JP5029424B2 - 張り剛性測定方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属材料の張り剛性測定方法および装置に関し、詳しくは、ドア、フードなど自動車部品パネルの張り剛性評価に際し、荷重-変位カーブとパネル変形状態を光学的手法を用いて同時に測定および評価する、張り剛性測定方法および装置に関するものである。

近年、特に自動車など車両の軽量化を実現するため、ドアやフードなど自動車アウター部品においても薄肉軽量化のニーズが高まっている。しかしながら、パネル部品の薄肉化は部品剛性の低下を招き、人が触れたときにパネルが容易に変形したり、パネルがベコベコと音を立てるなどの現象が発生しやすくなる。これにより、自動車の品質感が大きく損なわれることから、自動車メーカにとって張り剛性の確保と部品軽量化の両立が大きな課題となっている。

これらのことから、従来より、自動車パネルの製造、品質保証の現場で、簡便で精度の高い張り剛性の評価技術が必要となっていた。さらに、近年では、設計段階における張り剛性向上の方策検討のために、高度な測定・解析技術が望まれるようになってきた。

一方で、車体設計コンピュータシミュレーション技術を用いて、実験をせずに張り剛性を予測評価する技術も確立されつつある。しかしながら、予測結果と実験結果は必ずしも一致せず、依然として実験による測定評価は不可欠であり、コンピュータシミュレーションの予測精度向上のためにも精度の高い測定・解析技術が必要となっている。

これらに対し、これまで張り剛性の評価として以下の方法が用いられてきた。すなわち、製造現場においては、簡便的に手押しによる官能評価が行われている。これは、検査員がパネルを手で押してそのときの反力を定性的に判断して合否を判定するものである。

また、特許文献１に開示されている技術は、被測定物に圧子をおして測定点を変形させながら、その荷重と変位との関係を電気信号に変換して荷重変位を記録するものである。このとき、荷重は圧子上部に設置されたロードセルで測定し、変位は、圧子に取り付けられた加速度計の信号を積分することで変位に変換して算出する。

また、特許文献２に開示されている技術は、荷重計と変位計とを一体に備えた張り剛性測定ヘッドを用いて、予め決められた荷重を被測定物に加え、その状態から荷重が除去するまでの圧子変位量を測定することにより、張り剛性の測定を正確に行おうとするものである。

また、特許文献３に開示されている技術は、手動油圧ポンプで駆動される押圧試験ユニットをロボットに持たせて自動車車体の外板の張り剛性を測定するものである。押圧試験ユニットには、荷重測定用のロードセルを介してアルミ材よりなる略円柱状の圧子が取り付けられており、ダイアルゲージによりその変位を測定して張り剛性を評価する。

さらに、特許文献４に開示されている技術は、自動車ルーフパネルの張り剛性測定を目的に、圧子に荷重を加えるためのシャフトとシャフトの移動量を検出する変位計、シャフトの端部に対向する荷重計が設けられた装置を遠隔操作することにより張り剛性を評価するものである。
特開昭59-9542号公報 特開昭62-70730号公報 実開平6-18947号公報 実開平3-125241号公報

上述した特許文献１〜４に開示の技術は、圧子の位置の変位量と圧子に加わる荷重の関係を精度よく記録し、その荷重変位曲線から張り剛性の良否を評価することに主眼を置いたものである。一般に荷重変位曲線は、初期に急激に立ち上がり、パネルの変形とともに荷重増加が緩やかになり、ベコツキが発生する場合には、荷重の急激な低下を伴う変化を示す。このような荷重の変化は、圧子負荷に伴うパネルの変形状態と密接な関係があることが知られている。特に、ベコツキ挙動は、パネル飛び移り座屈現象による、不連続なパネル変形が原因と考えられている。

製造現場、品質保証の現場では、単純な荷重変位曲線による合否判定で十分であるが、設計段階における張り剛性向上方策検討のためには、荷重変位曲線のみならず、パネル全体の変形状態を把握して、張り剛性特性を左右している部位の特定が重要となる。また、コンピュータシミュレーションの予測精度を検証する上でも、荷重変位曲線と同時にパネルの変形状態が実験と一致しているかどうかの確認が必要である。

しかしながら、上述した特許文献１〜４に開示の技術では、圧子部の変形状態を測定するのみで、パネル全体の変形状態の測定・解析することは不可能である。

本発明では、これら従来技術の問題点に鑑み、張り剛性試験時の圧子荷重、圧子変位およびパネル変形状態を同時に測定する、張り剛性測定方法および装置を提供することを課題とする。

本発明の請求項１に係る発明は、金属パネルの表面から圧子を押し込んで該金属パネルを変形させながら、前記圧子による押し付け荷重、前記圧子の変位および前記金属パネル変形状態を同時に測定する張り剛性測定方法であって、
前記金属パネルの裏面に、規則的な格子状に配置されたグリッドを転写し、
前記金属パネルの裏面の外枠に、予め３次元の位置関係が測定されている基準マーカを設定し、
前記金属パネルの変形にあわせて、前記金属パネルの裏面を複数の位置から同時に撮影装置で撮影し、
撮影された画像データに基づき、グリッドの３次元位置情報を演算して、前記金属パネル変形状態を測定するとともに、
前記３次元位置情報演算にあたっては、
前記画像データから基準マーカを認識して各パターンの頂点の二次元座標を取得する基準マーカ認識処理と、取得された基準マーカの２次元座標と予め測定されている基準マーカの３次元座標の対応づけを行う対応づけ処理と、前記撮影装置の位置パラメータを同定する位置パラメータ同定処理と、撮影装置行列を計算する撮影装置行列計算処理と、前記撮影装置について前記画像データからグリッドパターンを認識して各パターンの中心の２次元座標を取得するグリッドパターン認識処理と、前記撮影装置行列を用いて、２次元座標から３次元座標を推定する推定処理と、推定された３次元座標が測定領域の内部に入っているかを検証する検証処理と、３次元座標から２次元座標に再投影し、再投影された２次元座標と元の２次元座標との誤差を評価し、この誤差が最小となるまで２次元座標の組合せを探索する探索処理と、探索された２次元座標の組合せから３次元座標を決定する３次元座標決定処理とを有することを特徴とする張り剛性測定方法である。

また本発明の請求項２に係る発明は、金属パネルの表面から圧子を押し込んで該金属パネルを変形させながら、前記圧子による押し付け荷重、前記圧子の変位および前記金属パネル変形状態を同時に測定する張り剛性測定装置であって、
前記圧子による押し付け荷重と変位量を測定する荷重変位測定装置と、
前記金属パネルの裏面に、規則的な格子状に配置されたグリッドを転写するとともに、前記金属パネルの裏面の外枠に、予め３次元の位置関係が測定されている基準マーカを設定し、前記金属パネルの変形にあわせて、前記金属パネルの裏面を複数の位置から同時に撮影する撮影装置と、撮影された画像データに基づき、グリッドの３次元位置情報を演算して、前記金属パネル変形状態を測定する演算装置とを備え、
前記演算装置は、
前記画像データから基準マーカを認識して各パターンの頂点の二次元座標を取得する基準マーカ認識手段と、取得された基準マーカの２次元座標と予め測定されている基準マーカの３次元座標の対応づけ処理を行う対応づけ処理手段と、前記撮影装置の位置パラメータを同定する位置パラメータ同定手段と、撮影装置行列を計算する撮影装置行列計算手段と、前記撮影装置について前記画像データからグリッドパターンを認識して各パターンの中心の２次元座標を取得するグリッドパターン認識手段と、前記撮影装置行列を用いて、２次元座標から３次元座標を推定する推定手段と、推定された３次元座標が測定領域の内部に入っているかを検証する検証手段と、３次元座標から２次元座標に再投影し、再投影された２次元座標と元の２次元座標との誤差を評価し、この誤差が最小となるまで２次元座標の組合せを探索する探索手段と、探索された２次元座標の組合せから３次元座標を決定する３次元座標決定手段とを備えることを特徴とする張り剛性測定装置である。

本発明によれば、張り剛性評価時の荷重変位特性と同時に、光学的手法を用いてパネル全体の変形状態および三次元形状を高精度に測定し、コンピュータにより演算解析することにより、圧子への荷重増加とともに変化するパネル形状、変形量、ひずみ量を定量的に測定するようにしたので、張り剛性特性を左右している部位の特定、張り剛性のメカニズムを把握することが可能となる。これにより、設計者は張り剛性向上のための方策、たとえば、変形量の大きい部位に対し、キャラクターラインなどの形状を付与したり、部分的に曲率を変化させたりするような設計変更を合理的に行うことが可能となる。

また、コンピュータシミュレーションの予測精度検証に対しては、本発明により張り剛性試験時のパネル形状の３次元データを取得することができるため、このデータをコンピュータソフトで読み込み、解析で得られた変形形状と、実際に試験で得られた変形形状をコンピュータ上で比較検討することが可能となり、解析上の問題点を容易に把握することが可能となる。

本発明を実施するための最良の形態について、図および数式を参照して以下に説明を行う。まず、光学的手法を用いた形状測定方法の原理について説明する。

３次元空間上の点X(X,Y,Z)をある空間上の位置にあるデジタルカメラで撮影したとき、デジタルカメラの２次元画素M(x,ｙ)には、以下の（１）式で示すように投影される。

ここで、λは任意の実数である。また、Ａは物理的座標を画像座標へ変換する行列であり、カメラ校正行列と呼ばれる。さらに、ＲとＴはカメラの空間上で方向と位置を定義する行列である。そして、Ａ、Ｒ、およびＴで定義されるＰは、カメラ行列と呼ばれる。Ａ、Ｒ、およびＴは、以下の（２）式で示すように構成される。

カメラ校正行列Ａの５つのパラメータ(a_u, a_ｖ, u_０, v_０,s)は、カメラレンズの焦点距離、画像中心の座標、x,y方向のスケールファクターおよびせん断係数から算出されるカメラ固有の値である。

カメラの位置と方向は測定毎に変化するため、その都度Ｒ、Ｔ行列を同定する必要がある。本発明では、ＲおよびＴ行列を構成する、合計12パラメータを同定するため、後述する方法を用いた。

図１は、本発明に係る張り剛性測定装置の構成例を示す図である。図中、１ａはカメラ１、１ｂはカメラ２、１ｃはカメラ３、１ｄはカメラ４、２は被測定物（グリッドパターン転写）、３は外枠（基準マーカパターン付）、４は圧子、５はロードセル、６は変位計、および７は演算装置をそれぞれ表す。

測定の準備段階として、いわゆる張り剛性試験機の外枠３に、四角などの基準マーカパターンを設定し、張り剛性を測定する被測定物２裏面には、グリッドパターンを転写する。被測定物２のパネル形状が比較的単純であれば、グリッドパターンを印刷した紙をパネル裏面に接着する方法を用いてもよい。

以上の準備したのち、圧子４を押し付け、その荷重および変位をロードセル５、変位計６で測定し、測定値を演算装置７に送るとともに、１ａ〜１ｄの４台のカメラで撮像して画像データを演算装置７に送る。演算装置７での主な機能としては、荷重・変位データ受信、画像記憶、画像認識、３次元形状演算などがある。

図２〜４は、本発明に係る張り剛性測定方法における処理手順例の詳細を示す図である。図を参照して処理内容を順次説明していく。

処理をスタート(Step100)すると、まず予め判っているカメラの内部パラメータＡの設定(Step101)を行い、カメラ１のデジタル画像を取得(Step102)する。そして画像処理により、デジタル画像中の基準マーカを認識し、各パターンの頂点の二次元座標を取得する(Step103)。なお、このパターンの３次元座標は予め判っているものとする。

取得された基準マーカの二次元座標と３次元座標は、前述した(1)式の関係があるため、この式に対応づけされた二次元座標と３次元座標を入力(Step104)することで、未知のR, T の合計12パラメータを算出(Step105)することができる。このとき、認識する点は多ければ多いほどR, Tの同定精度が向上する。

この段階で、R,T行列を求めることができ、これと内部パラメータAから(３)式のようにカメラ行列Pを算出する(Step106)。

つぎに、カメラ１のデジタル画像から、画像処理により、デジタル画像中のグリッドパターンを認識し、各パターンの中心の二次元座標を取得する(Step107)。この処理を位置の異なる４台のカメラについて繰り返す(Step108,109)（以上、図２参照）。

つぎは、上記の処理によりカメラ行列Ｐが既知となった、４台のカメラで認識されたグリッドパターンから３次元形状に復元する処理を行う（以降、図３参照）。

まず、カメラ１の画像から任意のグリッドP1[k]の二次元座標を取得する(Step110)。つぎに、（１）式をカメラパラメータPで書き換えると、以下の（４）式のようになる。

カメラ１，２のそれぞれのカメラパラメータ、二次元座標(x,y), (x’, y’)から以下の（５）式が導きだされる。この式は未知数X,Y,Zの３つで式が４つあるため、一般化逆行列を用いることでX,Y,Zの３次元座標を推定することができる。

この式を用いて、P1[k], P2[j]から3次元座標X12の推定(Step112)を行う。ここで得られた３次元座標(X,Y,Z)の妥当性について、測定領域の内部に入っているか検証(Step113)を行い、非現実的な座標であれば、つぎのP2の処理に移る。この処理を繰り返し、妥当な３次元座標(X,Y,Z)が得られた場合、引き続きカメラ３のグリッド座標P3[l]の取得を行う(Step114)。

同様の処理により、今度はP1[k], P2[j], P3[l]の３点から３次元座標の推定を行う(Step115)。再び、算出された３次元座標の妥当性を検証する処理を繰り返す。

さらに、図４の処理に移ってカメラ４のグリッド座標P4[m]を取得し(Step122)、今度は、P1[k], P2[j], P3[l],P4[m]の４点から３次元座標の推定を行う(Step123)。求められた３次元座標の妥当性を検証する(Step124)。

４点の二次元座標から推定される３次元座標が求められた段階で、その３次元座標を（１）式の関係を用いて、二次元座標に４つのカメラごとに再投影する処理を行う(Step125)。再投影されたそれぞれの二次元座標と元二次元座標P1[k], P2[j], P3[l], P4[m]との誤差を評価する(Step126)。この処理を繰り返し、再投影後の誤差が最小になるような、４つの二次元座標の組み合わせを求める(Step127)。誤差が最小になる３次元座標が求められたら、この値をデータベースに登録する(Step128)。

この処理をすべてのP1[k]について繰り返して(Step129)、処理を完了(Step132)する。以上の処理により、４つのデジタルカメラ画像から、パネルに転写されたグリッドの三次元データを求めることができる。

これまで説明した光学的手法を用いた形状測定を、張り剛性試験中に何回か繰り返す。張り剛性試験機に設置された荷重測定機と変位計により、荷重・変位データが計測される。これらのデータは演算装置で処理され、圧子への荷重増加とともに変化するパネル形状、変形量、およびひずみ量を、定量的にディスプレイ上に適宜可視化することができる。

次に、本発明の実施例の一つを示す。本実施例は、図１に示した装置を用いて、自動車のドアアウターを模擬した、大きさ350mm×350mm、曲率半径1200mmのドアモデルパネルに適用したものである。該ドアモデルパネルの材料は、板厚0.7mm、引張強度340MPaの合金化溶融亜鉛めっき鋼板(塗装焼付硬化型鋼板)である。測定装置は、荷重測定用のロードセル、圧子の変位測定装置、光学的形状測定のためのデジタルカメラおよび上述した形状測定手順をプログラム化した演算装置などで主に構成される。

図７は、測定パネルを撮影したデジタル画像の例である。パネルとともに、基準マーカ、およびグリッドパターンが撮影されている。図５は、本実施例における基準マーカのパターンを示す図である。大きさ20mmのものをインクジェットプリンターで印刷し、プラスティック製の板に接着して組み立てた。

図６は、本実施例におけるグリッドパターンを示す図である。図６に示すように、ピッチ7.5mm、大きさ2mmのものを白いコピー用紙に印字し、パネル変形中に用紙がずれないように注意して、パネル裏面に接着した。

撮影されたデジタル画像データは、図１に示す演算装置７の中の画像バッファに記憶される。図８は、基準マーカの自動認識と３次元座標とカメラ画像の対応づけ処理の結果を示す図である。図８（ａ）は、画像認識により、基準マーカの二次元座標を認識した結果である。そして、図８（ｂ）は、各基準マーカの３次元座標は予め測定してあり、３次元座標と認識された二次元座標の対応付けを行った結果である。演算装置は、この結果からカメラ位置および方向を同定し、カメラ行列Pを算出する。

つぎに、図９は、グリッドパターンを画像認識装置により、グリッドの中心を解析してグリッドパターンの認識結果を表示した図である。ここでは、グリッドの外周を楕円で近似してから、中心を決定する作業を行っている。これにより、グリッド中心を精度よく決定することが可能となった。

図１０は、基準マーカの認識、カメラ行列Pの算出、グリッド中心の認識を４つのカメラ画像で行った結果を示す図である。

そして、図１１は、図３および４に示した処理手順に従って各グリッドの３次元形状を決定した結果を示す図である。この図は、変形前のパネル形状を示している。

そして、張り剛性試験機の圧子をパネルに押し付け、そのときの圧子変位と押し付け荷重を記録しながら、圧子変位1mm毎に上記の方法に従ってパネル形状を測定した。図１２は、測定された各グリッドの３次元変位量を解析し、コンピュータディスプレイ上に表示した結果を示す図である。圧子変位量を０〜7.5ｍｍまで変化させたものであり、色が濃い場所ほど変形量が大きいことを示している。図１２の右下には、このときの変位荷重曲線も示している。これから、パネル変形荷重とパネル変形領域の関係が詳細に解析できるようになっていることが分る。

本発明に係る張り剛性測定装置の構成例を示す図である。 本発明に係る張り剛性測定方法における処理手順例の詳細(その１)を示す図である。 本発明に係る張り剛性測定方法における処理手順例の詳細(その２)を示す図である。 本発明に係る張り剛性測定方法における処理手順例の詳細(その３)を示す図である。 本実施例における基準マーカのパターンを示す図である。 本実施例におけるグリッドパターンを示す図である。 測定パネルを撮影したデジタル画像の例である。 基準マーカの自動認識と３次元座標とカメラ画像の対応づけ処理の結果を示す図である。 グリッドパターンの認識結果を表示した図である。 基準マーカの認識、カメラ行列Pの算出、グリッド中心の認識を４つのカメラ画像で行った結果を示す図である。 グリッドの３次元形状を決定した結果を示す図である。 測定された各グリッドの３次元変位量を解析し、コンピュータディスプレイ上に表示した結果を示す図である。

符号の説明

１ａ カメラ１
１ｂ カメラ２
１ｃ カメラ３
１ｄ カメラ４
２ 被測定物（グリッドパターン転写）
３ 外枠（基準マーカパターン付）
４ 圧子
５ ロードセル
６ 変位計
７ 演算装置

Claims (2)

1. 金属パネルの表面から圧子を押し込んで該金属パネルを変形させながら、前記圧子による押し付け荷重、前記圧子の変位および前記金属パネル変形状態を同時に測定する張り剛性測定方法であって、
   前記金属パネルの裏面に、規則的な格子状に配置されたグリッドを転写し、
   前記金属パネルの裏面の外枠に、予め３次元の位置関係が測定されている基準マーカを設定し、
   前記金属パネルの変形にあわせて、前記金属パネルの裏面を複数の位置から同時に撮影装置で撮影し、
   撮影された画像データに基づき、グリッドの３次元位置情報を演算して、前記金属パネル変形状態を測定するとともに、
   前記３次元位置情報演算にあたっては、
   前記画像データから基準マーカを認識して各パターンの頂点の二次元座標を取得する基準マーカ認識処理と、取得された基準マーカの２次元座標と予め測定されている基準マーカの３次元座標の対応づけを行う対応づけ処理と、前記撮影装置の位置パラメータを同定する位置パラメータ同定処理と、撮影装置行列を計算する撮影装置行列計算処理と、前記撮影装置について前記画像データからグリッドパターンを認識して各パターンの中心の２次元座標を取得するグリッドパターン認識処理と、前記撮影装置行列を用いて、２次元座標から３次元座標を推定する推定処理と、推定された３次元座標が測定領域の内部に入っているかを検証する検証処理と、３次元座標から２次元座標に再投影し、再投影された２次元座標と元の２次元座標との誤差を評価し、この誤差が最小となるまで２次元座標の組合せを探索する探索処理と、探索された２次元座標の組合せから３次元座標を決定する３次元座標決定処理とを有することを特徴とする張り剛性測定方法。
2. 金属パネルの表面から圧子を押し込んで該金属パネルを変形させながら、前記圧子による押し付け荷重、前記圧子の変位および前記金属パネル変形状態を同時に測定する張り剛性測定装置であって、
   前記圧子による押し付け荷重と変位量を測定する荷重変位測定装置と、
   前記金属パネルの裏面に、規則的な格子状に配置されたグリッドを転写するとともに、前記金属パネルの裏面の外枠に、予め３次元の位置関係が測定されている基準マーカを設定し、前記金属パネルの変形にあわせて、前記金属パネルの裏面を複数の位置から同時に撮影する撮影装置と、撮影された画像データに基づき、グリッドの３次元位置情報を演算して、前記金属パネル変形状態を測定する演算装置とを備え、
   前記演算装置は、
   前記画像データから基準マーカを認識して各パターンの頂点の二次元座標を取得する基準マーカ認識手段と、取得された基準マーカの２次元座標と予め測定されている基準マーカの３次元座標の対応づけ処理を行う対応づけ処理手段と、前記撮影装置の位置パラメータを同定する位置パラメータ同定手段と、撮影装置行列を計算する撮影装置行列計算手段と、前記撮影装置について前記画像データからグリッドパターンを認識して各パターンの中心の２次元座標を取得するグリッドパターン認識手段と、前記撮影装置行列を用いて、２次元座標から３次元座標を推定する推定手段と、推定された３次元座標が測定領域の内部に入っているかを検証する検証手段と、３次元座標から２次元座標に再投影し、再投影された２次元座標と元の２次元座標との誤差を評価し、この誤差が最小となるまで２次元座標の組合せを探索する探索手段と、探索された２次元座標の組合せから３次元座標を決定する３次元座標決定手段とを備えることを特徴とする張り剛性測定装置。