JP2015096808A - 板厚測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プレス成形品の板厚を高精度、かつ高効率に測定する板厚測定装置及び板厚測定方法を提供する。【解決手段】基準部材３次元形状データを作成する基準部材形状データ作成工程Ｓ１と、基準部材の現物を作成する基準部材現物作成工程Ｓ３と、基準部材（現物）を被測定物に取り付け、該基準部材付き被測定物の表面及び裏面を撮像する撮像工程Ｓ５と、該基準部材付き被測定物の表面及び裏面の撮像データを３次元形状化して３次元化撮像データを作成する撮像データ３次元化工程Ｓ７と、３次元化撮像データにおける基準部材の部分を基準部材３次元形状データに、同一部分が同一位置になるように位置合わせする位置合わせ工程Ｓ９と、該位置合わせ工程で作成されたデータに基づいて板厚を求める板厚演算工程Ｓ１１とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、薄鋼板プレス成形品等の板厚測定方法に関する。

金属板のプレス成形においては、材料の破断やネッキング（破断に至る前の局所的な薄肉化）といった欠陥が発生することがある。そのため、プレス成形部品の板厚やひずみ量を測定し、破断などの欠陥を防止し、品質の管理を行っている。
従来より、プレス成形部品の板厚を測定する方法として、マイクロメータを用いた測定が広く知られている。しかしながら、この方法は、多くの手間がかかる。また、この方法は、プレス成形部品のいくつかの代表部位を測定することしかできず、全ての部位を測定することができない。そのため、この方法では、ネッキングなどの欠陥を見逃す可能性がある。
また、マイクロメータの大きさや形状によって測定できる部位が制約されるため、比較的大きいプレス成形部品の中央部などの測定が困難である。そこで、そのままでは測定できない部位について、プレス成形部品を予め切断してマイクロメータで測定可能な大きさや形状にするといった前準備が必要となる。

また、プレス成形前の金属板の板厚とプレス成形部品のひずみ量からプレス成形後の板厚を求める方法として、スクライブドサークル法が用いられている。この方法は、プレス成形前の金属板に円形パターンや格子パターン、ドットパターンなどを描き、プレス成形後の各部位の伸び量を測定するが、予めパターンを描く手間がかかり、描いたパターンがプレス成形中に金型との接触により消滅することがあり、十分な測定精度を確保できない問題がある。

このような課題に対し、板状部品などの板材の板厚を高精度かつ短時間に測定する方法が種々提案されている。
特許文献１には、板材の両側から光ビームを照射して、その反射光を用いて板材の厚さを測定する装置が開示されている。

また、特許文献２には、搬送される板状体に対してレーザ光を投射し、レーザ光の投射角度を検出して、当該反射レーザ光を受光するレーザ光学手段等を備えるレーザ測距装置および板厚測定装置が開示されている。

さらに、特許文献３には、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、２基のレーザ変位計の間に被測定物の位置と姿勢とを制御可能に支持する被測定物支持手段を備えた厚さ測定装置が開示されている。

またさらに、特許文献４には、被測定物の板厚を測定する方法であって、基準点からの被測定物の表面及び裏面の面データを測定する工程と、測定した表面及び裏面の面データを、板厚の中心点の集合で構成されるモデルデータに重ね合わせて整合させる工程と、モデルデータにより形成される面に法線を生成する工程と、この法線と測定した表面及び裏面の面データとの交点を求める工程と、この表面の交点と裏面の交点との距離から板厚を算出する工程とからなる板厚測定方法が開示されている。

特開平５−２２３５２６号公報 特開２００１−９１２１３号公報 特開２０１０−４４０２７号公報 特開２００５−２２７１０４号公報

プレス成形部品の板厚測定では、10μm程度の高い精度が要求される。また、複雑な３次元形状を有するプレス成形部品を、数分から数十分程度の短時間で測定したいニーズもある。
しかしながら、特許文献１及び２に開示された手法は、平坦な板材の板厚を測定する技術であり、曲面を有するプレス成形部品の板厚を測定することは困難である。つまり、特許文献１の手法は、光ビームを曲面の法線方向に常に当てる必要があるため、プレス成形部品のような複雑な曲面では著しく困難である。また、特許文献２の手法では、複雑な曲面で反射した光を特定方向のみで受光することは困難である。

特許文献３の手法では、曲面を有する被測定物の板厚を測定することはできるが、被測定物がロボットのアームの先端に取り付けられているため、被測定物の重量や重心が異なる種々のプレス成形部品を測定すると、ロボットの位置精度に誤差が生じて、測定結果の誤差が大きくなるという問題がある。

特許文献４の手法では、作業者が非接触式測定子を把持して被測定物の測定したい部位にレーザ光を所定の距離から照射しながら走査するため、プレス成形部品全体の測定密度を高くして測定すると多大な時間を要する。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、プレス成形品等の板材の板厚を高精度、かつ短時間で測定可能な板厚測定方法を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る板厚測定方法は、位置合わせの基準となる形状及び板厚を有する基準部材の３次元形状データを作成する基準部材形状データ作成工程と、
該基準部材形状データ作成工程で作成した前記基準部材の３次元形状データに基づいて前記基準部材の現物を作成する基準部材現物作成工程と、
該基準部材現物作成工程によって作成された前記基準部材を板厚測定対象となる被測定物に取り付け、前記基準部材が取り付けられた基準部材付き被測定物の表面及び裏面を撮像する撮像工程と、
該撮像工程で撮像された前記基準部材付き被測定物の表面及び裏面の撮像データを３次元形状化して３次元化撮像データを作成する撮像データ３次元化工程と、
該撮像データ３次元化工程で作成された前記３次元化撮像データにおける前記基準部材の部分を前記基準部材の３次元形状データに、同一部分が同一位置になるように位置合わせする位置合わせ工程と、
該位置合わせ工程で作成されたデータに基づいて、前記被測定物の表面と裏面の距離を演算することによって板厚を求める板厚演算工程とを備えたことを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記基準部材は、中央に開口部を有する枠形状であり、前記撮像工程において、前記被測定物は前記基準部材の前記開口部内に取り付けられることを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記基準部材は、板厚が変化する板厚変化部が形成されていることを特徴とするものである。

本発明においては、位置合わせの基準となる形状及び板厚を有する基準部材の３次元形状データ（基準部材３次元形状データ）を作成する基準部材形状データ作成工程と、基準部材３次元形状データに基づいて基準部材の現物を作成する基準部材現物作成工程と、基準部材の現物を板厚測定対象となる被測定物に取り付け、該基準部材付き被測定物の表面及び裏面を撮像する撮像工程と、該撮像工程で撮像された基準部材付き被測定物の表面及び裏面の撮像データを３次元形状化して３次元化撮像データを作成する撮像データ３次元化工程と、該３次元化撮像データにおける基準部材の部分を基準部材３次元形状データに、同一部分が同一位置になるように位置合わせする位置合わせ工程と、該位置合わせ工程で作成されたデータに基づいて板厚を求める板厚演算工程とを備えたことにより、プレス成形品の板厚を容易に高精度かつ短時間で測定することができる。

本発明の実施の形態に係る板厚測定方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る板厚測定方法の基準部材形状データ作成工程で作成される基準部材形状データの説明図である。 本発明の実施の形態に係る板厚測定方法の基準部材現物作成工程で作成される基準部材現物の説明図である。 本発明の実施の形態に係る板厚測定方法の撮像工程の説明図である（その１）。 本発明の実施の形態に係る板厚測定方法の撮像工程の説明図である（その２）。 本発明の実施の形態に係る板厚測定方法の撮像工程の説明図である（その３）。 本発明の実施の形態に係る板厚測定方法の撮像データ３次元化工程の説明図である（その１）。 本発明の実施の形態に係る板厚測定方法の撮像データ３次元化工程の説明図である（その２） 本発明の実施の形態に係る板厚測定方法の位置合わせ工程の説明図である（その１）。 本発明の実施の形態に係る板厚測定方法の位置合わせ工程の説明図である（その２）。 本発明の実施の形態に係る板厚測定方法の位置合わせ工程によって位置合わせされた３次元形状データの説明図である。 本発明の実施の形態に係る板厚測定方法の基準部材に形成された段部の効果を説明するために、比較例について説明する説明図である。 本発明の実施の形態に係る板厚測定方法の基準部材に形成された段部の効果を説明する説明図である。 本発明の実施の形態に係る板厚測定方法の板厚演算工程の説明図である。 本発明の実施の形態に係る板厚測定方法の板厚演算工程によって取得された板厚分布を示すコンター図である。 本発明の実施の形態に係る板厚測定方法によって取得された板厚と実測値とを比較するためのグラフである。 本発明の実施の形態に係る板厚測定方法の基準部材の他の態様の説明図である（その１）。 本発明の実施の形態に係る板厚測定方法の基準部材の他の態様の説明図である（その２）。 本発明の実施の形態に係る板厚測定方法の基準部材の他の態様の説明図である（その３）。 本発明の実施の形態に係る板厚測定方法の基準部材の他の態様の説明図である（その４）。

本発明の一実施の形態に係る板厚測定方法は、基準部材形状データ作成工程と、基準部材現物作成工程と、撮像工程と、撮像データ３次元化工程と、位置合わせ工程と、板厚演算工程とを備えている。
以下、上記各工程について、板厚1.4mmの鋼板をプレス加工して得られた被測定物１（図４〜図６参照）の板厚測定を行う場合を例に挙げて、図１のフローチャートに基づいて図２〜図１６を参照しながら詳細に説明する。

＜基準部材形状データ作成工程＞
基準部材形状データ作成工程は、位置合わせの基準となる形状及び板厚を有する基準部材の３次元形状データ（基準部材３次元形状データ）を作成する工程である（Ｓ１）。
基準部材３次元形状データは、３次元ＣＡＤによって作成される３次元ＣＡＤデータである。
基準部材は、本工程で作成された３次元形状データに基づいて現物が作成され、作成された現物は被測定物１に取り付けられて被測定物１と共に撮像されて位置合わせの基準となるものである。
基準部材３次元形状データの一例を、画面上に３次元形状として表示したもの（以下、この形状を「表示形状３」という）を図２に示す。
図２は、表示形状３の表（おもて）面を図示したものである。
表示形状３（すなわち基準部材）は、図２に示す通り、中央に開口部３ａを有する矩形状の枠形状からなる。
表示形状３の角部には第１段部３ｂ、辺部における外縁には第２段部３ｃ、辺部における内縁には第３段部３ｄが形成されている。このように、第１段部３ｂ、第２段部３ｃ、第３段部３ｄが形成されていることによって表示形状３の板厚が変化しており、該各段部が本発明の板厚変化部に相当する。

＜基準部材現物作成工程＞
基準部材現物作成工程は、基準部材形状データ作成工程で作成した基準部材３次元形状データに基づいて基準部材の現物を作成する工程である（Ｓ３）。
基準部材（現物）３０は、板厚の基準となるものであるため高精度に製作する必要があり、例えば、金属ブロックからＮＣ加工により削り出して作成される。
図３は作成された基準部材（現物）３０の裏面を図示したものであり、図３において図２の表示形状３と同様のものには同一の添え字（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）を付している。
基準部材の表面については図２の表示形状３に基づいて説明したが、図３に示す通り基準部材（図３においては基準部材（現物）３０）の裏面においても段部（第１段部３０ｂ、第２段部３０ｃ、第３段部３０ｄ）が形成されている。

＜撮像工程＞
撮像工程は、基準部材現物作成工程によって作成された基準部材（現物）３０を板厚測定対象となる被測定物１に取り付け、基準部材（現物）３０が取り付けられた基準部材付き被測定物５の表面及び裏面を撮像する工程である（Ｓ５）。
被測定物１は、図４に示すように、基準部材（現物）３０の開口部３０ａ内に、例えば治具７（図５参照）を用いて取り付けられる。基準部材（現物）３０は取付後に被測定物１との相対位置がずれないように保持される必要があり、治具７は剛性の高いものを用いる。

撮像は光学式３次元形状測定機９を用いて行う。光学式３次元形状測定機９には被測定物１に縞模様（フリンジパターン）を照射するプロジェクター（図示略）と、被測定物１を撮像する測定カメラ９ａを有している。

光学式３次元形状測定機９は、高度なＣＣＤ画像処理技術を基本として、空間コード化法、フェーズシフト法、ステレオ法を組み合わせて、立体物を、高速かつ高精度に３次元形状として取得するものである。「空間コード化法」は、縞模様（フリンジパターン）を被測定物に照射し、表面のコントラストの状態をデジタル化する手法である。「フェーズシフト法」は、照射されたパターンをスライドさせる手法である。「ステレオ法」は、左右２つのデジタルカメラで撮像された画像から三角測量の原理を用いて、測定対象の距離を測定する手法である。

基準部材付き被測定物５は回転台１１に設置され、被測定物１と基準部材（現物）３０全体を撮像できるように測定カメラ９ａの位置および姿勢を調整した後（図５参照）、プロジェクターから縞模様（フリンジパターン）を照射し（図６参照）、測定カメラ９ａで撮像する。
撮像は、表面と裏面のそれぞれについて行う。表面を撮像した後に裏面を撮像する場合には、回転台１１を１８０°回転させる。
以上のようにして被測定物５の表面撮像データと裏面撮像データを取得する。

＜撮像データ３次元化工程＞
撮像データ３次元化工程は、撮像工程で撮像された基準部材付き被測定物５の表面及び裏面の撮像データ（表面撮像データ、裏面撮像データ）を３次元形状化して３次元化撮像データ（表面３次元化撮像データ１３、裏面３次元化撮像データ１５）を作成する工程である（Ｓ７）。
３次元化撮像データは、撮像データに基づいてステレオ法により画像を３次元化することで作成する。

表面撮像データに基づいて作成した表面３次元化撮像データ１３の一例を図７に示す。図７に示す通り、表面３次元化撮像データ１３は被測定物表面３次元化撮像データ１３ａと基準部材表面３次元化撮像データ１３ｂからなる。なお、裏面３次元化撮像データ１５についても同様であり、被測定物裏面３次元化撮像データ１５ａと基準部材裏面３次元化撮像データ１５ｂからなる（図１２及び図１３参照）。
図７中に枠で囲んだ部分の拡大図を図８に示す。図８に示すとおり、３次元化撮像データは辺の長さ0.1mmから5mmの三角形要素で構成されている。各要素は複数の点を有している。なお、図７〜図１０及び図１５において治具７の図示を省略している。

＜位置合わせ工程＞
位置合わせ工程は、撮像データ３次元化工程で作成された３次元化撮像データ（表面３次元化撮像データ１３、裏面３次元化撮像データ１５）における基準部材の部分（基準部材表面３次元化撮像データ１３ｂ、基準部材裏面３次元化撮像データ１５ｂ）を基準部材３次元形状データに、同一部分が同一位置になるように位置合わせする工程である（Ｓ９）。
位置合わせは表面と裏面について同様に行うので、表面の場合を例に挙げて以下に説明する。
表面の位置合わせは、基準部材３次元形状データと、基準部材表面３次元化撮像データ１３ｂとの形状差を計算し、その差が最小になるように表面３次元化撮像データ１３を移動させることで行う。

位置合わせの様子を視覚的に把握可能なように画面上に表示したものを図９及び図１０に示す。図９が位置合わせ前の状態であり、図１０が位置合わせ後の状態をそれぞれ示している。
表面３次元化撮像データ１３は、図９の状態から、表示形状３と基準部材表面３次元化撮像データ１３ｂが同一位置になるように移動して図１０の状態になっている。

裏面の位置合わせについても同様に行った後の３次元形状データの一部を拡大したものを図１１に示す。
板厚は、表面３次元形状と裏面３次元形状間の距離を演算することで取得可能である。従って、表面３次元化撮像データ１３と裏面３次元化撮像データ１５と位置合わせを正確に行うことは、板厚の演算精度向上のために非常に重要である。
基準部材に形成された段部（表示形状においては第１段部３ｂ、第２段部３ｃ、第３段部３ｄ、基準部材（現物）３０においては第１段部３０ｂ、第２段部３０ｃ、第３段部３０ｄ）は、位置合わせをより正確かつ容易に行うためのものである。各段部の効果について図１２と図１３に基づいて詳細に説明する。
図１２と図１３は、Ａ−Ａ断面（図１０参照）における位置合わせ前後の表面３次元化撮像データ１３と裏面３次元化撮像データ１５の位置を説明する図である。

図１２は、比較のために段部が形成されていない基準部材（図１２においては表示形状１７として図示している）について各工程（基準部材形状データ作成工程、基準部材現物作成工程、撮像工程、撮像データ３次元化工程）を行い、位置合わせを行う例を示したものである。
この場合、３次元形状データの板厚方向の位置は、表示形状１７の表面および裏面を基準として合わせることができるが、縦方向および横方向の位置については基準となる面がなく、正確に合わせするのは難しい。そのため、図１２（ａ）に示すように、例えば裏面３次元化撮像データ１５の横方向位置がずれていれば、図１２（ｂ）に示すように、表面３次元化撮像データ１３と裏面３次元化撮像データ１５との相対位置がずれてしまうので、このずれを正す手間がかかる。
この点、本実施の形態における基準部材は、図１３に示すように段部（図１３においては第２段部３ｃ、第３段部３ｄを示している）が形成されており、該各段部が縦方向および横方向の位置合わせの基準となるため、より正確かつ容易に位置合わせを行うことができる。

＜板厚演算工程＞
板厚演算工程は、位置合わせ工程で作成されたデータに基づいて、被測定物１の表面と裏面の距離を演算することによって板厚を求める工程である（Ｓ１１）。
被測定物１の表面と裏面の距離の求め方を図１４に基づいて説明する。図１４は、位置合わせ工程で作成された３次元形状データの一部を拡大したものと、さらにその一部を四角の枠で囲んで拡大したものと、そしてさらにその一部を丸の枠で囲んで拡大したものとをそれぞれ示している。

被測定物１の表面と裏面の距離を求めるには、図１４に示すように、表面３次元化撮像データ１３の各点から法線ベクトル１９を求め、該各法線ベクトル１９と裏面３次元化撮像データ１５との交点を求める。表面３次元化撮像データ１３の各点から前記交点までの距離が被測定物１の表面と裏面の距離であり、これを板厚（図１４中のｔ）として取得する。
また、裏面３次元化撮像データ１５の各点について法線ベクトル１９を求めてもよい。この場合、裏面３次元化撮像データ１５の各点と、該各点の法線ベクトル１９と表面３次元化撮像データ１３との交点間の距離を板厚として取得する。
板厚は、被測定物１の特定の箇所について求めてもよいし、全体について求めてもよい。

図１５は、被測定物１全体について求めた板厚分布を、被測定物表面３次元化撮像データ１３ａの表示画像上にコンター表示したものである。
図１６は、図１５中の白抜きの点線で示す断面における板厚分布を表したグラフであり、縦軸が板厚(mm)、横軸が測定位置(mm)を示す。図１６には、比較のためにマイクロメータで同断面上を所定間隔で実測した値を●印で表している。
図１６に示す通り、本発明方法による測定値とマイクロメータによる実測値とは非常によく一致しており、本発明によれば精度よく板厚を測定可能であることが実証された。

以上のように、本実施の形態においては、位置合わせの基準となる基準部材について、基準部材３次元形状データを作成し（Ｓ１）、基準部材３次元形状データに基づいて基準部材（現物）３０を作成し（Ｓ３）、基準部材付き被測定物５の表面及び裏面を撮像して撮像データ（表面撮像データ、裏面撮像データ）を取得し（Ｓ５）、取得した撮像データを３次元形状化して３次元化撮像データ（表面３次元化撮像データ１３、裏面３次元化撮像データ１５）を作成し（Ｓ７）、基準部材３次元形状データに、３次元化撮像データを同一部分が同一位置になるように位置合わせをし（Ｓ９）、該作成されたデータに基づいて、被測定物１の表面と裏面の距離を演算することによって板厚を求める（Ｓ１１）。
このように、本実施の形態においては、従来方法のようにレーザ等を用いて被測定物の板厚を直接測定する工程がないため、測定誤差も生じず高精度かつ短時間で測定することが可能となり、被測定物１の板厚分布を定量的に把握することができ、従って板厚が薄い箇所を特定することにより、ワレ危険性を把握することができる。

なお、上記では基準部材は枠形状のものを例に挙げて説明したが、基準部材の形状はこれに限られない。例えば、図１７に示す基準部材２１のように略Ｌ字状としてもよいし、図１８および図１９に示す基準部材２３のように略Ｉ字状として、被測定物１の両側（図１８参照）あるいは片側（図１９参照）に配置してもよい。

上記では、基準部材に形成された板厚変化部の一例として段部（図２の第１段部３ｂ、第２段部３ｃ、第３段部３ｄを参照）を例に挙げたが、板厚変化部の形状はこれに限られない。例えば、図２０に示す基準部材２５のように板厚変化部の形状を凹曲面状（第１凹曲面部２５ａ、第２凹曲面部２５ｂ）としてもよい。また、凸曲面状でもよい。

上記では、撮像工程は、被測定物１と基準部材（現物）３０（図５）を１枚に収まるように撮像して撮像データ（表面撮像データ、裏面撮像データ）とした例を示したが、被測定物１と基準部材（現物）３０を複数枚に分けて撮像してこれらを合成して１枚の撮像データとしてもよい。

１ 被測定物
３ 表示形状
３ａ 開口部
３ｂ 第１段部
３ｃ 第２段部
３ｄ 第３段部
３０ 基準部材（現物）
３０ａ 開口部
３０ｂ 第１段部
３０ｃ 第２段部
３０ｄ 第３段部
５ 基準部材付き被測定物
７ 治具
９ 光学式３次元形状測定機
９ａ 測定カメラ
１１ 回転台
１３ 表面３次元化撮像データ
１３ａ 被測定物表面３次元化撮像データ
１３ｂ 基準部材表面３次元化撮像データ
１５ 裏面３次元化撮像データ
１５ａ 被測定物裏面３次元化撮像データ
１５ｂ 基準部材裏面３次元化撮像データ
１７ 表示形状（比較例）
１９ 法線ベクトル
２１ 基準部材（他の態様その１）
２３ 基準部材（他の態様その２）
２５ 基準部材（他の態様その３）
２５ａ 第１凹曲面部
２５ｂ 第２凹曲面部

Claims (3)

1. 位置合わせの基準となる形状及び板厚を有する基準部材の３次元形状データを作成する基準部材形状データ作成工程と、
   該基準部材形状データ作成工程で作成した前記基準部材の３次元形状データに基づいて前記基準部材の現物を作成する基準部材現物作成工程と、
   該基準部材現物作成工程によって作成された前記基準部材を板厚測定対象となる被測定物に取り付け、前記基準部材が取り付けられた基準部材付き被測定物の表面及び裏面を撮像する撮像工程と、
   該撮像工程で撮像された前記基準部材付き被測定物の表面及び裏面の撮像データを３次元形状化して３次元化撮像データを作成する撮像データ３次元化工程と、
   該撮像データ３次元化工程で作成された前記３次元化撮像データにおける前記基準部材の部分を前記基準部材の３次元形状データに、同一部分が同一位置になるように位置合わせする位置合わせ工程と、
   該位置合わせ工程で作成されたデータに基づいて、前記被測定物の表面と裏面の距離を演算することによって板厚を求める板厚演算工程とを備えたことを特徴とする板厚測定方法。
2. 前記基準部材は、中央に開口部を有する枠形状であり、
   前記撮像工程において、前記被測定物は前記基準部材の前記開口部内に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の板厚測定方法。
3. 前記基準部材は、板厚が変化する板厚変化部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の板厚測定方法。