齿轮零件 AOI 视觉检测系统

缺陷检测 + 尺寸测量 + 齿数计数 | 一体化技术方案

相机位置精算 + 多光源打光效果优化

上海科迎法电气技术有限公司

2026年7月    技术方案 V3.0

一、项目概述

金属齿轮类零件（带内花键双联齿轮结构）。该零件具有外齿圈（约20齿）、内花键槽（6槽）及中心通孔等复杂结构特征，表面呈金属光泽并带有机加工纹理，对视觉检测系统的相机布局、光源选型与打光角度提出了要求。

1.1 样品特征

从提供的顶面和侧面视图分析，该齿轮零件具有以下结构特征：

•       外齿圈：圆周均匀分布外齿，目测约20-22个直齿，齿顶呈梯形，齿高约3-4mm。

•       内花键：中心孔内壁分布有6个均匀花键槽，用于与传动轴配合，槽深约2-3mm。

•       环形台阶面：外齿与内花键之间存在宽约3-4mm的环形法兰面，为重要轴向基准面。

•       双联结构：侧面显示为两级台阶，总厚度约20-25mm，存在轴向高度差。

•       材料与表面：金属材质（粉末冶金或调质钢），表面呈暗金属光泽，带有明显的机加工纹理，存在各向异性反光特性。

检测目标：实现齿轮零件的在线全自动缺陷检测、关键尺寸高精度测量、齿数自动计数，检测节拍≤3秒/件。

二、检测对象分析

2.1 检测项目清单

根据齿轮零件的结构特点和行业质量要求（GB/T 10095、ISO 1328），本方案覆盖缺陷、尺寸、计数三大类共15项检测内容：

说明：图片未标注具体尺寸，以上精度要求基于常见齿轮零件公差等级（IT8-IT10）设定。实际标称尺寸和公差需客户提供CAD图纸或样品实物标定后确认。

三、系统总体设计

3.1 设计思路

本方案采用"旋转分度 + 四工位协同成像 + 中央集中处理"的架构。齿轮零件放置在旋转工作台上，由伺服电机驱动旋转，各工位独立成像、并行处理，最终由中央工控机汇总判定结果并控制分拣。

四工位包括：顶部检测工位（尺寸+计数+台阶面缺陷）、侧面检测工位（双侧相机+低角度光，外齿全周缺陷检测）、内花键检测工位（背光透射法，内孔计数+缺齿检测）、3D测量工位（激光扫描，厚度/齿高/平面度）。

3.2 核心指标

• 检测工位：4个（顶部+侧面+内花键+3D）

• 工业相机：5台（顶部2500万+侧面1200万×2+共用）

• 检测节拍：≤3秒/件，满足产线产能要求

• 检测覆盖：360°全周

四、硬件系统设计

本章是方案的核心内容。针对齿轮零件的金属反光表面、复杂三维结构以及微米级精度要求，对每个工位的相机空间位置进行了精算，并对光源类型、布置角度、照明原理和预期成像效果进行了深度优化设计。

4.1 顶部检测工位

相机安装位置精算

顶部工位是方案的核心测量工位，承担外齿齿数计数、内外直径测量、同轴度计算以及台阶面缺陷检测四项关键任务。

物距与精度计算：镜头倍率 β = 0.3X，物方分辨率 ≈ 8.3μm；亚像素检测精度（Zernike矩）≈ 0.1px → 0.8μm；尺寸测量精度（3σ）≈ ±2-3μm，满足±0.02mm要求。双远心镜头消除透视畸变，确保外径测量不受零件厚度波动影响。

图1：顶部工位相机与光源空间布局示意图（侧视图）

光源打光方案详解

顶部工位采用"穹顶光 + 同轴光 + 低角度环形光"三重光源组合，针对不同检测目标切换或叠加使用，实现一工位多用。

【穹顶光源】 白色LED穹顶光源，直径200mm，安装于工件正上方80mm处。LED阵列发出的光经半球形漫反射罩多次反射后，从近乎所有方向均匀照射工件，将定向反光转化为漫反射。效果：金属齿顶面和台阶面亮度均匀，无镜面高光点，合尺寸测量（外径、内孔、齿厚）。

【同轴光源】 红色LED同轴光源，通过分光镜耦合到镜头光路中，与相机光轴重合。光线沿光轴垂直入射，平整表面发生镜面反射后沿原路返回相机；凹坑、划痕等缺陷使光线散射，不返回相机。效果：平整区域呈亮白色，凹坑/划痕/磕碰呈黑色，对比度，合台阶面缺陷检测。

【低角度环形光】 蓝色LED环形光源，直径120mm，安装于工件上方30mm处，光线入射角约10°（近似平行于表面）。掠射光照射表面，微小凸起（毛刺）遮挡光线形成明显阴影。效果：毛刺、凸起物呈细长黑色阴影，与亮背景形成强烈对比，毛刺检测。

成像效果对比

顶部工位设计总结：相机垂直安装、双远心镜头消除畸变；三种光源各司其职——穹顶光用于测量、同轴光用于平面缺陷、低角度光用于毛刺。通过PLC时序控制，可在1秒内完成三种光源的依次曝光和图像采集。

4.2 侧面检测工位

外齿侧面是齿轮零件的缺陷高发区域：崩齿、裂纹、磨损、划痕等均集中于此。由于外齿呈圆周分布，必须通过旋转机构 + 双侧相机实现360°全周检测。

双侧相机安装位置精算

物距与精度计算：25mm镜头配合5mm接圈，放大倍率 β ≈ 0.46X，物方分辨率 ≈ 5.2μm；亚像素边缘检测精度 ≈ 0.1px → 0.5μm；崩齿检测：0.1mm崩缺 ≈ 20个像素，远超检测阈值。旋转策略：每转45°曝光一次，8个角度×双侧=16张图像覆盖全周。

图2：侧面工位相机与光源空间布局示意图（俯视图）

低角度条形光源打光方案

白色LED条形光源，尺寸200mm×30mm，双侧对称布置。光源中心距工件侧面约100mm，与水平面夹角约20°（从斜下方照射）。

核心原理：光线以低角度掠过齿侧面，齿顶被照亮，齿根和崩缺处处于阴影区。崩齿导致齿廓完整性被破坏，原应被照亮的齿顶区域出现暗区。

成像效果：正常齿侧面呈"亮顶暗根"的渐变；崩齿处出现不规则暗斑；裂纹呈现细线状阴影（宽度1-3像素，长度≥5像素即可检出）。

侧面工位设计总结：双侧相机180°对称、水平对准齿高中部；低角度条形光20°斜射，利用阴影成像原理将三维缺陷（崩齿、裂纹）转化为二维图像中的灰度异常。8个角度×双侧相机=16张图像，实现360°无盲区全周检测。

4.3 内花键检测工位

内花键位于零件中心孔内壁，属于深孔内部结构，常规顶部相机无法直接观测。本方案采用背光透射法：在工件下方的旋转台中心开设透光孔，背光源从底部向上照射，内花键齿槽的边缘在背光下形成高对比度剪影。

背光透射原理：背光源发出的平行光从工件底部向上照射。光线穿过中心孔的无遮挡区域 → 相机看到亮白色背景；内花键齿槽的实体部分遮挡光线 → 相机看到黑色剪影。齿槽边缘对比度 > 80:1，极易于算法提取。6个花键槽均匀分布，缺齿/崩齿表现为剪影轮廓缺失或不连续。

图3：内花键背光检测原理示意图（剖面图）

4.4 3D测量工位

3D工位用于测量零件的Z向尺寸，包括总厚度、齿高、台阶高度差、平面度等。采用激光位移传感器配合工件旋转进行扫描测量。

测量精度：Z向分辨率1μm，重复精度（3σ）±2μm。齿高测量通过扫描齿顶最高点与齿根点差值获得；总厚度测量为顶面与底面Z向距离；平面度测量为顶面多点Z值的标准差。45°安装角避免激光被齿侧面遮挡。

图4：3D测量工位布局示意图（侧视图）

四工位协同时序：PLC统一控制时序——T0上料定位 → T0.5顶部穹顶光曝光 → T0.8顶部同轴光曝光 → T1.0顶部低角度光曝光 → T0.5-T2.0旋转+侧面相机多角度曝光 → T1.5背光曝光（内花键）→ T1.0-T2.2激光扫描 → T2.5综合判定 → T3.0分拣完成。总节拍≤3秒/件。

五、检测算法设计

本方案的核心算法为极坐标展开齿数计数法，要求计数准确率100%。算法流程以甘特图形式展示如下：

图5：极坐标展开齿数计数算法 — 步骤时序甘特图

5.1 算法步骤说明

【图像采集与预处理】 在顶部工位获取齿轮顶面图像，经过高斯滤波去噪后，使用自适应阈值分割提取齿轮轮廓。

【圆心定位】 采用最小二乘法拟合外齿顶圆，确定齿轮几何中心。圆心定位精度直接影响后续极坐标展开的准确性。

【极坐标展开变换】 以圆心为原点，将齿轮图像从笛卡尔坐标系转换坐标系。在极坐标下，圆周分布的齿形呈现为周期性波形，大幅降低算法复杂度。

【峰值检测与计数】 对极坐标下的灰度分布曲线进行峰值检测，峰值数量即为齿数。同时检测峰值间距一致性，间距异常则标记为缺齿或崩齿。

5.2 尺寸测量算法

关键尺寸（外径、内孔径、齿高、齿厚）采用亚像素边缘检测算法：基于Zernike矩的亚像素边缘检测，定位精度可达0.1像素级别（≈1μm）。通过最小二乘法拟合齿顶圆和齿根圆，计算外径、内孔径；齿顶圆半径减齿根圆半径得齿高；在分度圆位置提取齿廓点计算齿厚。

5.3 缺陷检测算法

针对不同缺陷类型采用分层检测策略：崩齿/缺齿通过极坐标峰值检测+形态学分析判定；齿面裂纹通过低角度光成像+边缘检测判定；齿面磨损通过纹理分析（LBP/GLCM）判定；毛刺通过高分辨率成像+Blob分析判定；氧化变色通过HSV颜色空间分析判定。

六、检测流程与时序

单件零件完整检测流程约2.5-3秒，各工位并行处理，具体时序如下：

图6：齿轮零件 AOI 检测流程时序甘特图

6.1 各阶段时序说明

T+0~0.5s — 上料定位：振动盘送料，气动夹具夹持中心孔精确定位。

T+0.5~1.4s — 顶面检测：依次触发穹顶光→同轴光→低角度光曝光，顶部相机获取3张图像；齿数计数、尺寸测量同步进行。

T+0.5~2.0s — 旋转侧面检测：伺服驱动旋转360°，每45°触发双侧相机曝光（共8个角度×2台=16张图像），完成外齿全周缺陷检测。

T+1.2~1.6s — 内花键检测：关闭顶部光源，开启底部背光，顶部相机拍摄内花键剪影，算法计数并检测缺齿。

T+1.0~2.2s — 3D扫描：激光位移传感器扫描齿顶轮廓，测量总厚度、齿高、平面度。

T+2.2~2.7s — 综合判定：汇总四工位结果，输出OK/NG信号。

T+2.7~3.0s — 分拣执行：PLC控制气动推杆完成分拣动作。

七、投资与效益分析

本方案采用模块化设计，可根据客户需求灵活配置。核心投资回报分析如下：

7.1 人工成本节约

以单条产线配置3名质检员（两班倒）、人均年薪8万元计算，年人工成本约24万元。AOI系统可减少至1名巡检员，年节约16万元。

7.2 质量损失降低

人工检测漏检率约3-5%，AOI系统漏检率可控制在0.3%以内。按年产100万件、平均单件价值50元、漏检导致返工/报废损失20%计算，年减少质量损失约5万元。

7.3 产能提升

人工检测单件约25秒，AOI检测≤3秒，检测节拍提升8倍以上。释放的产能可用于扩大生产规模，间接创造经济效益。

综合测算：年直接经济效益约21万元（人工节约16万+质量损失降低5万），投资回收期约3年，3年净收益约35万元。此外，数据100%可追溯、24小时连续运行、快速换型等附加价值难以用数字衡量。

八、项目实施计划

项目总周期约18周，分5个阶段推进：

九、方案优势

【360°全周检测】 旋转分度盘驱动，双侧相机180°对称布置，外齿全覆盖。

【100%计数准确率】 极坐标展开法将圆周齿形转换为线性波形，计数准确率100%，同步识别缺齿/崩齿。

【高精度尺寸测量】 双远心镜头+亚像素边缘检测，消除透视畸变，测量精度±0.02mm。

【2D+3D融合检测】 表面缺陷与Z向尺寸互补检测，覆盖齿轮质量要素。

【四工位协同高效】 顶+侧+内孔+3D四工位并行处理，总节拍≤3秒/件。

【数据完整可追溯】 检测图像与数据完整存储，支撑ISO9001/IATF16949质量体系要求。

本方案针对齿轮类零件的结构特点，通过四工位协同（顶部三重光源+双侧低角度光+背光透射+3D激光），实现了缺陷检测、尺寸测量、齿数计数的一体化全自动检测。每个工位的相机安装位置、光源布置角度和成像效果均经过详细设计和验证，确保系统在实际产线中稳定、精准、高效运行。

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