JP5929518B2 - Surface shape measuring method and surface shape measuring apparatus - Google Patents
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本発明は、物体の表面に加工された溝の寸法を測定する表面形状測定方法および表面形状測定装置に関する。 The present invention relates to a surface shape measuring method and a surface shape measuring apparatus for measuring the dimensions of a groove processed on the surface of an object.
物体の表面に凹凸パターンの加工を施し、この凹凸パターンにより物体が持つ機能を向上させる技法が数多く存在する。例えば、電磁鋼板では、表面に微小な溝加工を行うことにより、その電磁鋼板を低鉄損化する技法が知られている。このような物体が持つ機能を向上させるために行う物体の表面加工では、表面に加工される凹凸パターンの形状がその物体の品質に直接的に影響する。このため、表面に加工される凹凸パターンの形状を精度よく測定することは、製造工程の管理および製品品質の保証を行う際に非常に重要となっている。 There are many techniques for processing the surface of an object to form a concavo-convex pattern and improving the function of the object with this concavo-convex pattern. For example, in a magnetic steel sheet, a technique for reducing iron loss of the magnetic steel sheet by performing minute groove processing on the surface is known. In surface processing of an object performed to improve the function of such an object, the shape of the uneven pattern processed on the surface directly affects the quality of the object. For this reason, it is very important to accurately measure the shape of the concavo-convex pattern processed on the surface when managing the manufacturing process and guaranteeing the product quality.
例えば特許文献1には、製造ライン上で物体表面の凹凸形状を連続的に測定する表面形状測定方法が記載されている。この表面形状測定方法は、物体に対して相対的に移動するように配置された変位計により、変位計と物体との間の変位量を測定して断面形状を取得し、このように取得した断面形状から凹凸の深さ(または高さ)および幅を算出するものである。 For example, Patent Document 1 describes a surface shape measurement method for continuously measuring the uneven shape of an object surface on a production line. In this surface shape measurement method, a displacement meter arranged so as to move relative to the object is used to measure the amount of displacement between the displacement meter and the object to obtain a cross-sectional shape, and thus obtained. The depth (or height) and width of the irregularities are calculated from the cross-sectional shape.
また、特許文献2には、光学式変位計(レーザ変位計)を用いる表面形状測定方法において、変位信号に加えて反射光強度信号に基いて溝の深さおよび幅の測定を行う技術が記載されている。特許文献2に記載の技術は、溝の傾斜部にて検出される変位信号の異常値を反射光強度信号に基いて排除し、溝の深さおよび幅の測定を行う技術である。 Patent Document 2 describes a technique for measuring the depth and width of a groove based on a reflected light intensity signal in addition to a displacement signal in a surface shape measurement method using an optical displacement meter (laser displacement meter). Has been. The technique described in Patent Literature 2 is a technique for eliminating the abnormal value of the displacement signal detected at the inclined portion of the groove based on the reflected light intensity signal and measuring the depth and width of the groove.
しかしながら、特許文献2に記載の表面形状測定方法は、光学式変位計から得る情報として変位信号の他に反射光強度信号をも必要とする。そのため、特許文献2に記載の表面形状測定方法は、反射光強度信号の出力がない光学式変位計や、照射光の強度や受光ゲインを調整して十分な反射光強度を得るようにした機能を持つタイプの光学式変位計には適用され得ない。 However, the surface shape measuring method described in Patent Document 2 requires a reflected light intensity signal in addition to the displacement signal as information obtained from the optical displacement meter. Therefore, the surface shape measuring method described in Patent Document 2 is an optical displacement meter that does not output a reflected light intensity signal, or a function that adjusts the intensity of the irradiated light and the light receiving gain to obtain a sufficient reflected light intensity. This type of optical displacement meter cannot be applied.
また、微小な溝の形状を三角測距式の光学式変位計で測定する場合、溝の傾斜部では受光量が不足して測定値が不安定になりやすいという問題に加え、照射光や受光ゲインの調整を行うタイプの変位計では、受光量不足にはなり難い代わりに、溝の傾斜部への照射光が溝の内部で多重反射した2次的な反射光も受光することにより、溝傾斜部の形状が誤認識される現象が発生する。このような誤認識が発生した場合、実際の溝の深さよりも深い異常な変位が観測されることが多く、特許文献1に記載の表面形状測定方法では、直接的に溝の深さの誤測定となってしまう問題があった。 In addition, when measuring the shape of a minute groove with a triangulation optical displacement meter, in addition to the problem that the measured value tends to become unstable due to the insufficient amount of light received at the inclined part of the groove, the irradiated light and received light In the displacement meter of the type that adjusts the gain, the amount of received light is unlikely to be insufficient, but instead of receiving the secondary reflected light in which the irradiation light to the inclined portion of the groove is reflected multiple times inside the groove, A phenomenon that the shape of the inclined portion is erroneously recognized occurs. When such misrecognition occurs, an abnormal displacement deeper than the actual groove depth is often observed, and the surface shape measuring method described in Patent Document 1 directly causes an error in the groove depth. There was a problem that would be a measurement.
また、特許文献2に記載の表面形状測定方法のように、変位信号上のうねりを除去するために移動平均を用いる場合、移動平均の値に溝部分の変位量の影響が残るために、溝幅や溝深さを算出する際に誤差が生じる問題があった。 Further, when the moving average is used to remove the undulation on the displacement signal as in the surface shape measuring method described in Patent Document 2, the effect of the displacement amount of the groove portion remains on the moving average value. There was a problem that an error occurred when calculating the width and the groove depth.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、変位計で測定した物体表面の変位データのみを用いて、この変位データ中の外乱を排除し、物体表面に加工された溝の寸法を精度良く測定することができる表面形状測定方法および表面形状測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to process disturbances in the displacement data by using only displacement data of the object surface measured by a displacement meter and to remove the disturbance in the displacement data. It is an object of the present invention to provide a surface shape measuring method and a surface shape measuring device capable of measuring the dimension of a groove with high accuracy.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の表面形状測定方法は、物体表面に光線を照射して測定を行う光学式変位計により前記物体表面を走査して、前記光学式変位計に対する前記物体表面の変位データを取得する変位データ取得ステップと、前記変位データからうねりを除去して補正変位データを取得するうねり除去ステップと、前記補正変位データを探索して、前記補正変位データが所定の第1閾値よりも低くなる最初の位置を、前記物体表面に加工された溝の溝概略位置として検出する溝概略位置検出ステップと、前記溝概略位置を含む前記溝の溝始点および溝終点を算出する溝幅算出ステップと、前記溝始点と前記溝終点との中央位置から前記溝幅の所定割合の幅の範囲に限定した前記補正変位データの最小値を算出する最深位置検出ステップと、前記最深位置検出ステップで算出された前記補正変位データの最小値と前記補正変位データの変位0との差を前記物体表面に加工された溝の深さとして算出する溝深さ算出ステップとを含むことを特徴とする。
In order to solve the above-described problems and achieve the object, the surface shape measuring method of the present invention scans the object surface with an optical displacement meter that performs measurement by irradiating the object surface with a light beam, A displacement data acquisition step of acquiring displacement data of the object surface with respect to a displacement meter; a waviness removal step of removing waviness from the displacement data to acquire correction displacement data; and searching for the correction displacement data, and the correction displacement A groove approximate position detecting step for detecting an initial position at which data is lower than a predetermined first threshold as a groove approximate position of a groove processed on the object surface; a groove start point of the groove including the groove approximate position; and A groove width calculating step for calculating a groove end point, and calculating a minimum value of the corrected displacement data limited to a range of a predetermined ratio of the groove width from a center position between the groove start point and the groove end point. A groove that calculates a difference between a minimum value of the corrected displacement data calculated in the deepest position detecting step and a
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の表面形状測定装置は、物体表面に光線を照射して測定を行う光学式変位計により前記物体表面を走査して、前記光学式変位計に対する前記物体表面の変位データを取得する変位データ取得部と、前記変位データからうねりを除去して補正変位データを取得する変位データ補正部と、前記補正変位データを探索して、前記補正変位データが所定の第1閾値よりも低くなる最初の位置を、前記物体表面に加工された溝の溝概略位置として検出する溝概略位置検出部と、前記溝概略位置を含む前記溝の溝始点および溝終点を算出する溝始点・終点検出部と、前記溝始点と前記溝終点との中央位置から前記溝幅の所定割合の幅の範囲に限定した前記補正変位データの最小値を算出し、前記補正変位データの最小値と前記補正変位データの変位0との差を前記物体表面に加工された溝の深さとして算出する溝深さ算出部とを備えることを特徴とする。
In order to solve the above-described problems and achieve the object, the surface shape measuring apparatus of the present invention scans the object surface with an optical displacement meter that performs measurement by irradiating the object surface with light, and A displacement data acquisition unit that acquires displacement data of the object surface with respect to a displacement meter, a displacement data correction unit that acquires correction displacement data by removing waviness from the displacement data, and searches for the correction displacement data to perform the correction A groove approximate position detection unit that detects an initial position at which displacement data is lower than a predetermined first threshold as a groove approximate position of a groove processed on the object surface; and a groove start point of the groove including the groove approximate position And a groove start point / end point detection unit for calculating a groove end point, and a minimum value of the corrected displacement data limited to a predetermined range of the groove width from a center position between the groove start point and the groove end point, Correction Characterized in that it comprises a position groove depth calculating unit that calculates the difference between the minimum value of the data and the correction shift displacement of a
本発明にかかる表面形状測定方法および表面形状測定装置は、変位計で測定した物体表面の変位データのみを用いて、この変位データ中の外乱を排除し、物体表面に加工された溝の寸法を精度良く測定することができるという効果を奏する。 The surface shape measuring method and surface shape measuring apparatus according to the present invention uses only the displacement data of the object surface measured by the displacement meter, eliminates the disturbance in the displacement data, and determines the dimension of the groove processed on the object surface. There is an effect that the measurement can be performed with high accuracy.
以下に、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法および表面形状測定装置について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, a surface shape measuring method and a surface shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments described below.
[表面形状測定装置]
図1は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定装置の構成例を示す概略図である。本発明の実施形態にかかる表面形状測定装置1は、製造ライン上を搬送される鋼板Sの表面に加工された溝の形状を測定する装置である。図1に示されるように、本発明の実施形態にかかる表面形状測定装置1は、変位計ヘッド2と、変位計コントローラ3と、信号処理装置4と、ローラエンコーダ5と、表示装置6とを備える。
[Surface shape measuring device]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a surface shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. A surface shape measuring apparatus 1 according to an embodiment of the present invention is an apparatus that measures the shape of a groove processed on the surface of a steel sheet S conveyed on a production line. As shown in FIG. 1, a surface shape measuring apparatus 1 according to an embodiment of the present invention includes a displacement meter head 2, a
変位計ヘッド2は、内部にレーザ光源21と、集光レンズ22と、光ポジションセンサ23と、結像レンズ24とを備えた三角測距式の変位計である。レーザ光源21から射出されたレーザ光25は、集光レンズ22を介してスポット光もしくはスリット光として鋼板Sの表面に照射され、鋼板Sからの反射光26は、結像レンズ24を介して光ポジションセンサ23の受光面に結像される。
The displacement meter head 2 is a triangulation type displacement meter having a laser light source 21, a
図1に示されるように、変位計ヘッド2は、レーザ光源21から射出されたレーザ光25を鋼板Sに対して垂直に照射し、光ポジションセンサ23にて反射光26を一定の角度をなして検出する構成である。この構成の場合、鋼板Sの表面と変位計ヘッド2との間の距離が変化すると、光ポジションセンサ23に結像される反射光26の受光位置が変化する。すなわち、図1に示される表面形状測定装置1は、光ポジションセンサ23における反射光26の受光位置を読み取ることにより、鋼板Sの表面と変位計ヘッド2との間の距離を測定する構成である。
As shown in FIG. 1, the displacement meter head 2 irradiates the
変位計コントローラ3は、変位計ヘッド2への電源供給とヘッド内部の構成部品への制御信号出力とを行いながら、光ポジションセンサ23の出力信号を読み取り、鋼板Sの表面と変位計ヘッド2との間の距離を算出する。その後、変位計コントローラ3は、算出された鋼板Sの表面と変位計ヘッド2との間の距離を変位信号として信号処理装置4へ出力する。
The
光ポジションセンサ23には、例えばPSD(Position Sensitive Detector)、CCD、CMOSなどの受光素子が用いられる。光ポジションセンサ23としてPSDを用いた場合、反射光26を受光した受光素子の両端から2つの電流I1およびI2が出力される。変位計コントローラ3は、この2つの電流I1およびI2を用いて(I1−I2)/(I1+I2)を算出し、この値から反射光26を受光した重心位置を求める。また、光ポジションセンサ23としてCCDまたはCMOSを用いた場合、これらの受光素子は小さなフォトダイオードのアレイであるので、受光素子上の受光強度分布が得られる。その場合、変位計コントローラ3は、受光強度分布の重心位置またはピーク位置等により鋼板Sの表面と変位計ヘッド2との間の距離を算出する。
For the
信号処理装置4は、変位計コントローラ3から出力された変位信号と、鋼板Sを搬送するローラに設けられたローラエンコーダ5から出力されたパルス信号とから、鋼板S全体における鋼板Sの変位データを復元し、鋼板Sの表面に加工された溝の形状を変位データから算出する装置である。ここで言う鋼板Sの変位データとは、鋼板Sの表面における垂直方向の変位量に関するデータである。つまり、鋼板Sの変位データは、鋼板Sの表面と変位計ヘッド2との間の距離を、ある基準となる距離からの差を算出することにより求められるデータである。
The
なお、図1に示される表面形状測定装置1は、紙面の都合上、単一の変位計ヘッド2のみを備えるものとして図示されているが、複数の変位計ヘッド2を鋼板Sの幅方向(図中Z方向)に配列すれば、信号処理装置4は、鋼板S全体における変位データを復元することができる。また、単一の変位計ヘッド2を鋼板Sの幅方向(図中Z方向)に走査可能に構成することによっても、信号処理装置4は、鋼板S全体における変位データを復元することができる。
Although the surface shape measuring apparatus 1 shown in FIG. 1 is illustrated as including only a single displacement gauge head 2 for the sake of space, a plurality of displacement gauge heads 2 are arranged in the width direction of the steel sheet S ( If arranged in the Z direction in the figure, the
表示装置6は、信号処理装置4が算出した鋼板Sの表面に加工された溝の形状(特に溝幅および溝深さ)を表示する装置である。例えば、表示装置6は、CRT画面表示装置であり、オペレータが鋼板Sの上に加工された溝の形状が規定どおりであるか否かを判別するのに用いられる。
The
ここで、図2を参照しながら、鋼板S上に加工された溝11に照射されたレーザ光25が反射する際の様子を説明する。
Here, with reference to FIG. 2, a state when the
図2は、鋼板S上に加工された溝11の傾斜部へ照射されたレーザ光25の反射の様子を表現した模式図である。図2(a)は、鋼板S上に加工された溝11の傾斜部へ照射されたレーザ光25の多重反射による反射光26の軌跡を表現した模式図であり、図2(b)は、図2(a)の矢印Vの方向から見た図であり、多重反射による反射光26が、光ポジションセンサ23に溝11の深さを誤認識させる仕組みを示した模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a state of reflection of the
図2(a)に示されるように、鋼板S上に加工された溝11の傾斜部へ照射されたレーザ光25は、溝11の傾斜部(図中位置P1)でのみ反射して光ポジションセンサ23へ入射する反射光26aと、溝11の傾斜部(図中位置P1)で反射した後に底部(図中位置P3)でさらに反射して光ポジションセンサ23へ入射する反射光26bとがある。そして、図2(a)に示されるように、傾斜部(図中位置P1)で反射した反射光26aの光ポジションセンサ23における受光位置(図中位置P2)と、底部(図中位置P3)で反射した反射光26bの光ポジションセンサ23における受光位置(図中位置P4)とでは、光ポジションセンサ23上の位置が異なっている。
As shown in FIG. 2A, the
その結果、図2(b)に示されるように、従来の表面形状測定装置では、鋼板S上に加工された溝11の深さを誤認識することがある。図2(b)に示されるように、三角測距法では、光ポジションセンサ23における受光位置が図中位置P2である場合、鋼板Sの高さ(または深さ)の位置が図中位置P1であると認識し、光ポジションセンサ23における受光位置が図中位置P4である場合、鋼板Sの高さ(または深さ)の位置が図中位置P5であると認識される。その結果、三角測距法では、多重反射が発生してしまうと、本来の鋼板Sの高さ(または深さ)の位置が図中位置P1であるにも拘らず、鋼板Sの高さ(または深さ)の位置が図中位置P5であると誤認識してしまうのである。
As a result, as shown in FIG. 2B, in the conventional surface shape measuring apparatus, the depth of the
そこで、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法および表面形状測定装置では、信号処理装置4における信号処理方法に工夫をすることにより、多重反射による誤認識を排除する。
[信号処理装置]
Therefore, in the surface shape measuring method and the surface shape measuring apparatus according to the embodiment of the present invention, the signal processing method in the
[Signal processing equipment]
図3は、本発明の実施形態にかかる信号処理装置4の内部処理を示す機能ブロック図である。図3に示されるように、本発明の実施形態にかかる信号処理装置4は、変位データ取得部41と、変位データ補正部42と、溝概略位置検出部43と、溝始点・終点検出部44と、溝幅算出部45と、溝深さ算出部46とを備える。
FIG. 3 is a functional block diagram showing internal processing of the
変位データ取得部41は、変位計コントローラ3から変位信号を受信してA/D変換などを行うと同時に、ローラエンコーダ5からは鋼板Sが一定距離進む毎に発生するパルス信号を受信して鋼板Sの走行速度あるいは走行位置を解析する。その結果、変位データ取得部41は、変位計コントローラ3から受信した変位信号から鋼板S上の変位データY0(X)を復元する。ここで、Xは鋼板S上の搬送方向の位置座標を意味し、Yは鋼板Sの高さ方向の位置座標を意味する(図1参照)。なお、鋼板Sには、幅方向の位置座標Zも存在するが、以下の説明では、幅方向の位置座標Zを一点に固定して説明を行う。
The displacement
変位データY0(X)における鋼板S上のサンプル点間隔ΔXは、A/D変換の一定の時間間隔とローラエンコーダ5が発生するパルス信号の時間間隔とにより定まる。ローラエンコーダ5が発生するパルス信号の間隔は、その時間間隔中に鋼板Sが進む距離を意味し、A/D変換の時間間隔は、変位データY0(X)のサンプル点が生成される間隔を意味する。よって、A/D変換の時間間隔の間に含まれるパルス信号の頻度により、鋼板S上のサンプル点間隔ΔXが定まる。なお、ローラエンコーダ5からのパルス信号の時間間隔が十分に短い間隔であれば、変位データ取得部41は、このパルス信号に同期してA/D変換を行うことにより、鋼板S上のサンプル点間隔ΔXを定めることもできる。
The sample point interval ΔX on the steel sheet S in the displacement data Y 0 (X) is determined by the constant time interval of A / D conversion and the time interval of the pulse signal generated by the
変位データ補正部42は、変位データ取得部で取得した変位データY0(X)から、鋼板Sや変位計ヘッド2の振動、または鋼板Sの撓みなどで生じる変位データY0(X)上のうねりを除去して、補正変位データY1(X)を生成する。この変位データ補正部42における変位データY0(X)上のうねりを除去する方法は、後に図5および図6を参照して詳述するものとする。
Displacement
変位データ補正部42は、必要に応じてうねりを除去した補正変位データY1(X)に対して更なるフィルタ処理を行うことが好ましい。補正変位データY1(X)には、鋼板S表面の粗さ等に起因する測定ノイズが含まれるので、こういったノイズ除去の意味で、移動平均フィルタなどの線形ローパスフィルタ、あるいはメディアンフィルタを適用することが考えられる。なお、フィルタ次数(移動平均フィルタでは平均値を計算する範囲、メディアンフィルタでは中央値を計算する範囲)は、鋼板S上での影響範囲が一定となるように決定される(つまり、サンプリング間隔ΔXに反比例させる)。このようにフィルタ次数を決定することにより、サンプリング間隔ΔXが異なる場合でもフィルタの効果を同じに保つことが可能となる。
The displacement
溝概略位置検出部43は、変位データ補正部42にてうねりを除去した補正変位データY1(X)より溝概略位置を検出する手段である。溝概略位置とは、変位データ補正部42で補正した補正変位データY1(X)を一方(例えば鋼板Sの搬送方法)から探索して、補正変位データY1(X)が所定の閾値L1(>0)より小さくなる最初の位置のこととして定義する。以下、この位置のことを溝概略位置Xaと記載する。すなわち、溝概略位置検出部43は、補正変位データY1(X)の一方から探索して、所定の閾値L1(>0)に対し、Y1(X)<−L1となる最初の位置を溝概略位置Xaとして検出する。
The groove approximate
溝始点・終点検出部44は、溝概略位置検出部43で検出した溝概略位置Xaに対応する溝始点および溝終点を検出する検出手段である。溝始点および溝終点とは、溝概略位置Xaを開始点として両側に補正変位データY1(X)を探索して、補正変位データY1(X)が所定の閾値L2(>0)より大きくなる最初の位置のこととして定義する。以下、後方に探索した場合のこの位置を溝始点Xsと記載し、前方に探索した場合のこの位置を溝終点Xeと記載する。すなわち、溝始点・終点検出部44は、溝概略位置Xaを開始点として補正変位データY1(X)を両側に探索して、所定の閾値L2(>0)に対し、Y1(X)>−L2となる最初の位置を溝始点Xsおよび溝終点Xeとして検出する。
Groove start and end
溝幅算出部45は、溝始点・終点検出部44が検出した溝始点Xsと溝終点Xeとの差を計算して、鋼板Sの上に加工された溝の溝幅Wを算出する。すなわち、溝幅算出部45は、W=Xe−Xsを計算することにより、鋼板Sの上に加工された溝の溝幅Wを算出する。
Groove
一方、溝深さ算出部46は、変位データ補正部42にてうねりを除去した補正変位データY1(X)から、溝概略位置Xaに対応した溝の溝深さDを算出する算出部である。溝概略位置Xaに対応した溝の溝深さDを算出するために、溝深さ算出部46は、溝始点・終点検出部44で検出した溝部始点Xsと溝部終点Xeとの中央であって、溝幅Wの所定割合R(0<R<1)の幅(すなわちW×Rの長さ)の区間を溝深さ探索範囲に設定し、この範囲において補正変位データY1(X)の最小値を探索する。そして、溝深さ算出部46は、この補正変位データY1(X)の最小値と変位0との差(つまり絶対値)を、鋼板Sの上に加工された溝の溝深さDとして算出する。なお、溝深さ算出部46は、同範囲においてY1(X)の平均値を算出して、変位0からの差(絶対値)を溝深さDとして算出しても良く、変位計の特性などによって適切な算出方法が選択され得る。
On the other hand, the groove depth calculating unit 46, calculation unit from the displacement
溝幅算出部45および溝深さ算出部46によって鋼板Sの溝の溝幅Wおよび溝深さDが算出された後、この溝幅Wおよび溝深さDは、表示装置6によって表示される。
After the groove width W and the groove depth D of the groove of the steel sheet S are calculated by the groove
[表面形状測定方法]
次に、図4から図9を参照しながら、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法について説明する。
[Surface shape measurement method]
Next, the surface shape measuring method according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 to 9.
図4は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法の全体の流れを示すフローチャートである。図4に示されるように、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法は、大きく分けて、変位データ取得ステップ(ステップSTP1)と、うねり除去ステップ(ステップSTP2)と、溝幅算出ステップ(ステップSTP3)と、溝深さ算出ステップ(ステップSTP4)とを有する。変位データ取得ステップ(ステップSTP1)は表面形状測定方法の前提となる通常の処理であるので、以下では、うねり除去ステップ(ステップSTP2)と、溝幅算出ステップ(ステップSTP3)と、溝深さ算出ステップ(ステップSTP4)とに分けて、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法について説明する。 FIG. 4 is a flowchart showing the overall flow of the surface shape measuring method according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the surface shape measuring method according to the embodiment of the present invention is roughly divided into a displacement data acquisition step (step STP1), a swell removal step (step STP2), and a groove width calculation step (step). STP3) and a groove depth calculation step (step STP4). Since the displacement data acquisition step (step STP1) is a normal process as a premise of the surface shape measurement method, hereinafter, the undulation removal step (step STP2), the groove width calculation step (step STP3), and the groove depth calculation will be described. The surface shape measuring method according to the embodiment of the present invention will be described separately in steps (step STP4).
図5は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法におけるうねり除去の方法を示すフローチャートであり、図6は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法におけるうねり除去の様子を示す変位データを示すグラフである。図7は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝幅算出の方法を示すフローチャートであり、図8は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝深さ算出の方法を示すフローチャートである。図9は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝幅算出および溝深さ算出の様子を示す変位データを示すグラフである。 FIG. 5 is a flowchart showing a method of removing waviness in the surface shape measuring method according to the embodiment of the present invention, and FIG. 6 is displacement data showing a state of waviness removal in the surface shape measuring method according to the embodiment of the present invention. It is a graph which shows. FIG. 7 is a flowchart showing a method for calculating the groove width in the surface shape measuring method according to the embodiment of the present invention. FIG. 8 shows a method for calculating the groove depth in the surface shape measuring method according to the embodiment of the present invention. It is a flowchart to show. FIG. 9 is a graph showing displacement data showing a state of groove width calculation and groove depth calculation in the surface shape measuring method according to the embodiment of the present invention.
以下、うねり除去ステップ(ステップSTP2)についての説明を行う。図5に示されるように、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法におけるうねり除去の方法では、変位データ補正部42が、変位データY0(X)の平滑化処理を行うことにより始まる(ステップS1)。
Hereinafter, the swell removal step (step STP2) will be described. As shown in FIG. 5, in the method for removing waviness in the surface shape measurement method according to the embodiment of the present invention, the displacement
図6(a)に示されるように、変位データ取得部41により取得された変位データY0(X)には、鋼板Sや変位計ヘッド2の振動、鋼板Sのたわみの影響で全体として大きく波打った、いわゆるうねりの成分が含まれている。そして、うねりの成分を伴った変位データY0(X)の中に図中記号a1〜a4で示す溝の形状を示す変位が確認される。そして、このうねりの成分は、溝の形状を正確に測定することに対する阻害要因となっている。
As shown in FIG. 6A, the displacement data Y 0 (X) acquired by the displacement
そこで、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法におけるうねり除去の方法では、変位データ補正部42が、変位データY0(X)の平滑化処理として、変位データY0(X)に対して移動平均処理(あるいは他のローパスフィルタ処理をして)を行う(ステップS1)。図6(b)に示されるグラフは、変位データ補正部42が、変位データY0(X)の移動平均処理を行って得られた平滑化データYm(X)を示している。なお、この移動平均処理にあっては、溝の形状が見えなくなる程度の平均幅をオペレータが設定し得る。
Therefore, in the waviness elimination method in the surface shape measuring method according to an embodiment of the present invention, the displacement
その後、変位データ補正部42が、平滑化処理を行った平滑化データYm(X)を変位データY0(X)から減算処理を行うことにより、変位データY0(X)からうねりを除去する(ステップS2)。図6(c)は、上述のように変位データ補正部42が、変位データY0(X)からうねりを除去した補正変位データY1(X)を示すグラフである。なお、補正変位データY1(X)は、変位データY0(X)からうねり成分を減算したので、鋼板Sの表面を変位(高さ)が0に正規化されている。
Thereafter, the displacement
ところで、図6(b)中のb1〜b4で示される部分に注目すると、平滑化データYm(X)には広く浅く窪んだ形状が見受けられている。このb1〜b4における広く浅く窪んだ形状は、変位データY0(X)における溝a1〜a4が移動平均処理に影響したことによる。その結果、図6(c)に示される補正後の変位データY1(X)の形状においても、c1〜c4に示される位置の前後において変位が0より少し大きい状態(少し浮き上がった形状)になっており、溝深さや溝幅の評価において誤差を発生させてしまっている。 By the way, paying attention to the portions indicated by b 1 to b 4 in FIG. 6B, the smoothed data Y m (X) has a wide, shallow and recessed shape. The wide and shallowly depressed shapes in b 1 to b 4 are due to the influence of the grooves a 1 to a 4 in the displacement data Y 0 (X) on the moving average process. As a result, even in the shape of the corrected displacement data Y 1 (X) shown in FIG. 6C, the displacement is slightly larger than 0 before and after the positions shown in c 1 to c 4 (the shape slightly raised). And an error is generated in the evaluation of the groove depth and the groove width.
そこで、このような影響を除去するために、以下に説明する加重平滑化処理を変位データY0(X)に行い(ステップS3)、この加重平滑化処理を行った平滑化データYm’(X)を変位データY0(X)から減算する(ステップS4)。 Therefore, in order to remove such influence, a weighted smoothing process described below is performed on the displacement data Y 0 (X) (step S3), and the smoothed data Y m ′ ( X) is subtracted from the displacement data Y 0 (X) (step S4).
ステップS3の加重平滑化処理のために、変位データ補正部42は、まず、図6(c)に示されるように補正変位データY1(X)における溝部分を判別ための所定の閾値Lm(>0)を設定する。そして、この閾値Lmに従い、以下のように重み関数が定義される。
B(X)=1 (|Y1(X)|≦Lmのとき)
B(X)=0 (|Y1(X)|>Lmのとき)
For the weighted smoothing process in step S3, the displacement
B (X) = 1 (when | Y 1 (X) | ≦ L m )
B (X) = 0 (when | Y 1 (X) |> L m )
そして、変位データ補正部42は、上記重み関数B(X)を用いて、変位データY0(X)の加重平滑化処理を行う(ステップS3)。以下に掲げる数式は、この示す加重移動平均の関数である。算出される変形平滑化データYm’(X)は、B(X)=0となる位置Xについては移動平均に算入しないようにした移動平均となっている。ただし、h(>0)は移動平均幅の半値である。
図6(d)は、上記加重平均化処理を変位データY0(X)に対して行った場合の変形平滑化データYm’(X)のグラフを示している。図6(d)中のd1〜d4に示される位置に注目すると、図6(d)中のb1〜b4に見られたような広く浅い窪み形状はなくなっていることが分かる。 FIG. 6D shows a graph of the modified smoothed data Y m ′ (X) when the weighted averaging process is performed on the displacement data Y 0 (X). When attention is paid to the positions indicated by d 1 to d 4 in FIG. 6D, it can be seen that the wide and shallow depression shape as seen in b 1 to b 4 in FIG.
うねり除去の最終処理として、この変形平滑化データYm’(X)を変位データY0(X)から減算することにより、追加補正変位データY1’(X)を算出する(ステップS4)。 As a final process of undulation removal, additional corrected displacement data Y 1 ′ (X) is calculated by subtracting the deformed smoothed data Y m ′ (X) from the displacement data Y 0 (X) (step S4).
図6(e)は、上記のようにうねり除去が施された補正変位データY1’(X)を示すグラフである。図6(e)に示されるように、図中e1〜e4で示される溝の位置において、変位が0より少し大きい状態(少し浮き上がった形状)が解消されている。なお、以降の説明においては、補正変位データY1(X)と追加補正変位データY1’(X)とを区別せず、補正変位データY1(X)として説明を行うが、このことは上記追加補正の適用を除外するものではない。 FIG. 6E is a graph showing the corrected displacement data Y 1 ′ (X) that has been subjected to swell removal as described above. As shown in FIG. 6E, the state where the displacement is slightly larger than 0 (the shape slightly raised) is eliminated at the positions of the grooves indicated by e 1 to e 4 in the drawing. In the following description, the corrected displacement data Y 1 (X) and the additional corrected displacement data Y 1 ′ (X) are not distinguished from each other, and are described as corrected displacement data Y 1 (X). The application of the additional correction is not excluded.
以下、溝幅算出ステップ(ステップSTP3)についての説明を行う。図7に示されるように、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝幅算出の方法では、初めに溝概略位置検出部43が、鋼板Sの表面に加工された溝の溝概略位置Xaを検出する(ステップS5)。溝概略位置検出部43は、変位データ補正部42で補正した補正変位データY1(X)の一方(例えば鋼板Sの搬送方向)から探索して、所定の閾値L1(>0)に対し、補正変位データY1(X)がY1(X)<−L1となる最初の位置を溝概略位置Xaとして検出する(図9参照)。
Hereinafter, the groove width calculating step (step STP3) will be described. As shown in FIG. 7, in the method for calculating the groove width in the surface shape measuring method according to the embodiment of the present invention, the approximate groove position of the groove first processed by the groove approximate
その後、溝始点・終点検出部44が、溝概略位置Xaから両側に補正変位データY1(X)を探索して(ステップS6)、溝始点Xsおよび溝終点Xeを検出する(ステップS7)。溝始点・終点検出部44は、後方に補正変位データY1(X)を探索し、補正変位データY1(X)が所定の閾値L2(>0)に対し、Y1(X)>−L2となる最初の位置を溝始点Xsとして検出する。同様に、溝始点・終点検出部44は、前方に補正変位データY1(X)を探索し、Y1(X)>−L2となる最初の位置を溝終点Xeとして検出する(図9参照)。
Thereafter, the groove start and end
上記のように検出された溝始点Xsおよび溝終点Xeを用いて、溝幅算出部45が、鋼板Sの表面に加工された溝の溝幅Wを算出する。すなわち、溝幅算出部45は、溝始点Xsと溝終点Xeとの間隔を溝幅Wとして算出する(ステップS8)。つまり、W=Xe−Xsが計算される。
Using the detected groove starting X s and groove end point X e as described above, the groove
次に、溝深さ算出ステップ(ステップSTP4)についての説明を行う。図8に示されるように、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝深さ算出の方法では、溝深さ算出部46が、溝始点Xsと溝終点Xeとから溝の中央部WRを算出する(ステップS9)ことから始まる。具体的には、溝深さ算出部46は、溝始点Xsと溝終点Xeとの中央位置を算出し、この中央位置から溝幅Wに対する所定割合Rの幅の範囲(W×R)を溝の中央部WRとして算出する(図9参照)。 Next, the groove depth calculation step (step STP4) will be described. As shown in FIG. 8, the groove depth calculation method in the surface shape measuring method according to an embodiment of the present invention, the groove depth calculating unit 46, and a groove start point X s and groove end point X e groove of the central calculating the section W R (step S9) begins. Specifically, the groove depth calculation unit 46 calculates the center position between the groove start point X s and the groove end point X e, and a range (W × R) of a predetermined ratio R to the groove width W from the center position. the calculated as a central portion W R of the groove (see FIG. 9).
その後、溝深さ算出部46は、補正変位データY1(X)を上述の溝の中央部WRの範囲に限定する(ステップS10)。そして、溝深さ算出部46は、この限定された範囲内における補正変位データY1(X)の最小値を算出する(ステップS11)。 Thereafter, the groove depth calculating unit 46 limits the corrected displacement data Y 1 (X) in the range of the central portion W R of the above-mentioned groove (step S10). Then, the groove depth calculation unit 46 calculates the minimum value of the corrected displacement data Y 1 (X) within this limited range (step S11).
最終的に、溝深さ算出部46は、補正変位データY1(X)の変位0から、ステップS11で算出した溝の中央部WRに限定された範囲内における補正変位データY1(X)の最小値までの距離を算出することにより、溝の深さDを算出する(ステップS12)。
Finally, groove depth calculating unit 46, the correction displacement data Y 1 from
上述のように、溝深さ算出部46が溝の深さDを算出することにより、図9中の位置P6のように変位データに異常値が発生している場合においても、その影響を受けず溝深さを正確に測定することが可能となっている。なお、探索区間幅の溝幅Wに対する割合Rは、溝傾斜部での異常値を回避可能な大きさに設定すればよい。例えば、溝幅Wに対し、30%から10%程度とすることが好ましい。 As described above, by the groove depth calculating unit 46 calculates the depth D of the groove, even when the abnormal value on the displacement data as position P 6 in FIG. 9 is generated, the influence It is possible to accurately measure the groove depth without receiving. The ratio R of the search section width to the groove width W may be set to a size that can avoid an abnormal value at the groove inclined portion. For example, the width is preferably about 30% to 10% with respect to the groove width W.
電磁鋼鈑に溝加工をするような例では、一定間隔で溝が連続的に加工されるので、変位データには通常複数の溝断面形状が含まれる。このような例に本発明の実施形態に係る表面形状測定方法を適用する場合、検出した溝の終点Xe以降の位置から、さらに次の溝形状部を検出・測定する一連のステップを繰り返し適用することで、変位データ中に含まれる多数の溝形状を連続的に測定することが可能である。 In an example in which grooving is performed on an electromagnetic steel plate, since the grooves are continuously processed at regular intervals, the displacement data usually includes a plurality of groove cross-sectional shapes. When applying the surface shape measuring method according to an embodiment of the present invention to such an example, from the position after the end point X e of the detected groove, repeated series of steps of further detecting and measuring a next groove-shaped portions applied By doing so, it is possible to continuously measure a large number of groove shapes included in the displacement data.
以上より、本発明の実施形態に係る表面形状測定方法は、鋼板Sに光線を照射して三角測距を行う変位計ヘッド2により鋼板Sの表面を走査して、変位計ヘッド2に対する鋼板Sの表面の変位データを取得する変位データ取得ステップと、変位データからうねりを除去して補正変位データを取得するうねり除去ステップと、補正変位データを探索して、補正変位データが所定の第1閾値よりも低くなる最初の位置を、鋼板Sの表面に加工された溝の溝概略位置として検出する溝概略位置検出ステップと、溝概略位置を含む溝の溝始点および溝終点を算出する溝幅算出ステップと、溝始点と溝終点との中央位置から溝幅の所定割合の幅の範囲に限定した補正変位データの最小値を算出する最深位置検出ステップと、最深位置検出ステップで算出された補正変位データの最小値と補正変位データの変位0との差を鋼板Sの表面に加工された溝の深さとして算出する溝深さ算出ステップとを含むので、変位計ヘッド2で測定した鋼板Sの表面の変位データのみを用いて、この変位データ中の外乱を排除し、鋼板Sの表面に加工された溝の寸法を精度良く測定することができる。
As described above, in the surface shape measuring method according to the embodiment of the present invention, the surface of the steel plate S is scanned by the displacement meter head 2 that irradiates the steel plate S with light and performs triangulation, and the steel plate S with respect to the displacement meter head 2 is scanned. A displacement data acquisition step for acquiring the displacement data of the surface, a swell removal step for removing the undulation from the displacement data and acquiring the corrected displacement data, and searching for the corrected displacement data. The corrected displacement data is a predetermined first threshold value. A groove approximate position detecting step for detecting an initial position lower than the groove as a groove approximate position of the groove processed on the surface of the steel sheet S, and a groove width calculation for calculating a groove start point and a groove end point of the groove including the approximate groove position Calculated at the step, the deepest position detection step that calculates the minimum value of the corrected displacement data limited to the range of the width of the groove width from the center position of the groove start point and groove end point, and the deepest position detection step And a groove depth calculating step for calculating the difference between the minimum value of the corrected displacement data and the
1 表面形状測定装置
2 変位計ヘッド
3 変位計コントローラ
4 信号処理装置
5 ローラエンコーダ
6 表示装置
11 溝
21 レーザ光源
22 集光レンズ
23 光ポジションセンサ
24 結像レンズ
25 レーザ光
26 反射光
41 変位データ取得部
42 変位データ補正部
43 溝概略位置検出部
44 溝始点・終点検出部
45 溝幅算出部
46 溝深さ算出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Surface shape measuring device 2
Claims (6)
前記変位データからうねりを除去して補正変位データを取得するうねり除去ステップと、
前記補正変位データを探索して、前記補正変位データが所定の第1閾値よりも低くなる最初の位置を、前記物体表面に加工された溝の溝概略位置として検出する溝概略位置検出ステップと、
前記溝概略位置を含む前記溝の溝始点および溝終点を算出する溝幅算出ステップと、
前記溝始点と前記溝終点との中央位置から前記溝幅の所定割合の幅の範囲に限定した前記補正変位データの最小値を算出する最深位置検出ステップと、
前記最深位置検出ステップで算出された前記補正変位データの最小値と前記補正変位データの変位0との差を前記物体表面に加工された溝の深さとして算出する溝深さ算出ステップと、
を含むことを特徴とする表面形状測定方法。 Displacement data acquisition step of scanning the object surface with an optical displacement meter that performs measurement by irradiating the object surface with light, and acquiring displacement data of the object surface with respect to the optical displacement meter;
A waviness removing step of removing waviness from the displacement data and obtaining corrected displacement data;
A groove approximate position detecting step of searching the corrected displacement data and detecting a first position where the corrected displacement data is lower than a predetermined first threshold as a groove approximate position of a groove processed on the object surface;
A groove width calculating step for calculating a groove start point and a groove end point of the groove including the groove approximate position;
A deepest position detecting step for calculating a minimum value of the corrected displacement data limited to a range of a predetermined width of the groove width from a center position between the groove start point and the groove end point;
A groove depth calculating step for calculating a difference between a minimum value of the corrected displacement data calculated in the deepest position detecting step and a displacement 0 of the corrected displacement data as a depth of a groove processed on the object surface;
A surface shape measuring method comprising:
前記溝概略位置から後方に前記補正変位データを探索し、前記補正変位データが所定の第2閾値より大きくなる最初の位置を前記溝の溝始点として検出する溝始点検出ステップと、
前記溝概略位置から前方に前記補正変位データを探索し、前記補正変位データが所定の第2閾値より大きくなる最初の位置を前記溝の溝終点として検出する溝終点検出ステップと、
前記溝の溝始点および溝終点の間の距離を前記物体表面に加工された溝の幅として算出する差算出ステップと、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の表面形状測定方法。 The groove width calculating step includes:
A groove start point detecting step of searching the corrected displacement data backward from the groove approximate position and detecting, as a groove start point of the groove, an initial position where the corrected displacement data is larger than a predetermined second threshold;
A groove end point detecting step of searching the corrected displacement data forward from the groove approximate position and detecting a first position where the corrected displacement data is greater than a predetermined second threshold as a groove end point of the groove;
A difference calculating step of calculating a distance between a groove start point and a groove end point of the groove as a width of the groove processed on the object surface;
The surface shape measuring method according to claim 1, comprising:
前記変位データを平滑化して仮平滑化データを得る平滑化ステップと、
前記変位データから前記仮平滑化データを減算して仮補正変位データを得る第1減算ステップと、
前記仮補正変位データの絶対値が所定の第3閾値以下であるか否かで場合分けを行う重み関数を用いて、前記変位データを加重移動平均処理をして平滑化データを得る加重平滑化ステップと、
前記変位データから前記平滑化データを減算して前記補正変位データを得る第2減算ステップと、
を含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の表面形状測定方法。 The swell removal step includes:
A smoothing step of smoothing the displacement data to obtain temporary smoothed data;
A first subtraction step of subtracting the temporary smoothing data from the displacement data to obtain temporary correction displacement data;
Weighted smoothing that obtains smoothed data by performing weighted moving average processing on the displacement data using a weighting function that performs case classification depending on whether or not the absolute value of the provisionally corrected displacement data is equal to or less than a predetermined third threshold value Steps,
A second subtraction step of subtracting the smoothed data from the displacement data to obtain the corrected displacement data;
The surface shape measuring method according to claim 1 or 2, characterized by comprising:
前記変位データからうねりを除去して補正変位データを取得する変位データ補正部と、
前記補正変位データを探索して、前記補正変位データが所定の第1閾値よりも低くなる最初の位置を、前記物体表面に加工された溝の溝概略位置として検出する溝概略位置検出部と、
前記溝概略位置を含む前記溝の溝始点および溝終点を算出する溝始点・終点検出部と、
前記溝始点と前記溝終点との中央位置から前記溝幅の所定割合の幅の範囲に限定した前記補正変位データの最小値を算出し、前記補正変位データの最小値と前記補正変位データの変位0との差を前記物体表面に加工された溝の深さとして算出する溝深さ算出部と、
を備えることを特徴とする表面形状測定装置。 A displacement data acquisition unit that scans the object surface with an optical displacement meter that performs measurement by irradiating the object surface with light, and acquires displacement data of the object surface with respect to the optical displacement meter;
A displacement data correction unit that obtains corrected displacement data by removing waviness from the displacement data;
A groove approximate position detection unit that searches the corrected displacement data and detects an initial position at which the corrected displacement data is lower than a predetermined first threshold as a groove approximate position of a groove processed on the object surface;
A groove start point / end point detector for calculating a groove start point and a groove end point of the groove including the groove approximate position;
A minimum value of the corrected displacement data limited to a range of a predetermined ratio of the groove width is calculated from a center position between the groove start point and the groove end point, and the minimum value of the corrected displacement data and the displacement of the corrected displacement data are calculated. A groove depth calculation unit for calculating a difference from 0 as a depth of a groove processed on the object surface;
A surface shape measuring apparatus comprising:
前記溝概略位置から後方に前記補正変位データを探索し、前記補正変位データが所定の第2閾値より大きくなる最初の位置を前記溝の溝始点として検出する溝始点検出手段と、
前記溝概略位置から前方に前記補正変位データを探索し、前記補正変位データが所定の第2閾値より大きくなる最初の位置を前記溝の溝終点として検出する溝終点検出手段と、
前記溝の溝始点および溝終点の間の距離を前記物体表面に加工された溝の幅として算出する差算出手段と、
を含むことを特徴とする請求項4に記載の表面形状測定装置。 The groove start / end point detector
Searching for the corrected displacement data backward from the groove approximate position, and detecting a first position at which the corrected displacement data is greater than a predetermined second threshold as a groove start point of the groove;
A groove end point detecting means for searching the corrected displacement data forward from the groove approximate position and detecting, as a groove end point of the groove, a first position where the corrected displacement data is larger than a predetermined second threshold;
A difference calculating means for calculating a distance between a groove start point and a groove end point of the groove as a width of the groove processed on the object surface;
The surface shape measuring apparatus according to claim 4, comprising:
前記変位データを平滑化して仮平滑化データを得る平滑化手段と、
前記変位データから前記仮平滑化データを減算して仮補正変位データを得る第1減算手段と、
前記仮補正変位データの絶対値が所定の第3閾値以下であるか否かで場合分けを行う重み関数を用いて、前記変位データを加重移動平均処理をして平滑化データを得る加重平滑化手段と、
前記変位データから前記平滑化データを減算して前記補正変位データを得る第2減算手段と、
を含むことを特徴とする請求項4または請求項5に記載の表面形状測定装置。 The displacement data correction unit is
Smoothing means for smoothing the displacement data to obtain temporary smoothed data;
First subtraction means for subtracting the temporary smoothing data from the displacement data to obtain temporary correction displacement data;
Weighted smoothing that obtains smoothed data by performing weighted moving average processing on the displacement data using a weighting function that performs case classification depending on whether or not the absolute value of the provisionally corrected displacement data is equal to or less than a predetermined third threshold value Means,
Second subtracting means for subtracting the smoothed data from the displacement data to obtain the corrected displacement data;
The surface shape measuring device according to claim 4 or 5, characterized by comprising:
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