JP2013036947A - 光学式測定装置、プレス機、部品組合せ方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】レーザ光源201が出力したビーム状の測定用光216は第2円錐ミラー207によって放射状の測定用光に変換され、ケース101の第2開口部102を通って出力された後、測定対象物220で反射され、第1開口部103を通ってケース101内へ入り、第1円錐ミラー209によって反射された後、受光レンズ213を介して光検出素子214で検出される。処理部240は、光検出素子214で検出された測定用光に基づいて測定対象物の形状を算出する。
【選択図】図2
Description
光切断法を用いた従来の光学式測定装置は、レーザ光源の光軸を頂角90度の円錐ミラーの頂点に位置合わせして配設すると共に、前記円錐ミラーの円錐軸が前記光軸に一致するように配設した構成を有している。
しかしながら、前記従来の光学式測定装置では、測定対象で反射した測定用光が急角度で光検出部に入射すると、光検出部に設けられている受光レンズが、入射した測定用光を十分には集光できず測定が困難になるという問題がある。
また、小型化を図りつつ前記問題を解決する方法として、受光レンズに、魚眼レンズのような高屈折角のレンズを使用する方法も考えられるが、正確な集光が困難であるため、高精度な測定は困難という問題がある。
クレーンのブームには高張力鋼が使用されている。高張力鋼は、軽量で強度が大きいという特性を有しているが、スプリングバックの量等の材料特性のばらつきが大きく、一定の力または変位を与えて曲げ加工を行ったとしても、曲げられた部材の形状が一定でないため、精度の高い加工が難しいという問題がある。
しかしながら、高張力鋼はパンチで負荷を掛けられている間は曲がった状態になるものの、除荷するとスプリングバックによって形状が相当量戻るため、物差しや測定用ジグ等を用いて形状を測定しながらの加工では、測定が煩雑であるという問題がある。また、手作業による測定では高精度な測定が困難という問題がある。
また、本発明は、前記光学式測定装置を用いて、被測定対象を加工しながら、前記被測定対象の形状を高精度に測定できるようにすることを課題としている。
また、本発明は、前記光学式測定装置を用いて、複数の部品を高精度に組み合わせ可能にすることを課題としている。
また、本発明に係るプレス機よれば、前記光学式測定装置を用いて、被測定対象を加工しながら、前記被測定対象の形状を高精度に測定することが可能であり、したがって、高精度な曲げ加工が可能になる。
また、本発明に係る部品組合せ方法によれば、前記光学式測定装置を用いて複数部品の位置を合わせることが可能になるため、簡単な構成で複数の部品を高精度に組み合わせることができる。
図1(a)は、本発明の第1、第2の実施の形態に共通する光学式測定装置本体100の斜視図であり、細部を省略した概観を示す図である。同図(b)は本発明の第3の実施の形態に係る光学式測定装置本体900の斜視図であり、細部を省略した概観を示す図である。
尚、同図(b)の光学式測定装置本体900については後述する。
図2において、本第1の実施の形態に係る光学式測定装置は、光学式測定装置本体100と処理装置240を備えている。
円板状の基板206には第1反射ミラーとしての第1円錐ミラー209が固定されている。第1円錐ミラー209は、頂点210の角度(頂角)が所定角度(本第1の実施の形態では90度)の円錐形状を有しており、その外面(円錐面)全体が光を反射するように構成されている。第1円錐ミラー209の円錐軸211は頂点210を通り底面に垂直な軸である。
支持部材217とケース101の間には、光軸212と直交する平面内で互いに直交する方向(XY方向)にレーザ光源201を移動させて、レーザ光源201の光軸205の位置を調整する2次元変位調整機構202が配置されている。角度調整機構203及び2次元変位調整機構202によってレーザ光源201の光軸205と光軸212が一致するように調整される。尚、2次元変位調整機構202は公知のものを用いて構成することができる。
尚、処理装置240の少なくとも一部の処理機能をケース101内に設けるように構成することも可能である。光学式測定装置本体100は、少なくとも前記照射手段、光検出手段、光反射手段およびこれらを収容するケース101を有している。
図3において、プレス機301には、ダイ(図示せず)の上方に上下動可能なようにパンチ302が設けられている。パンチ302には、ダイと対面する側に、複数の凸部303と凹部304が交互に設けられている。パンチ302によって、ダイ上に載置した被加工物(例えばクレーンのブームを作成するための高張力鋼の平板)220に負荷を加えてラウンド曲げ加工を行う。尚、被加工物220は、光学式測定装置の測定対象物でもあるため、以下では測定対象物220とも表記している。
図4において、光学式測定装置本体100が図3と同様に、プレス機301のパンチ302内に収容されている。パンチ302を下降させてダイ401上に載置した測定対象物220に負荷を加えてラウンド曲げ加工を行う。
図5において、レーザ光源(図示せず)からビーム状の測定用光216が光軸205に沿って、第2円錐ミラー207の頂点208に照射されると、第2円錐ミラー207の頂角が90度に形成されているため、第2円錐ミラー207の頂点208の近傍領域で反射され、放射状の測定用光216が光軸205と直交する方向に出力される。
光検出素子214は第1円錐ミラー209を介して測定対象物220を検出するため、光検出素子214上に結ばれる測定対象物220の像501は、測定対象物220の形状と相似の形状ではなく、第1円錐ミラー209による歪みを含んだ形状となる。
第1円錐ミラー209を介して測定対象物220を測定するため、光検出素子214で検出される像は、受光器空間の像として示すように歪んだ像となる。本発明の各実施の形態では、光検出素子214が検出した像に所定の座標変換処理を施すことにより、実空間における像を得るようにしている。
図7(a)は、測定対象物220と光学式測定装置本体の光学系(構成要素)の配置関係を示す図である。
図7(a)において、Rは第1円錐ミラー209の頂点210から測定対象物220までの距離、gは第1円錐ミラー209の高さ(底面から頂点210までの距離)、φは第1円錐ミラー209の頂角、bは頂点210と受光レンズ213の中心との距離、fは受光レンズ213の中心と光検出素子214との距離である。
θ=ψ−π
R=Zc/tan{β−(π−φ)}+b・[(tan{(π−φ)/2}/tan{β−(π−φ)})+1]/(tanβ−tan{(π−φ)/2}) ・・・(1)
但し、tanβ=f/ρである。
図3、図4に示すように、光学式測定装置本体100をプレス機301のパンチ302内に収容し、ダイ401上に載置した測定対象物220にパンチ302によって負荷をかけ、測定対象物220のラウンド曲げ加工を行う。パンチ302が所定高さに位置するときに、光学式測定装置本体100によって測定対象物20の形状を測定する。
測定対象物220で反射した測定用光は第1開口部103を通ってケース101内に入り、第1円錐ミラー209によって反射された後、受光レンズ213を通って光検出素子214によって検出される。光検出素子214は、検出した像のデータを電気ケーブル230を介して光学式測定装置本体100外部の処理装置240に出力する。
光学式測定装置の特性は図10に示すようである。図10は、本発明の各実施の形態に係る光学式測定装置の測定範囲と測定精度との関係を示す特性図で、×印の特性Aが本第1の実施の形態に係る光学式測定装置の特性を表している。
即ち、測定対象物220表面の散乱光を三角測量の原理を維持して、第1円錐面ミラー209で反射した測位用光216を光検出部215に導光することが可能である。
測定用光を光検出部に直接導光する場合、受光レンズ213は魚眼レンズ等を使わない限り遠方に配置することになり、測定対象物からの戻り光が通る開口部を大きくする必要性があると共に光学式測定装置全体が大きくなるという欠点がある。
また、第1円錐ミラー209の底面と平行面をなして放射状に投光される測定用光216は投光距離に反比例して強度密度が減衰する。測定対象物220に生じた散乱光は入射光方向にもっとも強く反射し、直角方向には反射しない。第1円錐ミラー209には垂直に近い角度の散乱光が入射するのに対して、第1円錐ミラー209を使用しない場合には弱い散乱光しか入射しない。第1円錐ミラー209を用いることにより、光エネルギを合理的に利用することができる。
図8において、本第2の実施の形態に係る光学式測定装置は、光学式測定装置本体800と処理装置240を備えている。
光学式測定装置本体800の外観形状は、図1(a)に示すように光学式測定装置本体100と同じである。
本第2の実施の形態に係る光学式測定装置と前記第1の実施の形態に係る光学式測定装置は、測定用光216を発生する光源部の構成が相違しているが、その他の構成は同一であるため、相違点についてのみ説明する。
即ち、図8において、円板状の基板206には第1反射ミラーとしての第1円錐ミラー209が固定されている。前述したとおり第1円錐ミラー209の頂点210は使用しないため、第1円錐ミラー209は必ずしも円錐形である必要はなく、少なくとも円錐台形状の領域を含むミラーであれば良く、円錐台形でもよい。
尚、レーザ光源201、モータ801、ミラー持部材802、回転支持部材803、平面ミラー804は照射手段を構成している。また、モータ801、ミラー持部材802、回転支持部材803は回転駆動手段を構成している。
レーザ光源201から出力されたビーム状の測定用光216は、回転する平面ミラー804によって90度偏向して反射される。平面ミラー804によって反射されたビーム状の測定用光216は、第2開口部102を通って測定対象物220を照射する。第2開口部102のケース101の円周方向に沿った長さを変えることにより、測定用光216の出力領域を変えることができる。
本第2の実施の形態では、第2円錐ミラー207を使用しないため、高精度な形状の円錐ミラー207が製造困難な場合でも、高精度な測定が可能になる。尚、図10に示した特性は、前記第1の実施の形態と同じ特性が得られる。
第1ケース901には測定対象物で反射した光が入射する第1開口部103が設けられている。第2ケース902には、第2ケース内に収容されているレーザ光源(図1(b)には示していない。)が出力した放射状の測定用光を第2ケース902外部へ通す第2開口部102が設けられている。
第2ケース902は、第1ケース901に固定されたスライダ機構903によって、第1ケース901に対して第1ケース901の長さ方向(即ち、後述する光軸方向)に手動操作によって移動可能に構成されている。
スライダ機構903は、第2ケース902を第1ケース901に対して任意の位置又は所定の複数の位置で固定できるように構成されている。ここで、スライダ機構903は移動手段を構成している。
図9において、本第3の実施の形態に係る光学式測定装置は、光学式測定装置本体900と処理装置240を備えている。
円板状の基板206には第1反射ミラーとしての第1円錐ミラー209が固定されている。円板状の基板206は角度調整機構204によって光軸212に対する円錐軸211の角度が一致するよう調整できるように、第1ケース901内に保持されている。
これによって第1円錐ミラー209は、その円錐軸211が第1ケース901の中心軸に相当する光軸212に一致するように第1ケース901内に保持されている。
第1円錐ミラー209の頂点210は使用しないため、第1円錐ミラー209は必ずしも円錐形である必要はなく、円錐台形でもよい。即ち、第1反射ミラーは、少なくとも円錐台形の光反射領域を有するミラーであればよい。第1反射ミラーが円錐台形状の場合、第1反射ミラーの軸は、上側の円形面と下側の円形面の両中心を通る軸になる。
第2ケース902内において、レーザ光源201から出力されたビーム状の測定用光216は、第2円錐ミラー207の頂点208周辺の領域で90度偏向して放射状(換言すれば薄い円板状)に反射される。第2円錐ミラー207によって90度偏向して放射状に反射された測定用光216は、第2ケース902に設けられた第2開口部102を介して第2ケース902外へ出力される。
即ち、図10において、正方形印の特性B(I)、菱形印の特性B(II)、円形印の特性B(III)が本第3の実施の形態に係る光学式測定装置の特性を表している。特性B(I)、B(II)、B(III)は各々、図9における光源位置(I)、(II)、(III)における特性を表している。
即ち、光学式測定装置本体900をプレス機のパンチ302に装着し、ダイ401上に載置した測定対象物220にパンチ302によって負荷をかけ、測定対象物220のラウンド曲げ加工を行う。パンチ302が所定高さに位置するときに、光学式測定装置によって測定対象物220の形状を測定する。
測定対象物220で反射した測定用光216は、第1開口部103を通って第1円錐ミラー209に入射し、第1円錐ミラー209によって反射された後、受光レンズ213を通って光検出素子214によって検出される。光検出素子214が検出した像のデータは光学式測定装置本体900外部の処理装置240に出力される。
尚、本第3の実施の形態の場合、式(1)では、第1円錐ミラー209と第2円錐ミラー207が図7に示した配置関係になるため、Z0の符号は正となる。
また、光源201の光軸205と円錐ミラー209の光軸212が平行であるため、これらを直角に配置する場合に比べて、光学式測定装置本体100を小型化することができ、したがって、小型な光学式測定装置を構成することが可能になる。
図4では、パンチ302に1つの光学式測定装置本体100を収容するように構成したが、図11の例では、パンチ302の軸1101を挟んで対称な位置に2つの光学式測定装置本体100、100を収容して測定するように構成している。
図12において、1対のU字部材1201、1202を溶接部1203、1203で溶接することにより、クレーンのブーム1200が構成されている。光学式測定装置本体100には、ブーム1200内をブーム1200の長さ方向に沿って移動するための移動機構が装着されている。移動機構は、光学式測定装置本体100がブーム1200の中央に位置するように支持する複数の支持部材1204と、各支持部材1204に取り付けられ光学式測定装置本体100をブーム1200の長さ方向(矢印方向)に沿って移動させる複数の車1205を備えている。
自動車部品の鋳物工程等に使われる砂型中子1個は、10数個の砂型要素を組立てることによって構成されている。従来、砂型要素を組み立てる場合、各砂型要素に設けられた合わせ形状をよりどころに人手によって組み合わされている。
図13において、本実施の形態に係る光学式測定装置は、光学式測定装置本体100とコンピュータによって構成された処理装置1305を備えている。処理装置1305が前述した処理装置240の処理機能を有している。
図示しない動力機構によって光学式測定装置本体100を所定方向に移動させながら第1砂型要素1301の凹部1303の位置と、第2砂型要素1302の凸部1304の位置を同時に測定する。処理装置1305は、光学式測定装置本体100が検出した測定用光に基づいて、凹部1303と凸部1304の相対的な位置を算出する。
ここでは、被製造物の形状を決めるための凹部1303、凸部1304を用いて第1砂型要素1301と第2砂型要素1302の位置合わせを行うようにしたが、第1砂型要素1301と第2砂型要素1302に各々、位置合わせ専用の凹部や凸部等の位置合わせ専用の印を設けておき、これらの位置合わせ専用の印を用いて位置合わせを行うように構成してもよい。また、砂型要素以外の部品、例えば機械部品等の位置合わせを行う場合にも適用可能である。
尚、図4、図11〜図13では、第1の実施の形態に係る光学式測定装置を用いて測定する例を説明したが、第2、第3の実施の形態に係る光学式測定装置についても同様に用いることができる。
また、前記照射手段は、前記光反射手段と前記光検出手段の間に配設されて成るように構成することができる。
また、前記光照射手段と前記光反射手段の少なくとも一方は他方に対して、相互間の距離が可変なように相対的に移動可能であるように構成することができる。
また、前記照射手段は、円錐ミラーと、前記円錐ミラーの頂点に対向して配設されると共に前記円錐ミラーの円錐軸がその光軸に一致するように配設され、測定用光を出力するレーザ光源とを備え、前記円錐ミラーで放射状に反射した前記測定用光を測定対象物に照射することにより、前記測定用光で前記測定対象物を線状に照射するように構成することができる。
また、適切な第1円錐ミラー209とその配置及び三角測量法により測定用光の光路の構築が容易になり又、第1円錐ミラー209による受光部における座標のゆがみを円錐変換によって正規化することで、小型化が可能になり、組込センサとして装置組込が可能になる。
また、前記第3の実施の形態のように第2円錐ミラー207を光軸205方向に変位させることで測定精度を維持した状態で測定範囲を拡大することができる。また第1円錐ミラー209の外形を小さくできる。
また、光切断面のため、閉じた管部材のほかハーフパイプ、V溝や異形溝についても同様の効果が得られる。
また、加工工具(プレス機のパンチなど)に組込型三次元レーザーセンサとして加工中の形状や加工部品の位置ずれ(移動)や重心の変化による姿勢の測定・評価が可能となる。
また、軽量小型で可動部を持たない又は単純な可動部を有するに過ぎず、設置が単純であることからロボット搭載が可能である等の効果を奏する。
したがって、前記光学式測定装置を用いて、被加工物を加工しながら、前記被加工物の形状を高精度に測定することが可能であり、よって、高精度な曲げ加工が可能になる。また、ラウンド曲げを行うプレス機の場合、パンチに大きな負荷がかかるものの、大きな振動は生じないため、パンチに光学式測定装置を配設しても、光学式測定装置に大きな振動が加えられず、良好な測定が可能になる。
また、光学式測定装置本体100、800、900のパンチ302における取り付け構造としては、パンチ302内に穴を形成しておき、前記穴内に光学式測定装置本体100、800、900を収容するように構成してもよい。この場合、開口部102、103がパンチ302の凹部304を介して露出するように構成する。パンチ302の長さ方向に沿って複数の(少なくとも両端に)光学式測定装置本体100、800、900を配設するように構成することにより、測定対象物220のねじれ等を測定することができる。
したがって、前記光学式測定装置を用いた簡単な構成により、複数の部品を高精度に組み合わせることができる。
101、901、902・・・ケース
102、103・・・開口部
201・・・レーザ光源
202・・・2次元変位調整機構
203・・・角度調整機構
204・・・調整具
206・・・基板
205、212・・・光軸
207、209・・・円錐ミラー
208、210・・・頂点
211・・・円錐軸
213・・・受光レンズ
214・・・光検出素子
215・・・光検出部
216・・・測定用光
217・・・支持部材
218・・・取付け具
220・・・測定対象物(被加工部材)
230・・・電気ケーブル
240、1305・・・処理装置
301・・・プレス機
302・・・パンチ
303・・・パンチ凸部
304・・・パンチ凹部
401・・・ダイ
501・・・像
502・・・光切断ライン
801・・・モータ
802・・・ミラー支持部材
803・・・回転支持部材
804・・・平面ミラー
903・・・スライダ機構
1101・・・プレス加圧軸
1200・・・ブーム
1201、1202・・・U字部材
1203・・・溶接部
1204・・・支持部材
1205・・・車
1301、1302・・・砂型要素
1303・・・凹部
1304・・・凸部
Claims (9)
- 測定用光によって測定対象物を線状に照射する照射手段と、
測定用光を検出する光検出手段と、
少なくとも円錐台形の光反射領域を含み、前記測定対象物で反射した前記測定用光を前記光検出手段側に反射する光反射手段と、
前記照射手段からの前記測定用光を前記測定対象物側へ通すと共に前記測定対象物で反射した前記測定用光を前記光反射手段側へ通すように、少なくとも前記照射手段、光検出手段及び光反射手段を収容するケースと、
前記光検出手段が検出した測定用光に基づいて前記測定対象物の形状を算出する処理手段とを備えて成ることを特徴とする光学式測定装置。 - 前記照射手段は、ビーム状の測定用光を発生するレーザ光源と、前記レーザ光源からの測定用光を反射する平面ミラーと、前記レーザ光源の光軸を回転中心として前記平面ミラーを回転する回転駆動手段とを備え、前記平面ミラーで反射した前記測定用光を出力することにより、前記測定用光で前記測定対象物を線状に照射することを特徴とする請求項1記載の光学式測定装置。
- 前記光反射手段は、前記照射手段と前記光検出手段の間に配設されて成ることを特徴とする請求項1又は2記載の光学式測定装置。
- 前記照射手段は、前記光反射手段と前記光検出手段の間に配設されて成ることを特徴とする請求項1又は2記載の光学式測定装置。
- 前記光照射手段と前記光反射手段の少なくとも一方は他方に対して、相互間の距離が可変なように相対的に移動可能であることを特徴とする請求項4記載の光学式測定装置。
- 前記反射手段は少なくとも円錐台形の光反射領域を含む形状を有し、
前記光検出手段が受光した測定用光を、前記光検出手段の座標系から実座標系に変換して前記反射手段による像の歪みを解消する座標系変換手段を備えて成ることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一に記載の光学式測定装置。 - 前記照射手段は、円錐ミラーと、前記円錐ミラーの頂点に対向して配設されると共に前記円錐ミラーの円錐軸がその光軸に一致するように配設され、測定用光を出力するレーザ光源とを備え、前記円錐ミラーで放射状に反射した前記測定用光を測定対象物に照射することにより、前記測定用光で前記測定対象物を線状に照射することを特徴とする請求項1記載の光学式測定装置。
- 被加工物をダイとパンチで挟んで負荷をかけることにより、前記被加工物を曲げ加工するプレス機において、
請求項1乃至7のいずれか一に記載の光学式測定装置を前記パンチに配設して、前記被加工物の形状を測定することを特徴とするプレス機。 - 相互に組み合わせて使用する第1、第2の部品間に、請求項1乃至7のいずれか一に記載の、少なくとも前記照射手段、光検出手段、光反射手段及びこれらを収容するケースから成る光学式測定装置本体を配置する配置工程と、前記光学式測定装置本体によって前記第1、第2部品の位置を測定しながら前記第1、第2部品の相対的位置を合わせる位置合わせ工程と、前記光学式測定装置本体を前記第1、第2の部品間から取り除く除去工程と、前記第1、第2の部品を組み合わせる組み合わせ工程とを備えて成ることを特徴とする部品組み合わせ方法。
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