シリンダヘッド最終工程欠陥検査：シーリング面および底面のラインスキャン画像検査

概要

加工後のシリンダヘッドは、生産ラインを離れて倉庫保管または組立工程へと進む前に、最終的な品質検査を受ける必要があります。主な検査対象部位には、シリンダヘッドカバーのシーリング面、ボルト支持面、およびシリンダヘッドの底面が含まれます。

ビッグバード・インダストリアル社のシリンダヘッド最終工程検査ソリューションでは、8Kラインスキャンカメラとエリアスキャンカメラに加え、専用照明および協働ロボットによる精密な位置決めを組み合わせることで、重要な機械加工面全体にわたって、傷、盛り上がり、へこみ、亀裂、衝撃痕などの欠陥を検出します。

参照システムの公称検査サイクルは、1個あたり3.5分ですが、実際のサイクル時間はシリンダヘッドの設計および検査要件に応じて設定可能です。

1．シリンダヘッドの最終工程検査が密閉面に注力する理由

機械加工後の工程であり、シリンダヘッドが生産ラインを離れる直前の検査段階は、品質確保の最終チェックポイントとして極めて重要です。

本アプリケーションでは、以下の3つの領域が主な検査対象となります：

• シリンダヘッドカバーのシール面
• シリンダヘッドボルト支持面
• シリンダヘッド底面

これらの領域には共通の重要な特徴があります。すなわち、組立時にガスケット、カバーやエンジンブロックと正確に接触・嵌合しなければならない接触面、取付面、または密閉面であることです。

比較的小さな表面欠陥であっても、相手部品との接触状態に影響を及ぼす可能性があります。

盛り上がり欠陥には特に注意が必要です

さまざまな欠陥タイプのうち、バリ状の突起や局所的な材料の盛り上がりなどの凸状欠陥には特に注意が必要です。

へこみ（デント）が局所的な凹みを生じるのとは異なり、凸状欠陥は組立時に局所的な高さの増加を引き起こす可能性があります。ボルトを締め付ける際、これにより局所的な負荷分布が不均一になり、ガスケットの圧縮に影響を及ぼすおそれがあります。

このため、検査基準では、顧客の設計要件に基づき、凸状欠陥の許容される高さ・サイズ・位置を明確に定義する必要があります。

2. 検査ソリューション：8Kラインスキャンカメラ＋エリアスキャンカメラ

本参考事例のシリンダヘッド検査システムでは、異なる検査形状に対応するため、2種類の撮像方式を組み合わせています。

シリンダヘッドカバーのシール面

シール面では以下の項目を検査します：

• 傷、
• 凸状欠陥
• 穴
• ひび割れ
• 衝撃痕

シール領域は長く、比較的狭いため、専用のラインスキャン光源とともに8Kラインスキャンカメラを用いて検査します。

従来型の画像で全体を一度に撮影するのではなく、ラインスキャンカメラは、被写体とカメラが互いに相対移動しながら、表面を1ラインずつ取得します。

このため、ラインスキャン撮影は、長く連続した検査領域に特に適しています。

ボルト支持面

シリンダヘッドのボルト支持面は、以下の項目について検査されます。

• 表面の傷
• ひび割れ
• 衝撃痕

これらの領域は、エリアスキャン方式のビジョン構成を用いて検査されます。

シリンダヘッド底面

底面は、以下の項目について検査されます。

• 傷、
• ひび割れ
• 衝撃痕
• 指定されたシールバンド領域内の欠陥

検査範囲は、実際のシリンダヘッド形状および顧客が定義した品質基準に応じて設定できます。

3. ハードウェア構成

本システムは、高解像度のラインスキャン撮影と従来型のエリアスキャン撮影を組み合わせています。

画像システム

• 8Kラインスキャンカメラ：1台
• 1200万画素エリアスキャンカメラ：1台
• ラインスキャン用光源：1セット
• リングライト：1セット

8Kラインスキャンカメラは主に長いシール面の検査に使用し、1200万画素エリアスキャンカメラはその他の検査領域を担当します。

ロボットによる位置決め

協働ロボットは以下のメーカー製品から構成可能です：

• 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、撮像装置をさまざまな検査位置に配置します。

画像処理およびデータ機能

このシステムは以下の機能を統合しています：

• 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
• データ分析
• 遠隔監視

これにより、検査結果を個々の部品と関連付けて記録し、後続の品質分析に活用できます。

4. 技術仕様

以下の仕様は、対象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。

3.5分のサイクルタイムは、公表されているアプリケーション上の数値です。実際のタクトタイムは、ワークピースの形状、検査領域、ロボットの動作、画像取得および処理要件に応じて算出する必要があります。

5．シリンダヘッドのシール面検査にラインスキャンカメラを採用する理由は？

このソリューションの主な特長は、面撮影カメラに完全に依存するのではなく、8Kラインスキャンカメラを採用している点です。

シーリング面は通常、細長い検査領域です。面撮影カメラを用いる場合、システムは複数の領域をそれぞれ撮影し、得られた画像を合成する必要があります。

これにより、以下の追加要件が生じる可能性があります。

• カメラの位置決め
• 画像の合成
• 領域の重ね合わせ
• 照明の均一性
• 検査サイクル時間

一方、ラインスキャンカメラは、被写体が撮像システムに対して移動する際に、表面を連続的に1ラインずつ撮影します。

このような連続的な表面では、単にカメラの画素数が高いかどうかが重要なのではなく、撮像方式が検査領域の形状および動きに適合していることが重要です。

したがって、8Kラインスキャンカメラは、連続的かつ高解像度の画像取得が求められる長いシーリング面に対して、効率的なアプローチを提供します。

6．主要な選定検討事項

6.1 相対運動の安定化

ラインスキャン撮影は、カメラと被写体（ワークピース）の相対的な動きに敏感です。

システム設計段階では、以下の項目を評価する必要があります。

• コンベアまたは位置決め装置の速度安定性
• ロボットの動作安定性
• ワークピースの位置決め精度
• カメラとワークピースとの距離
• 動きと画像取得の同期

動きが不安定だと、画像のスケーリングや検査の一貫性に影響が出ます。

6.2 凸状および凹状欠陥の判定基準の定量化

『凸状欠陥』や『へこみ』といった用語は、工学的な受入基準としては不十分です。

検査仕様書には、以下のような計測可能な閾値を明記する必要があります：

• 欠陥の高さ
• 欠陥の深さ
• 欠陥の面積
• 欠陥の長さ
• 欠陥の位置

アルゴリズムの学習および検証用に、代表的な合格品（OK）および不合格品（NG）のサンプルもあらかじめ準備しておく必要があります。

6.3 密封バンドの検査領域を明確に定義すること

密封バンドは、極めて重要な検査対象領域です。

その境界は、ビジョンソフトウェア上で明確に定義する必要があります。これにより：

• 関連する欠陥を見逃すことがなくなります
• 非重要領域では、不要なアラームが発生しない
• エッジ部の特徴が欠陥として誤って分類されない

6.4 複数のシリンダーヘッドモデルに対応したロボット走行経路の計画

異なるシリンダーヘッドモデルが同一生産ラインを共有する場合、ロボットによる検査走行経路は各モデルに合わせて適応させる必要がある。

このため、プロジェクトでは以下の項目を評価すべきである：

• 型式識別
• プログラムの自動切替
• ロボット走行経路の切替時間
• カメラの位置決め
• 検査範囲の違い
• 今後の新規モデルへの拡張対応

7. 機械加工面検査のためのディープラーニング画像認識

機械加工されたシリンダーヘッドの表面には、形状・大きさ・外観的特徴が異なる欠陥が存在する場合があります。

本システムは、機械視覚とディープラーニングによる検査アルゴリズムを組み合わせており、対象部品に応じて検査領域や欠陥判定基準を柔軟に設定できます。

実際のプロジェクトにおいて、アルゴリズムの性能は、学習および検証用サンプルの質と量に大きく依存します。

サンプルライブラリには、以下の代表的な事例を含める必要があります：

• 傷、
• ひび割れ
• 穴
• 凸状欠陥
• 衝撃痕
• 通常の機械加工による特徴
• 欠陥として分類すべきでない表面のばらつき

特に密閉面では、許容される加工特徴と実際の欠陥との外観的特徴が類似していることが多いため、この点が極めて重要です。

8．ビッグバード・インダストリアル社の機械視覚検査能力

ハルビン・ビッグバード工業有限公司（ビッグバード工業）は、かつてハルビン・シマダ・ビッグバード工業有限公司と称していた企業で、自動車および高精度製造分野向けに、精密産業用洗浄と機械視覚の統合ソリューションを提供しています。

同社の機械視覚事業は、以下の6つの専門分野をカバーしています。

• 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＆ソフトウェア・プラットフォーム — 機械視覚用アルゴリズムおよびソフトウェア

加工済みシリンダヘッドに対しては、サーフェス・シーを顧客の欠陥判定基準および生産タクトに応じて、シール面、支持面その他の加工部位の検査に設定できます。

本装置は、コード読み取りおよびトレーサビリティ機能とも連携可能であり、検査結果を個々の部品と紐付けられます。

よくある質問

面積型カメラではなく、ラインスキャンカメラを用いる理由は何ですか？

シリンダヘッドのシール面は比較的長く連続した検査領域です。面積型カメラでは、この全体領域をカバーするために複数枚の画像撮影と画像のステッチングが必要になる場合があります。

ラインスキャンカメラは、被検物が移動する際にその表面を連続的に撮影するため、均一な画像品質と連続的なカバレッジが求められる長い帯状の表面に適しています。

なぜシール面において凸状の欠陥が特に重要なのですか？

凸状の欠陥は、対向する面の間に局所的な高点を生じさせます。組立時に、これによりガスケットの圧縮が不均一になったり、局所的な荷重が発生したりする可能性があります。

実際の許容閾値は、顧客の設計仕様に基づき決定し、代表的な良品／不良品サンプルを用いて検証する必要があります。

3.5分の検査サイクルは、機械加工ラインにとって遅すぎますか？

参照アプリケーションは、最終工程の検査プロセスとして位置付けられています。そのため、そのタクトタイムは、上流の各工程の加工サイクルと必ずしも一致する必要はありません。

より短いタクトタイムが求められる場合、以下の対応策が考えられます。

• 並列検査ステーション
• ロボットの動作経路の最適化
• 追加の撮像ユニット
• 検査時の移動量の削減
• 画像処理の並列化

最終的な構成は、全工程のサイクルタイム解析を通じて決定する必要があります。

検査画像はどのくらいの期間保存できますか？

本システムはトレーサビリティ、データ分析、および遠隔監視機能を備えています。実際の画像保存期間は、工場のストレージ容量および品質管理上の要件に応じて異なります。

量産用途では、技術契約書に以下の事項を明記する必要があります。

• 画像保存期間
• 収納形式
• データ量
• 画像検索方法
• 部品と画像のトレーサビリティ（一意対応）
• 非常用電源要件

まとめ

シリンダヘッドの最終工程検査は、単に加工面の外観が許容範囲内かどうかを確認するだけでは十分ではありません。

密閉面やその他の重要加工部位については、検査システムが安定した画像取得、適切な照明、正確な検査領域設定、および信頼性の高い欠陥分類機能を備えている必要があります。

本ソリューションでは、8Kラインスキャンカメラ、1200万画素エリアスキャンカメラ、専用照明、ロボットによる位置決めに加え、マシンビジョン、ディープラーニング、トレーサビリティ機能を統合しています。

長尺の密閉面には、連続的かつ高解像度な検査を実現するため、ラインスキャン方式の画像取得が実用的です。その他の表面や局所的な検査領域には、柔軟なカバレッジを提供するエリアスキャン方式の画像取得が適しています。

公表されている3.5分間の検査サイクルにより、このシステムは最終工程におけるシリンダーヘッドの品質検査を、作業対象物および生産要件に応じて設定可能な方式で実施します。最終的なタクトタイムおよび検査基準は、それぞれの部品および生産条件によって決定されます。