JP5893979B2 - 板厚測定装置及び板厚測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、板厚測定装置及び板厚測定方法に関する。

複合材が、注目されている。複合材は、複数の材料が重ね合わされた材料である。例えば、航空機の機体に用いられる材料は、強度、及び重量等の観点から、アルミニウムから複合材（例えば、ＣＦＲＰ；炭素繊維強化プラスチック等)に切り替わりつつある。

しかしながら、複合材を製造する為には、複数の材料を重ね合わせる必要がある。そのため、複合材の厚みのばらつきは、金属材料のそれよりも大きくなりやすい。

図１は、航空機の機体製造に用いられる被加工材４の一部を概略的に示す断面図である。この被加工材４は、第１部材１、及び第２部材３を有している。第１部材１は、複合材であり、例えば、炭素繊維強化プラスチック材（ＣＦＲＰ材）である。第２部材３は、例えば、複合材、アルミニウム材、及びチタン材等である。第１部材１及び第２部材３は、それぞれ、板状である。第１部材１及び第２部材３は、積層されている。上述のように、複合材である第１部材１の厚みは、ばらつき易い。そこで、被加工材４の板厚を調節する為に、第１部材１と第２部材３との間には、シム２が挿入されている。被加工材１には、第１部材１と第２部材３とを結合させるため、ファスナー用穴５が設けられている。ファスナー用穴５には、ファスナー６が挿入されている。ファスナー６は、ナット７によって締め付けられている。これにより、第１部材１と第２部材３とが、結合されている。

機体重量を低減するために、ファスナー６の結合余長は、細かく決められている。したがって、製造時には、被加工材４にファスナー用穴５が設けられた後、被加工材４の厚さが測定される。図２は、厚さ測定時における被加工材４を示す概略断面図である。厚さを測定するために、グリップゲージ８が用いられる。すなわち、作業者は、グリップゲージ８をファスナー用穴５に挿入することにより、被加工材４の厚みを測定する。測定結果に基づいて、ファスナー用穴５に挿入した場合に予め決められた長さだけ突き出すようなサイズを有するファスナー６（結合余長が予め決められた長さになるようなファスナー６）が、選択される。選択されたファスナー６がファスナー用穴５に挿入され、ナットによって締め付けられる。これにより、被加工材４が締結される。

貫通穴の計測に関連する技術として、特許文献１（特開２００５−２８３２６７号公報）には、貫通孔計測装置が開示されている。この貫通孔計測装置は、所定の厚みを有するワークに形成された貫通孔を撮影してステレオ画像を取得する画像取得装置と、この取得した画像を処理する画像処理装置を備える。画像処理装置は、ワークの画像取得面である表面側に位置する貫通穴の表面輪郭と、ワークの裏面側に位置する貫通穴の裏面側輪郭との三次元形状を抽出する輪郭形状抽出手段と、抽出した各輪郭形状の夫々対応する特徴点の三次元位置情報を検出する特徴点検出手段と、検出したそれぞれ対応する特徴点の三次元位置情報に基づいて貫通孔の位置およびその貫通方向を算出する貫通孔情報算出手段と、を備える。

特開２００５−２８３２６７号公報

図２に示したように、グリップゲージ８を用いる場合には、作業者がグリップケージ８をファスナー用穴５に挿入しなければならず、作業者に加わる負担が大きくなってしまう。

一方、特許文献１には、複合材を有する被加工材の板厚を測定する点についての記載はない。また、特許文献１に記載された貫通孔計測装置は、画像処理装置が必要であり、高価になってしまう。

本発明に係る板厚測定装置は、複合材を含む被加工材の板厚を測定する装置である。板厚測定装置は、穴径を測定する測定部を有し、前記測定部が前記被加工材に設けられた穴に挿入された場合に、前記測定部により穴径を連続的に測定し、穴径データを生成する、穴径測定機構と、前記測定部が前記穴に挿入された場合に、前記被加工材の主面から前記測定部までの深さを測定し、深さデータを生成する、深さ測定機構と、前記穴径測定機構を、前記測定部が前記被加工材の主面側から裏面側に到達するように、移動可能に支持する、支持機構と、前記穴径データ及び前記深さデータに基づいて、前記被加工材の板厚を算出し、板厚データを生成する、制御装置を具備する。

本発明に係る板厚測定方法は、複合材を含む被加工材の板厚を測定する方法である。板厚測定方法は、穴径を測定する測定部を前記被加工材に設けられた穴に挿入し、前記被加工材の主面側から裏面側に到達するように、移動させることにより、穴の穴径を連続的に測定し、穴径データを生成するステップと、前記被加工材の主面から前記測定部までの深さを測定し、深さデータを生成するステップと、前記穴径データ及び前記深さデータに基づいて、前記被加工材の板厚を算出し、板厚データを生成するステップとを具備する。

本発明によれば、安価で、作業者に負担をかけることなく板厚を測定することができる、板厚測定装置、及び板厚測定方法が提供される。

航空機の機体製造に用いられる被加工材の一部を概略的に示す断面図である。 厚さ測定時における被加工材を示す概略断面図である。 実施形態に係る板厚測定装置を有する加工システムを示すブロック図である。 板厚測定装置を側方から見たときの概略図である。 板厚測定装置を、図４に示される方向Ａから見たときの概略図である。 測定部の一例を示す断面図である。 測定部の高さがプレッシャフットの下面の高さに一致している状態を示す図である。 測定部の下降時における状態を示す断面図である。 下降時の測定部を、裏面側から見たときの図である。 回転後に、測定部を裏面側から見たときの図である。 穴径データと深さデータとの対応関係を示すグラフである。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。

図３は、本実施形態に係る板厚測定装置９を有する加工システムを示すブロック図である。この加工システムは、航空機の機体に用いられる材料（以下、被加工材）を加工する為に用いられる。加工システムは、被加工材にファスナー用穴を形成し、ファスナー用穴にファスナーを挿入し、被加工材を締結する機能を有している。尚、被加工材は、図１に示した例と同様に、第１部材と第２部材とが積層された構造を有し、第１部材は複合材（炭素繊維強化プラスチック材）である。

図３に示されるように、加工システムは、穴あけ装置（板厚測定装置９）、品質管理サーバ２２、ファスナー選択装置２３、及びファスナー組みつけ装置２４を備えている。穴あけ装置（板厚測定装置９）は、被加工材を加工し、ファスナー用穴を形成する。また、穴あけ装置（板厚測定装置９）は、ファスナー用穴の形状を測定し、形状データを生成する。穴あけ装置（板厚測定装置９）は、ファスナー用穴の形成後に、板厚データを生成する。更に、品質管理サーバ２２は、板厚測定装置９から、板厚データ及び形状データを取得し、これらを穴計測データとしてファスナー選択装置２３に通知する。ファスナー選択装置２３は、穴計測データに基づいて、最適なサイズのファスナーを選択する。ファスナー組みつけ装置２４は、選択されたファスナーを被加工材のファスナー用穴に挿入し、被加工材を締結する。

本実施形態では、このうち、板厚測定装置９が工夫されている。以下、板厚測定装置９の構成を詳述する。

図４は、板厚測定装置９を側方から見たときの概略図である。また、図５は、板厚測定装置９を、図４に示される方向Ａから見たときの概略図である。図４及び図５に示されるように、板厚測定装置９は、支持機構１４、プレッシャフット１３、穴径測定機構１１、リニアスケール１５（深さ測定機構）、制御装置１６（図４参照）、及びスピンドルドリル１０（ドリル機構、図５参照）を備えている。

支持機構１４は、プレッシャフット１３、穴径測定機構１１、リニアスケール１５、及びスピンドルドリル１０を支持する機能を有している。支持機構１４は、プレッシャフット１３、穴径測定機構１１、及びスピンドルドリル１０を、昇降可能に支持（第１方向に移動可能になるように支持）している。第１方向とは、被加工材に対して垂直になる方向である。また、図５に示されるように、支持機構１４は、穴径測定機構１１及びスピンドルドリル１０を、横方向（第１方向に直交する第２方向）においても移動可能になるように、支持している。横方向に穴径測定機構１１及びスピンドルドリル１０を移動させることにより、穴径測定機構１１をプレッシャフット１３上に位置させることも可能であるし、スピンドルドリル１０をプレッシャフット１３上に位置させることも可能である。

プレッシャフット１３は、被加工材４を押さえる部分である。図４に示されるように、被加工材４は、主面２６及び裏面２７を有している。プレッシャフット１３は、支持機構１４により、主面２６に当接させられ、これによって被加工材４を押さえつける。また、プレッシャフット１３には、開口２５が設けられている。開口２５は、スピンドルドリル１０による加工、及び、穴径測定機構１１による測定のために設けられている。

スピンドルドリル１０（図５参照）は、被加工材４にファスナー用穴５を形成するために設けられている。スピンドルドリル１０をプレッシャフット１３の真上に移動させ、開口２５に挿入することにより、被加工材４が加工される。これにより、主面２６から裏面２７に向けて貫通するように、ファスナー用穴５を形成することができる。

穴径測定機構１１は、ファスナー用穴５の穴径を測定する機能を有している。穴径測定機構１１は、ファスナー用穴５に挿入される測定部１２を有している。穴径測定機構１１は、測定部１２が挿入された部分の穴径を連続的に測定する。すなわち、穴径測定機構１１を、プレッシャフット１３の真上に移動させ、開口２５を介してファスナー用穴５に測定部１２を挿入することにより、穴径を測定することができる。

図６は、測定部１２の一例を示す断面図である。図６には、測定部１２が、プランジャー機構を有している場合の例が示されている。図６に示される例において、測定部１２は、筒部１８、及び一対の板バネ１９を有している。一対の板バネ１９は、筒部１８内に設けられ、筒部１８によって支持されている。筒部１８の側面には、一対の開口２９が設けられている。一対の開口２９は、互いに反対側を向くように、設けられている。一対の板バネ１９には、それぞれ、突起部２０が設けられている。一対の突起部２０は、一対の開口２９から突き出るように、伸びている。また、筒部１８には、ロッド１７が、第１方向に沿って移動可能となるように、支持されている。ロッド１７の下端部には、テーパー部２１が形成されている。テーパー部２１においては、下端側ほどロッド１７の径が小さくなっている。一対の板バネ１９は、テーパー部２１に当接している。

図６に示される例の場合、測定部１２をファスナー用穴５に挿入すると、一対の突起部２０が、ファスナー用穴５の内壁に押され、内側に変位する。その結果、一対の板バネ１９が内側に押され、ロッド１７が上昇する。ロッド１７の変位量は、ファスナー用穴５の穴径に依存する。従って、第１方向におけるロッド１７の変位量を、図示しないセンサにより測定することにより、ファスナー用穴５の穴径を求めることができる。

リニアスケール１５（図４参照）は、測定部１２がファスナー用穴５に挿入された場合に、測定部１２の第1方向への移動距離を測定する為に設けられている。リニアスケール１５は、プレッシャフット１３に対する穴径測定機構１１の相対的な高さを測定する機能を有している。図７は、測定部１２の高さがプレッシャフット１３の下面の高さに一致している状態を示す図である。このときの穴径測定機構１１の位置が、基準位置に設定される。測定部１２がファスナー用穴５に挿入されると、リニアスケール１５により、穴径測定機構１１の位置が基準位置からどれだけ変化したのかが、測定される。測定結果に基づいて、測定部１２の深さ（主面２６からの深さ）を求めることが可能である。

制御装置１６は、支持機構１４、スピンドルドリル１０、プレッシャフット１３、及び穴径測定機構１１の動作を制御する機能を有している。また、制御装置１６は、穴径測定機構１１から穴径の測定結果を示すデータを、穴径データとして取得する。更に、リニアスケール１５から、測定部１２の深さを示すデータを、深さデータとして取得する。更に、制御装置１６は、穴径データ及び深さデータに基づいて、被加工材４の板厚を算出し、板厚データを生成する機能を有している。

制御装置１６は、例えば、コンピュータにより実現される。すなわち、例えば、図示しないＣＰＵが、図示しないＲＯＭなどに格納された板厚測定プログラムを実行することにより、制御装置１６が実現される。

続いて、本実施形態に係る板厚測定装置９の動作方法を説明する。

まず、板厚測定装置９が、被加工材４の主面２６上に配置される。次いで、プレッシャフット１３が主面２６に当接するように、制御装置１６により、支持機構１４の動作が制御される。次いで、スピンドルドリル１０を用いて、開口２５を介して、被加工材４が加工され、ファスナー用穴５が形成される。

続いて、穴径測定機構１１が、ファスナー用穴５の真上に位置するように、支持機構１４の動作が制御される。更に、穴径測定機構１１が下降するように、支持機構１４の動作が制御される。これにより、測定部１２が、主面２６側から、ファスナー用穴５に挿入される。図８は、測定部１２の下降時における状態を示す断面図である。図８に示されるように、制御装置１６により支持機構１４が制御され、測定部１２が裏面２７側から突き出るまで、穴径測定機構１１が下降させられる。

下降時には、測定部１２により、ファスナー用穴５の穴径が連続的に測定され、穴径データとして制御装置１６に通知される。また、下降時には、リニアスケール１５により測定部１２の深さが測定され、深さデータとして制御装置１６に通知される。

下降後、支持機構１４は、穴径測定機構１１を、第１方向を軸として、９０°回転させる。図９Ａは、下降時の測定部１２を、裏面２７側から見たときの図である。図９Ａに示されるように、下降時には、一対の突起部２０が、線ａに沿って並んでいる。すなわち、下降時には、線ａに沿う穴径が、連続的に測定される。一方、図９Ｂは、回転後の測定部１２を裏面２７側から見たときの図である。図９Ｂに示されるように、穴径測定機構１１を９０°回転させることにより、一対の突起部２０は、線ａに直交する線ｂに沿って並ぶことになる。

回転後、測定部１２が主面２６側から引き出されるように、穴径測定機構１１が上昇させられる。この際、下降時と同様に、穴径および深さが連続的に測定され、穴径データ及び深さデータが制御装置１６に通知される。上昇時には、線ｂに沿う穴径が測定されることになる。

上昇後、制御装置１６が、穴径データ及び深さデータに基づいて、被加工材４の板厚を算出する。図１０は、穴径と深さとの対応関係を示すグラフである。図１０において、縦軸は穴径であり、横軸は、深さである。図１０には、測定部１２の下降時における測定結果（０°）と、上昇時における測定結果（９０°）とが示されている。図１０に示されるように、測定部１２が裏面２７から突き出ると、測定部１２による測定結果の値がふりきれる。そこで、制御装置１６は、穴径の測定値を予め定められたしきい値と比較し、しきい値を超えるような深さを求めることにより、被加工材４の板厚を算出する。制御装置１６は、算出結果を示す板厚データを生成し、品質管理サーバ２２に通知する。すなわち、図３に示したように、制御装置１６を含む板厚測定装置９から、品質管理サーバ２２に、板厚データが通知される。また、制御装置１６(板厚測定装置９）は、上述の穴径データと深さデータとの対応関係を示すデータを形状データとして、生成し、品質管理サーバ２２に通知する。

制御装置１６は、図１０に示したように、穴径データと深さデータとの対応関係を示すグラフを示す図形データを生成し、表示装置に表示することが好ましい。この際、制御装置１６は、どの深さを板厚の測定結果として採用しているのかを示すバー２８をグラフに追加し、表示することが好ましい。バー２８を表示することにより、作業者は、適切な深さが板厚として算出されているか否かを、一目瞭然に知ることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、板厚測定装置９により、自動的に板厚を測定される。作業者に要する負担が軽減される。

また、本実施形態では、穴径の測定結果を用いて、板厚を測定することが可能である。すなわち、一工程で、穴径の測定（穴形状の測定）に加え、板厚の測定を行うことも可能となる。穴径の測定とは別工程で板厚の測定を行う場合と比較して、製造工程を短縮することができる。

更に、本実施形態では、支持機構１４が、スピンドルドリル１０と穴径測定機構１１とを移動可能に支持している。そのため、スピンドルドリル１０によりファスナー用穴５を形成した後、すぐに、穴径の測定及び板厚の測定を行うことが可能になる。

また、本実施形態では、下降時及び上昇時のそれぞれにおいて、穴径が測定され、両方の測定結果に基づいて、板厚が算出される。下降時及び上昇時の何れか一方においてのみ穴径が測定される場合と比較して、測定結果の精度を高めることが可能になる。但し、必ずしも下降時及び上昇時のそれぞれにおいて穴径が測定される必要はなく、下降時及び上昇時の何れか一方においてのみ穴径が測定される場合であっても、本発明を適用することは可能である。

尚、本実施形態では、被加工材４が、航空機の機体材料として用いられるものである場合について説明した。但し、被加工材４は、必ずしも航空機用材料に限定されるものではない。被加工材４が複合材を含む材料であり、ファスナーにより締結される材料であれば、本発明を適用することが有効である。

更に、本実施形態では、測定部１２が、プランジャー機構（図６参照）を有している場合について説明した。但し、測定部１２は、図６に示した構造に限定されるものではない。昇降時に連続的に穴径を測定することが可能であれば、測定部１２として、他の構造を有するものが用いられてもよい。

１ 第１部材
２ シム
３ 第２部材
４ 被加工材
５ ファスナー用穴
６ ファスナー
７ ナット
８ グリップゲージ
９ 板厚測定装置
１０ スピンドルドリル
１１ 穴径測定機構
１２ 測定部
１３ プレッシャフット
１４ 支持機構
１５ リニアスケール（深さ測定機構）
１６ 制御装置
１７ ロッド
１８ 筒部
１９ 板バネ
２０ 突起部
２１ テーパー部
２２ 品質管理サーバ
２３ ファスナー選択装置
２４ ファスナー組み付け装置
２５ 開口
２６ 主面
２７ 裏面
２８ バー
２９ 開口

Claims (11)

1. 複合材を含む被加工材の板厚を測定する板厚測定装置であって、
   穴径を測定する測定部と、
   前記測定部が前記被加工材に設けられた穴に挿入された場合に、前記測定部により穴径を測定し、穴径データを生成する、穴径測定機構と、
   前記測定部が前記穴に挿入された場合に、前記被加工材の主面から前記測定部までの深さを測定し、深さデータを生成する、深さ測定機構と、
   前記穴径測定機構を、前記測定部が前記被加工材の主面側から裏面側に到達するように、移動可能に支持する、支持機構と、
   前記支持機構により支持され、前記被加工材に前記穴を形成する、ドリル機構と、
   前記穴径データ及び前記深さデータに基づいて、前記被加工材の板厚を算出し、板厚データを生成する、制御装置と、
   前記支持機構により昇降可能に支持され、前記主面に当接する、プレッシャフットと
   を具備し、
   前記プレッシャフットの開口には、前記穴径測定機構と、前記支持機構に支持された前記ドリル機構とを選択的に挿通可能である
   板厚測定装置。
2. 請求項１に記載された板厚測定装置であって、
   前記測定部は、昇降時に穴径を連続的に測定可能になるように構成されている
   板厚測定装置。
3. 請求項１又は２に記載された板厚測定装置であって、
   前記制御装置は、前記穴径データ及び前記深さデータに基づいて、穴径が予め定められた閾値よりも大きくなる部分の深さを認識し、認識結果に基づいて、前記板厚を算出する
   板厚測定装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載された板厚測定装置であって、
   前記深さ測定機構は、前記プレッシャフットの位置と前記穴径測定機構の位置とに基づいて、前記主面から前記測定部までの前記深さを測定する
   板厚測定装置。
5. 請求項４に記載された板厚測定装置であって、
   前記制御装置は、更に、前記穴径データ及び前記深さデータに基づいて、前記穴径と前記深さとの関係を示すグラフを図形データとして生成し、前記図形データを表示装置に表示する
   板厚測定装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載された板厚測定装置であって、
   前記測定部は、連続して穴径を測定する機構を有している
   板厚測定装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載された板厚測定装置であって、
   前記穴径測定機構は、前記被加工材の主面に平行な第２方向に、前記プレッシャフットに対して相対移動可能である
   板厚測定装置。
8. 複合材を含む被加工材の板厚を測定する板厚測定方法であって、
   プレッシャフットを前記被加工材の主面に当接させるステップと、
   ドリル機構を前記プレッシャフットの真上に移動させ、前記ドリル機構を、前記プレッシャフットの開口に挿入することにより前記被加工材に穴を設けるステップと、
   穴径測定機構を前記プレッシャフットの真上に移動させ、前記穴径測定機構の測定部を前記プレッシャフットの開口を介して前記被加工材に設けられた穴に挿入し、前記測定部を前記被加工材の主面側から裏面側に到達するように、移動させることにより、穴の穴径を連続的に測定し、穴径データを生成するステップと、
   前記穴径データを生成するステップを行ないながら、前記被加工材の主面から前記測定部までの深さを測定し、深さデータを生成するステップと、
   前記穴径データ及び前記深さデータに基づいて、前記被加工材の板厚を算出し、板厚データを生成するステップと、
   を具備する
   板厚測定方法。
9. 請求項８に記載された板厚測定方法であって、
   前記板厚データを生成するステップは、前記穴径データ及び前記深さデータに基づいて、穴径が予め定められた閾値よりも大きくなる部分の深さを認識し、認識結果に基づいて、前記板厚を算出するステップを含む
   板厚測定方法。
10. 請求項８又は９に記載された板厚測定方法であって、
    更に、
    前記穴径データ及び前記深さデータに基づいて、前記穴径と前記深さとの関係を示すグラフを図形データとして生成し、前記図形データを表示装置に表示するステップ、
    を具備する
    板厚測定方法。
11. 請求項８乃至１０のいずれかに記載された板厚測定方法であって、
    前記測定部は、プランジャー機構を有している
    板厚測定方法。

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