JP2005517165A - 表面形状の光学的測定及び圧延処理設備における運動中のストリップの光学的表面検査のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、表面形状の光学的測定及び動いている長い物体の光学的表面検査のための方法及び装置に関し、これにより表面形状の測定と表面検査とが統合される。投影装置が、測定すべき対象物にラインパターンを作る。カメラが、測定すべき対象物の表面を記録し、基準パターンと画像情報を比較する。追加して、２個の高解像度カメラが測定すべき対象物の表面の欠陥を検出する。本発明の測定技術は、圧延設備における金属ストリップの組み合わせられた平面度と表面測定に対して特に適している。

Description

本発明は、表面形状の光学的測定及び圧延処理設備における運動中のストリップの光学的表面検査のための方法及び装置に関する。

低温ストリップ圧延機において通常使用される接触測定は、高温ストリップの分野においてはストリップの約１０００℃の高温のため、保守に相当の経費支出を要してのみ可能である。

従って、ストリップの平面度は、高温の圧延ロールとの接触なしに測定されることが好ましい。例えば、ストリップ上に投影された光のスポットの手段により平面度からの偏差を測定することが知られている。好ましくはレーザービームの手段により、ストリップの表面に作られた光のスポットの空間内の位置が、距離計を使用して検出される。

表面上のある特定の点の２個の平面位置座標が、ストリップの表面に関する走査ビーム又は照明ビームの位置から知られる。現在、測定される表面上の点の高さ座標は、位置感知センサーにより検出される。センサーにおける画像の点の位置は、高さ座標と同時に変化する。

複数の光源とセンサーとを使用して、ある特定の距離だけ離された位置においてストリップに投影された光のスポットの測定結果から、作られたストリップの幅全体にわたる平面度の画像を作ることができる。しかし、この方法においては、光の点と点との間の範囲は検出されず、かつ連続ストリップの場合は、平面度が決定されないストリップ状の測定間隙が形成される。更に、これは、例えばこの測定方法においてはストリップのむらとして検出されるストリップのフラッターのため、測定誤差の生ずる可能性がある。

自動車産業においては、モアレ技術を使用して比較的小さい表面を測定することが知られている。この方法においては、光源の手段により対象物の表面上に干渉パターンが作られる。この干渉パターンがＣＣＤ（電荷結合素子）カメラを使用して検出される。このカメラは、光源、表面及びカメラの間である角度が形成されるように配列される。画像面における基準格子の使用により、検出されたパターンと基準パターンとの重ね合わせにより、いわゆるモアレ効果が得られる。高さの差は、モアレ線から定量的に決定することができる。

モアレ技術は、光のスポットを使用した測定より高精度の測定を提供し、かつ測定すべき表面の実質的に全体を測定でき、更に上述の測定間隙を避ける。しかし、その使用は、特に高温圧延機においては問題を含む。

圧延されたストリップの高さの差を決定するためには、カメラにより検出されたパターンの複雑な変換が必要である。モアレ線として描かれた高さの差は、実時間で定量的な測定値に変換することができない。

しかし圧延機列においては、測定値から得られた迅速な結果が正確であることが要求される。さもなければ、連続ストリップの平面度を改善するように、圧延のパラメーターの調整を指令するために測定値を使用することが非常に困難である。更に、産業的な応用に対しては細かい干渉パターンはコントラスト及び強度が不足である。

特許文献１から、金属ストリップの表面測定用の装置であって、レーザービームの支援により金属表面上にラインを作り、これらのラインが数個のライン走査カメラにより記録され、そして基準パターンとの比較により表面形状を決定するために解析される装置が知られる。この装置は、かなりの構成的な努力を必要とし更にストリップの表面形状についての粗い部分的な情報を許すだけである。

特許文献２から、測定表面にラインパターンを作り、このラインパターンを解像し得るカメラによりこのラインパターンを検出し、そして得られた測定データを基準測定値と比較する方法が知られる。処理制御用コンピューターの手段により、測定結果は、仕上げ圧延機列のための制御パラメーターに直接変換され統合される。この方法は、外乱に対してあまり反応しない長所を有し、このことは、敏感なレーザー光学系を使用せずに鈍感なスライド投影装置を使用するため、圧延機において重要なことである。

測定表面は、ここでは、運動中又は静止している圧延材料のストリップの表面として理解すべきである。

スライドを有する投影装置は、ストリップ表面上にラインパターンを作る。このために、投影装置は金属ストリップの上方で取り付けられ、そして金属ストリップの表面上にラインパターンを投影し、このため、これらのラインがストリップ表面を横切って走り、従ってストリップの幅全体が記録されことが好ましい。

例えば、１ライン当たり８画素の解像度を有するＣＣＤカメラが、ストリップ表面を横切って走るラインを検出する。ストリップが絶対的な平面である場合は、一定のライン間隔を有する直線の一様なパターンが形成される。

理想的な平面からのストリップ表面の偏差が、非平面の範囲内のライン間の間隔の変化をもたらす。この変化がカメラにより記録される。これが、簡単な方法で計算することにより、理想的パターンとの比較により高さの差に変換される。

このシステムは、ストリップ表面の実際の高さの差の迅速な決定を可能とし、そしてこの方法で連続ストリップの実時間における測定ができる。これは、測定結果が、非平面の出現の直後に圧延パラメーターの適合を許すという利点を持つ。

これは、測定が偽の測定結果に不感であることを可能にする。かかる偽の結果は、例えば高さ座標に関するストリップの全表面の運動（フラッター）の結果として通常の測定システムにより得られる。更に、本発明は、決定すべきストリップの横断方向のアーチ形成を許す。通常の測定システムは、ストリップ繊維の長さを測定するだけである。加えて、測定ラインの強度と幅とを、種々の条件に合うように適合させることができる。細くて低強度及び低コントラストのモアレ線の問題は生じない。

本発明のシステムは、コイラーにおけるストリップの測定と組み合わせられた仕上げスタンドから出てくるストリップにおける測定を行うのに特に適している。この配列により、平面度制御のために、仕上げスタンドとコイラーとの間のストリップの冷却によるストリップの平面度にける変動を検出し評価することができる。

仕上げスタンド及びコイラーの制御のため及びコイル巻きラインの制御のために、測定データを評価することができる。

意図された値からの逸脱を組み入れた測定結果は、仕上げスタンド、冷却ライン、及びコイラーに対するパラメーターの即時かつ独立した適用をもたらす。

本発明によるシステムは、仕上げ列における平面度の測定に対する使用に加えて、続く生産ライン、例えば伸長用装置の制御において及び酸洗いラインにおいて使用することもできる。

平面度に加えて、表面検査システムにより検出される厚さ、横断方向の厚さプロフィル及び幅、並びに表面状況のような形態値の寸法安定性は、ストリップ及びシートの圧延及び更なる処理における関連した品質特性の部分である。密な許容差を保つことが望ましくかつ販売し易い製品品質のための測定だけでなく、更に特に常に増加している生産工程の自動化に伴ってできるだけ外乱のない全処理行程のためにも重要である。

処理工程における上述の品質特性のオンライン獲得並びに制御及び閉回路制御による工程の最適化は品質改良の重要な業務に属する。
米国特許第５，４８８，４７８号 明細書 ドイツ特許第１９７ ９８ ９２２ Ｂ１号 明細書

上述された特性の測定技術の手段による決定のために、平面度決定（平面度測定システム）、ストリップ幅（幅測定システム）、及び表面条件（表面検査システム）のための光学的システム、並びにストリップの厚さの決定又はストリップの厚さの横断方向プロフィルの決定のための放射計システムのような「１目的装置」が本技術において知られている。これらシステムは、互いに無関係に作動し、そして相互間の干渉を除くために空間的に互いに間隔を空けられ、これはかなりの建物空間を必要とする。

表面検査光学システムは、好ましくは従来技術において使用された。これらは、通常、以下の構成要素を備える。即ち、
ストリップ表面を照明するための照明ユニット、間隙なしにストリップ表面を記録するためのカメラユニット、カメラ画像の情報を処理するための処理ユニット、及び処理の統合と分類結果の統合表示のためのインターフェースユニット。

一般に、以下のシステム形式の表面検査は識別されるべきである。即ち、ラインカメラを有するシステム、及び数個のＣＣＤマトリックスカメラを有するシステムである。

照明は、ある特定の生産ラインにおいて発生し得る誤差を、最良の可能な光学的コントラストで検出できるような方法で設計されることが好ましい。マトリックスカメラの場合、必要な光量を短い時間間隔で放出するストロボ照明が一般に使用され、これにより、電子カメラのシャッターを介した動きによるぼけが抑制される。

画質及び検出性能は照明の均一性の影響を直接受けるので、照明の高度の均一性を達成することが試みられた。照明の不均一性は、画像信号を増強させることにより適合させねばならない。これが、結果として信号−ノイズ−分離の減少に導く。ラインカメラのような単一ラインによる場合よりも、マトリックスカメラの場合は２方向における画像増強による補償が著しく大きいので、照明の均一性が有利である。全ての照明について、スペクトルの可視部分及び赤外線部分又は紫外線部分における器具がある。発光は、適切な光学的構成要素により拡散し又は集光するようにすることができる。

カメラの性能は、ストリップの全ての速度条件下で最小の誤差寸法を解明し得るような方法で寸法が決められることが好ましい。画像は、ストリップの長さに関連して記録される。カメラの動的スペクトルを完全に使用するために、画像の輝度を自動的に制御し得ることが好ましい。

ある期間、完全に使用されるシステムの場合は、ラインカメラシステムがまず市場で入手可能でありかつ検査が明らかに単純である低要求度の表面において最初に使用されたため、「ラインカメラ」により明らかな不均衡が登録された。マトリックスカメラを使用する多くのシステムは、最近２〜３年間で使用され始められただけであり、かつまだ初期運転中又は性能調査中であるに過ぎない。現在では、基本的に、マトリックスカメラシステムとラインカメラシステムとの間に大きな性能の差は存在しないことを言わねばならない。ラインカメラシステムは、処理及び運転の点で費用が少ない。

カメラ解像度は、分類可能な最小誤差寸法により決定され、光学的画像化の法則により制限される。最小誤差寸法は、下流側の処理における良好な分類を得るためには、少なくも１６個の検出された画素、即ちシステムにおいて欠陥として検出される画素によりカバーされることが好ましい。特定誤差の画像化の最適化のために、カメラの観察方向及び傾斜の選定は重要なことである。輝く領域及び暗い領域の観察が支配的であり、最近は側方領域の観察も使用されている。

種々の照明及びカメラ配列を組み合わせることにより、それぞれの用途に対する最適の設置条件を開発することができる。

画像処理ユニットにおいては、連続記録された表面の画像が、情報内容について調査される。「誤差画像」の特性が、記録されていた誤差特性と比較される。それぞれが一致した場合、「予め準備された」誤差分類の一つへの自動的な分類を行うことができる。画像特性の抽出及び比較は、現在における大きな計算性能を必要とする。

現在入手可能な検査システムは、閾値レベルで記録された画像点を比較する。欠陥として識別された画像点が設定され、その他の全ては設定されない。これらの「２値画像」から各画像点について記録されている輝度情報を用いて、分類のためのパラメーターが得られる。

インターフェースユニットは、重要なストリップ情報及び制御情報を有する表面検査システムを提供するために、通常は用途を特定して設計される。これは自動化及びデーターベース技術における標準の業務である。

従来技術においては、平面度測定用及び表面検査用の説明されたシステムは、互いに独立して作動し、かつ相互間の干渉を排除するために互いに間隔を空けられ、これは相当な建物空間を要求する。

本発明の目的は、改良された測定ができ、更に空間を節約するように設計できるシステムを提供することである。

このため、独立請求項による方法及び装置が提案される。

これらの装置及び方法の統合可能性により、測定の信頼性を大きくさせる相乗効果が得られる。

本発明は、好ましくは高解像度で迅速なラインカメラによる画像認識に基づいて平面度測定と表面検査とを一緒にしようという基本的な考え方に基づく。このシステムは、更に、ストリップ幅又はシート幅の決定のために追加使用することができる。

実施例により、以下の利点を得ることができる。即ち、
特に照明ユニットに関して「多数使用」により必要な構成要素数が減らされる。

単一使用システムと比較して所要の建物空間が著しく小さくなる。

表面形状測定から幅測定への結果の包含が、非一様なストリップ幅の場合の幅測定の測定の信頼性を大きくする。

表面形状測定から幅測定への結果の包含が、特にストリップがフラッターのため通過線内にない場合又は平らなストリップ形状を持たない場合における歪みのない誤差の再現を許す。ストリップが撓みローラーのような追加のローラーにより張られない部分において、ラインカメラの手段により画像を記録することが可能である。

表面形状解析能力の結果の組入れが、表面検査の偽の誤差部分を著しく減らす。

本発明は図面に示された実施例を参照して、例示の方法により、更に詳細に説明されるであろう。

表面形状の光学的測定及び光学的表面検査のための本発明による方法は、運動中又は静止している細長い本体部、好ましくはストリップ又はシートに対して使用することができる。

本発明による装置は、ラインカメラが投影装置と同軸上に位置決めされた図５による構成を有することが好ましい。

ストリップ１を横切って走っている測定線２が、投影装置３を使用して測定物又はストリップの表面４上に作られる。

測定用の装置は、計器ケース１３上で、ある場合は、仕上げスタンド６からの出口内に配置され、他の場合はコイラー７の前方に配置される。ＣＣＤカメラ５が、水冷ハウジング内で、計器ケースのコイラー７に近い側に置かれる。投影装置３は、計器ケースのコイラー７から遠い方の側に置かれる。ハウジングは、熱を取り去るために空気で冷却される。投影装置３及びカメラ５の冷却は、これらの固有の熱と約１０００℃のストリップ１からの放射熱とを取り去るために必要である。

カメラ５と投影装置３とは、ストリップの運動方向に関して続いて配列され、そしてこれらの間に置かれたストリップの区域を目標とする。ここには、ラインパターンが作られサンプルされる。使用される投影装置は、例えば、高温のスラブ上でも容易に読み得るラインパターンを作るクセノン光源とすることができる。

ストリップ表面４における非一様が、測定ライン２に不規則な経路を取らせ又は幾何学的な直線から離れさせる。

非平面により生じたラインの経路の変化は、測定ライン２におけるＣＣＤカメラ５の手段により検出される。これが検出された後で、測定画像が、コンピューターにより、先に記録された記録された基準パターンと比較される。高さの差及び仕上げ列の制御用のパラメーターが、この偏差から直接誘導される。

これにより、ストリップ又はシート１が矢印の方向に沿って動くときの、これの平面度の完全な描写が得られる。基本的に、測定は、静止している圧延材料で行うこともできる。

平面度制御システムの線図（図４）から、本発明により設計を見ることができる。高温のストリップ１が、仕上げロール６及びストリップ冷却ライン８を通ってコイラーピット内のコイラー７に通過する。仕上げロール６からの出口において、高温ストリップの平面度が検出され、仕上げ用ロールの最終スタンドの制御（ロールの曲げ及び傾斜）のために解析され評価される。この内部平面度制御ループ９に、外部平面度制御ループ１０が追加される。ストリップ冷却ライン８の後方でかつコイラー７の前方におけるストリップ平面度の測定により、外部平面度制御ループ１０は、内部制御ループの意図された値に適合するように設計される。

ストリップ冷却ライン後方で検出された測定値を使用して、ライン８冷却用の意図された値に適合させることを許す第１の副制御ループ１１も作られ、更にコイラー７の張力の意図された値に適合させることを許す第２の副制御ループ１２も作られる。

欠陥（誤差）検出のためのストリップ表面のサンプリングは、追加して設置されストリップの幅全体を横切って表面の検出ができる高解像度のラインカメラにより行われる（図５）。両方のラインカメラは、投影装置により照明された（「輝く」）ストリップに向けられる。カメラの光学軸は、ストリップ表面の高さが変化した場合でもラインカメラを通してそれぞれ照明されたストリップを記録するために、投影ビームの方向に向けられる。ストリップ表面に関する投影装置の配列を考慮した２個のラインカメラの適合された配列のため、一方のカメラは「輝く領域」において作動し、第２のカメラは「暗い領域」において作動すること（図５）ができ、このことは異なった特性の表面欠陥があるときの検出装置性能の最適化のために必要である。両カメラの画像は、誤差識別のための画像処理ユニットに供給される。

ラインカメラの画像の幾何学的な歪み修正のため、平面度測定システムにより得られた測定領域に沿った高さプロフィルを使用することができる。

更に、平面度測定値からの情報−特に長手方向を横切る長いプロフィル−と誤差画像との直接連結において、例えば局所的な破断強度超過により圧延処理中に発達する可能性のある横断方向の亀裂及び縁の亀裂のような誤差の識別を改良することができ、これにより誤差原因についての表示を同時に導き出すことができる。

表面の検査に加えて、ストリップの縁の位置及びストリップの幅の高解像度の定量的決定のために、両方のラインカメラの画像情報を、平行平面度測定の結果と組み合わせて使うことができる。このためには、平面度測定システムにより決定される測定領域に沿った高さプロフィル及びラインカメラにより検出されたストリップの縁の情報とが、幾何学的変換のために使用される。

ある長さのストリップ上の測定ラインの作成と検出とを示す。 仕上げ列の方向に配置された保護装置とカメラとを示す。 コイラーピット前方に配置された投影装置とカメラとを示す。 平面度制御システムのブロック図を示す。 平面度測定及び表面検査の１個の装置への一体化を示す。

Claims (10)

1. 長い物体の表面形状の光学的測定及び光学的表面検査のための方法であって、
   表面形状の測定及び表面検査が統合されること
   を特徴とする方法。
2. ストリップ又はシートの表面測定のための照明ユニットであって、
   表面検査に加えて表面形状の測定のための使用を特徴とする照明ユニット。
3. 表面形状測定の結果が表面検査に含まれることを特徴とする請求項１による方法。
4. ラインカメラの手段による画像レコーディングを特徴とする請求項１による方法。
5. ラインカメラが、投影装置と共に１軸上に設置されることを特徴とする請求項４による方法。
6. 表面の外形が、光源の手段によりストリップ表面にラインを作ることにより達成されること及び複数のライン（２）のパターンが投影の手段により、特に投影装置により圧延中のストリップ（１）上に作られることを特徴とする請求項１による方法。
7. 平面度測定のためにストリップ表面（１）上にパターン（２）が作られることを特徴とする請求項１による方法。
8. パターン（２）が、カメラ（５）によるその検出後に、コンピューターにより基準パターンと比較されることを特徴とする請求項１による方法。
9. 仕上げ列を制御するために測定値が使用されることを特徴とする請求項１による方法。
10. 投影光源（３）としてクセノンライトが使用される請求項１による方法。