JP2018040739A - 粗形材の内部欠陥検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイカスト製品や鋳造製品などの粗形材の加工面に存在する鋳巣などの空洞及び内部空洞形状不良を、精度よく自動的に検査することができる方法を提供する。【解決手段】粗形材１の正規寸法を示すＣＡＤデータ上にグリップ５と呼ばれる集中検査領域を設定し、このＣＡＤデータと、粗形材１をＸ線ＣＴスキャンすることにより得られたボクセルデータとを重ね合せる。集中検査領域中におけるボクセルデータ上の空洞の位置または大きさにより、粗形材１の内部欠陥の有無を検査する。【選択図】図４

Description

本発明は、ダイカスト製品や鋳造製品などの粗形材の内部に存在する空洞や内部空洞形状不良を、Ｘ線ＣＴを利用して検査する粗形材の内部欠陥検査方法に関するものである。ここで粗形材とは、機械加工される前の鋳造品やダイカスト品などの中間製品を意味するものである。

アルミニウム材料のダイカスト製品や鋳造製品などの粗形材は、その内部に鋳巣と呼ばれる空洞が不可避的に発生する。これは凝固時の材料の引けや、ガスの発生、空気の巻き込みなどによるものである。素形材は後工程で切削加工されるが、鋳巣が加工面に存在すると加工面に穴ができてしまい、リークや油漏れなどの重大な不具合を発生させることとなる。ただし鋳巣が加工面から離れた製品内部に存在する場合には、不具合は生じない。

また、砂の中子を用いて鋳造されるアルミ鋳造品は、鋳型内への中子セット時の中子ズレや中子の割れ等のダメージにより、内部空洞形状が正規寸法と違った粗形材となることがある。

上記した粗形材の鋳巣や内部空洞形状不良などの内部欠陥は、外部から目視しても発見することができない。しかし鋳巣が切削加工後に加工面に現れるとその粗形材は廃棄しなければならず、切削工程が無駄になる。また内部空洞形状不良のある粗形材もその程度によっては廃棄しなければならない。このためこれらの内部欠陥を切削工程の前段階で発見して不良品を排除しておくことが望まれ、従来からＸ線ＣＴで内部を透視し、異常の有無を検査することが行われている。

しかし画像モニターに粗形材の透視画像を表示し、作業者が画像モニターを見ながら良否を判断する従来方法では、色々な方向、角度から粗形材の三次元内部画像を観察する必要があり、多くの時間がかかるうえ、検査精度が悪く、内部欠陥を見逃してしまうことがある。

上記した従来の検査方法の問題を解決するために、鋳巣などの内部欠陥の検査支援装置（特許文献１）が提案されている。これはＸ線ＣＴの断層画像群から粗形材のポリゴンモデルを形成してモニターに表示し、作業者が外表面ポリゴンを指定しその連結部分を外表面としてすべて抽出し、残ったポリゴンを内部空洞や鋳巣と認識し、表示するものである。しかし、外表面ポリゴンの指定や、表示された内部空洞や鋳巣が加工面に存在するか否かの判断は作業者が行わねばならず、やはり内部欠陥を見逃してしまうことがある。

また特許文献２には、Ｘ線ＣＴのボクセル画像をポリゴンデータに変換し、このポリゴンデータ上に仮想加工面を設定し、設定された仮想加工面を含む領域に鋳巣があるか否かを判定する粗形材の内部欠陥検査方法が開示されている。しかし粗形材を加工機にセットする際のセットバラツキや刃具の摩耗などによって、実施の加工面は仮想加工面からずれることが多く、そのズレ量は最大で±１ｍｍに達することがある。このため特許文献２の検査方法では実際の加工面に存在する鋳巣を確実に検出できないことがある。またこの方法では、内部空洞形状不良を検出することができない。

特開２００４−３４１４４号公報 特開２０１３−２４４５２８号公報

従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、粗形材の加工面に存在する空洞や内部空洞形状不良を、精度よく自動的に検査することができる粗形材の内部欠陥検査方法を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明の粗形材の内部欠陥検査方法は、粗形材の正規寸法を示すＣＡＤデータ上に集中検査領域を設定し、このＣＡＤデータと、粗形材をＸ線ＣＴスキャンすることにより得られた粗形材の内部形状のボクセルデータとを重ね合せ、設定された集中検査領域中におけるボクセルデータ上の空洞の位置または大きさにより、粗形材の内部欠陥の有無を検査することを特徴とするものである。本発明では、ＣＡＤデータ上に複数の集中検査領域を設定し、同時に検査を行うことができる。なお、前記集中検査領域はグリップと呼ばれるものである。

前記集中検査領域を、加工面を含む所定厚みの三次元領域とすることができる。このとき、前記集中検査領域の内部に複数の仮想加工面を形成し、各仮想加工面についてボクセルデータを二次元画像に展開し、鋳巣が各仮想加工面に現れた際の大きさ、長さに基づいて、内部欠陥を検出することができる。また、前記集中検査領域を正規の内部空洞形状の境界面を含む所定厚みの三次元領域とすることができる。

本発明によれば、粗形材の正規寸法を示すＣＡＤデータ上にグリップと呼ばれる集中検査領域を最初に設定しておけば、その後は粗形材をＸ線ＣＴスキャンすることにより得られたボクセルデータ上の空洞の位置または大きさを、設定された集中検査領域のみについて調べることにより、良否の判断を自動的に行うことができる。以下の実施形態において詳細に説明するように、本発明によれば粗形材の加工面に存在する空洞のみならず、内部空洞形状不良も精度よく自動的に検査することができる。また本発明においては、集中検査領域のみについて空洞の位置または大きさを調べればよいので、演算装置の負担を大幅に軽減することができる。

実施形態において検査対象とした粗形材の斜視図である。 ＣＡＤデータ上で、加工面を含む所定厚みのグリップを設定した状態を示す図である。 ＣＡＤデータ上で、内部空洞形状の境界面を含む所定厚みのグリップを設定した状態を示す図である。 粗形材のボクセルデータ上にグリップを重ねて設定した状態を示す図である。 グリップと空洞の様々な位置関係を示す図である。 空洞検査の処理手順を示すフローチャートである。 撮像された粗形材の形状（ボクセルデータ）を示す図である。 グリップを図７のボクセルデータに重ねた状態を示す図である グリップと内部形状との様々な位置関係を示す図である。 内部形状検査の処理手順を示すフローチャートである。

以下に本発明の実施形態を説明する。説明を簡明にするために、以下の実施形態では図１に示した単純な形状の粗形材について、加工面に存在する空洞と、内部空洞形状不良とを検査する方法を説明する。実際の粗形材の形状は更に複雑なものであるが、検査方法は同様である。

図１に示される粗形材１は、３か所に開口部２を有するアルミニウム材料の鋳造品であり、各開口部２の端面３と内周面４が、後工程で切削加工される加工面である。これらの加工面に鋳巣などの空洞が存在するとシール不良等の原因となるため、加工面の空洞の有無を検査する必要がある。また粗形材１の内部空洞形状が歪んでいたりバリがあったりすると機能上の問題を生ずるため、内部空洞形状についても検査が行われる。

検査対象となる粗形材１の正規寸法は、設計段階においてＣＡＤデータとして定義されている。本発明ではこのＣＡＤデータ上で、集中検査領域を設定する。以下の説明ではこの集中検査領域をグリップと記す。グリップの種類は加工面の空洞の有無を検査する場合と、内部空洞形状そのものを検査する場合の２種類がある。

図２は粗形材１のＣＡＤデータ上で、加工面を含む所定厚みのグリップ５を設定した状態を示している。前記したように、粗形材１を加工機にセットする際のセットバラツキや刃具の摩耗などによって、実施の加工面は正規の加工面からずれることが多い。そこで本発明ではグリップ５を、この切削加工の公差を考慮した三次元領域としている。グリップ５は加工面全体の広さを備え、その厚みは加工して行く方向である。この厚みは２〜５ｍｍとすればよい。

また図３は粗形材１のＣＡＤデータ上で、内部空洞形状の許容誤差範囲を示すグリップ６を設定した状態を示している。このグリップ６は、内部空洞形状の境界面を含む形状公差に対応する厚みの三次元領域である。いずれのグリップも粗形材１のＣＡＤデータ上で容易に設定することができ、最初に一度設定するだけでよい。なお実際には粗形材１の必要部分に、複数のグリップ５、グリップ６が設定される。

次に、従来と同様に検査対象となる粗形材１をＸ線ＣＴスキャンすることにより、粗形材１の三次元内部形状の画像を得る。この画像はボクセルデータである。ボクセルとは一定のスカラー値／ベクトル値を持つ小さな体積の立方体であり、その集合によって立体を表現するために用いられる。このボクセルデータの画像には、粗形材１の外部形状、内部形状のほか、鋳巣等の空洞も含まれている。

ボクセルデータとＣＡＤデータとは異質のデータであるが、ともに粗形材１の形状を表している。ただしＣＡＤデータが粗形材１の正規寸法を表しているのに対して、ボクセルデータはＸ線ＣＴスキャンされた現物の粗形材１の内部形状を表している。両者を直接対比することができないため、適宜の基準面を設定し、ＣＡＤデータとボクセルデータとをコンピュータを用いて重ね合せる。この操作は、マッチングと呼ばれる公知技術であり、市販のソフトを用いて実行することができる。

この操作によって、ＣＡＤデータで定義された粗形材１の形状と、ボクセルデータで表された現物の粗形材１の形状を重ね合せることができ、Ｘ線ＣＴスキャンされた現物の粗形材１の三次元形状の上に、グリップを重ねることができる。本発明ではこのグリップの内部のみに着目し、グリップ中におけるボクセルデータ上の空洞の位置または大きさにより、粗形材の内部欠陥の有無を判定する。このようにグリップの内部のみに着目し、それ以外の領域を無視することによって、検査処理の速度を向上させることができる。以下に、鋳巣などの空洞の検査と内部空洞形状の検査について、さらに詳細に説明する。

（鋳巣などの空洞の検査）
先ず図４、図５を用いて、鋳巣などの空洞検査のアルゴリズムを説明する。図４は粗形材１のボクセルデータ上にグリップ５を重ねて設定した状態を示す。この例では３つの空洞Ａ、Ｂ、Ｃが存在するが、空洞Ａはグリップ５よりも上側にあり、この部分は切削加工により除去される部分であるから、空洞Ａは無視することができる。また空洞Ｃはグリップ５よりも下側にあり、加工されることのない製品内側の部分であるから、空洞Ｃも無視することができる。製品内側には空洞Ｃと同様の多数の空洞が存在するが、それらは何れも無視することができる。

これに対して空洞Ｂはグリップ５の内部にあり、切削加工される可能性のある部分である。もし加工面が空洞Ｂと一致すると加工面に穴が開くことになり、リークの原因となる。従ってグリップ５の内部の空洞Ｂについて、その面積や内径が閾値を超えた場合には、不良と判定される。

なお、図５に示す空洞Ｄ、空洞Ｆのように空洞の位置がグリップ５の境界線に跨っている場合にも、加工面がこれらの空洞Ｄ、空洞Ｆと一致する可能性があるから、グリップ５の内部の空洞Ｅと同様に取り扱うことが好ましい。

次に、図６のフローチャートにより、空洞検査の処理手順をさらに詳しく説明する。

まずステップ１１で、グリップ内に複数の仮想加工面を設定する。これらの仮想加工面は、隣接する仮想加工面どうしがボクセルサイズの間隔を空けた状態で、設計上の加工面に対して平行に、グリップをボクセルサイズの間隔で分割するように設定される。グリップの厚みは切削加工の公差を考慮して設定されているため、ここで設定した仮想加工面の何れかが、実際に加工した際に粗形材１の表面に露出する面となる。

ステップ１２では、ステップ１１で定義した仮想加工面のうちの一つに対し、その面上に存在する撮像データのボクセルを二次元画像に展開する。仮想加工面が円柱、球などの曲面であるときや、複雑な形状であるとき、また平面であっても撮像データのボクセルに対して斜めになっている場合は、公知の手法により補間を行い、ボクセルデータを二次元画像に展開する。

ステップ１３では、ステップ１２において展開した二次元画像に対して粒子解析を行うことで鋳巣を検出する。ここでは一般的な二次元の粒子解析法を用いて鋳巣を検出し、その面積や内径の大きさを測定してラベル付けを行う。

ステップ１４では、ステップ１３において検出した二次元画像上における鋳巣の面積及び内径が、検出したい欠陥サイズより大きいかどうかの判定を行う。検出したい欠陥サイズより大きい面積及び内径が大きい鋳巣が存在していないときは、欠陥が存在していないと判断し、後記するステップ２５へ進む。一方で、検出したい欠陥サイズより大きい面積及び内径が大きい鋳巣が存在する場合には、欠陥ありと判断し、これらの鋳巣を欠陥としてラべリングした後、ステップ１５へ進む。

ステップ１５では、ステップ１１で設定した全ての仮想加工面について、ステップ１２からステップ１４までの処理が行われたか否かを判定する。すべての仮想加工面の処理が終わっているときは、ステップ１６へ進む。まだ処理が行われていない仮想加工面が存在する場合にはステップ１２に戻り、その仮想加工面に対してステップ１４までの処理を行う。

ステップ１６では、ステップ１４で欠陥としてラべリングされた箇所が存在するか否かの判定を行う。欠陥としてラべリングされた箇所が存在しなければ、この粗形材１は良品であると判断して処理を終了する。欠陥としてラべリングされた箇所が存在する場合には、欠陥箇所を着色表示した三次元の立体表示若しくは二次元の断面表示などにより、ユーザに欠陥を通知する。

（内部空洞形状の検査）
次に図７、図８を用いて、内部空洞形状検査のアルゴリズムを説明する。図７は撮像された粗形材１のボクセルデータである。図８は正規寸法の三次元ＣＡＤデータ上で、形状公差を厚みとして三次元データ化したグリップ６を、図７のボクセルデータに重ねた状態を示す図である。グリップ６は２点鎖線で表示されている。

図９中の（１）は、中子がずれて内部空洞がグリップ６の内側にはみ出した状態を示している。この状態は中子がずれた場合だけではなく、内部へのバリ発生や、中子が欠けた場合にも発生する。図９中の（２）は、内部空洞がグリップ６の外側にはみ出した状態を示している。（３）はバリによるグリップ６の内側へのはみ出しと、内部形状不良による外側へのはみ出しが同時に存在する様子を示している。

内部空洞がグリップ６の範囲内にあれば正規の形状公差内に内部空洞が位置する良品であり、図９に示したように内部空洞がグリップ６の範囲から外れておれば、欠陥となる。

次に図１０のフローチャートにより、内部空洞形状の検査の処理手順をさらに詳しく説明する。

先ずステップ２１で、撮影時に生じたノイズや、検出したい欠陥サイズよりも小さな欠陥を除去するためのフィルタリングを行う。

次にステップ２２では、グリップより内側、つまり図面上は内部空洞となる領域に対して、そこに粗形材が存在しているか否かの判定を行う。粗形材が存在していなければ、内部空洞に粗形材が凸となるような欠陥が存在しないと判断し、ステップ２３へ進む。グリップより内側に粗形材が存在している場合には、内部空洞に粗形材が凸となるような欠陥があると判断し、すべての該当部分を欠陥（オーバー）としてラべリングしたのち、ステップ２３へ進む。

ステップ２３では、グリップより外側、つまり図面上は粗形材となる領域に対して、そこに空間が存在しているか否かの判定を行う。空間が存在していなければ、粗形材に内部空洞が凸となるような欠陥が存在しないと判断し、ステップ２６へ進む。グリップより外側に空間が存在している場合には、粗形材に内部空洞が凸となるような欠陥、もしくは鋳巣の何れかが存在していると判断し、ステップ２４へ進む。

ステップ２４では、ステップ２３において検出されたグリップよりも外側に存在するすべての空間に対して、三次元の粒子解析を行う。これにより、ステップ２３で検出された空間がどの領域内（グリップより内側、グリップ内、グリップより外側の３領域）に跨って存在しているのかを特定し、ステップ２５へ進む。

ステップ２５では、ステップ２３において検出され、ステップ２４で領域を特定された全ての空間に対し、その空間がグリップより内側、つまり図面上は内部空洞となっている領域まで達しているか否かの判定を行う。もし達していなければ、その空間は鋳巣であると判断し、ステップ２６へ進む。もし達している場合には、粗形材に内部空洞が凸であるような欠陥が存在すると判断し、すべての該当部分を欠陥（オーバー）としてラべリングしたのち、ステップ２６へ進む。

ステップ２５では、グリップの内側に達しているような大きなサイズの鋳巣も、内部形状の欠陥としてラべリングされてしまうことがある。しかしここで検出された鋳巣と内部空洞との境界となる粗形材は、必ずステップ２３において欠陥として判定されているため、良品が不良品として誤検出されることはない。

ステップ２６では、ステップ２３、ステップ２５で欠陥としてラべリングされた箇所の有無を判定する。ラべリングされた箇所がなければ良品と判断して処理を終了する。ラべリングされた箇所があれば、欠陥箇所を着色表示した三次元の立体表示若しくは二次元の断面表示などにより、ユーザに欠陥を通知する。

以上に説明したように、本発明によればＣＡＤデータ上に集中検査領域を設定し、この集中検査領域中におけるボクセルデータ上の空洞の位置または大きさに基づいて良否の判定を行う。このため、良否の判定に無関係な位置にある鋳巣などを判断対象から除外することができ、処理速度を高速化することができる。また集中検査領域の設定作業はＣＡＤデータ上で行えるのできわめて容易であり、その後の処理は自動化することができるから、粗形材の全数自動検査が可能である。よって本発明によれば、ダイカスト製品や鋳造製品などの粗形材の加工面に存在する空洞及び内部空洞形状不良を、精度よく自動的に検査することができる。

１ 粗形材
２ 開口部
３ 端面
４ 内周面
５ グリップ
６ グリップ

Claims (5)

1. 粗形材の正規寸法を示すＣＡＤデータ上に集中検査領域を設定し、
   このＣＡＤデータと、粗形材をＸ線ＣＴスキャンすることにより得られた粗形材の内部形状のボクセルデータとを重ね合せ、
   設定された集中検査領域中におけるボクセルデータ上の空洞の位置または大きさにより、粗形材の内部欠陥の有無を検査することを特徴とする粗形材の内部欠陥検査方法。
2. 前記ＣＡＤデータ上に複数の集中検査領域を設定し、同時に検査を行うことを特徴とする請求項１記載の粗形材の内部欠陥検査方法。
3. 前記集中検査領域が、加工面を含む所定厚みの三次元領域であることを特徴とする請求項１または２に記載の粗形材の内部欠陥検査方法。
4. 前記集中検査領域が、正規の内部空洞形状の境界面を含む所定厚みの三次元領域であることを特徴とする請求項１または２に記載の粗形材の内部欠陥検査方法。
5. 前記集中検査領域の内部に複数の仮想加工面を形成し、各仮想加工面についてボクセルデータを二次元画像に展開し、鋳巣が各仮想加工面に現れた際の大きさ、長さに基づいて、内部欠陥を検出することを特徴とする請求項３記載の粗形材の内部欠陥検査方法。