JP2018091801A - 表面形状検査方法、および、表面形状検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】量産鋳造部品の表面欠陥を正確かつ高速に自動判定する量産鋳造部品の検査方法及び装置を提供する。【解決手段】三次元形状物の表面を検査する表面検査方法であって、検査対象物に対し、第一の方向１３に所定の間隔で直線状に配置された座標データ取得点８を、第一の方向と略垂直な方向である第二の方向１４に走査させて検査対象物の表面の座標データを取得し、取得された座標データのうち、所定の座標データと、所定の座標データからみて第一の方向に隣接する座標データ取得点の座標データと、所定の座標データからみて第二の方向に隣接する座標データ取得点の座標データとを用いて三次元空間に係る幾何学的特徴量を算出し、幾何学的特徴量に基づき表面欠陥１２の有無を判定する表面形状検査方法。【選択図】図８

Description

本発明は、複雑形状の量産鋳物部品の表面形状検査方法、および、表面形状検査装置に関する。

鋳造部品の量産ラインでは、鋳造条件によっては湯境と呼ばれるくさび状の欠陥が発生することがある。湯境がある鋳造部品は品質低下が懸念されるため、出荷や完成品への組み込みを防止する必要がある。現状、表面に発生する欠陥の有無は人手による目視で検査しているが、目視検査は効率が悪く、かつ見落としの可能性がある。そのため、鋳造部品全数の全表面自動検査システムでの検査ニーズが高まっている。表面欠陥の自動検査については、電子基盤などの平面的な対象物に対するインライン自動検査をはじめとして、高速カメラやレーザ変位計などの光学的プローブを用いた自動検査等の種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１の要約書では、棒鋼圧延材の表面疵を検出する表面疵検出装置であって、搬送中の棒鋼圧延材の軸長方向に対して垂直方向に切断した断面の２次元プロファイル形状を抽出するプロファイル抽出手段と、プロファイル抽出手段で抽出された２次元プロファイル形状を二階微分して、棒鋼圧延材の外周囲における曲率の値を求める曲率算出手段と、曲率算出手段で算出された曲率の値が予め設定されている閾値よりも大きい場合、棒鋼圧延材の表面に欠陥が発生すると判定する判定手段と、を有する表面疵検出装置が開示されている。

特開２０１５−１０９３６号公報

しかしながら、特許文献１のレーザ変位計を用いた計測では、検査対象物の形状や表面状態、および設置されている周囲の形状や表面状態によっては、検査対象物から反射光以外に、多重反射して受光するレーザ光（迷光）が生じ、この迷光の影響によってプロファイルにノイズ、すなわち、近隣の形状プロファイルから大きく外れる異常値が生じることがある。特に、鋳造部品のように複雑形状を有する部品では、部品を構成する面の数が多く多重反射が起こりやすいため、迷光によるノイズが生じやすい。このノイズは形状プロファイルとは不連続なため、形状プロファイルを二階微分した値である曲率がノイズ近傍で大きくなり、欠陥のない良品に対しても欠陥ありと誤判定されてしまう問題がある。

本発明は上記の問題を鑑みてなされたものであり、量産鋳造部品の表面欠陥を正確かつ高速に自動判定する量産鋳造部品の検査方法及び装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明の表面検査方法は、三次元形状物の表面を検査するものであって、検査対象物に対し、第一の方向に所定の間隔で直線状に配置された座標データ取得点を、該第一の方向と略垂直な方向である第二の方向に走査させて前記検査対象物の表面の座標データを取得し、前記取得された座標データのうち、所定の座標データと、該所定の座標データからみて前記第一の方向に隣接する座標データ取得点の座標データと、前記所定の座標データからみて前記第二の方向に隣接する座標データ取得点の座標データとを用いて三次元空間に係る幾何学的特徴量を算出し、該幾何学的特徴量に基づき表面欠陥の有無を判定するものとした。

また、本発明の表面形状検査装置は、三次元形状物の表面を検査するものであって、検査対象物に対し、第一の方向に所定の間隔で直線状に配置された座標データ取得点を有する測定機と、前記第一の方向と略垂直な方向である第二の方向に前記検査対象物又は前記測定機を走査させる走査機構と、前記取得された座標データのうち、所定の座標データと、該所定の座標データからみて前記第一の方向に隣接する座標データ取得点の座標データと、前記所定の座標データからみて前記第二の方向に隣接する座標データ取得点の座標データとを用いて三次元空間に係る幾何学的特徴量を算出する算出手段と、該算出手段で算出された前記幾何学的特徴量を基に、表面欠陥の有無を判定する判定手段と、有するものとした。

本発明によれば、量産鋳造部品の表面欠陥を正確かつ高速に自動判定する量産鋳造部品の表面形状検査方法及び表面形状検査装置を提供することができる。

一実施例の表面形状検査方法のフローチャート。 一実施例の表面形状検査装置の構成を示した図。 測定機を用いて単軸ロボットに搭載した検査対象物の形状を計測している様子を表した図。 複数の関節を有するロボットアームの先端に装着した測定機を用いて検査対象物の形状を計測している様子を表した図。 ２次元配列形式で保存された座標データの説明図。 図５の座標データに対応する座標データ取得点の模式図。 直線状の測定範囲における座標データ取得点同士が直線状の測定範囲の方向に等間隔であり、直線状の測定範囲同士も直線状の測定範囲に垂直な方向に上記間隔と同間隔座標データ取得点の模式図。 座標データ取得点と表面欠陥の模式図。

以下、図面を参照しながら、本発明の表面形状検査方法、および、表面形状検査装置１００の一実施例について説明する。

先ず、図２を用いて、本実施例の表面形状検査装置１００の概要を説明する。ここに示すように、表面形状検査装置１００は、台座４に設置された検査対象物３にラインレーザ２を照射し、第一方向１３に所定の間隔で直線状に配置された座標データ取得点を有する測定機１と、第一方向１３と略垂直な方向である第二方向１４に検査対象物３又は測定機１を走査させる図示しない走査機構と、取得された座標データのうち、所定の座標データと、この所定の座標データからみて第一方向１３に隣接する第一の方向の座標データと、前述の所定の座標データからみて第二方向１４に隣接する第二の方向の座標データと、を用いて三次元空間に係る幾何学的特徴量を算出する算出手段１５と、算出手段で算出された前記幾何学的特徴量を基に、表面欠陥の有無を判定する判定手段１６と、を有する。なお、算出手段１５と判定手段１６は、実際には、表面形状検査装置１００の全体を制御するＣＰＵなどの演算装置によって実現され、また、図示を省略した走査機構の詳細構成は図３、図４を用いて後述する。

ここで、２次元レーザ変位計である測定機１の測定原理について説明する。測定機１の投光部よりラインレーザ２を検査対象物３に照射すると、検査対象物３で反射した光は、測定機１の受光部の受光レンズで集光され受光素子上に結像される。検査対象物３までの距離が変動すると、集光される反射光の角度が変わり、それに伴って受光素子上に結像される位置が変化する。この受光素子上の結像位置の変位量は測定機１から検査対象物３までの距離変化と比例することから、結像位置の変位量を読み取り、検査対象物３までの距離を計測することができる。

次に、座標データの取得方法について説明する。図２に示すように、測定機１では、測定機１の投光部から照射されるラインレーザ２の照射範囲内にある検査対象物３の座標データが計測される。測定機１の受光素子はラインレーザ２の方向に平行に等間隔で配置されているため、計測される座標データはラインレーザの方向に等間隔に並ぶ。測定機１または検査対象物３をラインレーザ２の方向と略垂直な走査方向に走査させることで、検査対象物３の三次元形状が取得される。計測を行うタイミング（トリガ）は、測定機１の内部で連続的に発生する。あるいは、エンコーダを用いて測定機１または検査対象物３の移動量を計測し、移動量に応じたパルス信号を測定機１の外部から入力してもよい。測定機１または検査対象物３の移動速度が一定、かつトリガ間隔を一定とする場合、計測される座標データは走査方向に等間隔に並ぶ。

次に、座標データ取得時における走査方法について説明する。検査対象物３の全体の座標データを取得するには、検査対象物３に対して測定機１を相対的に走査すればよい。この際、実際の走査対象は測定機１と検査対象物３のどちらでもよいため、走査方法には種々の態様が考えられる。

例えば、図３に示すように門形の固定治具５によって測定機１をある位置に固定した状態で、単軸ロボット６によって検査対象物３を載せた台座４を走査させてもよい。また、図示はしていないが、固定治具５を単軸ロボット６に搭載し走査させてもよい。単軸ロボット６は、モータ制御により直線動作において高い位置精度を有するので、測定機１または検査対象物３の位置を高精度に走査できるため、検査対象物３の形状を高精度に計測できる。検査対象物３の走査機構は、製造ラインのベルトコンベアでもよく、この場合、検査対象物３の搬送と検査を同時に実施することができ、検査のための移動機構を別途設置する必要がないため、製造ラインの省スペース化が可能である。

また、固定治具５は、測定機１の位置、角度を自由に調整するための調整機構を備えていてもよい。検査対象物３が量産鋳造部品のように複雑形状を有する場合、検査対象物３の凹凸部や面の角度変化が急峻な箇所で、死角が発生したり、反射光強度が弱くなったりして、表面形状の一部を測定不能な箇所が発生することがある。固定治具の調整機構により、測定機１の位置、角度を変えて計測を行うことで、検査対象物３の凹凸部や面の角度変化が急峻な箇所に対しても、表面形状を計測することができる。なお、固定治具５は門形である必要はなく、片持ち梁のような治具としても、円形状の断面を有し回転移動が可能なロータリーステージとしてもよい。

更に、図４に示すように、測定機１を複数の関節を有するロボットアーム７の先端に設置してもよい。これにより、測定機１をロボットアーム７の稼動範囲内において様々な位置、角度に調整し、検査対象物３の表面形状を計測することができる。座標データの取得時には、検査対象物３を台座４に固定した状態でロボットアーム７を走査させても、ロボットアーム７を任意の位置に固定した状態で単軸ロボットなどによって検査対象物３を走査してもよい。

次に、図１のフローチャートを用いて、本実施例の表面形状検査方法の各ステップの詳細について説明する。

ステップＳ１では、図３または図４に示した走査機構を用いて、検査対象物３又は測定機１を走査しながら、測定機１で検査対象物３の表面形状データを取得する。

図５に、測定機１で取得されメモリ等に記憶された、２次元配列形式の表面形状データ（２次元構造化マトリクスの座標データ）の一例を示す。２次元配列の列数ｎは測定機１の直線状の測定範囲（第一方向１３）上にある座標データ取得点の番号を表し、行数ｍは直線状の測定範囲（第二方向１４）上にある座標データ取得点の番号を表す。ゆえに、（ｎ、ｍ）のインデックスがつけられた座標データ（ｘ、ｙ、ｚ）は、第一方向１３の番号ｎ、第二方向１４の番号ｍの座標データ取得点における座標データ（ｘ、ｙ、ｚ）を表す。

また、図６に、図５の各座標データに対応する、検査対象物３上の座標データ取得点の模式図を示す。各々の座標データ取得点８の番号ｎは、直線状の測定範囲９上での座標データ取得点の順番に対応しており、番号ｍは取得の順番に対応している。座標データを取得できた座標データ取得点８には、測定機１が実際に取得した座標データ（ｘ、ｙ、ｚ）が登録される。一方、測定レンジオーバーや光量不足によって座標データを取得できない座標データ取得点８には、無効データ（例えば、ｘ、ｙ、ｚ座標がすべて０）が座標データとして登録される。なお、図６に示すように、番号ｎ、ｍが近い座標データ同士は検査対象物３上での実際の距離が近いため、図５の２次元配列でも、それらの座標データが近接配置されるようにしている。

ステップＳ２では、ステップ１で取得した、図５の座標データを用いて、幾何学的特徴量を算出する。この算出には、統計分析手法の１つである主成分分析を用いる。具体的には、ある点ｐ_ｉから距離が近い順に選択したｋ個の点の集合（ｋ近傍）を抽出し、以下の式１で定義される共分散行列Ｃを計算する。

ここで、ｐ_ｃは近傍点郡の重心座標を表す。次に、Ｃを対角化し、以下の式２の関係で表される固有値、固有ベクトルを得る。

ここで、ｖ_ｊはｊ次の固有ベクトル、λ_ｊはｊ次の固有値である。次数ｊは、固有値の大きい順に１次、２次、３次と定義する。１次、２次の固有ベクトルの方向は、１番目に点が多い方向と２番目に点が多い方向とみなすことができるので、その２方向がつくる平面は、ｋ近傍に最もよくフィットする平面と考えられる。したがって、３次の固有ベクトルの方向が、ｐ_ｉにおける法線と推定される。また、ｐ_ｉにおける曲率σは、固有値λ_１、λ_２、λ_３（但し、λ_１＞λ_２＞λ_３）を用いて、以下の式３で近似的に求められる。

ｋ近傍が平面に近いほど、λ_１、λ_２がλ_３に対して大きいため、σは０に近い値となる。以上の方法を用いて、取得した座標データのすべての点に対して、固有値、固有ベクトルを算出する。

ある点ｐ_ｉのｋ近傍の決定に当たっては、ある座標ｐ_ｉとすべての座標データの距離を計算し、その距離が小さい順に座標データを並べなおし、予め指定した距離の閾値と比較して、距離が閾値以下の座標データを抽出する。しかしながら、測定機１によって取得した座標データの数が多いほど、距離計算に要する時間は増加する。そこで、本実施例では、距離計算を簡略化して幾何学的特徴量の算出を高速化するため、図５のように、座標データを２次元配列形式で保存している。

前述したように、図５、図６では、番号ｎ、ｍが近い座標データ同士は距離が近いため、２次元配列ではある座標データに隣接する座標データがその座標データの周囲に配置されている。したがって、ｐ_ｉのｋ近傍決定のために距離計算を行う点を、座標ｐ_ｉと番号ｎ、ｍが近い座標データに限定して式１〜式３を演算してもよく、これにより距離計算に要する時間が大幅に短縮されるため、幾何学的特徴量の計算を高速化できる。

特に、ステップＳ１において、直線状の測定範囲９における座標データ取得点同士の間隔が直線状の測定範囲９の方向に等間隔であり、かつ、直線状の測定範囲９同士の間隔も直線状の測定範囲９に垂直な方向に等間隔となるように、測定機１または検査対象物３の走査速度ならびに測定機１のサンプリング集録速度が設定されれば、図７に示すような２次元正方格子を計測対象に投影させた座標データが取得される。

座標データ取得点１０のｋ近傍の決定では、ｋ近傍を規定する距離範囲の境界線１１の内側にある点を選択するが、取得データが２次元格子状に並んでいれば、境界線１１の内側にある点（図７では、座標データ取得点１０を中心軸とする無限円柱の境界線１１の内側に位置する合計１３点）は一意に定まるため、全ての座標データ取得点８について距離計算をして閾値と比較してからｋ近傍の内側にある点を特定する必要がなく、図５の２次元配列形式の座標データから所望のものを抽出して演算に用いればよくなる。したがって、多数の座標データ取得点８について距離計算に要する時間が不要となるため、幾何学的特徴量の計算をさらに高速化できる。

そして、ステップＳ３では、ステップＳ２で計算された固有値λ_ｊ、固有ベクトルｖ_ｊを基にして、欠陥の有無を判定する。量産鋳造部品に発生する湯境のようなくさび形の欠陥では、欠陥の周囲において局所的に曲率が大きくなる。ゆえに、ステップ２の式３で推定された近似曲率σと予め設定された近似曲率の閾値σ_ｔｈｒとを比較し、σがσ_ｔｈｒを超える点があれば、検査対象物３に欠陥があると判定する。すべての点においてσがσ_ｔｈｒを下回る場合は、検査対象物３に欠陥はないと判定する。曲率が大きいことは法線ベクトルの空間変化が大きいことと同値であるから、ステップＳ２で推定された法線ベクトル（３次の固有ベクトル）の各成分そのものや、これらを四則演算した結果を基に欠陥の有無を判定してもよい。

なお、図５の座標データには、検査対象物３の座標データ以外に、検査対象物３を乗せた台座４の座標データが含まれていることがある。台座４の座標データによる判定処理時間の増加や欠陥の誤検出を回避するには、ステップＳ３の判定処理において、検査対象物３以外の座標データが含まれる領域を指定し、その領域に含まれる座標データを欠陥判定に用いないようにすればよい。

上記の近似曲率や法線ベクトルなどの幾何学的特徴量は、図８に示すように、第一方向１３に直線状に配置された検査対象物３の表面の座標データだけでなく、第一方向に略垂直な第二方向１４に隣接した座標データを用いて算出される。計算に用いられる座標データの数が多いほど、プロファイルに生じたノイズ（異常値）の影響が小さくなり、誤判定が少なくなると考えられるので、本手法を用いることで鋳造部品のように複雑形状を有し迷光によるノイズが生じやすい部品であっても、ノイズによる誤判定を少なくすることができる。

判定に用いる指標は、近似曲率である必要はなく、また、取得した座標データから曲線状に並んだ座標データを抽出し、これらの点において、固有値、固有ベクトルの各成分を微分した値としてもよい。

また、判定後は、作業者が欠陥の位置や形状を把握できるようにするため、計測した座標データを三次元プロットし、近似曲率が閾値を超えた座標データに色をつけて表示してもよい。

１００ 表面形状検査装置、
１ 測定機、
２ ラインレーザ、
３ 検査対象物、
４ 台座、
５ 固定治具、
６ 単軸ロボット、
７ ロボットアーム、
８ 座標データ取得点、
９ 直線状の測定範囲、
１０ ｋ近傍を計算する座標データ取得点、
１１ ｋ近傍を規定する距離範囲の境界線、
１２ 表面欠陥、
１３ 第一方向、
１４ 第二方向、
１５ 算出手段、
１６ 判定手段、
Ｓ１ 検査対象物の座標データの取得ステップ、
Ｓ２ 幾何学的特徴量の計算ステップ、
Ｓ３ 欠陥判定処理ステップ、

Claims (10)

1. 三次元形状物の表面を検査する表面検査方法であって、
   検査対象物に対し、第一の方向に所定の間隔で直線状に配置された座標データ取得点を、該第一の方向と略垂直な方向である第二の方向に走査させて前記検査対象物の表面の座標データを取得し、
   前記取得された座標データのうち、所定の座標データと、該所定の座標データからみて前記第一の方向に隣接する座標データ取得点の座標データと、前記所定の座標データからみて前記第二の方向に隣接する座標データ取得点の座標データとを用いて三次元空間に係る幾何学的特徴量を算出し、
   該幾何学的特徴量に基づき表面欠陥の有無を判定する表面形状検査方法。
2. 前記第一の方向に配置された座標データ取得点は等間隔であり、
   前記第二の方向の座標データ取得点が前記第一の方向に配置された座標データ取得点の間隔と同間隔となるように、走査速度またはデータ集録速度が設定されたことを特徴とする請求項１記載の表面形状検査方法。
3. 前記幾何学的特徴量は、複数の前記座標データを主成分分析した結果得られる固有値または固有ベクトル、または、これらの四則演算の結果または微分演算の結果であることを特徴とする請求項１または２に記載の表面形状検査方法。
4. 複数の前記座標データは、前記幾何学的特徴量の計算点を含む座標軸を中心軸とする無限円柱の内部にあることを特徴とする請求項２または３に記載の表面形状検査方法。
5. 複数の前記座標データは、２次元構造化マトリクスに格納され、前記幾何学的特徴量を計算する際には、前記複数の座標データの探索範囲が事前に指定されることを特徴とする請求項２から４の何れか一項に記載の表面形状検査方法。
6. 三次元形状物の表面を検査する表面形状検査装置であって、
   検査対象物に対し、第一の方向に所定の間隔で直線状に配置された座標データ取得点を有する測定機と、
   前記第一の方向と略垂直な方向である第二の方向に前記検査対象物または前記測定機を走査させる走査機構と、
   前記取得された座標データのうち、所定の座標データと、該所定の座標データからみて前記第一の方向に隣接する座標データ取得点の座標データと、前記所定の座標データからみて前記第二の方向に隣接する座標データ取得点の座標データとを用いて三次元空間に係る幾何学的特徴量を算出する算出手段と、
   該算出手段で算出された前記幾何学的特徴量を基に、表面欠陥の有無を判定する判定手段と、
   を有することを特徴とする表面形状検査装置。
7. 前記第一の方向に配置された座標データ取得点は等間隔であり、前記第二の方向の座標データ取得点が前記第一の方向に配置された座標データ取得点の間隔と同間隔となるように、前記走査機構の走査速度または前記測定機のデータ集録速度が設定されたことを特徴とする請求項６記載の表面形状検査装置。
8. 前記幾何学的特徴量は、複数の前記座標データを主成分分析した結果得られる固有値または固有ベクトルまたはこれらの四則演算の結果または微分演算の結果であることを特徴とする請求項６または７に記載の表面形状検査装置。
9. 複数の前記座標データは、前記幾何学的特徴量の計算点を含む座標軸を中心軸とする無限円柱の内部にあることを特徴とする請求項７または８に記載の表面形状検査装置。
10. 複数の前記座標データは、２次元構造化マトリクスに格納され、前記幾何学的特徴量を計算する際には、前記複数の座標データの探索範囲が事前に指定されることを特徴とする請求項７から９の何れか一項に記載の表面形状検査装置。

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