洗浄後のブロック表面検査：3つの工程で一括通過

概要

洗浄後、見た目にはきれいに見えるブロックでも、画像上では区別がつかない二つの理由で不良となることがあります。すなわち、もともと存在していた鋳造欠陥と、洗浄工程で除去できなかったチップです。これらの二者を明確に分離するためには、ライン終端ではなく、洗浄直後の段階で検査を行う必要があります。

この検査は、洗浄装置の改善にも貢献します。チップが特定の部位に一貫して発生している場合、その原因はノズルの位置、フィルターの状態、または治具との接触などにあり、それを製品が組立工程で不具合を起こす3週間後ではなく、同一シフト内に特定できるようになります。

ビッグバード・インダストリアル社（旧島田ビッグバード・インダストリアル社）は、2001年より自動車用パワートレイン部品の洗浄・バリ取りシステムを製造しています。本稿で述べるステーション配置は、ディーゼルエンジンブロックの生産ラインを基にしたもので、3つのステーションにまたがって広範囲の拡散照明を備えた高解像度カメラをロボットで搬送して検査を行います。

洗浄工程直後の位置が重要な理由

同一の欠陥でも、その発見場所によって示す情報は異なります。洗浄工程直後の位置で検出された場合こそ、原因と結果を明確に区別できる唯一のタイミングです。

推測を排した原因特定

ライン終端では、機械加工面に付着したチップが洗浄工程由来か、組立工程由来か、治具由来か、あるいは環境由来かを特定することができません。しかし、洗浄工程直後であれば、その原因は洗浄工程のみに限定されるため、調査は単なる確認作業で済みます。

洗浄工程が結果を得る

洗浄工程の判定は通常、サンプリングによる抽出検査で行います。この検査では、部品製造後数時間経ってから質量を測定した結果が報告されます。一方、検査ステーションでは、部品単位・検査位置単位で報告が行われ、これは異なる種類のフィードバックです。つまり、「どの面」に異常があるかを特定するものであり、「どれだけ」異常があるかを示すだけではありません。

2．3つの検査ステーションとそれぞれの検出対象

ブロック部品は、1つの視点からすべてを検査することはできません。関連する表面は複数の方向を向いており、特にチップ（切屑）がたまりやすいのは、視認性が最も低い表面であることが多いのです。

下面・周辺部・再確認用ステーション

ディーゼルエンジンブロック向けに採用されている配置では、下面、周辺部の各面、および曖昧な検出結果を人手で再確認するための「再確認用ステーション」の3か所をカバーしています。これら3か所は重複していません。下面は重力によってチップが自然に集まる場所であり、周辺部には他の部品と組み合わされる機械加工面があり、再確認用ステーションは、あらゆる曖昧な検出結果をAIモデルだけで判断すべきでないという考えに基づいて設けられています。

ロボット搭載カメラ vs 固定式カメラ

カメラを搭載したロボットは、1つのセンサーで複数の面を検査できますが、その分、動作時間とパスの精度が犠牲になります。一方、ステーション全体をカバーする固定式カメラは高速ですが、視野ごとに1台ずつ必要です。ブロックでは、視野数が多く、部品が一定の姿勢で供給されるため、ロボットによる検査方式が一般的です。

チップと欠陥は見た目が似ている

洗浄後の表面検査において、最も難しいのは、視覚的に非常に似通った2つの対象を区別することである。

なぜ区別が困難なのか

機械加工面に付着した金属チップは、エッジや影、背景とのコントラストを呈するが、これは傷やへこみの外観とまったく同じである。欠陥のみの画像で学習したモデルは、チップを誤って欠陥と分類してしまう。このような判断を行う検査工程では、わずか1週間で信頼性が損なわれるほどの偽陽性が発生する。

区別の方法

信頼性の高い区別基準は、統計的ではなく物理的なものである。チップは表面より上方に存在し、光源の方向に応じて影の向きが変化するが、へこみは凹部であり、その陰影は光源の方向に関係なく一定である。また、チップはエアーパフで動かすことができるが、欠陥は動かない。異なる方向から照明して2度撮影する、あるいは再撮影前にエアーパフを吹きかけるといった物理的な手法を用いることで、曖昧な分類を明確な物理的検査へと転換できる。

4．人間による検査ステーション

検査ステーションを設けることは、自動化の失敗を意味するものではありません。むしろ、自動化された各ステーションが、すべての不具合を確実に検出できるよう高い感度で設定されつつ、誰も判断できないような判断待ちの案件が蓄積することを防ぐために不可欠な仕組みです。

検査の目的

検査では、画像上で明確に分類できない事例に対応します。たとえば、傷か乾燥したクーラントの痕跡か判別がつかないマーク、あるいは気孔か欠けか見分けがつかない斑点などです。検査担当者は照明と拡大鏡を用いて一目で判断し、数秒で結論を出し、その場で意思決定を確定させます。

検査の信頼性を確保するには

懸念されるのは、時間的制約から検査ステーションで何でも「合格」と判断してしまう傾向です。そこで、検査担当者が下した判断を記録し、それをラボでの再検査結果とサンプリング比較することで、当該ステーション全体の「見逃し率」を客観的に測定・管理できるようにしています。

検査作業台では、対象の課題に応じた適切なツールも必要です。ルーペと低角度照明で傷を確認し、エアノズルで付着物が浮いているかどうかを判別し、ボアスコープでカメラでは観察できない内面を確認します。これらの3種類のツールを検査作業台に常備しておくことは、部品を洗浄機に戻して再検査させるよりもコストが低いのです。

5．濡れた部品への照明

洗浄直後の検査は、まだ湿っている可能性のある部品を対象に行うことを意味します。水があると表面の見え方が変わります。薄い水膜は浅い傷を埋め隠し、水滴は光沢点（ハイライト）を生じさせ、それが形状の特徴として誤認されることがあります。

実用的な対応策は、乾燥後に検査するか、あるいは濡れた状態のまま検査を実施し、その条件に合わせて照明を設計することです。具体的には、水滴の鏡面反射（スペキュラー反射）を生じさせない、広範囲かつ拡散性の高い光を用います。ただし、判定基準に「乾燥」が含まれる場合は、水の有無を評価するためには、必ず乾燥後の検査を行う必要があります。

6．検査結果を洗浄機へフィードバックする

検査ステーションが生成するデータは、それをもとに即座に行動を起こせる担当者に届いてこそ意味を持ちます。その有用な形とは「地図」です。どの面・どの位置で・どの頻度で・そしてその所見が「チップ（欠け）」か「欠陥」か――これらが明確に示されている必要があります。

ある面でチップの所見が集中している場合、それはノズルやフィルターの問題を示唆しています。一方、スクラッチ（傷）の所見が集中している場合は、部品の取り扱いや治具の問題が原因と考えられます。いずれも1シフト内で対応可能な課題ですが、単に「不合格となった部品数」だけを記載した報告書では、こうした重要な兆候はまったく見えません。

7．サイクルタイムとステーションの配置位置

洗浄後の検査は、生産ラインと部品を競合させることになります。そのため、検査ステーションは洗浄機が待たないよう、十分に速やかに部品を放出しなければなりません。

3つのステーションを直列配置

カメラを搭載したロボットが移動しながら、同一部位に対して3つの視点を順次撮影するため、この工程の所要時間は、ロボットの移動時間と画像処理時間の合計となる。この時間は、数分のうちの相当な割合を占める場合があり、そのため、洗浄装置出口直後のライン上ではなく、わずかなバッファが確保できる場所にこの検査工程を配置することが多い。

抜き取り検査と全数検査

すべての部品を検査するのは、工程所要時間がタクトタイム内に収まる場合に限られる。収まらない場合は、通常、リスクが最も高い表面については全数検査を行い、その他の部分については抜き取り検査を行うという折衷案が採られる。この折衷案は仕様書に明記すべきである。なぜなら、全数検査を前提として導入された検査工程を、実際には抜き取り検査で運用する場合、その根拠や妥当性が異なるからである。

検査位置は、そのステーションが何を保証できるかをも決定します。洗浄機直後の位置では、部品が「洗浄済み」という状態を保証できますが、ライン上で100メートル下流に設置すると、搬送・取扱い・待機後の部品の状態を保証することになり、これは異なる主張であり、保証力も弱くなります。ステーションを下流側に移動させることは、レイアウト図上では簡単ですが、それによって説明できなくなる事項が発生するため、実際には高コストです。同様の論理は、バッファや冷却工程の後ろにステーションを配置する場合にも適用されます。この場合、結露や取扱いによって既に表面状態が変化しています。

よくあるご質問

検査ステーションは、乾燥工程の前か後か、どちらに設置すべきでしょうか？

乾燥状態が受入基準の一部である場合は、乾燥後が適切です。なぜなら、表面に水が残っていると、表面状態も乾燥状態も正しく判定できないからです。一方、工程に乾燥に関する要求がない場合は、乾燥前に設置しても構いません。

どの程度小さな欠陥まで検出可能でしょうか？

高解像度カメラと拡散光を用いると、機械加工されたブロック表面に0.5ミリメートル程度の欠陥輪郭を検出できます。より微細な特徴を検出するには、視野を狭め、検査ステーションの数を増やす必要があります。

この検査ステーションは清掃度試験の代わりになりますか？

いいえ。表面検査は、部品の表面に見えるものを検出しますが、清掃度試験は、特定領域から抽出される異物（通路内部に残留する材料を含む）の量を測定します。両者は異なる問いに答えるものであり、どちらも必要です。

この検査ステーションはどのように検証されますか？

既知の欠陥および既知の切粉汚染を有する一連の部品を複数回繰り返し検査することで検証します。清浄な部品のみでテストしたステーションでは、検出率に関する何らかの実証がなされたことにはなりません。

まとめ

洗浄工程直後の検査により、遅延発生型の不良を同一シフト内でのアラートに変換できます。また、切粉と鋳造欠陥を明確に区別できる唯一のタイミングで両者を分離できます。3つの検査ステーションで表面全体をカバーし、画像では判断が難しい部分については、最終確認位置で人手による判定を行います。

そのステーションを建設する価値があるのは、出力が通過率ではなく、洗浄機への位置マップとして得られる場合だけです。不具合の件数だけでは、どのノズルを点検すべきかはわかりません。