JP2004340828A - 表面評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】凹部を含む表面の形状を正確に評価することができる表面形状評価装置を提供する。
【解決手段】レーザースポットの光量分布のうち所定閾値以上の部分を用いて重心計算をして測定対象物の表面形状を測定するレーザー変位センサ１００を、凹部を含む表面に沿って移動させて得られた複数点の測定値に基づいて表面の形状を評価するデータ処理装置３００は、前記測定値の出現度数分布を得て、出現度数分布のなかで出現度数が高い区間に属する測定値に基づいて凹部底面の高さを算出する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面形状を評価する表面評価装置に関し、特にレーザー変位計による測定値を用いて表面形状を評価する表面評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー変位計を被測定物の表面に対して移動させることにより、被測定物の表面形状を測定して評価する技術が知られている（特許文献１参照。）。
【０００３】
通常のレーザー変位計は、レーザー光を被測定物の表面に投光し、反射光を受光して、いわゆる光学的三角測量法を用いて表面形状を測定する。
【０００４】
しかしながら、レーザースポットが最小でも２０μｍ程度となってしまうため、表面形状を測定するためには、レーザースポットのうちから一点を特定して測定する必要がある。近年では、表面状態に起因する誤差を低減するために、レーザースポットの光量分布のうち所定閾値以上の部分を用いて重心位置を求め、この重心位置を測定位置として被測定物の表面形状を測定するレーザー変位計が知られている。このようなタイプのレーザー変位計としては、たとえば、ハイスピードスモールパケッジＣＣＤ搭載型レーザー変位計とよばれる変位計が提供されている。
【０００５】
しかしながら、微小な凹部を含む表面形状の測定にＨＳ−ＣＣＤ搭載型レーザー変位計等を適用する場合、レーザースポットに対して斜めに配置される凹部側壁よりも、レーザースポットに対して略直角に配置される凹部底面からの反射が強いため、凹部底面の影響が強く測定値に反映される。したがって、実際の被測定物の表面形状とは異なる測定値が得られることが多く、測定値のみからでは被測定物の表面形状を評価することが困難である。
【０００６】
また、被測定物の表面形状によっては、レーザー光が散乱して、上記の重心位置が不明確となり、測定値が不安定となるため、実際の形状とは明らかに異なるノイズ成分が測定値に含まれる場合がある。
【０００７】
特に、近年では、自動車用シリンダブロックのシリンダ内面に対して溶射被膜を形成する際に、その前工程として、ねじ状の凹部で構成される切削面と、凹部相互間に形成されて凹部より微細な微細凹凸部で構成される破断面とからなる粗面を構成する技術が知られている（特許文献２参照。）。
【０００８】
このような粗面を評価する場合、直径７０ｍｍ〜９０ｍｍ程度の円筒形状のシリンダ内部にレーザー変位計を挿入して測定する必要があるため、小型化が容易なＨＳ−ＣＣＤ搭載型レーザー変位計が用いられる場合が多いが、上記のようなＨＳ−ＣＣＤ搭載型レーザー変位計の特性およびノイズ成分の発生によって、ひげ状の削り残し物の有無、および切削工具に起因する形状不良の有無などを評価することが困難となる場合もある。そして、かかる問題点は、自動車用シリンダブロックのシリンダ内面を評価する際に限られるものではなく、種々の表面評価においても解決されるべきものである。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−４８５３１号公報（要約、第１図）
【特許文献２】
特開２００２−１５５３５０号公報（特許請求の範囲、第２図）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の問題に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、凹部を含む表面の形状を正確に評価することができる表面形状評価装置を提供することである。より具体的には、本発明の目的は、反射光のレーザースポットの光量分布のうち所定閾値以上の部分を用いて重心を求め、この重心の値を用いて測定対象物の表面形状を測定するレーザー変位計による測定値を用いる場合であっても、凹部を含む表面の形状を正確に評価することができる表面形状評価装置を提供することである。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、切削工具で切削して得られた凹部を含む表面の形状を評価し、前記表面上の削り残り物の有無および形状不良の有無を検出する表面評価装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するための本発明は、レーザースポットの光量分布のうち所定閾値以上の部分を用いて重心計算をして測定対象物の表面形状を測定するレーザー変位計を、凹部を含む表面に沿って相対的に移動させて得られた複数点の測定値に基づいて当該表面の形状を評価する表面評価装置であって、前記測定値の出現度数分布を得る計数手段と、前記出現度数分布のなかで出現度数が高い区間に属する測定値に基づいて前記凹部底面の高さを算出する算出手段と、を有することを特徴とする。
【００１３】
上記した目的を達成するための本発明は、切削工具で切削して得られた凹部を含む表面の形状を評価する表面評価装置であって、レーザー変位計を前記表面に沿って相対的に移動させることによって前記表面形状を測定して得られた複数点の測定値に基づいて前記凹部底面の高さを算出する算出手段と、前記凹部底面の高さの算出値と前記測定値のうちの最大値またはその近傍値との間の差分である第１差分を算出し、当該第１差分に基づいて前記表面上の削り残り物の有無を検出する第１検出手段と、前記凹部底面の高さの算出値と前記複数点の測定値との各差分である第２差分を算出し、当該第２差分に基づいて切削工具に起因する形状不良の有無を検出する第２検出手段と、を有することを特徴とする。
【００１４】
【発明の効果】
本発明によれば、出現度数が高い区間に属する測定値に基づいて凹部底面の高さを算出するので、凹部底面高さよりも著しく低い値を持つノイズ成分などの影響が軽減される。したがって、凹部を含む表面の形状を正確に評価することができる。
【００１５】
また、本発明によれば、切削工具で切削して得られた凹部を含む表面の形状を評価し、前記表面上の削り残り物の有無および形状不良の有無を的確に検出することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る表面評価装置についての好適な実施形態を詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、自動車用シリンダブロックのシリンダ内面の表面形状を評価する場合を例にとって説明する。しかしながら、本発明は、シリンダ内面の表面形状を評価する場合に限られず、種々の表面形状を評価する場合に適用することができる。
【００１７】
本実施形態に係る表面評価システムを図１に示す。本評価システムは、シリンダ内部に挿入されてレーザー変位測定を実行するレーザー変位センサ（レーザー変位計）１００と、このレーザー変位センサ１００を移動するためのロボット２００と、レーザー変位センサ１００による測定値に基づいて表面形状を評価するためにデータ処理を行うデータ処理装置３００とを有する。ロボット２００には、回転軸２１０が設けられており、この回転軸２１０の端部にレーザー変位センサ１００が装着されている。
【００１８】
レーザー変位センサ１００には、レーザー変位センサ１００の出力を増幅する増幅器であるレーザー変位センサアンプ１１０が接続されている。また、ロボット２００には、ロボット２００をＸ、Ｙ、Ｚに並進移動させ、回転移動させるための制御を実行するセンサトラバースコントローラ２２０が付属している。
【００１９】
また、レーザー変位センサアンプ１１０および駆動ロボット２００から信号を受信するデータリンクコントローラ４００が設けられている。このデータリンクコントローラ４００は、レーザー変位センサ１１０によって得られた複数点の測定値とロボット２００からのＸ、Ｙ、Ｚ座標値等を収集し、それらを互いに関係づけることによって、凹凸波形データを提供する。
【００２０】
データ処理装置３００は、データリンクコントローラ４００と通信可能に接続されている。また、データ処理装置３００は、センサトラバースコントローラ２２０にも接続されている。データ処理装置３００で、ロボット２００によるレーザー変位センサ１００の走査条件設定、回転軸２１０の中心軸をワークの中心に合わせる芯だし設定、およびレーザー変位センサ１００とシリンダ内面（表面）との基準位置が設定される。これらの設定に応じて、センサトラバースコントローラ２２０がロボット２００を制御することによって、レーザー変位センサ１００がシリンダ内面（表面）の軸方向（Ｚ方向）に沿って移動する。この結果、レーザー変位センサ１００は、シリンダ内面に沿った複数点で測定を行う。そして、データリンクコントローラ４００を介して複数の座標点にわたる測定値がデータ処理装置３００に提供され、データ処理装置３００が表面形状評価を行う。レーザー変位センサ１００の移動速度は、たとえば１０ｍｍ／秒程度である。
【００２１】
レーザー変位センサ１００の概略構成を図２に示す。レーザー変位センサ１００は、レーザースポットの光量分布のうち所定閾値以上の部分を用いて重心を求め、この重心位置を測定位置として測定対象物の表面形状を測定するレーザー変位計である。具体的には、レーザー変位センサ１００は、たとえば、ハイスピードスモールパケッジＣＣＤ（ＨＳ−ＣＣＤ）搭載型とよばれる変位計である。なお、本実施の形態では、レーザー変位センサ１００として、基準距離が１０ｍｍであり、光源が赤色半導体レーザーであり、基準距離におけるレーザースポット径が２０μｍであり、サンプリング速度が１２８μ秒〜２０４８μ秒であるセンサを用いた。しかしながら、本実施形態と異なる諸元を有するレーザー変位センサを用いてもよいことはもちろんである。
【００２２】
図３に、レーザースポットの光量分布と重心との関係を示し、図４および図５に、レーザー変位センサ１００による計測例を示す。なお、図４および図５では、凹凸を含む表面をレーザー変位センサ１００によって測定した場合の計測例が示されている。なお、図４では、実際の表面形状を実線で示し、レーザースポットの光量分布を点線で示している。図４（Ａ）〜（Ｃ）に示されるように、投光されるレーザースポットが斜面（凹部の側壁）に移動しても、上記の重心位置は、凹部底面（歯底）からあまり移動しない。そして、図４（Ｄ）に示されるとおり、投光されるレーザースポットが、凹部相互間に形成されている凸部の先端（歯先）に達した時に、重心位置が凹部底面（歯底）から凸部の先端へ急激に移動する現象が生じる。このように図４（Ａ）〜（Ｄ）に示される特性は、凹凸部分を構成している斜面（凹部の側壁）よりも、平らな凹部底面で反射されるレーザー光量の方が多くなるために生じるものである。この結果、凹部底面（歯底）位置における測定値の出現度数が高くなり、図５に示されるとおり、実際の凹凸形状よりも凹部底面が強調されて、凸部が痩せた形状が得られることが多い。
【００２３】
次に、レーザー変位センサ１００による変位測定の対象となるシリンダ内面について説明する。図６は、本実施の形態の表面評価システムによる評価対象面であるシリンダ内面（被溶射面）の形状を示す。
【００２４】
図６（Ａ）は、正常なシリンダ内面付近の断面を示す図である。この表面５００は、凹部で構成される切削面５０１と、この切削面５０１における凹部相互間に形成された破断面５０２とを含む。破断面５０２は、切削されていない非切削面である。この破断面５０２には、切削面５０１における凹部よりも微細な凹凸部５０３を含む。切削面５０１は、切削工具で切削して得られたねじ状の凹部である。また、破断面５０２における微細な凹凸部５０３は、切削面５０１の加工時に発生する切削片がシリンダ内面を破断するように作用して形成されたものである。このような切削面５０１および微細な凹凸部５０３を含む表面５００を形成することによって、その後の工程でこの内面上に溶射される皮膜（溶射皮膜）の密着力が高められる。
【００２５】
なお、正常な表面では、たとえば、切削面５０１の底部（以下、凹部底部という）と破断面５０２の上部との間の高さ寸法は、６０〜９０μｍであり、隣接する切削面５０１間のピッチは、０．１〜０．２ｍｍである。このような正常な表面では、破断面５０２を含むため、断面略台形状の凸部が形成される。
【００２６】
図６（Ｂ）は、削り残り物（切粉などを含む）が存在する不具合が発生した表面を示す。ひげ状をした削り残り物５０４が存在する不具合は、ひげ残りと呼ばれる。図６（Ｃ）は、切削工具がチッピングしたことに起因する不具合が発生した表面を示す。この場合には、図６（Ａ）の場合と異なり、凹部相互間の非切削部５０５の上面の面積が小さくなる。言い換えれば、切削工具のチッピングが生じた場合には、断面略台形形状の破断面５０２に代えて、断面略三角形状の先細りの凸部が形成される。また、チッピング以外の形状不良であっても、図６（Ｄ）に示されるとおり、非切削部の先端部が破断せずに残る場合、凹部相互間の非切削部の上面の面積が小さくなる傾向を示す。また、図示していないが、凹部底部と破断面５０２との間の高さ寸法が、基準値から外れる場合も、不具合に相当する。たとえば、切削工具の切り込み深さが正常値から変化した場合などに、高さ寸法が基準値から外れる。
【００２７】
次に、データ処理装置３００の内容を説明する。図７は、データ処理装置３００の概略構成例を示すブロック図である。なお、データ処理装置３００は、形状評価装置として機能するものであり、たとえばパーソナルコンピュータなどを用いて構成することもできる。
【００２８】
ＣＰＵ３０１は、種々の演算および制御を実行するものである。メモリ３０２は、測定値などの種々のデータやパラメータを記憶するものであり、ＣＰＵ３０１のワーキングエリアとしても機能する。ハードディスク３０３は、プログラムや各種のデータを格納するものである。ディスプレイ３０４は、種々の結果などを表示するものである。キーボード３０５は操作部として機能するものである。キーボード３０５などの操作部を用いて、ロボット２００によるレーザー変位センサ１００の走査条件設定、回転軸２１０の中心軸をワークの中心に合わせる芯だし設定、およびレーザー変位センサ１００とシリンダ内面（表面）との基準位置の設定などが実行される。
【００２９】
インタフェース３０６は、データ処理装置３００をデータリンクコントローラ４００およびセンサトラバースコントローラ２２０等と通信可能に接続するものである。インタフェース３０６は、データリンクコントローラ４００およびレーザー変位センサアンプ１１０を介して、レーザー変位センサ１００による測定値を取得する取得手段として機能する。ただし、この測定値は、評価すべき表面に沿う複数点で測定された測定値であるが、上記の図４および図５で説明したとおり、実際の凹凸形状よりも凹部底面が強調されて、凸部が痩せた形状を示す測定値である。すなわち、凹部底面（歯底）位置における測定値の出現度数が高い。
【００３０】
ＣＰＵ３０１は、取得した複数点での測定値の出現度数分布を得る計数手段、および、出現度数分布のなかで出現度数が高い区間に属する測定値に基づいて前記凹部底面の高さを算出する算出手段などとして機能する。また、図６に示されるような各種の不具合を検出する第１および第２検出手段および補助検出手段としても機能する。これらの各機能の詳細については、後述する。
【００３１】
以上のように構成される表面評価システムは、以下のように動作する。
【００３２】
まず、図８〜図１０は、表面評価処理手順を示すフローチャートである。特に、図８に示される手順は、主として、図６（Ｂ）に示されるひげ残りの有無を評価する処理に対応する。また、図９に示される手順は、図６（Ｃ）に示される形状不良の有無、すなわち、切削工具のチッピングに起因する不具合の有無を評価する処理に対応する。さらに、図１０に示される処理は、粗さパラメータＲｃによる凹凸寸法良否判定に関するものであり、種々の表面形状評価全般に用いられるものである。
【００３３】
（ひげ残りの有無の判断）
まず、図８のステップＳ１０１では、データ処理装置によって設定された走査条件に基づいてセンサトラバースコントローラ２２０がロボット２００を制御する。この結果、レーザー変位センサ１１０は、評価すべき表面に沿って移動され、複数点での測定を行う。具体的には、レーザー変位センサ１１０は、図１に示されるシリンダ内面の軸方向（Ｚ方向）に移動しつつ、所定のサンプリング速度で測定を実行する。この結果、複数点の測定値が取得される。得られた測定値は、データリンクコントローラ４００において、Ｚ軸の座標値（Ｚ方向の移動距離）と関連づけられて、図１１に示されるような凹凸波形データとして提供される。なお、図１１の横軸は、レーザー変位センサの位置するＺ軸の座標（Ｚ方向のトラバース距離）を示し、縦軸は、得られた測定値を示す。測定値は、上述した基準距離からの変位で与えられる。
【００３４】
なお、レーザー変位センサ１１０の１ライン分の移動距離が大きい場合などを考慮して、１ラインが複数の線分（Ｎ個の線分）に分解される。そして、各線分ごとに図１１に示されるような凹凸波形データが得られる。すなわちＮ個の線分に対応する凹凸波形データが得られる。
【００３５】
次に、ステップＳ１０２では、得られた測定値の出現度数（出現頻度）を得るための計数がなされる。たとえば、図１１に示されている例では、測定値は、−１００μｍから＋１５０μｍ程度の広い範囲に存在しているが、測定値の存在する範囲を複数の区間（階級）に分け、各区間に属する測定値を計数する。たとえば、１０μｍ刻みの区間にわけることができる。この結果、図１２に示されるような出現度数分布が得られる。図１２に示される例では、縦軸が測定値であり、横軸が出現度数（頻度）である。なお、図１２に示される例では、出現度数を百分率（％）で表したが、この場合に限られない。なお、ステップＳ１０２の処理は、Ｎ個の線分に対応する凹凸波形データのすべてについて実行することが望ましい。図１２に示される場合では、測定値が−５０μｍ付近の区間において測定値の出現度数が高いことがわかる。
【００３６】
次に、ステップＳ１０３では、出現度数分布のなかで出現度数が高い区間に属する測定値の平均値を凹部底面高さとして算出する。たとえば、出現度数が高い区間は、出現度数が最大となる区間であることが望ましいが、必要に応じて、出現度数が最大となる区間とこの区間に隣接する付加区間とが含まれていてもよい。付加区間は、たとえば、±１０μｍ程度とすることができる。図１２に示される例では、−５０μｍが平均値として算出される。このようにステップＳ１０２およびステップＳ１０３の処理では、レーザー変位センサ１００の特性に起因して凹部底面の測定値の出現度数が高くなることを利用し、出現度数が高い区間に属する測定値の平均値を凹部底面高さとしている。すなわち、レーザー変位センサ１００が実際の表面形状と異なる測定値と提供してしまうという短所を逆に利用して、凹部底面高さを算出している。
【００３７】
次に、ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３で算出された凹部底面高さの算出値と、測定値のうちの最大値（または最大値の近傍値）との差分を取って、凹凸高さ最大値（第１差分）を算出する。なお、Ｎ個の線分に対応する凹凸波形データについて、夫々凹凸高さ最大値（第１差分）が算出される。すなわちＮ個の凹凸高さ最大値が算出される。
【００３８】
そして、ステップＳ１０５では、Ｎ個の凹凸高さ最大値（第１差分）のうちから最も大きい値を選択する。
【００３９】
次に、ステップＳ１０６では、ステップＳ１０５で選択された凹凸高さ最大値（第１差分）が第１所定値以下であるか否かが判断される。凹凸高さ最大値が第１所定値よりも大きければ（ステップＳ１０６：ＮＯ）、ステップＳ１０７において、ひげ残りが存在していると判断され、表面形状が不良であると判断される。一方、凹凸高さ最大値が第１所定値以下であれば（ステップＳ１０６：ＹＥＳ）、ステップＳ１０８に進む。
【００４０】
ステップＳ１０８では、Ｎ個の凹凸高さ最大値の夫々について、第２所定値よりも大きいか否かを判断し、第２所定値よりも大きい値を持つ凹凸高さ最大値の数を計数する。そして、Ｋ／Ｎ×１００の計算式によって、第２所定値よりも大きい値を持つ凹凸高さ最大値（第１差分）の発生頻度が算出される。
【００４１】
そして、ステップＳ１０９では、この発生頻度が第３所定値以下であるか否かが判断される。そして、発生頻度が第３所定値よりも大きい場合には（ステップＳ１０９：ＮＯ）、ステップＳ１０７に進み、ひげ残りが存在していると判断され、表面形状が不良であると判断される。一方、発生頻度が第３所定値以下である場合には（ステップＳ１０９：ＹＥＳ）、図９のステップＳ１１０に進む。
【００４２】
なお、上記の第１所定値、第２所定値、および第３所定値は、メモリ３０２内にパラメータとして記憶されており、キーボード３０５などを通じて、ユーザが事前に設定しておくこともできる。ここで、第１所定値のほうが第２所定値よりも大きいことが望ましい。
【００４３】
なお、図８のステップＳ１０２に示される機能は、測定値の出現度数分布を得る計数手段に対応する。また、ステップＳ１０３に示される機能は、出現度数分布のなかで出現度数が高い区間に属する測定値に基づいて前記凹部底面の高さを算出する算出手段に対応し、特に、出現度数が高い区間に属する測定値の平均値を前記凹部底面の高さとして算出する算出手段に対応する。
【００４４】
また、ステップＳ１０４、Ｓ１０５、Ｓ１０６、Ｓ１０７に示される機能は、複数点の測定値のうちの最大値または当該最大値の近傍値と凹部底面の高さの算出値との差分である第１差分を算出し、当該第１差分に基づいて、前記表面上での削り残り物の有無を検出する第１検出手段に対応する。
【００４５】
また、ステップＳ１０８、Ｓ１０９、Ｓ１０７に示される機能は、所定値よりも大きい値を示す第１差分が発生する頻度を算出し、この頻度に基づいて、前記表面上での削り残り物の有無を検出する補助検出手段に対応する。
【００４６】
図１３は、図８に示される本実施の形態の処理によって、ひげ残りの有無を評価した場合の評価結果を示す。なお、図１４は、比較例であり、単純に輪郭曲線（凹凸波形データ）の最大断面高さＲｔを求めて、ひげ残りを評価した場合を示す。図１３および図１４において、「ひげ×」と記載されているものは、ひげ残りが存在している表面形状を意味し、「ひげ○」と記載されているものは、ひげ残りが存在していない正常な表面形状を意味し、「ひげ△」と記載されているものは、その中間の境界域にあたるもの（仕様によっては、良品となったり不良となったりするもの）である。
【００４７】
図１４に示される比較例では、ひげ残り有りが存在する表面形状（黒四角で表示）と正常な表面形状（黒丸で表示）とが同様の値を示している。したがって、図１４に示される比較例の手法によっては、表面形状が正常か否かを十分に識別することができないことがわかる。一方、図１３に示される本実施の形態では、比較例の場合と比べて識別力が高まっており、ひげ残りの有無を正確に検出し、表面形状を評価できることがわかる。これは、本実施の形態の手法によれば、出現度数分布に基づいて凹部底面の高さを算出し、この凹部底面の高さを基準として算出した凹凸高さ最大値に基づいてひげ残りの有無を検出するので、基準が安定するとともに、凹部底面の高さよりも低い値を示すノイズ成分などの影響はなくなり、より正確な評価が可能となるためであると考えられる。
【００４８】
（切削工具のチッピングに起因する形状不良の有無の判断）
本実施の形態では、図８に示される処理が終了すると、図９に示されるように、切削工具のチッピングに起因する形状不良の有無が判断される。なお、図９に示される処理においても、図８のステップＳ１０２およびＳ１０３に示される処理によって算出される凹部底面の高さの算出値を基準として種々のデータ処理がなされる。
【００４９】
まず、ステップＳ１１０では、図８のステップＳ１０３で算出された凹部底面高さの算出値と、この算出値よりも大きな値を持つ個々の測定値との夫々の差分である高さ値（第２差分）を取る。したがって、凹部底面高さの算出値よりも大きな値を持つ個々の測定値と同数の第２差分が得られる。このように凹部底面高さの算出値よりも小さい値を持つ測定値を自動的に除去することによって、実際の表面形状としては有りえないノイズ成分の影響を軽減することができる。なお、ステップＳ１１０の処理は、Ｎ個の線分に対応する凹凸波形データのすべてについて実行することが望ましい。
【００５０】
次に、ステップＳ１１１では、ステップＳ１１０で算出された夫々の高さ値（第２差分）と図８のステップＳ１０４で算出された凹凸高さ最大値（第１差分）とを用いて、以下のように夫々の凹凸高さ百分率を算出する。具体的には、ステップＳ１１１では、凹凸高さ百分率＝［（個々の第２差分）−（第１差分）］／（第１差分）に従って、それぞれの凹凸高さの凹凸高さ最大値に対する比率を算出する。図１５に、凹凸高さ百分率に変換した凹凸波形データを示す。図１５の横軸は、Ｚ軸の座標値（Ｚ方向の移動距離）を示し、縦軸は、算出された凹凸高さ百分率を示す。
【００５１】
次に、ステップＳ１１２では、算出された凹凸高さ百分率の累積出現度数（累積出現頻度）を得るために計数がなされ、図１６に示されるような累積出現度数分布が得られる。図１６の縦軸は、凹凸高さ百分率を示し、横軸は、累積出現度数を示す。ここで、累積出現度数とは、凹凸高さ百分率０（％）から凹凸高さ百分率−Ｘ（％）に至るまでに出現した個数を累積したものである。累積出現度数は、好ましくは、全体の測定点の個数との比率を取ることによって比率（たとえば、百分率）で与えられる。
【００５２】
図１６には、正常な表面形状の場合（図６（Ａ）参照）と、切削工具のチッピングに起因する不具合が生じている表面形状（図６（Ｃ）参照）の場合とについて、それぞれの累積出現度数分布が示されている。
【００５３】
図１６に示されるとおり、正常な表面形状の場合には、断面略台形形状の凸部（すなわち、破断面）が形成されていることに起因して、累積出現度数分布を示す曲線は、凹凸高さ百分率が−６０〜−７０％付近で傾きが増加し、その後、−９０％付近で傾きが減少するという凸型の曲線プロフィールを示す。一方、切削工具のチッピングに起因する不具合が生じている表面形状の場合には、良好な破断面が形成されておらず、先細りした断面略三角形状の凸部が形成されていることに起因して、累積出現度数分布を示す曲線は、凹凸高さ百分率のすべての範囲にわたって、傾きが徐々に減少するという凹型の曲線プロフィールを示す。そして、正常な表面形状の場合と、切削工具のチッピングに起因する不具合が生じている表面形状の場合とでは、たとえば、凹凸高さ百分率が−５０％〜−７０％の範囲で、累積出現度数分布が大きく異なる。
【００５４】
ステップＳ１１３では、正常な表面形状と形状不良の表面形状とを識別しやすい特定の凹凸高さ百分率における累積出現度数を算出する。たとえば、上記の−５０％〜−７０％の範囲の中から凹凸高さ百分率が−６０％のときにおける累積出現度数を算出する。図１６に示される例では、正常な表面形状の場合は、凹凸高さ百分率が−６０％のときにおける累積出現度数が６０％程度になるのに対し、切削工具のチッピングに起因する不具合が生じている表面形状の場合には、累積出現度数は２０％程度となる。また、正常な表面形状と不具合のある表面形状との境界領域では、累積出現度数は４０％程度となる。なお、ステップＳ１１３の処理は、Ｎ個の線分に対応する凹凸波形データのすべてについて実行することが望ましい。この結果、Ｎ個の累積出現度数が算出される。
【００５５】
ステップＳ１１４では、ステップＳ１１３で算出されたＮ個の累積出現度数（％）の中から最小の累積出現度数を求める。
【００５６】
そして、ステップＳ１１５では、ステップＳ１１４で得られた最小の累積出現度数が第４所定値以下であるか否かが判断される。そして、最小の累積出現度数が第４所定値以下である場合には（ステップＳ１１５：ＹＥＳ）、ステップＳ１１６に進み、切削工具のチッピングに起因する不具合が生じており、表面形状が不良であると判断される。一方、最小の累積出現度数が第４所定値よりも大きい場合には（ステップＳ１１５：ＮＯ）、切削工具のチッピングに起因する不具合が存在しないものと判断し、図１０のステップＳ１１７へ進む。第４所定値は、仕様に基づいて事前に設定しておくことが望ましい。
【００５７】
なお、図９のステップＳ１１０〜ステップＳ１１６に示される機能は、凹部底面の高さの算出値よりも大きい値を有する複数点の測定値と凹部底面の高さの算出値との間の各差分である第２差分をとって、第２差分に基づいて切削工具に起因する形状不良の有無を検出する第２検出手段に相当する。
【００５８】
図１７は、図９に示される本実施の形態の処理によって、切削工具のチッピングに起因する形状不良の有無を評価した場合の評価結果の一例を示す。なお、図１８は、第１の比較例であり、単純に粗さパラメータＲｃを求めて、形状不良を評価した場合を示す。また、図１９は、第２の比較例であり、単純に粗さパラメータＲｚを求めて、形状不良を評価した場合を示す。
【００５９】
図１８および図１９に示される比較例では、正常な表面形状（図中に黒菱形で表示）と、形状不良を有する表面形状（図中で黒丸で表示）とを識別することはできるとはいえ、正常な表面形状（黒菱形）と、正常と不良の境界にある表面形状（図中で黒三角で表示）との区別は難しい。すなわち、正常な表面形状（黒菱形）と、正常と不良の境界にある表面形状（図中で黒三角で表示）とは、同様な値を示すので、識別することが困難である。一方、図１７に示される本実施の形態では、比較例の場合と比べて識別力が高まっており、正常な表面形状（黒菱形）と、正常と不良の境界にある表面形状（図中で黒三角で表示）との識別も可能となっている。すなわち、本実施の形態の手法によれば、出現度数分布に基づいて凹部底面の高さを算出し、この凹部底面の高さを基準として処理するため、ノイズ成分の影響が軽減できる。さらに、累積出現度数分布を用いて評価することによって、単なる粗さパラメータＲｃ、Ｒｚを用いる比較例の場合と比べて、評価すべき表面に含まれる凸部の形状（凹部相互間の形状）の違い（断面略台形、または断面略三角形か）を考慮して評価できるので、評価精度の向上を図ることができる。
【００６０】
（粗さパラメータＲｃによる評価）
本実施の形態では、図９に示される処理が終了すると、図１０に示されるように、ステップＳ１１７では、図８のステップＳ１０３で算出された凹部底面高さの算出値を基準として、この算出値よりも大きい測定値のみを用いた凹凸波形データを算出する。そして、この算出された凹凸波形データかを用いて粗さパラメータＲｃを算出する。なお、ステップＳ１１７の処理は、Ｎ個の線分に対応する凹凸波形データのすべてについて実行される。この結果、Ｎ個の粗さパラメータＲｃが求められる。
【００６１】
ステップＳ１１８では、Ｎ個の粗さパラメータＲｃの平均値を算出する。そして、ステップＳ１１９では、ステップＳ１１８で算出されたパラメータＲｃの平均値を第５所定値および第６所定値と比較する。この結果、パラメータＲｃの平均値が第５所定値以上、かつ第６所定値未満という条件を満たさない場合には（ステップＳ１１９：ＮＯ）、ステップＳ１２０へ進む。一方、パラメータＲｃの平均値が第５所定値以上、かつ第６所定値未満という条件を満たす場合には（ステップＳ１１９：ＹＥＳ）、ステップＳ１２１へ進む。第５所定値および第６所定値については、事前に設定しておくことができる。
【００６２】
ステップＳ１２０では、Ｒｃが規定範囲から外れているので、表面形状が不良であると判断される。たとえば、切削工具の切り込み深さの設定が基準から変化してしまっている場合などでは、Ｒｃが規定値から外れる場合が生じる。
【００６３】
一方、ステップＳ１２１では、Ｒｃが規定範囲を満たすので、正しい表面形状であると判断される。
【００６４】
なお、図１０に示される処理は、ステップＳ１１７において、凹部底面高さの算出値を基準として、この算出値よりも大きい測定値のみを用いた凹凸波形データとしてからＲｃを算出する。したがって、ノイズ成分の影響によって、凹凸底面高さよりも極めて低い値の測定値が現れている場合であっても、これらのノイズ成分の影響を除去することができる。
【００６５】
以上のとおり本実施形態によれば、以下の効果を有する。
【００６６】
（イ）レーザースポットの光量分布のうち所定閾値以上の部分を用いて重心計算をして測定対象物の表面形状を測定するタイプのレーザー変位センサ計の短所を逆利用して、前記測定値の出現度数分布のなかで出現度数が高い区間に属する測定値に基づいて前記凹部底面の高さを算出するので、算出した凹部底面を基準に種々の表面評価を実行することができる。したがって、ノイズ成分の影響などを軽減して、凹部を含む表面形状を正確に評価することができる。
【００６７】
（ロ）特に、本実施の形態の表面評価システムは、微細な凹部を有する表面の形状評価に適しているので、凹部で構成される切削面と、凹部相互間に形成されて凹部より微細な凹凸部で構成される破断面を含むシリンダ内面の表面評価などを高精度に実行することができる。
【００６８】
（ハ）また、出現度数が高い区間に属する測定値の平均値を凹部底面の高さとして算出するので、種々の評価の基準となる凹部平面の高さを高精度に算出することができる。
【００６９】
（二）特に、図８に示されるように、複数点の測定値のうちの最大値と凹部底面の高さの算出値との差分である凹凸高さ最大値（第１差分）を算出し、この凹凸差分に基づいて、ひげ残りの有無などを検出するので、単に輪郭曲線の最大断面高さＲｔに基づいて評価する場合と比べて、良否識別の際の識別力が高まる。
【００７０】
（ホ）特に、図９に示されるように、前記複数点の測定値のうち凹部底面の高さ以上の各測定値と凹部底面の高さの算出値との差分である高さ値（第２差分）を算出し、個々の高さ値（第２差分）から凹凸高さ最大値（第１差分）を差し引いて、その結果を凹凸高さ最大値で除算することによって凹凸高さの比率を求め、この凹凸高さの比率の累積出現度数分布に基づいて、切削工具のチッピング等に基づく形状不良の有無を検出するので、単なる形状パラメータＲｃ、Ｒｚを用いて表面形状を評価する場合と比べて、良否識別の際の識別力が高まる。また、累積出現度数分布を用いることによって、評価すべき表面に含まれる凸部の形状の違い（断面略台形、または断面略三角形か）を考慮して評価できるので、評価の精度が向上する。
【００７１】
（へ）まず、凹部底面の高さを算出し、この凹部底部の高さを基準とすることによって、一台のシステムで、表面上の削り残り物の有無を検出することができるとともに、切削工具に起因する形状不良の有無を検出することができる。
【００７２】
なお、以上のとおり、本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で種々の追加、省略、および変形が可能であることは明らかである。
【００７３】
たとえば、上記の説明では、ひげ残りの有無と、切削工具に起因する形状不良の有無の双方ともを検出する場合を説明したが、本発明はこの場合に限られず、それぞれを単独で検出することもできる。
【００７４】
また、上記の説明では、測定値の出現度数を、百分率で示したが、本発明はこの場合に限られない。出現度数が高い区間に属する測定値に基づいて凹部底面の高さを算出するものであれば、適用できる。また、上記の説明では出現度数が高い区間に属する測定値の平均値を凹部底面の高さとして算出する場合を示したが、平均値を取る以外の処理を適用してもよい。
【００７５】
さらに、上記の説明では、凹凸高さ百分率を算出する場合を示したが、百分率でなくても、凹部底面の高さを基準として比率計算を実行するものであれば、適用することができる。また、凹凸高さ百分率として、［（個々の第２差分）−（第１差分）］／（第１差分）を用いたが、［（第１差分）−（個々の第２差分）］／（第１差分）などを用いることもできる。
【００７６】
また、図８〜図１０の処理は、ひげ残りの有無の検出、切削工具に起因する形状不良の有無の検出、および、その他のＲｃに基づく評価の順番で処理を実行したが、本発明はこの順番に限られない。また、ひげ残りの有無の検出のみを実行してもよく、切削工具に起因する形状不良の有無の検出のみを実行してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施の形態における表面評価システムの概略構成図である。
【図２】図１に示すレーザー変位センサの概略構成図である。
【図３】図２のレーザー変位センサにおけるレーザースポットの光量分布と重心との関係を示す図である。
【図４】図１に示されるレーザー変位センサによる計測例を示す図である。
【図５】図１に示されるレーザー変位センサによる計測結果を示す図である。
【図６】本実施の形態における評価対象物である表面形状を示す図である。
【図７】図１に示されるデータ処理装置の概略構成を示すブロック図である。
【図８】図１に示される表面評価システムによる処理手順を示すフローチャートである。
【図９】図８に後続する処理手順を示すフローチャートである。
【図１０】図９に後続する処理手順を示すフローチャートである。
【図１１】データ処理装置による処理前の凹凸波形データの一例である。
【図１２】データ処理装置によって得られた出現度数分布の一例である。
【図１３】データ処理装置によって、ひげ残りの有無を評価した場合の評価結果の一例を示す図である。
【図１４】ひげ残りの有無の評価についての比較例を示す図である。
【図１５】データ処理装置によって凹凸高さ百分率に変換された凹凸波形データの一例である。
【図１６】データ処理装置によって得られた凹凸高さ百分率の累積出現度数分布の一例である。
【図１７】データ処理装置によって、切削工具のチッピングに起因する形状不良の有無を評価した場合の評価結果の一例を示す図である。
【図１８】粗さパラメータＲｃを求めて形状不良を評価する比較例を示す図である。
【図１９】粗さパラメータＲｚを求めて形状不良を評価する比較例を示す図である。
【符号の説明】
１００…レーザー変位センサ（レーザー変位計）、
２００…ロボット、
３００…データ処理装置（表面評価装置）、
４００…データリンクコントローラ、
５０１…切削面（凹部）、
５０２…破断面。

Claims (7)

1. レーザースポットの光量分布のうち所定閾値以上の部分を用いて重心計算をして測定対象物の表面形状を測定するレーザー変位計を、凹部を含む表面に沿って相対的に移動させて得られた複数点の測定値に基づいて当該表面の形状を評価する表面評価装置であって、
   前記測定値の出現度数分布を得る計数手段と、
   前記出現度数分布のなかで出現度数が高い区間に属する測定値に基づいて前記凹部底面の高さを算出する算出手段と、
   を有することを特徴とする表面評価装置。
2. 前記表面は、前記凹部で構成される切削面と、前記凹部相互間に形成されて前記凹部より微細な凹凸部で構成される破断面とを含むことを特徴とする請求項１に記載の表面評価装置。
3. 前記算出手段は、前記出現度数が高い区間に属する測定値の平均値を前記凹部底面の高さとして算出することを特徴とする請求項１に記載の表面評価装置。
4. さらに、前記複数点の測定値のうちの最大値または当該最大値の近傍値と前記凹部底面の高さの算出値との差分である第１差分を算出し、当該第１差分に基づいて、前記表面上での削り残り物の有無を検出する第１検出手段を有することを特徴とする請求項３に記載の表面評価装置。
5. さらに、所定値よりも大きい値を示す第１差分が発生する頻度を算出し、当該頻度に基づいて、前記表面上での削り残り物の有無を検出する補助検出手段を有することを特徴とする請求項４に記載の表面評価装置。
6. さらに、前記凹部底面の高さの算出値よりも大きい値を有する複数点の測定値と当該凹部底面の高さの算出値との各差分である第２差分を算出し、当該第２差分に基づいて、切削工具に起因する形状不良の有無を検出する第２検出手段と、を有することを特徴とする請求項３に記載の表面評価装置。
7. 切削工具で切削して得られた凹部を含む表面の形状を評価する表面評価装置であって、
   レーザー変位計を前記表面に沿って相対的に移動させることによって前記表面形状を測定して得られた複数点の測定値に基づいて前記凹部底面の高さを算出する算出手段と、
   前記測定値のうちの最大値またはその近傍値と前記凹部底面の高さの算出値との間の差分である第１差分を算出し、当該第１差分に基づいて前記表面上の削り残り物の有無を検出する第１検出手段と、
   前記凹部底面の高さの算出値よりも大きい値を有する複数点の測定値と当該凹部底面の高さの算出値との各差分である第２差分を算出し、当該第２差分に基づいて切削工具に起因する形状不良の有無を検出する第２検出手段と、を有することを特徴とする表面評価装置。

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