자동차 엔진 블록 2.5D 표면 검사

프로젝트 배경

자동차 파워트레인 제조에서 엔진 블록 표면의 품질은 매우 중요합니다. 이 표면의 미세한 스크래치, 찌그러짐 또는 불규칙성은 가스켓 밀봉 실패로 이어져 오일 누출이나 실린더 압력 손실을 초래할 수 있습니다. 주요 자동차 부품 제조업체는 자동 조립 라인에서 심각한 병목 현상에 직면했습니다. 정밀 CNC 가공을 거친 엔진 블록은 고반사 금속 표면을 띠고 있었습니다. 또한 생산 환경 특성상 이러한 표면은 종종 절삭유, 잔류 오일 및 복잡한 가공 질감으로 오염되어 자동 검사가 매우 어려웠습니다.

도전 과제

기존 이미징을 사용한 현장 테스트에서 세 가지 주요 문제점이 드러났습니다.

• 심각한 경면 반사: 가공된 금속 표면은 높은 반사 특성을 가지며, 일반적인 조명 환경에서는 국부적인 과노출(헤일레이션, Halation)로 인해 중요한 결함 디테일이 가려지는 문제가 발생합니다.

                                      원본                                                                   2D 이미지 (과노출)

• 오일 및 표면 텍스처 간섭: 잔류 오일 얼룩과 일반적인 가공 공구 자국은 2D 이미지에서 실제 스크래치와 유사한 그레이스케일 값을 보입니다. 기존 알고리즘은 무해한 오일 자국과 기능적 결함을 구별하는 데 어려움을 겪습니다.

• 낮은 대비: 얕은 스크래치는 복잡한 금속 배경과 쉽게 혼재되어 기존 비전 시스템으로는 식별이 어렵습니다.

솔루션

Photometric Stereo 기술이 탑재된 2.5D 하이브리드 데이터 카메라를 도입했습니다. 고속 다각도 시퀀스 조명과 온보드 FPGA 처리를 활용하여 시스템은 표면 색상/반사율을 물리적 지형과 분리합니다.

• NZ 채널 (Normal-Z 이미징): 솔루션의 핵심입니다. NZ 채널은 표면 법선 벡터의 수직 구성 요소를 매핑하여 표면 높이 변화에만 반응합니다. 표면 색상이나 평면상의 오염 물질은 완전히 영향을 받지 안히 때문에, 실제 형상 변화만을 정밀하게 분리할 수 있습니다. 그레이 레벨 임계값을 설정함으로써 시스템은 평면상의 오일 얼룩과 배경 텍스처를 효과적으로 필터링하고 스크래치 및 찍힘과 같은 물리적 깊이 정보만 유지합니다.

                                         일반 2D                                                                                       Nz 채널

• 법선 혼합 가시화(Normal Mix Visualization): 의사 색상(pseudo-color) 렌더링을 사용하여 표면 방향을 가시화합니다. 서로 다른 색상은 서로 다른 경사를 나타내므로 아주 미세한 함몰도 배경과 대비되어 명확하게 드러나 쉬운 확인이 가능합니다.

                                   NZ 채널                                                                    Normal Mix 채널

검사 결과

2.5D 솔루션은 2D 시스템이 실패한 부분에서 우수한 성능을 입증했습니다.

특징	기존 2D 이미징	2.5D 하이브리드 데이터 이미징
글레어 현상 처리	과노출 발생, 밝은 영역 데이터 손실	균일한 조명, 경면 반사가 계산을 통해 제거됨
간섭	오일 얼룩과 결함 구분 불가, 높은 오판율	오일 얼룩이 NZ 채널에서 보이지 않음, 물리적 결함만 잔류
결함 대비	결함이 배경 텍스처와 섞임

시각적 증거:

• 원본 / 2D: 상당한 녹색 오일 얼룩과 강한 글레어 현상을 보여 탐지가 불가능합니다.

• 2.5D NZ 채널: 오일 얼룩이 완전히 사라집니다. 배경이 균일해지고 물리적 스크래치가 명확하게 추출됩니다.

고객 가치

• 검사 안정성 향상: 주변 조명 변화나 표면 청결도 편차에 영향을 받지 않아, 검사 성능의 일관성이 크게 향상되었습니다.

• 오검출률 감소: 오일 얼룩으로 인한 오탐 알람을 제거하여 오검출률(FRR)을 크게 개선했습니다.

• 통합 간소화: 단일 카메라가 2D 그레이스케일, 3D 표면 법선 및 재구성된 텍스처 맵을 제공하므로 복잡한 외부 조명 어레이가 필요하지 않습니다.