JP2007139630A - 表面検査装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属帯幅方向の複数台カメラの同時判定およびカメラ幅方向角度判定により光学配置の異常を判断する機能を有する表面検査装置および方法を提供することを目的とする。
【解決手段】複数の金属帯を溶接で接続されてなる被検体の表面を光学的に検査する表面検査装置において、前記被検体の溶接部の反射光を受光し、前記溶接部の反射光強度分布に基づいて前記表面検査装置の光源および／または受光装置の光学配置が正常であるか否かを判断する自己診断装置とを備える。
【選択図】図９

Description

本発明は、鋼板などの金属帯の製造工程や検査工程に設置される連続搬送ラインにおいて光学的に金属帯の表面欠陥を検査する表面検査装置および方法に関するものである。

金属帯表面の疵を検査する装置は多種あるが、図１に示す様な表面検査装置が一般的によく使用されている。図１は、リニアセンサカメラ式表面検査装置の概要を示す図である。図１（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図をそれぞれ示している。板幅方向に線状光を照射する光源１と、光源１からの光が金属帯４の表面の照射光帯４’で反射した反射光を、正反射位置（角度）や拡散反射位置（角度）に配置されて、受光する撮像装置としての一次元カメラ（リニアセンサカメラ）２および３を有している。なお、これらのリニアセンサカメラは、さらに板幅方向に複数台並べられて構成するリニアセンサカメラ式表面検査装置が一般的に使用されている。図１（ｂ）に、幅方向に一次元カメラ（正反射位置）２ａ、２ｂの２台を並べた例を示す。

これら表面検査装置の検査性能は、光源や受光器の微小な位置ずれ、光源の投光窓や受光器の受光窓の汚れ、あるいは、光源の経時劣化による光量減少や故障などにより低下するのが避けられず、このため通常、光学系の校正を定期的に行っている。

表面検査装置の光学配置（光軸）が正常であるか否かを判断する、自己診断（校正）に関するこれまでの技術は、例えば特許文献１に開示されている。図２は、金属帯間の溶接部と近傍に設けた開口穴を示す図である。この技術は、図２に示す様に金属帯の連続ラインにおける各ロットの先端（後行コイル７）と後端（先行コイル８）の溶接された部位（溶接部）５に、開口穴６を設け、この開口穴６を表面検査装置で検査するものである。

図３は、開口穴からの反射光強度を模式的に示した図である。図３（ａ）の様に装置の光学系が十分に調整されている場合には、開口と開口のない部位からのそれぞれの反射光強度の差が大きくなるが、図３（ｂ）の様に装置の光学系が十分に調整されていない場合には、先の反射光強度の差が小さくなる。予め「校正用しきい値」を設けておき、測定に際してこのしきい値を超えるかどうかで表面検査装置における光学系の校正の必要の有無を判断する方法である。また、開口部は、金属帯の各ロットの溶接部近傍で開けられて、この範囲は通常、切断機でスクラップとされるので、製品歩留まりに影響がない領域として、被検査体に該被検査体に貫通する開口部とする方法が行われている。
特開平１１−１３２９６７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、校正が必要か否かの判定を行うには、まず開口部を設ける必要があり、かつ反射光を撮像するカメラは設けた開口部をその視野とすることが必須とされる。図４は、複数カメラ（幅方向）視野と開口部の位置付けの関係を説明する図である。図４（ａ）は上面図、（ｂ）は反射光強度をそれぞれ示している。この例では、カメラ２ａだけが金属帯４の開口穴６をスキャンできるが、カメラ２ｂでは開口穴６をスキャンできない。このように、金属帯の幅方向に複数台設置する一般的な表面検査装置装置の構成では、判定ができないという問題点があった。

また、一つまたは数個の開口部のみを用いているために、リニアセンサカメラの視野の傾き（幅方向に対する傾き）についての判定ができないという問題点もあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、金属帯幅方向の複数台カメラの同時判定およびカメラ幅方向角度判定により光学配置の異常を判断する機能を有する表面検査装置および方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、複数の金属帯を溶接で接続されてなる被検体の表面を光学的に検査する表面検査装置において、前記被検体の溶接部の反射光を受光し、前記溶接部の反射光強度分布に基づいて前記表面検査装置の光源および／または受光装置の光学配置が正常であるか否かを判断する自己診断装置と、を備えることを特徴とする表面検査装置である。

また本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載の表面検査装置において、前記自己診断装置は、前記反射光強度分布において、反射光強度が所定の強度範囲となる領域の大小に基づいて前記表面検査装置の光学配置が正常であるか否かを判断することを特徴とする表面検査装置である。

また本発明の請求項３に係る発明は、請求項１に記載の表面検査装置において、前記自己診断装置は、前記反射光強度分布の傾きである反射光強度変化率を算出し、算出した反射光強度変化率が所定の範囲でない場合に異常と判断することを特徴とする表面検査装置である。

また本発明の請求項４に係る発明は、請求項３に記載の表面検査装置において、前記反射光強度変化率は、前記反射光強度分布の端部における反射光強度と、受光装置の視野中心と端部との距離に基づいて算出されることを特徴とする表面検査装置である。

さらに本発明の請求項５に係る発明は、複数の金属帯を溶接で接続されてなる被検体の表面を光学的に検査する表面検査方法において、前記被検体の溶接部の反射光を受光し、前記溶接部の反射光強度分布に基づいて光源および／または受光装置の光学配置が正常であるか否かを判断する自己診断を行うことを特徴とする表面検査方法である。

本発明は、溶接線の幅方向に複数台のリニアセンサカメラを設置した表面検査装置において、金属帯の溶接線（溶接部）をリニアセンサカメラで撮像した画像信号に基づいて、光源やカメラの進行方向角度や幅方向平行角度等といった光学系の異常の判定を全ての金属帯の溶接線に関して行なうようにしたので、表面検査装置の異常発生を迅速に発見することが可能となり、異常発生時の再検査を最小限に押さえることが可能である。また、搬送ラインを流れるオンラインで溶接線を検査するから、搬送ラインの停止は必要なく、簡便かつ敏速な自己診断が行える。

本発明を実施するための最良の形態について、以下に図面を参照して説明を行う。図６は、溶接で接続した金属帯を模式的に表した図である。金属帯の先端（後行コイル７）と尾端（先行コイル８）とは、製造ラインあるいは検査ラインの入り側で溶接されて接続され、連続的に搬送される。この溶接された部位（溶接部）５は、溶接線または溶接部とよばれ、金属帯の搬送方向とは直行する幅方向に線状に溶接されており、一般的に、搬送ライン流れ方向の高速安定性を確保するために進行方向に対する幅方向角度は略直角である。また、溶接線は金属帯の幅と同一の長さとなる。

この溶接線の進行方向Ｌおよび幅方向Ｗの寸法は、製造するロットの鋼種や厚み、または、その他溶接装置等により異なるが、通常Ｌは２０ｍｍ程度であり、また、Ｗは金属帯の幅から幅方向のエッジ部トリミング代を差し引いた長さとなる。

本発明では、この金属帯の幅方向全体にわたって一様な状態となっている溶接線を、幅方向に複数台並べられたリニアセンサカメラのすべてで撮像して、その撮像した画像信号に基づいて、表面検査装置のリニアセンサカメラ（撮像装置や受光装置）や照明装置（光源）の光学配置が正常であるか否かを判断しようとするものである。

正反射角度の反射光を撮像するためのリニアセンサカメラで溶接線を撮像すると、装置の光学系が十分に調整されている場合には、溶接線における反射強度は、他の領域、すなわち溶接されていない金属帯表面自身の金属帯定常部に比べて著しく小さくなる。図７は、金属体での反射光強度分布の違いを模式的に示す図である。図中、Ａは溶接線以外からの反射光強度分布を表しており、ＢおよびＣは溶接線からの反射光強度分布を表している。この違いは、一般的に正反射角度においては、溶接線が金属帯定常部と比べて、反射率が低くなるためである。ただし、金属帯素材や溶接の条件によっては、反射強度の大小関係は、逆の場合もあり得るので、この例に限定されるものでない。

リニアセンサカメラの光学配置（光軸）が、初期設定として調整、設定された光軸からずれて、正常な光軸になっていない場合は、光源、リニアセンサカメラ、金属帯との相対的な位置関係が異常となっているため、リニアセンサカメラで得られる溶接線からの反射光の金属帯幅方向の強度分布は、正常時と異なって低下する（図７のＢからＣへ）。
光学系の調整不良のケースとして、以下のようなものがある。

１）幅方向に複数配置されたリニアセンサカメラの内のどれかのリニアセンサカメラで、光軸が金属帯の進行方向でずれた場合である。図８は、光軸のずれたリニアセンサカメラで受光する反射光強度と正常な反射光強度を示す図である。正常な光軸であるリニアセンサカメラと比較し、反射光量が小さくなった様子を示しており、図８の例では、カメラ２において光軸がずれた場合を示している。これは、光源の金属帯表面における照射領域外に、リニアセンサカメラの観察位置がずれて、光源の反射光が得られなくなったためである。

２）リニアセンサカメラの視野が金属帯の幅方向（金属帯搬送方向に対する直交方向）と平行度が悪くなった場合である。図５は、光軸がずれたリニアセンサカメラの場合を模式的に示す図である。この場合は図５に示すように、幅方向の反射強度分布は、不均一な分布となる。図５では、視野中央部では正常であるが、端部では反射光強度が極端に低下している例を示している。これは、視野中央部では金属帯表面における照射領域を観察しているが、端部では照射領域から外れたためである。

本発明では、予め正常な光軸条件で溶接線の画像を撮像し、その画像信号に基づいて、正常な反射強度の値、または、強度分布を記憶しておく。この反射強度の値や強度分布に基づいて、正常な状態でのばらつきも考慮して、異常と判断する強度値「異常判定閾値」を予め決定しておく。例えば、図８において破線で示された値が「異常判定閾値」であり、複数のリニアセンサカメラで得られた溶接線の画像信号において、この「異常判定閾値」を超えた範囲が溶接線の幅に相当する値（例えば、溶接線幅―α）であるかどうかによって、表面検査装置のリニアセンサカメラの光学系配置（光軸）が正常か異常かを判断するようにすればよい。なお、先に示したαは、光学系の分解能など勘案して決めるようにすればよい。

なお、図７に示した例では幅方向に同一の値で閾値を設定したが、正常な条件でもシェーディングの影響等で中央部にくらべて端部がやや暗くなるなど、反射強度が一定でない場合には、幅方向の位置で異なる値になるように設定してもよい。

図９は、本発明を金属帯の連続処理ライン（表面処理ラインなど）に適用した際の装置構成例を示す図である。図中、１１は入側払出リール、１２は入側溶接機、１３はプロセスライン、１４は出側巻取リール、１５は上位計算機、１６はエンコーダ、１７は溶接線トラッキング装置、１８は自己診断装置、１９は表示装置、および２５は表面検査装置をそれぞれ表す。

入側払出リール１１より払い出された金属帯４は、プロセスライン１３にて例えば合金化などの処理が施され、出側巻取リール１４に巻き取られる。そして、プロセスライン１３と出側巻取リール１４の間には、搬送距離検出用のエンコーダ１６と、光源１、一次元カメラ（正反射位置）２および一次元カメラ（拡散反射位置）３（図１（ａ）参照）よりなる表面検査装置２５が設置されている。

この連続製造ラインのライン入側に設置された入側溶接機１２により、前述の図６に示したような先行コイル尾端と後行コイルを接続するために溶接される溶接線は、金属帯の幅方向には例えば１２００ｍｍで、搬送方向に２０ｍｍの大きさを有している。この溶接線を、表面検査装置２５では幅方向に４台のラインセンサカメラで検査している。

入り側に設置された入側溶接機１２で溶接されるタイミングでは、金属帯４の搬送は停止され、入側溶接作業が完了したタイミングで溶接完了信号が、ラインを管理する上位計算機１５または入側溶接機１２から溶接線トラッキング装置１７に出力される。溶接線トラッキング装置１７では、このタイミングで、溶接線の検査のために、入り側溶接位置における距離をリセット、すなわち入り側溶接機位置における溶接線の位置を０ｍとする。

入側溶接作業の完了後、金属帯４の搬送が開始されると、エンコーダ１６からの搬送距離信号により金属帯の搬送距離をカウントし、出側の表面検査装置２５に到達するまでライン上の搬送位置をトラッキングする。表面検査装置２５の設置位置と入側溶接機１２の設置位置の距離間隔は予め測定しておき、エンコーダ１６でカウントした搬送距離と、予め測定した表面検査装置２５と入側溶接機１２までの距離間隔とを比較することによって、溶接線が表面検査装置２５の位置に到達するかどうかを判定する。

自己診断装置１８では、溶接線トラッキング装置１７からの溶接線到達信号を受けて、溶接線を含む前後の画像を抽出して、抽出した画像と上位計算機１５から入力される金属帯諸元情報に基づいて表面検査装置２５の光学配置の正常・異常の判断を行なう。そして、自己診断装置１８での判断結果は、表示装置１９に表示される。また、上位計算機１５に出力するようにしてもよい。

ラインセンサカメラは、金属帯の全幅を検査するために例えば４台配置されて、幅方向視野を４つに分割している。溶接線を観察した判定の例を図１０に示す。各カメラが溶接線での反射光強度が異常判定閾値を超えた領域範囲（幅）は（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ４）となり、実際の溶接線に相当する幅（Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４）より小さくなっている。これは、カメラ３において、反射光強度がしきい値を超えない範囲Ｌ３が存在するからである。例えば、上位計算機１５から入力される金属帯諸元情報の中の、金属帯幅に基づいて、異常判定閾値を超える領域の幅閾値を、金属帯幅−β（所定値）、と設定し、それ以上の値であれば正常、それ以下であれば異常と判定する。

また、図１１は、溶接線を観察した判定の例（反射光強度分布に傾きがある）を示す図である。このような傾き（反射光強度分布の幅方向の変化率）異常の場合には、各カメラが溶接線での反射光強度が異常判定閾値を超えた幅がＬ１＋Ｌ２＋（Ｌ３−Ｌ３’）＋Ｌ４となり、溶接線の幅Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４より小さくなっている。これは、カメラ３において、反射光強度がしきい値を超えない範囲Ｌ３’が存在するからである。

さらに、カメラ３は、反射光強度分布に傾斜があるため、この傾斜に基づいて光軸の異常を判定するようにしてもよい。図１２は、傾斜に基づく光軸異常の判定を説明する図である。図１２に示すように、反射光強度分布の傾斜角度Θ（変化率）を、以下の（１）式から算出する。
ｔａｎΘ＝ｈ／ｄ ・・・・・・・（１）
ただし、
ｈ：「輝度分布端部における反射強度と異常判定閾値との強度差」
ｄ：「ｈを算出する際の使用した反射光強度分布の端部とカメラ視野中心との画素差（幅方向距離間隔）」
このΘの値が、予め設定した許容範囲となっていない場合には、異常と判断する。

そして、上述した自己診断装置１８での判断結果は、表示装置１９で製造現場で操業を行っているオペレータが判断する。この結果により、オペレータは、当該金属帯については検査が正常にできていないので、別の表面検査が可能なライン（例えば、リコイル・ライン、検査ラインなど）に搬送するように、以降の通過工程を変更するための指示を出す。また、自己診断装置１８での判断結果に基づき、アラーム（警告）の出力や、その結果を上位計算機１５に出力するようにしてもよい。

そして、そのラインに設置された表面検査装置または目視検査により再度検査をおこなう。また、異常なカメラについては、光軸を正常とするように、流れ方向位置角度と、幅方向平行角度の調整をおこなう指示も出す。

リニアセンサカメラ式表面検査装置の概要を示す図である。 金属帯間の溶接部と近傍に設けた開口穴を示す図である。 開口穴からの反射光強度を模式的に示した図である。 複数カメラ（幅方向）視野と開口部の位置付けの関係を説明する図である。 光軸がずれたリニアセンサカメラの場合を模式的に示す図である。 溶接で接続した金属帯を模式的に表した図である。 金属体での反射光強度分布の違いを模式的に示す図である。 光軸のずれたリニアセンサカメラで受光する反射光強度と正常な反射光強度を示す図である。 本発明を金属帯の連続処理ライン（表面処理ラインなど）に適用した際の装置構成例を示す図である。 溶接線を観察した判定の例を示す図である。 溶接線を観察した判定の例（反射光強度分布に傾きがある）を示す図である。 傾斜に基づく光軸異常の判定を説明する図である。

符号の説明

１ 光源
２ 一次元カメラ（正反射位置）
２ａ、２ｂ 一次元カメラ（正反射位置）幅方向
３ 一次元カメラ（拡散反射位置）
４ 金属帯
４’ 照射光帯
５ 溶接された部位（溶接部）
６ 開口穴
７ 後行コイル
８ 先行コイル
１１ 入側払出リール
１２ 入側溶接機
１３ プロセスライン
１４ 出側巻取リール
１５ 上位計算機
１６ エンコーダ
１７ 溶接線トラッキング装置
１８ 自己診断装置
１９ 表示装置
２５ 表面検査装置

Claims (5)

1. 複数の金属帯を溶接で接続されてなる被検体の表面を光学的に検査する表面検査装置において、
   前記被検体の溶接部の反射光を受光し、前記溶接部の反射光強度分布に基づいて前記表面検査装置の光源および／または受光装置の光学配置が正常であるか否かを判断する自己診断装置と、
   を備えることを特徴とする表面検査装置。
2. 請求項１に記載の表面検査装置において、
   前記自己診断装置は、前記反射光強度分布において、反射光強度が所定の強度範囲となる領域の大小に基づいて前記表面検査装置の光学配置が正常であるか否かを判断することを特徴とする表面検査装置。
3. 請求項１に記載の表面検査装置において、
   前記自己診断装置は、前記反射光強度分布の傾きである反射光強度変化率を算出し、算出した反射光強度変化率が所定の範囲でない場合に異常と判断することを特徴とする表面検査装置。
4. 請求項３に記載の表面検査装置において、
   前記反射光強度変化率は、前記反射光強度分布の端部における反射光強度と、受光装置の視野中心と端部との距離に基づいて算出されることを特徴とする表面検査装置。
5. 複数の金属帯を溶接で接続されてなる被検体の表面を光学的に検査する表面検査方法において、
   前記被検体の溶接部の反射光を受光し、前記溶接部の反射光強度分布に基づいて光源および／または受光装置の光学配置が正常であるか否かを判断する自己診断を行うことを特徴とする表面検査方法。