JP2013186009A - 形状測定装置の校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学センサが筒体の軸心に対して所定角度だけ傾斜した姿勢で配置されて筒体内部の形状を測定する形状測定装置を簡便に校正することのできる校正方法を提供する。
【解決手段】光学センサ５を用いて筒体Ｈ内部の形状を測定する形状測定装置１０の校正方法であって、筒体Ｈの軸心Ｌと平行な平面２０ａを有する校正用のマスタ冶具２０を筒体Ｈ内部の基準位置及び基準姿勢で配置し、筒体Ｈの軸心Ｌを回転中心として光学センサ５とマスタ冶具２０を相対的に回転させながら光切断法を使用して光学センサ５とマスタ冶具２０の平面２０ａの相対距離を測定し、予め定められた光学センサ５とマスタ冶具２０の平面２０ａの設定距離に対する測定された光学センサ５とマスタ冶具２０の平面２０ａの相対距離の誤差が最小となるように光学センサ５の位置や姿勢を調整して形状測定装置１０を校正する。
【選択図】図１

Description

本発明は形状測定装置の校正方法に関し、特に光学センサを備えた形状測定装置の校正方法に関するものである。

従来、たとえば車両などの製造ラインにおいては、搬送ラインに沿って搬送される車両などの被測定物の三次元形状を光切断法を用いて非接触で測定する形状測定装置が知られている。

上記する光切断法を用いた形状測定装置は、たとえばスリット光源と二次元撮像装置を有する光学センサを搬送ラインの周囲の所定位置に配設し、搬送ラインに沿って搬送される被測定物の複数の搬送位置でスリット光源から被測定物に対してスリット状のレーザ光を照射し、被測定物の表面で形成される光切断線を二次元撮像装置で撮像するものである。そして、二次元撮像装置で撮像した光切断線の二次元画像データを変換処理して光学センサの三次元座標系における三次元位置データに変換し、複数の搬送位置における三次元位置データを合成して被測定物の三次元形状を算出するものである。

一方、たとえばシリンダブロックを構成するシリンダなどの筒体内部の形状を測定する場合には、搬送される被測定物の内部形状を固定配置された光学センサで測定することが困難であることが知られている。そこで、筒体内部の形状を測定する場合には、所定位置に配置された被測定物の軸心周りで光学センサを回動させて筒体内部の三次元形状を測定する技術が適用されている。

図６は、筒体内部の形状を測定する従来の形状測定装置の一例を模式的に示したものである。図示する形状測定装置Ａは、所定位置に配置された筒体（被測定物）Ｈの周囲にその筒体Ｈの軸心Ｃに対して所定角度だけ傾斜した姿勢でスリット光源と二次元撮像装置を有する光学センサＳを配置し、その筒体Ｈの軸心Ｃ周りに光学センサＳを回動させ、複数の回動位置でスリット光源から筒体Ｈに対してスリット状のレーザ光Ｒを照射し、筒体Ｈの内側表面で形成される光切断線を二次元撮像装置で撮像する。そして、二次元撮像装置で撮像した光切断線の二次元画像データをデータ処理装置Ｔで変換処理して光学センサＳの三次元座標系における三次元位置データに変換し、複数の回動位置における三次元位置データを合成して筒体Ｈの内部の三次元形状を算出する。

ところで、上記する形状測定装置は、二次元撮像装置で撮像した光切断線の二次元画像データを光学センサの三次元座標系における三次元位置データに変換するため、被測定物の撮像時における光学センサの位置や姿勢が適正に設定されている必要がある。そのため、上記する形状測定装置においては、定期的にメンテナンスを行い、光学センサの位置や姿勢を設定基準位置に調整することによって、形状測定装置による被測定物の計測精度を維持している。

しかしながら、上記する形状測定装置においては、たとえば光学センサ筐体に対するレーザ光の照射方向のずれなどに起因して、光学センサの位置や姿勢を設定基準位置に調整しても被測定物の三次元形状を精緻に測定できないといった問題がある。また、光学センサをメンテナンスする際には製造工程を停止する必要があり、その製造効率が低下するといった問題もある。

このような問題に対して、製造効率を維持しながら被測定物の計測精度を高めるために、被測定物の測定開始時や所定の時間毎に光学センサのキャリブレーション（校正）を実行し、データ上で二次元撮像装置で撮像した光切断線の二次元画像データと光学センサの三次元座標系における三次元位置データを調整する形状測定装置の開発が進められており、その有効な技術が特許文献１〜３に開示されている。

特開平７−９１９２８号公報 特開平１０−１２２８３７号公報 特開２００８−１７０３７６号公報

特許文献１〜３に開示されている形状測定装置の校正方法によれば、搬送ラインに沿って搬送される被測定物や軸物からなる被測定物の外表面の三次元形状を測定するための形状測定装置を精緻に校正することができ、その被測定物の三次元形状を精度良く測定することができる。

しかしながら、特許文献１〜３に開示されている形状測定装置の校正方法においては、光学センサが筒体の軸心に対して所定角度だけ傾斜した姿勢で配置されて筒体内部の形状を測定する形状測定装置の校正方法については言及されていない。また、たとえば光学センサを回動させて被測定物の三次元形状を測定する複雑構成の形状測定装置の校正方法についても一切言及されていない。

本発明は上記する課題に鑑みてなされたものであり、光学センサが筒体の軸心に対して所定角度だけ傾斜した姿勢で配置されて筒体内部の形状を測定する形状測定装置を簡便に校正することのできる校正方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による形状測定装置の校正方法は、光学センサを用いて筒体内部の形状を測定する形状測定装置の校正方法であって、筒体の軸心と平行な平面を有する校正用のマスタ冶具を筒体内部の基準位置及び基準姿勢で配置し、前記筒体の軸心を回転中心として光学センサとマスタ冶具を相対的に回転させながら光切断法を使用して光学センサとマスタ冶具の前記平面の相対距離を測定し、予め定められた光学センサとマスタ冶具の前記平面の設定距離に対する測定された光学センサとマスタ冶具の前記平面の相対距離の誤差が最小となるように前記光学センサの位置及び／又は姿勢を調整する方法である。

ここで、光切断法とは、平面視で三角形状あるいは扇状を呈し、側面視で線状を呈するシート状の光線（「スリット光」等ともいう。）を光源から被測定物に照射し、被測定物の表面での反射光を撮像装置などの光センサで受光し、前記光源の位置、光線の投射角度や位置、光センサの位置などから三角測量の原理によって算出される光源や光センサと被測定物との距離に基づいて、被測定物の三次元形状を測定する測定法である。

上記する校正方法によれば、光学センサを用いて筒体内部の形状を測定する形状測定装置を校正するに当たり、筒体の軸心と平行な平面を有する校正用のマスタ冶具を筒体内部の基準位置及び基準姿勢で配置し、筒体の軸心を回転中心として光学センサとマスタ冶具を相対的に回転させながら光切断法を使用して光学センサとマスタ冶具の前記平面の相対距離を測定するという簡便な方法によって、光学センサの位置や姿勢を調整して当該形状測定装置を精緻に校正することができ、筒体内部の形状を当該形状測定装置を用いて精度良く測定することができる。

ここで、光学センサとマスタ冶具の設定距離に対する光学センサとマスタ冶具の相対距離の誤差を最小とする方法としては、種々の演算方法を適用できるものの、たとえば最小自乗法を使用した場合には演算処理が極めて容易となり、形状測定装置を相対的に簡便に校正することができる。

また、上記する校正方法は、マスタ冶具を静止させた状態で光学センサを前記筒体の軸心を回転中心として回転させてもよいし、光学センサを静止させた状態でマスタ冶具を前記筒体の軸心を回転中心として回転させてもよい。

マスタ冶具を静止させた状態で光学センサを前記筒体の軸心を回転中心として回転させる場合には、マスタ冶具の回動などに起因する基準位置や基準姿勢からのずれを抑制することができ、形状測定装置をより一層精緻に校正することができる。また、光学センサを静止させた状態でマスタ冶具を前記筒体の軸心を回転中心として回転させる場合には、光学センサの回動などによる動きを抑制することができ、形状測定装置をより簡便に校正することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の形状測定装置の校正方法によれば、光学センサを用いて筒体内部の形状を測定する形状測定装置を校正するに当たり、筒体の軸心と平行な平面を有する校正用のマスタ冶具を筒体内部の基準位置及び基準姿勢で配置し、筒体の軸心を回転中心として光学センサとマスタ冶具を相対的に回転させながら光切断法を使用して光学センサとマスタ冶具の平面の相対距離を測定するという、極めて簡便な改良方法によって、形状測定装置を精緻に校正することができ、被測定物である筒体内部の形状を精度良く測定することができる。

本発明の形状測定装置の校正方法にて形状測定装置を校正する方法を模式的に説明した斜視図である。 図１で示す形状測定装置の校正方法にて光学センサのY軸に対する回転角度を演算するステップを説明した図であり、（ａ）は図１のＡ−Ａ矢視図、（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。 図２で示す光学センサのY軸に対する回転角度を演算するステップで撮像される光学センサの二次元データを模式的に示した図である。 図１で示す形状測定装置の校正方法にて光学センサのXYZ座標系上の位置とX軸に対する回転角度を演算するステップを説明した上面図である。 図１で示す形状測定装置の校正方法にて光学センサのZ軸に対する回転角度を演算するステップを説明した図であり、（ａ）はXY平面での光学センサの二次元データ、（ｂ）はYZ平面での光学センサの二次元データ、（ｃ）はZX平面での光学センサの二次元データを示した図である。 筒体内部の形状を測定する従来の形状測定装置を模式的に示した斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の形状測定装置の校正方法にて形状測定装置を校正する方法を模式的に説明したものである。なお、本実施の形態においては、マスタ冶具を静止させた状態で光学センサを筒体（被測定物）の軸心を回転中心として回転させる形態について説明するが、光学センサとマスタ冶具は筒体の軸心を回転中心として相対的に回転されればよく、たとえば光学センサを静止させた状態でマスタ冶具を筒体の軸心を回転中心として回転させてもよい。

図示する形状測定装置１０は、平面視で略三角形状を呈するシート状のレーザ光Ｒを照射するための光源１と筒体Ｈの表面で形成される光切断線を撮像し得る撮像装置２とからなる光学センサ５と、光学センサ５で得られた光切断線の二次元画像データを変換処理して光学センサ５の三次元座標系における三次元位置データに変換し、複数の三次元位置データを合成して筒体Ｈの三次元形状を算出するデータ処理装置６と、を備えている。

前記光学センサ５は、筒体Ｈの外側であって筒体Ｈの軸心Ｌに対して所定角度（たとえば約50度）だけ傾斜した姿勢で配置されており、不図示のモータと接続されて所定の経路に沿って筒体Ｈの軸心Ｌに対して相対的に回動することで、筒体Ｈの内部形状を全体に亘って測定できるようになっている。

図示する形状測定装置１０を校正するに当たり、まず、高精度な平面２０ａを有する校正用のマスタ冶具２０を用意し、その平面２０ａが筒体Ｈの軸心Ｌと平行となるように該マスタ冶具２０を筒体Ｈ内部の基準位置及び基準姿勢で配置する。次いで、モータ（不図示）を駆動し、筒体Ｈの軸心Ｌを回転中心として光学センサ５を回動させながら、光切断法を使用して複数の回動位置における光学センサ５とマスタ冶具２０の相対距離を測定する。次に、データ処理装置６で、その測定結果と予め定められた光学センサ５とマスタ冶具２０の設定距離を比較し、その誤差が最小となるように光学センサ５の位置情報や姿勢情報などを調整して形状測定装置１０を校正する。

なお、形状測定装置１０の校正で使用するマスタ冶具２０は、その作製精度が形状測定装置１０による形状測定精度よりも十分に高く、被測定物である筒体Ｈと同一の材質で作成されることが望ましいが、その形成素材や形状は適宜変更することができる。

以下、図２〜図５を参照して形状測定装置１０の校正方法について具体的に説明する。なお、本実施の形態においては、筒体Ｈの軸心Ｌ上の所定の点を原点とする三次元直交座標系（基準座標系）をXYZ座標系とし、筒体Ｈの軸心Ｌに沿ってXYZ座標系のX軸を配置する。このXYZ座標系は、光学センサ５の筒体Ｈの軸心Ｌ周りの回動に伴ってX軸周りに回転するものとする。また、光学センサ５の撮像装置２の三次元直交座標系をXsYsZs座標系とし、撮像装置２の撮像方向に沿ってXsYsZs座標系のZs軸を配置する。そして、光学センサ５のXYZ座標系上の位置（XsYsZs座標系の原点に対応）と姿勢（X軸、Y軸、Z軸に対する回転角度）の指標となる６要素を（Xo、Yo、Zo、θx、θy、θz）とする。

なお、形状測定装置１０の校正においては、前記６要素（Xo、Yo、Zo、θx、θy、θz）のうち、光学センサ５から得られる二次元画像データから被測定物の三次元形状を構築するために必須の５要素（Yo、Zo、θx、θy、θz）を算出する。光学センサ５の５要素（Yo、Zo、θx、θy、θz）を算出する方法としては、まず、光学センサ５のY軸に対する回転角度θyを算出し、次いで、XYZ座標系上の位置Yo、ZoとX軸に対する回転角度θxを算出する。そして、得られた回転角度θx、θyを用いてX軸に対する回転角度θxを算出する。

［Y軸に対する回転角度θyの演算］
図２は、図１で示す形状測定装置の校正方法にて光学センサのY軸に対する回転角度θyを演算するステップを説明した図であり、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ矢視図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。

まず、光学センサ５のY軸に対する回転角度θyを演算するに当たり、マスタ冶具２０の平面２０ａが筒体Ｈの軸心Ｌと平行となるように該マスタ冶具２０を筒体Ｈ内部に配置するとともに、光学センサ５の撮像装置２がマスタ冶具２０の平面２０ａと略正対するように該光学センサ５を配置する（図２（ａ）参照）。すなわち、筒体ＨのY軸と光学センサ５のYs軸が略平行となり、マスタ冶具２０の平面２０ａと光学センサ５のレーザ光Ｒが略垂直となるようにマスタ冶具２０と光学センサ５を配置する。ここで、マスタ冶具２０の平面２０ａと光学センサ５のレーザ光Ｒは垂直に対して±1度の範囲内で配置すればよい。また、光学センサ５は、筒体Ｈの軸心Ｌに対して所定角度（たとえばθy≒50度）だけ傾斜した姿勢で配置されている（図２（ｂ）参照）。

このように光学センサ５とマスタ冶具２０が相対的に配置された状態で、マスタ冶具２０に対して光学センサ５の光源１からシート状のレーザ光Ｒを照射する。

図３は、図２で示す光学センサのY軸に対する回転角度を演算するステップで撮像される光学センサの二次元データを模式的に示した図である。

上記するように、光学センサ５が筒体Ｈの軸心Ｌに対して所定角度だけ傾斜した姿勢で配置されているため、光学センサ５のXsZs平面上の二次元データ（光切断線）は前記所定角度に対応する角度だけ傾斜して撮像される。この二次元データは最小自乗法を使用して以下の式（１）で示す直線に近似することができる。

ここで、aは近似直線の傾き、bは近似直線のZs切片であり、光学センサ５のY軸に対する回転角度θyは光学センサ５のXsZs平面上の二次元データ（光切断線）の傾きに対応することから、回転角度θyは以下の式（２）を用いて算出することができる。

［XYZ座標系上の位置Yo、ZoとX軸に対する回転角度θxの演算］
図４は、図１で示す形状測定装置の校正方法にて光学センサのXYZ座標系上の位置Yo、ZoとX軸に対する回転角度θxを演算するステップを説明した上面図である。

上記するように、光学センサ５のY軸に対する回転角度θyを算出した後、光源１と撮像装置２を一対とする光学センサ５を筒体Ｈの軸心Ｌを回転中心として矢印Ｑ方向へ回動させながら、連続的にあるいは所定の角度毎に複数の回動位置において光学センサ５とマスタ冶具２０の平面２０ａの相対距離を測定する。

ここで、マスタ冶具２０の平面２０ａにおける光切断線のXYZ座標系での位置座標を（Xm、Ym、Zm）とし、光学センサ５をマスタ冶具２０に対して回転角度δだけ回動させた際の光学センサ５からマスタ冶具２０の平面２０ａまでのレーザ光Ｒ方向の距離であってYZ平面に投影した距離をD（δ）とすると、距離D（δ）は以下の式（３）を用いて算出することができる。

また、上記するYmとZmは、光学センサ５のX軸に対する回転角度θxと光学センサ５の筒体Ｈの軸心Ｌに対する回転角度δ、マスタ冶具２０の平面２０ａとXYZ座標系の原点すなわち筒体Ｈの軸心Ｌとの距離Goを用いて以下の式（４）で表すことができる。なお、回転角度θxが0に近似する場合には、式（４）におけるtanθxをθxと簡素化することもできる。

ここで、上記する光学センサ５とマスタ冶具２０の平面２０ａの設定上の距離D（δ）と実際に光学センサ５を用いて計測された光学センサ５とマスタ冶具２０の平面２０ａの相対距離Dm（δ）の間には誤差が生じている。そこで、以下の式（５）を用いて複数の回動位置（回転角度δ）における距離Dm（δ）と予め定められた設定距離D（δ）の差の自乗和を算出し、それに対して最小自乗法を適用することによって、自乗和Eが最小となるようなXYZ座標系上の位置Yo、ZoとX軸に対する回転角度θxをそれぞれ算出することができる。

［Z軸に対する回転角度θzの演算］
図５は、図１で示す形状測定装置の校正方法にて光学センサのZ軸に対する回転角度θzを演算するステップを説明した図であり、図５（ａ）はXY平面での光学センサの二次元データ、図５（ｂ）はYZ平面での光学センサの二次元データ、図５（ｃ）はZX平面での光学センサの二次元データを示した図である。

図５で示すように、光学センサ５の姿勢の指標となる３要素（θx、θy、θz）は、XYZ座標系のXY平面、YZ平面、ZX平面での光学センサの二次元データ（光切断線）を参照すると以下の式（６）で示す関係が成立する。

上記する式（６）で示す３要素（θx、θy、θz）の関係を組み合わせることにより、以下の式（７）を算出することができ、既に算出されたY軸に対する回転角度θyとX軸に対する回転角度θxを用いて光学センサ５のZ軸に対する回転角度θzを算出することができる。

これにより、光学センサ５のXYZ座標系上の位置及び姿勢の指標となる６要素（Xo、Yo、Zo、θx、θy、θz）のうち、光学センサ５から得られる二次元画像データから被測定物の三次元形状を構築するために必須の５要素（Yo、Zo、θx、θy、θz）を算出することができる。したがって、光学センサ５の位置や姿勢の基準値からのずれ（誤差）を算出することができ、この算出結果を用いてデータ処理装置６で、光学センサ５の位置や姿勢を調整して光学センサ５の二次元画像データを精緻に校正することができ、前記形状測定装置１０を用いて被測定物の三次元形状を測定する際にも、より精度良く被測定物の三次元形状を構築することができるようになる。

このように、本実施の形態の形状測定装置１０の校正方法によれば、光学センサ５が筒体Ｈの軸心Ｌに対して所定角度だけ傾斜した姿勢で配置されて筒体内部の形状を測定する形状測定装置１０を簡便に且つ精緻に校正することができる。

なお、本実施の形態においては、シート状のレーザ光をマスタ冶具に照射する形態について説明したが、たとえば線状のレーザ光をマスタ冶具に照射し、そのレーザ光をマスタ冶具上で走査させてマスタ冶具の表面に光切断線を形成してもよい。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…光源、２…撮像装置、３…光学センサの筐体、５…光学センサ、６…データ処理装置、１０…形状測定装置、２０…マスタ冶具、２０ａ…マスタ冶具の平面、Ｈ…筒体（被測定物）、Ｌ…筒体の軸心、Ｒ…レーザ光

Claims (3)

1. 光学センサを用いて筒体内部の形状を測定する形状測定装置の校正方法であって、
   筒体の軸心と平行な平面を有する校正用のマスタ冶具を筒体内部の基準位置及び基準姿勢で配置し、前記筒体の軸心を回転中心として光学センサとマスタ冶具を相対的に回転させながら光切断法を使用して光学センサとマスタ冶具の前記平面の相対距離を測定し、予め定められた光学センサとマスタ冶具の前記平面の設定距離に対する測定された光学センサとマスタ冶具の前記平面の相対距離の誤差が最小となるように前記光学センサの位置及び／又は姿勢を調整する校正方法。
2. 最小自乗法を使用して光学センサとマスタ冶具の前記平面の設定距離に対する光学センサとマスタ冶具の前記平面の相対距離の誤差が最小となるように前記光学センサの位置及び／又は姿勢を調整する請求項１に記載の校正方法。
3. マスタ冶具を静止させた状態で光学センサを前記筒体の軸心を回転中心として回転させる、あるいは、光学センサを静止させた状態でマスタ冶具を前記筒体の軸心を回転中心として回転させる請求項１または２に記載の校正方法。

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