研究論文

計測データのビジュアル評価ツールの開発
水野和康＊１、伊藤俊治＊１

Development of Visual Evaluation Tools for Measurement Data
Kazuyasu MIZUNO and Shunji ITO
Industrial Technology Division,AITEC ＊１
GUI 機 能 を 持 た ず 、紙 出 力 が 中 心 の 旧 式 ３ 次 元 測 定 機 に ウ ィ ン ド ウ ズ パ ソ コ ン を 接 続 し 、そ の テ キ ス ト
出 力 デ ー タ の 電 子 化 お よ び 、ビ ジ ュ ア ル な 評 価 を 可 能 と す る シ ス テ ム を 開 発 し た 。こ の シ ス テ ム で は 、出力 さ れ た テ キ ス ト か ら 高 さ デ ー タ を 半 自 動 で 切 り 出 し 、単 純 な グ ラ フ 化 、測 定 径 路 に 沿 っ た グ ラ フ 化 、点を 膨 張 さ せ て 得 た 面 の カ ラ ー 表 示・立 体 表 示 を 行 な う こ と が で き る 。ま た 、そ れ と は 別 に 高 精 度 レ ー ザ 変
位 計 、精 密 XY テ ー ブ ル 、パ ソ コ ン を 用 い て 、複 雑 形 状 試 料 、軟 質 試 料 の 平 面 度 を 評 価 す る 簡 便 な 非 接 触測 定 シ ス テ ム を 開 発 し た 。 こ の シ ス テ ム の 測 定 精 度 は 2μ m 程 度 で あ っ た 。

１．はじめにＩＴ技術の進歩にともなって、機械計測の分野でもビジュアル性に富んだ表現がなされるようになり、その形状誤差の特徴を人間に分かりやすい形で表現できるようになってきた。また、その出力は電子媒体へなされるようになり、再利用性も高まってきた。しかし、それは新しい機器を導入した場合であって、現場で多数稼動している Windows95 発表以前の測定器においては、データの電子化、測定結果のビジュアル化などが不十分であるのが現状である。ここで旧式の機器にビジュアル化された出力をさせるためには、ソフトウェアの更新やハード

図１

システム構成ウェアを含めたレトロフィット等が考えられるが、コス構成機器間をつなぐ GPIB からモニタリング専用ＰＣでトパフォーマンスを考慮すると実現は困難な場合が多い

プリント出力データをロギングすることとした。さらに、と思われる。

ＬＡＮ接続したもう１台のＰＣを準備し、そのＰＣでビ

そこで当所で現在稼動中の３次元測定機を対象として、これにパソコンを接続して出力データを電子化し、さらジュアル評価ツールを稼動させることとした。ここで使用した PC は通常の Windows パソコンとし、データのに測定結果をビジュアルに評価できるシステムを開発す

再利用性に配慮した。また、3 次元測定機操作パネルのることとした。また同時に、当所の現有機器では測定す近くに表示パネルとマウスを配置するなど、測定効率のることが困難であった軟らかい試料、形状が複雑な試料向上を目指した。などの測定を可能とするため、高精度レーザ変位計を導2.2 ソフトウェア

入し、簡便な非接触測定・評価システムを構築すること

３次元測定機のＧＰＩＢプリント出力のロギングソフとした。なお、本年度はいずれも平面の評価を中心に開トは、すでに当所で開発済みのものを用いることとし、発を進めた。

今年度は以下のソフトを新たに開発した。
2.2.1 モニターソフト

２．3 次元測定機による評価システム

このソフトは、現在測定中の３次元測定機の直前出力を動的に表示するウィンドウと、出力済みの任意部分を2.1 システム構成
3 次元測定機（平成 3 年度導入、カールツァイス製静的に表示するウィンドウの２つからなる（図２）。両UPMC 550 CARAT）を用いて開発したシステムの構成者の表示領域は編集不可のリッチテキストボックスであを図１に示す。3 次元測定機の動作に支障をきたさないり、文字容量の制限はない。前者はモニター専用で、画ようにするため、また、出力のログを確実に残すため、面をスクロールすることもできるが、新たな出力がある*1 工業技術部

機械電子室

座標値を出力させ、その座標値で径路を表示する。さらに、第 1 座標値を拡大して径路上にプロットすることにより立体的なグラフ表示を行なう。このツールでは統計処理、任意点の削除のほかに、傾斜補正および試料を回転させて表示することができる。容器のキャップ、帯状シール面の平面度評価等に効果的である。
2.2.4 面のカラー表示・立体表示ツール
測定面上の任意位置における高さを測定し、それを面に拡張して表示するものである。測定径路に沿ったグラ
図２

モニターソフトと自動的に最新出力表示部に移動する。後者は評価用ウィンドウで、現在の測定結果と過去の測定履歴との比較のため、指定行ジャンプ、検索、マーキングなどの機能を持たせた。また、評価範囲を設定して新たにテキスト抽出・体裁調整ウィンドウを開いたり、ビジュアル評価ツールを起動したりする機能を持たせた。テキスト抽出・体裁調整ウィンドウでは、特定要素・アドレスを指定して取捨選択し、体裁を整え、レポート出力のための一覧表表示をすることができる。一方、ビジュアル評価
ツールの起動では、POINT データを自動的に切り出し、CSV 形式でテンポラリファイルに保存してから下記の 3種類のツールを起動させる。なお、その 3 つのツールはCSV 形式で保存された XYZ 座標値ファイルを準備すれば、それぞれ単独で動作させることもできる。
2.2.2 グラフツール
このツールは測定点高さを順番にグラフ表示するもの

フツールと同様、3 つの座標値を用いるが、位置座標は正方格子上に再配置させる。同じ格子状に複数の測定点が割り付けられる場合は、高さの平均値を用いる。この格子の高さ値を周辺の無データ格子に適当な回数だけ膨張させることにより、形状をある程度残しつつ孤立点を面に拡張することができる（図４）。膨張は試料の形状に応じて 4 近傍、8 近傍、4/8 交互の 3 パターンから選べるようにした。複数方向からの膨張の交点では平均高さを用いた。また、面の外形を確定した後、境界のスムージングのため、画像処理で用いられるのと同様な平均化フィルターを任意回数かけられるようにした。ここで用いたのは 8 近傍単純平均であるが、処理回数を多くしてもオリジナル点の高さが変わりにくくするため、特別に重み付けができるようにした。最終的な表示は、図５のような高さに応じたカラー表示、または立体表示を行なう。このツールは組み立てジグのベースプレートなど、任意形状平面の平面度評価に適している。

である。測定平面は自動的に選択され、簡単な統計処理とグラフの位置調整ができる。また、測定ミスなどによる特異点があった場合は、その点をコメントアウトして再描画させることも可能とした。
2.2.3 測定径路に沿ったグラフツール
一筆描き状の径路上で測定された高さを径路に沿ってグラフ化するものである（図３）。通常の POINT 測定再配置による第 1 座標値出力の後に、通常は出力されない第 2,3

図３径路に沿ったグラフツール

膨張補間（８近傍）

図４

図５孤立点を面に拡張する

面のカラー・立体表示ツール

3.2 ソフトウェア
開発したソフトウェアは、測定ツールと評価ツールの2 本である。測定終了後、後者は前者から起動することができるが、それぞれ独立に動作させることもできる。
3.2.1 測定ツール
1.電子部品の接合面 2.旋盤加工による円板(ｱﾙﾐ､t5、φ300)

図６

測定結果の例

測定ツールの設定画面を図８に示す。ここでは測定範囲、点密度、モードと速度を設定してから自動測定をスタートさせる。測定モードには指定位置への位置決めを2.3 測定結果の例
これらのツールの適用例を図６に示す。図 6-1 は車載用電子部品の接合面である。成形条件などによって生じる面の凹凸の傾向を一目で確認することができた。図6-2 は、旋盤加工による薄板円板である。加工時にコレットチャックで固定した影響を 3 箇所の凹凸として検出できた。

確認してからデータを取り込む精密モードと、位置確認をせずに垂れ流しでデータを取り込む高速モードがある。
測定径路は時間短縮のため、X 方向の行き・帰り両方でデータを取り込むようにした。測定が終了すると、評価ツールの起動ボタンがイネーブルとなり、そのまま評価に移行できる。
3.2.2 評価ツール

３．レーザ変位計による非接触測定システム
3.1 システム構成
このシステムは、精密レーザ変位計、精密 XY テーブ
ルと制御用ＰＣで構成されており（図７）、制御およびデータの入出力は、すべて RS232C によるデジタル制御によっている。主要構成機器および開発システムの主な評価ツールの画面を図９に示す。このツールでは、評価領域設定機能として、試料／背景境界近傍点の自動除去、汚れや錆などによる特異点の自動除去、さらに手動による任意点除去機能を持たせた。また、シンプレックス法による傾斜補正および球面形状補正機能を持たせた。
これにより平面度評価、球面形状評価を容易に行なうことができる。さらに、単純な膨張や、画像処理で多用さ仕様を表１に示す。

XY テーブル

図７
表1

システム構成使用機器および開発システムの主な仕様ﾒｰｶｰ、型式

ｵﾑﾛﾝ㈱ 、Z300-S5

測定ﾓｰﾄﾞ

拡散反射、正反射

ﾚｰｻﾞ変位計 測定距離50±5mm、44±4mm

ﾋﾞｰﾑ形状30μm×400μmTYP.

分解能

0.1μm

ﾒｰｶｰ、型式

京ｾﾗ㈱、WT2020

X-Y ｽﾄﾛｰｸ

200mm×200mm

真直度

0.2μm/100mm（X 軸、Y 軸）

超精密

図８

測定ツール

図９

評価ツール

XY ﾃｰﾌﾞﾙ 位置決め精度 ±１μm

非接触測定
ｼｽﾃﾑ

ﾊﾟﾙｽ送り量

0.5μm

送り速度

最大 20mm/sec

ｻﾝﾌﾟﾙﾚｰﾄ

最高 3 ﾎﾟｲﾝﾄ/秒

測定ﾓｰﾄﾞ

垂流(高速)、逐次停止(精密)測定時間の例 100mm 角 2mm ﾋﾟｯﾁを最速 15 分

れている双線形補間機能を与えることにより、測定デー3.4 測定例

タを正方格子状に拡張することができるので、別途開発

このシステムの適用例を図１０に示す。図 10-1 は抜済みのトポグラフィック表示ツールを用いて観察するこき加工平板、図 10-2 は合成皮革製手帳表紙のメーカーともできる。

ロゴ、図 10-3 は木材に金属棒を押し当てたときの圧痕

3.3 精度確認である。なお、図 10-2、3 に示したトポグラフィック表

平面度 30nm のオプチカルフラットを用いて本測定シ

示は、双線形補間によるグリッドの正方格子化が施してステムの測定精度調べた。レーザ変位計は正反射モードある。この測定システムは形状が複雑なもの、軟質のもに設定し、60mm 角の領域を 6×6 の格子点で測定した。のなど、接触式では測定できないものや、全体の凹凸形

なお、安定した状態でデータを取り込むため、各点での状を等間隔にくまなく測定したい場合などに有効である。

XY テーブル静止時間を約 1 秒とした。１測定に要する時間は約 2 分であった。評価は最小領域法による平面度４．結びで行なった。5 回の繰返し測定の結果、平面度は 1.3〜

GUI 機能を持たず、紙出力が中心の旧式３次元測定機

1.5μm、繰返し測定による不確かさ(A タイプ)は約 0.3にウィンドウズパソコンを接続し、そのテキスト出力デμm となった。

ータの電子化および、ビジュアル評価を可能とするシステムを開発した。このシステムにより、3 次元測定機出力データの分析が容易になっただけでなく、今まで無視されがちであった試料形状誤差の傾向など、新しい知見を得ることができるようになった。さらに、当所で行なっている依頼試験などにおいて、評価ソフトと測定生データをセットで提供することにより、依頼者がじっくり

1.抜き加工平板

2.合成皮革の意匠

自社で測定結果を検討することもできるようになった。
また、レーザ変位計による非接触測定システムを開発し、今まで当所では測定することが困難であった軟らかい試料等の測定が簡単にできるようになった。
今後はシステムの完成度を高め、操作性の向上を図るとともに、外形形状の評価へも拡張してゆく予定である。

3.木材へのプレス圧痕
図１０

測定例