JP4794160B2 - 表面形状測定装置および表面形状測定方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、この補強用のシート状物による鋼板の補強方法では、鋼板の重量増加を抑制しつつ鋼板を補強できる一方、最近の更なる鋼板の薄肉化の要求に伴い、鋼板表面に「ヒケ」と呼ばれる歪みを生ずることがある。この歪みは、非常に微小な鋼板の変形であり、一見しただけでは判別が困難である。また、この歪みは、通常、目視で検査されており、定量化することが困難である。
そして、鋼板表面が曲面である場合には、湾曲方向に沿って、光電式センサと鋼板表面の曲面とが対向する対向方向の距離が、一定でなく、幅があるため、測定可能な距離範囲が大きい光電式センサが必然的に用いられる。
とりわけ、鋼板表面が塗装されている場合には、その光沢に起因して、微小な歪を正確に検知することが、非常に困難となる。
そこで、本発明は、ワークの曲面の歪を、正確に検知することができる表面形状測定装置および表面形状測定方法を提供することにある。
また、処理手段において、等高線図作成手段によって、ワークの曲面の歪みを判断するための等高線図を作成すれば、歪の有無を3次元的かつ模式的に判断することができる。
また、平滑処理手段によって、ワークの曲面の位置座標を、仮想平面の位置座標に変換すれば、歪の有無をより明瞭にすることができる。
また、位置特定手段によれば、歪を検知した後に、ワークの曲面のその歪が生じている位置に非接触センサを移動させることができる。そのため、ワークの曲面における歪が生じている実際の位置を、容易に確認することができる。
また、積層位置表示手段によれば、ワークの補強材の積層位置に対応して、等高線図に積層位置を表示させることができる。そのため、歪と補強材との関係を容易に確認することができる。
また、本発明の表面形状測定装置では、非接触センサによって、ワークの曲面の表面形状を、精度よく測定することができるので、補強材が積層されている金属板においても、ワークの曲面の歪を精度よく測定することができる。
また、本発明の表面形状測定装置においては、前記ワークは、その曲面の湾曲方向が鉛直方向に沿って延びるように配置され、前記Z軸移動手段が、前記非接触センサを鉛直方向に沿って移動させることが好適である。
また、本発明の表面形状測定装置においては、前記ワークを、前記ワークの曲面の湾曲方向が鉛直方向に沿って延びる状態で保持するワーク保持部を、前記測定部とは別体として備えていることが好適である。
また、ワーク保持部は、測定部とは別体として設けられているので、ワークの大きさと無関係に、ワークの曲面の表面形状を測定することができる。そのため、ワークが大型であっても、ワークの表面形状を精度よく測定することができる。
補強材が外部エネルギにより硬化する樹脂で形成されたシート状物である場合には、そのシート状物を、金属板の裏面に貼付して金属板を補強すると、樹脂と金属板との線膨張率の相違に起因して歪を生じることがあるが、本発明の表面形状測定装置では、そのような歪も正確に検知することができる。
本発明の表面形状測定装置は、光沢のある塗装された車両用鋼板であっても、歪を正確に検知することができる。
また、本発明の表面形状測定装置では、前記非接触センサが、レーザ変位計であることが好適である。
微分処理手段によって、走査データを微分すれば、歪をより際立たせることができる。そのため、歪のより一層正確な検知を達成することができる。
また、ワークの曲面の位置座標を、仮想平面の位置座標に変換すれば、歪の有無をより明瞭にすることができる。
歪を検知した後に、ワークの曲面のその歪が生じている位置に非接触センサを移動させることができる。そのため、ワークの曲面における歪が生じている実際の位置を、容易に確認することができる。
ワークの補強材の積層位置に対応して、等高線図に積層位置を表示させることができれば、歪と補強材との関係を容易に確認することができる。
走査データを微分すれば、歪をより際立たせることができる。そのため、歪のより一層正確な検知を達成することができる。
また、本発明の表面形状測定方法によれば、歪の有無を3次元的かつ模式的に判断することができる。
この表面形状測定装置1は、ワークとしての車両用ドア50の表面形状を測定するための測定部2と、車両用ドア50を保持するためのワーク保持部3とを備えている。
測定部2は、ベースフレーム4と、ベースフレーム4にスライド自在に支持されるスライドフレーム5と、スライドフレーム5にスライド自在に支持されるセンサ部6とを備えている。
スライドフレーム5は、ベースフレーム4にスライド自在に支持される横スライダ11と、横スライダ11に支持されるスライド杆12とを備えている。
スライド杆12は、杆体からなり、鉛直方向に沿って横スライダ11に支持されている。スライド杆12の側部には、長手方向の全体にわたって、後述する縦スライダ18が摺動自在に嵌合する縦スライド溝13が形成されている。また、スライド杆12の上端部には、後述する縦ボールネジ16を回転駆動するZ軸移動手段としてのZ軸サーボモータ24(図3参照)と、Z軸サーボモータ24(図3参照)に装着されるZ軸ロータリエンコーダ25(図3参照)とが内装されている縦駆動ボックス14が設けられている。
そして、縦スライド溝13に沿って、縦ボールネジ16が設けられている。この縦ボールネジ16は、その一端部が、縦駆動ボックス14内のZ軸サーボモータ24に連結され、その他端部が、縦支持機構15内において回転自在に支持されている。
縦スライダ18は、スライド杆12の縦スライド溝13に摺動自在に嵌合し、スライド杆12において、鉛直方向にスライド自在に支持されている。また、縦スライダ18は、縦ボールネジ16にボールベアリングを介して螺合されている。
レーザ変位計17は、反射型光センサからなり、センサホルダ19において、前後方向にスライド自在に支持されている。また、レーザ変位計17は、センサホルダ19に設けられるボールネジにボールベアリングを介して螺合されている。
このレーザ変位計17は、後述するように、ドアパネル51の外側表面に対する距離を検知する。
図3は、測定部2の制御系統を示すブロック図である。
CPU21は、例えば、パーソナルコンピュータなどからなり、車両用ドア50の表面形状を測定するための表面形状測定プログラム、表面形状測定プログラムの処理によって得られた表面形状のデータを解析する解析プログラム、各種プログラムを起動するメイン制御プログラムなどが格納されている。
また、CPU21には、オペレータが操作するためのモニタ30と、キーボード(マウスを含む)31とが接続されている。
X軸サーボモータ22は、サーボアンプ28の制御によって、正逆自在に駆動される。X軸サーボモータ22が駆動されると、横ボールネジ10が正逆自在に回転駆動される。これによって、横ボールネジ10に螺合されている横スライダ11が左右方向両方向に移動して、横スライダ11に支持されているスライド杆12が、鉛直方向に立設された姿勢を保持したまま、左右方向両方向に移動される。
Z軸サーボモータ24は、サーボアンプ28の制御によって、正逆自在に駆動される。Z軸サーボモータ24が駆動されると、縦ボールネジ16が正逆自在に回転駆動される。これによって、縦ボールネジ16に螺合されている縦スライダ18が上下方向両方向に移動して、縦スライダ18に支持されているセンサホルダ19が、対向方向に沿った姿勢を保持したまま、上下方向両方向に移動される。
Y軸サーボモータ26は、サーボアンプ28の制御によって、正逆自在に駆動される。Y軸サーボモータ26が駆動されると、センサホルダ19に設けられている図示しないボールネジが正逆自在に回転駆動される。これによって、そのボールネジに螺合されているレーザ変位計17が対向方向(前後方向)両方向に沿って移動される。
そして、サーボアンプ28では、X軸サーボモータ22、Z軸サーボモータ24およびY軸サーボモータ26を、それぞれ駆動させることにより、レーザ変位計17を、左右方向、上下方向および前後方向に、3次元的に移動させる。また、サーボアンプ28では、一方のX軸ロータリエンコーダ23、Z軸ロータリエンコーダ25およびY軸ロータリエンコーダ27から、正逆方向および駆動量が入力されることにより、レーザ変位計17の、左右方向、上下方向および前後方向の位置を、3次元的に検知する。
また、CPU21には、このサーボアンプ28から、レーザ変位計17の位置データが入力される。また、CPU21では、サーボアンプ28を制御して、レーザ変位計17を移動させる。
そのため、この測定部2では、CPU21において、サーボアンプ28から入力されるレーザ変位計17の位置データ、他方のX軸ロータリエンコーダ23からの入力に基づく左右方向の走査位置データ、および、変位計アンプ29から入力されるレーザ変位計17と車両用ドア50の表面との対向距離の変位量とに基づいて、車両用ドア50の表面形状を、3次元的に測定することができる。
架台34は、車両用ドア50を載置できるような平面視略矩形台状をなし、車両用ドア50の載置面(上面)には、ゴムマット43が敷設されている。
支持柱32は、架台34から鉛直方向に沿って立設されている。
そして、架台34のゴムマット43の上に、車両用ドア50のドアパネル51の下端部を載置するとともに、ドアパネル51の上端部を、弾性部材40と上下方向において対向させた状態で、ハンドル36の操作部42を正回転させて、昇降軸41を降下させると、昇降軸41の降下に伴って弾性部材40の下面がドアパネル51の上端部に押圧状態で当接する。これによって、車両用ドア50は、ドアパネル51がゴムマット43と弾性部材40とによって弾性的に挟持されるので、ワーク保持部3において、直立状態で保持される。この直立状態において、ドアパネル51は、ベースフレーム4およびスライド杆12に対して、平行となるように配置する。
そして、このようにワーク保持部3において保持された車両用ドア50は、測定部2において、3次元的に移動するレーザ変位計17と、前後方向において間隔を隔てて対向配置される。
図4は、表面形状測定プログラムのフロー図である。表面形状測定プログラムの処理が開始されると、まず、CPU21において、測定条件を設定する(S1)。測定条件の設定は、モニタ30上に、測定に必要な条件として、X軸サーボモータ22により移動する左右方向(以下、X軸方向とする。)でのレーザ変位計17の測定間隔であるX軸ピッチPX(図5参照、例えば、0.01〜1.0mmの範囲)、および、Z軸サーボモータ24により移動する上下方向(以下、Z軸方向とする。)でのレーザ変位計17の測定間隔であるZ軸ピッチPZ(図5参照、例えば、1.0〜50mmの範囲)が表示されるので、これらX軸ピッチPXおよびZ軸ピッチPZをキーボード31から入力する。
次いで、レーザ変位計17がオンされた後(S3)、測定範囲を指定する(S4)。
測定範囲の指定は、例えば、図5に示すように、キーボード31からの入力により、レーザ変位計17を移動させて、測定開始点Sおよび測定終了点Eを対角状にそれぞれ指定する。これによって、対角状に指定される測定開始点Sおよび測定終了点Eで区画される正面視四角形の領域が、測定範囲として設定される。
そして、測定範囲が指定された後、レーザ変位計17によるドアパネル51の外側表面の表面形状が測定される。
そして、レーザ変位計17は、測定開始点S(この場合、測定開始点Sは、走査開始点S´にもなる。)からX軸サーボモータ22の駆動により、測定終了点Eに対応する位置(走査終了点E´であって、Z軸方向において測定終了点Eと対向する位置)まで、上記で設定したX軸ピッチで、X軸方向に走査される。このとき、CPU21では、レーザ変位計17によって検知されるX軸ピッチごとのドアパネル51の外側表面に対する検知距離と、各検知距離に対応して他方のX軸ロータリエンコーダ23によって検知されるX軸方向におけるレーザ変位計17の走査位置データとを、走査データDAとして記憶する。
次いで、レーザ変位計17は、Z軸サーボモータ24の駆動により、測定開始点Sから、Z軸方向に上記で設定したZ軸ピッチ離間した走査開始点S´(Z軸方向において測定開始点SとZ軸ピッチを隔てて対向する位置)に移動された後、その走査開始点S´において、Y軸サーボモータ26の駆動により、レーザ変位計17とドアパネル51の外側表面との対向距離が、このレーザ変位計17の上記した最適検知距離となるように、レーザ変位計17がY軸方向に移動される。このとき、CPU21では、Y軸ロータリエンコーダ27によって検知されるY軸方向における測定開始点Sから走査開始点S´までの変位量を、変位データDBとして記憶する。
その後、レーザ変位計17がオフされた後(S6)、CPU21は、ドアパネル51の外側表面における測定範囲のX軸ピッチごとの検知距離(つまり、走査データDA)と、Z軸ピッチごとのY軸方向の変位量(つまり、変位データDB)とに基づいて、その測定範囲における3次元での位置座標を算出して(S7)、その算出された3次元の位置座標データを格納し、測定処理を終了する。
また、この測定においては、ワーク保持部3は、測定部2とは別体として設けられているので、ドアパネル51の大きさと無関係に、ドアパネル51の外側表面の表面形状を測定することができる。そのため、ドアパネル51が大型であっても、ドアパネル51の表面形状を精度よく測定することができる。
次に、各種の解析プログラムによって解析する方法について説明する。
なお、この等高線図は、キーボード31からの入力により、等高線の高さ間隔(等高線の本数)などを任意に設定することができる。また、キーボード31からの入力により、X軸方向およびZ軸方向に沿う任意の断面図を表示させることができる。
図6(b)および図6(c)から、補強材53の貼着部分でない部分を示すB−B’線断面図を含む部分では、外側表面は、緩やかな凸状の曲面であるのに対し、補強材53の貼着部分を示すA−A’線断面図を含む部分では、外側表面は、大きく凹む曲面であることを確認することができる。また、その凹み量も370μmと定量化することができる。
しかし、微小な歪などについては、位置座標データを、単純に表面形状に対応した等高線図として表示したのみでは、判断できない場合がある。すなわち、ドアパネル51は、Z軸方向に沿って、Y軸方向に湾曲する曲面を有しているので、その曲面に基づくY軸方向の変位量が、歪に基づくY軸方向の変位量と重なって、微小な歪が判断できなくなる場合がある。
すなわち、メイン制御プログラムから平滑処理プログラムを起動させると、平滑処理プログラムでは、位置座標データを、仮想平面の位置座標に変換する。より具体的には、平滑処理プログラムでは、図7(a)に示すように、まず、X軸方向の各走査データDAについて、各走査開始点S´におけるY軸方向の変位量D1と、走査終了点E´におけるY軸方向の変位量D2との差ΔDを算出する。
その結果、位置座標データは、X軸方向およびZ軸方向に延びる平面に対して、平行となる仮想平面に変換される。
また、メイン制御プログラムから、キーボード31からの入力により、微分処理プログラムを起動させると、微分処理プログラムでは、平滑処理プログラムによって仮想平面に変換された等高線図において、X軸方向を微分する。この処理では、より具体的には、平滑処理プログラムによって補正された各走査データDAに対して微分係数を算出する。微分は、公知の3点近似公式や5点近似公式が用いられる。
微分すれば、図9(a)および(b)に示すように、傾きが大きく変化している部分、つまり、歪のある部分において、大きな微分係数が得られるので、歪の位置を際立たせて、歪が生じている位置を、容易に特定することができる。そのため、歪のより一層正確な検知を達成することができる。
2回の微分(2階微分)をすれば、図10(a)および(b)に示すように、歪の位置をさらに強調することができる。
なお、上記した1階微分および2階微分は、キーボード31からの入力により実行することができる。すなわち、メイン制御プログラムから、キーボード31からの入力により、微分処理プログラムを起動させると、まず、上記した1階微分が実行され、図9(a)に示す等高線図が、モニタ30に表示される。また、この等高線図は、上記と同様に、キーボード31からの入力により、X軸方向およびZ軸方向に沿う任意の断面図を表示させることができるので、図9(b)に示す断面図を、モニタ30に表示させることができる。また、上記した1階微分が実行され、図9(a)に示す等高線図が、モニタ30に表示された後、さらに、キーボード31からの入力により、上記した2階微分を実行することができる。そして、上記した2階微分が実行されると、図10(a)に示す等高線図が、モニタ30に表示される。また、この等高線図は、上記と同様に、キーボード31からの入力により、X軸方向およびZ軸方向に沿う任意の断面図を表示させることができるので、図10(b)に示す断面図を、モニタ30に表示させることができる。
すなわち、図11(a)に示すように、上記の各種処理によって歪の位置が特定できた場合に、各種処理により得られた等高線図において、キーボード31からの入力によって、その歪の位置にポインタPを位置させた後、キーボード31からの入力によって、メイン制御プログラムから位置特定プログラム起動させると、図11(b)に示すように、等高線図上のポインタPの位置座標に基づいて、そのポインタPの位置に対応するドアパネル51の外側表面の特定の対向位置に、レーザ変位計17が移動される(図11(b)では、レーザ変位計17は、センサホルダ19と重なっている)。これによって、ドアパネル51の外側表面における歪が生じている実際の位置を、容易に確認することができる。
なお、補強材53の貼着部分は、予め、実際のドアパネル51の補強材53の貼着部分を、レーザ変位計17を移動させることによりマーキングしておき、そのマーキング領域(貼着部分)をCPU21内に格納しておき、貼着部分表示プログラムでは、それを各等高線図に対応して、ポップアップ表示する。
また、以上の説明では、本発明の表面形状測定装置を、車両用ドア50のドアパネル51の外側表面を測定することを例示して説明したが、本発明の表面形状測定装置では、車両用ドア50以外のワークであっても測定が可能であり、例えば、自動車のボンネットなども、測定することができる。本発明の表面形状測定装置は、表面が曲面である大型のワークの表面形状の測定に、好適に用いることができる。
2 測定部
3 ワーク保持部
17 レーザ変位計
21 CPU
22 X軸サーボモータ
24 Z軸サーボモータ
26 Y軸サーボモータ
50 車両用ドア
51 ドアパネル
53 補強材
Claims (9)
- ワークの曲面に対し、非接触センサを走査して前記ワークの曲面の歪を測定する表面形状測定装置であって、
前記ワークの曲面に対向配置される前記非接触センサと、
前記ワークの曲面に対し、前記ワークの曲面が湾曲する湾曲方向に沿って、前記非接触センサを移動させるZ軸移動手段と、
前記ワークの曲面に対し、前記湾曲方向と直交する方向に前記非接触センサを移動させるX軸移動手段と、
前記ワークの曲面に対し、前記非接触センサと前記ワークの曲面とが対向する対向方向の距離が一定に保持されるように、前記対向方向に沿って、前記非接触センサを移動させるY軸移動手段と、
前記非接触センサの走査により得られる走査データを処理する処理手段とを有する測定部を備え、
前記ワークが、前記非接触センサと対向する表面と反対側の裏面に、補強材が積層されている金属板であり、
前記処理手段は、
前記走査データから前記ワークの曲面の位置座標を計測し、その位置座標から、前記ワークの曲面の歪みを判断するための等高線図を作成する等高線図作成手段と、
走査開始点のX軸方向の位置座標X1と走査終了点の位置座標X2とから傾きΔD/(X2−X1)を算出し、Y軸方向の各変位量から、X軸方向の傾きが0となるように傾き分を差し引き、このようにして前記ワークの曲面の位置座標を、仮想平面の位置座標に変換する平滑処理手段と、
前記ワークの曲面の位置座標に基づいて、前記補強材の特定の位置座標に対応する前記ワークの曲面の特定の対向位置に、前記非接触センサを移動させる位置特定手段と、
前記ワークの前記補強材の積層位置に対応して、前記等高線図に、前記積層位置を表示し、前記積層位置を前記等高線図に重ね合わせて表示する積層位置表示手段と
を備えていることを特徴とする、表面形状測定装置。 - 前記ワークは、その曲面の湾曲方向が鉛直方向に沿って延びるように配置され、
前記Z軸移動手段が、前記非接触センサを鉛直方向に沿って移動させることを特徴とする、請求項1に記載の表面形状測定装置。 - 前記ワークを、前記ワークの曲面の湾曲方向が鉛直方向に沿って延びる状態で保持するワーク保持部を、前記測定部とは別体として備えていることを特徴とする、請求項1または2に記載の表面形状測定装置。
- 前記補強材が、外部エネルギにより硬化する樹脂で形成されたシート状物であり、前記金属板の裏面に貼付して、前記金属板を補強することを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の表面形状測定装置。
- 前記ワークが、車両用鋼板であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の表面形状測定装置。
- 前記非接触センサが、レーザ変位計であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の表面形状測定装置。
- 前記処理手段は、前記走査データを微分する微分処理手段を備えていることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の表面形状測定装置。
- ワークの曲面に対し、非接触センサを走査して前記ワークの曲面の歪を測定する表面形状測定方法であって、
前記ワークが、前記非接触センサと対向する表面と反対側の裏面に、補強材が積層されている金属板であり、
前記非接触センサの走査により得られる走査データから、前記ワークの曲面が湾曲する湾曲方向であるZ軸方向の位置座標、前記Z軸方向と直交する方向であるX軸方向の位置座標、および、前記Z軸方向および前記X軸方向と直交し、前記非接触センサと前記ワークの曲面とが対向する対向方向であるY軸方向の位置座標を計測し、それらの位置座標から、前記ワークの曲面の歪みを判断するための等高線図を作成し、
走査開始点のX軸方向の位置座標X1と走査終了点の位置座標X2とから傾きΔD/(X2−X1)を算出し、Y軸方向の各変位量から、X軸方向の傾きが0となるように傾き分を差し引き、このようにして前記ワークの曲面の位置座標を、仮想平面の位置座標に変換し、
前記ワークの曲面の位置座標に基づいて、前記補強材の特定の位置座標に対応する前記ワークの曲面の特定の対向位置に、前記非接触センサを移動させ、
前記ワークの前記補強材の積層位置に対応して、前記等高線図に、前記積層位置を表示し、前記積層位置を前記等高線図に重ね合わせて表示することを特徴とする、表面形状測定方法。 - 前記走査データを微分することを含むことを特徴とする、請求項8に記載の表面形状測定方法。
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