CN103649732A - 用于圆柱形部件内表面检测的技术 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于检测圆柱形部件（20）的内表面（22）的系统和方法，其包括行扫描相机（30），一对分别将光导向内表面（22）的发光二极管，以及相对内表面（22）呈45度角设置在圆柱形部件（20）中的反射镜（36）。当圆柱形部件（20）围绕中心轴（A）连续旋转并获取图像时，相机（30）和反射镜（36）保持在固定位置。然后沿着中心轴（A）横向移动圆柱形部件（20），并且当圆柱形部件（20）围绕中心轴（A）旋转时再次获取图像。生成内表面（22）的展开视图并用于自动识别内表面（22）上的缺陷（24）。

Description

用于圆柱形部件内表面检测的技术

技术领域

本发明涉及用于检测圆柱形部件（例如用于内燃机的汽缸衬垫）的内表面的系统和方法。

背景技术

为了避免将有缺陷的部件运送给消费者，由人工检测圆柱形部件（例如用于内燃机的重型衬垫）是否有细微缺陷（例如裂纹和孔隙缺陷）。每年与人工检测过程相关的成本总计达数十万美元。而且，每个人工检查员通常每天要检测数以千计圆柱形部件。圆柱形部件很笨重，而细微缺陷（例如小于200微米的缺陷）以及位于圆柱形部件中心附近的缺陷很难用肉眼发现。于是，由于身体或精神疲劳而忽视缺陷或者无力发现缺陷并因此将有缺陷的部件运送给消费者的机会很高。

为了减少人工失误，已经开发出自动表面检测技术。公开号为2007/0132990的美国专利申请公开了自动技术的例子。机械视觉技术也已经被用于圆柱形部件的检测，包括圆柱形部件的内表面和外表面的检测。然而，这些被用于检测内表面的技术要么需要在圆柱形部件内部设置相机，要么需要锥形的反射镜。第一种技术需要同轴照明，并且相机和镜头受到尺寸限制。于是，所获得的图像通常具有低分辨率和变形失真。此外，必须多次调整相机和光源的位置以获取整个内表面的图像，这是繁琐且费时的。第二种技术对于每个被检测的圆柱形部件需要尺寸适合的锥形反射镜。此外，锥形反射镜通常由于压缩像素而导致图像变形失真。

发明内容

本发明提供一种用于检测圆柱形部件的内表面的改进系统。每个圆柱形部件包括围绕中心轴周向延伸的内表面，该圆柱形部件具有孔。在圆柱形部件的外部且与圆柱形部件的中心轴轴向对齐地设有相机，该相机用于获取内表面的图像。该相机是行扫描相机，并且每个图像是一维的。邻近相机设有光源，该光源用于将光引导到圆柱形部件的内表面。在圆柱形部件的孔中且在沿着中心轴的预定和固定位置设有反射镜，该反射镜相对内表面呈45度角设置。该反射镜将光从光源反射到内表面并且从内表面反射到相机。

本发明还提供一种用于检测圆柱形部件的内表面的方法。该方法包括如下步骤：提供多个圆柱形部件，每个圆柱形部件包括围绕中心轴周向延伸的内表面；在其中一个圆柱形部件中并且在沿着中心轴的固定位置设置反射镜，该反射镜相对内表面呈45度角。该方法还包括将光引导到圆柱形部件的内表面；在反射镜和内表面之间反射光；以及获取多个图像，每个图像是圆柱形部件的内表面的一维图像。

本发明的系统和方法提供一种用于识别内表面上的缺陷的可靠且成本低廉的途径。为内表面提供了带有最小变形失真的高分辨率的图像。进一步地，可以使用单一反射镜检测具有不同尺寸的圆柱形部件，并且在检测整个圆柱形部件的同时以及检测具有相同尺寸的多个圆柱形部件的同时，相机和光源的位置可以保持固定。这些图像可以被用于自动识别缺陷，包括200微米以内的缺陷。因此，与现有技术相比，当使用本发明的系统和方法时，忽视缺陷和将有缺陷的圆柱形部件提供给消费者的机会大大减少。进一步地，对每个圆柱形部件的检测时间（包括部件操作时间）通常约为10秒以内，比现有技术快。

附图说明

结合下列具体描述以及附图进行考虑，根据本发明的其它优点将会更加容易理解，其中：

图1A-图1C是根据本发明的一个方面用于检测圆柱形部件的内表面的系统和方法的示意图；

图2是用于检测圆柱形部件的内表面的系统和方法的另一实施例的示意图；

图3是使用本发明的系统和方法检测的典型圆柱形部件的立体图；以及

图4是根据本发明的一个实施例生成的内表面的展开视图。

具体实施方式

参阅附图，图1A-图1C的示意图大体示出用于检测圆柱形部件20的系统和方法。

该系统包括多个圆柱形部件20，例如用于内燃机的汽缸衬垫。圆柱形部件20通常掌握在制造商手中并且准备运送给消费者。在将圆柱形部件20运送给消费者之前，制造商将采用该系统和方法检测圆柱形部件20的内表面22是否有缺陷24或裂纹。每个圆柱形部件20包括在相对末端28之间围绕中心轴A周向延伸的内表面22，该内表面22界定孔26。圆柱形部件20还包括与内表面22相对的外表面30。每个圆柱形部件20的内表面22在相对末端28之间具有内径D，如图3所示。

该系统包括相机32以用于获取圆柱形部件20的内表面22的图像，并且这些图像被用于识别内表面22上的任意缺陷24。相机32包括朝向圆柱形部件22的孔26的镜头33以用于获取图像。相机32每次获取一个圆柱形部件20的图像。相机32设置在圆柱形部件20的一个末端28以外的预定位置，如图1A所示。相机32还与圆柱形部件20的中心轴A轴向对齐。在获取圆柱形部件20的图像时，相机32沿着中心轴A的位置保持固定。在检测具有相同内径D的圆柱形部件20时，相机32也保持相同且固定的位置。然而，在获取具有更大或更小内径D的其它圆柱形部件20的图像之前，通常横向调整相机32沿着中心轴A的位置，如图2所示。

相机32优选为高分辨率行扫描相机，并且获得的每个图像都是一维的。这些图像可以称为行图像（line image），因为获得的每个图像是一行单像素。每个行图像的像素一个接一个地设置。每个行图像示出圆柱形部件20的内表面22的一小部分。相机32获取沿着内表面22的圆周的预定周向位置c₁，c₂，c₃…c_n处的每个行图像，如图3所示。例如，在c₁处获取一个行图像，在c₂处获取另一个行图像，在c₃处获取又一个行图像，围绕内表面22以此类推。每个像素是方形的，并且每个行图像准确地反映出内表面22的尺寸。行图像不被拉伸或压缩。在一个优选实施例中，相机32包括用于获取图像的电荷耦合器件（CCD）。

在一个实施例中，行扫描相机32是1K的，这意味着该相机32可以获取1K或1000个像素的图像。相机32所具有的分辨率将根据镜头33的视野或观察到的表面区域变化。例如，如果相机32是1K的并且具有100毫米的视野，那么相机32所具有的分辨率为100微米（100毫米÷1000像素）。于是，当该系统包括1K的相机32时，该系统可以检测300微米范围内的裂纹。如果相机32是16K的并且具有100毫米的视野，那么相机32所具有的分辨率为6.3微米（100毫米÷16000像素）。于是，通过16K的相机，该系统可以检测20微米范围内的裂纹。根据需要被检测的裂纹的尺寸，被选择用于本发明的系统的相机32可以在1K至16K范围内，或者更大。

光源34设置在圆柱形部件20的邻近相机32的末端28和相机32之间，用于将光导入孔26中并到达圆柱形部件20的内表面22。在一个实施例中，光源34包括将一致的光线引导到内表面22的发光二极管。在另一实施例中，光源34包括一对相对相机32彼此相对的发光二极管，如图1A-图2所示。每个发光二极管邻近相机32的镜头33设置。光源34优选为内表面22提供正面漫射照明。

该系统还包括与内表面22邻近且间隔地设置在圆柱形部件20的孔26中的反射镜36。反射镜36设置在沿着圆柱形部件20的中心轴A的预定位置，并且可以通过杆37进行支撑。反射镜36具有大体朝向相机32的镜面38。镜面38是平坦的，并且相对圆柱形部件20的内表面22呈45度角设置。反射镜36将光从光源34反射到内表面22，并且从内表面22反射到相机32，以便相机32可以获取内表面22的图像。

在获取其中一个圆柱形部件20的图像时，反射镜36的位置保持固定。在检测具有相同内径D的其它圆柱形部件20时，反射镜36也保持相同且固定的位置。然而，在获取具有不同内径D的其它圆柱形部件20的图像之前，通常横向调整反射镜36沿着中心轴A的位置，如图2所示。反射镜36相对相机32的位置如此选择，以使相机32获取的图像清楚，准确，没有变形失真。

反射镜36与相机32间隔第一距离d₁，并且与内表面22间隔第二距离d₂。然而，在一个实施例中，尽管对于具有不同内径D的圆柱形部件20，第一距离d₁和第二距离d₂是变化的，但对于所有被检测的圆柱形部件20，第一距离d₁和第二距离d₂的总和保持固定。例如，图1A-图1C的第一距离d₁和第二距离d₂的总和是相同的，既等于检测内径D为0.01米的圆柱形部件20时的第一距离d₁和第二距离d₂的总和，也等于检测内径D为0.05米的圆柱形部件20时的第一距离d₁和第二距离d₂的总和。保持第一距离d₁和第二距离d₂的总和固定以提供始终清楚，准确，没有变形失真的图像。

该系统包括在检测过程中支撑圆柱形部件20的臂40。臂40通常与圆柱形部件20的外表面30接合，并且在相机32获取内表面22的图像时相对反射镜36和相机32连续移动圆柱形部件20。臂40将圆柱形部件20围绕中心轴A连续旋转360度。在360度旋转过程中，臂40将圆柱形部件20保持在相对末端28之间沿着中心轴A横向的第一位置，称为第一预定横向位置l₁，如图1A所示。在圆柱形部件20在第一横向位置l₁旋转的同时，内表面22的图像从反射镜36反射到相机32，以便相机32可以获取图像。相机32获取围绕内表面22的圆周的预定周向位置c₁，c₂，c₃…c_n处的图像，直到第一预定横向位置l₁处内表面22的整个圆周的图像都已获得。周向位置c₁，c₂，c₃…c_n的数量和第一预定横向位置l₁处获得图像的数量与圆柱形部件20的内径D直接成正比例。

获取圆柱形部件20的内表面22在第一预定横向位置l₁处的图像之后，臂40将圆柱形部件20沿着中心轴A横向移动一段预定且固定的距离以到达第二预定横向位置l₂，如图1B所示。接下来，在将圆柱形部件20保持在第二预设横向位置l₂的同时，臂40将圆柱形部件20围绕中心轴A连续旋转360度。在圆柱形部件20在第二横向位置l₂连续旋转的同时，内表面22的图像从反射镜36反射到相机32，以便相机32可以获取图像。相机32获取围绕内表面22的圆周的预定周向位置c₁，c₂，c₃…c_n处的图像，直到第二横向位置l₂处内表面22的整个圆周的图像都已获得。预定周向位置c₁，c₂，c₃…c_n与第一横向位置处的预定周向位置c₁，c₂，c₃…c_n相同。在第二横向位置l₂处获得的行图像的数量也与圆柱形部件20的内径D直接成正比例。

获取圆柱形部件20的整个内表面22在第二横向位置l₂处的图像之后，臂40将圆柱形部件20沿着中心轴A横向移动一段预定且固定的距离以到达第三预定横向位置l₃，如图1C所示。在将圆柱形部件20保持在第三横向位置l₃的同时，臂40将圆柱形部件20围绕中心轴A连续旋转360度。在圆柱形部件20在第三横向位置l₃连续旋转的同时，内表面22的图像从反射镜36反射到相机32，以便相机32可以获取图像。相机32获取围绕内表面22的圆周的预定周向位置c₁，c₂，c₃…c_n处的图像，直到第三横向位置l₃处内表面22的整个圆周的图像都已获得。预定周向位置c₁，c₂，c₃…c_n与第一横向位置l₁和第二横向位置l₂处的预定周向位置c₁，c₂，c₃…c_n相同。在第三横向位置l₃处获得图像的数量也与圆柱形部件20的内径D直接成正比例。

重复图像获取，旋转和横向移动步骤以便在沿着内表面22的其它横向位置l_n处获取图像。在每个横向位置l₁，l₂，l₃…l_n处获取预定周向位置c₁，c₂，c₃…c_n的图像。如上所述，其中每个图像是在其中一个横向位置l₁，l₂，l₃…l_n以及其中一个预定周向位置c₁，c₂，c₃…c_n处获取的。重复这些步骤，直到对圆柱形部件20的相对末端28之间的整个内表面22获取了图像，优选行图像。

通过行扫描相机32获取的图像具有高分辨率。进一步地，由于呈45度角的平坦镜面38反射内表面22而不压缩反射的图像，不像锥形反射镜会压缩反射的图像并因此图像将包含压缩后的像素，因此，图像的变形失真被最小化。进一步地，在一个圆柱形部件20的检测过程中，相机32和反射镜36的位置固定，从而使得对准精度高，这也促使图像具有高品质。

该系统还包括计算机42，计算机42用于组合由相机32获取的内表面22的图像，优选行图像。在一个实施例中，计算机42通过电缆43与相机32连接，如图2所示。根据预定周向位置c₁，c₂，c₃…c_n和横向位置l₁，l₂，l₃…l_n，依次将行图像放置在一起以生成包括为内表面22所获取的每个行图像的高品质展开视图。这些图像通常按照它们被相机32获取的顺序放置。

展开视图准确地描绘出内表面22的尺寸和特征。因此，展开视图提供了内表面22的清晰且准确的图例。图4提供了展开视图的一小部分的例子。图4包括多个分别在同一横向位置l₁的不同周向位置c₁，c₂，c₃处获取的行图像。根据周向位置c₁，c₂，c₃将图4的行图像依次放置在一起。在该展开视图的该部分中，可以清楚地识别出孔隙缺陷24以及机械加工缺陷或线。

在一个实施例中，利用图像或展开视图的标准图像处理算法，计算机42自动识别圆柱形部件20的内表面22上的缺陷24。在另一实施例中，人工研究图像或展开视图以识别缺陷24。如果识别出内表面22上的缺陷24，接下来制造商将在把圆柱形部件20运送给消费者之前将圆柱形部件20丢弃或修复。

如上所述，在相机32和反射镜36保持在预定的固定位置时，检测具有相同内径D的所有圆柱形部件20。如图2所示，在检测具有不同内径D或尺寸的圆柱形部件20之前，沿着中心轴A且相对彼此横向调整相机32和反射镜36的位置。调整相机32和反射镜36以提供内表面22的更清晰且更准确的图像。然而，如上所述，即使在检测具有不同内径D的圆柱形部件20时，第一距离d₁和第二距离d₂的总和也是相同的。在检测具有不同内径D和尺寸的圆柱形部件20之前，也可以调整光源34的位置以便有效地将光导向内表面22。

在一个优选实施例中，在相机32获取图像之前，清洁圆柱形部件20的内表面22。利用标准清洁方法将污垢、灰尘、油脂和其它碎屑从内表面22移除。洁净的圆柱形部件20的展开视图比肮脏的或油腻的圆柱形部件20的展开视图具有更高品质。如果内表面22是油腻或肮脏的，可能难以将真实缺陷24和污垢或裂纹区别开。

如上所述，本发明还提供一种用于检测圆柱形部件20的内表面22的方法。该方法包括提供多个圆柱形部件20，每个圆柱形部件20包括围绕中心轴A周向延伸的内表面22。

接下来，该方法包括将反射镜36沿着中心轴A设置在一个圆柱形部件20中，并且将反射镜相对圆柱形部件20的内表面22呈45度角设置。该方法还包括将相机32邻近圆柱形部件20设置；将相机32与圆柱形部件20的中心轴A轴向对齐；以及固定相机32与反射镜36之间距离和反射镜36与内表面22之间距离的总和，称为第一距离d₁和第二距离d₂的总和。

系统设置包括将光源34设置在相机32和圆柱形部件20之间；将光从光源34引导到反射镜36；将光反射到内表面22并且从内表面22反射到相机32；以及在将圆柱形部件20围绕中心轴A旋转360度的同时，通过相机32获取多个图像，其中每个图像是一维的而且包括示出圆柱形部件20的内表面22的一部分的一行单像素。

获取图像的步骤包括在第一横向位置l₁将圆柱形部件20围绕中心轴A旋转360度的同时获取围绕内表面22的圆周的预定周向位置c₁，c₂，c₃…c_n处的图像；获取圆柱形部件20的内表面22在第一横向位置l₁处的图像之后，将圆柱形部件20沿着中心轴A横向移动预定距离以到达第二横向位置l₂，并且在第二横向位置l₂将圆柱形部件20围绕中心轴A旋转360度的同时获取围绕内表面22的圆周的预定周向位置c₁，c₂，c₃…c_n处的图像。该方法包括重复获取、旋转以及移动步骤，直到圆柱形部件20的整个内表面22的图像都已获得。

在一个优选实施例中，在获取内表面22的其中一个预定周向位置c₁，c₂，c₃…c_n和其中一个横向位置l₁，l₂，l₃…l_n处的每个行图像之后，该方法包括将每个行图像组合到一起，根据预定周向位置c₁，c₂，c₃…c_n和横向位置l₁，l₂，l₃…l_n依次设置行图像，并且生成圆柱形部件20的内表面22的展开视图，其包括设置的行图像。

在一个实施例中，该方法包括使用行图像的标准图像处理算法自动识别圆柱形部件20的内表面22上的缺陷24。该方法包括对具有相同内径D和尺寸的每个圆柱形部件20重复这些步骤。当检测具有不同内径D或尺寸的圆柱形部件20时，该方法包括横向沿着中心轴A且相对彼此调整相机32和反射镜36的位置，以便获取内表面22的清晰且准确的图像。然而，第一距离d₁和第二距离d₂的总和保持固定。该方法还包括在检测具有不同内径D和尺寸的圆柱形部件20之前调整光源34的位置以便有效地将光导向内表面22。

最后，该方法包括对每个圆柱形部件20重复这些步骤，包括对每个圆柱形部件20生成展开视图并且识别缺陷24。在一个优选实施例中，该方法包括在获取图像之前清洁圆柱形部件20的内表面22以获取更好品质的图像。该方法通常还包括在将圆柱形部件20运送给消费者之前将带有缺陷24的圆柱形部件20丢弃或者将圆柱形部件20中的缺陷24修复。

显然，根据上述教导，本发明的各种修改和变化都是可能的，并且在所附权利要求的范围内，也可通过除了具体描述以外的方式实现。以上描述应当理解为覆盖发明创造实现其实用性的任意组合。

Claims (21)

1.一种用于检测圆柱形部件（20）的内表面（22）的系统，其特征在于，包括：

圆柱形部件（20），其包括围绕中心轴（A）周向延伸的内表面（22），且所述圆柱形部件（20）具有孔（26）；

相机（32），其设置在所述圆柱形部件（20）的外部且与所述圆柱形部件（20）的所述中心轴（A）轴向对齐，并且用于获取所述内表面（22）的图像；

光源（34），其邻近所述相机（32）设置且用于将光引导到所述圆柱形部件（20）的所述内表面（22）；

反射镜（36），其设置在所述圆柱形部件（20）的所述孔（26）中且位于沿着所述中心轴（A）的预定和固定的位置；

所述反射镜（36）相对所述内表面（22）呈45度角设置并且用于将光从所述光源（34）反射到所述内表面（22）并且从所述内表面（22）反射到所述相机（32）；以及

所述相机（32）是行扫描相机（32）且每个所述图像是一维的。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相机（32）包括用于获取所述图像的电荷耦合装置。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每个所述图像是一行像素。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，每个所述图像在沿着所述内表面（22）的预定周向位置（c₁，c₂，c₃…c_n）和预定横向位置（l₁，l₂，l₃…l_n）获取；以及包括所述内表面（22）的展开视图，该展开视图包括根据所述预定周向位置（c₁，c₂，c₃…c_n）和预定横向位置（l₁，l₂，l₃…l_n）放置的每个所述图像。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反射镜（36）具有大体朝向所述相机（32）并且相对所述内表面（22）呈45度角设置的平坦的镜面（38）。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，包括臂（40），所述臂（40）在所述相机（32）获取所述图像时支撑所述圆柱形部件（20）并且相对所述反射镜（36）和所述相机（32）移动所述圆柱形部件（20）。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，包括多个具有不同内径（D）的所述圆柱形部件（20），其中，所述反射镜（36）与所述相机（32）间隔第一距离（d₁）并且与所述内表面（22）间隔第二距离（d₂），并且所述第一距离（d₁）和所述第二距离（d₂）的总和是固定的。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，包括多个所述圆柱形部件（20），并且所述相机（32）获取每个所述圆柱形部件（20）的所述内表面（22）的图像。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光源（34）包括将光线引导到所述内表面（22）的发光二极管。

10.一种用于检测圆柱形部件（20）的内表面（22）的方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供多个圆柱形部件（20），每个圆柱形部件（20）包括围绕中心轴（A）周向延伸的内表面（22）；

将反射镜（36）设置在其中一个圆柱形部件（20）中，该反射镜（36）位于沿着中心轴（A）的预定和固定的位置并且相对内表面（22）呈45度角；

将光引导到圆柱形部件（20）的内表面（22）；

在反射镜（36）和内表面（22）之间反射光；以及

获取多个图像，每个图像是圆柱形部件（20）的内表面（22）的一维图像。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述获取多个图像包括为每个图像获取一行单像素。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，包括在沿着内表面（22）的圆周的预定周向位置（c₁，c₂，c₃…c_n）和沿着圆柱形部件（20）的内表面（22）的预定横向位置（l₁，l₂，l₃…l_n）获取每个图像；根据预定周向位置（c₁，c₂，c₃…c_n）和横向位置（l₁，l₂，l₃…l_n）放置每个图像；以及生成圆柱形部件（20）的内表面（22）的展开视图，该展开视图包括所设置的图像。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，包括利用行图像的图像处理算法自动识别圆柱形部件（20）的内表面（22）上的缺陷（24）。

14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，包括在所述获取图像步骤的过程中，在沿着中心轴（A）的第一预定横向位置（l₁）使圆柱形部件（20）围绕中心轴（A）旋转360度。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，包括在所述旋转步骤的过程中，在围绕内表面（22）的圆周的预定周向位置（c₁，c₂，c₃…c_n）获取每个图像。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，包括在所述在第一预定横向位置（l₁）获取图像之后，将圆柱形部件（20）沿着中心轴（A）横向移动一段预定距离以到达第二预定横向位置（l₂）。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，包括重复所述获取步骤，所述旋转步骤和所述移动步骤，直到对圆柱形部件（20）的整个内表面（22）都已获取图像。

18.如权利要求10所述的方法，其特征在于，包括为每个圆柱形部件（20）重复所述步骤。

19.如权利要求10所述的方法，其特征在于，包括将相机（32）与圆柱形部件（20）的中心轴（A）轴向对齐，所述相机（32）为行扫描相机；固定相机（32）相对反射镜（36）的位置；以及将相机（32）用于所述获取图像步骤。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述提供多个圆柱形部件（20）包括提供具有不同内径（D）的圆柱形部件（20）；固定相机（32）与反射镜（36）之间距离和反射镜（36）与内表面（22）之间距离的总和；在保持距离（d₁，d₂）的总和不变的同时，为具有不同尺寸的圆柱形部件（20）调整反射镜（36）和相机（32）的位置；以及对每个圆柱形部件（20）重复所述获取步骤。

21.如权利要求10所述的方法，其特征在于，包括在所述获取图像步骤之前，清洁圆柱形部件（20）的内表面（22）。

Images