JP2012013509A - 表面検査装置及び表面検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長手方向に連続的に入った表面疵を精度よく検出することができるようにする。
【解決手段】長尺の被検査材２の表面を照明する照明手段１６と、被検査材２の表面を撮像する撮像手段１７と、この撮像手段１７にて撮像された被検査材２の表面の画像を処理して欠陥部２０を抽出する画像処理手段１８とを備えた表面検査装置１５において、照明手段１６を当該被検査材２の周りに揺動又は回転させる移動手段１９を備えている。移動手段１９は、被検査材２を囲うように形成され且つ照明手段１６が被検査材２を向くように当該照明手段１６を支持する支持部材２１を備え、この支持部材２１は照明手段１６が被検査材２の周りを揺動又は回転できるように移動自在となっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、長尺の被検査材の表面の欠陥を検査する表面検査装置及び表面検査方法に関する。

従来より、線材、棒鋼、鋼管などは圧延材を熱間または冷間で圧延することによって製造されるのが一般的である。圧延材の圧延速度（通材速度）は、例えば、１００ｍ／ｓｅｃであり非常に速く、通材中に目視にて圧延材の表面疵を見つけるのは非常に難しい。そのため、圧延を行いながら圧延材の欠陥部（表面疵）を検査するには、各種非破壊検査装置によって自動的に欠陥発生を検出している。圧延材（被検査材）の表面を検査する方法として、渦流探傷や漏洩磁束探傷などの電磁気的探傷試験が広く用いられているが、被検査材の振動や被検査材の電磁気特性のムラによるノイズ発生などで誤過検出が問題となる場合も多い。そのため、高速カメラを利用した光学的な自動表面検査装置が近年開発されてきている。

一般的に、連続的に製造される被検査材を光学的に検査する場合、高温物体自体が発光する場合を除いては、照明手段で被検査材を照射する必要がある。
照明方法として特許文献１に示されたものがある。この特許文献１では、当該文献１の図５に示されているように被検査材が貫通する円形のリングの周りに照明を配置して被検査材の全体に一斉に照明を照射している。詳しくは、カメラなどの撮像部を挟んで上流および下流のどちらかまたは両側に照明を配置し、長手方向やや斜めから光を被検査材に照射している。そして、被検査材の全体を照明した状態で撮像部にて当該被検査材の表面を撮像し、欠陥部と正常部との照明の反射状況を比べることによって、欠陥部、即ち、被検査材の表面疵を認識するようにしている。

特開２００９−８６５９号公報

さて、圧延材を圧延したとき、長手方向に長いエッジ状の表面疵が連続的に入る場合がある。特許文献１に示すような従来の技術では、圧延材（被検査材）の表面に一様の照明を当てていたため、表面に形成されたエッジ状の疵を検出することは非常に難しいという問題があった。
本発明は、上記課題を解決すべく、長手方向に連続的に入った表面疵を精度よく検出することができる表面検査装置及び表面検査方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、次の手段を講じた。
本発明の技術的手段は、長尺の被検査材の表面を照明する照明手段と、被検査材の表面を撮像する撮像手段と、この撮像手段にて撮像された被検査材の表面の画像を処理して欠陥部を抽出する画像処理手段とを備えた表面検査装置において、前記照明手段を当該被検査材の周りに揺動又は回転させる移動手段を備えている点にある。

前記移動手段は、前記被検査材を囲うように形成され且つ照明手段が被検査材を向くように当該照明手段を支持する支持部材を備え、この支持部材は照明手段が前記被検査材の周りを揺動又は回転できるように移動自在となっていることが好ましい。
前記支持部材には前記被検査材を向くように撮像手段が支持されていることが好ましい。

前記支持部材には、被検査材の全周表面を撮像すべく当該被検査材を中心として向き合うように配置された少なくとも２つ以上の撮像手段と、前記撮像手段の光軸の両側に位置し且つ被検査材を向くように配置された複数の照明手段と、が相対位置不動に設けられていることが好ましい。
前記被検査材の全周表面を撮像すべく当該被検査材を中心として向き合うように配置された２つ以上の撮像手段が移動不能に固定されており、前記支持部材には、前記撮像手段の光軸の両側に位置し且つ被検査材を向くように配置された複数の照明手段が備えられていることが好ましい。

前記撮像手段と、当該撮像手段に隣接する照明手段の光軸とのなす角が、７０〜９０°の範囲となるように設定されていることが好ましい。
前記支持部材はリング状に形成されて回転又は揺動自在となっていることが好ましい。
本発明の他の技術的手段は、長尺の被検査材の表面を照明しつつ当該被検査材の表面を撮像し、撮像した被検査材の表面の画像を処理することで被検査材の欠陥部を抽出する表面検査方法において、前記被検査材を照明する照明手段を当該被検査材の周りに揺動又は回転させながら被検査材を撮像する点にある。

前記照明手段に加えて被検査材を撮像する撮像手段を当該被検査材の周りに揺動又は回転させながら被検査材の表面の全周を撮像することが好ましい。

本発明によれば、長手方向に連続的に入った表面疵を精度よく検出することができる。

圧延設備の概略図である。 表面検査装置の概念図である。 表面検査装置の詳細図である。 表面疵を撮像したときの陰影の変化図である。 画像処理の手順を示すフローチャートである。 画像処理の手順を示す説明図である。 他の表面処理装置の詳細図である。

以下、本発明の表面検査装置及び表面検査方法を説明する。
［第１実施形態］
本発明の表面検査装置及び表面検査方法は、長尺の被検査材の表面疵を検査するものであって、例えば、線材、棒鋼、鋼管の表面疵を検査するものである。線材を例にとり説明する。図１は、線材を製造する圧延設備を示したものである。

圧延設備１は、例えば、鋼材からなる圧延材２を連続圧延して線材を製造するものであり、上流側から下流側に向けて、圧延材２を加熱する加熱炉３、デスケーラ４、粗圧延機５、中間圧延機６、仕上げ圧延機７、巻き取り機８が順番に配設されている。なお、図１の圧延設備１は、圧延材２を連続圧延して棒鋼，鋼管を製造するものであってもよい。
以下の説明において、図１の左側を上流側、図１の右側を下流側とする。

加熱炉３は圧延材２を１０００〜１２００℃程度に加熱する装置であり、加熱炉３で加熱された圧延材２はデスケーラ４に送られる。デスケーラ４は加熱後の圧延材２の表面に形成されたサブスケールを水蒸気の作用、高圧洗浄水の噴き付け、又はメカニカルブラシなどで除去する装置であり、デスケーラ４でサブスケールが除去された圧延材２は粗圧延機５に送られる。粗圧延機５、中間圧延機６及び仕上げ圧延機７は、圧延材２を所定の大きさに圧延するもので、仕上げ圧延機７で所定の大きさに圧延された圧延材２は巻き取り機８に送られて、圧延材２がリング状に巻き取られる。

粗圧延機５、中間圧延機６、及び仕上げ圧延機７は、対になった圧延ロール９、９を備えた複数の圧延スタンド１０を備えている。圧延ロール９は円筒状や円柱状に形成されたもので、その外周面（外周部）には様々な形状のカリバー１１が形成されている。各圧延スタンド１０には、圧延ロール９が様々な方向を向けて配置されている。
この圧延設備１によれば、圧延材２を各圧延スタンド１０に通材し、圧延ロール９は圧延材２に対して水平方向、垂直方向等様々な角度から圧延し、当該圧延材２をカリバー１１によって角、楕円、丸等に変形させつつ当該圧延材２の断面を順次減少させることにより、圧延材２を所定の大きさに圧延することができる。

さて、このような圧延ロール９にて圧延材２を圧延すると、圧延材２の表面に長手方向に長い疵が入ることがある。圧延材２の表面に疵（表面疵）が入ると、表面疵の入った部分を破棄しなければならないため、圧延材２の圧延を行うにあたっては素早く表面疵を検知して対策を講じなければならない。本発明によれば、表面検査装置１５や表面検査方法によって、圧延材２の表面疵を素早く検知できるようにしている。

以下、表面検査装置及び表面検査方法について詳しく説明する。
表面検査装置１５は、仕上げ圧延機７の下流側に配置されている。なお、表面検査装置１５は、粗圧延機５と中間圧延機６との間、中間圧延機６と仕上げ圧延機７との間に設けてもよい。
図２は、表面検査装置１５の概念図を示したものである。図２に示すように、表面検査装置１５は、照明手段１６と、撮像手段１７と、画像処理手段１８と、移動手段１９とを備えている。

照明手段１６は、長尺の被検査材（圧延材２）の表面を照明するものであって、被検査材２の周りに所定の間隔をおいて配置されている。撮像手段１７は、被検査材２の表面を撮像するものであってＣＣＤラインカメラ等により構成されており、照明手段１６と同様に被検査材２の周りに配置されている。画像処理手段１８は、撮像手段１７にて撮像された被検査材２の表面の画像を処理して欠陥部２０を抽出するものであって、コンピュータ等により構成されている。移動手段１９は、照明手段１６を当該被検査材２の周りに揺動又は回転させるもので、少なくとも照明手段１６を支持すると共に被検査材２の周りを揺動又は回転する支持部材２１を備えている。

詳しくは、支持部材２１は、被検査材２を囲うようにリング状に形成されたもので、その内壁が被検査材２が通過する通過部２２とされている。リング状の支持部材２１は、被検査材２の周り、断面が円形状となっている被検査材２の周方向に所定の角度で揺動又は回転するように図示省略のフレーム等に取り付けられている。支持部材２１の揺動中心と回転中心は、被検査材２の位置と同じに設定されている。

支持部材２１の上側の内壁と下側の内壁には、光軸が被検査材２に向く２つの撮像手段１７が取り付けられている。上側の撮像手段１７Ｕは、被検査材２の表面の大凡上側半分を撮像するものとされ、下側の撮像手段１７Ｄは、被検査材２の表面の大凡下側半分を撮像するものとされている。なお、撮像手段１７は、互いに光軸が向き合うとように少なくとも２つ以上であればよく、台数は限定されない。

また、支持部材２１の内壁には、被検査材２を向くように４つの照明手段１６が取り付けられている。詳しくは、互いに向き合う撮像手段１７の光軸を中心として支持部材２１を分けて見たとき、支持部材２１の左側の内壁に２つの照明手段１６Ｌ，１６Ｌが取り付けられ、支持部材２１の右側の内壁に２つの照明手段１６Ｒ，１６Ｒが取り付けられている。即ち、支持部材２１には、撮像手段１７の光軸の左右両側に位置するように４つの照明手段１６Ｌ，１６Ｌ，１６Ｒ，１６Ｒが所定の間隔をあけて取り付けられている。なお、照明手段１６は、撮像手段１７の光軸の両側に配置すればよく、台数は限定されない。

これにより、支持部材２１の内壁に取り付けられた撮像手段１７や照明手段１６は、支持部材２１に対しては移動不能となっていて、支持部材２１が揺動したり回転したりしても、撮像手段１７と照明手段１６との互いの相対位置は変わらないものとなっている。
図３は、補助部材２４を介して支持部材２１に４つの照明手段１６を取り付けた例を示している。なお、照明手段１６を支持部材２１に取り付けるのに補助部材２４を用いた以外は、図２に示した表面検査装置１５と同じである。

図３に示すように、２つの撮像手段１７のうち、上側の撮像手段１７Ｕが取り付けられている部分にＴ字状の補助部材２４を取り付け、下側の撮像手段１７Ｄが取り付けられている部分にもＴ字状の補助部材２４を取り付けている。各補助部材２４は、各撮像手段１７側から支持部材２１の径内方向に伸びる第１フレーム２８と、この第１フレーム２８の径内側端部から左右方向に伸びる第２フレーム２９とを備えている。第２フレーム２９の両端部には、光軸が被検査材２に向くように照明手段１６が取り付けられている。

図３に示すように、表面検査装置１５を正面視したとき、撮像手段１７の光軸と、この撮像手段１７に隣接する照明手段１６の光軸とのなす角θが、７０〜９０°の範囲となるように、撮像手段１７と照明手段１６との位置が設定されている。つまり、上側の撮像手段１７Ｕの光軸と、この上側の撮像手段１７Ｕに隣接して両側に配置されたぞれぞれの照明手段１６の光軸との角度が、７０〜９０°となるように、照明手段１６の向き、撮像手段１７の向きが設定されている。なお、図２に示した撮像手段１７と、この撮像手段１７に隣接する照明手段１６も、図３と同様に互いの光軸の角度が７０〜９０°となるように設定されている。

本発明の表面検査方法を、表面検査装置１５の動作と共に説明する。
上述したような表面検査装置１５にて、被検査材２の表面検査を行うには、まず、圧延開始後、被検査材２を支持部材２１の通過部２２に通過させる。そして、通材している被検査材２に照明手段１６により照明を当てると共に、撮像手段１７により被検査材２の表面の画像を撮像する。照明を被検査材２に当てるときは、例えば、１秒間の間隔（１Ｈｚ）でリング状の支持部材２１を被検査材２を中心として左右方向に揺動させて、被検査材２に当てる照明の角度を変えながら被検査材２の表面を撮像する。被検査材２の表面の撮像は、全周に亘って行う。

例えば、上側の撮像手段１７Ｕで被検査材２の上側半分を、照明位置を変えながら撮像して下側の撮像手段１７Ｄで被検査材２の下側半分を、照明位置を変えながら撮像する。被検査材２の表面の撮像は、被検査材２の圧延開始から圧延終了まで繰り返し行う。なお、線材のような圧延材（被検査材２）は、遅くとも１０ｍ／ｓｅｃ程度の速さで圧延されるものであるため、表面疵は非常に長い。そのため、１回の撮像で表面疵を撮像できなくても、再度、撮像手段１７を照明手段１６を任意の角度で揺動させたり回動させれば、被検査材２の表面に付いた疵を撮像することができる。

図４は、右側から照明を当て、その照明の当てる角度を変化させたときの陰影状態（二次元エリア画像）を示したものである。図４に示すように、リング状の支持部材２１を揺動させ、支持部材２１に対する照明の角度を変えると、被検査材２の表面に映し出される陰影が変わり、欠陥部２０のエッジの見え方が異なることになる。図４では、角度１画像及び角度２画像では陰影が明瞭に観測できるのに対して角度３画像では陰影が薄く欠陥が検出し難い状態である。特に、角度２画像では欠陥部２０（表面疵，カキ疵）のエッジがはっきりと確認できる。

このように、照明の角度を変えながら撮像した被検査材２の画像は、画像処理手段１８に送られて処理が行われる。画像処理では、撮像した画像から周方向の輝度ムラをシェーディング補正して、表面疵（カキ疵）を検出する。
まず、図５，６に示すように、撮像手段１７（ＣＣＤラインカメラ）にて画像を取得後（Ｓ１、図６ａ）、被検査材２の長手方向の輝度をプロジェクション処理することによって、プロジェクションデータ（輝度積算データ）を作成する（Ｓ２）。次に、プロジェクションデータにローパスフィルタ（ＬＰＦ）を適用してシェーディング補正用の輝度データを作成する（Ｓ３、図６ｂ）。シェーディング補正用の輝度データに存在する２つのピーク値を基に被検査材２の幅（監視範囲）を算出する（Ｓ４、図６ｃ）。

そして、シェーディング補正用の輝度データの２つのピーク値を結んで形成されるシェーディングカーブを求める（Ｓ５、図６ｃ）。プロジェクションデータからシェーディングカーブを引くこと（シェーディング処理）によって欠陥部２０を含む圧延材２の表面の輝度である表面疵データを作成する（Ｓ６、図６ｄ）。表面疵データにハイパスフィルタ（ＨＰＦ）を適用して欠陥部２０の陰影部分を抽出する（Ｓ７、図６ｅ）。ハイパスフィルタを適用した後の表面疵データにおけるマイナス値（負の値）をプラスに変える絶対値化を行う（Ｓ８、図６ｆ）。絶対値化を行った表面疵データ（欠陥部２０の陰影の輝度分布であってカキ疵評価データ）において、輝度の値が欠陥部２０（表面疵）として判定するために予め定められた閾値よりも大きいか否かを判定し（Ｓ９、図６ｆ）、輝度値が閾値以上であれば被検査材２に表面疵が有ると判断する。なお、輝度値が閾値未満であれば被検査材２に表面疵は無いと判断する。

以上のように画像処理を行うことによって、長手方向に連続したエッジ状の表面疵も安定して検出することができ、画像の輝度データが幅方向にばらつく場合であってもシェーディング補正をかけることにより、確実に被検査材２の表面疵を抽出することができる。
［第２実施形態］
第１実施形態の表面検査装置１５では、リング状の支持部材２１に撮像手段１７と照明手段１６とを取り付けて、支持部材２１を揺動又は回転させても撮像手段１７と照明手段１６との相対位置が変化しないようにしていたが、この第２実施形態では、照明手段１６を支持部材２１に取り付けて移動自在にする一方で撮像手段１７は固定し、リング状の支持部材２１を揺動又は回転させると照明手段１６と撮像手段１７との相対位置が変化するものである。

図７に示すように、支持部材２１の上部外側（被検査材２の上方）に１つの撮像手段１７Ｕを設けると共に支持部材２１の下部外側（被検査材２の下方）に１つの撮像手段１７Ｄを移動不能に固定する。上側の撮像手段１７Ｕや下側の撮像手段１７Ｄの位置は、被検査材２を中心として互いの光軸が向き合うように設定する。
また、支持部材２１の左部外側（被検査材２の左側）にも１つの撮像手段１７Ｌを設けると共に支持部材２１の右部外側（被検査材２の右側）にも１つの撮像手段１７Ｒを移動不能に固定する。左側の撮像手段１７Ｌや右側の撮像手段１７Ｒの位置は、被検査材２を中心として互いの光軸が向き合うように設定する。各照明手段１６は、第１実施形態と同様に補助部材２４の第２フレーム２９の両端部に取り付けることによって各撮像手段１７の光軸の両側に位置させる。

この第２実施形態の表面検査装置１５では、被検査材２の上下及び左右に配置した４つの撮像手段１７によって被検査材２の表面全周を同時に撮像することができる。この表面検査装置１５では、支持部材２１を揺動又は回転させながら４つの撮像手段１７によって被検査材２の表面の画像を撮像し、各画像を処理して欠陥部２０を抽出することによって表面疵を検出することができる。

なお、支持部材２１を揺動させる場合、撮像手段１７と、当該撮像手段１７に隣接する照明手段１６の光軸とのなす角θが７０〜９０°の範囲を満たすようにすることが好ましい。
以上、第１実施形態及び第２実施形態の表面検査装置１５では、長尺の被検査材２の表面を照明する照明手段１６と、被検査材２の表面を撮像する撮像手段１７と、この撮像手段１７にて撮像された被検査材２の表面の画像を処理して欠陥部２０を抽出する画像処理手段１８とを備え、照明手段１６を当該被検査材２の周りに揺動又は回転させる移動手段１９を備えているため、長手に連続的に入ったエッジ状の表面疵を精度よく検出することができる。即ち、エッジ状の表面疵では、照明からの光が散乱し易く疵と認識できる画像を取得することが難しいが、本発明では、照明の角度を変化させて陰影が変わるようにしているため、同じエッジ状の表面疵でも疵と認識できる画像を容易に得られることができる。

また、移動手段１９は、被検査材２を囲うように形成され且つ照明手段１６が被検査材２を向くように当該照明手段１６を支持する支持部材２１を備え、この支持部材２１は照明手段１６が被検査材２の周りを揺動又は回転できるように移動自在となっていることから、被検査材２の陰影を簡単に変えることができ、被検査材２の表面に付いた疵を発見し易い画像を取得することができる。

第１実施形態の表面検査装置１５において、支持部材２１には、被検査材２の全周表面を撮像すべく当該被検査材２を中心として向き合うように配置された少なくとも２つ以上の撮像手段１７と、撮像手段１７の光軸の両側に位置し且つ被検査材２を向くように配置された複数の照明手段１６と、が相対位置不動に設けられているため、陰影の異なる複数の画像を簡単に取得することができる。

第２実施形態の表面検査装置１５において、被検査材２の全周表面を撮像すべく当該被検査材２を中心として向き合うように配置された２つ以上の撮像手段１７が移動不能に固定されており、支持部材２１には、撮像手段１７の光軸の両側に位置し且つ被検査材２を向くように配置された複数の照明手段１６が備えられていることから、支持部材２１では照明手段１６だけを支持すればよく撮像手段１７は別の箇所に固定することになり、支持部材２１をコンパクトにすることができる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 圧延設備
２ 圧延材（被検査材）
３ 加熱炉
４ デスケーラ
５ 粗圧延機
６ 中間圧延機
７ 圧延機
８ 巻き取り機
９ 圧延ロール
１０ 圧延スタンド
１１ カリバー
１５ 表面検査装置
１６ 照明手段
１７ 撮像手段
１８ 画像処理手段
１９ 移動手段
２０ 欠陥部
２１ 支持部材
２２ 通過部
２４ 補助部材
２８ 第１フレーム
２９ 第２フレーム

Claims (9)

1. 長尺の被検査材の表面を照明する照明手段と、被検査材の表面を撮像する撮像手段と、この撮像手段にて撮像された被検査材の表面の画像を処理して欠陥部を抽出する画像処理手段とを備えた表面検査装置において、
   前記照明手段を当該被検査材の周りに揺動又は回転させる移動手段を備えていることを特徴とする表面検査装置。
2. 前記移動手段は、前記被検査材を囲うように形成され且つ照明手段が被検査材を向くように当該照明手段を支持する支持部材を備え、この支持部材は照明手段が前記被検査材の周りを揺動又は回転できるように移動自在となっていることを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
3. 前記支持部材には前記被検査材を向くように撮像手段が支持されていることを特徴とする請求項２に記載の表面検査装置。
4. 前記支持部材には、被検査材の全周表面を撮像すべく当該被検査材を中心として向き合うように配置された少なくとも２つ以上の撮像手段と、前記撮像手段の光軸の両側に位置し且つ被検査材を向くように配置された複数の照明手段と、が相対位置不動に設けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の表面検査装置。
5. 前記被検査材の全周表面を撮像すべく当該被検査材を中心として向き合うように配置された２つ以上の撮像手段が移動不能に固定されており、前記支持部材には、前記撮像手段の光軸の両側に位置し且つ被検査材を向くように配置された複数の照明手段が備えられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の表面検査装置。
6. 前記撮像手段と、当該撮像手段に隣接する照明手段の光軸とのなす角が、７０〜９０°の範囲となるように設定されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の表面検査装置。
7. 前記支持部材はリング状に形成されて回転又は揺動自在となっていることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の表面検査装置。
8. 長尺の被検査材の表面を照明しつつ当該被検査材の表面を撮像し、撮像した被検査材の表面の画像を処理することで被検査材の欠陥部を抽出する表面検査方法において、
   前記被検査材を照明する照明手段を当該被検査材の周りに揺動又は回転させながら被検査材を撮像することを特徴とする表面検査方法。
9. 前記照明手段に加えて被検査材を撮像する撮像手段を当該被検査材の周りに揺動又は回転させながら被検査材の表面の全周を撮像することを特徴とする請求項８に記載の表面検査方法。