專利名稱：軸承滾珠缺陷的檢驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及軸承滾珠的自動檢驗系統(tǒng)。特別是涉及具有鏡面反射凸表面的軸承滾珠的光電檢驗系統(tǒng)。
軸承滾珠的缺陷可能造成裝有帶缺陷的滾珠的滾珠軸承的昂貴和復(fù)雜的裝置的操作故障。為此，在將其裝入上述裝置之前，必須對每個成品軸承滾珠進(jìn)行缺陷檢驗。上述缺陷包括在凸表面(球形表面)上的凹坑、毛刺、劃痕、變形和銹班。為了將摩擦減到最小，軸承滾珠的球面通常拋光到很高的程度，使軸承滾珠表面起到凸面鏡的作用，鏡面反射入射的光線。
以往是由經(jīng)過訓(xùn)練的人員目視檢驗每一成品軸承滾珠表面的缺陷。這種方法速度太慢，因而成本很高。而且，目視檢驗會把帶有微小缺陷的軸承滾珠當(dāng)成合格品。
最近，研制成功了軸承滾珠的自動檢驗系統(tǒng)，其中包括光電系統(tǒng)，以提高檢驗速度和可靠性。因而降低了檢驗成本。
現(xiàn)有技術(shù)的軸承滾珠光電檢驗系統(tǒng)是在檢驗過程中利用一非漫射的(即、“點光源”光線)入射光束照亮一軸承滾珠的鏡面反射凸表面上一點或多點。在檢驗中，一或多個適當(dāng)設(shè)置的光檢測器接收來自軸承滾珠凸(球形)表面一相應(yīng)的被照亮點的鏡面反射光。與每一光檢測器連接的電子裝置測量接受到的光強度。軸承滾珠表面任何被照亮點的缺陷都會散射或吸收入射光線，而不是將其鏡面反射。這將導(dǎo)致被至少一個光檢驗器接收到的光強的變化。電子裝置將捕捉到光強的變化，指示出被檢驗的軸承滾珠是否有缺陷。而最好是啟動一合格品一次品滾珠分離機械裝置，將有缺陷的滾珠挑出。
在檢驗中，為保證入射光束能有效地照亮軸承滾珠整個球面的幾乎每一點，被檢驗的軸承滾珠以預(yù)定的方式相對入射光束和適當(dāng)設(shè)置的光檢測器運動。根據(jù)一種現(xiàn)有技術(shù)方法，被檢軸承滾珠由一差速機構(gòu)驅(qū)動，以兩個適當(dāng)?shù)牟煌念A(yù)定角速度同時繞兩正交的軸線轉(zhuǎn)動。根據(jù)另一現(xiàn)有技術(shù)方法，被檢軸承滾珠以一預(yù)定的恒定角速度沿一對水平軌道滾動。上述兩軌道相互分開的距離稍小于軸承滾珠的直徑。結(jié)果，在滾動一整圈中，被檢軸承滾珠沿軌道水平平移很小的距離(即、被檢滾珠的角速度和平移速度比很大)。采用上述后一種方法移動被檢軸承滾珠的現(xiàn)有技術(shù)的軸承滾珠光電檢驗系統(tǒng)一般認(rèn)為具有足以檢測10密耳(0.01英寸或0.0254厘米)或更大尺寸的缺陷的靈敏度。
本發(fā)明提供了一種檢驗軸承滾珠的一般為鏡面反射的凸表面上缺陷的系統(tǒng)，該系統(tǒng)特征在于它包括以漫射光照亮上述表面的第一裝置，如果表面有缺陷，則相對于正常鏡面反射凸表面反射的漫射光背景，反射出一缺陷產(chǎn)生的光反差圖形;
包括光成象裝置的第二裝置，它響應(yīng)由上述表面大致所有點反射的光線，以檢測由光反差圖形表明的缺陷。
在檢驗中，本發(fā)明的光電檢驗系統(tǒng)利用漫射光取代現(xiàn)有技術(shù)中的非漫射照明光照亮軸承滾珠鏡面反射凸表面。照亮無缺陷的被檢軸承滾珠的鏡面反射表面會產(chǎn)生由該表面反射的相當(dāng)高強度的漫射光(即、白光)。如果用非漫射光照亮一具有白色球面的球體，會得到同樣的結(jié)果。在上述兩種情況下，反射光是漫射的。被檢滾珠鏡面反射表面上的任何缺陷將表現(xiàn)為在反射光的背景上由明顯的邊緣勾劃出的光反差圖形。
下面將參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。


圖1為表明本發(fā)明基本原理的功能方框圖;
圖2、2a和2b概略地表示了圖1中以功能方框形式描述的本發(fā)明一最優(yōu)實施例;
圖3a、3b、3c和3d是時間狀態(tài)圖，有助于理解圖2所示本發(fā)明最優(yōu)實施例的操作過程;
圖4概略地描述了圖2所示本發(fā)明最優(yōu)實施例中由被檢軸承滾珠表面反射的成象光線的相對光強;
圖5a和圖5b分別表示了最好附加于圖2所示最優(yōu)實施例的輔助裝置的可選擇的實施例。
描述本發(fā)明基本原理的功能性框1可用多種方法實施。采用圖1所示多項功能的特定方法可依具體實施狀況而變化。
如圖1所示，球形凸表面被來自漫射光源(圖1中未示出)的漫射照明光線102照亮，如箭頭104所示，以不同入射角射入的漫射光線照亮被檢的鏡面反射軸承滾珠100的每一點。象所有鏡面反射表面一樣，每一到達(dá)被檢的軸承滾珠100表面上一點的入射光都在該點產(chǎn)生一以等于入射角的反射角出射的相應(yīng)的反射光線(如具有等于入射光線104a的入射角的反射角的反射光線106a)。
根據(jù)圖1的實施例，方框108代表一或多個繞被檢軸承滾珠1100的成角度隔開的成象器。而且，根據(jù)該實施例，每一成象器可以是包括單一光電元件的簡單的光檢測器或是一包括一或二維光電元件陣列(最好是一周期性掃描的固態(tài)陣列)的攝像機。每一成象器接收從被檢軸承滾珠100的表面徑孔徑板112上小孔110射出的狹窄反射光束(如反射光106a)。孔徑板112可基本上防止所有漫射照明光102到達(dá)成象器108。
被檢軸承滾珠100機械連接到(由虛線114代表)滾珠平動和/或轉(zhuǎn)動裝置116上。根據(jù)圖1的實施例，裝置116能以一給定的線速度沿一方向使被檢軸承滾珠100平動，同時以一給定的角速度繞垂直于上述方向的軸線轉(zhuǎn)動滾珠100(這在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的)。另外，裝置116能以第一角速度繞第一軸線轉(zhuǎn)動被檢軸承滾珠100，同時以第二角速度繞垂直于第一軸線的第二軸線轉(zhuǎn)動該滾珠100(這在現(xiàn)有技術(shù)中也是已知的)。
不考慮圖1的實施例，被檢軸承滾珠100的由裝置116產(chǎn)生的運動和成象器108(在本實例中成象器108是一或多個攝像機)的掃描使來自被檢軸承滾珠100表面上大致每點的反射光，如反射光106，在一給定時間周期被成象器108接收。
成象器108相應(yīng)的輸出作為坐標(biāo)變換和象素存儲裝置118的輸入。圖象處理和控制裝置122的滾珠檢測器和控制裝置120通常包括具有數(shù)字計算能力的數(shù)字處理器。在本實施中，最初以模擬信號方式被一或多個成象器108接收的圖象信息被一或多個模-數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號方式。而模-數(shù)轉(zhuǎn)換器可位于每一成象器108內(nèi)或位于圖象處理和控制裝置122內(nèi)。
如圖1所示，滾珠檢測器和控制裝置120包括作為每一成象器108的輸入信號的第一輸出信號和作為坐標(biāo)變換和象素存儲裝置118的輸入信號的第二輸出信號。坐標(biāo)換變和象素存儲裝置118的輸出作為反差圖形缺陷檢測器124的輸入。而反差圖形缺陷檢測器124的輸出又作為合格品-次品判定裝置126的輸入。裝置126的輸出構(gòu)成了圖象處理控制裝置122的輸出，它作為合格品-次品分離裝置128的輸入信號。合格品-次品分離裝置128是一由裝置126的輸出信號控制的機械裝置，它與被檢軸承滾珠100機械連接(虛線130所示)，以便將有缺陷的軸承滾珠與無缺陷的軸承滾珠分離開。
下面請參見表明軸承滾珠檢驗系統(tǒng)操作的圖1。顯然，在成象器108的視場中看不見被檢軸承滾珠的情況下，從成象器108輸出的信號強度很低，這是由于基本上無反射光進(jìn)入成象器108。因此，滾珠檢測器裝置120能夠通過至少一個成象器108的輸出信號強度(作為滾珠檢測器的輸入)從低變得相當(dāng)高而測得被檢軸承滾珠進(jìn)入至少一個成象器108的視場。
滾珠檢測器和控制裝置120檢測到被檢軸承滾珠進(jìn)入視場后，就由滾珠檢測器和控制裝置120中的定時裝置啟動一時間周期。在該時間周期內(nèi)對被檢軸承滾珠100進(jìn)行檢驗，但檢驗周期不一定在上述時間周期起始處開始。定時裝置可在時間周期起始處和檢驗周期的起始處之間提供一定的延遲。而且，定時裝置可將檢驗周期在時間周期結(jié)束前終止。到底檢驗周期的起始和終止相對于時間周期的起始和終止在什么位置則要根據(jù)圖1中特定的實施例。不過，在任何情況下，被檢軸承滾珠100的整個鏡面反射表面應(yīng)該按預(yù)定的順序的方式，在時間周期內(nèi)的檢驗周期階段進(jìn)行檢驗。
如果成象器108包括掃描攝像機而不是簡單的光檢測器，則滾珠檢測器和控制裝置120的定時裝置以適當(dāng)?shù)念l率提供周期同步信號，以控制攝像成象器的掃描。而且，在時間周期的檢驗周期中，裝置120中的定時裝置將定時信號送入坐標(biāo)變換和象素存儲裝置118中，加入來自成象器108的信號流，作為坐標(biāo)變換和象素存儲裝置108的分別的輸入信號。
在整個檢驗周期內(nèi)，來自成象器108的象素流代表被檢軸承滾珠100的整個鏡面反射表面的圖象。最好以被檢軸承滾珠100的平面二維球形表面的形式存儲該圖象，而不是象球面地圖(地球圖)那樣存儲。為了完成上述任務(wù)，必須將球面坐標(biāo)變換為直角坐標(biāo)(或極坐標(biāo))。
這是通過裝置118的坐標(biāo)變換部分完成的，其中要考慮到被檢軸承滾珠100的鏡面反射球形表面上相應(yīng)各點預(yù)定的和順序的檢驗以及已知的在由成象器108對各象素成象中產(chǎn)生的圖象畸變。在由裝置120輸入的定時信號控制下，裝置118將得到的經(jīng)坐標(biāo)變換的每一象素存儲在象素存儲裝置中一適當(dāng)編址的存儲單元中。結(jié)果，被檢軸承滾珠100的球面的鏡面反射圖象的二維平面圖(最好以直角坐標(biāo)形式)被存儲在裝置118的象素存儲部分。
如果欲在攝像監(jiān)視器上顯示存儲在裝置118的象素存儲部分內(nèi)的一幅靜止圖象，而且被檢軸承滾珠100是無缺陷的，則顯示在攝像監(jiān)視器上的是一白色影象。如果該影象亮度不均，則是在整個顯示的區(qū)域呈現(xiàn)很小的和非常平緩的亮度變化。其理由是，被檢軸承滾珠100的鏡面反射球形表面就象一凸面鏡，它反射一漫射光圖象。正是該漫射光圖象由響應(yīng)裝置118存儲的信息的監(jiān)視器顯示出來。該圖象顯示的樣子類似于觀察云彩所看到的情形。
如果被檢軸承滾珠100具有缺陷，如缺陷132，并且缺陷是凹坑、毛刺、劃痕或銹斑，則到達(dá)該處的入射光被散射或吸收，而不是被鏡面反射。另一方面，象塑性變形這樣的缺陷則聚集來自鏡面反射凸表面的反射光線。結(jié)果，由帶缺陷的被檢軸承滾珠獲得的存儲在裝置118中的圖象顯示在監(jiān)視器上，會呈現(xiàn)出在被檢軸承滾珠無缺陷部分形成的白背景上的缺陷的光反差圖形。在塑性變形缺陷的情況下，反射光的聚集會導(dǎo)致反差圖形比背景更亮。而其他形式的缺陷則使反射光產(chǎn)生散射或被吸收。結(jié)果，反差圖形比背景暗。但是，無論何種缺陷，都會在背景上由明顯的界限邊緣勾劃出缺陷反差圖形。
由于無需用目視觀察被檢軸承滾珠的反射圖象，圖1并未包括監(jiān)視器。然而，在一些特殊情形，如對初次檢驗中發(fā)現(xiàn)有缺陷的一組軸承滾珠中的每一個進(jìn)行復(fù)檢，這樣，就可能需要在監(jiān)視器上目視觀察每一軸承滾珠的缺陷的類型。所以，本發(fā)明也考慮到在攝像監(jiān)視器上顯示存儲在裝置118的象素存儲部分內(nèi)的反射圖象。
反差圖形缺陷檢測器124可包括水平和垂直邊緣檢測數(shù)字濾波器。該檢測器對裝置118存儲的反射圖形象素讀出信號流進(jìn)行檢測。特別是檢測器124獲取指示象素信號水平顯著變化的產(chǎn)生和分布的輸出信號(如果存在的話)。合格品-次品判定裝置126至少響應(yīng)作為其輸入的來自檢測器124的輸出信號，對完全無反差圖形(即、象素信號水平的顯著變化為零)的情況，獲得一“合格品”的輸出信號狀態(tài)。反之，裝置126獲得一“次品”的輸出信號狀態(tài)。更高級的合格品一次品判定裝置126能根據(jù)象素信號水平顯著變化的分布情況獲得多個“次品”信號狀態(tài)，以便按尺寸和形狀將指示次品的反差圖形分類。
合格品一次品分離裝置128可包括一或多個開關(guān)，機械地驅(qū)動無缺陷軸承滾珠(合格品)沿第一路徑前進(jìn)。而驅(qū)動有缺陷的軸承滾珠(次品)沿第二路徑前進(jìn)(如果有缺陷的軸承滾珠已按尺寸和/或形狀分類，則沿多個第二路徑中適當(dāng)?shù)囊粋€前進(jìn))。
為保險起見，在分離裝置128未接到任何信號輸入的情況下，最好分離裝置總是將被檢軸承滾珠當(dāng)做次品對待。
據(jù)認(rèn)為是圖1中軸承滾珠檢驗系統(tǒng)最實際的實施例，現(xiàn)描述如下，見圖2所示，一對滾珠軌道200支承多個隔開的軸承滾珠(即、軸承滾珠202-1、202-2和203-3)并沿圍繞軌道200的光漫射圓管204的水平軸線整個長度延伸。如圖2a更清楚顯示的，兩軌道200a和200b各有一傾斜內(nèi)側(cè)。它們以一給定距離相互分開，以允許兩軌道200a和200b支承滾珠202并使接觸點位于軸承滾珠202水平直徑以下。這樣，如圖2a所示，軸承滾珠202與軌道200a和200b的接觸點之間的距離2rx就小于軸承滾珠202的直徑2R。而且，如圖2a所示，軸承滾珠202的中心大致位于光漫射圓管204的水平軸線上。圖2b表示了水平緯向半徑rx、軸承滾珠202的水平直徑2R至緯向直徑2rx的距離ry和軸承滾珠202的半徑R之間的幾何關(guān)系。
再回來看圖2，與其直徑相比，圓管204是相當(dāng)長的(舉例來說長-徑比約6∶1)。滾珠軌道200延伸到圓管204的右邊，并上升到接近獨立的滾珠料斗208的頂部。滾珠料斗208機械地支承滾珠軌道200的右端并包括在軌道200的頂部周期性地放置一軸承滾珠202的機械裝置。放置好的滾珠200沿軌道200下滾，從滾珠料斗208至軌道200的水平部分。在從滾珠料斗208下滾到軌道200的水平部分的過程中，軸承滾珠加速到由滾珠下落的垂直距離決定的一確定的角速度和一線速度。然后，軸承滾珠繼續(xù)水平滾動通過水平的光漫射圓管204的整個長度。由于軸承滾珠和軌道接觸點處的摩擦可忽略不計，在圓管204整個長度上滾動的滾珠的角速度和線速度維持大致恒定在滾珠進(jìn)入圓管204右端時獲得的速度值。從右至左滾動通過圓管204的兩相鄰軸承滾珠的間距大小依賴于將相續(xù)的軸承滾珠放置在軌道200上的料斗定時周期和軸承滾珠在軌道200的水平部分滾動的恒定的線速度值。最好將滾珠料斗208的定時周期調(diào)整到使在軌道200水平部分滾動的鄰兩滾珠的間距大致等于軸承滾珠的直徑。在圖2中，軸承滾珠202-1代表從滾珠料斗208最先釋放的軸承滾珠，而滾珠202-2、202-3.....202-n則分別代表隨后從料斗208釋放的滾珠。每一軸承滾珠202-1.....202-n沿從右向左的方向同時滾動和平動。這兩種運動分別由滾珠202-1的滾動箭頭209和平動箭頭210表示。
由圖2所示，滾珠軌道200由支承部件212支承在圓管204左端以外某處的地面上。
而且，在圓管204左端以外的某處，滾珠軌道200分成合格品軌道200-C和次品軌道200-d，一合格品一次品軌道開關(guān)214(相應(yīng)于圖1中的一種合格品一次品分離裝置128)決定(根據(jù)圖1中的合格品一次品判定裝置126的輸出信號)從圓管204左端排出的滾珠應(yīng)進(jìn)入合格品軌道200-C，還是次品軌道200-d。
如圖2和2a所示，光漫射圓管204具有兩個小光孔216和216b。在圓管204軸線方向上，光孔216a和216b大致位于圓管204左右兩端中點的地方。在圓管204圓周方向上，光孔216a位于距圓管204頂部大致45°的地方在圖2中可見。而光孔216b也位于距該頂部45°的地方，但在圖2中看不見。第一線性固態(tài)成象攝象機218a(圖2和2a中所示)位于與光孔216a相配合的地方，以接收通過光孔216a的從滾動的軸承滾珠(如滾珠202-2)鏡面反射表面反射表面的漫射光(如光線220a)。以類似的方式，第二線性固態(tài)成象攝象機218b(圖2a中所示)位于與光孔216a相配合的地方，從接收通過光孔216b的從滾動的軸承滾珠鏡面反射表面反射的漫射光。每一攝象機218a和218b都接收來自圖1中裝置120的掃描同步信號并包括一具有線性光電元件陣列的固態(tài)成象器(即，-CCD線性成象器)。攝象機218a的線性陣列的方向如圖2a中箭頭220a所示，用以在每一線性掃描周期成象經(jīng)過光孔216a的滾珠202的球形表面右上象限的一不同部分，然后該部分經(jīng)過光孔216a。類似地，攝象機218b的線性陣列的方向如圖2a中箭頭220b所示，用以在每一線性掃描周期成象經(jīng)過光孔216b的滾珠202球形表面左上象限的一不同部分，然后該部分經(jīng)過光孔216b。
如圖2a所示(為清楚起見未在圖2中表示)，光源222a、222b和222c從光漫射圓管204外面進(jìn)行照明。來自光源222a和222b和222c的光線穿過光漫射圓管204進(jìn)入該管內(nèi)部，并在管子204整個長度上全部產(chǎn)生漫射。光源222a、222b和222c并不超過圓管204的左端和右端。因此，進(jìn)入圓管204左右開放端的任何光強是相應(yīng)小的且不是漫射光。
圖2、2a和2b所示本發(fā)明軸承滾珠檢驗系統(tǒng)的最優(yōu)實施例的工作過程現(xiàn)描述如下。由圖2b清楚可見，軸承滾珠202沿箭頭224所示方向(即，朝圖面之外)轉(zhuǎn)過一整圈，則使軸承滾珠202朝圖面之外的方向平動一為2πry的距離。如果滾珠不是轉(zhuǎn)過一整圈360℃，而只是轉(zhuǎn)過整圈的一部分，則平動距離由下式?jīng)Q定。
平動距離＝〔(360°-2θ)/360°〕〔2πry〕 (1)這樣，對任一給定的角度值θ，平動距離只依賴于ry的值。不過，從圖2b中可見，ry的按照下式依賴于rx的值。
ry= (R2- r x2) 1/2 (2)由于軸承滾珠半徑R的值對給定尺寸的滾珠是恒定的，所以ry的值可通過適當(dāng)改變軌道200a和200b之間分開的距離rx，進(jìn)行可控制地變化(見圖2a)。
為了下面進(jìn)行更詳細(xì)的討論，最好將平動距離定為2Rsinθ。用該值代替平動距離并解方程式(1)求得ry為ry＝〔180°/(180°-θ)〕〔sinθ/π〕R (3)圖3a.3b.3c和3d分別表示了被檢的平動和滾動的軸承滾珠202在相繼時間為t0.t1.t2和t3時的狀態(tài)。在t0時刻，從右向左滾動的被檢滾珠剛好到達(dá)這樣的位置。即，從該處反射的漫射光包括通過光孔216a到達(dá)攝象機218a的反射光線220a。這使得到達(dá)裝置120的攝象機輸出強度足以使?jié)L珠檢測器判定被檢軸承滾珠剛好進(jìn)入攝象機218a的視場。作為響應(yīng)，裝置120開始計數(shù)攝象機掃描數(shù)目。在t1時刻，在裝置120已經(jīng)計算了第一預(yù)定的攝象機掃描數(shù)目和(該第一預(yù)定數(shù)目與被檢的滾動滾珠202的已知的水平平動速度有關(guān))被檢滾珠202已向左移動過這樣一段距離，使得在t1時刻到達(dá)攝象機218a的漫射反射光線220a是從球形表面上這樣一點反射的，該點處于滾動的被檢軸承滾珠202頂點左方距該頂點為θ1角的地方。在時刻t1，裝置120響應(yīng)到達(dá)第一預(yù)定數(shù)目的攝象機掃描計數(shù)，向裝置118發(fā)送一控制信號使從t0至t3的時間周期中的滾珠檢驗部分開始。控制裝置120繼續(xù)計數(shù)攝象機掃描，直至攝象機掃描計數(shù)到達(dá)t3時刻的第二預(yù)定數(shù)目。在時刻t2，被檢軸承滾珠202已經(jīng)進(jìn)一步向左移動，使得此刻到達(dá)攝象機218a的漫反射光線220a是從被檢軸承滾珠202的球形表面上這樣一點反射的，該點在時刻t2是位于被檢滾珠202頂點右邊距該頂點為θ1角的地方。根據(jù)到達(dá)第二預(yù)定數(shù)目的攝象機掃描計數(shù)，裝置120向裝置118發(fā)送一控制信號，以停止時間周期中的滾珠檢驗部分。在時刻t2，定時或許就可以結(jié)束了。但是，最好繼續(xù)計數(shù)攝象機掃描，直到從攝象機218a送至滾珠檢測器的輸出信號強度變?nèi)?。該信號變?nèi)醢l(fā)生在時刻t3，此時被檢滾珠202已經(jīng)向左移動到離開攝象機218a的視場。在時刻t3結(jié)束時間周期時，被檢滾珠202的恒定水平線速度可精確計算，因為被檢滾珠直徑和攝象機掃描周期是已知的。以此方式，在每一隨后的軸承滾珠檢驗后，被檢的滾動滾珠的假定的恒定水平平移線速度的任何微小變化都可立即連續(xù)進(jìn)行修正。
在每一被檢軸承滾珠202從右向左經(jīng)過攝象機218a的整個視場時，至少應(yīng)觀測其前半球上大致每一點(同時，攝象機218b至少觀測其后半球上大致每一點)。在時刻t1(圖3b)和時刻t2(圖3c)之間的時間間隔內(nèi)進(jìn)行整個被檢滾珠的檢驗工作。在此時間內(nèi)，被檢滾珠走過的平動距離為2RSinθ1(從圖3b和3c中顯見)。為了在t1至t2的時間間隔內(nèi)使被檢軸承滾珠的前半球上所有點都能被攝象機218a觀測到，滾珠202必須在該時間間隔內(nèi)滾過360°-2θ1的角度。
在上述公式(3)中用θ1的任一所需的特定值代替θ，就可獲得保證攝象機218a能觀測到被檢滾珠前半球上所有點的ry值。一旦得到適當(dāng)?shù)膔y值，上述公式(2)就可用來決定獲得所需ry所要求的滾珠軌道200的間距(即、2rx)。
現(xiàn)在參見圖4，其中示出了如果θ1(圖3b和3c)的絕對值為90°(即，滾珠檢驗時間間隔t2-t1等于t3-t0的整個時間周期)的條件下，將接收到的滾珠的反射圖象。在此情況下，(如圖4所示)滾珠的反射圖象400分別在緯度+45°和-45°附近各有一條暗帶404和402。特別是，暗帶402的寬度從緯度(-45+△1)至(-45-△2)，而暗帶404的寬度則從緯度(45-△1)至(45+△2)。暗帶402和404的產(chǎn)生是由于被檢滾珠202未被近軸入射光線照亮，因為光漫射圓管204的左右兩端是開放的。當(dāng)漫射圓管204的長徑比變大時，△1和△2的相應(yīng)值(因而，暗帶402和404的寬度)就變小。當(dāng)被檢滾珠202的直徑和光漫射圓管204的直徑比變大時，△1和△2的比值就變小。而且，在實際情況中暗帶402和404在相對光強上不具有清楚的邊緣(如圖4中)，而只有模糊的邊緣。為了避免暗帶402和404的所有影響并保證反射圖象400的光強度在整個區(qū)域只有很小的和逐漸的變化，角度θ1應(yīng)選擇具有一相當(dāng)小的值(例如，不超過36°，最好是30°)。從圖3b和3c中可見，滾珠202從位置-θ1滾到+θ1時，其平動距離為2Rsinθ1在公式(1)中用2Rsinθ1代替平動距離求解半徑，即圖2b中的ry，得到公式(3)(以θ代替θ1)。例如，如果θ1等于30°，則ry的值等于0.191R，而軌道之間的距離2rx為1、963R。
從上述討論可知，通過將θ1的絕對值限制到一相當(dāng)小的角度，如30°，就能從檢驗一個無缺陷的被檢滾珠202得到一整個白色的漫反射圖象400，而沒有假對比圖形，如暗帶402和404。但是還存在一個問題。即，在滾珠202的檢驗中，當(dāng)θ值在零度附近時，光孔216a和216b具有類似于上述圓管204左右開放端的作用。圓管204的左右開放端導(dǎo)致在45度附近的地方出現(xiàn)暗帶402和404。而在光孔216a處于零度附近時，入射角和反射角都接近于零，入射光線大致與反射光線，經(jīng)光線孔216a出射的反射光線220a相重合(即、該反射光線被回射)。然而，由于光孔216a的開口，不會有入射光以大致零度入射角照亮被檢滾珠202-2。結(jié)果，在光孔216a作用下，在緯度零度(和經(jīng)度135°)處出現(xiàn)一類似的盲點。
從統(tǒng)計學(xué)的觀點看，被檢滾珠只具有一個缺陷，而該缺陷又恰好位于緯度零度且與盲點406重合，又小到整個位于盲點406的區(qū)域內(nèi)的可能性極小，(但不是不可能的)。所以，人們有可能準(zhǔn)備冒此微小的風(fēng)險。但通過采用圖5a或5b所示的輔助裝置，就能完全解決盲點466的問題。
參見圖5a，其中顯示了在圓管204之外且位于光孔216a和攝象機218之間的半透半反鏡500。半透半反鏡與反射光線220a成45°角。由控制裝置120控制的來自外部光源502的光只在時間周期的中間當(dāng)θ角大致為零度時(即、當(dāng)通過光孔216a發(fā)生回射時)才照射。包括反射光線220a的回射光部分透過半透半反鏡500并被攝象機218a接收。采用圖5a中輔助裝置的唯一缺點是被攝象機218a接收的相對光強由于半透半反鏡500的出現(xiàn)而減小。而圖5b所示的輔助裝置則可消除該缺點。
下面參見圖5b，其中顯示了圓管204中的輔助光孔504，當(dāng)被檢滾珠202從右向左滾動經(jīng)過一給定小角度△θ3時，輔助光孔504處于與取經(jīng)度45°的路徑506配合的空間關(guān)系。結(jié)果使得當(dāng)被檢滾珠202向下游滾動經(jīng)過角度為△θ3的一短時間后，在緯度為零度的位置通過光孔216a構(gòu)成盲點的滾動的滾珠上的區(qū)域?qū)⑻幱谂c輔助光孔504相配合的關(guān)系。在△θ3，過去的盲點區(qū)被漫射光照亮，產(chǎn)生一垂直于圓管204軸線的反射光線508。反射光線508被輔助光檢測器510接收。檢測器510可以是簡單的光檢測器而不必采用攝象機。光檢測器510通常是不起作用的，但是在時間周期中被檢滾珠202上盲點處于光孔504附近時，該檢測器在裝置120控制下工作。光檢測器510的指示反射光508光強度的輸出信號送至裝置118，裝置118解釋其相應(yīng)的空間位置，仿佛該信號發(fā)生在被檢滾珠202的零緯度和經(jīng)度45°附近。
應(yīng)該知道，圖5b中的輔助裝置也可位于零緯度的上游，而不是下游。而且，圖5b中采用的解決盲點問題的方法也可通過位于被檢滾珠202零緯度上游或下游的一完整的超靜定攝象機系統(tǒng)實施，而不是采用簡單的輔助光檢測器。還應(yīng)知道，圖5a或5b中的另一相同的輔助裝置與光孔216b相配合。
再來看圖2，在攝象機218a或218b內(nèi)的線性固態(tài)成象器應(yīng)包括足夠數(shù)量的分立的光電元件，以獲得檢測缺陷所需的分辨率。例如，檢驗具有1/4英寸(0.635cm)至1/2英寸(1.27cm)直徑的滾珠時，具有256個分立的光電元件的線性固態(tài)成象器可容易地檢測出不超過3密耳(0.003英寸，0.0076cm)的缺陷。檢驗直徑為1/2英寸(1.至1英寸(2.54cm)的滾珠時，若線性固態(tài)成象器包括512個光電元件，則可獲得相同的分辨率。
如果一被檢軸承滾珠，如滾珠202-1，被發(fā)現(xiàn)具有缺陷，如缺陷224，則合格品-次品判定裝置126將在滾珠檢驗完成后的一預(yù)定時間后開始操作。該預(yù)定時間是以使?jié)L珠滾到圓管204的左端。合格品一次品判定裝置126的操作控制著合格品-次品軌道開關(guān)214的狀態(tài)。最好，合格品-次品軌道開關(guān)214通常將軌道200置于與次品軌道200-d相配合的位置，只有在被檢滾珠已被發(fā)現(xiàn)無缺陷時才脫開上述配合關(guān)系。在一比圖2中系統(tǒng)更高級的系統(tǒng)中，次品軌道200-d進(jìn)一步被置于配合多個支軌道中的一個的位置。這是根據(jù)滾珠缺陷的不同特征的性質(zhì)決定的。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，圖2所示最優(yōu)實施例的系統(tǒng)能夠在一秒鐘內(nèi)精確檢驗多達(dá)7至15個相互間隔一滾珠直徑距離遠(yuǎn)的滾珠，具體數(shù)目依被檢滾珠直徑大小而定。
權(quán)利要求
1.一種檢驗軸承滾珠的通常為鏡面反射凸表面上的缺陷的系統(tǒng)，該系統(tǒng)特征在于它包括以漫射光照亮上述表面的第一裝置，如果該表面有缺陷，則相對于正常鏡面反射凸表面反射出的漫射光背景，反射出一由缺陷產(chǎn)生的光反差圖形；包括光成象裝置的第二裝置，它響應(yīng)由上述表面上大致所有點反射的光線，以檢測由光反差圖形表明的缺陷。
2.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括由上述第二裝置控制的裝置，該裝置僅響應(yīng)上述第二裝置未檢測到自被檢軸承滾珠反射的表明有缺陷的光反差圖形的信號，從而將該被檢軸承滾珠接受為合格品。
3.按照權(quán)利要求1或2的系統(tǒng)，其中上述第二裝置包括使上述軸承滾珠相對于上述光成象裝置產(chǎn)生預(yù)定的運動的第三裝置，該第三裝置使上述軸承滾珠至少繞一第一軸線轉(zhuǎn)動，該第一軸線朝向一第一方向。
4.按照權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中，上述第三裝置使上述軸承滾珠在大致垂直上述第一方向的第二方向上平動。
5.按照上述任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中，光成象裝置包括至少一個掃描攝象機，以獲得包括相繼掃描的圖象象素的輸出信號，而第二裝置包括響應(yīng)來自攝象機的輸出信號圖象象素的圖象處理器，用以處理該圖象象素，進(jìn)而確定在上述軸承滾珠上是否產(chǎn)生一表示缺陷的光反差圖形。
6.按照權(quán)利要求5的系統(tǒng)還包括一以模一數(shù)形式轉(zhuǎn)換圖象象素的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中，圖象處理器是一根據(jù)預(yù)定的數(shù)字計算機程序進(jìn)行控制的數(shù)字圖象處理器。按照上述任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中，上述第一裝置包括一具有給定橫截面尺寸和兩端之間的縱向尺寸的圓管，該圓管包括一半透光材料構(gòu)成的壁，因此，來自管壁外面的照明光使圓管內(nèi)部幾乎所有地方都具有漫射光，該管壁上包括至少一個光孔，以允許漫射光通過該光孔從管子內(nèi)部到達(dá)其外部，而該漫射光是從圓管內(nèi)部的軸承滾珠表面上與該光孔相配合的那些點上通過鏡面反射得到的;上述光成象器裝置包括位于圓管外部并與該光孔配合的光檢測裝置，用以接收通過該光孔從圓管內(nèi)部到達(dá)其外部的鏡面反射光。
7.按照權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中，所述第二裝置包括具有在圓管內(nèi)兩端之間延伸的部分的一對軌道，該對軌道之間間距為2γx，其中，γx相對于滾珠半徑R所具有的值，使?jié)L珠被支承在低于滾珠中心且距離為γy的地方;該第二裝置還包括使支承在軌道給定部分上的滾珠以一定角速度沿給定縱向滾動，經(jīng)過上述光孔，由此，上述支承的滾珠以一線速度值平動，該值的大小依賴于上述角速度值和距離γy的值。
8.按照權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中，所述圓管呈端部開放的圓筒狀，其縱軸大致沿水平方向;上述軌道的給定部分基本上沿水平方向延伸;該軌道還包括一與上述給定部分一端連接的，延伸出具有開放端的圓管一端直至其外面的第二部分，上述軌道的第二部分包括相對于軌道的水平給定部分高度沿垂向上升一，給定距離的斜坡，如果允許滾珠沿該斜坡向下滾動的話，則滾珠在到達(dá)導(dǎo)軌水平的給定部分時將獲得一預(yù)定的恒定角速度和一預(yù)定的恒定線速度。
9.按照權(quán)利要求9的系統(tǒng)，還包括將滾珠輸送到上述斜坡頂部，使被輸送的滾珠能沿該斜坡下滾的滾珠料斗，該料斗以一預(yù)定速率周期性地輸送相繼的滾珠到斜坡頂部，因而在軌道給定的水平部分滾動的滾珠根據(jù)給定的線速度和上述預(yù)定速率相互分開一定距離;上述預(yù)定速率使在軌道給定水平部分滾動的相繼的滾珠分開大致等于滾珠直徑的距離。
10.按照權(quán)利要求9或10的系統(tǒng)，其中，所述滾珠具有一給定直徑;軌道水平給定部分的水平高度大致與圓管縱軸線高度一致;上述光檢測裝置包括一線性掃描攝象機的固態(tài)成象器，該成象器包括一周期性掃描的具有預(yù)定數(shù)目的光電元件的一維陣列;該攝象機朝向上述一光孔，在上述滾珠從恒定角速度和線速度滾動經(jīng)過該光孔時，該攝象機掃描滾珠表面一部分上的每一相繼緯度上圓周的預(yù)定大小的弧段;上述圓管狀的管壁還包括另一光孔，以允許漫射光通過該光孔從管子內(nèi)部到達(dá)其外部，而該漫射光是從軸承滾珠表面上與該光孔相配合的那些點上通過鏡面反射得到的;上述光成象裝置還包括位于圓管外部并與該光孔配合的第二光檢測裝置，用以接收通過該光孔從圓管內(nèi)部到達(dá)其外部的鏡面反射光;第二光檢測裝置包括一具有固態(tài)成象器的第二線性掃描攝象機，該成象器具有一周期性掃描的，帶有預(yù)定數(shù)目的光電元件的一維陣列;該第二攝象機朝向上述的另一光孔，在上述滾珠以恒定角速度和線速度滾動經(jīng)過該另一光孔時，第二攝象機掃描滾珠表面另一部分上的一相繼的緯度上圓周的預(yù)定大小的弧段;由第一和第二攝象機掃描的預(yù)定大小的弧段大致為90°;上述一光孔和第一攝象機的朝向使?jié)L珠表面相對的兩半球的第一個在滾珠經(jīng)過該光孔時被第一攝象機掃描;而上述另一光孔和第二攝象機的朝向使?jié)L珠表面相對的兩半球的第二個在滾珠經(jīng)過另一光孔時被第二攝象機掃描。
11.按照權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中，上述第二裝置包括與上述攝象機相連的第四裝置，它用來(1)響應(yīng)該攝象機的輸出信號強度，檢測滾珠是否在攝象機視場中出現(xiàn)，(2)響應(yīng)最初檢測到的滾珠出現(xiàn)的信號而啟動一時間周期，(3)在啟動時間周期之后計算相繼的攝象機掃描數(shù)目，(4)當(dāng)計算的掃描周期達(dá)到第一預(yù)定數(shù)目時時，啟動一檢測周期，而第一預(yù)定數(shù)目應(yīng)少于滾動的滾珠經(jīng)過攝象機視場所需的掃描周期數(shù)的一半，因此，上述檢驗周期的啟動大致相應(yīng)于滾動的滾珠表面上選定的緯度-θ1以此與上述一光孔相配合，(5)當(dāng)計算的掃描周期達(dá)到第二預(yù)定數(shù)目時，停止上述檢驗周期，此時，檢驗周期的停止大致相應(yīng)于滾動的滾珠表面上選定的緯度+θ1，以此與上述一光孔相配合;θ1的值小于45°。
12.按照權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中，軌道之間的距離2γx選擇成使距離γy的值大致符合下式γy＝R〔180°/(180-θ1)〕〔sinθ1/π〕其中R是滾珠半徑。
13.按照權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中，當(dāng)滾動的滾珠表面零緯度與上述一光孔配合時，攝象機不能直接接收回射光，而導(dǎo)致了攝象機不能成象的滾珠表面上的盲點，其中，光成象裝置還包括成象該盲點的輔助裝置。
14.按照權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中，輔助裝置包括一位于所述圓管外部并與上述光孔配合的半透半反鏡，該半透半反鏡相對于回射光方向為大致45°朝向，與回射光方向大致成90°的照明裝置照亮該半透半反鏡，因而用以從半透半反鏡反射的與回射光平行而方向相反的入射光照亮該盲點。
15.按照權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中，輔助裝置包括一位于管壁上的輔助光孔，該輔助光孔沿縱向離開上述光孔，其位置使得滾動的滾珠表面上的盲點在該盲點與上述光孔配合以外的另一時刻與輔助光孔配合;該輔助裝置還包括位于圓管外部且與輔助光孔配合的輔助光檢測裝置，以通過輔助光孔接收來自盲點處的反射光。
全文摘要
通過獲得被檢軸承滾珠整個凸球面(鏡子狀)鏡面反射入射的溫射光形成的圖象，在被檢軸承滾珠上的任何缺陷，都在大致均勻的漫射光背景圖象上呈現(xiàn)出光反差圖形。檢驗系統(tǒng)包括照明裝置(102)和光成象裝置(108)以及使被檢滾珠(100)運動的裝置(106)。
文檔編號G01M13/04GK1064353SQ9110093
公開日1992年9月9日 申請日期1991年2月12日 優(yōu)先權(quán)日1991年2月12日
發(fā)明者喬恩·帕里·盧塞爾 申請人:喬恩·帕里·盧塞爾