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문제 정의
- 본 논문에서는 강구의 베어링용 외관검사를 목적으로 하는 기계시각 시스템을 설계 제작 하였다. 장치는 카메라가 바라보는 방향 아래에 레일을 설치하였고, 그 양쪽에 거울을 설치하여 레일 위를 지나가는 강구의 윗면뿐 아니라 양측면도 볼 수 있게 하였다.
제안 방법
- 강구의 전체 면을 검사하기 위하여 그림 2에서 보인 바와 같이 강구가 120° 굴러 갔을 때마다 트리거 신호를 입력 받아 영상을 획득하도록 시스템을 설계하였다.
- 실상과 허상이 하나의 카메라로 획득될 때, 최대한의 검사 영역을 확보하기 위해 서로 간섭을 일으키지 않는 최소의 실상과 허상 이격을 가지도록 해야 한다. 검사 중 강구의 규격을 FOV 선정에 이용하며, 최대강구의 크기는 20 mm, 허상의 크기는 18 mm, 여유를 가장자리로 2 mm라고 두었다. 설계사양에서 제시한 강구 표면의 불량을 검출하기 위한 최소 불량의 크기는 0.
- 기계시각을 사용하여 강구의 결함을 자동 검사하는 시스템의 효율적인 설계 방법이 제안되었다. 기구부는 광학적 조건을 고려하여 설계되었다. 레일 위를 굴러가는 강구를 120° 회전 간격으로 3번 관측하고, 양쪽 측면은 거울을 이용하여 관측하도록 하였다.
- 레일 위를 굴러가는 강구를 120° 회전 간격으로 3번 관측하고, 양쪽 측면은 거울을 이용하여 관측하도록 하였다.
- 또, Ng는 기계시각을 이용해 강구를 검사할 때 일어나는 반사광을 피하기 위해 돔형 조명의 사용을 제안하였다[6]. 링 모양의 조명을 사용한 후 획득된 영상에서 결함에 의한 링 모양의 왜곡을 검출하였다. 이러한 방식은 자동화된 시각 검사의 한 방법을 제공하고 있다.
- 본 논문의 시스템은 베어링용 강구를 자동으로 검사하기 위해 설계되었으며, 그림 1에서 보는 바와 같이 카메라, 조명, 거울, PC, 트리거(trigger) 발생기, 강구 이송을 위한 레일(rail) 등으로 구성되어 있다.
- 카메라는 기계시각 장치를 설계함에 있어 가장 핵심적인 요소이다. 우리는 시스템에 사용할 적절한 카메라를 결정하기 위해 관측영역(Field Of View; FOV), 해상도, 그리고 강구의 이동속도 등을 고려하였다.
- 산업용으로의 사용이 목표인 장치의 설계에 있어서 실제 사용자의 필요를 고려하는 것은 매우 중요하다. 우리는 현재 목시 검사를 하고 있는 베어링 강구 생산자와 협의하여 검출 가능한 결함의 최소크기를 0.1 mm, 전체 강구 표면의 70 % 이상을 검사할 수 있도록 하는 설계조건을 설정하였다.
- 트리거 장치에 의해 강구 영상은 항상 지정된 위치에서 획득되어지며, 획득된 영상과 기준 영상(reference image)과의 차 영상(difference image)을 통해 강구의 결함을 검출하였다.
대상 데이터
- 강구의 전체 면을 검사하기 위하여 120o씩 회전한 강구의 영상을 획득하였으며, 그림 2의 B, C 그리고 D의 위치에 카메라의 트리거를 위한 센서를 설치하기로한 것은 이미 설명한 바 있다. 그림 6은 설치된 Omron 사의 근접 센서인 E2E-CR8C1이다.
- 29 mm가 된다. 그래서 17.29 mm를 이동할 때마다 트리거 신호를 발생시켜 영상을 획득하였다.
- 완성된 시스템은 그림 9와 같다. 본 시스템의 구성은 1개의 CCD 카메라, 2개의 거울, 1개의 CCFL 조명, Shade 그리고, 3개의 근접 센서를 사용하였다. 알고리즘의 구현에는 Visual C++ 6.
- 특히 거울면 반사 특성을 가지는 강구에서는 더욱 그 중요성이 크다. 사용된 시스템의 조명은 LIGHT HOUSE21 사의 PC-CANVAS로 CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp: 냉음극 형광등)을 이용한 발광장치이다.
- 근접센서의 출력은 트리거 발생기를 통해 카메라가 영상을 획득하는 시점을 결정한다. 트리거 발생기는 그림 7의 CD4023B를 사용하였다. CD4023B는 3-input CMOS NAND 게이트이다.
데이터처리
- 차 영상을 통해 결함 화소를 찾기 위한 임계치는 통계적 표준편차를 이용하였다. 표준편차는 식 (12)를 사용하여 화소 단위로 계산되어 졌다.
성능/효과
- 검출 가능한 최소 결함은 0.05 mm로 2.1절에 제시된 최소 결함의 크기 0.1 mm를 검출하기에 충분하다. 0.
- 이는 기존의 기법[6]이 고정된 강구의 한쪽 면에 대해서 측정거리를 달리하며 반복 측정하여야 하는 것과 비교하여, 관측면적과 속도 및 자동화 용이성 측면에서 현실적으로 유리하다. 설계 제작된 기구는 실험을 통하여 여러 종류의 결함을 검출할 수 있음을 입증해 보였다. 본 시스템의 실제 현장에서의 활용을 위한 시험 및 개선은 차후 과제로 남아 있다.
- 이상의 계산으로부터 카메라가 800×600 이상의 해상도를 가지면, 충분히 결함을 검출할 수 있음을 알 수 있다.
- 강구가 굴러갈 때마다 총 3장의 영상이 획득되어진다. 제안된 구조의 설계는 검사 대상 강구의 거의 모든 표면을 효과적으로 관측할 수 있게 한다.
- 획득된 전체 영상에서 이미 알고 있는 강구의 반지름으로부터 강구에 해당하는 영역만을 먼저 추출함으로써 처리시간을 절약하고, 비 관심 영역에서 발생할 수 있는 오류의 영향을 방지할 수 있다. 임의 화소가 관심 영역 내에 있는지의 판정은 식 (11)을 사용한다.
후속연구
- 설계 제작된 기구는 실험을 통하여 여러 종류의 결함을 검출할 수 있음을 입증해 보였다. 본 시스템의 실제 현장에서의 활용을 위한 시험 및 개선은 차후 과제로 남아 있다.
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