JP2009258135A

JP2009258135A - ３次元測定装置

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Publication number: JP2009258135A
Application number: JP2009185895A
Authority: JP
Inventors: Hidemitsu Asano; 秀光浅野; Takeshi Yashima; 剛八島
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2009-08-10
Filing date: 2009-08-10
Publication date: 2009-11-05
Anticipated expiration: 2023-12-11
Also published as: JP4791568B2

Abstract

【課題】変位計と同軸に撮像手段を配置しなくとも、オペレータが変位計による測定位置を理解できるようにする。
【解決手段】ＣＣＤカメラ３４により撮像されたワークの画像Ｐ１が、ＣＲＴ上に表示される。ワークの画像Ｐ１上には、レーザプローブ３５による測定点の位置を示す測定位置マークＭ１が表示される。レーザプローブ３５の測定への切り替えが行なわれると、マークＭ１がＣＲＴの画面中央になるように表示画面が変化する。マークＭ１の表示位置は、ＣＣＤカメラ３４とレーザプローブ３５との間の位置校正データと、ＸＹＺ軸エンコーダの検出出力とに基づいて変化する。
【選択図】図９

Description

本発明は、ＣＣＤカメラ等により撮像された被測定物（ワーク）の画像によりワークの３次元形状を測定すると共に、レーザ変位計やタッチプローブ等の変位計により前記ワーク上の測定点の変位を検出する３次元測定装置に関するものである。

３次元測定装置の１つである画像測定機では、ＣＣＤカメラ等により被測定物の画像を撮影し、この画像に基づいて、ワークの輪郭形状等（Ｘ−Ｙ方向）を測定すると共に、ＣＣＤカメラの合焦制御部等からの信号に基づき、高さ方向（Ｚ方向）の変位も測定している。しかし、Ｚ方向の測定は、このような合焦制御のみでは高速かつ高精度に測定できない。このため、画像測定用のＣＣＤカメラの他、前記ワーク上の測定点の変位を検出するレーザ変位計等の変位計を備えた画像測定機が、例えば特許文献１により知られている。この特許文献１の装置では、画像測定用のＣＣＤカメラの他、レーザプローブによる測定時にワークを観察するための観察用ＣＣＤカメラがレーザプローブと同軸に別途配置されており、オペレータはこの観察用ＣＣＤカメラの画像を見てレーザプローブの位置合わせを行なう。

特開平１１−３５１８４１号公報（第２〜３頁、図１〜２等）

しかし、このような観察用ＣＣＤカメラが、構造上その他の何らかの理由により、レーザプローブと同軸に配置できない場合がある。同軸に配置できない場合、ＣＣＤカメラの画像の中心位置と、レーザプローブの位置とが一致しないことになるので、レーザプローブの位置がオペレータにとって判りにくくなるという問題が生じる。また、ＣＣＤカメラを配置できる場合であっても、別途画像測定用ＣＣＤカメラが存在する場合、これに加えて観察用ＣＣＤカメラを並存させることは、経済上も機能上も好ましくない。すなわち、観察用ＣＣＤカメラとして、画像測定用ＣＣＤカメラ並みの高解像度のものを用意するのは、測定機全体の高価格化を招く。逆に、観察用ＣＣＤカメラとして解像度の低いものを用いると、レーザプローブ３５の測定点の特定を正確に行なうことができなくなり、高精度な高さ測定ができなくなってしまう。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、変位計と同軸に撮像手段を配置しなくとも、オペレータが変位計による測定位置を理解できるようにした３次元測定装置を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明に係る３次元測定装置は、ワークを撮像する撮像手段と、前記ワーク上の測定点の変位量を検出する変位計と、前記撮像手段及び前記変位計の間の位置関係を一定に保ちつつ前記撮像手段及び前記変位計を測定３次元空間内で前記ワークに対し相対的に移動させる移動手段と、前記移動手段による移動量を検出する移動量検出手段と、前記位置関係を示す位置関係情報を記憶する記憶手段と、前記撮像手段により撮像された前記ワークの画像及び前記変位計の測定点の位置を示す測定点位置マークを表示する表示手段と、前記測定点位置マークの表示位置を変化させる表示制御手段とを備え、前記表示制御手段は、前記撮像手段による前記ワークの撮像時には、前記表示手段の表示画面の中心から前記位置関係情報に基づいて変化した位置に前記測定点位置マークを表示させ、前記変位計による測定に切り替わる際に、前記測定点位置マークの表示位置が前記表示手段の前記表示画面の中心となるように、前記表示画面における前記ワークの画像の表示位置を変化させ、前記変位計による測定に切り替わった後に、前記移動手段により前記撮像手段及び前記変位計と前記ワークとが相対的に移動した場合、前記移動量検出手段により得られた前記移動量に基づき、前記ワークの画像に対する前記測定点位置マークの相対的な表示位置を変化させることを特徴とする。

この発明によれば、撮像手段と変位計との位置関係を示す位置関係情報が記憶手段に記憶される。表示制御手段が、移動量検出手段により検出された移動量と、前記位置関係情報とに基づき、ワークの画像に対する測定点位置マークの表示位置を変化させる。このため、変位計と同軸に撮像手段を配置しなくとも、オペレータが変位計による測定位置を理解することができる。

本発明の実施の形態に係る非接触３次元測定装置の全体構成を示す。図１に示す撮像ユニット１７の内部構造を示す。図１に示すレーザプローブ３５の詳細な構成図を示す。３次元測定機１及びコンピュータシステム２の構成を更に詳細に示した装置全体のブロック図である。校正用冶具１００の構成を示す。位置校正データの算出法を示す。レーザプローブ３５による測定を実行する手順を示すフローチャートである。レーザプローブ３５による測定を実行する場合におけるワーク１２の画像Ｐ１を撮像する様子を示す。レーザプローブ３５による測定を実行する場合のＣＲＴ２５の表示画面の変化を示す。レーザプローブ３５による測定を実行する場合のＣＲＴ２５の表示画面の別の例を示す。

以下、図面を参照してこの発明の好ましい実施の形態について説明する。
図１は、この発明の実施の形態に係る非接触３次元測定装置の全体構成を示す斜視図である。この装置は、非接触画像測定機能と非接触変位測定機能とを備えた３次元測定機１と、この３次元測定機１を駆動制御すると共に、必要なデータ処理を実行するコンピュータシステム２とにより構成されている。

３次元測定機１は、次のように構成されている。即ち、架台１１上には、ワーク１２を載置する測定テーブル１３が装着されており、この測定テーブル１３は、図示しないＹ軸駆動機構によってＹ軸方向に駆動される。架台１１の両側縁中央部には上方に延びる支持アーム１４、１５が固定されており、この支持アーム１４、１５の両上端部を連結するようにＸ軸ガイド１６が固定されている。このＸ軸ガイド１６には、撮像ユニット１７が支持されている。撮像ユニット１７は、図示しないＸ軸駆動機構によってＸ軸ガイド１６に沿って駆動される。コンピュータシステム２は、計測情報処理及び各種制御を司るコンピュータ２１と、各種指示情報を入力するキーボード２２、ジョイスティックボックス２３及びマウス２４と、計測画面、指示画面及び計測結果を表示するＣＲＴＣＲＴ２５と、計測結果をプリントアウトするプリンタ２６とを備えて構成されている。

撮像ユニット１７の内部は、図２に示すように構成されている。即ち、Ｘ軸ガイド１６に沿って移動可能にスライダ３１が設けられ、スライダ３１に一体にＺ軸ガイド３２が固定されている。このＺ軸ガイド３２には、支持板３３がＺ軸方向に摺動自在に設けられ、この支持板３３に、画像測定用の撮像手段であるＣＣＤカメラ３４と、非接触変位計であるレーザプローブ３５とが併設されている。これにより、ＣＣＤカメラ３４とレーザプローブ３５とは、一定の位置関係を保ってＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向に同時に移動できるようになっている。ＣＣＤカメラ３４には、撮像範囲を照明するための照明装置３６が付加されている。なお、本実施の形態では、ＣＣＤカメラ３４は、画像測定のためだけでなく、レーザプローブ３５の測定時における撮像範囲の確認のためにも使用される。レーザプローブ３５は、撮像ユニット１７の移動の際にレーザプローブ３５を退避するための上下動機構４０と、レーザビームの方向性を最適な方向に適合させるための回転機構４１とにより支持されている。

図３は、レーザプローブ３５の詳細を示す図である。半導体レーザ５１から放射された光は、ビームスプリッタ５２及び１／４波長板５３を介したのち、コリメートレンズ５４によって平行光線とされ、ミラー５５、５６及び対物レンズ５７を介してワーク１２の測定部に光スポットを形成する。ワーク１２の測定部から反射された光は、ミラー５６、５５、コリメートレンズ５４及び１／４波長板５３の逆経路を辿ってビームスプリッタ５２で反射され、エッジミラー５８で上下に二分割される。上下に分割された光は、上下に配置された２分割受光素子５９、６０で検出される。

検出回路６１は、２分割受光素子５９、６０からの出力信号をもとに対物レンズ５７の焦点位置からワーク１２の測定面６２までのずれ量に応じた信号を出力する。サーボ回路６３は、検出回路６１の検出出力に基づいて駆動機構６４に対物レンズ５７の駆動のための駆動信号を出力する。対物レンズ５７が上下動すると、変位検出器６６の可動部材６７が固定部材６８に対して移動する。この移動量が変位量として出力される。

図４には、３次元測定機１及びコンピュータシステム２の構成を更に詳細に示した装置全体のブロック図が示されている。３次元測定機１において、画像測定用のＣＣＤカメラ３４でワーク１２を撮像して得られた画像信号は、Ａ／Ｄ変換器７１で多値画像データに変換されたのち、コンピュータ２１に供給される。ＣＣＤカメラ３４の撮像に必要な照明光は、コンピュータ２１の制御に基づき、照明制御部７４が照明装置３６をそれぞれ制御することにより与えられる。レーザプローブ３５から得られた変位量の信号は、Ａ／Ｄ変換器７６を介してコンピュータ２１に供給される。そして、これらを含む撮像ユニット１７が、コンピュータ２１の制御に基づいて動作するＸＹＺ軸駆動部７７によってＸＹＺ軸方向に駆動される。撮像ユニット１７のＸＹＺ軸方向の位置は、ＸＹＺ軸エンコーダ７８によって検出され、コンピュータ２１に供給される。

一方、コンピュータ２１は、制御の中心をなすＣＰＵ８１と、このＣＰＵ８１に接続される多値画像メモリ８２と、プログラム記憶部８３と、ワークメモリ８４と、インタフェース８５、８６、８８と、多値画像メモリ８２に記憶された多値画像データをＣＲＴ２５に表示するための表示制御部８７とにより構成されている。多値画像メモリ８２に格納された多値画像データは、表示制御部８７の表示制御動作によってＣＲＴ２５に表示される。

一方、キーボード２２、ジョイスティック２３及びマウス２４から入力されるオペレータの指示情報は、インタフェース８５を介してＣＰＵ８１に入力される。また、ＣＰＵ８１には、レーザプローブ３５で検出された変位量やＸＹＺ軸エンコーダ７８からのＸＹＺ座標情報等を取り込む。ＣＰＵ８１は、これらの入力情報、オペレータの指示及びプログラム記憶部８３に格納されたプログラムに基づいて、ＸＹＺ軸駆動部７７によるステージ移動、測定値の演算処理等の各種の処理を実行する。ワークメモリ８４は、ＣＰＵ８１の各種処理のための作業領域を提供する。後述するように、ＣＣＤカメラ３４とレーザプローブ３５との間の位置関係を示す位置校正データも、このワークメモリ８４に記憶される。
ＣＣＤカメラ３４による画像測定及びレーザプローブ３５による高さ測定の測定値は、インタフェース８６を介してプリンタ２６に出力される。また、インタフェース８８は、外部の図示しないＣＡＤシステム等より提供されるワーク１２のＣＡＤデータを、所定の形式に変換してコンピュータシステム２１に入力するためのものである。

ＣＣＤカメラ３４に基づくＸ、Ｙ方向の画像測定の測定データと、レーザプローブ３５による高さ測定の測定データとは、ＣＣＤカメラ３４とレーザプローブ３５との間の位置校正データに基づいて合成され、この合成されたデータが、ワーク１２の測定データとなる。この位置校正データを求める具体的な方法を説明する。

ＣＣＤカメラ３４とレーザ変位計３５の間の位置校正データを求めるために、この実施の形態では、図５に示すように平板状の校正用治具１００を測定テーブル１３上に載置する。図５（ａ）は、校正用治具１００の平面図、（ｂ）は側面図である。図示のようにこの校正用治具１００は、基板１０１上に、基準パターンとして、ＣＣＤカメラ３４の視野範囲内に入るように金属膜等の光反射体による台形パターン１０２を形成したものである。台形パターン１０２は、シャープなエッジを持ち、レーザプローブ３５の測長範囲にある微小な高さｈを持って形成されたもので、非平行の二つの辺、即ちＡ１−Ａ２間の直線線分Ｌ１と、Ｂ１−Ｂ２間の直線線分Ｌ２とを含む。校正データは、これらの線分Ｌ１，Ｌ２を、二つの光学式側長器であるＣＣＤカメラ３４とレーザプローブ３５とにより測定して、次のようにして求める。

ＣＣＤカメラ３４で治具１００を撮像して、よく知られたエッジ検出を利用して画像処理すれば、二つの線分Ｌ１、Ｌ２を求めることができる。またレーザプローブ３５により、Ｙ軸上の異なる２点でＸ方向走査を行って、同様にエッジ検出と簡単な計算により二つの線分Ｌ１、Ｌ２を求めることができる。いま、ＣＣＤカメラ３４とレーザプローブ３５の測定座標を、図６に示すようにそれぞれ、（Ｘ１，Ｙ１）、（Ｘ２，Ｙ２）として、これらの中心座標のズレ、即ちオフセット値を（ｘ０，ｙ０）とすると、線分Ｌ１についてＣＣＤカメラ３４により求められる式と、レーザプローブ３５により求められる式は、下記数１の関係になる。

［数１］
ｙ＝ａ_１１ｘ＋ｂ_１１
ｙ−ｙ０＝ａ_１２（ｘ−ｘ０）＋ｂ_１２

同様に、線分Ｌ２についてそれぞれＣＣＤカメラ６とレーザ変位計７により求められる式は、下記数２の関係になる。

［数２］
ｙ＝ａ_２１ｘ＋ｂ_２１
ｙ−ｙ０＝ａ_２２（ｘ−ｘ０）＋ｂ_２２

なお、ＣＣＤカメラ３４とレーザプローブ３５とによる測定は、上述のようにその一方で測定を行った後、Ｘ，Ｙ軸方向に測定系を移動させて他方の測定を行うことになるが、この場合２回の測定の間の測定系のＸ，Ｙ水平面内の移動量を考慮にいれて、上の数１及び数２の相対位置関係を求めることができる。

線分Ｌ１、Ｌ２の傾きは、二つの測定系の座標中心のオフセットに拘らず、ＣＣＤカメラ３４とレーザプローブ３５とで等しく求められるから、数１及び数２において、ａ_１１＝ａ_１２（＝ａ_１），ａ_２１＝ａ_２２（＝ａ_２）である。これらを数１及び数２に代入して、ｘ、ｙを消去する演算を行うと、二つの中心座標のオフセット値（ｘ０，ｙ０）は、下記数３のように求められる。このオフセット値（ｘ０，ｙ０）が、ＣＣＤカメラ３４とレーザプローブ３５の間の位置校正データとしてワークメモリ８４に記憶される。

［数３］
ｘ_０＝{（ｂ_２１−ｂ_２２）−（ｂ_１１−ｂ_１２）}／（ａ_１−ａ_２）
ｙ_０＝{ａ_１（ｂ_２１−ｂ_２２）−ａ_２（ｂ_１１−ｂ_１２）}／（ａ_１−ａ_２）

求められた位置校正データを用いることにより、ワーク１２の二次元形状の測定をＣＣＤカメラ３４により実行し、ワーク１２の各部の高さ測定をレーザプローブ３５により実行して、両者の測定データの位置相関を正確にとりながら、ワーク１２の３次元形状測定を行うことができる。レーザプローブ３５による高さ測定の際には、レーザプローブ３５とは同軸に配置されていないＣＣＤカメラ３４により取得された画像データと、この位置校正データとを用いて、レーザプローブ３５による測定位置をＣＲＴ２５に表示する。

次に、このレーザプローブ３５による高さ測定における３次元測定機１の動作を、図７に示すフローチャートに沿って、図８及び図９を参照して説明する。
まず、図８に示すように、レーザプローブ３５により測定しようとする測定点Ｓ１を含む画像Ｐ１を、ＣＣＤカメラ３４により撮像して取得する（図７のＳ１）。得られた画像Ｐ１は、多値画像メモリ８２に一旦記憶される。また、ＣＰＵ８１は、ワークメモリ８４に記憶された位置校正データを読出す。そして、図９（ａ）に示すように、画像Ｐ１をＣＲＴ２５上に表示するが、このとき画像Ｐ１の中心から、位置校正データの分だけズレた位置に、測定点Ｓ１を示す測定位置マークＭ１を表示する（Ｓ２）。

次に、レーザプローブ３５による測定への切り替えが実行されると（Ｓ３）、同図（ｂ）に示すように、この測定位置マークＭ１の位置が、ＣＲＴ２５の画面中心に来るよう、表示画面が変化する（Ｓ４）。この状態から更にレーザプローブ３５が移動すると（Ｓ５）、この移動量がＸＹＺ軸エンコーダ７８により検出され、エンコーダ７８の検出信号がＣＰＵ８１に入力される。ＣＰＵ８１は、レーザプローブ３５の移動量に基づく制御信号を表示制御部８７に送信し、表示制御部８７は、この制御信号に基づき、画像Ｐ１上における測定位置マークＭ１の相対的な表示位置を変化させて（Ｓ６）、レーザプローブ２５の測定点が移動したことを表示させる。ここでは、図９（ｃ）に示すように、測定位置マークＭ１は画面中心から移動せず、背景である画像Ｐ１の方が移動するようにしている。また、同図に示すように、測定点Ｓ１の移動の軌跡を示す矢印Ｙ１を表示するようにしてもよい。また、図１０に示すように、画像Ｐ１は動かず、測定位置マークＭ１の方を移動させるようにしてもよい。このときも軌跡を示す矢印Ｙ１を表示させることができる。

なお、レーザプローブ３５が、画像Ｐ１よりも外へ移動した場合には、その位置において改めてワーク１２の画像を取得し、その画像に基づいて測定点Ｓ１を示す測定位置マークＭ１を表示する。このときも、ワークメモリ８４に記憶された位置校正データに基いて、測定位置マークＭ１の表示位置が決定される。

以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、様々な変更、追加等が可能である。例えば、上記実施の形態では、変位計として１つの測定点の高さを測定するレーザプローブ３５を使用していたが、多数の測定点を連続的に測定する倣いレーザプローブを使用した測定機にも、本発明を適用することができる。また、変位計として、レーザプローブの代わりにタッチプローブ等を使用した測定機にも、本発明を適用することができる。

１・・・３次元測定機、２・・・コンピュータシステム、１１・・・架台、１２・・・ワーク、１３・・・測定テーブル、１４、１５・・・支持アーム、１６・・・Ｘ軸ガイド、１７・・・撮像ユニット、２１・・・コンピュータ、２２・・・キーボード、２３・・・ジョイスティックボックス、２４・・・マウス、２５・・・ＣＲＴディスプレイ、２６・・・プリンタ、３４・・・ＣＣＤカメラ、３５・・・レーザプローブ、３６・・・照明装置、４０・・・上下動機構、４１・・・回転機構、５１・・・半導体レーザ、５２・・・ビームスプリッタ、５３・・・１／４波長板、５４・・・コリメートレンズ、５５、５６・・・ミラー、５７・・・対物レンズ、５８・・・エッジミラー、５９、６０・・・２分割受光素子、６１・・・検出回路、６３・・・サーボ回路、６４・・・駆動機構、６６・・・変位検出器、６７・・・可動部材、６８・・・固定部材、７１・・・Ａ／Ｄ変換器、７４・・・照明制御部、７６・・・Ａ／Ｄ変換器、７７・・・ＸＹＺ軸駆動部、７８・・・ＸＹＺ軸エンコーダ、８１・・・ＣＰＵ、８２・・・多値画像メモリ、８３・・・プログラム記憶部、８４・・・ワークメモリ、８５、８６、８８・・・インタフェース、８７・・・表示制御部、１００・・・校正用治具、１０１・・・基板、１０２・・・台形パターン

Claims

ワークを撮像する撮像手段と、
前記ワーク上の測定点の変位量を検出する変位計と、
前記撮像手段及び前記変位計の間の位置関係を一定に保ちつつ前記撮像手段及び前記変位計を測定３次元空間内で前記ワークに対し相対的に移動させる移動手段と、
前記移動手段による移動量を検出する移動量検出手段と、
前記位置関係を示す位置関係情報を記憶する記憶手段と、
前記撮像手段により撮像された前記ワークの画像及び前記変位計の測定点の位置を示す測定点位置マークを表示する表示手段と、
前記測定点位置マークの表示位置を変化させる表示制御手段と
を備え、
前記表示制御手段は、
前記撮像手段による前記ワークの撮像時には、前記表示手段の表示画面の中心から前記位置関係情報に基づいて変化した位置に前記測定点位置マークを表示させ、
前記変位計による測定に切り替わる際に、前記測定点位置マークの表示位置が前記表示手段の前記表示画面の中心となるように、前記表示画面における前記ワークの画像の表示位置を変化させ、
前記変位計による測定に切り替わった後に、前記移動手段により前記撮像手段及び前記変位計と前記ワークとが相対的に移動した場合、前記移動量検出手段により得られた前記移動量に基づき、前記ワークの画像に対する前記測定点位置マークの相対的な表示位置を変化させる
ことを特徴とする３次元測定装置。
前記位置関係情報は、校正用冶具を用いて得られた測定結果により前記位置関係が演算され記憶されるものである請求項１記載の３次元測定装置。
前記表示制御手段は、前記変位計が移動した場合、前記ワークの画像の表示位置を不変とする一方、前記測定点位置マークの前記ワークの画像上での表示位置を前記移動量検出手段により得られた前記移動量に基づき変更する請求項１記載の３次元測定装置。
前記表示制御手段は、前記変位計が移動した場合、前記測定位置マークの表示位置を不変とする一方、前記ワークの画像の表示位置を前記移動量検出手段により得られた前記移動量に基づき変更する請求項１記載の３次元測定装置。