JP3695259B2 - バルブシート面検査装置および検査方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のエンジン等に用いられるシリンダーヘッドのバルブシート面を検査するバルブシート面検査装置に関し、特に、レーザー溶接等によって肉盛された肉盛層の厚みを検査する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリンダーヘッドのバルブシートは、高い寸法精度と耐磨耗性が要求される。従来、シリンダーヘッドのバルブシートは、アルミニウム合金のシリンダーヘッド母体に下穴を機械加工し、その部分に鋳鉄製のリング形状機械加工部品を打ち込み、しかる後、バルブが接合する面を仕上げ加工している。近年、燃焼効率の向上を目的として、打ち込み式のバルブシートに代えて、アルミ合金のシリンダーヘッド母体に、直接、銅合金等の粉末を肉盛りする加工方法が開発されている。
【０００３】
この場合も、その肉盛層が最終的な形状に切削加工（以下「仕上げ加工」という）されることによって、高い寸法精度および耐磨耗性を持つバルブシートが作製される。
【０００４】
このような高性能なバルブシートを作製するためには、肉盛層の厚さ（高さ）を管理することが重要である。例えば、仕上げ加工後の最終的なバルブシート面に対して肉盛層の厚さが十分でない状態（欠肉）は、仕上げ加工後のバルブシート面に窪みを生じさせ、バルブシートの不良に直結する。一方、仕上げ加工の際に削り取られる肉盛層が必要以上に厚すぎることは、肉盛に使用される材料を無駄に消費することになるだけでなく、母材に熱歪みを生じさせ、不具合の発生要因となる。
【０００５】
バルブシートを管理するためには、環状をしたバルブシートの全周、全幅について、肉盛層の厚さを正確に測定する必要がある。
【０００６】
バルブシート面の形状寸法、特に、肉盛層の厚さを測定する技術として、光切断式センサを用いて測定する技術が考えられる。光切断式センサとは、対象にスリット光を照射して生ずる切断線をビデオカメラ等の視認手段で観測することによって対象の高さや凸凹等を検出するセンサである。
【０００７】
光切断式センサを用いて対象の高さを検出する場合、スリット光を斜めに照射すると、切断光が歪んで観測されるため、通常は、スリット光を対象に垂直に照射することによって、正確な断面形状を測定している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、バルブシートについて光切断式センサを用いて検査する場合、スリット光をバルブシート面に垂直に照射する配置が難しいことがある。例えば、スリット光をバルブシート面に垂直に照射するようにスリット光源を配置すると、それに伴ってビデオカメラがシリンダヘッドの面に近付きすぎる場合がある。この場合、ビデオカメラの視野がシリンダヘッドのたてかべ部分等の構造物によって遮られてしまい、バルブシート全周を測定することが困難となるおそれがある。
【０００９】
一方、スリット光をバルブシート面に斜めに照射することによってビデオカメラの視野角度を深くとる配置が可能となり、ビデオカメラの視野を十分に確保できる。ただし、スリット光がバルブシート面に斜めに照射されるため、切断線が歪み、ビデオカメラで観測される画像が非線形的に歪んでしまうという問題を生じる。このため、従来、仕上げ加工後のバルブシート面に対する欠肉欠陥の有無の判断、仕上げ加工後に残る肉盛層の厚さの推定、仕上げ加工後のバルブシート面に露出してしまう母材部分の有無の推定を正確に行うことができない場合があった。
【００１０】
本発明は、このような問題点を解決するために成されたものである。したがって、本発明の目的は、光切断式センサを利用してバルブシート面を検査する場合において、照射されるスリット光をバルブシート面に対して垂直に照射できない場合であっても、バルブシート面の断面形状を正確に測定することができ、仕上げ加工の際に削り取られる肉盛層の厚さの推定、仕上げ加工後のバルブシート面に対する欠肉の有無の判断、仕上げ加工後に残る肉盛層の推定、仕上げ加工後のバルブシート面に露出してしまう母材部分の有無の推定を正確に行うことができるバルブシート面検査技術を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、以下のように構成される。
【００１２】
本発明に係るバルブ面検査装置は、バルブシート下穴にレーザー溶接により肉盛層を形成し、切削加工する際のバルブシート面検査装置であって、バルブシート面にスリット光を照射するスリット光源と、スリット光がバルブシート面に当たって形成される光切断線を視認する視認手段と、バルブシートの中心を回転軸として前記スリット光源および前記視認手段をバルブシート面に対して相対的に回転移動させる駆動手段と、前記視認手段によって視認された光切断線の画像を点列データに変換する点列データ変換手段と、バルブシート面にスリット光が斜めに照射されることによる前記点列データの歪みを補正する補正手段と、予め寸法が明らかとなっているマスターワークを視認して得られた補正後の点列データである第１の点列データと、前記切削加工前のバルブシート面を視認して得られた補正後の点列データである第２の点列データと、を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された前記第１の点列データと前記第２の点列データとの差分をとる差分手段と、前記差分手段による差分の結果に基づいて、前記切削加工によって削り取られる肉盛層の厚さを計算し、前記切削加工後に肉盛層の厚さが不十分な部分が発生するか否かを判断する欠肉判断手段と、を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係るバルブ面検査装置は、バルブシート下穴にレーザー溶接により肉盛層を形成し、切削加工する際のバルブシート面検査装置であって、バルブシート面にスリット光を照射するスリット光源と、スリット光がバルブシート面に当たって形成される光切断線を視認する視認手段と、バルブシートの中心を回転軸として前記スリット光源および前記視認手段をバルブシート面に対して相対的に回転移動させる駆動手段と、前記視認手段によって視認された光切断線の画像を点列データに変換する点列データ変換手段と、バルブシート面にスリット光が斜めに照射されることによる前記点列データの歪みを補正する補正手段と、予め寸法が明らかとなっているマスターワークを視認して得られた補正後の点列データである第１の点列データと、前記肉盛層の形成前のバルブシート下穴を視認して得られた補正後の第２の点列データと、を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された前記第１の点列データと前記第２の点列データとの差分をとる差分手段と、前記差分手段による差分の結果に基づいて、前記切削加工後に残存する前記肉盛層の厚さを計算し、前記切削加工後にバルブシート下穴の母材が露出するか否かを判断する母材露出判断手段と、を有することを特徴とする。
【００１９】
さらに、上記のバルブ面検査装置は、前記補正手段によって補正された点列データの芯振れの量に基づいてバルブシートの位置精度を算出する位置精度算出手段を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明に係るバルブ面検査方法は、バルブシート下穴にレーザー溶接により肉盛層を形成し、切削加工する際のバルブシート面検査方法であって、スリット光源および視認手段をバルブシートの中心を回転軸として回転するとともに、スリット光源によってバルブシート面にスリット光を照射し、スリット光がバルブシート面に当たって形成される光切断線を前記視認手段によって視認し、視認された光切断線に基づいて点列データに変換し、バルブシート面にスリット光が斜めに照射されることによる前記点列データの歪みを補正するものであり、予め寸法が明らかとなっているマスターワークを視認して得られた補正後の点列データである第１の点列データと、前記切削加工前のバルブシート面を視認して得られた補正後の点列データである第２の点列データと、を記憶する段階と、前記記憶された前記第１の点列データと前記第２の点列データとの差分をとる段階と、前記差分の結果に基づいて、前記切削加工によって削り取られる肉盛層の厚さを計算し、前記切削加工後に肉盛層の厚さが不十分な部分が発生するか否かを判断する段階と、を有することを特徴とする。
本発明に係るバルブ面検査方法は、バルブシート下穴にレーザー溶接により肉盛層を形成し、切削加工する際のバルブシート面検査方法であって、スリット光源および視認手段をバルブシートの中心を回転軸として回転するとともに、スリット光源によってバルブシート面にスリット光を照射し、スリット光がバルブシート面に当たって形成される光切断線を前記視認手段によって視認し、視認された光切断線に基づいて点列データに変換し、バルブシート面にスリット光が斜めに照射されることによる前記点列データの歪みを補正するものであり、予め寸法が明らかとなっているマスターワークを視認して得られた補正後の点列データである第１の点列データと、前記肉盛層の形成前のバルブシート下穴を視認して得られた補正後の第２の点列データと、を記憶する段階と、前記記憶された前記第１の点列データと前記第２の点列データとの差分をとる段階と、前記差分の結果に基づいて、前記切削加工後に残存する前記肉盛層の厚さを計算し、前記切削加工後にバルブシート下穴の母材が露出するか否かを判断する段階と、を有することを特徴とする。
【００２５】
【発明の効果】
請求項１および４に記載の発明によれば、予め寸法が明らかとなっているマスターワークを視認して得られた補正後の点列データである第１の点列データと、前記切削加工前のバルブシート面を視認して得られた補正後の点列データである第２の点列データとを記憶し、記憶された前記第１の点列データと前記第２の点列データとの差分をとり、差分の結果に基づいて、前記切削加工によって削り取られる肉盛層の厚さを計算し、前記切削加工後に肉盛層の厚さが不十分な部分が発生するか否かを判断するので、切削加工の際に削り取られる肉盛層の厚さを正確に予想でき、また、形成された肉盛層の厚さが十分でない場合をいちはやく判断できる。したがって、削り取られる肉盛層の厚さが必要以上に多いことを避けて、肉盛層に使用される材料を無駄に消費することを防止し、熱歪みの発生を防止してバルブシートの製作時の不具合を軽減できる。さらに、肉盛層の厚さが不十分である場合の最終的な窪みの発生を防止することができる。
【００２６】
請求項２および５に記載の発明によれば、予め寸法が明らかとなっているマスターワークを視認して得られた補正後の点列データである第１の点列データと、前記切削加工前のバルブシート面を視認して得られた補正後の点列データである第２の点列データとを記憶し、記憶された前記第１の点列データと前記第２の点列データとの差分をとり、差分の結果に基づいて、前記切削加工後に残存する肉盛層の厚さを計算し、前記切削加工後にバルブシート下穴の母材が露出するか否かを判断するので、肉盛層の形成や最終的な切削加工の前に、母材が露出する否かを判断することができ、バルブシート下穴作製時点で、良否の決定をすることができ、早い時点でバルブシート下穴の作成工程の不具合を発見できる。また、バルブシート面における肉盛層の最終的な厚さについての知見を得ることができる。
【００２７】
請求項３に記載の発明によれば、前記補正手段によって補正された点列データの芯振れの量に基づいてバルブシートの位置精度を算出する位置精度算出手段を有するので、バルブシートの位置精度を簡便に検査することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面にしたがって、本発明の一実施形態を詳細に説明する。
【００３０】
図１は、本発明の一実施形態であるバルブシート面検査装置の概略図を示す。バルブシート面検査装置は、センサヘッド１０を有する。センサヘッド１０は、光切断式センサのヘッドであり、検査するバルブシート面にスリット光を照射して生ずる切断線を光源とは異なる方向からビデオカメラ等の視認部で視認することによってバルブシート面の高さ、凸凹等を測定する。
【００３１】
また、バルブシート面検査装置には、センサヘッド１０と検査対象であるシリンダヘッド１００との相対的な位置関係を調整するための位置調整部２０が備えられている。この位置調整部２０は、センサヘッド１０の位置を３軸方向に移動することができ、センサヘッド１０の回転軸とシリンダヘッド１００のバルブシートの中心軸とを合わせることができる。また、センサヘッド１０が取り付けられた回転駆動部３０は、バルブシートの中心軸を回転軸として、センサヘッド１０をシリンダヘッド１００のバルブシート面に対して相対的に回転移動する。
【００３２】
なお、シリンダヘッド１００を保持するために治具７０や作業台８０が備えられている。作業台８０はシム調整機構２２を有しており、シリンダヘッド１００の角度を調節することができる。
【００３３】
バルブシート面検査装置は、制御部６０を備える。制御部６０は、センサヘッド１０によって検出された切断線の画像データに基づいて各種のデータ変換および補正を行うとともに、位置調整部２０や回転駆動部３０等の制御を行う。制御部６０は、パーソナルコンピュータやエンジニアリングワークステーション等のコンピュータを用いて構成することができ、センサヘッド１０や位置調整部２０に接続される。
【００３４】
さらに、指示を行うためのデータを入力する入力部４０、およびバルブシート面検査装置の検査結果等を表示する表示部５０が制御部６０に接続されている。
【００３５】
図２は、センサヘッド１０の構成例を示す概略図である。
【００３６】
センサヘッド１０は、スリット光９０を照射するスリット光源部１２とスリット光の画像を捉えるための視認部１４とを有する。スリット光源部１２は、スリット光９０を照射する。照射されるスリット光９０は、断面が一方向に伸張された光であり、検査するワークの面（つまり、バルブシート面）の法線方向に対してθｓの角度をなすように斜めに照射される。このような配置の結果、視認部１４の視野が十分に確保される。なお、スリット光源部１２は、レーザー光源等で構成することができる。
【００３７】
視認部１４は、ワークにスリット光９０を照射して生ずる切断線９２をスリット光の光軸とは異なる方向から観測するための手段であり、ビデオカメラ、イメージセンサ、その他撮像手段が含まれる。精度を高める上では、スリット光源部１２の光軸と視認部１４の軸とは９０度になるように設計することができる。
【００３８】
図３は、バルブシート面検査装置の機能を説明するためのブロック図である。
【００３９】
上述したようにスリット光源部１２と視認部１４とはセンサヘッド１０を構成する。また、センサヘッド１０の回転軸とバルブシートの中心軸とが正確に一致するように位置調整部２０によって調節された後、回転駆動部３０は、スリット光源部１２と視認部１４が一体となったセンサヘッド１０をバルブシート面に対して相対的に回転移動する。視認部１４は、スリット光を照射して生ずる切断線９２をバルブシート面の各地点で観測し、観測された切断線９２の画像データは、制御部６０に出力される。
【００４０】
制御部６０は、以下の機能を有する。
【００４１】
点列データ変換部６１は、視野部１４から入力された画像データを点列データに変換する。点列データは、バルブシート面上の各観測地点毎の断面形状を示すものである。点列データは、バルブシートの全周に渡って作成される。
【００４２】
歪み補正部６２は、点列データ変換部６１によって変換された点列データの歪を補正するものである。本発明のバルブシート面検査装置におけるスリット光源部１２は、バルブシート面の法線方向に対してθｓの角度をなすように斜めにスリット光９０を照射するものであるため、スリット光９０の切断線９２の画像が歪む。その結果、切断線９２の画像データを点列データに変換しただけでは、正確な断面形状を示すことができない。したがって、歪み補正部６２は、正確な断面形状を表示できるように、補正計算を行い、点列データを補正する。
【００４３】
第１記憶部６３および第２記憶部６４は、各々、測定された断面形状を示す補正された点列データを記憶するメモリである。例えば、第１記憶部６３は、仕上げ加工を施して正確な形状に加工された良品のバルブシート面の断面形状を示す点列データを基準値として記憶する。一方、第２記憶部６４は、不良判別を行うために検査する各々のバルブシート面の断面形状を示す点列データを記憶する。さらに、第１記憶部６３および第２記憶部６４は、センサヘッド１０を構成しているスリット光源部１２および視認部１４の回転軸の位置を記憶しておくこともできる。なお、１つのメモリ素子のメモリ領域を２つに分けて、各メモリ領域を第１記憶部６３と第２記憶部６４として使用することもできる。
【００４４】
差分計算部６５は、第１記憶部６３に記憶されている点列データと、第２記憶部６４に記憶されている点列データとの差分をとるものである。例えば、差分計算部６５は、検査をするバルブシート面の断面形状を示す補正された点列データと、基準値として記憶されている仕上げ処理後のバルブシート面に関する点列データとの差分をとる。差分計算部６５による差分計算の結果に基づいて、判断部６７は、肉盛層の厚さ、欠肉が生じるか否か、および仕上げ処理によって母材が露出するか否か等の判断を行う。
【００４５】
なお、判断部６７による判断結果は、表示部５０に表示することができ、肉盛層の厚さ等の算出結果は表示部５０にグラフィック表示することができる。また、制御部６０には、位置調整部２０や回転駆動部３０を制御する駆動制御部６６が備えられている。
【００４６】
以上のように構成されるバルブシート面検査装置を実際にバルブシート面の検査に適用した実施形態を説明する。
【００４７】
図４は、検査の対象となるシリンダヘッド１００の底面図である。シリンダヘッド１００には、給気ポート１１２と排気ポート１１４が設けられている。給気ポート１１２と排気ポート１１４は、各々環状をしたバルブシート１１０を備えている。但し、給気ポート１１２と排気ポート１１４とでは、そのバルブシート１１０の径が異なっていてもよい。
【００４８】
この環状をしたバルブシート１１０は、シリンダーピストン機構の中でも、精度および耐磨耗性が要求される重要な部分である。そのため、本発明は、バルブシート１１０の全周に渡ってバルブシート１１０の面を検査する。したがって、図５に示すように、バルブシート１１０の中心軸とセンサヘッド１０の回転軸とが一致するように調整され、センサヘッド１０（すなわちスリット光源部１２と視認部１４とが一体的に構成されたもの）がバルブシート１１０の面に対して相対的に回転移動される。その結果、バルブシート１１０の周上の各地点におけるバルブシート１１０の断面形状を示す点列データを得ることができる。
【００４９】
図６は、検査される各バルブシート１１０の断面形状を模式的に示した図である。バルブシート１１０の面（以下、「バルブシート面」という）は、その各工程毎に種々の断面形状を持つ。
【００５０】
図６（Ａ）に示すように、バルブシート１１０は、アルミニウム等の金属を鋳造して所定の素材形状を持つように形成されたバルブシート下穴（母材）１２０の上に、耐磨耗性の高い金属のビードを肉盛して肉盛層１２２を形成したグリッド構造を持つ。したがって、バルブシート面は、丸みをおびた曲面となることが多い。
【００５１】
次に図６（Ｂ）に示すように、肉盛層１２２が形成されたバルブシート１１０が基準面１２６、１２８等にしたがって仕上げ加工され、寸法通りに仕上げ加工されたワーク１２４が作成される。
【００５２】
図６（Ｃ）は、肉盛層１２２が形成されたバルブシート１１０の断面形状と、正確に所定の寸法通りに仕上げ加工されたバルブシートの断面形状（基準面１２６、１２８）とを比較した様子を示す。肉盛層１２２の高さが、基準面１２６、１２８よりも低い部分は、欠肉１３０であり、仕上げ加工された後に窪みとなる。また、肉盛層１２２の高さから、仕上げ加工後のバルブシート面の高さ（基準面１２６および１２８）を差し引いた差分は、仕上げ加工によって削り取られる肉盛層１２２の厚みを示す。
【００５３】
以上のように、バルブシート１１０の断面形状を測定し、寸法通り仕上げ加工されたバルブシートの断面形状（基準面１２６、１２８）と比較することによって、欠肉の有無や、仕上げ加工によって削り取られる肉盛層１２２の厚さ等を検査することができる。
【００５４】
しかしながら、バルブシート面が平面ではなく、面上の位置によって高さが変化する曲面であることから、面の法線方向からθｓの角度を持って斜めにスリット光９０を照射する場合、そのまま切断線９２を観測したのみでは、画像が歪んでしまって高さ方向の測定値を正確に求めることが難しい。
【００５５】
図７および図８は、バルブシート面の法線方向とθｓの角度をなすように斜めにスリット光９０が照射される場合の画像の歪みの内容を示す。
【００５６】
図７（Ａ）は、バルブシート面に垂直にスリット光９０が照射される場合を示す。図７（Ｂ）は、バルブシート面上の切断線９２の画像データを断面形状を示す点列データに変換した結果を示す。縦軸が、バルブシート１１０の面の高さ（変位）を表している。
【００５７】
一方、図８（Ａ）は、バルブシート面の法線方向とθｓの角度をなすように斜めにスリット光９０が照射される場合を示す。図８（Ｂ）は、バルブシート面上の切断線９２の画像を断面形状を示す点列データに変換した結果を示す。
【００５８】
図７（Ｂ）と図８（Ｂ）とを比較すると、バルブシート面１１０の法線方向に対してθｓの角度をなすように斜めにスリット光９０が照射された場合、幅方向の値（図中の横軸）は変化しないが、高さ方向の値（図中の縦軸）が誇張される。さらに、バルブシート１１０の曲面上の高さに依存して歪みの具合が異なるため、図７（Ｂ）と図８（Ｂ）に示された断面形状は、相似形にならない。このため、バルブシート面のような曲面に対して斜めにスリット光９０を照射して断面形状を観察する際には、画像が非線形的に画像が歪み、正確な断面形状を検出することが困難となる。本発明のバルブシート面検査装置は、この歪みを補正するために歪み補正部６２を備えている。以下、この歪み補正部６２による補正の内容について説明する。
【００５９】
図９、図１０、および図１１は、歪み補正部６２による補正の内容を説明するための説明図である。
【００６０】
＜検査対象物の面に対して斜めにスリット光が照射されることの考慮＞
図９は、対象物の変位（例えば、バルブシート面の「高さ」に相当する）の基準値ｒmに対して±Δｒの変化（段差）がある場合を模式的に示している。
【００６１】
図中、基準値となる変位、および、基準値よりΔｒだけ大きい変位、ならびに基準値よりΔｒだけ低い変位は、それぞれ同心円で表されている。
【００６２】
この検査対象物の面の法線方向に対してθｓの角度だけ傾いてスリット光９０が照射される場合、基準となる半径ｒmの円に対して半径がΔｒだけ小さい円で観測される変位をΔｄｓ1とし、基準となる半径ｒmの円に対して半径がΔｒだけ大きい円で観察される変位をΔｄＳ2とすると、図に示したように｜Δｄｓ1｜＞｜Δｄｓ2｜となる。
【００６３】
観測された変位から実際の円の半径ｒ（ｒ＝ｒm＋Δｒ）を補正計算する式を求める。
【００６４】
観測される変位を図中のｄ軸上に表す。半径ｒmの円でセンサヘッド１０によって観測される変位をｄ0とし、半径ｒ（＝ｒm＋Δｒ）の円でセンサヘッド１０によって観測される変位をｄ（＝ｄ0＋Δｄｓ2）とする。
【００６５】
直角三角形αβγに着目すると、幾何学的に、実際の半径ｒは、式１のように導き出せる。
【００６６】
【数１】
【００６７】
したがって、実際の変位（段差）Δｒは、式２のように導き出せる。
【００６８】
【数２】
【００６９】
＜センサが下向きに４５度の迎角をもっていることの考慮＞
バルブシートを測定する場合、センサヘッド１０は、下向きに４５度の迎角を持っている。したがって、図９で求めた補正計算式を適用するために、センサヘッド１０が下向きに４５度の迎角を持っていることに基づく修正を加える必要がある。
【００７０】
図１０はバルブシート面を測定する場合のバルブシート１１０とセンサヘッド１０との位置関係を模式的に示す図であり、バルブシート１１０の中心軸方向に沿った断面図である。
【００７１】
図１０において、センサヘッド１０の迎角は４５度である。ｒ0は、センサヘッド１０からバルブシート面（より、正確にはバルブシート面は幅を持つので、センサヘッド１０の光軸中心が位置するバルブシート面上の位置）までのスリット光９０の光軸に沿った距離（以下、「スタンドオフ」という）である。また、Ｒ0は、バルブシート１１０の半径である（より正確には、バルブシート１１０の面は、幅を持つので、センサヘッド１０の光軸中心が位置するバルブシート面上の位置とバルブシートの中心軸との距離をＲ0とする）。また、バルブシート面の法線方向、すなわち、肉盛の盛り上がり方向をｄ方向とする。なお、センサヘッド１０のセンサ光軸はとｄ方向に対してθｓの角度を持つ。また、ｌは、バルブシート面におけるセンサヘッド１０の光軸の中心を０としたときののスリット光断面伸長方向に沿った距離であり、バルブシート１１０の外周に向かう方向を正にとっている。
【００７２】
また、バルブシート１１０の中心軸に向かう半径方向をＲ方向とし、上述のようにバルブシート面の法線方向（すなわち、バルブシートの軸に沿った断面における斜面に直交する方向）をｄ方向とし、スリット光９０の断面伸長方向をｌ方向とする。
【００７３】
図９で説明した補正計算の結果を使用するために、観測される位置ｄやθｓのＲ方向への寄与分を求める。
【００７４】
バルブシート面に対し観測されるｄ方向に沿った位置をｄ0とすると、その位置の変化ΔｄのＲ方向への寄与率は、１／√２である。したがって、式１および式２のｒmをＲ0とし、ｄ−ｄ0を（ｄ−ｄ0）／√２と置き換えることができる。
【００７５】
また、図１１に示したように、Ｒ方向から見た法線（図９でいう円の接線と直交する線）とスリット光９０とのなす角度θｓ′と、ｄ方向から見た法線（図９でいう円の接線と直交する線、すなわちバルブシート面の盛り上がり方向の法線）とスリット光９０とのなす角度θｓとの関係は、式３および式４によって表される。
【００７６】
【数３】
【００７７】
【数４】
【００７８】
式３および式４におけるＲ方向から見たスリット光９０の成す角度θｓ′が図９におけるθｓに該当する。したがって、式１および式２のｓｉｎθｓおよびｃｏｓθｓをｓｉｎθｓ′およびｃｏｓθｓ′で置き換えることで、以下の補正式が成り立つ。
【００７９】
但し、基準となる実際の円の半径は、ｌ方向の位置、すなわち、スリット光９０の断面伸長方向に沿った位置によって変化する。この点を考慮して、Ｒ0を（ｒ0＋ｌ）／√２と置き換える。また最終的に知りたいのは、バルブシート面の肉盛等の盛り上がり方向、すなわちｄ方向の変位であるΔｒであり、Δｒは、Δｒ＝√２ΔＲと表される。
【００８０】
これらの結果を利用することによって、変位Δｒは、式５のように導き出される。
【００８１】
【数５】
【００８２】
したがって、歪み補正部６２は、式５にしたがって、点列データを補正し、正確な断面形状を算出することができる。
【００８３】
以上のように構成されるバルブシート面検査装置を用いて、各種の検査を行うためには、センサヘッド１０を回転させる回転軸等の初期調整（キャリブレーション）を行う必要がある。図１２および図１３に初期調整をする場合の概略構成を示す。
【００８４】
キャリブレーションを行う場合、キャリブレーション用マスターピース１４０が測定される。
【００８５】
キャリブレーション用マスターピース１４０は、精度が確かめられたワークである。バルブシート面検査装置は、スピンドル３３を備えており、通常はスピンドル３３にはセンサヘッド１０が取り付けられている。ただし、バルブシート面検査装置は、センサヘッド１０の代わりにマスターヘッド３４を取り付けることができる。マスターヘッド３４にはゲージＡ３５、およびゲージＢ３６が取り付けられており、駆動制御部６６等によって、ゲージＡ３５およびゲージＢ３６の目盛りを自動的に読み込むことによって、面振や偏心がないように調整する。
【００８６】
次に、マスターヘッド３４に代えて、センサヘッド１０を装着し、キャリブレーション用マスターピース１４０の傾斜面１４１およびエッジ部分１４２の位置を測定する。この測定結果を基にして、センサヘッド１０のオフセット（Ｘｓ，Ｙｓ、Ｚｓ、θｓ）を調整する。以上のようにセンサヘッド１０とマスターヘッド３４を着脱自在に構成することによって、初期調整の処理が容易になる。
【００８７】
初期調整を行った後、各種の検査を行うモードに入る。
【００８８】
バルブシート面検査装置は、複数種類の検査に使用することができる。具体的には、仕上げ加工によって削り取られる肉盛層１２２の厚さ、欠肉１３０の有無の判断、仕上げ加工後に残る肉盛層１２２の厚さ、仕上げ加工後にシート面に母材が露出するか否かの判断、および、バルブシート下穴の位置精度についての検査を行うことができる。
【００８９】
＜仕上げ加工で削り取られる肉盛層の厚さ、および欠肉の有無の判断＞
図１４は、仕上げ加工で削り取られる肉盛層１２２の厚さの推定、および欠肉１３０の有無の判断を行う測定内容を説明するためのバルブシート１１０の断面図である
バルブシート１１０の構成は、母材を鋳造して所定の素材形状を持つようにバルブシート下穴１２０を形成した段階（肉盛前の段階）、肉盛して肉盛層１２２を形成した段階、および、肉盛層１２２を所定の形状になるように仕上げ加工（切削加工）して最終的な形状１２４となった段階によって異なる。
【００９０】
バルブシート面検査装置は、まず、正確に所定寸法通りに仕上げ加工されていることが確認されているワーク（以下、「マスターワーク」と称する）のバルブシート面を測定する。すなわち、図１４に示される最終的な製品の形状１２４が測定される。測定は、バルブシート１１０の全周および全幅に渡って行われる。
【００９１】
マスターワークのバルブシート面の測定結果、すなわち断面形状を示す点列データは、第１記憶部６３に記憶される。
【００９２】
一方、肉盛層１２２の形成されたバルブシート面が測定される。測定は、マスターワークのバルブシート面の測定と同様に行われる。肉盛層１２２が形成されたバルブシート面の測定結果、すなわち断面形状を示す点列データは、第２記憶部６４に一時記憶される。
【００９３】
図１５は、マスターワークのバルブシート面の測定結果と肉盛層１２２の形成されたバルブシート面の測定結果を示す。なお、マスターワークのバルブシート面の断面形状は、台形形状をしている。したがって、マスターワークのバルブシート面の測定領域は、区間１（斜辺部）、区間２（上底部）、および区間３（斜辺部）に分けられ、それぞれの領域における測定結果は、基準面１２６、１２７、および１２８で表される。
【００９４】
一方、肉盛層１２２の形成されたバルブシート面の測定結果１２２ａは、マスターワークのバルブシート面の測定結果（基準面１２６、１２７、１２８）と比較される。
【００９５】
図１６は、マスターワークのバルブシート面の測定結果と肉盛層１２２が形成されたバルブシート面の測定結果とを比較して説明するための図である。
【００９６】
肉盛層１２２の形成されたバルブシート面は、仕上げ加工によって、最終的な形状１２４、すなわち、マスターワークの面まで切削される。したがって、肉盛層１２２の形成されたバルブシート面の測定結果（点列データ）１２２ａから、マスターワークのバルブシート面の測定結果の基準面１２６、１２７、および１２８（点列データ）の値を差し引いた値（図中の矢印で示した値）が、仕上げ加工によって、削り取られる肉盛層１２２の厚さである。
【００９７】
一方、差し引いた値が負である部分、すなわち、肉盛層１２２の形成されたバルブシート面の測定結果１２２ａが、もともとマスターワークのバルブシート面の測定結果の基準面１２６、１２７、１２８の値よりも小さい部分は、欠肉１３０となる。バルブシート面が最終的にマスターワークのバルブシート面の基準面１２６、１２７、１２８に仕上げ加工される場合、欠肉１３０の部分は肉盛層１２２の厚さが不十分であるため最終的にバルブシート面に窪みが生じることになる。
【００９８】
なお、削り取られる肉盛層１２２の厚さの推定、および、欠肉部分１３０の有無の判断は、区間１、区間２、および区間３の各区間毎に行うことができる。
【００９９】
以上のように、マスターワークのバルブシート面の断面形状を示す点列データ（基準面１２６、１２７、１２８のデータ）を記憶しておき、肉盛層１２２の形成された（仕上げ加工前の）バルブシート面の断面形状を示す点列データ（測定値１２２ａ）との差分をとることによって、仕上げ加工によって削り取られる肉盛層の厚さ、および欠肉１３０の有無が判断できる。
【０１００】
＜仕上げ加工後に残る肉厚層の厚さ、仕上げ加工後にシート面に母材が露出するか否かの判断＞
図１７は、仕上げ加工後に残る肉盛層１２２の厚さの推定、仕上げ加工後にシート面に母材が露出するか否かの判断を行う測定内容を説明するためのバルブシート１１０の断面図である。
【０１０１】
図１７には、母材を鋳造して所定の素材形状を持つようにバルブシート下穴が形成された段階（肉盛層の形成前）のバルブシート面の形状が符号１２０ａで示されている。図１７に示した、バルブシート下穴を形成した段階（肉盛層の形成前）のバルブシート形状１２０ａは、形状不良を起こしており、本来の形状１２０ｂに比べて位置がずれている。
【０１０２】
バルブシート面検査装置は、マスターワークのバルブシート面の形状を測定し、その測定結果を第１記憶部６３に記憶する点は図１４に示した場合と同様である。図１４に示したように、仕上げ加工で削り取られる肉盛層１２２の厚さや欠肉１３０の有無の判断を行う場合は、マスターワークの測定結果と肉盛層１２２が形成されたバルブシート面の測定結果とを比較したが、本測定では、マスターワークの測定結果とバルブシート下穴が形成された（肉盛層１２２の形成前の）バルブシート面の測定結果と比較する。
【０１０３】
図１８は、マスターワークのバルブシート面の測定結果と肉盛層１２２の形成前のバルブシート面の測定結果とを比較して説明するための図である。
【０１０４】
バルブシート下穴が形成された（肉盛層１２２の形成前の）バルブシート面の測定結果１２０ａ、および、マスターワークのバルブシート面の測定結果（基準面１２６、１２７、１２８）が示されている。
【０１０５】
マスターワークのバルブシート面の測定結果である点列データ（基準面１２６、１２７、１２８）から、バルブシート下穴形成後（肉盛層１２２の形成前）のバルブシート面の測定結果である点列データ１２０ａを差し引いた値が、仕上げ加工後に残存する肉盛層１２２の厚さとなる。また、差し引いた値が負である部分、すなわち、マスターワークのバルブシート面の測定結果（基準面１２６、１２７、１２８の値）が、バルブシート下穴形成後（肉盛層１２２の形成前）のバルブシート面の測定結果１２０ａよりも小さい部分は、仕上げ加工によって、肉盛層がすべて削り取られてしまい、母材が表面に露出する部分となる。
【０１０６】
以上のように、マスターワークのバルブシート面の測定結果である点列データ（基準面）、および、バルブシート下穴形成後（肉盛層１２２の形成前）のバルブシート面の測定結果である点列データとの差分をとることによって、仕上げ加工後に残る肉盛層の値を推定することができ、また、仕上げ加工後に母材が露出するか否かを判断することができる。
【０１０７】
＜バルブシート下穴の位置精度についての検査＞
バルブシート下穴形成後のバルブシート面を全周、全幅に渡って測定する。測定結果である点列データによって芯振れの程度を観測でき、芯振れ量から、バルブシート下穴の位置精度を算出することができる。図１９に測定結果例を示す。
【０１０８】
以上のように構成され、バルブシート面の各種検査および検査を行うことができるバルブシート面検査装置の処理内容をフローチャートにしたがって説明する。
【０１０９】
図２０は、バルブシート面の形状測定処理について示すフローチャートである。
【０１１０】
まず、位置調節部２０は、センサヘッド１０の回転軸とバルブシート１１０の中心軸とを確実に合わせるように初期調整を行う。初期調整は、キャリブレーション用マスターピース１４０を測定することよって行うことができる。回転駆動部３０を構成しているスピンドル３３は、センサヘッド１０の変わりにマスターヘッド３４を装着することができるように構成される。ゲージＡ３５およびゲージＢ３６が取り付けられているマスターヘッドをスピンドル３３に装着し、ゲージの値を駆動制御部６６で検出する。この検出結果に応じて、位置調整部２０は、３軸方向にセンサ位置を移動して位置調整を行う。これによって、センサヘッド１０の回転軸とバルブシート１１０の中心軸とが一致し、面振や偏心が防止される。 さらに、マスターヘッド３４に代えてセンサヘッド１０が装着され、キャリブレーション用マスターピース１３０の傾斜面１４１およびエッジ部１４２の位置が測定される。また、スリット光源部１２の中心位置、および照射されるスリット光９０の照射角度θｓが設定される。
【０１１１】
初期調整の後、バルブシート面検査装置には、検査対象となるシリンダーヘッド１００が装着される。シリンダヘッド１００は、治具７０および作業台８０によって固定される（Ｓ２０）。
【０１１２】
センサヘッド１０のスリット光源部１２からスリット光９０がシリンダーヘッド１００のバルブシート面に対して照射される（Ｓ３０）。スリット光９０は、断面形状が一方向に伸長された光である。スリット光源部１２は、スリット光９０をバルブシート面の法線方向に対してθｓの角度を持って斜めに照射する。この結果、スリット光源部と一体に取り付けられている視認部１４の視野が広くとることができ、バルブシートのエッジ付近の構造物によって視認部１４の視野が遮られることが防止される。この結果、バルブシート面１１０の全周に渡って測定することが容易になる。
【０１１３】
次に視認部１４は、バルブシート面にスリット光９０が照射されることによって生ずる切断線９２をスリット光の光軸とは異なる方向から観測し、観測された切断線９２の画像データは、点列データ変換部６１によって、断面形状を示す点列データに変換される（Ｓ４０）。但し、バルブシート面の法線方向に対してθｓの角度をなすように斜めにスリット光９０が照射される関係上、非線形的に画像が歪み、点列データにも歪みが生じる。したがって、歪み補正部６２は、点列データ変換部６１によって変換された点列データの歪みを補正する（Ｓ５０）。歪みの補正は、バルブシート面の高さに依存した歪みの非線形的変化、およびセンサヘッド１０の迎角を考慮した補正計算式にしたがってなされる。
【０１１４】
歪みが補正された点列データは、測定結果として、第１記憶部６３または第２記憶部６４に記憶される（Ｓ６０）。
【０１１５】
こうして、マスターワークのバルブシート面、肉盛層１２２の形成後のバルブシート面、および、バルブシート下穴形成後（肉盛層１２２の形成前）のバルブシート面の断面形状が測定される。
【０１１６】
図２１は、仕上げ加工で削り取られる肉盛層の厚さ、および欠肉欠陥の有無を判断する処理を示すフローチャートである。
【０１１７】
最初に、図２０に示したフローチャートにしたがって、マスターワークのバルブシートの形状測定がされる（Ｓ１０１）。このマスターワークのバルブシート面の測定結果である補正された点列データとセンサヘッド１０の回転軸の位置とが第１記憶部６３に記録される（Ｓ１０２）。
【０１１８】
次に、肉盛層１２２が形成されたバルブシート面の測定がされる（Ｓ１０３）。測定結果である補正された点列データは第２記憶部６４に記憶される。なお、肉盛層１２２が形成されたバルブシート面の測定の際のセンサヘッド１０の回転軸の位置は、第１記憶部６３に記憶されているマスターワークのバルブシート面測定時の回転軸の位置と一致するように設定される。
【０１１９】
差分計算部６５は、肉盛層１２２が形成されたバルブシート面の測定結果１２２ａとマスターワークのバルブシート面の測定結果（基準線１２６、１２７、１２８の値）を比較する（Ｓ１０４）。肉盛層１２２が形成されたバルブシート面の測定結果１２２ａから、マスターワークのバルブシート面の測定結果（基準線１２６、１２７、１２８）を差し引いた値が仕上げ加工で削り取られる肉盛層の厚さとなる（Ｓ１０５）。
【０１２０】
また、判断部６７は、差分の結果に基いて、肉盛層１２２が形成されたバルブシート面の測定結果１２２ａがマスターワークのバルブシート面の測定結果（基準線１２６、１２７、１２８）よりも小さい部分、すなわち、肉盛層１２２の形成されたバルブシート面の高さがマスターワークのバルブシート面の高さより低い部分があるか否かを判断する（Ｓ１０６）。その結果、肉盛層１２２が形成されたバルブシート面の高さがマスターワークのバルブシート面の高さより低い部分がない場合、判断部６７は、欠肉１３０がない旨を判断される（Ｓ１０７）。一方、肉盛層１２２の形成されたバルブシート面の高さががマスターワークのバルブシート面の高さよりも低い部分がある場合、判断部６７は、欠肉不良がある旨を判断する（Ｓ１０８）。
【０１２１】
最終的に算出された削り取られる肉盛層１２２の厚さ、および、欠肉１３０の有無の判断結果が、表示部５０に表示される（Ｓ１０９）。
【０１２２】
これによって、バルブシート面の肉盛層１２２の管理を適切に行うことができる。
【０１２３】
図２２は、仕上げ加工後に残存する肉盛層１２２の厚さ、母材露出部分の有無、および、バルブシート下穴の位置精度をを判断する処理を示すフローチャートである。
【０１２４】
最初にマスターワークのバルブシートの形状測定がされ、その測定結果と回転軸の位置とが第１記憶部６３に記憶される点は、図２１の場合と同様である（Ｓ２０１、Ｓ２０２）。なお、測定結果は、マスターワークのバルブシートの断面形状を示す点列データであり、歪み補正部６２によって補正されたものである。
【０１２５】
次にバルブシート下穴の形成後（肉盛層１２２の形成前）のバルブシート面（母材の素材形状）が測定される（Ｓ２０３）。測定結果は第２記憶部６４に記憶される。
【０１２６】
差分計算部６５は、マスターワークのバルブシート面の測定結果（基準線１２６、１２７、１２８の値）と下穴形成後（肉盛層１２２の形成前）のバルブシート面の測定結果１２０ａとを比較する（Ｓ２０４）。実際は、マスターワークのバルブシート面の測定結果（基準線１２６、１２７、１２８）の値から、下穴形成後（肉盛層１２２の形成前）のバルブシート面の測定結果１２０ａの値を差し引いた値が仕上げ加工後に残存する肉盛層１２２の厚さとなる。
【０１２７】
また、判断部６７は、差分の結果に基いて、マスターワークのバルブシート面の測定結果１２２ａが、下穴形成後（肉盛層１２２の形成前）のワークのバルブシート面の測定結果１２０ａよりも小さいか否か、すなわち、下穴形成後のバルブシート面の高さがマスターワークのバルブシート面の高さよりも高い部分があるか否かを判断する（Ｓ２０５）。その結果、下穴形成後のワークのバルブシート面の高さがマスターワークのバルブシート面の高さより高い部分がある場合は、仕上げ加工によって、肉盛層がすべて削り取られて母材が露出することになると判断する（Ｓ２０６）。
【０１２８】
また、下穴形成後のバルブシート面を全周に渡って測定した結果を基にして、芯振れ量を算出し、芯振れ量から下穴位置の精度を算出する（Ｓ２０７、Ｓ２０８）。判断部６７は、算出結果を基にして下穴形状の位置精度が所定値よりも低いか否かを判断する。位置精度が所定値に達していない場合は、下穴位置不良と判断し（Ｓ２０９、Ｓ２１０）、位置精度が所定値よりも高精度であれば、良品と判断する（Ｓ２０９、Ｓ２１１）。
【０１２９】
判断結果は、表示部５０に表示される（Ｓ２１２）。これによって、バルブシートの下穴形成工程の管理を適切に行うことができる。
【０１３０】
以上の説明から明らかなように、本実施の形態は、スリット光源部１２と視認部１４とからなる光切断式センサのセンサヘッド１０を用いて、バルブシート面の検査、検査を行うことができるものであり、スリット光９０をバルブシート面に垂直に照射する必要をなくすことで、視認部１４の視野を広くとることを可能とするものである。さらに、スリット光がバルブシート面に斜めに照射されることに起因する歪みを補正し、正確な断面形状を測定することができるように構成されている。この結果、特に、肉盛層１２２の形成後のバルブシート面のような曲面の形状を検査する場合でも、正確な断面形状を測定することができる。さらに、マスター形状の測定結果を記録しておき、このマスター形状の測定結果との差分をとることで、肉盛層の厚さや欠肉欠陥の有無、および、母材露出不良の有無などを検査、検査できるので、高精度な寸法精度が要求されるバルブシート製作工程を管理するために利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 バルブシート面検査装置の概略図である。
【図２】 センサヘッドの構成例を示す図である。
【図３】 バルブシート面検査装置の機能を示すブロック図である。
【図４】 検査の対象となるシリンダヘッドの底面図である。
【図５】 バルブシートとセンサヘッドの配置関係を示す図である。
【図６】 検査される各工程毎のバルブシートの断面形状を模式的に示した断面図である。
【図７】 バルブシート面に垂直にスリット光が照射される場合の説明図である。
【図８】 バルブシート面に斜めにスリット光が照射される場合の説明図である。
【図９】 歪み補正部における補正の内容を説明するための図である。
【図１０】 補正の内容を説明するためにバルブシートトセンサヘッドの位置関係を示す図である。
【図１１】 補正の内容を説明するための図である。
【図１２】 面芯や偏心を防止するための初期調整時の概略構成を示す図である。
【図１３】 オフセットを調整するための初期調整時の概略構成を示す図である。
【図１４】 仕上げ加工で削り取られる肉盛層の厚さ推定、欠肉の有無の判断を行う測定内容を示すためのバルブシート１１０の断面図である。
【図１５】 マスターワークのバルブシート面および肉盛層の形成されたバルブシート面の測定結果を示す図である。
【図１６】 マスターワークのバルブシート面および肉盛層の形成されたバルブシート面の測定結果を比較する図である。
【図１７】 仕上げ加工後に残る肉盛層の厚さ推定を行う測定内容を示すためのバルブシート１１０の断面図である。
【図１８】 マスターワークのバルブシート面および肉盛層の形成前のバルブシート面の測定結果とを比較する図である。
【図１９】 芯触れ量の測定結果例を示す図である。
【図２０】 バルブシート面の形状測定処理について示すフローチャートである。
【図２１】 仕上げ加工で削り取られる肉盛層の厚さ、および欠肉の有無を判断する処理を示すフローチャートである。
【図２２】 仕上げ加工後に残存する肉盛層の厚さ、母材露出部分の有無等を判断する処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…センサヘッド、
１２…スリット光源部、
１４…視認部、
２０…位置調整部、
２２…シム調整機構
３０…回転駆動部、
３３…スピンドル、
３４…マスターヘッド、
３５、３６…ゲージ、
４０…入力部、
５０…表示部、
６０…制御部、
６１…点列データ変換部、
６２…歪み補正部、
６３…第１記憶部、
６４…第２記憶部、
６５…差分計算部、
６６…駆動制御部、
６７…判断部、
７０…治具、
８０…作業台、
９０…スリット光、
９２…切断線、
１００…シリンダヘッド、
１１０…バルブシート、
１１２…給気ポート、
１１４…排気ポート、
１２０…バルブシート下穴（母材）、
１２２…肉盛層
１２４…寸法通りに仕上げ加工されたワーク（マスターワーク）
１２６、１２７、１２８…基準面、
１３０…欠肉、
１４０…キャリブレーション用マスターピース、
１４１…傾斜面、
１４２…エッジ部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のエンジン等に用いられるシリンダーヘッドのバルブシート面を検査するバルブシート面検査装置に関し、特に、レーザー溶接等によって肉盛された肉盛層の厚みを検査する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリンダーヘッドのバルブシートは、高い寸法精度と耐磨耗性が要求される。従来、シリンダーヘッドのバルブシートは、アルミニウム合金のシリンダーヘッド母体に下穴を機械加工し、その部分に鋳鉄製のリング形状機械加工部品を打ち込み、しかる後、バルブが接合する面を仕上げ加工している。近年、燃焼効率の向上を目的として、打ち込み式のバルブシートに代えて、アルミ合金のシリンダーヘッド母体に、直接、銅合金等の粉末を肉盛りする加工方法が開発されている。
【０００３】
この場合も、その肉盛層が最終的な形状に切削加工（以下「仕上げ加工」という）されることによって、高い寸法精度および耐磨耗性を持つバルブシートが作製される。
【０００４】
このような高性能なバルブシートを作製するためには、肉盛層の厚さ（高さ）を管理することが重要である。例えば、仕上げ加工後の最終的なバルブシート面に対して肉盛層の厚さが十分でない状態（欠肉）は、仕上げ加工後のバルブシート面に窪みを生じさせ、バルブシートの不良に直結する。一方、仕上げ加工の際に削り取られる肉盛層が必要以上に厚すぎることは、肉盛に使用される材料を無駄に消費することになるだけでなく、母材に熱歪みを生じさせ、不具合の発生要因となる。
【０００５】
バルブシートを管理するためには、環状をしたバルブシートの全周、全幅について、肉盛層の厚さを正確に測定する必要がある。
【０００６】
バルブシート面の形状寸法、特に、肉盛層の厚さを測定する技術として、光切断式センサを用いて測定する技術が考えられる。光切断式センサとは、対象にスリット光を照射して生ずる切断線をビデオカメラ等の視認手段で観測することによって対象の高さや凸凹等を検出するセンサである。
【０００７】
光切断式センサを用いて対象の高さを検出する場合、スリット光を斜めに照射すると、切断光が歪んで観測されるため、通常は、スリット光を対象に垂直に照射することによって、正確な断面形状を測定している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、バルブシートについて光切断式センサを用いて検査する場合、スリット光をバルブシート面に垂直に照射する配置が難しいことがある。例えば、スリット光をバルブシート面に垂直に照射するようにスリット光源を配置すると、それに伴ってビデオカメラがシリンダヘッドの面に近付きすぎる場合がある。この場合、ビデオカメラの視野がシリンダヘッドのたてかべ部分等の構造物によって遮られてしまい、バルブシート全周を測定することが困難となるおそれがある。
【０００９】
一方、スリット光をバルブシート面に斜めに照射することによってビデオカメラの視野角度を深くとる配置が可能となり、ビデオカメラの視野を十分に確保できる。ただし、スリット光がバルブシート面に斜めに照射されるため、切断線が歪み、ビデオカメラで観測される画像が非線形的に歪んでしまうという問題を生じる。このため、従来、仕上げ加工後のバルブシート面に対する欠肉欠陥の有無の判断、仕上げ加工後に残る肉盛層の厚さの推定、仕上げ加工後のバルブシート面に露出してしまう母材部分の有無の推定を正確に行うことができない場合があった。
【００１０】
本発明は、このような問題点を解決するために成されたものである。したがって、本発明の目的は、光切断式センサを利用してバルブシート面を検査する場合において、照射されるスリット光をバルブシート面に対して垂直に照射できない場合であっても、バルブシート面の断面形状を正確に測定することができ、仕上げ加工の際に削り取られる肉盛層の厚さの推定、仕上げ加工後のバルブシート面に対する欠肉の有無の判断、仕上げ加工後に残る肉盛層の推定、仕上げ加工後のバルブシート面に露出してしまう母材部分の有無の推定を正確に行うことができるバルブシート面検査技術を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、以下のように構成される。
【００１２】
本発明に係るバルブ面検査装置は、バルブシート下穴にレーザー溶接により肉盛層を形成し、切削加工する際のバルブシート面検査装置であって、バルブシート面にスリット光を照射するスリット光源と、スリット光がバルブシート面に当たって形成される光切断線を視認する視認手段と、バルブシートの中心を回転軸として前記スリット光源および前記視認手段をバルブシート面に対して相対的に回転移動させる駆動手段と、前記視認手段によって視認された光切断線の画像を点列データに変換する点列データ変換手段と、バルブシート面にスリット光が斜めに照射されることによる前記点列データの歪みを補正する補正手段と、予め寸法が明らかとなっているマスターワークを視認して得られた補正後の点列データである第１の点列データと、前記切削加工前のバルブシート面を視認して得られた補正後の点列データである第２の点列データと、を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された前記第１の点列データと前記第２の点列データとの差分をとる差分手段と、前記差分手段による差分の結果に基づいて、前記切削加工によって削り取られる肉盛層の厚さを計算し、前記切削加工後に肉盛層の厚さが不十分な部分が発生するか否かを判断する欠肉判断手段と、を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係るバルブ面検査装置は、バルブシート下穴にレーザー溶接により肉盛層を形成し、切削加工する際のバルブシート面検査装置であって、バルブシート面にスリット光を照射するスリット光源と、スリット光がバルブシート面に当たって形成される光切断線を視認する視認手段と、バルブシートの中心を回転軸として前記スリット光源および前記視認手段をバルブシート面に対して相対的に回転移動させる駆動手段と、前記視認手段によって視認された光切断線の画像を点列データに変換する点列データ変換手段と、バルブシート面にスリット光が斜めに照射されることによる前記点列データの歪みを補正する補正手段と、予め寸法が明らかとなっているマスターワークを視認して得られた補正後の点列データである第１の点列データと、前記肉盛層の形成前のバルブシート下穴を視認して得られた補正後の第２の点列データと、を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された前記第１の点列データと前記第２の点列データとの差分をとる差分手段と、前記差分手段による差分の結果に基づいて、前記切削加工後に残存する前記肉盛層の厚さを計算し、前記切削加工後にバルブシート下穴の母材が露出するか否かを判断する母材露出判断手段と、を有することを特徴とする。
【００１９】
さらに、上記のバルブ面検査装置は、前記補正手段によって補正された点列データの芯振れの量に基づいてバルブシートの位置精度を算出する位置精度算出手段を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明に係るバルブ面検査方法は、バルブシート下穴にレーザー溶接により肉盛層を形成し、切削加工する際のバルブシート面検査方法であって、スリット光源および視認手段をバルブシートの中心を回転軸として回転するとともに、スリット光源によってバルブシート面にスリット光を照射し、スリット光がバルブシート面に当たって形成される光切断線を前記視認手段によって視認し、視認された光切断線に基づいて点列データに変換し、バルブシート面にスリット光が斜めに照射されることによる前記点列データの歪みを補正するものであり、予め寸法が明らかとなっているマスターワークを視認して得られた補正後の点列データである第１の点列データと、前記切削加工前のバルブシート面を視認して得られた補正後の点列データである第２の点列データと、を記憶する段階と、前記記憶された前記第１の点列データと前記第２の点列データとの差分をとる段階と、前記差分の結果に基づいて、前記切削加工によって削り取られる肉盛層の厚さを計算し、前記切削加工後に肉盛層の厚さが不十分な部分が発生するか否かを判断する段階と、を有することを特徴とする。
本発明に係るバルブ面検査方法は、バルブシート下穴にレーザー溶接により肉盛層を形成し、切削加工する際のバルブシート面検査方法であって、スリット光源および視認手段をバルブシートの中心を回転軸として回転するとともに、スリット光源によってバルブシート面にスリット光を照射し、スリット光がバルブシート面に当たって形成される光切断線を前記視認手段によって視認し、視認された光切断線に基づいて点列データに変換し、バルブシート面にスリット光が斜めに照射されることによる前記点列データの歪みを補正するものであり、予め寸法が明らかとなっているマスターワークを視認して得られた補正後の点列データである第１の点列データと、前記肉盛層の形成前のバルブシート下穴を視認して得られた補正後の第２の点列データと、を記憶する段階と、前記記憶された前記第１の点列データと前記第２の点列データとの差分をとる段階と、前記差分の結果に基づいて、前記切削加工後に残存する前記肉盛層の厚さを計算し、前記切削加工後にバルブシート下穴の母材が露出するか否かを判断する段階と、を有することを特徴とする。
【００２５】
【発明の効果】
請求項１および４に記載の発明によれば、予め寸法が明らかとなっているマスターワークを視認して得られた補正後の点列データである第１の点列データと、前記切削加工前のバルブシート面を視認して得られた補正後の点列データである第２の点列データとを記憶し、記憶された前記第１の点列データと前記第２の点列データとの差分をとり、差分の結果に基づいて、前記切削加工によって削り取られる肉盛層の厚さを計算し、前記切削加工後に肉盛層の厚さが不十分な部分が発生するか否かを判断するので、切削加工の際に削り取られる肉盛層の厚さを正確に予想でき、また、形成された肉盛層の厚さが十分でない場合をいちはやく判断できる。したがって、削り取られる肉盛層の厚さが必要以上に多いことを避けて、肉盛層に使用される材料を無駄に消費することを防止し、熱歪みの発生を防止してバルブシートの製作時の不具合を軽減できる。さらに、肉盛層の厚さが不十分である場合の最終的な窪みの発生を防止することができる。
【００２６】
請求項２および５に記載の発明によれば、予め寸法が明らかとなっているマスターワークを視認して得られた補正後の点列データである第１の点列データと、前記切削加工前のバルブシート面を視認して得られた補正後の点列データである第２の点列データとを記憶し、記憶された前記第１の点列データと前記第２の点列データとの差分をとり、差分の結果に基づいて、前記切削加工後に残存する肉盛層の厚さを計算し、前記切削加工後にバルブシート下穴の母材が露出するか否かを判断するので、肉盛層の形成や最終的な切削加工の前に、母材が露出する否かを判断することができ、バルブシート下穴作製時点で、良否の決定をすることができ、早い時点でバルブシート下穴の作成工程の不具合を発見できる。また、バルブシート面における肉盛層の最終的な厚さについての知見を得ることができる。
【００２７】
請求項３に記載の発明によれば、前記補正手段によって補正された点列データの芯振れの量に基づいてバルブシートの位置精度を算出する位置精度算出手段を有するので、バルブシートの位置精度を簡便に検査することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面にしたがって、本発明の一実施形態を詳細に説明する。
【００３０】
図１は、本発明の一実施形態であるバルブシート面検査装置の概略図を示す。バルブシート面検査装置は、センサヘッド１０を有する。センサヘッド１０は、光切断式センサのヘッドであり、検査するバルブシート面にスリット光を照射して生ずる切断線を光源とは異なる方向からビデオカメラ等の視認部で視認することによってバルブシート面の高さ、凸凹等を測定する。
【００３１】
また、バルブシート面検査装置には、センサヘッド１０と検査対象であるシリンダヘッド１００との相対的な位置関係を調整するための位置調整部２０が備えられている。この位置調整部２０は、センサヘッド１０の位置を３軸方向に移動することができ、センサヘッド１０の回転軸とシリンダヘッド１００のバルブシートの中心軸とを合わせることができる。また、センサヘッド１０が取り付けられた回転駆動部３０は、バルブシートの中心軸を回転軸として、センサヘッド１０をシリンダヘッド１００のバルブシート面に対して相対的に回転移動する。
【００３２】
なお、シリンダヘッド１００を保持するために治具７０や作業台８０が備えられている。作業台８０はシム調整機構２２を有しており、シリンダヘッド１００の角度を調節することができる。
【００３３】
バルブシート面検査装置は、制御部６０を備える。制御部６０は、センサヘッド１０によって検出された切断線の画像データに基づいて各種のデータ変換および補正を行うとともに、位置調整部２０や回転駆動部３０等の制御を行う。制御部６０は、パーソナルコンピュータやエンジニアリングワークステーション等のコンピュータを用いて構成することができ、センサヘッド１０や位置調整部２０に接続される。
【００３４】
さらに、指示を行うためのデータを入力する入力部４０、およびバルブシート面検査装置の検査結果等を表示する表示部５０が制御部６０に接続されている。
【００３５】
図２は、センサヘッド１０の構成例を示す概略図である。
【００３６】
センサヘッド１０は、スリット光９０を照射するスリット光源部１２とスリット光の画像を捉えるための視認部１４とを有する。スリット光源部１２は、スリット光９０を照射する。照射されるスリット光９０は、断面が一方向に伸張された光であり、検査するワークの面（つまり、バルブシート面）の法線方向に対してθｓの角度をなすように斜めに照射される。このような配置の結果、視認部１４の視野が十分に確保される。なお、スリット光源部１２は、レーザー光源等で構成することができる。
【００３７】
視認部１４は、ワークにスリット光９０を照射して生ずる切断線９２をスリット光の光軸とは異なる方向から観測するための手段であり、ビデオカメラ、イメージセンサ、その他撮像手段が含まれる。精度を高める上では、スリット光源部１２の光軸と視認部１４の軸とは９０度になるように設計することができる。
【００３８】
図３は、バルブシート面検査装置の機能を説明するためのブロック図である。
【００３９】
上述したようにスリット光源部１２と視認部１４とはセンサヘッド１０を構成する。また、センサヘッド１０の回転軸とバルブシートの中心軸とが正確に一致するように位置調整部２０によって調節された後、回転駆動部３０は、スリット光源部１２と視認部１４が一体となったセンサヘッド１０をバルブシート面に対して相対的に回転移動する。視認部１４は、スリット光を照射して生ずる切断線９２をバルブシート面の各地点で観測し、観測された切断線９２の画像データは、制御部６０に出力される。
【００４０】
制御部６０は、以下の機能を有する。
【００４１】
点列データ変換部６１は、視野部１４から入力された画像データを点列データに変換する。点列データは、バルブシート面上の各観測地点毎の断面形状を示すものである。点列データは、バルブシートの全周に渡って作成される。
【００４２】
歪み補正部６２は、点列データ変換部６１によって変換された点列データの歪を補正するものである。本発明のバルブシート面検査装置におけるスリット光源部１２は、バルブシート面の法線方向に対してθｓの角度をなすように斜めにスリット光９０を照射するものであるため、スリット光９０の切断線９２の画像が歪む。その結果、切断線９２の画像データを点列データに変換しただけでは、正確な断面形状を示すことができない。したがって、歪み補正部６２は、正確な断面形状を表示できるように、補正計算を行い、点列データを補正する。
【００４３】
第１記憶部６３および第２記憶部６４は、各々、測定された断面形状を示す補正された点列データを記憶するメモリである。例えば、第１記憶部６３は、仕上げ加工を施して正確な形状に加工された良品のバルブシート面の断面形状を示す点列データを基準値として記憶する。一方、第２記憶部６４は、不良判別を行うために検査する各々のバルブシート面の断面形状を示す点列データを記憶する。さらに、第１記憶部６３および第２記憶部６４は、センサヘッド１０を構成しているスリット光源部１２および視認部１４の回転軸の位置を記憶しておくこともできる。なお、１つのメモリ素子のメモリ領域を２つに分けて、各メモリ領域を第１記憶部６３と第２記憶部６４として使用することもできる。
【００４４】
差分計算部６５は、第１記憶部６３に記憶されている点列データと、第２記憶部６４に記憶されている点列データとの差分をとるものである。例えば、差分計算部６５は、検査をするバルブシート面の断面形状を示す補正された点列データと、基準値として記憶されている仕上げ処理後のバルブシート面に関する点列データとの差分をとる。差分計算部６５による差分計算の結果に基づいて、判断部６７は、肉盛層の厚さ、欠肉が生じるか否か、および仕上げ処理によって母材が露出するか否か等の判断を行う。
【００４５】
なお、判断部６７による判断結果は、表示部５０に表示することができ、肉盛層の厚さ等の算出結果は表示部５０にグラフィック表示することができる。また、制御部６０には、位置調整部２０や回転駆動部３０を制御する駆動制御部６６が備えられている。
【００４６】
以上のように構成されるバルブシート面検査装置を実際にバルブシート面の検査に適用した実施形態を説明する。
【００４７】
図４は、検査の対象となるシリンダヘッド１００の底面図である。シリンダヘッド１００には、給気ポート１１２と排気ポート１１４が設けられている。給気ポート１１２と排気ポート１１４は、各々環状をしたバルブシート１１０を備えている。但し、給気ポート１１２と排気ポート１１４とでは、そのバルブシート１１０の径が異なっていてもよい。
【００４８】
この環状をしたバルブシート１１０は、シリンダーピストン機構の中でも、精度および耐磨耗性が要求される重要な部分である。そのため、本発明は、バルブシート１１０の全周に渡ってバルブシート１１０の面を検査する。したがって、図５に示すように、バルブシート１１０の中心軸とセンサヘッド１０の回転軸とが一致するように調整され、センサヘッド１０（すなわちスリット光源部１２と視認部１４とが一体的に構成されたもの）がバルブシート１１０の面に対して相対的に回転移動される。その結果、バルブシート１１０の周上の各地点におけるバルブシート１１０の断面形状を示す点列データを得ることができる。
【００４９】
図６は、検査される各バルブシート１１０の断面形状を模式的に示した図である。バルブシート１１０の面（以下、「バルブシート面」という）は、その各工程毎に種々の断面形状を持つ。
【００５０】
図６（Ａ）に示すように、バルブシート１１０は、アルミニウム等の金属を鋳造して所定の素材形状を持つように形成されたバルブシート下穴（母材）１２０の上に、耐磨耗性の高い金属のビードを肉盛して肉盛層１２２を形成したグリッド構造を持つ。したがって、バルブシート面は、丸みをおびた曲面となることが多い。
【００５１】
次に図６（Ｂ）に示すように、肉盛層１２２が形成されたバルブシート１１０が基準面１２６、１２８等にしたがって仕上げ加工され、寸法通りに仕上げ加工されたワーク１２４が作成される。
【００５２】
図６（Ｃ）は、肉盛層１２２が形成されたバルブシート１１０の断面形状と、正確に所定の寸法通りに仕上げ加工されたバルブシートの断面形状（基準面１２６、１２８）とを比較した様子を示す。肉盛層１２２の高さが、基準面１２６、１２８よりも低い部分は、欠肉１３０であり、仕上げ加工された後に窪みとなる。また、肉盛層１２２の高さから、仕上げ加工後のバルブシート面の高さ（基準面１２６および１２８）を差し引いた差分は、仕上げ加工によって削り取られる肉盛層１２２の厚みを示す。
【００５３】
以上のように、バルブシート１１０の断面形状を測定し、寸法通り仕上げ加工されたバルブシートの断面形状（基準面１２６、１２８）と比較することによって、欠肉の有無や、仕上げ加工によって削り取られる肉盛層１２２の厚さ等を検査することができる。
【００５４】
しかしながら、バルブシート面が平面ではなく、面上の位置によって高さが変化する曲面であることから、面の法線方向からθｓの角度を持って斜めにスリット光９０を照射する場合、そのまま切断線９２を観測したのみでは、画像が歪んでしまって高さ方向の測定値を正確に求めることが難しい。
【００５５】
図７および図８は、バルブシート面の法線方向とθｓの角度をなすように斜めにスリット光９０が照射される場合の画像の歪みの内容を示す。
【００５６】
図７（Ａ）は、バルブシート面に垂直にスリット光９０が照射される場合を示す。図７（Ｂ）は、バルブシート面上の切断線９２の画像データを断面形状を示す点列データに変換した結果を示す。縦軸が、バルブシート１１０の面の高さ（変位）を表している。
【００５７】
一方、図８（Ａ）は、バルブシート面の法線方向とθｓの角度をなすように斜めにスリット光９０が照射される場合を示す。図８（Ｂ）は、バルブシート面上の切断線９２の画像を断面形状を示す点列データに変換した結果を示す。
【００５８】
図７（Ｂ）と図８（Ｂ）とを比較すると、バルブシート面１１０の法線方向に対してθｓの角度をなすように斜めにスリット光９０が照射された場合、幅方向の値（図中の横軸）は変化しないが、高さ方向の値（図中の縦軸）が誇張される。さらに、バルブシート１１０の曲面上の高さに依存して歪みの具合が異なるため、図７（Ｂ）と図８（Ｂ）に示された断面形状は、相似形にならない。このため、バルブシート面のような曲面に対して斜めにスリット光９０を照射して断面形状を観察する際には、画像が非線形的に画像が歪み、正確な断面形状を検出することが困難となる。本発明のバルブシート面検査装置は、この歪みを補正するために歪み補正部６２を備えている。以下、この歪み補正部６２による補正の内容について説明する。
【００５９】
図９、図１０、および図１１は、歪み補正部６２による補正の内容を説明するための説明図である。
【００６０】
＜検査対象物の面に対して斜めにスリット光が照射されることの考慮＞
図９は、対象物の変位（例えば、バルブシート面の「高さ」に相当する）の基準値ｒmに対して±Δｒの変化（段差）がある場合を模式的に示している。
【００６１】
図中、基準値となる変位、および、基準値よりΔｒだけ大きい変位、ならびに基準値よりΔｒだけ低い変位は、それぞれ同心円で表されている。
【００６２】
この検査対象物の面の法線方向に対してθｓの角度だけ傾いてスリット光９０が照射される場合、基準となる半径ｒmの円に対して半径がΔｒだけ小さい円で観測される変位をΔｄｓ1とし、基準となる半径ｒmの円に対して半径がΔｒだけ大きい円で観察される変位をΔｄＳ2とすると、図に示したように｜Δｄｓ1｜＞｜Δｄｓ2｜となる。
【００６３】
観測された変位から実際の円の半径ｒ（ｒ＝ｒm＋Δｒ）を補正計算する式を求める。
【００６４】
観測される変位を図中のｄ軸上に表す。半径ｒmの円でセンサヘッド１０によって観測される変位をｄ0とし、半径ｒ（＝ｒm＋Δｒ）の円でセンサヘッド１０によって観測される変位をｄ（＝ｄ0＋Δｄｓ2）とする。
【００６５】
直角三角形αβγに着目すると、幾何学的に、実際の半径ｒは、式１のように導き出せる。
【００６６】
【数１】
したがって、実際の変位（段差）Δｒは、式２のように導き出せる。
【００６８】
【数２】
＜センサが下向きに４５度の迎角をもっていることの考慮＞
バルブシートを測定する場合、センサヘッド１０は、下向きに４５度の迎角を持っている。したがって、図９で求めた補正計算式を適用するために、センサヘッド１０が下向きに４５度の迎角を持っていることに基づく修正を加える必要がある。
【００７０】
図１０はバルブシート面を測定する場合のバルブシート１１０とセンサヘッド１０との位置関係を模式的に示す図であり、バルブシート１１０の中心軸方向に沿った断面図である。
【００７１】
図１０において、センサヘッド１０の迎角は４５度である。ｒ0は、センサヘッド１０からバルブシート面（より、正確にはバルブシート面は幅を持つので、センサヘッド１０の光軸中心が位置するバルブシート面上の位置）までのスリット光９０の光軸に沿った距離（以下、「スタンドオフ」という）である。また、Ｒ0は、バルブシート１１０の半径である（より正確には、バルブシート１１０の面は、幅を持つので、センサヘッド１０の光軸中心が位置するバルブシート面上の位置とバルブシートの中心軸との距離をＲ0とする）。また、バルブシート面の法線方向、すなわち、肉盛の盛り上がり方向をｄ方向とする。なお、センサヘッド１０のセンサ光軸はとｄ方向に対してθｓの角度を持つ。また、ｌは、バルブシート面におけるセンサヘッド１０の光軸の中心を０としたときののスリット光断面伸長方向に沿った距離であり、バルブシート１１０の外周に向かう方向を正にとっている。
【００７２】
また、バルブシート１１０の中心軸に向かう半径方向をＲ方向とし、上述のようにバルブシート面の法線方向（すなわち、バルブシートの軸に沿った断面における斜面に直交する方向）をｄ方向とし、スリット光９０の断面伸長方向をｌ方向とする。
【００７３】
図９で説明した補正計算の結果を使用するために、観測される位置ｄやθｓのＲ方向への寄与分を求める。
【００７４】
バルブシート面に対し観測されるｄ方向に沿った位置をｄ0とすると、その位置の変化ΔｄのＲ方向への寄与率は、１／√２である。したがって、式１および式２のｒmをＲ0とし、ｄ−ｄ0を（ｄ−ｄ0）／√２と置き換えることができる。
【００７５】
また、図１１に示したように、Ｒ方向から見た法線（図９でいう円の接線と直交する線）とスリット光９０とのなす角度θｓ′と、ｄ方向から見た法線（図９でいう円の接線と直交する線、すなわちバルブシート面の盛り上がり方向の法線）とスリット光９０とのなす角度θｓとの関係は、式３および式４によって表される。
【００７６】
【数３】
【数４】
式３および式４におけるＲ方向から見たスリット光９０の成す角度θｓ′が図９におけるθｓに該当する。したがって、式１および式２のｓｉｎθｓおよびｃｏｓθｓをｓｉｎθｓ′およびｃｏｓθｓ′で置き換えることで、以下の補正式が成り立つ。
【００７９】
但し、基準となる実際の円の半径は、ｌ方向の位置、すなわち、スリット光９０の断面伸長方向に沿った位置によって変化する。この点を考慮して、Ｒ0を（ｒ0＋ｌ）／√２と置き換える。また最終的に知りたいのは、バルブシート面の肉盛等の盛り上がり方向、すなわちｄ方向の変位であるΔｒであり、Δｒは、Δｒ＝√２ΔＲと表される。
【００８０】
これらの結果を利用することによって、変位Δｒは、式５のように導き出される。
【００８１】
【数５】
したがって、歪み補正部６２は、式５にしたがって、点列データを補正し、正確な断面形状を算出することができる。
【００８３】
以上のように構成されるバルブシート面検査装置を用いて、各種の検査を行うためには、センサヘッド１０を回転させる回転軸等の初期調整（キャリブレーション）を行う必要がある。図１２および図１３に初期調整をする場合の概略構成を示す。
【００８４】
キャリブレーションを行う場合、キャリブレーション用マスターピース１４０が測定される。
【００８５】
キャリブレーション用マスターピース１４０は、精度が確かめられたワークである。バルブシート面検査装置は、スピンドル３３を備えており、通常はスピンドル３３にはセンサヘッド１０が取り付けられている。ただし、バルブシート面検査装置は、センサヘッド１０の代わりにマスターヘッド３４を取り付けることができる。マスターヘッド３４にはゲージＡ３５、およびゲージＢ３６が取り付けられており、駆動制御部６６等によって、ゲージＡ３５およびゲージＢ３６の目盛りを自動的に読み込むことによって、面振や偏心がないように調整する。
【００８６】
次に、マスターヘッド３４に代えて、センサヘッド１０を装着し、キャリブレーション用マスターピース１４０の傾斜面１４１およびエッジ部分１４２の位置を測定する。この測定結果を基にして、センサヘッド１０のオフセット（Ｘｓ，Ｙｓ、Ｚｓ、θｓ）を調整する。以上のようにセンサヘッド１０とマスターヘッド３４を着脱自在に構成することによって、初期調整の処理が容易になる。
【００８７】
初期調整を行った後、各種の検査を行うモードに入る。
【００８８】
バルブシート面検査装置は、複数種類の検査に使用することができる。具体的には、仕上げ加工によって削り取られる肉盛層１２２の厚さ、欠肉１３０の有無の判断、仕上げ加工後に残る肉盛層１２２の厚さ、仕上げ加工後にシート面に母材が露出するか否かの判断、および、バルブシート下穴の位置精度についての検査を行うことができる。
【００８９】
＜仕上げ加工で削り取られる肉盛層の厚さ、および欠肉の有無の判断＞
図１４は、仕上げ加工で削り取られる肉盛層１２２の厚さの推定、および欠肉１３０の有無の判断を行う測定内容を説明するためのバルブシート１１０の断面図である
バルブシート１１０の構成は、母材を鋳造して所定の素材形状を持つようにバルブシート下穴１２０を形成した段階（肉盛前の段階）、肉盛して肉盛層１２２を形成した段階、および、肉盛層１２２を所定の形状になるように仕上げ加工（切削加工）して最終的な形状１２４となった段階によって異なる。
【００９０】
バルブシート面検査装置は、まず、正確に所定寸法通りに仕上げ加工されていることが確認されているワーク（以下、「マスターワーク」と称する）のバルブシート面を測定する。すなわち、図１４に示される最終的な製品の形状１２４が測定される。測定は、バルブシート１１０の全周および全幅に渡って行われる。
【００９１】
マスターワークのバルブシート面の測定結果、すなわち断面形状を示す点列データは、第１記憶部６３に記憶される。
【００９２】
一方、肉盛層１２２の形成されたバルブシート面が測定される。測定は、マスターワークのバルブシート面の測定と同様に行われる。肉盛層１２２が形成されたバルブシート面の測定結果、すなわち断面形状を示す点列データは、第２記憶部６４に一時記憶される。
【００９３】
図１５は、マスターワークのバルブシート面の測定結果と肉盛層１２２の形成されたバルブシート面の測定結果を示す。なお、マスターワークのバルブシート面の断面形状は、台形形状をしている。したがって、マスターワークのバルブシート面の測定領域は、区間１（斜辺部）、区間２（上底部）、および区間３（斜辺部）に分けられ、それぞれの領域における測定結果は、基準面１２６、１２７、および１２８で表される。
【００９４】
一方、肉盛層１２２の形成されたバルブシート面の測定結果１２２ａは、マスターワークのバルブシート面の測定結果（基準面１２６、１２７、１２８）と比較される。
【００９５】
図１６は、マスターワークのバルブシート面の測定結果と肉盛層１２２が形成されたバルブシート面の測定結果とを比較して説明するための図である。
【００９６】
肉盛層１２２の形成されたバルブシート面は、仕上げ加工によって、最終的な形状１２４、すなわち、マスターワークの面まで切削される。したがって、肉盛層１２２の形成されたバルブシート面の測定結果（点列データ）１２２ａから、マスターワークのバルブシート面の測定結果の基準面１２６、１２７、および１２８（点列データ）の値を差し引いた値（図中の矢印で示した値）が、仕上げ加工によって、削り取られる肉盛層１２２の厚さである。
【００９７】
一方、差し引いた値が負である部分、すなわち、肉盛層１２２の形成されたバルブシート面の測定結果１２２ａが、もともとマスターワークのバルブシート面の測定結果の基準面１２６、１２７、１２８の値よりも小さい部分は、欠肉１３０となる。バルブシート面が最終的にマスターワークのバルブシート面の基準面１２６、１２７、１２８に仕上げ加工される場合、欠肉１３０の部分は肉盛層１２２の厚さが不十分であるため最終的にバルブシート面に窪みが生じることになる。
【００９８】
なお、削り取られる肉盛層１２２の厚さの推定、および、欠肉部分１３０の有無の判断は、区間１、区間２、および区間３の各区間毎に行うことができる。
【００９９】
以上のように、マスターワークのバルブシート面の断面形状を示す点列データ（基準面１２６、１２７、１２８のデータ）を記憶しておき、肉盛層１２２の形成された（仕上げ加工前の）バルブシート面の断面形状を示す点列データ（測定値１２２ａ）との差分をとることによって、仕上げ加工によって削り取られる肉盛層の厚さ、および欠肉１３０の有無が判断できる。
【０１００】
＜仕上げ加工後に残る肉厚層の厚さ、仕上げ加工後にシート面に母材が露出するか否かの判断＞
図１７は、仕上げ加工後に残る肉盛層１２２の厚さの推定、仕上げ加工後にシート面に母材が露出するか否かの判断を行う測定内容を説明するためのバルブシート１１０の断面図である。
【０１０１】
図１７には、母材を鋳造して所定の素材形状を持つようにバルブシート下穴が形成された段階（肉盛層の形成前）のバルブシート面の形状が符号１２０ａで示されている。図１７に示した、バルブシート下穴を形成した段階（肉盛層の形成前）のバルブシート形状１２０ａは、形状不良を起こしており、本来の形状１２０ｂに比べて位置がずれている。
【０１０２】
バルブシート面検査装置は、マスターワークのバルブシート面の形状を測定し、その測定結果を第１記憶部６３に記憶する点は図１４に示した場合と同様である。図１４に示したように、仕上げ加工で削り取られる肉盛層１２２の厚さや欠肉１３０の有無の判断を行う場合は、マスターワークの測定結果と肉盛層１２２が形成されたバルブシート面の測定結果とを比較したが、本測定では、マスターワークの測定結果とバルブシート下穴が形成された（肉盛層１２２の形成前の）バルブシート面の測定結果と比較する。
【０１０３】
図１８は、マスターワークのバルブシート面の測定結果と肉盛層１２２の形成前のバルブシート面の測定結果とを比較して説明するための図である。
【０１０４】
バルブシート下穴が形成された（肉盛層１２２の形成前の）バルブシート面の測定結果１２０ａ、および、マスターワークのバルブシート面の測定結果（基準面１２６、１２７、１２８）が示されている。
【０１０５】
マスターワークのバルブシート面の測定結果である点列データ（基準面１２６、１２７、１２８）から、バルブシート下穴形成後（肉盛層１２２の形成前）のバルブシート面の測定結果である点列データ１２０ａを差し引いた値が、仕上げ加工後に残存する肉盛層１２２の厚さとなる。また、差し引いた値が負である部分、すなわち、マスターワークのバルブシート面の測定結果（基準面１２６、１２７、１２８の値）が、バルブシート下穴形成後（肉盛層１２２の形成前）のバルブシート面の測定結果１２０ａよりも小さい部分は、仕上げ加工によって、肉盛層がすべて削り取られてしまい、母材が表面に露出する部分となる。
【０１０６】
以上のように、マスターワークのバルブシート面の測定結果である点列データ（基準面）、および、バルブシート下穴形成後（肉盛層１２２の形成前）のバルブシート面の測定結果である点列データとの差分をとることによって、仕上げ加工後に残る肉盛層の値を推定することができ、また、仕上げ加工後に母材が露出するか否かを判断することができる。
【０１０７】
＜バルブシート下穴の位置精度についての検査＞
バルブシート下穴形成後のバルブシート面を全周、全幅に渡って測定する。測定結果である点列データによって芯振れの程度を観測でき、芯振れ量から、バルブシート下穴の位置精度を算出することができる。図１９に測定結果例を示す。
【０１０８】
以上のように構成され、バルブシート面の各種検査および検査を行うことができるバルブシート面検査装置の処理内容をフローチャートにしたがって説明する。
【０１０９】
図２０は、バルブシート面の形状測定処理について示すフローチャートである。
【０１１０】
まず、位置調節部２０は、センサヘッド１０の回転軸とバルブシート１１０の中心軸とを確実に合わせるように初期調整を行う。初期調整は、キャリブレーション用マスターピース１４０を測定することよって行うことができる。回転駆動部３０を構成しているスピンドル３３は、センサヘッド１０の変わりにマスターヘッド３４を装着することができるように構成される。ゲージＡ３５およびゲージＢ３６が取り付けられているマスターヘッドをスピンドル３３に装着し、ゲージの値を駆動制御部６６で検出する。この検出結果に応じて、位置調整部２０は、３軸方向にセンサ位置を移動して位置調整を行う。これによって、センサヘッド１０の回転軸とバルブシート１１０の中心軸とが一致し、面振や偏心が防止される。 さらに、マスターヘッド３４に代えてセンサヘッド１０が装着され、キャリブレーション用マスターピース１３０の傾斜面１４１およびエッジ部１４２の位置が測定される。また、スリット光源部１２の中心位置、および照射されるスリット光９０の照射角度θｓが設定される。
【０１１１】
初期調整の後、バルブシート面検査装置には、検査対象となるシリンダーヘッド１００が装着される。シリンダヘッド１００は、治具７０および作業台８０によって固定される（Ｓ２０）。
【０１１２】
センサヘッド１０のスリット光源部１２からスリット光９０がシリンダーヘッド１００のバルブシート面に対して照射される（Ｓ３０）。スリット光９０は、断面形状が一方向に伸長された光である。スリット光源部１２は、スリット光９０をバルブシート面の法線方向に対してθｓの角度を持って斜めに照射する。この結果、スリット光源部と一体に取り付けられている視認部１４の視野が広くとることができ、バルブシートのエッジ付近の構造物によって視認部１４の視野が遮られることが防止される。この結果、バルブシート面１１０の全周に渡って測定することが容易になる。
【０１１３】
次に視認部１４は、バルブシート面にスリット光９０が照射されることによって生ずる切断線９２をスリット光の光軸とは異なる方向から観測し、観測された切断線９２の画像データは、点列データ変換部６１によって、断面形状を示す点列データに変換される（Ｓ４０）。但し、バルブシート面の法線方向に対してθｓの角度をなすように斜めにスリット光９０が照射される関係上、非線形的に画像が歪み、点列データにも歪みが生じる。したがって、歪み補正部６２は、点列データ変換部６１によって変換された点列データの歪みを補正する（Ｓ５０）。歪みの補正は、バルブシート面の高さに依存した歪みの非線形的変化、およびセンサヘッド１０の迎角を考慮した補正計算式にしたがってなされる。
【０１１４】
歪みが補正された点列データは、測定結果として、第１記憶部６３または第２記憶部６４に記憶される（Ｓ６０）。
【０１１５】
こうして、マスターワークのバルブシート面、肉盛層１２２の形成後のバルブシート面、および、バルブシート下穴形成後（肉盛層１２２の形成前）のバルブシート面の断面形状が測定される。
【０１１６】
図２１は、仕上げ加工で削り取られる肉盛層の厚さ、および欠肉欠陥の有無を判断する処理を示すフローチャートである。
【０１１７】
最初に、図２０に示したフローチャートにしたがって、マスターワークのバルブシートの形状測定がされる（Ｓ１０１）。このマスターワークのバルブシート面の測定結果である補正された点列データとセンサヘッド１０の回転軸の位置とが第１記憶部６３に記録される（Ｓ１０２）。
【０１１８】
次に、肉盛層１２２が形成されたバルブシート面の測定がされる（Ｓ１０３）。測定結果である補正された点列データは第２記憶部６４に記憶される。なお、肉盛層１２２が形成されたバルブシート面の測定の際のセンサヘッド１０の回転軸の位置は、第１記憶部６３に記憶されているマスターワークのバルブシート面測定時の回転軸の位置と一致するように設定される。
【０１１９】
差分計算部６５は、肉盛層１２２が形成されたバルブシート面の測定結果１２２ａとマスターワークのバルブシート面の測定結果（基準線１２６、１２７、１２８の値）を比較する（Ｓ１０４）。肉盛層１２２が形成されたバルブシート面の測定結果１２２ａから、マスターワークのバルブシート面の測定結果（基準線１２６、１２７、１２８）を差し引いた値が仕上げ加工で削り取られる肉盛層の厚さとなる（Ｓ１０５）。
【０１２０】
また、判断部６７は、差分の結果に基いて、肉盛層１２２が形成されたバルブシート面の測定結果１２２ａがマスターワークのバルブシート面の測定結果（基準線１２６、１２７、１２８）よりも小さい部分、すなわち、肉盛層１２２の形成されたバルブシート面の高さがマスターワークのバルブシート面の高さより低い部分があるか否かを判断する（Ｓ１０６）。その結果、肉盛層１２２が形成されたバルブシート面の高さがマスターワークのバルブシート面の高さより低い部分がない場合、判断部６７は、欠肉１３０がない旨を判断される（Ｓ１０７）。一方、肉盛層１２２の形成されたバルブシート面の高さががマスターワークのバルブシート面の高さよりも低い部分がある場合、判断部６７は、欠肉不良がある旨を判断する（Ｓ１０８）。
【０１２１】
最終的に算出された削り取られる肉盛層１２２の厚さ、および、欠肉１３０の有無の判断結果が、表示部５０に表示される（Ｓ１０９）。
【０１２２】
これによって、バルブシート面の肉盛層１２２の管理を適切に行うことができる。
【０１２３】
図２２は、仕上げ加工後に残存する肉盛層１２２の厚さ、母材露出部分の有無、および、バルブシート下穴の位置精度をを判断する処理を示すフローチャートである。
【０１２４】
最初にマスターワークのバルブシートの形状測定がされ、その測定結果と回転軸の位置とが第１記憶部６３に記憶される点は、図２１の場合と同様である（Ｓ２０１、Ｓ２０２）。なお、測定結果は、マスターワークのバルブシートの断面形状を示す点列データであり、歪み補正部６２によって補正されたものである。
【０１２５】
次にバルブシート下穴の形成後（肉盛層１２２の形成前）のバルブシート面（母材の素材形状）が測定される（Ｓ２０３）。測定結果は第２記憶部６４に記憶される。
【０１２６】
差分計算部６５は、マスターワークのバルブシート面の測定結果（基準線１２６、１２７、１２８の値）と下穴形成後（肉盛層１２２の形成前）のバルブシート面の測定結果１２０ａとを比較する（Ｓ２０４）。実際は、マスターワークのバルブシート面の測定結果（基準線１２６、１２７、１２８）の値から、下穴形成後（肉盛層１２２の形成前）のバルブシート面の測定結果１２０ａの値を差し引いた値が仕上げ加工後に残存する肉盛層１２２の厚さとなる。
【０１２７】
また、判断部６７は、差分の結果に基いて、マスターワークのバルブシート面の測定結果１２２ａが、下穴形成後（肉盛層１２２の形成前）のワークのバルブシート面の測定結果１２０ａよりも小さいか否か、すなわち、下穴形成後のバルブシート面の高さがマスターワークのバルブシート面の高さよりも高い部分があるか否かを判断する（Ｓ２０５）。その結果、下穴形成後のワークのバルブシート面の高さがマスターワークのバルブシート面の高さより高い部分がある場合は、仕上げ加工によって、肉盛層がすべて削り取られて母材が露出することになると判断する（Ｓ２０６）。
【０１２８】
また、下穴形成後のバルブシート面を全周に渡って測定した結果を基にして、芯振れ量を算出し、芯振れ量から下穴位置の精度を算出する（Ｓ２０７、Ｓ２０８）。判断部６７は、算出結果を基にして下穴形状の位置精度が所定値よりも低いか否かを判断する。位置精度が所定値に達していない場合は、下穴位置不良と判断し（Ｓ２０９、Ｓ２１０）、位置精度が所定値よりも高精度であれば、良品と判断する（Ｓ２０９、Ｓ２１１）。
【０１２９】
判断結果は、表示部５０に表示される（Ｓ２１２）。これによって、バルブシートの下穴形成工程の管理を適切に行うことができる。
【０１３０】
以上の説明から明らかなように、本実施の形態は、スリット光源部１２と視認部１４とからなる光切断式センサのセンサヘッド１０を用いて、バルブシート面の検査、検査を行うことができるものであり、スリット光９０をバルブシート面に垂直に照射する必要をなくすことで、視認部１４の視野を広くとることを可能とするものである。さらに、スリット光がバルブシート面に斜めに照射されることに起因する歪みを補正し、正確な断面形状を測定することができるように構成されている。この結果、特に、肉盛層１２２の形成後のバルブシート面のような曲面の形状を検査する場合でも、正確な断面形状を測定することができる。さらに、マスター形状の測定結果を記録しておき、このマスター形状の測定結果との差分をとることで、肉盛層の厚さや欠肉欠陥の有無、および、母材露出不良の有無などを検査、検査できるので、高精度な寸法精度が要求されるバルブシート製作工程を管理するために利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 バルブシート面検査装置の概略図である。
【図２】 センサヘッドの構成例を示す図である。
【図３】 バルブシート面検査装置の機能を示すブロック図である。
【図４】 検査の対象となるシリンダヘッドの底面図である。
【図５】 バルブシートとセンサヘッドの配置関係を示す図である。
【図６】 検査される各工程毎のバルブシートの断面形状を模式的に示した断面図である。
【図７】 バルブシート面に垂直にスリット光が照射される場合の説明図である。
【図８】 バルブシート面に斜めにスリット光が照射される場合の説明図である。
【図９】 歪み補正部における補正の内容を説明するための図である。
【図１０】 補正の内容を説明するためにバルブシートトセンサヘッドの位置関係を示す図である。
【図１１】 補正の内容を説明するための図である。
【図１２】 面芯や偏心を防止するための初期調整時の概略構成を示す図である。
【図１３】 オフセットを調整するための初期調整時の概略構成を示す図である。
【図１４】 仕上げ加工で削り取られる肉盛層の厚さ推定、欠肉の有無の判断を行う測定内容を示すためのバルブシート１１０の断面図である。
【図１５】 マスターワークのバルブシート面および肉盛層の形成されたバルブシート面の測定結果を示す図である。
【図１６】 マスターワークのバルブシート面および肉盛層の形成されたバルブシート面の測定結果を比較する図である。
【図１７】 仕上げ加工後に残る肉盛層の厚さ推定を行う測定内容を示すためのバルブシート１１０の断面図である。
【図１８】 マスターワークのバルブシート面および肉盛層の形成前のバルブシート面の測定結果とを比較する図である。
【図１９】 芯触れ量の測定結果例を示す図である。
【図２０】 バルブシート面の形状測定処理について示すフローチャートである。
【図２１】 仕上げ加工で削り取られる肉盛層の厚さ、および欠肉の有無を判断する処理を示すフローチャートである。
【図２２】 仕上げ加工後に残存する肉盛層の厚さ、母材露出部分の有無等を判断する処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…センサヘッド、
１２…スリット光源部、
１４…視認部、
２０…位置調整部、
２２…シム調整機構
３０…回転駆動部、
３３…スピンドル、
３４…マスターヘッド、
３５、３６…ゲージ、
４０…入力部、
５０…表示部、
６０…制御部、
６１…点列データ変換部、
６２…歪み補正部、
６３…第１記憶部、
６４…第２記憶部、
６５…差分計算部、
６６…駆動制御部、
６７…判断部、
７０…治具、
８０…作業台、
９０…スリット光、
９２…切断線、
１００…シリンダヘッド、
１１０…バルブシート、
１１２…給気ポート、
１１４…排気ポート、
１２０…バルブシート下穴（母材）、
１２２…肉盛層
１２４…寸法通りに仕上げ加工されたワーク（マスターワーク）
１２６、１２７、１２８…基準面、
１３０…欠肉、
１４０…キャリブレーション用マスターピース、
１４１…傾斜面、
１４２…エッジ部。
Claims (5)
- バルブシート下穴にレーザー溶接により肉盛層を形成し、切削加工する際のバルブシート面検査装置であって、
バルブシート面にスリット光を照射するスリット光源と、
スリット光がバルブシート面に当たって形成される光切断線を視認する視認手段と、
バルブシートの中心を回転軸として前記スリット光源および前記視認手段をバルブシート面に対して相対的に回転移動させる駆動手段と、
前記視認手段によって視認された光切断線の画像を点列データに変換する点列データ変換手段と、
バルブシート面にスリット光が斜めに照射されることによる前記点列データの歪みを補正する補正手段と、
予め寸法が明らかとなっているマスターワークを視認して得られた補正後の点列データである第１の点列データと、前記切削加工前のバルブシート面を視認して得られた補正後の点列データである第２の点列データと、を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記第１の点列データと前記第２の点列データとの差分をとる差分手段と、
前記差分手段による差分の結果に基づいて、前記切削加工によって削り取られる肉盛層の厚さを計算し、前記切削加工後に肉盛層の厚さが不十分な部分が発生するか否かを判断する欠肉判断手段と、を有することを特徴とするバルブシート面検査装置。 - バルブシート下穴にレーザー溶接により肉盛層を形成し、切削加工する際のバルブシート面検査装置であって、
バルブシート面にスリット光を照射するスリット光源と、
スリット光がバルブシート面に当たって形成される光切断線を視認する視認手段と、
バルブシートの中心を回転軸として前記スリット光源および前記視認手段をバルブシート面に対して相対的に回転移動させる駆動手段と、
前記視認手段によって視認された光切断線の画像を点列データに変換する点列データ変換手段と、
バルブシート面にスリット光が斜めに照射されることによる前記点列データの歪みを補正する補正手段と、
予め寸法が明らかとなっているマスターワークを視認して得られた補正後の点列データである第１の点列データと、前記肉盛層の形成前のバルブシート下穴を視認して得られた補正後の第２の点列データと、を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記第１の点列データと前記第２の点列データとの差分をとる差分手段と、
前記差分手段による差分の結果に基づいて、前記切削加工後に残存する前記肉盛層の厚さを計算し、前記切削加工後にバルブシート下穴の母材が露出するか否かを判断する母材露出判断手段と、を有することを特徴とするバルブシート面検査装置。 - さらに、前記補正手段によって補正された点列データの芯振れの量に基づいてバルブシートの位置精度を算出する位置精度算出手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載のバルブシート面検査装置。
- バルブシート下穴にレーザー溶接により肉盛層を形成し、切削加工する際のバルブシート面検査方法であって、
スリット光源および視認手段をバルブシートの中心を回転軸として回転するとともに、スリット光源によってバルブシート面にスリット光を照射し、スリット光がバルブシート面に当たって形成される光切断線を前記視認手段によって視認し、視認された光切断線に基づいて点列データに変換し、バルブシート面にスリット光が斜めに照射されることによる前記点列データの歪みを補正するものであり、
予め寸法が明らかとなっているマスターワークを視認して得られた補正後の点列データである第１の点列データと、前記切削加工前のバルブシート面を視認して得られた補正後の点列データである第２の点列データと、を記憶する段階と、
前記記憶された前記第１の点列データと前記第２の点列データとの差分をとる段階と、
前記差分の結果に基づいて、前記切削加工によって削り取られる肉盛層の厚さを計算し、前記切削加工後に肉盛層の厚さが不十分な部分が発生するか否かを判断する段階と、を有することを特徴とするバルブシート面検査方法。 - バルブシート下穴にレーザー溶接により肉盛層を形成し、切削加工する際のバルブシート面検査方法であって、
スリット光源および視認手段をバルブシートの中心を回転軸として回転するとともに、スリット光源によってバルブシート面にスリット光を照射し、スリット光がバルブシート面に当たって形成される光切断線を前記視認手段によって視認し、視認された光切断線に基づいて点列データに変換し、バルブシート面にスリット光が斜めに照射されることによる前記点列データの歪みを補正するものであり、
予め寸法が明らかとなっているマスターワークを視認して得られた補正後の点列データである第１の点列データと、前記肉盛層の形成前のバルブシート下穴を視認して得られた補正後の第２の点列データと、を記憶する段階と、
前記記憶された前記第１の点列データと前記第２の点列データとの差分をとる段階と、
前記差分の結果に基づいて、前記切削加工後に残存する前記肉盛層の厚さを計算し、前記切削加工後にバルブシート下穴の母材が露出するか否かを判断する段階と、を有することを特徴とするバルブシート面検査方法。
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