クランクシャフト表面欠陥検査：メインジャーナルおよびロッドジャーナルの全周視覚検査と内視鏡検査

概要

クランクシャフトは、複数のジャーナル、カウンターウェイト、フランジ部、キーウェイ、内部穴などを備えた複雑な回転部品です。信頼性の高い検査システムには、可視表面の欠陥に加え、従来の外部カメラでは十分に検査できない深部や内部領域もカバーする必要があります。

ビッグバード・インダストリアル社のクランクシャフト外観検査ソリューションは、複数台のエリアスキャンカメラ、カスタマイズされたボアスコープ、ロボットによる位置決め、ディープラーニングを活用した機械視覚、およびコードトレーサビリティを統合しています。このシステムは、クランクシャフト表面の欠陥検出、カウンターウェイトの軽量穴貫通確認、中心穴内部への異物混入検知、および製品識別コードの読み取りを目的として設計されています。

本アプリケーションにおいて、公表されている検査サイクルは48秒ですが、実際のタクトタイムは、対象ワークピースおよび検査要件に応じて設定可能です。

1．クランクシャフト検査が困難な理由

クランクシャフトは、ピストンの往復運動を回転運動に変換する動力伝達系の主要部品です。その形状は非常に三次元的で、主ジャーナルとロッドジャーナルが軸上に配置され、クランクウェブおよびカウンターウェイトによって接続されています。

クランクシャフトの設計に応じて、検査対象は以下の通りです：

• 主ジャーナル
• ロッドジャーナル
• 長尺ジャーナル
• フランジジャーナル
• フランジ面
• キー溝
• 中心穴
• カウンターウェイト軽量穴
• 小端面

これらの領域の多くは類似した金属表面を有していますが、発生し得る欠陥は大きく異なる場合があります。代表的な検査対象には以下のようなものがあります：

• 衝撃痕
• 傷、
• しみ
• 擦れ跡
• 含有物
• ひび割れ
• 黒皮（黒さび）部
• 材料不足
• 油や水による汚染

クランクシャフトは回転部品であり、複数の検査角度が必要となるため、検査の難易度が高まります。従来の固定式カメラステーションでは、すべての対象表面を十分にカバーできない可能性があります。そのため、検査システムには、協調動作と多角度からの画像取得機能が求められます。

カウンターウェイト軽量穴側面の貫通検査

特に重要な検査項目の一つが、カウンターウェイト軽量穴の側面貫通検査です。

クランクシャフトのバランス調整と不要な質量の低減のため、軽量穴が機械加工されています。穴が隣接する面や壁に貫通した場合、局所的な構造的健全性に影響を及ぼし、応力集中部となる可能性があります。

この欠陥は外観から判別しづらい場合があるため、カスタマイズされたボアスコープを用いて穴内部から検査を行うことで、より適切な検出が可能です。

2. 検査ソリューション：マルチカメラビジョン＋カスタマイズボアスコープ

クランクシャフト検査システムでは、外部表面だけでなく、アクセスが困難な内部領域に対しても複数の撮像手法を活用しています。

公表されている検査範囲には以下が含まれます：

QRコードの完全性

システムはクランクシャフトのQRコードが完全であり、読み取り可能かどうかを確認し、製品識別および後工程におけるトレーサビリティの基盤を提供します。

カウンターウェイト軽量穴側面の貫通検査

カスタマイズボアスコープを用いて、軽量穴の内部形状を検査し、隣接領域への異常な貫通を特定します。

中心穴内異物検出

クランクシャフトの中心穴内部の状態を、外部からのカメラでは確認できない異物や汚染の有無について検査できます。

小端面欠陥検査

長ジャーナルの小端面について、以下の検査が可能です：

• 衝撃痕
• 傷、
• しみ
• 耐摩耗性
• 含有物
• ひび割れ
• 黒皮（スケール）
• 材料不足
• 油・水による汚染

フランジ検査

フランジ部も視覚検査プログラムに含めることができ、指定された表面欠陥を特定します。

ジャーナルおよびキー溝検査

本システムでは、以下の部位の表面を検査できます：

• 主ジャーナル
• ロッドジャーナル
• 長尺ジャーナル
• フランジジャーナル
• キー溝

この多領域対応により、検査プログラムを実際のクランクシャフト形状および顧客が定義した受入基準に応じて柔軟に設定できます。

3．カメラおよびハードウェア構成

参照システムでは、高解像度のエリアスキャンカメラとカスタマイズされたボアスコープを組み合わせて使用しています。

画像システム

• 500万画素エリアスキャンカメラ：2台
• 2000万画素エリアスキャンカメラ：12台
• カスタマイズボアスコープ：3セット
• 大面積光源：1セット
• バー照明：2セット

外部カメラはクランクシャフトの可視表面を高解像度で撮影し、ボアスコープは中心穴や軽量穴など、通常の視認が困難な領域への検査機能を拡張します。

画像処理および制御

このシステムは以下の機能を統合しています：

• QRコード／バーコード読み取り
• 機械ビジョン検査
• ディープラーニングアルゴリズム
• 検査のトレーサビリティ
• 検査データ分析
• ユーザー定義検査領域
• 遠隔検査ビューイング

制御システムは、公表されている機器構成に従い、アドバンテック（AAEON）社製の産業用PCを2台使用しています。

ロボットによる位置決め

協働ロボットの構成には、以下のメーカーが利用可能です：

• エリート・ロボットズ
• シアスン
• ハンズ・ロボット
• JAKA

ロボットが、プログラムされた検査パスに従って、撮像システムを移動させるか、検査位置を調整します。

4. 技術仕様

以下の仕様は、参照されている検査システムについて公表されている製品情報に基づいています。

48秒というサイクルタイムは、公表されたアプリケーション値であり、普遍的なサイクルタイム保証ではありません。実際のサイクルタイムは、クランクシャフトの形状、検査ポイント数、カメラ構成、ロボットの動作パス、および要求される検査基準に応じて算出する必要があります。

5．クランクシャフト向けビジョン検査システム選定時の主な検討事項

5.1 検査項目を部位ごとに明確化

クランクシャフトには多数の検査領域があり、各領域ごとに異なる欠陥判定基準が適用される場合があります。

装置設計に先立ち、検査仕様書において以下の点を明確に定義する必要があります：

• 検査対象となる表面はどれか
• 検出対象となる欠陥の種類はどれか
• 許容される状態と許容されない状態
• 必要な画像解像度
• トレーサビリティの要否

これにより、立ち上げ時のアルゴリズム調整を繰り返す必要が減ります。

5.2 深穴へのアクセス性の評価

中心穴における異物検査および軽量穴の側面貫通検査において、鍵となる問いは単にカメラの解像度ではありません。

本プロジェクトでは以下の点を評価する必要があります：

• 穴の直径
• 穴の深さ
• 内部ジオメトリ
• 内視鏡によるアクセス可能性
• 必要な視野角
• 照明条件

検査対象領域を外部カメラで直接観察できない場合、カスタマイズされたボアスコープ構成が必要になることがあります。

5.3 バーコード／QRコードの読み取りを、独立した性能指標として扱う

QRコードの検査は、製品のトレーサビリティと直接関係しています。

このため、コードの読み取りは欠陥検出とは別に検証する必要があります。具体的には以下の項目を含みます：

• 読み取り成功確率
• コードの位置
• 表面状態
• コントラスト
• マーキング品質
• コードデータと検査結果との関係

5.4 48秒のタクトタイムを検証する

1回のサイクル内で多数の領域を検査するには、並列的な画像取得とロボット動作の最適化が必要です。

システム統合時にサイクルタイムを算出する際には、以下の要素を含める必要があります：

1. ワークの装着
2. 位置付け
3. ロボットの移動
4. 画像取得
5. アルゴリズム処理
6. コード読み取り
7. 結果出力
8. ワークピースの取り出し

公表されている48秒というサイクルタイムは、あくまで特定のアプリケーションにおける参考値であり、すべてのクランクシャフトに適用できる固定値ではありません。

6．複数のクランクシャフト欠陥タイプに対するディープラーニング型ビジョン

クランクシャフトの検査では、視覚的特徴が大きく異なる複数の欠陥カテゴリが対象となります。従来のルールベース画像処理手法単体では、すべての検査項目に対応しきれない場合があります。

本参考ソリューションでは、クランクシャフトの各部位に応じて定義された検査領域と、ディープラーニングを活用した機械ビジョンを組み合わせています。

実用的なプロジェクトにおいては、学習および検証の両方のために、十分な数の欠陥サンプルを確保することが重要です。

これは特に以下の欠陥に対して重要です：

• 含有物
• 黒皮（スケール）
• 表面の傷
• 衝撃痕
• 耐摩耗性
• 材料不足

サンプルの準備は、機械ビジョンプロジェクトにおいて最も重要な工程の一つです。信頼性の高い検査基準を確立するためには、良品（OK）および各種の不良（NG）状態を代表するサンプルが必要です。

7．ビッグバード・インダストリアル社の機械ビジョン検査能力

ハルビン・ビッグバード・インダストリアル有限公司（ビッグバード・インダストリアル社）は、旧ハルビン・シマダ・ビッグバード・インダストリアル有限公司であり、自動車および精密製造分野向けに、高精度産業洗浄と機械ビジョン検査を統合したソリューションを提供しています。

同社の機械ビジョン事業は、以下のような専門的な検査領域を中心に展開されています：

• オーリエント・シー — 寸法および幾何形状検査
• サーフェス・シー — 表面欠陥検査
• アセンブリ・シー — 組立検査およびポカヨケ
• インナー・シー — 内穴および内壁検査
• ペイント・シー — 塗装面の欠陥検査
• アルゴリズムおよびソフトウェア・プラットフォーム — 視覚認識アルゴリズムとソフトウェアシステム

クランクシャフト向けの検査では、Surface Seeが外周面の欠陥検出に、Inner Seeが内径穴やアクセスが困難な部位への検査要件にそれぞれ対応します。

この組み合わせにより、動力伝達系部品の形状および品質要求に応じて、異なる検査技術を統合することが可能です。

よくある質問

なぜカウンターウェイトの軽量穴側面貫通を検出する必要があるのでしょうか？

軽量穴はクランクシャフトのバランス調整および不要な質量低減のために設けられます。しかし、加工によって隣接する壁面や表面へ穴が貫通した場合、局所的な構造に影響が及び、応力集中の発生箇所となる可能性があります。

この欠陥は穴の外部からは目視できない場合があるため、ボアスコープを用いて内部を検査します。

一つの視覚認識アルゴリズムで、クランクシャフトのすべての種類の表面欠陥を検出できますか？

必ずしもそうとは限りません。

クランクシャフトの欠陥は、形状、質感、コントラスト、位置などにおいて大きく異なる場合があります。ディープラーニングアルゴリズムは、さまざまな欠陥カテゴリーや検査領域に応じて設定可能ですが、信頼性の高い性能を実現するには、代表的な学習用および検証用サンプルが不可欠です。

介在物や黒皮などの欠陥は、特に材質や表面状態に依存するため、サンプルの収集が本プロジェクトにおいて重要な工程となります。

本当に48秒でこれほど多くの検査エリアをカバーできるのでしょうか？

参照システムでは、複数のカメラを並列で運用し、それぞれ異なる検査領域を担当させています。また、ロボットによる位置決めにより、撮像システムを必要な検査位置へ移動させることも可能です。

公表されている48秒のサイクルタイムは、参照アプリケーションにおける値です。実際のタクトタイムは、対象となるクランクシャフトの仕様、検査範囲、ロボットの走行パス、および画像処理の要件に基づいて個別に算出する必要があります。

油や水の付着が、表面欠陥と誤判定される可能性はありますか？

はい。

油や水は、反射、暗部、または他の視覚的パターンを生じさせ、特定の表面欠陥に似た外観を呈することがあります。このため、当該検査システムでは、これらを明示的に検査対象としています。

画像アルゴリズムは、形状や位置といった特徴を用いて、異なる状態を区別できます。ただし、被検品に過剰な油分や水分が残留している場合、検査前の上流工程でブローオフや洗浄を行うことで、視覚的干渉を低減できます。

まとめ

クランクシャフトのビジョン検査は、高解像度カメラを単に設置するだけでは実現できません。クランクシャフトの複雑な形状に対応するには、多角度撮影、ロボットによる精密位置決め、カスタマイズされたボアスコープ、ディープラーニングアルゴリズム、およびトレーサビリティ機能を統合した検査システムが必要です。

外周ジャーナル、フランジ面、キー溝については、マルチカメラによるビジョン検査で広範囲の表面をカバーします。一方、中心穴やカウンターウェイトの軽量穴については、ボアスコープ検査により、通常の外部カメラでは直接観察できない領域へ機械視覚を拡張します。

対象アプリケーションにおいて、システムは48秒の公称検査サイクルを提供します。最終的な構成およびタクトは、具体的なクランクシャフトの形状および検査要件によって決定されます。