JP2007256162A - バルブシート隙間計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】削り残し部及び微細なバリを含むバルブシート付近を検査対象として、隙間を精度よく計測することができる技術を提供することを課題とする。
【解決手段】ＳＴ０１で、隙間が１０μｍでありサンプルを準備する。ＳＴ０２でサンプルを撮影することで、カラー画像を取得する。ＳＴ０３でカラー画像を、色相：１００番〜２００番、彩度：１０番〜５０番、明度：３０番以下の条件で２値化処理する。すなわち、３つの条件を満足した画素には「白」を与え、それ以外は「地の色」のままとする。ＳＴ０４で、白点の総画素数を求め、取得する。ＳＴ０５：隙間１０μｍに対応する白点総画素数を決定する。
【効果】色相を評価することで材質がほぼ認識でき、彩度を評価することで隙間と他の部分との差別化を図り、明度を評価することで濃淡による２値化の精度を高める。
【選択図】図６

Description

本発明は、シリンダヘッドにバルブシートを圧入した後に、バルブシートと座との間に発生する隙間を計測するバルブシート隙間計測装置に関する。

エンジンのシリンダヘッドには吸排気ポートが設けられる。これらの吸排気ポートは、吸気弁や排気弁で開閉される。吸気弁や排気弁が直接接触する部材をバルブシート（弁座）と呼ぶが、これらのバルブシートは耐久性を付与する必要がある。例えば、アルミニウム合金鋳物製のシリンダヘッドに鋼製のバルブシートを圧入した構造が採用される。

すなわち、シリンダヘッド側に座を切削形成し、この座にバルブシートを圧入する。圧入が不十分であると、バルブシートと座との間に隙間が発生する。この隙間は無いことが望ましいが、加工のばらつきがあるため、ある程度（例えば１０μｍ）までは許容される。

圧入が終了したら、バルブシートと座との間に発生する隙間を計測し、隙間が許容隙間以内であることを確認することが重要となる。
隙間の確認を自動的に実施できれば、確認作業の時間短縮が図れて好ましい。そこで、従来は三角錐プリズムミラー及びカメラを用いた検査装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平７−２８６８２４号公報（図１、図１４）

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図９は従来の技術の基本原理を説明する図であり、（ａ）に示すように、従来の技術は、三角錐プリズムミラー１０１と、細長い形状の検査部を撮像する撮像手段１０２と、この撮像手段１０２により撮像された濃淡画像を２値化処理する２値化処理手段１０３と、２値化画像を等価楕円に置換する置換手段１０４と、得られた等価楕円の短軸長さを算出する算出手段１０５とを備えている。

そして、シリンダヘッド１０７に設けた座１０８に、バルブシート１０９を圧入した後、座１０８とバルブシート１０９との間の隙間１１１に、三角錐プリズムミラー１０１を臨ませて、撮像し、２値化処理して、（ｂ）に示すような横長図形Ｄを得る。この横長図形Ｄを等価楕円化処理することで、等価楕円Ｅが得られ、この等価楕円Ｅの短軸長さが隙間相当値とする。この短軸長さが、許容隙間値以下であれば合格、許容隙間値を超えていれば不合格の判定を行うことができる。

本発明者らが、特許文献１の技術を試したところ次の問題が発生した。
横長図形Ｄの大きさが、安定しない。この結果、求めた短軸長さが隙間１１１の大きさと、大きく異なった。そのため、検査の信頼性が低くなった。

図１０は従来の技術の問題点を説明する図であり、（ａ）は基本断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ部拡大図、（ｃ）は（ｂ）のｃ部拡大図、（ｄ）は加工前の断面図である。

（ａ）に示す隙間１１１の付近を拡大したところ、（ｂ）に示すように鋳肌の削り残し部１１２・・・（・・・は複数を示す。以下同じ）が存在していた。削り残し部１１２を拡大すると（ｃ）に示すように微細なバリ１１３が残っていた。この理由は（ｄ）に示すように鋳肌１１４を、切削線１１５に沿って切削したことによる。

材料の歩留まりを優先すると、削り残し部１１２・・・は残さざるを得ない。また、微細なバリ１１３を、完全に除去するには工数が嵩むため、実施が難しい。

（ｃ）であれば、光が削り残し部１１２・・・で乱反射して、輝部と影部とが発生し、バリ１１３は影部を発生し、影部が隙間１１１に類似した暗部となる。この結果、横長図形の大きさが不安定となると考えられる。

本発明は、削り残し部及び微細なバリを含むバルブシート付近を検査対象として、隙間を精度よく計測することができる技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、エンジンの吸排気ポートに、各々座を形成し、これらの座にバルブシートを圧入した後に、前記バルブシートと前記座との間に発生する隙間を計測するバルブシート隙間計測装置であって、
このバルブシート圧入検査装置は、筒体と、この筒体の一端に設けられ照射軸が前記筒体の軸に直交している白色発光ダイオードと、筒体の一端に設けられ光軸を４５°曲げるミラーと、前記筒体の基部に設けられたＣＣＤカメラと、このＣＣＤカメラで取得したカラー画像情報を２値化処理するカラー画像処理部とからなり、このカラー画像処理部では、色相と彩度と明度の三要素で各画素の色を評価して２値化処理を行わせることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、色相は、赤、橙、黄、黄緑、緑、青緑、青、青紫、紫、赤紫の１０色に中間色を加えて２５６通りの色相を決め、赤を１番、赤紫を２５６番としたときに、１００番〜２００番の範囲を色相評価範囲とし、彩度は、最も地味な鮮やかさを１番、最も派手な鮮やかさを２５６番としたときに、１０番〜５０番の範囲を彩度評価範囲とし、明度は、黒が１番で白が２５６番としたときに、３０番以下を明度評価範囲とし、カラー画像処理部では、前記色相評価範囲と彩度評価範囲と明度評価範囲との三条件を満たす色に０を付与し、それ以外の色に１を付与するところの２値化処理を行わせることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、筒体と白色発光ダイオードとミラーとＣＣＤカメラは、ロボットアームに装着することを特徴とする。

請求項１に係る発明では、照射軸を撮像対象面に直交させる。この結果、削り残し部に暗部が発生しにくくなり、微細なバリによる暗部も発生しにくくなる。
加えて、照明は白色発光ダイオードを採用した。詳細な比較データは後述するが、赤、青又は緑色発光ダイオードに比較してノイズとしての暗部の発生率が低かった。

そして、色相を評価することで材質がほぼ認識でき、彩度を評価することで隙間と他の部分との差別化を図り、明度を評価することで濃淡による２値化の精度を高める。
以上の結果、削り残し部や微細なバリを含むバルブシート付近を検査対象とした場合であっても、隙間を精度よく計測することができる技術を提供することができる。

請求項２に係る発明では、色相は、赤を１番、赤紫を２５６番としたときに、１００番〜２００番の範囲を色相評価範囲とした。白色発光ダイオードで検査対象面を照らすと、鉄やアルミニウムであれば青色の画像が得られる。１５０番が青色にほぼ合致し、青色を中央にして、青緑、青、青紫の画像に絞ることで、他の材質を排除することができる。

また、隙間の彩度は、５０番以下のくすんだ色であった。そこで、１０番〜５０番の範囲を彩度評価範囲とすることで、隙間を特定できるようにした。
彩度を１０番〜５０番に制限した上で、明度を調べると隙間の明度は３０番以下であった。

色相評価範囲を１００番〜２００番、彩度評価範囲を１０番〜５０番、明度評価範囲を３０番以下とする、三条件を満たす色に０を付与し、それ以外の色に１を付与するところの２値化処理を行わせることで、シリンダヘッドに圧入したバルブシートに係る隙間をより高い精度で計測することができる。

請求項３に係る発明では、筒体と白色発光ダイオードとミラーとＣＣＤカメラは、ロボットアームに装着することを特徴とし、筒体などを人手で吸排気ポートに挿入する必要がないため、計測作業の自動化及び迅速化を容易に達成することができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係るバルブシート隙間計測装置とシリンダヘッドとの関係を示す図であり、エンジンのシリンダヘッド１１は動弁室１２が下になるように、天地逆の状態にして、吸気ポート１３及び排気ポート１４にバルブシート隙間計測装置２０の要部を挿入して隙間の計測を行う。
なお、吸気ポート１３にはシリンダヘッド１１側を切削して座１５を設け、この座にバルブシート１６が圧入されている。排気ポート１４も同様である。

図２は本発明に係るバルブシート隙間計測装置の構造図であり、バルブシート隙間計測装置２０は、筒体２１と、この筒体２１の一端（図では下端）に設けられた略三角形断面のミラー収納室２２と、このミラー収納室２２の周囲に設けられ照射軸２３が筒体の軸２４に直交している白色発光ダイオード２５と、ミラー収納室２２に設けられ光軸２６を４５°曲げるミラー２７と、筒体２１の基部（図では上端）に設けられたＣＣＤカメラ２８と、このＣＣＤカメラ２８で取得したカラー画像情報を２値化処理するカラー画像処理部２９とからなる。

図３は図２の３−３矢視図であり、ミラー収納室２２の外周に複数の白色発光ダイオード２５・・・が、白色光を図面手前に照射するように取付けられている。
ＬＥＤと略記される発光ダイオードは、直進性に優れた光を発射する電子部品であり、赤色、青色、緑色、白色の各種発光ダイオードが、実用に供されている。

以上の４色の発光ダイオードを実験で比較したので、その結果を次に説明する。
図４は照射光の比較実験の方法を説明する図であり、赤色、青色、緑色又は白色の発光ダイオードで照射しながら、（ａ）に示すように、隙間３１をほぼ中央にしてバルブシート１６とシリンダヘッド１１の一部を撮影することで、一定の大きさの撮像画３３を得る。この撮像画３３の画素数は７２万画素である。

撮像画３３は拡大すると（ｂ）に示すように全体はほぼ地色部分３４であり、この地色部分３４の中央に白帯３５が現れ、この白帯３５の上方（シートリングの範囲）に僅かな白点３６、３６が現れ、白帯３５の下方（シリンダヘッドの範囲）に無数の白点３７・・・が現れた。そこで、白帯３５、白点３６、３６、３７・・・の画素数を集計した。この集計値を白点総画素数と呼ぶ。

次ぎに、（ｃ）に示すように、隙間の範囲とシートリングの範囲とシリンダヘッドの範囲に区分して分割画４１、４２、４３とする。
上の分割画４１及び下の分割画４３は隙間以外の部位を表しているため、白点３６、３６、３７・・・は隙間でないものを誤って検出したことを意味する。そこで、上の分割画４１に存在する白点３６、３６と、下の分割画４３に存在する白点３７・・・の画素数を集計する。この集計値を誤検出画素数と呼ぶ。

次表は、赤色、青色、緑色、白色発光ダイオードを用い、他の条件は共通にして、白点総画素数及び誤検出画素数を調べた結果を示す。

実験番号１は、赤色発光ダイオードを使用した。全体の画素数は７２万であり、その中に白点総画素数は７万が存在した。このうち、誤検出画素数は５．３万であった。（５．３／７）×１００＝７６の計算により、誤検出率は７６％であった。

同様にして、実験番号２（青色発光ダイオードを使用した場合）は、誤検出率が４４％、実験番号３（緑色発光ダイオードを使用した場合）は、誤検出率が２６％であった。

鋳肌の削り残し及び微細なバリ（参照）の悪影響が、赤色は顕著に現れたと思われる。青色及び緑色は若干改善できたものの、削り残し及び微細なバリの悪影響が残っていると考えられる。

実験番号４は、白色発光ダイオードを使用した。全体の画素数は７２万であり、その中に白点総画素数は１万が存在した。このうち、誤検出画素数は僅か４４であった。（４４／１００００）×１００＝０．４４の計算により、誤検出率は０．４％であった。白色発光ダイオードであれば、削り残し及び微細なバリの影響を十分に排除できることが確認できた。

次ぎに、白色発光ダイオードを使用して、カラー画像を得、このカラー画像を色相、彩度、明度の三要素について検討した。
バルブシートは鉄系材料で構成し、機械加工を施すことで、表面は鏡に近い平滑面となる。一方、シリンダヘッドはアルミニウム合金鋳物で構成し、吸排気ポートには機械加工を施すが、表面には削り残しや微細なバリが存在している。

以上のバルブシート及びシリンダヘッドを白色発光ダイオードで照射して、カラー画像を得たところ、画像の色相は「青」に近似していた。仮に、撮影対象が銅系材料であれば、「赤」に近似する。
鉄系材料と鉄系材料の組合せや、鉄系材料とアルミニウム系材料の組合せであれば「青」に近似する。そして、計測に際して機械加工の度合いや材料の組合せを確認することは好ましいことである。

色相は、赤、橙、黄、黄緑、緑、青緑、青、青紫、紫、赤紫の１０色に中間色を加えて２５６通りの色相を決め、赤を１番、赤紫を２５６番としたときに、青を中心として範囲である１００番〜２００番（青緑、青、青紫の範囲）を色相評価範囲とする。

次に、隙間の部分を観察したところ、青みを帯びた鈍い色であった。
彩度を、最も地味な鮮やかさを１番、最も派手な鮮やかさを２５６番としたときに、複数の実験を重ねた結果、青みを帯びた鈍い色は１０番〜５０番の範囲にあった。５０番を超えると、隙間以外の輝点（バルブシートやシリンダヘッド）を拾う危険性が増す。
そこで、彩度評価範囲を、１０番〜５０番の範囲とする。

以上の検討により、色相は１００番〜２００番、彩度は１０番〜５０番の条件を付すことにして、明度の検討を行った。
図５は明度と誤検出画素数の相関を調べたグラフであり、白色発光ダイオードを使用し、色相は１００番〜２００番、彩度は１０番〜５０番に範囲設定したカラー画像に対して、明度を変化させて、誤検出画素の出現状況を調べた。

なお、明度は、黒が１番で白が２５６番とした。
すると、明度２７番以下では誤検出は認められなかった。一方、明度４０番以上では誤検出画素数が１０００を超えた。上述の表に示す実験４では白色総画素数が１万であったので、許容できる誤検出率を１％とすれば、１万×０．０１＝１００の計算により、１００程度の誤検出は許容できる。
グラフの縦軸１００は、明度３０番に相当する。

そこで、明度評価範囲は、３０番以下、望ましくは２７番以下、さらに望ましくは２５番以下にする。
これで、誤検出が除外でき、計測の信頼性を高めることができる。

次に、合否判定基準の作成法を説明する。
図６は本発明に係る合否判定基準の作成フロー図である。
ステップ番号（以下、ＳＴと略記する）０１では、隙間が５μｍ（図４（ａ）参照）、隙間が１０μｍ又は隙間が２０μｍであるように調整したサンプル（バルブリング及びシリンダヘッド）を準備する。
ＳＴ０２で各サンプルを撮影することで、カラー画像を取得する。

ＳＴ０３でカラー画像を、色相：１００番〜２００番、彩度：１０番〜５０番、明度：３０番以下の条件で２値化処理する。すなわち、３つの条件を満足した画素には「白」を与え、それ以外は「地の色」のままとする（図４（ｂ）参照）。

ＳＴ０４で、白点の総画素数を求め、取得する。
ＳＴ０５：隙間が５μｍの白点総画素数と、１０μｍの白点総画素数と、２０μｍの白点総画素数とを参照して、隙間１０μｍに対応する白点総画素数を決定する。この決定した白点総画素数が合否判定基準となり、決定した白点総画素数以下であれば合格、決定した白点総画素数を超えれば不合格と判定すればよい。
なお、隙間が５μｍの白点総画素数と、２０μｍの白点総画素数は、１０μｍの白点総画素数の確からしさを調べるための補助データであるから必須ではない。

図７は本発明に係るバルブシート隙間計測装置をラインに装置したときの構成図であり、コンベアーライン４５に分岐ライン４６を併設し、分岐ライン４６の近傍にロボット４７及びカラー画像処理部２９を設ける。ロボット４７のロボットアーム４８に複数の筒体２１・・・などを設ける。

そして、矢印のごとく移動するシリンダヘッド１１に筒体２１・・・の先端を挿入して隙間の計測を行う。そして、カラー画像処理部２９を監視する検査員が不合格と判断したら、不合格のシリンダヘッド１１を分岐ライン４６へ払い出す。カラー画像処理部２９で合否判定をさせることで、無人化することは差し支えない。

図８は図３の別実施例を説明する図である。図３ではミラー収納室２２は角筒形状にしたが、図８ではミラー収納室２２は円筒形状にした。円筒形状であれば、ミラー２７の中心点から等しい距離に全ての白色発光ダイオード２５・・・を配置することができ、むらのない綺麗な画像を得ることができる。

尚、請求項１においては、色相と彩度と明度の各評価範囲は、シリンダヘッドの材質、バルブシートの材質及び大きさを考慮して決定すればよく、請求項２に限定するものではない。

また、本発明はバルブシートと座の間の隙間を計測装置に好適であるが、隙間であれば種類に拘わらず計測することができる。したがって、バルブシート以外の金属部材と金属部材との間の隙間を計測する装置に、本発明を適用することは差し支えない。

本発明は、シリンダヘッドにバルブシートを圧入した後に、バルブシートと座との間に発生する隙間を計測するバルブシート隙間計測装置に好適である。

本発明に係るバルブシート隙間計測装置とシリンダヘッドとの関係を示す図である。 本発明に係るバルブシート隙間計測装置の構造図である。 図２の３−３矢視図である。 照射光の比較実験の方法を説明する図である。 明度と誤検出画素数の相関を調べたグラフである。 本発明に係る合否判定基準の作成フロー図である。 本発明に係るバルブシート隙間計測装置をラインに装置したときの構成図である。 図３の別実施例を説明する図である。 従来の技術の基本原理を説明する図である。 従来の技術の問題点を説明する図である。

符号の説明

１１…エンジンのシリンダヘッド、１３…吸気ポート、１４…排気ポート、１５…座、１６…バルブシート、２０…バルブシート隙間計測装置、２１…筒体、２３…照射軸、２４…筒体の軸、２５…白色発光ダイオード、２６…光軸、２７…ミラー、２８…ＣＣＤカメラ、２９…カラー画像処理部、３１…隙間、４８…ロボットアーム。

Claims (3)

1. エンジンの吸排気ポートに、各々座を形成し、これらの座にバルブシートを圧入した後に、前記バルブシートと前記座との間に発生する隙間を計測するバルブシート隙間計測装置であって、
   このバルブシート圧入検査装置は、筒体と、この筒体の一端に設けられ照射軸が前記筒体の軸に直交している白色発光ダイオードと、筒体の一端に設けられ光軸を４５°曲げるミラーと、前記筒体の基部に設けられたＣＣＤカメラと、このＣＣＤカメラで取得したカラー画像情報を２値化処理するカラー画像処理部とからなり、
   このカラー画像処理部では、色相と彩度と明度の三要素で各画素の色を評価して２値化処理を行わせることを特徴とするバルブシート隙間計測装置。
2. 前記色相は、赤、橙、黄、黄緑、緑、青緑、青、青紫、紫、赤紫の１０色に中間色を加えて２５６通りの色相を決め、赤を１番、赤紫を２５６番としたときに、１００番〜２００番の範囲を色相評価範囲とし、
   前記彩度は、最も地味な鮮やかさを１番、最も派手な鮮やかさを２５６番としたときに、１０番〜５０番の範囲を彩度評価範囲とし、
   前記明度は、黒が１番で白が２５６番としたときに、３０番以下を明度評価範囲とし、
   カラー画像処理部では、前記色相評価範囲と彩度評価範囲と明度評価範囲との三条件を満たす色に０を付与し、それ以外の色に１を付与するところの２値化処理を行わせることを特徴とする請求項１記載のバルブシート隙間計測装置。
3. 前記筒体と白色発光ダイオードとミラーとＣＣＤカメラは、ロボットアームに装着することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のバルブシート隙間計測装置。

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