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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-05-11
(45)【発行日】2023-05-19
(54)【発明の名称】クランクシャフトの形状検査方法及び形状検査装置
(51)【国際特許分類】
G01B 11/24 20060101AFI20230512BHJP
【ＦＩ】
G01B11/24 A
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2019233489
(22)【出願日】2019-12-24
(65)【公開番号】P2021103090
(43)【公開日】2021-07-15
【審査請求日】2022-08-03
(73)【特許権者】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001748
【氏名又は名称】弁理士法人まこと国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】伊勢居 良仁
(72)【発明者】
【氏名】酒井 康輔
(72)【発明者】
【氏名】池田 真也
(72)【発明者】
【氏名】臼谷 祐輝
【審査官】仲野 一秀
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１６／１９４７２８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１７／１５９６２６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００７－２１２３５７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０
Ｇ０６Ｔ ７／００－７／９０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光学式の３次元形状測定装置によって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表面の３次元点群データを取得する第１ステップと、前記第１ステップで取得した前記３次元点群データと、前記クランクシャフトの設計仕様に基づき予め用意され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３次元点群データを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２ステップと、
前記第２ステップで前記表面形状モデルに重ね合わせられた前記３次元点群データから、予め決められた加工基準部位の点群データである加工基準部位点群データを抽出し、前記抽出した加工基準部位点群データによって定まる加工基準の座標が、前記クランクシャフトの機械加工時の座標系において予め決められた座標と合致するように、前記３次元点群データを平行移動及び回転移動させる第３ステップと、
前記クランクシャフトの機械加工時の座標系において、予め決められた前記クランクシャフトの加工部位の機械加工後の表面である推定加工面を生成する第４ステップと、
前記第３ステップで移動した後の前記３次元点群データから、前記加工部位の点群データである加工部位点群データを抽出し、前記抽出した加工部位点群データと、前記第４ステップで生成した前記推定加工面との距離を算出し、前記算出した距離に基づき前記クランクシャフトの加工代を判定する第５ステップと、
を含むクランクシャフトの形状検査方法。
【請求項2】
前記第４ステップにおいて、前記加工部位は、前記クランクシャフトの軸部及びピンであり、
前記推定加工面は、円筒である、
請求項１に記載のクランクシャフトの形状検査方法。
【請求項3】
前記第３ステップにおいて、前記加工基準部位は、前記クランクシャフトの２箇所の軸部、１箇所のピン及び隣り合う２箇所のカウンタウェイトであり、
前記加工基準は、前記２箇所の軸部それぞれの中心、前記１箇所のピンの中心及び前記２箇所のカウンタウェイトの対向する側面である、
請求項１又は２に記載のクランクシャフトの形状検査方法。
【請求項4】
前記第３ステップにおいて、前記加工基準部位のうち、前記２箇所の軸部及び前記１箇所のピンについて、加工基準部位点群データとして、前記クランクシャフトを固定するための固定チャックが接触する部位の点群データを抽出する、
請求項３に記載のクランクシャフトの形状検査方法。
【請求項5】
前記第５ステップにおいて、前記加工部位点群データのうち、算出した前記推定加工面との距離が予め決められた最小必要加工代未満である点群データの割合を算出し、前記算出した点群データの割合が所定のしきい値以上の場合、前記クランクシャフトの加工代が不足していると判定する、請求項１から４の何れかに記載のクランクシャフトの形状検査方法。
【請求項6】
請求項１から５の何れかに記載のクランクシャフトの形状検査方法を実行するためのクランクシャフトの形状検査装置であって、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、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しながら前記クランクシャフトに対して光を投受光することで前記クランクシャフトの３次元形状を測定する４つの光学式の３次元形状測定装置と、
前記４つの３次元形状測定装置による測定結果が入力され、所定の演算を実行する演算装置と、を備え、
前記４つの３次元形状測定装置のうち、前記クランクシャフトの回転中心軸周りに隣り合う３次元形状測定装置は、光の投光方向が前記クランクシャフトの回転中心軸に直交する方向に対して互いに逆向きに傾斜しており、
前記演算装置には、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、
前記演算装置は、
前記４つの３次元形状測定装置による測定結果を合成することで、前記クランクシャフト表面の３次元点群データを生成する第１ステップと、
前記第１ステップで生成した前記３次元点群データと、前記記憶された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３次元点群データを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２ステップと、
前記第２ステップで前記表面形状モデルに重ね合わせられた前記３次元点群データから、予め決められた加工基準部位の点群データである加工基準部位点群データを抽出し、前記抽出した加工基準部位点群データから定まる加工基準の座標が、前記クランクシャフトの機械加工時の座標系において予め決められた座標と合致するように、前記３次元点群データを平行移動及び回転移動させる第３ステップと、
前記クランクシャフトの機械加工時の座標系において、予め決められた前記クランクシャフトの加工部位の機械加工後の表面である推定加工面を生成する第４ステップと、
前記第３ステップで移動した後の前記３次元点群データから、前記加工部位の点群データである加工部位点群データを抽出し、前記抽出した加工部位点群データと、前記第４ステップで生成した前記推定加工面との距離を算出し、前記算出した距離に基づき前記クランクシャフトの加工代を判定する第５ステップと、
を実行するクランクシャフトの形状検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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の形状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、クランクシャフトの機械加工時の加工代を判定可能なクランクシャフトの形状検査方法及び形状検査装置に関する。
【背景技術】
【0002】
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、クランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに設けられたフロントＳＡと、回転中心軸Ｌに設けられた複数のジャーナルＳＢ（図１に示す例では、第１ジャーナルＳＢ１～第５ジャーナルＳＢ５）と、回転中心軸Ｌに設けられた回転バランスを取るための複数のカウンタウェイトＳＣ（図１に示す例では、第１カウンタウェイトＳＣ１～第８カウンタウェイトＳＣ８）と、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ＳＤ（図１に示す例では、第１ピンＳＤ１～第４ピンＳＤ４）と、回転中心軸Ｌに設けられたフランジＳＥと、を備えている。ピンＳＤの断面形状は、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、エンジンの軸部に相当するクランクシャフトＳの軸部であるフロントＳＡ、ジャーナルＳＢ及びフランジＳＥ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。カウンタウェイトＳＣの断面形状は、左右対称の複雑な形状である。
図１に示すように、クランクシャフトＳは、クランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに設けられたフロントＳＡと、回転中心軸Ｌに設けられた複数のジャーナルＳＢ（図１に示す例では、第１ジャーナルＳＢ１～第５ジャーナルＳＢ５）と、回転中心軸Ｌに設けられた回転バランスを取るための複数のカウンタウェイトＳＣ（図１に示す例では、第１カウンタウェイトＳＣ１～第８カウンタウェイトＳＣ８）と、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ＳＤ（図１に示す例では、第１ピンＳＤ１～第４ピンＳＤ４）と、回転中心軸Ｌに設けられたフランジＳＥと、を備えている。ピンＳＤの断面形状は、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、エンジンの軸部に相当するクランクシャフトＳの軸部であるフロントＳＡ、ジャーナルＳＢ及びフランジＳＥ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。カウンタウェイトＳＣの断面形状は、左右対称の複雑な形状である。
【0003】
図１に示すようなクランクシャフトＳ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Ｓ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による機械加工が施される。具体的には、クランクシャフトＳの軸部（フロントＳＡ、ジャーナルＳＢ及びフランジＳＥ）と、ピンＳＤは、円柱状に機械加工が施される。これら軸部及びピンＳＤには、機械加工できるように、数ｍｍ程度の加工代が設けられる。
【0004】
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。さらには、クランクシャフトの加工部位である軸部及びピンに十分な加工代を有しないこともある。このため、クランクシャフトの製造工程では、機械加工を施す前に、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。
【0005】
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）カウンタウェイトに許容範囲を超えた欠肉や凹み疵が無いこと、（ｃ）加工部位である軸部やピンに所定の加工代を有していること、が挙げられる。
上記（ａ）及び（ｂ）は、クランクシャフトの最終製品としての寸法精度や重量バランスを達成するために必要な条件として設定されている。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、クランクシャフトの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、欠肉や凹み疵によってカウンタウェイトの形状が設計通りにはならずに重心がずれた場合にも、同様に、クランクシャフトの最終製品としての重量バランスを達成することが困難になるからである。
上記（ｃ）は、機械加工を施すために必要な条件として設定されている。如何に重量バランスの取れたクランクシャフトであっても、十分な加工代が無ければ、機械加工後の寸法精度を達成し難い上に、表面性状の悪い鍛造表面が残存してしまい、エンジンの構成部品として使用することができないからである。
上記（ａ）及び（ｂ）は、クランクシャフトの最終製品としての寸法精度や重量バランスを達成するために必要な条件として設定されている。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、クランクシャフトの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、欠肉や凹み疵によってカウンタウェイトの形状が設計通りにはならずに重心がずれた場合にも、同様に、クランクシャフトの最終製品としての重量バランスを達成することが困難になるからである。
上記（ｃ）は、機械加工を施すために必要な条件として設定されている。如何に重量バランスの取れたクランクシャフトであっても、十分な加工代が無ければ、機械加工後の寸法精度を達成し難い上に、表面性状の悪い鍛造表面が残存してしまい、エンジンの構成部品として使用することができないからである。
【0006】
具体的には、クランクシャフトの曲がりの合否は、クランクシャフトを機械加工時の座標系（図１のＸＹＺ座標系）に合わせ込んだときの軸部（フロント、ジャーナル及びフランジ）の回転中心軸からのずれ量を管理指標とし、この管理指標が公差以内（例えば、±１ｍｍ以内）であるか否かによって合否が判定される。また、クランクシャフトのねじれの合否は、ピンの分割角度を管理指標とし、この管理指標が規定以内（例えば、±１°）であるか否かによって合否が判定される。
また、カウンタウェイトの形状の合否は、図１（ａ）に示すようなクランクシャフトの回転中心軸方向から見たカウンタウェイトの側面寸法（幅、高さ、外周径）を管理指標として判定される。この管理指標は、クランクシャフトの回転バランスを確保するために必要である。また、カウンタウェイトの形状の合否は、図１（ｂ）に示すようなクランクシャフトの回転中心軸に直交する方向から見たカウンタウェイトの長手方向位置も管理指標として判定される。この管理指標は、カウンタウェイトの厚み（回転軸方向に沿った寸法）や倒れを検出するために必要である。上記のカウンタウェイトの形状に関する管理指標には、それぞれ公差が決められている（例えば、±１ｍｍ、±２ｍｍ）。
さらに、軸部の形状の合否については、型鍛造の精度を把握可能な鍛造厚みや鍛造型ずれが、製造工程における管理指標として使用されている。
また、カウンタウェイトの形状の合否は、図１（ａ）に示すようなクランクシャフトの回転中心軸方向から見たカウンタウェイトの側面寸法（幅、高さ、外周径）を管理指標として判定される。この管理指標は、クランクシャフトの回転バランスを確保するために必要である。また、カウンタウェイトの形状の合否は、図１（ｂ）に示すようなクランクシャフトの回転中心軸に直交する方向から見たカウンタウェイトの長手方向位置も管理指標として判定される。この管理指標は、カウンタウェイトの厚み（回転軸方向に沿った寸法）や倒れを検出するために必要である。上記のカウンタウェイトの形状に関する管理指標には、それぞれ公差が決められている（例えば、±１ｍｍ、±２ｍｍ）。
さらに、軸部の形状の合否については、型鍛造の精度を把握可能な鍛造厚みや鍛造型ずれが、製造工程における管理指標として使用されている。
【0007】
従来のクランクシャフトを検査する方法は、ピン及びカウンタウェイト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カウンタウェイトにそれぞれあてがい、各板ゲージとピン及びカウンタウェイト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、ピン及びカウンタウェイト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、特許文献１～６に示すような種々のクランクシャフトの形状検査方法が提案されてきた。
しかしながら、従来の形状検査方法には、クランクシャフトの機械加工時の加工代を判定可能な方法が提案されていない。
しかしながら、従来の形状検査方法には、クランクシャフトの機械加工時の加工代を判定可能な方法が提案されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【文献】特開昭５９－１８４８１４号公報
【文献】特開平６－２６５３３４号公報
【文献】特開平１０－６２１４４号公報
【文献】特開２００７－２１２３５７号公報
【文献】国際公開第２０１６／１９４７２８号
【文献】国際公開第２０１７／１５９６２６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
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、クランクシャフトの機械加工時の加工代を判定可能なクランクシャフトの形状検査方法及び形状検査装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
前記課題を解決するため、本発明は、以下の第１～第５ステップを含むクランクシャフトの形状検査方法を提供する。
（１）第１ステップ：光学式の３次元形状測定装置によって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表面の３次元点群データを取得する。
（２）第２ステップ：前記第１ステップで取得した前記３次元点群データと、前記クランクシャフトの設計仕様に基づき予め用意され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３次元点群データを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。
（３）第３ステップ：前記第２ステップで前記表面形状モデルに重ね合わせられた前記３次元点群データから、予め決められた加工基準部位の点群データである加工基準部位点群データを抽出し、前記抽出した加工基準部位点群データによって定まる加工基準の座標が、前記クランクシャフトの機械加工時の座標系において予め決められた座標と合致するように、前記３次元点群データを平行移動及び回転移動させる。
（４）第４ステップ：前記クランクシャフトの機械加工時の座標系において、予め決められた前記クランクシャフトの加工部位の機械加工後の表面である推定加工面を生成する。
（５）第５ステップ：前記第３ステップで移動した後の前記３次元点群データから、前記加工部位の点群データである加工部位点群データを抽出し、前記抽出した加工部位点群データと、前記第４ステップで生成した前記推定加工面との距離を算出し、前記算出した距離に基づき前記クランクシャフトの加工代を判定する。
（１）第１ステップ：光学式の３次元形状測定装置によって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表面の３次元点群データを取得する。
（２）第２ステップ：前記第１ステップで取得した前記３次元点群データと、前記クランクシャフトの設計仕様に基づき予め用意され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３次元点群データを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。
（３）第３ステップ：前記第２ステップで前記表面形状モデルに重ね合わせられた前記３次元点群データから、予め決められた加工基準部位の点群データである加工基準部位点群データを抽出し、前記抽出した加工基準部位点群データによって定まる加工基準の座標が、前記クランクシャフトの機械加工時の座標系において予め決められた座標と合致するように、前記３次元点群データを平行移動及び回転移動させる。
（４）第４ステップ：前記クランクシャフトの機械加工時の座標系において、予め決められた前記クランクシャフトの加工部位の機械加工後の表面である推定加工面を生成する。
（５）第５ステップ：前記第３ステップで移動した後の前記３次元点群データから、前記加工部位の点群データである加工部位点群データを抽出し、前記抽出した加工部位点群データと、前記第４ステップで生成した前記推定加工面との距離を算出し、前記算出した距離に基づき前記クランクシャフトの加工代を判定する。
【0011】
本発明によれば、第１ステップを実行することにより、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。
次いで、本発明によれば、第２ステップを実行することにより、３次元点群データが、例えば、設計仕様に基づく３次元ＣＡＤデータを変換することにより三角メッシュ等で構成された表面形状モデルに重ね合わせられる。すなわち、３次元点群データと表面形状モデルとの距離が最小となるように、３次元点群データが平行移動及び回転移動する。なお、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なる」とは、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。
次いで、本発明によれば、第３ステップを実行することにより、３次元点群データから、予め決められた加工基準部位（クランクシャフトの２箇所の軸部等）の点群データである加工基準部位点群データが抽出される。加工基準部位点群データの位置は、表面形状モデルから認識可能である一方、第２ステップで３次元点群データが表面形状モデルに重ね合わせられているため、３次元点群データにおける加工基準部位点群データの位置も認識可能である。このため、３次元点群データから加工基準部位点群データを抽出可能である。
そして、第３ステップを実行することにより、抽出した加工基準部位点群データによって定まる加工基準（クランクシャフトの２箇所の軸部それぞれの中心等）の座標が、クランクシャフトの機械加工時の座標系において予め決められた座標と合致するように、３次元点群データが平行移動及び回転移動する。これにより、クランクシャフトの機械加工時の座標系でクランクシャフトの３次元点群データが表される、換言すれば、クランクシャフトの機械加工時の状態を再現することが可能になる。
次いで、本発明によれば、第４ステップを実行することにより、クランクシャフトの機械加工時の座標系において、予め決められたクランクシャフトの加工部位（クランクシャフトの軸部等）の機械加工後の表面である推定加工面（例えば、円筒）が生成される。
最後に、本発明によれば、第５ステップを実行することにより、第３ステップで移動した後の３次元点群データから、加工部位の点群データである加工部位点群データを抽出する。加工部位点群データの位置は、機械加工時の座標系で認識可能である一方、第３ステップを実行することで３次元点群データがクランクシャフトの機械加工時の座標系で表されているため、３次元点群データにおける加工部位点群データの位置も認識可能である。このため、３次元点群データから加工部位点群データを抽出可能である。そして、本発明によれば、第５ステップを実行することにより、抽出した加工部位点群データ（点群データを構成する各データ点）と、第４ステップで生成した推定加工面との距離に基づきクランクシャフトの加工代を判定することが可能である。
次いで、本発明によれば、第２ステップを実行することにより、３次元点群データが、例えば、設計仕様に基づく３次元ＣＡＤデータを変換することにより三角メッシュ等で構成された表面形状モデルに重ね合わせられる。すなわち、３次元点群データと表面形状モデルとの距離が最小となるように、３次元点群データが平行移動及び回転移動する。なお、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なる」とは、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。
次いで、本発明によれば、第３ステップを実行することにより、３次元点群データから、予め決められた加工基準部位（クランクシャフトの２箇所の軸部等）の点群データである加工基準部位点群データが抽出される。加工基準部位点群データの位置は、表面形状モデルから認識可能である一方、第２ステップで３次元点群データが表面形状モデルに重ね合わせられているため、３次元点群データにおける加工基準部位点群データの位置も認識可能である。このため、３次元点群データから加工基準部位点群データを抽出可能である。
そして、第３ステップを実行することにより、抽出した加工基準部位点群データによって定まる加工基準（クランクシャフトの２箇所の軸部それぞれの中心等）の座標が、クランクシャフトの機械加工時の座標系において予め決められた座標と合致するように、３次元点群データが平行移動及び回転移動する。これにより、クランクシャフトの機械加工時の座標系でクランクシャフトの３次元点群データが表される、換言すれば、クランクシャフトの機械加工時の状態を再現することが可能になる。
次いで、本発明によれば、第４ステップを実行することにより、クランクシャフトの機械加工時の座標系において、予め決められたクランクシャフトの加工部位（クランクシャフトの軸部等）の機械加工後の表面である推定加工面（例えば、円筒）が生成される。
最後に、本発明によれば、第５ステップを実行することにより、第３ステップで移動した後の３次元点群データから、加工部位の点群データである加工部位点群データを抽出する。加工部位点群データの位置は、機械加工時の座標系で認識可能である一方、第３ステップを実行することで３次元点群データがクランクシャフトの機械加工時の座標系で表されているため、３次元点群データにおける加工部位点群データの位置も認識可能である。このため、３次元点群データから加工部位点群データを抽出可能である。そして、本発明によれば、第５ステップを実行することにより、抽出した加工部位点群データ（点群データを構成する各データ点）と、第４ステップで生成した推定加工面との距離に基づきクランクシャフトの加工代を判定することが可能である。
【0012】
本発明における前記第４ステップにおいて、前記加工部位は、前記クランクシャフトの軸部（すなわち、フロント、ジャーナル及びフランジ）及びピンであり、前記推定加工面は、円筒であることが好ましい。
【0013】
前記第３ステップにおいては、前記加工基準部位は、前記クランクシャフトの２箇所の軸部、１箇所のピン及び隣り合う２箇所のカウンタウェイトであり、前記加工基準は、前記２箇所の軸部それぞれの中心、前記１箇所のピンの中心及び前記２箇所のカウンタウェイトの対向する側面（クランクシャフトの回転中心軸方向に対向する側面）であることが好ましい。
【0014】
前記第３ステップにおいては、前記加工基準部位のうち、前記２箇所の軸部及び前記１箇所のピンについて、加工基準部位点群データとして、前記クランクシャフトを固定するための固定チャックが接触する部位の点群データを抽出することが好ましい。
【0015】
前記第５ステップにおいては、前記加工部位点群データのうち、算出した前記推定加工面との距離が予め決められた最小必要加工代未満である点群データの割合を算出し、前記算出した点群データの割合が所定のしきい値以上の場合、前記クランクシャフトの加工代が不足していると判定することが好ましい。
【0016】
また、前記課題を解決するため、本発明は、前記何れかに記載のクランクシャフトの形状検査方法を実行するためのクランクシャフトの形状検査装置であって、特許文献６に記載の形状測定装置と同様の３次元形状計測装置を備えるクランクシャフトの形状検査装置としても提供される。
具体的には、前記課題を解決するため、本発明は、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、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しながら前記クランクシャフトに対して光を投受光することで前記クランクシャフトの３次元形状を測定する４つの光学式の３次元形状測定装置と、前記４つの３次元形状測定装置による測定結果が入力され、所定の演算を実行する演算装置と、を備え、前記４つの３次元形状測定装置のうち、前記クランクシャフトの回転中心軸周りに隣り合う３次元形状測定装置は、光の投光方向が前記クランクシャフトの回転中心軸に直交する方向に対して互いに逆向きに傾斜しており、前記演算装置には、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、前記演算装置は、以下の第１～第５ステップを実行するクランクシャフトの形状検査装置を提供する。
（１）第１ステップ：前記４つの３次元形状測定装置による測定結果を合成することで、前記クランクシャフト表面の３次元点群データを生成する。
（２）第２ステップ：前記第１ステップで生成した前記３次元点群データと、前記記憶された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３次元点群データを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。
（３）第３ステップ：前記第２ステップで前記表面形状モデルに重ね合わせられた前記３次元点群データから、予め決められた加工基準部位の点群データである加工基準部位点群データを抽出し、前記抽出した加工基準部位点群データから定まる加工基準の座標が、前記クランクシャフトの機械加工時の座標系において予め決められた座標と合致するように、前記３次元点群データを平行移動及び回転移動させる。
（４）第４ステップ：前記クランクシャフトの機械加工時の座標系において、予め決められた前記クランクシャフトの加工部位の機械加工後の表面である推定加工面を生成する。
（５）第５ステップ：前記第３ステップで移動した後の前記３次元点群データから、前記加工部位の点群データである加工部位点群データを抽出し、前記抽出した加工部位点群データと、前記第４ステップで生成した前記推定加工面との距離を算出し、前記算出した距離に基づき前記クランクシャフトの加工代を判定する。
なお、「逆向きに傾斜」とは、一方がクランクシャフトのフロント側に傾斜しているとすれば、他方はクランクシャフトのフランジ側に傾斜していることを意味する。
具体的には、前記課題を解決するため、本発明は、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、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しながら前記クランクシャフトに対して光を投受光することで前記クランクシャフトの３次元形状を測定する４つの光学式の３次元形状測定装置と、前記４つの３次元形状測定装置による測定結果が入力され、所定の演算を実行する演算装置と、を備え、前記４つの３次元形状測定装置のうち、前記クランクシャフトの回転中心軸周りに隣り合う３次元形状測定装置は、光の投光方向が前記クランクシャフトの回転中心軸に直交する方向に対して互いに逆向きに傾斜しており、前記演算装置には、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、前記演算装置は、以下の第１～第５ステップを実行するクランクシャフトの形状検査装置を提供する。
（１）第１ステップ：前記４つの３次元形状測定装置による測定結果を合成することで、前記クランクシャフト表面の３次元点群データを生成する。
（２）第２ステップ：前記第１ステップで生成した前記３次元点群データと、前記記憶された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３次元点群データを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。
（３）第３ステップ：前記第２ステップで前記表面形状モデルに重ね合わせられた前記３次元点群データから、予め決められた加工基準部位の点群データである加工基準部位点群データを抽出し、前記抽出した加工基準部位点群データから定まる加工基準の座標が、前記クランクシャフトの機械加工時の座標系において予め決められた座標と合致するように、前記３次元点群データを平行移動及び回転移動させる。
（４）第４ステップ：前記クランクシャフトの機械加工時の座標系において、予め決められた前記クランクシャフトの加工部位の機械加工後の表面である推定加工面を生成する。
（５）第５ステップ：前記第３ステップで移動した後の前記３次元点群データから、前記加工部位の点群データである加工部位点群データを抽出し、前記抽出した加工部位点群データと、前記第４ステップで生成した前記推定加工面との距離を算出し、前記算出した距離に基づき前記クランクシャフトの加工代を判定する。
なお、「逆向きに傾斜」とは、一方がクランクシャフトのフロント側に傾斜しているとすれば、他方はクランクシャフトのフランジ側に傾斜していることを意味する。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、クランクシャフトの機械加工時の加工代を判定可能である。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】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】本発明の一実施形態に係るクランクシャフトの形状検査装置の概略構成を示す図である。
【図3】本発明の一実施形態に係るクランクシャフトの形状検査装置の概略構成を示す図である。
【図4】本発明の一実施形態に係るクランクシャフトの形状検査装置の概略構成を示す図である。
【図5】本発明の一実施形態に係るクランクシャフトの形状検査方法の第１ステップで取得される３次元点群データの一例を示す図である。
【図6】本発明の一実施形態に係るクランクシャフトの形状検査方法の第３ステップを説明する説明図である。
【図7】本発明の一実施形態に係るクランクシャフトの形状検査方法の第３ステップを説明する説明図である。
【図8】本発明の一実施形態に係るクランクシャフトの形状検査方法の第３ステップを説明する説明図である。
【図9】本発明の一実施形態に係るクランクシャフトの形状検査方法の第４ステップ及び第５ステップを説明する説明図である。
【図10】本発明の一実施形態に係るクランクシャフトの形状検査方法の第４ステップ及び第５ステップを説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。
【0020】
図２～図４は、本発明の一実施形態に係るクランクシャフトの形状検査装置（以下、単に「形状検査装置」という）の概略構成を示す図である。図２は、クランクシャフトＳの回転中心軸の方向（Ｘ軸方向）から見た正面透視図である。図３（ａ）は、図２の矢符Ａに示す方向から見た側面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の部分的拡大側面図である。図４は、図２の矢符Ｂに示す方向から見た側面図である。なお、図２～図４において、クランクシャフトＳに曲がりやねじれが生じていない場合のクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに平行な方向をＸ軸方向、クランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する水平方向をＹ軸方向、クランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する鉛直方向をＺ軸方向としている。また、図３及び図４では、演算装置２の図示を省略している。
図２～図４に示すように、本実施形態に係る形状検査装置１００は、光学式の３次元形状測定装置１と、演算装置２と、移動機構３と、支持装置４と、を備えている。
図２～図４に示すように、本実施形態に係る形状検査装置１００は、光学式の３次元形状測定装置１と、演算装置２と、移動機構３と、支持装置４と、を備えている。
【0021】
３次元形状測定装置１は、クランクシャフトＳに対して光を投受光することでクランクシャフトＳの３次元形状を測定する装置である。具体的には、本実施形態の３次元形状測定装置１は、クランクシャフトＳに向けてクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する方向に延びる線状のレーザ光を投光する投光手段１１と、クランクシャフトＳの表面で反射した光を受光して撮像する受光手段１２とを具備し、線状のレーザ光の変形を解析する光切断法によってクランクシャフトＳの３次元形状を測定する構成である。ただし、本発明の３次元形状測定装置としては、これに限るものではなく、縞パターンや格子パターンを投影して空間符号化法によってクランクシャフトＳの３次元形状を測定する構成を採用することも可能である。
【0022】
本実施形態の３次元形状測定装置１は、仮にクランクシャフトＳの回転中心軸の方向（Ｘ軸方向）に直交する面に対して角度βだけ傾斜した位置に配置し、クランクシャフトＳまでの距離が４００ｍｍであるときに、クランクシャフトＳの周方向の測定視野が１８０ｍｍである。また、クランクシャフトＳの周方向の測定分解能は０．３ｍｍであり、測定周期が５００ＨｚのときのクランクシャフトＳの径方向の測定分解能は約０．０２ｍｍである。このような３次元形状測定装置１としては、例えば、キーエンス社製の超高速インラインプロファイル測定器「ＬＪ－Ｖ７３００」を用いることができる。後述の移動機構３で３次元形状測定装置１をＸ軸方向に２００ｍｍ／ｓｅｃで移動させた場合、Ｘ軸方向（クランクシャフトＳの軸方向）の測定分解能が０．４ｍｍで、クランクシャフトＳの径方向の測定分解能が０．３ｍｍで、クランクシャフトＳの径方向の測定分解能が０．０２ｍｍであるクランクシャフトＳの３次元形状を測定可能である。
【0023】
本実施形態の形状検査装置１００は、３次元形状測定装置１として、クランクシャフトＳの回転中心軸Ｌ周りに９０°ピッチで配置された４つの３次元形状測定装置１ａ～１ｄを備えている。３次元形状測定装置１ａは、投光手段１１ａ及び受光手段１２ａを具備し、３次元形状測定装置１ｂは、投光手段１１ｂ及び受光手段１２ｂを具備し、３次元形状測定装置１ｃは、投光手段１１ｃ及び受光手段１２ｃを具備し、３次元形状測定装置１ｄは、投光手段１１ｄ及び受光手段１２ｄを具備している。このように４つの３次元形状測定装置１ａ～１ｄを備えることで、クランクシャフトＳを回転中心軸Ｌ周りに回転させなくても、クランクシャフトＳ全体の３次元形状を測定可能である。
【0024】
そして、４つの３次元形状測定装置１ａ～１ｄのうち、クランクシャフトＳの回転中心軸Ｌ周りに隣り合う３次元形状測定装置は、光の投光方向がクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する方向に対して互いに逆向きに傾斜している。
例えば、図３（ｂ）に示すように、３次元形状測定装置１ａの投光手段１１ａからの光の投光方向は、クランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する方向ＬＶ１に対してフランジＳＥ側に角度βだけ傾斜しているのに対して、３次元形状測定装置１ａに隣り合う３次元形状測定装置１ｂの投光手段１１ｂからの光の投光方向は、クランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する方向ＬＶ２に対してフロントＳＡ側に角度βだけ傾斜している。図４を参照すれば分かるように、３次元形状測定装置１ａに隣り合う３次元形状測定装置１ｄの投光手段１１ｄからの光の投光方向は、クランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する方向に対してフロントＳＡ側に傾斜（図示を省略するが角度βだけ傾斜）しており、３次元形状測定装置１ｂ及び１ｄに隣り合う３次元形状測定装置１ｃの投光手段１１ｃからの光の投光方向は、クランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する方向に対してフランジＳＥ側に傾斜（図示を省略するが角度βだけ傾斜）している。
例えば、図３（ｂ）に示すように、３次元形状測定装置１ａの投光手段１１ａからの光の投光方向は、クランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する方向ＬＶ１に対してフランジＳＥ側に角度βだけ傾斜しているのに対して、３次元形状測定装置１ａに隣り合う３次元形状測定装置１ｂの投光手段１１ｂからの光の投光方向は、クランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する方向ＬＶ２に対してフロントＳＡ側に角度βだけ傾斜している。図４を参照すれば分かるように、３次元形状測定装置１ａに隣り合う３次元形状測定装置１ｄの投光手段１１ｄからの光の投光方向は、クランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する方向に対してフロントＳＡ側に傾斜（図示を省略するが角度βだけ傾斜）しており、３次元形状測定装置１ｂ及び１ｄに隣り合う３次元形状測定装置１ｃの投光手段１１ｃからの光の投光方向は、クランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する方向に対してフランジＳＥ側に傾斜（図示を省略するが角度βだけ傾斜）している。
【0025】
本実施形態に係る３次元形状測定装置１のように、光の投光方向をクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する方向に対して傾斜させることで、カウンタウェイトＳＣの側面（クランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する方向の側面）の形状を測定可能である。また、隣り合う３次元形状測定装置１の光の投光方向がクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する方向に対して互いに逆向きに傾斜しているため、カウンタウェイトＳＣの両側面（フロントＳＡ側の側面及びフランジＳＥ側の側面）の形状を測定可能である。角度βが５°の場合、カウンタウェイトＳＣの側面のＹ軸方向の測定ピッチは４．５ｍｍ（＝０．４ｍｍ／ｔａｎ５°）である。
【0026】
演算装置２は、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。具体的には、演算装置２は、４つの３次元形状測定装置１ａ～１ｄによる測定結果を合成することで、クランクシャフトＳ表面全体の３次元点群データを生成（取得）する。そして、後述する各種の演算を実行する。演算装置２は、例えば、上記の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コンピュータから構成される。具体的には、例えば、オープンソース系の「ＰＣＬ（Point Cloud Library）」や、ＭＶＴｅｃ社製「ＨＡＬＣＯＮ」のような公知の点群処理ライブラリをコンピュータに実装することで、演算装置２を構成可能である。上記の点群処理ライブラリは、点群データに加えて、表面データ（円筒、平面、三角メッシュ等で構成されたデータ）を扱うことが可能であり、スムージングや間引き処理等の前処理、座標や距離等に基づく点群データの抽出、座標変換、マッチング処理、フィッティング処理、点群データの寸法測定、立体表面の生成など、点群データや表面データに関する種々の演算を実行可能である。
また、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、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、演算装置２は、この入力されたＣＡＤデータを三角メッシュ等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。
また、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、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、演算装置２は、この入力されたＣＡＤデータを三角メッシュ等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。
【0027】
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Ｘ軸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。本実施形態では、４つの３次元形状測定装置１を独立して移動させるために、３次元形状測定装置１毎に移動機構３が設けられている。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軸方向に移動させる機構とすることも可能である。３次元形状測定装置１がＸ軸方向に相対的に移動しながら、クランクシャフトＳに対して光を投受光することで、クランクシャフトＳ全体の３次元形状を測定可能である。
なお、４つの３次元形状測定装置１ａ～１ｄのＸ軸方向の測定位置が互いに近いと、各３次元形状測定装置１ａ～１ｄから投光される光が互いに干渉して誤測定が発生するおそれがある。このため、例えば、４つの各移動機構３は、各３次元形状測定装置１ａ～１ｄがＸ軸方向に２００ｍｍ程度の間隔を隔てるように、各３次元形状測定装置１ａ～１ｄを移動させる。
なお、４つの３次元形状測定装置１ａ～１ｄのＸ軸方向の測定位置が互いに近いと、各３次元形状測定装置１ａ～１ｄから投光される光が互いに干渉して誤測定が発生するおそれがある。このため、例えば、４つの各移動機構３は、各３次元形状測定装置１ａ～１ｄがＸ軸方向に２００ｍｍ程度の間隔を隔てるように、各３次元形状測定装置１ａ～１ｄを移動させる。
【0028】
支持装置４は、基台４１と、基台４１の両端部からそれぞれＺ軸方向に延在する一対の支持部４２と、を具備する。一方の支持部４２は、クランクシャフトＳのフロントＳＡを支持し、他方の支持部４２は、クランクシャフトＳのフランジＳＥを支持する。支持部４２の上端はＶ字状に形成されており、これにより、クランクシャフトＳは、安定した姿勢で支持される。
【0029】
なお、本実施形態に係る形状検査装置１００が備える３次元形状測定装置１、移動機構３及び支持装置４としては、それぞれ特許文献６に記載の形状検査装置、移動装置及び支持装置と同様の構成を採用可能であるため、ここではこれ以上の詳細な説明は省略する。
【0030】
以下、上記の構成を有する形状検査装置１００を用いたクランクシャフトＳの形状検査方法について説明する。
本実施形態に係る形状検査方法は、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。
本実施形態に係る形状検査方法は、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。
【0031】
＜第１ステップ＞
第１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表面の３次元点群データを取得する。
具体的には、クランクシャフトＳを支持装置４上に配置し、移動機構３で４つの３次元形状測定装置１ａ～１ｄをＸ軸方向にフロントＳＡ側に移動させる。そして、移動機構３で４つの３次元形状測定装置１ａ～１ｄをＸ軸方向にフランジＳＥ側に移動させながらクランクシャフトＳに対して光を投受光することで、クランクシャフトＳの３次元形状を測定する。この際、各３次元形状測定装置１ａ～１ｄから投光される光が互いに干渉して誤測定が発生しないように、例えば、各３次元形状測定装置１ａ～１ｄがＸ軸方向に２００ｍｍ程度の間隔を隔てるように、各３次元形状測定装置１ａ～１ｄを移動させる。例えば、各３次元形状測定装置１ａ～１ｄを２００ｍｍ／ｓで移動させる場合には、１ｓｅｃずつ遅らせて各３次元形状測定装置１ａ～１ｄを移動させる。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、最大７００ｍｍ程度であるので、移動距離を８００ｍｍとしても、８ｓｅｃ以内でクランクシャフトＳの全長に亘る３次元点群データを取得可能である。
第１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表面の３次元点群データを取得する。
具体的には、クランクシャフトＳを支持装置４上に配置し、移動機構３で４つの３次元形状測定装置１ａ～１ｄをＸ軸方向にフロントＳＡ側に移動させる。そして、移動機構３で４つの３次元形状測定装置１ａ～１ｄをＸ軸方向にフランジＳＥ側に移動させながらクランクシャフトＳに対して光を投受光することで、クランクシャフトＳの３次元形状を測定する。この際、各３次元形状測定装置１ａ～１ｄから投光される光が互いに干渉して誤測定が発生しないように、例えば、各３次元形状測定装置１ａ～１ｄがＸ軸方向に２００ｍｍ程度の間隔を隔てるように、各３次元形状測定装置１ａ～１ｄを移動させる。例えば、各３次元形状測定装置１ａ～１ｄを２００ｍｍ／ｓで移動させる場合には、１ｓｅｃずつ遅らせて各３次元形状測定装置１ａ～１ｄを移動させる。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、最大７００ｍｍ程度であるので、移動距離を８００ｍｍとしても、８ｓｅｃ以内でクランクシャフトＳの全長に亘る３次元点群データを取得可能である。
【0032】
上記のようにして取得されたクランクシャフトＳの全長に亘る３次元点群データは、イーサネット（登録商標）等を介して、演算装置２に入力され、記憶される。演算装置２は、４つの３次元形状測定装置１ａ～１ｄによる測定結果を合成することで、クランクシャフトＳ表面全体の３次元点群データを生成（取得）する。
図５は、第１ステップで取得される３次元点群データの一例を示す図である。なお、図５には、４つの３次元形状測定装置１ａ～１ｄによる測定結果を合成するとき等に使用する位置合わせターゲットの３次元点群データも表示されているが、この位置合わせターゲットは特許文献６に記載のものと同様の機能を奏するため、ここでは詳細な説明を省略する。
図５は、第１ステップで取得される３次元点群データの一例を示す図である。なお、図５には、４つの３次元形状測定装置１ａ～１ｄによる測定結果を合成するとき等に使用する位置合わせターゲットの３次元点群データも表示されているが、この位置合わせターゲットは特許文献６に記載のものと同様の機能を奏するため、ここでは詳細な説明を省略する。
【0033】
＜第２ステップ＞
第２ステップでは、演算装置２が、第１ステップで取得した図５に示すような３次元点群データと、クランクシャフトＳの設計仕様に基づき予め用意されたクランクシャフトＳの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、表面形状モデルに重ね合わせる。すなわち、演算装置２は、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、３次元点群データを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。
第２ステップでは、演算装置２が、第１ステップで取得した図５に示すような３次元点群データと、クランクシャフトＳの設計仕様に基づき予め用意されたクランクシャフトＳの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、表面形状モデルに重ね合わせる。すなわち、演算装置２は、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、３次元点群データを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。
【0034】
＜第３ステップ＞
第３ステップでは、演算装置２が、第２ステップで表面形状モデルに重ね合わせられた３次元点群データから、予め決められた加工基準部位の点群データである加工基準部位点群データを抽出し、前記抽出した加工基準部位点群データによって定まる加工基準の座標が、クランクシャフトＳの機械加工時の座標系において予め決められた座標と合致するように、３次元点群データを平行移動及び回転移動させる。
第３ステップでは、演算装置２が、第２ステップで表面形状モデルに重ね合わせられた３次元点群データから、予め決められた加工基準部位の点群データである加工基準部位点群データを抽出し、前記抽出した加工基準部位点群データによって定まる加工基準の座標が、クランクシャフトＳの機械加工時の座標系において予め決められた座標と合致するように、３次元点群データを平行移動及び回転移動させる。
【0035】
図６～図８は、第３ステップを説明する説明図である。図６（ａ）は、クランクシャフトＳに曲がりやねじれが生じていない場合のクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌの方向から見た正面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）に対応するクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する方向から見た側面図である。図７（ａ）は、クランクシャフトＳに曲がりやねじれが生じている場合のクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌの方向から見た正面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に対応するクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する方向から見た側面図である。図８は、クランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する方向から見た３次元点群データの一例を示す図である。
図６～図８に示すように、本実施形態では、加工基準部位は、クランクシャフトＳの２箇所の軸部（具体的には、第１ジャーナルＳＢ１及びフランジＳＥ）、１箇所のピン（具体的には、第１ピンＳＤ１）及び隣り合う２箇所のカウンタウェイト（具体的には、第４カウンタウェイトＳＣ４及び第５カウンタウェイトＳＣ５）に設定されている。また、加工基準は、２箇所の軸部（第１ジャーナルＳＢ１及びフランジＳＥ）それぞれの中心ＰＫ０、ＰＫ１、１箇所のピン（第１ピンＳＤ１）の中心ＰＡ及び２箇所のカウンタウェイト（第４カウンタウェイトＳＣ４及び第５カウンタウェイトＳＣ５）の対向する側面ＰＮ０、ＰＮ１に設定されている。
図６～図８に示すように、本実施形態では、加工基準部位は、クランクシャフトＳの２箇所の軸部（具体的には、第１ジャーナルＳＢ１及びフランジＳＥ）、１箇所のピン（具体的には、第１ピンＳＤ１）及び隣り合う２箇所のカウンタウェイト（具体的には、第４カウンタウェイトＳＣ４及び第５カウンタウェイトＳＣ５）に設定されている。また、加工基準は、２箇所の軸部（第１ジャーナルＳＢ１及びフランジＳＥ）それぞれの中心ＰＫ０、ＰＫ１、１箇所のピン（第１ピンＳＤ１）の中心ＰＡ及び２箇所のカウンタウェイト（第４カウンタウェイトＳＣ４及び第５カウンタウェイトＳＣ５）の対向する側面ＰＮ０、ＰＮ１に設定されている。
【0036】
具体的には、第３ステップにおいて、演算装置２は、加工基準部位であるクランクシャフトＳの２箇所の軸部（第１ジャーナルＳＢ１及びフランジＳＥ）について、加工基準部位点群データとして、クランクシャフトＳを固定するための固定チャック（具体的には、芯出しチャック、図示せず）が接触する部位の点群データＢＫ０、ＢＫ１を抽出する。点群データＢＫ０は、固定チャックの爪が接触する第１ジャーナルＳＢ１の周方向４箇所の点群データであり、その位置は、３次元点群データに重ね合わせられた表面形状モデルから認識可能である。同様に、点群データＢＫ１は、固定チャックの爪が接触するフランジＳＥの周方向４箇所の点群データであり、その位置は、３次元点群データに重ね合わせられた表面形状モデルから認識可能である。実際には、点群データＢＫ０、ＢＫ１の範囲は、表面形状モデルから認識される位置の近傍も含むように、やや大きめに設定される。やや大きめに設定することで、後述のフィッティング処理における円筒の中心の算出精度を向上させることができる。
【0037】
そして、演算装置２は、抽出した４箇所の点群データＢＫ０及び４箇所の点群データＢＫ１に対して、それぞれ円筒をフィッティングさせるフィッティング処理を施し、フィッティングされた円筒の中心を算出して、この算出した中心を加工基準である２箇所の軸部（第１ジャーナルＳＢ１及びフランジＳＥ）それぞれの中心ＰＫ０、ＰＫ１とする。演算装置２は、加工基準ＰＫ０、ＰＫ１の座標が、クランクシャフトＳの機械加工時の座標系（図６～図８のＸＹＺ座標系）において予め決められた座標と合致するように、３次元点群データを平行移動及び回転移動させる。具体的には、クランクシャフトＳの機械加工時の座標系における加工基準ＰＫ０、ＰＫ１の座標をそれぞれＰＫ０（ｘｋ０，ｙｋ０，ｚｋ０）、ＰＫ１（ｘｋ１，ｙｋ１，ｚｋ１）とし、Ｙ軸方向の平行移動量をｙＴとし、Ｙ軸周りの回転角度をｙＲ［ｒａｄ］とし、Ｚ軸方向の平行移動量をｚＴとし、Ｚ軸周りの回転角度をｚＲ［ｒａｄ］とすると、演算装置２は、加工基準ＰＫ０、ＰＫ１がＸ軸上に位置するように、以下の式（１）～（４）に従って、３次元点群データを平行移動及び回転移動させる。
ｙＴ＝（ｘＫ０・ｙＫ１－ｙＫ０・ｘＫ１）／（ｘＫ０－ｘＫ１） ・・・（１）
ｚＴ＝（ｘＫ０・ｚＫ１－ｙＫ０・ｘＫ１）／（ｘＫ０－ｘＫ１） ・・・（２）
ｙＲ＝－１８０／π・ｔａｎ－１（（ｚＫ１－ｚＫ０）／（ｘＫ１－ｘＫ０）） ・・・（３）
ｚＲ＝１８０／π・ｔａｎ－１（（ｙＫ１－ｙＫ０）／（ｘＫ１－ｘＫ０）） ・・・（４）
ｙＴ＝（ｘＫ０・ｙＫ１－ｙＫ０・ｘＫ１）／（ｘＫ０－ｘＫ１） ・・・（１）
ｚＴ＝（ｘＫ０・ｚＫ１－ｙＫ０・ｘＫ１）／（ｘＫ０－ｘＫ１） ・・・（２）
ｙＲ＝－１８０／π・ｔａｎ－１（（ｚＫ１－ｚＫ０）／（ｘＫ１－ｘＫ０）） ・・・（３）
ｚＲ＝１８０／π・ｔａｎ－１（（ｙＫ１－ｙＫ０）／（ｘＫ１－ｘＫ０）） ・・・（４）
【0038】
また、第３ステップにおいて、演算装置２は、加工基準部位であるクランクシャフトＳの１箇所のピン（第１ピンＳＤ１）について、加工基準部位点群データとして、クランクシャフトＳを固定するための固定チャック（具体的には、位相クランプ、図示せず）が接触する部位の点群データＢＡを抽出する。点群データＢＡは、固定チャックの爪が接触する第１ピンＳＤ１の周方向２箇所の点群データであり、その位置は、３次元点群データに重ね合わせられた表面形状モデルから認識可能である。実際には、点群データＢＡの範囲は、表面形状モデルから認識される位置の近傍も含むように、やや大きめに設定される。やや大きめに設定することで、第１ピンＳＤ１の実際の角度や位置がずれることで、固定チャックの実際に接触する位置が設計位置からずれたとしても、精度良く第１ピンＳＤ１の中心を算出することができる。
【0039】
そして、演算装置２は、抽出した２箇所の点群データＢＡの最大のＺ軸座標と最小のＺ軸座標との中間座標ｚＡを算出して、加工基準である１箇所のピン（第１ピンＳＤ１）の中心ＰＡ（ｘＡ，ｙＡ，ｚＡ）を求める。ここで、ｘＡ，ｙＡは、それぞれ、設計仕様で決められた第１ピンＳＤ１の形状において、Ｘ軸方向の中心となるＸ軸座標と、Ｙ軸方向の中心となるＹ軸座標である。演算装置２は、加工基準ＰＡの座標が、クランクシャフトＳの機械加工時の座標系（図６～図８のＸＹＺ座標系）において予め決められた座標と合致するように、３次元点群データを回転移動させる。具体的には、クランクシャフトＳの機械加工時の座標系における加工基準ＰＡの座標をＰＡ（ｘＡ，ｙＡ，ｚＡ）とし、Ｘ軸周りの回転角度をｘＲ［ｒａｄ］とすると、演算装置２は、加工基準ＰＡがＸＹ平面内に位置するように、以下の式（５）に従って、３次元点群データを回転移動させる。
ｘＲ＝１８０／π・ｔａｎ－１（ｚＡ／ｙＡ） ・・・（５）
ｘＲ＝１８０／π・ｔａｎ－１（ｚＡ／ｙＡ） ・・・（５）
【0040】
さらに、第３ステップにおいて、演算装置２は、加工基準部位であるクランクシャフトＳの隣り合う２箇所のカウンタウェイト（第４カウンタウェイトＳＣ４及び第５カウンタウェイトＳＣ５）について、加工基準部位点群データとして、対向する側面の２箇所の点群データＢＮ０、ＢＮ１を抽出する。点群データＢＮ０、ＢＮ１の位置は、３次元点群データに重ね合わせられた表面形状モデルから認識可能である。実際には、点群データＢＮ０、ＢＮ１の範囲は、表面形状モデルから認識される位置の近傍も含むように、やや大きめに設定される。やや大きめに設定することで、カウンタウェイトＳＣの長手方向位置がずれたとしても、この設定した範囲に入っていれば、長手方向位置を算出可能である。
【0041】
そして、演算装置２は、抽出した２箇所の点群データＢＮ０、ＢＮ１のそれぞれについてＸ軸座標の平均値を算出して、この算出したＸ軸座標を有する点を加工基準である２箇所のカウンタウェイトの対向する側面ＰＮ０、ＰＮ１とする。演算装置２は、加工基準ＰＮ０、ＰＮ１の座標が、クランクシャフトＳの機械加工時の座標系（図６～図８のＸＹＺ座標系）において予め決められた座標と合致するように、３次元点群データを平行移動させる。具体的には、クランクシャフトＳの機械加工時の座標系における加工基準ＰＮ０、ＰＮ１のＸ軸座標をそれぞれｘＮ０，ｘＮ１とし、Ｘ軸方向の平行移動量をｘＴとすると、演算装置２は、加工基準ＰＮ０、ＰＮ１がＹＺ平面内に位置するように、以下の式（６）に従って、３次元点群データを平行移動させる。
ｘＴ＝－（ｘＮ０＋ｘＮ１）／２ ・・・（６）
ｘＴ＝－（ｘＮ０＋ｘＮ１）／２ ・・・（６）
【0042】
図６に示すように、クランクシャフトＳに曲がりやねじれが生じていない場合には、第３ステップを実行しても、３次元点群データは平行移動及び回転移動しない、又は移動量はわずかである。これに対して、図７に示すように、クランクシャフトＳに曲がりやねじれが生じている場合には、第３ステップを実行することで、図７（ａ）のＹ軸近傍に示す破線（Ｘ軸方向から見て加工基準ＰＫ０、ＰＡを通る直線）がＹ軸に合致し、図７（ｂ）のＸ軸近傍に示す破線（Ｚ軸方向から見て加工基準ＰＫ０、ＰＫ１を通るクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌ）がＸ軸に合致するように、３次元点群データが平行移動及び回転移動することになる。
以上に説明した第３ステップを実行することで、クランクシャフトＳの機械加工時の座標系でクランクシャフトＳの３次元点群データが表される、換言すれば、クランクシャフトＳの機械加工時の状態を再現することが可能になる。
以上に説明した第３ステップを実行することで、クランクシャフトＳの機械加工時の座標系でクランクシャフトＳの３次元点群データが表される、換言すれば、クランクシャフトＳの機械加工時の状態を再現することが可能になる。
【0043】
＜第４ステップ＞
図９及び図１０は、第４ステップ及び第５ステップを説明する説明図である。図９は、図６に示すクランクシャフトＳに対応する図である。すなわち、図９（ａ）は、クランクシャフトＳに曲がりやねじれが生じていない場合のクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌの方向から見た正面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）に対応するクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する方向から見た側面図である。図１０は、図７に示すクランクシャフトＳに対応する図である。すなわち、図１０（ａ）は、クランクシャフトＳに曲がりやねじれが生じている場合のクランクシャフト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）に対応するクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する方向から見た側面図である。
第４ステップでは、演算装置２が、クランクシャフトＳの機械加工時の座標系（図９及び図１０のＸＹＺ座標系）において、予め決められたクランクシャフトＳの加工部位の機械加工後の表面である推定加工面を生成する。本実施形態では、加工部位として、クランクシャフトＳの軸部であるフロントＳＡ、ジャーナルＳＢ及びフランジＳＥと、クランクシャフトＳのピンＳＤが設定されている。また、推定加工面として円筒が設定されている。図９（ｂ）及び図１０（ｂ）において、推定加工面は破線で示している。
図９及び図１０は、第４ステップ及び第５ステップを説明する説明図である。図９は、図６に示すクランクシャフトＳに対応する図である。すなわち、図９（ａ）は、クランクシャフトＳに曲がりやねじれが生じていない場合のクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌの方向から見た正面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）に対応するクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する方向から見た側面図である。図１０は、図７に示すクランクシャフトＳに対応する図である。すなわち、図１０（ａ）は、クランクシャフトＳに曲がりやねじれが生じている場合のクランクシャフト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）に対応するクランクシャフトＳの回転中心軸Ｌに直交する方向から見た側面図である。
第４ステップでは、演算装置２が、クランクシャフトＳの機械加工時の座標系（図９及び図１０のＸＹＺ座標系）において、予め決められたクランクシャフトＳの加工部位の機械加工後の表面である推定加工面を生成する。本実施形態では、加工部位として、クランクシャフトＳの軸部であるフロントＳＡ、ジャーナルＳＢ及びフランジＳＥと、クランクシャフトＳのピンＳＤが設定されている。また、推定加工面として円筒が設定されている。図９（ｂ）及び図１０（ｂ）において、推定加工面は破線で示している。
【0044】
＜第５ステップ＞
第５ステップでは、演算装置２が、第３ステップで移動した後の３次元点群データ（図９及び図１０において灰色で塗りつぶした領域）から、加工部位（フロントＳＡ、ジャーナルＳＢ、フランジＳＥ及びピンＳＤ）の点群データである加工部位点群データを抽出する。加工部位点群データの位置は、機械加工時の座標系で認識可能である一方、第３ステップを実行することで３次元点群データがクランクシャフトＳの機械加工時の座標系で表されているため、３次元点群データにおける加工部位点群データの位置も認識可能である。
第５ステップでは、演算装置２が、第３ステップで移動した後の３次元点群データ（図９及び図１０において灰色で塗りつぶした領域）から、加工部位（フロントＳＡ、ジャーナルＳＢ、フランジＳＥ及びピンＳＤ）の点群データである加工部位点群データを抽出する。加工部位点群データの位置は、機械加工時の座標系で認識可能である一方、第３ステップを実行することで３次元点群データがクランクシャフトＳの機械加工時の座標系で表されているため、３次元点群データにおける加工部位点群データの位置も認識可能である。
【0045】
次いで、第５ステップでは、演算装置２が、抽出した加工部位点群データと、第４ステップで生成した推定加工面（円筒）との距離を算出し、算出した距離に基づきクランクシャフトＳの加工代を判定する。例えば、２ｍｍの加工代を有するように設計されている場合、最小必要加工代を０．８ｍｍにして、算出した距離のうち、この最小必要加工代未満の距離が存在する場合には、クランクシャフトＳの加工代が不足していると判定することが考えられる。図１０に示す例では、フロントＳＡの加工部位点群データと、破線で示すフロントＳＡの推定加工面との距離が小さいため、加工代不足と判定されることになる。
また、加工部位点群データのうち、算出した推定加工面との距離が最小必要加工代未満である点群データの割合を算出し、算出した点群データの割合が所定のしきい値以上の場合、クランクシャフトＳの加工代が不足していると判定してもよい。
下記の表１は、図９及び図１０に示すクランクシャフトＳについて、上記の割合を算出した結果の一例を示す。図９に示す良品のクランクシャフトＳの場合には、算出した推定加工面との距離Ｄが最小必要加工代０．８ｍｍ未満である点群データの割合が０．００％であるのに対し、図１０に示す不良品のクランクシャフトＳの場合には、算出した推定加工面との距離Ｄが最小必要加工代０．８ｍｍ未満である点群データの割合が１．０９％（＝０．６９％＋０．４０％）となる。したがい、例えば、しきい値を１％に設定すると、図９に示す良品のクランクシャフトＳの場合には、加工代が不足しておらず、図１０に示す不良品のクランクシャフトＳの場合には、加工代が不足していると判定されることになる。
また、加工部位点群データのうち、算出した推定加工面との距離が最小必要加工代未満である点群データの割合を算出し、算出した点群データの割合が所定のしきい値以上の場合、クランクシャフトＳの加工代が不足していると判定してもよい。
下記の表１は、図９及び図１０に示すクランクシャフトＳについて、上記の割合を算出した結果の一例を示す。図９に示す良品のクランクシャフトＳの場合には、算出した推定加工面との距離Ｄが最小必要加工代０．８ｍｍ未満である点群データの割合が０．００％であるのに対し、図１０に示す不良品のクランクシャフトＳの場合には、算出した推定加工面との距離Ｄが最小必要加工代０．８ｍｍ未満である点群データの割合が１．０９％（＝０．６９％＋０．４０％）となる。したがい、例えば、しきい値を１％に設定すると、図９に示す良品のクランクシャフトＳの場合には、加工代が不足しておらず、図１０に示す不良品のクランクシャフトＳの場合には、加工代が不足していると判定されることになる。
【表1】
【0046】
本実施形態の演算装置２はモニタを具備し、このモニタに第５ステップで抽出した加工部位点群データと算出した距離とが表示される。
図１１は、演算装置２が具備するモニタの表示例を示す図である。図１１では、実際には、算出した距離の大小に応じて、加工部位点群データがカラーで色分け表示されており、フロントＳＡの加工部位点群データの一部が、距離が最小必要加工代０．８ｍｍ未満であることを示す赤色で表示されている。このような表示をオペレータが視認するだけで、加工代が不足しているか否かを容易に確認可能である。
図１１は、演算装置２が具備するモニタの表示例を示す図である。図１１では、実際には、算出した距離の大小に応じて、加工部位点群データがカラーで色分け表示されており、フロントＳＡの加工部位点群データの一部が、距離が最小必要加工代０．８ｍｍ未満であることを示す赤色で表示されている。このような表示をオペレータが視認するだけで、加工代が不足しているか否かを容易に確認可能である。
【0047】
なお、本実施形態の第５ステップのように、抽出した加工部位点群データ（点群データを構成する各データ点）と、推定加工面（円筒）との距離を算出する構成によれば、例えば、抽出した加工部位点群データに円筒をフィッティングし、このフィッティングされた円筒と推定加工面との距離を算出する構成に比べて、クランクシャフトＳの加工代を精度良く判定することができる。すなわち、図９や図１０から分かるように、加工部位（例えば、ピン）の外縁は完全な円筒ではなく、凹状等に湾曲している場合があるため、加工部位点群データにフィッティングされた円筒と推定加工面との距離を算出する構成では、湾曲した加工部位の形状が精度良く加工代に反映されない。これに対し、本実施形態では、点群データを構成する各データ点と推定加工面との距離を算出するため、湾曲した加工部位の形状が精度良く加工代に反映されることになる。
【符号の説明】
【0048】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ・・・３次元形状測定装置
２・・・演算装置
３・・・移動機構
４・・・支持装置
１００・・・形状検査装置
Ｓ・・・クランクシャフト
２・・・演算装置
３・・・移動機構
４・・・支持装置
１００・・・形状検査装置
Ｓ・・・クランクシャフト
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
