CN1677052A - 表面形状测量装置及表面形状测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明为了提供一种能准确地检测工件曲面的变形的表面形状测量装置及表面形状测量方法，包括与门面板51的弯曲形状的外表面对置的激光位移计17、使激光位移计17相对门面板51的外表面沿上下方向移动的Z轴伺服电动机24、使激光位移计17沿左右方向移动的X辅伺服电动机22、及使激光位移计17沿激光位移计17和门面板51的外表面的对置方向移动的Y轴伺服电动机26，利用CPU21控制Y轴伺服电动机26，使得激光位移计17和门面板51外表面的对置方向的距离保持一定。

Description

表面形状测量装置及表面形状测量方法

技术领域

本发明有关测量工件的曲面形状用的表面形状测量装置及表面形状测量方法。

背景技术

近些年来，在汽车业界，由于燃料费用涨价、减少气体排放等原因，力求减轻车身的重量。其中一个倾向是钢板的厚度减薄，但存在的问题是钢板的强度不足。对于钢板的强度不足的问题，尽管钢板本身减薄，但是可以通过选用高强度的高张力的钢板等材料、或设置加强筋等措施予以改进。但是，如采用高张力的钢板，则与普通的钢板相比，存在产品成本高的问题。另外的问题是，加强筋是金属制的，如这样做，相反又会增加重量。

因此，作为一种在加强钢板的刚性之同时制止重量增加的方法，越来越多采用粘贴树脂材料做成的加强用薄片来加强薄钢板的方法。

但是，这种利用加强薄片来加强钢板的方法虽然能制止钢板重量的增加，并加强钢板，但最近随着要求钢板进一步再减薄，有时会在钢板的表面产生被称为“收缩”的变形。由于这是一种非常微小的钢板变形，所以仅靠眼晴一看难以判断。另外，这种变形虽然通常用肉眼能观察到，但是要将其定量是件困难的事。

因而曾尝试例如用特表2003-533685号公报所述的三维形状测量装置来判别钢板表面的变形。

在特表2003-533685号公报所述的三维形状测量装置中，是利用光电传感器对测定对象进行测量。光电传感器对于测量对象具有能测量的距离范围，能测量的距离范围一大，测量的精度就低，另外，能测量的距离范围一小，测量精度就高。

因而，在钢板的表面为曲面时，由于沿着弯曲的方向光电传感器和钢板表面的曲面对置的对置方向的距离不是一定的，存在间距，所以必然要采用可测量的距离范围大的光电传感器。

但是，可测量的距离范围大的光电传感器的测量精度低，难以准确地对变形进行检测。

尤其是在对钢板表面进行了涂装的情况下，由于其光泽的影响，欲准确检测微小的变形非常困难。

发明内容

本发明之目的在于提供一种能准确检测工件曲面变形的表面形状测量装置及表面形状测量方法。

本申请为一种使非接触式传感器对工件的曲面进行扫描来测量所述工件曲面的变形的表面形状测量装置，包括测量部，所述测量部具有与所述工件曲面对置的非接触式传感器；对所述工件曲面沿所述工件曲面弯曲的弯曲方向使所述非接触式传感器移动的Z轴移动单元；对所述工件曲面沿与所述弯曲方向正交的方向使所述非接触式传感器移动的X轴移动单元；和对所述工件曲面沿所述对置方向移动所述非接触式传感器、使所述非接触式传感器和所述工件曲面对置的对置方向间的距离保持一定的Y轴移动单元。

本申请的表面形状测量装置中，由于能利用Z轴移动单元使非接触式传感器沿工件的弯曲方向移动，Y轴移动单元沿非接触式传感器和工件曲面的对置方向移动非接触式传感器，使其对置方向的距离保持一定，所以，在沿工件曲面的弯曲方向互相不同的位置上，非接触式传感器和工件曲面对置方向的距离保持一定，同时，利用X轴移动单元能使非接触式传感器沿和工件的弯曲方向正交的方向移动。

因此，利用高精度的非接触式传感器，能高精度地测量工件曲面的表面形状。

另外，本申请的表面形状测量装置中，最好所述工件配置成其曲面的弯曲方向沿铅垂方向延伸，所述Z轴移动单元使所述非接触式传感器沿铅垂方向移动。

由此，由于在沿铅垂方向配置工件的状态下，能测量表面形状，与在沿水平方向配置工件的状态下测量表面形状的情况相比，能既节省空间，又达到高效测量的目的。

另外，本申请的表面形状测量装置中，最好能和所述测量部分开，另外具有在所述工件曲面的弯曲方向沿铅垂方向延伸的状态下保持所述工件的工件保持部。

因为如果有工件保持部，能牢固地保持使工件配置在铅垂方向上的状态，所以，能指望提高表面形状的测量精度。

另外，工件保持部因为和测量部分开设置，所以能和工件的大小无关，对工件曲面的表面形状进行测量。因此，即使是大型的工件，仍能高精度地测量工件的表面形状。

另外，本申请的表面形状测量装置中，最好所述工件是在和所述非接触式传感器对置的表面的相反一侧的背面上层叠着加强材料的金属板。

本申请的表面形状测量装置中，因为能利用非接触式传感器高精度地测量工件曲面的表面形状，所以，即便是层叠着加强材料的金属板，也能高精度地测量工件曲面的变形。

另外，本申请的表面形状测量装置中，最好所述的加强材料是用靠外部能量能固化的树脂形成的薄片，粘贴在所述金属板的背面，加强所述金属板。

在加强材料是用靠外部能量能固化的树脂形成的薄片时，如将该薄片粘贴在金属板的背面来加强金属板，则有时会因树脂和金属板之间的线膨胀系数的不同而产生变形，但用本申请的表面形状测量装置仍能准确地测量那样的变形。

另外，本申请的表面形状测量装置中，所述工件最好是车辆用钢板。

对于本申请的表面形状测量装置，即使是有光泽的漆过的车辆用钢板，仍旧能准确地检测变形。

另外，本申请的表面形状测量装置中，所述非接触式传感器最好是激光位移计。

如非接触式传感器是激光位移计，则测量精度非常高，能更加准确地测量变形。

另外，本申请的表面形状测量装置包括对所述非接触式传感器扫描所得的扫描数据进行处理的处理单元，所述处理单元最好包括根据所述扫描数据测量所述工件曲面的位置坐标、并根据所述位置坐标生成判断所述工件曲面变形用的等高线图的等高线图生成单元。

在处理单元中，若利用等高线图生成单元生成判断工件曲面变形用的等高线图，则能三维并形象地判断有无变形。

另外，所述处理单元最好包括将所述工件曲面的位置坐标变换成假想平面的位置坐标的平滑处理单元。

如利用平滑处理单元将工件曲面的位置坐标变换成假想平面的位置坐标，则能进一步明了有无变形。

另外，所述处理单元最好包括对所述扫描数据进行微分的微分处理单元。

若利用微分处理单元对扫描数据进行微分，则能使变形更显眼。因而，能更进一步准确检测变形。

另外，所述处理单元最好包括根据所述工件曲面的位置坐标、使所述非接触式传感器移动至与特定位置坐标对应的所述工件曲面的特定对置位置上的位置特定单元。

若利用位置特定单元，则在检测变形后，能使非接触式传感器移动至工件曲面产生该变形的位置。因此，能容易地确认在工件曲面上产生变形的实际位置。

另外，所述处理单元最好包括与所述工件的所述加强材料的层叠位置相对应、在所述等高线图上显示所述层叠位置的层叠位置显示单元。

若利用层叠位置显示单元，则能与工件的加强材料的层叠位置相对应，在等高线图上显示层叠位置。因而，能容易地确认变形和加强材料之间的关系。

另外，本申请的表面形状测量方法是一种对工件曲面使非接触式传感器扫描来测量所述工件曲面的变形的表面形状测量方法，根据所述非接触式传感器扫描所得的扫描数据，测量所述工件曲面的位置坐标，根据此位置坐标，生成判断所述工件曲面变形用的等高线图。

如生成判断工件曲面变形用的等高线图，则能三维并形象地判断有无变形。

另外，本申请的表面形状测量方法中，最好包括将所述工件曲面的位置坐标变换成假想平面的位置坐标。

如将工件曲面的位置坐标变换成假想平面的位置坐标，则能更明了有无变形。

另外，本申请的表面形状测量方法中，最好包括对所述扫描数据进行微分。

如对扫描数据进行微分，则能使变形更加显眼。因此，能更加准确地检测出变形。

另外，本申请的表面形状测量方法中，最好包括根据所述工件曲面的位置坐标、使所述非接触式传感器移动至与特定位置坐标对应的所述工件曲面特定对置位置上。

通过这样，在检测出变形之后，能使非接触式传感器移动至工件曲面的该变形产生位置。因此，能容易地确认工件曲面上产生变形的实际位置。

另外，本申请的表面形状测量方法中，最好包含与所述工件的所述加强材料层叠位置相对应、在所述等高线图上显示所述层叠位置。

如能与工件的加强材料层叠位置相对应在等高线图上显示层叠位置，则能容易地确认变形和加强材料之间的关系。

根据本申请的表面形状测量装置，能利用非接触式传感器，高精度地测量工件曲面的表面形状，准确检测变形。

另外，根据本申请的表面形状测量方法，能三维并形象地判断有无变形。

附图说明

图1为表示本发明表面形状测量装置一实施形态的正视图。

图2为图1示出的表面形状测量装置的侧视图。

图3为表示图1示出的表面形状测量装置的测量部控制***的方框图。

图4为表面形状测量程序的流程图。

图5为表示表面形状测量方法的门面板的正视图。

图6(a)为利用等高线图生成程序生成的等高线图的一个例子。

图6(b)为图6(a)的A-A’线断面图。

图6(C)为图6(a)的B-B’线断面图。

图7为说明平滑处理程序的处理用的说明图。

图8为利用平滑处理程序的处理得到的等高线图的一个例子。

图9(a)为利用微分处理程序的处理得到的一阶微分的等高线图。

图9(b)为图9(a)的C-C’线断面图。

图10(a)为利用微分处理程序的处理得到的二阶微分的等高线图。

图10(b)为图10(a)的D-D’线断面图。

图11为说明位置特定程序的处理用的说明图。

图12为表示利用粘贴部分显示程序的处理显示的等高线图的一个例子。

具体实施方式

图1为表示本发明表面形状测量装置一实施形态的正视图。图2为其侧视图。

该表面形状测量装置1包括测量作为工件的车辆用门50的表面形状用的测量部2、及保持车辆用门50用的工件保持部3。

测量部2包括底架4、支持在底架4上自由滑动的滑动框5、及支持在滑动框5上自由滑动的传感器6。

底架4由沿水平方向即左右方向延伸的杆体组成，设置在地面上。在底架4的上部沿整个长度方向，形成后述的横向滑动架11能滑动自由地嵌入的滑动槽7。另外，在底架4的左端部(长度方向的一端)上设置横向驱动箱8，该横向驱动箱8内装有旋转驱动后述的横向滚球丝杠10的作为X轴移动单元的X轴伺服电动机22。另外，在底架4的右端部(长度方向的另一端)上设置横向支持机构9，该横向支持机构9支持后述的横向滚球丝杠10可自由放置，并设置X轴旋转编码器23(参见图3)。

然后，沿横向滑动槽7设置横向滚球丝杠10。该横向滚球丝杠10的一端与横向驱动箱8内的X轴伺服电动机22连接，其另一端旋转自由地支持在横向支持机构9上。

滑动框5包括滑动自由地支持在底架4上的横向滑动架11、及由横向滑动架11支持的滑杆12。

横向滑动架11滑动自由地嵌入在底架4的横向滑动槽7中，支持在底架4上沿左右方向滑动自由。另外，横向滑动架11通过滚珠轴承与横向滚球丝杠10啮合。

滑动杆12由杆体组成，沿铅垂线方向由横向滑动架11支持。在滑动杆12的侧面整个长度方向上，形成后述的纵向滑动架18能滑动自由地嵌入的纵向滑动槽13。另外，在滑动杆12的上端设置纵向相14，该纵向驱动箱14内装有旋转驱动后述的纵向滚珠丝杠16的作为Z轴移动单元的Z轴伺服电动机24(参见图3)、及装在Z轴伺服电动机24(参照图3)上的Z轴旋转编码器25(参见图3)。

另外，在滑动杆12的下端设置支持后述的横向滚球丝杠16自由旋转的纵向支持机构15。

然后，沿纵向滑动槽13设置纵向滚珠丝杠16。该纵向滚珠丝杠16的一端连接纵向驱动箱14内的Z轴伺服电动机24，另一端旋转自由地支持在纵向支持机构15内。

传感器部6包括滑动自由地支持在滑动杆12上的纵向滑动架18、滑动自由地支持在纵向滑动架18上的传感器保持架19、及保持在传感器保持架19上的作为非接触式传感器的激光位移计17。

纵向滑动架18滑动自由地嵌入在滑动杆12的纵向滑动槽13中，沿铅垂方向滑动自由地支持在滑动杆12上。另外纵向滑动架18通过滚珠轴承与纵向滚珠丝杠16啮合。

传感器保持架19在纵向滑动架18上沿和车辆用门50的表面对置的对置方向(即和左右方向及铅垂方向正交的水平方向即前后方向)配置并支持。在传感器保持架19上装有作为Y轴移动单元的Y轴伺服电动机26(参见图3)、及装在该Y轴伺服电动机26上的Y轴旋转编码器27(参见图3)。

传感器保持架19上沿前后方向设置图中未示出的滚珠丝杆。该滚珠丝杆与Y轴伺服电动机26连接，旋转自由地支持在传感器保持架19上。

激光位移计17由反射型光传感器组成，沿前后方向滑动自由地支持在传感器保持架19上。另外，激光位移计17通过滚珠轴承与设在传感器保持架上的滚珠丝杆啮合。

还有，激光位移计17也可以对于传感器保持架19利用通过Y轴伺服电动机26的驱动而滑动的小齿轮齿条机构支持。

该激光位移计17如以后所述，检测相对于门面板51的外表面的距离。。

图3为表示测量部2的控制***的方框图。

图3中，测量部2中设置作为处理单元的CPU21，该CPU21连接伺服放大器28及位移计放大器29。

CPU21例如由个人计算机等组成，存储着测量车辆用门50表面形状用的表面形状测量程序、对利用表面形状测量程序的处理所得的表面形状数据进行解析的解析程序、及起动各种程序的主控程序等。

还有，解析程序中包括将在以后详细叙述的作为等高线图生成单元的等高线图生成程序、作为平滑处理单元的平滑处理程序、作为微分处理单元的微分处理程序、作为位置特定单元的位置特定程序、及作为层叠位置显示单元的粘贴部分显示程序。

另外，CPU21还连接供操作员操作用的键盘(包括鼠标)31、及监视器30。

伺服放大器28连接X轴伺服电动机22及X轴旋转编码器23、Z轴伺服电动机24及Z轴旋转编码器25、从及Y轴伺服电动机26及Y轴旋转编码器27。

X轴伺服电动机22利用伺服放大器28的控制，能正反向自由地旋转。当X轴伺服电动机22一驱动，能使横向滚球丝杠10正反向自由地旋转。通过这样，与横向滚球丝杠10啮合合的横向滑动架11沿左右两个方向移动，横向滑动架11上支持的滑动杆12保持着沿铅垂方向直立的姿势，沿左右两个方向移动。

在X轴伺服电动机22上设置两个X轴旋转编码器23。一个X轴旋转编码器23检测X轴伺服电动机22的正反方向及驱动量，输入伺服放大器28。在伺服放大器28中，根据所输入的X轴伺服电动机22的正反方向及驱动量，计算出从后述的原点位置开始左右方向上的激光位移计17的位置。

另一个X轴旋转编码器23检测X轴伺服电动机22的正反方向及驱动量，直接输入CPU21。还有，CPU21中，根据从另一个X轴旋转编码器23输入的X轴伺服电动机22的正反方向及驱动量，计算出后述的左右方向的扫描位置数据。

Z轴伺服电动机24利用伺服放大器28的控制，能正反自由地驱动。Z轴伺服电动机24一驱动，就使纵向滚珠丝杠16正反自由地旋转。通过这样，与纵向滚珠丝杠16啮合的纵向滑动架18沿上下两个方向移动，纵向滑动架18上支持的传感器保持架19保持着在对置方向上的姿势，沿上下两个方向移动。

Z轴旋转编码器25检测Z轴伺服电动机24的正反方向及驱动量，输入伺服放大器28。在伺服放大器28中，根据输入的Z轴伺服电动机24的正反方向及驱动量，计算出从后述的原点位置开始上下方向上的激光位移计17的位置。

Y轴伺服电动机26利用伺服放大器28的控制，能正反自由地驱动。当Y轴伺服电动机26一驱动，就能使设置在传感器保持架19上未图示的滚珠丝杆正反自由地旋转驱动。通过这样，与该滚珠丝杆啮合的激光位移计17沿对置方向(前后方向)的两个方向移动。

Y轴旋转编码器27检测Y轴伺服电动机26的正反方向及驱动量，输入伺服放大器28。在伺服放大器28中，根据输入的Y轴伺服电动机26的正反方向及驱动量，计算出从后述的原点位置开始的前后方向上的激光位移计17的位置。

然后，伺服放大器28中，通过分别驱动X轴伺服电动机22、Z轴伺服电动机24及Y轴伺服电动机26，从而使激光位移计17沿左右方向及前后方向进行三维移动。还在伺服放大器28中，通过从一个X轴旋转编码器23、Z轴旋转编码器25及Y轴旋转编码器27输入正反方向及驱动量，从而能三维地检测激光位移计17在左右方向、上下方向及前后方向上的位置。

因此，该伺服放大器28根据X轴旋转编码器23、Z轴旋转编码器25、及Y轴旋转编码器27的输入，通过对X轴伺服电动机22、Z轴伺服电动机24、及Y轴伺服电动机26的反馈控制，从而控制激光位移计17的移动。

另外，CPU21从该伺服放大器28输入激光位移计17的位置数据。另外，由CPU21控制伺服放大器28，使激光位移计17移动。

位移计放大器29连接激光位移计17，从激光位移计17输入与车辆用门50的表面间对置距离的位移量。然后，从位移计放大器29向CPU21输入这一位移量。

因此，该测量部2中，CPU21根据伺服放大器28输入的激光位移计17的位置数据、另一个X轴旋转编码器23输入的左右方向上的扫描位置数据、及从位移计放大器29输入的激光位移计17和车辆用门50的表面间对置距离的位移量，能三维地测量车辆用门50的表面形状。

工件保持部3如图2所示，包括底座34、支持柱32、及工件保持架33。

底座34做成能承载车辆用门50的那种俯视略呈矩形台状的形状，橡胶垫43敷设在车辆用门50的承载面(上表面)上。

支持柱32从底座34起沿铅垂方向直立设置。

工件保持架33包括支持臂35、手柄36及压紧构件37。支持臂35的一端通过安装构件38固定在支持柱32的上下方向的任意位置(与车辆用门50的门面板51的上端对应的位置)上。另外，其另一端配置成从一端起沿前后方向延伸、并和车辆用门50的门面板51的上端对置。

手柄36有升降轴41及操作部42。升降轴42沿上下方向升降自由地安装在支持臂35的另一端。操作部42沿水平方向旋转自由地设置在升降轴41的上端。用该手柄36使操作部42正反旋转，从而升降轴41相对支持臂35的另一端上下升降。

压紧构件37包括安装在升降轴42下端的压紧板39、安装在该压紧板39下表面的由橡胶组成的弹性构件40。弹性构件40配置成在上下方向上和车辆用门50的门面板51的上端对置。

然后、在底座34的橡胶垫43上放置车辆用门50的门面板51的下端，同时还在上下方向上使门面板51的上端和弹性构件40对置的状态下，使手柄36的操作部42正向旋转，使升降轴41下降，则随着升降轴41的下降，弹性构件40的底面以压紧状态抵及门面板51的上端。通过这样，车辆用门50因为利用橡胶垫43和弹性构件40弹性夹持门面板51，所以能以直立状态保持在工件保持部3上。在该直立状态下，门面板51配置成相对于底架4及滑动杆12平行的状态。

还有，车辆用门50包括正面看略呈矩形的门面板51、及设在该门面板51上部的窗框52。门面板51以在工件保持部3上保持直立的状态下沿铅垂方向将其外表面(和激光位移计17对置的表面)做成弯曲的曲面。更具体为如图2所示，门面板51的外表面弯曲成上下方向的两端向后侧后退而上下方向中央部向前侧凸出的缓慢的弓形。

另外，门面板51的内表面(和激光位移计17对置的外表面的相反一侧的背面)如图5所示，在后述的粘贴部分为了增强钢板(金属板)的刚性，粘贴利用热或紫外线等外部能量能固化的树脂形成的薄片物组成的100mm×300mm的加强材料53。

然后，这样地保持在工件保持部3上的车辆用门50与测量部2中的三维地移动的激光位移计17在前后方向上隔开间隔对置。

以下，对在测量部2中测量门面板51外表面的表面形状的方法进行说明。为了测量门面板51外表面的表面形状，CPU21从主控程序开始起动表面形状测量程序。

图4为表面形状测量程序的流程图。表面形状测量程序的处理一开始，首先CPU21中设定测量条件(S1)。关于测量条件的设定，由于在监视器30上作为测量的必要条件而显示利用X轴伺服电动机22而移动的左右方向(以后称X轴方向)上激光位移计17的测量间隔即X轴间隔PX(参见图5，例如0.01～1.0mm的范围)、及利用Z轴伺服电动机24而移动的上下方向(以后称Z轴方向)上激光位移计17的测量间隔即Z轴间隔PZ(参见图5，例如1.0～50mm的范围)，所以从键盘31输入X轴间隔PX和Z轴间隔PZ。

测量条件一设好，激光位移计17移向原点位置(S2)，在该原点位置上将X轴旋转编码器23、Z轴旋转编码器25及Y轴旋转编码器27调零。

接着，激光位移计17通电后(S3)，指定测量范围(S4)。

测量范围的指定例如如图5所示，利用来自键盘31的输入，使激光位移计17移动，分别对角地指定测量开始点及测量结束点。通过这样，以对角地指定的测量开始点S及测量结束点E画出的正视为方形的区域被设定作为测量范围。

还有，在图5中，是分别将测量开始点S设在右上方，将测量结束点E设在左下方，但测量开始点S及测量结束点E的设定无特别限定，例如也可以分别将测量开始点S设在左下方，将测量结束点E设在右上方。

然后，在指定测量范围之后，利用激光位移计17测量门面板51外表面的表面形状。

测量一开始，先把激光位移计17移到测量开始点S。在测量开始点S处，通过驱动Y轴伺服电动机26，沿前后方向(以后称Y轴方向)移动激光位移计17，使得激光位移计17和门面板51外表面的对置距离成为该激光位移计17检测距离范围内最佳的检测距离

接着激光位移计17从测量开始点S(这时，测量开始点S也就成为扫描开始点S’)开始通过X轴伺服电动机22的驱动按照上述设定好的X轴间隔沿X轴方向扫描，直至到与测量结束点E对应的位置(为扫描结束点E’，在Z轴方向上与测量结束点E对置的位置)。此时，CPU21中存储用激光位移计17测得的每隔X轴间隔对门面板51外表面的检测距离、及与各检测距离相对应的利用另一个X轴旋转编码器23检测出的X轴方向上的激光位移计17的扫描位置数据，作为扫描数据DA。

然后，扫描结束后，激光位移计17通过X轴伺服电动机22的驱动，从扫描结束点E’开始返回，再度位于测量开始点S。还有，返回途中激光位移计17不扫描。

然后，激光位移计17通过Z轴伺服电动机24的驱动，从测量开始点S在Z轴方向上向离开上述设定好的Z轴间隔的扫描开始点S’(在Z轴方向上和测量开始点S隔开Z轴间隔对置的位置)移动后，在该扫描开始点S’上，利用Y轴伺服电动机26的驱动，激光位移计17沿Y轴方向移动，使得激光位移计17和门面板51外表面的对置距离为该激光位移计17的上述最佳检测距离。这时，CPU21中存储利用Y轴旋转编码器27检测出的从Y轴方向的测量开始点S至扫描开始点S’的位移量，作为位移数据DB。

然后，激光位移计17和上述一样，利用X轴伺服电动机22的驱动，从其扫描开始点S’至扫描结束点E’以上述设好的X轴间隔沿X轴方向扫描，并存储所得的扫描数据DA。扫描结束后，激光位移计17通过X轴伺服电动机22的驱动，从扫描结束点E’返回，再度位于扫描开始点S’。还有，返回途中，激光位移计17不扫描。

在Z轴上隔开Z轴间隔依次实施这样的激光位移计17以X轴间隔在X轴方向上的扫描，其后，当激光位移计17到达测量结束点E时，测量就结束。

接着，在激光位移计17关闭后(S6)，CPU21根据门面板51外表面的每一个测量范围的X轴间隔的检测距离(即扫描数据DA)、及每一个Z轴间隔的Y轴方向上的位移量(即位移数据DB)，计算出该测量范围内三维的位置坐标(S7)，存储该计算出的三维位置坐标数据，并结束测量处理。

该表面形状测量装置1在上述测量中，即使每隔Z轴间隔都利用Z轴伺服电动机24使激光位移计17沿Z轴方向移动，通过CPU21的控制，Y轴伺服电动机26使激光位移计17沿Y轴方向移动，使得激光位移计17和门面板51外表面间的对置距离为该激光位移计17的最佳检测距离。因此，门面板51的外表面即便沿Z轴方向在Y轴方向上缓慢地弯曲成弓状，激光位移计17和门面板51外表面的对置距离也始终保持成最佳检测距离。通过这样，在沿门面板51外表面弯曲方向的Z轴方向上互相每隔Z轴间隔的位置上，激光位移计17和门面板51外表面的对置距离始终保持一定，同时，利用X轴伺服电动机22能使激光位移计17沿X轴扫描。

因此，测量精度极高，利用检测距离范围窄的激光位移计17能高精度地测量门面板51的位置坐标。另外，由于能高精度地测量，因此即使门面板51外表面经过涂装而有光泽，仍旧能准确地检测出微小的变形。

另外，这一测量中，工件保持部3由于可与测量部2分开设置，故与门面板51的大小无关，可测量门面板51外表面的表面形状。因此，即使门面板51相当大，也能高精度地测量门面板51的表面形状。

另外，门面板51在工件保持部3上保持直立状态，测量部2通过Z轴伺服电动机24的驱动，使激光位移计17沿Z轴方向移动，从而能测量其外表面的位置坐标。因此，与将门面板51沿水平方向配置的状态下测量位置坐标时相比，能节省空间，并提高测量效率。

因而，如此所得并存在CPU21中的位置坐标数据可以利用CPU21内存储的等高线图生成程序、平滑处理程序、微分处理程序、位置特定程序、及粘贴部分显示程序等各种解析程序来进行解析。

以下，说明利用各种解析程序进行解析的方法。

首先，对利用等高线图生成程序所作的解析进行阐述。通过从键盘31输入，从主控程序使等高线图生成程序起动，将存在CPU21中的位置坐标数据变换成与表面形状对应的等高线图。然后，该等高线图如图6(a)所示，在监视器30上显示。

还有，该等高线图利用键盘31的输入能任意地设定等高线的高度间隔(等高线的根数)等。另外，利用键盘31的输入，能显示沿X轴方向及Z轴方向的任意断面图。

图6(a)示出的等高线图为包括上述加强材料53的粘贴部分在内的外表面的表面形状。另外，图6(a)的A-A’线表示包括加强材料53的粘贴部分在内的X轴方向的断面线，其断面图示于图6(b)中。另外，B-B’线表示不包括加强材料53的粘贴部分的X轴方向的断面线，其断面图示于图6(c)。

还有，在图6(b)及图6(c)中，如变形量(Y轴方向的变形量)的数值大，则表示外表面向内凹，如变形量(Y轴方向的变形量)的数值小，则表示外表面向外凸。

从图6(b)及图6(c)可以确认，在包括表示不是加强材料53的粘贴部分的B-B’线断面图在内的部分中，外表面为缓慢凸出的曲面，与此相反，在包括表示加强材料53的粘贴部分的A-A’线断面图在内的部分中，外表面为凹进较大的曲面。另外，该凹陷量定量为370μm。

这样，如将位置坐标数据作为与表面形状对应的等高线图进行显示，则能三维并形象地判断有无变形。另外，也能在某种程度上确认变形位置及变形量。因而，在粘贴着加强材料53的门面板51上能高精度地测量外表面的变形。

但是，因为只能将位置坐标数据单纯地作为与表面形状对应的等高线图显示，所以有时不能判断微小的变形等。即门面板51由于沿Z轴方向有向Y轴方向弯曲的曲面，因此由该曲面形成的Y轴方向的变形量和由变形形成的Y轴方向的位移量重叠，有时不能判断微小的变形。

在这样的场合，如起动平滑处理程序或微分处理程序，则能弄清有无这样的微小变形。

即从主控程序起动平滑处理程序，平滑处理程序就将位置坐标数据变换成假想平面的位置坐标。更具体为，平滑处理程序如图7(a)所示，首先对X轴方向的各扫描数据DA，计算出各扫描开始点S’的Y轴方向的变形量D1、与扫描结束点E’的Y轴方向的变形量D2之差ΔD。

然后，如图7(b)所示，从扫描开始点S’的X轴方向的位置坐标X1和扫描结束点E’的位置坐标X2，计算出斜率ΔD/(X2-X1)。然后，从各扫描数据DA的Y轴方向的各位移量D1～D2减去斜率部分，使X轴方向的斜率为0。通过这样，各扫描数据DA校正连接扫描开始点S’和扫描结束点E’的连线，使其和X轴方向平行。

此后，如图7(c)所示，使各扫描数据DA的扫描开始点S’的Y轴方向各位移量D1、及各扫描数据DA的扫描结束点E’的Y轴方向各位移量D2都为相同的位移量(例如，相减成为0)。通过这样，校正各扫描数据DA的排列方向，使其和Z轴方向平行。

结果，位置坐标数据变换成和相对于沿X轴方向及Z轴方向延伸的平面平行的假想平面。

平滑处理程序中，经如此校正后的等高线图如图8所示，能在监视器30上显示。图8中明显地显示出用校正前的图6(a)难以显示的外表面的表面形状。

另外，当利用键盘31的输入从主控程序起动微分处理程序时，用微分处理程序在利用平滑处理程序变换成假想平面的等高线图上，对X轴方向进行微分。这一处理具体为，对利用平滑处理程序修正后的各扫描数据DA算出微分系数。微分可以采用公知的3点近似公式或5点近似公式。

图9(a)中采用3点近似公式表示对变换成假想平面的等高线图进行微分(1次微分)后的等高线图。另外，图9(b)表示图(a)中的C-C’线断面图。

如进行微分处理，则如图9(a)及(b)所示，在斜率变化大的部分即有变形的部分，因得到较大的微分系数，所以使变形的位置显眼，能容易特定产生变形的位置。因而能更准确地检测变形。

图10(a)中表示微分(1阶微分)后的等高线图、和再次微分(2阶微分)后的等高线图。另外，图10(b)表示图10(a)的D-D’线断面图。

如作两次微分(2阶微分)，则如图10(a)及(b)所示，能更加凸现变形的位置

还有，上述的1阶及2阶微分能利用键盘31的输入来进行。即，从主控程序利用键盘31的输入起动微分处理程序时，先执行上述的1阶微分，在监视器30上显示图9(a)所示的等高线图。另外，该等高线图和上述一样，由于能利用键盘31的输入，使其显示沿X轴方向及Z轴方向的任意的断面图，所以能使图9(b)所示的断面图在监视器30上显示。另外，进行上述的1阶微分，并在监视器30上显示图9(a)所示的等高线图后，能再利用键盘31的输入，进行上述的2阶微分。因而，一进行上述的2阶微分，就在监视器30上显示图10(a)示出的等高线图。另外，该等高线图和上述的一样，由于能利用键盘31的输入，显示沿X轴方向及Z轴方向的任意的断面图，故能在监视器30上显示图10(b)所示的断面图。

另外，CPU21还存储特定实际变形位置用的位置特定程序、及表示加强材料53的粘贴位置和变形间关系用的粘贴部分显示程序，通过从主控程序使上述程序起动，从而能特定实际变形位置，或能容易地掌握加强材料53的粘贴位置和变形间的关系。

即，如图11(a)所示，在可利用上述各种处理特定变形位置时，在各种处理所得的等高线图上，利用键盘31的输入使点P位于该变形的位置后，利用键盘31的输入，从主控程序起动位置特定程序，就如图11(b)所示，根据等高线图上点P的位置坐标，移动激光位移计17到达与该点P的位置相对应的门面板51外表面的特定的对置位置(图11(b)中，激光位移计17和传感器保持架19重叠)。通过这样，能容易地确认门面板51外表面上产生变形的实际位置。

另外，该门面板51上如上所述，在内表面上粘贴着加强材料53。由于该加强材料53是靠热或紫外线等外部能量能固化的树脂形成的薄片物，所以对于由这样的树脂组成的加强材料53、和由钢板组成的门面板51，因其线膨胀系数的不同，而引起例如在涂装后加强材料53顶住而门面板51凹陷，在门面板51外表面的与粘贴部分对应部分容易产生称为‘收缩’的凹形的变形。

因此，为了掌握加强材料53的粘贴位置和变形间的关系，使粘贴部分显示程序起动。即利用上述的各种处理能特定变形的位置时，在利用各种处理得到的等高线图上，根据来自键盘31的输入，从主控程序起动粘贴部分显示程序。于是，如图12所示，在监视器30显示的等高线图上，重叠显示加强材料53的粘贴部分R。

通过这样，由于能与门面板51的加强材料53的粘贴部分对应，在等高线图上显示粘贴部分R，所以能容易地确认变形和加强材料53间的关系。

还有，加强材料53的粘贴部分通过预先使激光位移计17移动到实际的门面板51的加强材料53的粘贴部分，并做标记，该标记区域(粘贴部分)存在CPU21中，用粘贴部分显示程序将其与各等高线图对应，弹出显示。

以上的说明中，是采用工件保持部3使门面板51保持直立状态，但也能不用工件保持部3，直接测量装在已生产好的汽车上的门面板51。

另外，以上的说明中，是以测量车辆用门50的门面板51的外表面为例来说明本发明的表面形状测量装置，但用本发明的表面形状测量装置也能测量除车辆用门50以外的工件，例如汽车的引擎盖等也能测量。本发明的表面形状测量装置能适用于表面是曲面的、大型工件的表面形状测量。

还有，上述说明虽然提供作为本发明示例的实施形态，但这些仅是示例而已，不应囿于此进行解释。对于从事这项技术的业内人士所了解的本发明的变形例，自然也包括在后述的权利要求范围内。

Claims (17)

1一种表面形状测量装置，是一种使非接触式传感器对工件的曲面进行扫描来测量所述工件曲面变形的表面形状测量装置，其特征在于，包括

测量部，所述测量部具有

与所述工件曲面对置的非接触式传感器；

对所述工件曲面沿所述工件曲面弯曲的弯曲方向使所述非接触式传感器移动的Z轴移动单元；

对所述工件曲面沿与所述弯曲方向正交的方向使所述非接触式传感器移动的X轴移动单元；以及

对所述工件曲面沿所述对置方向移动所述非接触式传感器、使所述非接触式传感器和所述工件曲面对置的对置方向间的距离保持一定的Y轴移动单元。

2如权利要求1所述的表面形状测量装置，其特征在于，

所述工件配置成其曲面的弯曲方向沿铅垂方向延伸，

所述Z轴移动单元使所述非接触式传感器沿铅垂方向移动。

3如权利要求1所述的表面形状测量装置，其特征在于，

能和所述测量部分开，另外具有在所述工件曲面的弯曲方向沿铅垂方向延伸的状态下保持所述工件的工件保持部。

4如权利要求1所述的表面形状测量装置，其特征在于，

所述工件是在和所述非接触式传感器对置的表面相反一侧的背面上层叠着加强材料的金属板。

5如权利要求4所述的表面形状测量装置，其特征在于，

所述的加强材料是用靠外部能量能固化的树脂形成的薄片，粘贴在所述金属板的背面，加强所述金属板。

6如权利要求1所述的表面形状测量装置，其特征在于，

所述工件是车辆用钢板。

7如权利要求1所述的表面形状测量装置，其特征在于，

所述非接触式传感器为激光位移计。

8如权利要求1所述的表面形状测量装置，其特征在于，包括

对所述非接触式传感器扫描所得的扫描数据进行处理的处理单元，

所述处理单元包括根据所述扫描数据测量所述工件曲面的位置坐标、根据所述位置坐标生成判断所述工件曲面变形用的等高线图的等高线图生成单元。

9如权利要求8所述的表面形状测量装置，其特征在于，

所述处理单元包括将所述工件曲面的位置坐标变换成假想平面的位置坐标的平滑处理单元。

10如权利要求8所述的表面形状测量装置，其特征在于，

所述处理单元包括对所述扫描数据进行微分的微分处理单元。

11如权利要求8所述的表面形状测量装置，其特征在于，

所述处理单元包括根据所述工件曲面的位置坐标、使所述非接触式传感器移动至与特定位置坐标对应的所述工件曲面的特定对置位置上的位置特定单元。

12如权利要求8所述的表面形状测量装置，其特征在于，

所述处理单元包括与所述工件的所述加强材料的层叠位置相对应、在所述等高线图上显示所述层叠位置的层叠位置显示单元。

13一种表面形状测量方法，是一种使非接触式传感器对工件曲面扫描来测量所述工件曲面变形的表面形状测量方法，其特征在于，

根据所述非接触式传感器扫描所得的扫描数据，测量所述工件曲面的位置坐标，根据此位置坐标，生成判断所述工件曲面变形用的等高线图。

14如权利要求13所述的表面形状测量方法，其特征在于，包括

将所述工件曲面的位置坐标变换成假想平面的位置坐标。

15如权利要求13所述的表面形状测量方法，其特征在于，包括

对所述扫描数据进行微分处理。

16如权利要求13所述的表面形状测量方法，其特征在于，包括

根据所述工件曲面的位置坐标，使所述非接触式传感器移动至与特定位置坐标对应的所述工件曲面的特定对置位置上。

17如权利要求13所述的表面形状测量方法，其特征在于，包括

与所述工件的所述加强材料的层叠位置相对应，在所述等高线图上显示所述层叠位置。

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