Inspekcja wizyjna jakości powierzchni tulei cylindrów po operacji honowania mgr inż. WIESŁAW MAŁKIŃSKI, dr inż. JERZY ZAJĄC, mgr inż. MARCIN KARLIŃSKI Instytut Tele- i Radiotechniczny, Warszawa Przemysłowe systemy wizyjne umożliwiają realizację wielu różnorodnych zagadnień inspekcji optycznej, takich jak: precyzyjne pomiary wielkości geometrycznych, identyfikacja i pozycjonowanie elementów, detekcja defektów i analiza jakości powierzchni przedmiotów wykonanych z różnych materiałów, zarówno nieprzezroczystych jak i przezroczystych. Jednym z ważniejszych elementów systemu wizyjnego w aplikacjach związanych z inspekcją jakości jest system oświetlenia. Ma on zasadnicze znaczenie, jeżeli chodzi o pozyskanie informacji dobrej jakości, w celu jej późniejszego przetwarzania i analizowania. Powinien zapewnić jednorodne, stabilne oświetlenie pola obserwacji, uwydatniające cechy pożądane w danej aplikacji i eliminujące cechy o znaczeniu drugorzędnym. Charakterystyka oświetlacza musi być dostosowana do charakterystyki sensora wizyjnego i właściwości optycznych badanego obiektu w taki sposób, aby eliminować odblaski i stany nasycenia oraz zapewnić możliwość uzyskania obrazu o dobrej jasności i kontraście. W opracowaniu przedstawiono system inspekcji optycznej opracowany w Przemysłowym Instytucie Elektroniki (Przemysłowy Instytut Elektroniki z dniem 01.09.2007 został włączony do Instytutu Tele- i Radiotechnicznego), a wdrożony w firmie MAHLE Polska Sp. z o.o. Zadaniem systemu jest kontrola wizyjna wewnętrznej powierzchni tulei cylindrów silników spalino- Rys. 1. Schemat funkcjonalny systemu sterowania urządzenia do kontroli wizyjnej Fig. 1. Schematic diagram of the control system of the visual inspection stand Elektronika 3/2008 55
wych po operacji honowania. Firma MAHLE Polska Sp. z o.o. jest ważnym producentem tulei cylindrowych do samochodów ciężarowych i osobowych oraz wielu innych wyrobów dla światowego przemysłu samochodowego i motoryzacyjnego. System umożliwia interaktywny pomiar wielkości charakterystycznych inspekcji: odległości punktów charakterystycznych, kątów przecięcia rys honowniczych, promieni okręgów i pól powierzchni wielokątów obejmujących wyróżnione obszary. Obraz wewnętrznej powierzchni tulei cylindra podlegającego inspekcji zawiera wiele rys stanowiących ślady po obróbce mechanicznej. Stosując odpowiednie techniki oświetlenia, ślady te można wyeksponować, a następnie przeprowadzić pomiary ich parametrów charakterystycznych. W opracowanym rozwiązaniu zastosowano system oświetlenia złożony z dwóch oświetlaczy, umożliwiających oświetlenie osiowe oraz kątowe z ustawianym współczynnikiem podziału. Stanowisko umożliwia przeprowadzenie inspekcji przy różnych wartościach powiększenia i różnych konfiguracjach oświetlenia, w dowolnym obszarze badanej tulei. Ruch pionowy układu optycznego względem tulei zrealizowany został za pośrednictwem mechanizmu pozycjonującego, sterowanego silnikiem krokowym, natomiast ruch kątowy odbywa się przez ręczny obrót tulei cylindra w uchwycie. Stanowisko składa się z następujących części: podsystem wizyjny, który umożliwia obserwację obrazu badanej powierzchni, podsystem mechatroniczny, umożliwiający pozycjonowanie badanej tulei względem podsystemu wizyjnego, komputer sterujący stanowiskiem wraz ze specjalizowanym oprogramowaniem, umożliwiający przetwarzanie uzyskanych obrazów oraz ich wizualizację na ekranie i w formie trwałych kopii na papierze. Architektura systemu sterowania System sterowania stanowiska składa się z układu automatyki pełniącego funkcje kontrolne podstawowych podzespołów mechatroniki urządzenia, specjalizowanego obiektywu, oświetlaczy oraz systemu analizy obrazu pracującego na komputerze PC klasy P4, wyposażonym w drukarkę. Architektura systemu sterowania pokazana jest na schemacie funkcjonalnym zamieszczonym na rys. 1. Akwizycja danych wizyjnych z kamery odbywa się w standardzie Camera-Link przez kartę typu framegrabber zainstalowaną w komputerze sterującym. Komunikacja pomiędzy elementami automatyki, a komputerem odbywa się przy wykorzystaniu trzech portów szeregowych RS232C przeznaczonych do sterowania: sterownika oświetlaczy (osiowego i kątowego), sterownika obiektywu ZOOM i FOCUS oraz sterownika mechanizmu pozycjonowania cylindrów. Rozmieszczenie podstawowych podzespołów układu sterowania urządzenia pokazane jest na rys. 2. Budowa stanowiska Rys. 2. Rozmieszczenie podstawowych podzespołów stanowiska Fig. 2. Location of main units of the stage Charakterystyka podsystemów Podsystem mechatroniczny Podsystem mechatroniczny, umożliwiający pozycjonowanie badanej tulei względem podsystemu wizyjnego, zrealizowany został na bazie 1-osiowego sterownika CNC z silnikiem krokowym o sterowaniu bipolarnym. Segment liniowy zapewnia pionowe przemieszczanie tulei (o masie do 20 kg) względem układu optycznego stanowiska. Sterownik napędu połączony jest z komputerem sterującym za pośrednictwem interfejsu RS 232C. Dodatkowe kanały wejściowe (8 kanałów wejściowych z optoizolacją +24 V) oraz wyjściowe (16 kanałów wyjściowych +24 V/0,3 A), umożliwiają sprzężenie z czujnikami stanowiska. Podsystem wizyjny Podsystem wizyjny, umożliwiający akwizycję i przetwarzanie obrazu badanej powierzchni, zrealizowany został przy wykorzystaniu kamery CCD, układu optycznego ze zmotoryzowanym obiektywem zoom, układu oświetlenia oraz karty framegrabbera. W urządzeniu zastosowano monochromatyczną megapikselową kamerę cyfrową CCD o rozmiarze struktury 2/3, rozdzielczości: 1380 1030 pikseli i o rozmiarze piksela: 6,45 6,45 μm. Kamera umożliwia akwizycję obrazów z szybkością 25 obrazów na sekundę przy pełnej rozdzielczości. Czas ekspozycji jest programowalny i ustawiany z interwałem 40 μs. Kamera dostosowana jest do montażu optyki typu C. 56 Elektronika 3/2008
Akwizycja danych wizyjnych z kamery odbywa się w standardzie Camera-Link przez kartę typu framegrabber zainstalowaną w komputerze sterującym. Ustawianie parametrów pracy kamery odbywa się za pośrednictwem łącza szeregowego zaimplementowanego w ramach interfejsu Camera- Link. Karta framegrabbera przystosowana jest do współpracy z 64 -bitową/66 MHz szyną PCI w wersji 2,2., o poziomie sygnałów 3,3 V lub 5 V i ma pamięć wewnętrznej 16 MB. W skład układu optycznego wchodzi obiektyw zoom parfokalny zintegrowany z napędami oraz układ pryzmatyczny. Obiektyw parfokalny wyposażony jest w zmotoryzowane napędy powiększenia i ostrości (sterowane cyfrowo silnikami krokowymi). Zespół oświetlenia składa się z dwóch modułów oświetlaczy i jest sterowany cyfrowo z poziomu komputera PC. Umożliwia uzyskanie dwóch rodzajów oświetlenia: współosiowego z optyką oraz kątowego z ustawianym współczynnikiem podziału. Przy oświetleniu w polu ciemnym (Dark Field Illumination) badana powierzchnia oświetlana jest za pomocą częściowo skolimowanej wiązki światła pod małym kątem.w tym przypadku eliminowane są odbicia od regularnych powierzchni obiektu sprawiając, że pole widzenia sensora jest ciemne. Jakiekolwiek odstępstwa od płaskiej powierzchni (np. rysy, wyżłobienia) powodują odbicie światła i są widoczne przez sensor. Przy oświetleniu w polu ciemnym bardzo dobrze widoczne są defekty oraz ślady obróbki mechanicznej materiałów. Efekt eksponowania cech powierzchniowych materiałów w dużym stopniu zależy od kąta padania wiązki światła na badaną powierzchnię. System oświetlenia kątowego zrealizowany w urządzeniu zapewnia możliwość regulacji kąta padania światła na badany fragment tulei. W przypadku drugiego oświetlacza zrealizowano oświetlenie rozproszone od przodu (Diffuse Front Illumination). Ten sposób oświetlenia zapewnia dobrą równomierność i redukuje odblaski na powierzchniach odbijających. Na rys. 3 przedstawiono widok wybranych fragmentów badanej tulei przy różnych rodzajach oświetlenia i różnych powiększeniach. Komputer sterujący Komputer sterujący wraz ze specjalizowanym oprogramowaniem umożliwia sterowanie części mechatronicznej urządzenia oraz przetwarzanie uzyskanych obrazów i ich wizualizację. Podstawowe parametry zastosowanego systemu komputerowego: procesor P4 3 GHz, RAM 1 GB, HDD 120 GB, monitor LCD 17, drukarka laserowa, system operacyjny Windows XP Pro. Parametry podsystemu wizyjnego i podsystemu mechatronicznego zakodowane zostały w pliku konfiguracyjnym. Plik ten definiuje takie parametry stanowiska jak: numery portów transmisyjnych (sterownika napędów głowicy optycznej, sterownika napędu liniowego wózka, sterownika oświetlaczy), prędkość napędu liniowego ruchu skanującego wózka, zakres Rys. 3. Widok wewnętrznej powierzchni tulei cylindra silnika spalinowego (przy różnych rodzajach oświetlenia i różnych wartościach powiększenia) Fig. 3. The view of internal surface of combustion engine cylinder liner (different magnification and illumination conditions) Elektronika 3/2008 57
ruchu napędu liniowego wózka względem położenia bazowego, wartości współczynników funkcji kompensacji ekspozycji, wartości współczynników funkcji kalibracji powiększenia, wielkość pikseli monitora LCD i kamery CCD oraz konfigurację karty framegrabbera i kamery. Dane techniczne urządzenia Powiększenie optyczne (obraz na powierzchni przetwornika/obiekt) od 0,59 do 6,38 Bazowe powiększenie cyfrowe (obraz na monitorze/obraz na powierzchni przetwornika) 40,93 Bazowe powiększenie systemowe (powiększenie optyczne/bazowe powiększenie cyfrowe) 24,17 do 260,95 Napięcie zasilania 230 V/50 Hz Moc pobierana: 400 W szafka sterownicza, 100 W sterownik napędu liniowego 300W Wymiary urządzenia: wysokość 1660 mm szerokość 640 mm głębokość 700 mm Masa 80 kg Średnica wewnętrzna badanych tulei 78 do 160 mm Zakres ruchu pionowego stolika z badaną tuleją > 350 mm Możliwość obracania ręcznego tulei Rys. 4. Ekran monitora. Fig. 4. The view of the displayed screen Oprogramowanie stanowiska Oprogramowanie stanowiska umożliwia ustawianie parametrów obserwacji, wybór rejonu obserwacji, wybór narzędzi pomiarowych, przeprowadzenie pomiarów oraz wydruk protokołów pomiarowych i archiwizację wyników pomiarów. Na rys. 4. przedstawiono widok ekranu monitora dla trybu pomiarowego. Czynności operatora można podzielić na trzy grupy zadań: ustawianie parametrów pola obserwacji, operacje pomiarowe, wprowadzanie informacji na temat pomiaru oraz wyświetlanie wyników. Ustawianie parametrów pola obserwacji Opcje związane z ustawianiem pola obserwacji obejmują 4 grupy zagadnień (rys. 5): ustawianie położenia tulei, ustawianie poziomu powiększenia i ostrości układu optycznego, ustawianie rodzaju i poziomu oświetlenia pola obserwacji, ustawianie parametrów okna obrazowego. Ustawienie położenia tulei względem układu optycznego obejmuje: pozycjonowanie mechanizmu wózka napędu liniowego w położeniu załadunku, ustawienie mechanizmu wózka napędu liniowego w położeniu umożliwiającym obserwację dolnej części cylindra oraz przesunięcie mechanizmu wózka napędu liniowego do położenia zadanego. Odpowiednie wartości zadane poziomu oświetlenia dla każdego z rodzajów oświetlaczy (osiowe i kątowe), a także wartości zadane powiększenia systemowego lub ostrości ustawiane są interaktywnie w trakcie pomiaru. Także w trakcie pomiaru istnieje 58 Elektronika 3/2008
możliwość zmiany ustawień powiększenia dla okna obrazowego 100% i 200%, dopasowania obrazu z kamery do okna oraz włączenia i wyłączenia okna nawigacyjnego. Instrumenty pomiarowe W celu przeprowadzenia pomiarów przy ustalonych warunkach obserwacji pola pomiarowego wprowadzono następujące opcje pomiarowe: pomiar odległości, pomiar kąta, pomiar kątów połówkowych, pomiar promienia okręgu, pomiar pola powierzchni wielokąta. Po wybraniu opcji pomiarowej oraz obserwowanego obszaru tulei i zaakceptowaniu położenia punktów odniesienia, wyznaczona zostaje wartość pomiaru z uwzględnieniem bieżącego powiększenia układu, wyrażona w jednostkach fizycznych. Zmiana położenia któregokolwiek z punktów odniesienia powoduje aktualizację wyświetlanego wyniku. W trakcie przeprowadzania pomiaru, w celu lepszej lokalizacji rejonu pomiarowego, można dokonać: zmiany powiększenia (100% lub 200%) lub dopasowa- nia rozmiaru wyświetlanego obrazu a także włączyć lub wyłączyć okno nawigatora. Dostępne są także wszystkie opcje służące do zmiany położenia tulei (zmiana rejonu obserwacji), zmiany poziomu powiększenia i ostrości oraz zmiany poziomu oświetlenia. Poniżej przedstawiono specyfikację dostępnych instrumentów opcji pomiarowych. Pomiar odległości Instrument przeznaczony jest do pomiaru odległości między dwoma zaznaczonymi punktami odniesienia. Po wybraniu obserwowanego obszaru tulei i zaakceptowaniu położenia punktów, w polu wyników pojawi się odległość między punktami wyrażona w mm (rys. 6). Rys. 6. Widok ekranu monitora (instrument pomiaru odległości) Fig. 6. The view of the displayed screen (distance gauge) Pomiar kąta Instrument przeznaczony jest do pomiaru kąta utworzonego przez dwie przecinające się proste zaznaczone punktami. Po wybraniu obserwowanego obszaru tulei i zaznaczeniu położenia obu linii pomiarowych, w polu wyników wyświetlana jest wartość kąta między zaznaczonymi odcinkami wyrażona w stopniach (rys. 7). Rys. 5. Widok interfejsu graficznego dla operacji ustawiania parametrów pola obserwacji Fig. 5. The view of the graphical interface for the region of interest parameters setup Rys. 7. Widok ekranu monitora (instrument pomiaru kąta) Fig. 7. The view of the displayed screen (angle gauge) Elektronika 3/2008 59
Pomiar kątów połówkowych Pomiar pola powierzchni wielokąta Instrument przeznaczony jest do pomiaru kątów połówkowych utworzonych między prostymi a linią odniesienia. Po wybraniu obserwowanego obszaru tulei i zaznaczeniu położenia obu linii pomiarowych tworzona jest automatycznie pozioma linia odniesienia, przechodząca przez punkt przecięcia linii. W polu wyników wyświetlana jest wartość kątów połówkowych między zaznaczonymi odcinkami a linią odniesienia (rys. 8). Instrument przeznaczony jest do pomiaru pola powierzchni wielokąta o zadanych wierzchołkach. Po wybraniu obserwowanego obszaru tulei, zaznaczeniu i zaakceptowaniu położenia kolejnych punktów wierzchołków wielokąta, w polu wyniku pojawi się pole powierzchni wielokąta w mm 2 (rys. 10). Rys. 8. Widok ekranu monitora (instrument pomiaru kątów połówkowych) Fig. 8. The view of the displayed screen (half-angles gauge) Rys. 10. Widok ekranu monitora (instrument pomiaru pola wielokąta) Fig. 10. The view of the displayed screen (polygon area gauge) Pomiar promienia okręgu Instrument przeznaczony jest do pomiaru promienia okręgu przechodzącego przez trzy zaznaczone punkty. Po wybraniu obserwowanego obszaru tulei i zaakceptowaniu położenia trzech punktów, przez które ma przechodzić okrąg, w polu wyniku pojawi się promień okręgu wyrażony w mm (rys. 9). Rys. 9. Widok ekranu monitora (instrument pomiaru promienia) Fig. 9. The view of the displayed screen (radius gauge) Informacja na temat pomiaru oraz wyświetlanie wyników Opcje związane z operacjami pomiarowymi obejmują: wprowadzanie identyfikatorów pomiaru, wyświetlanie wyników oraz drukowanie raportów i archiwizowanie wyników. Wprowadzanie parametrów identyfikacyjnych pomiaru sprowadza się do wypełnienia pól informacyjnych: identyfikatora operatora, identyfikatora badanej tulei oraz komentarza. Wymienione parametry identyfikacyjne powinny zostać wprowadzone przez operatora. Data i czas pomiaru generowane są przez system automatycznie. Kolejny etap to automatyczne generowanie raportu oraz plików archiwalnych. Kalibracja urządzenia Przeprowadzanie kalibracji jest konieczne w sytuacji zmiany ustawień części mechanicznych zespołów urządzenia. Raz przeprowadzona kalibracja powoduje, że współczynniki kalibracji zapamiętywane są w pliku konfiguracyjnym urządzenia i wykorzystywane są każdorazowo przez program pomiarowy do przeliczania wartości odległości na współrzędne rzeczywiste. Do przeprowadzenia kalibracji zastosowano wzorzec zamontowany w stanowisku do kontroli wizyjnej wykonany w postaci kliszy z równymi paskami naniesionymi w rastrze 0,50 ± 0,01 mm. Proces kalibracyjny realizowany jest automatycznie, a pełny cykl pomiarowy trwa kilka minut. W tym czasie wyznaczane są wartości współczynników przeliczeniowych odległości przy poszczególnych wartościach powiększenia układu. 60 Elektronika 3/2008
Rys. 11. Widok ekranu dla trybu kalibracji. Fig. 11. The view of the displayed screen in the calibration mode W trakcie realizacji procesu kalibracji aktualizowany jest wykres zależności współczynnika skali od aktualniej wartości powiększenia (ustawienie napędu Zoom). Na rysunku 11. przedstawiono widok ekranu monitora dla trybu kalibracji. Niezależnie od mechanizmu kalibracji wymiarów geometrycznych, w urządzeniu zaimplementowano funkcję automatycznej kompensacji jasności obrazu dla różnych wartości powiększenia. Wyznaczona doświadczalnie charakterystyka jasności w funkcji powiększenia układu, stanowi podstawę do zaprogramowania różnych wartości czasów ekspozycji kamery dla różnych wartości powiększenia. Podsumowanie Analiza jakości powierzchni wyrobów po obróbce mechanicznej jest jednym z obszarów, w których przemysłowe systemy wizyjne w połączeniu z systemami pozycjonowania współrzędnościowego są bardzo pomocne w ocenie jakościowej i ilościowej stanu powierzchni. Zastosowanie w tych systemach zróżnicowanych technik oświetlenia badanej powierzchni pozwala uwydatnić cechy pożądane w danej aplikacji i wyeliminować cechy o znaczeniu drugorzędnym, a zastosowane systemy sterowania współrzędnościowego umożliwiają łatwą zmianę rejonów inspekcji. Zaprezentowano system inspekcji optycznej opracowany w PIE (obecnie w ITR), a wdrożony w firmie MAHLE Polska Sp. z o.o, którego zadaniem jest kontrola wizyjna wewnętrznej powierzchni tulei cylindrów silników spalinowych po operacji honowania. Opracowany system umożliwia interaktywny pomiar wielkości charakterystycznych inspekcji: odległości punktów charakterystycznych, kątów przecięcia rys honowniczych, promieni okręgów i pól powierzchni wielokątów obejmujących wyróżnione obszary. Stanowisko umożliwia przeprowadzenie inspekcji przy różnych wartościach powiększenia i różnych konfiguracjach oświetlenia, w dowolnym obszarze badanej tulei. Literatura [1] Tadeusiewicz R., Korohoda P.: Komputerowa analiza i przetwarzanie obrazów. Wydawnictwo Fundacji Postępu Telekomunikacji, Kraków 1997. [2] EureCard Grablink Value, Expert2, Value cpci, Expert2 cpci Manual; Euresys June 2004. [3] evision 6.2- Image Analysis Tools; Euresys, September 2002. Elektronika 3/2008 61