JP5113030B2 - 三次元形状計測方法及びその為の基準部材 - Google Patents

Description

本発明は、三次元形状計測方法及びその為の基準部材に関する。特に、光学的手法で物品の三次元形状を高精度に計測する場合に好適な、三次元形状計測方法及びその為の基準部材に関する。

生産、開発、研究等の現場では、出来上がった製品や、開発、試作等をしている製品等について、三次元形状を計測したい場面が多い。このような場面で利用される手法の一つとして、レーザ変位計（反射型）を利用したものがある。
具体的装置例としては、例えば株式会社キーエンス（大阪市東淀川区）から販売されているセンサヘッドＬＪ−０８０及びコントローラＬＪ−３０００がある。また、関連する特許文献として、例えば下記特許文献１がある。

計測対象物の三次元形状データを得たい場合、通常はその計測対象物を異なる姿勢、例えば表側（おもてがわ）と裏側にし、夫々の姿勢でその三次元形状を計測し、結果を合成する。計測対象物をワイヤで吊すなどすれば、一度で計測することも可能であろう。しかし、その形式では、多くの場合姿勢が安定しない。
それ故通常は、計測対象物を定盤等の上に載置し、そこで姿勢を変えて複数回計測をする。例えば、先ず表側について三次元形状を計測する。そのあと裏返し、こちらの側についてその三次元形状を計測する。そのあと、これら表側、裏側の夫々の三次元形状データを、自動で、或いは作業実行者の判断で合成し、一つの三次元形状データとする。

この合成作業は、熟練を要する。即ち、先ず表側について計測した三次元形状データに含まれる幾つかの点は、裏側について計測した三次元形状データにも含まれるから、これらを一致させれば、二つの三次元形状データは簡単に一つに合成できる筈である。
しかし、実際は、一方の点に対応する他方の点がどれであるか、なかなか判別ができない。それ故、実際には熟練を要する。

そこで、出願人会社では、計測対象物に基準部材を取着することを提案して来た。基準部材とは、例えば取付座に所定形状部が形成されたものであり、一例を図４（Ａ）に示す。
図に於て、５０は基準部材、５１は取付座、５２は所定形状部（真球（所定精度の））である。この所定形状部５１の真球形の中心点を、表側の形状データと裏側の形状データとを合成するときの指標とする。このような中心点が三つ以上与えられれば三角形が想定でき、一つの平面が定まる。従って、夫々の三次元形状データに現れている各平面を合致させれば、表側のデータと裏側のデータとを一つに合成できる。この場合、この基準部材５０には造影剤５３が塗布される。これにより鮮明な画像が取得できる。
特開２００１−３１７９２２号公報

しかし、所定形状部５２は、言うまでもなく立体である。これに、スプレー等で塗布するとして、丸いところや角ばったところなど、その全体に均一に造影剤を塗布することは難しい。
計測装置の精度は年々向上している。また向上を求められている。この為、膜厚にムラがあると、それが所定形状部５２の中心点の導出に影響し、このような中心点を基準にデータを合成してしまうと、三次元形状データの誤差が大きくなる。
本発明の目的は、この誤差を出来るだけ少なくすることにある。

上記目的達成のため、請求項１の発明では、セラミックから成る所定精度の真球部を有する基準部材が３個以上計測対象物に取着され、前記基準部材を含む前記計測対象物の三次元形状が、前記計測対象物の或る姿勢とその裏返しの姿勢について光学的手法で計測され、前記基準部材の真球部の三次元形状から導出された各基準点を指標にして、前記計測で取得された計測対象物の夫々の姿勢についての夫々の三次元形状データが、前記計測対象物の三次元形状を表す一つの三次元形状データへと合成される三次元形状計測方法に於て、前記基準部材の真球部の表面全体が所定精度の粗面とされ、且つ該真球部には段差が形成されている
。

また、請求項２の発明では、セラミックから成る所定精度の真球部を有し、計測対象物に３個以上取着され、それを含めた前記計測対象物の三次元形状が、前記計測対象物の或る姿勢とその裏返しの姿勢について光学的手法で計測され、前記真球部の三次元形状から導出された各基準点を指標にして、前記計測で取得された計測対象物の夫々の姿勢についての夫々の三次元形状データが、前記計測対象物の三次元形状を表す一つの三次元形状データへと合成される三次元形状計測に使用される三次元形状計測用基準部材に於て、前記真球部の表面全体が所定精度の粗面とされ、且つ該真球部には段差が形成されている。

造影剤５３の膜厚が均一にならないなら、所定形状部５２への塗布をやめれば良い。しかし、そうしたのでは、実際は所定形状部５２の外形が正しく計測されない。このことは経験的に知られている。それ故、所定形状部５２への造影剤５３の塗布が続けられている。
そこで、発明者は、所定形状部であるセラミックの真球にサンドブラストを施し、表面を粗面にしてみた（請求項１，請求項２）。すると、造影剤を塗布しなくても、その形状が正しく計測されるようになった。粗面にしたことでレーザ光の乱反射が無くなり、その結果、取得される画像が鮮明になって、この真球部の形状が正しく認識されるようになったのではと考えられる。

真球の素材はセラミックが良い（請求項１，請求項２）。この素材にしたとき良好な計測が出来た。実験では白色セラミックの真球を用いた。白色であることが関与しているかも知れないが、セラミックという素材に粗面化処理をしたことも寄与していると考えられる。
真球は、所定精度にすると良い（請求項１，請求項２）。真球は、直径の精度及び真球度について、精度の高いものが製作可能であり、市販されている。実験では直径９.５２５ｍｍの市販の真球を用いた。球形についての三次元形状データから、球の中心点を導出するソフトウェアも提供されている。これらを利用することで、精度の高い計測が安価に実現できる。

素材はセラミックとし、形状は所定精度の真球にする、こうするのが特に良い（請求項１，請求項２）。この構成にしたとき良好な計測が出来た。実験では、白色セラミックから成る直径９.５２５ｍｍの所定精度の真球を用いた。白色であることが関与しているかも知れないが、セラミックという素材に粗面化処理をしたことも寄与していると考えられ、しかも所定精度の真球であることも基準点の正確な導出に寄与していると考えられる。
また、真球部分には段差を設ける。こうすると、計測対象物が不図示ディスプレイに表示された際、取付座部分と真球部分の境界が見分け易くなる。それにより、この真球部分を指定する作業が容易になる。

図１，図２に、本発明の実施の形態の一例を示す。図に於て、３０は計測対象物である。波型３１が上面となっている図示の状態を表とする。１は基準部材で、計測対象物の左側面と右側面に、夫々２個づつ合計４個接着剤で取着されている。
基準部材１の詳細を図３に示す。同図（Ａ）にその正面形状を示し、同図（Ｂ）に中央縦断面を示す。この基準部材１は、取付座２と、これに固定された基準球３とからなる。

取付座２は、アルミニウムの素材を切削して形成されている。基準球３は、白色のセラミックの所定精度の真球が一部平面に切削されたものである。セラミックの真球は工業材料として市販されている。実施の形態例では直径９.５２５ｍｍのものを使用した。この基準球３の中心点は、請求項に言う基準点に当る。

尤も、市販のセラミック真球は、完全無欠な真球ではない。それでも、その三次元形状データから導出した球の中心点には、三次元形状計測装置の精度に比べ、現在のところ十分な精度がある。それ故、別途注文をする必要は無い。従って費用が少なくて済む。
但し、精度の高い計測が必要なときは、言うまでもなく、それに見合う精度の直径と真球度を有する真球を用いる。

基準球３の表面は所定精度の粗面とされている。実験したところでは、下記仕様としたとき、基準球３の外形が的確に認識され、表側の形状と裏側の三次元形状データの合成が円滑に実施できた。
研磨剤ＷＡ＃１２０、ガン形式Ｆ２−３、空気圧０.４Ｍｐａ、距離５０ｍｍ、時間６０秒
但し、研磨剤、ガン形式は、株式会社不二製作所（東京都江戸川区）が使用している呼称である。ここに示した例は一例に過ぎず、研磨剤の種類、粗さ、ガンの種類その他は、要求される計測精度や、計測の確実性を勘案して定める。粗面化が不十分だと、従来手法で造影剤を塗布しなかったときと同様に計測が不確実になる。

なお、本実施の形態例では、真球の一部が前述したように平面に切削され、基準球３とされている。切削して形成された平面は円形を成し、その直径は、取付座２の直径より大きくされている。つまり、両者の接合部にはわざと段差４が設けられている。

計測作業では、基準球３の球形部分に係る三次元外形データから、その中心点が導出される。これを指標にして、表側と裏側の三次元形状データが合成される。
この場合、球形部分をソフトウェアで自動検出することも考えられる。ここでは、マウス等を操作して、作業実行者の手で球形部分を指定することを想定している。
そういうとき、上記のように段差４を設けておくと、計測対象物３０が不図示ディスプレイに表示された際、取付座２部分と基準球３部分の境界が見分け易い。それにより、基準球３の球形部分を指定する作業が容易になる。

図１，図２に戻り、６は第一垂直アームであり、不図示三次元位置決め機構に支承されていて、三次元の各方向Ｘ＋−，Ｙ＋−，Ｚ＋−に移動される。Ｃ１はこれら方向の原点である。
７は自在継手であり、駆動機構を内蔵する（不図示）。この駆動機構により、その下に支承されている第二アーム８及びプローブ９を、原点Ｃ１を中心にして、各矢印ＲＸ＋−，ＲＹ＋−各方向に回動する。矢印ＲＸ＋−はＸ軸を含む垂直面内にあり、矢印ＲＹ＋−はＹ軸を含む垂直面内にある。
プローブ９は、レーザ光走査機構１１と撮像装置１２とを備える。レーザ光走査機構１１は、不図示レーザダイオードから照射されるレーザ光１３を、Ｘ軸に平行な垂直面内で、下方向に向けて走査する（１４）。撮像装置１２は下向きで垂直軸に対し所定角度を成す方向に指向されている。

レーザ光１３が垂直面内で走査される（１４）結果、計測対象物３０の表面には、その垂直断面の上辺に相当するレーザ光の輝線１６が出現する。この輝線１６を撮像装置１２で撮像する。撮像装置１２は垂直方向に対し斜めに指向されていて、その方向からこのレーザ光の輝線１６を撮像している。それ故、撮像されたレーザ光の輝線１６の画像の高さ方向を、撮像装置１２の指向方向に対応した三角関数で補正すれば、計測対象物３０の垂直断面の上辺に相当する輝線１６について、本来の二次元データ（Ｘ軸−Ｚ軸分）が取得される。

計測の手順の一例を説明する。先ず不図示三次元位置決め機構を駆動し、プローブ９を開始位置に置く。開始位置とは、そこから計測を開始すれば計測対象物３０の全体を捉え得る位置のことを言い、例えば図の左下方向の端を言う。ここにプローブ９を位置させる。ここから、例えばＹ＋方向に所定量づつ、例えば３０ミクロンづつプローブ９を移動させ、夫々の位置でのレーザ光走査に対応する輝線１６を撮像する。

次いで、次の範囲を走査できるようにプローブ９を所定量Ｘ＋方向に移動させる。その位置から、今度はＹ−方向に所定量づつプローブ９を移動させ、夫々の位置でレーザ光走査による輝線１６を撮像する。以後、同様に走査１４、撮像を実行する。言わば計測対象物３０をジグザグに走査１４、撮像して行く訳である。
これら撮像により、４つの基準球３を含む計測対象物３０の上面全体について、三次元形状データが取得される。

このような計測を、計測対象物３０の前後左右の各側面についても実行する。即ち、自在継手７をＲＸ＋−或いはＲＹ＋−各方向に回動して、プローブ９を計測対象の夫々の側面に対向させる。そして、不図示三次元位置決め機構を駆動して、プローブ９を所望方向Ｘ＋−，Ｙ＋−又はＺ＋−へ移動させながら、各側面について、その三次元形状データを取得する。
これらの計測で、計測対象物３０の表側全体について、即ち、上面及び前後左右の各側面について、その三次元形状データが取得される。
このあと、計測対象物３０を裏返す。そして、この裏側について、同様にしてその形状に対応した三次元形状データを取得する。この裏返しの前と後が、請求項にいう「計測対象物の或る姿勢とその裏返しの姿勢」に当る。

表側の三次元形状データ及び裏側の三次元形状データには、夫々４つの基準球３についての三次元形状データが含まれる。
これら表側及び裏側についての計測結果に基いて、パーソナルコンピュータで構成される不図示制御装置は、その不図示ディスプレイに計測対象物３０の表側及び裏側の各外形を表示する。

作業実行者は、不図示マウスやキーボードを操作し、表側、裏側の各外形について、夫々に表示されている４つの基準球３の球形部分を選択する。この選択では、ディスプレイにその範囲を示す方形が表示されるので、その中に基準球３の球形部分だけが含まれるように、その位置、角度、大きさを調節する。
前述したように、基準球３と取付座２との間には段差４が設けられている。それ故、容易にこの選択ができる。この後、これら各基準球３の球形の中心点を導出する処理の実行を指示する。

これに応動して、不図示制御装置のプログラムは、各基準球３の球形部分について、その三次元形状データの中から、例えば５つの代表点を抽出する。そして、これら代表点を基にして、各基準球３の球形の中心点を導出する。
前述したとおり、基準球３の素材のセラミック球は所定精度の真円に仕上げられている。更にその表面は、所定精度の粗面とされていて、造影剤５３は塗布されていない。従って、各基準球３の球形を表す夫々の三次元形状データは、所望の精度を維持しており、それらを基に導出された球形の中心点も又、所定の精度を有している。

各基準球３の球形の中心点を導出する処理が終ったら、これら中心点を指標にして、表側についての三次元形状データと、裏側についての三次元形状データとの合成を実行させる。
前述したように、導出された各基準球３の球形の中心点は所定の精度を有している。それ故、表側についての三次元形状データと、裏側についての三次元形状データの合成は、極めて正確に実行される。これによって取得された一群の三次元形状データは、計測対象物３０の外形全体を高精度に再現する。

なお、これら基準球３の球形の中心点について、表側の三次元形状データから導出されたものと、裏側の三次元形状データから導出されたものとが、完全に一致しない場合も有り得る。
そのような場合は、当該計測対象物３０に於て、重視される部分の形状が、より正しく再現されるように、何れかの中心点の座標データを修正し、両者の合成を実行する。
このように一部修正して合成をしても、前述したように基準球３の中心点の座標データは、従来より精度が高くなっている。従って、合成された三次元形状データも従来より精度が高くなる。

変形例について説明する。実施の形態例では、取付座２と基準球３とで基準部材１を構成した。取付座２を使用せず、基準球３だけを直に計測対象物３０に取着しても構わない。こうした場合、この基準球３は、形状が真球である点で請求項にいう真球部に当る。また、そのような形状を有する部材である点で請求項にいう基準部材にも当る。

本発明の一実施の形態例を示す斜視図。計測対象物３０の表側を計測している。 本発明の一実施の形態例を示す斜視図。計測対象物３０の裏側を計測している。 本発明で使用される基準部材の一実施の形態例１を示し、同図（Ａ）は正面図、同図（Ｂ）は中央縦断面を示す。 従来使用されて来た基準部材の一例５０を示し、同図（Ａ）は正面図、同図（Ｂ）は中央縦断面を示す。造影剤５３が塗布されている。

符号の説明

１…基準部材
２…取付座
３…基準球
４…段差
６…第一垂直アーム
７…自在継手
８…第二アーム
９…プローブ
１１…レーザ光走査機構
１２…撮像装置
１３…レーザ光
１４…走査
１６…輝線
３０…計測対象物
３１…波型面
５０…基準部材（従来の）
５１…取付座（従来の基準部材の）
５２…所定形状部（真球。従来の基準部材の）
５３…造影剤

Claims (2)

1. セラミックから成る所定精度の真球部を有する基準部材が３個以上計測対象物に取着され、前記基準部材を含む前記計測対象物の三次元形状が、前記計測対象物の或る姿勢とその裏返しの姿勢について光学的手法で計測され、前記基準部材の真球部の三次元形状から導出された各基準点を指標にして、前記計測で取得された計測対象物の夫々の姿勢についての夫々の三次元形状データが、前記計測対象物の三次元形状を表す一つの三次元形状データへと合成される三次元形状計測方法に於て、
   前記基準部材の真球部の表面全体が所定精度の粗面とされ、且つ該真球部には段差が形成されている
   ことを特徴とする三次元形状計測方法。
2. セラミックから成る所定精度の真球部を有し、計測対象物に３個以上取着され、それを含めた前記計測対象物の三次元形状が、前記計測対象物の或る姿勢とその裏返しの姿勢について光学的手法で計測され、前記真球部の三次元形状から導出された各基準点を指標にして、前記計測で取得された計測対象物の夫々の姿勢についての夫々の三次元形状データが、前記計測対象物の三次元形状を表す一つの三次元形状データへと合成される三次元形状計測に使用される三次元形状計測用基準部材に於て、
   前記真球部の表面全体が所定精度の粗面とされ、且つ該真球部には段差が形成されている
   ことを特徴とする三次元形状計測用基準部材。

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