JP5430801B2 - マルチイメージセンサによる鋼球表面展開方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、鋼球表面展開方法に関する。特に、鋼球を一次元的に転動させるだけで、球の表面全体のカバーを実現できる、マルチイメージセンサによる鋼球表面展開方法及び装置に関する。

鋼球は、ベアリングの部品としても、独立な転動体としても、広く応用されている。加工プロセスおよび精度などにより、製造過程において、鋼球の表面には磨耗、割れ、錆び、凹みなどの欠陥が出現する。これらの欠陥は、ベアリングのスピード、ノイズ、振動、寿命などの性能に重要な影響を及ぼす。このため、鋼球の表面欠陥検出は重要である。

現在、国内のメーカーの多くは人為的な検出方法を採用している。つまり、蛍光灯の下で目視や低倍率拡大鏡により鋼球の表面品質をチェックしている。しかしながら、人為的な検出では結果がランダムになり、特に微型鋼球については表面欠陥の発見が難しく、チェック漏れやチェック誤りが生じやすい。また、手作業によるプールは、球面の完全展開を保証できず、やはりチェック漏れの恐れがある。また、検出者は、平滑度の高い鋼球を長時間観測すると、視覚疲労をきたしやすい。よって、ベアリング業界においては、正確且つ有効に鋼球の表面品質を評価できる自動検出装置が強く求められている。

鋼球の表面品質の自動検出装置の開発には、センサが異なることを除けば、鋼球の表面展開装置がコアとなり、国内外で一貫して解決困難な技術的課題であった。現在まで、鋼球の欠陥検出方法には、渦流探傷技術、超音波探傷技術、光電検出技術および視覚検出技術などのいろいろな方法がある。

従来の鋼球の表面欠陥イメージ検出装置において、一般的には単独のイメージセンサのみが用いられている。センサによる一次結像は、一定直径の球冠部分しか取得できない。鋼球が球心を通りかつ光軸に直交するある直径の回りを回転するときに、センサにより連続的に結像しても、鋼球の表面における一つの環状の領域の画像しか取得できない。鋼球の表面の完全な画像を得るためには、鋼球を二次元的に機械的に運動させる必要がある。まさにこの点が、鋼球の表面全体をカバーする画像の取得のランダム性や複雑性をもたらしている。

このため、鋼球の展開装置には、依然として以下の問題が存在する。１．二次元的な運動に殆んどとどまっており、機械構造が複雑である。例えば、比較的発達した、渦流探傷による子午線展開方法の場合、鋼球が展開輪と主動輪の間でスライドせず、単純な転動しかしないということを前提とする。展開輪は使用中に磨耗しやすく、磨耗された展開輪によって鋼球の展開が不十分になり、欠陥のチェック漏れが起こりやすくなるため、頻繁に交換が必要になり、メンテナンス費用が高くなる。次いで開発の進んだ経緯走査式の展開方法にも同様の問題が存在する。２．全面的なカバーができない。従来の方法では、鋼球の十分な展開は比較的ランダムになる。例えば、視覚による鋼球の表面自動検出装置のいくつかにおいて、鋼球は一定の速度で回動するようにフィールド盤の検出キャビティに載置され、鋼球の展開は、鋼球の底部の摩擦盤の周期的な回動および間欠的な平動が鋼球を偏芯運動させることによって、検出される鋼球の表面展開の効果を奏する。しかしながら、この方法による画像の取得はランダムになり、鋼球の表面を完全にカバーすることは保証できず、機構も比較的複雑である。

本発明が解決しようとする技術的課題は、鋼球表面の高速、正確な展開が実現でき、球表面全体をカバーする信頼性を向上できる、マルチイメージセンサによる鋼球表面展開方法及び装置を提供することである。

本発明に係る技術解決手段は、マルチイメージセンサによる鋼球表面展開方法および装置である。マルチイメージセンサによる鋼球表面展開方法は、凹溝から形成される１つの直線ガイドレールを設置し、前記直線ガイドレールは、被測鋼球を重力により当該直線ガイドレールに沿って前方に向かって単純に転動運動させる勾配を有し、直線ガイドレールの軸線両側の斜め上方には、互いに対称でかつ同一構造である２つのイメージセンサがそれぞれ設置されており、対称かつ同一サイズの球冠面を取得するように、対応する２つのイメージセンサのパラメータおよび２つのレンズの光学パラメータをそれぞれ調整して一致させ、凹溝を有する直線ガイドレールに被測鋼球を設置し、被測鋼球は重力により、凹溝を有する直線ガイドレールに沿って一次元的に運動し、被測鋼球がイメージセンサの下方を通過する際に、２つのイメージセンサは被測鋼球に対して連続した画像の採集を実現する。

前記凹溝はＶ字溝である。

前記２つのイメージセンサのうちいずれかのイメージセンサのレンズは、垂直方向となす角度がθであり、前記角度θは、以下の条件を満たし、

ただし、rは２つのイメージセンサにより撮像された球冠面の半径、Rは鋼球の半径、kは比例係数k＝r/Rである。

マルチイメージセンサによる鋼球表面展開方法に用いられる装置は、テーブルと、テーブルの中部に設置され、凹溝から形成される直線ガイドレールと、テーブルの両端に対称に設置され、直線ガイドレールの両側に位置する２つのスタンドとを備え、前記直線ガイドレールは、被測鋼球を重力によりこの直線ガイドレールに沿って前方に向かって単純に転動運動させる勾配を有し、前記２つのスタンドの上端には１つのイメージセンサがそれぞれ設けられ、前記２つのスタンドにおける２つのイメージセンサのレンズは、いずれも直線ガイドレールの底部の中心軸線に対応する。

直線ガイドレールを形成する前記凹溝はＶ字溝である。

前記２つのイメージセンサのうちいずれかのカメラのレンズは、垂直方向となす角度がθであり、前記角度θは、以下の条件を満たし、

ただし、rは２つのイメージセンサにより撮像された球冠面の半径、Rは鋼球の半径、kは比例係数k＝r/Rである。

本発明に係るマルチイメージセンサによる鋼球表面展開方法及び装置は、マルチイメージセンサによる視覚検出技術を利用して、マルチイメージセンサによる視覚検出技術により鋼球表面全体をカバーすることを実現する方法を提案している。異なる時刻で運動する鋼球の画像を採集して鋼球の表面全体をカバーすることができるとともに、鋼球を展開する機械構造を大幅に簡略化し、即ち二次元的な相対運動から一次元的な単純な転動の機械運動に簡略化して、機械構造が複雑で磨耗しやすく展開不十分な展開輪システムの採用を回避し、鋼球の運動中にスライドが発生する恐れを解消し、鋼球の表面を高速かつ正確に展開するという課題を解決して、視覚によるデジタルイメージ処理技術を鋼球表面品質の自動検出システムに効果的に応用し、自動検出システムおよび鋼球展開システムの信頼性を向上させ、ランダムな確率事象とならないように、鋼球表面全体をカバーすることの信頼性を向上させることを目的とする。本発明の機械装置はより簡単であり、鋼球表面欠陥の自動検出の難易度とコストを大幅に低減しており、かつ操作が簡便であり、広範な応用が見込まれる。

本発明の装置の全体的な構成の模式斜視図である。 図１の二次元構成の模式図である。 カメラレンズ全体をカバーする計算の斜視図である。 球冠面の展開軌跡の模式図である。 球体の垂直断面の完全なカバーの臨界模式図である。

以下、実施例と図面を参照して、本発明のマルチイメージセンサによる鋼球表面展開方法及び装置について詳しく説明する。

本発明に係るマルチイメージセンサによる鋼球表面展開方法は、凹溝から形成される１つの直線ガイドレールを設置するものであり、前記凹溝はＶ字溝である。前記直線ガイドレールは、被測鋼球を重力により当該直線ガイドレールに沿って前方に向かって単純に転動運動させる勾配を有し、直線ガイドレールの軸線両側の斜め上方には、互いに対称でかつ同一構造である２つのイメージセンサがそれぞれ設置されており、対称かつ同一サイズの球冠面を取得するように、対応する２つのイメージセンサのパラメータおよび２つのレンズの光学パラメータをそれぞれ調整して一致させ、前記直線ガイドレールの上方には光源が設けられる。凹溝を有する直線ガイドレールに被測鋼球を設置し、被測鋼球は重力により、凹溝を有する直線ガイドレールに沿って一次元的に運動し、被測鋼球がイメージセンサの下方を通っている時、２つのイメージセンサは被測鋼球に対して連続した画像の採集を実現する。

本発明に記載のイメージセンサは、CCDイメージセンサおよびCMOSイメージセンサなどを含む。本実施例に使用するイメージセンサは、マトリックスCCDカメラである。

前記２つのCCDカメラのうちいずれかのCCDカメラのレンズは、垂直方向となす角度がθであり、前記角度θは、以下の条件を満たし、

ただし、rは２つのCCDカメラにより撮像された球冠面の半径、Rは鋼球の半径、kは比例係数k＝r/Rである。

２つのCCDカメラをそれぞれJ、Kと番号付ける。２つのCCDカメラにより２つの球冠面の画像を取得する。図３に示すように、球面ABA´は、Jにより採集された球冠面、球面B´A´Bは、Kにより採集された球冠面である。一部に重なり合う領域があり、半球以下にある領域もある。被測鋼球は直線レールに沿って一次元的に単純に転動運動する。同一の時刻に２つのカメラにより撮像された領域に重合部分があり、かついずれも半球を越えている場合には、鋼球の表面を遺漏なく全部取得することができる。このようにして、鋼球の表面は十分に展開される。適切な重合面積および半球を越える面積に調節すれば、１つの最適な展開状態が得られる。即ち、十分に展開するとともに、カメラによる採集の回数も最小になる。図４は、撮像された球冠面の、経時的な展開の軌跡の二次元図である。

図３に示すように、球面ABA´は、Jにより採集された球冠面、球面B´A´Bは、Kにより採集された球冠面である。２つの球冠面は、OおよびO´で交わっている。２つの球冠面の重合部分をOBO´A´、接面AOA´の円心をN、球心をM、OO´の中心をP、O´NとOO´とを連結してなる角度をαとする。立体幾何学によって、θが小さいほど重合面積は大きく、比例係数kが大きいほど重合面積が大きいことが導き出される。重合部分を有することは、毎回の採集においてデッドゾーンが存在しないようにするための充分条件である。２つの重合する円断面を展開すると、αを用いて２つの円断面の重合状況を定量分析することができる。この設定からわかるように、ΔAMNにおいて、

となる。ΔNMPにおいて、

となる。ΔPNO´において、幾何学公式に基づいて、

と導かれる。

２つの重合する三次元的な球断面を二次元的な平面図に展開すると、図３のようになる。このことからわかるように、重合の臨界位置はα＝π/2であり、重合の最大位置はα＝0である。したがって、２つのセンサにより採集した球冠面に重合があるための充分条件は、

である。

展開軌跡から、全体をカバーし、異なる採集時刻の間でデッドゾーンが存在しないようにするためには、一回に採集される球面において最も狭い箇所、すなわちOO´を基準としなければならないということがわかる。OO´に沿って一つの円周を通るとともに、カバーされた球面ABA´B´が半球を越えるようにしてはじめて、球の全体を十分にカバーすることを保証できる。図４からわかるように、

である。

カバーされた球面ABA´B´が半球の臨界位置にある場合（図５に示されるように）cosθ₀=r/2Rであるため、半球を越えるために必要なθの範囲は、

である。

以上をまとめて、式（４）、（５）、（６）を連立させると、

となる。ただし、nは全体をカバーするように展開する時の所要採集回数である。

この連立方程式を解くと、k>0.71の場合にのみ方程式のθを満たす。kの値が大きいほど、選択可能なθの範囲は広い。θが一定の場合には、kの値が大きくなるにしたがって、所要採集回数は小さくなる。このため、条件を満たすkの値が一定であれば、θの位置によって重合面積が異なり、重合面積が最大になる時には、所要採集回数が最小となり、効率が最高である。直観的な概念の構築のために、一部の具体的な数値における所要採集回数を下表に示す。

以上のように、カメラとレンズとのパラメータを調整すれば、kの値を一定にすることができる。選択可能な範囲で最適なθの値を選ぶと、最終的に全体をカバーするための最小の採集回数が得られる。同時に、被測鋼球をレールに沿って一次元的に運動させる時間内で、複数の回数で結像する方法を用いることにより、デッドゾーンなく球体表面を十分に展開することができる。機械的な展開機構の複雑度を大幅に低下させ、二次元的な機械運動に代えて一次元的な相対運動を使用している。

図１、図２に示されるように、本発明に係るマルチイメージセンサによる鋼球表面展開方法に用いられる装置は、テーブル４と、テーブル４の中部に設置され、Ｖ字溝である凹溝から形成される直線ガイドレール５と、テーブル４の両端に対称に設置され、直線ガイドレール５の両側に位置する２つのスタンド３とを備え、前記直線ガイドレール５は、被測鋼球６を重力によってこの直線ガイドレール５に沿って前方に向かって単純に転動運動させる勾配を有し、前記２つのスタンド３の上端には１つのイメージセンサ１がそれぞれ設けられ、前記２つのスタンド３上の２つのイメージセンサ１のレンズ２は、いずれも直線ガイドレール５の底部の中心軸線に対応する。前記直線ガイドレール５の上方には光源７が設けられる。

前記２つのイメージセンサ１のいずれかのイメージセンサのレンズ２は、垂直方向となす角度がθであり、前記θは以下の条件を満たし、

ただし、rは２つのイメージセンサにより撮像された球冠面の半径、Rは鋼球の半径、kは比例係数k＝r/Rである。

本発明に係るイメージセンサは、CCDイメージセンサおよびCMOSイメージセンサなどを含む。本実施例に用いられるイメージセンサは、マトリックスCCDカメラである。

本発明に係るマルチイメージセンサによる鋼球表面展開方法に用いられる装置は、鋼球の表面を測量する際に、直線ガイドレール５の高い端に被測鋼球を設置し、被測鋼球を重力によりこの直線ガイドレール５に沿って前（低い端）に単純に転動運動させることにより、２つのCCDカメラにより被測鋼球に対して連続した画像の採集を実現する。

１：カメラ
２：レンズ
３：スタンド
４：テーブル
５：直線ガイドレール
６：被測鋼球

Claims (4)

1. マルチイメージセンサによる鋼球表面展開方法であって、凹溝から形成される１つの直線ガイドレールを設置し、前記直線ガイドレールは、被測鋼球を重力により当該直線ガイドレールに沿って前方に向かって単純に転動運動させる勾配を有し、直線ガイドレールの軸線両側の斜め上方には、互いに対称でかつ同一構造である２つのイメージセンサがそれぞれ設置されており、対称かつ同一サイズの球冠面を取得するように、対応する２つのイメージセンサのパラメータおよび２つのレンズの光学パラメータをそれぞれ調整して一致させ、凹溝を有する直線ガイドレールに被測鋼球を設置し、被測鋼球は重力により、凹溝を有する直線ガイドレールに沿って一次元的に運動し、被測鋼球がイメージセンサの下方を通過する際に、２つのイメージセンサは被測鋼球に対して連続した画像の採集を実現し、
   前記の２つのイメージセンサのうちいずれかのイメージセンサのレンズは、垂直方向となす角度がθであり、前記角度θは、以下の条件を満たし、
   

   

   ただし、rは２つのイメージセンサにより撮像された球冠面の半径、Rは鋼球の半径、kは比例係数k＝r/Rであることを特徴とする、マルチイメージセンサによる鋼球表面展開方法。
2. 前記凹溝はＶ字溝であることを特徴とする、請求項１に記載のマルチイメージセンサによる鋼球表面展開方法。
3. 請求項１に記載のマルチイメージセンサによる鋼球表面展開方法に用いられる装置であって、テーブル（４）と、テーブル（４）の中部に設置され、凹溝から形成される直線ガイドレール（５）と、テーブル（４）の両端に対称に設置され、直線ガイドレール（５）の両側に位置する２つのスタンド（３）とを備え、前記直線ガイドレール（５）は、被測鋼球（６）を重力によりこの直線ガイドレール（５）に沿って前方に向かって単純に転動運動させる勾配を有し、前記２つのスタンド（３）の上端には１つのイメージセンサ（１）がそれぞれ設けられ、前記２つのスタンド（３）における２つのイメージセンサ（１）のレンズ（２）は、いずれも直線ガイドレール（５）の底部の中心軸線に対応し、
   前記２つのイメージセンサ（１）のうちいずれかのカメラのレンズ（２）は、垂直方向となす角度がθであり、前記角度θは、以下の条件を満たし、
   

   

   ただし、rは２つのイメージセンサにより撮像された球冠面の半径、Rは鋼球の半径、kは比例係数k＝r/Rであることを特徴とする、マルチイメージセンサによる鋼球表面展開方法に用いられる装置。
4. 直線ガイドレール（５）を形成する前記凹溝はＶ字溝であることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
   

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