JPWO2012127657A1

JPWO2012127657A1 - ワークの欠陥検出装置

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Publication number: JPWO2012127657A1
Application number: JP2013505726A
Authority: JP
Inventors: 宏青野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2014-07-24
Anticipated expiration: 2031-03-23
Also published as: US9247213B2; CN103460028A; JP5655936B2; US20140015961A1; CN103460028B; WO2012127657A1

Abstract

本発明は、曲面を含むワーク外周面の欠陥の検出精度を向上する技術を提供することを課題とする。欠陥検出装置（１）は、外周面が曲面として形成されるワーク（Ｗ）の外周面に存在する欠陥（Ｄ）を検出する。欠陥検出装置（１）は、ワーク（Ｗ）を支持するとともに、所定角度に回転した状態に保持する治具（１０）と、治具（１０）によって所定角度に回転した状態に保持されたワーク（Ｗ）の外周面を撮像する撮像装置（２０）と、撮像装置（２０）によって得られる画像を処理し、欠陥を判定する制御装置（３０）と、を具備する。制御装置（３０）は、ワーク（Ｗ）の外周面の形状に関する情報、及び、各回転角度における、撮像装置（２０）によるワーク（Ｗ）の撮像部位と撮像装置（２０）との位置関係に関する情報を記憶しており、欠陥（Ｄ）を判定する際に、これらの情報を利用する。

Description

本発明は、ワークの外周面に存在する欠陥を検出する技術に関する。

特許文献１は、カムシャフトの表面の欠陥を検査する技術を開示している。特許文献１では、カムの用途を考慮して表面を複数の検査領域に分割し、各検査領域に対して専用の光学機器を用いるとともに、各検査領域に応じて欠陥判定に用いる基準を変更することで、検査対象であるカムシャフトにとって最適な検査条件を採用している。このようにして、使用条件等、検査対象の特有の性質を考慮した欠陥検査を実現している。

特許文献２は、周縁部に曲面を含むワーク表面の欠陥を検査する技術を開示している。特許文献２では、撮像手段に対して傾斜面となる曲面部分の濃淡を考慮して、画像処理の条件を変更することで、曲面部に存在する欠陥を認識している。

しかしながら、従来技術ではワークの曲面部分を撮像する際に発生する画像歪みが十分に考慮されておらず、曲面部の欠陥形状、特に欠陥の大きさを誤認識する可能性がある。さらには、ワークを撮像するカメラとワークとの位置関係（距離、角度等）によっても画像歪みが生じ得るため、欠陥を高精度に検出することが困難な現状である。

特開平３−２９３５４２号公報特開２００８−２３３１０６号公報

本発明は、ワーク外周面の欠陥の検出精度を向上する技術を提供することを課題とする。

本発明のワークの欠陥検出装置は、ワークの外周面に存在する欠陥を検出する装置であって、前記ワークを支持するとともに、所定角度に回転した状態に保持する治具と、前記治具によって所定角度に回転した状態に保持されたワークの外周面を撮像する撮像装置と、前記撮像装置によって得られる画像を処理し、欠陥を判定する制御装置と、を具備し、前記制御装置は、前記ワークの外周面の形状に関する情報、及び、各回転角度における、前記撮像装置によるワークの撮像部位と当該撮像装置との位置関係に関する情報を記憶しており、前記欠陥を判定する際に、これらの情報を利用する。

本発明の好ましい実施形態において、前記制御装置は、予め記憶した閾値と前記撮像装置によって得られる画像に含まれる欠陥の大きさとを比較することによって、前記欠陥を判定する。

本発明の一実施形態において、前記ワークの外周面の形状に関する情報、及び、各回転角度における、前記撮像装置によるワークの撮像部位と当該撮像装置との位置関係に関する情報を用いて、前記欠陥の判定の際に用いる閾値を当該欠陥の位置に応じて変更することが好ましい。

本発明の別実施形態において、前記ワークの外周面の形状に関する情報、及び、各回転角度における、前記撮像装置によるワークの撮像部位と当該撮像装置との位置関係に関する情報を用いて、前記撮像装置によって得られる画像を補正し、前記欠陥の実形状を用いて判定することが好ましい。

本発明によれば、ワーク外周面の欠陥の検出精度を向上できる。

欠陥検出装置を示す図である。欠陥の位置に応じた閾値の変移を示す図である。欠陥検出の対象であるワークを示す図である。欠陥検出装置の撮像装置を用いたワークの撮像を示す図である。撮像装置によって撮像された画像データを示す図である。画像データを用いた欠陥判定処理を示す図である。欠陥検出の対象であるワークを示す図である。撮像装置によって撮像された画像データを示す図である。画像データを補正して得られる補正画像を示す図である。

［第一実施形態］
以下、図面を参照して、欠陥検出装置の第一実施形態について説明する。
欠陥検出装置１は、ワークＷの外周面に存在する欠陥Ｄを検出するための装置であり、ワークＷを回転させて外周面を撮像することによって外周全周を検査する。欠陥Ｄは、ワークＷの表面に現れる欠陥であり、例えば機械加工によって生じる鋳巣、クラック、傷等の凹欠陥である。欠陥Ｄは、その大きさに応じて許容できる／許容できないが判定され、許容できない大きさの欠陥Ｄを有するワークＷは不良品として処理される。

ワークＷは、周方向に曲率を有し、外周面が曲面として形成されている。ワークＷは、軸Ｒを含み、この軸Ｒ周りに回転可能な軸状部材として構成される。ワークＷは、軸Ｒから外周面までの距離が一定の円柱部材、軸Ｒから外周面までの距離が角度によって変化するカムシャフト等である。また、欠陥検出装置１を用いた欠陥検出に際して、軸Ｒ周りに回転可能であれば、ワークＷの外周面は平面として形成されていても良く、例えば角柱部材等でも良い。

図１に示すように、欠陥検出装置１は、ワークＷを支持する治具１０、ワークＷを撮像する撮像装置２０、ワークＷの回転を制御し、撮像装置２０からの画像を処理して、欠陥Ｄの有無を判定する制御装置３０を具備する。

治具１０は、ワークＷを所定位置に保持し、かつ、軸Ｒ中心にワークＷを回転自在に支持する。治具１０は、ワークＷを回転するためのモータ１１を備える。
モータ１１の出力軸は、ワークＷの軸Ｒに接続されており、モータ１１を駆動することによってワークＷが軸Ｒを中心に回転する。また、モータ１１にはエンコーダ１２が付設され、モータ１１の回転角（軸Ｒの回転角）を検出可能である。

モータ１１及びエンコーダ１２は、制御装置３０と電気的に接続される。制御装置３０からの制御信号によってモータ１１が駆動されるとともに、エンコーダ１２によるモータ１１の回転角に関する検出信号が制御装置３０に伝送される。このように、制御装置３０は、エンコーダ１２からの検出信号によってワークＷの傾斜角度を検出しつつ、モータ１１に制御信号を伝送して駆動・停止させることによって、ワークＷを所定角度に回転させた状態で保持することが可能である。

撮像装置２０は、ワークＷの表面（外周面）を撮像し、画像データＩｍｇを取得する。撮像装置２０は、カメラ２１、無影灯２２を備える。
カメラ２１は、ワークＷの表面のうち、所定の視野範囲内を撮影して画像データＩｍｇを生成する。カメラ２１は、ワークＷの回転中心である軸Ｒと所定距離だけ離れた位置に固定されており、軸Ｒに対して移動不能である。
無影灯２２は、ドーム型の照明装置であり、ワークＷの表面を照明する。無影灯２２は、カメラ２１の周囲を取り囲むように配置される複数の照明群によって構成される。撮像装置２０では、無影灯２２でワークＷを照明した状態で、カメラ２１による撮影を行い、画像データＩｍｇを取得する。

カメラ２１及び無影灯２２は、制御装置３０と電気的に接続される。制御装置３０からの制御信号によって無影灯２２の照明動作が制御されるとともに、カメラ２１による撮像動作が制御される。そして、カメラ２１によって取得された画像データＩｍｇが制御装置３０に伝送される。

欠陥検出装置１では、治具１０によってワークＷを所定の傾斜角度に保持した状態で、カメラ２１によってワークＷの画像データＩｍｇを取得している。このように、治具１０によってワークＷの回転角度が確実に決定された状態で、カメラ２１によるワークＷの撮像が行われる。これにより、ワークＷの回転角度毎に、カメラ２１とワークＷの表面との距離が固定され、各回転角度の画像データＩｍｇの撮像範囲が固定される。
このような条件でワークＷを撮像することによって、カメラ２１で画像データＩｍｇを取得する際に、ワークＷの姿勢に応じてワークＷの外周面の曲率に起因する周方向の画像歪みを考慮することが可能となり、曲面部分を平面的な画像としてピックアップする際に画像データＩｍｇに含まれる欠陥Ｄの形状歪みを考慮することが可能となる。

制御装置３０は、治具１０及び撮像装置２０に接続されており、モータ１１、カメラ２１及び無影灯２２の動作を制御して、ワークＷの回転とカメラ２１による撮像動作を同期するとともに、エンコーダ１２及びカメラ２１によって取得されるデータ（ワークＷの回転角度及び画像データＩｍｇ）を受信して、これらのデータに基づいて解析及び画像処理する。
また、制御装置３０は、ワークＷの形状（外周面の形状）に関する情報を記憶している。このワークＷの外周面の形状に関する情報とは、ワークＷの軸Ｒから外周面までの距離及び角度を含む位置関係に関する情報であって、軸Ｒ及びワークＷの回転角度に対して一義的に決定されるワークＷの外周形状に関する情報を指す。さらに、制御装置３０は、ワークＷの各回転角度における、カメラ２１の視野範囲内に含まれるワークＷの撮像部位とカメラ２１との幾何学的な距離（位置関係）を記憶している。すなわち、制御装置３０には、画像データＩｍｇにおけるワークＷの各部位における画像歪み度合いが記憶されており、画像データＩｍｇ内に存在する欠陥Ｄの位置に応じた形状歪みについての情報が記憶されている。

また、制御装置３０では、ワークＷの各回転角度における、ワークＷの画像歪みに応じた閾値Ｔｈが記憶されており、画像データＩｍｇ内の欠陥Ｄの大きさが閾値Ｔｈを超える場合にワークＷの表面に許容できない大きさの欠陥が存在すると判定する。
制御装置３０は、ワークＷの外周面の形状に関する情報、及び、ワークＷの各回転角度における、カメラ２１の視野範囲内に含まれるワークＷの撮像部位とカメラ２１との位置関係に関する情報を利用して、閾値Ｔｈと欠陥Ｄの大きさとを比較して欠陥判定を行う。

閾値Ｔｈは、各画像データＩｍｇの画像歪みの大きさに応じて設定されている。ワークＷのような軸状物の場合において、閾値Ｔｈは、カメラ２１と正対し、歪みの小さい中央部では大きく設定され、カメラ２１の画像視野の端部となり、中央部に比べて歪み度合いが大きい端部では小さく設定されている。このように設定される閾値Ｔｈ（ｘ）は、各画像データＩｍｇに対して設定されており、図２に示すように、画像データＩｍｇ内での周方向の位置（ｘ）に応じて値が設定されている。

以下では、図３〜図６を参照して、欠陥検出装置１を用いて、欠陥Ｄ１〜Ｄ３を含むワークＷを検査した場合の欠陥検出処理について説明する。図３に示すように、ワークＷをカムシャフトとし、カムシャフトのカム部の表面について検査する。
欠陥Ｄ１〜Ｄ３は、ワークＷにおけるカム部の表面に存在する欠陥の代表例であり、欠陥Ｄ１は頂部に現れる円形の欠陥、欠陥Ｄ２は欠陥Ｄ１に対して４０度程度位相がずれた位置に存在する円形の小型欠陥、欠陥Ｄ３は側部に現れる円形の欠陥とする。なお、欠陥Ｄ１・Ｄ３は許容できない大きさの欠陥であり、欠陥Ｄ２は許容できる大きさの欠陥であるものとする。

図４に示すように、治具１０によってワークＷを４５度ずつ回転させながら撮像装置２０によって８枚の画像データＩｍｇ１〜Ｉｍｇ８を撮像する。なお、図４では、ワークＷを固定し、ワークＷの軸Ｒを中心としてカメラ２１を４５度ずつ回転させている図を示している。

図５に示すように、撮像装置２０によって画像データＩｍｇ１〜Ｉｍｇ８が得られる。これらの画像データＩｍｇ１〜Ｉｍｇ８は、ワークＷの外周面を周方向に沿って順に撮像した平面図として取得される。なお、図５ではワークＷの周方向を左右方向とし、ワークＷのカム部の頂点を（０）として表示している。

そして、制御装置３０において、画像データＩｍｇ１〜Ｉｍｇ８に現れる欠陥Ｄ１〜Ｄ３の位置及び大きさと、閾値Ｔｈとを比較して許容できる欠陥又は許容できない欠陥の何れであるかの判定が行われる。
図６に示すように、それぞれの画像データＩｍｇ１〜Ｉｍｇ８における画像歪みを考慮して、閾値Ｔｈ（ｘ）を設定し、欠陥Ｄ１〜Ｄ３の大きさ及び周方向の位置（ｘ）に応じて、閾値Ｔｈ（ｘ）との大小を比較することによって欠陥判定が行われ、欠陥Ｄ１・Ｄ３は許容できない大きさの欠陥、欠陥Ｄ２は許容できる大きさの欠陥であると判定される。

なお、各欠陥Ｄの周方向の位置（ｘ）は、周方向における中心位置として決定される。また、各欠陥Ｄの大きさは、周方向の長さとして決定される。
このとき、楕円形状、三日月形状、曲線形状等の非円形の欠陥Ｄを検出する場合は、制御装置３０に記憶される画像データＩｍｇの歪み情報に基づいて、長手方向の大きさ（例えば、楕円形状の欠陥における長径）を直径とする円形状とみなし、その直径及び中心位置を用いて判定する。

以上のように、それぞれの画像データＩｍｇ１〜Ｉｍｇ８に対して、幾何学的な画像歪みを考慮した閾値Ｔｈ（ｘ）を設定し、画像内に含まれる欠陥Ｄ１〜Ｄ３の位置（ｘ）及び大きさと、閾値Ｔｈ（ｘ）とを比較することにより、曲率を有するワークＷの外周面に現れる欠陥、特に画像歪みの大きい端部に現れる欠陥を精度良く検出することが可能であり、欠陥検出装置１の信頼性を向上できる。
本実施形態の場合は、画像データＩｍｇに現れる欠陥Ｄの寸法をそのまま利用するため、画像データＩｍｇに対する解析が不要であり、画像処理の負荷を低減できる。

また、撮像された画像データＩｍｇの視野角度（視野範囲）がワークＷの回転角度以上（ここでは４５度以上）となる場合、これら一連の画像データには、隣接する画像データ間に重複する部分が存在することとなる。このような重複部分においては、境界付近に存在する同一の欠陥が撮像されるが、端部からの距離が大きくなる側の画像データにて判定することによって、歪み度合いがより小さい位置で判定することが可能となり、欠陥検出の正確性が高くなる。

具体的には、図５に示す画像データＩｍｇ２の端部に存在する欠陥Ｄ３が画像データＩｍｇ３の端部に重複して現れている。
このような場合、欠陥Ｄ３の中心（周方向の中心位置）とそれぞれの端部との距離を測定し、距離が大きい方（本実施形態では画像データＩｍｇ３）を用いて欠陥Ｄ３の大きさを判定することで、欠陥Ｄ３の画像歪みによる影響を低減できる。つまり、カメラ２１に対する角度が小さい方の画像データＩｍｇを採用することによって、曲率に起因する画像歪みの度合いを低減できる。このようにして、各画像データＩｍｇの端部に現れる欠陥Ｄの検出精度を向上できる。

［第二実施形態］
以上の第一実施形態では、図２に示すように、閾値Ｔｈを周方向の座標（ｘ）に応じて変化させて、言い換えれば閾値Ｔｈ（ｘ）を周方向の位置（ｘ）の変数として扱って欠陥判定を行う形態を示した。
以下では、図７〜図９を用いて、欠陥検出装置の第二実施形態として、閾値Ｔｈを一定値として欠陥判定を行う欠陥検出装置について説明する。本実施形態では、欠陥Ｄの形状を、画像歪みを考慮して補正して、実形状にフィッティングした上で欠陥の判定を行う。具体的には、以下の通りである。

図７に示すように、ワークＷを欠陥Ｄ４〜Ｄ７を含む円柱とし、同様に治具１０によってワークＷを４５度ずつ回転させながら撮像装置２０によって８枚の画像データＩｍｇ１〜Ｉｍｇ８を撮像する。
欠陥Ｄ４〜Ｄ７は、ワークＷのカム部の表面に存在する欠陥の代表例であり、欠陥Ｄ４は頂部に現れる円形の欠陥、欠陥Ｄ５は欠陥Ｄ４に対して４０度程度位相がずれた位置に存在する円形の小型欠陥、欠陥Ｄ６は側部に現れる楕円形の欠陥、欠陥Ｄ７は、側部に現れる三日月形状の欠陥とする。なお、欠陥Ｄ４・Ｄ６・Ｄ７は許容できない大きさの欠陥であり、欠陥Ｄ５は許容できる大きさの欠陥であるものとし、欠陥Ｄ６・Ｄ７は周方向に対して傾斜しているものとする。

図８に示すように、撮像装置２０によって画像データＩｍｇ１〜Ｉｍｇ８が得られる。
制御装置３０では、このように取得された画像データＩｍｇ１〜Ｉｍｇ８に対して画像歪みの補正を行い、ワークＷの外周面を周方向に沿って展開した平面図として処理する。つまり、本実施形態では、ワークＷの欠陥Ｄの正味形状を認識するために、画像データＩｍｇを補正して処理する。
この場合、制御装置３０は、制御装置３０に予め記憶されている、ワークＷの形状（外周面の形状）に関する情報や、ワークＷの各回転角度における、カメラ２１によるワークの撮像部位と当該カメラ２１との位置関係に関する情報を用いて、画像データＩｍｇ１〜Ｉｍｇ８に対する画像歪みの補正を行う。

具体的には、図９に示すように、カメラ２１によって取得される各画像データＩｍｇ１〜Ｉｍｇ８を補正して、カメラ２１の視野範囲内のワークＷの周方向の実長さを有する補正画像Ｃｏ＿Ｉｍｇ１〜Ｃｏ＿Ｉｍｇ８を生成する。
このようにして生成される補正画像Ｃｏ＿Ｉｍｇ１〜Ｃｏ＿Ｉｍｇ８内に存在する欠陥Ｄ４〜Ｄ７の形状も正味の形状として現れる。すなわち、この補正画像Ｃｏ＿Ｉｍｇ１〜Ｃｏ＿Ｉｍｇ８内での欠陥の実際の大きさと閾値Ｔｈとを比較することで欠陥判定が実施され、欠陥Ｄ４・Ｄ６・Ｄ７は許容できない大きさの欠陥、欠陥Ｄ５は許容できる大きさの欠陥として判定される。

以上のように、それぞれの画像データＩｍｇ１〜Ｉｍｇ８に対して、幾何学的な画像補正を施した上で、補正画像内に含まれる欠陥Ｄ４〜Ｄ７の大きさと、閾値Ｔｈとを比較することにより、曲率を有するワークＷの外周面に現れる欠陥を精度良く検出することが可能であり、欠陥検出装置１の信頼性を向上できる。
本実施形態の場合は、欠陥Ｄの実寸法を算出して欠陥判定を行うため、より厳密な欠陥判定が可能である。

また、ワークＷに存在する欠陥は、その長手方向の大きさが問題となることが多いため、欠陥の形状が非円形状、かつ、非楕円形状である場合、欠陥の外郭を含むような楕円形状（又は長方形形状）として認識し、その長径（又は長辺）と閾値Ｔｈとを比較して判定する。これにより、異形の欠陥についても同様に処理可能である。
例えば、図に示す欠陥Ｄ７は、三日月形状の異形の欠陥であるため、欠陥Ｄ７を内包する楕円の長径の大きさ又は長方形の長辺の大きさを欠陥の大きさとして認識する。このように、異形の欠陥の形状、方向によって生じ得る誤判定を回避できる。

また、撮像装置２０は、治具１０によって所定角度に保持されたワークＷを断続的に撮影しているが、これに限定されず、治具１０によってワークＷを回転させながら連続的に撮影しても良い。この場合、カメラ２１が欠陥Ｄと対向する位置において、欠陥Ｄの大きさを検出することが可能であり、画像歪みの影響を最小限に抑えることが可能となる。

本発明は、ワークの外周面が曲率を有する場合の欠陥検査に好適に利用可能である。

１欠陥検出装置
１０治具
２０撮像装置
３０制御装置
Ｗワーク
Ｒ軸
Ｄ欠陥
Ｉｍｇ画像データ

【０００２】
を課題とする。
課題を解決するための手段
［０００７］
本発明のワークの欠陥検出装置は、ワークの外周面に存在する欠陥を検出する装置であって、前記ワークを支持するとともに、所定角度に回転した状態に保持する治具と、前記治具によって所定角度に回転した状態に保持されたワークの外周面を撮像する撮像装置と、前記撮像装置によって得られる画像を処理し、欠陥を判定する制御装置と、を具備し、前記制御装置は、前記ワークの外周面の形状に関する情報、及び、各回転角度における、前記撮像装置によるワークの撮像部位と当該撮像装置との位置関係に関する情報を記憶しており、前記欠陥を判定する際に、これらの情報を利用する。
［０００８］
本発明の好ましい実施形態において、前記制御装置は、予め記憶した閾値と前記撮像装置によって得られる画像に含まれる欠陥の長手方向の寸法とを比較することによって、前記欠陥を判定する。
［０００９］
本発明の一実施形態において、前記欠陥の判定の際に用いる閾値は、前記ワークの外周面の形状に関する情報、及び、各回転角度における、前記撮像装置によるワークの撮像部位と当該撮像装置との位置関係に関する情報を用いて、前記欠陥の位置、かつ、ワークの各回転角度における、ワークの外周面の形状に起因する画像歪みに応じて変更されることが好ましい。
さらに、前記撮像装置の視野角度を前記ワークの回転角度以上に設定し、前記撮像装置によって得られる画像に重複部分を設け、当該重複部分において重複して撮像される同一の欠陥に対して、画像端部からの距離が大きくなる側の画像を用いて前記欠陥の判定を行うことが好ましい。
［００１０］
本発明の別実施形態において、前記欠陥の判定は、前記ワークの外周面の形状に関する情報、及び、各回転角度における、前記撮像装置によるワークの撮像部位と当該撮像装置との位置関係に関する情報を用いて、前記撮像装置によって得られる画像においてワークの外周面の形状に起因する画像歪みの補正を行い、ワークの外周面を前記回転方向にそって展開した平面図として処理し、前記欠陥の実形状を用いて行われることが好ましい。
発明の効果
［００１１］
本発明によれば、ワーク外周面の欠陥の検出精度を向上できる。
図面の簡単な説明
［００１２］
［図１］欠陥検出装置を示す図である。
［図２］欠陥の位置に応じた閾値の変移を示す図である。
［図３］欠陥検出の対象であるワークを示す図である。
［図４］欠陥検出装置の撮像装置を用いたワークの撮像を示す図である。

Claims

ワークの外周面に存在する欠陥を検出する装置であって、
前記ワークを支持するとともに、所定角度に回転した状態に保持する治具と、
前記治具によって所定角度に回転した状態に保持されたワークの外周面を撮像する撮像装置と、
前記撮像装置によって得られる画像を処理し、欠陥を判定する制御装置と、を具備し、
前記制御装置は、前記ワークの外周面の形状に関する情報、及び、各回転角度における、前記撮像装置によるワークの撮像部位と当該撮像装置との位置関係に関する情報を記憶しており、前記欠陥を判定する際に、これらの情報を利用するワークの欠陥検出装置。
前記制御装置は、予め記憶した閾値と前記撮像装置によって得られる画像に含まれる欠陥の大きさとを比較することによって、前記欠陥を判定する請求項１に記載のワークの欠陥検出装置。
前記ワークの外周面の形状に関する情報、及び、各回転角度における、前記撮像装置によるワークの撮像部位と当該撮像装置との位置関係に関する情報を用いて、前記欠陥の判定の際に用いる閾値を当該欠陥の位置に応じて変更する請求項２に記載の欠陥検出装置。
前記ワークの外周面の形状に関する情報、及び、各回転角度における、前記撮像装置によるワークの撮像部位と当該撮像装置との位置関係に関する情報を用いて、前記撮像装置によって得られる画像を補正し、前記欠陥の実形状を用いて判定する請求項１又は２に記載の欠陥検出装置。