JP5178689B2

JP5178689B2 - 表面形状測定装置

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Publication number: JP5178689B2
Application number: JP2009250357A
Authority: JP
Inventors: 亮篠▲ざき▼
Original assignee: UNION TOOL Co
Current assignee: UNION TOOL Co
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2029-10-30
Also published as: JP2011095147A

Description

本発明は、表面形状測定装置に関するものである。

例えば円筒状の被測定物体（ワーク）の円周方向の表面形状を測定する方法としては、針接触式測定器やレーザ変位式測定器を用いる方法があるが、測定時にワークを傷付けたり（針接触式）、測定時間が長い（針接触式及びレーザ変位式）などの欠点があり、製造工程における製品の全品検査に用いるには問題がある。

また、例えば特許文献１に開示されるようなモアレ縞解析を用いる方法もあるが、測定器の構造が複雑で高価であり、小径の円筒状ワークの表面形状測定には不向きである。

特開２００４−６１２４８号公報

本発明は、上述のような現状に鑑みなされたもので、ワークの表面形状を非接触で高速に測定でき、また、微小な表面の凹凸を高い感度で測定でき、更に、直径０．１ｍｍ以下の小径円筒状ワークであっても容易に測定可能で、また、測定時のワークの振れを特殊な機構を用いることなく補正可能であるなど、装置構成も安価となる極めて実用性に秀れた表面形状測定装置を提供するものである。

添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。

軸直角断面形状が略円形状の断面を有するワークに測定光を照射する照明手段と、前記測定光の反射光を撮像する撮像手段とを有し、前記ワークと前記撮像手段とは相対的に回転可能に設けられ、前記ワークと前記撮像手段とを相対的に回転させながら該ワークの外周表面に前記測定光を照射し、このワークからの反射光を前記撮像手段により撮像して該ワークの表面形状を測定する表面形状測定装置であって、前記測定光を前記ワークに前記撮像手段の光軸と同軸方向で照射する同軸落射照明手段を有し、更に、前記撮像手段により撮像した各画像データに基づいて前記撮像手段の光軸方向成分において前記ワークの外周上で該撮像手段に最も近い点の該撮像手段の光軸垂直面内における変位を積分し該ワークの表面形状を算出する演算手段を有することを特徴とする表面形状測定装置に係るものである。

また、請求項１記載の表面形状測定装置において、前記撮像手段により撮像される前記ワークに背景光を照射する背景照明手段を有し、この背景照明手段は、前記ワークを前記撮像手段とで挟んだ位置から前記背景光を照射するものであることを特徴とする表面形状測定装置に係るものである。

また、請求項２記載の表面形状測定装置において、前記撮像手段と前記背景照明手段とは同軸上に配置されていることを特徴とする表面形状測定装置に係るものである。

また、請求項１〜３いずれか１項に記載の表面形状測定装置において、この表面形状測定装置はワーク回転手段を有し、このワーク回転手段は前記ワークを該ワークの軸を回転軸として回転させるものであることを特徴とする表面形状測定装置に係るものである。

また、請求項４記載の表面形状測定装置において、前記ワークは円筒状のワークであることを特徴とする表面形状測定装置に係るものである。

また、請求項１〜５いずれか１項に記載の表面形状測定装置において、前記撮像手段は１つのみであることを特徴とする表面形状測定装置に係るものである。

本発明は上述のように構成したから、ワークの表面形状を非接触で高速に測定でき、また、微小な表面の凹凸を高い感度で測定でき、更に、直径０．１ｍｍ以下の小径円筒状ワークであっても容易に測定可能で、また、測定時のワークの振れを特殊な機構を用いることなく補正可能であるなど、装置構成も安価となる極めて実用性に秀れた表面形状測定装置となる。

本発明の測定原理を説明する概略説明図である。本発明の測定原理を説明する概略説明図である。本実施例の構成概略説明図である。本実施例の撮像手段による撮像画像である。円筒状のワークの外周上で撮像手段に最も近い点の撮像手段の光軸垂直面内における変位を示すグラフである。円筒状のワークの表面形状を示すグラフである。

好適と考える本発明の実施形態を、図面に基づいて本発明の作用を示して簡単に説明する。

ワークを回転させながら同軸落射照明手段により測定光を照射し、ワークからの反射光を所定のタイミングで撮像手段で撮像し、演算手段により反射光を撮像した各画像データに基づいて撮像手段の光軸方向成分において前記ワークの外周上で該撮像手段に最も近い点の撮像手段の光軸垂直面内における変位を積分して表面形状を算出する。

例えば、円筒状のワークを該ワークの軸を回転軸として回転させつつ、同軸落射照明手段によって円筒状のワークの表面上を照明したときに観測される円筒軸方向（回転軸方向）に延びる帯状の反射光（輝線）の円筒径方向の中心からの変位は、撮像手段の光軸方向成分において円筒状のワークの外周上で撮像手段に最も近い点の撮像手段の光軸垂直面内における変位であり、これを時間で測定して積分すれば、円筒状のワークの表面形状が得られる。

また、円筒状のワークの回転時に生じる振れは、例えば撮像手段としてのカメラと同軸上に設けられる背景照明手段を用いることで、背景照明によって得られる円筒状のワークの稜線位置を用いてキャンセルすることができ、より正確な形状測定を行うことが可能となる。

以下、本発明の測定原理について説明する。

例えば、円筒状のワークの軸に垂直な断面外周上の任意の点Ｐは、図１に図示したように、

と書ける。ここでｒは平均半径、δは求めようとする表面形状であり、δ≪ｒと仮定する。この円筒断面が、図２に図示したように原点Ｏを中心にφだけ回転すると式（１）と式（２）は、

と書ける。図２において直線Ｌは回転前のｘ軸と一致している。ここで、円筒状のワーク断面外周上でｘが最大となる点Ｑについて考える。もしｘ軸が撮像手段の光軸と一致するならば、点Ｑは同軸落射照明手段によって円筒状のワークの表面上を照明したときに観測される円筒軸方向に延びる帯状の反射光（輝線）の位置となる。点Ｑではｘが極大なので、この条件を満たすθをθ_０とすると、

が得られる。角θ_０は回転角φとともに変化し、またδが小さければθ_０＋φ≪１を仮定できるので、式（５）は

と変形できる。つまり、これを積分すれば表面形状δが得られることになる。

ところで、点Ｑにおけるｙ座標の値ｙ_０は、式（４）から、

である。これを変形して、

となる。また微分すると、

となる。式（９）と式（１０）を式（７）に代入すると、

となる。ここでδ≪ｒならば、ｙ_０≪ｒである。よって、表面形状δは、

で得られるとして良い。

従って、ワークを回転させつつ測定光を照射し、ワークからの反射光を撮像した画像データを用いて例えば画像処理により、ワークの照射方向成分において前記ワークの回転軸から最も遠い距離にある点の変位を積分することで、表面形状を特定することが可能となる。

次にｙ_０の感度について説明する。

円筒表面がある周期性ωを持っているときのｙ_０の感度を考える。表面形状をδ(θ)＝δ_０cosωθと仮定すると、式（３）及び式（４）は、

と書ける。上記同様にｘが極大となる各θをθ_０とすると、

が成り立つ。これを式（１４）に代入すると、

が得られる。更に、上記同様にδが小さければθ_０＋φ≪１を仮定できるので、

と書ける。

従って、ｙ_０の最大感度はδ_０ωで、表面形状を直接測定するときのω倍となり、本発明の測定手法は、微小な表面の凹凸に対し感度が高いことがわかる。

本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。

本実施例は、軸直角断面形状が略円形状の断面を有するワークに測定光を照射する照明手段と、前記測定光の反射光を撮像する撮像手段とを有し、前記ワークと前記撮像手段とは相対的に回転可能に設けられ、前記ワークと前記撮像手段とを相対的に回転させながら該ワークの外周表面に前記測定光を照射し、このワークからの反射光を前記撮像手段により撮像して該ワークの表面形状を測定する表面形状測定装置であって、前記測定光を前記ワークに前記撮像手段の光軸と同軸方向で照射する同軸落射照明手段を有し、前記撮像手段により撮像した各画像データに基づいて前記撮像手段の光軸方向成分において前記ワークの外周上で該撮像手段に最も近い点の該撮像手段の光軸垂直面内における変位を積分し該ワークの表面形状を算出する演算手段とを備えたものである。

具体的には、図３に図示したように、円筒状のワークを該ワークの軸を回転軸として回転させるワーク回転手段としてのモータと、ワークの回転角度検出用のエンコーダと、演算手段としての電子計算機と、撮像手段としてのＣＣＤカメラと、測定光をワークに撮像手段の光軸と同軸方向で照射する同軸落射照明手段としての多数のＬＥＤを縦横に並設してなる同軸落射照明光源及び同軸落射照明光源からの測定光をワークに入射させると共にワークからの反射光をカメラへ入射させるハーフミラーと、ＣＣＤカメラとワークを挟んで対向状態に設けられる背景照明手段としての背景照明とで構成されている。尚、ＣＣＤカメラと背景照明とは同軸上に配置されている。

また、本実施例においては、同軸落射照明光源からの測定光は、少なくともワークの被測定部分全域に照射されるように構成されている。従って、ワークをその軸方向に移動させる必要なく、ワークの被測定部分全域の表面形状を測定することが可能となる。

また、ＣＣＤカメラは、エンコーダに同期して若しくはＣＣＤカメラのフレームレートで所定間隔で撮像を行うように構成されている。

また、演算手段は、ＣＣＤカメラで撮像した図４に示すような画像データに基づいて画像処理を行い、各画像データにおいて輝線の円筒径方向の中心からの変位を算出し、この変位を積分してワークの表面形状を算出するように構成されている。

具体的には、図２の点Ｑの接線は図３のカメラの光軸に垂直であるため、同軸落射照明によって点Ｑを中心にEdge３とEdge４で囲まれる輝線が生じる。背景照明によって得られる円筒状のワークの稜線はEdge１とEdge２である。従って、画像からEdge１〜４の位置を画像処理で計算すれば、点Ｑのｙ座標の値ｙ_０は、

で求められる。式（１８）の第１項を同式中に勘案することでワークの振れをキャンセルしていることになる。もし、同軸落射照明でなく、カメラの光軸と所定角度を成した光源によって照明されていると、輝線の分布は円筒の円周方向に対称ではなくなり、図２の点Ｑを精密に測定することが困難になる。

ここで、ＣＣＤカメラによる（エンコーダに同期する若しくはＣＣＤカメラのフレームレートに基づく）撮像のタイミングが式（１２）の測度ｄφに相当するので、表面形状を得るには式（１２）を数値積分すれば良く、本実施例において演算手段は上記処理により表面形状を算出するように構成されている。

尚、円筒状のワークの表面の反射光分布を検出する方法として、特開２００４−２７９３６７号及び特開２００６−２５８６６３号に開示される技術がある。特開２００４−２７９３６７号はライン光源で円筒状のワークを照明し第２の撮像手段で正反射光の分布を検出するものであり、この正反射光分布の重心と分布形状を使って、円筒状のワークの振れをキャンセルし、表面の凹凸形状など欠陥検出に使用する技術である。また、特開２００６−２５８６６３号は円筒状のワークが照明されたときに生じる輝線の位置を第１の撮像手段により検出し、輝線の位置をフィードバックして円筒状のワークの振れをキャンセルする技術である。しかし、これらの手法は、反射光分布によって振れを検出し、他の反射光検出光学系若しくはワークの位置を補正しようとするものであり、円筒状のワークの振れをキャンセルするために複雑な装置構成を必要とするもので、また、表面の凹凸形状など欠陥検出を行う技術に過ぎず、円筒状のワークからの反射光分布若しくは輝線の位置から円筒状のワークの表面形状を得るという思想も皆無であって、本発明とは別異の技術である。

また、本実施例においては、同軸落射照明を用いることで、表面形状の他に，図２から（Edge３−Edge４）を計算すれば，シャフトの回り止め平面取りやスパナ溝などの平面幅も測定することができる。また、背景照明を用いることでワークの両側端を捉えることができ（例えば円筒状のワークの場合、その両側端を線として捉えることができ）、（Edge１−Edge２）を計算することで同時に直径を測定することもできる。

また、本実施例においては例えばドリルやエンドミル等の回転切削工具のブランクのような円筒状のワークを測定する例について説明しているが、例えば球状など他の軸直角断面形状が略円形状の断面を有するワークについても同様に測定することが可能である。球状のワークの場合の反射光は、円筒状のワークのような輝線（帯状）ではなく略点状（小円形状）に現れる。また、円錐状を含むテーパ形状のワークの場合は、軸方向に直交する方向からの照射では、反射光を明瞭に撮像できないため、外周表面（側面）に直交する方向から測定光を照射することで円筒状のワークと同様、軸直角断面の直径が大となるほど拡幅する帯状の反射光（輝線）を得ることができるため同様の測定が可能となる。尚、本実施例でいう円筒状のワークとは、被測定物体全体が円筒状のものに限らず、その一部（被測定部分）が円筒状のものを含む概念である。また、軸直角断面形状が略円形状のワークも同様に、被測定物の一部（被測定部分）の軸直角断面形状が略円形状のものを含む概念である。また、仮にワークが大きすぎて、回転手段としてのモータが作動できない場合、撮像手段をワークの周りで回転させ、同様に測定することも可能である。

本実施例は上述のように構成したから、円筒状のワークを該ワークの軸を回転軸として回転させながら同軸落射照明手段により測定光を照射し、ワークからの反射光を所定のタイミングで撮像手段で撮像し、演算手段により反射光を撮像した各画像データに基づいて撮像手段の光軸方向成分においてワークの外周上で撮像手段に最も近い点の撮像手段の光軸垂直面内における変位を算出し、この変位を積分して表面形状を算出することができる。

また、円筒状のワークの回転時に生じる振れは、撮像手段としてのカメラと同軸上に設けられる背景照明を用いることで、背景照明によって得られる円筒状のワークの稜線位置を用いてキャンセルすることができ、より正確な形状測定を行うことが可能となる。

よって、本実施例は、ワークの表面形状を非接触で高速に測定でき、また、微小な表面の凹凸を高い感度で測定でき、更に、直径０．１ｍｍ以下の小径円筒状ワークであっても容易に測定可能で、また、測定時のワークの振れを特殊な機構を用いることなく補正可能であるなど、装置構成も安価となる極めて実用性に秀れたものとなる。

本実施例の効果を裏付ける実験例について説明する。

直径０．２ｍｍの円筒形状をした金属ワークを用い、１周当たり８４枚の画像を撮像し、各画像から式（１８）を計算して得られた値ｙ_０を図５に示す（図５の縦軸はｙ_０、横軸は位相であり、このプロファイルは円筒表面の傾斜分布に比例している。）。これを、

で数値積分し、得られた表面形状を図６に示す。ここで、添え字ｉは測定のラベル、Δφ＝２π／８４である。

図６より、径小ワークであっても精密な表面形状測定が可能となることが確認できた。

Claims

軸直角断面形状が略円形状の断面を有するワークに測定光を照射する照明手段と、前記測定光の反射光を撮像する撮像手段とを有し、前記ワークと前記撮像手段とは相対的に回転可能に設けられ、前記ワークと前記撮像手段とを相対的に回転させながら該ワークの外周表面に前記測定光を照射し、このワークからの反射光を前記撮像手段により撮像して該ワークの表面形状を測定する表面形状測定装置であって、前記測定光を前記ワークに前記撮像手段の光軸と同軸方向で照射する同軸落射照明手段を有し、更に、前記撮像手段により撮像した各画像データに基づいて前記撮像手段の光軸方向成分において前記ワークの外周上で該撮像手段に最も近い点の該撮像手段の光軸垂直面内における変位を積分し該ワークの表面形状を算出する演算手段を有することを特徴とする表面形状測定装置。
請求項１記載の表面形状測定装置において、前記撮像手段により撮像される前記ワークに背景光を照射する背景照明手段を有し、この背景照明手段は、前記ワークを前記撮像手段とで挟んだ位置から前記背景光を照射するものであることを特徴とする表面形状測定装置。
請求項２記載の表面形状測定装置において、前記撮像手段と前記背景照明手段とは同軸上に配置されていることを特徴とする表面形状測定装置。
請求項１〜３いずれか１項に記載の表面形状測定装置において、この表面形状測定装置はワーク回転手段を有し、このワーク回転手段は前記ワークを該ワークの軸を回転軸として回転させるものであることを特徴とする表面形状測定装置。
請求項４記載の表面形状測定装置において、前記ワークは円筒状のワークであることを特徴とする表面形状測定装置。
請求項１〜５いずれか１項に記載の表面形状測定装置において、前記撮像手段は１つのみであることを特徴とする表面形状測定装置。