JP6855032B2 - 金型表面の油膜厚さ測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ダイカスト用金型、鍛造用金型、焼結用金型などの各種の金型表面に塗布された離型剤や潤滑剤などの油膜の厚さを、オンラインで正確に測定する方法に関するものである。

上記のような金型表面に薄く塗布される離型剤や潤滑剤などの油膜の厚さは、成形品質に重要な影響がある。このため、金型表面に油剤が適正な膜厚で塗布されているか否かを測定し、品質管理に活用することが望まれている。

金型上の特定点の油膜厚さを測定するためには、市販の膜厚測定装置を用いることができる。この膜厚測定装置を用いれば、ある点における油膜厚さを手動により正確に測定することができる。しかし上記のような金型は大型であるため、手動式の膜厚測定装置では金型の表面全体の油膜の厚さを短時間内に把握することは不可能である。

一方、油膜に紫外線を照射すると蛍光を発することが知られており、この原理を用いた油膜の検出装置が特許文献１に記載されている。しかしこの特許文献１の装置は、水面に拡がった平坦な油膜を測定対象とするものであり、金型のように凹凸や傾斜がある表面の油膜厚さを測定することは不可能である。

また特許文献２には、キセノンフラッシュランプやパルスレーザー光線からパルス光線を検査対象物に照射し、油からの蛍光を受光して油を検知する装置が記載されている。しかしこの装置はレーザー発振器、光ファイバー等を用いるため全体の装置コストが高くなるうえ、やはり金型のように凹凸や傾斜がある表面の油膜厚さを測定することは困難である。

何故ならば、ダイカスト用金型、鍛造用金型、焼結用金型などの金型は、製品形状に合わせて表面が凹凸になっているうえ、油膜が発する蛍光は青色の薄い光である。このため、仮に油膜厚さが同一であっても、照明からの距離の違いや表面角度の違いによって、カメラへの蛍光の受光量が大きく異なることとなる。従ってカメラが蛍光の微妙な発光量の違いを捉えたとしても、それが膜厚による違いであるとはいえず、従来は金型表面の油膜厚さの算出は困難であった。

特開２０１６−２０８１７号公報 特開平９−３０４２８１号公報

従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、凹凸や傾斜がある金型表面の油膜厚さをオンラインで正確に測定することができる金型表面の油膜厚さ測定方法を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明の金型表面の油膜厚さ測定方法は、金型表面に紫外線を照射し、金型表面の油膜が発する蛍光の光量をカメラで撮像して油膜厚さを求める金型表面の油膜厚さ測定方法であって、金型の形状データに基づいて、金型表面の各測定点のカメラからの距離、傾斜角度及びカメラの視野内のズレ量を演算し、カメラで撮影された蛍光の光量と油膜の厚さとの相関式を、カメラからの距離と傾斜角度とカメラの視野内のズレ量とが光量に及ぼす影響により補正した膜厚演算式を導出し、この膜厚演算式にカメラで撮影された蛍光の光量、各測定点のカメラからの距離、傾斜角度、およびカメラの視野内のズレ量を入力して、金型表面の各測定点の油膜の厚さを演算することを特徴とするものである。

なお、カメラの周囲に配置された多数の紫外線照明手段から金型表面に紫外線を照射し、金型表面の油膜が発する蛍光の光量を中央のカメラで撮像することが好ましい。また、予め油の種類ごとに蛍光の光量と油膜の厚さとの相関式を求めておくことが好ましく、金型表面の各測定点の位置を、金型表面にマーキングしておくことが好ましい。

本発明によれば、金型表面に紫外線を照射し、金型表面の油膜が発する蛍光の光量をカメラで撮像することにより、各測定点における油膜厚さの絶対値を測定することができる。この測定は１〜２秒程度の短時間で行うことができるので、金型表面の油膜厚さをオンラインで測定し、品質管理に活用することができる。

本発明の測定原理の説明図である。 油膜の厚さと蛍光の光量との関係を示すグラフである。 油膜の厚さと蛍光の光量との関係を示す画像である。 カメラからの距離と蛍光の光量との関係を示すグラフである。 カメラからの距離と蛍光の光量との関係を示す画像である。 傾斜角度と蛍光の光量との関係を示すグラフである。 傾斜角度と蛍光の光量との関係を示す画像である。 金属片の撮影状態の説明図である。 実際の金型表面の油膜測定方法の説明図である。

以下に本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の金型表面の油膜厚さ測定方法における測定原理の説明図であり、１は金型表面に形成された油膜、２は金型の上方位置にあるカメラ、３はカメラ２の周囲に環状に配置された多数の紫外線照明手段である。紫外線照明手段３から照射される紫外線によって油膜１から蛍光が発生し、その光量が中央のカメラ２によって撮像される。油膜１の厚さと蛍光の光量との間には例えば図２に示すような相関があることが確認されているので、本発明ではこの相関式を利用して、油膜の厚さを求める。なお図３は図２の基礎となった実際の画像であり、図２の下側の数字は油膜の厚さである。

ただし油膜の厚みが同一であり、同一の紫外線を照射した場合にも、蛍光の光量は油の種類によって異なるので、予め油の種類ごとに蛍光の光量と油膜の厚さとの相関式を求めておき、測定対象となる金型に使用されている油剤の種類に応じて、適切な相関式を用いるべきことはいうまでもない。

上記のように、油剤の種類を特定すると蛍光の光量から油膜の厚さが分かるのであるが、実際の金型では油が塗布されている測定対象となる面は均一な平面ではなく凹凸や傾きがあり、これらがカメラ２で受光される光量に影響を及ぼしている。このため本発明では、各測定点のカメラ２からの距離と傾斜角度とカメラ視野内のズレ量によって，以下に説明するように前記相関式を補正し、膜厚演算式を算出する。

図４は各測定点のカメラ２からの距離と蛍光の光量との関係を示すグラフである。また図５は図４の基礎となった実際の画像である。金型の形状は三次元の形状データとして予め特定されているので、金型に対するカメラ２の位置を決めておけば、各測定点のカメラ２からの距離は正確に演算することができ、図４の相関式を用いて油膜１の厚さと蛍光の光量との相関式を補正する。

図６は測定点の傾斜角度と蛍光の光量との関係を示すグラフである。また図７は図６の基礎となった実際の画像である。測定する表面の傾斜角が大きくなれば蛍光の光量は当然ながら減少する。各測定点の傾斜角度は、金型の形状データから容易に求めることができるので、図６の相関式を用いて、油膜１の厚さと蛍光の光量との相関式を補正する。

さらに、紫外線照明手段３はカメラ２の視野内を完全に均一に照らすことはできないので、視野の中心から各測定点までのズレの寸法も油膜１の厚さと蛍光の光量との相関式に影響を及ぼす。以上に説明したカメラからの距離Ｌ、角度θ、視野内位置ａを係数とし、蛍光の光量（輝度値）Ｑと、膜厚ｔとの相関式を補正すると、数１の数式で表される膜厚算出式が得られる。ここでα、β、γ、δ、εは測定データから最小二乗法によって計算されるパラメータであり、この実施形態では、α=5.78、β=1.61、γ=2.48、δ=0.557、ε=0.249である。しかしこれらのパラメータは測定値に応じて変動するものであり、実際の測定に基づいてその都度、算出されるものである。

この数１の膜厚算出式にカメラで撮影された蛍光の光量Ｑを入力し、金型表面の各測定点のデータＬ、θ、ａを入力すれば、各測定点の油膜の厚さｔの絶対値を演算することが可能となる。以下に、上記した手順を実施するための具体的なステップを、より詳細に説明する。

（ステップ１）
図１に示した装置を金型上にセットし、紫外線照明手段３から金型表面に紫外線を照射する。ほとんどの有機系の油剤は内部の成分により蛍光を発するので、その蛍光画像をカメラ２で撮影する。カメラ２は蛍光発光の光量を捉えやすいように、白黒の高分解能のカメラを用いることが好ましい。

（ステップ２）
金型表面と同じ材質の金属片（テストピース）を多数枚用意する。油剤が薄く塗布される金属の表面は、下地の金属表面の状態が微妙に影響するため、金属表面の光り方、色、加工した面の様子を金型表面と同じくした金属片を用意する。この金属片の表面に、金型表面に塗布される油剤と同一の油剤を薄く塗布する。

油剤の塗布はスプレーを使用し、金属片の表面に数段階に条件を分けてスプレーし、油膜の厚さを数段階に分けて塗布する。膜厚は３段階以上とする。これは油膜の膜厚と蛍光発光量との相関を求めるグラフを描くためである。この相関は直線ではないため、２点の測定データでは不足であり、少なくとも３段階のデータが必要である。

（ステップ３）
この金属片に紫外線を照射して蛍光発光させ、その画像をカメラで撮影する。このとき、照明の基準面と金属片の基準点を相対的に変化させて撮影する。照明の基準面は例えば紫外線照明手段３の下端面とする。この照明の基準面を固定した状態で、図８に示すように、金属片の位置、角度などの因子を変化させて撮影する。

撮影時に変化させるのは、３つの因子である。一つ目は照明の基準面から金属片上の測定点までの距離Ｌであり、これはカメラからの距離Ｌと等価である。二つ目は金属片に対する紫外線の照射角度θである。これは９０°を基本として０°まで何段階かに角度を変えて撮影する。９０°の照射角度では金属片は照射方向と平行になり、見えなくなる。三つ目は図８の下図に示すように、視野の中心から各測定点までのズレの寸法ａである。金属片をカメラの視野の中心からＸＹ方向にずらし、金属片の中心の蛍光発光を撮影する。これらの各因子について、それぞれ３段階以上の変化を与えて測定する。

（ステップ４）
次に、金属片に塗布された実際の油膜の膜厚を、市販の膜厚測定装置で測定する。この装置の測定範囲はごく狭く、直径１〜２ｍｍ程度の局所的な膜厚を、ハロゲン光と分光器を用いて測定することができる。この装置は局所的であるが、１μｍ以下の高精度で膜厚を測定可能である。

（ステップ５）
ステップ３で３つの因子（距離Ｌ、角度θ、ズレの寸法ａ）を変化させて測定した蛍光の光量Ｑと、ステップ４で測定した実際の膜厚ｔから、これらの５つの変数の関係式を求める。すなわち、Ｌ、θ、ａ、Ｑの４つの因子を用いて、目的変数である膜厚ｔを、実験計画法や回帰分析を使って求める。このようにして、蛍光の光量Ｑと油膜の厚さｔとの相関式を、カメラからの距離Ｌと傾斜角度θとカメラの視野内のズレ量ａとが光量Ｑに及ぼす影響により補正した膜厚演算式を導出することができる。その一例は前記した数１の式の通りである。

（ステップ６）
実際に測定したい金型表面に対するカメラの位置を３Ｄ-ＣＡＤデータ上で設定し、金型上の油膜厚さの各測定点から、カメラや紫外線照明手段３までの相対的寸法を３Ｄ-ＣＡＤデータ上で読み取る。そして各測定点についてのＬ、θ、ａの３つの因子を、金型の形状データに基づいて算出しておく。

（ステップ７）
次に図９に示すように、スプレーが行われた実際の金型の油膜厚さの測定を行う。事前に設定した撮影点にカメラを移動させ、撮影する。撮影点から金型表面までの距離は、１００〜２００ｍｍ程度とすることが好ましい。このカメラの移動は、金型が開放された状態のときにロボットなどの正確に位置決めができるユニットにより行う。このようにして撮影された画像の中で、予め設定された各測定点にマーキングし、このマーキングされた局部的な部分において蛍光の光量Ｑが測定される。各測定点におけるＬ、θ、ａの３つの因子はステップ６において算出されているので、ステップ５で算出された膜厚演算式にこれらの値を代入すれば、実際の金型の各測定点における油膜の膜厚を算出することができる。

（ステップ８）
上記のようにして、実際の金型の表面の複数の測定点における油膜厚さを、オンラインで測定することができる。実生産においては、同一の金型が数百個の製品を生産するまで交換することなく連続的に使用される。この間は金型が一定であるため、上記の式を固定して使用することができる。しかし実生産中に金型の表面状態が汚れなどにより少しずつ変化していくことがある。このためときどき実際の金型表面の油膜厚さを膜厚測定装置で実測し、その測定値と膜厚演算式との誤差が大きくなったら、補正係数を用いて膜厚演算式を補正することが好ましい。

以上に説明したように、本発明の金型表面の油膜厚さ測定方法によれば、生産中の金型表面の複数の測定点における油膜厚さを、１〜２秒程度の短時間で測定することが可能となる。このため、金型表面への離型剤などの油剤のスプレーが適切に行われていかどうかを、オンラインで把握することが可能となり、生産性の向上に大きく寄与することが可能になる。

１ 油膜
２ カメラ
３ 紫外線照明手段

Claims (4)

1. 金型表面に紫外線を照射し、金型表面の油膜が発する蛍光の光量をカメラで撮像して油膜厚さを求める金型表面の油膜厚さ測定方法であって、
   金型の形状データに基づいて、金型表面の各測定点のカメラからの距離、傾斜角度及びカメラの視野内のズレ量を演算し、
   カメラで撮影された蛍光の光量と油膜の厚さとの相関式を、カメラからの距離と傾斜角度とカメラの視野内のズレ量とが光量に及ぼす影響により補正した膜厚演算式を導出し、
   この膜厚演算式にカメラで撮影された蛍光の光量、各測定点のカメラからの距離、傾斜角度、およびカメラの視野内のズレ量を入力して、金型表面の各測定点の油膜の厚さを演算することを特徴とする金型表面の油膜厚さ測定方法。
2. カメラの周囲に配置された多数の紫外線照明手段から金型表面に紫外線を照射し、金型表面の油膜が発する蛍光の光量を中央のカメラで撮像することを特徴とする請求項１に記載の金型表面の油膜厚さ測定方法。
3. 予め、油の種類ごとに蛍光の光量と油膜の厚さとの相関式を求めておくことを特徴とする請求項１または２に記載の金型表面の油膜厚さ測定方法。
4. 金型表面の各測定点の位置を、金型表面にマーキングしておくことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の金型表面の油膜厚さ測定方法。

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