資料

円柱形状部品の外観検査用画像処理システム
Image Processing System for Visual Inspection of Cylindrical Parts
野上良治

Y. NOGAMI

山田和明

K. YAMADA

森川仁司

H. MORIKAWA

Despite the progress of automation in overall manufacturing processes, visual inspection process is behind others inadvancement. However, there is growing needs of automatic visual inspection device that can replace manpower in the fieldof metallic cylindrical parts such as rollers, pins and shafts. Therefore, we have developed high speed and high accuracy
image processing system for automatic visual inspection on cylindrical parts.
In this paper, our techniques are reported on image processing system enabling high speed and high accuracy visualinspection, which is realized by original simultaneous processing algorithms. The algorithms handle both the detection of
defects and the development of 2-D image formed from many 1-D signals, obtained through line-scan camera scanning theon-feed objects directly while they are moving.
Key Words: image processing, visual inspection, cylindrical parts, line-scan camera, through-feed system

1．はじめに円筒ころ軸受や，針状ころ軸受に用いられてい2．開発システムの概要
2.1

第1ステップ（ワーク固定方式）の概要

るころを含め，電機部品や自動車部品のピン，シ

円柱形状部品外観検査の開発第１ステップでャフトなどの多くは外観検査を受けているが，処は，検査対象を円筒ころ転動面とし，撮像機構部理速度，精度面の問題で，目視による検査が多くを図1に示す構成とした．回転するローラ上に検残されている．生産工程の効率化，省人化を進め

査対象のころを２個直列に位置決めし，転動面をるうえで外観検査工程の自動化を望む声は非常にラインセンサカメラで走査した．

多く ，我々は，これまでに深溝玉軸受完成品な通常１次元信号として順次波形処理されるライど円環形状部品の画像処理による自動外観検査機

ンセンサカメラの走査信号は，図2に示すようにを手がけてきており，そのノウハウを生かして，２次元画像化する２）ことで．単に明暗差だけでな今回円柱形状の部品を対象とした自動外観検査用

く，欠陥の形状，連続性などの特徴をとらえた検画像処理システムの開発に取り組んだ．

出が可能となり，検査の信頼性が向上した．

１）

開発の第１ステップでは円筒ころの転動面をターゲットとし，位置決めした２個のワークを同時バー状ＬＥＤ照明検査することによって高速化を図ったが，確実なアナログラインセンサ
カメラワークの供給・排出を保証する機構部が一定以上検査対象ワーク（２個／サイクル）の検査時間の短縮を妨げた．
続く第２ステップにおいては，さらなる高速化を実現するため，流動中のワークを止めずに検査するスルーフィード方式に取り組んだ．その結果，

ワーク位置決めピン

検査時間が大幅に短縮されるとともに，検査対象も針状ころからシャフトなどの長尺ワークにまでワーク回転ローラ対応可能になるなど，より高性能なシステムを開発することができたので，その技術的内容の概略をここに紹介する．

70

図1 開発第１ステップの円柱面撮像機溝部Mechanism to grab image of cylindrical surface
at the 1st step of the development

Koyo Engineering Journal No.165 (2004)

１画素−円柱形状部品の外観検査用画像処理システム−

1 024画素
一次元信号を展開し二次元画像へ

図5

図4

図2 ラインセンサ信号の２次元展開画像
2-D image formed from signals of line-scan camera

2.2

第2ステップ（スルーフィード方式）の概要

開発第２ステップではさらなる検査時間の短縮

ワーク移動速度の変動でひずんだ画像
Warped image by changeof feeding speed

移動中ワークのラインセンサ画像
Image of the work underfeeding

3．移動中ワーク画像での検査
3.1

走査基準位置の検出と，より多様なワークサイズに対応することを目

図4のようなワークが連なった画像で検査を行的としてスルーフィード方式を採用した．その撮

うには，まず検査対象とするワーク領域を特定す像機構部の構成を図3に示す．

る必要がある．さらに図4のような斜めにシフトした画像，または図5のように速度変動によってバー状４分割
ＬＥＤ照明

デジタル
ワーク間
ラインセンサ 検出センサ
ワーク押出カメラ（取込トリガ）ローラ

ひずんでしまった画像においても正しく走査するために，画像から対象ワークの左端座標を検出し，それを基準位置として走査を行う．
走査アルゴリズムの説明を図6に示す．まず検ワーク搬送ベルト
向方動

移クーワ

ワーク回転ローラ

図3

スルーフィード方式外観検査システムの撮像機構部
Mechanism to grab image of the through-feed system
スルーフィード方式にしたことで，まず問題になるのが，図4に示すように移動中のワークが進査対象ワークが画像上のほぼ一定の位置にくるよ
うに図3にあるワーク間検出センサの信号をトリガとして撮像する．
以下のように定義したとき
array_x[yn]：走査基準配列x0：設定時のワーク左端位置

W：設定時のワーク幅

画像中のx0から±W/2の範囲を走査することで検査対象ワーク位置を特定し，array_x[0]に格納する．

行方向に斜めにシフトして映ることである．またワークの移動速度に変動があった場合には，図5

W/20 xyW/2xoxmW

array_x [0]のようにシフト量が変動し，ひずんで映る．このような不安定な画像においても個々のワークを正確に判別し，高精度な欠陥検出が行われなければW
ynarray_x [yn]xmならない．
また，ワークを位置決めして撮像する場合と比較して，移動分だけ撮像範囲が広くなるので，よarray_x [yn] + xm

り均一な照明が必要となる．

図6 走査アルゴリズム
Algorithm of scanning
次に走査基準位置として，array_x[0]から画像上のワーク切れ目の明度差を利用してワーク左端部分の座標を検出し，順次array_x[yn]に格納する．
各欠陥検出アルゴリズムの中で特定画素の明度値を呼び出すときには，この走査基準配列を使ってKoyo Engineering Journal No.165 (2004)71

−円柱形状部品の外観検査用画像処理システム−

また，前述の左端座標を基準に走査を行う方式

下のように変換し，走査を行う．
（yn）＋xm，yn）（xm，yn）→（array_xだけでは，面取部の検査で左側に欠陥があったとこの手法により，ひずんだ画像においてもワーしても右側として検出されてしまう問題がある

ク検査面内の正確な位置情報が画素に関連づけらが，これについて，検出された走査基準配列の直れ，検査精度が向上した．

線性が高いほとんどの場合には直線に置換するなどして対応している．

3.2

欠陥検出アルゴリズム

図7に，各欠陥検出アルゴリズムの概要を示す．

4．高速化のアプローチ

この図から分かるように，画像上のワーク領域を4.1

明度分布によってフラット部，クラウニング部，取込時間の短縮と照明手法の改善

取込ライン数をワーク外径寸法に合わせて最適面取部と三つの領域に分けて検査している．

化することで，取込時間を短縮した．

フラット部とクラウニング部では，黒皮残りやピンホールを代表的な欠陥として検出し，フラッラインスキャン時間も短縮するために高クロッ

ト部ではそれに加えてかすれ傷（転動面の周方向クのデジタルラインセンサカメラを新たに採用し（画像斜め縦方向）についた光沢不良）も検出してたが，その代償として電荷蓄積時間が短くなり，いる．面取部に関しては，局所的な欠けと広範囲そのままでは画像の明度とコントラストが不足しの偏心とを個別に検出している．てしまう．その対策として照明を高出力化（ＬＥかすれ傷に関しては特に明度差が小さいため，Ｄ数45個→120個）するとともに広範囲をむらなく周方向に細く長い形状的な特徴をきわだたせて検照射するために，長尺化した照明を４分割し，個出できるように，明度分布を最適化する変換曲線

別にＬＥＤ駆動電圧をＰＷＭ制御可能とした．こで画素値の変換を行った．さらに２値化した後，れにより，画面両端での光量低下を補正し，ライ黒画素の膨張を行ってから周方向に走査し，黒画ンセンサの視野範囲全域（約100mm）において均素の周方向の連続数によって欠陥を検出してい一な光量が得られるようになった．さらにＬＥＤる．の発熱などによる光量低下を自動補正することにより，常に検査に最適な画像が得られるようにし他にもさまざまな欠陥の特徴をとらえたアルゴている．

リズムを使って欠陥を検出しており，またこれらを別の要因で発生する欠陥として分類し履歴を残4.2すことで，前工程の改善点を見つけやすくするな

画像取込と欠陥検出の並列処理化

この並列処理は，図8に示すように画像取込用

ど，品質向上のツールとしても利用可能な検査シバッファを二つ用意し，画像を取り込んでいる最走査ステムとした．

走査クラウニング部
欠陥
かすれ傷

フラット部
欠陥

走査走査領域

領域

領域

領域【フラット部検査】【かすれ傷左端トレースライン

検査】【クラウニング部検査】

左端トレースライン※ 各ワーク領域毎に前処理，２値化レベル等を最適化

面取部
偏心

面取部欠け

※

検出欠陥（0.1〜１mm以上）のサイズ設定が可能※
右端仮想ライン

右端仮想ライン【面取偏心【面取欠け検査】

図772

走査位置，領域は，左端トレースラインで補正

検査】

欠陥検出アルゴリズム例
Algorithm of inspection

Koyo Engineering Journal No.165 (2004)

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自動運転開始照度調整

トリガ

画像バッファ①

ワークNo.1取込トリガ
No.1
処理

画像
バッファ②

トリガ
判
定

No.2
取込0.2sec/個0.2sec/個自動運転停止

トリガ

No.3
取込

No.2
処理

n-1
処理

判
定

n
取込

判
定

0.2sec/個n処理

判
定0.2sec/個

図8 並列処理のタイムチャート
Time chart of parallel processing
中に，すでに取り込んである前のワークのバッフ
ァ画像を処理する，いわゆるダブルバッファリン
グ方式である．今回画像取込と欠陥検出の並列処理により，検査に要する時間は従来に比べてほぼ5．設定の簡易化他
5.1設定の簡易化

今回プログラムの動作環境を第１ステップのMS-DOS ® 環境から，第２ステップでは視認性，半減した．
参考として，第１ステップのシステムと，第２操作性に優れるWindows ® NT環境へ変更するとステップのシステムを用いた外観検査機のサイクともに以下のような機能を実装した．

ルタイム内訳を図9に示す．
（ワーク固定方式は・ワークサイズの自動簡易設定機能→設定ミスの防止，適正化，操作性の向上

２個同時検査なので，グラフは１個分の時間に換・ＮＧ判定したワーク画像を最新10枚まで自動算）保存し，再計測可能

スルーフィード方式と新たな高速化の手法によ→ＮＧ品履歴確認，設定レベルの適正化

り，サイクルタイムを１／２以下にすることが可

・明度分布のラインプロファイルグラフ表示能となった．

（図10）
msec/個
600

500

400

→照明など光学系のメンテナンス性向上

対象ワーク
円筒ころ
u12mm × L20mm
ワーク
補給・排出

判定
判定

300

図10

処理
次ワーク
トリガ信号待ち200判定

ラインプロファイルグラフ
Line profile graph

判定

5.2

ＲＯＭ化による信頼性の向上®

Windows を用いたパソコンシステムを製造現
100
画像取込

画像
取込

処理

場に導入したとき，その耐久性，信頼性が懸念されるＨＤＤ部について，本開発システムでは，Windows

ワーク固定方式
第１ステップスルーフィード方式
第２ステップ

図9 サイクルタイム内訳
Items of cycle time®

NTの必要機能だけを取り出してＲＯすることによりＨＤＤ
Ｍ化（ＲＯＭ化Windows®）
を用いずに，MS-DOS ®環境と同等の信頼性を確保した．
その他，システムのＨＭＩ（ヒューマンマシンインタフェース）については，マウス・キーボードだけでなく，専用簡易操作パネル（スイッチ／ボタン）による操作を可能とし，製造ラインと親Koyo Engineering Journal No.165 (2004)73

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和性の高いインターフェースとした．

参考文献

6．おわりに

１）富士経済大阪マーケティング本部第一事業部第一部：2003画像処理システム市場の現今回開発したスルーフィード方式による円柱形状部品の自動外観検査用画像処理システムによ状と将来展望，株式会社富士経済（2003）．
２）動体計測研究会：イメージセンシング

り，大幅な高速化と，多様なワークサイズへの適ジタル画像用が可能になった．図11に，本開発システムを人日本測量協会（1997）
32．

デ−計測技術と応用−，社団法適用した外観検査機の一例を示す．

図11 開発システム適用の外観検査機例
Application example of this development tovisual inspection machine
今回の開発システムには対象ワークのサイズに適した2 048画素のラインセンサカメラを用いたが，さらに高分解能のラインセンサを搭載することで100mm以上の長尺ワークの検査や，より微細な欠陥の検出にも対応が可能なシステムとした．また有効視野以上の長尺品も連続してスパイラル状に走査すれば，同様の方式で検査可能である．
金属部品の製造ラインにおける外観検査工程は自動化が最も後れており，自動外観検査の導入によって製品の信頼性向上，ラインの高速化，そしてそれらによる製造コストの低減効果が期待される．
®

®

®

MS-DOS ，Windows NT，Windows は米国

筆者

Microsoft Corporationの米国およびその他の国における登録商標または商標です．

野上良治*
Y. NOGAMI*

山田和明*
K. YAMADA

総合技術研究所

機械システム研究部** 光洋機械工業株式会社

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森川仁司**
H. MORIKAWA

ＦＡ・精機事業部

技術部

Koyo Engineering Journal No.165 (2004)