RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 208183 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 379580 (51) Int.Cl. G01N 21/952 (2006.01) G01B 11/30 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 28.04.2006 (54) Sposób optycznej detekcji wad powierzchni obiektów cylindrycznych, zwłaszcza wałków łożysk (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: 29.10.2007 BUP 22/07 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.03.2011 WUP 03/11 (72) Twórca(y) wynalazku: MARIUSZ MRZYGŁÓD, Wrocław, PL JACEK REINER, Wrocław, PL PIOTR SZEPLIK, Wrocław, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Regina Kozłowska PL 208183 B1
2 PL 208 183 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób optycznej detekcji wad powierzchni obiektów cylindrycznych, zwłaszcza wałków łożysk, znajdujący zastosowanie w urządzeniach do automatycznej, wizyjnej inspekcji jakości. Wady na powierzchniach lustrzanych uzyskiwanych po procesie obróbki ubytkowej (szlifowanie, toczenie) lub galwanizacji, takie jak ubytki materiałowe, skaleczenia, pęknięcia, wady chropowatości, korozja i zabrudzenia, są trudne do automatycznej inspekcji wizyjnej, ponieważ pozyskiwany obraz z kamer zawiera zakłócenia w postaci martwych stref wynikające z odbić innych obiektów, w tym również źródeł światła lub kontrast między wadą a tłem jest bardzo słaby. Im obraz jest bardziej zakłócony lub kontrast wada-otocznie mniejszy, tym jego przetwarzanie jest bardziej skomplikowane i bardziej czasochłonne, i często nie daje zadowalających wyników. Z polskiego opisu patentowego nr 191 356 znany jest sposób pomiaru chropowatości powierzchni oraz urządzenie do pomiaru chropowatości powierzchni. Sposób polega na tym, że mierzy się światło rozproszone na badanej powierzchni w kolejnych fragmentach pojedynczego detektora o jednolitej strukturze fotoczułej, przy czym wspomniane fragmenty są odpowiednio odsłaniane przy pomocy przysłony o zmieniającej się aperturze, współpracującej z układem analizującym. Natomiast stale jest mierzona moc promieniowania wiązki monochromatycznego światła padającego. Urządzenie posiada źródło światła monochromatycznego, z którego wiązka promieniowania pada pod kątem na badaną powierzchnię poprzez element światłodzielący współpracujący z fotodetektorem pomiaru wiązki odniesienia, a także zaopatrzone w nieruchomy detektor światła rozproszonego umieszczony w osi układu optycznego. Pomiędzy układem optycznym a detektorem znajduje się przysłona o zmiennej powierzchni przepuszczającej światło. Detektor posiada powierzchnię światłoczułą o jednolitej strukturze. Można zastosować detektor o kolistej powierzchni światłoczułej i przysłonę w kształcie koła z centralnie umieszczonym otworem o zmiennej aperturze lub detektor w kształcie prostokąta i ruchomą przysłonę w kształcie prostokąta z krawędzią albo szczeliną odsłaniającą fragmenty powierzchni światłoczułej detektora. Urządzenie posiada układ sterowania, którego wyjście jest połączone z przysłoną, a wejście jest połączone z układem przeliczającym, do którego jest również połączony układ wzmacniania i przetwarzania połączony swym wejściem z detektorem światła rozproszonego oraz poprzez układ pomiarowy światła padającego z fotodetektorem wiązki odniesienia. Z opisu patentowego USA nr 5 201 576 znany jest układ bezcieniowego sferycznego oświetlacza do stosowania w układach inspekcji wyrobów. Układ ten jest wyposażony w pierścieniowe źródło światła otoczone sferyczną obudową odbijającą światło do wewnątrz. W obudowie tej wykonano przynajmniej dwie szczeliny inspekcyjne umożliwiające wyprowadzenie obrazu do detektorów. Przez oś symetrii pierścieniowego źródła światła i obudowy sferycznej, przechodzi przezroczysta rura umożliwiająca swobodny spadek badanych wyrobów, w szczególności warzyw lub owoców. Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że detektor ustawia się pod kątem α, względem normalnej do tworzącej powierzchni badanego obiektu i jednocześnie ogniskową detektora ustawia się na powierzchni badanego obiektu, przy czym na badany obiekt kieruje się wiązki świetlne wzorcowego obrazu odniesienia w postaci równomiernie rozproszonego światła dyfuzora. Po czym detekcji poddaje się co najmniej jeden obraz dyfuzora odbijającego się w badanej powierzchni, który zawiera informacje o wadach powierzchni badanego obiektu. Korzystnie, na badany obiekt kieruje się pierścieniową wiązkę światła wzorcowego obrazu odniesienia, który stanowi wąski pierścieniowy dyfuzor oświetlony równomiernie, usytuowany pomiędzy dwoma pierścieniami pochłaniającymi światło. Niewielkie zmiany kształtu powierzchni badanego obiektu zmieniają kąt odbicia wiązki światła wzorcowego obrazu odniesienia i przesuwają go poza obszar widzenia kamery liniowej, którą rejestruje się wady badanej powierzchni w postaci ciemnych obszarów. Sposób według wynalazku, w szczególności przeznaczony jest do badania powierzchni walcowych o wysokich klasach wykonania (lustrzanych i prawie lustrzanych), w których rejestruje się obraz oświetlonej powierzchni dyfuzora odbity na powierzchni badanej, nie zaś obraz badanej powierzchni. Odchylenie detektora o kąt α do normalnej do powierzchni badanej pozwala wyeliminować z rejestrowanego obrazu wszelkiego rodzaju odbicia wewnętrzne, zwłaszcza detektora. Wąski, równomiernie oświetlony dyfuzor, otoczony obszarami pochłaniającymi światło, w konfiguracji z detektorem liniowym zapewniają wzmocnienie kontrastu miedzy wadą a otoczeniem, zwłaszcza dla wad kształtu i chropowatości.
PL 208 183 B1 3 Nowy sposób przeznaczony jest do stosowania w urządzeniach do automatycznej inspekcji jakości powierzchni wyrobów o powierzchniach walcowych i lustrzanych, w celu wykrycia wad materiałowych powierzchni, kształtu, pęknięć i korozji. Inspekcja powierzchni, uzyskiwanych po procesie obróbki skrawaniem (szlifowanie, toczenie), po procesie galwanizacji, jest trudna nawet dla oka ludzkiego, ze względu na zakłócenia obrazu w postaci odbić obrazów innych obiektów lub odbić źródeł światła. Osoba dokonująca inspekcji narażona jest na duże zmęczenie wzroku, a wyniki jej pracy nie są w pełni obiektywne, powtarzalne i udokumentowane. Ponadto, nowy sposób umożliwia akwizycję obrazu badanej powierzchni z jakością gwarantującą duży kontrast wada-tło, brak refleksów świetlnych, brak martwych stref. Dzięki zastosowaniu, sposobu według wynalazku, analiza i detekcja wad obrazu są szybkie i bardzo uproszczone, co pozwala na zastosowanie go w przemyśle maszynowym i elektromaszynowym, do pełnej kontroli w masowej produkcji, w szczególności takich wyrobów, jak wałki łożysk, stożki ścięte do łożysk. Przedmiot wynalazku jest odtworzony w przykładach realizacji oraz na rysunku, na którym uwidocznione są przykładowe układy do stosowania sposobu, przy czym fig. 1 przedstawia układ do optycznej detekcji wad powierzchni obiektów cylindrycznych z pierścieniową wiązkę światła z cylindrycznym dyfuzorem, a fig. 2 - układ do optycznej detekcji wad powierzchni obiektów cylindrycznych z pierścieniową wiązkę światła ze stożkowym dyfuzorem. P r z y k ł a d 1 Sposób optycznej detekcji wad powierzchni obiektów cylindrycznych, zwłaszcza wałków łożysk polega na tym, że cztery detektory 1 w postaci kamer liniowych, ustawia się jest pod kątem α, względem normalnej do tworzącej powierzchni badanego obiektu 2 i jednocześnie ogniskowe detektorów 1 ustawia się na powierzchni badanego obiektu 2. Na badany obiekt 2 kieruje się wiązki świetlne wzorcowego obrazu odniesienia w postaci równomiernie rozproszonego światła dyfuzora 3. Po czym detekcji poddaje się cztery obrazy dyfuzora 3 odbijającego się w powierzchni badanego obiektu 2, które zawierają informacje o wadach powierzchni badanego obiektu. Następnie, na podstawie przetworzonego sygnału elektrycznego z detektora 1, znanymi metodami identyfikuje wady badanych obiektów. P r z y k ł a d 2 Sposób optycznej detekcji wad powierzchni obiektów cylindrycznych, zwłaszcza wałków łożysk przebiega jak w przykładzie pierwszym, z tą różnicą, że na badany obiekt 2 kieruje się pierścieniową wiązkę światła wzorcowego obrazu odniesienia, który stanowi wąski pierścieniowy dyfuzor 5 oświetlony równomiernie ze źródła światła 4 usytuowanego w podstawie dyfuzora 3. Pierścieniowy dyfuzor 5 usytuowany pomiędzy dwoma pierścieniami 6 pochłaniającymi światło, przy czym niewielkie zmiany kształtu powierzchni badanego obiektu 2 zmieniają kąt odbicia wiązki światła wzorcowego obrazu odniesienia i przesuwają go poza obszar widzenia kamery liniowej 1, którą rejestruje się wady badanej powierzchni w postaci ciemnych obszarów. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób optycznej detekcji wad powierzchni obiektów cylindrycznych, zwłaszcza wałków łożysk, w którym wiązkę światła odbitą od badanego obiektu poddaje się detekcji, po czym sygnał elektryczny z detektora, przetwarza się znanymi metodami i identyfikuje wady badanych obiektów, znamienny tym, że detektor (1) ustawia się jest pod kątem α, względem normalnej do tworzącej powierzchni badanego obiektu (2) i jednocześnie ogniskową detektora (1) ustawia się na powierzchni badanego obiektu (2), przy czym na badany obiekt (2) kieruje się wiązki świetlne wzorcowego obrazu odniesienia w postaci równomiernie rozproszonego światła dyfuzora, po czym detekcji poddaje się co najmniej jeden obraz dyfuzora (3) odbijający się w powierzchni badanego obiektu (2), który zawiera informacje o wadach powierzchni badanego obiektu. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że na badany obiekt (2) kieruje się pierścieniową wiązkę światła wzorcowego obrazu odniesienia, który stanowi wąski pierścieniowy dyfuzor (5) oświetlony równomiernie, usytuowany pomiędzy dwoma pierścieniami (6) pochłaniającymi światło, przy czym niewielkie zmiany kształtu powierzchni badanego obiektu (2) zmieniają kąt odbicia wiązki światła wzorcowego obrazu odniesienia i przesuwają go poza obszar widzenia kamery liniowej (1), którą rejestruje się wady badanej powierzchni w postaci ciemnych obszarów.
4 PL 208 183 B1 Rysunki
PL 208 183 B1 5
6 PL 208 183 B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)