JP2023131124A - 表面形状計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】いわゆる回転体または略回転体からなる被計測物の表面形状を速やかにかつ正確に計測可能とする。【解決手段】本発明の表面形状計測装置は、回転体または略回転体からなる被計測物における計測面の三次元形状を光切断法により計測する表面形状計測装置であって、載置された被計測物を円周方向に回転させる回転テーブルと、回転テーブルの回転角に応じた信号を順次出力するエンコーダと、計測面に帯状光またはライン状光を照射し、回転テーブルが回転することで計測面を移動する、帯状光またはライン状光による光切断線を、エンコーダからの信号の出力をトリガに順次撮像して、複数の光切断線画像データを取得する光切断センサと、それぞれの光切断線画像データを、対応する回転角に従い順次配列することで、計測面の表面形状を示す画像を生成する画像処理部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、円柱形、ドーナツ形等、回転軸を中心に平面図形を回転させてできる立体形状、いわゆる回転体または略回転体からなる被計測物の表面形状を計測する表面形状計測装置に関する。

従来から、タイヤなどの表面形状を計測する様々な装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１４－１０４９１３号公報

特許文献１の計測装置は、ポイントレーザを使用しているため、主走査と副走査を繰り返す必要があり計測に時間を要する。

本発明の目的は、円柱形、ドーナツ形等、回転軸を中心に平面図形を回転させてできる立体形状、いわゆる回転体または略回転体からなる被計測物の表面形状を速やかにかつ正確に計測可能な表面形状計測装置を提供することにある。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る表面形状計測装置は、回転体または略回転体からなる被計測物における計測面の三次元形状を光切断法により計測する表面形状計測装置であって、載置された被計測物を円周方向に回転させる回転テーブルと、回転テーブルの回転角に応じた信号を順次出力するエンコーダと、計測面に帯状光またはライン状光を照射し、回転テーブルが回転することで計測面を移動する、帯状光またはライン状光により生じた光切断線を、エンコーダからの信号の出力をトリガに順次撮像して、回転角ごとの光切断線画像データを取得する光切断センサと、それぞれの光切断線画像データを、対応する回転角に従い順次配列することで、計測面の表面形状を示す画像を生成する画像処理部と、を備える。なお、本願において、回転体とは、回転軸を中心に平面図形を回転させてできる立体形状を意味する。また、略回転体とは、概ね回転体と見なせる程度に回転体に近似した立体形状を意味する。

このように構成した表面形状計測装置によれば、帯状光またはライン状光により計測面を走査しつつ光切断法による計測を行うため、速やかにかつ正確に表面形状を計測することができる。

本発明の表面形状計測装置１００の構成を示す図である。 本発明の表面形状計測装置１００の機能ブロック図である。 回転テーブル１１０の中心を制御部１６０に認識させる方法を説明する図である。 底面Ｗｂを計測面とするときの被計測物Ｗに対する光切断センサ１３０の配置状態の一例を示す図である。 側面Ｗｓを計測面とするときの被計測物Ｗに対する光切断センサ１３０の配置状態の一例を示す図である。 複数の光切断線画像Ｂ及びこれらに基づき生成された計測面の表面形状を示す画像の一例を示す図である。 底面の光切断線画像データと側面の光切断線画像データに基づき生成された立体画像の一例を示す図である。 計測した被計測物Ｗの立体形状から被計測物Ｗの表面の凹凸のデータを抽出する手法を模式的に示す図である。 凹凸データから文字や図形を認識する手順の一例を示すフローチャートである。 回転テーブル１１０上への被計測物Ｗの一例を示す模式図である。 画像処理部１４０が生成した平面画像ＩＭＧの一例を示す図である。 内径や外径が高さに応じて変化する被計測物Ｗの一例を示す図である。図１２（ａ）は斜視図であり、図１２（ｂ）は被計測物Ｗの中心を通る断面図である。 内径および／または外径の最大値および／または最小値を計測する手順の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明及び図面では、同一の機能部には同一の符号を付し、一度説明した機能部については説明を省略するか、必要な範囲で説明する。

本発明の表面形状計測装置１００の構成を図１に、機能ブロック図を図２に、それぞれ示す。

表面形状計測装置１００は、回転テーブル１１０、エンコーダ１２０、光切断センサ１３０、及び画像処理部１４０を備える。

回転テーブル１１０は、載置された被計測物Ｗを、円周方向に回転させるテーブルである。被計測物Ｗは、円柱形、ドーナツ形等、回転軸を中心に平面図形を回転させてできる立体形状である、いわゆる回転体または略回転体からなる。載置される被計測物Ｗは、２つの底面のいずれかを接触面として回転テーブル１１０に載置される。具体的には、計測面がいずれか一方の底面であるとき、他方の底面を接触面として載置され、計測面が側面であるとき、任意の底面を接触面として載置される。

回転テーブル１１０を回転可能とする構成は、載置された被計測物Ｗを円周方向に回転させることができれば任意である。例えば図１に示すように、下部にキャスターが付いた回転テーブル１１０を台座１１１上に載置して、台座１１１上で回転させる構成としてもよい。回転の動力は、モータ１１２により与えてもよいし、人力により与えてもよい。モータ１１２を採用する場合、正確な位置決めの観点から、例えばサーボモータを採用してもよい。

エンコーダ１２０は、例えばロータリーエンコーダであり、回転テーブル１１０の回転角に応じ、例えば０．１度の回転につき１パルス、１回転で３６００パルスを発生する構成としてもよい。

光切断センサ１３０は、計測面が底面のときには被計測物Ｗの径方向の帯状光またはライン状光を底面に照射し、計測面が側面のときには被計測物の高さ方向の帯状光またはライン状光を側面に照射する。帯状光またはライン状光を照射することで計測面には帯方向に光切断線が生じ、光切断線は回転テーブル１１０が回転することで計測面を相対的に移動する。光切断センサ１３０は、この光切断線を、エンコーダ１２０からの信号の出力をトリガに順次撮像して、回転角ごとの光切断線画像データを取得する。光切断線画像データは、光切断線の範囲における被計測物Ｗの断面形状を示す複数の点データからなり、それぞれの点データは、光切断線方向の点位置における断面の高さの情報を有する。すなわち、光切断線画像データは二次元点群データである。

光切断センサ１３０は、帯状のレーザー光を放射する光源と、帯状光またはライン状光により計測面に生じた光切断線を撮像する受光素子と、を備え、三角測距の原理で生成された計測面の形状プロファイルを光切断線画像データとして取得する。このように光切断法による計測方式を採用することで、例えばタイヤのように単色であるが故に二次元カメラでは判別し難い、欠陥を示す凹凸と文字や模様等の意図的に形成した凸部との判別が可能となる。

光切断センサ１３０を、任意の大きさの被計測物Ｗにおける、任意の計測面の光切断線画像の取得位置に配置するため、例えば、多関節アームを有するロボット１５０の多関節アームの先端に光切断センサ１３０を装着してもよい。ロボット１５０としては、正確な位置制御の観点から、例えば産業用ロボットを採用してもよい。

ロボット１５０に装着された光切断センサ１３０の使用に際しては、ロボット１５０を制御する制御部１６０に、回転テーブル１１０の位置を予め認識させておく。例えば、回転テーブル１１０の中心を交点に直交するＸ軸とＹ軸が予め特定されているとき、まず図３(a)に示すように、光源から放射される帯状光またはライン状光がＹ軸上に照射される位置に光切断センサ１３０を移動させることでＸ＝０の位置を制御部１６０に認識させ、続いて図３(b)に示すように、光源から放射される帯状光またはライン状光がＸ軸上に照射される位置に光切断センサ１３０を移動させることでＹ＝０の位置を、制御部１６０に認識させる。これにより、回転テーブル１１０の中心を基準に、指定した位置に光切断センサ１３０を容易にかつ正確に移動させることができる。そのため、制御部１６０に、被計測物Ｗの任意の計測面の光切断線画像データの取得位置を移動先として指示入力することで、光切断センサ１３０を、光切断線画像データの取得位置に容易にかつ正確に移動させ、配置することができる。なお、制御部１６０に特定の位置を指示入力することなく、ロボット１５０をマニュアル動作させて光切断センサ１３０を任意の位置に移動させてもよい。この場合、移動位置は、回転テーブル１１０の中心を基準として制御部１６０が認識可能であるため、画像処理部１４０などにおいて必要に応じ取得して利用することが可能である。

図４は、被計測物Ｗの底面Ｗｂを計測面とするときの被計測物Ｗに対する光切断センサ１３０の配置状態の一例を示す図である。被計測物Ｗがタイヤの場合、底面Ｗｂはサイドウォール面にあたる。また、図５は、被計測物Ｗの側面Ｗｓを計測面とするときの被計測物Ｗに対する光切断センサ１３０の配置状態の一例を示す図である。被計測物Ｗがタイヤの場合、側面Ｗｓはトレッド面にあたる。光切断センサ１３０をロボット１５０に装着することで、このような任意の配置状態を容易にかつ正確に形成することができる。そして、このように光切断センサ１３０を配置した上で、光切断センサ１３０を起動し、回転テーブル１１０を回転させることで、エンコーダ１２０から信号が入力される都度、計測面の光切断線画像データを順次取得することができる。取得されるそれぞれの光切断線画像データは、帯状の範囲における凹凸の情報を含んでいる。

画像処理部１４０は、光切断センサ１３０において取得された、それぞれの光切断線画像データを収集し、対応する回転角に従い順次配列することで、計測面の表面形状を示す画像を生成する。また、画像処理部１４０は生成した画像をもとに、画像内に写る被計測物Ｗの各部の寸法を算出する等の処理を行ってもよい。

光切断センサ１３０において回転角ごとに順次取得された光切断線画像データをそれぞれ画像化すると、図６(a)に示すように、回転角ごとの複数の光切断線画像Ｂが得られる。計測面が底面の場合、このような回転角ごとの光切断線画像Ｂを同一の径位置に一周分配列することで、底面の表面形状を示す三次元画像を生成することができる。また、計測面が側面の場合、高さ方向に帯状の光切断線画像Ｂを、半径が被計測物Ｗの円周に沿って一周分配列することで、側面の表面形状を示す三次元画像を生成することができる。

計測面の表面形状を示す三次元画像は、実際には次のように生成する。光切断センサ１３０により取得されるそれぞれの光切断線画像データは被計測物Ｗの断面形状を示す二次元点群データであるが、画像処理部１４０において、エンコーダ１２０から回転角に応じ出力される信号をトリガに取得された光切断線画像データに当該トリガとなった信号に対応する回転角の情報を三次元目の情報として付加することで、三次元点群データとすることができる。このように三次元点群データ化したそれぞれの光切断線画像データを三次元配列することで、被計測物Ｗの計測面の表面形状を示す三次元画像を生成することができる。

計測面が底面の場合、光切断センサ１３０により取得されるそれぞれの光切断線画像データである点群データは、光切断線方向である被計測物Ｗの径方向の点位置の座標ｒと、座標ｒにおける断面の高さを示す被計測物Ｗの高さ方向の座標ｚと、を要素とする二次元点群データであり、これにそれぞれの光切断線画像データに対応する回転角θを座標ｒの回転角として付加することで、三次元点群データとすることができる。また、計測面が側面の場合、光切断センサ１３０により取得されるそれぞれの光切断線画像データである点群データは、光切断線方向である被計測物Ｗの高さ方向の点位置の座標ｚと、座標ｚにおける断面の高さを示す、被計測物Ｗの径方向の座標ｒと、からなる二次元点群データであり、これにそれぞれの光切断線画像データに対応する回転角θを座標ｒの回転角として付加することで、三次元点群データとすることができる。

計測面の表面形状を示す三次元画像において、計測面の凹凸の表現方法は任意であり、例えば、立体的に表現してもよいし、色の相違や濃淡などにより表現してもよい。図６(b)は、タイヤの側面の表面形状を示す三次元画像の一例である。

画像処理部１４０は、底面の回転角ごとの光切断線画像データと側面の回転角ごとの光切断線画像データの双方が取得されている場合に、両データから底面の表面形状と側面の表面形状とが連続的に表現された被計測物Ｗの立体画像を生成してもよい。

底面の回転角ごとの光切断線画像データに基づく底面の三次元点群データと、側面の回転角ごとの光切断線画像データに基づく側面の三次元点群データの、それぞれを構成する各点データはいずれも、被計測物Ｗの径方向の座標ｒ、座標ｒの回転角θ及び被計測物Ｗの高さ方向の座標ｚを要素とする。そのため、底面の三次元点群データの座標系と、側面の三次元点群データの座標系を合わせることで、底面の表面形状と側面の表面形状とが連続的に表現された被計測物Ｗの立体画像を生成することができる。底面のデータと側面のデータを異なる座標系で取得し、換算などにより座標系を合わせてもよいが、同じ座標系で取得した方が、速やかにかつ精度よく立体画像を生成することができる。例えば、アームの先端に光切断センサ１３０が装着されたロボット１５０を用い、既述のように回転テーブル１１０の中心を基準として設定された座標系の下で、底面の回転角ごとの光切断線画像データと側面の回転角ごとの光切断線画像データをそれぞれ取得することで、座標系が合ったデータを容易に得ることができる。

生成された立体画像の一例を図７(a)に示す。図７(b)に示すように回転させて観察することも可能である。このように立体画像を生成することで、被計測物Ｗの表面形状を設計時のＣＡＤ図面における表面形状と速やかに照合することが可能となる。

画像処理部１４０は、立体画像を生成する場合以外、例えば、被計測物Ｗの底面の半径、又は被計測物Ｗの高さが、光切断線の幅より広い場合においても、光切断センサ１３０の位置を２以上の箇所に移動させ、それぞれの箇所において光切断センサ１３０を静止させた状態で回転角ごとの光切断線画像データに基づく三次元点群データを取得してもよい。光切断センサ１３０の２以上の静止箇所のそれぞれにおいて収集した三次元点群データの座標系を合わせることで、例えば、サイズが大きい被計測物Ｗの計測面の表面形状を連続的に表現することができる。それぞれの箇所におけるデータを異なる座標系で取得し、換算などにより座標系を合わせてもよいが、同じ座標系で取得した方が、速やかにかつ精度よく立体画像を生成することができる。例えば、アームの先端に光切断センサ１３０が装着されたロボット１５０を用い、既述のように回転テーブル１１０の中心を基準として設定された座標系の下で、光切断センサ１３０の２以上の静止箇所のそれぞれにおいて、回転角ごとの光切断線画像データを取得することで、座標系が合ったデータを容易に得ることができる。

なお、光切断センサ１３０における光切断線画像データの取得に際し、回転テーブル１１０の回転中心と載置された被計測物Ｗの中心軸とが僅かでもずれていると、計測面が底面のときには、回転テーブル１１０が一周する間に光切断センサ１３０が計測面上を相対的に移動する軌道が、半径方向に正弦的にずれることになる。しかし、ずれた軌道においても、光切断センサ１３０の検出範囲内であれば、それぞれの回転角における光切断線画像データは取得できる。ただし、非接触センサである光切断センサ１３０の受光部においてはレンズが使用され、レンズは中央部分の歪みが最も少なく、周辺に向かって歪みが大きくなる。そのため、できるだけセンサによる検出範囲の中央に二次元プロファイルの像が来るように光切断センサ１３０の位置を調整すると共に被測定物Ｗの中心軸が回転テーブル１１０の回転中心とできるだけ一致するように被測定物Ｗの載置された位置を調整することで、最も精度のよい画像が得られる。

回転テーブル１１０の回転中心と載置された被計測物Ｗの中心軸とのずれによる軌道のずれは、回転角に応じ規則的（正弦的）に変化する。そこで、画像処理部１４０で、それぞれの光切断線画像データを対応する回転角に従い順次配列するに際し、回転角に応じたこのような変化の規則性に従い、それぞれの光切断線画像データを補正した上で配列してもよい。これにより、被計測物Ｗの３Ｄ設計データと中心軸を一致させて設計値照合を行い、形状評価が容易にできるようになる。

なお、補正の契機となる回転テーブル１１０の回転中心と載置された被計測物Ｗの中心軸との間のずれの発生は、画像処理部１４０で一旦画像を生成してオペレータが確認することにより認識してもよいし、画像処理部１４０が取得した回転角ごとの光切断線画像データに基づき自動的に認識してもよい。ずれの発生が認識された場合、補正はオペレータが指示入力することにより実行してもよいし、画像処理部１４０が最小二乗法等によりずれ量を算出して自動的に実行してもよい。

画像処理部１４０と制御部１６０は、それぞれ専用の機能部を設けてもよいが、コンピュータ１７０により実現してもよい。コンピュータ１７０は、記憶部１７１、入力部１７２、ＣＰＵ１７３、図示しない表示部及び図示しない外部インタフェースを少なくとも備えるコンピュータであり、例えばパーソナルコンピュータが挙げられる。

コンピュータ１７０は、任意の外部インタフェースを介して、モータ１１２、エンコーダ１２０、光切断センサ１３０及びロボット１５０と通信可能に接続される。

記憶部１７１は、画像処理部１４０の機能が記述されたプログラム及び制御部１６０の機能が記述されたプログラムが予め記憶されるとともに、光切断センサ１３０で取得された光切断線画像データや画像処理部１４０における処理結果などが記憶される任意の記憶媒体である。記憶部１７１はコンピュータ１７０の外部に設けて、外部インタフェースを介して通信可能に接続してもよい。

入力部１７２は、オペレータからの指示等の入力を受け付けるマウスやキーボードなどの入力インタフェースである。オペレータが入力部１７２からプログラムの起動指示を入力することで、記憶部１７１からプログラムが演算処理装置であるＣＰＵ１７３に読み込まれ、プログラムが実行される。オペレータが、プログラムの実行により表示部に表示された画面インタフェースを介して指示内容等を入力し、入力内容に従ったプログラム内容がＣＰＵ１７３で実行されることで、画像処理部１４０や制御部１６０の機能が実現される。

なお、コンピュータ１７０により更にモータ１１２やエンコーダ１２０を制御可能に構成してもよい。

以上説明した表面形状計測装置１００によれば、帯状光またはライン状光により計測面を走査しつつ光切断法による計測を行うため、速やかにかつ正確に表面形状を計測することができる。また、三次元の計測データからコンピュータ内部に被計測物Ｗの三次元モデルを構築して、この三次元モデルに基づいて画面に３Ｄのコンピュータグラフィックにより計測を表示することで、画面上で素早く見る方向を変えたり、拡大表示したり、特定の位置を指定して寸法を表示させて確認したりすることが可能となる。これにより、目視で行っていた寸法確認や、表面形状および表面性状の検査の効率を向上することができる。

続いて、上記のようにして得た被計測物Ｗの表面形状データおよび立体画像に対する処理について説明する。以下で説明する処理は、例えばコンピュータ１７０により（より具体的には、画像処理部１４０により）実施するとよい。

（文字・図形の認識・照合）
被計測物Ｗの表面に凸部（エンボス）あるいは凹部（デボス・刻印）として文字や図形が描かれることがある。これらの文字や図形は、被計測物Ｗの装飾として設けられる他、品番、製造番号等の製造情報の表示として設けられることもある。被計測物Ｗにおいては、被計測物Ｗの識別、良否判定等の目的で、凹部および／または凸部（以下、単に、凹凸という）として描かれた文字や図形を抽出し認識することが求められることがある。

図８に模式的に示すように、被計測物Ｗの表面の凹凸は、計測した立体形状と、被計測物Ｗに凹凸が設けられない場合の形状（以下基準形状という）との差分として抽出することができる。このようにして凹凸を抽出して生成した画像に対して文字や画像を認識する処理を実施する。

例えば、被計測物Ｗがタイヤであり、タイヤのサイドウォール（つまり、円柱形の被計測物Ｗにおける底面）に凸部として描かれた文字・図形を認識する場面を想定する。この場合、サイドウォールに凸部が設けられない（滑らかな表面の）タイヤの形状が基準形状となる。計測した被計測物Ｗの立体形状から差し引く基準形状の座標データ（以下、基準形状データという）は、計測した被計測物Ｗの立体形状のデータに対してフィルタ、点群最適化、曲率変換等の処理を行うことにより、凹凸を除去したデータを自点群から出力するようにするとよい。あるいは、被計測物Ｗの設計データ等に基づいて基準形状データを予め準備してもよい。基準形状データは、計測によって得られる三次元点群データと同様、円筒座標系（ｒ,θ，ｚ）で表すとよい。

計測して得た被計測物Ｗの立体形状と基準形状データとを位置合わせした上で、ｒ－θ平面（回転テーブルの載置面と平行な面）における各座標位置での被計測物Ｗの計測で得た座標ｚと基準形状データの座標ｚとの差分を求めることで、被計測物Ｗの底面に設けられた凸部を抽出することができる。以下ではこのようにして抽出したデータを凹凸データと呼ぶ。なお、文字や図形が凹部として形成されている場合にも、同様の手法により凹部を抽出することができることは言うまでもない。

なお、被計測物Ｗにおいて凹凸が回転テーブルの載置面と平行となる面とは異なる部分に形成される場合には、凹凸が突出または陥没する方向についての差分を求めることで凹凸を抽出するとよい。例えば、被計測物Ｗにおいて凹凸が円柱形の側面に形成される場合には、座標ｒ（すなわち被計測物Ｗの表面の径方向の座標）についての差分を求めることで凹凸を抽出することができる。

立体画像を取得したときの被計測物Ｗは、設計時に想定した形状と比べ変形している場合がある。例えば、被計測物Ｗがタイヤである場合、設計時に想定されるタイヤの立体形状はホイールに装着され所定の内圧が加わった状態の形状である。これに対し、ホイールに装着されておらず内圧も加わっていない状態でタイヤの計測を行うと、タイヤのビード部（ホイールのリムと接する部分）やタイヤウォールは、自重等によって変形していることがある。被計測物Ｗの凹凸を抽出するために用いる基準形状データを設計データ等に基づいて予め準備する場合には、計測時の被計測物Ｗの変形を加味して、同様に変形させた形状のデータを基準形状データとすることが好ましい。

凹凸データから文字や図形を認識する手法は任意である。以下、図９に示すフローチャートを参照しつつ、その一例を説明する。
初めに、基準形状の表面を基準とする凹凸量を示している凹凸データを、凹凸量に応じた画素値を有する凹凸二次元画像に変換する（Ｓ０１）。この凹凸二次元画像には、被計測物Ｗに凹凸として描かれている文字や図形が含まれているが、画像内に写る角度は計測時に被計測物Ｗを回転テーブル１１０に配置したときの角度に依存しており一定ではない。そこで、凹凸二次元画像に写る被計測物Ｗの中から、所定の基準形状を認識する（Ｓ０２）。続いて、凹凸二次元画像に写る被計測物Ｗの中で基準形状が所定の位置に位置するように、凹凸二次元画像を回転させる（Ｓ０３）。このように凹凸二次元画像を回転させることで、凹凸二次元画像に写る被計測物Ｗの向き（角度）を、基準となる向き（角度）に揃えることができる。続いて、基準となる角度となるよう回転させた凹凸二次元画像に対し、任意の手法により文字認識や図形照合を実施する（Ｓ０４）。

例えば、文字認識は、ＯＣＲ（光学的文字認識、Optical Character Recognition）により行うことができる。ＯＣＲによる処理の効率を高めるべく、基準となる角度となるよう回転させた凹凸二次元画像において、ＯＣＲを行う範囲、当該範囲において文字が表記される角度、文字のサイズ等を予め指定することが好ましい。認識された文字列は、例えば、予め定められた文字列と比較・照合する、記憶部１７１に記憶された被計測物Ｗの計測データに紐づける等、後段の処理において利用することができる。

あるいは、被計測物Ｗの設計データや版下のデータに対応した基準画像との照合により、所望の文字や図形が描かれているかを判定してもよい。基準画像は、上述の基準形状データと同様、計測時の被計測物Ｗの変形に対応して変形させたものとすることが好ましい。図形を用いた照合により、被計測物Ｗの良否判定や、正しい金型を用いて被計測物Ｗが製造されたか否かの確認等を行うことができる。

（内周長・外周長の計測）
略円形の外周や内周を有する被計測物Ｗについて、外周長や内周長を計測することを求められることがある。被計測物Ｗが変形しやすいものである場合（例えば、円形のゴムパッキン等）、被計測物Ｗの立体形状の外周や内周を円に近似して内周長や外周長を計算により求めても、変形の影響により高い精度を期待することはできない。

本実施形態における表面形状計測装置１００では、被計測物Ｗを回転テーブル１１０に配置して表面形状の計測を実施する。このとき、被計測物Ｗは、図１０に示したように、着目する内周および／または外周が、回転テーブル１１０を回転させたときに光切断センサ１３０の検出範囲Ｄ内に収まるように回転テーブル１１０に配置しさえすればよく、被計測物Ｗを理想的な円形状（円環形状）とすべく変形を厳しく抑制する必要はない。

そして、計測により得られたデータ（すなわち、全ての回転角での光切断線画像データ）から、画像処理部１４０によって被計測物Ｗを、回転テーブル１１０の上方から見た平面画像ＩＭＧを生成する。続いて、平面画像について、被計測物Ｗの中央部から周縁部に向かう半径方向ついて、所定の中心角刻みで（例えば０．１度毎に）全周に亘りエッジを検出する。図１１は、画像処理部１４０が生成した平面画像ＩＭＧ中に、検出された被計測物Ｗの外周に対応するエッジを×印で表示した例である。そして、このようにして検出された１周（３６０度）分のエッジ群について、隣接するエッジ間の距離の総和を算出して、当該総和を前記被計測物におけるエッジが検出された部分の周長（内周長または外周長）とする。

上記の方法によれば、変形しやすい被計測物Ｗについて、容易に内周長や外周長を計測することが可能となる。

なお、上記の例ではエッジの検出を平面画像に対して実施したが、平面画像を形成する前の、計測により得られる各回転角での光切断線画像データに対してエッジ検出を実施し、光切断線画像データから平面画像を生成する際に、当該平面画像内にエッジ位置を示す情報を付加するようにしてもよい。

（内径・外径の計測）
略円形の外周や内周を有する被計測物Ｗにおける所定の高さ範囲について、内径および／または外径の最大値および／または最小値を計測することを求められることがある。被計測物Ｗの内径や外径が高さに応じて変化するものである場合（図１２にその一例を示す）、上方からカメラ等で撮影した光学画像では、着目する高さ（例えば図１２において符号Ｈで示された範囲）における内径・外径を測定できない場合がある。また、このような被計測物Ｗの表面形状をタッチプローブを用いて計測し、内径や外径を求めることも考えられるが、内径や外径の最大値・最小値を求めるには、着目する高さ範囲の全域について外周や内周の全周に渡り計測を行う必要があり、測定に長時間を要することとなる。

本実施形態における表面形状計測装置１００では、図１３のフローチャートに示されるように、以下の手順にて、内径および／または外径の最大値および／または最小値を計測することができる。処理に先立ち、既述のように、回転テーブル１１０に配置した被計測物Ｗを光切断センサ１３０を用いて（必要に応じて複数の角度から）表面形状の計測を実施する。続いて、内径や外径の最大値・最小値を求める高さの範囲の入力を受け付ける（ステップＳ１１）。そして、得られた被計測物Ｗの表面形状（立体形状）について、円筒座標系（ｒ,θ，ｚ）における周方向θの所定ステップΔθ毎に、外周や内周を成す円形の中心を通る断面プロファイルを抽出する（ステップＳ１２）。続いて、各断面プロファイルについて着目する高さ範囲における径方向の最小値および／または最大値を求める（ステップＳ１３）。そして、全ての断面プロファイルの最小値の中で最小のものを着目する外径または内径における最小値とし、全てのプロファイルの最大値の中で最大のものが着目する外径または内径における最大値とする（ステップＳ１４）。

上記の方法により、内径や外径が高さに応じて変化する被計測物Ｗであっても、比較的短時間で、所望の高さ範囲における内径および／または外径の最大値および／または最小値を計測することが可能となる。また、ロボット１５０に光切断センサ１３０を装着した構成の表面形状計測装置１００によれば、回転体または略回転体からなる被計測物Ｗについて、内側、外側、任意の高さ、任意の角度で測定をすることができるので、例えば、タイヤのような内側に空洞を有する被計測物Ｗについて、空洞の内部に光切断センサ１３０を入れて被計測物Ｗの内側を測定し、さらに外側からも被計測物Ｗを測定して、得られたデータを合成することで、被計測物Ｗの立体形状のデータを得ることができる。そしてこのようにして得た被計測物Ｗの立体形状について、その断面プロファイルから被計測物Ｗの肉厚を計測することも可能となる。

本発明は、上記の実施形態及び変形例に限定されるものではない。上記の実施形態及び変形例は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。すなわち、本発明において表現されている技術的思想の範囲内で適宜変更が可能であり、その様な変更や改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含む。

１００…表面形状計測装置
１１０…回転テーブル
１１１…台座
１１２…モータ
１２０…エンコーダ
１３０…光切断センサ
１４０…画像処理部
１５０…ロボット
１６０…制御部
１７０…コンピュータ
１７１…記憶部
１７２…入力部
１７３…ＣＰＵ
Ｂ…光切断線画像
Ｗ…被計測物
Ｗｂ…底面
Ｗｓ…側面

Claims (10)

1. 回転体からなる被計測物における計測面の三次元表面形状を光切断法により計測する表面形状計測装置であって、
   載置された前記被計測物を円周方向に回転させる回転テーブルと、
   前記回転テーブルの回転角に応じた信号を順次出力するエンコーダと、
   前記計測面に帯状光またはライン状光を照射し、前記回転テーブルが回転することで前記計測面を移動する、前記帯状光またはライン状光により生じた光切断線を、前記エンコーダからの前記信号の出力をトリガに順次撮像して、前記回転角ごとの光切断線画像データを取得する光切断センサと、
   それぞれの前記光切断線画像データを、対応する前記回転角に従い順次配列することで、前記計測面の表面形状を示す三次元画像を生成する画像処理部と、
   を備える表面形状計測装置。
2. 前記光切断センサは、前記計測面が底面のときには前記被計測物の径方向の帯状光またはライン状光を前記底面に照射することを特徴とする請求項１に記載の表面形状計測装置。
3. 前記光切断センサは、前記計測面が側面のときには前記被計測物の高さ方向の帯状光またはライン状光を前記側面に照射することを特徴とする請求項１に記載の表面形状計測装置。
4. 前記画像処理部は、それぞれの前記光切断線画像データを、対応する前記回転角に従い順次配列するに際し、前記回転テーブルの回転中心と前記被計測物の中心軸とのずれに基づく規則性に従い補正して配列することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の表面形状計測装置。
5. 前記画像処理部は、前記計測面が底面である前記回転角ごとの光切断線画像データと、前記計測面が側面である前記回転角ごとの光切断線画像データと、から前記底面の表面形状と前記側面の表面形状とが連続的に表現された前記被計測物の立体画像を生成することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の表面形状計測装置。
6. 多関節アームを有し、その先端に前記光切断センサが装着されるロボットと、
   指示入力により、前記ロボットに前記光切断センサを前記光切断線画像データの取得位置に移動させる制御部と、
   を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の表面形状計測装置。
7. 前記ロボットにより前記光切断センサを移動させて、２以上の前記取得位置における前記回転角ごとの光切断線画像データを、共通の座標系で取得することを特徴とする請求項６に記載の表面形状計測装置。
8. 前記画像処理部は、計測した前記被計測物の計測面の三次元表面形状から所定の基準形状を差し引くことにより、前記被計測物の計測面に設けられた凹凸を抽出し、抽出した前記凹凸により描かれた文字および／または図形を認識することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の表面形状計測装置。
9. 前記画像処理部は、
   計測した前記被計測物の計測面の三次元表面形状から、被計測物を前記回転テーブルの上方から見た平面画像を生成し、
   生成した前記平面画像について、前記被計測物の中央部から周縁部に向かう半径方向ついて、所定の中心角刻みで全周に亘りエッジを検出し、
   隣接するエッジ間の距離の総和を算出して、当該総和を前記被計測物におけるエッジが検出された部分の周長とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の表面形状計測装置。
10. 前記画像処理部は、
    計測した前記被計測物の計測面の三次元表面形状から、円筒座標系の周方向の所定ステップ毎に、被計測物の中心を通る複数の断面プロファイルを取得し、
    取得した前記断面プロファイルのそれぞれについて着目する高さ範囲における径方向の最小値および／または最大値を求め、
    全ての前記断面プロファイルにおける最小値の中で最小のものを着目する外径または内径における最小値とし、
    全ての前記断面プロファイルにおける最大値の中で最大のものを着目する外径または内径における最大値とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の表面形状計測装置。
    
    

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