JP7051847B2

JP7051847B2 - Ｘ線インライン検査方法および装置

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Publication number: JP7051847B2
Application number: JP2019526451A
Authority: JP
Inventors: 紀行定岡
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2017-06-28
Filing date: 2017-06-28
Publication date: 2022-04-11
Anticipated expiration: 2037-06-28
Also published as: JPWO2019003329A1; WO2019003329A1

Description

本発明は、複雑形状の量産機械部品の製造ラインにおける内部状態を非破壊で連続的に撮像する方法および装置に関する。

自動車用鋳物部品に代表される量産機械部品の製造ラインにおける健全性、品質検査では、信頼性を高めるために全数検査が求められている。量産機械部品の検査では、寸法形状計測が主な評価項目になるが、量産鋳造品では、寸法検査の他に、鋳造プロセス時に発生する事がある内部欠陥の検出が重要になる。製品外側の寸法形状計測では、レーザー距離計やカメラに代表される光学系撮像画像からの計測が可能であるが、量産鋳造品における内部欠陥の評価では、製品内部を非破壊で計測する必要がある。製品内部の非破壊検査で最も有効である計測手段はＸ線による透過像およびＣＴ像計測である。超音波でも内部欠陥の有無はある程度計測可能であるが、探触子を製品自体に接触させる必要があるため、鋳物部品のような３次元複雑形状品に対しては取り扱いが難しい。

Ｘ線による透過像およびＣＴ像計測では、Ｘ線源と検出器の間に対象被検体を設置すればよく、対象とする被検体には非接触での内部状態計測評価が可能である。また、Ｘ線による透過像およびＣＴ像計測では、内部欠陥計測だけでなく、外部からは計測できない内部の複雑な３次元形状および寸法計測が撮像画像から評価可能である。

なお、これらＸ線による透過像およびＣＴ像計測に関する技術として特許文献１が挙げられる。特許文献１では、Ｘ線を用いて、対象とする被検体を透過するＸ線の透過量を計測することにより、非破壊で被検体内部の状況を画像化する産業用Ｘ線ＣＴ装置について記述されている。

量産鋳造品以外でも、アセンブリ製品では、外側のケーシングを外すことなく内部状態の健全性を評価する事が必要となる場合が出てくる。この場合も、Ｘ線による透過像およびＣＴ像計測が有効な計測手段となる。

これらの製造ラインにおける全数検査では、製品が短時間で連続的に製造されるため、短い時間間隔で継続的に健全性評価に必要な物理量を計測し、健全性の有無を判定する必要がある。Ｘ線による透過像撮像により内部欠陥の有無を連続的に短時間で評価するためには、対象被検体を３６０度回転させ、大きな角度ピッチで最小限の透過像枚数で判定する必要がある。例えば３０度ピッチとすると、１２枚の投影像から被検体内部の欠陥有無を判定する。この場合、内部欠陥の有無は判定できる確率が高いが、内部欠陥の３次元形状や体積、位置を定量評価するには情報が少なく難しい。一方、量産鋳造品の製造ラインでは、発生内部欠陥の形状や体積や位置等の特性を定量的にインラインで評価できれば、鋳造条件の調整最適化がインラインで可能となりロスコストの大幅削減に結び付けられる可能性がある。

特開２０１１－１２２９３０号公報

従来、量産鋳造品での内部欠陥検査は、抜き取りによる破壊検査や打音による音響評価などにより実施されており、製造ラインにおける全数検査を実施する場合は、限定された角度での透過像撮像により内部欠陥の有無を画像の目視から判定している。例えば、アルミ製の小型自動車部品では、対象被検体をＸ線源と２次元検出器の間のターンテーブルに設置し、３６０度全周回転させる間に３０度毎に１２枚の透過像を撮像し、これらの透過画像から内部欠陥の有無を目視で判定する。限定された少ない角度ピッチでの透過像撮像のため、撮像時間が短縮され大量製造ラインで活用可能となっている。

この場合、内部欠陥の有無は判定可能であるが、発生欠陥の３次元形状、体積および３次元位置等の内部欠陥の詳細特性は、限定された透過画像のみからでは、定量的な評価までは難しい。一方、製造時のインライン検査において、対象被検体の内部欠陥の有無に加えて発生欠陥の詳細特性が評価できれば、インラインで鋳造プロセス条件の調整最適化が可能となる。この場合、内部欠陥の発生を発生開始初期に検出し、鋳造プロセス条件を調整最適化する事により、製造ラインでの連続的な内部欠陥発生を防止する事が可能となる。

３次元ＣＴ撮像を実施すれば、内部欠陥の３次元形状、体積等の特性が評価可能となるが、３次元ＣＴ画像再構成を実施するための詳細な角度ピッチでの投影像が必要となる。例えば、０．１度ピッチで３６００枚の投影像を撮像すると１２枚の透過像撮像の場合に比較して３００倍の時間が必要となり製造ラインでは実現できない。

また、特許文献１には、ＣＴ撮像において、撮像対象被検体の任意の指定された特定領域のみ高い分解能で撮像可能であるとともに、簡便に高精度で画像合成が可能な産業用Ｘ線ＣＴ装置および撮像方法が提供されているが、インライン検査では、内部欠陥発生箇所が事前に特定できないために、内部欠陥領域のみを特定して高い分解能で撮像する事はできない。また、粗い分解能でもＣＴ画像再構成には詳細な角度ピッチでの投影像が必要であるため、撮像時間は限定枚数の透過像撮像に比較して大幅に必要となるため、製造ライン検査への適用は難しい。

そのため、本発明の目的は、上記のような事情を背景になされたものであり、量産鋳造品のインラインでの内部欠陥検査において、限定された少数の透過画像から内部欠陥の有無と、内部欠陥が存在する場合に、その３次元形状、体積、位置等の詳細情報の迅速な評価を実現させるＸ線インライン検査方法および装置を提供する事にある。

上記目的のために本発明では、放射線を照射する放射線源と、撮像対象被検体を透過した放射線を検出する検出器と、前記放射線源と前記検出器の間に被検体を移動させる駆動機構と、前記検出器で計測された放射線透過量を数値化する信号処理回路とこれらの信号を元に画像を構成する演算装置からなるＸ線インライン検査装置によるＸ線インライン検査方法において、初期に詳細角度での透過像を撮像し、次に限定角度のみで透過画像を撮像し、両者の差分量から内部欠陥の有無を判定し、内部欠陥がある判定の場合は、詳細透過画像上に限定角度での透過像で得られた内部欠陥の影響量を補間修正して画像再構成により内部欠陥形状を評価することを特徴とする。

本発明によれば、量産鋳造品のインラインでの内部欠陥検査において、限定された少数の透過画像から内部欠陥の有無と、内部欠陥が存在する場合に、その３次元形状、体積、位置等の詳細情報の迅速な評価を実現させるＸ線インライン検査方法および装置を提供する事が可能となる。

実施例１によるＸ線インライン検査システム装置の透過像撮像方法の手順を示すフローである。実施例１によるＸ線インライン検査システム装置の概略図である。撮像対象の量産鋳造品サンプルを実施例１によるＸ線インライン検査システム装置で撮像した場合の透過像シミュレーション結果である。実施例２によるＸ線インライン検査方法および装置による第２の透過像を撮像するための撮像方法のフローである。実施例２によるＸ線インライン検査システム装置の概略図である。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。

図１は、実施例１によるＸ線インライン検査システム装置の透過像撮像方法の手順を示すフローであり、図２は実施例１によるＸ線インライン検査システム装置の概略図、図３は撮像対象の量産鋳造品サンプルを実施例１によるＸ線インライン検査システム装置で撮像した場合の透過像シミュレーション結果を示している。

本実施例の撮像方法では、まず、Ｓ１００において検査対象の製品の初めの健全品マスターとして内部欠陥の無い被検体１個を本検査システム装置のベルトコンベア４に設置する。次に、当該検査対象品は、ベルトコンベア４により移動させ、Ｓ１０１において２次元素子配列検出器ユニット２の位置に設定させる。この位置では、撮像する対象の量産鋳造品サンプル（投入１個目：健全品マスター）７に対してＸ線源１と相対する位置に設定する。図２に示したように本実施例の装置では、２次元素子配列検出器ユニット２が検出器ユニット支持構造により、Ｘ線源１に対して相対する位置に設置された構造を持つ。撮像対象の量産鋳造品を透過させる放射線源としては、Ｘ線、γ線、中性子線が選択できる。Ｘ線源としては、電圧６００ｋＶ以下ではＸ線管、１ＭＶ以上では線形加速器（ＬＩＮＡＣ）を用いる。

２次元素子配列検出器ユニット２は、正方格子状に配列された検出素子３から構成される。検出素子３は、Ｓｉ、ＣｄＴｅなどの半導体素子またはシンチレータ型検出器素子からなり素子に流入する放射線を検知する。当該検査対象品をベルトコンベア４により移動させ、Ｓ１０１において２次元素子配列検出器ユニット２の位置に設定させた後、Ｘ線源１からＸ線を照射し、Ｓ１０２において２次元素子配列検出器ユニットによる量産鋳造品の健全品マスターの詳細角度ピッチでの透過像データＡ１０１を取得する。この対象製品の透過像データＡ１０１の取得時には、回転ターンテーブル１０上の当該検査対象品を、ターンテーブルを回転させる事により一定角度ピッチで透過像を撮像する。Ｓ１０２の透過像撮像では、撮像画像が３次元ＣＴ画像再構成が可能となる十分詳細な角度ピッチで３６０度全周を撮像する。設定される角度ピッチは、２Ｄ検出器の素子サイズ、被検体サイズ、要求空間分解能で規定される。標準的な外径１００ｍｍ程度の小型鋳造部品のφ０．５ｍｍまでの内部欠陥を検出素子サイズ０．２ｍｍの２Ｄ検出器で撮像する場合は、０．１度ピッチで３６００枚を撮像する。ここで得られた対象被検体の健全品マスターに対する詳細角度ピッチの透過像データＡ１０１を、信号処理回路５を通じて計算機６のメモリーに保管しておく。

次に、図１のＳ１０３においてベルトコンベア４により、鋳造ラインで製造された量産鋳造品の被検体１個（量産鋳造品サンプル（投入２個目）８）を２次元素子配列検出器ユニット２の設置位置に移動させた後、Ｘ線源１からＸ線を照射し、Ｓ１０４において２次元素子配列検出器ユニットによる量産鋳造品サンプルの限定角度での透過像データＢ１０２を取得する。この対象製品の透過像データＢ１０２の取得時には、回転ターンテーブル１０上の当該検査対象品をターンテーブルを回転させる事により一定角度ピッチで透過像を撮像する。Ｓ１０２の透過像撮像と異なり、Ｓ１０４の透過像撮像では、粗い角度ピッチで少数の透過像を撮像する。設定される角度ピッチは、２Ｄ検出器の素子サイズ、被検体サイズ、要求空間分解能で規定される。前述の標準的な外径１００ｍｍ程度の小型鋳造部品のφ０．５ｍｍまでの内部欠陥を検出素子サイズ０．２ｍｍの２Ｄ検出器でＳ１０４の透過撮像する場合は、３０度ピッチ１２枚の透過像を撮像する。

次に、S１０５において、対象被検体に対してＳ１０４において撮像した粗い角度ピッチで撮像した透過像データＢ１０２と健全品マスターに対してＳ１０２において撮像した詳細ピッチの透過像データＡ１０１の中の同一角度位置の透過像に対して両者の透過画像から輝度値の差分量（量産鋳造品サンプルの透過像データＡとＢの差分量計算結果Ｃ１０３）を計算する。得られた差分量に有意な差がみられた時は、対象被検体に内部欠陥が存在する。Ｓ１０６において、設定判定値とＳ１０５で得られた両者の透過画像の差分量計算結果Ｃ１０３を比較し、内部欠陥の有無を判定する。

判定値以上の差分量がある場合Ｓ１０８は内部欠陥ありとし、判定値以上の差分量がない場合Ｓ１０７は内部欠陥なし、と判定する。

差分量がない場合Ｓ１０７で内部欠陥なしと判定された場合は、対象被検体は正常として、以降の画像分析処理は実施せず、Ｓ１１２において払い出しを行う。その後、Ｓ１１３において次の対象被検体を本検査装置に投入し（量産鋳造品サンプル（投入３個目）９）、Ｓ１０４以降の処理プロセスを実行する。

差分量がある場合Ｓ１０８で内部欠陥ありと判定された場合は、対象被検体は不具合品としてＳ１０９以降の画像分析処理により内部欠陥の特性を定量評価する。まず、Ｓ１０９において、対象被検体に対してＳ１０４において撮像した粗い角度ピッチで撮像した透過像データＢ１０２と健全品マスターに対してＳ１０２において撮像した詳細ピッチの透過像データＡ１０１の中の同一角度位置の透過像に対して両者の透過画像から計算した輝度値の差分量計算結果Ｃ１０３を元に、健全品マスターに対してＳ１０２において撮像した詳細ピッチの透過像データＡ１０１の中のＳ１０４において粗い角度ピッチで撮像した透過像データ以外の角度に対して、粗い角度ピッチで撮像した透過像データの内部欠陥部分の輝度値から、詳細角度ピッチごとの透過像での内部欠陥の影響量を補間し、その詳細角度ピッチの透過像データに重畳する。重畳は、同一検出位置の差分量差を、２点の角度間で線形配分する。

このＳ１０９の計算処理により、詳細角度ピッチでの全ての投影像に内部欠陥の影響を加えられ、欠陥のある被検体の詳細角度ピッチの内部欠陥のある被検体の詳細角度ピッチの修正透過像データＤ１０４が得られる。

次に、Ｓ１１０において、この修正透過像データＤ１０４を用いて３次元ＣＴ画像再構成を実施し、内部欠陥のある対象被検体の３次元データＥ１０５が得られる。得られた内部欠陥のある対象被検体の３次元形状データＥ１０５から、Ｓ１１１において内部欠陥の３次元形状、体積、３次元位置等の特徴量を算出する。

その後は、健全品と同様にＳ１１２において対象被検体の払い出し処理を実施し、次の対象被検体を検査装置に投入する（Ｓ１１３）。一連の計測および判定・分析処理を設定した被検体全数に対して実施する（Ｓ１１４）。

図３には実施例１の装置構成による２次元素子配列検出器ユニット使用時の透過像シミュレーション画像（照射角度θ＝０度）１１、実施例１の装置構成による２次元素子配列検出器ユニット使用時の透過像シミュレーション画像（照射角度θ＝９０度）１２、実施例１の装置構成による２次元素子配列検出器ユニット使用時の透過像シミュレーション画像（照射角度θ＝１８０度）１３、実施例１の装置構成による２次元素子配列検出器ユニット使用時の透過像シミュレーション画像（照射角度θ＝２７０度）１４を示す。

本実施例によれば、量産鋳造品のインラインでの内部欠陥検査において、限定された少数の透過画像から内部欠陥の有無と、内部欠陥が存在する場合に、その３次元形状、体積、位置等の詳細情報の迅速な評価を実現させるＸ線インライン検査方法および装置を提供する事が可能となる。

実施例２における、Ｘ線インライン検査方法および装置による第２の透過像を撮像するための撮像方法のフローを図４に、Ｘ線インライン検査システム装置の概略図を図５に示した。

本実施例では、撮像対象品を移動させるベルトコンベア４のラインにおいて、実施例１での２次元素子配列検出器ユニット２とＸ線源１に加えて、さらに２次元素子配列検出器ユニット２’とＸ線源１’と検出素子３’が相対する組み合わせセットを複数個直列に配置する。図４のフローでは、Ｓ１０４に加えてＳ１０４’における２次元素子配列検出器ユニットにおける透過像撮像を２回繰り返し、各２次元素子配列検出器ユニット２とＸ線源１の各組み合わせ毎に、粗いピッチの透過撮像を１角度分のみ受け持つ。粗い角度ピッチの断層像が設定した全角度で得られた後は、図１のＳ１０５以降の処理ステップを実施する。これにより並列して撮像が行えるため、１セットあたりの撮像枚数を例えば２個直列に配列した場合には半分にすることができる。

本実施例によれば、量産鋳造品のインラインでの内部欠陥検査において、限定された少数の透過画像から内部欠陥の有無と、内部欠陥が存在する場合に、その３次元形状、体積、位置等の詳細情報の迅速な評価を実現させるＸ線インライン検査方法および装置を提供する事が可能となり、製造ラインにおける量産彫像品の品質向上に繋げる事ができる。また、鋳造品に限らず一般の機械部品でも内部構造の非破壊による可視化が製造ライン上で可能となるため、これらの機械部品の品質向上に繋げる事ができる。

１、１’・・・Ｘ線源
２、２’・・・２次元素子配列検出器ユニット
３、３’・・・検出素子
４・・・ベルトコンベア
５・・・信号処理回路
６・・・計算機
７・・・量産鋳造品サンプル（投入１個目：健全品マスター）
８・・・量産鋳造品サンプル（投入２個目）
９・・・量産鋳造品サンプル（投入３個目）
１０・・・回転ターンテーブル
１１・・・実施例１の装置構成による２次元素子配列検出器ユニット使用時の透過像シミュレーション画像（照射角度θ＝０度）
１２・・・実施例１の装置構成による２次元素子配列検出器ユニット使用時の透過像シミュレーション画像（照射角度θ＝９０度）
１３・・・実施例１の装置構成による２次元素子配列検出器ユニット使用時の透過像シミュレーション画像（照射角度θ＝１８０度）
１４・・・実施例１の装置構成による２次元素子配列検出器ユニット使用時の透過像シミュレーション画像（照射角度θ＝２７０度）
１０１・・・透過像データＡ
１０２・・・透過像データＢ
１０３・・・差分量計算結果Ｃ
１０４・・・修正透過像データＤ
１０５・・・３次元形状データＥ

Claims

放射線を照射する放射線源と、
撮像対象の被検体を透過した放射線を検出する検出器と、
前記放射線源と前記検出器の間に前記被検体を移動させる駆動機構と、
前記検出器で計測された放射線透過量を数値化する信号処理回路とこれらの信号を基に画像を構成する演算装置からなるＸ線インライン検査装置によるＸ線インライン検査方法において、
初期に健全品マスターに対して一定角度ピッチの詳細角度での透過像を撮像し、次に対象製品に対して前記詳細角度より粗い角度ピッチの限定角度で少数の透過像を撮像し、両者の差分量から前記対象製品の内部欠陥の有無を判定し、
前記内部欠陥がある判定の場合は、前記詳細角度での透過像の中の、前記限定角度以外の角度における透過像に対して、前記限定角度で撮像した透過像の前記内部欠陥の部分の輝度値から、前記詳細角度での透過像での前記内部欠陥の影響量を補間し、前記詳細角度での透過像に重畳することで再構成された透過像により前記内部欠陥の形状を評価することを特徴とするＸ線インライン検査方法。
請求項１におけるＸ線インライン検査方法において、
前記放射線源と前記検出器の組み合わせが、前記駆動機構に直列に複数個並び、前記放射線源と前記検出器の組み合わせ毎に、指定角度の透過像を撮像することを特徴とするＸ線インライン検査方法。
請求項２におけるＸ線インライン検査方法において、
前記検出器として、半導体検出器またはシンチレータ型検出器を用いる事を特徴とするＸ線インライン検査方法。
放射線を照射する放射線源と、
撮像対象の被検体を透過した放射線を検出する検出器と、
前記放射線源と前記検出器の間に前記被検体を移動させる駆動機構と、
前記検出器で計測された放射線透過量を数値化する信号処理回路とこれらの信号を基に画像を構成する演算装置からなるＸ線インライン検査装置システムにおいて、
前記演算装置は、健全品マスターに対して一定角度ピッチの詳細角度で撮像した透過像と、対象製品に対して前記詳細角度より粗い角度ピッチの限定角度で撮像した少数の透過像との差分量から内部欠陥の有無を判定し、
前記演算装置は、前記内部欠陥がある判定の場合は、前記詳細角度での透過像の中の、前記限定角度以外の角度における透過像に対して、前記限定角度で撮像した透過像の前記内部欠陥の部分の輝度値から、前記詳細角度での透過像での前記内部欠陥の影響量を補間し、前記詳細角度での透過像に重畳することで再構成された透過像により前記内部欠陥の形状を表示することを特徴とするＸ線インライン検査装置。
請求項４におけるＸ線インライン検査装置において、
前記放射線源と前記検出器の組み合わせが、前記駆動機構に直列に複数個並び、前記放射線源と前記検出器の組み合わせ毎に、指定角度の透過像を取得することを特徴とするＸ線インライン検査装置。
請求項５におけるＸ線インライン検査装置において、
前記検出器は、半導体検出器またはシンチレータ型検出器である事を特徴とするＸ線インライン検査装置。