JP2020011310A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 非測定物に接触することなく、少ない時間で距離の測定が可能な測定装置を提供することを目的とする。【解決手段】 撮影対象物の画像を取得する画像取得部１０と、撮影対象物及び画像取得部１０を相対的に移動させる移動機構２０と、制御部３０と、を備え、移動機構２０により、画像取得部１０の撮影方向または該撮影方向に対して略垂直な方向に既知の距離だけ、撮影対象物Ｑ及び画像取得部１０を相対的に移動させ、画像取得部１０により、移動前後の撮影対象物Ｑの画像を取得し、制御部３０が、取得した該２つの画像により得られた画像上の移動距離Ｘまたは長さに基づいて、撮影方向における画像取得部１０と撮影対象物Ｑとの間の距離Ｙを算出する測定装置２を提供する。【選択図】 図１

Description

本発明は、対象物との距離を測定する測定装置に関する。

工作機械では、測定対象物に接触させて距離を測定する接触式プローブが広く用いられている。しかし、接触式プローブでは、例えば、高温で油にまみれた切粉のような接触させることが困難な物体の距離を測定することは困難である。そこで、撮像装置で撮影された画像を用いて、非接触で距離を測定することが可能な工作機械が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−２１３８４０号

特許文献１に記載の工作機械では、距離を測定する２つの部材を撮像装置で同時撮影して、同時撮影された画像の画像像処理を行って、２つの部材の間の距離を演算するようになっている。しかし、画像処理で距離を求めるには多くの演算時間を要するので、工作機械の加工準備から加工終了までの間の工程中に、アイドル時間を取らずに距離の測定するのは困難である。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、非測定物に接触することなく、少ない時間で距離の測定が可能な測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の１つの実施態様に係る測定装置は、
撮影対象物の画像を取得する画像取得部と、
前記撮影対象物及び前記画像取得部を相対的に移動させる移動機構と、
制御部と、
を備え、
前記移動機構により、前記画像取得部の撮影方向または該撮影方向に対して略垂直な方向に既知の距離だけ、前記撮影対象物及び前記画像取得部を相対的に移動させ、前記画像取得部により、移動前後の前記撮影対象物の画像を取得し、
前記制御部が、取得した該２つの画像により得られた画像上の移動距離または長さに基づいて、前記撮影方向における前記画像取得部と前記撮影対象物との間の距離を算出する。

上記の実施態様によれば、非測定物に接触することなく、少ない時間で距離の測定が可能な測定装置を提供することができる。

本発明の１つの実施形態に係る測定装置及び測定方法の概要を示す模式図である。 図１に示す測定装置を用いて距離の測定を行う第１の距離の測定方法を模式的に示す図である。 図１に示す測定装置を用いて距離の測定を行う第２の距離の測定方法を模式的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合もある。

（本発明の１つの実施形態に係る測定装置）
はじめに、図１を参照しながら、本発明の１つの実施形態に係る測定装置の説明を行う。図１は、本発明の１つの実施形態に係る測定装置及び測定方法の概要を示す模式図である。
本実施形態に係る測定装置２は、撮影対象物の画像を取得する画像取得部１０と、撮影対象物及び画像取得部１０を相対的に移動させる移動機構２０と、制御部３０と、を備える。

画像取得部１０は、撮像素子１２及び光学系１４を備える。光学系１４の焦点位置に撮像素子１２が配置されている。これにより、光学系１４で結像された画像が、撮像素子１２により電子データとして取得され、制御部３０へ送信される。撮像素子１２としては、ＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサをはじめとする任意の撮像素子を用いることができる。

本実施形態では、画像取得部１０が工作機械の主軸に取り付けられている。よって、画像取得部１０を移動させる主軸の移動装置が、撮影対象物及び画像取得部１０を相対的に移動させる移動機構２０に該当する。ただし、これに限られるものではなく、撮影対象物が加工テーブルに載置され、撮影対象物を移動させる加工テーブルの移動装置が、撮影対象物及び画像取得部１０を相対的に移動させる移動機構２０に該当する場合もあり得る。また、撮影対象物及び画像取得部１０の両方を移動機構で移動させる場合もあり得る。
更に、工作機械の移動機構ではなく、測定装置２が固有の移動機構を備える場合もあり得る。

制御部３０については、測定装置２が固有の制御装置を備える場合もあり得るし、工作機械の制御装置を用いて制御部の機能を果たす場合もあり得る。
以上のように、本実施形態に係る測定装置２は、画像取得部１０、移動機構２０及び制御部３０を備えた個別の装置として構成されている場合もあり得るし、工作機械の移動機機構や制御装置を用いた、一部が工作機械に組み込まれた装置の場合もあり得る。後者の場合には、測定装置２を備えた工作機械と称することもできる。

＜距離の測定方法＞
図１に示す例では、画像取得部１０から垂直方向で距離Ｈだけ離れたポイントＰ、及び画像取得部１０から垂直方向で距離Ｙだけ離れたポイントＱが撮影対象物に該当する。ここで、画像取得部１０及び撮影対象物（ポイント）Ｐ、Ｑの間の距離とは、詳細に言えば、画像取得部１０の光学系１４の垂直方向における中心位置Ｃ、及び撮影対象物（ポイント）Ｐ、Ｑの間の垂直距離を意味する。

実際には、移動機構２０により画像取得部１０側が距離Ｄだけ水平に移動し、移動前後の撮影対象物（ポイント）Ｐ、Ｑを垂直方向から撮影するが、図１では、画像取得部１０を固定して、相対的に撮影対象物（ポイント）Ｐ、Ｑが移動したように図視している。

まず、測定装置２による距離の測定を可能にするため、基準データを取得する。具体的には、画像取得部１０及び撮影対象物（ポイント）Ｐの間が既知の距離Hだけ離れた状態において、撮影対象物（ポイント）Ｐが既知の距離Ｄだけ水平方向に移動したときの移動前後の画像を取得する。移動前後の画像の比較により、画像取得部１０及び撮影対象物（ポイント）Ｐの間が既知の距離Hだけ離れた状態における、撮像素子１２上の既知の距離Ｄに対応した結像の距離Ｌを取得することができる。制御部３０は、既知の距離Ｄ、既知の距離Ｈ、及びこれに対応する撮像素子１２上の結像の距離Ｌを記憶する。これが、画像取得部１０及び撮影対象物Ｑの間の未知の距離Ｙを測定する場合の基準のデータとなる。

実際の距離の測定においては、画像取得部１０及び撮影対象物Ｑの間が未知の距離Ｙだけ離れた状態において、上記と同様に、撮影対象物（ポイント）Ｑが既知の距離Ｄだけ水平方向に移動したときの移動前後の画像を取得する。移動前後の画像の比較により、画像取得部１０及び撮影対象物（ポイント）Ｑの間が未知の距離Ｙだけ離れた状態における、撮像素子１２上の既知の距離Ｄに対応した結像の距離Ｘを取得することができる。

図１から明らかなように、距離Ｈだけ離れた状態における距離Ｄに対応する撮像素子１２上の結像の距離Ｌ、及び未知の距離Ｙだけ離れた状態における距離Ｄに対応する撮像素子１２上の結像の距離Ｘの関係は、下式のように示される。

Ｙ／Ｈ＝Ｌ／Ｘ （数式１）

例えば、垂直方向の距離Ｈが距離Ｙの２倍である場合、近い側の結像の距離Ｘは、遠い方の結像の長さＬの２倍になる。例えば、離間距離Ｈにおける距離Ｄに対応する結像の距離が１／２ピクセル（例えば、２００μｍ）とすると、離間距離Ｙにおける距離Ｄに対応する結像が１ピクセル（例えば、４００μｍ）となる。

よって、一度、画像取得部１０及び撮影対象物（ポイント）Ｐの間が既知の距離Ｈだけ離れた状態における、既知の距離Ｄに対応する結像の距離Ｌを取得して制御部３０で記憶しておけば、既知の距離Ｄに対応する結像の距離Ｘを取得することにより、下記のような非常に簡単な演算で、画像取得部１０及び撮影対象物（ポイント）Ｑの間の未知の距離Ｙを算出することができる。

Ｙ＝（Ｈ×Ｌ）／Ｘ （数式２）

＜実際の距離の測定＞
次に、工作機械において、上記の測定装置２を用いて実際に距離の測定を行うところを説明する。
［第1の距離の測定方法］
はじめに、図２を参照しながら、上記の測定装置２を用いて実際に距離の測定を行う第1の距離の測定方法を説明する。図２は、図１に示す測定装置２を用いて距離の測定を行う第１の距離の測定方法を模式的に示す図である。
工作機械の主軸等を移動させる場合、加工によって不規則に堆積した切粉と干渉すること無く移動させる必要がある。図２に示す例では、画像取得部１０により切粉４０の山の上端に位置する撮影対象物（ポイント）Ｑの画像を取得する場合を示す。具体的には、画像取得部１０を既知の距離Ｄだけ水平方向に移動させて、移動前後の撮影対象物Ｑの画像を取得する。

図２では、移動前には、撮影対象物（ポイント）Ｑが撮像素子１２の中央の位置Ａで結像しており、距離Ｄだけ移動した後は、撮影対象物（ポイント）Ｑが撮像素子１２の中央より右側の位置Ｂで結像している。この場合、位置Ａ及び位置Ｂの間の距離が、距離Ｄに対応する結像の距離Ｘに該当する。
このようにして、距離Ｄに対応する結像の距離Ｘを取得し、上記の数式２により、画像取得部１０及び撮影対象物（ポイント）Ｑの間の未知の距離Ｙを算出することができる。

主軸等を移動させる予定の方向において、画像取得部１０を水平方向に移動させながら、上記の未知の距離Ｙを取得する工程を繰り返すことにより、主軸等を移動させる予定の領域の切粉４０の山のプロファイルを得ることができる。これにより、工作機械の加工準備から加工終了までの間の工程中に、アイドル時間を取らずに距離の測定を実現できる。例えば、粗加工前の測定パス作成において、迅速に切粉の山のプロファイルを把握して、主軸等の移動ルートの設定を行うことができる。取得した画像取得部１０及び撮影対象物（ポイント）Ｑの間の距離Ｙの精度については、粗加工前の測定パス作成の用途において十分な精度を有する。

以上のように、本実施形態では、移動機構２０により、画像取得部１０の撮影方向（図１における垂直方向）に対して略垂直な方向（図１の水平方向）に既知の距離Ｄだけ、撮影対象物Ｑ及び画像取得部１０を相対的に移動させ、画像取得部１０により、移動前後の撮影対象物Ｑの画像を取得し、制御部３０が、取得した２つの画像により得られた画像上の移動距離Ｘに基づいて、撮影方向における画像取得部１０と撮影対象物との間の距離Ｙを算出することができる。

上記の第1の距離の測定方法の説明では、画像取得部１０を移動させて未知の距離Ｙを求めているが、これに限られるものではなく、撮影対象物（ポイント）Ｑを移動させて距離を求めることもできるし、画像取得部１０及び撮影対象物（ポイント）Ｑの両方を移動させて距離を求めることもできる。

［第２の距離の測定方法］
次に、図３を参照しながら、上記の測定装置２を用いて実際に距離の測定を行う第２の距離の測定方法を説明する。図３は、図１に示す測定装置を用いて距離の測定を行う第２の距離の測定方法を模式的に示す図である。
上記の第１の距離の測定方法では、画像取得部１０及び撮影対象物Ｑを相対的に既知の距離Ｄだけ水平方向に移動させて、移動前後の撮影対象物Ｑの画像を取得したが、第２の距離の測定方法では、画像取得部１０及び撮影対象物Ｒを相対的に既知の距離Ｅだけ垂直方向に移動させて、移動前後の撮影対象物Ｒの画像を取得する。撮影対象物Ｒは、未知の寸法Ｚ（例えば、幅寸法）を有している。

第２の距離の測定方法では、画像取得部１０及び撮影対象物Ｒの間の未知の距離Ｙ１を求めることを目的とする。はじめに、画像取得部１０が、未知の距離Ｙ１だけ離れた撮影対象物Ｒ
の画像を取得する。これにより、撮影対象物Ｒの結像の寸法Ｚに対応する長さＸ１を取得する。

次に、画像取得部１０及び撮影対象物Ｒを相対的に既知の距離Ｅだけ垂直方向に移動させる。ここでは、撮影対象物Ｒを、画像取得部１０に対して既知の距離Ｅだけ近づけて、画像取得部１０及び撮影対象物Ｒの間の距離が未知の距離Ｙ２となったところを示す。そして、画像取得部１０が、未知の距離Ｙ２だけ離れた撮影対象物Ｒの画像を取得する。これにより、撮影対象物Ｒの結像の寸法Ｚに対応した長さＸ２を取得する。

これを上記の数式１の当てはめると、下式のように示される。

Ｙ２／Ｙ１＝Ｘ１／Ｘ２ （数式３）

また、未知の距離Ｙ１及びＹ２の間では、既知の距離Ｅを用いた下式が成り立つ。

Ｙ１−Ｅ＝Ｙ２ （数式４）

数式４を数式３に代入すると、下式が成り立つ。

Ｙ１＝（Ｅ×Ｘ２)／（Ｘ２−Ｘ１） （数式５）

以上のように、既知の垂直移動距離Ｅ及び画像から取得された長さＸ１、Ｘ２により、未知の距離Ｙ１を算出することができる。

以上のように、本実施形態では、移動機構２０により、画像取得部１０の撮影方向（図１における垂直方向）に既知の距離Ｅだけ、撮影対象物Ｑ及び画像取得部１０を相対的に移動させ、画像取得部１０により、移動前後の撮影対象物Ｒの画像を取得し、制御部３０が、取得した２つの画像により得られた画像上の長さＸ１、Ｘ２に基づいて、撮影方向における画像取得部１０と撮影対象物との間の距離Ｙ１を算出することができる。

上記の第１の距離の測定方法では、既知の距離Ｄ、既知の距離Ｈに対応する結像の距離Ｌを予めデータとして記憶しておく必要があったが、第２の距離の測定方法では、撮影対象物Ｑ及び画像取得部１０を検出可能な距離Ｅだけ相対的に移動させれば、予め記憶させたデータを用いることなく距離を求めることができる。

上記の第２の距離の測定方法の説明では、撮影対象物Ｒを移動させて距離を求めているが、これに限られるものではなく、画像取得部１０を移動させて距離を求めることもできるし、画像取得部１０及び撮影対象物Ｒの両方を移動させて距離を求めることもできる。

以上のように、上記の第１または第２の距離の測定方法により、シンプルな構成で容易に画像取得部１０及び撮影対象物Ｑの間の距離を取得することができる。よって、非測定物（撮影対象物）に接触することなく、少ない時間で距離の測定が可能な測定装置２を提供することができる。

（分解能の向上）
更に、移動機構２０により、画像取得部１０が取得可能な画像の画素より小さい距離だけ、撮影対象物及び画像取得部１０を相対的に移動させ、画像取得部１０により、移動前後の撮影対象物の画像を取得することが可能である。このとき、画像取得部１０が取得した画素より小さい距離だけ移動させた画像を用いて、それを補間することにより、実質的に画像取得部１０の分解能を向上させることができる。

例えば、撮影対象物及び画像取得部１０を相対的に１／２画素分だけ移動させて取得した画像を用いて補間することにより、実質的に２倍の解像度の画像を得ることができる。特に、撮影対象物及び画像取得部１０の間の距離を大きくとることにより、実際の相対的な移動距離に対して、画像取得部１０の撮像素子１２上の距離を小さくすることができる。よって、画像取得部１０が取得可能な画像の画素より小さい距離だけ移動した画像を取得し易くなる。

（その他の実施形態）
上記の実施形態に係る測定装置２では、工作機械に適用した場合を例に取って説明したが、これに限られるものではなく、非接触で迅速に距離の測定が必要なその他の任意の分野に適用可能である。

本発明の実施の形態、実施の態様を説明したが、開示内容は構成の細部において変化してもよく、実施の形態、実施の態様における要素の組合せや順序の変化等は請求された本発明の範囲および思想を逸脱することなく実現し得るものである。

２ 測定装置
１０ 画像取得部
１２ 撮像素子
１４ 光学系
２０ 移動機構
３０ 制御部
４０ 切粉
Ａ、Ｂ、Ｃ 位置
Ｐ、Ｑ 撮影対象物（ポイント）
Ｒ 撮影対象物

Claims (2)

1. 撮影対象物の画像を取得する画像取得部と、
   前記撮影対象物及び前記画像取得部を相対的に移動させる移動機構と、
   制御部と、
   を備え、
   前記移動機構により、前記画像取得部の撮影方向または該撮影方向に対して略垂直な方向に既知の距離だけ、前記撮影対象物及び前記画像取得部を相対的に移動させ、前記画像取得部により、移動前後の前記撮影対象物の画像を取得し、
   前記制御部が、取得した該２つの画像により得られた画像上の移動距離または長さに基づいて、前記撮影方向における前記画像取得部と前記撮影対象物との間の距離を算出することを特徴とする測定装置。
   
2. 前記移動機構により、前記画像取得部が取得可能な画像の画素より小さい距離だけ、前記撮影対象物及び前記画像取得部を相対的に移動させ、前記画像取得部により、移動前後の前記撮影対象物の画像を取得することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。

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