部件的制造方法和使用它的制造装置、体积测定方法与流程

技术领域

本发明涉及部件的制造方法和使用它的制造装置、体积测定方法。

背景技术：

专利文献1中记载了一种体积测定装置，其对被测定物照射直线状的狭缝光并从在与上述狭缝光的长度方向垂直的方向上离开规定距离的位置拍摄上述被测定物的光截面并计算上述被测定物的截面积，使上述狭缝光在与其长度方向垂直的方向上相对移动，对从上述光截面得到的截面积进行累计而测定上述被测定物的体积，构成为具有在供给测定开始信号之后发生主时钟的主时钟发生器，基于上述主时钟进行上述狭缝光的相对移动，并且基于上述主时钟进行计算上述截面积用的光截面的导入。

专利文献2中记载了一种非接触体积测定装置，由使测定装置测定物在规定方向移动规定距离的移动台；对上述测定物照射狭缝光的狭缝光源；拍摄从该狭缝光源输出的狭缝光照射到被测定物时的狭缝图像的相机；具有根据从上述相机得到的狭缝图像进行图像处理得到三维数据并运算每个狭缝图像的体积，对其积分而求出总体积的功能的图像处理单元构成非接触体积测定装置。

现有技术文献

专利方法

专利文献1：日本特开平7-208945

专利文献1：日本特开平4-301707

技术实现要素：

发明要解决的课题

应用了如专利文献1、2所述的形状计测的体积测定手段中，仅从单一方向使用了一般称为光切法的方法，面的倾斜相对于入射光线较陡的情况下，精度下降而不能得到要求的结果。因此，难以用使用了这样的体积测定手段的制造方法制造高精度的产品。于是，本发明目的在于提供一种高精度的部件的制造方法等。

用于解决课题的技术方案

为了解决上述课题，本发明的制造方法包括对部件进行加工的加工步骤、采用光学方式对在加工步骤中输出的部件的体积进行测定计算的检查步骤、对检查步骤中得到的部件的体积值与预先设定的基准值进行比较来判断部件的质量的评价步骤、根据评价步骤的评价结果对部件进行分选并将其分路的分路步骤、和输送在分路步骤中分路后的部件的输送步骤。

发明效果

根据本发明，能够制造高精度的产品，提高产品的质量管理水准。

本发明的其他目的、特征和优点将根据与附图相关的以下本发明的实施例的记载说明。

附图说明

图1是本发明的实施例1的非接触体积计测装置的结构图。

图2是表示本发明的实施例1的非接触体积计测装置的扫描轨迹的示意图。

图3是表示本发明的实施例1的非接触体积计测装置的计测流程的流程图。

图4是表示本发明的实施例1的计测面与距离传感器的激光入射方向的示意图。

图5是表示本发明的实施例1的距离传感器的计测误差的面倾角依赖性的示意图。

图6是表示本发明的实施例1的φl＝θl＝0时的可计测范围的示意图。

图7是表示本发明的实施例1的3个距离传感器的最佳值、各自的可计测范围的示意图。

图8是表示本发明的实施例1的3个距离传感器的计测范围的综合结果的示意图。

图9是表示本发明的实施例1的3个距离传感器的照射位置的示意图。

图10是表示本发明的实施例1的形状计测部的处理流程的流程图。

图11是本发明的实施例1的形状数据计算时的数据流图。

图12是本发明的实施例1的形状数据计算的概要图。

图13是本发明的实施例1的校准用的基准试样的示意图。

图14是表示本发明的实施例1的体积计算部分的示意图。

图15是表示本发明的实施例1的高度基准的示意图。

图16是表示本发明的实施例1的基于形状比较的是否合格判断流程的流程图。

图17是表示本发明的实施例1的3个距离传感器的照射位置和偏振片的配置的图。

图18是本发明的实施例2的非接触体积计测装置的结构图。

图19是表示本发明的实施例3的活塞制造装置和制造方法的图。

图20是表示本发明的实施例3的活塞制造装置和制造方法的流程图。

具体实施方式

实施例1

用图1～图17说明本发明的实施例1。

在图1中示出本实施例的活塞体积检查装置的结构图。是对于试样100的顶面的计测面101的形状用3台使用了激光的非接触式的距离传感器110a～110c进行计测的结构，用旋转台120使试样旋转，同时用x轴台130a、130b使距离传感器110a～110c在x轴方向扫描，从而对计测面101螺旋状地整面计测。距离传感器可以考虑使用基于三角测量的光切方式传感器、利用光的相位差的TOF(Time of Flight：飞行时间)方式、FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave：高频连续波)方式、光梳方式、利用光的干涉的OCT(Optical Coherence Tomography：光学相干断层成像术)、应用锥光全息的方法等各种传感器。x轴台由x轴台主轴130a和x轴台从轴130b构成，采用这2个轴同步地同时移动的结构，从而能够使搭载了距离传感器110a～110c的板131稳定地移动。此处，距离传感器110a～110c成为能够对计测面的任意形状高精度地进行计测的适当的配置。关于传感器配置的优化在后文中叙述。

在图2中示意性地示出通过移动X轴而使距离传感器110a～110c的测定位置从计测面101的中心向着外周部扫描的情况下的计测点的轨迹105。另外，搭载了从外周夹紧固定试样100的缸机构121、调整距离传感器110a～110c与试样100的高度的z轴台、计测试样100与旋转台120的中心位置关系的侧面用距离传感器140。

试样100是接近圆柱形的形状的情况下，使旋转台120旋转，同时用侧面用距离传感器140连续地计测距离，通过计测其距离变动，在旋转台120旋转一周时距离以正弦方式变动。试样中心与旋转台120的旋转中心的偏离量能够根据该正弦波的振幅计算，偏离方向能够根据相位计算，在计测前能够得知试样中心与旋转台120的旋转中心的位置关系。

另外，试样接近圆筒状的情况下，通过根据该计测结果事先使试样中心与旋转中心对齐，可以得到减少因旋转而在装置整体中发生的振动的效果。z轴台也与x轴台同样地采用使z轴台主轴150a和z轴台从轴150b这2个轴同步而同时移动的结构。为了使来自距离传感器110a～110c的激光到达计测面101而在板131上开孔。旋转台120、x轴台130a、130b、z轴台150a、150b被台驱动器160驱动，用控制部170进行旋转台120和x轴台130a、130b和距离传感器110a～110c、侧面用距离传感器140的同步检测。对于计测结果，用信号处理部180自动进行试样100的合格与否判断。另外，信号处理部180由形状计算部181、体积计算部182、体积合格与否判断部183构成。

本实施例中，通过使台旋转并在X轴方向移动而描绘出如图2所示的轨迹，但不限于使台移动的方法，例如也可以通过使距离传感器旋转并在X轴方向移动而实现。另外，在旋转与X轴方向移动的组合以外，也能够采用Y轴方向移动代替旋转，用X轴方向移动与Y轴方向移动的组合对整个测定面进行扫描。

在图3中示出检查流程。将试样载置在旋转台上(S100)，用缸机构121夹紧固定S100中载置的试样(S101)。为了将非接触的距离传感器与计测面的距离限制在距离传感器110a～110c的工作距离以内而用z台调整高度(S102)。试样的高度信息已知的情况下，能够自动地计算适当的z轴台的位置。接着，使旋转台和x轴台扫描，同时用距离传感器对计测面进行计测，根据台坐标计测位置数据，用距离传感器计测距离数据(S103)。根据S103中计测得到的旋转台和x轴台和z轴台的位置数据和用各距离传感器计测得到的距离数据，计算分布在三维坐标系中的计测点群，根据3个距离传感器的计测点群计算计测面的形状(S104)。根据S104中计算出的形状，使用另外赋予的高度基准值计算计测面的体积(S105)，对计算出的体积与根据设计数据计算出的体积、或者使用合格品试样用S100～S105的流程同样计算出的体积进行比较，进行将在预先设定的阈值以下的试样判断为合格品、将阈值以上的判断为不合格品的是否合格判断(S106)。

(距离传感器配置优化)

在图4中示出表示计测面与距离传感器的激光入射方向的示意图。图1所示的距离传感器110a～110c需要适当配置为能够对计测面101的任意形状进行计测。此处，非接触的利用激光的距离传感器的计测精度，较大依赖于计测面的倾斜。如图4所示，用θs、φs表示计测面的法线矢量102的方向，用θl、φl表示距离传感器的入射激光方向矢量112的方向。另外，设计测得到的距离为l。设计测面101的法线矢量102与距离传感器的入射激光方向矢量112所成的角的绝对值为α，在图5中示出距离传感器的计测误差的α依赖性的一例。一般而言，计测误差存在随着α增大而增大的倾向。从而，通过事先取得图5所示的误差的α依赖性作为基础数据，设定计测允许的误差最大值，能够决定作为决定装置结构的判断材料的α最大值。

此处，考虑距离传感器的设定条件的优化。设想计测面的方向θs、φs包括0<θs<90、0<φs<360的所有面方向的情况。α<αth是可计测范围。在图6中示出使距离传感器的入射方向为θl＝0、φl＝0时对于计测面的方向能否计测。斜线部分是可计测区域200，将可计测区域的面积相对于0<θs<90、0<φs<360的全部区域的面积的比率作为覆盖率γ时，γ＝αth/90。将多个距离传感器的设定位置组合，寻找γ＝1的条件。将此时的距离传感器的设定位置作为优化条件。用Ai表示θl＝θ1i、φl＝φli时的可计测区域时，覆盖率γ能够如下表达：

此处N表示组合数量。寻找在尽量小的N下实现γ＝1的条件。例如，设想αth＝70°，求最佳条件时，计算出θl1＝θl2＝θl3＝45°，|φl1-φl2|＝|φl2-φl3|＝|φl3-φl1|＝120°或者240°。

在图7中示出φl1＝0时的各条件，在图8中示出将3个条件合并得到的区域。通过进行这样的优化，能够导出用最少的计测次数应对所有形状的计测装置的结构。图1的装置结构中，为了提高吞吐率而同时计测3个检测条件，所以搭载了3个传感器。用1个距离传感器进行3次计测也能够实现γ＝1。

此处，说明同时使用3个距离传感器的情况下的装置结构。利用激光的距离传感器中，对测定试样照射从距离传感器发出的激光，接收来自计测面的反射、散射光，根据其相位和强度信息计测距离。从而，使用多个距离传感器的情况下，对于因某个距离传感器的入射激光113a～113c而发生的来自计测面的反射、散射光，用其他距离传感器接收时，存在距离计测精度降低的可能性。该计测精度降低能够通过改进装置结构以使各距离传感器的受光面中不会有其他距离传感器的激光进入而解决。在图9中示出其一例。设想上述3个距离传感器的装置结构，对试样照射来自各距离传感器的激光。此处，设各距离传感器的受光面与入射激光位于同一轴上。设计测面的计测部位上的z轴的最低点为Za。另外，设来自3个距离传感器的激光的交点的z轴坐标为Zb。要使距离传感器在试样面上的光斑相距d时，设定为：

d＝(Z_a-Z_b)tan^-1θ (数式2)

此处，θ表示距离传感器对于z轴的倾角，本例中在3个距离传感器中都是45°。本次考虑激光在z比计测面小的位置交叉，但z比计测面大的情况下也能够同样考虑而使计测面上的激光光斑离开。如上所述，通过使各距离传感器的激光光斑离开一定以上的距离而不重合，能够不使形状计测精度降低地同时使用多个距离传感器。考虑使用的距离传感器、和计测对象的面状态适当地决定光斑间的距离d。例如，在较多发生散射光的情况下d需要设定为较大。

另外，作为进一步减少来自其他激光的噪声影响的方案，在图17中示出在距离传感器前配置了偏振片114a、114b的装置结构。偏振片114a设定在使距离传感器的入射激光113a透射的方位。来自试样的反射、散射光也保持同样的偏振状态，所以透过偏振片114a而被检测，对距离进行计测。同样地，偏振片114b的方位也与入射激光113b相应地设定。此处，入射激光113a和113b入射方向不同，所以入射激光113a引起的反射、散射光被偏振片114b减少，同样地，入射激光113b引起的反射、散射光被偏振片114a减少。这样，能够用偏振片减少其他距离传感器引发的激光，从而能够抑制精度降低。

(信号处理部)

对于距离传感器得到的距离计测结果，用信号处理部实施各种处理，最终自动地进行试样的合格与否判断。此处，信号处理部由根据台位置信息和用距离传感器计测得到的资料和距离传感器之间的距离信息计算形状的形状计算部、使用形状计算部计算出的形状和任意设定的高度基准计算活塞冠面上的体积的体积计算部、进行用体积计算部计算出的体积的合格与否判断的合格与否判断部构成。以下对于各部进行详细说明。

(形状计算部)

在图10中示出形状计算部的流程，在图11中示出形状数据计算时的数据流图。如图11所示，根据来自各距离传感器的距离数据301、x轴台和θ台的坐标数据302、以及表示距离传感器与台的位置关系的校准数据303，将各计测点变换至xyz坐标系，计算形状数据(点群)310(S201a～S201c)。对于S201a～S201c中计算出的各形状数据，用统计处理除去离群值等噪声成分(S202a～S202c)。对于S202a～S202c中除去噪声后的形状数据，除去距离传感器的激光入射方向与计测面的方向所成的角α在阈值以上的设想为精度低的点(S203a～S203c)。

在图12中示出形状计算部中的处理的概念图。此处为了简单而二维地表达点群。相对于用实线表示的计测面101，用点表示计测点。首先，推测计测点各自的法线方向。以关注的计测点为中心，在三维空间内设定区域，根据该区域中包括的多个点的统计分布推测法线。法线推测使用主成分分析(PRINCIPAL COMPONENT ANALYSIS，PCA)。首先，计算设定的区域内的计测点的集合的重心，根据重心与各点的差，生成协方差矩阵。该协方差矩阵是3×3矩阵，具有3个特征值。冠面计测的情况下，计测点形成平面，3个特征值中1个特征值是相对于其他2个特征值较小的值。此处，较小特征值的方向表示区域内的计测点集合的法线方向。将该法线方向作为关注的计测点的法线矢量102。此时，区域设定可以设定为点的数量固定，也可以是预先决定的形状、体积的区域。假设距离传感器的入射激光方向已知时，使用通过上述主成分分析求出的各点的面方向，能够得到除去了不合格点的形状数据。对于表示S203a～S203c中计算出的各形状数据的点群，使用ICP等进行位置对齐并综合而取得综合形状数据(S204)，S204中计算出的综合形状数据存在密度因部位而有较大不同的情况。特别是平坦部在哪一个距离传感器中都存在计测值，所以存在与倾斜部相比密度更高的倾向。点群密度必要以上地高的部位，在之后的处理中会耗费时间，所以实施低密度化的处理，使各部位的点群密度均衡化(S205)，得到最终的高精度形状数据。

此处，对表示距离传感器与台的位置关系的校准数据303的取得方法进行说明。用如图13所示的基准平面(平面有一定倾斜)401、基准高度402已知的基准试样进行计测，对距离传感器与台的位置关系进行修正。具体而言，对各距离传感器计算使计测值成为基准试样的设计值的距离传感器的校准数据θl、φl、l。

(体积计算部)

参考图14说明体积计算部。对于由形状计算部得到的高精度形状数据与任意的高度基准312构成的区域的体积313进行计算，作为试样顶面的体积。此时，对于高度基准312，在试样100是图15所示的活塞的情况下，存在将距离活塞销孔的中心位置起一定高度作为高度基准312a、或者将冠面上的一部分作为高度基准312b的方法。在冠面上使用高度基准312b的情况下，预先在制造时加工出高度基准312b则能够进行更高精度的体积检查。

(合格与否判断部)

在合格与否判断部中，判断体积计算部中计算出的体积的合格与否。例如，对于设计值、或者用合格品求出的体积，设定阈值，将阈值以上作为不合格品，阈值以下作为合格品。另外，根据合格与否判断的倾向，在不良值持续的情况下，也能够对制造工艺进行反馈。试样是铸造品的情况下，关系到模具的磨耗、缺损的早期发现。进而，通过对形状计算部计算出的高精度形状数据与设计形状或合格品形状进行比较，能够更高精度地正确地确定模具的磨耗、缺损的量、部位。

在图16中示出合格与否判断部的处理流程。S401～S404是与图3所示的S101～S104同样的处理。对S404中计算出的形状数据与设计形状(CAD：Computer Aided Design：计算机辅助设计)、合格品形状进行比较，对其差异设定阈值，进行是否合格判断。例如，有各点的偏差量的标准差、最大偏差量、平均偏差量、对重要部位加权计算出的偏差量等指标。

实施例2

用图18说明本发明的实施例2。表示实施例1的图1中搭载了3个距离传感器，但表示本实施例的图18中是2个。实施例1中x轴台130的扫描距离是从试样中心到外周部。该情况下，为了对计测面101的任意形状高精度地计测需要3个距离传感器的组合。实施例2中，使x轴台130的扫描距离是通过试样中心的从外周至外周的相当于试样直径的量的扫描，从而能够用2个距离传感器对计测面101的任意形状进行计测。

该情况下，与实施例1同样地进行传感器配置的优化时，可以导出θl1＝θl2＝45°，|φl1-φl2|＝90°。

实施例2中传感器数量是2个，所以与实施例1相比装置结构更简单，可以实现成本降低。另一方面，计测时间加倍，所以在进行高速检查的情况下优选使用实施例1的结构。另外，使距离传感器为2个的情况下的处理传感器的配置不限定于图18，也能够配置在任意位置。

实施例3

用图19、20说明本发明的实施例3。图19示出了用配置在活塞制造线中的体积检查部对加工后的活塞进行检查的工序。由对活塞1进行加工的活塞加工部500、输送加工后的活塞1的输送部510、检查活塞的体积的体积检查部520、显示体积检查部得到的合格与否判断结果的显示部530、与合格与否判断结构相应地分路为合格品活塞1a和不合格品活塞1b的输送通路的分路部540、输送检查合格的合格品活塞1a的合格品线510a、输送检查不合格的不合格品活塞1b的不合格品线510b构成。

参考图20的检查流程图说明各部位的详情。用由铸造工序501和机械加工工序502构成的活塞加工部500加工活塞1，附加活塞种类和制造编号等可识别的编号并用刻印等将该信息标记在活塞1上(S500)，S500中加工的活塞1被输送部510输送至体积检查部520(S501)。对于S501中输送的活塞1，用信息读取部521读取活塞1的种类、制造编号等(S502)，接着，用3个距离传感器110a、110b、110c和旋转/平移台部155进行距离计测，基于其计测数据用信号处理部180计算体积(S503)。另外，用信号处理部180计测计算出的计测体积与基准体积的差(S504)，通过阈值判断进行合格与否判断(S504)，在显示部530上显示其结果和信息读取部521读取的信息。体积检查部520的装置结构、体积计算方法、合格与否判断方法与实施例1相同，所以省略详述。在显示部530上，显示活塞1的种类531、制造编号532、基准体积值533、计测体积值534、基准体积值与计测体积值的差和合格与否判断结果535。对于用信号处理部180进行合格与否判断后的活塞1，用分路部540分路为合格品活塞1a和不合格品活塞1b并输送。不合格品活塞1b被输送至不合格品线510b(S506)，判断是否对不良部分追加加工、修正(S507)，进行追加加工、修正的情况下，在追加加工、修正后，再次输送至体积检查部(S508)，不进行的情况下直接废弃(S509)。是进行追加加工、修正还是直接废弃的判断根据体积检查的结果决定。例如，体积较小的情况下，认为加工不充分，所以对加工不足部位进行追加加工。另外，也能够根据不合格品的频度、倾向推测加工装置的故障等。另一方面，判断为合格品的活塞1被作为合格品活塞1a输送至合格品线510a(S510)，包装并出厂(S511)。

另外，也能够保存不良的个数、种类的历史，在特定的不良数量超过一定比例的情况下，变更加工部500的铸造工序501、机械加工工序502的加工条件，或者停止加工，从而进行加工的活塞的质量保障。

在体积检查部520中根据活塞的形状计算体积，也能够通过对计测得到的活塞形状与设计信息或对已知为合格品的活塞进行计测得到的结果等基准活塞形状进行比较而进行合格与否判断。基于形状进行合格与否判断时，对要管理的尺寸或计测得到的形状与基准形状进行比较，对于不同部位及其偏差的大小等设定阈值而进行合格与否判断。存在多个指标的情况下，也可以设定对其加权相加得到的综合指标，对于综合指标进行阈值处理。该情况下，在显示部530上显示尺寸536、537、形状比较结果538和表示偏差大小的彩色条538a、比较结果的标准差539等。

另外，通过根据缺陷的形状识别缺陷种类并进行分类，也能够确定问题工序，自动地进行加工工序的条件变更，或者使制造线停止。对于计测出的缺陷，根据尺寸、深宽比、深度、缺陷部体积、发生部位等分类。与缺陷的分类结果相应地，根据过去的加工数据或者物理上的工序特征推测在加工工序的何处发生了问题，与其相应地发出改善或者停止命令。使用过去的加工数据的情况下，对过去数据进行分析，用表保存发生的缺陷的种类、和实际有问题的工序，与发生的缺陷相应地确定问题工序。使用工序特征的情况下，如果发生凹缺陷则判断为气孔，推测为铸造工序导致的，在深宽比高的缺陷的情况下，判断为损伤，推测为加工工序中发生的缺陷。这样，通过在活塞制造检查中使用冠面形状，与仅用冠面体积相比能够进行更详细的问题工序的确定、改善。

以上说明的实施例都仅表示实施本发明时的具体化的一例，本发明的技术范围并不受其限定性地解释。即，本发明能够不脱离其技术思想或其主要特征地以各种形式实施。

上述记载是关于实施例的，但本发明不限于此，对于本领域技术人员而言显然能够在本发明的精神和附带的权利要求书的范围内进行各种变更和修正。

附图标记说明

1 活塞

1a 合格品活塞

1b 不合格品活塞

100 试样

101 计测面

102 法线矢量

105 轨迹

110a～110c 距离传感器

112 入射激光方向矢量

113a～113c 入射激光

114a，114b 偏振片

120 旋转台

121 缸机构

130a x轴台主轴

130b x轴台从轴

131 板

140 侧面用距离传感器

150a z轴台主轴

150b z轴台从轴

160 台驱动器

170 控制部

180 信号处理部

181 形状计算部

182 体积计算部

183 合格与否判断部

200 可计测区域

301 距离数据

302 坐标数据

303 校准数据

310 形状数据

311 高精度形状数据

312，312a，312b 高度基准

313 体积

401 基准平面

402 基准高度

500 活塞加工部

501 铸造工序

502 机械加工工序

510 输送部

510a 合格品线

510b 不合格品线

520 体积检查部

521 信息读取部

530 显示部

531 种类

532 制造编号

533 基准体积值

534 计测体积值

535 基准体积值与计测体积值的差

536，537 尺寸

538 形状比较结果

538a 表示偏差大小的彩色条

539 比较结果的标准差

540 分路部。