CN220760124U - 基于视觉的涡轮转子缺陷自动检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于视觉的涡轮转子缺陷自动检测系统，上料输送装置安装在机架上；第一视觉组件设置在上料输送装置的上方；用于转送涡轮转子的第一机械手，第一机械手位于上料输送装置的一侧；对第一机械手转送的涡轮转子的叶片和轴端进行检测的第一移动及检测装置；对第一机械手转送的涡轮转子的径向尺寸以及焊接部位进行检测的第二移动及检测装置，第二移动及检测装置与第一移动及检测装置的布置方向形成夹角；工控机分别与上料输送装置、第一视觉组件、第一机械手、第一移动及检测装置、第二移动及检测装置电连接。本实用新型可实现涡轮转子自动化检测，自动分拣缺陷产品。

Description

基于视觉的涡轮转子缺陷自动检测系统

技术领域

本实用新型涉及涡轮转子技术领域，具体涉及一种基于视觉的涡轮转子缺陷自动检测系统。

背景技术

随着国内汽车保有量的不断增加，涡轮增压器作为汽车小排量发动机重要零部件，其市场规模也在不断扩大。其中涡轮转子更是涡轮增压器的重中之重，是压缩空气，提升汽车动力的关键。

如图7，涡轮转子由涡轮以及与涡轮焊接固定的转轴组成。涡轮转子中的涡轮具有曲面复杂，具有薄壁、扭曲、变截面、易变形的特点，同时对其加工要求精度高，且涡轮转子工作环境温度可达800-900℃，其生产加工过程中的缺陷将会大大影响整个涡轮增压器的质量。

目前对涡轮转子的缺陷主要通过人工或半自动方式检测，这些方式具有以下缺点：

(1)、人工检查或半自动检测，品质检查的劳动量很大，效率低；工作时间的长短影响工人的专注力，影响缺陷判断品质；缺乏一致性的检测品质，检测效率不稳定及作业成本较高。

(2)、经验不足的员工无法有效的判断缺陷；人工检查依赖经验，专业人员缺乏，专业技能培养慢，人员流动大。

(3)、太过细微的缺陷人工检查肉眼无法查觉；固定模式的检测方法，无法适应新的缺陷，准确率，漏检率差别很大；无法实时跟踪评估产品缺陷指标及质检指标，以及指标变化，以帮助改进质量；对于问题产品无法溯源。

目前，现有的涡轮转子缺陷自动检测技术，基本都为双目视觉测量，即采用非接触式相机，对其进行全域扫描。虽然具有较高的测量精度，但仍然存在很多问题，比如为追求全域扫描，镜头焦距较大，整套视觉系统造价高，安装体积大；部分测量系统仅能在小景深的情况下实现高精度测量，否则精度将大大降低；涡轮转子的缺陷有多种，如外观瑕疵、表面划伤、内部夹渣、焊接不良等，现有测量系统只能单独解决一种问题，如果需要处理全部缺陷则需要多种系统组成产线，投资大。

实用新型内容

本实用新型提供一种基于视觉的涡轮转子缺陷自动检测系统，本实用新型可实现涡轮转子自动化检测，自动分拣缺陷产品。

基于视觉的涡轮转子缺陷自动检测系统，包括机架，还包括：

上料输送装置，上料输送装置安装在机架上；

用于检测涡轮转子位置的第一视觉组件，第一视觉组件设置在上料输送装置的上方；

用于转送涡轮转子的第一机械手，第一机械手位于上料输送装置的一侧；

对第一机械手转送的涡轮转子的叶片和轴端进行检测的第一移动及检测装置；

对第一机械手转送的涡轮转子的径向尺寸以及焊接部位进行检测的第二移动及检测装置，第二移动及检测装置与第一移动及检测装置的布置方向形成夹角，使第二移动及检测装置与第一移动及检测装置分布在第一机械手不同的侧部；

工控机，工控机分别与上料输送装置、第一视觉组件、第一机械手、第一移动及检测装置、第二移动及检测装置电连接。

本实用新型具有如下特点：

(1)本实用新型克服了传统作业方式采用人工检查或半自动检测的弊端，利用多工位检测视觉系统和高精度模组的方式，实现快速测量涡轮转子缺陷，摒弃了人员经验判定的缺点，可实现高速、快速、精确测量。

(2)本实用新型的视觉系统为多套相机叠加使用，可在一套设备内实现多种缺陷的检测，同时具备不合格产品剔除通道，有效提高产品检测水平。

(3)本实用新型所用装夹机构，例如第一夹持旋转机构，可适用不同产品的不同尺寸的兲持，实现产线的柔性化生产，具有较强的自适应性。

(4)本实用新型模块化设计，能够很好的解决后期产品检测类型增加而进行的扩容，具有二次开发能力强的特点。

(5)本发明不但可以检测涡轮增压器转子，还可检测小型化含轴类叶片零件的检测，包括小型航空涡喷发动机转子、小型船用螺旋桨等。

附图说明

图1为基于视觉的涡轮转子缺陷自动检测系统的示意图。

图2为在图1的基础上隐藏了一部分零件后的示意图。

图3为展示第一夹持旋转机构和第二夹持旋转机构与图2不同检测位置的示意图。

图4为第一夹持旋转机构的立体图。

图5为第一夹持旋转机构的剖面结构图。

图6为第二夹持旋转机构的结构图。

图7为涡轮转子的结构图。

附图中的标记：机架1，上料输送装置2，第一电机2a，第一支架2b，皮带传动机构2c，第一视觉组件3，第一机械手4，工控机5，第一直线驱动器6，第一夹持旋转机构7，第二电机7a，第一轴承7b，第一安装板7c，第一固定座7d，气动卡盘7e，中心孔7f，第二视觉组件8，第三视觉组件9，第二直线驱动器10，第二夹持旋转机构11，第一移动架11a，第三直线驱动器11b，旋转驱动器11c，第二移动架11d，顶尖11e，第二轴承11f，第四视觉组件12，第五视觉组件13，第二机械手14、合格产品下料机构15、缺陷产品下料机构16。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细地说明。

如图1至图6所示，本实用新型的基于视觉的涡轮转子缺陷自动检测系统，包括机架1、上料输送装置2、第一视觉组件3、第一机械手4、第一移动及检测装置、第二移动及检测装置、工控机5，工控机5分别与上料输送装置2、第一视觉组件3、第一机械手4、第一移动及检测装置、第二移动及检测装置电连接，所有检测结果将被记录工控机5内，并在现场的显示屏中实时显示检测结果和合格率情况。下面对每部分以及各部分之间的关系进行详细说明：

机架1为框架式结构，上有顶盖，四周有深色不透明玻璃，中部为工作平面，顶盖与工作平面形成工作空间。工控机5可挂在机架1上，用来显示系统的工作情况以及作为产品信息存储工具。

上料输送装置2安装在机架1上，所述上料输送装置2包括第一电机2a、第一支架2b、皮带传动机构2c，皮带传动机构2c设置在第一支架2b上，第一电机2a与皮带传动机构2c连接。将涡轮转子放在皮带传动机构2c上，第一电机2a工作，第一电机2a为皮带传动机构2c提供动力，使皮带传动机构2c中的皮带移动，从而使位于皮带上的涡轮转子移动。操作人员将涡轮转子放到皮带传动机构2c上时，尽量让涡轮转子沿着皮带传动机构2c中的皮带轮的轴向摆放，这样有序间隔地对涡轮转子进行摆放，使摆放的涡轮转子不凌乱。由于涡轮转子两端的重量不一致，因此在重力的影响下，当涡轮转子位于上料输送装置2上时，涡轮转子的轴向与水平方向的夹角小于20°。

第一视觉组件3用于检测涡轮转子位置，第一视觉组件3设置在上料输送装置2的上方，第一机械手4用于转送涡轮转子，第一机械手4位于上料输送装置2的一侧。第一机械手4安装在机架1上，第一机械手4与上料输送装置2、第一移动及检测装置、第二移动及检测装置联动，第一机械手4为五轴机械手，可实现涡轮转子的抓取、翻转，可将涡轮转子抓取后放置于相应位置。

当涡轮转子由上料输送装置2输送至第一视觉组件3的下方，第一视觉组件3对涡轮转子进行拍照，第一视觉组件3采用工业CCD相机和CMOS相机。

当第一视觉组件3采集到涡轮转子中的涡轮的图像后，第一视觉组件3将位置信息传送至工控机5，上料输送装置2停止工作，此时，由工控机5控制第一机械手4工作，第一机械手4得到上料信号后，进行抓取动作，抓取位置为涡轮转子叶片根部最大外缘，同时在转动至高精度模组4过程中对涡轮转子的轴向进行切换，使涡轮转子的轴向切换到竖直方向(机架1的上下方向)。

第一移动及检测装置对第一机械手4转送的涡轮转子的叶片和轴端进行检测，第一移动及检测装置包括第一直线驱动器6、第一夹持旋转机构7、第二视觉组件8、第三视觉组件9，第一直线驱动器6与第一夹持旋转机构7连接以用于驱动第一夹持旋转机构7移动，本实施例中，第一直线驱动器6采用高精度移动模组，高精度移动模组为高精度的直线移动模组，所述高精度移动模组安装在机架1上，采用闭环控制的伺服电机作为驱动，内部装有高精度丝杆，本实施例中，高精度模组优选为T3级别丝杆模组或者直线电机。

第一夹持旋转机构7包括第二电机7a、第一轴承7b、第一安装板7c、第一固定座7d、气动卡盘7e，第一安装板7c上设有安装孔，第一轴承7b的一部分配合在安装孔内，第二电机7a的输出轴穿过第一安装板7c和第一轴承7b后与第一固定座7d固定，第一固定座7d与第一轴承7b的另一部分配合，所述气动卡盘7e与第一固定座7d固定，第二电机7a或第一安装板7c与第一直线驱动器6连接。由于气动卡盘7e具有自动松开和夹紧的作用，对于不同直径的涡轮转子的转轴均能适用。

第一机械手4将位于上料输送装置2上的涡轮转子转移到第一夹持旋转机构7上，在转移过程中，由于第一机械手4将涡轮转子的轴向调整到竖直方向，因此，第一机械手4将涡轮转子的转轴插入到第一夹持旋转机构7的气动卡盘7e形成的中心孔7f中，并由气动卡盘7e夹紧涡轮转子的转轴。第二电机7a工作，第二电机7a驱动第一固定座7d旋转，气动卡盘7e随着第一固定座7d旋转，从而被气动卡盘7e夹紧的涡轮转子也跟随旋转。

由于第一夹持旋转机构7与高精度移动模组连接，而且高精度移动模组受工控机5的控制在机架1上直线运动到达指定检测位置，因此，第一夹持旋转机构7带动其所夹持的涡轮转子在高精度移动模组的驱动下移动到第二视觉组件8或者第三视觉组件9的检测位置，用于配合视觉系统检测。

第一夹持旋转机构7移动到第二视觉组件8的检测位置时，第二视觉组件8的轴向与第一夹持旋转机构7的轴向平行，第一夹持旋转机构7移动到第三视觉组件9的检测位置时，第三视觉组件9的轴向与第一夹持旋转机构7的轴向形成夹角。

第一夹持旋转机构7具有四个工作位置，第一工作位置是接收第一机械手4转移涡轮转子，在第一直线驱动器6的驱动下，第一夹持旋转机构7从第一工作位置移动到第二工作位置，第二工作位置是第一夹持旋转机构7与第二视觉组件8配合检测的位置，第二工作位置位于第一工作位置的下游，在第一直线驱动器6的驱动下，第一夹持旋转机构7从第二工作位置移动到第三工作位置，第三工作位置位于第二工作位置的下游，第三工作位置是第一夹持旋转机构7与第三视觉组件9配合检测的位置，在第一直线驱动器6的驱动下，第一夹持旋转机构7从第三工作位置移动到第四工作位置，第四工作位置位于第三工作位置的下游，第四工作位置是等待将第一夹持旋转机构7上的涡轮转子转移到第二移动及检测装置上的卸料位置，在卸料完成后，第一直线驱动器6驱动第一夹持旋转机构7反向移动从第四工作位置复位到第一工作位置。

第一直线驱动器6驱使第一夹持旋转机构7移动后并停留在第一夹持旋转机构7与第二视觉组件8配合检测的位置时，第二电机7a工作，第二电机7a驱动第一固定座7d旋转，气动卡盘7e随着第一固定座7d旋转，从而被气动卡盘7e夹紧的涡轮转子也跟随旋转，在此过程中，第二视觉组件8从涡轮转子的顶部向下拍照，第二视觉组件8采集多张涡轮转子中涡轮的照片，第二视觉组件8将采集的图像提供给工控机5，工控机判断涡轮转子叶片外径以及顶部轴端尺寸是否合格，第二视觉组件8的拍照速度最高可达3秒/单片。在第二视觉组件8的检测位置完成检测后，第一直线驱动器6驱动第一夹持旋转机构7直线移动到与第三视觉组件9配合检测的位置。

第一直线驱动器6驱使第一夹持旋转机构7移动后并停留在第一夹持旋转机构7第三视觉组件9检测的位置时，第三视觉组件9与涡轮转子的涡轮叶片表面形成配合的状态。然后第二电机7a工作，第二电机7a驱动第一固定座7d旋转，气动卡盘7e随着第一固定座7d旋转，从而被气动卡盘7e夹紧的涡轮转子也跟随旋转，在此过程中，第三视觉组件9从涡轮转子的侧部向下拍照，第三视觉组件9采集多张涡轮转子中涡轮叶片表面的照片，第三视觉组件9将采集的图像提供给工控机5，工控机判断涡轮转子叶片表面是否有划伤、多肉、凹陷等缺陷，第三视觉组件9的相机拍照最高速率为4帧/秒，成像最高速率为40秒/单片。

第二视觉组件8和第三视觉组件9由专用测量光源和相机组成，可精确识别缺陷测量，通过与第一夹持旋转机构7的配合，可实现涡轮转子轴向顶面、外轮廓和叶片表面等图像采集。专用测量光源为多色环形光源，具有多种光色可调。

当第三视觉组件9完成检测后，第一直线驱动器6驱使第一夹持旋转机构7移动并到达第四工作位置，在该工作位置时，第一夹持旋转机构7上的气动卡盘7e松开，同时第一机械手4对涡轮转子抓取，使涡轮转子与第一夹持旋转机构7分离后，第一机械手4将涡轮转子转移到第二移动及检测装置，在转移过程中，第一机械手4使涡轮转子的轴向由竖直方向调整到水平方向(机架1的左右方向)。

第二移动及检测装置对第一机械手4转移来的涡轮转子进行夹持，第二移动及检测装置对第一机械手4转送的涡轮转子的径向尺寸以及焊接部位进行检测，第二移动及检测装置与第一移动及检测装置的布置方向形成夹角，使第二移动及检测装置与第一移动及检测装置分布在第一机械手4不同的侧部。

第二移动及检测装置包括第二直线驱动器10、第二夹持旋转机构11、第四视觉组件12、第五视觉组件13，第二直线驱动器10采用高精度移动模组，高精度移动模组为高精度的直线移动模组，所述高精度移动模组安装在机架1上，采用闭环控制的伺服电机作为驱动，内部装有高精度丝杆，本实施例中，高精度模组优选为T3级别丝杆模组或者直线电机。该高精度模组定位精度为±0.01mm，可满足涡轮转子水平方向的检测。

第二直线驱动器10与第二夹持旋转机构11连接以驱动第二夹持旋转机构11移动，第二直线驱动器10为高精度直线模组，第二夹持旋转机构11包括第一移动架11a、第三直线驱动器11b、旋转驱动器11c、第二移动架11d、顶尖11e、第二轴承11f，第一移动架11a与第二直线驱动器10连接，第二轴承11f设置在第一移动架11a的一端，第三直线驱动器11b设置在第一移动架11a的另一端，第三直线驱动器11b为高精度直线模组，第二移动架11d与第三直线驱动器11b连接，旋转驱动器11c与第二移动架11d固定，旋转驱动器11c优先采用电机，顶尖11e与旋转驱动器11c连接，在顶尖11e与第二轴承11f之间形成容纳工件的容纳空间11g。

第一机械手4将位于第一夹持旋转机构7上的涡轮转子转移到容纳空间11g中后(在转移过程中，第一机械手4将涡轮转子的轴向由竖直方向调整到水平方向)，第一机械手4使涡轮转子的一端(涡轮转子的转轴的端部)与第二轴承11f配合，第三直线驱动器11b工作驱动第二移动架11d直线运动，旋转驱动器11c以及顶尖11e跟随第二移动架11d直线移动，顶尖11e与涡轮转子的另一端抵顶，涡轮转子被夹持在第二轴承11f与顶尖11e之间，旋转驱动器11c工作，旋转驱动器11c通过顶尖11e驱动涡轮转子旋转。

第四视觉组件12位于第二夹持旋转机构11的一侧，当第二夹持旋转机构11移动到第四视觉组件12的检测位置时停留下来，此时，第二夹持旋转机构11驱动涡轮转子旋转，通过第四视觉组件12从侧部对涡轮转子的图像进行采集，第四视觉组件12将采集的图像提供给工控机5，供工控机5判断涡轮转子的径向全尺寸是否合格。第四视觉组件12的拍照速度最高可达5秒/单片。第四视觉组件12光源可自动切换，如白光、红光等不同色系光源，以完成全部尺寸的检测。

第五视觉组件13位于第二夹持旋转机构11的另一侧，在第四视觉组件12完成检测后，第二直线驱动器10驱使第二夹持旋转机构11移动到第五视觉组件13的检测位置时停留下来，第二夹持旋转机构11驱动涡轮转子旋转，旋转角速度为3-10°/秒，通过第五视觉组件13从另一侧部对涡轮转子中的涡轮与转轴的焊接部位的图像进行采集，第五视觉组件13将采集的图像提供给工控机5，供工控机5判断涡轮转子中涡轮与转轴的焊接是否有裂纹、堆焊过高等缺陷。第五视觉组件13为激光测量仪，可检测焊接是否有裂纹、堆焊过高等缺陷。此激光测量仪使用超高灵敏度的COMS镜头，检测宽度不大于40mm，可满足涡轮转子的检测范围。

本实用新型还包括第二机械手14、合格产品下料机构15、缺陷产品下料机构16，第二机械手14设置在第二移动及检测装置的第一侧部，合格产品下料机构15与缺陷产品下料机构16设置在第二移动及检测装置的第二侧部。在第五视觉组件13完成检测后，若工控机5判断涡轮转子合格，则控制第二机械手14将第二夹持旋转机构11上夹持的涡轮转子转移到合格产品下料机构15上，若不合格，则控制第二机械手14将第二夹持旋转机构11上夹持的涡轮转子转移到缺陷产品下料机构16上。

Claims (7)

1.基于视觉的涡轮转子缺陷自动检测系统，包括机架(1)，其特征在于，还包括：

上料输送装置(2)，上料输送装置(2)安装在机架上；

用于检测涡轮转子位置的第一视觉组件(3)，第一视觉组件(3)设置在上料输送装置(2)的上方；

用于转送涡轮转子的第一机械手(4)，第一机械手(4)位于上料输送装置(2)的一侧；

对第一机械手(4)转送的涡轮转子的叶片和轴端进行检测的第一移动及检测装置；

对第一机械手(4)转送的涡轮转子的径向尺寸以及焊接部位进行检测的第二移动及检测装置，第二移动及检测装置与第一移动及检测装置的布置方向形成夹角，使第二移动及检测装置与第一移动及检测装置分布在第一机械手(4)不同的侧部；

工控机(5)，工控机(5)分别与上料输送装置(2)、第一视觉组件(3)、第一机械手(4)、第一移动及检测装置、第二移动及检测装置电连接。

2.根据权利要求1所述的基于视觉的涡轮转子缺陷自动检测系统，其特征在于，所述上料输送装置(2)包括第一电机(2a)、第一支架(2b)、皮带传动机构(2c)，皮带传动机构(2c)设置在第一支架(2b)上，第一电机(2a)与皮带传动机构(2c)连接。

3.根据权利要求1所述的基于视觉的涡轮转子缺陷自动检测系统，其特征在于，第一移动及检测装置包括第一直线驱动器(6)、第一夹持旋转机构(7)、第二视觉组件(8)、第三视觉组件(9)，第一直线驱动器(6)与第一夹持旋转机构(7)连接以用于驱动第一夹持旋转机构(7)移动，第一夹持旋转机构(7)移动到第二视觉组件(8)的检测位置时，第二视觉组件(8)的轴向与第一夹持旋转机构(7)的轴向平行，第一夹持旋转机构(7)移动到第三视觉组件(9)的检测位置时，第三视觉组件(9)的轴向与第一夹持旋转机构(7)的轴向形成夹角。

4.根据权利要求3所述的基于视觉的涡轮转子缺陷自动检测系统，其特征在于，第一夹持旋转机构(7)包括第二电机(7a)、第一轴承(7b)、第一安装板(7c)、第一固定座(7d)、气动卡盘(7e)，第一安装板(7c)上设有安装孔，第一轴承(7b)的一部分配合在安装孔内，第二电机(7a)的输出轴穿过第一安装板(7c)和第一轴承(7b)后与第一固定座(7d)固定，第一固定座(7d)与第一轴承(7b)的另一部分配合，所述气动卡盘(7e)与第一固定座(7d)固定，第二电机(7a)或第一安装板(7c)与第一直线驱动器(6)连接。

5.根据权利要求1所述的基于视觉的涡轮转子缺陷自动检测系统，其特征在于，第二移动及检测装置包括第二直线驱动器(10)、第二夹持旋转机构(11)、第四视觉组件(12)、第五视觉组件(13)，第二直线驱动器(10)与第二夹持旋转机构(11)连接以驱动第二夹持旋转机构(11)移动，第二夹持旋转机构(11)移动到第四视觉组件(12)的检测位置时，第四视觉组件(12)位于第二夹持旋转机构(11)的一侧，第二夹持旋转机构(11)移动到第五视觉组件(13)的检测位置时，第五视觉组件(13)位于第二夹持旋转机构(11)的另一侧。

6.根据权利要求5所述的基于视觉的涡轮转子缺陷自动检测系统，其特征在于，第二夹持旋转机构(11)包括第一移动架(11a)、第三直线驱动器(11b)、旋转驱动器(11c)、第二移动架(11d)、顶尖(11e)、第二轴承(11f)，第一移动架(11a)与第二直线驱动器(10)连接，第二轴承(11f)设置在第一移动架(11a)的一端，第三直线驱动器(11b)设置在第一移动架(11a)的另一端，第二移动架(11d)与第三直线驱动器(11b)连接，旋转驱动器(11c)与第二移动架(11d)固定，顶尖(11e)与旋转驱动器(11c)连接，在顶尖(11e)与第二轴承(11f)之间形成容纳工件的容纳空间。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的基于视觉的涡轮转子缺陷自动检测系统，其特征在于，还包括第二机械手(14)、合格产品下料机构(15)、缺陷产品下料机构(16)，第二机械手(14)设置在第二移动及检测装置的第一侧部，合格产品下料机构(15)与缺陷产品下料机构(16)设置在第二移动及检测装置的第二侧部。