JP6451843B2 - クランクシャフトの検査方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のエンジン等に用いられるクランクシャフトをその製造工程で検査する方法及び装置に関する。特に、本発明は、欠肉や凹み疵等のクランクシャフトに部分的に生じる欠陥を、クランクシャフトの全長に亘る曲がりやねじれと区別して精度良く検出可能なクランクシャフトの検査方法及び装置に関する。

クランクシャフトは、加熱した素材を上下の金型でプレスして型鍛造することにより、バリを含む鍛造品を成型した後、バリを除去し、ショットブラスト処理を施して製造される。これらの製造工程で製造されたクランクシャフトは、自動車のエンジン等に組み込む際に、適切に組み込めるように切削が施される。

図１は、クランクシャフトの一例（直列４気筒エンジン用クランクシャフト）を模式的に示す図である。図１（ａ）はクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌの方向から見た正面図であり、図１（ｂ）は回転中心軸Ｌに直交する方向から見た側面図である。
図１に示すように、クランクシャフトＳは、回転中心軸Ｌ周りの所定角度の位置に設けられたコネクティングロッド（図示せず）を取り付けるための複数のピンＳ１と、複数のジャーナルＳ３と、隣接するピンＳ１とジャーナルＳ３とを繋ぐ複数のアームＳ２とを備えている。アームＳ２は、回転バランスを取るためにカウンタウェイトを具備する場合がある。図１に示す例では、全てのアームＳ２がカウンタウェイトを具備している。ピンＳ１の断面形状は、クランクシャフトＳの回転中心軸Ｌから離間した位置を中心とする円形であり、ジャーナルＳ３の断面形状は、クランクシャフトＳの回転中心軸Ｌを中心とする円形である。アームＳ２の断面形状は、左右対称または非対称の複雑な形状である。

上記のように、クランクシャフトは形状が複雑であるため、鍛造する際に、素材寸法の変動、素材温度のムラ、鍛造操業の変動等により、金型の端部まで素材が充填されない欠肉と称される欠陥や、クランクシャフトの全長に亘る曲がりやねじれが発生することがある。また、クランクシャフトをハンドリングする際に搬送設備等と接触して凹み疵が生じることもある。このため、クランクシャフトの製造工程では、切削を施す前に、クランクシャフトの実形状を基準形状と比較して検査し、合否を判定している。

クランクシャフトの合否判定の基準としては、
（ａ）クランクシャフトの曲がり及びねじれが所定の許容範囲内にあること、
（ｂ）十分な削り代を確保できない深さの欠肉や凹み疵が無いこと、
が挙げられる。
上記（ａ）のように、クランクシャフトの曲がり及びねじれが所定の許容範囲内にあることが合否判定基準の一つとなっている理由は、クランクシャフトの曲がりが大きい、又は、ねじれが大きくピンの設置位置が所定角度から大きくずれていると、後工程でどのような加工を施したとしても、最終製品としての寸法精度や重量バランスを達成することが困難になるからである。
また、上記（ｂ）のように、十分な削り代を確保できない深さの欠肉や凹み疵が無いことが合否判定基準の一つとなっている理由は、削り代が小さ過ぎると、後工程で切削を施す余地が少なく、最終製品としての寸法精度や重量バランスを達成することが困難になるからである。

従来のクランクシャフトを検査する方法は、ピン及びアームの基準形状に合致するように形成された各板ゲージを、クランクシャフトの検査するピン及びアームにそれぞれあてがい、各板ゲージとピン及びアームとの隙間をスケールで測定して、その隙間の寸法（形状誤差）が許容範囲内であれば、そのクランクシャフトを合格と判定するものであった。この方法は、ピン及びアームの基準形状に合致するように形成された板ゲージを用いて、オペレータの手作業によって行われるので、検査精度に個人差が生じるばかりでなく、検査に多大な時間を要するという問題を有していた。このため、自動で正確な検査を行うために、種々のクランクシャフトの検査方法が提案されてきた。

特許文献１には、その受光素子配列方向がクランクシャフトの長手方向と直交する方向となるようにクランクシャフトの一側方に１次元イメージセンサを配置し、他側方に光源を配置して、１次元イメージセンサをクランクシャフトの長手方向に沿って移動させて、１次元イメージセンサによる検出結果を基にクランクシャフトの所定部分の長手方向寸法を算出する方法が提案されている。
特許文献１に記載の方法は、クランクシャフトの所定部分の長手方向寸法を算出するものであるため、曲がりを演算できる可能性はあるものの、欠肉等の部分的な欠陥やねじれを検出することはできない。

特許文献２には、クランクシャフトの両端をチャックで固定して回転中心軸周りに回転させながら、クランクシャフト表面までの距離をレーザ距離計で測定することにより、クランクシャフトのピン及びカウンタウェイトの角度位置を算出する方法が提案されている。
特許文献３には、クランクシャフトのカウンタウェイトまでの距離を２次元レーザ距離計で測定し、基準形状と比較することにより、カウンタウェイトの欠肉を検出する方法が提案されている。
特許文献２に記載の方法によってクランクシャフトのねじれを検出し、特許文献３に記載の方法によって欠肉を検出することが可能であるものの、１次元レーザ距離計（特許文献２）や２次元レーザ距離計（特許文献３）を用いているため、クランクシャフトの全長に亘って距離を測定するには多大な時間を要する。したがって、クランクシャフトの製造工程で、クランクシャフトの全長に亘る検査を行うことは困難であり、抜き取り検査するか、或いは、クランクシャフトの最低限検査を要する部位に限定して検査を行う必要がある。

特許文献４には、３次元形状測定装置によってクランクシャフト全体の表面形状を測定する一方、測定不可能である部分を補完用３次元モデルで補完して得られた判定用３次元モデルが、所定の基準を満たすか否かでクランクシャフトを検査する方法が提案されている。
特許文献４に記載の方法で、所定の基準を満たすか否かを判定する際には、例えば、基本的に３次元形状測定装置によって得られる３次元点群データ（判定用３次元モデル）と、クランクシャフトの設計仕様に基づくＣＡＤデータ等から生成したクランクシャフトの表面形状モデルとをマッチングさせて、そのズレ量を評価することが考えられる。しかしながら、そのズレ量が、欠肉等の部分的な欠陥に起因して生じているのか、或いは、クランクシャフトの全長に亘る曲がり等に起因して生じているのか、両者を精度良く区別することが困難である。

特開昭５９−１８４８１４号公報 特開平６−２６５３３４号公報 特開平１０−６２１４４号公報 特開２００７−２１２３５７号公報

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、欠肉や凹み疵等のクランクシャフトに部分的に生じる欠陥を、クランクシャフトの全長に亘る曲がりやねじれと区別して精度良く検出可能なクランクシャフトの検査方法及び装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討した結果、３次元形状測定装置で取得したクランクシャフト表面の３次元点群データ（３次元座標の集合体）を、設計仕様に基づき生成した表面形状モデルとマッチングさせる際に、３次元点群データを複数の小領域毎に分割して複数の小領域３次元点群データを生成し、小領域３次元点群データ毎にマッチングさせれば、欠肉や凹み疵等のクランクシャフトに部分的に生じる欠陥を、クランクシャフトの全長に亘る曲がりやねじれと区別して精度良く検出可能であることを知見し、本発明を完成した。

すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、以下の第１〜第５ステップを含むことを特徴とするクランクシャフトの検査方法を提供する。
（１）第１ステップ：測定対象に対して光を投受光することで該測定対象の３次元形状を測定する光学式の３次元形状測定装置をクランクシャフトに対して該クランクシャフトの回転中心軸に直交する方向に対向配置する。
（２）第２ステップ：前記第１ステップで配置した３次元形状測定装置によって前記クランクシャフトの表面形状を測定することで、前記クランクシャフトの測定対象領域全長に亘る前記クランクシャフト表面の３次元点群データを取得する。
（３）第３ステップ：前記第２ステップで取得した３次元点群データを前記クランクシャフトの回転中心軸に平行な方向に沿った複数の小領域毎に分割し、複数の小領域３次元点群データを生成する。
（４）第４ステップ：前記第３ステップで生成した小領域３次元点群データ毎に、前記クランクシャフトの設計仕様に基づき予め用意した前記クランクシャフトの表面形状モデルとの距離が最小となるように、前記小領域３次元点群データをそれぞれ平行移動及び回転移動させて、前記表面形状モデルに重ね合わせる。
（５）第５ステップ：前記第４ステップで重ね合わせた後の小領域３次元点群データと前記表面形状モデルとの距離を算出し、該算出した距離に基づき、前記クランクシャフトに部分的に生じる欠陥を、前記クランクシャフトの全長に亘る曲がり及びねじれと区別して検出する。

本発明によれば、第１ステップ及び第２ステップを実行することにより、クランクシャフトの測定対象領域（例えば、クランクシャフトの両端部に位置するアームに跨る領域）の全長に亘るクランクシャフト表面の３次元点群データが取得される。
そして、第３ステップ及び第４ステップを実行することにより、分割された複数の小領域３次元点群データがそれぞれ個別に表面形状モデルに重ね合わせられる（表面形状モデルとの距離が最小となるように、各小領域３次元点群データを平行移動及び回転移動させる）。このため、３次元点群データを分割せずにそのまま重ね合わせる（表面形状モデルとの距離が最小となるように、３次元点群データをそのまま平行移動及び回転移動させる）場合に比べて、クランクシャフト全長に亘る曲がりやねじれの影響が低減された状態で表面形状モデルに重ね合わせられることになる。
したがい、第５ステップにおいて、第４ステップで重ね合わせた後の小領域３次元点群データと表面形状モデルとの距離を算出し、該算出した距離に基づき、欠肉等のクランクシャフトに部分的に生じる欠陥を、クランクシャフト全長に亘る曲がりやねじれと区別して、精度良く検出することが可能である。

なお、本発明における「複数の小領域毎に分割」するとは、隣接する小領域がクランクシャフトの回転中心軸に平行な方向に沿って重複する部分を有する場合と有さない場合の双方を含む概念である。いずれにせよ、分割された複数の小領域を合成すれば、合成後の領域が３次元点群データを取得したクランクシャフトの測定対象領域に相当することを意味する。
また、本発明における「クランクシャフトの表面形状モデルとの距離が最小」とは、小領域３次元点群データを構成する各データ点と表面形状モデルとの距離の総和、又は、距離の二乗和の総和が最小となることを意味する。

ここで、３次元形状測定装置の測定視野が大きければ、一度に表面形状を測定できるクランクシャフトの領域も大きくなるため、測定時間を短縮できる点で好ましい。しかしながら、一般に、３次元形状測定装置の測定視野を大きくすることに伴って測定分解能は低下する。一方、測定分解能の高い（測定視野の小さい）３次元形状測定装置をクランクシャフトの回転中心軸に平行な方向に複数設置すれば、コストが増加すると共に、メンテナンス性が悪くなる。

このため、本発明においては、前記第２ステップにおいて、前記３次元形状測定装置による前記クランクシャフトの表面形状の測定と、前記３次元形状測定装置の前記クランクシャフトの回転中心軸に平行な方向への相対的な移動とを交互に繰り返すことが好ましい。

上記の好ましい方法のように、３次元形状測定装置による測定と、３次元形状測定装置の相対的な移動とを繰り返すようにすれば、測定分解能を高めることができると同時に、コストの増加やメンテナンス性の低下を緩和できるという利点を有する。

本発明においては、前記第４ステップにおいて前記小領域３次元点群データを平行移動及び回転移動させた際の移動距離及び回転角度に基づき、前記クランクシャフトの曲がり及びねじれを評価する第６ステップを更に含むことが好ましい。

上記の好ましい方法によれば、クランクシャフトの欠肉等の部分的な欠陥を検出するのみならず、クランクシャフトの曲がり及びねじれを評価することも可能である。具体的には、各小領域３次元点群データの移動距離を積算することで曲がりを評価し、各小領域３次元点群データの回転角度を積算することでねじれを評価することが可能である。

本発明においては、前記第５ステップにおいて要求される欠陥の検出精度が±Δｅ［ｍｍ］である場合、前記第３ステップにおいて、分割される小領域の前記クランクシャフトの回転中心軸に平行な方向の寸法Ｌｐ［ｍｍ］を以下の式（１）を満足するように決定することが好ましい。
Ｌｐ≦２Ｌ・Δｅ／（Δｂ＋Δａ・Ｒ） ・・・（１）
ただし、上記の式（１）において、Ｌ［ｍｍ］は前記クランクシャフトの設計仕様上の全長を意味し、Ｒ［ｍｍ］は前記クランクシャフトの設計仕様上の最大半径を意味し、Δａ［ｒａｄ］は前記クランクシャフトの全長に亘る想定上のねじれ角度を意味し、Δｂ［ｍｍ］は前記クランクシャフトの全長に亘る想定上の曲がりを意味する。

クランクシャフトの全長に亘る想定上の曲がりがΔｂ［ｍｍ］で、クランクシャフトの設計仕様上の全長がＬ［ｍｍ］である場合、寸法Ｌｐ［ｍｍ］当たりの曲がりは、Δｂ・Ｌｐ／Ｌ［ｍｍ］であると仮定できる。また、クランクシャフトの全長に亘る想定上のねじれ角度がΔａ［ｒａｄ］で、クランクシャフトの設計仕様上の全長がＬ［ｍｍ］、クランクシャフトの設計仕様上の最大半径がＲ［ｍｍ］である場合、寸法Ｌｐ［ｍｍ］当たりのねじれは、Δａ・Ｒ・Ｌｐ／Ｌ［ｍｍ］であると仮定できる。このため、以下の式（２）を満足すれば、±Δｅ［ｍｍ］の検出精度で欠肉等の部分的な欠陥を検出可能であると考えられる。
Δｂ・Ｌｐ／Ｌ＋Δａ・Ｒ・Ｌｐ／Ｌ≦２・Δｅ ・・・（２）
この式（２）を変形すると、上記の式（１）が得られる。したがい、式（１）を満足するように、分割される小領域の寸法（クランクシャフトの回転中心軸に平行な方向の寸法）Ｌｐを決定すれば、±Δｅ［ｍｍ］の検出精度で欠肉等の部分的な欠陥を検出可能である。

なお、上記の好ましい方法において、想定上のねじれ角度Δａ及び想定上の曲がりΔｂは、検査対象と同品種のクランクシャフトの過去の製造実績や、製品納入先の要求仕様等に基づいて決定する（例えば、過去の製造実績における、ねじれ角度や曲がりの最大値や平均値を用いる）ことが可能である。
上記の好ましい方法における「ねじれ角度」とは、クランクシャフトの一方の端部側に設けられたアームを設計仕様に基づくＣＡＤデータのアームに合致させた際に、他方の端部側に設けられたアームがＣＡＤデータのアームに対して回転している角度を意味する。
また、上記の好ましい方法における「曲がり」とは、クランクシャフトの一方の端部を設計仕様に基づくＣＡＤデータの一方の端部に合致させた際に、他方の端部がＣＡＤデータの他方の端部に対して回転中心軸に直交する方向に離間している距離を意味する。
さらに、「クランクシャフトの設計仕様上の最大半径」とは、設計仕様に基づくＣＡＤデータにおいて、クランクシャフトの回転中心軸からの距離が最大となるクランクシャフト表面（具体的には、アーム表面）までの距離を意味する。

ここで、クランクシャフトの曲がりやねじれは、主としてジャーナル又はピンにおいて発生する。このため、前記第３ステップにおいて、分割される小領域の前記クランクシャフトの回転中心軸に平行な方向の両端が、前記クランクシャフトの隣接するジャーナル、隣接するピン、又は、隣接するジャーナル及びピンに位置するように、前記小領域を決定することが好ましい。
なお、前述の式（１）を満足するように分割される小領域の寸法Ｌｐを決定する場合、Ｌｐを小さくし過ぎると、小領域３次元群データを表面形状モデルに重ね合わせる際の重ね合わせ精度が劣化する。このため、Ｌｐを小さくすればするほど良いものではなく、隣接するジャーナル間の距離、隣接するピン間の距離、並びに、隣接するジャーナル及びピンの間の距離のうちの最小値を下限としてＬｐを決定することが好ましい。

上記の好ましい方法によれば、曲がりやねじれが発生し易い部位で小領域に分割するため、曲がりやねじれの影響が効果的に低減された状態で、小領域３次元点群データを表面形状モデルに重ね合わせることができる。このため、クランクシャフトの欠肉等の部分的な欠陥を、クランクシャフト全長に亘る曲がりやねじれと区別して、精度良く検出することが可能である。

本発明の第５ステップでは、前述のように、第４ステップで重ね合わせた後の小領域３次元点群データと表面形状モデルとの距離が算出される。換言すれば、小領域３次元点群データを構成する各データ点の３次元座標と、各データ点に紐付けられた距離とからなる多数の数値情報が得られる。この多数の数値情報のままでは、クランクシャフトの欠肉等の部分的な欠陥を検出することは容易ではない。

そこで、本発明においては、前記第５ステップにおいて、前記第４ステップで重ね合わせた後の小領域３次元点群データを前記３次元形状測定装置と前記クランクシャフトとの対向方向に直交する平面に投影した２次元濃淡画像であって、該２次元濃淡画像を構成する画素が前記第４ステップで重ね合わせた後の小領域３次元点群データと前記表面形状モデルとの距離に応じた濃度を有する２次元濃淡画像を作成し、該２次元濃淡画像に所定の画像処理を施すことによって得られる特徴量に基づき、前記クランクシャフトに部分的に生じる欠陥を検出することが好ましい。

上記の好ましい方法によれば、多数の数値情報が、第４ステップで重ね合わせた後の小領域３次元点群データと表面形状モデルとの距離に応じた画素濃度を有する２次元濃淡画像に変換されるため、この２次元濃淡画像に対して従来の一般的な検査方法と同様の画像処理を施すことが可能である。例えば、所定のしきい値を超える濃度を有する画素領域（表面形状モデルとの距離が大きい画素領域）を抽出し、抽出した画素領域の面積や濃度等から算出される特徴量を用いて、欠肉等の部分的な欠陥を容易に自動検出することが可能である。

本発明においては、前記第４ステップで重ね合わせた後の小領域３次元点群データを前記３次元形状測定装置と前記クランクシャフトとの対向方向に直交する平面に投影した２次元画像であって、該２次元画像を構成する画素が前記第４ステップで重ね合わせた後の小領域３次元点群データと前記表面形状モデルとの距離に応じた濃度又は色を有する２次元画像を作成し、該２次元画像を表示する第７ステップを更に含むことが好ましい。

上記の好ましい方法によれば、表面形状モデルとの距離が大きい画素領域の濃度又は色が周辺の画素領域とは異なる２次元画像が作成・表示される。このため、オペレータがこの２次元画像を視認することにより、表面形状モデルとの距離が大きい画素領域、すなわち、欠肉等の部分的な欠陥を容易に検出することが可能である。

また、前記課題を解決するため、本発明は、クランクシャフトに対して該クランクシャフトの回転中心軸に直交する方向に対向配置された、測定対象に対して光を投受光することで該測定対象の３次元形状を測定する光学式の３次元形状測定装置と、前記３次元形状測定装置の動作を制御すると共に、前記３次元形状測定装置による測定結果に対して所定の演算を実行する制御演算装置とを備え、前記制御演算装置には、前記クランクシャフトの設計仕様に基づき作成された前記クランクシャフトの表面形状モデルが予め記憶されており、前記制御演算装置には、前記３次元形状測定装置によって前記クランクシャフトの表面形状が測定されることで取得された前記クランクシャフトの測定対象領域全長に亘る前記クランクシャフト表面の３次元点群データが入力され、前記制御演算装置は、前記入力された３次元点群データを前記クランクシャフトの回転中心軸に平行な方向に沿った複数の小領域毎に分割し、複数の小領域３次元点群データを生成するステップと、前記生成した小領域３次元点群データ毎に、前記記憶された表面形状モデルとの距離が最小となるように、前記小領域３次元点群データをそれぞれ平行移動及び回転移動させて、前記表面形状モデルに重ね合わせるステップと、前記重ね合わせた後の小領域３次元点群データと前記表面形状モデルとの距離を算出し、該算出した距離に基づき、前記クランクシャフトに部分的に生じる欠陥を、前記クランクシャフトの全長に亘る曲がり及びねじれと区別して検出するステップと、を実行することを特徴とするクランクシャフトの検査装置としても提供される。

本発明に係るクランクシャフトの検査装置は、前記制御演算装置によって動作が制御され、前記３次元形状測定装置を前記クランクシャフトの回転中心軸に平行な方向に相対的に移動させる移動機構を更に備え、前記制御演算装置は、前記３次元形状測定装置による前記クランクシャフトの表面形状の測定と、前記移動機構による前記３次元形状測定装置の前記クランクシャフトの回転中心軸に平行な方向への相対的な移動とが交互に繰り返されるように、前記３次元形状測定装置及び前記移動機構の動作を制御することが好ましい。

前記３次元形状測定装置としては、例えば、パターン投影方式の３次元形状測定装置を用いることが可能である。

パターン投影方式の３次元形状測定装置としては、１〜２秒程度の時間で数百ｍｍ四方の表面形状を０．１ｍｍ程度の測定分解能で測定可能なものが知られている。クランクシャフトの長さは３５０ｍｍ〜６００ｍｍ程度であるため、前述の好ましい装置のように、パターン投影方式の３次元形状測定装置をクランクシャフトの回転中心軸に平行な方向に相対的に移動させて測定すれば、測定を２〜３回繰り返すことで全長を精度良く測定可能であり、測定に要する時間も１０秒以内と短時間で済む利点を有する。

本発明に係るクランクシャフトの検査装置は、前記クランクシャフトの回転中心軸周りに９０°ピッチで配置された４つの前記３次元形状測定装置を備え、前記移動機構は、前記４つの３次元形状測定装置を前記クランクシャフトの回転中心軸に平行な方向に独立して移動させることが可能であり、前記制御演算装置は、前記４つの３次元形状測定装置による前記クランクシャフトの表面形状の測定のタイミングと、前記移動機構による前記４つの３次元形状測定装置の移動のタイミングとをそれぞれ独立して制御可能であることが好ましい。

上記の好ましい装置によれば、４つの３次元形状測定装置がクランクシャフトの回転中心軸周りに９０°ピッチで配置されているため、クランクシャフトを相対的に周方向に回転させることなく、クランクシャフトの測定対象領域全長・全周の形状測定が可能であり、測定時間を短縮可能である。また、上記の好ましい装置によれば、移動機構が４つの３次元形状測定装置をクランクシャフトの回転中心軸に平行な方向に独立して移動させることが可能であり、なお且つ、制御演算装置が、４つの３次元形状測定装置によるクランクシャフトの表面形状の測定のタイミングと、移動機構による４つの３次元形状測定装置の移動のタイミングとをそれぞれ独立して制御可能である。このため、いずれかの３次元形状測定装置の投光が当該３次元形状測定装置とは異なる他の測定中の３次元形状測定装置の測定視野内に入って、当該他の３次元形状測定装置の測定ができなくなるという状況を回避可能な３次元形状測定装置の位置制御や、３次元形状測定装置の測定・移動のタイミング制御を実行することが可能である。

より具体的には、前記制御演算装置は、前記４つの３次元形状測定装置のうち、互いに対向する方向に配置された何れか一方の組の３次元形状測定装置が前記クランクシャフトの表面形状を測定している間に、互いに対向する方向に配置された何れか他方の組の３次元形状測定装置が測定を行わずに移動すると共に、前記クランクシャフトの表面形状を測定している組の３次元形状測定装置を構成する一方の３次元形状測定装置の投光が他方の３次元形状測定装置の測定視野内に入らないように、前記移動機構及び前記４つの３次元形状測定装置の動作を制御することが好ましい。

上記の好ましい装置によれば、互いに対向する方向に配置された何れか一方の組の３次元形状測定装置がクランクシャフトの表面形状を測定している間に、互いに対向する方向に配置された何れか他方の組の３次元形状測定装置が測定を行わずに移動することになる。このため、クランクシャフトの表面形状を測定している一方の組の３次元形状測定装置からの投光が、測定を行わずに移動している他方の組の３次元形状測定装置に影響を及ぼすことがない。また、上記の好ましい装置によれば、表面形状を測定している組の３次元形状測定装置を構成する一方の３次元形状測定装置の投光が他方の３次元形状測定装置の測定視野内に入らないように制御されているため、他方の３次元形状測定装置の測定ができなくなるという状況を回避可能である。

本発明によれば、欠肉や凹み疵等のクランクシャフトに部分的に生じる欠陥を、クランクシャフトの全長に亘る曲がりやねじれと区別して精度良く検出可能である。

図１は、クランクシャフトの一例（直列４気筒エンジン用クランクシャフト）を模式的に示す図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係るクランクシャフトの検査装置の概略構成を示す図である。 図３は、曲がりやねじれの無いクランクシャフトについて、３次元点群データを分割せずに表面形状モデルに重ね合わせる状況を説明する模式図である。 図４は、曲がりのあるクランクシャフトについて、３次元点群データを分割せずに表面形状モデルに重ね合わせる状況を説明する模式図である。 図５は、曲がりのあるクランクシャフトについて、本発明に係る検査方法を用いて、分割された小領域３次元点群データを表面形状モデルに重ね合わせる状況を説明する模式図である。 図６は、本発明に係る検査方法の第３ステップにおける小領域の決定方法の一例を説明する説明図である。 図７は、欠肉とねじれのあるクランクシャフトについて、３次元点群データを分割せずに表面形状モデルに重ね合わせた場合に得られる２次元画像の一例を示す図である。 図８は、欠肉とねじれのあるクランクシャフトについて、本発明に係る検査方法を用いて、分割された小領域３次元点群データを表面形状モデルに重ね合わせた場合に得られる２次元画像の一例を示す図である。 図９は、欠肉とねじれのあるクランクシャフトについて、本発明に係る検査方法を用いて小領域３次元点群データを平行移動及び回転移動させた際の移動距離及び回転角度の一例を説明する説明図である。 図１０は、本発明の第２実施形態に係るクランクシャフトの検査装置の概略構成を示す図である。 図１１は、本発明の第２実施形態に係る検査装置によるクランクシャフトの表面形状測定時間を評価した結果の一例を示す。

以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
図２は、本発明の第１実施形態に係るクランクシャフトの検査装置（以下、単に「検査装置」という）の概略構成を示す図である。図２（ａ）はクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌの方向から見た正面図であり、図２（ｂ）は回転中心軸Ｌに直交する方向から見た側面図である。図２（ａ）ではクランクシャフトＳを透視して図示すると共に、制御演算装置２の図示を省略している。
図２に示すように、本実施形態に係る検査装置１００は、光学式の３次元形状測定装置１と、制御演算装置２と、移動機構３と、回転装置４とを備えている。

３次元形状測定装置１は、測定対象（本発明ではクランクシャフトＳ）に対して光を投受光することで該測定対象の３次元形状を測定する装置である。具体的には、３次元形状測定装置１は、クランクシャフトＳに光を投光し、クランクシャフトＳの表面で反射した光を受光して、クランクシャフトＳの表面形状を測定する。３次元形状測定装置１は、クランクシャフトＳに対してクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する方向（鉛直方向、図２に示すＺ方向）に対向配置されている。
本実施形態の３次元形状測定装置１としては、パターン投影方式の３次元形状測定装置が用いられる。パターン投影方式の３次元形状測定装置は、一般に、液晶又はＤＭＤ（デジタル・ミラー・デバイス）方式のパターン投影機と、撮像機とを備えている。そして、パターン投影機から測定対象に向けて縞パターンを投影し、縞パターンが投影された測定対象を撮像機で撮像して縞パターンの変形を解析し、三角測量の原理を用いて測定対象の表面形状を測定するものである。明部と暗部とが任意の幅で交互に配置された縞パターンを投影して空間を２進符号化する空間符号化法を利用した３次元形状測定装置（例えば、ＳｈａｐｅＤＲＩＶＥ社製ＳＤ−３Ｋ）が好適に用いられる。
本実施形態の３次元形状測定装置１としては、測定対象までの距離が４００ｍｍのときに、測定視野が２００ｍｍ（クランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに平行な方向、図２に示すＸ方向）×１００ｍｍ（Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向、図２に示すＹ方向）×８０ｍｍ（図２に示すＺ方向）であるパターン投影方式の３次元形状測定装置を用いている。Ｘ方向及びＹ方向の測定分解能は０．１ｍｍ、Ｚ方向の測定分解能は０．０２ｍｍである。測定時間は２秒以内である。

制御演算装置２は、３次元形状測定装置１、移動機構３及び回転装置４の動作を制御すると共に、３次元形状測定装置１による測定結果に対して所定の演算を実行する。制御演算装置２は、例えば、上記の制御や演算を実行するプログラムやアプリケーションがインストールされたパーソナルコンピュータから構成される。
また、制御演算装置２には、クランクシャフトＳの設計仕様に基づき作成されたクランクシャフトＳの表面形状モデルが予め記憶されている。具体的には、制御演算装置２には、設計仕様に基づく３次元ＣＡＤデータが入力され、制御演算装置２は、この入力されたＣＡＤデータを三角メッシュで構成された表面形状モデルに変換して記憶する。表面形状モデルはクランクシャフトＳの品種毎に作成し記憶しておけばよいので、同じ品種のクランクシャフトＳを連続して検査する場合には、検査毎に表面形状モデルを作成する必要はない。

移動機構３は、３次元形状測定装置１をクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに平行な方向（図２に示すＸ方向）に相対的に移動させるものである。移動機構３としては、例えば、一軸ステージを用いることができる。移動機構３に用いる一軸ステージとしては、０．１ｍｍ以下の分解能で位置決め又は位置を把握できるものが好ましい。なお、本実施形態の移動機構３は、３次元形状測定装置１の方を移動させるものであるが、必ずしもこれに限るものではなく、クランクシャフトＳの方をＸ方向に移動させる機構とすることも可能である。

回転装置４は、クランクシャフトＳの端部をチャックし固定して回転することにより、クランクシャフトＳを回転中心軸Ｌ周りに回転させるものである。回転装置４としては、クランクシャフトＳの回転角度を把握できるように、ステッピングモータで回転するものや、回転中心にロータリーエンコーダを備えたものなど、０．１°以下のピッチで回転位置決め又は回転位置を把握できるものが好ましい。

以下、上記の構成を有する検査装置１００を用いたクランクシャフトＳの検査方法について説明する。
本実施形態に係る検査方法は、第１ステップ〜第５ステップを含むことを特徴としている。以下、各ステップについて順次説明する。

（１）第１ステップ
第１ステップでは、３次元形状測定装置１がクランクシャフトＳに対してクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する方向（Ｚ方向）に対向配置される。具体的には、クランクシャフトＳをその回転中心軸Ｌが水平となるように回転装置４に取り付け固定することで、３次元形状測定装置１がクランクシャフトＳに対してＺ方向に対向配置されることになる。

（２）第２ステップ
第２ステップでは、３次元形状測定装置１によってクランクシャフトＳの表面形状を測定することで、クランクシャフトＳの測定対象領域全長に亘るクランクシャフトＳ表面の３次元点群データが取得される。具体的には、制御演算装置２が、３次元形状測定装置１によるクランクシャフトＳの表面形状の測定と、移動機構３による３次元形状測定装置１のＸ方向への移動とが交互に繰り返されるように、３次元形状測定装置１及び移動機構３の動作を制御する。すなわち、３次元形状測定装置１による前述した一の測定視野でのクランクシャフトＳの表面形状の測定が終了すると、移動機構３によって３次元形状測定装置３はＸ方向に移動し、次の測定視野でクランクシャフトＳの表面形状を測定する。これら複数の測定視野を合成した領域が、クランクシャフトＳの測定対象領域全長に亘っている。クランクシャフトＳの長さは３〜６気筒のエンジン用であれば３５０ｍｍ〜６００ｍｍ程度であり、３次元形状測定装置３のＸ方向の視野は２００ｍｍであるため、測定を２〜３回繰り返すことで、クランクシャフトＳの測定対象領域全長に亘るクランクシャフトＳ表面の３次元点群データを取得可能である。
上記のようにして取得されたクランクシャフトＳの測定対象領域全長に亘るクランクシャフトＳ表面の３次元点群データは、イーサネット（登録商標）等を介して、制御演算装置２に入力され、記憶される。

（３）第３ステップ
第３ステップでは、制御演算装置２が、前述のようにして入力され記憶された３次元点群データをクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに平行な方向（Ｘ方向）に沿った複数の小領域毎に分割し、複数の小領域３次元点群データを生成する。小領域の決定方法については後述する。
なお、記憶された３次元点群データは、必要に応じて、ノイズ低減のために、孤立したデータ点の除去や、処理速度向上のために、データ点の所定ピッチへの間引き処理（例えば、Ｘ方向及びＹ方向を０．５ｍｍピッチに間引き処理）が施される。更には、必要に応じて、ノイズ低減のために、間引き処理後の３次元点群データにスムージング処理が施される。必要に応じて、これらの信号処理が施された後、複数の小領域３次元点群データが生成される。

（４）第４ステップ
第４ステップでは、制御演算装置２が、生成した小領域３次元点群データ毎に、前述のようにして記憶された表面形状モデルとの距離が最小（小領域３次元点群データを構成する各データ点と表面形状モデルとの距離の総和、又は、距離の二乗和の総和が最小）となるように、小領域３次元点群データをそれぞれ平行移動及び回転移動させて、表面形状モデルに重ね合わせる。この際、小領域３次元点群データと同様に、表面形状モデルもＸ方向の複数の領域毎に分割される。そして、各小領域３次元点群データは、各小領域３次元点群データに対応する領域の各分割された表面形状モデルに重ね合わせられる。

（５）第５ステップ
第５ステップでは、制御演算装置２が、前述のようにして重ね合わせた後の小領域３次元点群データと表面形状モデルとの距離を算出し、該算出した距離に基づき、クランクシャフトＳの欠肉等の部分的な欠陥を検出する。具体的な検出方法については後述する。

なお、以上に説明した制御演算装置２の第３ステップ〜第５ステップの演算は、例えば、市販の３次元解析ソフトウェア（例えば、ＭＶＴｅｃ社製ＨＡＬＣＯＮ１２）を用いて実行可能である。

上記の第１ステップ〜第５ステップを実行することにより、クランクシャフトＳの周方向の所定部位についての検査が終了する。次に、制御演算装置２によって回転装置４が駆動し、回転装置４によってクランクシャフトＳが回転中心軸Ｌ周りに回転（例えば、９０°回転）し停止する。そして、クランクシャフトＳの周方向の他の部位について、上記の第２ステップ〜第５ステップを実行することで、当該他の部位についての検査が終了する。以上の動作を繰り返すことにより、クランクシャフトＳの測定対象領域全長・全周の検査が行われる。
なお、第２ステップにおいて、回転装置４でクランクシャフトＳを回転させることにより、クランクシャフトＳの測定対象領域全長・全周に亘るクランクシャフトＳ表面の３次元点群データを先に取得しておき、その後に第３ステップ〜第５ステップを順次実行することも可能である。

本実施形態に係る検査方法によれば、第１ステップ及び第２ステップを実行することにより、クランクシャフトＳの測定対象領域全長に亘るクランクシャフトＳ表面の３次元点群データが取得される。
そして、第３ステップ及び第４ステップを実行することにより、分割された複数の小領域３次元点群データがそれぞれ個別に表面形状モデルに重ね合わせられる（表面形状モデルとの距離が最小となるように、各小領域３次元点群データを平行移動及び回転移動させる）。このため、３次元点群データを分割せずにそのまま重ね合わせる（表面形状モデルとの距離が最小となるように、３次元点群データをそのまま平行移動及び回転移動させる）場合に比べて、クランクシャフトＳ全長に亘る曲がりやねじれの影響が低減された状態で表面形状モデルに重ね合わせられることになる。
したがい、第５ステップにおいて、第４ステップで重ね合わせた後の小領域３次元点群データと表面形状モデルとの距離を算出し、該算出した距離に基づき、クランクシャフトＳの欠肉等の部分的な欠陥を、クランクシャフト全長に亘る曲がりやねじれと区別して、精度良く検出することが可能である。

以下、上記の内容について図面を参照しつつ、より具体的に説明する。
図３は、曲がりやねじれの無いクランクシャフトＳについて、３次元点群データを分割せずに表面形状モデルに重ね合わせる状況を説明する模式図である。図４は、曲がりのあるクランクシャフトＳについて、３次元点群データを分割せずに表面形状モデルに重ね合わせる状況を説明する模式図である。図５は、曲がりのあるクランクシャフトＳについて、本実施形態に係る検査方法を用いて、分割された小領域３次元点群データを表面形状モデルに重ね合わせる状況を説明する模式図である。各図の（ａ）は、表面形状モデルを示す。各図の（ｂ）は、３次元点群データを示す。各図の（ｃ）は、表面形状モデルとの距離が最小となるように、３次元点群データを平行移動及び回転移動させて重ね合わせた結果を示す。

図３に示すように、クランクシャフトＳに曲がりやねじれが無ければ、３次元点群データを分割せずに表面形状モデルに重ね合わせたとしても、欠肉や凹み疵等の部分的な欠陥が生じている箇所（図３（ｃ）のＦで囲んだ箇所）を検出可能である。
しかしながら、図４に示すように、クランクシャフトＳに曲がりがあれば、表面形状モデルとの距離が最小となるように、３次元点群データを平行移動及び回転移動させて重ね合わせたとしても、表面形状モデルの回転中心軸Ｌ１と、３次元点群データの中心軸Ｌ２とのズレが大きく、欠肉や凹み疵等の部分的な欠陥が生じている箇所（図４（ｃ）のＦで囲んだ箇所）以外にも、重ならない箇所（例えば、図４（ｃ）のＦ’、Ｆ”で囲んだ箇所）が生じてしまう。このため、何らかの形状不良があることは検知できたとしても、それが欠肉や凹み疵等のクランクシャフトＳに部分的に生じる欠陥であるのか、クランクシャフトの全長に亘る曲がりやねじれであるのか区別できず、その大きさも定量的ではない。

一方、図５に示すように、クランクシャフトＳに曲がりがあったとしても、本実施形態に係る検査方法によれば、３次元点群データを複数の小領域（図５に示す例では、４つの小領域Ａ１〜Ａ４）毎に分割し、小領域３次元データ群毎に平行移動及び回転移動させて、表面形状モデルに重ね合わせるため、表面形状モデルの回転中心軸Ｌ１と、小領域３次元データ群の各回転中心軸から構成される回転中心軸Ｌ２とのズレが小さくなり、曲がりの影響が低減する。このため、欠肉や凹み疵等の部分的な欠陥が生じている箇所（図５（ｃ）のＦで囲んだ箇所）を精度良く検出可能である。

以下、本実施形態に係る検査方法の第３ステップにおける小領域の決定方法について説明する。
図６は、小領域の決定方法の一例を説明する説明図である。図６に示すように、クランクシャフトＳの設計仕様上の全長（曲がりが無い場合の全長）をＬ［ｍｍ］とし、クランクシャフトＳの設計仕様上の最大半径をＲ［ｍｍ］（図示せず）とし、クランクシャフトＳの全長に亘る想定上のねじれ角度をΔａ［ｒａｄ］とし、クランクシャフトＳの全長に亘る想定上の曲がりをΔｂ［ｍｍ］とする。
ここで、クランクシャフトＳの設計仕様上の最大半径Ｒとは、設計仕様に基づくＣＡＤデータにおいて、クランクシャフトＳの回転中心軸からの距離が最大となるクランクシャフトＳ表面（具体的には、アームＳ２表面）までの距離を意味する。また、ねじれ角度Δａとは、クランクシャフトＳの一方の端部側に設けられたアームＳ２１を設計仕様に基づくＣＡＤデータのアームＳ２１に合致させた際に、他方の端部側に設けられたアームＳ２２がＣＡＤデータのアームＳ２２に対して回転している角度を意味する。さらに、曲がりΔｂとは、クランクシャフトＳの一方の端部を設計仕様に基づくＣＡＤデータの一方の端部に合致させた際に、他方の端部がＣＡＤデータの他方の端部に対して回転中心軸に直交する方向に離間している距離を意味する。

上記の場合、寸法Ｌｐ［ｍｍ］当たりの曲がりは、Δｂ・Ｌｐ／Ｌ［ｍｍ］であると仮定できる。また、寸法Ｌｐ［ｍｍ］当たりのねじれは、Δａ・Ｒ・Ｌｐ／Ｌ［ｍｍ］であると仮定できる。このため、以下の式（２）を満足すれば、±Δｅ［ｍｍ］の検出精度で欠肉等の部分的な欠陥を検出可能であると考えられる。
Δｂ・Ｌｐ／Ｌ＋Δａ・Ｒ・Ｌｐ／Ｌ≦２・Δｅ ・・・（２）
上記の式（２）を変形すると、下記の式（１）が得られる。
Ｌｐ≦２Ｌ・Δｅ／（Δｂ＋Δａ・Ｒ） ・・・（１）
式（１）を満足するように、分割される小領域Ａの寸法（クランクシャフトＳの回転中心軸に平行な方向の寸法）Ｌｐを決定すれば、±Δｅ［ｍｍ］の検出精度で欠肉等の部分的な欠陥を検出可能である。

例えば、クランクシャフトＳが直列４気筒エンジン用の場合に、クランクシャフトＳの設計仕様上の全長Ｌ＝４５０ｍｍ、クランクシャフトＳの全長に亘る想定上の曲がりΔｂ＝１ｍｍで、クランクシャフトＳの全長に亘る想定上のねじれ角度をΔａ＝０［ｒａｄ］とすると、検出精度Δｅ＝０．２ｍｍで欠肉や凹み疵を検出するには、上記（１）式の右辺は１８０ｍｍ（＝２×４５０×０．２／１）となるので、小領域の寸法Ｌｐは１８０ｍｍ以下とする必要がある。
例えば、隣接するジャーナルの間隔が１００ｍｍであれば、小領域の両端が隣接するジャーナルに位置するように小領域を決定すれば、上記の式（１）を満足すると共に、曲がりやねじれの影響を低減可能である。その他、小領域の両端が、隣接するピンや、隣接するジャーナル及びピンに位置するように、小領域を決定することも考えられる。

以下、本実施形態に係る検査方法の第５ステップにおける欠陥検出方法について具体的に説明する。
第５ステップでは、制御演算装置２が、第４ステップで重ね合わせた後の小領域３次元点群データを３次元形状測定装置１とクランクシャフトＳとの対向方向（Ｚ方向）に直交する平面（ＸＹ平面）に投影した２次元濃淡画像であって、該２次元濃淡画像を構成する画素が第４ステップで重ね合わせた後の小領域３次元点群データと表面形状モデルとの距離に応じた濃度を有する２次元濃淡画像を作成する。そして、制御演算装置２は、作成した２次元濃淡画像に所定の画像処理を施すことによって得られる特徴量に基づき、クランクシャフトＳの欠肉等の部分的な欠陥を検出する。
上記の欠陥検出方法によれば、例えば、所定のしきい値を超える濃度を有する画素領域（表面形状モデルとの距離が大きい画素領域）を抽出し、抽出した画素領域の面積や濃度等から算出される特徴量を用いて、欠肉等の部分的な欠陥を容易に自動検出することが可能である。

なお、制御演算装置２は、第４ステップで重ね合わせた後の小領域３次元点群データを３次元形状測定装置１とクランクシャフトＳとの対向方向（Ｚ方向）に直交する平面（ＸＹ平面）に投影した２次元画像であって、該２次元画像を構成する画素が第４ステップで重ね合わせた後の小領域３次元点群データと表面形状モデルとの距離に応じた濃度又は色を有する２次元画像を作成し、該２次元画像をモニタに表示する機能も有する。
オペレータがこの２次元画像を視認することにより、表面形状モデルとの距離が大きい画素領域、すなわち、欠肉等の部分的な欠陥を容易に検出することが可能である。

図７は、欠肉とねじれのある直列４気筒エンジン用のクランクシャフトＳについて、３次元点群データを分割せずに表面形状モデルに重ね合わせた場合に得られる２次元画像（距離に応じた濃度を有する２次元濃淡画像）の一例を示す図である。図８は、図７と同じ欠肉とねじれのあるクランクシャフトＳについて、本発明に係る検査方法を用いて、分割された小領域３次元点群データを表面形状モデルに重ね合わせた場合に得られる２次元画像（距離に応じた濃度を有する２次元濃淡画像）の一例を示す図である。
図７に示すように、測定対象領域（図７（ａ））について取得した３次元点群データを分割せずに表面形状モデルに重ね合わせた場合に得られる２次元画像（図７（ｂ））には、欠肉の無い部分であっても、ねじれの影響で広範囲に亘って０．５ｍｍ以上の距離が生じていることが分かる。
一方、図８に示すように、クランクシャフトＳの全長４５０ｍｍの両端５０ｍｍを除く３５０ｍｍの測定対象領域について取得した３次元点群データを、小領域の両端が隣接するジャーナルに位置するように寸法Ｌｐ＝１００ｍｍの小領域（Ａ１〜Ａ４）毎に分割（図８（ａ））して（隣接する小領域が重複する部分を有するように分割して）表面形状モデルに重ね合わせた場合に得られる２次元画像（図８（ｂ））には、１ｍｍ以上の距離を有する３つの欠肉が生じている箇所（Ｆ１〜Ｆ３で囲んだ箇所）を明瞭に視認可能である。そのうちの１箇所（Ｆ１で囲んだ箇所）は、図７に示す２次元画像では明瞭に視認できないものである。
図７及び図８では、オペレータの視認に供する２次元画像を例に挙げて説明したが、この２次元画像に画像処理を施すことにより、欠肉等の部分的な欠陥を容易に自動検出することも可能である。

なお、制御演算装置２が、第４ステップの重ね合わせにおいて小領域３次元点群データを平行移動及び回転移動させた際の移動距離及び回転角度を記憶しておけば、この移動距離及び回転角度に基づき、クランクシャフトＳの曲がり及びねじれを評価することが可能である。
図９は、図７及び図８と同じ欠肉とねじれのあるクランクシャフトＳについて、小領域（Ａ１〜Ａ４）毎に分割された小領域３次元点群データを平行移動及び回転移動させた際の移動距離及び回転角度を示す。
図９に示すように、Ｙ方向とＺ方向の移動距離、すなわち、クランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに垂直な方向の移動距離は、どの小領域についても約０ｍｍであるため、曲がりの無いクランクシャフトＳであることが評価できる。一方、Ｘ方向周りの回転角度は、−０．３°〜０．７°の範囲でばらついており、小領域毎（気筒毎）にねじれていると評価できる。

＜第２実施形態＞
図１０は、本発明の第２実施形態に係る検査装置の概略構成を示す図である。図１０（ａ）はクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌの方向から見た正面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＮＮ矢視断面図である。図１０（ａ）では制御演算装置２の図示を省略し、図１０（ｂ）では支持機構５の図示を省略している。
図１０に示すように、本実施形態に係る検査装置１００Ａも、第１実施形態に係る検査装置１００と同様に、光学式の３次元形状測定装置１と、制御演算装置２と、移動機構３とを備えている。本実施形態に係る検査装置１００Ａを用いて検査する場合にも、第１ステップ〜第５ステップを実行する点は、第１実施形態と同様である。
ただし、本実施形態に係る検査装置１００Ａは、回転装置４を備えておらず、その代わりに、クランクシャフトＳの端部をチャックして固定する（回転させる機能は有さない）支持機構５を備えている点が第１実施形態と異なる。また、本実施形態に係る検査装置１００Ａは、４つの３次元形状測定装置１（１ａ〜１ｄ）がクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌ周りに９０°ピッチで配置されている点が第１実施形態と異なる。さらに、移動機構３が、４つの３次元形状測定装置１をクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに平行な方向（Ｘ方向）に独立して移動させることができるように、４つの一軸ステージを備えている点も第１実施形態と異なる。

本実施形態に係る検査装置１００Ａの制御演算装置２は、４つの３次元形状測定装置１によるクランクシャフトＳの表面形状の測定のタイミングと、移動機構３による４つの３次元形状測定装置１の移動のタイミングとをそれぞれ独立して制御可能とされている。

以上のように、本実施形態に係る検査装置１００Ａは、４つの３次元形状測定装置１がクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌ周りに９０°ピッチで配置されているため、クランクシャフトＳを相対的に周方向に回転させることなく（したがって、前述のように、回転装置４は不要である）、クランクシャフトＳの測定対象領域全長・全周の形状測定が可能であり、測定時間を短縮可能である。
また、移動機構３が４つの３次元形状測定装置１をＸ方向に独立して移動させることが可能であり、なお且つ、制御演算装置２が、４つの３次元形状測定装置１によるクランクシャフトＳの表面形状の測定のタイミングと、移動機構３による４つの３次元形状測定装置１の移動のタイミングとをそれぞれ独立して制御可能である。このため、いずれかの３次元形状測定装置１の投光が当該３次元形状測定装置１とは異なる他の測定中の３次元形状測定装置１の測定視野内に入って、当該他の３次元形状測定装置１の測定ができなくなるという状況を回避可能な３次元形状測定装置１の位置制御や、３次元形状測定装置１の測定・移動のタイミング制御を実行することが可能である。

具体的には、本実施形態の制御演算装置２は、４つの３次元形状測定装置１のうち、互いに対向する方向に配置された何れか一方の組の３次元形状測定装置（例えば、３次元形状測定装置１ａ、１ｂ）がクランクシャフトＳの表面形状を測定している間に、互いに対向する方向に配置された何れか他方の組の３次元形状測定装置（例えば、３次元形状測定装置１ｃ、１ｄ）が測定を行わずに移動すると共に、クランクシャフトＳの表面形状を測定している組の３次元形状測定装置１ａ、１ｂを構成する一方の３次元形状測定装置（例えば、３次元形状測定装置１ａ）の投光が他方の３次元形状測定装置（例えば、３次元形状測定装置１ｂ）の測定視野内に入らないように、移動機構３及び４つの３次元形状測定装置１の動作を制御する。

上記のように、互いに対向する方向に配置された何れか一方の組の３次元形状測定装置１がクランクシャフトＳの表面形状を測定している間に、互いに対向する方向に配置された何れか他方の組の３次元形状測定装置１が測定を行わずに移動することになる。このため、クランクシャフトＳの表面形状を測定している一方の組の３次元形状測定装置１からの投光が、測定を行わずに移動している他方の組の３次元形状測定装置１に影響を及ぼすことがない。また、表面形状を測定している組の３次元形状測定装置１を構成する一方の３次元形状測定装置１の投光が他方の３次元形状測定装置１の測定視野内に入らないように制御されているため、他方の３次元形状測定装置１の測定ができなくなるという状況を回避可能である。

図１１は、本実施形態に係る検査装置１００ＡによるクランクシャフトＳの表面形状測定時間（測定対象領域全長・全周の形状測定に要する時間）を評価した結果の一例を示す。
測定時間の評価に際しては、クランクシャフトＳの全長は６００ｍｍとし、３次元形状測定装置１のＸ方向の測定視野が２００ｍｍとして、図１１（ａ）に示すように、Ｘ方向についてＰ１〜Ｐ３の３つの測定視野（３回の測定）で、両端を除く測定対象領域全長の表面形状を測定することを想定した。１つの測定視野での測定（１回の測定）に必要な時間を２秒とし、移動機構３による次の測定視野までの移動時間を２秒と想定した。
図１１（ｂ）は、本実施形態に係る検査装置１００Ａによって実行することが可能な測定・移動のタイミング制御の一例である。図１１（ｂ）に示すように、互いに対向する方向に配置された一方の組の３次元形状測定装置１ａ、１ｂがクランクシャフトＳの何れかの測定視野で表面形状を測定している間に、互いに対向する方向に配置された他方の組の３次元形状測定装置１ｃ、１ｄは測定を行わずに移動する。逆に、他方の組の３次元形状測定装置１ｃ、１ｄが表面形状を測定している間に、一方の組の３次元形状測定装置１ａ、１ｂは測定を行わずに移動する。そして、表面形状を測定している組の３次元形状測定装置１は、それぞれ別の測定視野で表面形状を測定している。例えば、経過時間２秒までに、３次元形状測定装置１ａ、１ｂの組が表面形状を測定するものの、３次元形状測定装置１ａは測定視野Ｐ１で表面形状を測定し、３次元形状測定装置１ｂは測定視野Ｐ２で表面形状を測定している。すなわち、３次元形状測定装置１ａと３次元形状測定装置１ｂとは、クランクシャフトＳの回転中心軸に平行なＸ方向にズレた位置で表面形状を測定する。このため、一方の３次元形状測定装置１ａ又は１ｂの投光が他方の３次元形状測定装置１ｂ又は１ａの測定視野内に入らない。３次元形状測定装置１ｃ、１ｄの組が表面形状を測定する場合も同様である。
本実施形態に係る検査装置１００Ａによれば、実質的に４回の測定時間と、２回の移動時間のみで、測定対象領域全長・全周の形状測定が可能であるため、測定時間は２秒×４＋２秒×２＝１２秒であり、測定時間を大幅に短縮可能である。

これに対し、第１実施形態に係る検査装置１００の場合は、クランクシャフトＳの周方向の所定部位について測定対象領域全長を形状測定するのに、３回の測定時間と、２回の移動時間を必要とするので、２秒×３＋２秒×２＝１０秒かかる。クランクシャフトＳを９０°ピッチで回転させて全周を形状測定するのであれば、１０秒×４＝４０秒が必要である。さらに、クランクシャフトＳを９０°回転させるのに必要な時間を２秒と想定すれば、全周を形状測定するために３回の回転が必要であるため、２秒×３＝６秒が更に必要となり、合計の測定時間は、４０秒＋６秒＝４６秒が必要となる。

また、４つの３次元形状測定装置１ａ〜１ｄを独立して移動させることができない場合（４つの３次元形状測定装置１ａ〜１ｄのＸ方向についての撮像視野が同じである場合）、４つの３次元形状測定装置１で同時に測定することができず、順番に測定することになるため、１つの測定視野の全周を形状測定するのに、２秒×４＝８秒かかる。測定対象領域全長を形状測定するには、この１つの測定視野の全周の形状測定を３回と、２回の移動を必要とするので、８秒×３＋２秒×２＝２８秒が必要となり、本実施形態に係る検査装置１００Ａに比べれば長時間となる。

１・・・３次元形状測定装置
２・・・制御演算装置
３・・・移動機構
４・・・回転装置
１００・・・検査装置
Ｓ・・・クランクシャフト

Claims (12)

1. 測定対象に対して光を投受光することで該測定対象の３次元形状を測定する光学式の３次元形状測定装置をクランクシャフトに対して該クランクシャフトの回転中心軸に直交する方向に対向配置する第１ステップと、
   前記第１ステップで配置した３次元形状測定装置によって前記クランクシャフトの表面形状を測定することで、前記クランクシャフトの測定対象領域全長に亘る前記クランクシャフト表面の３次元点群データを取得する第２ステップと、
   前記第２ステップで取得した３次元点群データを前記クランクシャフトの回転中心軸に平行な方向に沿った複数の小領域毎に分割し、複数の小領域３次元点群データを生成する第３ステップと、
   前記第３ステップで生成した小領域３次元点群データ毎に、前記クランクシャフトの設計仕様に基づき予め用意した前記クランクシャフトの表面形状モデルとの距離が最小となるように、前記小領域３次元点群データをそれぞれ平行移動及び回転移動させて、前記表面形状モデルに重ね合わせる第４ステップと、
   前記第４ステップで重ね合わせた後の小領域３次元点群データと前記表面形状モデルとの距離を算出し、該算出した距離に基づき、前記クランクシャフトに部分的に生じる欠陥を、前記クランクシャフトの全長に亘る曲がり及びねじれと区別して検出する第５ステップと、
   を含むことを特徴とするクランクシャフトの検査方法。
2. 前記第２ステップにおいて、前記３次元形状測定装置による前記クランクシャフトの表面形状の測定と、前記３次元形状測定装置の前記クランクシャフトの回転中心軸に平行な方向への相対的な移動とを交互に繰り返すことを特徴とする請求項１に記載のクランクシャフトの検査方法。
3. 前記第４ステップにおいて前記小領域３次元点群データを平行移動及び回転移動させた際の移動距離及び回転角度に基づき、前記クランクシャフトの曲がり及びねじれを評価する第６ステップを更に含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のクランクシャフトの検査方法。
4. 前記第５ステップにおいて要求される欠陥の検出精度が±Δｅ［ｍｍ］である場合、前記第３ステップにおいて、分割される小領域の前記クランクシャフトの回転中心軸に平行な方向の寸法Ｌｐ［ｍｍ］を以下の式（１）を満足するように決定することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のクランクシャフトの検査方法。
   Ｌｐ≦２Ｌ・Δｅ／（Δｂ＋Δａ・Ｒ） ・・・（１）
   ただし、上記の式（１）において、Ｌ［ｍｍ］は前記クランクシャフトの設計仕様上の全長を意味し、Ｒ［ｍｍ］は前記クランクシャフトの設計仕様上の最大半径を意味し、Δａ［ｒａｄ］は前記クランクシャフトの全長に亘る想定上のねじれ角度を意味し、Δｂ［ｍｍ］は前記クランクシャフトの全長に亘る想定上の曲がりを意味する。
5. 前記第３ステップにおいて、分割される小領域の前記クランクシャフトの回転中心軸に平行な方向の両端が、前記クランクシャフトの隣接するジャーナル、隣接するピン、又は、隣接するジャーナル及びピンに位置するように、前記小領域を決定することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のクランクシャフトの検査方法。
6. 前記第５ステップにおいて、前記第４ステップで重ね合わせた後の小領域３次元点群データを前記３次元形状測定装置と前記クランクシャフトとの対向方向に直交する平面に投影した２次元濃淡画像であって、該２次元濃淡画像を構成する画素が前記第４ステップで重ね合わせた後の小領域３次元点群データと前記表面形状モデルとの距離に応じた濃度を有する２次元濃淡画像を作成し、該２次元濃淡画像に所定の画像処理を施すことによって得られる特徴量に基づき、前記クランクシャフトに部分的に生じる欠陥を検出することを特徴とする請求項１から５の何れかに記載のクランクシャフトの検査方法。
7. 前記第４ステップで重ね合わせた後の小領域３次元点群データを前記３次元形状測定装置と前記クランクシャフトとの対向方向に直交する平面に投影した２次元画像であって、該２次元画像を構成する画素が前記第４ステップで重ね合わせた後の小領域３次元点群データと前記表面形状モデルとの距離に応じた濃度又は色を有する２次元画像を作成し、該２次元画像を表示する第７ステップを更に含むことを特徴とする請求項１から６の何れかに記載のクランクシャフトの検査方法。
8. クランクシャフトに対して該クランクシャフトの回転中心軸に直交する方向に対向配置された、測定対象に対して光を投受光することで該測定対象の３次元形状を測定する光学式の３次元形状測定装置と、
   前記３次元形状測定装置の動作を制御すると共に、前記３次元形状測定装置による測定結果に対して所定の演算を実行する制御演算装置とを備え、
   前記制御演算装置には、前記クランクシャフトの設計仕様に基づき作成された前記クランクシャフトの表面形状モデルが予め記憶されており、
   前記制御演算装置には、前記３次元形状測定装置によって前記クランクシャフトの表面形状が測定されることで取得された前記クランクシャフトの測定対象領域全長に亘る前記クランクシャフト表面の３次元点群データが入力され、
   前記制御演算装置は、
   前記入力された３次元点群データを前記クランクシャフトの回転中心軸に平行な方向に沿った複数の小領域毎に分割し、複数の小領域３次元点群データを生成するステップと、
   前記生成した小領域３次元点群データ毎に、前記記憶された表面形状モデルとの距離が最小となるように、前記小領域３次元点群データをそれぞれ平行移動及び回転移動させて、前記表面形状モデルに重ね合わせるステップと、
   前記重ね合わせた後の小領域３次元点群データと前記表面形状モデルとの距離を算出し、該算出した距離に基づき、前記クランクシャフトに部分的に生じる欠陥を、前記クランクシャフトの全長に亘る曲がり及びねじれと区別して検出するステップと、
   を実行することを特徴とするクランクシャフトの検査装置。
9. 前記制御演算装置によって動作が制御され、前記３次元形状測定装置を前記クランクシャフトの回転中心軸に平行な方向に相対的に移動させる移動機構を更に備え、
   前記制御演算装置は、前記３次元形状測定装置による前記クランクシャフトの表面形状の測定と、前記移動機構による前記３次元形状測定装置の前記クランクシャフトの回転中心軸に平行な方向への相対的な移動とが交互に繰り返されるように、前記３次元形状測定装置及び前記移動機構の動作を制御することを特徴とする請求項８に記載のクランクシャフトの検査装置。
10. 前記３次元形状測定装置は、パターン投影方式の３次元形状測定装置であることを特徴とする請求項８又は９に記載のクランクシャフトの検査装置。
11. 前記クランクシャフトの回転中心軸周りに９０°ピッチで配置された４つの前記３次元形状測定装置を備え、
    前記移動機構は、前記４つの３次元形状測定装置を前記クランクシャフトの回転中心軸に平行な方向に独立して移動させることが可能であり、
    前記制御演算装置は、前記４つの３次元形状測定装置による前記クランクシャフトの表面形状の測定のタイミングと、前記移動機構による前記４つの３次元形状測定装置の移動のタイミングとをそれぞれ独立して制御可能であることを特徴とする請求項９に記載のクランクシャフトの検査装置。
12. 前記制御演算装置は、前記４つの３次元形状測定装置のうち、互いに対向する方向に配置された何れか一方の組の３次元形状測定装置が前記クランクシャフトの表面形状を測定している間に、互いに対向する方向に配置された何れか他方の組の３次元形状測定装置が測定を行わずに移動すると共に、前記クランクシャフトの表面形状を測定している組の３次元形状測定装置を構成する一方の３次元形状測定装置の投光が他方の３次元形状測定装置の測定視野内に入らないように、前記移動機構及び前記４つの３次元形状測定装置の動作を制御することを特徴とする請求項１１に記載のクランクシャフトの検査装置。