크랭크샤프트 표면 결함 검사: 주저널 및 로드저널 전면 시각 검사 및 보어스코프 탐지

개요

크랭크샤프는 여러 개의 저널, 컨트롤 웨이트, 플랜지 영역, 키웨이 및 내부 구멍을 갖춘 복잡한 회전 부품이다. 따라서 신뢰할 수 있는 검사 시스템은 가시적 표면 결함뿐 아니라 일반 외부 카메라로는 효과적으로 검사하기 어려운 심부 또는 내부 영역까지 포괄해야 한다.

빅 버드 인더스트리얼의 크랭크샤프 비전 검사 솔루션은 여러 대의 영역 스캔 카메라, 맞춤형 보어스코프, 로봇 정위치 시스템, 딥러닝 기반 머신 비전 및 코드 추적 가능성을 결합한다. 이 시스템은 크랭크샤프 표면 결함 검사, 컨트롤 웨이트 경량화 구멍의 관통 여부 확인, 중심 구멍 내 이물질 탐지, 제품 식별 코드 판독을 위해 설계되었다.

해당 응용 사례에서 공표된 검사 사이클은 48초이며, 실제 택트 시간은 작업물 및 검사 요구 사항에 따라 조정 가능하다.

1. 왜 크랭크샤프 검사가 어려운가

크랭크샤프는 피스톤의 왕복 운동을 회전 출력으로 변환하는 핵심 파워트레인 부품이다. 그 형상은 고도로 3차원적이며, 메인 저널과 로드 저널이 샤프트를 따라 분포하고 크랭크 웹 및 컨트롤 웨이트로 연결된다.

크랭크샤프 설계에 따라 검사 범위는 다음을 포함할 수 있다.

• 메인 저널
• 로드 저널
• 장축 저널
• 플랜지 저널
• 플랜지 표면
• 키웨이
• 중앙 구멍
• 카운터웨이트 경량화 구멍
• 작은 단면

이러한 영역 대부분은 유사한 금속 표면을 가지지만, 발생 가능한 결함은 크게 달라질 수 있다. 일반적인 검사 대상은 다음과 같다:

• 충격 흔적
• 스크래치
• 자국
• 마모 자국
• 포함 사항
• 균열
• 검은 산화피막 또는 검은 피부 영역
• 자재 부족
• 유분 또는 수분 오염

크랭크샤프트는 여러 각도에서 검사해야 하는 회전 부품이기 때문에 검사 난이도가 높아진다. 기존 고정 카메라 방식의 검사 스테이션은 요구되는 모든 표면을 충분히 커버하지 못할 수 있다. 따라서 검사 시스템은 정밀하게 조율된 이동과 다각도 영상 촬영 기능을 갖춰야 한다.

카운터웨이트 경량화 구멍 측면 투과

특히 중요한 검사 항목 중 하나는 카운터웨이트 경량화 구멍의 측면 투과 여부이다.

라이트닝 홀은 크랭크샤프트의 균형을 조정하고 불필요한 질량을 줄이기 위해 가공된다. 만약 홀이 인접한 표면이나 벽을 관통하게 되면, 국부적인 구조적 무결성에 영향을 미치고 응력 집중 영역을 유발할 수 있다.

이 결함은 외부에서 보기만으로는 식별하기 어려울 수 있으므로, 맞춤형 보어스코프를 사용해 홀 내부에서 검사하는 것이 더 적합한 탐지 방법이 될 수 있다.

2. 검사 솔루션: 다중 카메라 비전 + 맞춤형 보어스코프

크랭크샤프트 검사 시스템은 외부 표면과 접근이 어려운 내부 영역 모두를 대상으로 여러 가지 영상 촬영 방식을 활용한다.

공개된 검사 범위는 다음과 같다:

QR 코드 무결성

시스템은 크랭크샤프트의 QR 코드가 완전하고 가독성이 있는지를 확인하여 제품 식별 및 후속 추적 가능성 확보를 위한 기반을 제공한다.

카운터웨이트 경량화 구멍 측면 투과

맞춤형 보어스코프를 사용해 라이트닝 홀의 내부 형상을 검사하고, 인접 영역으로의 비정상적인 관통 여부를 식별한다.

중앙 홀 이물질 탐지

크랭크샤프트 중심 구멍 내부 상태를 외부 카메라로는 확인할 수 없는 이물질 또는 오염 여부를 점검할 수 있다.

소형 단면 결함 점검

긴 저널의 소형 단면을 다음 항목에 대해 점검할 수 있다.

• 충격 흔적
• 스크래치
• 자국
• 마모
• 포함 사항
• 균열
• 검은 산화피막
• 자재 부족
• 유류 및 수분 오염

플랜지 점검

플랜지 영역도 시각 점검 프로그램에 포함시켜 지정된 표면 결함을 식별할 수 있다.

저널 및 키웨이 점검

이 시스템은 다음 부위의 표면을 점검할 수 있다.

• 메인 저널
• 로드 저널
• 장축 저널
• 플랜지 저널
• 키웨이

이 다중 영역 접근 방식을 통해 점검 프로그램을 실제 크랭크샤프트 기하학적 형상과 고객이 정의한 허용 기준에 따라 구성할 수 있다.

3. 카메라 및 하드웨어 구성

참조 시스템은 고해상도 영역 스캔 카메라와 맞춤형 보레스코프의 조합을 사용한다.

이미징 시스템

• 5MP 영역 스캔 카메라: 2대
• 20MP 영역 스캔 카메라: 12대
• 맞춤형 보레스코프: 3세트
• 광범위 조명 장치: 1세트
• 바 라이트: 2세트

외부 카메라는 가시 범위 내 크랭크샤프 표면을 고해상도로 촬영하며, 보레스코프는 중심 구멍 및 경량화 구멍과 같은 영역까지 검사 기능을 확장한다.

비전 및 제어

이 시스템은 다음을 통합합니다:

• QR/코드 인식
• 머신 비전 검사
• 딥러닝 알고리즘
• 검사 추적성
• 검사 데이터 분석
• 사용자 정의 검사 영역
• 원격 검사 화면 조회

제어 시스템은 공표된 장비 구성에 따라 애드밴텍(AAEON)의 산업용 PC 두 대를 사용한다.

로봇 위치 조정

협동 로봇 구성에는 다음 브랜드를 사용할 수 있다.

• Elite Robots
• SIASUN
• Han's Robot
• JAKA

로봇이 프로그래밍된 검사 경로에 따라 영상 촬영 시스템을 이동시키거나 검사 위치를 조정함.

4. 기술 사양

다음 사양은 참조된 검사 시스템에 대한 공개된 제품 정보를 기준으로 함.

48초 사이클은 공개된 응용 사례 값일 뿐, 보편적인 사이클 타임 보장치가 아닙니다. 실제 사이클 타임은 크랭크샤프 기하학적 구조, 검사 포인트 수, 카메라 구성, 로봇 경로 및 요구되는 검사 기준에 따라 계산해야 합니다.

5. 크랭크샤프 비전 검사 시스템 선정 시 고려 사항

5.1 위치별 검사 항목 정의

크랭크샤프에는 여러 검사 영역이 포함되어 있으며, 각 영역마다 결함 기준이 다를 수 있습니다.

설비 설계 전에 검사 사양서는 다음 사항을 명확히 정의해야 합니다:

• 검사해야 하는 표면은 무엇인가
• 탐지해야 하는 결함 유형은 무엇인가
• 허용 가능한 조건과 허용되지 않는 조건
• 필요한 영상 해상도
• 추적 가능성(tracability)이 필요한가

이는 시운전 중 반복적인 알고리즘 조정을 줄여준다.

5.2 심공(Deep-Hole) 접근성 평가

중심 구멍 이물질 검사 및 경량화 구멍 측면 투과 검사의 경우, 핵심 질문은 단순히 카메라 해상도가 아니다.

해당 프로젝트는 다음 사항을 평가해야 한다.

• 구멍 지름
• 구멍 깊이
• 내부 형상
• 내시경(borescope) 접근성
• 필요한 시야 각도
• 조명 조건

검사 영역을 외부 카메라로 직접 관찰할 수 없는 경우, 맞춤형 보어스코프 구성이 필요할 수 있음.

5.3 코드 판독을 별도의 성능 지표로 간주

QR 코드 검사는 제품 추적 가능성과 직접 연결됨.

따라서 코드 판독은 결함 탐지와 독립적으로 검증되어야 하며, 다음을 포함함.

• 판독 성공률
• 코드 위치
• 표면 상태
• 대비
• 마킹 품질
• 코드 데이터와 검사 결과 간의 관계

5.4 48초 타크 검증

하나의 사이클 내에서 여러 영역을 점검하려면 병렬 이미지 획득과 최적화된 로봇 이동이 필요하다.

시스템 통합 시 사이클 타임 산정에는 다음 항목을 포함해야 한다.

1. 공작물 적재
2. 위치
3. 로봇 이동
4. 이미지 획득
5. 알고리즘 처리
6. 코드 읽기
7. 결과 출력
8. 공작물 언로딩

따라서 공개된 48초 사이클은 모든 크랭크샤프트에 적용 가능한 고정값이 아니라, 특정 응용 사례에 대한 기준치로 간주해야 한다.

6. 다중 크랭크샤프트 결함 유형을 위한 딥러닝 기반 비전

크랭크샤프트 점검에는 시각적 특성이 현저히 다른 여러 결함 범주가 포함된다. 단일 전통적 규칙 기반 영상 처리 방법으로는 모든 점검 항목을 충분히 다루기 어려울 수 있다.

참고 솔루션은 크랭크샤프트의 다양한 영역에 따라 정의된 점검 영역과 함께 딥러닝 기반 머신 비전을 사용한다.

실무 프로젝트에서는 훈련 및 검증 모두에 충분한 결함 샘플 확보가 중요하다.

이는 다음 결함과 같은 경우에 특히 중요합니다.

• 포함 사항
• 검은 산화피막
• 표면 스크래치
• 충격 흔적
• 마모
• 자재 부족

시료 준비는 일반적으로 머신 비전 프로젝트에서 가장 중요한 단계 중 하나입니다. 시스템은 신뢰할 수 있는 검사 기준을 설정하기 위해 양호한 제품(OK)과 다양한 유형의 불량(NG) 조건을 대표하는 사례를 모두 필요로 합니다.

7. 빅 버드 인더스트리얼의 머신 비전 검사 역량

하얼빈 빅 버드 인더스트리얼 유한공사(Big Bird Industrial)는 이전 이름인 하얼빈 시마다 빅 버드 인더스트리얼 유한공사에서 변경된 회사로, 자동차 및 정밀 제조 분야를 위한 정밀 산업 세정과 머신 비전 검사까지 아우르는 통합 솔루션을 제공합니다.

해당 업체의 머신 비전 사업은 다음과 같은 전문 검사 분야를 중심으로 구성되어 있습니다:

• 오리언트 시 — 치수 및 기하학적 검사
• 서피스 시 — 표면 결함 검사
• 어셈블리 시 — 조립 검사 및 포카요케
• 인너 시 — 내부 구멍 및 내벽 검사
• 페인트 시 — 페인트 표면 결함 검사
• 알고리즘 및 소프트웨어 플랫폼 — 비전 알고리즘 및 소프트웨어 시스템

크랭크샤프트 응용 분야의 경우, 서피스 씨(Surface See)는 외부 표면 결함 검사를 담당하고, 인너 씨(Inner See)는 내부 구멍 및 접근이 어려운 영역을 포함한 검사 요구 사항에 적용될 수 있다.

이 조합을 통해 동력 전달 부품의 기하학적 특성과 품질 요구 사항에 따라 서로 다른 검사 기술을 통합할 수 있다.

자주 묻는 질문

왜 카운터웨이트 경량화 구멍의 측면 관통을 탐지해야 하는가?

경량화 구멍은 크랭크샤프트의 균형 조정과 불필요한 질량 감소를 위해 사용된다. 가공 과정에서 인접 벽 또는 표면으로 구멍이 관통하게 되면 국부적인 구조에 영향을 줄 수 있으며, 해당 부위는 잠재적 응력 집중 위치가 될 수 있다.

결함이 구멍 외부에서 보이지 않을 수 있으므로, 보어스코프를 사용해 내부 영역을 검사할 수 있다.

단일 비전 알고리즘이 모든 유형의 크랭크샤프트 표면 결함을 탐지할 수 있는가?

반드시 그렇지는 않습니다.

크랭크샤프트 결함은 형태, 질감, 대비 및 위치 측면에서 상당히 다양할 수 있다. 딥러닝 알고리즘은 다양한 결함 유형 및 검사 영역에 맞게 설정될 수 있으나, 신뢰성 있는 성능은 대표적인 학습 및 검증 샘플에 크게 의존한다.

개재물 및 흑색 산화피막과 같은 결함은 특히 재료 및 표면 특성에 민감하므로, 샘플 수집이 프로젝트의 중요한 구성 요소가 된다.

정말로 48초 안에 이렇게 많은 검사 영역을 커버할 수 있을까?

참고 시스템은 여러 대의 카메라를 병렬로 운영하며, 각 카메라는 서로 다른 검사 영역을 담당한다. 로봇 정위 기능을 통해 이미징 시스템을 필요한 검사 위치로 이동시킬 수도 있다.

공개된 48초 사이클 타임은 참고 애플리케이션에 적용된다. 실제 택트 타임은 구체적인 크랭크샤프트 사양, 검사 범위, 로봇 경로 및 영상 처리 요구사항을 기반으로 산출해야 한다.

유분 또는 수분 오염이 표면 결함으로 오인될 수 있을까?

네, 그래요

기름과 물은 반사, 어두운 영역 또는 기타 시각적 패턴을 만들어 특정 표면 결함처럼 보일 수 있다. 따라서 이들은 참조된 시스템에서 구체적인 검사 대상으로 명시되어 있다.

이미지 알고리즘은 형태 및 위치와 같은 특성을 활용해 서로 다른 상태를 구분할 수 있다. 그러나 작업물에 과도한 양의 기름이나 물이 남아 있는 경우, 검사 전 상류 공정에서 블로우오프 또는 세정을 수행하면 시각적 간섭을 줄일 수 있다.

결론

크랭크샤프트 비전 검사는 단순히 고해상도 카메라를 설치하는 문제가 아니다. 크랭크샤프트의 복잡한 형상은 다각도 촬영, 로봇 정위, 맞춤형 보어스코프, 딥러닝 알고리즘 및 추적성 기능을 조합해야 한다.

외부 저널, 플랜지 표면 및 키웨이의 경우, 멀티카메라 비전이 광범위한 표면 커버리지를 제공한다. 중심 구멍 및 카운터웨이트 경량화 구멍의 경우, 보어스코프 검사가 일반 외부 카메라로는 직접 관찰할 수 없는 영역까지 기계 비전을 확장한다.

참조된 적용 사례에서 이 시스템은 48초의 공표된 검사 사이클을 제공하며, 최종 구성 및 타크는 특정 크랭크샤프 기하학적 구조와 검사 요구 사항에 따라 결정된다.