JP2004294390A - Method and apparatus for optically measuring three-dimensional shape - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザなどのビームスポット光を計測対象上に走査し反射光像を受光して三角測量の原理に基づき形状計測を行う光学式三次元形状測定装置および測定方法に関し、特に揺動タイプのミラーを使った測定装置の誤差を相殺して計測精度を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
組立ロボットや溶接ロボットに三次元形状測定装置を付属させてより高度にインテリジェント化し、対象物を直接リアルタイムで計測することにより、位置決めをしながら加工することによって、高精度加工を実現することができる。たとえば特許文献１に記載されているような、小型で安価なビームスキャン型レーザセンサを三次元形状測定装置として利用すると、比較的簡単に測定装置の組み込みができる。
【０００３】
ビームスキャン型レーザセンサは、レーザビームを放出するレーザ放射装置と、対象物で反射したレーザ光が入射する素子の位置が対象物までの距離に対応するように配置されたＣＣＤリニアセンサと、レーザ光路中に挿入され揺動することによりレーザ光を走査させるスキャニングミラーとを備えて、対象物を走査し、レーザが反射した点までの距離を三角測量法で求め、方向補正をして大地基準の座標系における位置に換算し、これらの算出位置を総合することにより輪郭計測、すなわち三次元形状計測をするようにしたものである。
【０００４】
ビームスポット光を走査して光反射点の位置から三次元形状を測定する装置では、図１０に説明するように、レンズの光学中心とレーザ放射装置から放射されるレーザビームの距離を基準として三角測量の原理に基づいてヘッダ（たとえばスキャニングミラー）から物体上の光反射点Ｐまでの距離ｌを測定し、ｙ軸方向に揺動するガルバノ式スキャニングミラーの反射方向すなわち光線の方向角θを測定する。ここで、方向角θは対象に照射するビームスポット光の傾きを測定装置の鉛直線を基準として測った角度である。
【０００５】
そして、図１１に示した関係図から直ちに分かるように、
ｙ＝ｌｓｉｎθ
ｚ＝ｌｃｏｓθ
という簡単な数式を使って、その測定装置の位置ｘにおける（ｙ，ｚ）面内の光反射点の位置を算定する。方向角θはスキャニングミラーの揺動につれて変化し、往復動の幅に亘って（ｙ，ｚ）値を算出することができる。そこで、測定装置をｘ方向に移動しながら上記算出を行うことにより、対象物体の三次元位置を求める。
【０００６】
しかし、現実には、レーザ光軸のずれ、ミラー取付け面や揺動軸のずれ、ミラー駆動部の誤差、ミラーを揺動するため生じる角速度変化、などに起因して測定結果にはいろいろな誤差が含まれる。
たとえば、図１２に示すように、点線で示す基準状態のスポット光軌跡に対して、レーザ光軸と揺動ミラーの揺動軸の間に平行ずれが存在すると、揺動ミラーから下ろした鉛直線を挟んだ両側のｙ軸長測定値に過大・過小の誤差が生じる。また、図１３に示すように、レーザの入射軸に角度誤差が含まれると、鉛直線の誤差とｙ軸方向距離の過大・過小誤差が生じる。
このように、測定装置に製造誤差が存在すると、ロボットの加工精度に直接影響を与えることになる。
これらの誤差要因をそれぞれ解析して評価し、個々に相殺することが理想であるが、実際上は各要因を分離して扱うことは困難である。
【０００７】
そこで、測定装置の誤差を全体的に観察して処理するため、数値制御を用いて正確に位置を設定できるステージを利用して校正を行い、校正データに基づいて測定の誤差を相殺するように検出出力を補正して正確な測定結果を得るようにしている。
校正は、先端の尖ったターゲット部材を数値制御で移動するステージに載置して、ターゲット先端を所定の距離ごとに停止しながら測定装置の測定面内すなわちｙｚ平面内を移動する間に位置計測を行って、設定位置と測定値を対比することにより行うことができる。この校正装置では、ターゲットの位置計測もステージの移動もコンピュータで行うため、校正確度を向上させるため測定点数を増大しても手間は変わらない。
【０００８】
こうして得られた校正データは、ｙ−ｚ座標面上のｙ偏差とｚ偏差として表すことができる。
そこで、この測定装置を用いて対象物を測定した結果に基づいて校正データ表を参照し、測定値近辺の４組あるいは３組のｙｚ偏差を抽出し内挿計算をして適正な校正値を算出し、測定値からこれを相殺して妥当な座標値を得る。
しかし、このような演算はステップ数が多いため、誤差を相殺した計測結果をリアルタイムで得て加工に直接利用するような場合には、高性能な演算装置が必要となり、せっかく経済的に構成したセンサ部の意義が没却される結果となる。
【０００９】
特許文献２に、光学式三次元形状測定装置における誤差補償方法が開示されている。この方法も、光学系の組み付け誤差、ポリゴンミラーの組み付け誤差、ミラー面の位置ずれなど要因ごとに誤差を評価して補正計算する代わりに、基準測定物表面を測定して表面形状算出式中の各パラメータごとの補正データを求めて形状算出テーブルとして記憶し、対象物を測定するときに形状算出テーブルを参照して補正値を得るものである。
【００１０】
特許文献２に開示された測定方法では、センサの受光位置出力ξに対応する距離λの補正算出値のテーブルを所定間隔のセンサ画素ごとに作成し、さらにレーザ光の偏向角φの補正値を適当間隔で算出してテーブル化しておいて、測定出力をテーブルのデータを用いた補間計算により補正して測定物の表面位置を算出している。形状算出テーブルは、測定範囲内における２乗平均誤差が最小になるように定めた補正値を算出して生成する。
計算負荷が小さくないのでリアルタイム計測は難しく、被測定物の所定範囲または全体についての表面位置データを取り込み、取り込んだデータを一旦ＲＡＭに記憶してから、三次元座標を算出する処理を行う。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００１−１８３１１７号公報
【特許文献２】
特開平０５−１８０６２８号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、揺動ミラーによりレーザスポット光を走査しながら計測対象の断面形状を測定する構成の形状測定装置において、光学系の誤差などに起因する計測値のずれを補正してオンライン測定を可能とする簡便な手法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の光学的三次元形状測定装置および方法は、レーザスポット光の走査方向に生じる角度誤差を検出距離の関数として求めておいて、１次元光センサの出力をこの関数に基づいて補正することを特徴とする。
誤差補正関数は、算出された角度誤差を回帰分析により装置からの距離を変数とする３次式で近似して得た関数であってもよい。
【００１４】
数値制御で精密に位置制御される直動テーブルを使って揺動ミラー式レーザスポット光走査型三次元形状測定装置の較正を行うと、ヘッダに対する垂直面を測定したときの計測値に含まれる誤差が揺動ミラーの揺動方向にほぼ一定の傾きを有する。この誤差は、揺動ミラーの方向角誤差と等価の現象と見なして把握することができ、検出位置算出式中の方向角θを補正することにより大きく修正できることが分かった。
この方向角誤差は、ヘッダからの距離によって変化し、しかも個々の測定装置によってその大きさや距離依存関数の形が異なる。
【００１５】
そこで、使用する測定装置について事前に数値制御直動テーブルにより較正をして、その装置特有の位置誤差を収集してヘッダからの距離ごとに角度誤差に換算し、さらにこの角度誤差を距離の関数として求めて記憶しておく。
なお、較正作業は、ヘッダからの距離Ｚを所定の間隔で設定して、その等間隔面上に揺動軸に垂直の方向ｙに所定の間隔で測定点を設定して、測定を行う。ヘッダからある距離Ｚだけ離れた面上に設定した設定点の数値制御装置の指定値とセンサを用いて得た測定値の間のｚ方向の距離偏差Δｚとｙ方向の位置ずれΔｙを調べる。これら情報を表にして記憶装置に誤差テーブルとして記憶させ、測定時にテーブルを参照して補正することもできる。
【００１６】
しかし、テーブルを参照する方法ではテーブル検索や内挿計算などで演算負荷が大きくなるため、オンライン計測が難しくなる。そこで本発明では、較正作業で得た距離偏差Δｚとｙ方向位置ずれΔｙを生成するような方位角偏差φを算出して用いる。距離偏差などは設定点ごとにばらつきがあるので、方位角偏差φは最小二乗誤差法などを用いて統計的に算出する。
方位角偏差φは、距離Ｚの関数になるので、Ｚを独立変数として偏差を近似する誤差方程式を作成しておいて、測定出力から測定対象の位置を算出するときに、この誤差方程式によって方位角偏差φを求めて方位角θを補正し、下式によって対象位置（ｙ，ｚ）を算出する。
ｙ＝ｌｓｉｎ（θ−φ）
ｚ＝ｌｃｏｓ（θ−φ）。
【００１７】
誤差方程式は、回帰分析法により３次方程式とすることが好ましい。高次の方程式にすれば近似水準が向上するが演算負荷が増大し、２次方程式では演算負荷は小さいが近似度が十分でない。３次方程式であれば、演算負荷がそれ程大きくない割に、式の信頼性を表すＲ２値はおおむね０．９５を越えて良好な信頼性を確保することができる。
対象物について形状測定するときには、取得した位置データに対して上記のようにして求めた誤差関数を適用して補正し、より真正な三次元位置データを生成して、対象の表面の全体あるいは目的とする領域についてデータを集積することにより、より正確な三次元形状計測を行うことができる。
【００１８】
なお、較正作業は、数値制御式直動テーブルを利用して、測定装置制御パソコンと直動テーブル制御装置を通信線で結び、テーブルにセットしたターゲットを予め決めた点に順番に移動させながら位置計測すれば、ターゲットの位置計測もテーブルの移動も全てコンピュータによって自動的に行うことができ、計測点数が多くても手間はかからない。
【００１９】
さらに、本発明の光学的三次元形状測定装置および方法は、上記求めた方位角補正後の三次元位置データに対して、さらに残った走査方向の位置誤差とセンサとの間に発生する距離誤差をそれぞれ誤差方程式として求めて記憶しておいて、対象物の測定をするときに、角度誤差の補正をした三次元位置データをさらに誤差方程式を用いて誤差補償を行うことを特徴とするレーザスポット光の走査方向に生じる角度誤差を検出距離の関数として求めておいて、１次元光センサの出力をこの関数に基づいて補正することを特徴とする。
【００２０】
先に測定装置ごとに較正作業により求めた方位角誤差φは、測定装置が発生する誤差を全て表すわけではなく、さらに残余の誤差を有する。このような残余のｙ方向誤差とｚ方向誤差を、それぞれ補正後のｙｚ平面上に求めておいて、これを用いて測定値をさらに補正することにより、さらに精度の高い三次元形状データを得ることができる。
なお、これら残余の誤差は適宜の近似方程式を求めておいて計測時に補正計算しながらほぼオンラインで計測結果を表示させるが、これら残余の誤差は絶対値が比較的小さいので、演算負荷を抑制するため、単純に平面近似しても演算結果に大きな影響を与えない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図１は本実施例の三次元形状測定装置のブロック図、図２は本実施例の較正に用いる較正システムの構成を示すブロック図、図３から図５は本実施例における較正結果の１例を示す図面、図６から図８は別の個体についての較正結果例を示す図面、図９は残余の誤差を説明するグラフである。なお、図１０は揺動ミラーを使用する形状測定装置の原理図、図１１はｙ軸方向の方位角と対象物座標の関係を説明する図面、図１２は測定値に含まれる誤差の原因を説明する図面、図１３は別の原因を説明する図面である。
【００２２】
本実施例の三次元形状測定装置は、図１に示すように、三角測量の原理に基づいてレーザスポット光反射点までの距離を求めるスポット光投光器と受光素子からなる距離測定部と、揺動ミラーを往復動させるミラースキャン機構とミラー角度検出機構からなるミラー駆動部と、それらの計測値を組み合わせて三次元位置計算を行う座標演算部と、計測値の補正を行う補正演算部を備えている。
【００２３】
対象物表面の計測ポイントＰの三次元位置は、図２に示すように、距離測定部で受光素子の受光位置に基づいてヘッダと計測ポイントＰの距離ｌを求め、ミラー角度検出機構の出力に基づいて鉛直線から計ったレーザビームの方位角θを求めて、揺動ミラーの回転中心を基準として、下式から計測ポイントＰの座標値（ｙ，ｚ）を求めることによって得られる。
ｙ＝ｌｓｉｎθ
ｚ＝ｌｃｏｓθ
ただし、ｘ座標は計測ポイントＰを測定する測定装置の位置から与えられる。
【００２４】
揺動ミラーが揺動するにつれてレーザスポット光が測定対象表面をｙ軸方向に走査してｙ−ｚ平面内の切断図形輪郭における座標値を提供する。したがって、ｙ軸に垂直なｘ軸方向に対象物と測定装置を相対的に移動させながらｙ方向走査により（ｙ，ｚ）座標値を収集して、これらを総合することによって対象物の三次元形状を計測して、結果をモニタなどに表示することができる。
しかし、こうして収集した測定値には、種々の要因に起因する誤差が含まれるので、正確な形状計測を行うためには適切な補正演算をしなければならない。
【００２５】
本実施例の三次元形状測定装置は、この補正をオンライン表示も可能な程度の簡単な演算により行うことを特徴とする。
本実施例の補正を行うために、計測に先立って、較正作業を行い補正データを取得する。
測定装置は、図２に示すように、測定データを処理して画像表示するパソコンと連結している。較正するときは、数値制御式直動テーブルを用意して尖点を有するターゲットを載置し、測定装置のヘッダを直動テーブルの直上にセットして、この直動テーブル制御装置と測定装置制御用パソコンを通信線で接続する。
パソコンは直動テーブルと測定装置を有機的に制御し、ターゲットを予め決められた点へ順次移動させて、その位置を測定装置により測定させる。このときのテーブルへの指令値と測定値を比較することにより、測定装置の誤差を評価することができる。
【００２６】
図３は、ある１基の測定装置について測定したＹ座標位置ずれΔｙをｙｚ平面上に表したグラフである。また、図４は、そのＺ座標位置ずれΔｚを表したグラフである。
これら２軸の偏差をｚ一定の面について総合し、最小２乗誤差法などの統計学的手法を使用して、指定した方位角θと比較した方位角誤差φの最尤値をｚ値の異なる各面について求める。
【００２７】
こうして求めた方位角誤差φはＺ座標に従って変化するので、ｚを独立変数として回帰分析により近似式を求める。図５は、算出された方位角誤差φをｚ軸に対してプロットしたグラフである。このグラフについて回帰分析して近似する回帰式を算出する。回帰式は受光素子から測定出力を得るたびに補正演算するのに利用するものなので、精度に問題がない限りできるだけ低次元であって演算量が小さいものであることが好ましい。
本実施例では、演算結果を３次方程式で近似する。
φ＝ｐａｒａｍ０×ｚ３＋ｐａｒａｍ１×ｚ２＋ｐａｒａｍ２×ｚ＋ｐａｒａｍ３
図５のグラフについて最小２乗法により求めた３次式はＲ２値が０．９７２程度で十分な近似性を有する。なお、同じ手法で求めた２次近似式ではＲ２値が０．９６５程度になる。
【００２８】
また、図６と図７はそれぞれ、別の測定装置について測定したＹ座標位置ずれΔｙとＺ座標位置ずれΔｚをｙｚ平面上に表したグラフである。
図８は、図６と図７に基づいて算出された方位角誤差φをｚ軸に対してプロットしたグラフである。図８のグラフについて求めた３次式はＲ２値が０．９６４程度で十分な近似性を有する。同じ手法で求めた２次近似式ではＲ２値が０．９０９程度になり信頼性が若干劣る。
誤差の傾向は各機台ごとに異なるので、誤差算出式も個別に求める必要がある。
【００２９】
こうして求めた方位角誤差近似式は、補正演算部に記憶しておいて、実際の計測に備える。対象物の測定は、求めた距離ｌと方位角θから、下式によって、補正前のｙ座標値ｙ０と，ｚ座標値ｚ０を求める。
ｙ０＝ｌｓｉｎθ
ｚ０＝ｌｃｏｓθ
【００３０】
次に、方位角誤差近似式によって（ｙ０，ｚ０）における方位角誤差φを算出して、下式に代入して測定ポイントＰの三次元座標値（ｋｙ，ｋｚ）を算出する。
ｋｙ＝ｌｓｉｎ（θ−φ）
ｋｚ＝ｌｃｏｓ（θ−φ）
こうして、方位角誤差と見なせる成分を差し引くことにより、三次元変換モデルで生じる誤差のうちで影響の大きい誤差を相殺することができる。
【００３１】
なお、方位角誤差近似式に基づいて算定される誤差を相殺しても、さらに誤差は残る。残った誤差は、初めの誤差と比較するとずいぶん小さくなり、ｙ軸方向（水平方向）とｚ軸方向（鉛直方向）の誤差として表される。
図９は、方位角誤差を差し引いた残余の誤差を概念的に表示した誤差分布図である。ｙ軸方向誤差とｚ軸方向誤差は、それぞれｙ−ｚ座標系上の連続的な曲面に乗った点として出現する。
【００３２】
したがって、実際の計測時には、先に求めたｋｙ、ｋｚに基づいて、残余の誤差に係る補正項ｈｙ（ｋｙ，ｋｚ）とｈｚ（ｋｙ，ｋｚ）を求め、下の式に代入して最終的な三次元座標値（ｙ，ｚ）を得る。
ｙ＝ｋｙ−ｈｙ（ｋｙ，ｋｚ）
ｚ＝ｋｚ−ｈｚ（ｋｙ，ｋｚ）
【００３３】
このような誤差分布を正確に反映するためには、誤差テーブルを利用することができるが、演算負荷が過重になるので、ここでも、回帰分析法により誤差の回帰方程式を求めて利用することが好ましい。
残余の誤差は、大きな方位角誤差を含まないので変換モデルに対する影響度が小さいため、下式のような平面近似式を用いれば十分である。
ｈｙ＝ｐａｒａｍ０ｙ×ｋｙ＋ｐａｒａｍ１ｙ×ｋｚ＋ｐａｒａｍ２ｙ
ｈｚ＝ｐａｒａｍ０ｚ×ｋｙ＋ｐａｒａｍ１ｚ×ｋｚ＋ｐａｒａｍ２ｚ
【００３４】
上記実施例では、誤差の近似式として３次方程式や平面方程式などを利用したが、演算能力や要求精度によってはさらに別の演算式を利用してもよいことはいうまでもない。
また、揺動ミラーを使用する距離センサを対象とした補正方法として説明したが、ポリゴンミラーを用いた計測装置も方位角誤差が発生するので本発明の技術的思想を適用することによって良好な効果が得られることはいうまでもない。
また、レーザスポット光を用いた計器を対象として説明したが、レーザに限らずビーム化した光を使って反射位置に基づいて表面の位置を測定する装置であれば、本発明の技術をそのまま適用することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の三次元形状測定装置は、光学系の誤差などに起因する計測値のずれを簡便高速に補正するので、リアルタイムで三次元形状を計測して溶接や組立などのロボット作業に利用したり、モニタに表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例における三次元形状測定装置のブロック図である。
【図２】本実施例に用いられる較正システムの構成を示すブロック図である。
【図３】本実施例の三次元形状測定装置におけるｙ軸方向誤差を表す図面である。
【図４】図３と同じ測定装置におけるｚ軸方向誤差を表す図面である。
【図５】図３と図４から求めた方位角誤差を示すグラフである。
【図６】本実施例の他の測定装置における本実施例におけるｙ軸方向誤差を表す図面である。
【図７】図６と同じ測定装置におけるｚ軸方向誤差を表す図面である。
【図８】図６と図７から求めた方位角誤差を示すグラフである。
【図９】方位角誤差を差し引いた残余の誤差を説明する誤差分布図である。
【図１０】揺動ミラーを用いる形状測定装置の測定原理を説明する図面である。
【図１１】ｙ軸方向の方位角と対象物座標の関係を説明する概念図である。
【図１２】形状測定装置の測定値に含まれる誤差の原因を説明する図面である。
【図１３】形状測定装置の測定値に含まれる誤差の別の原因を説明する図面である。
【符号の説明】
なし[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical three-dimensional shape measuring apparatus and a measuring method for scanning a beam spot light such as a laser beam on a measurement object, receiving a reflected light image and measuring the shape based on the principle of triangulation, and particularly a swing type. The present invention relates to a technique for canceling an error of a measuring device using a mirror and improving measurement accuracy.
[0002]
[Prior art]
By attaching a three-dimensional shape measuring device to an assembly robot or welding robot to make it more intelligent, high-precision processing can be realized by performing processing while positioning by directly measuring an object in real time . For example, if a small and inexpensive beam scan type laser sensor as described in
[0003]
A beam scan type laser sensor is composed of a laser emitting device that emits a laser beam, a CCD linear sensor arranged so that the position of an element on which laser light reflected by an object is incident corresponds to the distance to the object, and a laser. A scanning mirror that scans the laser beam by swinging when inserted in the optical path, scans the object, finds the distance to the point where the laser is reflected by triangulation, corrects the direction, and corrects the ground. Is converted to a position in the coordinate system, and a contour measurement, that is, a three-dimensional shape measurement is performed by integrating these calculated positions.
[0004]
In an apparatus that scans a beam spot light to measure a three-dimensional shape from the position of a light reflection point, as shown in FIG. 10, a triangle is set based on a distance between an optical center of a lens and a laser beam emitted from a laser emitting apparatus. Based on the principle of surveying, a distance l from a header (for example, a scanning mirror) to a light reflection point P on an object is measured, and a reflection direction of a galvano-type scanning mirror swinging in the y-axis direction, that is, a direction angle θ of a light ray is measured. I do. Here, the direction angle θ is an angle obtained by measuring the inclination of the beam spot light irradiating the target with reference to the vertical line of the measuring device.
[0005]
Then, as can be seen immediately from the relationship diagram shown in FIG.
y = lsinθ
z = lcosθ
Then, the position of the light reflection point in the (y, z) plane at the position x of the measuring device is calculated. The direction angle θ changes as the scanning mirror swings, and the (y, z) value can be calculated over the width of the reciprocation. Therefore, the above-described calculation is performed while moving the measuring device in the x direction, thereby obtaining the three-dimensional position of the target object.
[0006]
However, in reality, there are various errors in the measurement result due to the deviation of the laser optical axis, the deviation of the mirror mounting surface and the pivot axis, the error of the mirror driving unit, the change in the angular velocity caused by pivoting the mirror, and the like. Is included.
For example, as shown in FIG. 12, if there is a parallel displacement between the laser optical axis and the swing axis of the swing mirror with respect to the spot light trajectory in the reference state shown by the dotted line, the vertical line lowered from the swing mirror An excessively large or small error occurs in the measured y-axis length values on both sides of the. Further, as shown in FIG. 13, if an angle error is included in the incident axis of the laser, an error in the vertical line and an error in the distance in the y-axis direction are too large or too small.
As described above, if there is a manufacturing error in the measuring device, it directly affects the processing accuracy of the robot.
It is ideal to analyze and evaluate each of these error factors and cancel them individually. However, in practice, it is difficult to treat each factor separately.
[0007]
Therefore, in order to observe and process the errors of the measuring device as a whole, perform calibration using a stage that can set the position accurately using numerical control, and cancel the measurement errors based on the calibration data. The detection output is corrected to obtain an accurate measurement result.
Calibration is performed by placing a target member with a sharp tip on a stage that moves by numerical control, and measuring the position while moving the target tip in the measurement plane of the measuring device, that is, in the yz plane, while stopping the target tip at predetermined intervals. And comparing the set position with the measured value. In this calibration apparatus, since the position measurement of the target and the movement of the stage are both performed by a computer, even if the number of measurement points is increased in order to improve the accuracy of calibration, the trouble does not change.
[0008]
The calibration data thus obtained can be represented as a y deviation and a z deviation on the yz coordinate plane.
Therefore, referring to the calibration data table based on the result of measuring the object using this measuring device, four or three sets of yz deviations around the measured values are extracted and interpolated to calculate an appropriate calibration value. Calculate and cancel this from the measured values to get the appropriate coordinate values.
However, since such an operation has a large number of steps, when a measurement result in which errors are offset is obtained in real time and directly used for processing, a high-performance arithmetic device is required, and the configuration is economical. As a result, the significance of the sensor unit is lost.
[0009]
[0010]
In the measurement method disclosed in
Since the calculation load is not small, real-time measurement is difficult, and surface position data for a predetermined range or the whole of the measured object is fetched, the fetched data is temporarily stored in the RAM, and then a process of calculating three-dimensional coordinates is performed.
[0011]
[Patent Document 1]
JP 2001-183117 A [Patent Document 2]
JP 05-180628 A
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the problem to be solved by the present invention is that in a shape measuring apparatus configured to measure a cross-sectional shape of a measurement object while scanning a laser spot light with an oscillating mirror, a deviation of a measured value due to an error in an optical system or the like. It is to provide a simple method that enables online measurement by compensating for.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the optical three-dimensional shape measuring apparatus and method of the present invention obtains an angular error occurring in a scanning direction of a laser spot light as a function of a detection distance, and outputs an output of a one-dimensional optical sensor to this. The correction is performed based on the function.
The error correction function may be a function obtained by approximating the calculated angle error with a cubic expression using the distance from the apparatus as a variable by regression analysis.
[0014]
Calibration of the oscillating mirror type laser spot light scanning type three-dimensional shape measuring device using a linear motion table whose position is precisely controlled by numerical control, the error included in the measurement value when measuring the vertical plane with respect to the header Has a substantially constant inclination in the swing direction of the swing mirror. This error can be understood as a phenomenon equivalent to the directional angle error of the oscillating mirror, and can be greatly corrected by correcting the directional angle θ in the detection position calculation formula.
The directional angle error varies depending on the distance from the header, and the size and the shape of the distance-dependent function vary depending on the individual measuring devices.
[0015]
Therefore, the measuring device to be used is calibrated in advance with a numerical control linear motion table, the position error peculiar to the device is collected, converted into an angle error for each distance from the header, and this angle error is further converted to a function of the distance. And store it.
In the calibration operation, the distance Z from the header is set at a predetermined interval, and measurement points are set at predetermined intervals on the equally-spaced plane in a direction y perpendicular to the swing axis to perform the measurement. The distance deviation .DELTA.z in the z direction and the displacement .DELTA.y in the y direction between the value specified by the numerical controller at the set point set on the plane at a distance Z from the header and the measurement value obtained using the sensor are examined. The information can be tabulated and stored in a storage device as an error table, and the table can be corrected by referring to the table during measurement.
[0016]
However, in the method of referring to the table, the calculation load increases in table search, interpolation calculation, and the like, so that online measurement becomes difficult. Therefore, in the present invention, the azimuth deviation φ that generates the distance deviation Δz and the y-direction positional deviation Δy obtained in the calibration work is calculated and used. The azimuth deviation φ is statistically calculated using the least squares error method or the like because the distance deviation and the like vary from set point to set point.
Since the azimuth deviation φ is a function of the distance Z, an error equation that approximates the deviation using Z as an independent variable is created, and when calculating the position of the measurement target from the measurement output, the azimuth error The azimuth angle θ is corrected by obtaining the angular deviation φ, and the target position (y, z) is calculated by the following equation.
y = lsin (θ-φ)
z = 1cos (θ-φ).
[0017]
The error equation is preferably a cubic equation by a regression analysis method. A higher-order equation improves the approximation level but increases the computational load, and the quadratic equation has a small computational load but does not have a sufficient degree of approximation. If cubic equation, in spite calculation load is not so large, it is possible to exceed the generally 0.95 R 2 value indicating reliability of the formula to ensure good reliability.
When measuring the shape of the object, the obtained position data is corrected by applying the error function obtained as described above, and more genuine three-dimensional position data is generated. By accumulating data on the region to be set, more accurate three-dimensional shape measurement can be performed.
[0018]
In the calibration work, the measurement device control personal computer and the linear motion table controller were connected by a communication line using a numerically controlled linear motion table, and the targets set on the table were sequentially moved to predetermined points while the position was moved. If the measurement is performed, both the position measurement of the target and the movement of the table can be automatically performed by the computer, and even if the number of measurement points is large, no trouble is required.
[0019]
Further, the optical three-dimensional shape measuring apparatus and method according to the present invention further comprises a distance error occurring between the remaining scanning direction position sensor and the sensor with respect to the obtained azimuth angle corrected three-dimensional position data. Are obtained and stored as error equations, and when measuring an object, the three-dimensional position data corrected for the angular error is further subjected to error compensation using the error equation. It is characterized in that an angle error occurring in the scanning direction of light is obtained as a function of the detection distance, and the output of the one-dimensional optical sensor is corrected based on this function.
[0020]
The azimuth angle error φ previously obtained by the calibration operation for each measuring device does not represent all the errors generated by the measuring device, and further has a residual error. Such residual y-direction errors and z-direction errors are respectively obtained on the corrected yz plane, and the measured values are further corrected using the obtained y- and z-direction errors to obtain more accurate three-dimensional shape data. be able to.
In addition, these residual errors are determined by calculating an appropriate approximate equation, and the measurement result is displayed almost online while correcting and calculating at the time of measurement. However, since these residual errors have relatively small absolute values, the computational load is suppressed. Therefore, even a simple plane approximation does not significantly affect the operation result.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram of a three-dimensional shape measuring apparatus of the present embodiment, FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a calibration system used for calibration of the present embodiment, and FIGS. 3 to 5 are examples of calibration results in the present embodiment. 6 to 8 are drawings showing examples of calibration results for another individual, and FIG. 9 is a graph for explaining the residual error. FIG. 10 is a principle diagram of a shape measuring device using a swinging mirror, FIG. 11 is a diagram for explaining a relationship between an azimuth angle in the y-axis direction and object coordinates, and FIG. 12 is a diagram showing a cause of an error included in a measured value. FIG. 13 is a diagram for explaining another cause.
[0022]
As shown in FIG. 1, the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present embodiment includes a distance measuring unit including a spotlight projector and a light receiving element for calculating a distance to a laser spotlight reflecting point based on the principle of triangulation; A mirror drive unit including a mirror scan mechanism for reciprocating the mirror and a mirror angle detection mechanism, a coordinate calculation unit for performing a three-dimensional position calculation by combining the measured values, and a correction calculation unit for correcting the measured values are provided. I have.
[0023]
As shown in FIG. 2, the three-dimensional position of the measurement point P on the surface of the target object is obtained by a distance measuring unit to obtain the
y = lsinθ
z = lcosθ
However, the x coordinate is given from the position of the measuring device that measures the measuring point P.
[0024]
As the oscillating mirror oscillates, the laser spot light scans the surface to be measured in the y-axis direction to provide coordinate values at the cut figure contour in the yz plane. Therefore, the (y, z) coordinate values are collected by scanning in the y direction while relatively moving the object and the measuring device in the x-axis direction perpendicular to the y-axis, and these are integrated to obtain a three-dimensional image of the object. The shape can be measured and the result can be displayed on a monitor or the like.
However, since the measurement values collected in this way include errors due to various factors, appropriate correction calculations must be performed in order to perform accurate shape measurement.
[0025]
The three-dimensional shape measuring apparatus according to the present embodiment is characterized in that this correction is performed by a simple calculation that allows online display.
In order to perform the correction according to the present embodiment, a calibration operation is performed to acquire correction data before measurement.
The measurement device is connected to a personal computer that processes the measurement data and displays the image as shown in FIG. When calibrating, a numerically controlled linear motion table is prepared, a target having a cusp is placed, and the header of the measuring device is set immediately above the linear motion table. PC for communication with communication line.
The personal computer organically controls the linear motion table and the measuring device, sequentially moves the target to a predetermined point, and measures the position by the measuring device. The error of the measuring device can be evaluated by comparing the command value to the table and the measured value at this time.
[0026]
FIG. 3 is a graph showing the Y coordinate position deviation Δy measured on a certain measuring device on the yz plane. FIG. 4 is a graph showing the Z coordinate position shift Δz.
The deviation of these two axes is integrated for a constant z plane, and the maximum likelihood value of the azimuth error φ compared to the specified azimuth angle θ is calculated using a statistical method such as the least square error method. Ask for different aspects.
[0027]
Since the azimuth angle error φ thus determined changes in accordance with the Z coordinate, an approximate expression is obtained by regression analysis using z as an independent variable. FIG. 5 is a graph in which the calculated azimuth angle error φ is plotted with respect to the z-axis. Regression analysis is performed on this graph to calculate an approximate regression equation. Since the regression equation is used for performing a correction operation every time a measurement output is obtained from the light receiving element, it is preferable that the regression equation has as low a dimension as possible and a small amount of operation unless there is a problem in accuracy.
In this embodiment, the calculation result is approximated by a cubic equation.
φ = param0 × z3 + param1 × z2 + param2 × z + param3
Cubic equation obtained by the least squares method for the graph of FIG. 5 is R 2 value has a sufficient approximation of about 0.972. Incidentally, R 2 value is about 0.965 in quadratic approximate expression calculated by the same method.
[0028]
FIGS. 6 and 7 are graphs respectively showing the Y coordinate position shift Δy and the Z coordinate position shift Δz measured on different measuring devices on the yz plane.
FIG. 8 is a graph in which the azimuth angle error φ calculated based on FIGS. 6 and 7 is plotted on the z-axis. Cubic equation obtained for the graph of FIG. 8 is R 2 value has a sufficient approximation of about 0.964. R 2 value is quadratic approximation formula obtained by the same method it becomes less reliable slightly to about 0.909.
Since the tendency of the error differs for each machine, it is also necessary to individually calculate the error calculation formula.
[0029]
The azimuth error approximation formula obtained in this way is stored in the correction calculation unit and prepared for actual measurement. In the measurement of the object, the y-coordinate value y0 and the z-coordinate value z0 before correction are obtained from the obtained
y0 = lsinθ
z0 = lcosθ
[0030]
Next, the azimuth angle error φ at (y0, z0) is calculated by the azimuth angle error approximation formula, and is substituted into the following formula to calculate the three-dimensional coordinate value (ky, kz) of the measurement point P.
ky = lsin (θ-φ)
kz = lcos (θ-φ)
In this way, by subtracting a component that can be regarded as an azimuth angle error, an error having a large influence among errors occurring in the three-dimensional conversion model can be canceled.
[0031]
It should be noted that even if the error calculated based on the azimuth error approximation is canceled, an error remains. The remaining error is much smaller than the initial error, and is represented as an error in the y-axis direction (horizontal direction) and the z-axis direction (vertical direction).
FIG. 9 is an error distribution diagram conceptually showing the remaining error obtained by subtracting the azimuth angle error. Each of the y-axis direction error and the z-axis direction error appears as a point on a continuous curved surface on the yz coordinate system.
[0032]
Therefore, at the time of actual measurement, the correction terms hy (ky, kz) and hz (ky, kz) relating to the residual error are obtained based on the previously obtained ky and kz, and are substituted into the following equations to obtain the final values. Three-dimensional coordinate values (y, z) are obtained.
y = ky-hy (ky, kz)
z = kz-hz (ky, kz)
[0033]
In order to accurately reflect such an error distribution, an error table can be used. However, since the calculation load becomes excessive, it is necessary to use a regression analysis method to obtain a regression equation for the error. preferable.
Since the residual error does not include a large azimuth error and thus has a small effect on the conversion model, it is sufficient to use a plane approximation formula such as the following formula.
hy = param0y × ky + param1y × kz + param2y
hz = param0z × ky + param1z × kz + param2z
[0034]
In the above-described embodiment, a cubic equation, a plane equation, or the like is used as an error approximation equation. However, it is needless to say that another arithmetic equation may be used depending on the arithmetic performance and required accuracy.
In addition, the correction method has been described as a correction method for a distance sensor using a oscillating mirror. However, since a measurement device using a polygon mirror also generates an azimuth error, a good effect can be obtained by applying the technical concept of the present invention. Needless to say, this is obtained.
In addition, although the description has been given of an instrument using a laser spot light, the technology of the present invention can be directly applied to an apparatus that measures the position of a surface based on a reflection position using not only a laser but also a beamed light. can do.
[0035]
【The invention's effect】
As described above, since the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention easily and quickly corrects a deviation of a measured value due to an error of an optical system, a robot for measuring a three-dimensional shape in real time and performing welding or assembly. It can be used for work or displayed on a monitor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a three-dimensional shape measuring apparatus according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of a calibration system used in the present embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating a y-axis direction error in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating an error in a z-axis direction in the same measuring device as in FIG. 3;
FIG. 5 is a graph showing an azimuth angle error obtained from FIGS. 3 and 4;
FIG. 6 is a drawing showing a y-axis direction error in the present embodiment in another measuring apparatus of the present embodiment.
7 is a drawing showing an error in the z-axis direction in the same measuring device as in FIG.
FIG. 8 is a graph showing an azimuth angle error obtained from FIGS. 6 and 7.
FIG. 9 is an error distribution diagram illustrating a residual error obtained by subtracting an azimuth angle error.
FIG. 10 is a view for explaining a measurement principle of a shape measuring apparatus using an oscillating mirror.
FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating the relationship between the azimuth in the y-axis direction and the coordinates of an object.
FIG. 12 is a diagram illustrating a cause of an error included in a measurement value of the shape measuring device.
FIG. 13 is a diagram illustrating another cause of an error included in a measurement value of the shape measuring device.
[Explanation of symbols]
None
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