産業機械部品の形状を精密に測定する新技術

産業機械部品の形状評価には、一般的にCMMが用いられます。中でも接触式CMMは高精度でありながら複雑な形状を測定できるため広く使われています。しかし、評価対象に曲率半径の小さな形状が含まれていると、従来手法では接触式CMMのプローブ球の半径分を補正する方向が誤って推定され、測定のばらつきが数マイクロメートルも生じ、実際の形状とは異なる測定結果となることがありました。産業機械の安全性を担保するためには加工精度が要求を満たしているか評価する必要があります。そのため、測定のばらつきにより、実際には適合している形状であっても不適合と評価しなければならず、必要以上にコストがかかる場合がありました。

研究の経緯

産総研は、産業機械部品などの三次元形状測定の精度保証に取り組んでおり、これまで、歯車形状の測定精度を評価する手法の開発や、3Dプリンターの造形精度を評価する手法の開発などを行ってきました。さらに近年では、自動車産業の品質マネジメントシステムの規格であるIATF16949が発行されるなど、産業機械部品の品質要求が厳密化していることから、測定対象をタービンブレードなどのさまざまな産業機械部品に広げ、形状測定の信頼性を向上させる技術開発を進めてきました。

研究の内容

産業機械部品の加工精度を担保するためには、接触式CMMを用いて形状を高精度に評価する必要があります。特に、小さな曲率半径をもつ曲面は形状の変化が大きいため、細かい間隔で測ることが求められます。接触式CMMによる測定では、測定物にプローブ球を当てたときのプローブ球の中心位置を取得します。従来の手法では、隣り合うプローブ球の中心位置を結ぶ直線や面に垂直な方向を計算することで、プローブ球の半径分を補正する方向を推定し、その方向にプローブ半径補正を行っていました。しかし、取得されるプローブ球の中心位置は接触式CMMの機械的誤差等によりサブマイクロメートルオーダーのノイズを含んでいるため、隣り合うプローブ球の中心位置がなす直線が傾き、プローブ半径分を補正する方向がずれて推定されます。このとき、数ミリメートル以下の曲率半径をもつ曲面形状を細かい間隔で測るほど、隣り合うプローブ球の中心位置がなす直線が大きく傾き、プローブ半径分を補正する方向のずれが拡大され、測定のばらつきが数マイクロメートルも生じるという問題がありました。

そこで、画像処理や表面粗さ測定に用いられるモルフォロジカル処理を接触式CMMの測定値に適用し、プローブ半径を補正する手法を開発しました。モルフォロジカル処理では、画像データに円などの特定の形体を加えたり差し引いたりすることで、ノイズを除去したり、輪郭を強調する処理が行われます。今回、プローブ球を真円と仮定し、プローブ球の中心位置から生成した円形体に接する曲線を計算して測定物の形状を推定しました（概要図）。開発手法は従来手法と異なり、プローブ球が通過した領域の内側にプローブ半径補正が行われる可能性を取り除くことができ、測定のばらつきを低減できます。