JP2005315838A - 表面形状測定装置および表面形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 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。
【解決手段】 ドアパネル５１の湾曲形状の外側表面に対向配置されるレーザ変位計１７と、ドアパネル５１の外側表面に対し、上下方向に沿ってレーザ変位計１７を移動させるＺ軸サーボモータ２４と、左右方向に沿ってレーザ変位計１７を移動させるＸ軸サーボモータ２２と、レーザ変位計１７とドアパネル５１の外側表面との対向方向に沿ってレーザ変位計１７を移動させるＹ軸サーボモータ２６とを備え、ＣＰＵ２１によって、Ｙ軸サーボモータ２６を、レーザ変位計１７とドアパネル５１の外側表面との対向方向の距離が一定に保持されるように、制御する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ワークの曲面の形状を測定するための表面形状測定装置および表面形状測定方法に関する。

近年、自動車業界では、燃費向上や排ガス低減のために車体重量の低減を図っている。その中で、鋼板の厚みも薄くなる傾向にあり、鋼板強度の不足が問題となってきている。鋼板強度の不足に対しては、鋼板自体を薄くしても高強度な高張力鋼板などの材料にしたり、あるいは、補強バーを設置することで対策がとられている。しかしながら、高張力鋼板を用いると、一般の鋼板と比較して、製品コストが高くなるという問題がある。また、補強バーは金属製であり、それを設置すると、重量低減には逆効果になってしまう問題がある。

そのため、鋼板の剛性を補いつつ重量増加を抑える方法として、樹脂材料による補強用のシート状物を貼付して薄板の鋼板を補強する方法が増加しつつある。
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。

そこで、例えば、特許文献１に記載される３次元形状測定装置を用いて、鋼板表面の歪を判別することが試みられている。
特表２００３−５３３６８５号公報

しかるに、特許文献１に記載の３次元形状測定装置では、測定対象を光電式センサによって測定している。光電式センサは、測定対象に対して測定可能な距離範囲があり、測定可能な距離範囲が大きいと、測定精度が低く、一方、測定可能な距離範囲が小さいと、測定精度が高くなる。
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。

しかし、測定可能な距離範囲が大きい光電式センサでは、測定精度が低く、歪の正確な検知が困難である。
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。

上記目的を達成するために、本発明は、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軸移動手段と有する測定部を備えていることを特徴としている。

本発明の表面形状測定装置では、Ｚ軸移動手段によって、非接触センサをワークの湾曲方向に沿って移動させても、Ｙ軸移動手段が、非接触センサとワークの曲面との対向方向に沿って、その対向方向の距離が一定に保持されるように、非接触センサを移動させるので、ワークの曲面における湾曲方向に沿う互いに異なる位置において、非接触センサとワークの曲面との対向方向の距離を一定に保持しつつ、Ｘ軸移動手段によって、非接触センサを、ワークの湾曲方向と直交する方向に沿って移動させることができる。

そのため、測定精度の高い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。
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。

これによって、ワークを鉛直方向に配置した状態で、表面形状を測定することができるので、ワークを水平方向に配置した状態で、表面形状を測定する場合に比べて、省スペースで、かつ、効率のよい測定を達成することができる。
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。

ワーク保持部を備えれば、ワークを鉛直方向に配置した状態を、しっかりと保持することができるので、表面形状の測定精度の向上を図ることができる。
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。

また、本発明の表面形状測定装置では、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ることが好適である。
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では、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が好適である。
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。

また、本発明の表面形状測定装置では、前記ワークが、車両用鋼板であることが好適である。
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。

非接触センサがレーザ変位計であれば、測定精度が非常に高く、より一層、正確な歪の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装置は、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を備え、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を備えていることが好適である。

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、前記処理手段は、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を備えていることが好適である。
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、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、前記処理手段は、前記ワークの曲面の位置座標に基づいて、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を備えていることが好適である。

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、前記処理手段は、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する積層位置表示手段を備えていることが好適である。

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方法は、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ことを特徴としている。

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、本発明の表面形状測定方法では、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ことを含むことが好適である。
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、本発明の表面形状測定方法では、前記走査データを微分することを含むことが好適である。
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では、前記ワークの曲面の位置座標に基づいて、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ことを含むことが好適である。

これによって、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、本発明の表面形状測定方法では、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することを含むことが好適である。

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。

本発明の表面形状測定装置によれば、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して、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。

図１は、本発明の表面形状測定装置の一実施形態を示す正面図、図２は、その側面図である。
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。

ベースフレーム４は、水平方向である左右方向に沿って延びる杆体からなり、床に設置されている。ベースフレーム４の上部には、長手方向の全体にわたって、後述する横スライダ１１が摺動自在に嵌合する横スライド溝７が形成されている。また、ベースフレーム４の左端部（長手方向一端部）には、後述する横ボールネジ１０を回転駆動するＸ軸移動手段としてのＸ軸サーボモータ２２が内装されている横駆動ボックス８が設けられている。また、ベースフレーム４の右端部（長手方向他端部）には、後述する横ボールネジ１０を回転自在に支持し、Ｘ軸ロータリエンコーダ２３（図３参照）が設けられている横支持機構９が設けられている。

そして、横スライド溝７に沿って、横ボールネジ１０が設けられている。この横ボールネジ１０は、その一端部が、横駆動ボックス８内のＸ軸サーボモータ２２に連結され、その他端部が、横支持機構９において回転自在に支持されている。
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。

横スライダ１１は、ベースフレーム４の横スライド溝７に摺動自在に嵌合し、ベースフレーム４において、左右方向にスライド自在に支持されている。また、横スライダ１１は、横ボールネジ１０にボールベアリングを介して螺合されている。
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。

また、スライド杆１２の下端部には、後述する横ボールネジ１６を回転自在に支持する縦支持機構１５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。

センサ部６は、スライド杆１２にスライド自在に支持される縦スライダ１８と、縦スライダ１８にスライド自在に支持されるセンサホルダ１９と、センサホルダ１９に保持される非接触センサとしてのレーザ変位計１７とを備えている。
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。

センサホルダ１９は、縦スライダ１８において、車両用ドア５０の表面と対向する対向方向（すなわち、左右方向および鉛直方向と直交する、水平方向である前後方向）に沿って配置され、支持されている。センサホルダ１９には、Ｙ軸移動手段としてのＹ軸サーボモータ２６（図３参照）と、そのＹ軸サーボモータ２６に装着されるＹ軸ロータリエンコーダ２７（図３参照）とが内装されている。

センサホルダ１９には、図示しないボールネジが前後方向に沿って設けられている。このボールネジは、Ｙ軸サーボモータ２６に連結され、センサホルダ１９において回転自在に支持されている。
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。

なお、レーザ変位計１７は、センサホルダ１９に対して、Ｙ軸サーボモータ２６の駆動によってスライドするラックアンドピニオン機構により、支持されていてもよい。
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。

図３において、測定部２には、処理手段としてのＣＰＵ２１が設けられており、このＣＰＵ２１に、サーボアンプ２８および変位計アンプ２９が接続されている。
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。

なお、解析プログラムには、後で詳述する、等高線図作成手段としての等高線図作成プログラム、平滑処理手段としての平滑処理プログラム、微分処理手段としての微分処理プログラム、位置特定手段としての位置特定プログラム、積層位置表示手段としての貼着部分表示プログラムが含まれる。
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。

サーボアンプ２８には、Ｘ軸サーボモータ２２およびＸ軸ロータリエンコーダ２３と、Ｚ軸サーボモータ２４およびＺ軸ロータリエンコーダ２５と、Ｙ軸サーボモータ２６およびＹ軸ロータリエンコーダ２７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。

Ｘ軸ロータリエンコーダ２３は、Ｘ軸サーボモータ２２に対して２つ設けられている。一方のＸ軸ロータリエンコーダ２３は、Ｘ軸サーボモータ２２の正逆方向および駆動量を検知して、サーボアンプ２８に入力する。サーボアンプ２８では、入力されたＸ軸サーボモータ２２の正逆方向および駆動量に基づいて、後述する原点位置からの左右方向におけるレーザ変位計１７の位置を算出する。

他方のＸ軸ロータリエンコーダ２３は、Ｘ軸サーボモータ２２の正逆方向および駆動量を検知して、直接、ＣＰＵ２１に入力する。なお、ＣＰＵ２１では、他方のＸ軸ロータリエンコーダ２３から入力されるＸ軸サーボモータ２２の正逆方向および駆動量に基づいて、後述する左右方向の走査位置データを算出する。
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。

Ｚ軸ロータリエンコーダ２５は、Ｚ軸サーボモータ２４の正逆方向および駆動量を検知して、サーボアンプ２８に入力する。サーボアンプ２８では、入力されたＺ軸サーボモータ２４の正逆方向および駆動量に基づいて、後述する原点位置からの上下方向におけるレーザ変位計１７の位置を算出する。
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。

Ｙ軸ロータリエンコーダ２７は、Ｙ軸サーボモータ２６の正逆方向および駆動量を検知して、サーボアンプ２８に入力する。サーボアンプ２８では、入力されたＹ軸サーボモータ２６の正逆方向および駆動量に基づいて、後述する原点位置からの前後方向におけるレーザ変位計１７の位置を算出する。
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。

そのため、このサーボアンプ２８は、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からの入力に基づいて、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をフィードバック制御することにより、レーザ変位計１７の移動を制御している。
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。

変位計アンプ２９には、レーザ変位計１７が接続されており、レーザ変位計１７から、車両用ドア５０の表面との対向距離の変位量が入力される。そして、変位計アンプ２９から、この変位量がＣＰＵ２１に入力される。
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。

ワーク保持部３は、図２に示すように、架台３４と、支持柱３２と、ワークホルダ３３とを備えている。
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。

ワークホルダ３３は、支持アーム３５、ハンドル３６および押圧部材３７を備えている。支持アーム３５は、その一端が、支持柱３２の上下方向の任意の位置（車両用ドア５０のドアパネル５１の上端部に対応する位置）に、取付部材３８を介して固定されている。また、その他端が、一端から前後方向に沿って延び、車両用ドア５０のドアパネル５１の上端部と対向するように配置されている。

ハンドル３６は、昇降軸４１および操作部４２を備えている。昇降軸４２は、支持アーム３５の他端において、上下方向に昇降自在に取り付けられている。操作部４２は、昇降軸４１の上端部において、水平方向において、回転自在に設けられている。このハンドル３６では、操作部４２を正逆回転させることにより、昇降軸４１が支持アーム３５の他端に対して、上下に昇降する。

押圧部材３７は、昇降軸４２の下端部に取り付けられる押圧板３９と、その押圧板３９の下面に設けられるゴムなどからなる弾性部材４０とを備えている。弾性部材４０は、車両用ドア５０のドアパネル５１の上端部と上下方向において対向するように配置される。
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。

なお、車両用ドア５０は、正面視略矩形状のドアパネル５１と、そのドアパネル５１の上部に設けられる窓枠５２とを備えている。ドアパネル５１は、その外側表面（レーザ変位計１７と対向する表面）が、ワーク保持部３において直立状態で保持された状態で、鉛直方向に沿って湾曲する曲面に形成されている。より具体的には、図２に示すように、ドアパネル５１の外側表面は、上下方向両端部が後側に後退し、上下方向中央部が前側に突出する、緩やかな弓状に湾曲している。

また、ドアパネル５１の内側表面（レーザ変位計１７と対向する外側表面と反対側の裏面）には、図５に示すように、後述する貼着部分に、鋼板（金属板）の剛性を補強するために、熱や紫外線などの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からなる１００ｍｍ×３００ｍｍの補強材５３が貼着されている。
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。

次に、測定部２において、ドアパネル５１の外側表面の表面形状を測定する方法について説明する。ドアパネル５１の外側表面の表面形状を測定するには、ＣＰＵ２１において、メイン制御プログラムから表面形状測定プログラムを起動する。
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。

測定条件が設定されると、レーザ変位計１７が原点位置に移動され（Ｓ２）、その原点位置において、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がゼロ点調整される。
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。

なお、図５においては、測定開始点Ｓを右端上方に、測定終了点Ｅを左端下方に、それぞれ設定しているが、測定開始点Ｓおよび測定終了点Ｅの設定は、特に制限されず、例えば、測定開始点Ｓを左端下方に、測定終了点Ｅを右端上方に、それぞれ設定してもよい。
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。

測定が開始されると、まず、レーザ変位計１７が測定開始点Ｓに移動する。測定開始点Ｓにおいては、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の検知距離範囲内の最適検知距離となるように、レーザ変位計１７が前後方向（以下、Ｙ軸方向とする。）に移動される。
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。

そして、走査終了後は、レーザ変位計１７は、Ｘ軸サーボモータ２２の駆動により、走査終了点Ｅ´から、引き返して、再び測定開始点Ｓに位置される。なお、引き返しでは、レーザ変位計１７は、走査されない。
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。

そして、レーザ変位計１７は、上記と同様に、その走査開始点Ｓ´からＸ軸サーボモータ２２の駆動により、走査終了点Ｅ´まで、上記で設定したＸ軸ピッチで、Ｘ軸方向に走査され、得られた走査データＤＡが記憶される。走査終了後は、レーザ変位計１７は、Ｘ軸サーボモータ２２の駆動により、走査終了点Ｅ´から、引き返して、再び走査開始点Ｓ´に位置される。なお、引き返しでは、レーザ変位計１７は、走査されない。

このようなレーザ変位計１７のＸ軸ピッチでのＸ軸方向の走査が、Ｚ軸においてＺ軸ピッチを隔てて順次実施され、その後、レーザ変位計１７が測定終了点Ｅに到達すると、測定が終了される。
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。

この表面形状測定装置１では、上記の測定において、Ｚ軸ピッチごとにＺ軸サーボモータ２４によって、レーザ変位計１７をＺ軸方向に移動させても、ＣＰＵ２１の制御によりＹ軸サーボモータ２６が、レーザ変位計１７を、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の最適検知距離となるように、Ｙ軸方向に移動させる。そのため、ドアパネル５１の外側表面が、Ｚ軸方向に沿って緩やかな弓状にＹ軸方向に湾曲していても、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、常に最適検知距離となるように保持される。これによって、ドアパネル５１の外側表面における湾曲方向に沿うＺ軸方向の互いにＺ軸ピッチごとに隔てられる位置において、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を一定に保持しつつ、Ｘ軸サーボモータ２２によって、レーザ変位計１７を、Ｘ軸に沿って走査させることができる。

そのため、測定精度が非常に高いが、検知距離範囲が狭いレーザ変位計１７によって、ドアパネル５１の位置座標を、精度よく測定することができる。また、精度よく測定できるので、ドアパネル５１の外側表面が塗装されており、光沢があっても、微小な歪を正確に検知することができる。
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。

また、ドアパネル５１は、ワーク保持部３において、直立状態で保持され、測定部２では、Ｚ軸サーボモータ２４の駆動により、レーザ変位計１７をＺ軸方向に沿って移動させることにより、その外側表面の位置座標を測定することができる。そのため、ドアパネル５１を水平方向に配置した状態で、位置座標を測定する場合に比べて、省スペースで、かつ、効率のよい測定を達成することができる。

そして、このようにして得られ、ＣＰＵ２１内に格納されている位置座標データは、ＣＰＵ２１内に格納されている等高線図作成プログラム、平滑処理プログラム、微分処理プログラム、位置特定プログラムおよび貼着部分表示プログラムなどの各種の解析プログラムによって解析することができる。
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。

まず、等高線図作成プログラムによる解析について述べる。キーボード３１からの入力により、メイン制御プログラムから等高線図作成プログラムを起動させると、ＣＰＵ２１に格納されている位置座標データが、表面形状に対応した等高線図に変換される。そして、その等高線図が、図６（ａ）に示すように、モニタ３０に表示される。
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（ａ）に示す等高線図は、上記した補強材５３の貼着部分を含む外側表面の表面形状である。また、図６（ａ）におけるＡ−Ａ’線は、補強材５３の貼着部分を含むＸ軸方向の断面線を示し、その断面図を図６（ｂ）に示している。また、Ｂ−Ｂ’線は、補強材５３の貼着部分を含まないＸ軸方向の断面線を示し、その断面図を図６（ｃ）に示している。

なお、図６（ｂ）および図６（ｃ）において、歪み量（Ｙ軸方向の変位量）の数値が大きければ、外側表面が内側に向かって凹んでいることを示し、歪み量（Ｙ軸方向の変位量）の数値が小さければ、外側表面が外側に向かって凸になっていることを示す。
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。

このように、位置座標データを、表面形状に対応した等高線図として表示すれば、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、歪み位置および歪み量も、ある程度確認することができる。そのため、補強材５３が貼着されているドアパネル５１において、外側表面の歪を精度よく測定することができる。
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。

そのような場合には、平滑処理プログラムや微分処理プログラムを起動すれば、そのような微小な歪の有無を明瞭にすることができる。
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。

次いで、図７（ｂ）に示すように、走査開始点Ｓ´のＸ軸方向の位置座標Ｘ１と走査終了点Ｅ´の位置座標Ｘ２から傾きΔＤ／（Ｘ２−Ｘ１）を算出する。そして、各走査データＤＡにおけるＹ軸方向の各変位量Ｄ１〜Ｄ２から、Ｘ軸方向の傾きが０となるように傾き分を差し引く。これによって、各走査データＤＡは、走査開始点Ｓ´と走査終了点Ｅ´とを結ぶ直線が、Ｘ軸方向と平行となるように補正される。

その後、図７（ｃ）に示すように、各走査データＤＡの走査開始点Ｓ´におけるＹ軸方向の各変位量Ｄ１と、各走査データＤＡの走査終了点Ｅ´におけるＹ軸方向の各変位量Ｄ２を、すべて同一の変位量（例えば、０となるように差し引くように）にする。これによって、各走査データＤＡの整列方向が、Ｚ軸方向と平行となるように補正される。
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。

平滑処理プログラムでは、このように補正された等高線図が、図８に示すように、モニタ３０に表示される。図８では、補正前の図６（ａ）では困難であった外側表面の表面形状が、鮮明に表示されている。
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。

図９（ａ）には、３点近似公式を用いて、仮想平面に変換された等高線図を、微分（１階微分）した等高線図を示す。また、図９（ｂ）は、図９（ａ）におけるＣ−Ｃ’線断面図を示す。
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。

図１０（ａ）には、微分（１階微分）した等高線図を、さらに微分（２階微分）した等高線図を示す。また、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）におけるＤ−Ｄ’線断面図を示す。
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。

また、ＣＰＵ２１には、さらに、実際の歪の位置を特定するための位置特定プログラムや、補強材５３の貼着位置と歪との関係を示すための貼着部分表示プログラムが格納されており、これらをメイン制御プログラムから起動させることで、実際の歪の位置を特定したり、補強材５３の貼着位置と歪との関係を容易に把握することができる。
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。

また、このドアパネル５１には、上記したように、内側表面に補強材５３が貼着されている。この補強材５３は、熱や紫外線などの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ため、そのような樹脂からなる補強材５３と、鋼鈑からなるドアパネル５１とでは、線膨張率の相違に起因して、例えば、塗装後には、補強材５３が突っ張り、ドアパネル５１が縮むようになって、ドアパネル５１の外側表面における貼着部分の対応部分において、「ヒケ」と呼ばれる凹状の歪が生じやすくなる。

そのため、補強材５３の貼着位置と歪との関係を把握するために、貼着部分表示プログラムを起動させる。すなわち、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、メイン制御プログラムから貼着部分表示プログラムを起動させる。すると、図１２に示すように、モニタ３０に表示されている等高線図上に、補強材５３の貼着部分Ｒが重ねて表示される。

これによって、ドアパネル５１の補強材５３の貼着部分に対応して、等高線図上に貼着部分Ｒを表示させることができるので、歪と補強材５３との関係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。

以上の説明では、ワーク保持部３を用いてドアパネル５１を直立状態で保持したが、例えば、ワーク保持部３を用いずに、自動車の完成品に装備されているドアパネル５１を、直接測定することもできる。
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。

図１は、本発明の表面形状測定装置の一実施形態を示す正面図である。 図１に示す表面形状測定装置の側面図である。 図１に示す表面形状測定装置の測定部の制御系統を示すブロック図である。 表面形状測定プログラムのフロー図である。 表面形状の測定方法を示すドアパネルの正面図である。 （ａ）は、等高線図作成プログラムにより作成された等高線図の一例であって、（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は、（ａ）におけるＢ−Ｂ’線断面図を示す。 平滑処理プログラムの処理を説明するための説明図である。 平滑処理プログラムの処理によって得られる等高線図の一例である。 微分処理プログラムの処理によって得られる、（ａ）は、１階微分の等高線図、（ｂ）は、（ａ）におけるＣ−Ｃ’線断面図である。 微分処理プログラムの処理によって得られる、（ａ）は、２階微分の等高線図、（ｂ）は、（ａ）におけるＤ−Ｄ’線断面図である。 位置特定プログラムの処理を説明するための説明図である。 貼着部分表示プログラムの処理によって表示される等高線図の一例である。

符号の説明

１ 表面形状測定装置
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 (17)

1. 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
   を有する測定部を備えていることを特徴とする、表面形状測定装置。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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４に記載の表面形状測定装置。
6. 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１〜５のいずれかに記載の表面形状測定装置。
7. 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１〜６のいずれかに記載の表面形状測定装置。
8. 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を備え、
   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を備えていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の表面形状測定装置。
9. 前記処理手段は、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を備えていることを特徴とする、請求項８に記載の表面形状測定装置。
10. 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８または９に記載の表面形状測定装置。
11. 前記処理手段は、前記ワークの曲面の位置座標に基づいて、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を備えていることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれかに記載の表面形状測定装置。
12. 前記処理手段は、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する積層位置表示手段を備えていることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれかに記載の表面形状測定装置。
13. 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ことを特徴とする、表面形状測定方法。
14. 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ことを含むことを特徴とする、請求項１３に記載の表面形状測定方法。
15. 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１３または１４に記載の表面形状測定方法。
16. 前記ワークの曲面の位置座標に基づいて、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ことを含むことを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれかに記載の表面形状測定方法。
17. 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することを含むことを特徴とする、請求項１３〜１６のいずれかに記載の表面形状測定方法。

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