Inspekcja wad powierzchni wału korbowego: wizyjna inspekcja pełnego pokrycia głównych i korbowych powierzchni oporowych z wykorzystaniem endoskopu

Przegląd

Wały korbowe to złożone elementy obrotowe z wieloma powierzchniami osiowymi, przeciwwagami, obszarami flanszowymi, wpustami oraz otworami wewnętrznymi. Zatem niezawodny system inspekcyjny musi obejmować nie tylko widoczne wady powierzchniowe, ale także obszary głębokie lub wewnętrzne, których nie można skutecznie sprawdzić za pomocą konwencjonalnych kamer zewnętrznych.

Rozwiązanie Big Bird Industrial do inspekcji wału korbowego z wykorzystaniem wizji maszynowej łączy wiele kamer typu area-scan, dostosowane endoskopy, pozycjonowanie robota, wizję maszynową opartą na uczeniu głębokim oraz śledzenie kodów. System został zaprojektowany do wykrywania wad powierzchniowych wału korbowego, weryfikacji przebicia otworów ulżeń w przeciwwagach, wykrywania obcych przedmiotów w otworach środkowych oraz odczytywania kodów identyfikacyjnych produktu.

Dla omawianego zastosowania opublikowany cykl inspekcji wynosi 48 sekund; rzeczywisty takt można dostosować zgodnie z wymaganiami dotyczącymi detalu i inspekcji.

1. Dlaczego inspekcja wału korbowego stanowi wyzwanie

Wał korbowy jest kluczowym elementem układu napędowego, odpowiedzialnym za przekształcanie ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka w ruch obrotowy. Jego geometria ma bardzo trójwymiarowy charakter: główne czopy i czopy korbowe są rozmieszczone wzdłuż wału i połączone skrzydłami korbowymi oraz przeciwwagami.

W zależności od konstrukcji wału korbowego zakres inspekcji może obejmować:

• Główne czopy
• Czopy korbowe
• Długie czopy
• Czopy kołnierzowe
• Powierzchnie kołnierzy
• Wpusty
• Otworki centralne
• Otworki ułatwiające zmniejszenie masy przeciwwagi
• Małe powierzchnie czołowe

Chociaż wiele z tych obszarów ma podobne powierzchnie metaliczne, potencjalne wady mogą się znacznie różnić. Typowymi celami inspekcji są:

• Śladów uderzeń
• Szczyny
• Plamy
• Ślady zarysowania
• SKŁADNIKI
• Tropy
• Czarna warstwa (skorupka) lub obszary pokryte czarną skórką
• Brak materiału
• Zanieczyszczenia olejem lub wodą

Wyzwanie staje się większe, ponieważ wał korbowy jest elementem obrotowym, który wymaga inspekcji z wielu kątów. Konwencjonalna stacja z nieruchomą kamerą może nie zapewnić wystarczającego zasięgu dla wszystkich wymaganych powierzchni. System inspekcji musi więc zapewniać zsynchronizowany ruch oraz pozyskiwanie obrazów z wielu kątów.

Przenikanie przez boczną ściankę otworów ułatwiających zmniejszenie masy przeciwwagi

Jednym szczególnie ważnym elementem inspekcji jest przenikanie przez boczną ściankę otworów ułatwiających zmniejszenie masy przeciwwagi.

Otwory wyrównawcze są frezowane w celu dostosowania równowagi wału korbowego i zmniejszenia nadmiarowej masy. Jeśli otwór przebije się do sąsiedniej powierzchni lub ściany, może to wpłynąć na lokalną wytrzymałość konstrukcyjną oraz stworzyć potencjalny obszar skupienia naprężeń.

Ponieważ ten defekt może być trudny do zidentyfikowania z zewnątrz, kontrola z wnętrza otworu przy użyciu niestandardowego endoskopu umożliwia bardziej skuteczną jego detekcję.

2. Rozwiązanie kontrolne: Wizja wielokamerowa + niestandardowe endoskopy

System kontroli wału korbowego wykorzystuje wiele metod obrazowania, aby obejmować zarówno zewnętrzne powierzchnie, jak i trudno dostępne obszary wewnętrzne.

Opisany zakres kontroli obejmuje:

Integralność kodu QR

System sprawdza, czy kod QR wału korbowego jest kompletny i czytelnym, zapewniając podstawę identyfikacji produktu oraz śledzenia w dalszych etapach procesu.

Przenikanie przez boczną ściankę otworów ułatwiających zmniejszenie masy przeciwwagi

Niestandardowe endoskopy służą do inspekcji geometrii wewnętrznej otworów wyrównawczych oraz wykrywania nieprawidłowego przebicia do obszarów sąsiednich.

Wykrywanie obcych przedmiotów w otworze centralnym

Wewnętrzny stan otworu środkowego wału korbowego można sprawdzić pod kątem obcych przedmiotów lub zanieczyszczeń, których nie widać z zewnątrz za pomocą kamery.

Inspekcja wad na małej powierzchni czołowej

Małe powierzchnie czołowe długich czopów można sprawdzać pod kątem:

• Śladów uderzeń
• Szczyny
• Plamy
• Obrót
• SKŁADNIKI
• Tropy
• Czarnego nalotu
• Brak materiału
• Zanieczyszczenia olejem i wodą

Inspekcja kołnierza

Obszar kołnierza można również uwzględnić w programie inspekcji wizyjnej w celu wykrycia określonych wad powierzchniowych.

Inspekcja czopów i wpustów

System może sprawdzać powierzchnie:

• Główne czopy
• Czopy korbowe
• Długie czopy
• Czopy kołnierzowe
• Wpusty

Takie wieloobszarowe podejście umożliwia skonfigurowanie programu inspekcji zgodnie z rzeczywistą geometrią wału korbowego oraz kryteriami akceptacji zdefiniowanymi przez klienta.

3. Kamera i konfiguracja sprzętu

Odniesiony system wykorzystuje kombinację wysokiej rozdzielczości kamer typu area-scan oraz niestandardowych boroskopów.

System obrazowania

• kamery typu area-scan o rozdzielczości 5 MP: 2 sztuki
• kamery typu area-scan o rozdzielczości 20 MP: 12 sztuk
• Niestandardowe boroskopy: 3 zestawy
• Źródła światła o dużej powierzchni: 1 zestaw
• Światła prętowe: 2 zestawy

Zewnętrzne kamery zapewniają obrazowanie z wysoką rozdzielczością widocznych powierzchni wału korbowego, podczas gdy boroskopy rozszerzają zakres inspekcji na obszary takie jak otwory środkowe i otwory ułatwiające redukcję masy.

Wizja i sterowanie

System integruje:

• Odczyt kodów QR
• Inspekcja za pomocą wizji maszynowej
• Algorytmy uczenia głębokiego
• Śledzalność kontroli jakości
• Analiza danych inspekcyjnych
• Obszary inspekcyjne definiowane przez użytkownika
• Zdalne przeglądanie inspekcji

System sterowania wykorzystuje dwa przemysłowe komputery osobiste firmy Advantech (AAEON) zgodnie z opublikowaną konfiguracją sprzętu.

Robotyczne pozycjonowanie

Konfiguracje robotów współpracujących mogą obejmować marki takie jak:

• Elite Robots
• SIASUN
• Han's Robot
• JAKA

Robot porusza system obrazowania lub koordynuje pozycję inspekcji zgodnie z zaprogramowaną ścieżką inspekcji.

4. Dane techniczne

Poniższe specyfikacje opierają się na publicznie dostępnych informacjach produktowych dotyczących odniesionego systemu inspekcji.

Cykl 48 sekund to opublikowana wartość aplikacyjna, a nie uniwersalna gwarancja czasu cyklu. Rzeczywisty czas cyklu należy obliczyć zgodnie z geometrią wału korbowego, liczbą punktów inspekcji, konfiguracją kamer, trajektorią robota oraz wymaganymi kryteriami inspekcji.

5. Kluczowe czynniki do rozważenia przy wyborze systemu wizyjnej inspekcji wałów korbowych

5.1 Określenie elementów inspekcji według lokalizacji

Wały korbowe zawierają wiele obszarów inspekcji, a różne obszary mogą mieć różne kryteria defektów.

Przed zaprojektowaniem sprzętu specyfikacja inspekcji powinna jednoznacznie określać:

• Które powierzchnie należy sprawdzić
• Które typy wad należy wykryć
• Warunki dopuszczalne i niedopuszczalne
• Wymagana rozdzielczość obrazu
• Czy wymagana jest śledzilność

To zmniejsza konieczność wielokrotnego dostosowywania algorytmu podczas uruchamiania.

5.2 Ocena dostępności głębokich otworów

W przypadku inspekcji obcych przedmiotów w otworach centralnych oraz inspekcji prześwietlenia bocznego otworów ułatwiających redukcję masy kluczowym pytaniem nie jest wyłącznie rozdzielczość aparatu fotograficznego.

Projekt powinien zawierać ocenę:

• Średnica otworu
• Głębokość otworu
• Geometria wewnętrzna
• Dostępność endoskopu
• Wymagany kąt widzenia
• Warunki oświetleniowe

Może być wymagana dostosowana konfiguracja endoskopu, gdy obszar inspekcji nie jest bezpośrednio widoczny dla zewnętrznej kamery.

5.3 Traktuj odczyt kodów jako osobny wskaźnik wydajności

Inspekcja kodu QR jest bezpośrednio powiązana z śledzeniem produktu.

Dlatego odczyt kodów należy weryfikować niezależnie od wykrywania wad, w tym:

• Wskaźnik skutecznego odczytu
• Położenie kodu
• Stan powierzchni
• Kontrast
• Jakość oznaczenia
• Związek między danymi kodu a wynikami inspekcji

5.4 Zweryfikuj takt 48 sekund

Inspekcja wielu obszarów w jednym cyklu wymaga równoległego pozyskiwania obrazów oraz zoptymalizowanego ruchu robota.

Podczas integracji systemu obliczenie czasu cyklu powinno obejmować:

1. Ładowania przedmiotów obrabianych
2. Pozycjonowanie
3. Ruch robota
4. Pobieranie obrazu
5. Przetwarzanie algorytmu
6. Odczyt kodów
7. Wyprowadzanie wyników
8. Zdejmowanie przedmiotu obrabianego

Opublikowany cykl 48 sekund powinien zatem być traktowany jako wartość odniesienia dla konkretnej aplikacji, a nie jako stała wartość dla każdego wału korbowego.

6. Wizja komputerowa oparta na uczeniu głębokim do wykrywania wielu typów wad wałów korbowych

Inspekcja wału korbowego obejmuje kategorie wad o znacznie różnych cechach wizualnych. Pojedyncza, konwencjonalna metoda przetwarzania obrazów oparta na regułach może nie wystarczać do każdego elementu inspekcji.

Odniesiona rozwiązanie wykorzystuje wizję komputerową opartą na uczeniu głębokim w połączeniu z obszarami inspekcji zdefiniowanymi zgodnie z różnymi częściami wału korbowego.

W praktycznych projektach wystarczająca liczba próbek wad jest ważna zarówno do uczenia, jak i walidacji.

Jest to szczególnie istotne w przypadku wad takich jak:

• SKŁADNIKI
• Czarnego nalotu
• Zarysowania powierzchniowe
• Śladów uderzeń
• Obrót
• Brak materiału

Przygotowanie próbek jest często jednym z najważniejszych etapów projektu inspekcji maszynowej. System wymaga reprezentatywnych przykładów zarówno poprawnych produktów (OK), jak i różnych typów warunków niezgodności (NG), aby ustalić wiarygodne kryteria inspekcji.

7. Możliwości inspekcji maszynowej firmy Big Bird Industrial

Harbin Big Bird Industrial Co., Ltd. (Big Bird Industrial), dawniej Harbin Shimada Big Bird Industrial Co., Ltd., dostarcza zintegrowanych rozwiązań obejmujących precyzyjne czyszczenie przemysłowe oraz inspekcję maszynową dla zastosowań motocyklowych i precyzyjnej produkcji.

Dział inspekcji maszynowej firmy jest zorganizowany wokół specjalizowanych obszarów inspekcji, w tym:

• Orient See — kontrola wymiarów i geometrii
• Surface See — kontrola wad powierzchni
• Assembly See — kontrola montażu i poka-yoke
• Inner See — kontrola otworów wewnętrznych i ścianek wewnętrznych
• Paint See — kontrola wad powierzchni malowanych
• Platform algorytmów i oprogramowania — algorytmy wizyjne oraz systemy oprogramowania

W zastosowaniach wałów korbowych Surface See może służyć do kontroli wad powierzchni zewnętrznych, podczas gdy Inner See może być stosowany w przypadkach wymagających inspekcji otworów wewnętrznych oraz trudno dostępnych obszarów.

To połączenie umożliwia integrację różnych technologii inspekcyjnych zgodnie z geometrią oraz wymaganiami jakościowymi komponentów układu napędowego.

Często zadawane pytania

Dlaczego należy wykrywać przebicie boczne otworów ułatwiających balansowanie?

Otwory ułatwiające balansowanie służą do regulacji równowagi wału korbowego oraz redukcji nadmiarowej masy. Jeśli w trakcie obróbki jeden z otworów przebije sąsiednią ścianę lub powierzchnię, lokalna struktura może zostać naruszona, a dany obszar stanie się potencjalnym miejscem koncentracji naprężeń.

Ponieważ wada ta może nie być widoczna z zewnątrz otworu, do inspekcji obszaru wewnętrznego można zastosować endoskop.

Czy jeden algorytm wizyjny może wykrywać wszystkie typy wad powierzchni wałów korbowych?

Niekoniecznie.

Wady wałka korbowego mogą znacznie różnić się pod względem kształtu, tekstury, kontrastu i położenia. Algorytmy uczenia głębokiego można skonfigurować do rozpoznawania różnych kategorii wad oraz obszarów kontroli, ale niezawodność ich działania zależy w dużej mierze od reprezentatywnych próbek treningowych i walidacyjnych.

Wady takie jak wtrącenia czy czarna warstwa (black scale) mogą być szczególnie uzależnione od właściwości materiału i powierzchni, co czyni zbieranie próbek ważnym elementem projektu.

Czy 48 sekund rzeczywiście wystarcza na przebadanie tak wielu obszarów kontroli?

Odniesiony system wykorzystuje wiele kamer działających równolegle, przy czym poszczególne kamery są przypisane do różnych obszarów kontroli. Pozycjonowanie robota może również przesuwać układ obrazowania do wymaganych lokalizacji kontroli.

Opublikowany czas cyklu wynoszący 48 sekund dotyczy odniesionego zastosowania. Rzeczywisty czas takt należy obliczyć na podstawie konkretnego wałka korbowego, zakresu kontroli, trasy robota oraz wymagań przetwarzania obrazów.

Czy zanieczyszczenia olejem lub wodą mogą zostać błędnie zidentyfikowane jako wady powierzchniowe?

- Tak, to jest...

Olej i woda mogą tworzyć odbicia, ciemne obszary lub inne wzory wizualne, które mogą przypominać określone wady powierzchniowe. Dlatego są one wymienione jako konkretne cele inspekcji w odniesieniu do systemu.

Algorytmy obrazowe mogą wykorzystywać cechy takie jak kształt i położenie, aby rozróżnić różne stany. Jeśli jednak nadmiar oleju lub wody pozostaje na przedmiocie roboczym, wstępne usuwanie (np. przez dmuchawę) lub czyszczenie w procesie poprzedzającym inspekcję może zmniejszyć zakłócenia wizualne.

Wniosek

Wizyjna inspekcja wału korbowego nie sprowadza się jedynie do zainstalowania aparatu o wysokiej rozdzielczości. Złożona geometria wałów korbowych wymaga połączenia wielokątowego obrazowania, pozycjonowania robota, dostosowanych endoskopów, algorytmów uczenia głębokiego oraz funkcji śledzenia.

Dla zewnętrznych powierzchni łożysk, powierzchni flanszowych i wpustów wielokamerowe systemy wizyjne zapewniają szerokie pokrycie powierzchni. Dla otworów środkowych i otworów ulżeń przeciwwagowych inspekcja endoskopowa rozszerza wizję maszynową na obszary, których tradycyjne kamery zewnętrzne nie mogą bezpośrednio obserwować.

Dla odniesienia do danej aplikacji system zapewnia opublikowany cykl inspekcji trwający 48 sekund; końcowa konfiguracja oraz takt są określone przez konkretną geometrię wału korbowego oraz wymagania inspekcyjne.