JP5568947B2

JP5568947B2 - ねじ穴または穴の内部表面欠陥検査装置

Info

Publication number: JP5568947B2
Application number: JP2009242307A
Authority: JP
Inventors: 映小坂井; 昌孝戸田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2029-10-21
Also published as: JP2011089826A

Description

ねじ穴または穴の内部の表面欠陥を検査する検査装置に関する。

切削加工によって鋳物にねじ穴や穴を形成する際に、鋳巣がねじ穴や穴の内部表面に出現したり、切削加工の切粉がねじ穴や穴に異物として残留し、ねじ穴や穴の内部表面欠陥となることがある。

このような内部表面欠陥を、人による目視検査ではなく画像処理技術を用いて自動で行うものがある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００９−０１４３４７号公報

しかしながら、ねじ穴内に検査ヘッドであるプローブを挿入するため、鋳巣以外に残留切粉が存在する場合には、プローブと残留切粉が接触してプローブの位置ずれが発生し、ねじ穴の内部表面欠陥を安定して検出できないという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ねじ穴または穴の内部に検査ヘッドを挿入することなく穴の内部表面欠陥を精度よく検査できる内部表面欠陥検査装置を提供することを目的とする。

本発明の課題解決手段は、被撮像対象側から順に対物レンズとしての広角レンズ、リレーレンズ、ハーフミラー、接眼レンズ、被撮像物を撮像するカメラおよび前記ハーフミラーを介して被撮像対象に光を照射する光源を有する検査ヘッドと、前記光源に電力を供給する照明用電源と、前記カメラに接続され前記カメラが撮像した画像を処理する画像処理装置と、前記照明用電源と前記画像処理装置とを制御する制御装置と、を備えたねじ穴の内部表面欠陥検査装置において、前記カメラは、撮像するとき、被撮像対象であるねじ穴の中心線上にあるとともに、ねじ穴の開口部から外側に所定距離はなれて配置され、前記制御装置は、撮像された画像から被撮像対象であるねじ穴の内部表面欠陥部を抽出するとともに、前記カメラの光軸が前記被撮像対象であるねじ穴の中心線からずれた場合に生じる、前記画像におけるねじの山谷を表すラインの波状ゆがみを除去する、構成としたことである。
この場合、制御装置は、前記カメラにより撮像された原画像から、被測定対象となるねじ穴の特徴を判別して、判別した結果に基づいて前記カメラの露光時間および前記光源の照射光量とを決定した後、前記ねじ穴の内部表面を再度撮像し、再度撮像された画像に基づき内部表面欠陥部を抽出する、と良い。

また、前記カメラが、画像の画素が正方格子配列となるようにねじ穴の内部表面を撮像し、前記画像処理装置が、前記カメラから送られた直交座標系の画像情報を極座標系の画像情報に変換して原画像情報として記録し、前記極座標系の画像情報を再度直交座標系の画像情報に変換してねじ穴の内部表面画像を展開画像になるように処理し、ねじ穴の内部表面画像の直交座標系の画像情報をもとに深さ方向の遠近差を遠近補正する、と良い。

さらに、前記検査ヘッドがロボットのアームに固定され、前記制御装置に制御されるロボットコントローラが前記ロボットの動きを制御する、と良い。

本発明では、視野角が大きい広角レンズを対物レンズとしているため、ねじ穴または穴の開口部から所定距離離れてねじ穴または穴の内部をカメラによって撮像でき、検査ヘッドがねじ穴または穴の内部に挿入されることがないので、検査ヘッドと残留切粉が接触して検査ヘッドの位置ずれが発生せず、ねじ穴や穴のを安定して検出できる。

また、画像処理装置が、カメラから送られた直交座標系の画像情報を極座標系の画像情報に変換して原画像情報とし検査領域の抽出を行った後、再度直交座標系の画像情報に変換してねじ穴または穴の内部表面画像を展開画像になるように処理するため、検査ヘッドをねじ穴または穴の内部に挿入することなく内部表面画像を撮像、画像処理が可能となる。また、ねじ穴または穴の内部表面画像の深さ方向の遠近差、すなわち、ねじ穴または穴の開口部の諸寸法に比べて同一寸法でも底部に近づくほど小さく見えるという遠近差を補正するため、内部表面欠陥の大きさも正確に検出できる。さらに、広角レンズの中心ずれによって生じる画像の波状ゆがみ、すなわち斜め直線の集合であるはずの切削痕やねじの山谷のラインの波打ちを補正するため、検出に不要な画像情報のノイズ成分を除去でき、安定して内部表面欠陥を検出できる。

さらに、検査ヘッドがロボットのアームに固定され、制御装置に制御されるロボットコントローラがロボットの動きを制御するため、検査ヘッドが自動的に正確に位置決めされ、ゆがみの少ない画像が得られる。

ねじ穴の内部表面欠陥検査装置の構成図である。検査ヘッドを示す模式図である。ねじ穴または穴の特徴に応じてカメラの露光時間と高輝度スポット照明の照射光量を変化させることを示すグラフである。一定輝度で撮像したねじ穴の画像である。ねじ穴の特徴に応じてカメラの露光時間と高輝度スポット照明の照射光量を調整して撮像したねじ穴の画像である。ねじ穴の内部表面欠陥検査の各過程における撮像画像および処理画像である。ねじ穴の内部表面欠陥検査手順を示すフローチャートである。「波状ゆがみ」を説明する模式図である。

以下に本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明のねじ穴の内部表面欠陥検査装置の構成図であり、図２は、検査ヘッドを模式的に示した図である。

図１、図２に示すように、本発明に係る内部表面欠陥検査装置１は、ワーク３１のねじ穴（被撮像対象）３２の軸線に対してその光軸が平行な広角レンズ１２、高精度レンズの組合わせからなるリレーレンズ１３、高輝度スポット照明（光源）１７、高輝度スポット照明１７からの光を屈曲してねじ穴３２へ照射するハーフミラー１４およびカメラ１６からなる検査ヘッド１１と、ねじ穴３２の開口部から所定距離離して検査ヘッド１１を移動させるロボット６と、ロボットを制御するロボットコントローラ５と、撮像されたねじ穴３２の内部表面画像を処理する画像処理装置３と、高輝度スポット照明１７に電力を供給する照明用電源４と、ロボットコントローラ５と画像処理装置３と照明用電源４とを制御する制御装置２とから構成される。

高輝度スポット照明１７にて照射された光は、ハーフミラーによって屈曲されて高精度リレーレンズ１３と広角レンズ１２を透過し、ねじ穴３２の内部表面を均一に照射する。ねじ穴３２からの反射光は、広角レンズ１２、高精度リレーレンズ１３、ハーフミラー１４を透過してカメラに入射し、カメラがねじ穴３２の内部表面画像を撮像する。

検査ヘッド１１は、ねじ穴３２の開口部から所定距離Ｌだけ離れて保持され、ねじ穴３２の上をあらかじめティーチングされた位置（教示位置）に移動しながら、複数のねじ穴の内部表面を撮像する。すなわち、ロボットコントローラが、制御装置２の指令によりロボットアーム６ａ先端に取付けられた検査ヘッド１１を各教示点に移動、停止させ、検査ヘッド１１が教示点に停止したときに、高輝度スポット照明１７で照射されたねじ穴の内部表面を画像処理装置３の指令に基いてカメラ１６で撮像する。

撮像が完了すると、ロボットコントローラ５が検査ヘッド１１を次の教示点に移動させるとともに、検査ヘッド１１の移動中に、画像処理装置３が撮像された画像領域内における内部表面欠陥の有無を判定し、制御装置２に判定結果を伝送する。検査すべき全てのねじ穴３２の撮像が終了すると、制御装置２が内部表面欠陥の有った教示点を表示する。

広角レンズ１２の視野角が１００度以上であるため、ねじ穴３２の内部表面全体を均一に照射でき、輝度むらのない画像が得られる。なお、視野角θとは、広角レンズ１２の諸元の一つであり、平行に入射した入射光が何度に広がって放射されるかという角度であって、本実施形態においては、１００度以上としてある。

また、図３のグラフに示すように、ねじ穴３２の特徴（貫通ねじ穴か袋ねじ穴か、ねじ内径の違い）に応じてカメラ１６の露光時間と高輝度スポット照明１７の照射光量を調整することで、図５に示すように、袋ねじ穴（図５（ａ））であっても貫通ねじ穴（図５（ｂ））であっても、正常面と内部表面欠陥ｆのコントラストが大きい画像が得られ、鋳巣や残留切粉などの欠陥を容易に識別可能となる。なお、図４は、照射光量を調整することなく一定輝度で撮像した場合であって、貫通ねじ穴（図４（ｂ））においては、ねじの谷３２ｂが暗くなりすぎて内部表面欠陥ｆとのコントラストが出なくなっている。

次に、ねじ穴３２の内部表面欠陥ｆの検出手順について、図６の撮像画像および処理画像と図７のフローチャートとに基き説明する。

ステップＳ１において、カメラ１６により撮像された画像（図６（ａ））を画像処理装置３に取込み原画像とする。このとき、画像の画素の座標は、極座標表示となっている。

ステップＳａからステップＳｅは、ねじ穴３２の特徴を判別して、カメラ１６の露光時間の調整と高輝度スポット照明の照射光量の調光を自動的に行うステップである。

まずステップＳａにおいて、撮像した原画像から、穴の輪郭が閉じているか螺旋状かを認識して、被撮像対象がねじ穴か穴かを判断する（本実施形態は、ねじ穴を検査する体様であるが、本発明は、ねじ穴でない通常の穴にも適用可能なため、このステップを有する。）。

次いでステップＳｂにおいて、ねじ穴または穴の内径の特定を行う。ねじ穴の場合には、画像の中心を通るように水平に走査し、輪郭の左側端と右側端の位置から内径と中心座標とを算出する。水平方向同様、垂直、対角方向（４５度斜め方向）も同様に走査して内径と中心座標とを算出し、それぞれの内径、中心座標から、平均内径、平均中心座標を算出する。穴の場合には、穴の輪郭座標から最小二乗法により内径と中心座標とを算出する。

次いでステップＳｃにおいて、ステップＳｂで得られたねじ穴３２の中心付近における平均輝度を求める。袋ねじ穴であれば光が反射して中心付近の輝度が高くなり、貫通ねじ穴であれば光が透過して輝度が低くなるという現象から、袋ねじ穴か貫通ねじ穴かの判定を行う。

ステップＳｄにおいて、図３のグラフに基いてカメラ１６の露光時間と高輝度スポット照明１７の照射光量とを決定し、ステップＳｅにおいて、再度ねじ穴３２の内部表面を撮像する。

なお、図面情報等をもとにねじ穴種類（袋ねじ穴、貫通ねじ穴）、ねじ穴径を既知情報として制御装置に入力しておけば、制御装置に制御される画像処理装置がカメラ１６の露光時間と高輝度スポット照明１７の照射光量とを自動的に決定するので、ステップＳａからステップＳｅの過程については、省略してもよい。

次に、ステップＳ２において、検査領域を抽出する（図６（ｂ））。

ステップ３において、画素の座標を極座標系から直交座標系に変換し、いわゆるねじ穴の内部表面の展開画像を生成する（図６（ｃ））。

ステップＳ４において、同一寸法であってもねじ穴３２の開口部側が底部側より大きく撮像されることを修正するため遠近差補正を行い、遠近補正画像を生成する(図６（ｄ）)。

次いでステップＳ５において、ねじの山谷の波状ノイズ（波状ゆがみ）を除去する。波状ノイズとは、本来斜め直線の集合（図８（ａ））であるはずの切削痕、ねじの山３２ａ、ねじの谷３２ｂが、広角レンズ１２の光軸がねじ穴３２の中心からずれることで波打った曲線（図８（ｂ））になることであり、このステップにおいて、この波打ちを補正する（図６（ｅ）、図６（ｆ）、図６（ｇ））。

次いでステップＳ６において、所定の輝度閾値によって欠陥のコントラストを２値に分ける動的２値化を行う（図６（ｈ））。

ステップＳ７において、内部表面欠陥部候補ｆｋ（図示せず。以下、同じ。）の抽出を行う。

ステップＳ８において、ステップＳ７で抽出された内部表面欠陥部候補ｆｋの特徴量（内部表面欠陥部候補ｆｋが内接する等価楕円の長径・短径、面積、検出位置等）を算出する。

ステップＳ９において、あらかじめ記録されている検査規格情報と内部表面欠陥部候補ｆｋの特徴量との比較を行い、内部表面欠陥部候補ｆｋが内部表面欠陥部ｆであるか正常面であるかを判定し、内部表面欠陥部ｆである場合には、教示点番号、内部表面欠陥位置、特徴量を制御装置２の表示部に表示する。

次いでステップＳ１０において、直交座標系で画像処理されてきた画像データを再度極座標系のデータに変換した画像を生成し、原画像に回帰するか確認する。

ステップＳ１１において、全検査部位の検査完了を確認して検査を終了する。

本実施形態によれば、視野角が大きい広角レンズ１２を対物レンズとしているため、ねじ穴３２の開口部から所定距離Ｌ離れてねじ穴３２の内部表面をカメラ１６によって撮像でき、検査ヘッド１１がねじ穴３２の内部に挿入されることがないので、検査ヘッド１１と残留切粉との接触による検査ヘッド１１の位置ずれが発生せず、ねじ穴３２の内部表面欠陥を安定して検出できる。

また、画像処理装置３が、カメラ１６から送られた直交座標系の画像情報を極座標系の画像情報に変換して原画像情報とし検査領域の抽出を行った後、再度直交座標系の画像情報に変換してねじ穴３２の内部表面画像を展開画像になるように処理するため、検査ヘッド１１をねじ穴３２の内部に挿入することなく内部表面画像を撮像、画像処理が可能となる。また、ねじ穴３２の内部表面画像の深さ方向の遠近差、すなわち、ねじ穴３２の開口部の諸寸法に比べて同一寸法でも底部に近づくほど小さく見えるという遠近差を補正するため、内部表面欠陥ｆの大きさも正確に検出できる。さらに、広角レンズ１２の中心ずれによって生じる画像の波状ゆがみ、すなわち斜め直線の集合であるはずの切削痕やねじの山谷のラインの波打ちを補正するため、検出に不要な画像情報のノイズ成分を除去でき、安定して内部表面欠陥ｆを検出できる。

また、広角レンズ１２の視野角が１００度以上であるため、ねじ穴３２の内部表面全体を照射することが可能となり、輝度むらのない画像が得られる。

さらに、検査ヘッド１１がロボットのアーム６ａに固定され、制御装置２に制御されるロボットコントローラ５がロボット６の動きを制御するため、検査ヘッド１が自動的に正確に位置決めされ、ゆがみの少ない画像が得られる。

１内部表面欠陥検査装置
２制御装置
３画像処理装置
４照明用電源
５ロボットコントローラ
６ロボット
６ａアーム
１１検査ヘッド
１２広角レンズ
１３リレーレンズ
１４ハーフミラー
１５接眼レンズ
１６カメラ
１７高輝度スポット照明（光源）
３１ワーク
３２ねじ穴（被撮像対象）
３２ａねじの山
３２ｂねじの谷
ｆ内部表面欠陥

Claims

被撮像対象側から順に対物レンズとしての広角レンズ、リレーレンズ、ハーフミラー、接眼レンズ、被撮像物を撮像するカメラおよび前記ハーフミラーを介して被撮像対象に光を照射する光源を有する検査ヘッドと、
前記光源に電力を供給する照明用電源と、
前記カメラに接続され前記カメラが撮像した画像を処理する画像処理装置と、
前記照明用電源と前記画像処理装置とを制御する制御装置と、を備えたねじ穴の内部表面欠陥検査装置において、
前記カメラは、撮像するとき、被撮像対象であるねじ穴の中心線上にあるとともに、ねじ穴の開口部から外側に所定距離はなれて配置され、
前記制御装置は、撮像された画像から被撮像対象であるねじ穴の内部表面欠陥部を抽出するとともに、前記カメラの光軸が前記被撮像対象であるねじ穴の中心線からずれた場合に生じる、前記画像におけるねじの山谷を表すラインの波状ゆがみを除去する、
ことを特徴とする内部表面欠陥検査装置。
制御装置は、前記カメラにより撮像された原画像から、被測定対象となるねじ穴の特徴を判別して、判別した結果に基づいて前記カメラの露光時間および前記光源の照射光量とを決定した後、前記ねじ穴の内部表面を再度撮像し、再度撮像された画像に基づき内部表面欠陥部を抽出する、ことを特徴とする請求項１に記載の内部表面欠陥検査装置。
前記カメラが、画像の画素が正方格子配列となるようにねじ穴の内部表面を撮像し、
前記画像処理装置が、前記カメラから送られた直交座標系の画像情報を極座標系の画像情報に変換して原画像情報として記録し、前記極座標系の画像情報を再度直交座標系の画像情報に変換してねじ穴の内部表面画像を展開画像になるように処理し、ねじ穴の内部表面画像の直交座標系の画像情報をもとに深さ方向の遠近差を遠近補正する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内部表面欠陥検査装置。
前記検査ヘッドがロボットのアームに固定され、前記制御装置に制御されるロボットコントローラが前記ロボットの動きを制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の内部表面欠陥検査装置。