JP2010044027A - 厚さ測定装置および厚さ分布測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定物の厚さ及び厚さ分布を高速かつ高密度で測定でき、実用的精度に優れた厚さ測定装置及び厚さ分布測定方法の提供を目的とする。
【解決手段】２基のレーザ変位計を光軸が一致するように対向配置した計測工具と、前記２基のレーザ変位計の間に測定物の位置と姿勢とを制御可能に支持する測定物支持手段とを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明はプレス加工や鍛造加工後の工作物の自由曲面の厚さを測定する厚さ測定装置及び厚さ分布測定方法に関し、特にロボットを用いることで短時間に実用的精度に優れた測定データが得られ、自動厚さ測定システムの構築に有効である。

従来鍛金加工やプレス加工の分野において板金加工品などの板厚測定は、ポイントマイクロメータを用いた測定物の上下面への接触原理による測定や、図７に示すように測定物の片面にテストパターン（ａ）を印刷してから加工を行い、加工後に図７（ｃ）に示すように目盛りを一目ずつ読み取ってテストパターンからの変形量から計算により板厚を算出するＳＣＴ（スクライブドサークルテスト）が一般的である。
しかしこれら従来の測定方法は、測定者の主観や熟練度による影響が大きく測定値が安定しないばかりではなく、測定に膨大な時間を必要とするため多くのデータを取得するには適しておらず、高密度測定が行えないなどの問題点がある。
特にポイントマイクロメータは幾何学的制限から、大きな深い凹面の非破壊測定は不可能である。

特許文献１にはＣ字状支持部材に一対の距離測定手段を設け、この一対の距離測定手段を測定表面と垂直になるように回動させる厚さ測定装置を開示するが、距離測定手段を移動制御するものであり、測定安定性に劣る。

特許文献２には二次元レーザ距離計で測定物の傾きを測定し、厚み補正する技術を開示するが、測定物の多点測定や厚さ分布を得ることはできない。

実開昭６１−１３９４１１号公報 特開平５−１０７０４７号公報

本発明は測定物の厚さ及び厚さ分布を高速かつ高密度で測定でき、実用的精度に優れた厚さ測定装置及び厚さ分布測定方法の提供を目的とする。

本発明に係る厚さ測定装置は、２基のレーザ変位計を光軸が一致するように対向配置した計測工具と、前記２基のレーザ変位計の間に測定物の位置と姿勢とを制御可能に支持する測定物支持手段とを備えたことを特徴とする。

さらには、測定物支持手段が測定物を、計測工具の光軸と直交する方向にＸ−Ｙ移動させることで測定ポイント毎に計測した距離から測定物の三次元形状を測定する形状測定手段と、前記測定ポイントにおける法線ベクトルを決定し、当該法線ベクトルと光軸が一致するように測定物の姿勢を変化させた後に厚みを測定する厚み測定手段とを有していることを特徴とする。
ここで、測定物支持手段は、測定物の傾き（姿勢）を回動あるいは調整できるものであればロボットであってもよい。
また、測定物の三次元形状を測定する場合には、２基のレーザ変位計の少なくとも一方を用いることが可能である。

本発明に係る厚さ分布測定方法は、２基のレーザ変位計を光軸が一致するように対向配置した計測工具を用いて、ロボットで測定物を支持し、２基のレーザ変位計のうち一方のレーザ変位計で測定物からの距離を格子点状に測定することで測定物の三次元形状を決定するステップと、前記測定した格子点における法線方向を決定するステップと、各格子点で法線方向に測定物の姿勢を調整させるステップと、２基のレーザ変位計の距離と２基のレーザ変位計でそれぞれ測定物までの距離を測定した合計距離との差分を算出するステップとを有していることを特徴とする。

ここで、レーザ変位計とは、測定面にレーザ光を照射し、その反射光を検出してレーザ変位計から測定面までの距離を算出するものをいう。
このようなレーザ変位計を光軸が一致するように２基対向配置することで、測定物の厚さを計測することができる。
以下、図２に基づいて例を説明する。
第１レーザ変位計１１と第２レーザ変位計１２とをその光軸Ｃ_１，Ｃ_２が一致するように対向配置する。
第１レーザ変位計１１と第２レーザ変位計１２との間に測定物１を入れると、第１レーザ変位計１１のａ点から照射した光線は測定物１の上面にて反射し、反射光はｂ点にて検出される。
これにより、入射光と反射光とで三角形が形成され、三角測量に基づいて第１レーザ変位計のａ点から測定物の上面までの距離Ｄ_１を計測できる。
同様にして、第２レーザ変位計１２にて測定物の下面からの距離Ｄ_２を計測する。
一方、第１レーザ変位計１１と第２レーザ変位計との距離をＤ_０とすると、測定物の厚さｔは、ｔ＝Ｄ_０−（Ｄ_１＋Ｄ_２）にて求めることができる。
この種のレーザ変位計は、距離の測定範囲が数十ｍｍレベルと比較的に大きく且つ、分解能が０．０１μｍレベルと精度が高いという特徴を有する。
本発明者らはこの点に着目し、産業ロボットは、繰り返し位置決めバラツキが比較的大きく、絶対的な位置精度を要求することができないが、ロボットアームにて生じる光軸方向、即ち、図２において上下方向の位置バラツキはレーザ変位計が吸収することを利用して本発明に至った。
なお、光軸に直交する平面方向の位置決め誤差は従来のＳＣＴ方法においても約３ｍｍ程度の大きさで許容されている。

本発明においては、レーザ変位計にて測定物の三次元形状を検出した上で、自由曲面の厚さを測定することができ、測定物をロボットのアームに支持させたので、高速で高密度に厚さ分布を得ることができる。

本発明に係る厚さ測定装置（厚さ測定システム）の構成例を図１に基づいて説明する。
本発明に係るシステムは、測定物１の三次元形状及び測定点における厚さを測定する計測工具１０と、この測定物１の位置と姿勢（傾き）を制御するロボット２０及び、それらのデータ解析及びロボット２０をコントロールするＰＣ（パーソナルコンピュータ）３０から構成されている。

計測工具１０は、ベース部１３の上に所定距離を隔てて、レーザ変位計の固定治具１４ａ，１４ｂを設け、この固定治具１４ａ，１４ｂを介して、第１レーザ変位計１１と第２レーザ変位計１２とを光軸が一致するように対向配置してある。
ロボット２０は、産業ロボットとして広く市販されているものを用いることができ、例えば、ロボット本体２１からロボットアーム２２を関節機構を用いて製作したロボットアーム２２の自由度が高い６軸制御ロボットを用いることができる。
今回の検証に用いたシステム構成の仕様を以下説明する。
（レーザ変位計）
測定基準距離１５０ｍｍ，スポット径φ１２０μｍ，繰り返し精度０．５μｍ，分解能０．０１μｍ（株式会社キーエンス製ＬＫＧ−１５０）
（ロボット）
可搬質量６ｋｇ，繰り返し位置決め精度±０．０８ｍｍ（株式会社安川電機製垂直多関節型６軸ロボットＨＰ６）

測定原理について説明する。
図５（ａ）に示すように測定物１上に測定対象点位置Ｐ_Ｗ，方向ベクトルＦ，法線ベクトルＮを測定し、図５（ｂ）に示すようにレーザ光上に計測工具中心位置Ｐ_Ｔ，工具方向ベクトルＤ，工具ベクトルＴを設定する。
厚さの測定を行う際には、まず測定対象点の法線方向にレーザ光軸を一致させる。
各測定対象点からＮを生成し、Ｎとレーザ光上のシステムでは、測定対象物をロボットが把持しているため、上述の原理を満たすように工作物の位置と姿勢の変化をロボットによって実現する。
本発明に係るシステムにおける精度保証の原理を以下に示す。
図６に示すように、測定対象点Ｖを中心に、ロボットによる誤差をδ，計測工具（測定ユニット）の誤差ε、従来のＳＣＴの測定範囲Ａの３要素を基準座標系に従って３成分に分ける。
ここで、対向するレーザ光軸はあらかじめ一致するように調整し、ｚ方向はレーザ光軸と一致するものとする。
また、誤差を含んだ測定対象点をＰ，真の測定対象点をＶとすると、点Ｐは以下のように示される。

これにより、誤差を含む点Ｐと点Ｖの差分をとることで対象点における３方向に発生する誤差は式（２）のように定義される。

ｘ，ｙ方向において、従来のＳＣＴと同等の精度を満たす条件は、式（２）より式（３），（４）である。

これは測定点が図７に示すようにＳＣＴにおける測定パターンのＬ_１，Ｌ_２で示す測定範囲Ａの円内にあることを意味する。
ｚ方向については計測工具の測定範囲をＲとすると式（５）である。

式（５）であるとき、精度を満たす。
よって、式（３），（４），（５）の関係式を同時に満たすとき目的とする精度の測定が可能になる。
ここで、公称の誤差は、εｘ＝εｙ＝０．１２ｍｍ，εｚ＝０．０１μｍ，Ａｘ＝Ａｙ＝３ｍｍ，｜Ｒ｜＝８０ｍｍであり、εｚはＲに比べ非常に小さいので無視できる。
これらを式（３），（４），（５）に代入すると式（６）となる。

δｘ，δｙ，δｚは作業領域内（８００ｍｍ×８００ｍｍ×８００ｍｍ）でロボットの精度検証実験より平均誤差はδｘ＝０．１１ｍｍ，δｙ＝０．２１ｍｍ、δｚ＝０．１６ｍｍとなった。
これは式（６）を満たしているので、従来のＳＣＴ以上の精度の測定が可能であるといえる。

次に測定手順について説明する。
まず、測定対象物姿勢を固定して形状測定を行い、次に測定対象物の姿勢を変化させて板厚測定を行う。
そのためのロボットの経路生成プログラムは次の４つのステップで構成される。
（１）形状測定経路を生成する。
（２）その測定経路より片方のレーザ変位計を用いて形状測定を行う。
（３）形状データから各測定対象点におけるＮを作成し、ＮとＴが一致するようなロボットの姿勢の生成を行い厚さ測定経路とする。
（４）厚さの測定を行う。
図８に示す形状測定経路のデータに沿って測定対象物を動かして形状測定を行う。
これにより形状データ図９を得た。
図９に示す三次元グラフは、Ｘ−Ｙ軸目盛りを５ｍｍ間隔にとり、レーザ変位計からの距離（Ｚ軸）の目盛りを５ｍｍ間隔で示し、３ｍｍ間隔格子点毎に求めたデータから得られた加工形状曲線の例を示す。
それに基づいて取得した厚さ測定経路が図１０である。
各測定対象点において法線ベクトルが算出されていることが分かる。
本システムによる厚さ分布図を図１１に示し、従来のＳＣＴによる分布図を図１２に示した。
図１１及び図１２に示した厚さ分布は素材のアルミ板厚０．５ｍｍの場合の例であり、この２つの厚さ分布図から本システムによる厚さ分布図の方が従来のＳＣＴによる分布図よりも詳細な板厚の分布を得ることができたのがわかる。
さらにこの結果を三次元表示したものが図１３である。
図１３に示した三次元表示は、厚さを測定した格子点における測定物の厚さを球の大きさにて表示した例である。
図１３に示した１０ｍｍ間隔は板材のＸ−Ｙ方向の距離を示し、直径０．５ｍｍと表示したのは板厚０．５ｍｍに相当する部分をこの大きさの球で示したことを示し、それに比較して、板厚の加工により薄くなった部分はそれより小さい球として示した例である。
従って、図１３はその格子点座標における板厚を球の大きさとして表現した例である。
本システムでは、測定物の厚さ分布を三次元データとして取得できるので、このような例えば球の大きさを用いた三次元表示も可能である。
図３は測定物１にプレス加工した加工形状１ａと、その測定座標における厚さを球として表示した関係を示し、図４は、厚さを球の大きさとして表示したものを俯瞰表示した例を示す。
本システムは測定対象点の位置座標と厚さを三次元的に持っているため、このような表示が可能である。
また、これらの測定結果をポイントマイクロメータでの測定値を基準として比較したものを図１４に示す。
任意に抽出した１０点の誤差を比較すると、本システムはＳＣＴの約５８％の誤差に収めることができた。
さらに測定に要する時間をＳＣＴよりも短くすることが可能となった。
このように計測工具をロボットから切り離したことにより、ロボットの振動や動きの影響が少なく、高密度に精度高く、厚さ分布を得ることができることから、製造工程の最適化や品質管理に有用である。

本発明に係る装置（システム）の構成例を示す。 レーザ変位計による厚さ測定の原理を示す。 測定物の自由曲面と球による三次元表示例を示す。 厚さを球の大きさで表示したデータを俯瞰表示した例を示す。 測定原理の説明図である。 精度保証の説明図である。 ＳＣＴによる測定例を示す。 形状測定ベクトルを示す。 形状解析データ例を示す。 各測定点における法線ベクトルを示す。 本発明に係るシステムを用いて測定した厚さ分布図を示す。 ＳＣＴにて測定解析した厚さ分布図を示す。 厚さを球の大きさとして表示した三次元表示例を示す。 ポイントマイクロメータ、ＳＣＴ測定、本発明による測定（Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ項）の比較表を示す。

符号の説明

１ 測定物
１０ 計測工具
１１ 第１レーザ変位計
１２ 第２レーザ変位計
１３ ベース部
２０ ロボット
２２ アーム
３０ ＰＣ

Claims (4)

1. ２基のレーザ変位計を光軸が一致するように対向配置した計測工具と、
   前記２基のレーザ変位計の間に測定物の位置と姿勢とを制御可能に支持する測定物支持手段とを備えたことを特徴とする厚さ測定装置。
2. 測定物支持手段が測定物を、計測工具の光軸と直交する方向にＸ−Ｙ移動させることで測定ポイント毎に計測した距離から測定物の三次元形状を測定する形状測定手段と、
   前記測定ポイントにおける法線ベクトルを決定し、当該法線ベクトルと光軸が一致するように測定物の姿勢を変化させた後に厚みを測定する厚み測定手段とを有していることを特徴とする請求項１記載の厚さ測定装置。
3. 測定物支持手段は、ロボットであることを特徴とする請求項１又は２記載の厚さ測定装置。
4. ２基のレーザ変位計を光軸が一致するように対向配置した計測工具を用いて、ロボットで測定物を支持し、２基のレーザ変位計のうち一方のレーザ変位計で測定物からの距離を格子点状に測定することで測定物の三次元形状を決定するステップと、
   前記測定した格子点における法線方向を決定するステップと、
   各格子点で法線方向に測定物の姿勢を調整させるステップと、
   ２基のレーザ変位計の距離と２基のレーザ変位計でそれぞれ測定物までの距離を測定した合計距離との差分を算出するステップとを有していることを特徴とする厚さ分布測定方法。