JP5313862B2 - Dimension measuring method and apparatus by two-dimensional light cutting method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、2次元光切断法によって、隙間や段差寸法を測定する方法および装置に関する。 The present invention relates to a method and an apparatus for measuring a gap and a step size by a two-dimensional light cutting method.
2次元光切断法を用いた、隙間や段差の測定方法について説明する。光切断法とは、光源(レーザ)からの光を計測対象に照明し、計測対象から発生した反射・散乱光を、結像レンズを用いてセンサ上に結像し、センサ上の上記反射・散乱光の結像位置から三角測量の原理に基づいて計測対象までの距離の計測を行うものである。計測対象の位置が変わったり、形状が変わったりした場合、センサ上結像位置がずれるため、計測対象の位置や形状を求めることができる。 A method for measuring gaps and steps using the two-dimensional light cutting method will be described. In the light cutting method, light from a light source (laser) is illuminated onto a measurement target, and reflected / scattered light generated from the measurement target is imaged on a sensor using an imaging lens. The distance from the image formation position of the scattered light to the measurement object is measured based on the principle of triangulation. When the position of the measurement object is changed or the shape is changed, the imaging position on the sensor is shifted, so that the position and shape of the measurement object can be obtained.
しかしながら、線状ビームの長手方向を対向面の法線方向に一致させなかった場合、対向面の実際の間隔より、計測された距離が大きな値となってしまう。このため、高精度に面間隔を計測しようとした場合には、線状ビームを対向面の法線方向と平行にする必要がある。 However, if the longitudinal direction of the linear beam is not matched with the normal direction of the opposing surface, the measured distance is larger than the actual distance between the opposing surfaces. For this reason, when it is going to measure a surface space | interval with high precision, it is necessary to make a linear beam parallel to the normal line direction of an opposing surface.
また、通常、面間隔を計測する場合には、対向面のそれぞれのエッジを抽出し、抽出したエッジ間の距離を求める方法が用いられる。エッジの抽出は、撮像された画像上でエッジに対応したレーザ輝点の位置を抽出する方法が用いられる。このときの抽出精度は、計測対象上での画素サイズw(=サンプリング間隔)で決まる。そのため、通常は、サブピクセル処理を行い、画素サイズ以下の精度で抽出される。 In general, when measuring the surface interval, a method of extracting each edge of the opposing surface and obtaining a distance between the extracted edges is used. For extracting the edge, a method of extracting the position of the laser bright spot corresponding to the edge on the captured image is used. The extraction accuracy at this time is determined by the pixel size w (= sampling interval) on the measurement target. For this reason, normally, sub-pixel processing is performed, and extraction is performed with an accuracy equal to or smaller than the pixel size.
ところが、機械加工品のエッジは、面取りされていたり、面取りが行われる前の加工直後であっても、バリが存在したりするため、そもそも、エッジ位置が不安定だったり、エッジの抽出が安定に行えなかったりする。その結果、面間隔の計測精度は低下してしまう。 However, since the edges of machined products are chamfered or there are burrs even immediately after chamfering, edge positions are unstable and edge extraction is stable. I can't do it. As a result, the measurement accuracy of the surface interval is lowered.
そこで、特許文献1、特許文献2、および、特許文献3において、隙間や段差を有する測定対象を測定する際に、線状ビームが、被測定面に対し垂直に照射されていない場合は、本来の段差よりも大きな寸法が出力され、逆に、垂直に照射された場合には、測定される寸法が最小になることに着目し、測定される寸法が最小になるように、光切断センサヘッドの姿勢を回転調整する機構を備えた寸法測定器について記載されている。
Therefore, in
また、特許文献4において、凹部が形成されており、該凹部を挟むようにして高さの異なる凸部が形成された被測定物の寸法を測定する際に、該被測定物に形成された凸部の最高位面と側面とが連続する角部がR形状である場合に、被測定物のデータの数個のみを抽出し、それぞれのデータ間を直線で接続して直線成分に置き換え、その後、R形状に対応した円を抽出し、抽出された円の中心間距離から、円の半径を減算することで、凸部の幅寸法、または、凸部の段差寸法を求める方法について記載されている。
Further, in
また、特許文献5の記載においては、自動車車体等のワークの隣接する2つのエッジ部間の隙間と段差を計測する際に、まず、Rの付いた段差エッジ部分の光切断画像を用いエッジの端点を求め、次に、段差の平坦部の光切断画像を用い直線状に延在する部分を表わす直線の方程式を求める。次に、エッジ端点から直線に垂線を下ろし、垂線と直線との交点を求める。そして、他方の段差エッジでも同様の処理を行い、得られたこの2つの交点の距離を求めることで、隙間の間隔と段差の求める方法について記載されている。 In addition, in the description of Patent Document 5, when measuring a gap and a step between two adjacent edge portions of a work such as an automobile body, first, an optical cutting image of a step edge portion with an R is used. An end point is obtained, and then an equation of a straight line representing a portion extending in a straight line is obtained using a light section image of a flat portion of the step. Next, a perpendicular line is drawn from the edge end point to a straight line, and an intersection of the perpendicular line and the straight line is obtained. Then, the same process is performed on the other step edge, and the distance between the two intersections obtained is calculated to obtain the gap interval and the step.
また、特許文献6において、対象物に光を照射するとともに該対象物からの反射光を受光して幅及び段差の検出を行なう光切断法において、まず、受光光量の変化が大きい点から段差部側壁の両端の位置x1、および、x2を求め、この距離を隙間間隔とする。次いで、比較的平坦な段差上面部分において、光量変化にバラツキの少ないデータを用いて直線y=a1x+b1を求め、同様に、もう一方の段差上面部分において、光量変化にバラツキの少ないデータを用いて直線y=a2x+b2を求め、直線y=a1x+b1にx1を代入し対応するyの値y1を求め、直線y=a2x+b2にx2を代入し対応するyの値y2を求め、y1とy2の距離を段差とする方法について記載されている。
In
しかしながら、特許文献1から特許文献3で記載の技術では、隙間や段差を求める具体的な方法については記載されていない。
However, the techniques described in
また、特許文献4に記載の技術では、隙間や段差を求める具体的な方法について述べられているものの、角部がR形状を有する場合にのみ有効な方法であり、角部がR形状でなく、不特定形状の場合の対応については、記載されていない。
Moreover, although the technique described in
また、特許文献5、特許文献6に記載された技術では、まず、エッジ画像を用いてエッジ位置を抽出しているが、バリの発生等によりエッジ位置が不安定だったり、エッジの抽出が安定に行えなかったりした場合の対応については記載されていない。
In the techniques described in Patent Document 5 and
本発明の目的は、2次元の光切断法において計測対象の寸法を、エッジの形状に関係なく、高精度に算出することが可能な2次元光切断法による寸法測定方法および装置を実現することである。 An object of the present invention is to realize a dimension measuring method and apparatus by a two-dimensional optical cutting method capable of calculating a dimension of a measurement object in a two-dimensional optical cutting method with high accuracy regardless of the shape of the edge. It is.
上記目的を達成するために、本発明は、次のように構成される。 In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
本発明の2次元光切断法による寸法測定方法及び装置は、計測対象物に線状光ビームを照射し、上記線状光ビームが照射された計測対象物を撮像し、上記計測対象物の撮像された画像上の互いに離間する2つの面に照射された上記線状光ビームを抽出し、抽出した2つの面上の線状光ビームのそれぞれを示す直線式を算出し、算出した2つの直線式で表される2つの直線間の距離を算出し、上記計測対象物の形状寸法を測定する。 The dimension measuring method and apparatus according to the two-dimensional light cutting method of the present invention irradiates a measurement object with a linear light beam, images the measurement object irradiated with the linear light beam, and images the measurement object. The above-described linear light beams irradiated on two surfaces separated from each other on the obtained image are extracted, a linear expression indicating each of the extracted linear light beams on the two surfaces is calculated, and the two calculated straight lines The distance between two straight lines represented by the equation is calculated, and the shape dimension of the measurement object is measured.
本発明によれば、2次元の光切断法において計測対象の寸法を、エッジの形状に関係なく、高精度に算出することが可能な2次元光切断法による寸法測定方法および装置を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a dimension measuring method and apparatus by a two-dimensional optical cutting method capable of calculating the dimension of a measurement target in a two-dimensional optical cutting method with high accuracy regardless of the shape of the edge. Can do.
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
本発明の実施例1を、図1から図14を用いて説明する。なお、実施例1〜4では、段差および対向面が平面である、コの字形状を計測対象(測定対象)の例にとって説明する。 A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the first to fourth embodiments, a U-shape in which the step and the opposite surface are flat will be described as an example of a measurement target (measurement target).
図1は、本発明の実施例1が適用された2次元光切断法による隙間の間隔および段差等の形状寸法測定装置の概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an apparatus for measuring a shape dimension such as a gap interval and a step by a two-dimensional light cutting method to which
図1において、レーザ発生源1から発振されたレーザビームは、ビーム成形部5により線状(スリット状)ビーム6に変換され、計測対象2に投影される。線状ビーム6は、計測空間中を伝搬し、計測対象2の表面に投影される。レーザ発生源1は、レーザコントローラ12を介してコンピュータ26により動作制御される。
In FIG. 1, a laser beam oscillated from a
ここで、図2および図5に示すように、間隔寸法を測定したい面を面301Lと301Rとし、段差寸法を測定したい面を302Fと302Bとする。上記線状ビーム6は、上記間隔寸法を測定したい面301L、301R、および、段差寸法を測定したい面302F、302Bの全てに投影されるようにする。
Here, as shown in FIG. 2 and FIG. 5, surfaces 301L and 301R whose spacing dimensions are to be measured are
計測対象2で発生した反射・散乱光は、偏光フィルタ10、波長フィルタ9、結像レンズ3を用いて、エリアセンサ4上に結像される。このとき、上記間隔寸法を測定したい面、および、段差寸法を測定したい面の全てが、エリアセンサ4に写るように撮像する。エリアセンサ4は電源13に接続されている。
The reflected / scattered light generated in the
エリアセンサ4により撮像された画像は、コンピュータ26の画像入力ボード16を介してコンピュータ26内のストレージデバイス15に取り込まれる。コンピュータ26のCPU(演算処理手段)14は、ストレージデバイス15に取り込まれた画像から、計測対象2に投影されたレーザ輝線の結像位置をサブピクセル精度で検出し、三角測量の原理を用い、計測対象2上のレーザ位置の座標を算出する。
An image captured by the
レーザ輝線の位置は、レーザ輝線の重心を求めても良いし、ピークを推定しても良い。 For the position of the laser emission line, the center of gravity of the laser emission line may be obtained, or the peak may be estimated.
次に、図2から図4を用いて、対向面の間隔寸法を求める方法について説明する。 Next, a method for obtaining the distance between the opposing surfaces will be described with reference to FIGS.
図3に示すように、対向面301L、および、301Rに投影された線状ビームに対応する座標点群データを、それぞれ、30L、30Rとする。次に、点群データ30Lと30Rとに対し直線を当てはめる。そして、得られた直線を、それぞれ25L、25R(図2に示すレーザ輝線24L、24Rに対応する)とし、次式(1)、(2)で表わされたものとする。
As shown in FIG. 3, the coordinate point group data corresponding to the linear beams projected onto the opposing
次に、上記式(1)で得られた直線25Lの値をtとおき、次式(3)で書き代える。
Next, the value of the
同様に、上記式(2)得られた直線25Rの値をuとおき、次式(4)で書き代える。
Similarly, the value of the
上記2直線25Lと25Rと間の距離は、次式(5)のようにして求まる。
The distance between the two
上記式(5)を変形して、次式(6)、(7)を得る。 The above formula (5) is modified to obtain the following formulas (6) and (7).
従って、tおよびuは、次式(8)で求まる。 Therefore, t and u are obtained by the following equation (8).
ここで、直線25Lと直線25Rとが互いに平行な場合、上記式(8)中の逆行列が求まらない。その場合は、次のようにして直線の式を求める。
Here, when the
今、任意の2つの直線(直線1、直線2)の方程式を、それぞれ、次式(9)、(10)とする。
Now, let the equations of any two straight lines (
上記式(9)、(10)から、直線1を通る点(x01,y01,z01)と、直線2との距離L12は次式(11)で与えられる。
From the above formulas (9) and (10), the distance L 12 between the point (x 01 , y 01 , z 01 ) passing through the
ただし、上記式(11)において、X=(x01−x02)、Y=(y01−y02)、Z=(z01−z02)である。 However, in the above formula (11), X = (x 01 -x 02 ), Y = (y 01 -y 02 ), Z = (z 01 -z 02 ).
図4に示すように、上記式(11)を用いて、上記直線25Lと直線25Rとの間の距離27を求めることができる。ここで、一方の直線の元となる点群データの各々について、他方の直線との距離を求め平均処理を行い、直線間の距離27とすることも可能である。
As shown in FIG. 4, the distance 27 between the
次に、図5から図7を用いて、段差寸法を求める方法について説明する。 Next, a method for obtaining the step size will be described with reference to FIGS.
段差面302F、および、302Bに投影された線状ビームに対応する座標点群データを、それぞれ、31F、31Bとする。また、点群データ31Fと31Bに対し直線を当てはめ、得られた直線を、それぞれ29F、29B(図5の輝線28F、28Bに対応する)とし、次式(12)、(13)で表わされたものとする。
The coordinate point group data corresponding to the linear beams projected onto the step surfaces 302F and 302B are 31F and 31B, respectively. Further, a straight line is applied to the
これらの式(12)、(13)を用い、対向面の間隔寸法を求めた時と同じ様にして、段差寸法を求めることが可能である。 Using these equations (12) and (13), the step size can be obtained in the same manner as when the distance between the opposing surfaces is obtained.
ここで、図7に示すように、面間隔寸法を求める際に、直線29Fと直線29Bとが互いに平行な場合にも、対向面の間隔を求めた時と同じ様に、上記式(11)を用いて段差33の寸法を求めることが可能である。
Here, as shown in FIG. 7, when the distance between the faces is calculated, even when the straight line 29 </ b> F and the straight line 29 </ b> B are parallel to each other, the above formula (11) The dimension of the
ここで、一方の直線の元となる点群データの各々について、他方の直線との距離を求め平均処理を行い、直線間の距離33とすることも可能である。
Here, it is also possible to obtain the distance between the other straight lines by obtaining the distance to the other straight line and to obtain the
ここで、直線を当てはめる点群25L、25R、31F、および、31Bの選択の方法について説明する。本実施例1では、ユーザがユーザモニタ17を見ながら指定する方法について述べる。
Here, a method of selecting the
図1に示すように、モニタ17に撮像画面20が表示される。ユーザは、上記間隔寸法を測定したい面301Lと面301R、および、段差寸法を測定したい面302Fと302B上のレーザ輝線24L、24R、28F、28Bを四角形で囲うようにマウス18又はキーボード19で選択する。
As shown in FIG. 1, an
レーザ輝線の選択が完了したら、図8に示すフローにしたがって距離の算出を行う。 When the selection of the laser emission line is completed, the distance is calculated according to the flow shown in FIG.
つまり、図8のステップS1gで、ユーザが、間隔寸法を求めたい対向面中のレーザ輝線24L、24Rを指定する。一方、段差寸法を求める場合は、ステップS1sで、ユーザが、段差寸法を求めたい段差面中のレーザ輝線28F、28Bを指定する。
That is, in step S1g in FIG. 8, the user designates the
次に、間隔寸法、段差寸法共に、ステップS2において、CPU14は、指定された範囲内でレーザ輝線の位置をサブピクセル精度で抽出する。そして、CPU14は、間隔寸法を測定する場合は、直線25L、25Rの方程式を計算し(ステップS4g)、直線25Lと25Rとの間隔を算出する(ステップS5g)。
Next, in step S2, the
また、CPU14は、段差寸法を測定する場合は、直線29F、29Bの方程式を計算し(ステップS4s)、直線29Fと29Bとの間隔を算出する(ステップS5s)。そして、算出された間隔寸法、段差寸法は、モニタ17に表示される。
Further, when measuring the step size, the
図9は、上記寸法演算をするためのCPU14の内部機能ブロック図である。
FIG. 9 is an internal functional block diagram of the
図9において、センサ4からの画像が画像取り込み部14aに取り込まれ、モニタ17に出力するとともに、レーザ輝線位置抽出部14bに供給される。レーザ輝線位置抽出部14bは、ユーザからのエリア選択指令に基づいて、間隔寸法または段差寸法を計算したいレーザ輝線の位置を抽出する。
In FIG. 9, the image from the
レーザ輝線位置抽出部14bbにより抽出されたレーザ輝線の位置情報が3次元画像変換部14dに供給され、この3次元画像変換部14dにて、3次元グローバル座標が抽出される。 The position information of the laser emission line extracted by the laser emission line position extraction unit 14bb is supplied to the 3D image conversion unit 14d, and the 3D global coordinates are extracted by the 3D image conversion unit 14d.
そして、抽出された3次元グローバル座標が直線間距離算出部14cに供給され、間隔寸法または段差寸法が算出され、算出された結果がモニタ17に表示される。
Then, the extracted three-dimensional global coordinates are supplied to the
図9に示した例は、ユーザが、モニタ17を観察しながら、間隔寸法、段差寸法を算出したい領域を指定する例であるが、ユーザが指定すること無く、画像中の間隔、段差を自動的に検出し、画像中の間隔寸法、段差寸法を算出してモニタ17に表示することも可能である。
The example shown in FIG. 9 is an example in which the user designates an area in which an interval size and a step size are to be calculated while observing the
図10に示した例は、ユーザが指定すること無く、画像中の間隔、段差を自動的に検出する場合のCPU14の内部機能ブロック図である。
The example shown in FIG. 10 is an internal functional block diagram of the
図10において、センサ4からの画像が画像取り込み部14aに取り込まれ、モニタ17に出力するとともに、線検出部14eに供給される。線検出部14eは、Hough変換等により、計測対象2の画像中のレーザ輝線を検出する。そして、検出されたレーザ輝線は、画素値算出部14fに供給され、画素値算出部14fは検出された直線に対応する画素値を算出する。
In FIG. 10, the image from the
次に、3次元画像変換部14dは、画素値算出部14fにより算出された直線に対応する画素値を3次元グローバル座標に変換する。変換された3次元グローバル座標は直線間距離算出部14cに供給され、3次元画像に検出された直線が当てはめられ、検出された直線の全組み合わせについて、直線間距離が算出される。そして、その結果がモニタ17に、算出された距離と、その距離が画像中のどの部分に対応するかが表示される。
Next, the three-dimensional image conversion unit 14d converts the pixel value corresponding to the straight line calculated by the pixel value calculation unit 14f into three-dimensional global coordinates. The converted three-dimensional global coordinates are supplied to the inter-line
ユーザは、モニタ17に表示された間隔寸法、段差寸法のうち、希望するものを選択可能である。
The user can select a desired one of the interval size and the step size displayed on the
ところで、図11に示すように、コヒーレンシーの高いレーザ光6で計測対象2を照明すると、計測対象2上の微小な凹凸で反射・散乱したレーザ光が互いに干渉しあい、スペックルと呼ばれるノイズが発生する。
By the way, as shown in FIG. 11, when the
このため、図12の(a)に示すように、レーザ輝線にひげのようなノイズが発生し、レーザ輝線が広がってしまう。これにより、レーザ輝線位置が正確に求まらず、計測誤差が生じてしまう。 For this reason, as shown in FIG. 12A, noise such as whiskers occurs in the laser emission line, and the laser emission line spreads. As a result, the position of the laser emission line cannot be accurately obtained, resulting in a measurement error.
上記スペックルノイズを低減するために、結像レンズ3の手前に偏光フィルタを10配置し、特定の偏光成分のみを検出するようにすれば、図12の(b)に示すように、レーザ輝線の広がりを抑えることができる。また、結像レンズ3の絞り(図示せず)を絞ることでも同様の効果を得られる。上記スペックルを低減する対策を実施した場合、図12の(b)に示すように、レーザ輝線の一部が消えてしまう場合がある。
In order to reduce the speckle noise, if a
しかしながら、本発明の実施例1のように、点群データから直線を当てはめる方式では、レーザ輝線の一部が消えてしまっても、直線さえ当てはめられれば良いので、問題とはならない。 However, in the method of applying a straight line from the point cloud data as in the first embodiment of the present invention, even if a part of the laser emission line disappears, it is only necessary to apply the straight line, so this is not a problem.
また、図1に示すように、結像レンズ3の手前にレーザ波長のみを透過させる波長フィルタ9を装着し外乱光を抑制しておけば、外乱光によるレーザ輝線位置の抽出精度の低下を防止することも可能である。
In addition, as shown in FIG. 1, if a wavelength filter 9 that transmits only the laser wavelength is attached in front of the
また、対向する2面を撮像する場合、図13に示すように、画角40が狭いレンズ80を用いると、平面上の異なる点に対するセンサ4上での距離が短くなり、分離が困難になる場合がある。そこで、撮像に用いるレンズとしては、図14に示すように、画角41が広いレンズ81を用いる方が良い。
Also, when imaging two opposing surfaces, as shown in FIG. 13, when a
ここで、「画角が広い」に関しての具体例を説明する。 Here, a specific example regarding “wide angle of view” will be described.
写真用カメラのレンズでは、35mmの銀塩フィルムが長年使用されてきたこともあり、便宜上、すべて35mmフィルムカメラによる焦点距離表示、いわゆる、35mm換算表示されるのが一般的である。 In a lens for a photographic camera, a 35 mm silver salt film has been used for many years, and for the sake of convenience, a focal length display by a 35 mm film camera, so-called 35 mm equivalent display is generally used.
35mmカメラのフィルム上の画面サイズは24×36mmで、その対角線の長さは43.27mmとなる。これより少し長い焦点距離である50mmが、人間の眼の遠近感に近く人間の目で見ているのとほぼ同じ範囲が撮影できることから標準レンズと呼ばれる。 The screen size on the film of the 35 mm camera is 24 × 36 mm, and the length of the diagonal line is 43.27 mm. A focal length of 50 mm, which is a little longer than this, is called a standard lens because it is close to the perspective of the human eye and can capture almost the same range as that seen by the human eye.
さらに、一般的には28〜35mm程度を広角レンズ、21から24mm程度を超広角レンズといわれることが多い。 Further, in general, about 28 to 35 mm is often referred to as a wide angle lens, and about 21 to 24 mm is often referred to as a super wide angle lens.
焦点距離28mmの場合、水平画角は、65.57度、垂直画角は、46.39度となる。 When the focal length is 28 mm, the horizontal field angle is 65.57 degrees and the vertical field angle is 46.39 degrees.
よって、本実施例1における「画角が広い」とは、35mm換算で、焦点距離28mm以下相当を目安としている。 Therefore, “a wide angle of view” in the first embodiment is based on a focal length of 28 mm or less in terms of 35 mm.
以上のように、本発明の実施例1によれば、計測対象物2の間隔寸法、段差寸法を、画像中のレーザ輝線間距離を算出することにより求めているので、画像のエッジの形状に関係なく、高精度に算出することが可能な2次元光切断法による寸法測定方法および装置を実現することができる。
As described above, according to the first embodiment of the present invention, the interval dimension and the step dimension of the
次に、本発明の実施例2を、図15、図16を参照して説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本発明の実施例2では、照明するレーザビームが複数(本実施例2では2本)であることが、実施例1と異なる点である。 The second embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that the number of laser beams to be illuminated is plural (two in the second embodiment).
図15に示すように、レーザ発生源1のビーム成形部5にから発生されたレーザビームは、ビームスプリッタ35により2方向に分岐され、一方のレーザビームは、直線偏光板102を介して計測対象2に照射される。ビームスプリッタ35により分岐された他方のレーザビームは、全反射ミラー36により反射され、直線偏光板101を介して計測対象2に照射される。
As shown in FIG. 15, the laser beam generated from the beam shaping unit 5 of the
その他の本実施例2の基本的な構成は、図1に示した実施例1と同様であるので、詳細な説明は省略する。 The other basic configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
この実施例2において、計測対象2の対向面の間隔寸法を求める場合、図16に示すように、対向面に投影された線状ビームに対応する座標点群データから求めた直線を、62L、63L、および、62R、63Rとし、上記直線62Lと63Lから求めた平面と、上記直線62Rと63Rから求めた平面との距離を対向面間隔とする。
In Example 2, when the distance between the opposing surfaces of the
また、図16に示すように、段差面に投影された線状ビームに対応する座標点群データから求めた直線を、60F、61F、および、60B、61Bとし、上記直線60Fと61Fから求めた平面と、上記直線60Bと61Bから求めた平面との距離を段差面とする。
Further, as shown in FIG. 16, the straight lines obtained from the coordinate point group data corresponding to the linear beam projected on the step surface are 60F, 61F and 60B, 61B, and are obtained from the
間隔寸法、段差寸法の算出は、実施例1と同様に、CPU14により実行される。
The calculation of the interval dimension and the step dimension is executed by the
本発明の実施例2においても、実施例1と同様な効果が得られる他、レーザビームを複数にすることで、より多くの点群データを使うことができるだけでなく、直線の他に面を定義することが可能となり、面の平行度(倒れ具合)なども考慮した計測が可能となる。 In the second embodiment of the present invention, the same effects as in the first embodiment can be obtained, and by using a plurality of laser beams, not only more point cloud data can be used, but also a surface other than a straight line can be used. It is possible to define the measurement, and it is possible to perform measurement in consideration of the parallelism (tilt state) of the surface.
次に、本発明の実施例3を、図17を参照して説明する。
Next,
第3の実施形態では、撮像系が複数(本実施例3では2系統)であることが、実施例1と異なる点である。 The third embodiment is different from the first embodiment in that there are a plurality of imaging systems (two systems in the third embodiment).
図17に示すように、複数の結像レンズ3とエリアセンサ4とが配置されている。なお、波長フィルタ9、偏光フィルタ10は、必要に応じて装着可能である。
As shown in FIG. 17, a plurality of
その他の基本的な構成については図1の例と同様であるので、詳細な説明は省略する。 Since the other basic configuration is the same as that of the example of FIG. 1, detailed description thereof is omitted.
深い段差を有する計測対象の場合、段差の手前面と奥面とで被写界深度の範囲外になってしまい、像がぼけたり、奥面での解像度が低下したりする。 In the case of a measurement target having a deep step, the front and back surfaces of the step are outside the range of the depth of field, and the image is blurred or the resolution at the back surface is reduced.
その結果、計測が不可能となる場合や、計測精度が低下する場合がある。 As a result, measurement may be impossible or measurement accuracy may be reduced.
そこで、図17に示すように、第1の撮像系3、4で、計測対象2の段差の手前面を撮像し、第2の撮像系3、4で計測対象2の段差の奥面を撮像するようにすれば、段差の手前面および奥面のいずれにおいても鮮明なレーザ輝線画像を得ることができ、計測精度の低下を防止することが可能となる。
Therefore, as shown in FIG. 17, the
なお、間隔寸法、段差寸法の算出は、実施例1と同様に、CPU14により実行される。
The calculation of the interval dimension and the step dimension is executed by the
本発明の実施例2においても、実施例1と同様な効果が得られる他、深い段差を有する計測対象であっても、鮮明なレーザ輝線画像を得ることができるという効果を有する。 In the second embodiment of the present invention, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and a clear laser emission line image can be obtained even for a measurement object having a deep step.
次に、本発明の実施例4を、図18を参照して説明する。 Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
本発明の実施例4では、実施例3と同様に撮像系が複数(本実施例4では2系統)であるが、撮像方向が互いに異なる点が実施例3と異なる点である。その他の基本的な構成については図1の例と同様であるので、詳細な説明は省略する。 The fourth embodiment of the present invention has a plurality of imaging systems (two systems in the fourth embodiment) as in the third embodiment, but is different from the third embodiment in that the imaging directions are different from each other. Since the other basic configuration is the same as that of the example of FIG. 1, detailed description thereof is omitted.
図18において、広い間隔の対向面を有する計測対象2の場合、対向面の両側が画角の範囲外になってしまい、対向面を同時に撮像できなくなってしまう。
In FIG. 18, in the case of the
そこで、第1の撮像系3、4で一方の面を撮像し、第2の撮像系3、4で他方の面を撮像するようにすれば、広い段差を有する計測対象においても面間隔を計測することが可能となる。
Therefore, if one surface is imaged by the
なお、間隔寸法、段差寸法の算出は、実施例1と同様に、CPU14により実行される。
The calculation of the interval dimension and the step dimension is executed by the
本発明の実施例4においても、実施例1と同様な効果が得られる他、広い段差を有する計測対象であっても、広い間隔の対向面のレーザ輝線画像を同時に得ることができるという効果を有する。 In the fourth embodiment of the present invention, the same effect as in the first embodiment can be obtained. In addition, a laser emission line image with a wide interval can be obtained at the same time even for a measurement target having a wide step. Have.
次に、本発明の実施例5を、図19から図21を用いて説明する。 Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本発明の実施例5は、段差と対向面を有する円筒状になっている計測対象2を測定可能とする例である。
The fifth embodiment of the present invention is an example in which a
図19において、計測対象2が円筒形状の場合、レーザビーム6の長手方向を、計測対象2の円筒軸と平行にしないと、計測対象2上で発生するレーザ輝線が直線にならない。また、レーザビーム6が、計測対象2でる円筒(円)の中心座標を通るような角度で照明しないと、求めたい段差が正確に求められない。
In FIG. 19, when the
そのため、図19に示すような円筒の間隔寸法や段差寸法を計測するためには、計測対象2と、光切断計測装置全体のアライメントを行う必要がある。
Therefore, in order to measure the interval dimension and the step dimension of the cylinder as shown in FIG. 19, it is necessary to perform alignment between the
本発明の実施例5は、このアライメントを効率的に、且つ、一意に行うための方法について説明したものであり、基本的な構成については図1の例と同様であるので、詳細な説明は省略する。 The fifth embodiment of the present invention describes a method for performing this alignment efficiently and uniquely, and the basic configuration is the same as the example of FIG. Omitted.
アライメント方法を説明するにあたり、座標系を定義する必要がある。本実施例5で説明する座標系は、図19に示すように、撮像レンズ3の中心を原点とし、横方向をx方法、下方向をy方向、撮像軸方向をz方向とする。また、回転についは、x軸周りの回転角度とz軸周りの回転角度を、各々α、および、S(図19ではギリシア文字のシータ)とする。
In describing the alignment method, it is necessary to define a coordinate system. In the coordinate system described in the fifth embodiment, as shown in FIG. 19, the center of the
はじめに、レーザビーム6の長手方向が、計測対象2の円筒軸と平行になるように角度Sを調整する。図20に示すように、レーザビーム6の長手方向が、計測対象2の円筒軸と平行になった場合、計測対象2上のレーザ輝線が直線となり、かつ、x方向のベクトルが1となる(レーザ輝線がx軸方向と同一方向となる(互いのなす角度が0))。
First, the angle S is adjusted so that the longitudinal direction of the
したがって、直線の式を求め、x方向のベクトルが1となるように回転角度Sを調整すれば、レーザビーム6の長手方向と円筒軸とを平行にすることができる。
Therefore, if the linear equation is obtained and the rotation angle S is adjusted so that the vector in the x direction becomes 1, the longitudinal direction of the
次に、図21に示すように、レーザビーム6が、計測対象2である円筒(円)の中心座標を通るような角度で、計測対象2を照明する必要がある。
Next, as shown in FIG. 21, it is necessary to illuminate the
ここで、レーザビーム6が、円筒(円)の中心座標を通るような角度で照明された際、段差の間隔は最小となる。したがって、段差の間隔が最小となるようにαを調整することで、レーザビーム6を円筒(円)の中心座標を通るような角度で照明することが可能となる。
Here, when the
以上で説明したアライメントを行えば、2次元の光切断センサを用いて、段差や対向面を有する円筒の、段差距離と面間隔を高精度に測定することが可能となる。 If the alignment described above is performed, it is possible to measure the step distance and the surface interval of the cylinder having the step and the opposed surface with high accuracy using a two-dimensional light cutting sensor.
以上のように、本発明によれば、2次元光切断法による段差および対向面を有するワークの計測において、得られた点群座標データに直線を当てはめ、当てはめられた直線間の距離を求めることにより、段差および対向面間隔を高精度に計測することが可能となる。 As described above, according to the present invention, in measurement of a workpiece having a step and an opposed surface by the two-dimensional light cutting method, a straight line is applied to the obtained point group coordinate data, and a distance between the applied straight lines is obtained. Thus, it becomes possible to measure the step and the distance between the opposing surfaces with high accuracy.
次に、本発明とは異なる例であって、計測対象のエッジを検出し、間隔寸法、段差寸法を測定する例について説明する。これは、本発明と比較するための比較例を説明するためである。 Next, an example different from the present invention, in which an edge to be measured is detected and an interval dimension and a step dimension are measured will be described. This is for explaining a comparative example for comparison with the present invention.
図22に示すように、光切断法とは、光源1からの光を計測対象2に照明し、計測対象2から発生した反射・散乱光を、結像レンズ3を用いてセンサ4上に結像し、センサ4上の上記反射・散乱光の結像位置から三角測量の原理に基づいて計測対象までの距離の計測を行う。計測対象の位置が変わったり、形状が変わったりした場合(図22中のΔz)、センサ4上での結像位置がずれるため(図22中のΔm)、計測対象2の位置や形状を求めることができる。
As shown in FIG. 22, the light cutting method illuminates the
図23に示すように、レーザ光源1からのビームの形状を、ビーム成形素子(レンズ)5を用いて線状ビーム(スリットビーム)6とし、センサ4として2次元センサ(エリアセンサ)を用いれば、2次元の情報を一括で得ることができる。
As shown in FIG. 23, if the shape of the beam from the
しかしながら、図25に示すように、対向面の間隔を正確に求めようとした場合には、線状ビーム6の長手方向を対向面の法線方向(図25中のn)に一致させる必要がある。線状ビーム6の長手方向を対向面の法線方向nに一致させなかった場合、対向面の間隔がdであるにもかかわらず、計測される距離はdよりも大きな値d’となってしまうからである。
However, as shown in FIG. 25, when the distance between the opposing surfaces is to be determined accurately, the longitudinal direction of the
このため、高精度に面間隔を計測しようとした場合には、線状ビーム6を対向面の法線方向と平行にする必要がある。
For this reason, when it is going to measure a surface space | interval with high precision, it is necessary to make the
また、通常、面間隔を計測する場合には、図24に示すように、対向面のエッジ21L、および、21Rを抽出し、抽出したエッジ21Lと21Rとの間の距離を求める方法が用いられる。
Normally, when measuring the surface interval, as shown in FIG. 24, a method of extracting the
エッジの抽出は、図26に示すように、撮像された画像上でエッジに対応したレーザ輝点の位置を抽出する方法が用いられる。このときの抽出精度は、上記計測対象2上での画素サイズw(=サンプリング間隔)で決まる。そのため、通常は、サブピクセル処理を行い、画素サイズ以下の精度で抽出される。
For extracting the edge, as shown in FIG. 26, a method of extracting the position of the laser bright spot corresponding to the edge on the captured image is used. The extraction accuracy at this time is determined by the pixel size w (= sampling interval) on the
ところが、機械加工品のエッジは、図27に示すように面取りされていたり、面取りが行われる前の加工直後であっても、図28に示すようにバリ23が存在したりするため、そもそも、エッジ位置が不安定だったり、エッジの抽出が安定に行えなかったりする。その結果、面間隔寸法の計測精度は低下してしまう。
However, the edge of the machined product is chamfered as shown in FIG. 27, or even immediately after machining before chamfering is performed, the
これに対して、本発明においては、計測対象の、間隔寸法又は段差寸法を測定する両平面におけるレーザ輝線間の距離を測定しているので、機械加工品のエッジが面取りされていたり、バリが存在することにより、面間隔寸法の計測精度が低下されることはない。 On the other hand, in the present invention, since the distance between the laser emission lines on both planes for measuring the distance dimension or the step dimension to be measured is measured, the edge of the machined product is chamfered or burrs are not formed. By being present, the measurement accuracy of the inter-surface distance dimension is not reduced.
1・・・レーザ発生源、2・・・計測対象、3・・・結像レンズ、4・・・センサ(エリアセンサ)、5・・・ビーム成形部(レンズ)、6・・・線状(スリット)ビーム、9・・・波長フィルタ、10・・・偏光フィルタ、12・・・レーザコントローラ、13・・・カメラ電源、14・・・CPU、14a・・・画像取り込み部、14b・・・レーザ輝線位置抽出部、14c・・・直線間距離算出部、14d・・・3次元画像変換部、14e・・・線検出部、14f・・・画素値算出部、15・・・ストレージデバイス、16・・・画像入力ボード、20・・・撮像画像表示画面、17・・・モニタ、18・・・マウス、19キーボード、21L・・・左エッジ、21R・・・右エッジ、d、d’・・・面間隔、22・・・面取り、23・・・バリ、24L、62L、63L・・・左内面でのレーザ輝線、24R、62R、63R・・・右内面でのレーザ輝線、30L・・・左内面でのレーザ輝線に対応した座標点群データ、30R・・・右内面でのレーザ輝線に対応した座標点群データ、25L・・・左内面でのレーザ輝線に対応した座標点群データに当てはめられた直線、25R・・・右内面でのレーザ輝線に対応した座標点群データに当てはめられた直線、26・・・コンピュータ、27・・・・直線25Lと直線25Rの距離(面間隔)、28F、60F、61F・・・前面でのレーザ輝線、28B、60B、61B・・・奥面でのレーザ輝線、31F・・・前面でのレーザ輝線に対応した座標点群データ、31B・・・奥面でのレーザ輝線に対応した座標点群データ、29F・・・前面でのレーザ輝線に対応した座標点群データに当てはめられた直線、29B・・・奥面でのレーザ輝線に対応した座標点群データに当てはめられた直線、33・・・直線29Fと直線29Bの距離(段差)、35・・・ビームスプリッタ、36・・・全反射ミラー、101、102・・・直線偏光板、80・・・画角の狭い結像レンズ、81・・・画角の広い結像レンズ、40、41・・・画角
DESCRIPTION OF
Claims (10)
計測対象物に線状光ビームを照射し、
上記線状光ビームが照射された計測対象物の上記線状光ビームの発生源からの距離が互いに異なる段差を形成する2つの面の一方の面を第1の撮像系で撮像し、上記2つの面の他方の面を第2の撮像系で撮像し、
上記計測対象物の撮像された画像上の互いに離間する2つの面に照射された上記線状光ビームを抽出し、抽出した2つの面上の線状光ビームのそれぞれを示す直線式を算出し、
算出した2つの直線式で表される2つの直線間の距離を算出し、
上記計測対象物の段差寸法を測定することを特徴とする2次元光切断法による寸法測定方法。 In the dimension measurement method by the two-dimensional light cutting method,
Irradiate the measurement target with a linear light beam,
One surface of the two surfaces forming steps with different distances from the generation source of the linear light beam of the measurement object irradiated with the linear light beam is imaged by a first imaging system, and the 2 Image the other of the two surfaces with the second imaging system ,
The linear light beams applied to two surfaces that are spaced apart from each other on the imaged image of the measurement object are extracted, and a linear expression representing each of the extracted linear light beams on the two surfaces is calculated. ,
Calculate the distance between the two straight lines represented by the two calculated linear equations,
A dimension measuring method by a two-dimensional light cutting method, characterized by measuring a step size of the measurement object.
計測対象物を照射する線状光ビームの発生手段と、
上記線状光ビームが照射された計測対象物の上記線状光ビームの発生源からの距離が互いに異なる段差を形成する2つの面の一方の面を撮像する第1の撮像系と、上記2つの面の他方の面を撮像する第2の撮像系とを有する撮像手段と、
撮像された上記計測対象物を表示する表示手段と、
上記計測対象物の撮像された画像上の互いに離間する2つの面に照射された上記線状光ビームを抽出し、抽出した2つの面上の線状光ビームのそれぞれを示す直線式を算出し、算出した2つの直線式で表される2つの直線間の距離を算出し、上記計測対象物の段差寸法を測定して上記表示手段に表示させる演算処理手段と、
を備えることを特徴とする2次元光切断法による寸法測定装置。 In a dimension measuring device using a two-dimensional light cutting method,
Means for generating a linear light beam for irradiating the measurement object;
A first imaging system that images one surface of two surfaces that form steps with different distances from the source of the linear light beam of the measurement object irradiated with the linear light beam; An imaging means having a second imaging system for imaging the other of the two surfaces ;
Display means for displaying the imaged measurement object;
The linear light beams applied to two surfaces that are spaced apart from each other on the imaged image of the measurement object are extracted, and a linear expression representing each of the extracted linear light beams on the two surfaces is calculated. An arithmetic processing means for calculating a distance between two straight lines represented by the two calculated straight line formulas, measuring a step size of the measurement object, and displaying it on the display means;
A dimension measuring apparatus using a two-dimensional light cutting method.
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