JP2005221452A

JP2005221452A - 形状測定システム

Info

Publication number: JP2005221452A
Application number: JP2004031663A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Suzu; 正晴鈴
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】プロジェクタとカメラを用いた３次元形状測定システムにおいて、高温環境下における測定精度を確保する。
【解決手段】プロジェクタ１０からパターン光を被測定物に投射し、ＣＣＤカメラ１２でパターン像を得る。パターン像は演算処理装置１６に供給され、演算処理装置１６はプロジェクタ１０とＣＣＤカメラ１２の光軸交差角度αを用いて被測定物の３次元形状を算出する。プロジェクタ１０とＣＣＤカメラ１２を固定するフレーム１１に歪みゲージ１４を設けて熱的歪み量を検出し、予め用意されたテーブルを用いて歪み量に対応する角度変化量を算出して角度αを補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は形状測定システム、特に被測定物にパターン光を投射し、当該パターン光の反射光を受光して被測定物の形状を測定するシステムにおける温度補正に関する。

従来より、被測定物の形状、特に３次元形状を測定する方法としてパターン投影法が知られている。パターン投影法では、スリット等によるパターンを被測定物に投射し、これを他の方向から観察することにより、三角測量の原理で投射されたパターンの３次元座標を計算することにより被測定物の３次元形状を測定するものである。

図５には、パターン投影法の基本システムが示されている。被測定物１００に対して所定位置にプロジェクタ１０を配置し、プロジェクタ１０から被測定物１００に向けてパターン光を投射する。一方、プロジェクタ１０に対してフレーム（枠体）１１を介してＣＣＤカメラ１２を相対配置し、このＣＣＤカメラ１２でパターン光が投射された被測定物１００を撮影する。プロジェクタ１０から被測定物１００に向けて投射されたパターン光の光軸と、被測定物１００で反射されＣＣＤカメラ１２で受光される反射パターン光の光軸とのなす角度をα、ＣＣＤカメラ１２のＣＣＤセンサ１２ａにおける、被測定物１００の高さＺによるパターンのずれをＳとすると、Ｚ＝Ｓ／ｔａｎαの関係にある。ＣＣＤセンサ１２ａの１ピクセル当たりのずれ量を予め定めておき（例えば０．３ｍｍ／ピクセル）、ずれ量Ｓを検出することで被測定物１００の特定位置における高さＺが算出される。以上の処理を被測定物１００の複数位置で実行することで、被測定物１００の３次元形状を測定することができる。

特開平７−２１８２３２号公報特開平８−５３４８号公報特開平１１−６３９２９号公報

通常、このような形状測定システムは恒温環境下での使用を前提としており、１０℃〜３０℃の常温かつ温度変動範囲が±３℃程度を前提としてシステムの精度を保証している。

ところで、例えばガソリンタンクやエンジンブロック、クランクシャフト等の鋳造型あるいは鍛造型等の金型においては、高温状態から低温状態に至るまでの熱的影響を正確に計測する必要があり、このためには高温状態下にあって時々刻々温度が変化する金型の形状を迅速かつ正確に測定しなければならない。この場合、金型に近接して配置される形状測定システムも金型と同様の温度変化を受け、本来の機器精度保証温度範囲を逸脱する温度変化を受けることになり、プロジェクタ１０とＣＣＤカメラ１２の相対位置を規定するフレーム１１自体に歪みが生じて機器の測定精度が低下してしまう問題があった。

図６には、プロジェクタ１０及びＣＣＤカメラ１２（以下、これを測定ユニットと称する）の配置図が示されている。中央にプロジェクタ１０が配置され、その周囲の三回対称位置にＣＣＤカメラ１２が配置される。このような測定ユニットで鋳造型あるいは鍛造型の形状を測定する場合の、ユニット各部ａ〜ｆの温度分布を測定した結果を図７に示す。なお、測定点ａ、ｂ、ｃはＣＣＤカメラ１２の近傍位置、測定点ｄ，ｅ，ｆはプロジェクタ１０の近傍位置である。

図７において、横軸は測定開始からの経過時間であり、縦軸は各測定点における温度である。なお、６分〜７分にかけては、被測定物である型に対する測定ユニットの位置を切り替えた（正面から側面への切り替え）ことを示している。測定点ａ〜ｆにおいて温度分布が生じ、特に測定点ａと測定点ｄ（あるいはｅ，ｆ）との温度分布が大きい（最大で１０℃程度の温度差）ことが分かる。このような温度分布はフレーム１１に熱的歪みを与え、本来所定値であるべきプロジェクタ１０とＣＣＤカメラ１２との位置関係に変動を及ぼす。本願出願人は、図７に示されるような温度分布が存在し最大温度が４０℃を超える場合、角度α（図５参照）にして約０．１ｄｅｇ程度の誤差が生じることを確認している。

本発明の目的は、鋳造型や鍛造型等の高温かつ時々刻々と温度が変化する被測定物の形状を迅速に測定することができる形状測定システムを提供することにある。

本発明の形状測定システムは、被測定物にパターン光を投射する投射手段と、前記投射手段に対してフレームを介して相対配置され、前記パターン光の投射された被測定物を撮影する撮影手段と、被測定物の撮影画像内におけるパターン像に基づき前記被測定物の形状を演算する演算手段と、前記フレームに設けられ、前記フレームの熱的歪み量を検出する歪み検出手段とを有し、前記演算手段は、前記熱的歪み量に応じて前記被測定物の形状を補正することを特徴とする。

本発明では、フレームに設けられた歪み検出手段でフレームの熱的歪み量を直接検出し、検出歪み量に基づいて被測定物の形状、すなわち演算手段で演算された形状データを補正する。

本発明において、前記演算手段は、前記パターン像に基づき前記投射手段から前記被測定物に至るパターン光の光軸と前記被測定物から前記撮影手段に至る反射パターン光の光軸とのなす角度αを算出して前記被測定物の形状を演算するものであり、かつ、前記フレームに熱的歪みがないとした場合の基準角度を前記歪み検出手段で検出された熱的歪み量に応じて補正することが好適であり、前記熱的歪み量と前記基準角度の補正量との対応関係を予め記憶する記憶手段を有し、前記演算手段は、前記歪み検出手段で検出された熱的歪み量に応じた補正量を前記記憶手段から読み出して前記基準角度を補正することが好適である。熱的歪み量と基準角度の補正量との対応関係（テーブル）を記憶手段に記憶させ、この対応関係を用いることで複雑な計算を省き迅速に基準角度を補正することができる。

なお、フレームに歪み検出手段を設けて熱的歪み量を直接検出するのではなく、フレームに温度検出手段を設け、温度を検出することで間接的に熱的歪み量を評価することもできる。

本発明の形状測定システムによれば、高温環境下においても被測定物の形状を正確に測定することができる。特に、フレームの熱的歪み量と基準角度の補正量との対応関係（テーブル）を用いて補正するため、迅速に測定することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

図１には、本実施形態に係る形状測定システムの構成図が示されている。測定ユニットはパターン光を被測定物である金型に投射するプロジェクタ１０、被測定物からの反射パターン光を受光しパターン像を得るＣＣＤカメラ１２及びフレーム（枠体）１１を含む。
フレーム１１は、例えばグラスファイバーで構成される。ＣＣＤカメラ１２で得られたパターン像は演算処理装置１６に供給され、演算処理装置１６でパターン像のずれＳ及び角度αから、Ｚ＝Ｓ／ｔａｎαにより被測定物の着目している位置における高さＺを算出し、被測定物の３次元形状を算出する。

一方、フレーム１１の複数位置には、歪みゲージ１４がそれぞれ設けられており、各位置における歪み量を検出して演算処理装置１６に供給する。既述したように、高温の金型の形状を測定する場合、測定ユニット自体も温度変化を受け、フレーム１１に熱的歪みが生じる。そこで、本実施形態では、フレーム１１の各位置に設けられた歪みゲージでフレーム１１に生じる熱的歪み量を直接検出し、演算処理装置１６では検出された歪み量に基づいて角度αを補正して熱的歪みによる誤差を抑制する。

演算処理装置１６には、予め各部の歪みゲージ１４で検出された歪み量とその歪み量に対応する角度αの変化量Δαとの関係を測定し、これをテーブル（以下、これをマトリクステーブルと称する）として記憶する角度変化量データベース（Ｄ／Ｂ）１８が設けられており、演算処理装置１６はマトリクステーブルを参照することで各歪みゲージ１４で検出された歪み量に対応する角度変化量Δαを特定し、この角度変化量Δαを用いて基準角度、すなわち恒温環境下にあってフレーム１１に熱的歪みが生じていないと仮定したときの基準角度を補正する。演算処理装置１６及び角度変化量Ｄ／Ｂ１８はコンピュータで構成することができる。

図２には、本実施形態における形状測定フローチャートが示されている。まず、被測定物である金型に対して測定ユニットを所定位置に設置し、スリット等によるパターン光をプロジェクタ１０から投射するとともに、ＣＣＤカメラ１２で被測定物を撮影し、パターン像を取得する（Ｓ１０１）。得られたパターン像データは演算処理装置１６に供給される。

一方、測定ユニットのフレーム１１の複数位置に設けられた歪みゲージ１４で検出された歪み量データも演算処理装置１６に供給され、演算処理装置１６は検出された歪み量に基づき角度α、すなわち熱的歪み下における角度αを算出する（Ｓ１０２）。この角度α算出処理の詳細については後述する。

角度αを算出した後、演算処理装置１６はパターン像から被測定物の高さＺに起因するずれＳを算出し、Ｚ＝Ｓ／ｔａｎαにより被測定物の高さ（計測データ）Ｚを算出する（Ｓ１０３）。以上の処理を被測定物の複数位置（Ｘ、Ｙ）で繰り返し実行することで、被測定物の３次元形状（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出し外部に出力する（Ｓ１０４）。なお、算出された３次元形状をＣＧ等の技術を用いて立体的にディスプレイに出力してもよい。また、以上の処理を異なる時間で繰り返し実行することで、金型の３次元形状の経時変化、あるいは時々刻々と温度変化する金型の各瞬間における３次元形状を得ることができる。これにより、金型を設計する際に必要な金型の熱歪み量を正確に得ることができる。

図３には、図２におけるＳ１０２の角度α算出処理の詳細フローチャートが示されている。まず、フレーム１１の各位置に設けられた歪みゲージ１４で検出された歪み量を取り込む（Ｓ１０２１）。次に、角度変化量Ｄ／Ｂ１８にアクセスし、検出歪み量に対応する角度変化量Δαをマトリクステーブルから読み出す（Ｓ１０２２）。

図４には、角度変化量Ｄ／Ｂ１８に記憶されるマトリクステーブルの一例が示されている。フレーム１１の各位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に取り付けられた歪みゲージ１４のそれぞれにナンバー１，２，３，・・を付し、各歪みゲージにおける検出歪み量と、その歪み量に対応する角度変化量Δαを規定する。例えば、フレーム１１の位置（１０，１０，１０）に取り付けられた歪みゲージ１の検出歪み量が０．００１である場合には角度変化量Δαは０．０１（ｄｅｇ）、検出歪み量が０．００２である場合には角度変化量Δαは０．０２（ｄｅｇ）、フレーム１１の位置（１０，１０，２０）に取り付けられた歪みゲージ２の検出歪み量が０．９９８である場合には角度変化量Δαは−１．９８（ｄｅｇ）、検出歪み量が０．９９９である場合には角度変化量Δαは−１．９９（ｄｅｇ）等である。なお、角度変化量Δαは、基準角度が増大する方向を＋、基準角度が減少する方向を−とする。図４に示されたマトリクステーブルは、フレーム１１に歪みを与えて歪みゲージで歪み量を検出し、そのときの角度αを実測し、基準角度からのずれを算出することで作成できる。マトリクステーブルは適当なタイミングで更新することが好適であり、歪みゲージ１４の設置位置を変更したときには同時に更新することが必要である。歪みゲージ１４の設置位置は任意であるが、例えばフレーム１１の長さを７００ｍｍとした場合に１０ｍｍピッチで設置することができる。

再び図３に戻り、以上のようにして各歪みゲージ１４の検出歪み量に対応する角度変化量Δαを取得した後、図５に示される角度α、すなわち熱的歪みが生じる環境下における角度αを角度α＝基準角度＋ΣΔαｉにより算出する（Ｓ１０２３）。ここで、Δαｉは、歪みゲージｉの検出歪み量に対応する角度変化量である。具体的には、角度α＝基準角度＋歪みゲージ１の角度変化量＋歪みゲージ２の角度変化量＋歪みゲージ３の角度変化量＋・・・となる。以上のようにして、角度αが算出され、被測定物の高さＺが算出される。マトリクステーブルを用いて歪み量に対応する角度変化量を読み出すことで、複雑な計算が不要となり、迅速かつ正確に角度α、ひいては３次元形状を算出することが可能である。

なお、本実施形態では、フレーム１１に歪みゲージ１４を設け、フレーム１１の各部に生じる熱的歪み量を直接検出しているが、フレーム１１の複数位置に温度センサを設け、フレーム１１の各部に生じる温度を検出し、この温度をパラメータとして角度変化量を算出してもよい。この場合、角度変化量Ｄ／Ｂ１８には、温度センサで検出された温度とその温度に対応する角度変化量との対応関係をテーブルとして規定するマトリクステーブル（温度マトリクステーブル）を予め記憶させておけばよい。具体的には、図４のマトリクステーブルにおいて、温度センサ１，２，３・・・それぞれに対して検出温度と角度変化量Δαとの対応関係を規定する。例えば、温度センサ１の検出温度が３５℃である場合には角度変化量Δαは０．０１（ｄｅｇ）等である。

実施形態のシステム構成図である。実施形態の処理フローチャートである。図２における角度α算出の詳細フローチャートである。実施形態のマトリクステーブル説明図である。３次元形状測定システムの基本構成図である。プロジェクタ及びカメラを含む測定ユニットの平面図である。金型を測定する場合の測定ユニットの温度分布図である。

符号の説明

１０プロジェクタ、１１フレーム（枠体）、１２ＣＣＤカメラ、１４歪みゲージ、１６演算処理装置、１８角度変化量Ｄ／Ｂ（データベース）。

Claims

被測定物にパターン光を投射する投射手段と、
前記投射手段に対してフレームを介して相対配置され、前記パターン光の投射された被測定物を撮影する撮影手段と、
被測定物の撮影画像内におけるパターン像に基づき前記被測定物の形状を演算する演算手段と、
前記フレームに設けられ、前記フレームの熱的歪み量を検出する歪み検出手段と、
を有し、前記演算手段は、前記熱的歪み量に応じて前記被測定物の形状を補正することを特徴とする形状測定システム。
請求項１記載のシステムにおいて、
前記演算手段は、前記パターン像に基づき前記投射手段から前記被測定物に至るパターン光の光軸と前記被測定物から前記撮影手段に至る反射パターン光の光軸とのなす角度αを算出して前記被測定物の形状を演算するものであり、かつ、前記フレームに熱的歪みがないとした場合の基準角度を前記歪み検出手段で検出された熱的歪み量に応じて補正することを特徴とする形状測定システム。
請求項２記載のシステムにおいて、さらに、
前記熱的歪み量と前記基準角度の補正量との対応関係を予め記憶する記憶手段
を有し、前記演算手段は、前記歪み検出手段で検出された熱的歪み量に応じた補正量を前記記憶手段から読み出して前記基準角度を補正することを特徴とする形状測定システム。
請求項３記載のシステムにおいて、
前記歪み検出手段は、前記フレームの複数位置に設けられて各位置における熱的歪み量を検出し、
前記演算手段は、各位置ｉにおける熱的歪み量に応じた補正量Δαｉを前記記憶手段から読み出し、補正後の角度＝基準角度＋ΣΔαｉにより前記基準角度を補正することを特徴とする形状測定システム。
被測定物にパターン光を投射する投射手段と、
前記投射手段に対してフレームを介して相対配置され、前記パターン光の投射された被測定物を撮影する撮影手段と、
被測定物の撮影画像内におけるパターン像に基づき前記被測定物の形状を演算する演算手段と、
前記フレームに設けられ、前記フレームの温度を検出する温度検出手段と、
を有し、前記演算手段は、前記温度に応じて前記被測定物の形状を補正することを特徴とする形状測定システム。
請求項５記載のシステムにおいて、
前記演算手段は、前記パターン像に基づき前記投射手段から前記被測定物に至るパターン光の光軸と前記被測定物から前記撮影手段に至る反射パターン光の光軸とのなす角度αを算出して前記被測定物の形状を演算するものであり、かつ、前記フレームの温度が基準温度である場合の基準角度を前記温度検出手段で検出された温度に応じて補正することを特徴とする形状測定システム。
請求項６記載のシステムにおいて、さらに、
前記温度と前記基準角度の補正量との対応関係を予め記憶する記憶手段
を有し、前記演算手段は、前記温度検出手段で検出された温度に応じた補正量を前記記憶手段から読み出して前記基準角度を補正することを特徴とする形状測定システム。
請求項７記載のシステムにおいて、
前記温度検出手段は、前記フレームの複数位置に設けられて各位置における温度を検出し、
前記演算手段は、各位置ｉにおける温度に応じた補正量Δαｉを前記記憶手段から読み出し、補正後の角度＝基準角度＋ΣΔαｉにより前記基準角度を補正することを特徴とする形状測定システム。