JP2007240340A - 形状測定方法及び形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象物の負角部の形状を比較的簡単な構成で正確に測定すること。
【解決手段】測定ワーク１の負角部１ａの形状を測定する形状測定方法は、相互に位置関係が既知である二つのマーク２２ａ，２２ｂと球体２３を有する測定治具６を、負角部１ａの表面に対し球体２３が接するように設置する。次に、測定治具６に付されたマーク２２ａ，２２ｂ、及び測定ワーク１又はその一部をカメラ２で撮像する。次に、撮像された画像データをパソコン１１に取り込み、パソコン１２において、取り込まれた画像データから球体２３の中心座標を演算する。次に、パソコン１２において、演算された中心座標を事前に用意した測定ワーク１のＣＡＤデータと同一座標系に合わせ、演算された中心座標の、形状データにより表される測定ワーク１に対する最短距離を演算し、その最短距離に基づき、負角部１ａの形状誤差を求める。
【選択図】 図２

Description

この発明は、金型などの測定対象物の形状を測定するために使用される形状測定方法及び形状測定装置に関する。

従来より、金型などの測定対象物の形状測定に関する技術として、画像処理技術を採り入れた非接触式測定装置を用いる測定方法が知られている。この測定方法は、測定対象物をデジタルカメラにより複数の方向から撮像し、それら撮像された複数の画像データを比較し、演算することにより、測定対象物の各部位の位置を測定するようにしている。この場合、位置を知りたい部位に測定マークを付け、その測定マークを複数の方向から撮像する。この撮像で得られた複数の画像データを画像処理することにより、各測定マークの座標値を得る。そして、得られた座標値に基づいて、測定対象物の各部位の位置、寸法誤差などを求めるようにしている。

ここで、測定対象物の凹部の位置を測定する技術が下記の特許文献１に形状測定装置として開示されている。この形状測定装置は、球面を含む形状の測定治具を備え、その球面に付された測定マークと球中心座標との関係が明らかな測定治具を、測定対象物の凹部に載置してカメラで撮像することにより、球中心座標から凹部の位置座標を算出するようになっている。

特開２００４−１９１３３５号公報

ところが、特許文献１に記載の形状測定装置では、測定対象物について凹部の位置座標を測定できるだけであり、汎用性が低いものとなっていた。例えば、測定対象物には、形状測定の際に負角部（撮影正面に対して裏側に折れ曲がった部分）が存在し、その負角部の形状を測定する必要がある。しかし、前記形状測定装置のみでは、負角部の測定は困難であった。一方、測定対象物を特殊な保持装置によって三次元に向きを変えながら、前記形状測定装置を使用して形状測定することも考えられる。しかし、この場合は、特殊な保持装置が必要となり設備が大掛かりとなる問題があった。

この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、測定対象物の負角部の形状を比較的簡単な構成で正確に測定することを可能にした形状測定方法及び形状測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、負角部を有する測定対象物の形状を測定する形状測定方法において、相互に位置関係が既知である複数のマークと球体を有する測定治具を、負角部の表面に対し球体が接するように設置するステップと、測定治具に付されたマーク、及び測定対象物又はその一部を撮像するステップと、撮像された画像データを演算部に取り込むステップと、演算部において、取り込まれた画像データから球体の中心座標を演算するステップと、演算部において、演算された中心座標を事前に用意した測定対象物に係る形状データと同一座標系に合わせ、演算された中心座標の、形状データにより表される測定対象物に対する最短距離を演算するステップとを少なくとも備えたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、測定対象物における負角部の形状を測定するには、先ず、相互に位置関係が既知である複数のマークと球体を有する測定治具を、負角部の表面に対し球体が接するように設置する。このとき、複数のマークは負角部の外に現れるように配置する。次に、測定治具に付されたマーク、及び測定対象物又はその一部を撮像する。次に、撮像された画像データを演算部に取り込む。次に、演算部において、取り込まれた画像データから球体の中心座標を演算する。その後、演算部において、演算された中心座標を事前に用意した測定対象物に係る形状データと同一座標系に合わせ、演算された中心座標の、形状データにより表される測定対象物に対する最短距離を演算する。このように、測定治具に付した複数のマークを撮像した画像データから、間接的に球体の中心座標が求められ、その中心座標から負角部の最短距離が求められる。この最短距離と球体の実際の半径との比較により、負角部の形状誤差が求められる。従って、負角部を直接撮像することなく負角部の形状誤差が求められる。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、測定対象物の負角部の形状を測定するために用いる測定治具において、複数のマークが付された治具本体と、治具本体に設けられ、複数のマークとの位置関係が既知である球体とを備えたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、治具本体において複数のマークと球体との相互の位置関係が既知であることから、複数のマークを撮像することで、その画像データから各マークの位置座標が決定可能となり、各マークの位置座標から球体の位置座標が決定可能となる。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明の測定治具において、複数のマーク及び球体の中心が同一直線上に位置することを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項２に記載の発明の作用に加え、複数のマークと球体が同一直線上に位置することから、各マークの位置座標から球体の位置座標の決定が容易となる。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、負角部を有する測定対象物の形状を測定する形状測定装置において、請求項２又は３に記載の測定治具と、測定治具の球体を測定対象物の表面に接触させた状態で、複数のマークを撮像するための撮像手段と、撮像された画像データに基づき球体の中心座標を演算し、演算された中心座標を事前に用意した測定対象物に係る形状データと同一座標系に合わせ、演算された中心座標の、形状データにより表される測定対象物に対する最短距離を演算する演算手段とを少なくとも備えたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、測定対象物の負角部の形状を測定するには、先ず、相互に位置関係が既知である複数のマークと球体を有する測定治具を、測定対象物の負角部の表面に球体が接触するように設置する。このとき、複数のマークは負角部の外に現れるように配置する。この状態で、撮像手段により、測定治具の複数のマークを、測定対象物又はその一部と共に撮像する。そして、演算手段において、撮像された画像データに基づき球体の中心座標を演算し、その演算された中心座標を事前に用意した測定対象物に係る形状データと同一座標系に合わせ、演算された中心座標の、形状データにより表される測定対象物に対する最短距離を演算する。このように、測定治具に付された複数のマークを撮像した画像データから、間接的に球体の中心座標が求められ、その中心座標から負角部の最短距離が求められる。この最短距離と球体の実際の半径との比較により、負角部の形状誤差が求められる。従って、負角部を直接撮像することなく負角部の形状誤差が求められる。

請求項１に記載の発明によれば、測定対象物の負角部の形状を測定治具を付加するだけの比較的簡単な構成により正確に測定することができる。

請求項２に記載の発明によれば、負角部の形状測定に好適な測定治具を得ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項２に記載の発明の効果に加え、負角部の形状測定の演算処理を簡略化することができる。

請求項４に記載の発明によれば、測定対象物の負角部の形状を測定治具を付加するだけの比較的簡単な構成により正確に測定することができる。

以下、本発明の形状測定方法、測定治具及び形状測定装置を具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図１に、この実施形態の形状測定装置を概略構成図により示す。この形状測定装置は、金型などの測定ワーク１を測定対象物として形状測定するものである。そのために、形状測定装置は、測定ワーク１を１台のカメラ２により撮像し、座標演算用パソコン１１及び点群解析用パソコン１２により各部位の位置座標を演算し、その演算結果を処理結果出力用プリンター１３により出力するようになっている。座標演算用パソコン１１、点群解析用パソコン１２及び処理結果出力用プリンター１３は互いにネットワーク１４により接続される。１台のカメラ２は、本発明の撮像手段に相当する。座標演算用パソコン１１及び点群解析用パソコン１２は、本発明の演算部及び演算手段に相当する。測定ワーク１の形状測定に際して、同ワーク１には、事前にマーカー３、コードマーカー４及び基準バー５が取り付けられ、測定治具６が設置される。

この実施形態では、カメラ２として、例えば、デジタルカメラが使用される。カメラ２は、ストロボ７を有し、撮像の際にはストロボ７が閃光を発生する。図２に、測定ワーク１とカメラ２の位置関係を概念図により示す。カメラ２は、測定ワーク１の上方の任意の位置（例えば、図２において「位置１、位置２、位置３」）において各方向から撮像可能となっている。図１において、撮像された複数の画像データは、コンパクトフラッシュ（登録商標）メモリ等の記憶媒体１５に保存し、これを座標演算用パソコン１１に読み取らせるようになっている。カメラ２と座標演算用パソコン１１を、無線ＬＡＮを介して接続することで画像データを同パソコン１１へ転送するように構成してもよい。

座標演算用パソコン１１は、撮像された複数の画像データに基づいて、マーカー３、コードマーカー４及び基準バー５等の三次元座標値を算出する機能を有する。算出された座標値データは、ネットワーク１４を介して点群解析用パソコン１２に読み込まれる。算出された座標値データを、フレキシブル・ディスク等の移動情報媒体に記録して、点群解析用パソコン１２に入力してもよい。点群解析用パソコン１２では、座標値データに基づいて各部位の位置座標を算出する。この算出方法については後述する。また、座標値データを、取り扱いやすい座標系、例えば、測定ワーク１を設計した際に使用したＣＡＤ座標系に変換してもよい。

前述したように、測定ワーク１には、測定を行う前に、測定対象となる各部位にマーカー３、コードマーカー４及び基準バー５が取り付けられる。また、図２に示すように、測定治具６は、測定ワーク１の負角部１ａに設置される。負角部１ａは、カメラ２による撮影正面に対して裏側に折れ曲がった部分のことを意味する。測定治具６は、この負角部１ａに所定の状態で設置される。この実施形態では、測定ワーク１の庇状部分の裏側水平面を負角部１ａとして測定するようになっている。

マーカー３及びコードマーカー４は、黒色背景に白色の点又は円を付した記号を含み、測定ワーク１に対して十分に小さく、薄いシールよりなる。これらのマーカー３，４は、測定ワーク１の表面に簡単に貼付することができる。この他、これらのマーカー３を、磁石シートにより構成することもできる。座標演算用パソコン１３では、これらマーカー３，４の中心の座標値が算出される。

図３に、測定治具６を平面図により示す。図４に、測定治具６を側面図により示す。この測定治具６は、図２に示すような測定ワーク１の負角部１ａの形状を測定するために用いられ、長尺状の治具本体２１と、その表面に付された二つのマーク２２ａ，２２ｂ（図２，４において便宜上「×」で示される。）と、同じく治具本体２１の表面に設けられた球体２３とを備える。球体２３は、治具本体２１の表面から半球のみが突出するように設けられる。各マーク２２ａ，２２ｂは、治具本体２１の表面に印刷、貼付又は埋め込まれる。マーク２２ａ，２２ｂは、治具本体２１の表面が黒色背景であるのに対し、白色の丸で構成される。二つのマーク２２ａ，２２ｂ及び球体２３は、相互に位置関係が既知となっている。すなわち、この実施形態では、二つのマーク２２ａ，２２ｂ及び球体２３の中心が、同一直線上に位置するように治具本体２１の表面に配置され、それらの配置間隔が既知となっている。測定治具６を負角部１ａに設置するために、治具本体２１の表面には磁石２４が設けられる。この磁石２４は、球体２３に隣接して配置される。この実施形態で、治具本体２１の表面からの磁石２４の高さは、同じく治具本体２１の表面からの球体２３の高さと同じか若干低く設定される。球体２３は、負角部１ａの面に対して球面により点接触することから、磁石２４が球体２３より多少低くても、球体２３を負角部１ａの面に対して点接触させることができる。この場合に、治具本体２１は、球体２３と磁石２４の接触高さの違いから多少傾くこともあるが、負角部１ａの測定には何ら影響はない。

次に、上記のように構成した形状測定装置を使用して行う形状測定方法について、図５を参照して以下に説明する。図５には、測定ワーク１の負角部１ａについて行われる形状測定方法の流れをフローチャートに示す。

先ず、ステップ１で、作業者が測定ワーク１の負角部１ａにおける測定部位に測定治具６を取り付ける。このとき、図２に示すように、二つのマーク２２ａ，２２ｂが負角部１ａの外に現れてカメラ２から撮像できるように配置する。

ステップ２では、マーカー３、コードマーカー４及び基準バー５を測定ワーク１の所定部位に配置する。

ステップ３では、カメラ２で測定ワーク１を複数枚撮像する。このとき、図２に示すように、カメラ２を、位置１、位置２及び位置３のように複数の位置から方向を変えて撮像する。

ステップ４では、カメラ２で撮像したファイルを、記憶媒体１５を介して、座標演算用パソコン１１に取り込む。

ステップ５では、座標演算用パソコン１１を使用して、全測定ポイントの３次元座標を計算してファイルを作成する。

ステップ６では、座標演算用パソコン１１で作成したファイルを点群解析用パソコン１２にて読み込む。

ステップ７では、測定治具６につき、作図により２点を結ぶ延長線上に球体２３の中心Ｐ１の座標を計算する。ここで、２点とは、測定治具６のマーク２２ａ，２２ｂの中心Ｐ２，Ｐ３の座標を意味する。この計算方法を図６に説明図により示す。図６にて破線で示すのは、実際に測定している測定対象物である測定ワーク１とその負角部１ａを意味する。図６にて実線で示すのは、後述するＣＡＤデータ１０を意味する。図６に示すように、二つのマーク２２ａ，２２ｂの中心Ｐ２，Ｐ３を結ぶ延長線Ｌ１上において球体２３の中心Ｐ１の座標を計算する。

ステップ８では、点群解析用パソコン１２に事前に用意しておいたＣＡＤデータ１０を読み込む。このＣＡＤデータ１０は、測定ワーク１の負角部１ａに係る形状データを含む。そして、球体２３の中心Ｐ１の座標を同一座標系に合わせる。

ステップ９では、ステップ７で計算した球体２３の中心Ｐ１の座標と、ＣＡＤデータ１０の対応する面との最短距離Ｓ１を計算する。すなわち、最短距離Ｓ１は、図６において、球体２３の中心Ｐ１と、負角部１ａに対応するＣＡＤデータ１０上の基準点Ｐ４との間の距離を意味する。

そして、ステップ１０で、計算した最短距離Ｓ１と球体２３の半径Ｒ１との差を誤差Ｅ１として計算する。すなわち、図６において、球体２３の中心Ｐ１から球体２３が負角部１ａに接触する接触点Ｐ５までの距離を球体２３の半径Ｒ１とし、その半径Ｒ１と最短距離Ｓ１との差を誤差Ｅ１として計算するのである。この誤差Ｅ１が、測定ワーク１の負角部１ａの形状精度を代表する値として得られる。

つまり、この実施形態では、負角部１ａを有する測定ワーク１の形状を測定する形状測定方法において、相互に位置関係が既知である二つのマーク２２ａ，２２ｂと球体２３を有する測定治具６を、負角部１ａの表面に対し球体２３が接するように設置する（ステップ１）。その後、測定治具６に付されたマーク２２ａ，２２ｂ、及び測定ワーク１又はその一部をカメラ２で撮像する（ステップ３）。次に、撮像された画像データを座標演算用パソコン１１に取り込み（ステップ４）、そのパソコン１１にて全測定ポイントの３次元座標を計算して画像データのファイルを作成する（ステップ５）。そして、そのファイルを点群解析用パソコン１２に読み込み（ステップ６）、同パソコン１２において、取り込まれたファイルから球体２３の中心Ｐ１の座標を演算する（ステップ７）。また、同パソコン１２において、演算された中心Ｐ１の座標を事前に用意した測定ワーク１に係る形状データであるＣＡＤデータと同一座標系に合わせ、演算された中心Ｐ１の座標の、ＣＡＤデータにより表される測定ワーク１に対する最短距離Ｓ１を演算する（ステップ７〜９）。最後に演算された最短距離Ｓ１と球体２３の半径Ｒ１との差を誤差Ｅ１として計算する（ステップ１０）ようにしている。

以上説明したこの実施形態の形状測定装置及び形状測定方法によれば、測定ワーク１の負角部１ａの形状を測定するのに、先ず、相互に位置関係が既知である二つのマーク２２ａ，２２ｂと球体２３を有する測定治具６を、負角部１ａの表面に対し球体２３が接するように設置する。このとき、図２に示すように、二つのマーク２２ａ，２２ｂは負角部１ａの外に現れるように配置する。この状態で、カメラ２により、測定治具６に付されたマーク２２ａ，２２ｂを、測定ワーク１又はその一部と共に撮像する。次に、撮像された画像データを座標演算用パソコン１１に取り込み、測定ポイントの３次元座標を計算する。次に、点群解析用パソコン１２において、計算された画像データ（ファイル）から球体２３の中心Ｐ１の座標を計算する。その後、同パソコン１２において、計算された中心Ｐ１の座標を事前に用意した測定ワークに係るＣＡＤデータと同一座標系に合わせ、計算された中心Ｐ１の座標の、ＣＡＤデータにより表される測定ワーク１に対する最短距離Ｓ１を計算する。このように、二つのマーク２２ａ，２２ｂを撮像した画像データから、間接的に球体２３の中心Ｐ１の座標が求められ、その中心Ｐ１の座標から負角部１ａの最短距離Ｓ１が求められる。この最短距離Ｓ１と球体２３の実際の半径Ｒ１との比較により、負角部１ａの形状誤差Ｅ１が求められる。従って、負角部１ａをカメラ２で直接撮像することなく負角部１ａの形状誤差Ｅ１が求められる。このため、測定ワーク１の負角部１ａの形状（形状上の誤差Ｅ１）を測定治具６を付加するだけの比較的簡単な構成により正確に測定することができる。

また、この実施形態の測定治具６によれば、治具本体２１に設けられた二つのマーク２２ａ，２２ｂと球体２３とが相互に位置関係が既知であることから、二つのマーク２２ａ，２２ｂをカメラ２で撮像することで、その画像データから各マーク２２ａ，２２ｂの中心Ｐ２，Ｐ３の位置座標が決定可能となり、各マーク２２ａ，２２ｂの位置座標から球体２３の中心Ｐ１の位置座標が決定可能となる。このため、負角部１ａに取り付けるだけで使用できて、負角部１ａの形状測定に好適な測定治具６を得ることができる。

特に、この実施形態では、二つのマーク２２ａ，２２ｂと球体２３が同一直線Ｌ１上に位置することから、各マーク２２ａ，２２ｂの中心Ｐ２，Ｐ３の位置座標から球体２３の中心Ｐ１の位置座標の決定が容易となる。このため、点群解析用パソコン１２における負角部１ａの形状測定、すなわち誤差Ｅ１の計算のための演算処理を簡略化することができる。

加えて、この実施形態の測定治具６は、負角部１ａと接触する主要部が球体２３であることから、負角部１ａの表面と球体２３とを点接触させることができ、接触部分を点として特定することができる。また、球体２３の中心Ｐ１と、二つのマーク２２ａ，２２ｂとが同一平面及び同一直線Ｌ１上にあることから、球体２３の中心Ｐ１と、各マーク２２ａ，２２ｂの中心Ｐ２，Ｐ３との位置関係が分かりやすくなっている。更に、この実施形態の測定治具６では、球体２３よりも磁石２４の方が低いので、球体２３が必ず負角部１ａの表面に接触することとなる。このため、負角部１ａの表面が多少湾曲していても、球体２３を負角部１ａに確実に点接触させて測定に寄与することができる。

なお、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で以下のように実施することもできる。

（１）前記実施形態では、測定ワーク１の庇状部分の裏側水平面を負角部１ａとして測定するようにした測定治具６を使用したが、図７に示すように、測定ワーク１の庇状部分の裏側垂直面を負角部１ｂとして測定する測定治具２６を使用してもよい。この測定治具２６の球体２３は、各マーク２２ａ，２２ｂと同一平面上には配置されず、各マーク２２ａ，２２ｂの配置面と直交する平面上、すなわち治具本体２１の先端面上に配置される。磁石２４は、各マーク２２ａ，２２ｂと同一平面上に配置される。ただし、この測定治具２６においても、各マーク２２ａ，２２ｂの中心と、球体２３の中心が同一直線上に配置されるのは、上記した測定治具６と同じである。

（２）前記実施形態では、測定治具６に二つのマーク２２ａ，２２ｂを設けたが、このマークを二つ以上に適宜増やすこともできる。

（３）前記実施形態では、測定治具６において、二つのマーク２２ａ，２２ｂ、球体２３及び磁石２４を互いに同一直線上に配列したが、測定対象物の形状に合わせて磁石のみ異なる配列としてもよい。例えば、図８に示すように、治具本体２１を平面視で鉤形に形成し、その一辺上に二つのマーク２２ａ，２２ｂと球体２３を同一直線上に配置し、磁石２４のみを残りの辺上に配置した測定治具２７としてもよい。このような測定治具２７は、例えば、奥行きの短い負角部に有効である。

（４）前記実施形態では、測定治具６において、二つのマーク２２ａ，２２ｂと球体２３とを同一直線上に配置したが、各マークと球体の位置関係が相互に既知であれば、同一直線上の配置に限られるものではない。

（５）前記実施形態では、座標演算用パソコン１１と点群解析用パソコン１２の二つのコンピュータにより本発明の演算部及び演算手段を構成したが、一つのコンピュータにより演算部及び演算手段を構成してもよい。

（６）前記実施形態では、測定治具６につき、球体２３の半球のみが治具本体２１の外部に露出するように設けたが、図９に示すように、治具本体２１の先端角部分に形成された矩形の切り欠き部に球体２３を載せて固定した測定治具２８を使用してもよい。この測定治具２８は、球体２３のほぼ全体が治具本体２１から露出しているため、磁石２４の高さを変えるだけで負角部１ａと負角部１ｂのいずれも測定することが可能である。

形状測定装置を示す概略構成図。 測定ワークとカメラの位置関係を示す概念図。 測定治具を示す平面図。 測定治具を示す側面図。 形状測定方法を示すフローチャート。 計算方法を示す説明図。 負角部への測定治具の設置状態を示す側面図。 測定治具を示す平面図。 測定治具を示す側面図。

符号の説明

１ 測定ワーク（測定対象物）
１ａ 負角部
１ｂ 負角部
２ カメラ（撮像手段）
６ 測定治具
１１ 座標演算用パソコン（演算部、演算手段）
１２ 点群解析用パソコン（演算部、演算手段）
２１ 治具本体
２２ａ マーク
２２ｂ マーク
２３ 球体
２４ 磁石
２６ 測定治具
２７ 測定治具
２８ 測定治具
Ｐ１ 球の中心
Ｌ１ 延長線
Ｓ１ 最短距離

Claims (4)

1. 負角部を有する測定対象物の形状を測定する形状測定方法において、
   相互に位置関係が既知である複数のマークと球体を有する測定治具を、前記負角部の表面に対し前記球体が接するように設置するステップと、
   前記測定治具に付されたマーク、及び前記測定対象物又はその一部を撮像するステップと、
   前記撮像された画像データを演算部に取り込むステップと、
   前記演算部において、前記取り込まれた画像データから前記球体の中心座標を演算するステップと、
   前記演算部において、前記演算された中心座標を事前に用意した前記測定対象物に係る形状データと同一座標系に合わせ、前記演算された中心座標の、前記形状データにより表される前記測定対象物に対する最短距離を演算するステップと
   を少なくとも備えた形状測定方法。
2. 測定対象物の負角部の形状を測定するために用いる測定治具において、
   複数のマークが付された治具本体と、
   前記治具本体に設けられ、前記複数のマークとの位置関係が既知である球体と
   を備えた測定治具。
3. 前記複数のマーク及び前記球体の中心が同一直線上に位置する請求項２に記載の測定治具。
4. 負角部を有する測定対象物の形状を測定する形状測定装置において、
   請求項２又は３に記載の測定治具と、
   前記測定治具の前記球体を前記測定対象物の表面に接触させた状態で、前記複数のマークを撮像するための撮像手段と、
   前記撮像された画像データに基づき前記球体の中心座標を演算し、前記演算された中心座標を事前に用意した前記測定対象物に係る形状データと同一座標系に合わせ、前記演算された中心座標の、前記形状データにより表される前記測定対象物に対する最短距離を演算する演算手段と
   を少なくとも備えた形状測定装置。

Images