JP5651868B2 - 表面仕上げ判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属表面の研磨加工状態の良否を画像処理により判定する装置に関する。

金属表面の研磨加工状態の良否を判断する方法として、各種粗さ計による粗さ測定を判断の指針とする方法がある。粗さ計は、接触式のものと光学式のものが一般に用いられており、研磨面のある一ラインをスキャンして粗さの分布を調べることができる。しかし、研磨面の広い領域を調べることはスキャンを何度も繰り返すことになり、時間がかかり実用的ではない。このため、生産現場に適用するとなると、抜き取りにより検査対象物を選び、検査対象物の研磨面の特定複数箇所の一ラインを計測することで研磨加工状態の良否を判断することになる。すなわち、検査するとしても、全数検査ではないとともに、全箇所を検査するものとはならない。
また、研磨対象の金属材料を回転させながら研磨する工程において、例えば研磨対象がベアリングの構成部品である、ベアリングの内輪または外輪（以下、ワークと呼ぶ）におけるボールやコロの軌道面である場合、軌道面の同心軸にてワークを回転させ、ワークの回転方向に直交する方向にて砥石を接触かつ揺動する工程にて研磨を行っている（特許文献１〜７および非特許文献１参照。）。図５〜図７に、特許文献から引用したワークの研磨例を示す。このワークにおいて、前述の接触式や光学式の粗さ計により研磨状態を検査するとなると、粗さ計をワークの回転方向に直交する方向に一ラインスキャンして粗さ分布を調べることになる。なお、本発明では、ベアリングとは、ボールや内輪、外輪などの部品ではなく、軸受け構造に組み上げられた製品を指すものとする。このため、ボールを指す時は、ベアリング球または単にボールと呼び、区別する。

また、非特許文献１によると、ベアリングの転がり方向と仕上げ面の研磨加工方向が同じ場合（以下、転がり方向研磨と呼ぶ）と、転がり方向と仕上げ面の研磨加工方向が直角の場合（以下、直角方向研磨と呼ぶ）とで、油膜形成能力を比べた場合、直角方法研磨の方が、油膜形成能力が高いことが記されている。このため、非特許文献１では、方向性の無い超仕上げ表面に、大きさ１０ミクロン程度の無数の凹部をランダムにつけた軌道面を有するベアリンを開発している。一方、これまでのベアリングの研磨加工方法で研磨を行うと、ワークの軌道面には、転がり方向研磨と直角方向研磨の中間である”あやめ”模様が形成されることが知られている（特許文献６、７参照）。本発明では、このあやめ模様のある軌道面に転がり方向研磨のみの軌道面よりも油膜形成能力を高める可能性があると考え、あやめ模様の形態がベアリングの性能に関わると考えている。
しかし、ワークの研磨面は、転がり方向または直角方向に曲面であるとともに、面の粗さの評価基準であるＲａ値が０．２μｍ以下であることが望ましい鏡面または鏡面に近い状態であるため、研磨痕の分布状態を観測することが困難であり、例えば、ベアリングの生産ラインにおいて、ワークの研磨状態を検査および評価できる装置が普及していない。このため、ワークの研磨面の仕上がりは、完成したベアリングが音や振動や耐久性などを評価されることにより、間接的に評価されることとなる。

特開２００７−１９６３１７号公報

特開２００４−２１１７１５号公報

特開２００３−２００３４１号公報

特開平１１−２７７４４７号公報

特開平１０−５３７５７号公報

特開２００６−１５３０９３号公報

特開平５−５７５９９号公報

ＨＬ軸受カタログ（ＣＡＴ．Ｎｏ．３０２０／Ｊ）、ＮＴＮ株式会社

高木幹生・下田陽久 監修、「新編画像解析ハンドブック」、財団法人東京大学出版会 発行、２００４年９月１０日初版、第８６頁から第９０頁

（株）小野測器 ＨＰ、「製品アプリケーション（適用例）概算見積 振動計関連 ベアリングの出荷検査」、ｈｔｔｐ:／／ｗｗｗ.ｏｎｏｓｏｋｋｉ.ｃｏ.ｊｐ／ＨＰ‐ＷＫ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｅｓｔｉｍａｔｅ／ｖｃ／ｖｃ＿ａ＿１＿１５.ｈｔｍ

ワークにおけるあやめ模様は、微細なプローブを接触させる表面粗さ測定器やレーザー照射を用いたレーザー変位計や電子顕微鏡などにより取得したデータに基づき評価することができるが、いずれも、測定に掛かる工数や時間および計測器のコストの面から製造現場で用いるには現実的でない評価手段である。
すなわち、本発明の目的は、金属表面の仕上げを評価する装置であって、製造現場における使用に適する装置を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、回転させながら研削または研磨を行った加工対象に対して、該加工対象の加工表面の仕上がりを評価する表面仕上げ判定装置において、上記加工対象を回転させながら加工表面の画像をラインスキャンカメラにより撮影し、撮影した画像を画像処理した結果を用いて表面仕上げの良否判定を行うことを特徴とする表面仕上げ判定装置を提供する。
上記第１の観点による表面仕上げ判定装置では、例えば、図１に示す構成とすることができる。図１では、加工表面２００ａを有する加工対象２００をモータ１０５の回転軸に接続し、ラインスキャンカメラ（ラインセンサカメラとも言う）１０１にてレンズ１０２を介して撮影する。このとき、ラインスキャンカメラ１０１の走査線方向は、加工対象２００の回転軸に平行な方向とすることが望ましい。また図中には、ラインスキャンカメラ１０２による撮影視野３００を模式的に示す。このとき、照明は、例えばレンズ１０２を介して撮影視野３００と同方向に加工対象２００に向かって落射する照明とすることができる。また、撮影視野３００と加工表面２００ａのなす角を反射角とする入射角に位置した照明や、加工表面２００ａの周囲にて拡散光を発する照明とすることもできる。モータ１０５を駆動するモータドライバ１０５ａおよびラインスキャンカメラ１０１は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１０３に接続され、ＰＣ１０３に設定したプログラムにより、ラインスキャンカメラ１０１およびモータ１０５の制御を行うことができる。また、ＰＣ１０３にはディスプレイ１０４が接続され、ＰＣ１０３によりモータ１０５を回転させながらラインスキャンカメラ１０１にて撮影した画像を表示することや、その撮影画像を画像処理した結果の画像表示や、画像処理した結果を用いた良否判定結果を表示することができる。なお、画像処理結果を用いた良否判定は、例えば、予め記録しておいた良品ワークの画像との類似度をテンプレートマッチングにて計測して、任意の閾値にて良否を分別することができる。すなわち、ラインスキャンカメラを用いて撮影対象の加工対象を回転させることにより、加工対象が回転方向に対して曲面の加工面であっても、加工表面の画像を取得することができ、加工表面全域に対する画像処理による判定が可能となる。

第２の観点では、本発明は、第１の観点による表面仕上げ判定装置において、前記画像処理は、研磨加工表面の粗さの形態や方向性を解析することを特徴とする表面仕上げ判定装置を提供する。
上記第２の観点による表面仕上げ判定装置では、加工表面の画像を２次元的に取得する利点を活かし、２次元画像上において表面粗さの方向性を画像処理により解析し、これまでの一ライン上の粗さ分布の計測ではなしえなかった、回転方向と表面粗さの形態、特に、表面粗さの方向性を新しい粗さの評価基準に提供できる。特に、前記加工対象がベアリングのワークにおけるボールやコロの軌道面であった場合、単純に表面粗さを計測して解析するのではなく、ワークの回転方向に対してどのような表面粗さの形態がベアリングの耐久性や静動性などに有効であるかを、方向性を踏まえて評価することができる。

第３の観点では、本発明は、第１または第２の観点による表面仕上げ判定装置において、前記画像処理は、撮影画像から加工表面の加工痕を強調する処理を含むことを特徴とする表面仕上げ判定装置を提供する。
上記第３の観点による表面仕上げ判定装置では、撮影した画像の画像処理段階において、加工痕の模様を視認しやすいように強調する処理を行うものであり、例えば、撮影画像の明るさの平均値を基準に正規化することや、移動平均や局所平均によるノイズ除去、エッジ検出により加工痕を強調することができる。

第４の観点では、本発明は、第１〜３のいずれかの観点による表面仕上げ判定装置において、前記画像処理は、任意の画像に２次元フーリエ変換、２次元離散的フーリエ変換または２次元高速フーリエ変換を行う処理を含み、上記２次元フーリエ変換、上記２次元離散的フーリエ変換または上記２次元高速フーリエ変換を行った結果の２次元スペクトル画像中の濃淡により生じる模様を表面仕上げの良否判定に用いること特徴とする表面仕上げ判定装置を提供する。
上記第４の観点による表面仕上げ判定装置では、撮影画像や加工痕の強調処理後の画像に対して、フーリエ変換（Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）、離散的フーリエ変換（ＤＦＴ：Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）、または高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を、画像の縦方向と横方向の２次元にて行い、その結果の２次元スペクトル画像を、縦軸に画像の一方の方向、横軸に画像の他方の方向を割り当てた周波数成分の２次元グラフに、各成分の濃淡にて示す。ここで、２次元スペクトル画像とは、フーリエスペクトルの実部の画像、虚部の画像、振幅スペクトルの画像、パワースペクトルの画像、位相スペクトルの画像など、フーリエ変換やＤＦＴやＦＦＴの結果得られたデータより作成された画像を指す（非特許文献２参照）。その周波数成分の２次元グラフに生じる模様を、例えば、良ワークにて生じた模様と例えばテンプレートマッチングにて比較して類似度を求め、表面仕上げの良否判定を行う。
ここで、画像におけるフーリエ変換（またはＤＦＴまたはＦＦＴ）の概念を説明するために、パワースペクトル画像の例をとり、元画像と変換結果による周波数成分の２次元グラフの模式図を図２に示す。画像においてフーリエ変換（またはＤＦＴまたはＦＦＴ）をしてスペクトル画像を求めることにより、画像における濃淡の変化が、大きな波長でゆっくり変化するものか、細かく小刻みに変化するものか、またはそれらの合成であるかを縦方向と横方向にて２次元的に把握することができる。なお、ＤＦＴは、フーリエ変換が連続信号を対象に行うものに対し、サンプル値などのデジタルデータに対するフーリエ変換を行う手法である。また、ＦＦＴはＤＦＴを高速に計算するアルゴリズムである。なお、２次元フーリエ変換（または２次元ＤＦＴまたは２次元ＦＦＴ）を行う領域は、画像の全領域にて行うのではなく、任意の大きさの領域に画像を区切って、この区切られた大きさ毎に２次元フーリエ変換（または２次元ＤＦＴまたは２次元ＦＦＴ）を行うことが好ましい。このとき、合否判定の比較対象に用いる２次元スペクトル画像については、例えば、良品のワーク画像の同じ大きさの任意領域にて２次元フーリエ変換（または２次元ＤＦＴまたは２次元ＦＦＴ）を行った結果を用いることができる。

第５の観点では、第４の観点による表面仕上げ判定装置において、前記２次元フーリエ変換、前記２次元離散的フーリエ変換または前記２次元高速フーリエ変換を行った結果の２次元スペクトル画像中の濃淡により生じる模様から近似直線を抽出し、該近似直線の傾き値を用いて表面仕上げの良否判定を行うことを特徴とする表面仕上げ判定装置を提供する。
上記第５の観点による表面仕上げ判定装置では、例えば、ＦＦＴを行った後の２次元グラフの模様を直線近似した結果の模式図を図３に示す。図３中、ＦＦＴ表示結果４００に、クロスする直線４００ａが生じる。直線４００ａは、元画像において斜め方向の模様成分が多かったことに起因すると考えられ、すなわち、あやめ模様の角度に関係していると考える。このため、直線４００ａの有無や傾きを評価することにより、あやめ模様の評価すなわち表面仕上げの良否判定を行うことができる。

なお、上記第３の観点による表面仕上げ判定装置において、前記画像処理結果についての縦方向および／または横方向の分散値を、表面仕上げの良否判定に用いることができる。この際、元の画像を任意の領域に区切って、偏差の２乗を計算要素数で割った値である分散値を、縦方向や横方向ごとに求め、その領域において、縦方向の変化や横方向の変化の激しさを定量的に判断する。例えば、縦方向に模様が入っている場合は縦方向の分散値が低く、横方向に模様が入っている場合は横方向の分散値が低いため、良否判定評価の基準とすることができる。

なお、前記分散処理を行った画像領域ごとに分散値に応じた色分けをした任意の画像を表示できる。この際、分散処理結果を、例えばＲＧＢのグラデーション色に割り当て、撮影画像や強調処理後の画像に着色して表示することにより、分散結果を視覚的に容易に確認することができる。

また、上記これらの観点による表面仕上げ判定装置では、照明系に同軸落射光源を用いることにより、装置構成を簡潔にすることができ、ワークハンドリング機構の設計自由度を上げることができる。また、撮影レンズにテレセントリックレンズを用いることで、被写界深度内では、撮影対象の撮影面に多少の凹凸や傾斜がある場合にも、遠近の影響なく撮影することができる。

本発明の表面仕上げ判定装置を用いれば、接触やレーザー反射にて得る表面粗さを判定するのではなく、カメラが撮影した画像にて表面仕上げを評価するため、製造現場における使用に適する。
特に現状のベアリングの製造工程では、工程の最終段階の振動検査（非特許文献３参照）などでなければ不良が発見できず、不良対策に遅れが生じる可能性があるが、本発明を利用することにより、研磨加工直後に表面粗さの判定が可能となるため、生産性の向上が期待できる。
さらに、本発明は、１ラインをスキャンする従来の粗さ評価方法では検出が非常に困難であった金属曲面の粗さ分布を二次元画像として取得できるため、最適な粗さ状態、粗さの方向性などを解析でき、より詳細な不良原因究明が可能となり、製品の品質改善にも好適である。

図１は本発明の第１の観点による表面仕上げ判定装置の概略を示した図である。 図２は本発明の第４の観点による表面仕上げ判定装置の説明に用いる図である。 図３は本発明の第５の観点による表面仕上げ判定装置の説明に用いる図である。 図４は本発明の実施例１にて実施した表面仕上げ判定装置の外観写真である。 本発明の背景技術の説明に用いる図である。 本発明の背景技術の説明に用いる図である。 本発明の背景技術の説明に用いる図である。

発明を実施するための形態として、本発明の第８の観点による表面仕上げ判定装置を実施した例を実施例１に示す。

図４に、実施例１として本発明の第８の観点による表面仕上げ判定装置を実施した表面仕上げ判定装置の外観写真を示す。図中の符号は図１と共通である。

１０１ ラインスキャンカメラ
１０２ レンズ
１０３ ＰＣ
１０４ ディスプレイ
１０５ モータ
１０５ａ モータドライバ
２００ 加工対象
２００ａ 加工表面
３００ 撮影視野
４００ ＦＦＴ表示結果
４００ａ 近似直線

Claims (2)

1. 回転させながら研削または研磨を行ったベアリングの内輪または外輪の軌道面である加工対象に対して、該加工対象の加工表面の仕上がりを評価する表面仕上げ判定装置において、上記加工対象を回転させながら加工表面の加工痕の画像をラインスキャンカメラにより撮影し、
   撮影した加工痕の画像を画像処理した結果を用いて表面仕上げの良否判定を行う表面仕上げ判定装置であって、
   前記画像処理が、任意領域の加工痕の画像に２次元フーリエ変換、２次元離散的フーリエ変換または２次元高速フーリエ変換を行う処理を含み、
   上記２次元フーリエ変換、上記２次元離散的フーリエ変換または上記２次元高速フーリエ変換を行った結果の２次元スペクトル画像中の濃淡により生じる模様を表面仕上げの良否判定に用いること特徴とする表面仕上げ判定装置。
2. 請求項１に記載の表面仕上げ判定装置において、
   前記２次元フーリエ変換、前記２次元離散的フーリエ変換または前記２次元高速フーリエ変換を行った結果の２次元スペクトル画像中の濃淡により生じる模様から近似直線を抽出し、該近似直線の有無または傾き値を用いて表面仕上げの良否判定を行うことを特徴とする表面仕上げ判定装置。