X 線 CT スキャンによるプレス加工品の形状評価技術
群馬県立群馬産業技術センター
研究員 髙橋 勇一（平成 22 年度一般研究開発助成 AF-2010027）

キーワード：X 線 CT スキャナ、プレス加工、外観計測

１． 研究の目的と背景

プレスによる多段深絞りでは、各工程別に破断限界の指アルミ材の角形状超深絞り成形による化粧品ケースでは、多段絞りに（製品の絞りが深くなる）なればなるほど、破けやシワ、肉の偏り等が発生してしまうことが知られて標となる材料の肉厚を測定し、工程別に管理する必要がある。現在の肉厚測定は、以下の 3 方法が主流である。
①

いる。加えて、独特の高級感や風合いを要求されるデザイン性の維持、他の部品との勘合と、いずれも難易度の高い製品を切断し、ノギス等による厚さ測定。これは切断時に製品の形状を歪めるおそれがある。

②

接触式の三次元計測機の使用。データを離散的に要求を同時に満足させる必要がある。これまでの製造では、取得するため、これらのデータから全面の肉厚を評熟練の職人による深絞り用金型の微調整の他、研磨といっ価可能なデータの作成には多大な時間を要してした後工程を必要としていた。

まう。

角形状深絞り加工の課題は事前の試作により、各頂点と③レーザ光を利用した三次元デジタイザ。レーザ光面部の応力の違いに起因し（図 1）、肉の移動大きさと加が入射及び反射を受光できないような複雑形状や工困難さに関連があること（図 2）、偏肉は一旦発生して金属光沢面の計測は行えない。

しまうと肉厚の均一化は困難であり、裂けの修正は不可能であることを確認している。

上記の計測法ではいずれも、表面のみの計測となるが、X 線であれば透過計測を行うため、両面を同時に測定可能である。
本研究では、X 線 CT スキャナを外観計測として利用することを目的として、特有のノイズの軽減手法と、断面画像の輝度管理法、5%程度発生する寸法誤差について、ステージや校正器の開発、接触式三次元計測機を用いた校正デ

角部と面の部分では応力が異なる→裂けやシワが発生

図1

各頂点と面部の応力ータによるスケーリングといった測定方法を提案し、寸法の評価方法について検討を行った。

２． 実験方法
２．１

試験品

本研究で使用したアルミ薄板は、高光沢材（5657）
t=0.5mm であり、絞り加工は、プレス加工機を用いて行った。段数は 5 段で、1 段、2 段にしわ押さえ治具を用いて試料を作製した。
肉の移動が大きい箇所で割れが発生

図2２．２

実験装置

本研究に使用した X 線 CT スキャナは、株式会社島津製
肉の移動による割れの発生

作所製「マイクロフォーカス X 線 CT 装置 SMX-225CT-SV」

ー 126 ーである。表 1 に主な仕様、図 3 に外観を示す。
X 線 CT スキャナによるワークの測定条件は以下の通りである。
①

焦点サイズを最小とする管電圧、管電流②

フル画面取込みを許可する最大撮影、ビュー数③

受け入れ可能な上限の 1 ビューあたりの露光時間

図4

線質硬化の例

図5線質硬化の軽減を意図した配置

断面画像の三次元ボクセルデータ化および三次元形状データ（STL 形式）化は、くいんと社製「VOXELCON 2012」および Volume Graphics 社製「VG Studio 2.2」を用い、点群処理ソフトである Siemens 社製「Imageware V13.0」により計測を行った。
表1装置仕様図6

角度可変ステージ

線質硬化の軽減と傾斜角度の関係を明らかにするため、角度可変ステージ上のワークの傾斜角を 0°～90°の範囲で振り、底面の状態を調べた。結果を図 7 に示す。

図3

X 線 CT スキャナ(b) 0°(c) 5°(a) 10°(f) 15°(e) 30°(d) 45°(g) 60°(h) 90°

３． 試験結果および考察
３．１

線質硬化の軽減X 線 CT スキャナは、X 線源で発生した X 線が、ワークを透過した X 線強度をもとに CT 値を算出し、断層画像を得るものである。
X 線源から放射される X 線は、連続エネルギーであるため、ワークを透過することにより低エネルギーは高エネルギーに比べ多く吸収される。
深絞り加工品に関して、底面は側面よりも肉厚なため、図 4 に示すように底面の一部の底が抜けたようになってしまう。この課題について今回の研究では、図 5 のようにワークに任意の傾斜をつけ、著しい肉厚の変化が生じない配置方法について検討した。図 6 に樹脂（ジュラコン）に

図7

よる 5°刻みで傾斜角度を可変するステージを示す。

ー 127 ー

ワークの角度と底面の状態

図 7 より、線質硬化は 5°程度の傾斜から劇的に改善されることが分かる。5°以上の傾斜角でも線質硬化の改善はされるが、傾斜角をつけることにより撮像範囲が広がるため、ボクセル当量長（1mm/ボクセルの値）が増大し、結果として空間分解能の悪化を引き起こすことが懸念され

図9

断面画像の倍率る。
また、CT 再構成を直交格子上に行うため、グリッドが反映され、エリアシング（凹凸）が顕著になる傾斜角も存在する。
球間距離

本研究では、最適な傾斜角を 5°～10°として実験を進めることにした。

Z３．２

ルビー球の球間距離による寸法誤差の評価

図 8 に X 線 CT スキャナ装概略図を示す。X 線 CT スキャ

Xナについては、検出器と X 線源の焦点との距離 SDD（SourceYto detector distance）と、ワークの中心と X 線源の焦点との距離 SRD（Source to rotation center distance)が可変であるため、パラメータの自由度が高い。断面画像の倍率はこの比で決まるが、図 9 に示すように同じ倍率を得る複数の SDD と SRD の組み合わせが存在する。
SDD/SRD の位置決め精度、ターンテーブルや検出器の傾きが寸法精度に影響を及ぼし、最大±5%の誤差を生じさせることが知られている。
X 線 CT スキャナの測定領域をルビー球の球間距離によ
図 10り、寸法精度を求めた。評価に使用したフォレストゲージ

フォレストゲージを図 10 に示す。1)
フォレストゲージは 25 個のルビー球、カーボン（シャンク）、ネクセラ（基盤）から構成される。

図 11 に、X 線 CT スキャナの測定領域の X、Y、Z の各方向それぞれの偏差を求めた結果を示す。縦軸は偏差、横軸は原点からの距離である。座標系の原点をフォレストゲー
ジ中央のルビー球の中心とし、各ルビー球の中心間の距離を球間距離とする。偏差は、CT スキャナによる測定値（各ルビー球の中心でベストフィットを行った結果）と、接触式三次元計測機による計測値との比較により求めた。
これらのグラフの傾きを、スケーリング係数とした場合、ほぼ一直線となることから、Z 偏差は横軸の水準が離散的であるが、X 偏差、Y 偏差と同様に、X 線 CT スキャナの測定領域の一律のスケール補正が可能であることが示唆される結果となった。

図8X 線 CT スキャナ装概略図

ー 128 ー

３．３

断面画像の輝度値の管理法)
mm(noitaiveD

図 12 に断面画像のヒストグラムを示す。ヒストグラムは横軸に輝度、縦軸に画素数を示す度数分布である。断面画像では、その分布に対して、色や透明度の変化をグラフ上に示すことによりそれぞれの輝度値が決定する。観察した部分にコントラストを与えて、動的に画像を変化させる
ことが断面画像処理の大きな利点である
Distance (mm)

一方、図 13 に示すようにヒストグラムの輝度値の設定により、見かけ上の寸法が大きく変化してしまう。

（a）

X 軸偏差)mm(noitaiveD

図 12ヒストグラム

図 13

閾値の設定による見かけ上の寸法の変化

この変化を最小限にとどめることを目的として、図 14
Distance (mm)のような校正器を考案した。X 線は物質の厚さと密度に依存し指数関数的に減衰する。そのため校正器もワークの厚みや密度に沿った形状とする必要がある。密度の異なるアルミ、鉄、銅等金属について、厚み 1mm、直径 0.5mm～20mm
円盤状に切り出し、ハノイの塔状に重ねる構造とした。

（b）

Y 軸偏差

本研究では、ワークと同じ素材であるアルミ薄板、高光沢材（5657）により校正器を作製した。校正器をワークとDistance (mm)同様に断面画像を取得し、校正治具の断面画像上の寸法が既知の寸法になるよう輝度値を定めた。

)
mm(noitaiveD
（c）
図 11

図 14

Z 軸偏差

X 線 CT スキャナの測定領域の偏差ー 129 ー

校正器

３．４

三次元計測機による校正データを用いたスケーリング方法
外観計測には一般的に接触式の三次元計測機が使用されている。三次元計測機はデータを離散的に取得するため、これらのデータから全面の形状を評価可能な形状データの作成には多大な時間を要してしまう。

CT スキャン

図 16

成形品

三次元計測

X 線 CT スキャナは複雑な外観形状の計測に長けているが、SDD/SRD の位置決め精度、ターンテーブルの傾きといった装置的、機械的な影響により、最大 5%程度と見積もられる寸法誤差が発生する。
図 17

この問題に対して、今回の研究では、接触式三次元計測

形状データ機によりワークの X 軸、Y 軸方向といった最小限の校正デ

図 18

校正データスケーリング校正ータを採取しスケーリングを行った。図 15 に外観計測の４． 結言流れを示す。
撮像した断面画像を三次元測定機からの校正データに

本研究では、アルミ材の角形状超深絞り成形の肉厚評価より、図 16 に示すような深絞り成形品の肉厚測定を試みを行うために、X 線 CT スキャナを外観計測として利用した。X 線 CT スキャナによる断面画像から作成した形状デた。測定上課題となる、特有のノイズ対策として可変ステータを図 17 に、三次元測定機による断面形状データを図ージを、断面画像の輝度管理用校正器をそれぞれ開発し、18 に示す。ともに、三次元 CAD に取り込み可能なデータ断面画像から作成した形状データを三次元計測機による形式であり、三次元測定機による断面形状を基準とし、断校正データによりスケーリングを行い、寸法の評価方法に面画像から作成した形状データのスケール補正を三次元ついて検討を行った。
結果、測定では 0.3mm ほど発生する誤差を、断面形状部CAD 上の作業として実施した。
その結果、X 線 CT スキャナのみの測定では 0.3mm ほど発生する誤差を、三次元計測機による校正データによりス分では、0.05mm 以下で形状に合わせこむことが可能になった。

ケーリングを行うことにより、断面形状部分では、0.05mm謝辞以下で形状に合わせこむことが可能になった。

本研究は、公益財団法人天田財団平成 22 年度一般研究

X 線 CT スキャナ開発助成（AF-2010027）により実施したものであり、ここに感謝の意を表します。また、X 線 CT スキャナによる計測について、多大な協力をいただきました独立行政法人産業技術総合研究所計測標準研究部門藤本弘之氏、大澤尊光氏に謝意を表します。
形状データ
接触式三次元計測機の作成

参考文献
1）大澤尊光・藤本弘之：産業用 X 線 CT 装置評価法に関する標準化動向, 日本非破壊検査協会講演大会
講演概要集(2011)

三次元計測機による校正データ
図 15

計測、校正の流れ

ー 130 ー