器弹药制造设施的广泛调查的结果所汇集的大多数实际的缺陷。

图1a为0.50口径的弹壳的示意性侧视图。正如在上述军用标准中解释的，如果一个弹壳显示出金属完全跨过其弹壳壁的明显分离，则该弹壳被认定为由于弹壳裂缝而是有缺陷的。一个弹壳取决于裂缝的位置而被归类为“主要缺陷”或“致命缺陷”。处于（I）、（S）或（J）位置的裂缝当未出现火药流失的时候被认定为“主要”缺陷、而当出现火药流失的时候则被认定为“致命缺陷”。处于（K）、（L）或（M）位置的裂缝被认定为“致命缺陷”。

图1b为0.30口径的弹壳的示意性侧视图。如上所述，如果一个弹壳显示出金属完全跨过其弹壳壁的明显分离，则该弹壳被认定为由于弹壳裂缝而是有缺陷的。一个弹壳取决于裂缝的位置而被归类为“主要缺陷”或“致命缺陷”。处于（I）或（J）位置的裂缝当未出现火药流失的时候被认定为“主要缺陷”、而当出现火药流失的时候则被认定为“致命缺陷”。处于（K）、（L）或（M）位置的裂缝被认定为“致命缺陷”。

图1c为0.45口径的弹壳的示意性侧视图。同样如上所述，如果一个弹壳显示出金属完全跨过其弹壳壁的明显分离，则该弹壳被认定为由于弹壳裂缝而是有缺陷的。一个弹壳取决于裂缝的位置而被归类为“主要缺陷”或“致命缺陷”。处于（I）或（J）位置的裂缝当未出现火药流失的时候被认定为“主要缺陷”、而当出现火药流失的时候则被认定为“致命缺陷”。处于（K）、（L）或（M）位置的裂缝被认定为“致命缺陷”。

美国专利号4,923,066公开了一种用于轻便武器弹药的自动视觉检查系统，该系统根据所建立的可以进行定制以适应特定需求的标准来对可视的表面缺陷进行快速分类。

美国专利号7,403,872公开了一种用于检查所制造的零件如弹药筒和弹壳等并对经检查的零件进行分类的方法和系统。

WO2005/022076公开了产生与待检查的零件相交的相关光束的多个光线产生器。

美国专利号6,313,948公开了一种光束成形器，用于生产在零件检查系统中使用的均匀片光，该成形器具有一个包括相干光产生器的光源、一个衍射束成形器和多个透镜元件。

美国专利号6,285,034公开了一种用于评估旋转不对称的工件是否符合构型指标的检查系统。

美国专利号6,252,661公开了一种用于评估工件是否符合构型指标的检查系统。

美国专利号6,959,108公开了一种检查系统，其中待检查的工件被连续地且自动地送出而无支撑地经过多个摄像机的视野。

美国专利号4,831,251公开了一种将带螺纹的工件通过其螺纹牙形的绕向（handedness）进行区别的光学装置。

美国专利号5,383,021公开了一种能够评估工件的空间形态参数的无接触式检查系统，以便在生产中提供对零件的检查。

美国专利号5,568,263也公开了一种能够评估工件的空间形态参数的无接触式检查系统，以便在生产中提供对零件的检查。

美国专利号4,852,983公开了一种光学系统，该系统模拟了在大距离上行进对多个参照表面之间的光行进的光学影响。

美国专利申请公开号2005/0174567公开了一种用于确定零件中的裂纹存在性的系统。

美国专利申请公开号2006/0236792公开了一种用于工件的检查站，该检查站包括一台输送机、一个用于旋转该工件的机构和一个探头。

美国专利号6,289,600公开了一种用于确定柱状物体（如管道）的尺寸的无接触式测量装置。

美国专利号5,521,707公开了一种由精密机械系统引导的基于激光的无接触式传感器，用以扫描一种螺纹牙形从而产生该螺纹牙形的一组数字化图像。

WO2009/130062公开了一种用于光学观察物体的方法和装置。

美国专利号4,547,674公开了一种用于通过光学三角测量法检查齿轮几何形状的方法和设备。

美国专利号4,970,401公开了一种无接触式三角测量探头系统，该系统包括一个基板和一个第一无接触式三角测量探头，该第一三角测量探头包括被安装在一个第一可移动滑块上的一个光源。

美国专利号5,168,458和5,170,306公开了用于计测螺纹紧固件的方法和系统，以获得三角参数（trilobular parameter）。

与本发明相关的其他美国专利文件包括：美国专利号4,315,688；4,598,998；4,644,394；4,852,983；4,906,098；5,521,707；5,608,530；5,646,724；5,291,272；6,055,329；4,983,043；3,924,953；5,164,995；4,721,388；4,969,746；5,012,117；7,684,054；7,403,872；7,633,635；7,312,607；7,777,900；7,633,046；7,633,634；7,738,121；7,755,754；7,738,088；7,796,278；7,684,054；和7,812,970；以及已公开的美国专利申请号2010/0245850和2010/0201806。

示例性实施方式的概述

在一个示例性实施例中，提供了一种用于光学检查零件的方法。这些零件各自具有一个长度、一个宽度和一条轴线。该方法包括：在一个装载站处支撑一个待检查的零件。该方法还包括：传送被支撑的零件，使得该零件沿着一条从该装载站延伸至一个检查站的第一路径行进，在该检查站处，该零件具有用于检查的预定位置和取向。该方法进一步包括：在该检查站处用多个分离的辐射束同时照射该零件的、围绕该零件的轴线有角度地间隔开的多个外部侧表面。这些被照射的侧表面各自包括该零件的一对间隔开的横向边缘。该方法还进一步包括：形成该零件的每个被照射的侧表面的至少一部分的光学图像。该方法包括：检测这些光学图像并处理这些经检测的光学图像，以获得该零件的、围绕其轴线有角度地间隔开的多个视图。该方法进一步包括：传送在该检查站处检查之后的该零件，使得经检查的该零件沿着一条从该检查站延伸至一个卸载站的第二路径行进。

这些视图可以是围绕该检查站处的该零件的轴线基本上等距地间隔开的。

该零件可以在该检查站是静止的。

该装载站可以与该卸载站一致。

该方法可进一步包括以下步骤：协调在该检查站处对该零件的检查与将该零件传送至该检查站并从该检查站传送走，以便控制该零件的移动以及该零件的检查。

第一路径和第二路径可以定义一个环形路径，其中这些站各自是沿着该环形路径定位的。

可以处理这些经检测的图像，以识别出有缺陷的零件。

可以处理这些经检测的图像，以获得对该零件的一种衡量。

该方法可进一步包括：显示该零件的至少一个视图。

该照射步骤可以包括以下步骤：产生一个单一辐射束并将该单一辐射束划分或拆分成若干个分离的辐射束。

该辐射可以是可见光辐射或紫外线辐射。

这些分离的辐射束各自都可以是一个反射的辐射束。

这些零件可以包括弹壳。

可以处理该弹壳的这些经检测的光学图像，以确定以下中的至少一者：位于该弹壳的这些侧表面上的凹痕、裂缝、穿孔、裂纹、刮痕、褶皱、翘曲、鼓包和表面瑕疵。

这些零件可以包括螺纹紧固件。

在另一示例性实施例中，提供了一种用于光学检查零件的系统。这些零件各自具有一个长度、一个宽度和一条轴线。该系统包括一个零件传送子系统，该子系统包括一个传送机构，该传送机构被适配成用于在一个装载站处接收和支撑一个零件并传送所支撑的零件，使得该零件沿着一条从该装载站延伸至一个检查站的第一路径行进，在该检查站处，该零件具有用于检查的预定位置和取向；并且该传送机构被适配成用于传送在该检查站处检查之后的该零件，使得该经检查的零件沿着一条从该检查站延伸至一个卸载站的第二路径行进。该系统进一步包括一个照明组件，以便当该零件位于该检查站处时用多个分离的辐射束同时照射该零件的、围绕该零件的轴线有角度地与间隔开的多个外部侧表面。这些被照射的侧表面各自包括该零件的一对间隔开的横向边缘。该系统还进一步包括一个远心透镜与检测器组件，用于形成该零件的每个被照射的侧表面的至少一部分的光学图像并检测这些光学图像。最后，该系统包括一个处理器，用于处理这些经检测的光学图像，以获得该零件的、围绕该其轴线有角度地间隔开的多个视图。

该远心透镜可以包括前方光学元件组，这些光学元件具有一个光轴和一个孔径光阑。该光阑设置有一个透明窗口，该透明窗口基本上在该光轴上居中并沿着该前方光学元件组的光轴定位在一个焦点处。

该远心透镜可以进一步包括一个后方光学元件组，其中该光阑被插在该前方组和该后方组之间，该透明窗口位于该前方光学元件组和后方光学元件组的这些焦点处。

该检测器可以包括一个具有图像平面的图像传感器，用于检测这些光学图像。

该照明组件可以包括一个单辐射源和一个反射镜子组件，用于接收辐射并将该辐射划分成该多个分离的辐射束。

零件可以包括弹壳，例如非磁性的（如黄铜的）弹药筒。

可以处理这些经检测的光学图像，以确定以下中的至少一者：位于该弹壳的这些侧表面上的凹痕、裂缝、穿孔、裂纹、刮痕、褶皱、翘曲、鼓包和表面瑕疵。

这些零件可以包括螺纹紧固件，例如螺栓和螺钉，无论是磁性的还是非磁性的（即，不锈钢或钛）。

该传送机构可以包括一个输送机，例如一个磁性输送机或一个真空传送输送机。

该真空传送输送机可以包括一个穿孔的输送带，其中该零件的头部被保持靠在该输送带的一个表面上。

该传送机构可以包括一个可移动台或可移动盘，或者该传送机构可以是一个真空传送机构。

该照明组件可以包括一个部分反射镜，该部分反射镜被插在该源和该反射镜子组件之间，以允许该辐射沿着一个第一方向从其中穿过并防止辐射沿着一个与该第一方向相反的第二方向从其中穿过。

该辐射源可以包括一个LED发射器和一个光学群，以便对该发射器发射出的辐射线进行准直。

该透明窗口可以是一个基本在该光轴上居中的环形窗口。这些光学图像可以包括该零件的多对被照射的横向边缘。

该反射镜子组件可以包括至少一个被置于该第一路径和第二路径的一侧的反射镜和至少一个被置于该第一路径和第二路径的相反一侧的反射镜。

该前方光学元件组可以从这些对的被照射的横向边缘接收具有窄范围的入射角的辐射束。所接收的辐射线基本上平行于该光轴。

在又另一个实施例中，提供了一种用于光学检查零件的系统。这些零件各自具有一个头部、一个宽度和一条轴线。该系统包括一个零件传送子系统，该子系统包括一个传送机构，该传送机构被适配成用于在一个装载站处接收和支撑处于间隔开的关系的多个零件的头部并传送所支撑的零件，使得这些零件沿着一条从该装载站延伸至一个检查站的第一路径行进，在该检查站处，这些零件具有用于检查的预定位置和取向；并且该传送机构被适配成用于传送这些在该检查站处检查之后的零件，使得这些经检查的零件沿着一条从该检查站延伸至一个卸载站的第二路径行进。该系统进一步包括一个照明组件，以便当每个零件位于该检查站时用多个分离的辐射束同时照射该零件的、围绕该零件的轴线有角度地间隔开的多个外部侧表面。这些侧表面各自包括该零件的一对间隔开的横向边缘。该系统还进一步包括一个远心透镜与检测器组件，用于形成每个被照射的侧表面的至少一部分的一个光学图像并检测这些光学图像。最后，该系统包括一个处理器，用于处理这些经检测的图像，以获得这些零件各自的、围绕这些零件的轴线有角度地间隔开的多个视图。

该系统可以进一步包括一个系统控制器，用于控制该零件传送子系统和该照明组件，以控制零件的流动以及该零件在该检查站处的检查。

本领域的普通技术人员从下述附图、说明和权利要求中将容易明白其他技术优点。并且，虽然列举了具体的优点，但不同的实施例可以包括所列举的这些优点中的所有、一些或没有。

附图简要说明

为了更加完整地了解本发明以及本发明的更多特征和优点，将参考以下结合附图进行的说明，在附图中：

图1a为0.50口径的弹壳的示意性侧视图；

图1b为0.30口径的弹壳的示意性侧视图；

图1c为0.45口径的弹壳的示意性侧视图；

图2a为接收并固持在传送机构中的螺纹紧固件的从截面中部分截取的示意性侧视图；

图2b为螺纹紧固件的从截面中部分截图的示意性侧视图，该螺纹紧固件的头部被接收并固持在一个夹盘部件或夹具内部，该夹盘部件或夹具又被接收并固持在传送机构上；

图3为本发明的系统在检查站、装载站和卸载站处的一个示例性实施例的示意性框图；

图4a为本发明的系统在检查站、装载站和卸载站处的另一个实例的示意性框图；

图4b为真空传送输送机的输送带的从截面中部分截取的侧视图，其中这些零件（例如螺钉）的头部被保持靠在一个穿孔的输送带的下表面上；

图4c为真空传送输送机的输送带的从截面中部分截取的侧视图，其中这些零件（例如弹壳）的头部都保持靠在该穿孔的输送带的下表面上；

图5为本发明的实施例中的一个反射镜子组件（为虚线）、一个用于弹壳的传送机构和一个系统控制器的部分截取的顶部示意性框图；

图6为两个照明辐射源、一个部分反射镜、图5的传送机构以及一个与图5所示的反射镜子组件相关的远心透镜和检测器组件的从截面中部分截取的侧面示意性框图；

图7为一个和图5所示的反射镜子组件基本相同的反射镜子组件、一个用于螺纹紧固件的传送机构和一个系统控制器的部分截取的顶部示意性框图；

图8为一个照明辐射源、一个部分反射镜、图7所示的传送机构和对应图7所示的反射镜子组件的一个远心透镜与检测器组件的第二实施例的从截面中部分截取的侧面示意性框图；

图9为一个照明组件、图6所示的远心透镜与检测器组件、图6所示的传送机构以及一个用于获得位于检查站处的弹壳的多个侧面之一的视图的系统控制器的部分截取的顶部平面示意性框图；

图10a为照明组件、图8所示的远心透镜与检测器组件、图8所示的传送机构以及一个用于获得即将转位（index）到该检查站中的螺纹紧固件的多个侧面之一的视图的系统控制器的部分截取的顶部平面示意性框图；

图10b与图10a相类似，并且该螺纹紧固件位于该检查站处，其中一些辐射被该螺纹紧固件阻挡而一些辐射束被该螺纹紧固件的多个边缘散射并穿过该远心透镜的光阑；

图10c为图10b所示的远心透镜的一部分的部分截取的放大视图，其中对应的辐射线被该光阑阻挡或穿过了该光阑；

图11为一个示意图，其中一旦一个零件例如弹壳已被定位，则该图中的框架被应用于该零件；

图12为描述待检查的弹壳或子弹的一个屏幕截图的示意图；

图13为类似于图11的视图的一个示意图，其中一旦这些弹壳区域已被识别则应用多个缓冲区；并且

图14为外部丝线相对于螺纹紧固件视图的一个数据图表的屏幕截图。

示例性实施方式的详细说明

图2a是一个用于移动零件的传送机构20的视图，从该图看出，一个零件（例如螺纹紧固件或螺栓22）的头部悬挂在或被悬吊在该传送机构20中的一个孔24上。以这种方式，该螺栓22的螺纹被暴露出以便通过本发明的至少一个实施例的系统进行光学检查。其他零件，例如图1a－图1c所示的弹壳，可以以一种类似的方式被支撑。

图2b是螺栓22的一个视图，该螺栓通过被安装在传送机构20’上的固定位置处的一个夹盘或夹具24被支撑为直立于该机构20’的上表面。该螺栓22的头部由该夹具24支撑并置于该夹具中。这一特征允许该螺栓22的螺纹在本发明的系统的另一实施例中接受光学检查。其他零件，例如图1a－图1c所示的弹壳，可以以一种类似的方式被支撑。

一般，多个远心子系统可以提取零件的光学边缘并提供多重侧面成像。本发明的一个实施例的一方面涉及一种新颖的方法和构型，该方法和构型利用包括一个远心或双远心透镜的一个远心子系统来对被接收并支撑在一个传送机构上的多个零件进行光学检查，该传送机构在装载站、卸载站和检查站之间移动这些零件。在该检查站处，这些零件具有一个用于光学检查的预定位置和取向。

现参照图3和图4a，展示了用于对例如弹药壳或弹药筒（图3）以及螺纹紧固件（图4a）等零件进行光学检查的系统的两个不同实例或实施例。图3和图4的这些系统各自包括一个零件传送子系统，该零件传送子系统包括一个传送机构（图3中的30和图4a中的40），该传送机构被适配成用于接收一个装载站处的多个零件并将这些零件固持在其上，在该装载站处，一个装载器从一个储仓或其他存储或传送装置中装载多个待检查的零件。然后，该传送机构30或40传送这些被固持的零件，使得这些零件沿着一条从该装载站延伸到一个检查站的第一路径行进，在该检查站处，这些零件具有一个用于检查的预定位置和取向。随后，该传送机构30或40传送这些在该检查站处检查后的零件，使得这些经检查的零件沿着一条从该检查站延伸到一个卸载站的第二路径行进，在该卸载站处，这些经检查的零件通过一个卸载器从该传送机构30或40上卸载下来。该装载器和卸载器可以是相同的装置，例如具有视觉能力的机器人，它们可以将“通过”了该检查的零件放置在一个“优良零件”储仓中并将没有“通过”该检查的零件放置在一个“缺陷零件”储仓中。该卸载站可以与该装载站一致并且该装载和卸载可以通过手动或自动方式完成。

如图3和图4a所示，该传送机构30可以是一个用于传送弹壳的旋转台或旋转盘，并且该传送机构40可以包括一个用于传送例如螺纹紧固件（例如螺栓22或螺钉）等零件的输送机，例如磁性输送机或真空输送机。磁性输送机经常用于输送铁磁物品，例如罐头、冲压制品等等。在这种类型的输送机中，多个永久磁铁位于一个环形皮带的输送路径下方的输送机框架中并且物品被吸引向该磁体，这样使得该皮带可以沿着一条倾斜的或竖直的行进路径行进而这些物品并不从该皮带落下。

作为替代方案，该传送机构30可以被修改以便接收并固持多个螺纹紧固件并且该传送机构40可以被修改以便接收并固持多个弹壳。这些弹壳可以是铁磁的或者，如果不是铁磁的，则可以将多个磁体放置在这些弹壳中。

作为替代方案，可以提供一种进行转位的无带式磁性输送机。这样一种输送机可以包括一个限定该输送机纵向长度的壳体以及一个可移动地支撑在该壳体中的磁性架组件。该磁性架组件包括沿着该输送机的纵向长度相互间隔支撑的多个磁体组件。该无带式磁性输送机还包括一个由该系统控制器控制的驱动器，用于在同一路径上将该磁性架组件在邻近于该壳体一端的一个原位或装载位置与邻近于该壳体的相反一端的一个末端或检查位置之间进行转位。这些磁体组件是可操作的以产生磁力，该磁力起作用而朝着该壳体吸引铁磁材料并在该磁性架组件被转位时在该输送机纵向长度的方向上移动该铁磁材料。

如图3中进一步示出的，该可移动台或可移动盘30可以是一个旋转转位台或转位盘，用于在该旋转转位台30的顶面或底面传送零件，例如弹药壳或弹药筒32。该旋转转位台30典型地具有一条中央旋转轴线34以及一个圆形的外围。该转位台的旋转驱动器在图3和图6中示出并且基于从多个传感器到一个系统控制器的不同传感器输入信号运行，以便在用于围绕该旋转轴线34进行转位式旋转的一个底座上来旋转该旋转转位台30，该系统控制器进而向一个与该旋转驱动器机械耦合的定位驱动器提供顺序控制信号。该系统控制器还将多个控制信号提供给一个计算机显示器、一个零件装载器/卸载器（例如，机器人）并且提供给一个控制单元，该控制单元使该旋转转位台30相对于其底座竖直地移动，这样使得该旋转驱动器可以在多个站之间驱动该转位台30。在该转位台30已移动到所需的站之后，该控制单元以可控制的方式将该旋转台30降回到其底座上。

并且作为替代方案，如图4b和图4c中示出的，该零件传送子系统可以包括一个具有输送皮带的真空传送输送机，其中例如螺钉32（图4b）或弹壳32（图4c）等零件的头部被悬挂或保持住以便可以对这些零件进行横向光学检查。这样的零件可以包括黄铜弹壳、不锈钢紧固件（例如螺钉）和钛零件。典型地，这样的真空带式输送机可以在多个站之间传送小型零件或物品，而同时保持该零件的一个预定的直立位置。这样的输送机或输送机设备典型地包括一个真空的集气室42、或用于在该集气室42中获得真空的机构、在集气室壁44中的多个间隔开的空气孔、以及一个有孔的真空传送带48，该真空传送带具有一个被安装成用于沿着该集气室壁44的外表面移动的范围。该真空输送机中的这些孔以一定的距离间隔开，以提供一种允许实现对缺陷零件进行检查和拒收的适当间距的“计量效果”。

现在参照图5和图6，展示了一个照明组件的第一实施例（总体上表示为60），用于同时照射该零件（例如支撑在该转位台30上的这些弹壳32）的多个外部侧表面。（为了简洁，在除图3外的这些图中已省略了该定位驱动器。）这些侧表面是关于该弹壳32的轴线成角度地间隔开的并且当该弹壳32位于该检查站处时，利用多个分开的辐射束来照射这些侧表面。这些被照射的侧表面各自包括该弹壳32的一对间隔开的横向边缘。

该照明组件60包括一个辐射扩散源61和一个反射镜子组件（总体上表示为62），用于接收该辐射并将其分成如图5所示的多个分开的辐射束。该辐射源61包括由该系统控制器控制的一个LED发射器63以及用于扩散由发射器63发射的辐射线的至少一个光学元件64或扩散器。该发射器63包括多个LED。该照明组件60还包括被插入该源61与该反射镜子组件62之间的一个部分反射镜或分束器65，以允许该辐射在一个第一方向上从其中穿过并阻止辐射沿着与该第一方向相反的第二方向从其中穿过。

该分束器65位于光程中，用于将沿着该光程从这些弹壳32返回的光能导向一个远心透镜92和一个检测装置94（图9），该检测装置典型地包括一个摄像机-该摄像机可以是一个数字CCD摄像机（例如彩色或黑白）-和一个相关联的帧接收器（或与该摄像机一起提供的数字帧缓冲器），该帧接收器将从该电视摄像机输出的视频数字化，以获得表示该弹壳32的侧表面部分的二维图像的像素数据。这些像素数据被存储在该帧接收器的一个存储器中、或例如通过一个高速链路被直接发送到图3和图9所示的处理器中。

该照明组件60还可以包括由该系统控制器控制的用于提供对该弹壳32的直接照明的一个环状LED照明器68（图6）、并用于突显该弹壳32表面中的缺陷。

该反射镜子组件62包括被布置在该弹壳32行进的第一路径和第二路径一侧上的至少一个反射镜并且优选两个反射镜66、以及被布置在该第一路径和第二路径的相反侧上的至少一个反射镜并且优选四个反射镜67，如图5中所示。

所检测的这些光学图像通过图像处理器进行处理，以确定位于该弹壳32的这些侧表面处的凹痕、裂缝、穿孔、裂纹、刮痕、褶皱、翘曲、鼓包以及表面缺陷中的至少一种。

图5和图6示出的该系统（以及图7和图8示出的该系统）包括一个集成的光学机械子系统，该光学机械子系统被设计成用于从这些零件的侧面对其进行全面检查和测量，而无需在该检查站处旋转零件。图5和图6示出的（以及图7和图8示出的）该系统可以对被支撑为直立（如图2b、3、4a和5-8所示）或可以从其头部被悬吊或支撑（图2a、3、4b和4c）的零件进行检查。

该远心透镜92通过这些反射镜62阵列将该零件的四个正交的部分重叠的视图同时提供给该装置94。光程被设计成使得这些视图间的位移角几乎恰为90°。这种光学布局确保了对该弹壳的侧表面的完全覆盖。对于所有四个视点来说，光程是相同的。此外，远心成像使该系统对于弹壳脱离中心是不敏感的并因此适合于多种测量应用。该子系统是对于在从顶部观察时其特点将会被隐藏的零件（例如弹壳）进行检查以及对于必须在无零件旋转的情况下从不同侧面对零件进行检查或测量的所有应用的解决方案。

这些照明装置60和68被内置于该子系统中，以分别提供背光的和/或直接的零件照明。

现在参照图7和图8，图7和图8分别与图5和图6相对应，除了一个总体上表示80的照明组件包括一个总体上表示为81的准直辐射源以及该反射镜子组件62。该准直源81通常包括一个LED发射器83和一个光学透镜群或透镜组84，用于准直由该发射器83发射的辐射。也提供了一个分束器85并且该分束器像图6所示的分束器65一样工作。并且，该照明器68可以被使用也可以不被使用。若被使用，则该照明器68将会由该系统控制器控制。

该系统还包括该远心透镜92（具有一个稍作修改的光阑）以及一个检测器（例如该摄像机94），用于形成这些螺栓22的每个被照射的侧表面的至少一个螺纹部分的光学图像并按照在此详细描述的方式检测它们的光学图像。

参照图9，展示了用于照射一个待成像的物体（例如一个弹药壳）的一个照明组件或辐射源90和该远心光学透镜92，该远心光学透镜用于接收从该弹壳91反射的辐射并将其导向总体上指代为94的该图像采集装置或检测器的一个图像平面93。图9中该照明组件90是为展示的目的提供的，但应该理解的是，图5和图6展示的是用于弹壳91的优选照明组件。因此，该辐射源90优选地包括一个LED发射器，该LED发射器包括用来在该可见区或紫外线区发出辐射的多个LED发射器元件。该辐射源90的LED发射器是优选为大功率的，能够对于每个发射元件产生100光学毫瓦或更多。并且，该照明组件包括该反射镜子组件62，其中多个侧表面被照射并将光反射到该透镜92上以便同时在该图像平面93上成像。

这样的用于获取图像的光学或光电装置（例如该摄像机或电视摄像机94）具有的图像平面93可以是例如一个电子传感器（CCD，CMOS）。弹壳91被接收并固持在一个传送机构（例如该旋转台或旋转盘30）上的预定位置和取向上。优选地，该装置94是一个高分辨率数字电视摄像机，其具有的电子传感器93带有横向尺寸等于或小于一个或多个微米的单独像素。

按照图示，该透镜92包括邻近于弹壳91的一个前方光学元件组95、邻近于该获取装置94的一个后方光学元件组96以及介于该前方光学元件组95与该后方光学元件组96之间的一个孔径光阑97。该孔径光阑97包括一个辐射可透过的圆形窗口98，被称为一个光阑孔。例如，该孔径光阑97可以包括一个优选具有零点几毫米的不透明板，并且该光阑孔可以被定义为该平板中的一个简单的孔洞。

该光阑孔或窗口98与该前方光学元件组95的光轴99是同轴的、并且被定位于对于由该辐射源90发射的辐射波长范围所限定的该前方组95的焦平面上。

一组光学元件的焦平面的位置主要取决于制成这些透镜的材料的折射率，该材料的折射率进而取决于穿过这些透镜的电磁辐射的波长。

该透镜92只接受展现出与该前方组95的光轴99平行的主（质心）轴的射线锥体100。因此，该透镜92是一个为特定辐射而配置的远心透镜。该后方光学元件组96用来补偿并校正由该前方光学元件组95针对所讨论的波长产生的残余色散。

该后方组96的光轴与该前方组95的光轴99重合，并且针对上述波长限定的该后方组96的焦平面与该孔径光阑97所在的平面重合。因此，由该后方组96朝该图像平面93输送的辐射线101形成光锥，其主（质心）轴与透镜92的光轴99平行。

如图10a中示出的，该前方组95优选地包括两个正透镜102和103，这两个正透镜可以展示出平面-凸状、双面凸状或弯月面的形状。正透镜101和102均可以由普通光学玻璃制成。例如，它们均可以用低色散的冕牌玻璃制成，包括例如按照编码N-SK16、N-BK7或B270分类的肖特玻璃（Schottglass）品种。

如图10a中进一步示出的，该后方光学元件组优选地包括编号分别为104至107的四个透镜。邻近于光阑97’的这个透镜104可以是用于部分地或完全地校正由前方组95产生的色差的一个负透镜。该负透镜104可以是双面凸状的、平面-凸状的或弯月面形状的，并且可以由普通光学玻璃制成，例如它可以由高色散火石玻璃、例如按照编码N-F2、LLF1或N-SF1分类的肖特光学玻璃类型制成。

这些后方透镜105、106和107是正透镜、可以全由普通光学玻璃制成，例如由低色散冕牌玻璃制成，包括上文引用的按照编码N-SK16、N-BK7或B270分类的肖特光学玻璃类型。

因此该透镜92既是在物体侧上远心的又是在图像侧上远心的，并且总的来说，该透镜92是一种被配置用于光（例如可见光或紫外线光）的双远心透镜（bi-telecentric lens）。可能优选的是，将该透镜92进行优化以利用紫外线区中的辐射来工作，致使对制成这些透镜的材料的选择以及这些透镜的特性（包括例如曲率半径、厚度和空间位置）允许该透镜92在以上指出的波长范围内工作而展现出极高对比度并且具有接近于衍射极限的性能。

参照图9，孔98的直径可以为几毫米。在使用中，将物体或弹壳91定位于该双远心透镜92前方，在该位置处，利用由辐射源90发射的辐射束对其进行照射。由弹壳91反射的辐射穿过该双远心透镜92，并且在该电视摄像机或数字摄像机94的传感器93上对于被照射的该弹壳的每个侧面形成一个图像。

利用该双远心透镜92获得的图像是一个基本上无透视错误的图像，并且其中被观察的弹壳91的图像尺寸是独立于距弹壳91的距离的。使用该双远心透镜92以及在优选范围内的辐射还提供了高分辨率的图像，该图像展现了小于十微米的细节水平，这是与电视摄像机94的电子传感器93的最大分辨率相兼容的。

因此在该波长范围内使用的透镜92特别适用于与能够进行高分辨率图像获取的装置94共同使用，其中单独的图像点（像素）是非常小的，并且其中这些像素的密度是非常高的，从而能够获取高度详细的图像。

以这种方式获取的图像将包括大量像素，基于在该波长范围内工作的该透镜92的高性能，每个像素都包含一个重要的几何形状数据，因此特别适用于估算通过该透镜92观察到的该物体的尺寸。在对该图像进行适当处理后，由该装置94的这些单独像素提供的高细节水平能够对该物体的轮廓进行精确确定，提高“边缘检测”算法的效率，这些算法是通常在人工查看部门中使用的计算算法以用于从构成一个图像的一组像素中选择那些限定了所绘物体的边界的像素、并由此确立这些物体的空间位置和尺寸。

因此，图9示出的该组件提供了在基于人工查看的任何类型的应用中的（尤其是光学测量领域中的）图像精确度方面的显著改进，这是在无接触的条件下对物体（例如机械部件）尺寸的测量，该机械部件包括螺纹紧固件（例如螺钉和螺栓）以及这些弹壳91在内。

图10a和图10b示出了该系统的另一个实施例，该实施例关于辐射源和光阑97’而言不同于先前在图9中描述的系统。在图10a和图10b的实施例中，提供了一个总体上表示为108的辐射源以用于在零件（例如螺栓109）处辐射出经准直的辐射线，该零件被接收并固持在一个传送机构110上，例如一个类似于台或盘20和20’的旋转台或盘110。优选地，该辐射源108包括一个通常属于先前描述类型的LED发射器111、以及一个光学部件组112，该光学部件组将由该LED发射器111发射的辐射进行准直，而使得所透射的辐射是几乎完全平行的。该辐射源108面向该双远心透镜92定位并定向成使得离开该光学群112的这些经准直的射线与该透镜92的光轴99平行。然而，应该理解的是该辐射源108是为展示的目的而提供的，但是应该理解的是用于螺栓109的优选照明组件80在图7和图8中以该反射镜子组件62和准直辐射源81的形式示出。

以这种方式，由该LED发射器111发射并由该光学透镜群或透镜组112准直的所有射线由该双远心光学透镜92收集、并被投射到该摄像机装置94的图像平面93上，从而向该摄像机装置94提供每表面积高水平的辐射。从能量消耗的角度来看，这一特性使该组件是高效的，因为尽管用于制造该双远心透镜92的前方组95和后方组96的透镜的普通光学玻璃提供的光的光谱透射率较低，但该组件提供了具有非常高的信号/噪声比的图像。

图10a、10b和10c示出了通过光学装置仅获取被背光照明的并通过从单一辐射源获得的分离射束观察的该螺栓109的轮廓图像。在这一实施例中，孔径光阑97’优选地包括所发射的辐射可透过的一个圆形窗口98’，该窗口98’是与该前方组95和该后方组96的光轴99同轴的并位于二者的焦平面上。在该圆形窗口92的中心处，该光阑97’包括一个直径小于该圆形窗口98’的直径的盘形不透明区113（最好地显示在图10c中），从而留下一个在该前方组95和该后方组96的光轴99上定中心的环形透明开口并限定了该光阑孔。由于该光阑97’的环形孔位于该前方组95的焦平面上，并且该不透明区112拦截了光轴99，因此来自辐射源108的经准直的射线由该前方组95聚焦在接近该不透明区113的中心的一个点处，如图10a中所示。该不透明区113阻止了辐射的穿过，因此由该辐射源108产生的这些经准直的射线都不能到达仍然被完全掩盖并且无螺栓被照射的该图像平面93。

由该辐射源108发射的这些射线从来都不是完全相互平行的。因此，该不透明区112的最小直径d通过该公式表示：d=2·F1·α，其中α是由该辐射源108发出的发光射线的最大发散角，用弧度表示，而F1是该双远心透镜92的前方组95的焦距。当在辐射源108与该双远心透镜92（如图10a所示）之间无物体插入时，射线被该光阑97’的不透明中心部分113拦截或阻挡。当如图10b所示一个物体例如螺栓109被插入辐射源108与该双远心透镜92之间时，从后方到达物体螺栓109的来自该辐射源108的经准直射线100被反射回去或被吸收，同时与该螺栓109的边缘相互作用的那些射线在周围空间中在所有方向上被部分散射，从而导致该双远心透镜92的前方组95接收到来自不同方向的光线。该远心透镜92总体上只接受与该光轴99大体上平行的光线，此时射线100相对于光轴99的倾角α不超过根据该光阑97’的透明窗口98’的直径D（图10c）所限定的一个极限值。

在这些几乎或接近平行的射线中，与该光轴99完美平行的或具有的倾度非常接近于与该光轴99平行的那些射线被该光阑97’的不透明区113阻挡。因此，该孔径光阑97’的环形透明区只允许那些相对于该光轴99以一个倾角到达该前方组95的、足够小而能穿过该环形透明窗口98’并且同时足够大而不会被聚焦在不透明中央区113上的射线穿过。典型地，孔径光阑97’的该环形透明区或窗口98’只允许以下关系对其同时有效的那些光线穿过：

α < \frac{D}{2 * F 1}

并且

α > \frac{d}{2 * F 1}

其中α是发光射线相对于透镜92的光轴99的倾角，F1是该前方组95的焦距，D是该圆形窗口98’的直径，并且d是该不透明中央区112（图10c）的直径。在这些条件中，能够到达该图像平面93并因此形成图像的仅有光线是那些从由准直辐射源108照射的螺栓（例如螺纹）的边缘散射而产生的射线。

因此，图10a、10b和10c示出的组件使得有可能以光学方式获得该螺栓109的轮廓或外形的图像。从以上解释可知，在该光阑97’展现出一个如上所述的环形透明窗口形式的光阑孔的条件下，若该透镜92包括一个简单的物体侧远心透镜，则可以获得相同的结果。在该透镜92的光阑97’位于针对该辐射波长所限定的该前方组95的焦平面上的条件下，可以将该透镜92配置成利用紫外线或可见光来工作。

鉴于以上内容，以下内容是在对该照明组件以及远心透镜与检测器组件进行设计时的重要考虑因素：

标准的远心透镜该可见区内工作；

为了使用紫外线（UV）照明器，必须将该LED照明器和该远心（TC）透镜替换为等效的UV结构。

与在可见区内工作的透镜相比，UV远心装置以更高的空间频率提供更多的对比度信息。

与可见区内工作的透镜相比，UV远心装置以更高的空间频率提供更多的对比度信息。

只在物体空间中为远心的远心透镜接受与主光轴平行的入射光线。然而，当这些射线离开该光学系统时，它们不再是平行的并且将会以不同的角度射在该检测器上。这了：

-放大中的较低恒定性

-点扩散函数的不均匀性（图像空间中的点的大小将会根据在该检测器平面上的位置发生改变）

在该双远心透镜中，这些光线在图像空间中仍然保持平行。这意味着放大中的恒定性提高、整个检测器平面上的信息更加一致、并且视野深度也更优。

用于检测小型制造零件上的表面缺陷的数据/图像处理器

这种视觉系统是为检查相对小的制造零件（如螺纹紧固件）和中小型口径弹药而专门设计的。处理这些弹壳的图像以检测出缺陷弹壳在已颁布的美国专利号7,403,872中进行了大体描述，如下所示。

凹痕检测

凹痕的检测依赖于由被检查的零件上的一种表面变形所引起的反射光角度的改变。入射到一个表面凹痕上的光将与入射到一个无变形的圆周区段上的光沿着不同的轴线反射。

使用这个原理，通常有两种检测凹痕的方式。一种选择是将光源定向成使得从该零件外部反射走的光直接对准该摄像机光阑孔。从一个有凹痕的区域反射走的光将不会反映出亮背景。作为代替方案，可以相对于零件以一个浅角来定位该光源。这将会产生一个低的背景照明水平，其中凹痕在该图像上很好地被认为原始点。

该视觉系统检测具有多个锥形部分的零件上的凹痕。特别地，在多个高度锥形的区域（凹痕表现为多个暗点）内产生了一个亮背景，而在多个更加平坦的区域（凹痕表现为多个亮点）内产生了一个暗背景。

如前所述，该视觉系统具有两种类型的光，每种光可以独立地被调整，以便恰当地照射一个给定的锥形区。

穿孔的检测

穿孔检测使用了上述概述的两种原理。然而，该工作简单得多，这是因为包含缺陷的区域是完全非反射性的。因此，在通过浅角或陡峭角照明被照射的表面上，穿孔是作为黑点可见的。

软件

由于在获取图像时零件实质上处于预定的位置和取向，因此该软件不需要自动定位该零件、也不需要使用预设的可视提示来识别出兴趣区。

每个兴趣区中的缺陷检测典型地如下进行的：首先运行若干个图像处理算法、然后分析所得到的这些像素亮度值。亮度值超过一个预设阈值的像素群被标记为“亮缺陷”，而亮度值低于一个预设阈值的像素群被标记为“暗缺陷”。即使在相同的零件区域内，也经常需要不同的图像处理技术和阈值以检查亮缺陷和暗缺陷。

零件位置

之前将该零件在该图像中定位可以通过运行一系列线性边缘检测算法来完成。该算法使用变量阈值、平滑处理和尺寸设定值来沿着一条规定直线确定一个亮区与一个暗区之间的边界。这三个变量通常是用户不可获得的而是被硬编码到该软件中，因为通常它们需要改变的唯一时候就是大规模照明调整的情况。

该软件首先用上述边缘检测算法来在该图像中找出该零件的后（左）端。

一旦已经定位了该零件的左边缘，该软件沿着该零件的顶边缘和底边缘再进行四次边缘搜索。

一旦已经定位了该零件的顶边缘和底边缘，则计算这些边缘对的中点并进行连接以便找到中心线。

然后再次进行中心线搜索，但不是在竖直方向进行这些线性边缘检测，而是在垂直于新找到的中心线的方向上进行。这种迭代减小了与视野中该零件的任何潜在的未对准有关的小角度误差。

使用重复的顶边缘和底边缘搜索的结果，找到一条新的中心线。

最后，再次定位该左边缘，这一次是沿着这条新的中心线的方向。这个操作定位了该零件的该左边缘的正中心。

零件区域

一旦已经将该零件定位在该图像中，使用预期零件形状的硬编码模型来限定多个零件区域的一个框架。在弹药的情况下，由该框架限定的这些区域包括：头部、退壳凹槽、壳体、锥形区和颈区。为了使该软件适应变化的弹壳尺寸，可以通过用户接口来改变这些区域各自的长度和宽度。注意：虽然可以调整这些区域的大小，但是不能改变这些区域的总体形状。一个检验盒允许移除该锥形区和该颈区以便检查手枪弹壳（不具有锥形区）。该区域框架的大小以及该带有锥形区/无锥形区的检查盒的状态被保存在该零件配置文件（profile）中。图11示出了该零件上这些不同区域的定义。

这种区域定义在图12的屏幕截图中示出。要注意如何将该凹槽的直径设置为与该弹壳的直径相同，从而产生一个矩形的凹槽轮廓而不是更经常使用的梯形。

缺陷搜索

一旦已经限定了这些弹壳区域，则对每个区域的内部边缘应用一个缓冲距离。这些被缓冲的区域限定了将要进行缺陷搜索的区域。通过缓冲这些检查区域，忽略了在边界周围经常找到的边缘异常和非理想照明。这些缓冲区的大小可以作为该标准用户界面的一部分针对每个区域独立地被调整、并被保存在该零件配置文件中。这个概念在图13中例示。

在每个区域内可以进行的一般缺陷检测算法有两种。这两种算法分别与以上在该照明部分所讨论的凹痕和穿孔的检测紧密相关。然而更广泛地说，它们对应在亮背景上的一群暗像素或在暗背景上的一群亮像素的识别。

虽然横跨该零件上的所有区域仅使用了两种缺陷检测算法，但是与该算法有关的这些参数可以从一个区域到另一个区域进行修改。此外，可以针对特定区域，使暗和/或亮缺陷检测不能进行。此信息被保存在该零件配置文件中。

暗缺陷

暗缺陷的检测是一个6步过程。

1.对数：每个像素亮度值（0-255）被替换为其亮度值的对数。这用来扩大较暗区的亮度值而同时缩小较亮区的值，从而使得在一个暗背景上找到暗缺陷更容易。

2.索贝尔幅度算子：索贝尔算子是该图像的导数。因此，该索贝尔幅度如下所示：

S_{M} = \sqrt{{(\frac{&PartialD; f}{&PartialD; x})}^{2}} + {(\frac{&PartialD; f}{&PartialD; y})}^{2}

但它经常被近似为：

S_{M} = \frac{\frac{&PartialD; f}{&PartialD; x} + \frac{&PartialD; f}{&PartialD; y}}{2}

索贝尔幅度算子根据像素的亮度和周围像素亮度之间的差异而加亮了该像素。因为此算子是在步骤1中应用了对数过滤器之后执行的，因此所生成的图像将在一个以不同方式为暗淡的背景上突出显示暗的穴区。应用该索贝尔幅度算子后，该图像将包含在这些已识别的暗缺陷周围的多个亮‘圆环’。

3.反置原图像：将摄像机捕获的原图像反置，使得亮像素看起来暗而暗像素看起来亮。这会得到具有的暗缺陷区域看起来为亮点的一个图像。

4.相乘：将步骤2后获得的图像乘以步骤3后获得的图像。像这样将两个图像相乘在作用上等同于对它们进行一个“与”运算。在得到的图像中只有看起来亮的像素。在这种情况下，这两个图像的相乘导致了将步骤2中找到的这些圆环加亮，但前提是这些圆环包围一个暗点。

5.阈值：亮度低于一个规定值的所有像素被设定为OFF，而高于或等于该规定值的所有像素都被设定为ON。

6.填充孔洞：完成步骤1-5后获得的该图像表现为一系列ON-像素圆环。最后一步是用ON像素填充所有的封闭轮廓。

完成这些步骤后，最后生成的图像应该由对应于潜在缺陷的多个像素组成。这些亮斑被叠加在原先包含暗缺陷的区域上。

亮缺陷

亮缺陷的检测是一个两步过程。

1.阈值：可以应用一个像素亮度阈值过滤器以便挑出所有的饱和像素（灰度级255）。可以提供一个用户可定义的阈值，这样可以检测出低于255的值。

2.计数过滤器：计数过滤器是一种用于过滤微小像素噪声的技术。设定一个尺寸参数（2、3、4等）并构造一个方箱，该方箱的侧边的长度是这些像素的数目。因此，如果该尺寸参数被设定为3，该方箱将是3个像素×3个像素。然后将这个方箱在由步骤1中应用的阈值过滤器挑出的每个像素上定中心。随后该过滤器对该方箱内包含的已经被该阈值过滤器标记的额外像素的数目进行计数、并验证存在至少一个其他的饱和像素。未能通过该测试的任何像素的亮度都设定为0。这种过滤操作的效果是去掉被隔离的噪声像素。

一旦完成了这两个步骤，所生成的二进制图像将由对应于潜在缺陷的ON像素组成。此外，原图像中的将导致一个ON像素的任何“散斑”型噪声都将被消除，只留下那些密切接近其他ON像素的像素。

像素计数

在给定区域内已经运行了亮和/或暗缺陷检测算法后，所生成的经处理的图像是二进制的。然后将这两个图像一起进行“或”运算。这会得到既有亮缺陷也有暗缺陷的单一图像。

该软件现在对每个检测出的缺陷中的ON像素的数目进行计数。最后，如果在一个给定相连区域内的缺陷像素的数量高于一个用户定义的阈值，或者在该整个零件上缺陷像素的总数高于一个用户定义的阈值，则该零件将被标记为有缺陷的。

螺纹信号/数据处理

引言

以下是对螺纹参数估计过程的描述。在已公布的美国专利申请2010/0238435中总体上描述的这个过程提供了在本发明的方法和系统中的标准螺纹测量“特征”的一个实施例。

螺纹信号处理

螺纹信号处理是估计下述螺纹参数的过程。

1）螺距

2）大径

3）小径

4）作用直径

5）导程偏差

6）中径

随着该螺纹信号处理的进行，在早期处理阶段产生多个中间数据产物，这些中间数据产物在后期阶段被进一步分析。这些中间数据产物包括：

粗略正/负交叉位置

粗略牙顶位置

丝线位置搜索区间

左/右牙侧线

丝线位置

精确的牙顶/牙底位置

大经、小径和中径的3-牙顶平均值/中位测量值

3-D牙顶柱体轴线

3-D牙顶柱体轴线上的丝线位置投影

3-D牙顶柱体直径

牙顶数据和拟合数据之间的3-D牙顶均方根距离。

分析这些中间数据产物，以产生这些螺纹参数的最终估计值。例如，大径被估计为该3-D牙顶柱体半径的两倍。该3-D牙顶柱体轴线则取决于该精确的牙顶/牙底位置。该牙顶/牙底位置则取决于基于粗略牙顶位置和正/负交叉、并且基于来自原始的经校准零件数据中的数据的这些搜索区间。

处理限制因素

检查区域

螺纹处理在被称为检查区域的位置界限之间发生。在模板编辑器中，用户通过操纵叠加在一个零件图像上的台面（stage）位置上限和下限来指定该检查区域。

这些界限使用了该经校准的传感器位置，而使得其测量值与该零件上的这些大致相似的物理位置对准。

多个螺纹参数的估计值被规定为在该检查区域内所有数据的平均估计值。在实践中，一些中间数据产物是在该检查区域之外被估计的，以便允许估计整个区域内的所有螺纹参数。例如，该检查区域内的一个丝线位置可能需要该检查区域外部的一个螺纹牙顶。

该检查区域的测量假设

下述要求指导用户将该检查区域放置在该零件的图像上。

第一个假设是，这些螺纹参数在整个检查区域内是恒定的。这使得该软件能够对来自该检查区域内的不同位置的估计值进行平均，而不涉及将该数据分割或分段到不同的区域中以进行特殊处理。

这个要求排除了来自该检查区域的下列类型的数据：

一个螺纹区的开端和末端，其中螺纹牙顶小于全高度。

具有锥形区的螺纹区域。

具有凹口或大面积损坏的螺纹区域。

第二个假设是，该检查区域包含至少4-6个螺距。需要这个数据量来构造具有所需精确度的若干个中间数据产物。

第三个假设是，该螺纹被制造成具有60°的牙侧角。螺纹处理隐含地在若干位置处使用了这个参数。最直接的使用之一是将导程偏差转化为作用直径。

第四个假设是，该螺纹具有圆柱形截面。非圆柱形螺纹将要求对该3-D峰尖柱体进行泛化。不正确拟合为非圆柱形截面将导致不正确的导程偏差测量。

第五个假设是，该螺纹具有单一的螺旋线。

提供了对以下这些螺纹紧固件的测量：

非标准螺纹类型，特别是自攻螺钉，

具有2个或3个螺距的小螺纹区。

三角自攻（Taptite trilobe）螺纹区。

粗略交叉

下文中描述的螺纹模型是对于一个螺纹牙形的恰一个螺距的抽样代表。螺纹模型起始于一个上升螺纹牙侧的中点、并在一个螺距之后结束。

使用一个相关检测器，将该螺纹模型与这些检查区域内的数据进行匹配，从而在该检查区域内产生阈值检测值，被称为交叉值。

此处标注的“精化”可以使这些交叉值更加精确。这些精化也将这些交叉值分成正交叉值和负交叉值。该螺纹模型是表示一周螺纹牙形的外形的最佳估计值的一个横向点序列。

粗略牙顶和牙底位置

一个牙顶/牙底检测器在这些匹配的相邻对的正交叉值和负交叉值之间提取出粗略的牙顶和牙底位置。

螺距估计值

需要一个螺距估计值以用于设定量规丝线直径的步骤。要求该估计值是足够精确的而能从适于该测量的组中明确地选择一条唯一的量规丝线。该过程使用一个两步过程。

正如文中所描述的，这个过程可以被简化。

第一估计值。

分析交叉数据并对所有传感器进行平均，以产生一个螺距估计值，即“交叉螺距”。

第二螺距估计值

以下所述的设置丝规直径、丝线位置搜索区间、测量牙侧线并测量3-点直径的这些步骤是以第一迭代完成的。然后将这些丝线位置在所有传感器和位置上进行平均，以计算出一个螺距估计值。

设置量规丝线直径

在现有技术中，量规丝线被用于中径的物理螺纹测量。将两条丝线布置在该零件一侧的多个相邻螺纹中，并且将一条单一的丝线置于该零件的另一侧上。一个测微计测量由这两条相邻量规丝线所确定的参考线和由该另一条量规丝线所确定的参考点之间的距离。一个制成表格的校正公式将该测微计距离转换成一个中径估计值。

因此在该螺纹测量之前选择多个量规丝线尺寸。要做到这一点，如之前所描述的，要估计该螺距并且然后在一个组中选择最近于该螺距估计值的量规丝线。所使用的该量规丝线组是适合该测量类型的一个组；目前，有一组用于公制的粗螺纹序列，另一组用于相似的英国螺纹组。通过在一个下拉列表中做出选择，在零件模板编辑时间处选择这些量规丝线组。

丝线位置搜索区间

一个人将多条“虚拟的”量规丝线放置在遍及整个检查区域的经校准的传感器数据上。为了放置这些“虚拟的”量规丝线，我们必须为待定位的每条丝线确定搜索区间。

以下处理步骤的一个要求是：该检查区域内的这些丝线位置没有间隙。另一个要求是：一个丝线位置搜索区间由两个有效的螺纹牙顶、在这两个螺纹牙顶之间的一个有效的螺纹牙底、以及在这些牙顶/牙底对之间的多个有效的正/负交叉值组成。

然后针对这组丝线位置搜索区间来搜索这组正/负交叉值和牙顶/牙底位置以进行分析。区间的结果是每个传感器一个组。

测量牙侧线

对于左牙侧，分析在左牙顶和中央牙底的粗略位置之间的所有数据。然后确定覆盖了左牙顶与中央牙底之间的高度区间的70%（一个可配置的参数）的一个牙侧线数据提取区域的高度界限。这个数据被提取到一个数据集中并被拟合成一条线，从而成为该左牙侧线。

该程序避免了该左牙顶和中央牙底附近的非线性区域。除此之外，还基于左牙侧线与该左牙侧线数据提取区域内的数据之间的RMS距离，计算一个“牙侧线有效”标记。如果该牙侧线和该牙侧线数据提取区域内的这些数据点之间的RMS距离大于10μm/点（一个可配置的参数），那么该标记被设定为无效。

对于右牙侧线并且接着对于所有丝线位置搜索区间，重复该过程。

测量丝线位置

给定了左牙侧线和右牙侧线以及丝线尺寸时，计算这些丝线位置。该虚拟丝线与每条牙侧线相切，用一个简单的几何公式计算出所得的位置。

该位置具有一个有效标记，当这两条牙侧线都为有效时，该标记为真，反之则为假。

测量3-点直径

该3-点技术是在没有明确使用3-D信息的情况下测量小径、大径以及中径的一种方法。

例如，考虑大径。该大径被定义为包含了该检查区域的所有螺纹牙顶的一个柱体的直径。

在这个方法中，在经校准的传感器坐标中一个螺纹牙顶的顶部形成一个基本测量值。这些基本测量值被组合到三元组（triplet）中，以进行进一步的分析。仅组合了来自单一激光器的两个传感器的牙顶。

将两个相邻的螺纹牙顶位置与最接近牙顶平均位置的螺纹牙顶位置进行组合。这两个牙顶形成一条参考线。然后计算从该参考线到该牙顶的距离。这是该牙顶三元组的3-牙顶距离。

用这种方式，计算来自所有相邻牙顶三元组的3-牙顶距离。这些3-牙顶距离都被添加到一个数据向量中。3-牙顶直径测量值是该3-牙顶数据向量中所有3-牙顶距离的平均值或中位值。

3-点小径

该3-点小径使用该传感器数据中的精确牙底位置来计算3-点距离。该3-点小径是该3-点距离向量的平均值。

3-点大径

该3-点大径使用该传感器数据中的精确牙顶位置来计算3-牙顶距离。该3-点大径是该3-点距离向量的中位值。

3-点丝线中径

该3-点中径使用该传感器数据中算出的丝线位置来计算3-点距离。该3-点丝线中径是该3-点丝线中径的中位值。

图14是来自PC机的用户界面的屏幕截图，展示了从一个M16×1.5螺纹塞规中提取的中间数据。

测量3-D牙顶柱体

用最小二乘法分析了所测量的螺纹牙顶位置数据，以获得一个3-D柱体。3-D牙顶柱体拟合具有若干个感兴趣的输出参数。

牙顶位置数据与拟合出的形状之间的RMS距离。

该柱体中央轴线的3-D位置。

该柱体的半径

将丝线位置投影到3-D牙顶柱体轴线上。

测得的丝线位置可以与该3-D牙顶柱体的中心轴线的3-D位置进行组合。垂直于该柱体轴线、经过了所测得的丝线位置的一个假想圆盘在该3-D牙顶柱体轴线上标记出了一个位置。

构造出由所有传感器丝线位置的投影组成的一个数据集。

输出的中间数据是一个向量，从这些投影的丝线位置的最小到最大传感器台面位置进行排序。

螺纹参数估计

螺纹参数估计利用了这些中间数据产物、并且也可以在产生最终的螺纹参数估计值之前基于该测量的一个模型对这些中间数据产物进行修正。

丝线间距

根据丝线中心中间数据来估计螺距。对于每一个传感器数据集，使用相邻对的丝线位置来计算一个相邻丝线间距，每对相邻丝线位置计算一个。对于所有激光器，将每个丝线间距添加到一个丝线间距向量中。

该丝线间距估计值是在该丝线间距向量中的这些元素的中位值。

大径

螺纹大径典型地被报告为该3-D牙顶柱体的直径。

如果该3-D牙顶柱体拟合失败，则将用以下述详细描述的一种不同方式来估计大径。该柱体拟合可能由于在此列举的若干因素而失败：

零件相对于台面轴线以过大角度倾斜。

这些螺纹牙顶位置不符合一个柱体，该RMS数据拟合距离太大。

当该柱体拟合失败时，根据3-点大径数据来估计大径。这种情况很特殊，因为先前的情况（柱体拟合）已经失败了。在实践中，当螺纹区太短或这种检查延伸超出了该螺纹区的末端的时候，柱体拟合大多会失败。

由于这个偏差，该3-点大径数据的一个简单的中位值典型地会太小，大多数的良好3-点数据集中在这些最大测量值处。在这种情况下，大径估计值是使得20%的3-点数据较高而80%的3-点数据较低的这个值。

校准修正

大径同样通过该总系统的最终的端对端校准进行修正。已报告的大径通常太小，偏差范围是-20μm到0。

直径校准以后，将该系统暴露于一组经测量的螺纹塞规。随后将大径偏差作为直径的函数绘成取向并且用一条简单的分段线来拟合这些偏差结果。然后将这些偏差拟合录入到系统配置文件中并用于以所测得的偏差来修正所测得的大径。

小径

螺纹小径是用3-点小径距离向量来估计的。小径值是在该距离向量中这些元素的平均值。

中径

中径估计使用了两组中间数据产物、这些丝线位置以及该3-D牙顶柱体拟合。

中径估计值的计算在下述一个步进式列表中予以介绍：

a）通过计算该丝线形状与左牙侧线或右牙侧线的交点，而计算与这些螺纹牙侧的中径接触点。

b）将左交叉点该右交叉点进行平均、并计算从该平均点到该3-D牙顶柱体拟合轴线的距离（半径）。这是针对每个丝线位置的中径半径。

c）计算该中径半径的平均值。

d）使用该3-D牙顶柱体轴线相对于该台面轴线的角度，针对投影在传感器坐标系中的该零件投影角度来修正每个平均丝线位置半径。

e）添加左传感器和右传感器的经修正的中径半径估计值，以便对每个视图产生一个中径估计值。

f）计算这些激光器估计值的平均值，以产生该系统的中径估计值。

零件投射角度的修正

中径的计算被投影效果复杂化。光进行了该螺纹形状的几乎完美的正交（阴影）投影。然而，该投影不同于在螺纹设计文件中规定的螺纹截面。如果该截面被一个经过了螺纹的中心轴线的平面所切割，那么该截面就是该螺纹形状。

差异是由螺纹导程角引起的，对于许多典型的螺纹而言，螺纹导程角的范围为1-3度。导程角意味着当该观察方向与导程的方向重合时，将在阴影中最精确地观察到该螺纹截面。

将螺纹定位成使得该螺纹的一个阴影视图同时与顶部螺纹和底部螺纹对准是不可能的。以一个具有3度导程角的螺纹为例，倾斜该螺纹以将该螺纹的顶部与视角对准将会使得导程和底部螺纹的视角之间的角度大约为6度。

对于这种影响，提出了一个修正因子。如果已知了螺纹相对于视角的倾角，则可以针对由投射角所引起的预期偏差来修正观察到的中径半径。这种修正值是预先计算的并被存储在一个表格中。

对于每个视图，螺纹相对于视角的倾角可从该3-D柱体拟合轴线（fit axis）中获得。对不同的视图可以应用分开的多次修正。

校准修正

中径同样通过该总系统的最终的端对端校准进行修正。已报告的中径通常太大，偏差的范围是+5μm到+35μm。

直径校准以后，将该系统暴露于一组测得的螺纹塞规中。随后将中径偏差作为直径的函数绘成曲线、并用一条简单的分段线来拟合这些偏差结果。然后这些偏差拟合录入系统配置文件中、并用于以所测得的偏差来修正所测得的中径。

导程偏差

导程偏差估计值使用了丝线间距和投影在该3-D柱体拟合轴线上的这些丝线位置的地址。

对于一种理想的螺旋形螺纹，这些丝线位置投影应该产生沿着该3-D柱体拟合轴线的一种规则图案。导程偏差是该图案与理想图案的偏差，是作为任何投影的丝线位置与该理想图案之间的最大距离而测量的。

导程偏差估计值的计算是根据一个步进式程序：

a）生成一个包含所有数据的丝线位置投影向量。

b）沿着该3-D柱体拟合轴线按照位置次序对该丝线位置投影向量进行排序。

c）通过乘以该因子（360/螺距）并随后减去元素值模数360，将该向量的这些元素的丝线位置转换成度数。

d）计算一个偏移值，使得这些度数值的元素位置的最大绝对值最小。以一个1mm螺距螺纹的0.010mm导程偏差为例，至少一个度数值元素位置的绝对值是3.60度，(0.010)mm/1mm等于（1/100），且360/100是3.60。

将该值从度数转换为毫米并作为导程偏差估计值来报告。

所有的导程偏差估计值都是正数。

校准修正

测量误差意味着一个完美螺纹的物理测量将具有一个正的导程偏差。

为了试图修正这个影响，测量一组螺纹塞规的导程偏差并将它们作为量规直径的一个函数绘成曲线。观察到的最常见的形式是0.010mm到0.20mm的恒定导程偏差。

在用螺纹规进行的校准中观察到的这个值被当作一个偏离值。这个偏差的量被录入系统校准文件中、并被用于用这个测量偏离值来修正所测量的导程偏差。

作用直径

目前在实践中，作用直径是通过一个专门的配合量规（fit gage）配合在该螺纹上来限定的。该专门的配合量规实质上是一个螺母，该螺母被经过该螺母的中心轴线切出的一个平面一分为二。该配合量规的这两个半部被夹持在一个夹具中，该夹具测量这两个半部之间的距离。每种螺纹类型都有一个专门的配合量规。

该专门的配合量规被紧紧夹在一个螺纹插塞设定规上时，作用直径被限定为中径。当将一个不同的零件放入该配合量规中时，由于涉及该零件和用于进行该作用直径测量的该螺纹插塞设定规之间的差异的效应总和，该配合量规可以轻微地膨胀。于是，该作用直径测量值是该螺纹插塞设定规的中径加上这两个配合量规零部件之间的额外间隔。

作用直径估计器

该作用直径测量方法是该配合量规方法的近似法。我们不进行该物理配合量规的完全3-D模拟。相反，我们进行了涉及到导程偏差和螺纹牙形形状的使用的一种近似。

如果我们将该螺纹牙形想象成完美的并具有一个60度的牙侧角，那么导程偏差应该导致这些螺纹牙形配合量规的零部件分开。沿该螺纹牙形轴线向上或向下的单一导程偏差将导致该配合量规的单一的被拆分件向外移动。对于一个60度牙侧角，向外移动的量将会等于

(导程偏差)。这个移动为导程相对于完美螺旋形形状的正移动和负移动两者都提供一个间隙。

FD = PD + \sqrt{3}

(导程偏差)

学习该螺纹模型

该螺纹模型是代表一周螺纹牙形的外形的最佳估计值的一个获悉的点序列。当指明了检查区域时，在模板编辑时间处计算出该螺纹模型。

该测量模版例程使用了具有正弦波图案的图案匹配算法，以在该检查区域数据中进行周期性识别。这个过程确定了一个近似螺距。对于所匹配的图案的最开始，该过程还计算出了该数据向量中的一个起始点，这个起始点是右牙侧线的第一中点的近似值。

掌握了螺距和该起始点，该测量模板例程可以接着计算一个平均螺纹模型。从该匹配的图案中的第一个样本点开始，对该检查区域内的1、2、3、...、N倍螺距之后的点进行平均以形成该螺纹模型的第一点。对于该第一匹配图案中的所有剩余点重复该过程。然后该螺纹模型被存储在该模板中以供后续使用。

虽然已经展示并描述了本发明的多个实施例，但是并不意味着这些实施例展示并描述了本发明的所有可能的形式。而是，本说明书中使用的这些语言是描述性语言而不是限制性语言，并且应理解的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出不同的更改。

Claims

1.一种用于光学检查零件的方法，这些零件各自具有一个长度、一个宽度和一条轴线，该方法包括：

在一个装载站处支撑一个待检查的零件；

传送所支撑的零件，使得该零件沿着一条从该装载站延伸至一个检查站的第一路径行进，在该检查站处，该零件具有用于检查的预定位置和取向；

同时对该零件的、围绕该检查站处的轴线有角度地间隔开的多个外部侧表面进行成像，以便在一个单一图像平面中形成该零件的每个被成像侧表面的至少一部分的一个光学图像；

检测该图像平面上的这些光学图像；

处理这些经检测的光学图像，以获得该零件的、围绕该零件的轴线有角度地间隔开的多个视图；并且

传送在该检查站处检查之后的该零件，使得该经检查的零件沿着一条从该检查站延伸至一个卸载站的第二路径行进。

2.如权利要求1所述的方法，其中这些视图是围绕该检查站处的该零件的轴线基本上等距地间隔开的。

3.如权利要求1所述的方法，其中该零件在该检查站处是静止的。

4.如权利要求1所述的方法，其中该装载站是与该卸载站一致的。

5.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：协调在该检查站处对该零件的检查与将该零件传送至该检查站和从该检查站传送走，以便控制该零件的移动以及该零件的检查。

6.如权利要求1所述的方法，其中该第一和第二路径定义了一个环形路径，并且其中这些站各自是沿着该环形路径定位的。

7.如权利要求1所述的方法，其中该成像步骤形成了该零件的这些被成像的外部侧表面的多个光学图像，并且其中这些经检测的图像被处理以便识别出一个有缺陷的零件。

8.如权利要求1所述的方法，其中该成像步骤形成了该零件的多对横向边缘的多个光学图像，其中该零件的这些视图呈一定轮廓，并且其中这些经检测的图像被处理以获得对该零件的一种衡量。

9.如权利要求1所述的方法，进一步包括：显示该零件的至少一个视图。

10.如权利要求1所述的方法，其中这些零件包括弹壳。

11.如权利要求10所述的方法，其中该弹壳的这些经检测的光学图像被处理以便确定以下中的至少一者：位于该弹壳的这些侧面上的凹痕、裂缝、穿孔、裂纹、刮痕、褶皱、翘曲、鼓包和表面瑕疵。

12.如权利要求1所述的方法，其中这些零件包括螺纹紧固件。

13.一种用于光学检查零件的系统，这些零件各自具有一个长度、一个宽度和一条轴线，该系统包括：

一个零件传送子系统，该子系统包括一个传送机构，该传送机构被适配成用于在一个装载站处接收和支撑一个零件并传送所支撑的该零件，使得该零件沿着一条从该装载站延伸至一个检查站的第一路径行进，在该检查站处，该零件具有用于检查的预定位置和取向；并且该传送机构被适配成用于传送在该检查站处检查之后的该零件，使得该经检查的零件沿着一条从该检查站延伸至一个卸载站的第二路径行进；

一个成像组件，用于当该零件位于该检查站处时同时对该零件的、围绕该零件的轴线有角度地间隔开的多个外部侧表面进行成像，该组件包括一个远心透镜与检测器组件，以用于在一个单一的图像平面中同时形成该零件的每个被成像的侧表面的至少一部分的一个光学图像并在该图像平面中检测这些光学图像；以及

一个处理器，用于处理这些经检测的光学图像，以获得该零件的、围绕该零件的轴线有角度地间隔开的多个视图。

14.如权利要求13所述的系统，其中该检测器包括具有一个图像平面的图像传感器，用于检测这些光学图像。

15.如权利要求13所述的系统，其中这些光学图像是从这些被成像的侧表面形成的，并且其中这些零件包括弹壳。

16.如权利要求15所述的系统，其中这些经检测的光学图像被处理以便确定以下中的至少一者：位于该弹壳的这些侧表面上的凹痕、裂缝、穿孔、裂纹、刮痕、褶皱、翘曲、鼓包和表面瑕疵。

17.如权利要求13所述的系统，其中这些光学图像包括该零件的多对横向边缘，其中该零件的这些视图呈一定的轮廓，并且其中这些零件包括螺纹紧固件。

18.如权利要求13所述的系统，其中这些视图是围绕该检查站处的该零件的轴线基本上等距地间隔开的。

19.如权利要求13所述的系统，其中该传送机构包括一个输送机。

20.如权利要求19所述的系统，其中该输送机是一个磁性输送机。

21.如权利要求19所述的系统，其中该输送机是一个真空传送输送机。

22.如权利要求21所述的系统，其中该输送机包括一个穿孔的输送带，其中该零件的头部被保持靠在该输送带的一个表面上。

23.如权利要求13所述的系统，其中该传送机构包括一个可移动台或可移动盘。

24.如权利要求13所述的系统，其中该传送机构是一个真空传送机构。

25.如权利要求13所述的系统，其中该成像组件包括一个反射镜子组件，该子组件具有至少一个被置于该第一和第二路径一侧的反射镜和至少一个被置于该第一和第二路径的相反侧的反射镜。

26.一种用于光学检查零件的系统，这些零件各自具有一个头部和一个长度、一个宽度以及一条轴线，该系统包括：

一个零件传送子系统，该子系统包括一个传送机构，该传送机构被适配成用于在一个装载站处接收和支撑处于间隔开的关系的多个零件的头部、并传送这些被支撑的零件，使得这些零件沿着一条从该装载站延伸至一个检查站的第一路径行进，在该检查站处，这些零件具有用于检查的预定位置和取向；并且该传送机构被适配成用于传送这些在该检查站处检查之后的零件，使得这些经检查的零件沿着一条从该检查站延伸至一个卸载站的第二路径行进；

一个成像组件，用于当每个零件位于该检查站处时同时对该零件的、围绕该零件的轴线有角度地间隔开的多个外部侧表面进行成像，该组件包括一个远心透镜与检测器组件，用于在一个单一的图像平面中同时形成该零件的每个被成像的侧表面的至少一部分的一个光学图像并检测该图像平面上的这些光学图像；以及

一个处理器，用于处理这些经检测的图像，以获得这些零件各自的、围绕这些零件各自的轴线有角度地间隔开的多个视图。

27.如权利要求26所述的系统，进一步包括一个系统控制器以用于控制该零件传送子系统和该成像组件，以便控制这些零件流动至该检查站以及从该检查站流出以及这些零件在该检查站处的检查。

28.如权利要求26所述的系统，其中该传送机构包括一个输送机。

29.如权利要求28所述的系统，其中该输送机是一个真空传送输送机。

30.如权利要求29所述的系统，其中该输送机包括一个穿孔的输送带，其中这些零件的头部被保持靠在该输送带的一个表面上。

31.如权利要求26所述的系统，其中该传送机构是一个真空传送机构。