JP2008032449A - Method and device for measuring three dimensional shape and calibration matter - Google Patents

Method and device for measuring three dimensional shape and calibration matter Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for measuring three dimensional shape capable of measuring the three dimensional shape with a good precision even though the deviation from the parallel between the coordinate axes of the camera coordinate system and the rotation axis of the object to be measured is remaining a little. <P>SOLUTION: Before measuring the shape of the object to be measured, a device for measuring the three dimensional shape calibrates the deviation between the camera coordinate system and the reference coordinate system using the reference work. Regarding the remaining deviation after calibration, the affection of the coordinate conversion is eliminated by the angle correction matrix Mθ. After the coordinate conversion by the Mθ, the coordinate conversion is performed by the axis matching matrix MA for making the rotation axis of the measurement object included in a coordinate plane of the coordinate system. The converted coordinate values for every prescribed rotation angle of the measurement object OB are composited, and the whole external shapes of the measurement object are obtained. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、測定対象物に光を照射して、その反射光から得られる情報に基づいて測定対象物の三次元形状を測定する方法および装置、ならびに測定対象物の三次元形状を測定するときに用いる校正用物体に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for irradiating a measurement object with light and measuring the three-dimensional shape of the measurement object based on information obtained from the reflected light, and measuring the three-dimensional shape of the measurement object. The present invention relates to a calibration object used for the above.

光を測定対象物に照射し、その反射光を受光することにより測定対象物の三次元形状を測定する際、測定対象物を回転させながら測定を行うことで測定対象物全体の三次元形状を測定することができる。このような測定方法は、測定対象物を固定し、形状測定装置を測定対象物の周りに回転させることにより測定対象物全体の三次元形状を測定する方法と原理的には同じである。   When measuring the three-dimensional shape of the measurement object by irradiating the measurement object with light and receiving the reflected light, the three-dimensional shape of the entire measurement object is obtained by measuring while rotating the measurement object. Can be measured. Such a measuring method is in principle the same as a method of measuring the three-dimensional shape of the entire measuring object by fixing the measuring object and rotating the shape measuring device around the measuring object.

例えば特許文献1では、測定対象物に所定角度からライン光を照射するとともに測定対象物を回転させることによって様々な角度から三次元形状を測定し、この三次元形状データと回転角度のデータとから回転角度毎の三次元形状データの位置合わせを行っている。そして、位置合わせを行った後さらに、形状測定装置の座標系における回転軸の位置のデータを変更していくことによって、回転角度毎の三次元形状データの位置ずれを修正して、測定対象物の立体的形状を示す三次元データを得ている。   For example, in Patent Document 1, a three-dimensional shape is measured from various angles by irradiating a measurement target with line light from a predetermined angle and rotating the measurement target, and from this three-dimensional shape data and rotation angle data, Alignment of 3D shape data for each rotation angle is performed. After the alignment, the position of the rotation axis in the coordinate system of the shape measuring device is changed to correct the positional deviation of the three-dimensional shape data for each rotation angle, and the measurement object The three-dimensional data showing the three-dimensional shape of is obtained.

上記特許文献1に記載の形状測定方法は、測定対象物の回転軸が光の照射平面に直交しているので、測定対象物の高さ方向にライン光を移動する必要がある。これに対し、特許文献2に記載の形状測定装置は、測定対象物の回転軸がライン光の照射平面とほぼ平行とされているため、ライン光の照射位置を固定し、測定対象物を回転するだけで、測定対象物全体の三次元形状を測定することができる。このため、ライン光を移動するための手段を必要とせず、形状測定装置の作製コストを低減することができる。
特開平10−074272号公報 特開平05−272927号公報
In the shape measurement method described in Patent Document 1, since the rotation axis of the measurement object is orthogonal to the light irradiation plane, it is necessary to move the line light in the height direction of the measurement object. On the other hand, in the shape measuring apparatus described in Patent Document 2, since the rotation axis of the measurement object is substantially parallel to the irradiation plane of the line light, the irradiation position of the line light is fixed and the measurement object is rotated. It is possible to measure the three-dimensional shape of the entire measurement object simply by doing. For this reason, a means for moving the line light is not required, and the manufacturing cost of the shape measuring apparatus can be reduced.
JP-A-10-074272 JP 05-272927 A

上記特許文献2に記載の形状測定装置においては、カメラ座標系の座標軸と測定対象物の回転軸とが平行からずれている場合は正確な形状測定を行うことができない。この場合、例え作業者が形状測定器の姿勢を調整してカメラ座標系の座標軸と測定対象物の回転軸との平行ずれがなくなるように調整しても、完全にずれが無い状態とすることは困難である。したがって、僅かな平行ずれにより三次元形状測定の精度が悪くなるという問題がある。   In the shape measuring apparatus described in Patent Document 2, accurate shape measurement cannot be performed when the coordinate axis of the camera coordinate system and the rotation axis of the measurement object are deviated from parallel. In this case, even if the operator adjusts the posture of the shape measuring instrument so that there is no parallel shift between the coordinate axis of the camera coordinate system and the rotation axis of the object to be measured, it should be completely free of deviation. It is difficult. Therefore, there is a problem that the accuracy of the three-dimensional shape measurement is deteriorated due to a slight parallel shift.

本発明は上記問題に対処するためなされたもので、その目的は、カメラ座標系の座標軸と測定対象物の回転軸との平行からのずれが多少残っている場合であっても、良好な精度で三次元形状の測定を行うことができる三次元形状測定方法および三次元形状測定装置、ならびに上記方法を行う際に、測定対象物の回転軸と一つの座標軸が平行である基準座標系を定義し、この基準座標系とカメラ座標系のずれ量を検出するために用いられる校正用物体を提供することにある。   The present invention has been made to address the above-described problems, and its purpose is to achieve good accuracy even when some deviation from the parallel between the coordinate axis of the camera coordinate system and the rotation axis of the measurement object remains. 3D shape measurement method and 3D shape measurement device capable of measuring 3D shape with the above, and a reference coordinate system in which the rotation axis of the measurement object and one coordinate axis are parallel when performing the above method Another object of the present invention is to provide a calibration object used for detecting the amount of deviation between the reference coordinate system and the camera coordinate system.

上記目的を達成するため、本発明の特徴は、測定対象物を回転させるとともに、ライン光を出射可能な形状測定器から同測定対象物に向かって測定対象物の回転軸に略平行にライン光を照射し、照射した光の反射光を受光することにより測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定方法であって、形状測定器が定義する座標系であって座標平面がライン光の照射平面と平行となるカメラ座標系と、一つの座標軸が測定対象物の前記回転軸と平行である基準座標系とのずれ量を検出するずれ量検出ステップと、測定対象物を前記回転軸回りに回転させつつ、ライン光を前記形状測定器から測定対象物に向かって照射する照射ステップと、測定対象物に照射したライン光の反射光を受光する受光ステップと、測定対象物の所定の回転角度毎に前記受光ステップにて得られる受光情報に基づいて、ライン光が照射された測定対象物の表面上の位置を示す座標値を、前記カメラ座標系における座標値の群として前記所定の回転角度毎に取得する座標値取得ステップと、前記座標値取得ステップにて前記所定の回転角度毎に取得した前記座標値の群を前記ずれ量に基づいて座標変換することで得られる補正座標値の群を前記所定の回転角度毎に取得する座標変換ステップと、前記座標変換ステップにて得られた前記所定の回転角度毎の前記補正座標値の群を前記所定の回転角度に基づいて合成し、測定対象物の立体的形状を示す合成座標値の群を取得する合成ステップと、を含んだ三次元形状測定方法とすることにある。   In order to achieve the above object, the present invention is characterized in that the measurement object is rotated and the line light is substantially parallel to the rotation axis of the measurement object from the shape measuring device capable of emitting the line light toward the measurement object. Is a three-dimensional shape measurement method for measuring the three-dimensional shape of an object to be measured by receiving reflected light of the irradiated light, which is a coordinate system defined by a shape measuring instrument and whose coordinate plane is line light. A displacement amount detecting step for detecting a displacement amount between a camera coordinate system parallel to the irradiation plane of the light source and a reference coordinate system in which one coordinate axis is parallel to the rotation axis of the measurement object; and An irradiation step of irradiating the line light from the shape measuring instrument toward the measurement object while rotating around, a light receiving step of receiving reflected light of the line light irradiated on the measurement object, and a predetermined measurement object For each rotation angle Based on the light reception information obtained in the light receiving step, coordinate values indicating the position on the surface of the measurement object irradiated with the line light are set for each predetermined rotation angle as a group of coordinate values in the camera coordinate system. A coordinate value acquisition step to be acquired, and a group of correction coordinate values obtained by performing coordinate conversion on the basis of the deviation amount of the group of coordinate values acquired for each of the predetermined rotation angles in the coordinate value acquisition step. A coordinate conversion step acquired for each predetermined rotation angle, and a group of the correction coordinate values for each predetermined rotation angle obtained in the coordinate conversion step are synthesized based on the predetermined rotation angle, and a measurement object A three-dimensional shape measuring method including a synthesizing step of acquiring a group of synthesized coordinate values indicating the three-dimensional shape.

また、本発明の他の特徴は、測定対象物を回転軸を中心として回転させるための回転駆動手段と、前記回転駆動手段により回転する測定対象物の回転角度を検出する回転角度検出手段と、測定対象物の回転軸に略平行にライン光を出射するとともに、測定対象物の表面上に照射されたライン光の反射光を受光し、受光情報を出力する形状測定器と、前記回転角度検出手段が検出する回転角度および前記形状測定器から出力された受光情報が入力されるデータ処理装置とを備えた三次元形状測定装置であって、前記データ処理装置は、前記回転角度検出手段から入力される回転角度のうちの所定の回転角度毎に、前記形状測定器から入力される受光情報に基づいて、ライン光が照射された測定対象物の表面上の位置を示す座標値を、前記形状測定器が定義する座標系であってライン光の照射平面が一つの座標平面と平行であるカメラ座標系における座標値の群として前記所定の回転角度毎に取得する座標値取得手段と、前記座標値取得手段により前記所定の回転角度毎に取得した前記座標値の群を、予め記憶している校正用物体により定義される基準座標系と前記カメラ座標系とのずれ量に基づいて座標変換し、前記ずれ量が補正された補正座標値の群を前記所定の回転角度毎に取得する座標変換手段と、前記座標変換手段にて得られた前記所定の回転角度毎の前記補正座標値の群を、前記所定の回転角度に基づいて合成し、測定対象物の立体的形状を示す合成座標値の群を取得する合成手段とを備えるものとしたことである。   Another feature of the present invention is that a rotation driving means for rotating the measurement object around the rotation axis, a rotation angle detection means for detecting a rotation angle of the measurement object rotated by the rotation driving means, A shape measuring device that emits line light substantially parallel to the rotation axis of the measurement object, receives reflected light of the line light irradiated on the surface of the measurement object, and outputs light reception information, and the rotation angle detection A three-dimensional shape measuring apparatus including a rotation angle detected by the means and a data processing apparatus to which the light reception information output from the shape measuring instrument is input, wherein the data processing apparatus is input from the rotation angle detecting means The coordinate value indicating the position on the surface of the measurement object irradiated with the line light based on the received light information input from the shape measuring device at every predetermined rotation angle of the rotation angle to be Measurement A coordinate value acquisition means for acquiring at each predetermined rotation angle as a group of coordinate values in a camera coordinate system which is a coordinate system defined by a vessel and whose irradiation plane of line light is parallel to one coordinate plane; and the coordinate values The coordinate value group acquired for each predetermined rotation angle by the acquisition means is coordinate-converted based on a deviation amount between a reference coordinate system defined by a calibration object stored in advance and the camera coordinate system, A coordinate conversion unit that obtains a group of corrected coordinate values in which the shift amount is corrected for each predetermined rotation angle, and a group of the corrected coordinate values for each predetermined rotation angle obtained by the coordinate conversion unit. And synthesizing means for synthesizing based on the predetermined rotation angle and acquiring a group of synthesized coordinate values indicating the three-dimensional shape of the measurement object.

上記発明によれば、形状測定器により実際に測定対象物の三次元形状を計測する前に、予め、形状測定器が定義するカメラ座標系と、校正用物体により定義される基準座標系とのずれ量を取得しておく。その後、形状測定器から測定対象物にライン光を照射して、カメラ座標系における測定対象物の表面形状を示す座標値の群(点群データ)を取得する。さらに、取得した点群データを上記ずれ量に基づき座標変換することにより得られる補正座標値の群を、測定対象物の回転角度毎に取得する。そして、測定対象物の回転角度毎に取得した補正座標値の群をそのときの回転角度に基づき合成し、測定対象物全体の三次元形状を測定する。このように、形状測定をする前にカメラ座標系と基準座標系とのずれ量を取得しておき、測定対象物の形状測定を行った後に、このずれ量に基づいて補正することで、測定対象物の正確な三次元形状を測定することができる。   According to the above invention, before actually measuring the three-dimensional shape of the measurement object by the shape measuring instrument, the camera coordinate system defined by the shape measuring instrument and the reference coordinate system defined by the calibration object Obtain the amount of deviation. Thereafter, the shape measuring instrument irradiates the measurement target with line light, and acquires a group of coordinate values (point group data) indicating the surface shape of the measurement target in the camera coordinate system. Further, a group of corrected coordinate values obtained by performing coordinate conversion on the acquired point group data based on the deviation amount is acquired for each rotation angle of the measurement object. Then, a group of correction coordinate values acquired for each rotation angle of the measurement object is synthesized based on the rotation angle at that time, and the three-dimensional shape of the entire measurement object is measured. In this way, the amount of deviation between the camera coordinate system and the reference coordinate system is acquired before measuring the shape, and after measuring the shape of the measurement object, the measurement is performed by correcting based on the amount of deviation. An accurate three-dimensional shape of the object can be measured.

上記発明において、ライン光とは、形状測定器から出射される光の通過領域が平面(本明細書では、この平面を照射平面とも呼ぶ)となる光のことであり、直線状の光を平行に移動または光源を中心に揺動させて形成することもできるし、直線状の光をシリンドリカルレンズにより平面状に広げて形成することもできる。また、カメラ座標系とは、形状測定器が定義する座標系であり、ライン光の照射平面はこのカメラ座標系の二つの座標軸(例えばx軸およびz軸)を含む平面である座標平面(例えばx−z平面)に平行である。好ましくは、ライン光の照射平面はこのカメラ座標系の一つの座標平面(例えばx−z平面)とするとよい。また、基準座標系とは、校正用物体により定義される座標系である。本発明では、基準座標系の一つの座標軸(例えばx軸)が測定対象物の回転軸に平行であるとよい。また、ずれ量は、カメラ座標系と基準座標系との間の角度のずれ、および、位置のずれがある。角度のずれとは、基準座標系の各座標軸の方向とカメラ座標系の各座標軸の方向のずれ角度をいう。角度のずれとしては、x軸周りの角度のずれθx、y軸周りの角度のずれθy、z軸周りの角度のずれθzが挙げられる。位置のずれとは、基準座標系の座標軸原点とカメラ座標系の座標軸原点とが基準となる相対的位置関係にある場合からのずれをいう。位置のずれとしては、x軸方向の位置のずれΔx、y軸方向の位置のずれΔy、z軸方向の位置のずれΔzが挙げられる。   In the above-mentioned invention, the line light is light in which a light passing region emitted from the shape measuring instrument is a flat surface (this plane is also referred to as an irradiation plane in this specification), and linear light is parallel. Or can be formed by swinging around the light source, or linear light can be spread in a planar shape by a cylindrical lens. The camera coordinate system is a coordinate system defined by the shape measuring instrument, and the irradiation plane of the line light is a coordinate plane (for example, a plane including two coordinate axes (for example, the x axis and the z axis) of the camera coordinate system (for example, parallel to the xz plane). Preferably, the irradiation plane of the line light is one coordinate plane (for example, xz plane) of this camera coordinate system. The reference coordinate system is a coordinate system defined by a calibration object. In the present invention, one coordinate axis (for example, the x axis) of the reference coordinate system may be parallel to the rotation axis of the measurement object. Further, the shift amount includes an angle shift between the camera coordinate system and the reference coordinate system, and a position shift. The angle shift refers to a shift angle between the direction of each coordinate axis in the reference coordinate system and the direction of each coordinate axis in the camera coordinate system. Examples of the angular deviation include an angular deviation θx around the x axis, an angular deviation θy around the y axis, and an angular deviation θz around the z axis. The positional deviation refers to a deviation from a case where the coordinate axis origin of the reference coordinate system and the coordinate axis origin of the camera coordinate system are in a relative positional relationship as a reference. Examples of the positional deviation include a positional deviation Δx in the x-axis direction, a positional deviation Δy in the y-axis direction, and a positional deviation Δz in the z-axis direction.

また、前記ずれ量検出ステップは、基準座標系を定義し得る形状を有する校正用物体に向けて前記形状測定器からライン光を照射する事前照射ステップと、前記事前照射ステップにて前記校正用物体に照射したライン光の反射光を受光する事前受光ステップと、前記事前受光ステップにて得られる受光情報に基づいて、前記カメラ座標系と前記基準座標系とのずれを算出する算出ステップと、を含むものとするとよい。測定対象物の形状測定に先立ってライン光が照射される校正用物体は、基準座標系を定義し得るものであるため、これにライン光を照射してその反射光を受光し、その受光情報を解析して照射平面における校正用物体の三次元形状を算出すれば、この三次元形状に基づきカメラ座標系と基準座標系とのずれを算出することができる。   The deviation amount detecting step includes a pre-irradiation step of irradiating line light from the shape measuring instrument toward a calibration object having a shape that can define a reference coordinate system, and the calibration step in the pre-irradiation step. A pre-light receiving step for receiving reflected light of the line light irradiated on the object, and a calculating step for calculating a deviation between the camera coordinate system and the reference coordinate system based on the light receiving information obtained in the pre-light receiving step; It is good to include. The calibration object that is irradiated with the line light prior to measuring the shape of the measurement object can define a reference coordinate system. Therefore, the line light is irradiated onto the calibration object, and the reflected light is received. Is calculated and the three-dimensional shape of the calibration object in the irradiation plane is calculated, the deviation between the camera coordinate system and the reference coordinate system can be calculated based on the three-dimensional shape.

上記本発明においては、測定対象物の回転軸の位置が定まればよいが、回転軸の位置が定まらない場合は、座標変換ステップにより座標値の群を座標変換することができない。この場合、本発明の三次元形状測定方法は、回転軸算出ステップをさらに備えるものとして、この回転軸算出ステップによって回転軸の位置を算出することができる。この回転軸算出ステップは、外形形状から所定の定点を定義可能な定点定義物体に向かって形状測定器からライン光を照射し、前記定点定義物体に照射したライン光の反射光から前記定点の座標値を計算することを、前記定点定義物体を前記測定対象物の回転軸を中心として所定角度回転させながら複数の回転角度で行い、計算された複数の前記定点の座標値に基づいて測定対象物の回転軸を算出するものである。上記算出方法は、定点定義物体における定点を、回転軸中心に回転させた様々な角度から検出し、そのときの定点の軌跡から回転軸中心を割り出す手法である。この回転軸算出ステップによって測定対象物の回転軸の位置が算出される。測定対象物の回転軸は、基準座標系の一つの座標軸と平行であるので、上記のように算出された回転軸の位置は、基準座標系とカメラ座標系とのずれを間接的に表すものでもある。よって、カメラ座標系と基準座標系とのずれ量と測定対象物の回転軸の位置とに基づいて座標値の群を座標変換することができる。   In the present invention, it is only necessary to determine the position of the rotation axis of the measurement object. However, when the position of the rotation axis is not determined, the coordinate value group cannot be coordinate-converted by the coordinate conversion step. In this case, the three-dimensional shape measurement method of the present invention further includes a rotation axis calculation step, and the rotation axis position can be calculated by this rotation axis calculation step. This rotation axis calculation step irradiates line light from a shape measuring instrument toward a fixed point definition object capable of defining a predetermined fixed point from the outer shape, and coordinates of the fixed point from reflected light of the line light irradiated to the fixed point definition object Calculating the value is performed at a plurality of rotation angles while rotating the fixed point defining object by a predetermined angle around the rotation axis of the measurement object, and the measurement object is based on the calculated coordinate values of the plurality of fixed points. The rotation axis is calculated. The calculation method is a method of detecting a fixed point in a fixed point definition object from various angles rotated about the rotation axis center, and calculating the rotation axis center from the locus of the fixed point at that time. By this rotation axis calculation step, the position of the rotation axis of the measurement object is calculated. Since the rotation axis of the measurement object is parallel to one coordinate axis of the reference coordinate system, the position of the rotation axis calculated as described above indirectly represents the deviation between the reference coordinate system and the camera coordinate system. But there is. Therefore, the coordinate value group can be coordinate-converted based on the amount of deviation between the camera coordinate system and the reference coordinate system and the position of the rotation axis of the measurement object.

また、前記座標変換ステップは、前記ずれ量のうち前記カメラ座標系と前記基準座標系との角度のずれに基づいて、カメラ座標系の座標系の一つの座標軸(例えばx軸)と測定対象物の回転軸が平行になるように前記座標値の群を座標変換して角度補正座標値を取得する第一座標変換ステップと、前記ずれ量のうち前記カメラ座標系と前記基準座標系との相対的位置のずれ、または、前記ずれ量と前記回転軸算出ステップにおいて算出した測定対象物の回転軸の位置と、に基づいて、カメラ座標系の一つの座標平面(例えばx−z平面)に測定対象物の回転軸が含まれるように前記角度補正座標値の群を座標変換して前記補正座標値を取得する第二座標変換ステップと、を含むものとすることができる。これによれば、カメラ座標系による座標値は第一座標変換ステップによって、まずカメラ座標系の座標軸の方向を基準座標系の座標軸の方向と一致させた場合の角度補正座標値に変換される。この段階では測定対象物の回転軸はカメラ座標系の一つの座標平面(例えばx−z平面)に平行であるが、カメラ座標系の一つの座標平面には含まれていない可能性がある。測定対象物の回転軸がカメラ座標系の一つの座標平面に含まれないと、測定対象物を回転軸回りに回転させて回転角度に基づいて座標値の群を合成した場合、測定対象物の回転軸とカメラ座標系の一つの座標平面のずれ分が補正されずに合成されることになるため、得られる三次元形状の精度は悪くなってしまう。よって第二座標変換ステップによりカメラ座標系の一つの座標平面に測定対象物の回転軸が含まれるように、両座標系の相対的位置のずれ、または、ずれ量と回転軸算出ステップにおいて算出した測定対象物の回転軸の位置と、に基づいて角度補正座標値を座標変換する。これにより、測定対象物を回転軸回りに回転させて回転角度に基づいて座標値の群を合成した場合、精度の良い三次元形状を得ることができる。   In the coordinate conversion step, one coordinate axis (for example, the x axis) of the coordinate system of the camera coordinate system and the measurement object are determined based on an angle shift between the camera coordinate system and the reference coordinate system among the shift amounts. A first coordinate conversion step for converting the group of coordinate values to obtain an angle correction coordinate value so that the rotation axes of the two are parallel, and the relative amount between the camera coordinate system and the reference coordinate system among the deviation amounts Measurement on one coordinate plane (for example, xz plane) of the camera coordinate system based on the deviation of the target position or the amount of deviation and the position of the rotation axis of the measurement object calculated in the rotation axis calculation step A second coordinate conversion step of converting the angle correction coordinate value group so as to include the rotation axis of the object and acquiring the correction coordinate value. According to this, the coordinate value by the camera coordinate system is first converted into the angle correction coordinate value when the direction of the coordinate axis of the camera coordinate system coincides with the direction of the coordinate axis of the reference coordinate system by the first coordinate conversion step. At this stage, the rotation axis of the measurement object is parallel to one coordinate plane (for example, xz plane) of the camera coordinate system, but may not be included in one coordinate plane of the camera coordinate system. If the rotation axis of the measurement object is not included in one coordinate plane of the camera coordinate system, when the measurement object is rotated around the rotation axis and a group of coordinate values is synthesized based on the rotation angle, Since the shift between the rotation axis and one coordinate plane of the camera coordinate system is synthesized without being corrected, the accuracy of the obtained three-dimensional shape is deteriorated. Therefore, in the second coordinate conversion step, the relative position shift between the two coordinate systems, or the shift amount and the rotation axis calculation step, is calculated so that the rotation axis of the measurement object is included in one coordinate plane of the camera coordinate system. The angle correction coordinate value is coordinate-transformed based on the position of the rotation axis of the measurement object. Thereby, when a measurement object is rotated around a rotation axis and a group of coordinate values is synthesized based on the rotation angle, a highly accurate three-dimensional shape can be obtained.

この場合、前記第二座標変換ステップは、前記カメラ座標系と前記基準座標系との相対的位置のずれ、または、前記ずれ量と前記回転軸算出ステップにおいて算出した測定対象物の回転軸の位置と、に基づいて前記カメラ座標系を回転させることにより、カメラ座標系の一つの座標平面に測定対象物の回転軸が含まれるように前記角度補正座標値の群を座標変換して前記補正座標値を取得するものであってもよい。あるいは、前記第二座標変換ステップは、前記カメラ座標系と前記基準座標系との相対的位置のずれ、または、前記ずれ量と前記回転軸算出ステップにおいて算出した測定対象物の回転軸の位置と、に基づいて前記カメラ座標系を移動させることにより、カメラ座標系の一つの座標平面に測定対象物の回転軸が含まれるように前記角度補正座標値の群を座標変換して前記補正座標値を取得するものであってもよい。カメラ座標系の一つの座標平面に測定対象物の回転軸を含ませるには、カメラ座標系の座標軸を回転させて座標平面に測定対象物の回転軸を含ませる方法と、カメラ座標系の座標軸を座標軸の方向に平行移動させて座標平面に測定対象物の回転軸を含ませる方法の2つの方法が考えられる。いずれの方法をもってしても、カメラ座標系の一つの座標平面に測定対象物の回転軸を含ませることができる。   In this case, the second coordinate conversion step includes a relative position shift between the camera coordinate system and the reference coordinate system, or a position of the rotation axis of the measurement object calculated in the shift amount and the rotation axis calculation step. And rotating the camera coordinate system to coordinate-convert the group of angle correction coordinate values so that the rotation axis of the measurement object is included in one coordinate plane of the camera coordinate system. A value may be acquired. Alternatively, the second coordinate conversion step includes a relative position shift between the camera coordinate system and the reference coordinate system, or the amount of shift and the position of the rotation axis of the measurement object calculated in the rotation axis calculation step. By moving the camera coordinate system based on the above, the group of angle correction coordinate values is transformed so that the rotation axis of the measurement object is included in one coordinate plane of the camera coordinate system, and the correction coordinate value May be obtained. In order to include the rotation axis of the measurement object in one coordinate plane of the camera coordinate system, the coordinate axis of the measurement object is included in the coordinate plane by rotating the coordinate axis of the camera coordinate system and the coordinate axis of the camera coordinate system. Two methods are conceivable, in which the rotation axis of the object to be measured is included in the coordinate plane by translating in the direction of the coordinate axis. With either method, the rotation axis of the measurement object can be included in one coordinate plane of the camera coordinate system.

前記回転軸算出ステップは、前記計算された複数の前記定点の座標値を通る円の方程式を算出し、算出された円を含む平面に直行し且つ算出された円の中心を通る直線を測定対象物の回転軸として算出することができる。また、前記定点定義物体を球体とし、前記定点を前記球体の中心とすると、簡単に定点を定義でき、かつ回転軸を算出することができる。   The rotation axis calculation step calculates an equation of a circle that passes through the calculated coordinate values of the plurality of fixed points, and measures a straight line that goes straight to the plane including the calculated circle and passes through the center of the calculated circle It can be calculated as the rotation axis of the object. Further, if the fixed point defining object is a sphere and the fixed point is the center of the sphere, the fixed point can be easily defined and the rotation axis can be calculated.

また、前記ずれ量取得ステップに用いる校正用物体としては、法線方向が基準座標系の一つの座標軸であるz軸の方向を定義する第一平面部と、前記第一平面部が形成される平面との交線が前記z軸と直交する座標軸であるx軸の方向を定義する第二平面部と、前記z軸に直交する平面であって前記第一平面部が形成される平面とは異なる平面上に交線を形成する第三平面部および第四平面部とを有するとともに、前記x軸が測定対象物の回転軸と平行であるものとするのがよい。そして、前記ずれ量検出ステップにおいて、前記事前受光ステップにて得られる受光情報に基づいて、前記第一平面部、前記第二平面部、前記第三平面部および前記第四平面部をライン光が照射したときの切断線を含む直線の方程式を、求めようとするずれ量に応じて選択的に計算する。各平面部はいずれも基準座標系のいずれかの座標軸を定義し得るものであるので、このような平面部にライン光がどのように照射したかを上記直線の方程式から求めることができる。よって、上記直線の方程式を基に、ずれ量を検出することができる。この場合、前記第一平面部と前記第二平面部とは、法線方向が測定対象物の回転軸と垂直であるとよい。また、前記第三平面部と前記第四平面部の交線は、基準座標系におけるy軸に平行であるとよい。   In addition, as the calibration object used in the deviation amount acquisition step, a first plane portion that defines a z-axis direction whose normal direction is one coordinate axis of the reference coordinate system, and the first plane portion are formed. A second plane part that defines the direction of the x-axis, which is a coordinate axis that is orthogonal to the z-axis, and a plane that is orthogonal to the z-axis and on which the first plane part is formed It is preferable to have a third plane portion and a fourth plane portion that form intersecting lines on different planes, and that the x-axis is parallel to the rotation axis of the measurement object. In the shift amount detection step, the first plane portion, the second plane portion, the third plane portion, and the fourth plane portion are line light based on the light reception information obtained in the preliminary light reception step. The equation of the straight line including the cutting line when irradiating is selectively calculated according to the amount of deviation to be obtained. Since each plane portion can define any coordinate axis of the reference coordinate system, how the line light is irradiated onto such a plane portion can be obtained from the above linear equation. Therefore, the shift amount can be detected based on the linear equation. In this case, the normal direction of the first plane part and the second plane part may be perpendicular to the rotation axis of the measurement object. The intersection line between the third plane part and the fourth plane part may be parallel to the y-axis in the reference coordinate system.

また、前記校正用物体は、前記第一平面部に平行であって前記第一平面部から所定距離離間した位置に形成される追加第一平面部と、前記第二平面部に平行であって前記第二平面部から前記所定距離離間した位置に形成される追加第二平面部とを有するものであるとなおよい。この校正用物体を用いれば、前記ずれ量検出ステップにおいて、前記事前受光ステップにて得られる受光情報に基づいて、前記第一平面部、前記第二平面部、前記追加第一平面部、前記追加第二平面部をライン光が照射したときの切断線を含む直線の方程式を前記カメラ座標系上で求め、次いで、前記第一平面部に照射されたライン光の切断線を含む直線と前記第二平面部に照射されたライン光の切断線を含む直線との距離p1および、前記追加第一平面部に照射されたライン光の切断線を含む直線と前記追加第二平面部に照射されたライン光の切断線を含む直線との距離p2を求め、前記距離p1と距離p2との比に基づいて、前記ずれ量を一義的に決定することができる。   Further, the calibration object is parallel to the first plane part and is formed at a position spaced apart from the first plane part by a predetermined distance, and is parallel to the second plane part. It is more preferable to have an additional second plane part formed at a position spaced apart from the second plane part by the predetermined distance. If the calibration object is used, in the deviation amount detection step, based on the light reception information obtained in the preliminary light reception step, the first plane portion, the second plane portion, the additional first plane portion, An equation of a straight line including a cutting line when the line light is irradiated to the additional second plane part is obtained on the camera coordinate system, and then a straight line including the cutting line of the line light irradiated to the first plane part and the above The distance p1 from the straight line including the cutting line of the line light irradiated to the second plane part and the straight line including the cutting line of the line light irradiated to the additional first plane part and the additional second plane part are irradiated. The distance p2 from the straight line including the cut line of the line light is obtained, and the shift amount can be uniquely determined based on the ratio of the distance p1 and the distance p2.

以下、本発明の実施形態について説明する。本実施形態における三次元形状の測定方法においては、事前に形状測定器のずれを校正するキャリブレーション工程と、実際に測定対象物の形状を測定する形状測定工程とに分けられており、先にキャリブレーション工程を行い、その後に形状測定工程を行う。まず、キャリブレーション工程について説明する。図1は、キャリブレーション工程を行う場合の形状測定システムの全体概略図を示す。図1に示すように、本実施形態の形状測定システムは、形状測定器10と、姿勢制御装置20を備える。形状測定器10は、その正面側に位置する物体の三次元表面形状を測定するとともに同測定した三次元表面形状を表す情報を出力するものであり、例えば、レーザー光を用いて三角測量法に従って物体の三次元表面形状を測定するものである。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. The three-dimensional shape measurement method in the present embodiment is divided into a calibration step for calibrating the displacement of the shape measuring device in advance and a shape measurement step for actually measuring the shape of the measurement object. A calibration process is performed, followed by a shape measurement process. First, the calibration process will be described. FIG. 1 shows an overall schematic diagram of a shape measurement system when a calibration process is performed. As shown in FIG. 1, the shape measuring system of the present embodiment includes a shape measuring device 10 and an attitude control device 20. The shape measuring instrument 10 measures the three-dimensional surface shape of an object located on the front side of the object and outputs information representing the measured three-dimensional surface shape. For example, according to the triangulation method using laser light. It measures the three-dimensional surface shape of an object.

形状測定器10は、レーザー光を測定対象物に照射するための照射手段がハウジング11内に収納されている。この照射手段は、コントローラ12からの出射指令に基づいて光源から出射されるレーザー光をガルバノミラーやポリゴンミラー等の回転により走査し、またはシリンドリカルレンズ等に通過させることによってライン光を作成し、そのライン光を測定対象物に向けて照射する。また、測定対象物に照射されたレーザー光の反射光を受光する受光手段もハウジング11内に収納されている。この受光手段は、CCD(電荷結合素子)などが配列した受光センサなどが用いられる。   In the shape measuring instrument 10, irradiation means for irradiating a measurement target with laser light is housed in a housing 11. The irradiating means scans the laser light emitted from the light source based on the emission command from the controller 12 by rotating a galvano mirror, a polygon mirror or the like, or creates line light by passing it through a cylindrical lens or the like. Irradiate the line light toward the measurement object. The light receiving means for receiving the reflected light of the laser light irradiated on the measurement object is also housed in the housing 11. As this light receiving means, a light receiving sensor in which a CCD (charge coupled device) or the like is arranged is used.

姿勢制御装置20は、支柱ユニット21と、この支柱ユニット21の上端に取り付けられた位置調整器22と、位置調整器22の上面に配置された角度調整器23とを備えている。支柱ユニット21は、外筒211およびこの外筒211内に軸方向移動可能に挿通された内筒212を備える。また、内筒212は、外筒211内で軸周り方向に回転可能とされている。外筒211の側周にはネジ孔211aが形成されており、このネジ孔211aにはボルト211bが取り付けられている。したがって、ボルト211bを回転させてボルト211bの先端を内筒212の外周に当接することによって、外筒211内での内筒212の軸方向移動および回転を規制することができる。   The posture control device 20 includes a support unit 21, a position adjuster 22 attached to the upper end of the support unit 21, and an angle adjuster 23 disposed on the upper surface of the position adjuster 22. The column unit 21 includes an outer cylinder 211 and an inner cylinder 212 inserted into the outer cylinder 211 so as to be movable in the axial direction. The inner cylinder 212 is rotatable in the direction around the axis within the outer cylinder 211. A screw hole 211a is formed in the side periphery of the outer cylinder 211, and a bolt 211b is attached to the screw hole 211a. Therefore, the axial movement and rotation of the inner cylinder 212 in the outer cylinder 211 can be restricted by rotating the bolt 211 b and bringing the tip of the bolt 211 b into contact with the outer periphery of the inner cylinder 212.

位置調整器22は図に示すように直方体状に構成されているとともに、四方側面のうちの二つの側面に第一スリット221、第二スリット222がそれぞれ形成されている。また、位置調整器22には第一レバー223および第二レバー224が取り付けられていて、第一レバー223は第一スリット221を通じて位置調整器22の内部に組み込まれた図示しないリンク機構に連結され、第二レバー224は第二スリット222を通じて上記リンク機構に連結されている。また、上記リンク機構は、角度調整器23を前後左右方向に移動し得るように角度調整器23の下面に接続されている。したがって、第一レバー223を第一スリット221に沿って水平方向に移動させることによって、リンク機構に連結された角度調整器23が形状測定器10の正面に対面している測定対象物に対して左右方向に移動する。また、第二レバー224を第二スリット222に沿って水平方向に移動させることによって、角度調整器23が測定対象物に対して前後方向に移動する。   As shown in the figure, the position adjuster 22 is configured in a rectangular parallelepiped shape, and a first slit 221 and a second slit 222 are formed on two side surfaces of the four side surfaces. In addition, a first lever 223 and a second lever 224 are attached to the position adjuster 22, and the first lever 223 is connected to a link mechanism (not shown) incorporated in the position adjuster 22 through the first slit 221. The second lever 224 is connected to the link mechanism through the second slit 222. The link mechanism is connected to the lower surface of the angle adjuster 23 so that the angle adjuster 23 can be moved in the front-rear and left-right directions. Therefore, by moving the first lever 223 in the horizontal direction along the first slit 221, the angle adjuster 23 connected to the link mechanism is against the measurement object facing the front of the shape measuring instrument 10. Move left and right. Further, by moving the second lever 224 in the horizontal direction along the second slit 222, the angle adjuster 23 moves in the front-rear direction with respect to the measurement object.

角度調整器23は、本実施形態では2枚の円板状の部材(下側円板部材231および上側円板部材232)が所定間隔を置いて重ね合わされたもので形成されている。下側円板部材231および上側円板部材232はともに同一の円板形状とされている。下側円板部材231には、周方向に等間隔で3つの有底穴231aが形成されている。この有底穴231aは、下側円板部材231の上面にて開口し、下面にて閉塞している。上側円板部材232には、周方向に等間隔で3つのネジ孔232aが貫通して形成されている。これらの有底穴231aおよびネジ孔232aは、下側円板部材231と上側円板部材232とを上下に重ね合わせた場合に各有底穴231aと各ネジ孔232aとの上下方向位置が一致する状態を採り得るように、下側円板部材231および上側円板部材232にそれぞれ形成されている。そして、両円板部材231,232が上記の状態となるように重ね合わせられている。また、上下方向に軸心が一致した有底穴231aおよびネジ孔232aにボルト233が取り付けられている。   In the present embodiment, the angle adjuster 23 is formed by overlapping two disk-shaped members (a lower disk member 231 and an upper disk member 232) at a predetermined interval. Both the lower disk member 231 and the upper disk member 232 have the same disk shape. The bottom disc member 231 has three bottomed holes 231a formed at equal intervals in the circumferential direction. The bottomed hole 231a opens at the upper surface of the lower disk member 231 and is closed at the lower surface. Three screw holes 232a are formed through the upper disk member 232 at equal intervals in the circumferential direction. The bottomed holes 231a and the screw holes 232a are aligned in the vertical direction between the bottomed holes 231a and the screw holes 232a when the lower disk member 231 and the upper disk member 232 are vertically stacked. The lower disk member 231 and the upper disk member 232 are respectively formed so as to be able to take a state to be performed. And both the disk members 231 and 232 are overlapped so as to be in the above state. Further, a bolt 233 is attached to the bottomed hole 231a and the screw hole 232a whose axial centers coincide with each other in the vertical direction.

このボルト233が回転することによって、ボルト233とネジ孔232aとの螺合状態が変化し、下側円板部材231に対する上側円板部材232の相対的な高さ位置が変更される。したがって、各有底穴231aおよびネジ孔232aに取り付けられたボルト233を独立に回転操作することによって、上側円板部材232の傾きが調整される。図に示すように上側円板部材232の上面には形状測定器10が載置されているため、各ボルト233の回転操作によって、形状測定器10の測定対象物に対する傾きを調整することができる。   As the bolt 233 rotates, the screwed state of the bolt 233 and the screw hole 232a changes, and the relative height position of the upper disk member 232 with respect to the lower disk member 231 is changed. Therefore, the inclination of the upper disk member 232 is adjusted by independently rotating the bolts 233 attached to the bottomed holes 231a and the screw holes 232a. As shown in the figure, since the shape measuring instrument 10 is placed on the upper surface of the upper disk member 232, the inclination of the shape measuring instrument 10 with respect to the measurement object can be adjusted by rotating each bolt 233. .

測定対象物は、キャリブレーション工程においては図に示すような基準ワーク(校正用物体)である。基準ワーク40は、軸部41と、支持部42と、測定部43とを有する。軸部41は長尺状の棒形状を呈しており、その両端に支持部42が取り付けられている。支持部42は図に示すように略T字形状とされている。また、基準ワーク40は、対面配置した2つの長板状部材31,31によって支持されている。長板状部材31,31は、鉛直方向に立設するように直方体状に形成されており、その上面には断面半円形の切り欠き部31aが形成されている。そして、基準ワーク40の支持部42は、T字形状の鉛直部分が長板状部材31の切り欠き部31aに配置されているとともに、T字形状の水平部分の下面が長板状部材31の上面に載置されている。これにより、基準ワーク40が回転不能に長板状部材31に支持されるとともに、基準ワーク40の向きが定まる。   The measurement object is a reference work (calibration object) as shown in the figure in the calibration process. The reference workpiece 40 includes a shaft part 41, a support part 42, and a measurement part 43. The shaft portion 41 has a long rod shape, and support portions 42 are attached to both ends thereof. The support part 42 is substantially T-shaped as shown in the figure. Further, the reference workpiece 40 is supported by two long plate members 31, 31 arranged facing each other. The long plate-like members 31, 31 are formed in a rectangular parallelepiped shape so as to stand in the vertical direction, and a cutout portion 31a having a semicircular cross section is formed on the upper surface thereof. The support portion 42 of the reference workpiece 40 has a T-shaped vertical portion arranged in the cutout portion 31 a of the long plate-shaped member 31, and a lower surface of the T-shaped horizontal portion of the long plate-shaped member 31. It is placed on the top surface. Accordingly, the reference workpiece 40 is supported by the long plate-like member 31 so as not to rotate, and the orientation of the reference workpiece 40 is determined.

測定部43は、図1に示すように平板状に形成されており、形状測定器10に向き合った面以外の面はフラットに形成されているが、形状測定器10に向き合った側の面には6つの平面部が形成されている。これらの面は、図において左から第一平面部43a、第二平面部43b、第三平面部43c、第四平面部43d、第五平面部43eおよび第六平面部43fであり、形状測定器10側から見てこれらの面が水平方向に一列に並んだように配置される。図2(a)に測定部43の正面図、図2(b)に平面図、図2(c)に左側面図を示す。   As shown in FIG. 1, the measuring unit 43 is formed in a flat plate shape, and a surface other than the surface facing the shape measuring instrument 10 is formed flat, but on the surface facing the shape measuring instrument 10. Has six plane portions. These surfaces are a first plane part 43a, a second plane part 43b, a third plane part 43c, a fourth plane part 43d, a fifth plane part 43e and a sixth plane part 43f from the left in the figure, and a shape measuring instrument These surfaces are arranged in a row in the horizontal direction when viewed from the 10 side. 2A is a front view of the measurement unit 43, FIG. 2B is a plan view, and FIG. 2C is a left side view.

図2(a)において、図示左端に形成される第一平面部43aおよび、図示右端に形成される第六平面部43fは、同一平面上に形成されている。また、第一平面部43aおよび第六平面部43fは、図1に示すように基準ワーク40が長板状部材31に支持された状態において、法線ベクトルn1の向きが形状測定器10に向かうような水平方向となるように、鉛直状に配置されている。ここで、法線ベクトルn1の向きが、基準座標系におけるz軸の向きを定義する。なお、第六平面部43fは、後述する第一直線L1を精度良く算出するために設けてあり、第一平面部43aのみで第一直線L1を精度良く算出することができるのであれば、省略してもよい。   In FIG. 2A, the first flat portion 43a formed at the left end in the drawing and the sixth flat portion 43f formed at the right end in the drawing are formed on the same plane. Further, in the first plane portion 43a and the sixth plane portion 43f, the direction of the normal vector n1 is directed to the shape measuring instrument 10 in a state where the reference workpiece 40 is supported by the long plate member 31 as shown in FIG. They are arranged vertically so as to be in the horizontal direction. Here, the direction of the normal vector n1 defines the direction of the z axis in the reference coordinate system. The sixth plane portion 43f is provided for accurately calculating the first straight line L1 described later, and is omitted if the first straight line L1 can be calculated with high accuracy only by the first plane portion 43a. Also good.

図2(a)において第一平面部43aの右隣に形成される第二平面部43bおよび、第六平面部43fの左隣に形成される第五平面部43eは、同一平面上に形成されている。また、第二平面部43bおよび第五平面部43eは、図1に示すように、図示上端から下端にかけて、基準ワーク40が定義する基準座標系のz軸方向に傾斜している。本実施形態では図1に示すように、第二平面部43bおよび第五平面部43eの図示下端側が上端側よりも形状測定器10に対して突き出るように傾斜しているが、この関係は逆でも良い。   In FIG. 2A, the second plane part 43b formed on the right side of the first plane part 43a and the fifth plane part 43e formed on the left side of the sixth plane part 43f are formed on the same plane. ing. Further, as shown in FIG. 1, the second plane part 43 b and the fifth plane part 43 e are inclined in the z-axis direction of the reference coordinate system defined by the reference workpiece 40 from the upper end to the lower end in the figure. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the lower end sides of the second plane portion 43 b and the fifth plane portion 43 e are inclined so as to protrude from the upper end side with respect to the shape measuring instrument 10, but this relationship is reversed. But it ’s okay.

また、第一平面部43aおよび第六平面部43fが形成される平面を仮想平面Aとし、第二平面部43bおよび第五平面部43eが形成される平面を仮想平面Bとしたときに、仮想平面Aと仮想平面Bは異なる平面であり、両平面A,Bの交線の方向ベクトルn2は、第一平面部43aおよび第六平面部43fの法線ベクトルn1と直交する関係にある。つまり、第二平面部43bおよび第五平面部43eは、z軸と直交する軸周りに第一平面部43aおよび第六平面部43fを所定角度φ(図2(c)参照)だけ回転させた関係にある。このため、方向ベクトルn2の向きが、上記z軸に直交するx軸の向きを定義する。x軸の向きは、基準ワーク40の軸部41の軸方向と一致する。このようにしてx軸およびz軸の向きが定義されるので、これらの軸に直交するy軸の向きも定義される。なお、第五平面部43eは、後述する第二直線L2を精度良く算出するために設けてあり、第二平面部43bのみで第二直線L2を精度良く算出することができるのであれば、省略してもよい。   Further, when the plane on which the first plane portion 43a and the sixth plane portion 43f are formed is the virtual plane A, and the plane on which the second plane portion 43b and the fifth plane portion 43e are formed is the virtual plane B, the virtual plane A The plane A and the virtual plane B are different planes, and the direction vector n2 of the line of intersection of the planes A and B is in a relationship orthogonal to the normal vector n1 of the first plane portion 43a and the sixth plane portion 43f. That is, the second plane part 43b and the fifth plane part 43e rotate the first plane part 43a and the sixth plane part 43f by a predetermined angle φ (see FIG. 2C) around an axis orthogonal to the z-axis. There is a relationship. For this reason, the direction of the direction vector n2 defines the direction of the x axis orthogonal to the z axis. The direction of the x axis coincides with the axial direction of the shaft portion 41 of the reference workpiece 40. Since the directions of the x axis and the z axis are defined in this way, the direction of the y axis orthogonal to these axes is also defined. Note that the fifth plane portion 43e is provided for accurately calculating the second straight line L2 described later, and is omitted if only the second plane portion 43b can calculate the second straight line L2 with high accuracy. May be.

第三平面部43cは、図2(a)において第二平面部43bの右隣に形成される面であり、図1および図2(b)に示すように、図示左端から右端にかけてz軸方向に傾斜している。また、第四平面部43dは、図2(a)において第三平面部43cの右隣に形成される面であり、第三平面部43cと同様に、図2(b)において左端から右端にかけてz軸方向に傾斜している。本実施形態では、図1に示すように、第三平面部43cの右端が左端に対して形状測定器10に向かって突き出るように傾斜しており、第四平面部43dの左端が右端に対して形状測定器10に向かって突き出るように傾斜している。したがって、第三平面部43cと第四平面部43dとの交線43gが、形状測定器10に対してz軸方向に突き出るように形成される。この交線43gは、z軸に直交する平面であり、且つ、上記仮想平面Aとは異なる平面内に形成されていれば良い。   The 3rd plane part 43c is a surface formed right next to the 2nd plane part 43b in Fig.2 (a), and as shown to FIG.1 and FIG.2 (b), it is z-axis direction from the illustration left end to a right end It is inclined to. Further, the fourth plane portion 43d is a surface formed on the right side of the third plane portion 43c in FIG. 2A, and, like the third plane portion 43c, from the left end to the right end in FIG. 2B. Inclined in the z-axis direction. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the right end of the third plane portion 43c is inclined so as to protrude toward the shape measuring instrument 10 with respect to the left end, and the left end of the fourth plane portion 43d is relative to the right end. Are inclined so as to protrude toward the shape measuring instrument 10. Therefore, an intersection line 43g between the third plane part 43c and the fourth plane part 43d is formed so as to protrude in the z-axis direction with respect to the shape measuring instrument 10. The intersecting line 43g may be a plane orthogonal to the z axis and formed in a plane different from the virtual plane A.

法線ベクトルn1および方向ベクトルn2は基準座標系におけるx軸、y軸およびz軸の向きを定義するが、基準座標系におけるx軸、y軸およびz軸の位置は基準座標系における座標軸原点を次のように定義することにより定義される。基準座標系における座標軸原点は、法線ベクトルn1と平行であり、基準ワーク40の軸部41の中心軸を含む平面と交線43gとの交点を通る法線ベクトルn1に平行な直線(z軸方向中心線)と、第一平面部43aおよび第六平面部43fが形成される平面と交わる点を原点とする。これにより基準座標系が定義される。   The normal vector n1 and the direction vector n2 define the directions of the x-axis, y-axis, and z-axis in the reference coordinate system, but the positions of the x-axis, y-axis, and z-axis in the reference coordinate system are the origins of the coordinate axes in the reference coordinate system. It is defined by defining as follows. The coordinate axis origin in the reference coordinate system is parallel to the normal vector n1 and is a straight line (z-axis) parallel to the normal vector n1 passing through the intersection of the plane including the central axis of the shaft portion 41 of the reference workpiece 40 and the intersection line 43g. The origin is the point where the direction center line intersects the plane on which the first plane portion 43a and the sixth plane portion 43f are formed. This defines the reference coordinate system.

本実施形態においては、第三平面部43cは、第一平面部43aおよび第六平面部43fに対してy軸周りに所定角度ψ(図2(b)参照)だけ回転した平面とされる。また、第四平面部43dは、第一平面部43aおよび第六平面部43fに対してy軸周りに所定角度ψだけ、第三平面部43cとは反対側に回転した平面である。したがって、第三平面部43cと第四平面部43dとの交線43gは、y軸に平行な直線となる。しかし、交線43gは、必ずしもy軸に平行である必要はない。   In the present embodiment, the third plane portion 43c is a plane rotated by a predetermined angle ψ (see FIG. 2B) around the y axis with respect to the first plane portion 43a and the sixth plane portion 43f. The fourth plane portion 43d is a plane rotated by a predetermined angle ψ around the y axis with respect to the first plane portion 43a and the sixth plane portion 43f and on the opposite side to the third plane portion 43c. Therefore, the intersection line 43g between the third plane part 43c and the fourth plane part 43d is a straight line parallel to the y-axis. However, the intersecting line 43g is not necessarily parallel to the y axis.

図1に示すように、形状測定器10には、コントローラ12およびデータ処理装置13が電気的に接続されている。コントローラ12およびデータ処理装置13は、CPU、ROM、RAM、ハードディスクなどのマイクロコンピュータを主要構成部品とする。コントローラ12は、入力装置14から入力される作業者からの入力指示に基づき、形状測定器10からレーザー光を出射し、そのレーザー光の反射光を受光し得るように形状測定器10の動作を制御する。データ処理装置13は、形状測定器10からの受光情報およびコントローラ12からの形状測定器10の制御情報が入力され、これらの情報を基に基準座標系と形状測定器10が定義する座標系とのずれ量を算出するとともに、算出されたずれ量(角度、長さ)を表示装置15に出力する。表示装置15はディスプレイまたはプリンタなどから構成され、データ処理装置13から入力されたずれ量をディスプレイ上に表示し、あるいは印刷する。なお、形状測定器10が定義する座標系は、本明細書においてカメラ座標系と呼ぶ。   As shown in FIG. 1, a controller 12 and a data processing device 13 are electrically connected to the shape measuring instrument 10. The controller 12 and the data processing device 13 have a microcomputer such as a CPU, ROM, RAM, and hard disk as main components. Based on the input instruction from the operator input from the input device 14, the controller 12 emits a laser beam from the shape measuring instrument 10 and operates the shape measuring instrument 10 so that the reflected light of the laser beam can be received. Control. The data processing device 13 receives light reception information from the shape measuring instrument 10 and control information of the shape measuring instrument 10 from the controller 12, and based on these information, a reference coordinate system and a coordinate system defined by the shape measuring instrument 10 and And the calculated deviation amount (angle, length) is output to the display device 15. The display device 15 includes a display or a printer, and displays or prints the shift amount input from the data processing device 13 on the display. The coordinate system defined by the shape measuring instrument 10 is referred to as a camera coordinate system in this specification.

次に、上記のように構成した基準ワーク40を用いて、カメラ座標系と基準座標系とのずれ量を取得するときの制御について説明する。まず、作業者が入力装置14を介してコントローラ12に形状測定器10のずれ量の取得を実行する指示を入力すると、コントローラ12は形状測定器10に対してライン光の照射を指示する。すると、形状測定器10からライン光が基準ワーク40に向けて照射される(事前照射ステップ)。ここで、ライン光の照射平面は、基準ワーク40の軸部41に沿う方向、つまり基準座標系のx軸にほぼ水平とされる。ただし、厳密に水平でなくてもよい。基準ワーク40に照射されたライン光は基準ワーク40の照射点にて反射する。その反射光が形状測定器10内の受光装置により受光される(事前受光ステップ)。このようにして受光された反射光の情報がデータ処理装置13に入力される。   Next, a description will be given of the control when the deviation amount between the camera coordinate system and the reference coordinate system is acquired using the reference workpiece 40 configured as described above. First, when an operator inputs an instruction to execute acquisition of the deviation amount of the shape measuring instrument 10 to the controller 12 via the input device 14, the controller 12 instructs the shape measuring instrument 10 to emit line light. Then, the line light is irradiated from the shape measuring instrument 10 toward the reference workpiece 40 (pre-irradiation step). Here, the irradiation plane of the line light is substantially horizontal to the direction along the shaft portion 41 of the reference workpiece 40, that is, the x-axis of the reference coordinate system. However, it does not have to be strictly horizontal. The line light irradiated on the reference workpiece 40 is reflected at the irradiation point of the reference workpiece 40. The reflected light is received by the light receiving device in the shape measuring instrument 10 (pre-light receiving step). Information on the reflected light received in this way is input to the data processing device 13.

データ処理装置13は、入力された受光情報を基に、三角測量の原理によって、レーザー光源から基準ワーク40の照射点までの距離lnを、ライン光の所定間隔毎の点のそれぞれにつき計算する。また、受光情報によりレーザー光源から照射点に向かう方向もわかるので、データ処理装置13は、これらの距離lnおよび方向に基づいて、照射点の座標値を計算する。このときに用いる座標系はカメラ座標系である。カメラ座標系は、基準ワーク40の照射点までの距離lnを測定する際の原点位置を座標軸原点とし、レーザー光の照射角度ξが0°であるときのレーザー光の照射方向をz軸方向とし、このz軸に垂直でレーザー光の照射方向が変化する方向をx軸方向とし、これらz軸、x軸方向に垂直な方向をy軸方向とした座標軸によって定義される。したがって、ライン光の照射平面はカメラ座標系のx−z座標平面であり、照射点の座標値の成分中、y方向成分は0となる。よって、データ処理装置13では、上記計算によって、基準ワーク40の水平方向における複数の座標点N(xn,0,zn)が計算される。座標点N(xn,0,zn)の座標値は、上記距離lnおよび照射角度ξを基に計算することができる。例えば、距離がln、照射角度がξである照射点の座標点を(ln・cosξ,0,ln・sinξ)として計算することができる。 The data processing device 13 calculates the distance ln from the laser light source to the irradiation point of the reference workpiece 40 for each of the points at predetermined intervals of the line light based on the input light reception information by the principle of triangulation. In addition, since the direction from the laser light source toward the irradiation point is also known from the received light information, the data processing device 13 calculates the coordinate value of the irradiation point based on the distance ln and the direction. The coordinate system used at this time is a camera coordinate system. In the camera coordinate system, the origin position when measuring the distance ln to the irradiation point of the reference workpiece 40 is the origin of the coordinate axis, and the laser light irradiation direction when the laser light irradiation angle ξ is 0 ° is the z-axis direction. The direction in which the laser beam irradiation direction changes perpendicular to the z-axis is defined as the x-axis direction, and the z-axis is defined by a coordinate axis having the direction perpendicular to the x-axis direction as the y-axis direction. Therefore, the irradiation plane of the line light is an xz coordinate plane of the camera coordinate system, and the y-direction component is 0 in the component of the coordinate value of the irradiation point. Therefore, the data processing device 13 calculates a plurality of coordinate points N (x n , 0, z n ) in the horizontal direction of the reference workpiece 40 by the above calculation. The coordinate value of the coordinate point N (x n , 0, z n ) can be calculated based on the distance ln and the irradiation angle ξ. For example, the coordinate point of the irradiation point with the distance ln and the irradiation angle ξ can be calculated as (ln · cos ξ, 0, ln · sin ξ).

次いで、データ処理装置13は、基準ワーク40の表面へのライン光の照射点の座標値N(xn,0,zn)から4つの直線(第一直線L1,第二直線L2,第三直線L3,第四直線L4)の方程式を計算する。ここで、照射点の座標値N(xn,0,zn)は、カメラ座標系のx−z座標平面において図3のように基準ワーク40の第一、第二、第三、第四、第五および第六平面部43a,43b,43c,43d,43e,43fのそれぞれの断面外形を走査した点群データとして取得される。この場合において、第一平面部43aの断面外形から第二平面部43bの断面外形に照射点が切り換わるときや、第二平面部43bの断面外径から第三平面部43cの断面外径に照射点が切り換わるときには、その切り換わりのときの座標点に大きなずれが生じる。したがって、このずれ(隣接する座標点間の距離)が所定値未満である場合には同一平面部内の断面外形を示す点群データと認識し、ずれが所定値以上である場合には同一平面部内の断面外形を示す点群データではないと認識する。このような認識を隣接する座標点ごとに行うことによって、第一平面部43aの断面外形に属する点群データG1、第二平面部43bの断面外形に属する点群データG2、第三平面部43cの断面外形に属する点群データG3、第四平面部43dの断面外形に属する点群データG4、第五平面部43eの断面外形に属する点群データG5および第六平面部43fの断面外形に属する点群データG6を取得することができる。 Next, the data processing device 13 determines the four straight lines (first straight line L1, second straight line L2, third straight line) from the coordinate value N (x n , 0, z n ) of the irradiation point of the line light on the surface of the reference workpiece 40. The equation of L3, the fourth straight line L4) is calculated. Here, the coordinate value N (x n , 0, z n ) of the irradiation point is the first, second, third and fourth of the reference workpiece 40 as shown in FIG. 3 on the xz coordinate plane of the camera coordinate system. The fifth and sixth plane portions 43a, 43b, 43c, 43d, 43e, and 43f are acquired as point cloud data obtained by scanning the respective cross-sectional outlines. In this case, when the irradiation point is switched from the cross-sectional outer shape of the first flat surface portion 43a to the cross-sectional external shape of the second flat surface portion 43b, or from the cross-sectional outer diameter of the second flat surface portion 43b to the cross-sectional outer diameter of the third flat surface portion 43c. When the irradiation point is switched, a large shift occurs in the coordinate point at the time of switching. Therefore, when this deviation (distance between adjacent coordinate points) is less than a predetermined value, it is recognized as point group data indicating the cross-sectional outline within the same plane part, and when the deviation is greater than a predetermined value, it is within the same plane part. It is recognized that it is not point cloud data indicating the cross-sectional outer shape of. By performing such recognition for each adjacent coordinate point, the point group data G1 belonging to the cross-sectional outline of the first plane portion 43a, the point group data G2 belonging to the cross-sectional outline of the second plane portion 43b, and the third plane portion 43c. Point group data G3 belonging to the cross-sectional outline of the fourth plane portion 43d, point group data G4 belonging to the cross-sectional outline of the fourth plane portion 43d, point group data G5 belonging to the cross-sectional outline of the fifth plane portion 43e, and the cross-sectional outline of the sixth plane portion 43f Point cloud data G6 can be acquired.

上記のようにして点群データを各平面部の断面外形に分けて取得した後に、データ処理装置13は、第一平面部43aの断面外形に属する点群データG1および第六平面部43fの断面外形に属する点群データG6を用いて最小二乗法により第一直線L1の方程式を計算する。また、第二平面部43bの断面外形に属する点群データG2および第五平面部43eの断面外形に属する点群データG5を用いて最小二乗法により第二直線L2の方程式を計算する。また、第三平面部43cの断面外形に属する点群データG3を用いて最小二乗法により第三直線L3の方程式を計算する。さらに、第四平面部43dの断面外形に属する点群データG4を用いて最小二乗法により第四直線L4の方程式を計算する。上記第一、第二、第三および第四直線L1,L2,L3およびL4の方程式は、それぞれ下記の式1,2,3,4のように表すこととする。なお、第一乃至第四直線は、後述するそれぞれのずれ量に必要なもののみ、つまり求めようとするずれ量に応じて選択的に計算して求めるようにしてもよい。

Figure 2008032449
Figure 2008032449
Figure 2008032449
Figure 2008032449
After the point cloud data is acquired by dividing the cross sectional outline of each plane portion as described above, the data processing device 13 acquires the cross section of the point cloud data G1 and the sixth plane portion 43f belonging to the cross sectional outline of the first plane portion 43a. The equation of the first straight line L1 is calculated by the least square method using the point group data G6 belonging to the outer shape. Further, the equation of the second straight line L2 is calculated by the least square method using the point group data G2 belonging to the cross-sectional outline of the second plane portion 43b and the point group data G5 belonging to the cross-sectional outline of the fifth plane portion 43e. Further, the equation of the third straight line L3 is calculated by the least square method using the point cloud data G3 belonging to the cross-sectional outline of the third plane portion 43c. Further, the equation of the fourth straight line L4 is calculated by the least square method using the point group data G4 belonging to the cross-sectional outline of the fourth plane portion 43d. The equations of the first, second, third and fourth straight lines L1, L2, L3 and L4 are expressed as the following formulas 1, 2, 3, and 4, respectively. It should be noted that the first to fourth straight lines may be obtained by selectively calculating only those necessary for each deviation amount described later, that is, depending on the deviation amount to be obtained.
Figure 2008032449
Figure 2008032449
Figure 2008032449
Figure 2008032449

上記の直線の方程式の計算結果を基に、データ処理装置13は、ずれ角度θxを算出する。ずれ角度θxは、図4に示すように、基準座標系のy−z平面における、形状測定器10から基準ワーク40へのレーザー光の入射方向を示す線分LS1とz軸とのなす角であり、このずれ角度θxは、基準座標系のx軸回りに形状測定器10が傾斜している角度を示す。このθxの計算は、以下のようにして行われる。   Based on the calculation result of the straight line equation, the data processing device 13 calculates the deviation angle θx. As shown in FIG. 4, the shift angle θx is an angle formed by a line segment LS1 indicating the incident direction of the laser beam from the shape measuring instrument 10 to the reference workpiece 40 in the yz plane of the reference coordinate system and the z axis. The deviation angle θx indicates an angle at which the shape measuring instrument 10 is inclined around the x axis of the reference coordinate system. The calculation of θx is performed as follows.

まず、データ処理装置13は、第三直線L3と第四直線L4との交点の座標点C(xc,zc)を計算する。座標点Cは、第三直線L3の方程式(式3)と第四直線L4の方程式(式4)とを連立させることによって解くことができ、その解は、下記式5のようになる。

Figure 2008032449
First, the data processing device 13 calculates the coordinate point C (x c , z c ) of the intersection of the third straight line L3 and the fourth straight line L4. The coordinate point C can be solved by combining the equation of the third straight line L3 (Equation 3) and the equation of the fourth straight line L4 (Equation 4), and the solution is as shown in Equation 5 below.
Figure 2008032449

次いで、データ処理装置13は、座標点C(xc,zc)と第一直線L1との距離Sを計算する。距離Sは、点と直線との距離の公式より求められ、下記式6のようになる。

Figure 2008032449
Next, the data processing device 13 calculates the distance S between the coordinate point C (x c , z c ) and the first straight line L1. The distance S is obtained from the formula of the distance between the point and the straight line, and is expressed by the following formula 6.
Figure 2008032449

続いて、データ処理装置13は、距離Sを用いてずれ角度θxを計算する。この場合において、ずれ角度θxは、上述したように図4におけるレーザー光の基準ワーク40への入射方向を示す線分LS1と、基準ワーク40が定義するz軸とのなす角である。また、上記交点の座標点Cは、図4において線分LS1と交線43gとの交点の座標点であり、距離Sは、線分LS1における上記座標点Cから第一平面部43aおよび第六平面部43fが形成される平面までの距離を示す。交線43gから第一平面部43aおよび第六平面部43fが形成される平面までの最短距離は、基準ワーク40から測定することができるから、この距離(最短距離)をmとすると、ずれ角度θxの正弦は距離Sと距離mの比で表すことができ、この関係を利用してずれ角度θxを下記式7のようにして計算することができる。

Figure 2008032449
Subsequently, the data processing device 13 calculates the shift angle θx using the distance S. In this case, the shift angle θx is an angle formed by the line segment LS1 indicating the incident direction of the laser beam on the reference workpiece 40 in FIG. 4 and the z axis defined by the reference workpiece 40 as described above. The coordinate point C of the intersection point is a coordinate point of the intersection point of the line segment LS1 and the intersection line 43g in FIG. 4, and the distance S is the first plane portion 43a and the sixth point from the coordinate point C in the line segment LS1. The distance to the plane on which the plane portion 43f is formed is shown. Since the shortest distance from the intersection line 43g to the plane on which the first flat surface portion 43a and the sixth flat surface portion 43f are formed can be measured from the reference workpiece 40, if this distance (shortest distance) is m, the deviation angle The sine of θx can be expressed by the ratio of the distance S and the distance m, and using this relationship, the deviation angle θx can be calculated as shown in Equation 7 below.
Figure 2008032449

計算により求められたずれ角度θxは、表示装置15に表示される。作業者は表示されたずれ角度θxが0になるように、角度調整器23に取り付けられたボルト233を回転させて、形状測定器10の傾きを調整する。これによりずれ角度θxの調整が行われる。なお、上記式7は、mならびに第一、第三および第四直線L1,L3およびL4の方程式から直接計算することができるので、各直線の方程式が決定された後に、これらの係数などを用いて式7によりずれ角度θxを直接計算すれば、上記式5および式6の計算を省略することもできる。   The deviation angle θx obtained by the calculation is displayed on the display device 15. The operator adjusts the inclination of the shape measuring instrument 10 by rotating the bolt 233 attached to the angle adjuster 23 so that the displayed deviation angle θx becomes zero. As a result, the shift angle θx is adjusted. Since the above equation 7 can be directly calculated from the equations of m and the first, third and fourth straight lines L1, L3 and L4, these coefficients are used after the equations of each straight line are determined. If the deviation angle θx is directly calculated by Equation 7, the above Equations 5 and 6 can be omitted.

なお、上記式7において距離Sおよび距離mが正の値しかとらないためθxは常に正の値となり、レーザー光の基準ワーク40への入射方向が基準ワーク40が定義するz軸から上側にθxずれているのか下側にθxずれているのか、計算されたずれ角度θxでは判別することができない。したがって、作業者はずれ角度θxの調整を繰り返しながらθxの計算を行い、ずれ角度θxのずれている方向を把握する必要がある。   Since the distance S and the distance m have only positive values in the above formula 7, θx is always a positive value, and the incident direction of the laser light on the reference workpiece 40 is θx above the z axis defined by the reference workpiece 40. It cannot be determined from the calculated shift angle θx whether it is shifted or shifted downward by θx. Therefore, the operator needs to calculate θx while repeatedly adjusting the deviation angle θx, and to grasp the direction in which the deviation angle θx is displaced.

次に、データ処理装置13は、ずれ角度θzを計算する。ずれ角度θzは、図6に示すように、基準座標系のx−y平面における、形状測定器10から基準ワーク40へのレーザー光による切断線を示す線分LS2とx軸とのなす角であり、このずれ角度θzは、基準座標系のz軸回りに形状測定器10が傾斜している角度を示す。ずれ角度θzの算出は、以下のようにして行われる。   Next, the data processing device 13 calculates the deviation angle θz. As shown in FIG. 6, the deviation angle θz is an angle formed by a line segment LS2 indicating a cutting line by the laser beam from the shape measuring instrument 10 to the reference workpiece 40 in the xy plane of the reference coordinate system and the x axis. The deviation angle θz indicates an angle at which the shape measuring instrument 10 is inclined around the z-axis of the reference coordinate system. The calculation of the shift angle θz is performed as follows.

まず、形状測定器10が再度レーザー光を基準ワーク40に照射する。このレーザー光の照射により、図5に示すように、カメラ座標系のx−z座標平面における第一、第二、第三、第四、第五および第六平面部43a,43b,43c,43d,43e,43fのそれぞれの断面外形を走査した点群データG1〜G6が得られる。これらの点群データに基づき、データ処理装置13は第一直線L1と第二直線L2とのなす角θL1-L2を計算する。角度θL1-L2は、カメラ座標系のx−z座標平面において第一直線L1とx軸とのなす角をθL1とし、第二直線L2とx軸とのなす角をθL2としたときに、角度θL1と角度θL2との差の角度θL1−θL2に等しい。したがって、θL1-L2は、三角関数の加法定理によって、下記式8のように計算される。

Figure 2008032449
ここで、θL1の正接tanθL1は第一直線L1の傾き(−a1/b1)に等しく、θL2の正接tanθL2は第二直線L2の傾き(−a2/b2)に等しいので、上記式8は第一直線L1および第二直線L2の方程式から計算することができる。なお、θzが0でない場合は、図6に示すようにレーザー光が基準ワーク40に対して斜めに照射していることになるので、第二平面部43bおよび第五平面部43eにおける照射スポットのz軸方向位置がx軸方向に沿って変化し、第一および第六平面部43aおよび43fとの相対距離が変化する。このため第二直線L2が第一直線L1に交差する。 First, the shape measuring instrument 10 irradiates the reference workpiece 40 with laser light again. By this laser light irradiation, as shown in FIG. 5, the first, second, third, fourth, fifth and sixth plane portions 43a, 43b, 43c, 43d in the xz coordinate plane of the camera coordinate system are used. , 43e, and 43f, point cloud data G1 to G6 obtained by scanning the respective cross-sectional outlines are obtained. Based on these point cloud data, the data processor 13 calculates an angle θ L1-L2 formed by the first straight line L1 and the second straight line L2. The angle θ L1-L2 is obtained when the angle formed between the first straight line L1 and the x axis is θ L1 and the angle formed between the second straight line L2 and the x axis is θ L2 on the xz coordinate plane of the camera coordinate system. , equal to the angle theta L1 - [theta] L2 of the difference between the angle theta L1 and the angle theta L2. Therefore, θ L1−L2 is calculated by the following equation 8 by the addition theorem of trigonometric functions.
Figure 2008032449
Here, the tangent tan θ L1 of θ L1 is equal to the slope (−a 1 / b 1 ) of the first straight line L1, and the tangent tan θ L2 of θ L2 is equal to the slope (−a 2 / b 2 ) of the second straight line L2. The above equation 8 can be calculated from the equations of the first straight line L1 and the second straight line L2. If θz is not 0, the laser beam is applied obliquely to the reference workpiece 40 as shown in FIG. 6, so that the irradiation spot of the second plane part 43b and the fifth plane part 43e is irradiated. The z-axis direction position changes along the x-axis direction, and the relative distance between the first and sixth plane portions 43a and 43f changes. For this reason, the second straight line L2 intersects the first straight line L1.

続いて、データ処理装置13は、下記式9の計算の実行によりθzを計算する。

Figure 2008032449
ここで、nは、基準ワーク40のy軸方向長さ、pは、第二平面部43bおよび第五平面部のz軸方向への変化量である(図6参照)。nおよびpは、基準ワーク40から測定することができる。上記式9は、以下のように導出される。 Subsequently, the data processing device 13 calculates θz by executing the calculation of Equation 9 below.
Figure 2008032449
Here, n is the length of the reference workpiece 40 in the y-axis direction, and p is the amount of change in the z-axis direction of the second plane portion 43b and the fifth plane portion (see FIG. 6). n and p can be measured from the reference workpiece 40. Equation 9 is derived as follows.

まず、θzが0ではなく、図6に示すように基準ワーク40に対して斜めに傾いてレーザー光が照射されている場合は、第二平面部43bの図示左端の照射点Hのy軸に沿った高さTは、第五平面部43eの図示右端の照射点Jのy軸に沿った高さTとは異なる。両高さの差をΔT(=T−T)とする。また、第二平面部43bおよび第五平面部43eは、z軸方向に傾いて形成されているために、y軸に沿った高さ位置が異なればz軸に沿った奥行き長さ(第一平面部43aおよび第六平面部43fが形成される平面までの距離)も異なる。よって、y−z座標平面から基準ワーク40を見た拡大図である図7に示すように、照射点Hにおける奥行き長さ(照射点Hと第一平面部43aおよび第六平面部43fが形成される平面との距離)Dと照射点Jにおける奥行き長さ(照射点Jと第一平面部43aおよび第六平面部43fが形成される平面との距離)Dも異なる。両奥行き長さの差をΔDとする。 First, when θz is not 0 and the laser beam is irradiated obliquely with respect to the reference workpiece 40 as shown in FIG. 6, the y-axis of the irradiation point H at the left end of the second plane portion 43b in the drawing is shown. the height T H along is different from the height T J along the y-axis of the irradiation point J shown right end of the fifth flat portion 43e. The difference between both heights is ΔT (= T H −T J ). In addition, since the second plane portion 43b and the fifth plane portion 43e are formed to be inclined in the z-axis direction, the depth length (the first length along the z-axis is different if the height position along the y-axis is different. The distance between the plane portion 43a and the plane on which the sixth plane portion 43f is formed is also different. Therefore, as shown in FIG. 7 which is an enlarged view of the reference workpiece 40 viewed from the yz coordinate plane, the depth length at the irradiation point H (the irradiation point H and the first plane portion 43a and the sixth plane portion 43f are formed). is the distance between the plane are) depth length in D H and the irradiation point J (the distance between the plane irradiation point J and the first flat portion 43a and the sixth flat portion 43f is formed) D J are different. Let ΔD be the difference between the two depth lengths.

ここで、照射平面における照射点H−J間の距離をq’とすると、レーザー光が基準ワーク40上を照射スポットHから照射スポットJまで進む間に、奥行き長さがΔDだけ変化したということになる。照射点HおよびJを通る直線は、図5における直線L2で表すことができ、また、奥行き長さDは図5の点Hと直線L1との距離に、奥行き長さDは図5の点Jと直線L1との距離に等しい。q’に対する奥行き長さΔDの変化割合(ΔD/q’)は、図5において、直線L1に対する直線L2の基準座標系におけるz軸方向(直線L1の直角方向)の変化量をx軸方向(直線L1の方向)の変化量で除した値と同じである。したがって、この変化割合は第一直線L1と第二直線L2との傾きの差、すなわちθL1-L2の正接で表される。よって、下記式10が成立する。

Figure 2008032449
ここで、図6に示すように、第二平面部43bから第五平面部43eまでのx軸方向長さをqとすると、q’はq/cosθzで表されるが、近似的にcosθz=1とすると、上記式10は式11のようになる。
Figure 2008032449
また、相似の関係から、ΔDとΔTについて、式12の関係が成立する。
Figure 2008032449
また、θzの正接tanθzは、図6から明らかなように下記式13のように表すことができる。
Figure 2008032449
したがって、式11を式12に代入してΔDを消去し、さらにその式を式13に代入してΔTを消去することにより、上記式9が導かれる。 Here, when the distance between the irradiation points H-J on the irradiation plane is q ′, the depth length changes by ΔD while the laser light travels on the reference workpiece 40 from the irradiation spot H to the irradiation spot J. become. A straight line passing through the irradiation points H and J can be represented by a straight line L2 in FIG. 5, the depth length D H is the distance between the point H and the straight line L1 in FIG. 5, and the depth length D J is FIG. Is equal to the distance between the point J and the straight line L1. In FIG. 5, the change rate (ΔD / q ′) of the depth length ΔD with respect to q ′ is the change in the z-axis direction (the direction perpendicular to the straight line L1) in the reference coordinate system of the straight line L2 with respect to the straight line L1. This is the same as the value divided by the amount of change in the direction of the straight line L1. Therefore, this change rate is represented by the difference in slope between the first straight line L1 and the second straight line L2, that is, the tangent of θ L1 -L2. Therefore, the following formula 10 is established.
Figure 2008032449
Here, as shown in FIG. 6, when the length in the x-axis direction from the second plane portion 43b to the fifth plane portion 43e is q, q ′ is expressed by q / cos θz, but approximately cos θz = Assuming 1, Equation 10 above becomes Equation 11.
Figure 2008032449
Further, from the similar relationship, the relationship of Expression 12 is established for ΔD and ΔT.
Figure 2008032449
Further, the tangent tan θz of θz can be expressed as the following Expression 13 as is apparent from FIG.
Figure 2008032449
Therefore, by substituting Equation 11 into Equation 12 to eliminate ΔD, and further substituting the equation into Equation 13 to eliminate ΔT, Equation 9 is derived.

上記のようにしてずれ角度θzが計算される。計算されたずれ角度θzは表示装置15に表示される。作業者は表示されたずれ角度θzが0になるように角度調整器23の各ボルト233を回転させて、基準ワーク40に対する形状測定器10の傾きを調整する。これによりずれ角度θzの調整が行われる。なお、上記式9中のtanθL1-L2は、第一直線L1および第二直線L2の方程式から直接求めることもできる。この場合は、上記式8の計算を省略することができる。 The deviation angle θz is calculated as described above. The calculated deviation angle θz is displayed on the display device 15. The operator rotates each bolt 233 of the angle adjuster 23 so that the displayed deviation angle θz becomes 0, and adjusts the inclination of the shape measuring instrument 10 with respect to the reference workpiece 40. As a result, the shift angle θz is adjusted. In addition, tanθ L1-L2 in the above equation 9 can also be obtained directly from the equations of the first straight line L1 and the second straight line L2. In this case, the calculation of Equation 8 can be omitted.

また、データ処理装置13は、ずれ位置Δyの計算を行う。ずれ位置Δyは、図9に示すように、基準座標系のx−y平面における、基準ワーク40のx軸方向に沿った中心線lxと、基準ワーク40に照射されるレーザー光の切断線を示す線分LS2との位置ずれ量であり、このずれ位置Δyは、基準ワーク40に対して形状測定器10がy軸方向にずれている量を示す。   In addition, the data processing device 13 calculates the shift position Δy. As shown in FIG. 9, the shift position Δy includes a center line lx along the x-axis direction of the reference workpiece 40 in the xy plane of the reference coordinate system, and a cutting line of the laser light irradiated to the reference workpiece 40. This displacement position Δy is an amount of displacement of the shape measuring instrument 10 in the y-axis direction with respect to the reference workpiece 40.

ずれ位置Δyを算出するにあたり、まず、レーザー光を基準ワーク40に照射する。この照射により、カメラ座標系のx−z座標平面において図8に示すように、基準ワーク40の第一、第二、第三、第四、第五および第六平面部43a,43b,43c,43d,43e,43fのそれぞれの断面外形を走査した点群データG1〜G6が求められる。そして、第一直線L1と第二直線L2との距離tを計算する。ここで、ずれ角度θzは補正されており、第一直線L1と第二直線L2とはほぼ平行な関係にあるものとする。距離tは、下記式14の計算を実行することにより求めることができる。

Figure 2008032449
In calculating the shift position Δy, first, the reference workpiece 40 is irradiated with laser light. By this irradiation, as shown in FIG. 8 in the xz coordinate plane of the camera coordinate system, the first, second, third, fourth, fifth and sixth plane portions 43a, 43b, 43c, Point group data G1 to G6 obtained by scanning the respective cross-sectional outlines 43d, 43e, and 43f are obtained. Then, the distance t between the first straight line L1 and the second straight line L2 is calculated. Here, it is assumed that the shift angle θz is corrected, and the first straight line L1 and the second straight line L2 are in a substantially parallel relationship. The distance t can be obtained by executing the calculation of the following equation (14).
Figure 2008032449

次に、データ処理装置13は、下記式15の計算の実行によりずれ位置Δyを計算する。

Figure 2008032449
上記式15は、以下のように導出される。まず、図9に示すように、距離tは、基準座標系のy−z平面における、第二平面部43bおよび第五平面部43e上へのレーザー光の照射点Kから、第一平面部43aおよび第六平面部43fが形成される平面までの距離である。一方、Δyは、基準座標系のy−z平面における基準ワーク40の中心線lxが第二平面部43bおよび第五平面部43eを通過する点Lと、上記点Kとの間の距離のy軸方向成分である。したがって、相似の関係から、n:p=(n/2−Δy):tとなる。この関係を変形することにより、上記式15が導かれる。 Next, the data processing device 13 calculates the shift position Δy by executing the calculation of Equation 15 below.
Figure 2008032449
The above equation 15 is derived as follows. First, as shown in FIG. 9, the distance t is determined from the irradiation point K of the laser beam on the second plane part 43b and the fifth plane part 43e in the yz plane of the reference coordinate system, to the first plane part 43a. And the distance to the plane on which the sixth plane portion 43f is formed. On the other hand, Δy is a distance y between the point L where the center line lx of the reference workpiece 40 in the yz plane of the reference coordinate system passes through the second plane part 43b and the fifth plane part 43e, and the point K. It is an axial component. Therefore, n: p = (n / 2−Δy): t from the similar relationship. The above formula 15 is derived by modifying this relationship.

このようにしてずれ位置Δyを計算することができる。計算されたずれ位置Δyは表示装置15に表示され、作業者は表示されたずれ位置Δyが0になるように、支柱ユニット21の内筒212を軸方向に移動して、支柱ユニット21の高さを調整する。これによりずれ位置Δyの調整が行われる。なお、ずれ位置Δyは第一直線L1および第二直線L2の方程式から直接計算することもできる、この場合は、上記式14の計算を省略することができる。   In this way, the shift position Δy can be calculated. The calculated displacement position Δy is displayed on the display device 15, and the operator moves the inner cylinder 212 of the column unit 21 in the axial direction so that the displayed displacement position Δy becomes 0, and the height of the column unit 21 is increased. Adjust the height. As a result, the shift position Δy is adjusted. Note that the shift position Δy can also be directly calculated from the equations of the first straight line L1 and the second straight line L2, and in this case, the calculation of the above equation 14 can be omitted.

また、データ処理装置13は、ずれ角度θyを計算する。ずれ角度θyは、図11に示すように、基準座標系のx−z座標平面における、形状測定器10から基準ワーク40の交線43gへレーザー光が入射するときのレーザー光の入射方向を示す線分LS3と、z軸とのなす角であり、このずれ角度θyは、基準座標系のy軸回りに形状測定器10が傾斜している角度を示す。   Further, the data processing device 13 calculates the deviation angle θy. As shown in FIG. 11, the deviation angle θy indicates the incident direction of the laser light when the laser light is incident on the intersecting line 43g of the reference workpiece 40 from the shape measuring instrument 10 in the xz coordinate plane of the reference coordinate system. The angle formed by the line segment LS3 and the z-axis, and the deviation angle θy indicates the angle at which the shape measuring instrument 10 is inclined about the y-axis of the reference coordinate system.

ずれ角度θyを計算するために、まず、形状測定器10からレーザー光を基準ワーク40に照射する。この照射により、カメラ座標系のx−z座標平面において図10に示すように基準ワーク40の第一、第二、第三、第四、第五および第六平面部43a,43b,43c,43d,43e,43fのそれぞれの断面外形を走査した点群データG1〜G6が得られる。データ処理装置13は、得られた点群データから第三直線L3および第四直線L4を計算し、さらに第三直線L3と第四直線L4との交点C(xc,zc)を計算する。交点Cは、上記式5のように表すことができる。次に、交点Cを通り、第一直線L1に垂直な第五直線L5を計算する。第五直線L5は、第一直線L1と直交し、また交点Cを通ることにより、下記式16のように表すことができる。

Figure 2008032449
In order to calculate the deviation angle θy, first, the reference work 40 is irradiated with laser light from the shape measuring instrument 10. By this irradiation, the first, second, third, fourth, fifth, and sixth plane portions 43a, 43b, 43c, and 43d of the reference workpiece 40 are shown on the xz coordinate plane of the camera coordinate system as shown in FIG. , 43e, and 43f, point cloud data G1 to G6 obtained by scanning the respective cross-sectional outlines are obtained. The data processing device 13 calculates the third straight line L3 and the fourth straight line L4 from the obtained point group data, and further calculates the intersection C (x c , z c ) between the third straight line L3 and the fourth straight line L4. . The intersection point C can be expressed as Equation 5 above. Next, a fifth straight line L5 that passes through the intersection C and is perpendicular to the first straight line L1 is calculated. The fifth straight line L5 is orthogonal to the first straight line L1 and can pass through the intersection point C and can be expressed as the following Expression 16.
Figure 2008032449

次に、データ処理装置13は、下記式17の計算の実行により、第五直線L5と第一直線L1との交点の座標点Q(xq,yq)を計算する。

Figure 2008032449
上記式17は、上記式16によって表される第五直線L5および上記式1によって表される第一直線L1が共に点Q(xq,yq)を通ることに基づいて導かれる。 Next, the data processing device 13 calculates the coordinate point Q (x q , y q ) of the intersection point of the fifth straight line L5 and the first straight line L1 by executing the calculation of Expression 17 below.
Figure 2008032449
The above equation 17 is derived based on the fact that the fifth straight line L5 represented by the above equation 16 and the first straight line L1 represented by the above equation 1 both pass through the point Q (x q , y q ).

点Q(xq,yq)を求めた後に、データ処理装置13は、下記式18の実行によりθyを計算する。

Figure 2008032449
上記式18は、以下のようにして導かれる。第一直線L1,第三直線L3,第四直線L4および第五直線L5がカメラ座標系のx−z座標平面において図10に示す状態のように計算された場合、第三直線L3と第四直線L4との交点Cと、第五直線L5と第一直線L1との交点Qとを結ぶ線分CQと、カメラx−z座標系におけるz軸とのなす角がずれ角度θyである。この場合、ずれ角度θyの正弦は、線分CQの長さと、座標点Cと座標点Qとのx軸方向成分の差xc-xqとの比によって表される。ここで、線分CQの長さは、基準ワーク40の交線43gから第一平面部43aおよび第六平面部43fが形成される平面までの距離mであり(図11参照)、基準ワーク40から測定することができる。したがって、ずれ角度θyの正弦sinθyは、(xc−xq)/mと表すことができる。式18は、この関係に基づき導かれる。 After obtaining the point Q (x q , y q ), the data processing device 13 calculates θy by executing the following equation 18.
Figure 2008032449
The above equation 18 is derived as follows. When the first straight line L1, the third straight line L3, the fourth straight line L4 and the fifth straight line L5 are calculated as shown in FIG. 10 on the xz coordinate plane of the camera coordinate system, the third straight line L3 and the fourth straight line The angle between the line segment CQ connecting the intersection C with L4 and the intersection Q between the fifth straight line L5 and the first straight line L1 and the z axis in the camera xz coordinate system is the shift angle θy. In this case, the sine of the deviation angle θy is represented by the ratio between the length of the line segment CQ and the difference x c -x q of the x-axis direction component between the coordinate point C and the coordinate point Q. Here, the length of the line segment CQ is the distance m from the intersection line 43g of the reference workpiece 40 to the plane on which the first plane portion 43a and the sixth plane portion 43f are formed (see FIG. 11). Can be measured from Therefore, the sine sin θy of the deviation angle θy can be expressed as (x c −x q ) / m. Equation 18 is derived based on this relationship.

上記のようにして計算されたずれ角度θyは、表示装置15に表示され、作業者は表示されたずれ角度θyが0になるように支柱ユニット21の内筒212を回転する。これによりずれ角度θyの調整が行われる。なお、上記式18中のxc-xqは、第一直線L1、第三直線L3および第四直線L4の方程式から直接求めることもできる。したがって、xc-xqをこれらの第一直線L1,第三直線L3および第四直線L4の方程式から直接計算し、それを基に第五直線L5および交点Qを求めることなしにθyを計算することができる。この場合は、上記式16および上記式17の計算を省略することができる。 The deviation angle θy calculated as described above is displayed on the display device 15, and the operator rotates the inner cylinder 212 of the column unit 21 so that the displayed deviation angle θy becomes zero. As a result, the shift angle θy is adjusted. Note that x c -x q in the above equation 18 can also be directly obtained from the equations of the first straight line L1, the third straight line L3, and the fourth straight line L4. Therefore, x c -x q is directly calculated from the equations of the first straight line L1, the third straight line L3, and the fourth straight line L4, and θy is calculated without obtaining the fifth straight line L5 and the intersection point Q based on the equation. be able to. In this case, calculation of the above formula 16 and the above formula 17 can be omitted.

また、データ処理装置13は、ずれ位置Δxを計算する。ずれ位置Δxは、図13に示すように、基準座標系のx−z平面における、基準ワーク40のz軸方向に沿った中心線lzからの形状測定器10のx軸方向のずれ量である。ずれ位置Δxの計算にあたり、まず、レーザー光を基準ワーク40に照射する。この照射により、カメラ座標系のx−z座標平面において図12に示すように、基準ワーク40の第一、第二、第三、第四、第五および第六平面部43a,43b,43c,43d,43e,43fのそれぞれの断面外形を走査した点群データが求められる。データ処理装置13は、これらの点群データに基づき第三直線L3および第四直線L4を求め、さらに第三直線L3と第四直線L4との交点C(xc,zc)の座標点を計算する。交点Cの座標点は、上記式5のように計算することができる。 Further, the data processing device 13 calculates the shift position Δx. As shown in FIG. 13, the shift position Δx is a shift amount in the x-axis direction of the shape measuring instrument 10 from the center line lz along the z-axis direction of the reference workpiece 40 in the xz plane of the reference coordinate system. . In calculating the displacement position Δx, first, the reference workpiece 40 is irradiated with laser light. By this irradiation, as shown in FIG. 12 in the xz coordinate plane of the camera coordinate system, the first, second, third, fourth, fifth and sixth plane portions 43a, 43b, 43c, Point cloud data obtained by scanning the respective cross-sectional outlines 43d, 43e, and 43f is obtained. The data processing device 13 obtains the third straight line L3 and the fourth straight line L4 based on these point group data, and further determines the coordinate point of the intersection C (x c , z c ) between the third straight line L3 and the fourth straight line L4. calculate. The coordinate point of the intersection point C can be calculated as shown in Equation 5 above.

次に、データ処理装置13は、ずれ位置Δxを計算する。この場合において、交点Cにおけるx軸方向成分が0であるときが形状測定器10のx軸方向の基準位置とする場合には、交点Cのx軸方向成分xがそのままx軸方向のずれ量を示す。したがって、図12に示すようなカメラ座標系のx−z座標平面において取得したxcをずれ位置Δxとする。このようにして計算されたずれ位置Δxは、表示装置15に表示され、作業者は表示されたずれ位置Δxが0または所定値になるように、位置調整器22の第一レバー223を調整する。これによりずれ位置Δxの調整が行われる。 Next, the data processing device 13 calculates the shift position Δx. In this case, if the time x-axis component at the point of intersection C is zero is a reference position of the x-axis direction of the shape measuring device 10, the x-axis direction component x c is the x-axis direction as is the deviation of the intersection C Indicates the amount. Therefore, x c acquired on the xz coordinate plane of the camera coordinate system as shown in FIG. 12 is set as the shift position Δx. The displacement position Δx calculated in this way is displayed on the display device 15, and the operator adjusts the first lever 223 of the position adjuster 22 so that the displayed displacement position Δx becomes 0 or a predetermined value. . As a result, the shift position Δx is adjusted.

また、データ処理装置13は、ずれ位置Δzを計算する。ずれ位置Δzは、図13に示すように、基準座標系のx−z平面における、形状測定器10から、基準ワーク40の第一平面部43aおよび第六平面部43fが形成される平面までのz軸方向距離zと、所定の基準距離z0との差である。ずれ位置Δzの計算にあたり、まず、レーザー光を基準ワーク40に照射する。この照射により、カメラ座標系のx−z座標平面において図12に示すように、基準ワーク40の第一、第二、第三、第四、第五および第六平面部43a,43b,43c,43d,43e,43fのそれぞれの断面外形を走査した点群データが求められる。データ処理装置13は、これらの点群データに基づき第三直線L3および第四直線L4を求め、さらに第三直線L3と第四直線L4との交点C(xc,zc)の座標点を計算する。交点Cの座標点は、上記式5のように計算することができる。 Further, the data processing device 13 calculates the shift position Δz. As shown in FIG. 13, the displacement position Δz is from the shape measuring instrument 10 to the plane on which the first plane portion 43a and the sixth plane portion 43f of the reference workpiece 40 are formed in the xz plane of the reference coordinate system. and the z-axis direction distance z 1, which is a difference between a predetermined reference distance z 0. In calculating the displacement position Δz, first, the reference workpiece 40 is irradiated with laser light. By this irradiation, as shown in FIG. 12 in the xz coordinate plane of the camera coordinate system, the first, second, third, fourth, fifth and sixth plane portions 43a, 43b, 43c, Point cloud data obtained by scanning the respective cross-sectional outlines 43d, 43e, and 43f is obtained. The data processing device 13 obtains the third straight line L3 and the fourth straight line L4 based on these point group data, and further determines the coordinate point of the intersection C (x c , z c ) between the third straight line L3 and the fourth straight line L4. calculate. The coordinate point of the intersection point C can be calculated as shown in Equation 5 above.

次に、データ処理装置は13、ずれ位置Δzを計算する。この場合において、図12に示すように、上記距離z1は、形状測定器10から交点Cまでのz軸方向距離と、基準ワーク40における交線43gから第一平面部43aおよび第六平面部43fが形成される平面までの距離の和である。形状測定器10から交点Cまでのz軸方向距離は交点Cのz軸方向成分zcであり、交線43gから第一平面部43aおよび第六平面部43fが形成される平面までの距離mは基準ワーク40を計測することによりわかる。よって、z1=zc+mである。したがって、Δzは、z1+m−z0の計算の実行により求めることができる。上記のようにして計算されたずれ位置Δzは、表示装置15に表示され、作業者は表示されたずれ位置Δzが0になるように位置調整器22の第二レバー224を調整する。これによりずれ位置Δzの調整が行われる。 Next, the data processing device 13 calculates the displacement position Δz. In this case, as shown in FIG. 12, the distance z 1 is the distance in the z-axis direction from the shape measuring instrument 10 to the intersection C and the first plane portion 43 a and the sixth plane portion from the intersection line 43 g in the reference workpiece 40. 43f is the sum of the distances to the plane on which 43f is formed. The z-axis direction distance from the shape measuring instrument 10 to the intersection point C is the z-axis direction component z c of the intersection point C, and the distance m from the intersection line 43g to the plane on which the first plane part 43a and the sixth plane part 43f are formed. Can be understood by measuring the reference workpiece 40. Therefore, z 1 = z c + m. Therefore, Δz can be obtained by executing the calculation of z 1 + m−z 0 . The displacement position Δz calculated as described above is displayed on the display device 15, and the operator adjusts the second lever 224 of the position adjuster 22 so that the displayed displacement position Δz becomes zero. As a result, the shift position Δz is adjusted.

以上のように、キャリブレーション工程において、事前受光ステップにて得られる受光情報に基づいて、基準座標系に対するカメラ座標系のずれ量(ずれ位置Δx、Δy、Δz、ずれ角度θx、θy、θz)が算出される(算出ステップ)。これらのずれ量がほぼ0となるように表示装置15に表示された数値を確認しながら作業者が形状測定器10の姿勢を調整する。このとき、θx以外のずれ量に関しては、大雑把な調整でよい(ずれ量が正確に0になるまで調整しなくてもよい)。ただし、ずれ角度θxについては、負の方向にずれている場合であっても正の値で表されるためにどちらにずれているかわからない。したがって、θxのみ、測定精度の範囲内で0になるまで調整を繰り返す。このような作業が終了した後、最終的に残る微小なずれ量(ずれ角度θy、θz、ずれ位置Δx、Δy、Δz)を検出し(ずれ量検出ステップ)このずれ量をデータ処理装置13が記憶する。そして、キャリブレーション工程を終了する。   As described above, in the calibration process, based on the light reception information obtained in the prior light reception step, the shift amount of the camera coordinate system with respect to the reference coordinate system (shift position Δx, Δy, Δz, shift angle θx, θy, θz) Is calculated (calculation step). The operator adjusts the posture of the shape measuring instrument 10 while confirming the numerical values displayed on the display device 15 so that these deviation amounts become substantially zero. At this time, the amount of deviation other than θx may be roughly adjusted (it is not necessary to adjust until the amount of deviation is exactly zero). However, since the shift angle θx is expressed by a positive value even if it is shifted in the negative direction, it is not known which is shifted. Therefore, the adjustment is repeated until only θx becomes 0 within the range of measurement accuracy. After such an operation is finished, the minute shift amounts (shift angles θy, θz, shift positions Δx, Δy, Δz) that remain finally are detected (shift amount detection step). Remember. Then, the calibration process ends.

上記キャリブレーション工程は、本発明のずれ量検出ステップに相当する。この場合において、上記の例では、算出ステップにてずれ量をそれぞれ算出した後に、作業者が形状測定器10の姿勢を調整することにより、算出したずれ量が0または微小になるように調整しているが、算出ステップにて算出された全てのずれ量がもともと微小であれば、作業者による調整は要さない。キャリブレーション工程が終了した後に、基準ワーク40を長板状部材31から外し、実際の測定対象物を長板状部材31に取り付けて、形状測定工程を行う。   The calibration process corresponds to the shift amount detection step of the present invention. In this case, in the above example, after calculating the deviation amounts in the calculation step, the operator adjusts the posture of the shape measuring instrument 10 so that the calculated deviation amount is adjusted to 0 or minute. However, if all the deviation amounts calculated in the calculation step are originally minute, no adjustment by the operator is required. After the calibration process is completed, the reference workpiece 40 is removed from the long plate-like member 31, and the actual measurement object is attached to the long plate-like member 31, and the shape measurement step is performed.

図14に、形状測定工程における形状測定システムの全体図を示す。図に示すように、測定対象物OBは、形状測定器10の正面に対面して配置される。本実施形態では、測定対象物OBは、車両に用いられるクランクシャフトなどの、軸を持った回転物であるが、本実施形態においては説明を簡単にするために、棒状の部材としてある。この測定対象物OBの一方端には第一固定治具51が、他方端には第二固定治具52が取り付けられている。図に示すように両固定用治具51,52は円柱状に形成され、互いに対面して配置されており、対面側の中央部に穴部が形成されていて、測定対象物OBの両端がこの穴部に挿入される。上記穴部は、測定対象物OBが回転しないようにその形状等に工夫がされている。このように測定対象物OBが取り付けられた場合、測定対象物OBの中心軸(回転軸)は、上記キャリブレーション工程における基準ワーク40の軸部41と同一軸心となる。   FIG. 14 shows an overall view of the shape measuring system in the shape measuring step. As shown in the figure, the measuring object OB is arranged facing the front surface of the shape measuring instrument 10. In the present embodiment, the measurement object OB is a rotating object having an axis, such as a crankshaft used in a vehicle, but in the present embodiment, it is a rod-like member for the sake of simplicity. A first fixing jig 51 is attached to one end of the measurement object OB, and a second fixing jig 52 is attached to the other end. As shown in the drawing, both fixing jigs 51 and 52 are formed in a columnar shape and are arranged to face each other, a hole is formed in the central portion on the facing side, and both ends of the measuring object OB are located at the opposite ends. It is inserted into this hole. The hole is devised in shape and the like so that the measurement object OB does not rotate. When the measurement object OB is attached in this way, the central axis (rotation axis) of the measurement object OB is the same axis as the shaft portion 41 of the reference workpiece 40 in the calibration process.

また、図に示すように一方の長板状部材31の切り欠き部31aにはモータ53が取り付けられており、他方の長板状部材31の切り欠き31aには支持部材54が取り付けられている。モータ53および支持部材54は切り欠き部31a内で回転しないように取り付けられている。モータ53の出力軸53aは、第一固定治具51の第二固定治具52とは対面していない側の面に連結されている。また、第二固定治具52の第一固定治具51とは対面していない側の面からは棒状の突起部52aが形成されていて、この突起部52aは、支持部材54に形成されたベアリングなどの軸受け部(図示省略)に挿入される。このため、第二固定治具52は支持部材54に回転可能に軸支される。   Further, as shown in the figure, a motor 53 is attached to the notch 31a of one long plate member 31, and a support member 54 is attached to the notch 31a of the other long plate member 31. . The motor 53 and the support member 54 are attached so as not to rotate within the notch 31a. The output shaft 53 a of the motor 53 is connected to the surface of the first fixing jig 51 that is not facing the second fixing jig 52. Further, a rod-like protrusion 52 a is formed from the surface of the second fixing jig 52 that does not face the first fixing jig 51, and this protrusion 52 a is formed on the support member 54. It is inserted into a bearing (not shown) such as a bearing. For this reason, the second fixing jig 52 is rotatably supported by the support member 54.

形状測定器10は、コントローラ12およびデータ処理装置13と電気的に接続されている。コントローラ12およびデータ処理装置13は、CPU,ROM,RAMなどのマイクロコンピュータを主要構成部品とする。コントローラ12は、入力装置14から入力指令やデータ処理装置13からの情報が入力されるとともに、これらに基づいて形状測定器10およびモータ53に制御指令信号を出力する。データ処理装置13は、コントローラ12からの制御情報、形状測定器10からの受光情報およびモータ53からの回転情報などが入力され、これらの情報に基づいてデータの処理演算を実行し、演算結果を表示装置15に出力する。なお、コントローラ12、データ処理装置13、入力装置14、表示装置15は、キャリブレーション工程時に用いたものと共用してもよい。また、図に示す姿勢制御装置20は、キャリブレーション工程において説明した図1の姿勢制御装置20と同一である。   The shape measuring instrument 10 is electrically connected to the controller 12 and the data processing device 13. The controller 12 and the data processing device 13 have a microcomputer such as a CPU, a ROM, and a RAM as main components. The controller 12 receives an input command from the input device 14 and information from the data processing device 13 and outputs a control command signal to the shape measuring instrument 10 and the motor 53 based on these. The data processing device 13 receives control information from the controller 12, light reception information from the shape measuring instrument 10, rotation information from the motor 53, etc., executes data processing calculation based on these information, and outputs the calculation result. Output to the display device 15. The controller 12, the data processing device 13, the input device 14, and the display device 15 may be shared with those used during the calibration process. Further, the posture control device 20 shown in the figure is the same as the posture control device 20 of FIG. 1 described in the calibration process.

上記構成において、まず作業者が入力装置14を通じてコントローラ12に測定対象物OBの形状測定を行うための信号を入力すると、コントローラ12は形状測定器10およびモータ53に駆動指令信号を出力する。これにより、形状測定器10はライン光を測定対象物OBに向けて照射するとともに、モータ53が駆動して測定対象物OBが回転する(照射ステップ)。測定対象物OBに照射されたライン光の反射光は形状測定器10内の受光手段により受光され(受光ステップ)、受光情報がデータ処理装置13に入力される。データ処理装置13は、入力された受光情報を基に、形状測定器10から照射点までの距離および照射点の方向をライン光の所定間隔ごとの点のそれぞれにつき計算する。そして、計算した距離と方向から、測定対象物OBの照射点のカメラ座標系における座標値を計算する。これにより、測定対象物OBをライン光が照射した部分で切断した断面外形の形状を表す座標値Xa(xa,0,za)の点群データ(以下、断面形状データという)を得ることができる。 In the above configuration, when an operator inputs a signal for measuring the shape of the measurement object OB to the controller 12 through the input device 14, the controller 12 outputs a drive command signal to the shape measuring instrument 10 and the motor 53. As a result, the shape measuring instrument 10 irradiates the line light toward the measurement object OB, and the motor 53 is driven to rotate the measurement object OB (irradiation step). The reflected light of the line light irradiated to the measuring object OB is received by the light receiving means in the shape measuring instrument 10 (light receiving step), and the received light information is input to the data processing device 13. Based on the received light reception information, the data processing device 13 calculates the distance from the shape measuring instrument 10 to the irradiation point and the direction of the irradiation point for each point at a predetermined interval of the line light. And the coordinate value in the camera coordinate system of the irradiation point of the measuring object OB is calculated from the calculated distance and direction. As a result, point cloud data (hereinafter referred to as cross-sectional shape data) of coordinate values Xa (x a , 0, z a ) representing the shape of the cross-sectional outer shape obtained by cutting the measurement object OB at the portion irradiated with the line light is obtained. Can do.

モータ53内にはエンコーダが収納されており、モータ53の駆動に伴ってパルス信号が発生する。このパルス信号はデータ処理装置13に入力される。データ処理装置13は、このパルス信号に基づいて、測定対象物OBの回転角度を計算する。上記断面形状データは、測定対象物OBの所定の回転角度ごと(例えば5°毎)に計算される。   An encoder is housed in the motor 53, and a pulse signal is generated as the motor 53 is driven. This pulse signal is input to the data processor 13. The data processing device 13 calculates the rotation angle of the measurement object OB based on this pulse signal. The cross-sectional shape data is calculated for each predetermined rotation angle (for example, every 5 °) of the measurement object OB.

データ処理装置13は、測定対象物OBが一回転するまで、つまりモータ53からのパルス信号に基づいて計算した回転角度が360°となるまで、所定の回転角度ごとに断面形状データを計算する。そして、上記所定の回転角度ごとに得られる断面形状データの座標値Xa(xa,0,za)を座標変換行列Mにより座標変換し、座標変換後の補正座標値Xb(xb,yb,zb)を求める(座標変換ステップ)。この座標変換行列Mは、角度補正行列Mθと、軸合わせ行列MAとの積として表すことができるので、下記式19が成立する。

Figure 2008032449
The data processing device 13 calculates cross-sectional shape data for each predetermined rotation angle until the measurement object OB makes one rotation, that is, until the rotation angle calculated based on the pulse signal from the motor 53 reaches 360 °. Then, the coordinate value Xa (x a , 0, z a ) of the cross-sectional shape data obtained for each predetermined rotation angle is subjected to coordinate conversion by the coordinate conversion matrix M, and the corrected coordinate value Xb (x b , y after coordinate conversion) is converted. b , z b ) is obtained (coordinate conversion step). Since the coordinate transformation matrix M can be expressed as a product of the angle correction matrix Mθ and the axis alignment matrix MA, the following Expression 19 is established.
Figure 2008032449

また、角度補正行列Mθは、下記式20のように表される。

Figure 2008032449
上記式20において、θy、θzは、キャリブレーション工程にてずれ角度θyおよびθzを校正した後になお残る微小なずれ角度である。キャリブレーション工程において、ずれ角度θy、θzが表示装置15に表示されると、作業者が目視によりずれ角度を0にするように形状測定器10の傾きを調整し、ずれ角度θyやθzを校正するが、一つのずれ角度を調整すると他方のずれ角度が増えたりして、なかなか全てのずれ角度を0に調整するのは難しい。従って、上記キャリブレーション工程では、ずれ角度θyおよびずれ角度θzを厳密に0にすることまで要求せず、粗調整として、ずれ角度θyおよびθzが所定の角度範囲内に収まればよいものとしている。なお、基準ワークを形状測定器10で測定することにより得られたずれ角度θyとθzは、他方のずれ角度が小さい場合は、本来のずれ角度からのずれは無視できるほど小さいが、他方のずれ角度が大きい場合は本来のずれ角度からのずれが大きくなる。このため、Mθによって座標値を座標変換する場合には、キャリブレーション工程によりずれ角度θyとθzをできるだけ小さな値としておくのがよい。本実施形態においては、ずれ角度θyとθzの絶対値を1°以下にすれば、精度のよい計算を行うことができる。このようにして校正してなお残るずれ角度θyおよびθzが上述したようにデータ処理装置13内に記憶されており、上記式20ではこの記憶されたずれ角度θyおよびθzが使用される。なお、角度補正行列Mθに使用される角度θyとθzは、ずれ角度θyとθzを補正して0°にするための角度であるので、基準ワークを形状測定器10で測定することにより得られたずれ角度θyとθzとは符号が逆になっている。 Further, the angle correction matrix Mθ is expressed as the following Expression 20.
Figure 2008032449
In the above equation 20, θy and θz are minute deviation angles still remaining after the deviation angles θy and θz are calibrated in the calibration process. In the calibration process, when the deviation angles θy and θz are displayed on the display device 15, the operator adjusts the inclination of the shape measuring instrument 10 so that the deviation angle becomes zero by visual observation, and calibrates the deviation angles θy and θz. However, when one shift angle is adjusted, the other shift angle increases, and it is difficult to adjust all the shift angles to zero. Therefore, in the calibration step, it is not required to set the deviation angle θy and the deviation angle θz to exactly 0, and as a rough adjustment, the deviation angles θy and θz only need to be within a predetermined angle range. The deviation angles θy and θz obtained by measuring the reference workpiece with the shape measuring instrument 10 are so small that the deviation from the original deviation angle is negligible when the other deviation angle is small. When the angle is large, the deviation from the original deviation angle becomes large. For this reason, when the coordinate value is converted by Mθ, it is preferable to set the deviation angles θy and θz as small as possible by the calibration process. In the present embodiment, accurate calculation can be performed if the absolute values of the shift angles θy and θz are 1 ° or less. The deviation angles θy and θz that remain after calibration in this way are stored in the data processor 13 as described above, and the stored deviation angles θy and θz are used in the above equation 20. Note that the angles θy and θz used in the angle correction matrix Mθ are angles for correcting the shift angles θy and θz to 0 °, and are obtained by measuring the reference workpiece with the shape measuring instrument 10. The deviation angles θy and θz are opposite in sign.

上記式20の右辺の右側の行列式は、座標軸をずれ角度θzだけz軸回りに回転する回転行列式、左側の行列式は、座標軸をずれ角度θyだけy軸回りに回転する回転行列式である。したがって、式20の行列式を用いて断面形状データの座標値を座標変換することにより、基準座標系に対してカメラ座標系がy軸回りおよびz軸回りに傾いていても、この傾きが補正された座標系における形状データの座標値を算出することができる。また、ずれ角度θxについては、上述のキャリブレーション工程にて0になるように校正している。したがって、式1の行列式による座標変換によって、全てのずれ角度が精度良く補正され、基準座標系に対して角度ずれのない座標系における断面形状データの座標値を算出することができる。   The determinant on the right side of the right side of Equation 20 is a rotation determinant that rotates the coordinate axis about the z axis by a shift angle θz, and the left determinant is a rotation determinant that rotates the coordinate axis about the y axis by a shift angle θy. is there. Therefore, by converting the coordinate value of the cross-sectional shape data using the determinant of Equation 20, even if the camera coordinate system is inclined about the y axis and the z axis with respect to the reference coordinate system, this inclination is corrected. The coordinate value of the shape data in the coordinate system thus obtained can be calculated. Further, the deviation angle θx is calibrated so as to become 0 in the calibration process described above. Therefore, the coordinate transformation by the determinant of Equation 1 corrects all the deviation angles with accuracy, and the coordinate value of the cross-sectional shape data in the coordinate system having no angular deviation with respect to the reference coordinate system can be calculated.

ここで、基準座標系におけるy軸をybase軸、z軸をzbase軸、角度補正行列Mθにより補正した後の座標系(角度補正変換座標系)におけるy軸をyMθ軸、z軸をzMθ軸とすると、両座標系の関係は、図15のように表すことができる。図15において、ybase軸は基準ワーク40の第一平面部43aおよび第六平面部43fを含む平面に含まれる。よって、測定対象物OBの回転中心は基準座標系の原点とはならず、基準座標系の座標軸原点は測定対象物OBの回転中心から半径r分だけzbase軸方向にシフトしている。また、基準座標系の座標軸原点と角度補正変換座標系の座標軸原点とのz軸方向距離から所定距離z0を引いた距離がずれ位置Δz、zbase軸とzMθ軸とのy軸方向距離がずれ位置Δyとなる。 Here, the y axis in the reference coordinate system is the y base axis, the z axis is the z base axis, the y axis in the coordinate system (angle correction conversion coordinate system) after being corrected by the angle correction matrix Mθ is the y axis, and the z axis is Assuming the z axis, the relationship between both coordinate systems can be expressed as shown in FIG. In FIG. 15, the y base axis is included in a plane including the first plane part 43 a and the sixth plane part 43 f of the reference workpiece 40. Therefore, the rotation center of the measurement object OB is not the origin of the reference coordinate system, and the coordinate axis origin of the reference coordinate system is shifted from the rotation center of the measurement object OB in the z base axis direction by the radius r. Also, the distance obtained by subtracting the predetermined distance z 0 from the z-axis direction distance between the coordinate axis origin of the reference coordinate system and the coordinate axis origin of the angle correction conversion coordinate system is a shift position Δz, the y-axis direction distance between the z base axis and the z axis. Shift position Δy.

図に示すように、角度補正変換座標系のzMθ軸が測定対象物OBの回転中心からyMθ軸方向にΔyずれていると(なお、ずれ位置Δyもキャリブレーション工程で作業者により調整されるが、完全に0に調整することができずに微小のずれ位置Δyが生じる)、角度補正変換座標系のx−z座標平面が測定対象物OBの回転中心を含まない。このまま後述する測定対象物OBを回転軸回りに回転させ回転角度に基づいて座標値を座標変換した場合、測定対象物OBの回転軸の角度補正変換座標系のx−z座標平面からのずれ分が補正されない座標値に変換されてしまい、得られる三次元形状の精度は悪くなってしまう。このため、角度補正変換座標系のx−z座標平面が測定対象物OBの回転中心を含むように、角度補正変換座標系の座標軸を軸合わせ行列MAにより座標変換する。この場合の軸合わせ行列MAによる座標変換は、角度補正変換座標系の座標軸をx−z座標平面が測定対象物OBの回転中心を含むようにx軸周りに回転するものである。このときの回転角度は、上記回転によって角度が修正された座標系のz軸(図15におけるzMA軸)と基準座標系のzbase軸とのなす角であり、斯かるなす角の正弦は、角度補正変換座標系の座標軸原点と測定対象物OBの回転中心Oとの間の距離dに対するずれ位置Δyの比(Δy/d)で表される。また、上記なす角の余弦は、距離dに対する角度補正変換座標系の座標軸原点から測定対象物OBの回転中心Oまでのz軸方向距離の比で表される。角度補正変換座標系の座標軸原点から測定対象物OBの回転中心Oまでのz軸方向距離は、図15から、z0+Δz+rで表されるため、上記余弦は、(z0+Δz+r)/dで表される。また、距離dは、下記の式21により表される。

Figure 2008032449
As shown in the figure, when the z axis of the angle correction conversion coordinate system is shifted by Δy in the y axis direction from the rotation center of the measurement object OB (the shift position Δy is also adjusted by the operator in the calibration process). However, it cannot be completely adjusted to 0 and a minute shift position Δy is generated), and the xz coordinate plane of the angle correction conversion coordinate system does not include the rotation center of the measurement object OB. When a measurement object OB, which will be described later, is rotated as it is and the coordinate value is coordinate-converted based on the rotation angle, the amount of deviation from the xz coordinate plane of the angle correction conversion coordinate system of the rotation axis of the measurement object OB. Will be converted into uncorrected coordinate values, and the accuracy of the obtained three-dimensional shape will deteriorate. For this reason, the coordinate axis of the angle correction conversion coordinate system is coordinate-converted by the axis alignment matrix MA so that the xz coordinate plane of the angle correction conversion coordinate system includes the rotation center of the measurement object OB. In this case, the coordinate conversion by the axis alignment matrix MA rotates the coordinate axis of the angle correction conversion coordinate system around the x axis so that the xz coordinate plane includes the rotation center of the measurement object OB. Rotation angle at this time is the angle between the z base axis of the reference coordinate system (z MA axis in FIG. 15) the z-axis of the coordinate system the angle is corrected by the rotation, the sine of斯Karunasu angle , Expressed as a ratio (Δy / d) of the shift position Δy to the distance d between the coordinate axis origin of the angle correction conversion coordinate system and the rotation center O of the measurement object OB. Further, the cosine of the angle formed is expressed by the ratio of the distance in the z-axis direction from the coordinate axis origin of the angle correction conversion coordinate system to the rotation center O of the measurement object OB with respect to the distance d. Since the z-axis direction distance from the coordinate axis origin of the angle correction conversion coordinate system to the rotation center O of the measurement object OB is represented by z 0 + Δz + r from FIG. 15, the cosine is (z 0 + Δz + r) / d. expressed. Further, the distance d is expressed by the following formula 21.
Figure 2008032449

したがって、角度補正変換座標系を回転させることにより、レーザー光の照射平面が測定対象物の回転中心を通るようにするための軸合わせ行列MAは、次の式22のように表すことができる。

Figure 2008032449
Therefore, by rotating the angle correction conversion coordinate system, the axis alignment matrix MA for allowing the laser light irradiation plane to pass through the rotation center of the measurement object can be expressed as the following Expression 22.
Figure 2008032449

図15において、軸合わせ行列MAによる変換後の座標系(以下、軸合わせ変換座標系という)におけるy座標軸をyMA、z座標軸をzMAとすると、軸合わせ変換座標系は、図15に示すように、そのzMA軸が測定対象物OBの回転中心を通ることがわかる。すなわち、軸合わせ変換座標系のx軸は変換前同様、測定対象物OBの回転軸と平行であるので測定対象物OBの回転軸は軸合わせ変換座標系のx−z座標平面に含まれる。 In FIG. 15, if the y coordinate axis in the coordinate system after conversion by the axis alignment matrix MA (hereinafter referred to as the axis alignment conversion coordinate system) is y MA and the z coordinate axis is z MA , the axis alignment conversion coordinate system is shown in FIG. Thus, it can be seen that the z MA axis passes through the center of rotation of the measurement object OB. That is, since the x-axis of the axis alignment conversion coordinate system is parallel to the rotation axis of the measurement object OB as before conversion, the rotation axis of the measurement object OB is included in the xz coordinate plane of the axis alignment conversion coordinate system.

上記2つの行列式Mθ、MAによる座標変換は別々に行ってもよいが、計算過程を簡略化するため一度に行ってもよい。このようにして座標変換行列M(=MA・Mθ)で取得した座標値を座標変換することにより、x軸が測定対象物OBの回転軸に平行であり、z軸が測定対象物OBの回転軸を通る座標系における測定対象物OBの断面形状データを取得することができる。   The coordinate transformations using the two determinants Mθ and MA may be performed separately, but may be performed at once in order to simplify the calculation process. In this way, by converting the coordinate value obtained by the coordinate transformation matrix M (= MA · Mθ), the x axis is parallel to the rotation axis of the measurement object OB, and the z axis is the rotation of the measurement object OB. The cross-sectional shape data of the measurement object OB in the coordinate system passing through the axis can be acquired.

また、軸合わせ行列MAは、座標系を回転するのではなく、図16に示すように、座標系をyMθ軸方向およびzMθ軸方向に平行移動させることにより、角度補正座標系におけるz軸が測定対象物OBの回転中心を通るようにすることもできる。この場合、前記式19および軸合わせ行列MAは、下記式23−1および式23−2のようになる。

Figure 2008032449
In addition, the axis alignment matrix MA does not rotate the coordinate system, but translates the coordinate system in the y axis direction and the z axis direction as shown in FIG. Can pass through the center of rotation of the measurement object OB. In this case, the equation 19 and the alignment matrix MA are expressed by the following equations 23-1 and 23-2.
Figure 2008032449

なお、上記式23−2において、z成分は任意の値であってもよいが、後述する式25を使用する場合は上記式23−2のz成分とする。上記式23−2に基づいて座標変換を行うことにより、軸合わせ変換座標系のz軸が測定対象物OBの回転中心軸を通る。つまり、測定対象物OBの回転中心軸が軸合わせ変換座標系のx−z座標平面に含まれる。   In the above equation 23-2, the z component may be any value, but when using equation 25 described later, the z component of the above equation 23-2 is used. By performing coordinate conversion based on the above equation 23-2, the z axis of the axis alignment conversion coordinate system passes through the rotation center axis of the measurement object OB. That is, the rotation center axis of the measurement object OB is included in the xz coordinate plane of the axis alignment conversion coordinate system.

本実施形態では、上記のようにして、測定した断面形状データの座標値Xa(xa,0,za)の群を座標変換行列Mにより補正座標値Xb(xb,yb,zb)の群に変換するが、この変換は、測定対象物OBの所定の回転角度ごとに行われる。例えば、測定対象物OBの所定の回転角度を5°とすると、モータ53の回転により測定対象物の回転角度が5°となったときに取得した形状データの座標値Xa(xa,0,za)の群を座標変換行列Mによって補正座標値Xb(xb,yb,zb)の群に変換し、この補正座標値Xb(xb,yb,zb)の群をXb(5°)としてデータ処理装置13内に記憶する。次いで、測定対象物OBの回転角度が10°となったときに取得した断面形状データの座標値Xa(xa,0,za)の群を座標変換行列Mにより補正座標値Xb(xb,yb,zb)の群に変換し、この補正座標値Xb(xb,yb,zb)の群をXb(10°)としてデータ処理装置13内に記憶する。こうして順次回転角度5°ごとに座標変換した補正座標値Xbの群を記憶しておく。 In the present embodiment, as described above, the group of coordinate values Xa (x a , 0, z a ) of the measured cross-sectional shape data is converted into corrected coordinate values Xb (x b , y b , z b ) using the coordinate transformation matrix M. ) Is converted at every predetermined rotation angle of the measurement object OB. For example, if the predetermined rotation angle of the measurement object OB is 5 °, the coordinate value Xa (x a , 0, of the shape data acquired when the rotation angle of the measurement object becomes 5 ° due to the rotation of the motor 53. z a) correction coordinate value Xb (x b to the coordinate transformation matrix M group, y b, converted into a group of z b), the correction coordinate value Xb (x b, y b, a group of z b) Xb (5 °) is stored in the data processing device 13. Next, the group of coordinate values Xa (x a , 0, z a ) of the cross-sectional shape data acquired when the rotation angle of the measurement object OB becomes 10 ° is used as a corrected coordinate value Xb (x b , y b , z b ), and this corrected coordinate value Xb (x b , y b , z b ) is stored in the data processor 13 as Xb (10 °). In this way, a group of corrected coordinate values Xb obtained by sequentially converting the coordinates at every rotation angle of 5 ° is stored.

測定対象物OBの回転角度毎に記憶された補正座標値Xb(xb,yb,zb)の群は、カメラ座標系と基準座標系とのずれ量に基づいて補正したものとなっているが、測定対象物OBの回転角度を考慮していないため、レーザー光が測定対象物OBを切断する部分の所定の回転角度毎の断面形状データを同じ座標系上で示した座標値の群にすぎない。したがって、測定対象物OBの回転角度毎に記憶された座標値の群を、それが測定されたときの測定対象物OBの回転角度を考慮して合成することによって、初めて測定対象物の全体形状を知ることができる。 A group of correction coordinate values Xb (x b , y b , z b ) stored for each rotation angle of the measurement object OB is corrected based on a deviation amount between the camera coordinate system and the reference coordinate system. However, since the rotation angle of the measurement object OB is not taken into consideration, a group of coordinate values indicating, on the same coordinate system, cross-sectional shape data for each predetermined rotation angle of the portion where the laser beam cuts the measurement object OB. Only. Therefore, by combining the group of coordinate values stored for each rotation angle of the measurement object OB in consideration of the rotation angle of the measurement object OB when it is measured, the entire shape of the measurement object is first obtained. Can know.

ここで、本実施形態のように、形状測定器10を固定し、測定対象物OBを回転させながら測定対象物OBの形状測定を行うということは、視点を測定対象物OB側に置けば、測定対象物OBを固定し、形状測定器10を測定対象物OBの回転軸回りに回転させながら、測定対象物OBの形状測定を行うことと同じである。したがって、図17に示すように測定対象物OBが回転軸周りに回転する方向とは逆方向に同じ角度だけ座標軸が回転するものとみなしてよい。よって、測定対象物OBの所定回転ごとに記憶された補正座標値Xb(xb,yb,zb)を下記式24に示すように合成変換行列SaおよびSbにより座標変換することにより、測定対象物OBに対して固定された座標系における測定対象物OBの立体的形状を示す合成座標値Xc(xc,yc,zc)の群を取得することができる。

Figure 2008032449
Here, as in this embodiment, fixing the shape measuring instrument 10 and measuring the shape of the measurement object OB while rotating the measurement object OB means that if the viewpoint is placed on the measurement object OB side, This is the same as measuring the shape of the measurement object OB while fixing the measurement object OB and rotating the shape measuring instrument 10 around the rotation axis of the measurement object OB. Therefore, as shown in FIG. 17, it may be considered that the coordinate axis rotates by the same angle in the opposite direction to the direction in which the measurement object OB rotates around the rotation axis. Accordingly, the correction coordinate value Xb (x b , y b , z b ) stored for each predetermined rotation of the measurement object OB is coordinate-transformed by the composite transformation matrices Sa and Sb as shown in the following equation 24, thereby measuring A group of synthesized coordinate values Xc (x c , y c , z c ) indicating the three-dimensional shape of the measurement object OB in the coordinate system fixed with respect to the object OB can be acquired.
Figure 2008032449

ここで、合成変換行列SaおよびSbは、下記式25−1および25−2により表される。

Figure 2008032449
上記式において、ζは、モータ53内のエンコーダによって検出される測定対象物OBの回転角度である。なお、測定対象物OBの回転角度ζはモータ53側から見て右回りを正とする。すなわち測定対象物OBを基準にした場合、モータ53側から見て軸合わせ変換座標系の回転角度ζは左回りを正とする。 Here, the combined transformation matrices Sa and Sb are expressed by the following formulas 25-1 and 25-2.
Figure 2008032449
In the above equation, ζ is the rotation angle of the measurement object OB detected by the encoder in the motor 53. Note that the rotation angle ζ of the measurement object OB is positive when viewed clockwise from the motor 53 side. That is, when the measurement object OB is used as a reference, the rotation angle ζ of the axis alignment conversion coordinate system as viewed from the motor 53 side is positive in the counterclockwise direction.

データ処理装置13は、測定対象物OBの所定の回転角度ごとに得られる補正座標値Xb(xb,yb,zb)の群のそれぞれについて、上記合成変換行列SaおよびSbにより変換して合成座標値Xc(xc,yc,zc)の群を取得する。このようにして得られた所定角度毎の合成座標値Xc(xc,yc,zc)のデータを表示装置15において全て表示することによって、測定対象物OBの全体形状が表示される。表示された測定対象物OBの全体形状は、キャリブレーション工程で調整し切れなかった微小のずれ量に基づく座標変換を行った座標値群によるものである。このため、本実施形態は、極めて正確な三次元計測を行うことができる。 The data processing device 13 converts each group of corrected coordinate values Xb (x b , y b , z b ) obtained for each predetermined rotation angle of the measurement object OB using the above-described composite conversion matrices Sa and Sb. A group of composite coordinate values Xc (x c , y c , z c ) is acquired. The entire shape of the measurement object OB is displayed by displaying all the data of the composite coordinate values Xc (x c , y c , z c ) obtained for each predetermined angle on the display device 15. The entire shape of the displayed measurement object OB is based on a coordinate value group obtained by performing coordinate conversion based on a minute shift amount that cannot be adjusted in the calibration process. For this reason, this embodiment can perform very accurate three-dimensional measurement.

以上に説明したように、本実施形態の三次元形状測定方法は、カメラ座標系と基準座標系とのずれ量を検出するずれ量検出ステップと、測定対象物OBを回転軸回りに回転させつつ、ライン光を形状測定器10から測定対象物OBに向かって照射する照射ステップと、測定対象物OBに照射したライン光の反射光を受光する受光ステップと、測定対象物OBの所定の回転角度毎に受光ステップにて得られる受光情報に基づいて、ライン光が照射された測定対象物OBの表面上の位置を示す座標値を、カメラ座標系における座標値Xa(xa,0,za)の群として所定の回転角度毎に取得する座標値取得ステップと、座標値取得ステップにて所定の回転角度毎に取得した座標値Xa(xa,0,za)の群をずれ量に基づいて座標変換することで得られる補正座標値Xb(xb,yb,zb)の群を所定の回転角度毎に取得する座標変換ステップと、座標変換ステップにて得られた所定の回転角度毎の補正座標値Xb(xb,yb,zb)の群を所定の回転角度に基づいて合成し、測定対象物OBの立体的形状を示す合成座標値Xc(xc,yc,zc)の群を取得する合成ステップとを含んだものである。上記ステップからわかるように、実際の形状測定をする前にカメラ座標系と基準座標系とのずれ量を取得し、測定対象物OBの形状測定を行って座標値を取得した後に、上記ずれ量に基づいて座標値を座標変換することで、測定対象物OBの正確な三次元形状を測定することができる。 As described above, the three-dimensional shape measurement method of the present embodiment includes a shift amount detection step for detecting a shift amount between the camera coordinate system and the reference coordinate system, while rotating the measurement object OB around the rotation axis. An irradiation step of irradiating the line light from the shape measuring instrument 10 toward the measurement object OB, a light receiving step of receiving reflected light of the line light irradiated on the measurement object OB, and a predetermined rotation angle of the measurement object OB A coordinate value indicating a position on the surface of the measurement object OB irradiated with the line light is represented by a coordinate value Xa (x a , 0, z a in the camera coordinate system based on the light reception information obtained in the light reception step every time. ) As a group of coordinate values acquisition step acquired at each predetermined rotation angle, and a group of coordinate values Xa (x a , 0, z a ) acquired at each predetermined rotation angle at the coordinate value acquisition step. Correction seat obtained by coordinate conversion based on Value Xb (x b, y b, z b) and the coordinate transformation step of obtaining the group for every predetermined rotation angle of the correction coordinate value for each predetermined rotation angle obtained by the coordinate conversion step Xb (x b, A synthesis step of synthesizing a group of y b , z b ) based on a predetermined rotation angle and obtaining a group of synthesized coordinate values Xc (x c , y c , z c ) indicating the three-dimensional shape of the measurement object OB It is included. As can be seen from the above steps, the deviation amount between the camera coordinate system and the reference coordinate system is acquired before the actual shape measurement, the shape measurement of the measurement object OB is performed, and the coordinate value is obtained. By converting the coordinate value based on the above, the accurate three-dimensional shape of the measurement object OB can be measured.

また、ずれ量検出ステップにおいては、基準座標系を定義し得る形状を有する校正用物体としての基準ワーク40に向けて形状測定器10からライン光を照射する事前照射ステップと、事前照射ステップにて基準ワーク40に照射したライン光の反射光を受光する事前受光ステップと、事前受光ステップにて得られる受光情報に基づいて、カメラ座標系と基準座標系とのずれを算出する算出ステップとを含むものとしている。このため、基準ワーク40に照射される部分の座標値を解析して、カメラ座標系と基準座標系とのずれを正確に算出することができる。   Further, in the deviation amount detection step, a pre-irradiation step of irradiating the line light from the shape measuring instrument 10 toward the reference work 40 as a calibration object having a shape that can define a reference coordinate system, and a pre-irradiation step A pre-light receiving step for receiving the reflected light of the line light irradiated on the reference workpiece 40, and a calculating step for calculating a deviation between the camera coordinate system and the reference coordinate system based on the light reception information obtained in the pre-light receiving step. It is supposed to be. For this reason, it is possible to accurately calculate the deviation between the camera coordinate system and the reference coordinate system by analyzing the coordinate value of the portion irradiated on the reference workpiece 40.

また、座標変換ステップにおいて、まず第一座標変換ステップによって、カメラ座標系と基準座標系との角度のずれに基づいて、カメラ座標系の一つの座標軸と測定対象物の回転軸が平行になるように座標値の群を座標変換して角度補正座標値を取得し、次いで、第二座標変換ステップによってカメラ座標系と基準座標系との相対的位置のずれに基づいて、カメラ座標系の一つの座標平面に測定対象物の回転軸が含まれるように角度補正座標値の群を座標変換して補正座標値を取得している。このように第二座標変換ステップによってカメラ座標系の一つの座標平面に測定対象物の回転軸が含まれるように、両座標系の相対的位置のずれに基づいて角度補正座標値を座標変換するので、測定対象物の三次元形状を精度よく計測することができる。   Further, in the coordinate conversion step, first, in the first coordinate conversion step, one coordinate axis of the camera coordinate system and the rotation axis of the measurement object are made parallel based on the angle shift between the camera coordinate system and the reference coordinate system. The coordinate value group is transformed to obtain an angle correction coordinate value, and then, in the second coordinate transformation step, one of the camera coordinate systems is determined based on the relative position shift between the camera coordinate system and the reference coordinate system. A group of angle correction coordinate values is subjected to coordinate conversion so that the coordinate plane includes the rotation axis of the measurement object, and the correction coordinate values are acquired. In this way, the second coordinate conversion step converts the angle correction coordinate value based on the shift of the relative position of both coordinate systems so that the rotation axis of the measurement object is included in one coordinate plane of the camera coordinate system. Therefore, it is possible to accurately measure the three-dimensional shape of the measurement object.

(第二実施形態)
図18は、本発明の第二実施形態に係る形状測定装置の全体構成図である。図に示すように、本実施形態における形状測定器10は、ライン光を鉛直状に出射している。また、ライン光が照射される測定対象物OBは鉛直方向に立設した円筒形状に形成されており、測定台32の上面に載置される。測定台32は、その下面に支柱33が連結されており、この支柱33はその下部に接続したモータなどの駆動手段34によって回転する。よって、支柱33の回転によって測定対象物OBは測定台32上で鉛直方向軸周りに回転する。
(Second embodiment)
FIG. 18 is an overall configuration diagram of a shape measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. As shown in the figure, the shape measuring instrument 10 in the present embodiment emits line light vertically. The measurement object OB irradiated with the line light is formed in a cylindrical shape standing in the vertical direction, and is placed on the upper surface of the measurement table 32. The measurement table 32 has a support 33 connected to the lower surface thereof, and the support 33 is rotated by a driving means 34 such as a motor connected to the lower part thereof. Therefore, the measurement object OB is rotated around the vertical axis on the measurement table 32 by the rotation of the support 33.

つまり、本実施形態は、ライン光の照射平面と測定対象物OBの回転軸が鉛直方向に沿って形成されており、この状態で形状測定を行うものである。このように、本実施形態は第一実施形態における形状測定の方向が変わっただけであるので、キャリブレーション工程においても、図19に示すように基準ワーク40の測定部43を、第一平面部43a〜第六平面部43fが縦(鉛直方向)に並ぶように測定台32上に設置し、これらの平面部に形状測定器10からレーザー光を照射する。本実施形態においては、基準ワーク40の測定部43が測定台32上と合わさる側面は第一平面部43a、第二平面部43b、第五平面部43eおよび第六平面部43fと垂直の関係になっているため、基準ワーク40に定義される基準座標系のx座標軸は測定台32の回転軸と平行になる。したがって、各平面部における反射光から得られる情報に基づいて、第一実施形態と同様に各ずれ量を計算し、形状測定器10の角度および位置を調整する。この場合、第一実施形態のように基準ワーク40の形状測定器10に対する向きは固定されないためθxの調整は測定台32を回転することにより行われる。
そして、θxを0°に調整し、その他のずれ量を許容範囲内になるよう調整した後、第一実施形態と同様にそのずれ量に基づいて座標変換のための行列を計算するが、本実施形態においては基準ワーク40の形状測定から得られるずれ量のみでは軸合わせ行列MAを計算することができない。すなわち、第一実施形態においては、基準ワーク40により定義される基準座標系の座標軸と測定対象物の回転軸の位置関係は定まっており、具体的に言えば基準座標系の座標軸原点から基準座標系のz軸方向と反対方向に軸部41の半径r分だけ移動した点が回転中心であるため、角度補正変換座標系のx−z座標平面が測定対象物OBの回転軸を含むための座標変換に使用する軸合わせ行列MAは式22または式23−2として計算することができる。
That is, in this embodiment, the line light irradiation plane and the rotation axis of the measurement object OB are formed along the vertical direction, and the shape is measured in this state. As described above, the present embodiment only changes the direction of the shape measurement in the first embodiment. Therefore, in the calibration process, the measurement unit 43 of the reference workpiece 40 is replaced with the first plane unit as shown in FIG. 43a to the sixth flat surface portion 43f are installed on the measurement table 32 so as to be arranged vertically (vertical direction), and laser light is irradiated from the shape measuring instrument 10 to these flat surface portions. In the present embodiment, the side surface where the measurement unit 43 of the reference workpiece 40 is combined with the measurement table 32 is perpendicular to the first plane unit 43a, the second plane unit 43b, the fifth plane unit 43e, and the sixth plane unit 43f. Therefore, the x coordinate axis of the reference coordinate system defined by the reference workpiece 40 is parallel to the rotation axis of the measurement table 32. Therefore, based on the information obtained from the reflected light in each plane part, each shift amount is calculated similarly to the first embodiment, and the angle and position of the shape measuring instrument 10 are adjusted. In this case, since the orientation of the reference workpiece 40 relative to the shape measuring instrument 10 is not fixed as in the first embodiment, the adjustment of θx is performed by rotating the measuring table 32.
Then, after adjusting θx to 0 ° and adjusting other shift amounts to be within the allowable range, a matrix for coordinate conversion is calculated based on the shift amounts as in the first embodiment. In the embodiment, the alignment matrix MA cannot be calculated only by the amount of deviation obtained from the shape measurement of the reference workpiece 40. In other words, in the first embodiment, the positional relationship between the coordinate axis of the reference coordinate system defined by the reference workpiece 40 and the rotation axis of the measurement object is determined. Specifically, the reference coordinate is determined from the coordinate axis origin of the reference coordinate system. Since the point moved by the radius r of the shaft portion 41 in the direction opposite to the z-axis direction of the system is the rotation center, the xz coordinate plane of the angle correction conversion coordinate system includes the rotation axis of the measurement object OB. The axis alignment matrix MA used for coordinate transformation can be calculated as Equation 22 or Equation 23-2.

これに対し、本実施形態においては、キャリブレーション工程において基準ワーク40は測定台32に対して位置決めされていないために、測定台32の回転中心と基準ワーク40により定義される基準座標系の座標軸との位置関係は定めることができない。このため基準ワーク40の形状測定から得られるずれ量のうち、カメラ座標系と基準座標系との角度のずれから角度補正行列Mθを計算することはできても、軸合わせ行列MAを計算することはできない。したがって、回転中心を求めるために、基準ワーク40を測定することによる所定のキャリブレーションを実行した後、図20に示すように測定台32に支持部36を介して球体35を載置して、この球体35の形状を測定する。   On the other hand, in the present embodiment, since the reference workpiece 40 is not positioned with respect to the measurement table 32 in the calibration process, the coordinate axis of the reference coordinate system defined by the rotation center of the measurement table 32 and the reference workpiece 40 is used. The positional relationship with cannot be determined. For this reason, among the deviation amounts obtained from the shape measurement of the reference workpiece 40, the angle correction matrix Mθ can be calculated from the deviation in angle between the camera coordinate system and the reference coordinate system, but the axis alignment matrix MA is calculated. I can't. Therefore, after performing a predetermined calibration by measuring the reference workpiece 40 in order to obtain the rotation center, the sphere 35 is placed on the measurement table 32 via the support portion 36 as shown in FIG. The shape of the sphere 35 is measured.

この球体35は半径が既知であり、形状測定器10はこの球体35のほぼ中心を通るようにライン光を球体35に照射する。そして、支柱33を回転駆動させることにより球体35を120°間隔で回転させて、3回形状測定を行う。このとき、ライン光が球体35の中心からずれている場合は、図21に示すように球体35の中心を含む平面とライン光の照射平面がずれる。球体35の中心を含む平面とライン光の照射平面との関係をy−z座標平面上で見ると、図22のようになる。図22において、ライン光の照射平面上における照射点の座標値から、照射点を含む円(図21におけるレーザー光の照射切断線)の方程式が導き出される。よって、導き出された円の方程式より、この円の中心の座標値および半径rを計算することができる。また、球体35の半径rは既知である。さらに、図22からわかるように、実際の球体35の中心の座標値は、円の中心の座標値からy軸方向に距離s(=(r −r 1/2)だけ離れた点に位置する。この場合、距離sがy軸の正方向に離れているのか、負方向に離れているのかわからないので、図22に示すように菱形で示す点と四角形で示す点の2通りの点が球体35の中心座標を示す座標値として考えられる。この2点の座標値を計算により求める。 The sphere 35 has a known radius, and the shape measuring instrument 10 irradiates the sphere 35 with line light so as to pass through the approximate center of the sphere 35. Then, by rotating the support 33, the sphere 35 is rotated at 120 ° intervals, and the shape measurement is performed three times. At this time, when the line light is deviated from the center of the sphere 35, the plane including the center of the sphere 35 and the irradiation plane of the line light are shifted as shown in FIG. FIG. 22 shows a relationship between the plane including the center of the sphere 35 and the irradiation plane of the line light on the yz coordinate plane. In FIG. 22, the equation of a circle including the irradiation point (laser light irradiation cutting line in FIG. 21) is derived from the coordinate value of the irradiation point on the irradiation plane of the line light. Therefore, the coordinate value of the center of the circle and the radius r circle can be calculated from the derived circle equation. Further, the radius r sphere of the sphere 35 is known. Further, as can be seen from FIG. 22, the coordinate value of the center of the actual sphere 35 is separated from the coordinate value of the center of the circle by a distance s (= (r sphere 2 −r circle 2 ) 1/2 ) in the y-axis direction. Located at the point. In this case, since it is not known whether the distance s is separated in the positive direction of the y-axis or in the negative direction, as shown in FIG. It can be considered as a coordinate value indicating the center coordinate of. The coordinate values of these two points are obtained by calculation.

また、球体35は120°間隔で回転し、それぞれの角度毎にライン光が照射されるので、一回転する間に3回ライン光が球体35に照射される。それぞれの照射ごとに上記回転中心と考えられる2点の座標値を計算すると、全部で6点の座標値が計算される。図23は、これら6点を中心とし、半径がrである6つの円をy−z座標平面にて示した図である。図23においては、四角で表された点を中心とする円を点線で、菱形で表された点を中心とする円を一点鎖線で表示している。次に、各照射平面にて計算された2点の座標値のうちのいずれかを選択することにより3点の座標値を選択し、これらの3点を通過する円の方程式を計算する。座標点の選択は、各照射平面につき2通りの選択であるから、都合8通りとなる。これら8通りのすべてについて上記円の方程式を計算し、その円を通る3つの各座標点の間隔が120°または120°に最も近い座標点の組み合わせを、各照射平面における球体35の中心と決定する。図23には、このようにして決定された3点を通る円を実線で表示している。 Further, since the sphere 35 is rotated at intervals of 120 ° and the line light is irradiated at each angle, the line light is irradiated to the sphere 35 three times during one rotation. When the coordinate values of two points considered to be the rotation center are calculated for each irradiation, a total of six coordinate values are calculated. Figure 23 is centered on the six-point diagrams radius showed six circles is r sphere at y-z coordinate plane. In FIG. 23, a circle centered on a point represented by a square is indicated by a dotted line, and a circle centered on a point represented by a diamond is indicated by a one-dot chain line. Next, three coordinate values are selected by selecting one of the two coordinate values calculated on each irradiation plane, and an equation of a circle passing through these three points is calculated. Since there are two kinds of selection of coordinate points for each irradiation plane, there are eight ways for convenience. The equation of the circle is calculated for all of these eight ways, and the combination of the coordinate points that are closest to 120 ° or 120 ° between the three coordinate points passing through the circle is determined as the center of the sphere 35 in each irradiation plane. To do. In FIG. 23, a circle passing through the three points determined in this way is displayed by a solid line.

各照射平面における球体35の中心を通る3点を決定したら、決定された3点を通る円の中心の座標値を求める。この座標値が、測定台32のカメラ座標系のx−z座標平面における回転中心の座標値である。この座標点を通り、基準座標系のx軸方向に平行な直線が測定対象物OBの回転軸になる。この場合、求められた回転中心の座標値はカメラ座標系による座標値である。一方、後述する式26または式27の座標変換行列の行列成分の計算に回転中心の座標値を使用するには、求められた回転中心の座標値に対し上記式20の角度補正行列Mθによる座標変換を行い、角度補正変換座標系による座標値にする。つまり、上記のように求められた測定対象物の回転軸のy座標値をy0、z座標値をz0とすると、この座標値を、角度補正行列Mθにより座標変換し、角度補正変換座標系における測定対象物の回転軸のy座標値y1およびz座標値z1を求めておく。   When three points passing through the center of the sphere 35 in each irradiation plane are determined, the coordinate value of the center of the circle passing through the determined three points is obtained. This coordinate value is the coordinate value of the rotation center in the xz coordinate plane of the camera coordinate system of the measurement table 32. A straight line that passes through this coordinate point and is parallel to the x-axis direction of the reference coordinate system becomes the rotation axis of the measurement object OB. In this case, the obtained coordinate value of the rotation center is a coordinate value by the camera coordinate system. On the other hand, in order to use the coordinate value of the rotation center for the calculation of the matrix component of the coordinate transformation matrix of Equation 26 or Equation 27 described later, the coordinates by the angle correction matrix Mθ of Equation 20 are used for the obtained coordinate value of the rotation center. Conversion is performed to obtain coordinate values in the angle correction conversion coordinate system. That is, if the y-coordinate value of the rotation axis of the measurement object obtained as described above is y0 and the z-coordinate value is z0, the coordinate value is converted by the angle correction matrix Mθ, and the angle correction conversion coordinate system is used. A y-coordinate value y1 and a z-coordinate value z1 of the rotation axis of the measurement object are obtained.

以上のようにして、各ずれ量および測定対象物OBの回転中心の座標値を計算した後に、測定台32上に実際に形状を測定する測定対象物OBを図18に示すように載置し、形状測定工程を行う。そして、形状測定器10により計算された座標値Xa(xa,0,za)を座標変換行列Mにより座標変換して、座標変換後の補正座標値Xb(xb,yb,zb)の群を求める。この場合において、座標変換行列Mは、角度補正行列Mθと軸合わせ行列MAとにより構成される。角度補正行列Mθは上記第一実施形態で説明したものと同じ成分を持つ。また、軸合わせ行列MAにより変換する場合において、角度補正行列Mθにより座標変換された座標値群を角度補正変換座標系のx座標軸を回転させることにより、x−z座標平面が測定対象物の回転中心を含む座標系による座標値群に座標変換するための軸合わせ行列MAは、上記のようにして求めた角度補正変換座標系における測定対象物OBの回転中心の座標のy座標成分をy1、z座標成分をz1とすると、下記式26のようになる。

Figure 2008032449
As described above, after calculating the displacement amount and the coordinate value of the rotation center of the measurement object OB, the measurement object OB whose shape is actually measured is placed on the measurement table 32 as shown in FIG. The shape measuring step is performed. Then, the coordinate value Xa (x a , 0, z a ) calculated by the shape measuring instrument 10 is coordinate-transformed by the coordinate transformation matrix M, and the corrected coordinate value Xb (x b , y b , z b) after the coordinate transformation is obtained. ). In this case, the coordinate transformation matrix M includes an angle correction matrix Mθ and an axis alignment matrix MA. The angle correction matrix Mθ has the same components as those described in the first embodiment. Further, in the case of conversion by the axis alignment matrix MA, the xz coordinate plane is rotated by rotating the x coordinate axis of the angle correction conversion coordinate system for the coordinate value group coordinate-converted by the angle correction matrix Mθ. The axis alignment matrix MA for performing coordinate conversion into a coordinate value group based on a coordinate system including the center is represented by y1 as the y-coordinate component of the coordinates of the rotation center of the measurement object OB in the angle correction conversion coordinate system obtained as described above. If the z-coordinate component is z1, the following equation 26 is obtained.
Figure 2008032449

また、角度補正行列Mθにより座標変換された座標値群を角度補正変換座標系のy座標軸とz座標軸をそれぞれ座標軸方向に平行移動させることにより、x−z座標平面が測定対象物の回転中心を含む座標系による座標値群に座標変換するための軸合わせ行列MAは、下記式27のようになる。

Figure 2008032449
上記式26および式27において、dは、角度補正変換座標系の座標軸原点と角度補正変換座標系のx−z平面における測定対象物OBの回転中心との間の距離であり、下記式28で表される。
Figure 2008032449
In addition, the xz coordinate plane is set to the center of rotation of the measurement object by translating the coordinate value group coordinate-transformed by the angle correction matrix Mθ in the coordinate axis direction of the y-coordinate axis and the z-coordinate axis of the angle correction transformation coordinate system. An axis alignment matrix MA for performing coordinate conversion into a coordinate value group based on the coordinate system to be included is expressed by Equation 27 below.
Figure 2008032449
In the above formulas 26 and 27, d is the distance between the coordinate axis origin of the angle correction conversion coordinate system and the rotation center of the measurement object OB in the xz plane of the angle correction conversion coordinate system. expressed.
Figure 2008032449

以上のように、本実施形態では、測定対象物OBの回転中心の座標値を算出する回転軸算出ステップを有している。このため、測定対象物OBの回転軸の位置が未知であってもこれを検出することができる。よって、Mθによって座標変換された座標値群をx−z座標平面が測定対象物の回転中心を含む座標系による座標値群に座標変換するステップ(第二座標変換ステップ)において、このステップに用いる軸合わせ行列MAを、角度補正変換座標系における測定対象物の回転軸位置(y1,z1)に基づいて、すなわち、基準座標系とカメラ座標系とのずれ量(角度補正行列Mθにて用いるずれ角度)および回転軸位置算出ステップにて算出された回転軸位置(y0,z0)に基づいて、決定することができ、精度の高い三次元形状の測定を行うことができる。この場合において、回転軸算出ステップは、外形形状から所定の定点(中心)を定義可能な定点定義物体(球体35)に向かって形状測定器からライン光を照射し、定点定義物体に照射したライン光の反射光から定点の座標値を計算することを、定点定義物体を測定対象物の回転軸を中心として所定角度回転させながら複数の点で行い、計算された複数の定点の座標値に基づいて測定対象物の回転軸の位置を算出する。このような回転軸算出ステップによって測定対象物の回転軸が算出されるため、回転軸の位置を把握することができる。   As described above, the present embodiment includes the rotation axis calculation step for calculating the coordinate value of the rotation center of the measurement object OB. For this reason, even if the position of the rotation axis of the measurement object OB is unknown, it can be detected. Therefore, the coordinate value group coordinate-transformed by Mθ is used for this step in the step of converting the coordinate value group to the coordinate value group by the coordinate system whose xz coordinate plane includes the rotation center of the measurement object (second coordinate conversion step). Based on the rotation axis position (y1, z1) of the measurement object in the angle correction conversion coordinate system, the axis alignment matrix MA is a deviation amount between the reference coordinate system and the camera coordinate system (the shift used in the angle correction matrix Mθ). Angle) and the rotation axis position (y0, z0) calculated in the rotation axis position calculation step can be determined, and a highly accurate three-dimensional shape can be measured. In this case, the rotation axis calculation step irradiates the fixed point definition object with line light from the shape measuring instrument toward the fixed point definition object (sphere 35) capable of defining a predetermined fixed point (center) from the outer shape. The fixed point coordinate value is calculated from the reflected light of the light at a plurality of points while rotating the fixed point definition object by a predetermined angle around the rotation axis of the measurement object, and based on the calculated coordinate value of the fixed point. The position of the rotation axis of the measurement object is calculated. Since the rotation axis of the measurement object is calculated by such a rotation axis calculation step, the position of the rotation axis can be grasped.

(第三実施形態)
次に、本発明の第三実施形態につき説明する。上記第一実施形態および第二実施形態においては、基準ワーク40の形状測定データからずれ量を計算する際、ずれ角度θxの正負が不明であり、基準座標系のz座標軸の向きに対してどちらに傾いているかが不明であるために、このずれ角度θxが0になるまでキャリブレーション工程にて調整していたが、本実施形態では、基準ワークの形状を工夫することによって、ずれ角度θxの正負を知ることができるようにしたものである。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment and the second embodiment, when calculating the deviation amount from the shape measurement data of the reference workpiece 40, the sign of the deviation angle θx is unknown, and which is relative to the direction of the z coordinate axis of the reference coordinate system. In this embodiment, the deviation angle θx is adjusted by devising the shape of the reference workpiece, so that the deviation angle θx is adjusted until the deviation angle θx becomes zero. It is intended to know the positive and negative.

図24は、本実施形態における基準ワーク40を採用した形状測定システムのキャリブレーション工程における全体概略図である。また、図25は、本実施形態にて使用する基準ワーク40を示す図であり、(a)が正面図、(b)が平面図、(c)が左側面図である。図からわかるように、本実施形態における基準ワーク40は、第一平面部43a〜第六平面部43fに加え、新たに追加第一平面部43a’および追加第二平面部43b’が設けられている。   FIG. 24 is an overall schematic diagram in the calibration process of the shape measuring system employing the reference workpiece 40 in the present embodiment. FIG. 25 is a diagram showing the reference workpiece 40 used in the present embodiment, where (a) is a front view, (b) is a plan view, and (c) is a left side view. As can be seen from the figure, the reference workpiece 40 in the present embodiment is additionally provided with an additional first plane part 43a ′ and an additional second plane part 43b ′ in addition to the first plane part 43a to the sixth plane part 43f. Yes.

図25からわかるように、追加第一平面部43a’および追加第二平面部43b’は、第二平面部43bと第三平面部43cとの間に形成されている。追加第一平面部43a’は第一平面部43aおよび第六平面部43fと平行であるが、第一平面部43aおよび第六平面部43fとは異なった平行平面上に形成されている。追加第二平面部43b’は第二平面部43bおよび第五平面部43eと平行であるが、第二平面部43bおよび第五平面部43eとは異なった平行平面上に形成されている。また、追加第一平面部43a’に対する追加第二平面部43b’の最大高さ(z軸方向長さ)は、第一平面部43a(または第六平面部43f)に対する第二平面部43b(または第五平面部43e)に対する最大高さ(z軸方向長さ)と同じとされている。つまり、図25(c)からわかるように、第一平面部43aに対する第二平面部のなす角度φ1と、追加第一平面部43a’に対する追加第二平面部43b’のなす角度φ2は同じである。ただし、これらの角度は必ずしも同じでなくてもよい。   As can be seen from FIG. 25, the additional first plane portion 43a 'and the additional second plane portion 43b' are formed between the second plane portion 43b and the third plane portion 43c. The additional first plane portion 43a 'is parallel to the first plane portion 43a and the sixth plane portion 43f, but is formed on a different parallel plane from the first plane portion 43a and the sixth plane portion 43f. The additional second plane part 43b 'is parallel to the second plane part 43b and the fifth plane part 43e, but is formed on a different parallel plane from the second plane part 43b and the fifth plane part 43e. Moreover, the maximum height (z-axis direction length) of the additional second plane part 43b ′ with respect to the additional first plane part 43a ′ is the second plane part 43b (with respect to the first plane part 43a (or the sixth plane part 43f)). Alternatively, it is the same as the maximum height (z-axis direction length) with respect to the fifth plane portion 43e). That is, as can be seen from FIG. 25 (c), the angle φ1 formed by the second plane portion with respect to the first plane portion 43a and the angle φ2 formed by the additional second plane portion 43b ′ with respect to the additional first plane portion 43a ′ are the same. is there. However, these angles are not necessarily the same.

このような形状の基準ワーク40を、図24に示すように長板状部材31に載置して、水平方向にライン光を照射し、形状を測定すると、カメラ座標系のx−z座標平面上で図26のような点群データが得られる。これらの点群データのうち、Gn(n=1,2,3,4,5,6,1’,2’)は、それぞれ第n平面部に属する点群データ(n=1’,2’の場合は、それぞれ追加第n平面部に属する点群データ)を示す。この点群データにおいて、まず、追加第一平面部43a’に照射された照射点を示す点群データG1’から、追加第一平面部43a’に照射した光の切断線を示す追加第一直線L1’の方程式、および、追加第二平面部43b’に照射された照射点を示す点群データG2’から、追加第二平面部43b’に照射した光の切断線を示す追加第二直線L2’の方程式を計算する。追加第一直線L1’および追加第二直線L2’の方程式は、下記式29および式30のように表すことができる。

Figure 2008032449
Figure 2008032449
When the reference workpiece 40 having such a shape is placed on the long plate-shaped member 31 as shown in FIG. 24 and irradiated with line light in the horizontal direction and the shape is measured, the xz coordinate plane of the camera coordinate system is measured. The point cloud data as shown in FIG. 26 is obtained above. Among these point group data, Gn (n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1 ′, 2 ′) is point group data (n = 1 ′, 2 ′) belonging to the nth plane portion, respectively. In the case of, point group data belonging to the additional nth plane portion). In this point group data, first, from the point group data G1 ′ indicating the irradiation point irradiated to the additional first plane portion 43a ′, the additional first straight line L1 indicating the cutting line of the light irradiated to the additional first plane portion 43a ′. And the additional second straight line L2 ′ indicating the cutting line of the light irradiated on the additional second plane part 43b ′ from the point equation data G2 ′ indicating the irradiation point irradiated on the additional second plane part 43b ′. Calculate the equation. The equations of the additional first straight line L1 ′ and the additional second straight line L2 ′ can be expressed as the following Expression 29 and Expression 30.
Figure 2008032449
Figure 2008032449

また、第一直線L1、第二直線L2の方程式も求めておく。第一直線、第二直線の方程式は、上記式1、式2のように表すことができる。次に、第一直線L1と第二直線L2との距離p1および、追加第一直線L1’と追加第二直線L2’との距離p2を求める。この場合、第一直線L1、第二直線L2、追加第一直線L1’および追加第二直線L2’が全て平行であると仮定し、第一直線L1に垂直であって所定の座標値を通る一つの直線(以下、この直線を垂直直線という)を求め、垂直直線と第一直線L1とが交わる点A1、垂直直線と第二直線L2とが交わる点A2、垂直直線と追加第一直線L1’とが交わる点A1’、垂直直線と追加第二直線L2’とが交わる点A2’をそれぞれ求める。そして、点A1と点A2との間の距離をp1とし、点A1’と点A2’との間の距離をp2とする。   Also, equations for the first straight line L1 and the second straight line L2 are obtained. The equations of the first straight line and the second straight line can be expressed as in the above formulas 1 and 2. Next, a distance p1 between the first straight line L1 and the second straight line L2 and a distance p2 between the additional first straight line L1 'and the additional second straight line L2' are obtained. In this case, assuming that the first straight line L1, the second straight line L2, the additional first straight line L1 ′, and the additional second straight line L2 ′ are all parallel, one straight line that is perpendicular to the first straight line L1 and passes through a predetermined coordinate value. (Hereinafter, this straight line is referred to as a vertical straight line), a point A1 where the vertical straight line and the first straight line L1 intersect, a point A2 where the vertical straight line and the second straight line L2 intersect, and a point where the vertical straight line and the additional first straight line L1 ′ intersect A1 ′, a point A2 ′ where the vertical straight line intersects with the additional second straight line L2 ′ are obtained. The distance between the points A1 and A2 is p1, and the distance between the points A1 'and A2' is p2.

図27は、基準座標系のy−z座標平面における、形状測定器10から基準ワーク40へのレーザー光の入射方向を示す線分LS1と基準ワーク40との関係を示す図である。図において、線分LS1と第一平面部43aとの交点Tと、線分LS1と第二平面部43bとの交点Uと間の距離が距離p1となり、線分LS1と追加第一平面部43a’との交点Vと、線分LS1と追加第二平面部43b’との交点Wとの間の距離が距離p2となる。図に示すように、ずれ角度θxが水平線(z軸)に対して図示上側にずれている角度である場合は、p1がp2よりも大きくなることがわかる。一方、ずれ角度θxが水平線(z軸)に対して図示下側にずれている角度である場合は、p1がp2よりも小さくなることがわかる。なお、ずれ角度θxが0である場合は、p1とp2は等しくなる。このようにして、p1とp2との大小関係により、ずれ角度θxが水平線(z軸)に対して上下のどちらにずれている角度であるかを判別することができる。ずれ角度θxが水平線より上側にずれている場合を正、下側にずれている場合を負とすれば、本実施形態において、ずれ角度θxが一義的に決定できることになる。   FIG. 27 is a diagram illustrating the relationship between the line segment LS1 indicating the incident direction of the laser beam from the shape measuring instrument 10 to the reference workpiece 40 and the reference workpiece 40 in the yz coordinate plane of the reference coordinate system. In the figure, the distance between the intersection T between the line segment LS1 and the first plane part 43a and the intersection U between the line segment LS1 and the second plane part 43b is the distance p1, and the line segment LS1 and the additional first plane part 43a. The distance between the intersection point V with 'and the intersection point W between the line segment LS1 and the additional second plane portion 43b' is the distance p2. As shown in the figure, it can be seen that p1 is larger than p2 when the deviation angle θx is an angle that is shifted to the upper side in the drawing with respect to the horizontal line (z axis). On the other hand, it is understood that p1 is smaller than p2 when the deviation angle θx is an angle deviating downward in the figure with respect to the horizontal line (z axis). When the deviation angle θx is 0, p1 and p2 are equal. In this manner, it is possible to determine whether the shift angle θx is shifted up or down with respect to the horizontal line (z axis) based on the magnitude relationship between p1 and p2. If the shift angle θx is shifted upward from the horizontal line and is negative, the shift angle θx can be uniquely determined in the present embodiment.

ずれ角度θxが一義的に決定できる場合は、上記第一実施形態のようにずれ角度θxが0になるまでキャリブレーション工程にてずれ角度θxを調整する必要はない。この場合、θxが所定の微小角度(例えば±1°)の範囲内となった段階でキャリブレーション工程におけるずれ角度θxの調整を終了することができる。そして、形状測定工程において、ずれ角度θxの補正をすればよい。この場合、ずれ角度を補正するための角度補正行列Mθは、下記式31のように表される。なお、角度θy、θzと同様、角度補正行列に使用されるθxはずれ角度θxを補正して0°にするための角度であるので、基準ワークを形状測定器10で測定することにより得られたずれ角度θxとは符号が逆になっている。

Figure 2008032449
When the deviation angle θx can be uniquely determined, it is not necessary to adjust the deviation angle θx in the calibration process until the deviation angle θx becomes zero as in the first embodiment. In this case, the adjustment of the shift angle θx in the calibration process can be finished when θx is within a predetermined minute angle (for example, ± 1 °). In the shape measurement step, the shift angle θx may be corrected. In this case, the angle correction matrix Mθ for correcting the shift angle is expressed as the following Expression 31. Note that, similarly to the angles θy and θz, θx used in the angle correction matrix is an angle for correcting the deviation angle θx to 0 °, and thus was obtained by measuring the reference workpiece with the shape measuring instrument 10. The sign is opposite to that of the shift angle θx.
Figure 2008032449

また、レーザー光の照射平面に測定対象物の回転中心を含ませるための軸合わせ行列MAの行列式は上記第一実施形態で示したものと同じであるが、行列式内の成分中のΔyは、ずれ角度θxが0となるように完全に調整されていないために補正が必要となる。本実施形態におけるずれ位置Δyは、下記式32のように表される。

Figure 2008032449
この式においてθxの符号は角度補正行列に使用される角度θxと同じである。また、記号p、nおよびtは式15のp、nおよびtと同じであり、rは式21および式22と同様、軸部41の半径である。このようにして、測定対象物の三次元形状を求めることができる。 The determinant of the axis alignment matrix MA for including the center of rotation of the measurement object in the laser light irradiation plane is the same as that shown in the first embodiment, but Δy in the components in the determinant Is not completely adjusted so that the deviation angle θx becomes 0, and correction is necessary. The shift position Δy in the present embodiment is expressed as the following Expression 32.
Figure 2008032449
In this equation, the sign of θx is the same as the angle θx used for the angle correction matrix. Symbols p, n, and t are the same as p, n, and t in Equation 15, and r is the radius of the shaft portion 41 as in Equations 21 and 22. In this way, the three-dimensional shape of the measurement object can be obtained.

以上のように、キャリブレーション工程において上記第一乃至第三実施形態にて用いる基準ワーク40(校正用物体)は、法線方向(法線ベクトルn1の方向)が一つの座標軸であるz軸の方向を定義する第一平面部43aと、第一平面部43aが形成される平面との交線と平行な方向ベクトルn2がz軸と直交する座標軸であるx軸の方向を定義する第二平面部43bと、z軸に直交する平面であって第一平面部43aが形成される平面とは異なる平面上に交線43gを形成する第三平面部43cおよび第四平面部43dとを有する。また、方向ベクトルn2の方向は、測定対象物OBの回転軸と平行とされている。このため、キャリブレーション工程にてこの基準ワークにレーザー光を照射して、各平面部における反射光から得られる点群データから直線の方程式を求め、求めた方程式から基準ワークにより定義される基準座標系と形状測定器10が定義するカメラ座標系とのずれ量を検出することができる。   As described above, the reference workpiece 40 (calibration object) used in the first to third embodiments in the calibration process has a z-axis whose normal direction (direction of the normal vector n1) is one coordinate axis. A second plane that defines the direction of the x axis, which is a coordinate axis in which a direction vector n2 parallel to the intersection line between the first plane portion 43a that defines the direction and the plane on which the first plane portion 43a is formed, is orthogonal to the z axis. A portion 43b, and a third plane portion 43c and a fourth plane portion 43d that form an intersection line 43g on a plane that is orthogonal to the z-axis and that is different from the plane on which the first plane portion 43a is formed. The direction of the direction vector n2 is parallel to the rotational axis of the measurement object OB. For this reason, the reference workpiece is irradiated with laser light in the calibration process, a linear equation is obtained from the point cloud data obtained from the reflected light at each plane, and the reference coordinates defined by the reference workpiece from the obtained equation. The amount of deviation between the system and the camera coordinate system defined by the shape measuring instrument 10 can be detected.

さらに、上記第三実施形態にて用いる基準ワーク40は、第一平面部43aに平行であって第一平面部43aから基準座標系のz軸方向に所定距離離間した位置に形成される追加第一平面部43a’と、第二平面部43bに平行であって第二平面部43bから基準座標系のz軸方向に所定距離離間した位置に形成される追加第二平面部43b’とを有する。そして、ずれ量検出ステップにおいて、事前受光ステップにて得られる受光情報に基づいて、第一平面部43a、第二平面部43b、追加第一平面部43a’、追加第二平面部43b’をライン光が照射したときの切断線を含む直線の方程式L1、L2,L1’,L2’を求め、次いで、直線L1と直線L2との距離p1および、直線L1’と直線L2’との距離p2を求める。上記距離p1と距離p2との比は、ライン光の入射方向がz軸に対してどちら(図27において上方向か下方向か)に傾いているか、つまりずれ角度θxが正であるか負であるかによって異なる。よって、距離p1と距離p2との比に基づいて、ずれ角度θxを一義的に決定することができる。   Further, the reference workpiece 40 used in the third embodiment is formed at a position parallel to the first plane portion 43a and spaced from the first plane portion 43a by a predetermined distance in the z-axis direction of the reference coordinate system. One plane portion 43a ′ and an additional second plane portion 43b ′ formed at a position parallel to the second plane portion 43b and spaced from the second plane portion 43b by a predetermined distance in the z-axis direction of the reference coordinate system. . In the shift amount detection step, the first plane portion 43a, the second plane portion 43b, the additional first plane portion 43a ′, and the additional second plane portion 43b ′ are lined based on the light reception information obtained in the prior light reception step. Equations L1, L2, L1 ′, L2 ′ of straight lines including cutting lines when light is irradiated are obtained, and then a distance p1 between the straight lines L1 and L2 and a distance p2 between the straight lines L1 ′ and L2 ′ are obtained. Ask. The ratio between the distance p1 and the distance p2 is that the incident direction of the line light is inclined with respect to the z-axis (upward or downward in FIG. 27), that is, the deviation angle θx is positive or negative. It depends on whether there is. Therefore, the shift angle θx can be uniquely determined based on the ratio between the distance p1 and the distance p2.

本発明の第一実施形態において、キャリブレーション工程を行うときの形状測定システムの全体概略図である。In 1st embodiment of this invention, it is the whole schematic diagram of the shape measurement system when performing a calibration process. 本発明の第一実施形態に係る基準ワークを示す図であり、(a)が正面図、(b)が平面図、(c)が側面図である。It is a figure which shows the reference | standard workpiece | work which concerns on 1st embodiment of this invention, (a) is a front view, (b) is a top view, (c) is a side view. キャリブレーション工程にてずれ角度θxを求めるときの、形状測定器により測定されたカメラ座標系における基準ワークの三次元データを視覚的に示す図である。It is a figure which shows visually the three-dimensional data of the standard work in a camera coordinate system measured by a shape measuring device when obtaining deviation angle thetax in a calibration process. ずれ角度θxを求めるための、レーザー光の入射方向と基準ワークとの幾何学的関係を示す図である。It is a figure which shows the geometric relationship between the incident direction of a laser beam and the reference | standard workpiece | work for calculating | requiring deviation | shift angle (theta) x. キャリブレーション工程にてずれ角度θzを求めるときの、形状測定器により測定されたカメラ座標系における基準ワークの三次元データを視覚的に示す図である。It is a figure which shows visually the three-dimensional data of the standard work in a camera coordinate system measured by a shape measuring device when obtaining deviation angle thetaz at a calibration process. ずれ角度θzを求めるための、レーザー光の照射方向と基準ワークとの幾何学的関係を示す図である。It is a figure which shows the geometrical relationship of the irradiation direction of a laser beam, and a reference | standard workpiece | work for calculating | requiring deviation | shift angle | corner (theta) z. ずれ角度θzを求めるための、レーザー光の照射点と基準ワークとの幾何学的関係を示す拡大図である。FIG. 6 is an enlarged view showing a geometric relationship between a laser beam irradiation point and a reference workpiece for obtaining a deviation angle θz. キャリブレーション工程にてずれ位置Δyを求めるときの、形状測定器により測定されたカメラ座標系における基準ワークの三次元データを視覚的に示す図である。It is a figure which shows visually the three-dimensional data of the standard work in the camera coordinate system measured by the shape measuring instrument when obtaining deviation position Δy in a calibration process. ずれ位置Δyを求めるための、レーザー光の照射点と基準ワークとの幾何学的関係を示す図である。It is a figure which shows the geometrical relationship of the irradiation point of a laser beam, and a reference | standard workpiece | work for calculating | requiring deviation | shift position (DELTA) y. キャリブレーション工程にてずれ角度θyを求めるときの、形状測定器により測定されたカメラ座標系における基準ワークの三次元データを視覚的に示す図である。It is a figure which shows visually the three-dimensional data of the standard work in the camera coordinate system measured by the shape measuring instrument when obtaining deviation angle thetay in a calibration process. ずれ角度θyを求めるための、レーザー光の入射方向と基準ワークとの幾何学的関係を示す図である。It is a figure which shows the geometric relationship between the incident direction of a laser beam and the reference | standard workpiece | work for calculating | requiring deviation | shift angle | corner (theta) y. キャリブレーション工程にてずれ位置ΔxおよびΔzを求めるときの、形状測定器により測定されたカメラ座標系における基準ワークの三次元データを視覚的に示す図である。It is a figure which shows visually the three-dimensional data of the standard work in the camera coordinate system measured by the shape measuring device when obtaining displacement positions Δx and Δz in the calibration process. ずれ位置Δxおよびずれ位置Δzを求めるための、レーザー光の入射方向と基準ワークとの幾何学的関係を示す図である。It is a figure which shows the geometrical relationship of the incident direction of a laser beam and the reference | standard workpiece | work for calculating | requiring deviation | shift position (DELTA) x and deviation | shift position (DELTA) z. 本発明の第一実施形態において、形状測定工程を行うときの形状測定システムの全体概略図である。In 1st embodiment of this invention, it is the whole schematic diagram of the shape measurement system when performing a shape measurement process. 基準座標系、角度補正変換座標系、軸合わせ変換座標系および測定対象物の回転中心の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a reference | standard coordinate system, an angle correction conversion coordinate system, an axis alignment conversion coordinate system, and the rotation center of a measurement object. 基準座標系、角度補正変換座標系、軸合わせ変換座標系および測定対象物の回転中心の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a reference | standard coordinate system, an angle correction conversion coordinate system, an axis alignment conversion coordinate system, and the rotation center of a measurement object. 所定回転角度毎の座標系による三次元データを合成する際の、それぞれの座標系の関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship of each coordinate system at the time of synthesize | combining the three-dimensional data by the coordinate system for every predetermined rotation angle. 本発明の第二実施形態において、形状測定工程を行うときの形状測定システムの全体概略図である。In 2nd embodiment of this invention, it is the whole schematic diagram of the shape measurement system when performing a shape measurement process. 本発明の第二実施形態において、キャリブレーション工程を行うときの形状測定システムの全体概略図である。In 2nd embodiment of this invention, it is the whole schematic diagram of the shape measurement system when performing a calibration process. 本発明の第二実施形態において、測定対象物の回転中心を求めるときの状態を示す図である。In 2nd embodiment of this invention, it is a figure which shows a state when calculating | requiring the rotation center of a measuring object. 測定対象物の回転中心を求める場合において、球体の中心を含む平面とレーザー光の照射平面とのずれを示す模式図である。When calculating | requiring the rotation center of a measuring object, it is a schematic diagram which shows the shift | offset | difference with the plane containing the center of a spherical body, and the irradiation plane of a laser beam. レーザー光の照射平面から2つの球体の中心を求めるときの、当該2つの球体と照射平面との幾何学的関係を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the geometric relationship between the said 2 sphere and the irradiation plane when calculating | requiring the center of two spheres from the irradiation plane of a laser beam. 測定対象物の回転中心を求める場合において、球体を1回転あたり3回照射して、それぞれの照射面から求められる6つの点を中心とする6つの円、およびこれらの円から求められる測定対象物の回転中心を表す模式図である。When determining the rotation center of the measurement object, the sphere is irradiated three times per rotation, and six circles centered on the six points obtained from the respective irradiation surfaces, and the measurement object obtained from these circles. It is a schematic diagram showing the rotation center. 本発明の第三実施形態において、キャリブレーション工程を行うときの形状測定システムの全体概略図である。In 3rd embodiment of this invention, it is the whole schematic diagram of the shape measurement system when performing a calibration process. 本発明の第三実施形態に係る基準ワークを示す図であり、(a)が正面図、(b)が平面図、(c)が側面図である。It is a figure which shows the reference | standard workpiece | work which concerns on 3rd embodiment of this invention, (a) is a front view, (b) is a top view, (c) is a side view. 第三実施形態において、キャリブレーション工程にてずれ角度θxを求めるときの、形状測定器により測定されたカメラ座標系における基準ワークの三次元データを視覚的に示す図である。In 3rd embodiment, it is a figure which shows visually the three-dimensional data of the reference | standard workpiece | work in the camera coordinate system measured by the shape measuring device when calculating | requiring deviation | shift angle (theta) x in a calibration process. 第三実施形態において、ずれ角度θxを求めるための、レーザー光の入射方向と基準ワークとの幾何学的関係を示す図である。In 3rd embodiment, it is a figure which shows the geometric relationship between the incident direction of a laser beam and the reference | standard workpiece | work for calculating | requiring deviation | shift angle (theta) x.

符号の説明Explanation of symbols

10…形状測定器、12…コントローラ、13…データ処理装置、14…入力装置、15…表示装置、35…球体、40…基準ワーク、43…測定部、43a…第一平面部、43a’…追加第一平面部、43b…第二平面部、43b’…追加第二平面部、43c…第三平面部、43d…第四平面部、43e…第五平面部、43f…第六平面部、43g…交線、51…第一固定治具、52…第二固定治具、M…座標変換行列、MA…軸合わせ行列、Mθ…角度補正行列、OB…測定対象物、S…合成変換行列
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Shape measuring device, 12 ... Controller, 13 ... Data processing device, 14 ... Input device, 15 ... Display device, 35 ... Sphere, 40 ... Reference | standard workpiece, 43 ... Measuring part, 43a ... First plane part, 43a '... Additional first plane part, 43b ... second plane part, 43b '... additional second plane part, 43c ... third plane part, 43d ... fourth plane part, 43e ... fifth plane part, 43f ... sixth plane part, 43g ... intersecting line, 51 ... first fixing jig, 52 ... second fixing jig, M ... coordinate transformation matrix, MA ... axis alignment matrix, Mθ ... angle correction matrix, OB ... measurement object, S ... composite transformation matrix

Claims (15)

測定対象物を回転させるとともに、ライン光を出射可能な形状測定器から同測定対象物に向かって測定対象物の回転軸に略平行にライン光を照射し、照射した光の反射光を受光することにより測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定方法であって、
形状測定器が定義する座標系であって座標平面がライン光の照射平面と平行となるカメラ座標系と、一つの座標軸が測定対象物の前記回転軸と平行である基準座標系とのずれ量を検出するずれ量検出ステップと、
測定対象物を前記回転軸回りに回転させつつ、ライン光を前記形状測定器から測定対象物に向かって照射する照射ステップと、
測定対象物に照射したライン光の反射光を受光する受光ステップと、
測定対象物の所定の回転角度毎に前記受光ステップにて得られる受光情報に基づいて、ライン光が照射された測定対象物の表面上の位置を示す座標値を、前記カメラ座標系における座標値の群として前記所定の回転角度毎に取得する座標値取得ステップと、
前記座標値取得ステップにて前記所定の回転角度毎に取得した前記座標値の群を前記ずれ量に基づいて座標変換することにより得られる補正座標値の群を前記所定の回転角度毎に取得する座標変換ステップと、
前記座標変換ステップにて得られた前記所定の回転角度毎の前記補正座標値の群を前記所定の回転角度に基づいて合成し、測定対象物の立体的形状を示す合成座標値の群を取得する合成ステップと、
を含むことを特徴とする、三次元形状測定方法。
While rotating the measurement object, irradiate the line light from the shape measuring instrument capable of emitting line light toward the measurement object substantially parallel to the rotation axis of the measurement object, and receive the reflected light of the irradiated light A three-dimensional shape measuring method for measuring a three-dimensional shape of a measurement object,
Deviation between the coordinate system defined by the shape measuring instrument and whose coordinate plane is parallel to the line light irradiation plane, and the reference coordinate system in which one coordinate axis is parallel to the rotation axis of the object to be measured A deviation amount detecting step for detecting
An irradiation step of irradiating line light from the shape measuring instrument toward the measurement object while rotating the measurement object around the rotation axis;
A light receiving step for receiving reflected light of the line light irradiated on the measurement object;
Based on the light receiving information obtained in the light receiving step for each predetermined rotation angle of the measuring object, a coordinate value indicating a position on the surface of the measuring object irradiated with the line light is represented by a coordinate value in the camera coordinate system. A coordinate value obtaining step for obtaining the predetermined rotation angle as a group of:
A group of correction coordinate values obtained by performing coordinate transformation on the group of coordinate values acquired at each predetermined rotation angle in the coordinate value acquisition step based on the deviation amount is acquired at each predetermined rotation angle. A coordinate transformation step;
The corrected coordinate value group for each predetermined rotation angle obtained in the coordinate conversion step is combined based on the predetermined rotation angle to obtain a combined coordinate value group indicating the three-dimensional shape of the measurement object. A synthesis step to
A three-dimensional shape measuring method, comprising:
請求項1に記載の三次元形状測定方法において、
前記ずれ量検出ステップは、
基準座標系を定義し得る形状を有する校正用物体に向けて前記形状測定器からライン光を照射する事前照射ステップと、
前記事前照射ステップにて前記校正用物体に照射したライン光の反射光を受光する事前受光ステップと、
前記事前受光ステップにて得られる受光情報に基づいて、前記カメラ座標系と前記基準座標系とのずれを算出する算出ステップと
を含むことを特徴とする、三次元形状測定方法。
The three-dimensional shape measuring method according to claim 1,
The deviation amount detecting step includes:
A pre-irradiation step of irradiating line light from the shape measuring instrument toward a calibration object having a shape capable of defining a reference coordinate system;
A pre-light-receiving step of receiving reflected light of the line light irradiated on the calibration object in the pre-irradiation step;
A three-dimensional shape measurement method comprising: a calculation step of calculating a deviation between the camera coordinate system and the reference coordinate system based on light reception information obtained in the prior light reception step.
請求項1または2に記載の三次元形状測定方法において、
外形形状から所定の定点を定義可能な定点定義物体に向かって形状測定器からライン光を照射し、前記定点定義物体に照射したライン光の反射光から前記定点の座標値を計算することを、前記定点定義物体を前記測定対象物の回転軸を中心として所定角度回転させながら複数の回転角度で行い、計算された複数の前記定点の座標値に基づいて測定対象物の回転軸の位置を算出する回転軸算出ステップをさらに備え、
前記座標変換ステップにおいて前記ずれ量および前記回転軸算出ステップにて算出された回転軸の位置に基づいて座標変換することを特徴とする、三次元形状測定方法。
In the three-dimensional shape measuring method according to claim 1 or 2,
Irradiating line light from a shape measuring instrument toward a fixed point definition object capable of defining a predetermined fixed point from the outer shape, and calculating a coordinate value of the fixed point from reflected light of the line light irradiated to the fixed point definition object, The fixed-point defining object is rotated at a plurality of rotation angles while rotating by a predetermined angle around the rotation axis of the measurement object, and the position of the rotation axis of the measurement object is calculated based on the calculated coordinate values of the plurality of fixed points. A rotation axis calculating step for
In the coordinate conversion step, coordinate conversion is performed on the basis of the shift amount and the position of the rotation axis calculated in the rotation axis calculation step.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の三次元形状測定方法において、
前記座標変換ステップは、
前記ずれ量のうち前記カメラ座標系と前記基準座標系との角度のずれに基づいて、前記カメラ座標系の一つの座標軸と測定対象物の回転軸が平行になるように前記座標値の群を座標変換して角度補正座標値を取得する第一座標変換ステップと、
前記ずれ量のうち前記カメラ座標系と前記基準座標系との相対的位置のずれ、または、前記ずれ量と前記回転軸算出ステップにおいて算出した測定対象物の回転軸の位置とに基づいて、前記カメラ座標系の一つの座標平面に測定対象物の回転軸が含まれるように前記角度補正座標値の群を座標変換して前記補正座標値を取得する第二座標変換ステップと、
を含むことを特徴とする、三次元形状測定方法。
In the three-dimensional shape measuring method according to any one of claims 1 to 3,
The coordinate transformation step includes
Based on the angle deviation between the camera coordinate system and the reference coordinate system among the deviation amounts, the coordinate value group is set so that one coordinate axis of the camera coordinate system and the rotation axis of the measurement object are parallel to each other. A first coordinate conversion step of obtaining an angle correction coordinate value by performing coordinate conversion;
Of the deviation amount, the relative position deviation between the camera coordinate system and the reference coordinate system, or based on the deviation amount and the position of the rotation axis of the measurement object calculated in the rotation axis calculation step, A second coordinate conversion step of obtaining the correction coordinate value by performing coordinate conversion of the group of angle correction coordinate values so that the rotation axis of the measurement object is included in one coordinate plane of the camera coordinate system;
A three-dimensional shape measuring method, comprising:
請求項4に記載の三次元形状測定方法において、
前記第二座標変換ステップは、前記カメラ座標系と前記基準座標系との相対的位置のずれ、または、前記ずれ量と前記回転軸算出ステップにおいて算出した測定対象物の回転軸の位置とに基づいて、前記カメラ座標系を回転させることにより、前記カメラ座標系の一つの座標平面に測定対象物の回転軸が含まれるように前記角度補正座標値の群を座標変換して前記補正座標値を取得することを特徴とする、三次元形状測定方法。
In the three-dimensional shape measuring method according to claim 4,
The second coordinate conversion step is based on a relative position shift between the camera coordinate system and the reference coordinate system, or the shift amount and the position of the rotation axis of the measurement object calculated in the rotation axis calculation step. Then, by rotating the camera coordinate system, the group of angle correction coordinate values is transformed so that the rotation axis of the measurement object is included in one coordinate plane of the camera coordinate system, and the correction coordinate values are A three-dimensional shape measuring method, characterized by comprising:
請求項4に記載の三次元形状測定方法において、
前記第二座標変換ステップは、前記カメラ座標系と前記基準座標系との相対的位置のずれ、または、前記ずれ量と前記回転軸算出ステップにおいて算出した測定対象物の回転軸の位置と、に基づいて前記カメラ座標系を移動させることにより、前記カメラ座標系の一つの座標平面に測定対象物の回転軸が含まれるように前記角度補正座標値の群を座標変換して前記補正座標値を取得することを特徴とする、三次元形状測定方法。
In the three-dimensional shape measuring method according to claim 4,
In the second coordinate conversion step, the relative position shift between the camera coordinate system and the reference coordinate system, or the shift amount and the position of the rotation axis of the measurement object calculated in the rotation axis calculation step, By moving the camera coordinate system based on the coordinate conversion of the group of angle correction coordinate values so that the rotation axis of the measurement object is included in one coordinate plane of the camera coordinate system. A three-dimensional shape measuring method, characterized by comprising:
請求項3に記載の三次元形状測定方法において、
前記回転軸算出ステップは、前記計算された複数の前記定点の座標値を通る円の方程式を算出し、算出された円を含む平面に直行し且つ算出された円の中心を通る直線を測定対象物の回転軸とすることを特徴とする、三次元形状測定方法。
In the three-dimensional shape measuring method according to claim 3,
The rotation axis calculation step calculates an equation of a circle that passes through the calculated coordinate values of the plurality of fixed points, and measures a straight line that goes straight to the plane including the calculated circle and passes through the center of the calculated circle A method for measuring a three-dimensional shape, characterized by using a rotation axis of an object.
請求項3または7に記載の三次元形状測定方法において、
前記定点定義物体は球体であり、前記定点は前記球体の中心であることを特徴とする、三次元形状測定方法。
In the three-dimensional shape measuring method according to claim 3 or 7,
The three-dimensional shape measuring method, wherein the fixed point defining object is a sphere, and the fixed point is a center of the sphere.
請求項2乃至8のいずれか1項に記載の三次元形状測定方法において、
前記校正用物体は、法線方向が一つの座標軸であるz軸の方向を定義する第一平面部と、前記第一平面部が形成される平面との交線が前記z軸と直交する座標軸であるx軸の方向を定義する第二平面部と、前記z軸に直交する平面であって前記第一平面部が形成される平面とは異なる平面上に交線を形成する第三平面部および第四平面部とを有するとともに、前記x軸が測定対象物の回転軸と平行であり、
前記ずれ量検出ステップは、前記事前受光ステップにて得られる受光情報に基づいて、前記第一平面部、前記第二平面部、前記第三平面部および前記第四平面部をライン光が照射したときの切断線を含む直線の方程式を、求めようとするずれ量に応じて選択的に計算し、計算した直線の方程式からずれ量を検出することを特徴とする、三次元形状測定方法。
The three-dimensional shape measuring method according to any one of claims 2 to 8,
The calibration object has a coordinate axis in which an intersection line between a first plane portion defining a z-axis direction whose normal direction is one coordinate axis and a plane on which the first plane portion is formed is orthogonal to the z-axis. A second plane part that defines the x-axis direction and a third plane part that forms a line of intersection on a plane that is orthogonal to the z-axis and that is different from the plane on which the first plane part is formed And the fourth plane portion, and the x-axis is parallel to the rotation axis of the measurement object,
In the shift amount detection step, line light irradiates the first flat surface portion, the second flat surface portion, the third flat surface portion, and the fourth flat surface portion based on the light reception information obtained in the preliminary light receiving step. A method for measuring a three-dimensional shape, wherein a straight line equation including a cutting line is selectively calculated according to a shift amount to be obtained, and the shift amount is detected from the calculated straight line equation.
請求項9に記載の三次元形状測定方法において、
前記校正用物体は、前記第一平面部に平行であって前記第一平面部から所定距離離間した位置に形成される追加第一平面部と、前記第二平面部に平行であって前記第二平面部から前記所定距離離間した位置に形成される追加第二平面部とを有し、
前記ずれ量検出ステップは、前記事前受光ステップにて得られる受光情報に基づいて、前記第一平面部、前記第二平面部、前記追加第一平面部、前記追加第二平面部をライン光が照射したときの切断線を含む直線の方程式を前記カメラ座標系上で求め、次いで、前記第一平面部に照射されたライン光の切断線を含む直線と前記第二平面部に照射されたライン光の切断線を含む直線との距離p1および、前記追加第一平面部に照射されたライン光の切断線を含む直線と前記追加第二平面部に照射されたライン光の切断線を含む直線との距離p2を求め、前記距離p1と距離p2との比に基づいて、前記ずれ量を一義的に決定することを特徴とする、三次元形状測定方法。
The three-dimensional shape measuring method according to claim 9,
The calibration object includes an additional first plane part formed at a position parallel to the first plane part and spaced from the first plane part by a predetermined distance, and parallel to the second plane part and the first plane part. An additional second plane portion formed at a position spaced apart from the two plane portions by the predetermined distance,
In the shift amount detection step, line light is applied to the first plane portion, the second plane portion, the additional first plane portion, and the additional second plane portion based on the light reception information obtained in the preliminary light reception step. The equation of the straight line including the cutting line when irradiating is obtained on the camera coordinate system, and then the straight line including the cutting line of the line light irradiated to the first plane part and the second plane part are irradiated. A distance p1 from a straight line including a cutting line of line light, a straight line including a cutting line of line light irradiated to the additional first plane part, and a cutting line of line light irradiated to the additional second plane part are included. A method for measuring a three-dimensional shape, wherein a distance p2 to a straight line is obtained, and the amount of deviation is uniquely determined based on a ratio between the distance p1 and the distance p2.
測定対象物を回転軸を中心として回転させるための回転駆動手段と、
前記回転駆動手段により回転する測定対象物の回転角度を検出する回転角度検出手段と、
測定対象物の回転軸に略平行にライン光を出射するとともに、測定対象物の表面上に照射されたライン光の反射光を受光し、受光情報を出力する形状測定器と、
前記回転角度検出手段が検出する回転角度および前記形状測定器から出力された受光情報が入力されるデータ処理装置と、を備え、
前記データ処理装置は、
前記回転角度検出手段から入力される回転角度のうちの所定の回転角度毎に、前記形状測定器から入力される受光情報に基づいて、ライン光が照射された測定対象物の表面上の位置を示す座標値を、前記形状測定器が定義する座標系であってライン光の照射平面が一つの座標平面と平行であるカメラ座標系における座標値の群として前記所定の回転角度毎に取得する座標値取得手段と、
前記座標値取得手段により前記所定の回転角度毎に取得した前記座標値の群を、予め記憶している校正用物体により定義される基準座標系と前記カメラ座標系とのずれ量に基づいて座標変換し、前記ずれ量が補正された補正座標値の群を前記所定の回転角度毎に取得する座標変換手段と、
前記座標変換手段にて得られた前記所定の回転角度毎の前記補正座標値の群を、前記所定の回転角度に基づいて合成し、測定対象物の立体的形状を示す合成座標値の群を取得する合成手段と、
を備えることを特徴とする、三次元形状測定装置。
Rotation drive means for rotating the measurement object around the rotation axis;
Rotation angle detection means for detecting the rotation angle of the measurement object rotated by the rotation drive means;
A shape measuring instrument that emits line light substantially parallel to the rotation axis of the measurement object, receives reflected light of the line light irradiated on the surface of the measurement object, and outputs light reception information;
A rotation angle detected by the rotation angle detection means, and a data processing device to which the light reception information output from the shape measuring instrument is input,
The data processing device includes:
The position on the surface of the measurement object irradiated with the line light is determined on the basis of the received light information input from the shape measuring device for each predetermined rotation angle among the rotation angles input from the rotation angle detection means. Coordinates to be acquired at each predetermined rotation angle as a group of coordinate values in a coordinate system defined by the shape measuring instrument and having a line light irradiation plane parallel to one coordinate plane. A value acquisition means;
The coordinate value group acquired for each predetermined rotation angle by the coordinate value acquisition means is coordinated based on a deviation amount between a reference coordinate system defined by a calibration object stored in advance and the camera coordinate system. A coordinate conversion means for converting and acquiring a group of corrected coordinate values in which the deviation amount is corrected for each predetermined rotation angle;
A group of the corrected coordinate values for each of the predetermined rotation angles obtained by the coordinate conversion means is synthesized based on the predetermined rotation angle, and a group of synthesized coordinate values indicating the three-dimensional shape of the measurement object is obtained. Combining means to obtain;
A three-dimensional shape measuring apparatus comprising:
測定対象物を回転させるとともに、ライン光を出射可能な形状測定器から同測定対象物に向かって測定対象物の回転軸に略平行にライン光を照射し、照射した光の反射光を受光することにより測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定方法において、一つの座標軸が測定対象物の回転軸と平行となる基準座標系を定義し、前記基準座標系と形状測定器が定義する座標系であって座標平面がライン光の照射平面と平行となるカメラ座標系とのずれ量を検出するために用いる校正用物体であって、
法線方向が前記基準座標系の一つの座標軸であるz軸の方向を定義する第一平面部と、前記第一平面部が形成される平面との交線が前記z軸と直交する座標軸であるx軸の方向を定義する第二平面部と、前記z軸に直交する平面であって前記第一平面部が形成される平面とは異なる平面上に交線を形成する第三平面部および第四平面部とを有することを特徴とする校正用物体。
While rotating the measurement object, irradiate the line light from the shape measuring instrument capable of emitting line light toward the measurement object substantially parallel to the rotation axis of the measurement object, and receive the reflected light of the irradiated light In the three-dimensional shape measurement method for measuring the three-dimensional shape of the measurement object, a reference coordinate system in which one coordinate axis is parallel to the rotation axis of the measurement object is defined, and the reference coordinate system and the shape measuring instrument are defined. A calibration object used to detect the amount of deviation from the camera coordinate system in which the coordinate plane is parallel to the irradiation plane of the line light,
A normal line is a coordinate axis in which an intersecting line between a first plane part defining a z-axis direction which is one coordinate axis of the reference coordinate system and a plane on which the first plane part is formed is orthogonal to the z-axis. A second plane part that defines a direction of a certain x axis, a third plane part that forms a line of intersection on a plane that is orthogonal to the z axis and that is different from the plane on which the first plane part is formed, and A calibration object comprising a fourth plane part.
請求項12に記載の校正用物体において、
前記第一平面部と前記第二平面部とは、法線方向が測定対象物の回転軸と垂直であることを特徴とする、校正用物体。
The calibration object according to claim 12,
The calibration object according to claim 1, wherein the first plane part and the second plane part have normal directions perpendicular to the rotation axis of the measurement object.
請求項12または13に記載の校正用物体において、
前記第三平面部と前記第四平面部の交線は、y軸に平行であることを特徴とする、校正用物体。
The calibration object according to claim 12 or 13,
The calibration object, wherein an intersection line between the third plane part and the fourth plane part is parallel to the y-axis.
請求項12乃至14のいずれか1項に記載の校正用物体において、
前記第一平面部に平行であって前記第一平面部から所定距離離間した位置に形成される追加第一平面部と、前記第二平面部に平行であって前記第二平面部から前記所定距離離間した位置に形成される追加第二平面部とを有することを特徴とする、校正用物体。
The calibration object according to any one of claims 12 to 14,
An additional first plane portion formed at a position parallel to the first plane portion and spaced from the first plane portion by a predetermined distance; and parallel to the second plane portion and from the second plane portion to the predetermined plane A calibration object, comprising: an additional second flat surface portion formed at a position separated by a distance.
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