JP4835857B2 - 形状測定装置の校正方法及び校正用軸物 - Google Patents

Description

本発明は、例えばクランクシャフトのような軸物（回転体）の形状を２次元の非接触スキャナを用いて測定する形状測定装置の校正方法に関するものである。

従来、被測定物の形状を、光切断法を用いて測定する形状測定装置の校正は、次のように行われていた。
まず、被測定物と同材質で断面の形状寸法が大略同じで、かつ各部の正確な形状寸法が既知である校正治具を校正治具搭載用架台に搭載することにより空間上の所定位置に配置する。次に、この状態で校正治具の形状寸法を測定し、校正治具の形状寸法の既知の値と測定結果とを基準にして測定装置を校正する、という方法であった（特許文献１参照）。

特開平１０−１２２８３７号公報

しかしながら上記従来技術では、校正治具の測定に際して、種々の方向からレーザ光を照射しなければならず、上記測定に要するコストが大となり、かつ、その測定のための装置や演算が複雑になった。また、被測定物が変わるたびに、校正治具を作り直す必要があ
り、全体として複雑で、高コストの校正方法となっていた。
本発明の課題は、軸物の形状を光切断法による２次元の非接触スキャナを用いて測定する形状測定装置において、簡単、低コストでその校正を行うことのできる方法（形状測定装置の校正方法）を提供することにある。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項１に記載の形状測定装置の校正方法を下記構成とすることによって解決される。
光切断法による２次元非接触スキャナを用いて被測定軸物の形状を測定する形状測定装置の校正方法において、基準位置・姿勢にある既知の形状を有する校正用軸物の静止時及び軸周り方向回転時における各部の、前記２次元非接触スキャナの光学センサ部からの距離を、前記校正用軸物の軸周り方向の回転角度と共に取得し、得られた回転角度−距離データの集合に基づいて、前記校正用軸物の基準位置・姿勢に対する前記光学センサ部の位置・姿勢のずれを求め、求められたずれを補正パラメータとして用いて前記被測定軸物の形状測定における校正を行うものであって、前記校正用軸物は、半割以上の大きさの円弧面を有する一部切欠き円柱体の前記円弧面とは反対側に、軸方向に沿う平面部を有し、かつ、前記一部切欠き円柱体の軸方向定位置の、前記平面部を除く外周面の軸周り方向に、断面三角形の突条部を有することを特徴とする形状測定装置の校正方法。

請求項１に記載の発明によれば、軸物の形状を光切断法による２次元の非接触スキャナを用いて測定する形状測定装置の校正方法において、簡単、低コストでその校正を行える形状測定装置の校正方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図１は本発明による形状測定装置の校正方法の一実施形態を説明するための斜視図、図２は同じく装置構成図である。
両図において、１は既知の形状（寸法を含む。以下同様。）を有する校正用軸物で、基準位置・姿勢にて軸周り方向に回転可能に配置される。この校正用軸物１は、形状の異なる種々の被測定軸物に対して共通であり、したがって通常、１個用意すればよく、以下この校正用軸物１をマスタワークと称する。マスタワーク１は、被測定軸物の形状測定時と同様の位置・姿勢で回転可能に配置される。

２は、光切断法による２次元非接触スキャナ３を用いて被測定軸物の形状を測定する形状測定装置であり、本発明方法による校正対象である。
この形状測定装置２は、上記２次元非接触スキャナ３と３次元形状データ化処理装置４とを備えてなる（図２参照）。
２次元非接触スキャナ３は、ここでは三角形状に広がるシート状のレーザ光３ａをマスタワーク１の測定面、つまり外周面に対して横一直線、１ライン照射し、その反射光３ｂを受光する光学センサ部３ｃと、マスタワーク１を図示測定位置において軸周り方向に回転させるモータ３ｄとを備えてなる。光学センサ部３ｃは、三角測量原理のレーザ光切断方式２次元変位センサを備える。
本実施形態では、マスタワーク１の軸周り方向の回転角度を検出可能にロータリエンコーダ５が設けられ、このロータリエンコーダ５からの回転角度データが３次元形状データ化処理装置４に入力される構成となっている。
なお、上記光切断法は、平面視が三角形状ないし扇状に広がり、側面視が線状のシート状光、スリット光等と称される光を光源から被測定物に照射し、その反射光を光センサで受け、上記光源の位置、光の投射角度・位置、光センサの位置等から三角測量の原理により求められる光源−被測定物間の距離に基づき、被測定物の３次元形状を測定する周知の形状測定法である。

２次元非接触スキャナ３は、マスタワーク１の静止時及び軸周り方向回転時における各部の、光学センサ部３ｃからの距離を、マスタワーク軸周り方向の回転角度と共に取得する。本実施形態では、マスタワーク軸周り方向の回転角度はロータリエンコーダ５から取得する。
そして、得られた回転角度−距離データの集合（距離データ群と略記する。）に基づいて、マスタワーク１の、具体的にはマスタワーク回転軸１ａの、基準位置・姿勢（基準値）に対する光学センサ部３ｃの位置・姿勢のずれ（基準値からの誤差）を求める。
光学センサ部３ｃの位置・姿勢は、図１中に示す光学センサ部座標系（スキャナ座標系）の６軸、つまり、光学センサ部３ｃにおける３次元直交座標系の３軸Ｘs，Ｙs，Ｚs及びそれら３軸Ｘs，Ｙs，Ｚsの回転角度θxs，θys，θzsをもって表される。
なお、図１中のＸw，Ｙw，Ｚwは、基準座標系、つまり、マスタワーク１における３次元直交座標系（ワーク座標系）の３軸を表し、このうちＸw軸はマスタワーク１の回転軸１ａに合わされている。θwはマスタワーク回転軸１ａの回転角度を表す。

形状測定装置２は、求められた上記ずれを補正パラメータ（校正データ）として用いて光学センサ部３ｃの位置・姿勢の校正を行う。
本実施形態では、上記校正は３次元形状データ化処理装置４が行う被測定軸物の形状測定のための３次元形状データ化の演算において実行されるもので、この３次元形状データ化演算の結果は、光学センサ部３ｃの校正が実行された３次元形状データとなる。
なお、上記校正方法（形状測定方法）において、マスタワーク１の製作精度、回転軸１ａのフレ精度は、いずれも目標とする校正精度（形状測定精度）に比べて充分高いことを要する。

以下に、上述実施形態に係る校正方法の具体例について述べる。
まず、マスタワーク１の具体的な構成について、図３及び図４を参照して説明する。
図３は斜視図、図４は２面図（(ａ)は側面図、(ｂ)は正面図）である。
図示するように、マスタワーク１は、半割以上の大きさ、ここでは半割を充分超える大きさの円弧面１ｂを有する一部切欠き円柱体の上記円弧面１ｂとは反対側に、軸方向に沿う平面部１ｃを有してなる。
このマスタワーク１は、上記一部切欠き円柱体の軸方向の予め定められた位置、図示例では軸方向ほぼ中央位置の、平面部１ｃを除く外周面の軸周り方向に、断面三角形（そろばん玉形）の突条部１ｄを有する。
円柱体の半割以上の大きさの円弧面１ｂを有する一部切欠き円柱体形状とすれば、マスタワーク１（上記円柱体）自身の横断面中心部を中心として、マスタワーク１を軸周り方向に回転可能とし得る。

次に、上記のような形状が既知のマスタワーク１を用いた本発明方法の実施例を図１〜図４に、図５〜図１５を併用して説明する。
上述実施形態に係る校正方法は、図３，図４に示した形状が既知のマスタワーク１を被測定軸物の形状測定時と同様に配置した上で、２次元非接触スキャナ３の光学センサ部３ｃからマスタワーク１までの距離を計算するが、初めに、この距離計算の原理について図５を参照して説明する。なお、図５においては、マスタワーク１の側面視形状を便宜上、円形に描いた。

図５に示すように、
Ｌ：スキャナ基準点からマスタワーク１の回転軸１ａまでの距離
Ｄ（Ｘs）：光学センサ部３ｃからの出力値（距離データ）
としたとき、r（Ｘs）は、
r（Ｘs）＝Ｌ−Ｄ（Ｘs）
で求められる。
ここで、rはマスタワーク１の半径を表す。各軸記号は図１と同様である。
上記によれば、光学センサ部３ｃの出力値によるマスタワーク１各部の位置（姿勢）の３次元化（直交座標変換）は次の各式の計算によって行われる。
Ｘw＝Ｘs
Ｙw＝r（Ｘs）sinθ
Ｚw＝r（Ｘs）cosθ
なお、上記スキャナ基準点とは、光学センサ部３ｃ、詳しくはそのレーザ光３ａの出射部を指すが、このスキャナ基準点の位置（レーザ光３ａの出射部位置）はＹs軸上の位置を除いて反射光３ｂの受光部位置と同じである。上記３次元化においては、レーザ光３ａの出射部位置と反射光３ｂの受光部位置とのＹs軸上のずれは補正された上で計算される。

上述したように、光学センサ部３ｃの出力値（距離データ）から直交座標変換によってマスタワーク１各部の位置の３次元化が行われるが、形状測定装置２の校正に当たって、光学センサ部３ｃ（詳しくはスキャナ基準点）の位置・姿勢を求めるには、マスタワーク１の特定の回転角度における位置・姿勢のみの測定では足りない。
そこで、マスタワーク１を必要な角度範囲に亘って回転させ、光学センサ部３ｃから出力される距離データを収集して、マスタワーク１の基準位置・姿勢に対する光学センサ部３ｃの位置・姿勢のずれを求める。具体的には、基準座標系であるワーク座標系に対する光学センサ部座標系（スキャナ座標系）のずれを求めるもので、以下、そのための全処理手順を通して説明する。

図６において、ステップ６０１では、光学センサ部３ｃの位置・姿勢の演算処理を開始するに当たって、マスタワーク１の位置・姿勢の初期化（基準値へのセット）を行う。
すなわち、マスタワーク１を、その平面部１ｃを垂直に立てた（平面部法線ベクトルとＺw軸が一致した）姿勢にて、回転可能に配置する。
この状態をマスタワーク１の初期状態と定義し、θw＝０とする。

ステップ６０２では、θys（Ｙs軸周りの回転角度）を求める。
このθysは、上記初期状態（θw＝０）で１ライン測定して求める。すなわち、光学センサ部３ｃにおいて、シート状のレーザ光３ａを初期状態のマスタワーク１の平面部１ｃに対して横一直線、１ライン照射し、その反射光３ｂを受光し、２次元非接触スキャナ３の光学センサ部３ｃから出力される距離データＤ（Ｘs）群を用いて計算により求める（Ｄ（Ｘs）につき、図５参照）。
具体的には、マスタワーク１の平面部１ｃをＸw−Ｙw平面（図５，図７参照）と平行、つまりθw＝０におくと、光学センサ部３ｃから出力される距離データＤ（Ｘs）群を結んだ線８１（図８参照）の傾き角はθysと一致することを利用して算出する。なお、図８において、縦軸はＤ（Ｘs）を、横軸はＸsを表す。

図６において、ステップ６０３では、θxs（Ｘs軸周りの回転角度）及びＹs，Ｚsを求める。
これらθxs，Ｙs，Ｚsは、マスタワーク１を、上記初期状態から所定の回転角度、ここでは図９に示す回転角度：−θwa＜θw＜θwaの範囲で回転させ、その間、光学センサ部３ｃから、マスタワーク１の回転角度と距離データＤ（δ）を同期して取得する。そして、得られた多数の測定ラインについての、光学センサ部３ｃから出力される距離データＤ（δ）群から求められる、Ｚw軸と、図７中の太破線で示すベクトル７１とが一致する１点を用いて計算により求める。

具体的には、まず、ベクトル７１について、−θwa＜θw＜θwaの範囲でマスタワーク１を回転させながら各測定ラインについて距離データＤ（δx）（図７参照）を取得する。
次に、図１０，図１１に示す、ある角度θw1について、光学センサ部３ｃから出力される距離データＤ（δx）が同一になる角度θw2を全て探索し、図１１に示すような交点座標１１１（Ｚw，Ｙw）を順次求める。求めた複数の交点座標１１１を結べば、Ｚw−Ｙw平面内でのレーザ光３ａの光軸（Ｚs軸）１１２の直線方程式が求まり、図１２に示すように、その傾きからθxsが求まる。
そして、このθxs、Ｚw−Ｙw平面の中心軸からの距離t（図４，図１１，図１２参照）及び図１２に示す垂直平面１２１を計測したときの垂直平面１２１までの距離データＤ（δx）を用いて、Ｙs，Ｚsを求める。
なお、図９は図７中のＡ−Ａ'線断面矢視図である。
図１１における交点座標１１１（Ｚw，Ｙw）は、下式（１）により求められる。

図６において、ステップ６０４では、θzs（Ｚs軸周りの回転角度）を求める。
このθzsは、マスタワーク１を、上記初期状態から角度を−θwa＜θw＜θwaの範囲で回転させ、その間、光学センサ部３ｃから、マスタワーク１の回転角度と距離データＤ（Ｘs）を同期して取得し、得られた複数の測定ラインについて距離データＤ（Ｘs）から計算により求める。
このＺs軸周りの回転角度θzsは、上記初期状態から、例えば図１３に示すように４５°に傾斜した平面部１ｃを測定した場合は、図１４に示すように、Ｘs−Ｄ（Ｘs）平面における距離データＤ（Ｘs）群を結んだ線１４１のＸs軸に対する傾き角と等しい。θzsは、これを利用して求める。なお、図１４において、縦軸はＤ（Ｘs）を、横軸はＸsを表す。

図６において、ステップ６０５ではＸsを求める。
このＸsは、マスタワーク１の突条部１ｄを横切る１ラインを測定し、光学センサ部３ｃからの複数の距離データＤ（Ｘs）を用いて突条部１ｄの頂点を計算することにより求める。
ステップ６０２〜６０４によって求められたマスタワーク回転軸１ａの基準位置・姿勢に対する光学センサ部３ｃの位置・姿勢（５軸＝Ｙs，Ｚs及びこの３軸Ｘs，Ｙs，Ｚsの回転角度θxs，θys，θzs）のずれを補正パラメータとして用いて測定されたマスタワーク１の３次元形状データは、Ｘw軸方向に平行移動したデータとなる。したがって、図１５に示すように、突条部１ｄの稜線の交点（突条部頂点）１５１のＸw座標を求めることでＸsが求まる。

以上により、図１中に示す光学センサ部３ｃにおける３次元直交座標系の全６軸（３軸Ｘs，Ｙs，Ｚs及びこれら３軸Ｘs，Ｙs，Ｚsの回転角度θxs，θys，θzs）が、つまり光学センサ部３ｃの位置・姿勢が求まる。

形状測定装置２の校正に当たっては、上記のようにして求められた光学センサ部３ｃ、詳しくはスキャナ基準点の位置・姿勢の、マスタワーク１の位置・姿勢からのずれ（基準値からの誤差）を求める。
そして、このずれを補正パラメータとして用いて、上記被測定軸物の形状測定における３次元形状データ化の演算を行うことで、得られる３次元形状データは、形状測定装置２、すなわち、光学センサ部３ｃについて校正された後の３次元形状データとなる。

上述実施例による効果を図１６、図１７及び図４（ａ）を参照して説明する。
図１６は、校正前の形状測定装置２で測定されたマスタワーク１１の側面視形状・姿勢を示す。図１７は、校正後の形状測定装置２で測定されたマスタワーク１１の側面視形状・姿勢を示す。
各図に示されたマスタワーク１１を、図４（ａ）に示す設計図上のマスタワーク１の側面視形状・姿勢と対照すると、図４（ａ）に示すマスタワーク１の側面視形状・姿勢に比べて、前者（図１６）は歪み、ずれを有している。これに対して、後者（図１７）は歪み、ずれがなく、図４（ａ）に示すマスタワーク１の側面視形状・姿勢と同様の形状・姿勢を示しており、校正が有効に行われていることが分かる。

なお上述実施形態では、マスタワークに照射するレーザ光をシート状（マスタワーク測定面において線状に照射される形態）としたが、これのみに限定されることない。例えば線状（マスタワーク測定面において点状に照射される形態）であってもよく、この場合、線状レーザ光は、マスタワーク測定面に対して横一直線状に１回首振り走査することで１ラインの照射が行われる。

本発明方法の一実施形態を説明するための斜視図である。 本発明方法が適用される形状測定装置の構成図である。 マスタワークの一例を示す斜視図である。 同じく側面図及び正面図である。 光学センサ部（２次元非接触スキャナ）からマスタワークまでの距離計算の原理を説明するための図である。 光学センサ部の位置・姿勢を求める手順を説明するためのフローチャートである。 図６中のステップ６０２における処理の説明図（その１）である。 同じくステップ６０２における処理の説明図（その２）である。 同じくステップ６０３における処理の説明図（その１）である。 同じくステップ６０３における処理の説明図（その２）である。 同じくステップ６０３における処理の説明図（その３）である。 同じくステップ６０３における処理の説明図（その４）である。 同じくステップ６０４における処理の説明図（その１）である。 同じくステップ６０４における処理の説明図（その２）である。 同じくステップ６０５における処理の説明図である。 実施例の効果を説明するための図（その１）である。 実施例の効果を説明するための図（その２）である。

符号の説明

１：マスタワーク（校正用軸物）、１ａ：回転軸、１ｂ：円弧面、１ｃ：平面部、１ｄ：突条部、２：形状測定装置、３：２次元非接触スキャナ、３ａ：レーザ光、３ｂ：反射光、３ｃ：光学センサ部。

Claims (1)

1. 光切断法による２次元非接触スキャナを用いて被測定軸物の形状を測定する形状測定装置の校正方法において、
   基準位置・姿勢にある既知の形状を有する校正用軸物の静止時及び軸周り方向回転時における各部の、前記２次元非接触スキャナの光学センサ部からの距離を、前記校正用軸物の軸周り方向の回転角度と共に取得し、得られた回転角度−距離データの集合に基づいて、前記校正用軸物の基準位置・姿勢に対する前記光学センサ部の位置・姿勢のずれを求め、求められたずれを補正パラメータとして用いて前記被測定軸物の形状測定における校正を行うものであって、
   前記校正用軸物は、半割以上の大きさの円弧面を有する一部切欠き円柱体の前記円弧面とは反対側に、軸方向に沿う平面部を有し、かつ、前記一部切欠き円柱体の軸方向定位置の、前記平面部を除く外周面の軸周り方向に、断面三角形の突条部を有することを特徴とする形状測定装置の校正方法。