專利名稱：表面形狀測量裝置及表面形狀測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)測量工件的曲面形狀用的表面形狀測量裝置及表面形狀測量方法。
背景技術(shù)：
近些年來，在汽車業(yè)界，由于燃料費用漲價、減少氣體排放等原因，力求減輕車身的重量。其中一個傾向是鋼板的厚度減薄，但存在的問題是鋼板的強度不足。對于鋼板的強度不足的問題，盡管鋼板本身減薄，但是可以通過選用高強度的高張力的鋼板等材料、或設(shè)置加強筋等措施予以改進(jìn)。但是，如采用高張力的鋼板，則與普通的鋼板相比，存在產(chǎn)品成本高的問題。另外的問題是，加強筋是金屬制的，如這樣做，相反又會增加重量。
因此，作為一種在加強鋼板的剛性之同時制止重量增加的方法，越來越多采用粘貼樹脂材料做成的加強用薄片來加強薄鋼板的方法。
但是，這種利用加強薄片來加強鋼板的方法雖然能制止鋼板重量的增加，并加強鋼板，但最近隨著要求鋼板進(jìn)一步再減薄，有時會在鋼板的表面產(chǎn)生被稱為“收縮”的變形。由于這是一種非常微小的鋼板變形，所以僅靠眼晴一看難以判斷。另外，這種變形雖然通常用肉眼能觀察到，但是要將其定量是件困難的事。
因而曾嘗試?yán)缬锰乇?003-533685號公報所述的三維形狀測量裝置來判別鋼板表面的變形。
在特表2003-533685號公報所述的三維形狀測量裝置中，是利用光電傳感器對測定對象進(jìn)行測量。光電傳感器對于測量對象具有能測量的距離范圍，能測量的距離范圍一大，測量的精度就低，另外，能測量的距離范圍一小，測量精度就高。
因而，在鋼板的表面為曲面時，由于沿著彎曲的方向光電傳感器和鋼板表面的曲面對置的對置方向的距離不是一定的，存在間距，所以必然要采用可測量的距離范圍大的光電傳感器。
但是，可測量的距離范圍大的光電傳感器的測量精度低，難以準(zhǔn)確地對變形進(jìn)行檢測。
尤其是在對鋼板表面進(jìn)行了涂裝的情況下，由于其光澤的影響，欲準(zhǔn)確檢測微小的變形非常困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明之目的在于提供一種能準(zhǔn)確檢測工件曲面變形的表面形狀測量裝置及表面形狀測量方法。
本申請為一種使非接觸式傳感器對工件的曲面進(jìn)行掃描來測量所述工件曲面的變形的表面形狀測量裝置，包括測量部，所述測量部具有與所述工件曲面對置的非接觸式傳感器；對所述工件曲面沿所述工件曲面彎曲的彎曲方向使所述非接觸式傳感器移動的Z軸移動單元；對所述工件曲面沿與所述彎曲方向正交的方向使所述非接觸式傳感器移動的X軸移動單元；和對所述工件曲面沿所述對置方向移動所述非接觸式傳感器、使所述非接觸式傳感器和所述工件曲面對置的對置方向間的距離保持一定的Y軸移動單元。
本申請的表面形狀測量裝置中，由于能利用Z軸移動單元使非接觸式傳感器沿工件的彎曲方向移動，Y軸移動單元沿非接觸式傳感器和工件曲面的對置方向移動非接觸式傳感器，使其對置方向的距離保持一定，所以，在沿工件曲面的彎曲方向互相不同的位置上，非接觸式傳感器和工件曲面對置方向的距離保持一定，同時，利用X軸移動單元能使非接觸式傳感器沿和工件的彎曲方向正交的方向移動。
因此，利用高精度的非接觸式傳感器，能高精度地測量工件曲面的表面形狀。
另外，本申請的表面形狀測量裝置中，最好所述工件配置成其曲面的彎曲方向沿鉛垂方向延伸，所述Z軸移動單元使所述非接觸式傳感器沿鉛垂方向移動。
由此，由于在沿鉛垂方向配置工件的狀態(tài)下，能測量表面形狀，與在沿水平方向配置工件的狀態(tài)下測量表面形狀的情況相比，能既節(jié)省空間，又達(dá)到高效測量的目的。
另外，本申請的表面形狀測量裝置中，最好能和所述測量部分開，另外具有在所述工件曲面的彎曲方向沿鉛垂方向延伸的狀態(tài)下保持所述工件的工件保持部。
因為如果有工件保持部，能牢固地保持使工件配置在鉛垂方向上的狀態(tài)，所以，能指望提高表面形狀的測量精度。
另外，工件保持部因為和測量部分開設(shè)置，所以能和工件的大小無關(guān)，對工件曲面的表面形狀進(jìn)行測量。因此，即使是大型的工件，仍能高精度地測量工件的表面形狀。
另外，本申請的表面形狀測量裝置中，最好所述工件是在和所述非接觸式傳感器對置的表面的相反一側(cè)的背面上層疊著加強材料的金屬板。
本申請的表面形狀測量裝置中，因為能利用非接觸式傳感器高精度地測量工件曲面的表面形狀，所以，即便是層疊著加強材料的金屬板，也能高精度地測量工件曲面的變形。
另外，本申請的表面形狀測量裝置中，最好所述的加強材料是用靠外部能量能固化的樹脂形成的薄片，粘貼在所述金屬板的背面，加強所述金屬板。
在加強材料是用靠外部能量能固化的樹脂形成的薄片時，如將該薄片粘貼在金屬板的背面來加強金屬板，則有時會因樹脂和金屬板之間的線膨脹系數(shù)的不同而產(chǎn)生變形，但用本申請的表面形狀測量裝置仍能準(zhǔn)確地測量那樣的變形。
另外，本申請的表面形狀測量裝置中，所述工件最好是車輛用鋼板。
對于本申請的表面形狀測量裝置，即使是有光澤的漆過的車輛用鋼板，仍舊能準(zhǔn)確地檢測變形。
另外，本申請的表面形狀測量裝置中，所述非接觸式傳感器最好是激光位移計。
如非接觸式傳感器是激光位移計，則測量精度非常高，能更加準(zhǔn)確地測量變形。
另外，本申請的表面形狀測量裝置包括對所述非接觸式傳感器掃描所得的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的處理單元，所述處理單元最好包括根據(jù)所述掃描數(shù)據(jù)測量所述工件曲面的位置坐標(biāo)、并根據(jù)所述位置坐標(biāo)生成判斷所述工件曲面變形用的等高線圖的等高線圖生成單元。
在處理單元中，若利用等高線圖生成單元生成判斷工件曲面變形用的等高線圖，則能三維并形象地判斷有無變形。
另外，所述處理單元最好包括將所述工件曲面的位置坐標(biāo)變換成假想平面的位置坐標(biāo)的平滑處理單元。
如利用平滑處理單元將工件曲面的位置坐標(biāo)變換成假想平面的位置坐標(biāo)，則能進(jìn)一步明了有無變形。
另外，所述處理單元最好包括對所述掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行微分的微分處理單元。
若利用微分處理單元對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行微分，則能使變形更顯眼。因而，能更進(jìn)一步準(zhǔn)確檢測變形。
另外，所述處理單元最好包括根據(jù)所述工件曲面的位置坐標(biāo)、使所述非接觸式傳感器移動至與特定位置坐標(biāo)對應(yīng)的所述工件曲面的特定對置位置上的位置特定單元。
若利用位置特定單元，則在檢測變形后，能使非接觸式傳感器移動至工件曲面產(chǎn)生該變形的位置。因此，能容易地確認(rèn)在工件曲面上產(chǎn)生變形的實際位置。
另外，所述處理單元最好包括與所述工件的所述加強材料的層疊位置相對應(yīng)、在所述等高線圖上顯示所述層疊位置的層疊位置顯示單元。
若利用層疊位置顯示單元，則能與工件的加強材料的層疊位置相對應(yīng)，在等高線圖上顯示層疊位置。因而，能容易地確認(rèn)變形和加強材料之間的關(guān)系。
另外，本申請的表面形狀測量方法是一種對工件曲面使非接觸式傳感器掃描來測量所述工件曲面的變形的表面形狀測量方法，根據(jù)所述非接觸式傳感器掃描所得的掃描數(shù)據(jù)，測量所述工件曲面的位置坐標(biāo)，根據(jù)此位置坐標(biāo)，生成判斷所述工件曲面變形用的等高線圖。
如生成判斷工件曲面變形用的等高線圖，則能三維并形象地判斷有無變形。
另外，本申請的表面形狀測量方法中，最好包括將所述工件曲面的位置坐標(biāo)變換成假想平面的位置坐標(biāo)。
如將工件曲面的位置坐標(biāo)變換成假想平面的位置坐標(biāo)，則能更明了有無變形。
另外，本申請的表面形狀測量方法中，最好包括對所述掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行微分。
如對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行微分，則能使變形更加顯眼。因此，能更加準(zhǔn)確地檢測出變形。
另外，本申請的表面形狀測量方法中，最好包括根據(jù)所述工件曲面的位置坐標(biāo)、使所述非接觸式傳感器移動至與特定位置坐標(biāo)對應(yīng)的所述工件曲面特定對置位置上。
通過這樣，在檢測出變形之后，能使非接觸式傳感器移動至工件曲面的該變形產(chǎn)生位置。因此，能容易地確認(rèn)工件曲面上產(chǎn)生變形的實際位置。
另外，本申請的表面形狀測量方法中，最好包含與所述工件的所述加強材料層疊位置相對應(yīng)、在所述等高線圖上顯示所述層疊位置。
如能與工件的加強材料層疊位置相對應(yīng)在等高線圖上顯示層疊位置，則能容易地確認(rèn)變形和加強材料之間的關(guān)系。
根據(jù)本申請的表面形狀測量裝置，能利用非接觸式傳感器，高精度地測量工件曲面的表面形狀，準(zhǔn)確檢測變形。
另外，根據(jù)本申請的表面形狀測量方法，能三維并形象地判斷有無變形。


圖1為表示本發(fā)明表面形狀測量裝置一實施形態(tài)的正視圖。
圖2為圖1示出的表面形狀測量裝置的側(cè)視圖。
圖3為表示圖1示出的表面形狀測量裝置的測量部控制系統(tǒng)的方框圖。
圖4為表面形狀測量程序的流程圖。
圖5為表示表面形狀測量方法的門面板的正視圖。
圖6(a)為利用等高線圖生成程序生成的等高線圖的一個例子。
圖6(b)為圖6(a)的A-A’線斷面圖。
圖6(C)為圖6(a)的B-B’線斷面圖。
圖7為說明平滑處理程序的處理用的說明圖。
圖8為利用平滑處理程序的處理得到的等高線圖的一個例子。
圖9(a)為利用微分處理程序的處理得到的一階微分的等高線圖。
圖9(b)為圖9(a)的C-C’線斷面圖。
圖10(a)為利用微分處理程序的處理得到的二階微分的等高線圖。
圖10(b)為圖10(a)的D-D’線斷面圖。
圖11為說明位置特定程序的處理用的說明圖。
圖12為表示利用粘貼部分顯示程序的處理顯示的等高線圖的一個例子。
具體實施例方式
圖1為表示本發(fā)明表面形狀測量裝置一實施形態(tài)的正視圖。圖2為其側(cè)視圖。
該表面形狀測量裝置1包括測量作為工件的車輛用門50的表面形狀用的測量部2、及保持車輛用門50用的工件保持部3。
測量部2包括底架4、支持在底架4上自由滑動的滑動框5、及支持在滑動框5上自由滑動的傳感器6。
底架4由沿水平方向即左右方向延伸的桿體組成，設(shè)置在地面上。在底架4的上部沿整個長度方向，形成后述的橫向滑動架11能滑動自由地嵌入的滑動槽7。另外，在底架4的左端部(長度方向的一端)上設(shè)置橫向驅(qū)動箱8，該橫向驅(qū)動箱8內(nèi)裝有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動后述的橫向滾球絲杠10的作為X軸移動單元的X軸伺服電動機22。另外，在底架4的右端部(長度方向的另一端)上設(shè)置橫向支持機構(gòu)9，該橫向支持機構(gòu)9支持后述的橫向滾球絲杠10可自由放置，并設(shè)置X軸旋轉(zhuǎn)編碼器23(參見圖3)。
然后，沿橫向滑動槽7設(shè)置橫向滾球絲杠10。該橫向滾球絲杠10的一端與橫向驅(qū)動箱8內(nèi)的X軸伺服電動機22連接，其另一端旋轉(zhuǎn)自由地支持在橫向支持機構(gòu)9上。
滑動框5包括滑動自由地支持在底架4上的橫向滑動架11、及由橫向滑動架11支持的滑桿12。
橫向滑動架11滑動自由地嵌入在底架4的橫向滑動槽7中，支持在底架4上沿左右方向滑動自由。另外，橫向滑動架11通過滾珠軸承與橫向滾球絲杠10嚙合。
滑動桿12由桿體組成，沿鉛垂線方向由橫向滑動架11支持。在滑動桿12的側(cè)面整個長度方向上，形成后述的縱向滑動架18能滑動自由地嵌入的縱向滑動槽13。另外，在滑動桿12的上端設(shè)置縱向相14，該縱向驅(qū)動箱14內(nèi)裝有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動后述的縱向滾珠絲杠16的作為Z軸移動單元的Z軸伺服電動機24(參見圖3)、及裝在Z軸伺服電動機24(參照圖3)上的Z軸旋轉(zhuǎn)編碼器25(參見圖3)。
另外，在滑動桿12的下端設(shè)置支持后述的橫向滾球絲杠16自由旋轉(zhuǎn)的縱向支持機構(gòu)15。
然后，沿縱向滑動槽13設(shè)置縱向滾珠絲杠16。該縱向滾珠絲杠16的一端連接縱向驅(qū)動箱14內(nèi)的Z軸伺服電動機24，另一端旋轉(zhuǎn)自由地支持在縱向支持機構(gòu)15內(nèi)。
傳感器部6包括滑動自由地支持在滑動桿12上的縱向滑動架18、滑動自由地支持在縱向滑動架18上的傳感器保持架19、及保持在傳感器保持架19上的作為非接觸式傳感器的激光位移計17。
縱向滑動架18滑動自由地嵌入在滑動桿12的縱向滑動槽13中，沿鉛垂方向滑動自由地支持在滑動桿12上。另外縱向滑動架18通過滾珠軸承與縱向滾珠絲杠16嚙合。
傳感器保持架19在縱向滑動架18上沿和車輛用門50的表面對置的對置方向(即和左右方向及鉛垂方向正交的水平方向即前后方向)配置并支持。在傳感器保持架19上裝有作為Y軸移動單元的Y軸伺服電動機26(參見圖3)、及裝在該Y軸伺服電動機26上的Y軸旋轉(zhuǎn)編碼器27(參見圖3)。
傳感器保持架19上沿前后方向設(shè)置圖中未示出的滾珠絲桿。該滾珠絲桿與Y軸伺服電動機26連接，旋轉(zhuǎn)自由地支持在傳感器保持架19上。
激光位移計17由反射型光傳感器組成，沿前后方向滑動自由地支持在傳感器保持架19上。另外，激光位移計17通過滾珠軸承與設(shè)在傳感器保持架上的滾珠絲桿嚙合。
還有，激光位移計17也可以對于傳感器保持架19利用通過Y軸伺服電動機26的驅(qū)動而滑動的小齒輪齒條機構(gòu)支持。
該激光位移計17如以后所述，檢測相對于門面板51的外表面的距離。。
圖3為表示測量部2的控制系統(tǒng)的方框圖。
圖3中，測量部2中設(shè)置作為處理單元的CPU21，該CPU21連接伺服放大器28及位移計放大器29。
CPU21例如由個人計算機等組成，存儲著測量車輛用門50表面形狀用的表面形狀測量程序、對利用表面形狀測量程序的處理所得的表面形狀數(shù)據(jù)進(jìn)行解析的解析程序、及起動各種程序的主控程序等。
還有，解析程序中包括將在以后詳細(xì)敘述的作為等高線圖生成單元的等高線圖生成程序、作為平滑處理單元的平滑處理程序、作為微分處理單元的微分處理程序、作為位置特定單元的位置特定程序、及作為層疊位置顯示單元的粘貼部分顯示程序。
另外，CPU21還連接供操作員操作用的鍵盤(包括鼠標(biāo))31、及監(jiān)視器30。
伺服放大器28連接X軸伺服電動機22及X軸旋轉(zhuǎn)編碼器23、Z軸伺服電動機24及Z軸旋轉(zhuǎn)編碼器25、從及Y軸伺服電動機26及Y軸旋轉(zhuǎn)編碼器27。
X軸伺服電動機22利用伺服放大器28的控制，能正反向自由地旋轉(zhuǎn)。當(dāng)X軸伺服電動機22一驅(qū)動，能使橫向滾球絲杠10正反向自由地旋轉(zhuǎn)。通過這樣，與橫向滾球絲杠10嚙合合的橫向滑動架11沿左右兩個方向移動，橫向滑動架11上支持的滑動桿12保持著沿鉛垂方向直立的姿勢，沿左右兩個方向移動。
在X軸伺服電動機22上設(shè)置兩個X軸旋轉(zhuǎn)編碼器23。一個X軸旋轉(zhuǎn)編碼器23檢測X軸伺服電動機22的正反方向及驅(qū)動量，輸入伺服放大器28。在伺服放大器28中，根據(jù)所輸入的X軸伺服電動機22的正反方向及驅(qū)動量，計算出從后述的原點位置開始左右方向上的激光位移計17的位置。
另一個X軸旋轉(zhuǎn)編碼器23檢測X軸伺服電動機22的正反方向及驅(qū)動量，直接輸入CPU21。還有，CPU21中，根據(jù)從另一個X軸旋轉(zhuǎn)編碼器23輸入的X軸伺服電動機22的正反方向及驅(qū)動量，計算出后述的左右方向的掃描位置數(shù)據(jù)。
Z軸伺服電動機24利用伺服放大器28的控制，能正反自由地驅(qū)動。Z軸伺服電動機24一驅(qū)動，就使縱向滾珠絲杠16正反自由地旋轉(zhuǎn)。通過這樣，與縱向滾珠絲杠16嚙合的縱向滑動架18沿上下兩個方向移動，縱向滑動架18上支持的傳感器保持架19保持著在對置方向上的姿勢，沿上下兩個方向移動。
Z軸旋轉(zhuǎn)編碼器25檢測Z軸伺服電動機24的正反方向及驅(qū)動量，輸入伺服放大器28。在伺服放大器28中，根據(jù)輸入的Z軸伺服電動機24的正反方向及驅(qū)動量，計算出從后述的原點位置開始上下方向上的激光位移計17的位置。
Y軸伺服電動機26利用伺服放大器28的控制，能正反自由地驅(qū)動。當(dāng)Y軸伺服電動機26一驅(qū)動，就能使設(shè)置在傳感器保持架19上未圖示的滾珠絲桿正反自由地旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。通過這樣，與該滾珠絲桿嚙合的激光位移計17沿對置方向(前后方向)的兩個方向移動。
Y軸旋轉(zhuǎn)編碼器27檢測Y軸伺服電動機26的正反方向及驅(qū)動量，輸入伺服放大器28。在伺服放大器28中，根據(jù)輸入的Y軸伺服電動機26的正反方向及驅(qū)動量，計算出從后述的原點位置開始的前后方向上的激光位移計17的位置。
然后，伺服放大器28中，通過分別驅(qū)動X軸伺服電動機22、Z軸伺服電動機24及Y軸伺服電動機26，從而使激光位移計17沿左右方向及前后方向進(jìn)行三維移動。還在伺服放大器28中，通過從一個X軸旋轉(zhuǎn)編碼器23、Z軸旋轉(zhuǎn)編碼器25及Y軸旋轉(zhuǎn)編碼器27輸入正反方向及驅(qū)動量，從而能三維地檢測激光位移計17在左右方向、上下方向及前后方向上的位置。
因此，該伺服放大器28根據(jù)X軸旋轉(zhuǎn)編碼器23、Z軸旋轉(zhuǎn)編碼器25、及Y軸旋轉(zhuǎn)編碼器27的輸入，通過對X軸伺服電動機22、Z軸伺服電動機24、及Y軸伺服電動機26的反饋控制，從而控制激光位移計17的移動。
另外，CPU21從該伺服放大器28輸入激光位移計17的位置數(shù)據(jù)。另外，由CPU21控制伺服放大器28，使激光位移計17移動。
位移計放大器29連接激光位移計17，從激光位移計17輸入與車輛用門50的表面間對置距離的位移量。然后，從位移計放大器29向CPU21輸入這一位移量。
因此，該測量部2中，CPU21根據(jù)伺服放大器28輸入的激光位移計17的位置數(shù)據(jù)、另一個X軸旋轉(zhuǎn)編碼器23輸入的左右方向上的掃描位置數(shù)據(jù)、及從位移計放大器29輸入的激光位移計17和車輛用門50的表面間對置距離的位移量，能三維地測量車輛用門50的表面形狀。
工件保持部3如圖2所示，包括底座34、支持柱32、及工件保持架33。
底座34做成能承載車輛用門50的那種俯視略呈矩形臺狀的形狀，橡膠墊43敷設(shè)在車輛用門50的承載面(上表面)上。
支持柱32從底座34起沿鉛垂方向直立設(shè)置。
工件保持架33包括支持臂35、手柄36及壓緊構(gòu)件37。支持臂35的一端通過安裝構(gòu)件38固定在支持柱32的上下方向的任意位置(與車輛用門50的門面板51的上端對應(yīng)的位置)上。另外，其另一端配置成從一端起沿前后方向延伸、并和車輛用門50的門面板51的上端對置。
手柄36有升降軸41及操作部42。升降軸42沿上下方向升降自由地安裝在支持臂35的另一端。操作部42沿水平方向旋轉(zhuǎn)自由地設(shè)置在升降軸41的上端。用該手柄36使操作部42正反旋轉(zhuǎn)，從而升降軸41相對支持臂35的另一端上下升降。
壓緊構(gòu)件37包括安裝在升降軸42下端的壓緊板39、安裝在該壓緊板39下表面的由橡膠組成的彈性構(gòu)件40。彈性構(gòu)件40配置成在上下方向上和車輛用門50的門面板51的上端對置。
然后、在底座34的橡膠墊43上放置車輛用門50的門面板51的下端，同時還在上下方向上使門面板51的上端和彈性構(gòu)件40對置的狀態(tài)下，使手柄36的操作部42正向旋轉(zhuǎn)，使升降軸41下降，則隨著升降軸41的下降，彈性構(gòu)件40的底面以壓緊狀態(tài)抵及門面板51的上端。通過這樣，車輛用門50因為利用橡膠墊43和彈性構(gòu)件40彈性夾持門面板51，所以能以直立狀態(tài)保持在工件保持部3上。在該直立狀態(tài)下，門面板51配置成相對于底架4及滑動桿12平行的狀態(tài)。
還有，車輛用門50包括正面看略呈矩形的門面板51、及設(shè)在該門面板51上部的窗框52。門面板51以在工件保持部3上保持直立的狀態(tài)下沿鉛垂方向?qū)⑵渫獗砻?和激光位移計17對置的表面)做成彎曲的曲面。更具體為如圖2所示，門面板51的外表面彎曲成上下方向的兩端向后側(cè)后退而上下方向中央部向前側(cè)凸出的緩慢的弓形。
另外，門面板51的內(nèi)表面(和激光位移計17對置的外表面的相反一側(cè)的背面)如圖5所示，在后述的粘貼部分為了增強鋼板(金屬板)的剛性，粘貼利用熱或紫外線等外部能量能固化的樹脂形成的薄片物組成的100mm×300mm的加強材料53。
然后，這樣地保持在工件保持部3上的車輛用門50與測量部2中的三維地移動的激光位移計17在前后方向上隔開間隔對置。
以下，對在測量部2中測量門面板51外表面的表面形狀的方法進(jìn)行說明。為了測量門面板51外表面的表面形狀，CPU21從主控程序開始起動表面形狀測量程序。
圖4為表面形狀測量程序的流程圖。表面形狀測量程序的處理一開始，首先CPU21中設(shè)定測量條件(S1)。關(guān)于測量條件的設(shè)定，由于在監(jiān)視器30上作為測量的必要條件而顯示利用X軸伺服電動機22而移動的左右方向(以后稱X軸方向)上激光位移計17的測量間隔即X軸間隔PX(參見圖5，例如0.01～1.0mm的范圍)、及利用Z軸伺服電動機24而移動的上下方向(以后稱Z軸方向)上激光位移計17的測量間隔即Z軸間隔PZ(參見圖5，例如1.0～50mm的范圍)，所以從鍵盤31輸入X軸間隔PX和Z軸間隔PZ。
測量條件一設(shè)好，激光位移計17移向原點位置(S2)，在該原點位置上將X軸旋轉(zhuǎn)編碼器23、Z軸旋轉(zhuǎn)編碼器25及Y軸旋轉(zhuǎn)編碼器27調(diào)零。
接著，激光位移計17通電后(S3)，指定測量范圍(S4)。
測量范圍的指定例如如圖5所示，利用來自鍵盤31的輸入，使激光位移計17移動，分別對角地指定測量開始點及測量結(jié)束點。通過這樣，以對角地指定的測量開始點S及測量結(jié)束點E畫出的正視為方形的區(qū)域被設(shè)定作為測量范圍。
還有，在圖5中，是分別將測量開始點S設(shè)在右上方，將測量結(jié)束點E設(shè)在左下方，但測量開始點S及測量結(jié)束點E的設(shè)定無特別限定，例如也可以分別將測量開始點S設(shè)在左下方，將測量結(jié)束點E設(shè)在右上方。
然后，在指定測量范圍之后，利用激光位移計17測量門面板51外表面的表面形狀。
測量一開始，先把激光位移計17移到測量開始點S。在測量開始點S處，通過驅(qū)動Y軸伺服電動機26，沿前后方向(以后稱Y軸方向)移動激光位移計17，使得激光位移計17和門面板51外表面的對置距離成為該激光位移計17檢測距離范圍內(nèi)最佳的檢測距離接著激光位移計17從測量開始點S(這時，測量開始點S也就成為掃描開始點S’)開始通過X軸伺服電動機22的驅(qū)動按照上述設(shè)定好的X軸間隔沿X軸方向掃描，直至到與測量結(jié)束點E對應(yīng)的位置(為掃描結(jié)束點E’，在Z軸方向上與測量結(jié)束點E對置的位置)。此時，CPU21中存儲用激光位移計17測得的每隔X軸間隔對門面板51外表面的檢測距離、及與各檢測距離相對應(yīng)的利用另一個X軸旋轉(zhuǎn)編碼器23檢測出的X軸方向上的激光位移計17的掃描位置數(shù)據(jù)，作為掃描數(shù)據(jù)DA。
然后，掃描結(jié)束后，激光位移計17通過X軸伺服電動機22的驅(qū)動，從掃描結(jié)束點E’開始返回，再度位于測量開始點S。還有，返回途中激光位移計17不掃描。
然后，激光位移計17通過Z軸伺服電動機24的驅(qū)動，從測量開始點S在Z軸方向上向離開上述設(shè)定好的Z軸間隔的掃描開始點S’(在Z軸方向上和測量開始點S隔開Z軸間隔對置的位置)移動后，在該掃描開始點S’上，利用Y軸伺服電動機26的驅(qū)動，激光位移計17沿Y軸方向移動，使得激光位移計17和門面板51外表面的對置距離為該激光位移計17的上述最佳檢測距離。這時，CPU21中存儲利用Y軸旋轉(zhuǎn)編碼器27檢測出的從Y軸方向的測量開始點S至掃描開始點S’的位移量，作為位移數(shù)據(jù)DB。
然后，激光位移計17和上述一樣，利用X軸伺服電動機22的驅(qū)動，從其掃描開始點S’至掃描結(jié)束點E’以上述設(shè)好的X軸間隔沿X軸方向掃描，并存儲所得的掃描數(shù)據(jù)DA。掃描結(jié)束后，激光位移計17通過X軸伺服電動機22的驅(qū)動，從掃描結(jié)束點E’返回，再度位于掃描開始點S’。還有，返回途中，激光位移計17不掃描。
在Z軸上隔開Z軸間隔依次實施這樣的激光位移計17以X軸間隔在X軸方向上的掃描，其后，當(dāng)激光位移計17到達(dá)測量結(jié)束點E時，測量就結(jié)束。
接著，在激光位移計17關(guān)閉后(S6)，CPU21根據(jù)門面板51外表面的每一個測量范圍的X軸間隔的檢測距離(即掃描數(shù)據(jù)DA)、及每一個Z軸間隔的Y軸方向上的位移量(即位移數(shù)據(jù)DB)，計算出該測量范圍內(nèi)三維的位置坐標(biāo)(S7)，存儲該計算出的三維位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并結(jié)束測量處理。
該表面形狀測量裝置1在上述測量中，即使每隔Z軸間隔都利用Z軸伺服電動機24使激光位移計17沿Z軸方向移動，通過CPU21的控制，Y軸伺服電動機26使激光位移計17沿Y軸方向移動，使得激光位移計17和門面板51外表面間的對置距離為該激光位移計17的最佳檢測距離。因此，門面板51的外表面即便沿Z軸方向在Y軸方向上緩慢地彎曲成弓狀，激光位移計17和門面板51外表面的對置距離也始終保持成最佳檢測距離。通過這樣，在沿門面板51外表面彎曲方向的Z軸方向上互相每隔Z軸間隔的位置上，激光位移計17和門面板51外表面的對置距離始終保持一定，同時，利用X軸伺服電動機22能使激光位移計17沿X軸掃描。
因此，測量精度極高，利用檢測距離范圍窄的激光位移計17能高精度地測量門面板51的位置坐標(biāo)。另外，由于能高精度地測量，因此即使門面板51外表面經(jīng)過涂裝而有光澤，仍舊能準(zhǔn)確地檢測出微小的變形。
另外，這一測量中，工件保持部3由于可與測量部2分開設(shè)置，故與門面板51的大小無關(guān)，可測量門面板51外表面的表面形狀。因此，即使門面板51相當(dāng)大，也能高精度地測量門面板51的表面形狀。
另外，門面板51在工件保持部3上保持直立狀態(tài)，測量部2通過Z軸伺服電動機24的驅(qū)動，使激光位移計17沿Z軸方向移動，從而能測量其外表面的位置坐標(biāo)。因此，與將門面板51沿水平方向配置的狀態(tài)下測量位置坐標(biāo)時相比，能節(jié)省空間，并提高測量效率。
因而，如此所得并存在CPU21中的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)可以利用CPU21內(nèi)存儲的等高線圖生成程序、平滑處理程序、微分處理程序、位置特定程序、及粘貼部分顯示程序等各種解析程序來進(jìn)行解析。
以下，說明利用各種解析程序進(jìn)行解析的方法。
首先，對利用等高線圖生成程序所作的解析進(jìn)行闡述。通過從鍵盤31輸入，從主控程序使等高線圖生成程序起動，將存在CPU21中的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)變換成與表面形狀對應(yīng)的等高線圖。然后，該等高線圖如圖6(a)所示，在監(jiān)視器30上顯示。
還有，該等高線圖利用鍵盤31的輸入能任意地設(shè)定等高線的高度間隔(等高線的根數(shù))等。另外，利用鍵盤31的輸入，能顯示沿X軸方向及Z軸方向的任意斷面圖。
圖6(a)示出的等高線圖為包括上述加強材料53的粘貼部分在內(nèi)的外表面的表面形狀。另外，圖6(a)的A-A’線表示包括加強材料53的粘貼部分在內(nèi)的X軸方向的斷面線，其斷面圖示于圖6(b)中。另外，B-B’線表示不包括加強材料53的粘貼部分的X軸方向的斷面線，其斷面圖示于圖6(c)。
還有，在圖6(b)及圖6(c)中，如變形量(Y軸方向的變形量)的數(shù)值大，則表示外表面向內(nèi)凹，如變形量(Y軸方向的變形量)的數(shù)值小，則表示外表面向外凸。
從圖6(b)及圖6(c)可以確認(rèn)，在包括表示不是加強材料53的粘貼部分的B-B’線斷面圖在內(nèi)的部分中，外表面為緩慢凸出的曲面，與此相反，在包括表示加強材料53的粘貼部分的A-A’線斷面圖在內(nèi)的部分中，外表面為凹進(jìn)較大的曲面。另外，該凹陷量定量為370μm。
這樣，如將位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)作為與表面形狀對應(yīng)的等高線圖進(jìn)行顯示，則能三維并形象地判斷有無變形。另外，也能在某種程度上確認(rèn)變形位置及變形量。因而，在粘貼著加強材料53的門面板51上能高精度地測量外表面的變形。
但是，因為只能將位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)單純地作為與表面形狀對應(yīng)的等高線圖顯示，所以有時不能判斷微小的變形等。即門面板51由于沿Z軸方向有向Y軸方向彎曲的曲面，因此由該曲面形成的Y軸方向的變形量和由變形形成的Y軸方向的位移量重疊，有時不能判斷微小的變形。
在這樣的場合，如起動平滑處理程序或微分處理程序，則能弄清有無這樣的微小變形。
即從主控程序起動平滑處理程序，平滑處理程序就將位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)變換成假想平面的位置坐標(biāo)。更具體為，平滑處理程序如圖7(a)所示，首先對X軸方向的各掃描數(shù)據(jù)DA，計算出各掃描開始點S’的Y軸方向的變形量D1、與掃描結(jié)束點E’的Y軸方向的變形量D2之差ΔD。
然后，如圖7(b)所示，從掃描開始點S’的X軸方向的位置坐標(biāo)X1和掃描結(jié)束點E’的位置坐標(biāo)X2，計算出斜率ΔD/(X2-X1)。然后，從各掃描數(shù)據(jù)DA的Y軸方向的各位移量D1～D2減去斜率部分，使X軸方向的斜率為0。通過這樣，各掃描數(shù)據(jù)DA校正連接掃描開始點S’和掃描結(jié)束點E’的連線，使其和X軸方向平行。
此后，如圖7(c)所示，使各掃描數(shù)據(jù)DA的掃描開始點S’的Y軸方向各位移量D1、及各掃描數(shù)據(jù)DA的掃描結(jié)束點E’的Y軸方向各位移量D2都為相同的位移量(例如，相減成為0)。通過這樣，校正各掃描數(shù)據(jù)DA的排列方向，使其和Z軸方向平行。
結(jié)果，位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)變換成和相對于沿X軸方向及Z軸方向延伸的平面平行的假想平面。
平滑處理程序中，經(jīng)如此校正后的等高線圖如圖8所示，能在監(jiān)視器30上顯示。圖8中明顯地顯示出用校正前的圖6(a)難以顯示的外表面的表面形狀。
另外，當(dāng)利用鍵盤31的輸入從主控程序起動微分處理程序時，用微分處理程序在利用平滑處理程序變換成假想平面的等高線圖上，對X軸方向進(jìn)行微分。這一處理具體為，對利用平滑處理程序修正后的各掃描數(shù)據(jù)DA算出微分系數(shù)。微分可以采用公知的3點近似公式或5點近似公式。
圖9(a)中采用3點近似公式表示對變換成假想平面的等高線圖進(jìn)行微分(1次微分)后的等高線圖。另外，圖9(b)表示圖(a)中的C-C’線斷面圖。
如進(jìn)行微分處理，則如圖9(a)及(b)所示，在斜率變化大的部分即有變形的部分，因得到較大的微分系數(shù)，所以使變形的位置顯眼，能容易特定產(chǎn)生變形的位置。因而能更準(zhǔn)確地檢測變形。
圖10(a)中表示微分(1階微分)后的等高線圖、和再次微分(2階微分)后的等高線圖。另外，圖10(b)表示圖10(a)的D-D’線斷面圖。
如作兩次微分(2階微分)，則如圖10(a)及(b)所示，能更加凸現(xiàn)變形的位置還有，上述的1階及2階微分能利用鍵盤31的輸入來進(jìn)行。即，從主控程序利用鍵盤31的輸入起動微分處理程序時，先執(zhí)行上述的1階微分，在監(jiān)視器30上顯示圖9(a)所示的等高線圖。另外，該等高線圖和上述一樣，由于能利用鍵盤31的輸入，使其顯示沿X軸方向及Z軸方向的任意的斷面圖，所以能使圖9(b)所示的斷面圖在監(jiān)視器30上顯示。另外，進(jìn)行上述的1階微分，并在監(jiān)視器30上顯示圖9(a)所示的等高線圖后，能再利用鍵盤31的輸入，進(jìn)行上述的2階微分。因而，一進(jìn)行上述的2階微分，就在監(jiān)視器30上顯示圖10(a)示出的等高線圖。另外，該等高線圖和上述的一樣，由于能利用鍵盤31的輸入，顯示沿X軸方向及Z軸方向的任意的斷面圖，故能在監(jiān)視器30上顯示圖10(b)所示的斷面圖。
另外，CPU21還存儲特定實際變形位置用的位置特定程序、及表示加強材料53的粘貼位置和變形間關(guān)系用的粘貼部分顯示程序，通過從主控程序使上述程序起動，從而能特定實際變形位置，或能容易地掌握加強材料53的粘貼位置和變形間的關(guān)系。
即，如圖11(a)所示，在可利用上述各種處理特定變形位置時，在各種處理所得的等高線圖上，利用鍵盤31的輸入使點P位于該變形的位置后，利用鍵盤31的輸入，從主控程序起動位置特定程序，就如圖11(b)所示，根據(jù)等高線圖上點P的位置坐標(biāo)，移動激光位移計17到達(dá)與該點P的位置相對應(yīng)的門面板51外表面的特定的對置位置(圖11(b)中，激光位移計17和傳感器保持架19重疊)。通過這樣，能容易地確認(rèn)門面板51外表面上產(chǎn)生變形的實際位置。
另外，該門面板51上如上所述，在內(nèi)表面上粘貼著加強材料53。由于該加強材料53是靠熱或紫外線等外部能量能固化的樹脂形成的薄片物，所以對于由這樣的樹脂組成的加強材料53、和由鋼板組成的門面板51，因其線膨脹系數(shù)的不同，而引起例如在涂裝后加強材料53頂住而門面板51凹陷，在門面板51外表面的與粘貼部分對應(yīng)部分容易產(chǎn)生稱為‘收縮’的凹形的變形。
因此，為了掌握加強材料53的粘貼位置和變形間的關(guān)系，使粘貼部分顯示程序起動。即利用上述的各種處理能特定變形的位置時，在利用各種處理得到的等高線圖上，根據(jù)來自鍵盤31的輸入，從主控程序起動粘貼部分顯示程序。于是，如圖12所示，在監(jiān)視器30顯示的等高線圖上，重疊顯示加強材料53的粘貼部分R。
通過這樣，由于能與門面板51的加強材料53的粘貼部分對應(yīng)，在等高線圖上顯示粘貼部分R，所以能容易地確認(rèn)變形和加強材料53間的關(guān)系。
還有，加強材料53的粘貼部分通過預(yù)先使激光位移計17移動到實際的門面板51的加強材料53的粘貼部分，并做標(biāo)記，該標(biāo)記區(qū)域(粘貼部分)存在CPU21中，用粘貼部分顯示程序?qū)⑵渑c各等高線圖對應(yīng)，彈出顯示。
以上的說明中，是采用工件保持部3使門面板51保持直立狀態(tài)，但也能不用工件保持部3，直接測量裝在已生產(chǎn)好的汽車上的門面板51。
另外，以上的說明中，是以測量車輛用門50的門面板51的外表面為例來說明本發(fā)明的表面形狀測量裝置，但用本發(fā)明的表面形狀測量裝置也能測量除車輛用門50以外的工件，例如汽車的引擎蓋等也能測量。本發(fā)明的表面形狀測量裝置能適用于表面是曲面的、大型工件的表面形狀測量。
還有，上述說明雖然提供作為本發(fā)明示例的實施形態(tài)，但這些僅是示例而已，不應(yīng)囿于此進(jìn)行解釋。對于從事這項技術(shù)的業(yè)內(nèi)人士所了解的本發(fā)明的變形例，自然也包括在后述的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1一種表面形狀測量裝置，是一種使非接觸式傳感器對工件的曲面進(jìn)行掃描來測量所述工件曲面變形的表面形狀測量裝置，其特征在于，包括測量部，所述測量部具有與所述工件曲面對置的非接觸式傳感器；對所述工件曲面沿所述工件曲面彎曲的彎曲方向使所述非接觸式傳感器移動的Z軸移動單元；對所述工件曲面沿與所述彎曲方向正交的方向使所述非接觸式傳感器移動的X軸移動單元；以及對所述工件曲面沿所述對置方向移動所述非接觸式傳感器、使所述非接觸式傳感器和所述工件曲面對置的對置方向間的距離保持一定的Y軸移動單元。
2如權(quán)利要求1所述的表面形狀測量裝置，其特征在于，所述工件配置成其曲面的彎曲方向沿鉛垂方向延伸，所述Z軸移動單元使所述非接觸式傳感器沿鉛垂方向移動。
3如權(quán)利要求1所述的表面形狀測量裝置，其特征在于，能和所述測量部分開，另外具有在所述工件曲面的彎曲方向沿鉛垂方向延伸的狀態(tài)下保持所述工件的工件保持部。
4如權(quán)利要求1所述的表面形狀測量裝置，其特征在于，所述工件是在和所述非接觸式傳感器對置的表面相反一側(cè)的背面上層疊著加強材料的金屬板。
5如權(quán)利要求4所述的表面形狀測量裝置，其特征在于，所述的加強材料是用靠外部能量能固化的樹脂形成的薄片，粘貼在所述金屬板的背面，加強所述金屬板。
6如權(quán)利要求1所述的表面形狀測量裝置，其特征在于，所述工件是車輛用鋼板。
7如權(quán)利要求1所述的表面形狀測量裝置，其特征在于，所述非接觸式傳感器為激光位移計。
8如權(quán)利要求1所述的表面形狀測量裝置，其特征在于，包括對所述非接觸式傳感器掃描所得的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的處理單元，所述處理單元包括根據(jù)所述掃描數(shù)據(jù)測量所述工件曲面的位置坐標(biāo)、根據(jù)所述位置坐標(biāo)生成判斷所述工件曲面變形用的等高線圖的等高線圖生成單元。
9如權(quán)利要求8所述的表面形狀測量裝置，其特征在于，所述處理單元包括將所述工件曲面的位置坐標(biāo)變換成假想平面的位置坐標(biāo)的平滑處理單元。
10如權(quán)利要求8所述的表面形狀測量裝置，其特征在于，所述處理單元包括對所述掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行微分的微分處理單元。
11如權(quán)利要求8所述的表面形狀測量裝置，其特征在于，所述處理單元包括根據(jù)所述工件曲面的位置坐標(biāo)、使所述非接觸式傳感器移動至與特定位置坐標(biāo)對應(yīng)的所述工件曲面的特定對置位置上的位置特定單元。
12如權(quán)利要求8所述的表面形狀測量裝置，其特征在于，所述處理單元包括與所述工件的所述加強材料的層疊位置相對應(yīng)、在所述等高線圖上顯示所述層疊位置的層疊位置顯示單元。
13一種表面形狀測量方法，是一種使非接觸式傳感器對工件曲面掃描來測量所述工件曲面變形的表面形狀測量方法，其特征在于，根據(jù)所述非接觸式傳感器掃描所得的掃描數(shù)據(jù)，測量所述工件曲面的位置坐標(biāo)，根據(jù)此位置坐標(biāo)，生成判斷所述工件曲面變形用的等高線圖。
14如權(quán)利要求13所述的表面形狀測量方法，其特征在于，包括將所述工件曲面的位置坐標(biāo)變換成假想平面的位置坐標(biāo)。
15如權(quán)利要求13所述的表面形狀測量方法，其特征在于，包括對所述掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行微分處理。
16如權(quán)利要求13所述的表面形狀測量方法，其特征在于，包括根據(jù)所述工件曲面的位置坐標(biāo)，使所述非接觸式傳感器移動至與特定位置坐標(biāo)對應(yīng)的所述工件曲面的特定對置位置上。
17如權(quán)利要求13所述的表面形狀測量方法，其特征在于，包括與所述工件的所述加強材料的層疊位置相對應(yīng)，在所述等高線圖上顯示所述層疊位置。
全文摘要
本發(fā)明為了提供一種能準(zhǔn)確地檢測工件曲面的變形的表面形狀測量裝置及表面形狀測量方法，包括與門面板51的彎曲形狀的外表面對置的激光位移計17、使激光位移計17相對門面板51的外表面沿上下方向移動的Z軸伺服電動機24、使激光位移計17沿左右方向移動的X輔伺服電動機22、及使激光位移計17沿激光位移計17和門面板51的外表面的對置方向移動的Y軸伺服電動機26，利用CPU21控制Y軸伺服電動機26，使得激光位移計17和門面板51外表面的對置方向的距離保持一定。
文檔編號G01B11/00GK1677052SQ20051005311
公開日2005年10月5日 申請日期2005年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月31日
發(fā)明者江里口冬樹, 橘克彥, 河原守 申請人:日東電工株式會社