JP5158993B2 - 金属板生産ラインにおける残留酸化物の検出及び分類装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に金属板生産ラインにおける残留酸化物汚れ（残留スケール）の完全自動検出及び分類のために設計された光学装置に関するものである。

本発明の目的は、生産ラインにおいて一見したところでは確認するのが困難な前記酸化物汚れを検出及び分類するため、材料の全域にわたって移動する自動光学系を用いて、これらのタイプの表面の品質を制御可能にする装置を提供することにある。従って、本発明は、鉄鋼業、及び、粗い高反射性の表面を備えた鋼材及び金属材料の製造業の分野に含まれ、ラインの停止を必要とせずに前記表面の検査を実施するため、表面ストリッピングまたはクリーニング工程の終了時に導入することが可能である。

本発明の実際の適用領域である、前記表面上の小さい酸化物汚れを検出するための金属板表面の品質管理において、オペレータは、通常、拡大鏡を用いて、全ての金属板の表面を徹底的に検査し、結果として不具合及び欠点が明らかになると、瞬時に生産ラインを停止する。

このタスクは、オペレータによる実施中、その表面の反射性及び粗度が高いために、光によって残留酸化物が隠れるとか、あるいは、粒状化表面自体による陰が酸化物と誤認される可能性があるという事実によってその検査が困難になるので、期待されるほど効率が良くない場合がある。

このプロセスに必要な時間のため、前記表面の品質は、前述のように検査中は生産ラインを停止しなければならないという事実により、不十分なサンプリングで無作為に確認される。

技術的現状において、カメラを利用して、生産ラインに沿って移動する金属板の記録及び加工を行う先行技術が知られている（例えば特許文献１参照）。この特許では、金属板全体を記録しなければならない。カメラの特性及びその取付けは、金属板の幅全体を含むように選択しなければならないが、そのため、前述の前提に基づいて視野、レンズズーム、及び、作動距離を計算するための公式が必要になる。これらの公式は、幅１ｍｍ及び５１２ｍｍの金属板上の欠陥を検出するために用いられ、幅１０ｍｍまでの金属板全体を含んで、２５ミクロン以上の欠陥を検出することが可能であることも示しているが、両仕様とも、同時に技術的現状では得られないカメラの使用を必要とすることになるであろう。

本発明の目的は、典型的な幅が１，５００ｍｍ、典型的な速度が６０ｍ／分という条件下で、サイズが５０〜２００ミクロンの残留酸化物を検出することにある。特許文献１の構想に基づいてカメラを配置するには、市販カメラの範囲外である６０，０００ピクセル（１５００／０．０２５）の線形センサを備えたカメラが必要になる。金属板の１つの典型的な長さは１，０００メートルであり、そのため、一連の金属板の記憶には、金属板毎に約１テラバイト及び１日当たり数百テラバイトが必要になる。この特許は、リアルタイム処理を想定しているようには思えず、そのため、検出される残留酸化物のタイプに関して必要な情報を得るのは不可能であろう。

同様に、機械のリアルタイム処理能力はかなりのものになる、すなわち、単純なＰＣの可能性を超えることになる。これらの欠点を回避するため、検出したいと思う欠陥の性質に鑑みて、本発明では金属板に関する統計的分析が実施される。捕捉したビデオ信号は、その分類のためリアルタイムでデジタル化され、処理される。収集した全画像の記憶は不要であり、金属板の各ゾーン毎に関するリアルタイム処理結果の記憶だけが必要とされる。監視目的に必要とされるのは、各ゾーンのわずかな画像の記憶だけである。

特許文献１の場合、この欠陥と他の同様の欠陥とのみわけがつかないので、残留酸化物の検出に利用することはできない。これに関して、特許文献１には、統計的画像処理及びそのプロセスへの適応（酸化速度及びサイズ）のリアルタイム進行の全てが欠けている。同様に、本発明は、観察される材料表面の光に起因する固有の問題のあるステンレス鋼表面に適用され、サイズが１０ミクロンのピクセルを検出可能であるが、特許文献１のシステムは、サイズが２５ミクロンまでのピクセルしか検出することができず、線形カメラを用いて検査すべき帯状部分を完全に記録するように想定されている、即ち、このシステムは側方に移動するのではなく、むしろ、撮影速度と伝送速度が同期するように、伝送速度を指示するエンコーダを利用して同期がとられる。

この装置は想定された機能を完全に果たすが、検査すべき金属板の量が多い場合には、こうしたシステムを導入するのに必要な画像処理能力及び記憶容量は経済的に実現不可能であるため、一連のかなりの制限がある。これに関して、１日当たり約４４ＧＢの記憶空間が必要になり、１ヶ月間の記憶には１．２ＴＢが必要になるであろう。

先行技術文献の１つに、同様の特性を備えた装置の開示があるが（特許文献２参照）、その装置は、前記欠陥が既に検出されている場合に、スクリーン表示に備えて画像を記憶することを意図したものであるため、すなわち、その目的は、画像収集を通じて欠陥を検出することではなく、むしろ、欠陥を捕捉次第その分析を可能にすることにあるため、本発明とは全く異なるものである。

要約書から推測できるように、Ｋａｎｓａｋｉのシステム（特許文献３参照）では、金属板上の欠陥の事前検出が前提とされており、その幅に沿った位置を示す信号が発生し、システムコントローラに接続される。その後、その装置はカメラを位置決めし、欠陥ゾーンの画像を得て記憶する。

この特許のシステムは、いかなる種類の分析も実施することなく、後で欠陥を検分するために、欠陥の画像を収集して、その位置と共にこれらを記憶することに限定される。

我々のシステムでは、探し求めている欠陥を検出するために、金属板表面のリアルタイムの統計的分析が実施され、収集した画像はリアルタイムで処理されることになり、それよって他のシステムとの差異が生じる。我々のシステムでは、画像のデジタル変換も実施されるが、特許文献３の場合には実施されない。

この出願人は、反射性の高い金属表面上に存在する残留酸化物を検出して分類するために金属板表面における自動統計的検査を可能にする、しかも、生産ラインを停止することなく生産ラインに導入することが可能なシステムの存在に気付いていない。

米国特許第６２５９１０９号明細書 特許第６３１０６２６５号明細書 特許第６３１１０６２６５号明細書

本発明によって提示される金属板生産ラインで残留酸化物を検出及び分類するための装置によれば、さまざまな前述の態様における前述の問題の満足のいく解決がなされ、統計的サンプリングによってサイズが約５０μｍの酸化物汚れの自動検出が可能になる。

このため、本発明は、ストロボ光源及び光拡散スクリーンに補助される少なくとも１つの高解像度カメラを組み込んだ光学系から構成され、それらの全ては、生産ラインにおいてそれを通して金属板が進むことになる表面全域にわたって移動可能な支持キャリッジに取り付けられたボックス内に、垂直にというだけではなく密封もして取り付けられている。前記キャリッジの移動は、プログラマブルオートマトン（ＰＬＣ）によって制御される。

従って、プログラマブルオートメーションは、検査すべき金属板表面のゾーン全体にわたってカメラを移動させる役目を担っているが、一定の強度で分布しているように見える、検査すべき酸化物汚れの性質を考慮すると、金属板を１００％検査する必要はなく、金属板の移動速度及びスライドバーの同期した側方移動によって、表面の単位面積当たり汚れ数を求めるのに十分な金属板表面のジグザグサンプリングが実現されるようなやり方で、統計的サンプリングを実施すれば十分である。

カメラのビデオ信号は、画像記録カードを介してＰＣに転送される。前記ＰＣでは、特定のプログラミングソフトウェアを用いて、得られた全ての画像が処理され、探索された全ての残留スケールが、検出され、定量化され、分類される。従って、いったんその前の画像の処理が終了すると、収集速度は、ビデオカメラまたは伝送速度によって制御されるのではなく、正しくは処理ソフトウェアによって制御されることになる。

同様に、照明強度は時間とともに一定ではなくなるが、より正確に云えば、それは先行画像の処理が終了することによってトリガされる前述のストロボ光によって生じる。

従って、このシステムは、検出される残留スケールのレベルに基づいて表面ストリッピングまたはクリーニングシステムの欠点について警告する。

この説明を完全なものにし、本発明の特性のより明確な理解を助けるため、その実際の実施形態の望ましい例に従って、１組の図面がこの説明と一体の部分として掲載されている。下記の図は、例示となるが、制限とはならないものである。
生産ラインに正式に導入されると思われる、本発明の目的に従って製造された、金属板生産ラインにおいて残留酸化物を検出及び分類するための装置の斜視図である。 図１における装置の側面図である。 本発明の装置に関与する光学素子及び照明素子が含まれているボックスの斜視図である。 そのシーリングパネルを外した図３のボックスの側面図である。 図３及び４に示したボックスを水平移動させるためのスライドバーの斜視図である。 図３及び４に示したボックスを垂直移動させるためのスライドバーの斜視図である。 本発明に係る装置に関与するさまざまな電子部品間の関係を観察することが可能な配線図である。

以上の図に照らして、全てのピクセルが２５μｍの物体サイズに相当するように、物体すなわち鋼板（２）の平面において少なくとも４０ピクセル／ｍｍの解像度を有するＣＣＤカメラ（１）が、本文で後述されるように、前記カメラ（１）に関連したＰＣ（３）にインストールされたプログラミングソフトウェアを利用して、最小サイズが５０μｍである、すなわち、少なくとも２×２ピクセルを占める汚れを検出できるようにする方法において、十分に信頼できる検出アルゴリズムを確立するため、金属板生産ラインにおける残留酸化物を検出及び分類するための公に宣言された装置にいかに関与するかを観察することが可能である。

前記ＣＣＤカメラ（１）は、密閉されたボックスまたはフレーム構造（４）の内部に配置されており、ボックスの内部には開閉可能なパネル（５）を介して進入可能である。実施形態の選択された例において、ボックスは四角形の角柱構造を有しており、その上方ベースは、円錐台形状の表面に沿って延びているが、前記ボックスは、本発明の本質に影響することなくさまざまな構造を採用することができるので、この構造は単なる例示のためのものである。

前記ボックスまたはフレーム構造（４）の内部には、検査すべき表面における陰の形成を回避するため、前記ストロボ灯によって生じる光を拡散するため１対のハイパワーストロボ灯（６）に加えて、の拡散表面（７）も配置されている。それを通してカメラ（１）が検査すべき金属板（２）表面の画像を収集する、ガラスを取り付けたウィンドウが、前記フレーム構造（４）のベースに設けられている。

前記ボックスは、埃や塵の侵入を防ぐため前述のように密封するのが望ましく、それに含まれているさまざまな電気及び電子素子のケーブル引出口（４’）を備えることになる。

フレーム構造またはボックス（４）は、前記ボックス（４）を垂直方向に移動させることが可能なキャリッジ（９）に加えて、鋼板（２）の前進方向に対して直角に水平移動できるようにするモータを装備した図５に示すキャリッジ（８）にも固定されている。

ボックス（４）、従って、それに関連したカメラの側方移動と鋼板（２）の前進方向における移動が相俟って、装置は、質の高い測定結果が得られることを保証するため、十分に無作為なサンプリング表面の撮像が可能になる。

オプションにより、より大きいサンプリング表面が求められる場合には、各キャリッジ（８）毎に２つ以上のボックス（４）を配置することが可能である。

前記キャリッジ（９）は、カメラが、常に前記表面から同じ距離、従って、同じ焦点距離にあって、自動焦点合わせシステムを配置する必要がなくなるような方法で、検査すべき金属板表面に対するボックス（４）、従って、カメラ（１）の垂直距離を修正するため、装置がさまざまな鋼板の厚さを見分けることができるようにする超音波センサ（１０）によって補完される。それは、採用可能な解決法ではあるが、やや長い応答時間を必要とする。

従って、図７において明らかなように、カメラ（１）及びストロボ灯（６）は、ＰＣ（３）、画像記録カード（２２）、及び、オプションで、シリアルポート（１１）を通じて制御されるが、それぞれの電気モータ（１２）及び（１３）によるキャリッジ（８）及び（９）の水平及び垂直移動は、それぞれのシリアルポート（１６−１６’）、ＬＡＮ、または、同様のものを通じて前記ＰＣに関連づけられ、対応する入口（１９）を介して、モータ（１２−１３）、経路端センサ（１７）、超音波センサ（１０）、及び、異常または非常事態センサ（１８）に関連づけられた、制御キャビネット（１５）に配置されたプログラマブルマイクロコントローラまたはオートマトン（１４）によって制御される。

従って、全ての画像はさまざまなしきい値処理手順を用いて処理され、見付かった酸化物汚れの割合に関する統計値の計算は、設定可能な長さ（一般に１〜１０メートル）の特定の帯状セクション内におけるそのさまざまなサイズに基づいている。このシステムは、全画像の記憶を必要とせず、監視を目的として、検証のために全てのセクション毎にいくつか（通常は１つ）を必要とするだけである。システムの成果は、全ての縦方向帯状セクションにおけるさまざまなサイズに基づく酸化物汚れの割合の計算値である。

最後に、指摘しておかなければならないのは、処理情報を他のＰＣに伝送するため、ＬＡＮポート（２１）を介してコンピュータ（３）をローカルデータネットワーク（２０）に接続できるという点である。

以上の説明は、カメラ（１）と検査すべき表面との間隔調節が、ボックス（４）に関連したキャリッジ（９）を移動させることによって実施されるという事実に基づいてなされたが、前記キャリッジは、オプションにより、ボックス（４）の外部ではなく、前記カメラ（１）の垂直移動に作用するだけで、ボックス（４）は垂直方向において不動の状態に保つやり方で内部に取り付けることが可能である。

１ カメラ
２ 金属板
３ ＰＣ
４ ボックス
５ 開閉可能なパネル
６ ハイパワー照明装置（ストロボ灯）
７ 拡散表面
８ 側方（水平方向）移動手段
９ 垂直方向移動手段
１０ 超音波センサ
１２ 電気モータ
１４ プログラマブルマイクロコントローラ／オートマトン
１６ 通信（シリアル）ポート

Claims (5)

1. できるだけ代表的なサンプルを得るため検査すべき金属板の表面のジグザグサンプリングを可能にするために、横方向移動のための手段（８）及び同期動作手段が装備された、金属板生産ラインにおける残留酸化物を検出及び分類する装置であって、
   高解像度カメラ（１）と、ストロボライト（６）と光拡散表面（７）とから成る照明装置（６，７）を気密に内蔵するフレーム構造またはボックス（４）と、
   フレーム構造またはボックス（４）を金属板の移動方向とは直交する方向に往復移動自在に支持するキャリッジ（８）と、
   カメラ（１）の画像（ビデオ）を受け入れ、得られた画像を処理し、残留酸化物を検出し、それらを大きさにより分類し、それらの表面部分の品質を、それらに属する画像群の統計的分析に基づいて評価するソフトウエアを記録したＰＣ（３）と、から成り、
   上記フレーム構造またはボックス（４）の運動は、マイクロコントローラまたはオートマトン（１４）によってモニタされ、更に、通信ポート（１６−１６'）を通じてＰＣ（３）に伝送され、照明装置（６，７）とカメラ（１）による画像取得がモニタされることを特徴とする上記の金属板生産ラインにおける残留酸化物を検出及び分類する装置。
2. 前記フレーム構造またはボックス（４）が、それの前記金属板（２）の前進方向に対する側方への水平移動を可能にし、それによって十分に典型的なサンプリング表面を得ることができるようにするモータを備えたキャリッジ（８）に取り付けられていることを特徴とする、請求項１に記載の金属板生産ラインにおける残留酸化物を検出及び分類する装置。
3. 前記フレーム構造またはボックス（４）に、作動位置に向かって前記ボックス（４）を垂直移動させることが可能なキャリッジ（９）が含まれることを特徴とする、請求項１に記載の金属板生産ラインにおける残留酸化物を検出及び分類する装置。
4. 前記フレームまたはボックス（４）内に、前記カメラ（１）を垂直移動する手段（９）が設けられ、前記フレームまたはボックス（４）外壁に前記フレーム構造（４）と検査すべき前記金属板の表面との間隔を検出する超音波センサ（１０）が設けられ、その垂直移動手段（９）が、超音波センサ（１０）の出力に応じてプログラマブルオートマトン（１４）によって電気的に制御され、前記カメラ（１）と検査される前記金属板の表面との距離が一定に保たれることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一に記載の金属板生産ラインにおける残留酸化物を検出及び分類するための装置。
5. 前記フレーム構造（４）が、埃の侵入を防ぐために、パネル（５）によって密封され、その下方ベースに配置されたウィンドウに前記カメラレンズ（１）が対向するガラスを装着されていることを特徴とする、請求項１に記載の金属板生産ラインにおける残留酸化物を検出及び分類するための装置。

Images