基于机器视觉的刹车盘表面缺陷检测技术研究

李 峰,邵世芬

(青岛职业技术学院 海尔学院(机电学院),山东 青岛 266555)

自20世纪50年代盘式刹车首次出现在赛车上开始,相比于之前广泛使用的鼓式刹车,由于其制动效果更好,维护更简单,更容易保持低温,盘式刹车在世界汽车行业中得到了快速推广和应用并沿用至今。目前,我国国内刹车盘生产企业数量众多,主要集中在山东、浙江、湖北、广东等地区,如：刹车盘领军企业山东金麒麟、山东信义、杭州杭城等。[1]近十年来,我国汽车刹车盘市场规模整体呈增长态势,2021年我国汽车刹车盘OEM(Original Equipment Manufacturer)市场占比60.2%。[2]但是由于大部分刹车盘生产企业属于中小型企业,其生产工艺、技术水平和质量控制水平参差不齐,产品质量不稳定,直接影响企业的经济效益。

汽车刹车系统的主要工作原理是首先将刹车盘与轮毂装配成一体,然后通过制动卡钳和刹车衬片夹住刹车盘,依靠上述三者之间干摩擦所产生的强大摩擦力来强行降低车轮转速从而达到减速或停车的目的。因此,刹车盘质量的好坏直接影响到车辆及驾乘人员的安全。但由于目前国内刹车盘生产企业大多采用手工造型、粘土砂湿型、冲天炉熔炼铁液等生产工艺[3],刹车盘生产过程中因不同生产工艺、生产环境、人工操作等因素会导致刹车盘产成品存在多种缺陷,其中表面缺陷类型主要包括砂眼、气孔、划痕、裂纹、凹坑、斑点、偏箱、振纹、磕碰、生锈、风道飞边、筋条类缺陷(如多肉、缺肉、错筋、裂缝、冷隔)等,上述缺陷会直接影响刹车盘的强度、硬度、应力承受力等技术指标,进而影响其使用寿命。因此,刹车盘表面缺陷检测及其改进技术是目前世界各国刹车盘生产企业的关注焦点和研究热点之一。本文围绕刹车盘多种表面缺陷,展开基于工业机器视觉的刹车盘表面缺陷检测方法的理论研究和分析。

一、刹车盘结构及常见表面缺陷分析

(一)刹车盘结构

汽车刹车盘按照两摩擦面间是否存在通风道可分为实心盘和通风盘[4](如图1所示)两类。从物理构造上来说,实心盘(如图1-(a))为实心铸造件,而通风盘(如图1-(b))内部有数量不一的工艺孔洞,因此,相较于实心盘其重量更轻,制造工艺要求更高、更复杂,价格也更为昂贵。就材料而言,实心盘多为灰铁材料,通风盘材料则较多样,常见有碳纤维强化材料、铝基复合材料、陶瓷等材料。就性能而言,实心盘由于重量较大,会增加油耗和维修成本,而且由于其散热性能较差,使用过程中刹车所产生的热量会严重影响制动效果进而影响其使用寿命;通风盘在车辆行驶过程中,其中间的通风道可充分利用流动的空气进行制动系统散热,从而有效降低制动的热衰退。因此,相较于实心盘,通风盘的散热效果更好,刹车效果更佳,使用寿命更长。就使用位置而言,通风盘多用于前轮,实心盘多用于轿车后轮或者微车前轮。刹车盘虽整体结构型式不同,但其力学性能、化学成分、金相组织、尺寸公差和形位公差、外观要求等均须满足相关国标要求。

图1 刹车盘分类(按有无通风道分类)

汽车刹车系统按照整体结构型式(如图2所示)可分为盘毂一体型、工字型和普通型三种。[5]通常,人们将刹车盘分为盘毂一体型和分体式两种：盘式刹车与毂式刹车相比,盘式刹车制动力大且稳定,刹车效果更好,而毂式刹车由于散热性差,在刹车过程中会聚集大量的热量,产生刹车热衰退现象,刹车毂在高温影响下易发生变形,会出现刹车抖动现象,刹车效率也会下降,但是毂式刹车制动效果相对更好,制造工艺更为简单,造价更低,也能更容易地加装手刹系统。盘毂一体型刹车则结合了盘式刹车和毂式刹车的特点,其结构尺寸更为紧凑,制动距离较短,制动减速度较高,制动抗热衰性能较强,制动稳定性较高,制动时汽车稳定性也能够得到保证,因此,盘毂一体式刹车系统近年来得到了广泛应用。相比于盘毂一体型刹车系统,分体式刹车盘的中间连接通常将铝合金材质的合头通过螺丝与碟圈联结在一起,此种结构的刹车盘优点是维修方便,在维修时可只更换碟圈,合头则可根据实际磨损情况选择更换或不更换。因此,分体式刹车盘可减少维修费用,但是分体式刹车盘的缺点是如长时间刹车或大力刹车的话,会发生变松或者变形,需要常检查,如有松动或变形迹象,需要及时进行维护和更换。

图2 刹车盘分类(按结构型式分类)

(二)刹车盘常见的表面缺陷

经刹车盘铸造工艺流程(见图3)铸造出来的刹车盘经常会存在砂眼、气孔、缩孔、裂纹、凹坑、斑点、偏箱、振纹、磕碰等各种表面缺陷[6](见图4),最为常见的是气孔、砂眼、缩孔、裂纹等表面缺陷。根据GB/T34422—2017要求,对上述表面缺陷有严格尺寸要求,以确保刹车盘的强度和刚度,其位置精度和刹车面粗糙度也必须同时满足相应国家标准和行业标准。

图3 刹车盘铸造工艺流程

图4 刹车盘常见缺陷(依次为砂眼、缩松、气孔、裂纹、振纹、安装孔缺陷)

刹车盘常见表面缺陷中,产生气孔的原因是因为在浇注过程中,金属液在浇道内流动同时会产生大量气体,随着金属液的逐渐冷却和凝固,气体溶解度会逐渐降低,使得析出的气体无法完全排出,这些未排出气体在刹车盘成型后便会形成孔洞,这些孔洞即被称为气孔。气孔会给刹车盘造成多种不利影响,如减少刹车盘有效截面面积、导致局部应力集中、零部件疲劳强度下降、刹车盘在外力作用下易产生裂纹等。表面缺陷中砂眼产生原因主要是由于在刹车盘制造工艺过程中有杂物落入、型具损伤等。表面缺陷中缩孔产生原因主要是由于刹车盘浇注料在冷却过程中体积会收缩,而收缩区域所缺失液体没有得到有效快速补充,因此产生了缩孔。表面缺陷中裂纹主要分为热裂纹、冷裂纹和温裂纹三种,热裂纹出现在刹车盘浇注料凝固后期,当浇注料的线收缩受到阻碍时会产生裂纹;冷裂纹出现在刹车盘铸造后仍具备弹性状态的一段时期,此时期内当铸造应力大于金属强度时会产生裂纹;温裂纹出现在刹车盘在气割和焊补过程中,由于气割和焊补时温度较高,高温覆盖区域与其相邻的刹车盘区域会出现较大的温差,温差会导致裂纹的产生,无论何种裂纹都会降低刹车盘的强度,易导致刹车盘出现断裂现象。上述所有表面缺陷均会影响刹车盘的安全性能和使用寿命,进而最终影响驾乘人员的生命安全。

(三)刹车盘表面缺陷检测现状

依据GB/T34422—2017规定：刹车盘摩擦面的表面粗糙度Ra≤3.2μm,刹车盘表面需抛丸处理,表面应无粘砂;刹车盘产品表面应无裂纹、冷隔、缩孔等缺陷,其摩擦面与安装面连接处及安装孔的周围10mm范围内不准许有缺陷,缺陷不准许焊补、修补;刹车盘摩擦面和安装面上允许气孔、砂眼存在,但是气孔直径不得大于2mm,深度不得大于0.5mm,同一面上不准许超过2处缺陷,且缺陷间距不得小于50mm;刹车盘摩擦面、安装面及与车轮耦合面上不得有磕碰伤和毛刺,锐边应倒钝。因此,为满足国家标准对刹车盘表面质量的要求,刹车盘生产企业需要在生产检验工序中及产品下线后进行表面缺陷检测,检验不合格的需返工或报废。

在生产过程中,因生产技术、制造环境、员工技术素养等因素会导致刹车盘产成品出现各种质量问题,其中刹车盘表面缺陷是其质量问题的最直观体现。因此,表面缺陷检测是质量检测的一个重要环节。表面缺陷通常是指在物体表面发生的形状、颜色、纹理等的可视变化[7],由于国内刹车盘生产企业大多采用手工造型、粘土砂湿型、冲天炉熔炼铁液等[8]生产工艺,其中粘度砂湿型生产工艺被广泛应用于国内刹车盘生产企业,此工艺中型砂的主要粘结剂是粘土和适量的水,砂型制作完成后可以直接在湿态下进行合型和浇注,此种工艺的优点是经济实惠,原材料可多次回收再利用,铸型制造周期短,砂型较方便拔模和下芯。其缺点是混砂效果较难保证,需要高功率的混砂设备来保证,造型时型砂流动性差,难以夯实,铸型的刚度较差,铸件的尺寸精度较差且易产生夹砂、气孔等缺陷。冲天炉熔炼铁液工艺用焦炭作燃料,焦炭燃烧所产生的热量被直接用来熔化炉料和提高铁液温度,在能量消耗方面此生产工艺比电孤炉和其他熔炉均低,且冲天炉具有结构简单、操作方便、维修容易、熔化连续、生产率高、耗电少和熔炼成本较低等优点,其缺点是由于铁液直接与焦炭接触,在熔炼过程中会发生铁液增碳和增硫现象,最终会导致刹车盘产品的成分不稳定,从而易产生裂纹、气孔、砂眼等缺陷。

综上所述,由于不同企业适用的生产工艺不同等原因,导致各生产厂家生产出的刹车盘产品成分不一,缺陷种类不一,所以相应的缺陷检测方法也不尽相同。目前,常用刹车盘表面缺陷检测方法主要有人工肉眼检测、手动仪器辅助的人工检测和三坐标测量仪、全站仪、激光跟踪仪等检测设备半自动检测三种方式。人工检测主观因素较大,且判别标准不一,判别方法不一,检测设备精度不一,会导致获取到的缺陷数据不精准,且上述各种方法检测时间成本较高,检测效率较低。因此,如何高质高效的检测各种表面缺陷,一直是刹车盘行业关注和研究热点之一。

二、机器视觉技术发展历史及研究现状

机器视觉技术[9]是计算机学科的一个重要分支,至今虽只有几十年历史,但已成为各行各业必不可少的应用技术之一。机器视觉起源于上世纪50年代,1960年,美国学者罗伯特提出了从2D图像中提取三维结构的观点,引发了MIT人工智能实验室及其它机构对机器视觉的关注,这标志着三维机器视觉研究的开始。1978 年,大卫·马尔开创了“自下而上”的通过计算机视觉捕捉物体形象的方法,该方法以2D图像的轮廓素描为起点,逐步完成3D形象的捕捉,这一方法的提出标志着机器视觉研究的重大突破。20世纪80年代开始,机器视觉掀起了全球性的研究热潮,新的方法理论层出不穷,机器视觉相关技术也得到了广泛的传播与应用。90年代初,市场上开始出现各种各样的图像处理产品,产品迭代更新速度极快,机器视觉相关技术也被应用到各行各业的生产制造过程中,机器视觉应用领域迅速扩张。随着LED灯、传感器及控制结构等元件的生产技术的发展,降低了机器视觉行业的生产成本,加速了机器视觉技术的进步和推广。2000年至今,随着更高速的3D视觉扫描系统和热影像系统等逐步问世,机器视觉的软硬件产品可被应用至生产制造的各个阶段中。

基于图像处理的表面缺陷检测方式一般步骤为：图像采集、图像预处理(去噪、增强等)、图像分割、特征提取及分类识别。图像分割一般包括：阈值分割[10]、边缘检测[11]和区域生长[12]三种方式,其中阈值分割可用来降低光照不均匀等因素的影响;边缘检测可通过计算提取出被检测物的轮廓信息;区域生长可用来描述缺陷内部的像素点信息。特征提取通常运用各种算法对被检测物从颜色、纹理、形状三个角度进行特征数据计算和收集,但此方法的缺点是泛化性较低,有时需手动调参,耗时较长。

机器视觉系统主要包括光源、镜头、工业相机、图像处理软件和系统集成五个部分[13](见图5)。主要用途是对目标进行图像采集、数据处理和分析。首先,机器视觉系统通过图像摄取设备采集到目标图像;然后,通过视觉系统后台将获取到的二维或三维图像转化成信号数据,并对信号数据进行处理后得到最终的图像特征数据;最后,再利用依据特征数据对与之关联的生产设备进行控制和调整。整个过程涉及到了智能控制、人工智能、图像处理、计算机等各种技术领域。因此,机器视觉技术是一门综合的学科。

图5 工业机器视觉系统

近年来,工业机器视觉技术以检测精度高、效率高、可有效避免人工检测因主观性和个体差异所导致的数据偏差等优点,已被广泛应用于农业、军事、工业等各领域中。[14]在农业生产领域,机器视觉可用于农作物的成熟度监测、病虫害监测、植物生长情况实时监测等。[15]在工业生产领域,机器视觉可用于目标识别、定位和抓取、各生产工序输出产品质量监测、产品等级分类、产品分拣、产品包装跟踪等。[16]在军事领域,机器视觉可用于目标识别和定位、军事设备无人驾驶、排雷、爆破等。[17]

我国的机器视觉技术虽已有长足发展和广泛应用,但仍存在许多亟待改善的问题,比如图像实时获取仍有延迟,图像分析软件精确度仍有较大可提升空间,与其它技术的融合问题等均需深入研究。

三、机器视觉技术在刹车盘表面缺陷监测领域的应用及趋势

目前常见表面缺陷检测技术主要包括：电磁检测法、激光超声检测法、光学检测法、声学检测法、红外检测法、X 射线检测法以及机器视觉检测法[18],因机器视觉技术为无损检测,且检测数据准确度高,检测效率高,同时也能降低人工成本,相较于其它检测技术,它被更广泛地应用于各行各业中。国外基于工业视觉的检测技术研究起步较早,研究水平较高,其应用已包括轨道检测、钢铁质量检测、印刷品检测、电路板卡检测等多种高精尖领域,但其检测设备十分昂贵,检测系统授权成本居高不下,核心软件知识产权问题久未解决,因此,成为“卡脖子”核心技术之一的机器视觉检测已成为我国自主研发的重点领域。

运用机器视觉技术对刹车盘表面缺陷进行检测时,利用工业相机对刹车盘进行各种方位的拍摄后,将拍摄图像通过网络传输给图像处理系统,图像处理系统接收到图像后对其进行图像增强和降噪处理,以获得更清晰的图像并去除图像中的各种干扰,然后对图像进行模块分割,再利用不同种类表面缺陷的不同识别算法对缺陷模块进行挑选和识别,最后将收集到的缺陷数据反馈给工序控制系统,系统根据预先设定的数据范围对缺陷进行判定后做出剔除或流转到下一个工序的决定。

目前,国内刹车盘生产企业已经开始探索或逐步使用此项技术,但是如何高效地通过机器视觉技术获取刹车盘各种故障图像,并得到经相应软件处理的实时数据仍是目前研究重点和行业关注焦点。国内已经着力研究如何将机器视觉技术与一些准确性高、鲁棒性强的检测跟踪技术,图像采集技术,图像处理算法、光源处理技术等相融合,形成一套较为先进的视觉系统(如图6[19]所示),这也将是未来一段时间内的研究趋势和方向。未来的刹车盘缺陷检测系统将会在以下方面进行改进和提升：

图6 汽车刹车盘缺陷智能检测系统结构框图

(一) 智能控制机器人的使用

生产线上采用智能控制机器人来完成钻孔、精车、动平衡、镗磨、检测等工序的上下料,传统的人工上下料方式将会被逐渐取代,这样不仅确保了生产节奏,提高了生产效能,还大大降低了人工成本和人工致错率。

(二)工业3D相机的使用

随着图像采集和处理技术的发展,3D相机在刹车盘缺陷检测中应用日益广泛,相比于传统的2D相机,它可以实现流水线在线检测,通过对刹车片外形尺寸测量、表面图案及文字识别、特征有无判别等操作将不符合规定尺寸、混料、错装或漏装的产品检测出来,并将结果显示在屏幕上,同时将检测结果输出给PLC,系统根据检测结果做出不良品的处理决策。

(三)图像处理算法的优化

各种先进的图像去噪滤波算法[20]、缺陷图像定位算法、基于深度学习的图像识别与分割算法[21]等被逐渐应用于各行各业的检测操作中,图像处理算法的运算速度、编程速度都较之前有极大提升,目前国内外已逐步开始将生产工序中各生产设备进行连接和数据兼容,高集成化的工业控制模式正在形成。

四、结论与展望

刹车盘是汽车制动系统中的关键部件之一,汽车在高速行驶时的频繁紧急制动,会给刹车盘造成不可逆的累积磨损,其质量优劣直接影响车辆刹车性能以及行驶安全。刹车盘在铸造过程中由于含碳量较高,会存在砂眼、气孔、划痕、裂纹、凹坑和斑点等缺陷,当刹车磨损累计到一定程度时,不仅会缩短其使用寿命,甚至会影响到汽车行驶安全。因此,对汽车刹车盘表面缺陷进行检测,是保证刹车盘质量的必要工序和手段。

我国是刹车盘生产大国,目前国内刹车盘生产企业大多通过人眼或使用手动仪器辅助进行刹车盘缺陷检测。由于传统人工判别标准不一,会导致刹车盘缺陷检测效率低、出错率和漏检率高等问题,无法适用于大生产量的流水线车间里的实时检测和高端刹车盘的大批量检测。因此,引入自动化装备进行刹车盘缺陷自动检测以代替人工检测势在必行。

机器视觉技术因其稳定性强、鲁棒性强、检测精度高、速度快并且能够有效避免人工检测带来的主观性和个体差异等优势,在工业检测领域中占有越来越重要的地位,目前也正在逐步应用于刹车盘缺陷检测工艺中。随着图像处理技术、嵌入式技术、模式识别技术等的不断发展,工业相机、工业机器人、智能机器人等硬件设施的不断完善,基于人工智能软件和工业机器视觉技术相结合的自动化生产线将会逐步应用于刹车盘自动检测和缺陷件自动筛选,这将极大地提升刹车盘的缺陷检测效率和刹车盘的生产质量,最大程度地保证车辆及驾乘人员的安全。