JP5553493B2 - 形状変化測定装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物に固定された複数の測定対象マークの変位を測定し、測定結果に基づいて測定対象物の形状の変化を画像として表示する形状変化測定装置及び方法に関する。

２台のカメラを用いて同一のマークを撮像することにより、ステレオ計測を行うことができる（特許文献１）。一般的なステレオ計測を行う際には、２つのカメラのレンズの光軸を相互に平行に配置し、光軸方向に関して、２つのカメラのレンズの主点の位置を一致させる。１つの目標マークを２つのカメラで同時に撮像することにより、目標マークの位置を検出することができる。

特開２００３−２４２４８５号公報

従来のステレオ計測においては、２つのカメラの位置及び姿勢に高い精度が要求される。また、１つのマークを２つのカメラで同時に撮像する必要があるため、計測時のカメラの設置条件が制約を受ける。また、静止したマークの位置の測定には有用であるが、マークの位置の変位の時刻暦の測定には適さない。

本発明の一観点によると、
レンズ及び受像面を含み、測定対象マークを観測して画像データを取得する第１の観測
装置と、
画像を出力する画像出力装置と、
前記第１の観測装置及び前記画像出力装置を制御する制御装置と
を有し、
前記第１の観測装置のレンズの光軸に一致するＷ軸、該レンズの主点を通過してＷ軸に直交し、かつ相互に直交するＵ軸及びＶ軸により、ＵＶＷ座標系を定義したとき、
前記制御装置は、
測定対象物に対応する解析モデルを複数の有限要素に区分し、該有限要素の節点の、三次元のグローバル座標系における位置を記憶し、
前記第１の観測装置で取得された前記画像データを解析することにより、前記第１の観測装置に固定され、前記ＵＶＷ座標系のＵ座標及びＶ座標からなる二次元の第１のローカル座標系において、前記測定対象マークの各々の位置情報の時刻暦を求め、
前記節点の前記グローバル座標系における位置を、Ｗ軸を基準とした極角θとＵＷ平面を基準とした方位角φからなる第１のローカル極座標系における位置に変換し、
前記第１の観測装置から取得した前記第１のローカル座標系における前記測定対象マークの位置情報の時刻暦に基づいて、前記節点の各々の前記第１のローカル極座標系における変位量を算出し、
前記節点の各々の前記第１のローカル極座標系における変位量を、前記グローバル座標系における変位量に変換し、
前記節点の各々の前記グローバル座標系における変位量に基づいて、前記測定対象物の形状または姿勢の変化を、前記画像出力装置に表示させる形状変化測定装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
測定対象物に対応する解析モデルを複数の有限要素に区分し、有限要素同士の節点の、三次元のグローバル座標系における位置を確定する工程と、
前記測定対象物に固定された複数の測定対象マークを、レンズ及び受像面を含む第１の観測装置で観測し、前記第１の観測装置のレンズの光軸に一致するＷ軸、該レンズの主点を通過してＷ軸に直交し、かつ相互に直交するＵ軸及びＶ軸により、ＵＶＷ座標系を定義したとき、Ｕ座標及びＶ座標からなる二次元の第１のローカル座標系における該測定対象マークの位置情報の時刻歴を取得する工程と、
前記グローバル座標系における前記節点の位置を、Ｗ軸を基準とした極角θとＵＷ平面を基準とした方位角φからなる第１のローカル極座標系における位置に変換する工程と、
前記測定対象マークの各々の、前記第１のローカル座標系における位置情報の時刻歴に基づいて、前記節点の各々の前記第１のローカル極座標系における変位量を算出する工程と、
前記節点の各々の前記第１のローカル極座標系における変位量を、前記グローバル座標系における変位量に変換する工程と、
前記節点の各々の、前記グローバル座標系における変位量の時刻暦に基づいて、前記測定対象物の形状の変化を画像として表示する工程と
を有する形状変化測定方法が提供される。

実際に観測した観測対象マークの変位量から、節点の変位量を算出することにより、観測対象物の形状の変化を画像表示することが可能になる。これにより、形状の変化を容易に視認することができる。

図１に、実施例による形状変化測定装置の概略図を示す。ＸＹＺ直交座標系（グローバル座標系）が定義された空間に、測定対象物１０が配置される。測定対象物１０の表面に、複数の測定対象マークＡが固定されている。測定対象マークＡは、測定対象物１０の表面に直接描画することにより形成してもよいし、マークが形成された部材を測定対象物１０の表面に貼り付けてもよい。

測定対象物１０は、外力が加えられることにより変形する。測定対象物１０が変形すると、測定対象マークＡが変位する。

第１の観測装置２０及び第２の観測装置３０が、測定対象マークＡを観測する。第１の観測装置２０及び第２の観測装置３０には、例えば、ディジタルカメラが用いられる。観測対象マークＡに、１からｎまで通番を付したとき、一部の観測対象マークＡ_１〜Ａ_ｉが第１の観測装置２０で観測され、他の観測対象マークＡ_ｉ＋１〜Ａ_ｎが第２の観測装置３０で観測される。なお、すべての観測対象マークＡ_１〜Ａ_ｎが、両方の観測装置２０及び３０で観測されるようにしてもよいし、一部の観測対象マークＡ_ｊ〜Ａ_ｊ＋ｍが、両方の観測装置２０及び３０で観測されるようにしてもよい。

第１の観測装置２０及び第２の観測装置３０の各々は、レンズと受像面とを含む。第１の観測装置２０に固定された第１のローカル座標系が定義され、第２の観測装置３０に固定された第２のローカル座標系が定義される。第１のローカル座標系は、第１の観測装置２０のレンズの光軸に一致するＷ軸、Ｗ軸に垂直で、かつ相互に直交するＵ軸及びＶ軸で定義され、その原点は、レンズの主点に一致する。受像面は、ＵＶ面に平行である。第２のローカル座標系は、第２の観測装置３０のレンズの光軸に一致するＴ軸、Ｔ軸に垂直で、かつ相互に直交するＲ軸及びＳ軸で定義され、その原点は、レンズの主点に一致する。受像面は、ＲＳ面に平行である。

第１の観測装置２０及び第２の観測装置３０で撮像された画像データが、処理装置４０に入力される。処理装置４０は、入力された画像データを処理し、観測対象物１０の形状変化の時刻暦を求める。形状変化の時刻暦は、画像表示装置４１に画像として表示される。

図２に、実施例による形状変化測定方法のフローチャートを示す。まず、ステップＳＡ１において、ＣＡＤを用いて測定対象物の形状を定義する。測定対象物の形状は、ＣＡＤ座標系内に定義される。

ステップＳＡ２において、ＣＡＤ座標系と関連付けたグローバル座標系（ＸＹＺ座標系）を定義する。通常は、ＣＡＤ座標系をグローバル座標系として採用すればよい。

ステップＳＡ３において、ＣＡＤで定義された測定対象物を、仮想的に複数の有限要素に分割する。

図３に、有限要素に分割された測定対象物１０を示す。測定対象物１０の表面に複数の測定対象マークＡが固定されている。図３は、測定対象物１０が立方体の多数の要素に分割された例を示している。各要素の頂点に節点Ｂが画定される。各要素を、多角形の表面を持つ任意の立体形状としてもよい。この場合、多角形の表面の頂点が節点Ｂとなる。制御装置４０は、グローバル座標系における各節点Ｂの位置を記憶する。

ステップＳＡ４において、実際の測定対象物１０に取り付けられている測定対象マークＡのグローバル座標系における位置を、制御装置４０に記憶させる。

ステップＳＡ５において、グローバル座標系が定義された空間内に、第１の観測装置２０及び第２の観測装置３０を配置し、固定する。制御装置４０に、第１の観測装置２０及び第２の観測装置３０の、グローバル座標系内における位置と姿勢を記憶させる。第１の観測装置２０の位置は、そのレンズの主点のグローバル座標で特定される。第１の観測装置２０の姿勢は、そのレンズの光軸、即ちＷ軸の方向と、Ｕ軸の方向とで特定される。同様に、第２の観測装置３０の位置は、そのレンズの主点のグローバル座標で特定され、姿勢は、Ｔ軸及びＲ軸の方向で特定される。

実施例では、第１の観測装置２０に固定された第１のローカル座標系のＷ軸が、グローバル座標系のＺ軸に平行になり、第２の観測装置３０に固定された第２のローカル座標系のＴ軸が、グローバル座標系のＸ軸に平行になるように、第１及び第２の観測装置２０、３０を配置した。この配置の場合、第１の観測装置２０は、Ｗ軸に直交する方向、すなわちＸＹ面内方向の変位を観測し、第２の観測装置３０は、Ｔ軸に直交する方向、すなわちＹＺ面内方向の変位を観測することができる。

観測対象物１０に予想される変形に応じて、第１及び第２の観測装置２０、３０を配置することが好ましい。例えば、外力の向きがＸＹ面に平行であり、その大きさがＺ方向に関してほぼ一定であれば、測定対象物１０の変形は、ほぼＸＹ面に平行な方向に生じると予測される。この変形は、主として第１の観測装置２０によって観測することができる。

以下の説明では、観測対象物１０が、主としてＸＹ面内に平行な方向に変形すると予測される場合について説明する。

ステップＳＡ６において、測定対象物１０に外力を加えながら、観測対象マークＡを、第１の観測装置２０及び第２の観測装置３０で撮像する。撮像された画像データは、制御装置４０に入力される。制御装置４０は、画像解析を行うことにより、受像面内における観測対象マークＡの像の位置を計測する。以下の工程では、第１の観測装置２０で取得された画像データの処理について説明する。第２の観測装置３０で取得された画像データの処理も、同様に行われる。

第１の観測装置２０の受像面は、第１のローカル座標系のＵＶ面に平行である。このため、受像面内の位置は、Ｕ座標及びＶ座標で特定される。観測時刻ｔ_０、ｔ_１、ｔ_２・・・における画像データを解析することにより、これらの観測時刻における観測対象マークＡの受像面内の位置、すなわち（Ｕ，Ｖ）座標を検出する。以下、観測対象マークＡ_１の位置の検出方法の一例について説明する。

まず、画像データから、観測対象マークＡ_１を含む長方形の領域を切り取る。切り取られた領域の（Ｕ，Ｖ）座標、例えば長方形の１つの頂点の（Ｕ，Ｖ）座標を記憶する。切り取られた画像データに、ノイズ除去を目的として、低域通過フィルタ、または収縮膨張操作等の処理を行う。ノイズが除去された画像データを用い、切り取られた領域内における観測対象マークＡ_１の位置を検出する。

マーク位置の検出には、重心演算かピーク値検出法を用いることが好ましい。マークの像がぼやけている場合があるため、エッジ検出法やパターンマッチング法による位置検出は適さない。光強度にしきい値を設定し、しきい値以上の画素についてのみ重心演算を行うことにより、背景の光強度の強弱の影響を受けにくくすることができる。

切り取られた領域の位置、及び切り取られた領域内における観測対象マークＡ_１の位置により、受像面内における観測対象マークＡ_１の（Ｕ，Ｖ）座標を算出することができる。同様の方法で、他の観測対象マークＡ_２〜Ａ_ｎの（Ｕ，Ｖ）座標を求める。

図４に示すように、観測対象マークＡ_１、Ａ_２・・・ごとに、座標及び変位量の時刻暦テーブルが準備されている。この時刻暦テーブルには、時刻ごとに、（Ｕ，Ｖ）座標及び変位量（ΔＵ，ΔＶ）を記憶する領域が確保されている。求められた（Ｕ，Ｖ）座標の値を、図４に示した時刻暦テーブルの（Ｕ，Ｖ）座標記憶領域に記憶する。

ステップＳＡ７において、観測対象マークＡの各々の受像面内における時刻暦から、観測対象マークＡの各々について、観測時刻ごとの変位を計算する。例えば、観測対象マークＡ_１の時刻ｔ_０及びｔ_１における位置が（Ｕ_１０，Ｖ_１０）及び（Ｕ_１１，Ｖ_１１）である場合、観測時刻ｔ_１における観測対象マークＡ_１の変位（ΔＵ_１１，ΔＶ_１１）は、（Ｕ_１１−Ｕ_１０、Ｖ_１１−Ｖ_１０）になる。図４に示した時刻暦テーブルの変位量記憶領域に、計算により求められた変位量（ΔＵ，ΔＶ）を記憶する。

次に、観測対象マークごと、及び観測時刻ごとの変位量から、（Ｕ，Ｖ）座標上で抽出された複数の点（抽出点）における変位量を観測時刻ごとに算出し、算出結果を記憶する。以下、抽出点の変位量を算出する方法について説明する。

図５に、算出された変位量を記憶するテーブルの一例を示す。観測時刻ごとに、抽出点の変位量を記憶するテーブルが準備されている。抽出点は、例えば、Ｕ軸方向及びＶ軸方向に、ある格子間隔で設けた正方格子の格子点に一致するように抽出される。抽出点のＵ座標は、Ｕ_１、Ｕ_２、Ｕ_３・・・となり、Ｖ座標は、Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３・・・となる。抽出点ごとに、変位量（ΔＵ，ΔＶ）を記憶する領域が確保されている。

図６を参照して、抽出点（Ｕ_ｉ，Ｖ_ｊ）における変位量の算出方法について説明する。（Ｕ，Ｖ）平面上に、複数の観測対象マークＡ_１〜Ａ_ｎが分布する。観測時刻ｔ_１における観測対象マークＡ_１〜Ａ_ｎの各々のＵ軸方向の変位量ΔＵは、図４に示したように既に求められている。抽出点（Ｕ_ｉ，Ｖ_ｊ）における変位量は、変位量が既知の複数の点の変位量から、例えば補間演算等により推測することができる。Ｖ軸方向の変位量ΔＶも、同様に推測することができる。観測時刻ｔ_２以降の各観測時刻について同様の処理を行い、観測時刻ごとに、図５に示したテーブルの変位量記憶領域に、算出された変位量を格納する。

なお、図５に示した変位量記憶用のテーブルを準備する代わりに、変位量の近似関数を決定してもよい。変位量の近似関数ｆｕ、ｆｖは、受像面上の位置を（Ｕ，Ｖ）とし、経過時間をｔとして、下記のように表記することができる。
ΔＵ＝ｆｕ（Ｕ，Ｖ，ｔ）
ΔＶ＝ｆｖ（Ｕ，Ｖ，ｔ）
ステップＳＡ８において、レンズ特性を考慮して、受像面上の（Ｕ，Ｖ）座標を、第１のローカル座標系のＷ軸を基準とした極角θ、及びＵＷ面を基準とした方位角φに変換する。さらに、変位量ΔＵ及びΔＶも、極角の変化量Δθ及び方位角の変化量Δφに変換する。以下、変換方法について説明する。

図７に示すように、レンズが薄い単レンズの場合、レンズの主点２１から受像面２２までの距離Ｌが既知であれば、観測対象マークＡの像ＡＩの（Ｕ，Ｖ）座標を、（θ、φ）に変換することができる。さらに、変位量（ΔＵ、ΔＶ）を、角度の変化量（Δθ，Δφ）に変換することができる。なお、複合レンズを用いる場合にも、レンズ特性に基づいて、変位量（ΔＵ、ΔＶ）を角度の変化量（Δθ，Δφ）に変換することができる。

図８に示すように、観測時刻ごとに、抽出点に対応する（θ、φ）座標と、角度の変化量（Δθ、Δφ）との関係を示す角度変化量テーブルが準備されている。角度変化量テーブルには、抽出点ごとに、角度変化量を記憶する領域が確保されている。変換により算出された角度変化量（Δθ，Δφ）を、角度変化量の記憶領域に格納する。

なお、図８に示した角度変化量テーブルの代わりに、角度変化量の近似関数を決定してもよい。角度変化量の近似関数ｆθ、ｆφは、極角をθ、方位角をφ、経過時間をｔとして、下記のように表記することができる。
Δθ＝ｆθ（θ，φ，ｔ）
Δφ＝ｆφ（θ，φ，ｔ）
ステップＳＡ９において、図８に示した角度変化量テーブルに基づいて、第１の観測装置２０で観測されている表面上の節点Ｂの各々の角度変化量（Δθ，Δφ）を、観測時刻ごとに算出する。

節点Ｂのグローバル座標は、ステップＳＡ３で既に記憶されている。グローバル座標系と第１のローカル座標系との関係は、ステップＳＡ５で既に記憶されているため、節点Ｂのグローバル座標から、当該節点Ｂのローカル座標（θ、φ）を求めることができる。図８に示した角度変化量テーブルを参照して、節点Ｂのローカル座標（θ，φ）から、その角度変化量（Δθ，Δφ）を、補間演算等により算出することができる。

図９に示すように、節点Ｂ_１、Ｂ_２・・・の角度変化量（Δθ，Δφ）の時刻暦を記憶するためのテーブルが準備されている。このテーブルには、節点ごと、及び観測時刻ごとに、角度変化量（Δθ，Δφ）を記憶する領域が確保されている。算出された角度変化量（Δθ，Δφ）を、図９に示したテーブルの角度変化量記憶領域に格納する。

ステップＳＡ１０において、第１の観測装置２０で観測されている表面上の節点Ｂの各々の角度変化量（Δθ，Δφ）を、グローバル座標系における変位量（ΔＸ，ΔＹ）に変換する。

図１０を参照して、節点Ｂ_１の角度変化量（Δθ，Δφ）を、グローバル座標系における変位量（ΔＸ，ΔＹ）に変換する方法について説明する。第１の観測装置２０では、第１のローカル座標系のＷ軸に垂直な方向への変位を計測することとしたため、節点Ｂ_１の変位方向は、Ｗ軸に垂直であると仮定する。

節点Ｂ_１を含みＷ軸に垂直な仮想平面Ｓｗを定義する。第１のローカル座標系において（θ，φ）方向に延びる仮想直線と仮想平面Ｓｗとの交点が、時刻ｔ＝ｔ_ｉにおける節点Ｂ_１に一致する。（θ＋Δθ，φ＋Δφ）方向に延びる仮想直線と仮想平面Ｓｗとの交点が、時刻ｔ＝ｔ_ｉ＋１における節点Ｂ_１に一致する。このようにして、時刻ｔ_ｉからｔ_ｉ＋１までの節点Ｂ_１の変位（ΔＸ，ΔＹ）を算出することができる。

外力がＺ方向に関して均一であり、その向きがＸＹ面に平行である場合には、各節点の変位量は、Ｚ方向に関してほぼ一定であると考えられる。この条件下で、第１の観測装置２０で観測される表面上の節点以外の節点の変位量を算出することができる。具体的には、点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の節点の変位量は、（Ｘ，Ｙ）座標が、この節点の（Ｘ，Ｙ）座標と等しく、かつ第１の観測装置２０で観測される表面上に位置する節点の変位量と同一であると推測される。

図１１に示すように、節点Ｂ_１、Ｂ_２・・・の各々の変位（ΔＸ，ΔＹ）を記憶する変位時刻暦テーブルが準備されている。このテーブルには、節点ごと、及び観測時刻ごとに、変位（ΔＸ，ΔＹ）を記憶するための領域が確保されている。算出された変位量を、この変位量時刻暦テーブルの該当記憶領域に格納する。

第２の観測装置３０で得られた画像データにより、同様の方法で、第２の観測装置３０で観測される表面上の節点の各々の観測時刻ごとの変位（ΔＹ，ΔＺ）が求まる。第２の観測装置３０で得られた画像データに基づいて算出された各節点の変位ΔＹが、Ｚ方向に関してほぼ一定であれば、第１の観測装置２０で得られた画像データに基づいて算出された変位（ΔＸ，ΔＹ）がＺ方向に関してほぼ一定であるという予測が妥当であったことがと確認される。

ステップＳＡ１１において、図１１に示した節点の変位量時刻暦テーブルに基づいて、測定対象物１０の形状の変化の様子を、画像表示装置４１に動画として表示する。

図１２に、画像表示装置４１の概略図を示す。表示画面内に対象物表示領域４２が確保されており、その外側に、操作部４３、経過時間表示バー４４、及び表示指令部４５が表示されている。対象物表示領域４２内に、対象物が３次元的に表示される。操作部４３を通して、表示開始、表示停止、表示一時停止等の操作を行う。経過時間表示バー４４には、現在表示されている時刻までの経過時間が棒状に表示される。また、経過時間表示バーを介して観測開始からの経過時間を指定して、指定された時刻からの形状の変化を表示させることができる。

表示指令部４５を通して、対象物表示領域４２内に表示されている画像の拡大、縮小、回転等の指示を行う。このため、種々の視点から観測対象物１０の変形を確認することができる。なお、各節点の変位量を拡大して表示することができる。観測対象物の形状を変化が僅かである場合には、変位量を拡大して表示することにより、形状の変化を視認しやすくなる。

測定対象物の形状を、時間の経過と共に連続的に表示することにより、測定対象物１０の形状の変化を、視覚的に容易に把握することができる。各部の変形量を容易に把握できるようにするために、等変位量線を表示したり、変位量に応じて表示色を変えるコンター表示を行ってもよい。

上記実施例では、観測対象物１０が、主としてＸＹ面に平行な方向にのみ変位するという条件を仮定した。次に、第２の観測装置３０により、Ｚ方向への変位が検出された場合について説明する。

図１３に示すように、観測対象物１０上の観測対象マークＡｉが、第１の観測装置２０で観測され、観測対象マークＡｊが、第２の観測装置３０で観測される。第１の観測装置２０で取得された画像データの解析により、観測対象マークＡｉが、Ｗ軸に垂直な方向、すなわちＸＹ面に平行な方向に、Ａｉ（ｔ＝ｔ_ｉ）からＡｉ（ｔ＝ｔ_ｉ＋１）に変位したと推測される。同様に、第２の観測装置３０で取得された画像データの解析により、観測対象マークＡｊが、Ｔ軸に垂直な方向、すなわちＹＺ面に平行な方向に、Ａｊ（ｔ＝ｔ_ｉ）からＡｊ（ｔ＝ｔ_ｉ＋１）に変位したと推測される。

観測対象マークＡｉ及びＡｊの近傍の節点Ｂｋの変位は、観測対象マークＡｉ及びＡｊの変位の影響を受ける。観測対象マークＡｉの変位のみを考慮すると、節点Ｂｋの変位先は、ＸＹ面に平行な方向に変位した点Ｂｋｉと予測される。観測対象マークＡｊの変位のみを考慮すると、節点Ｂｋの変位先は、ＹＺ面に平行な方向に変位した点Ｂｋｊと予測される。実際の変位は、変位先Ｂｋｉへの変位と、変位先Ｂｋｊへの変位とを合成したものとなる。変位先Ｂｋｉへの変位と、変位先Ｂｋｊへの変位とを重み付けして合成することにより、実際の変位先Ｂｋ（ｔ＝ｔ_ｉ＋１）が求まる。重み付けは、節点Ｂｋから観測対象マークＡｉ及びＡｊまでの距離等を考慮して行う。

一般的なステレオ計測においては、１つの観測対象マークを２台のカメラで同時に観測しなければならない。上記実施例による方法では、２台の観測装置２０、３０で、異なる観測対象マークＡｉ、Ａｊを観測しても、節点Ｂｋの３次元方向の変位を推測することができる。なお、観測装置の数は、１台または２台に限定されない。３台以上の観測装置を用いてもよい。

次に、１つの観測対象マークを２台の観測装置２０、３０で観測する場合の変位の算出方法について説明する。

図１４に示すように、１つの観測対象マークＡｉを第１の観測装置２０及び第２の観測装置３０の両方で観測している。第１の観測装置２０で取得された画像データの解析により、Ｗ軸に対して垂直な方向への変位先Ａｉ１（ｔ＝ｔ_ｉ＋１）が決定される。第２の観測装置３０で取得された画像データの解析により、Ｔ軸に対して垂直な方向への変位先Ａｉ２（ｔ＝ｔ_ｉ＋１）が決定される。実際の変位先Ａｉ（ｔ＝ｔ_ｉ＋１）は、第１のローカル座標系の原点と変位先Ａｉ１（ｔ＝ｔ_ｉ＋１）とを結ぶ直線ＳＬ_１と、第２のローカル座標系の原点と変位先Ａｉ２（ｔ＝ｔ_ｉ＋１）とを結ぶ直線ＳＬ_２との交点に一致する。このようにして、実際の変位先Ａｉ（ｔ＝ｔ_ｉ＋１）を算出することができる。

上記実施例では、ステップＳＡ８において、ローカル座標系における極角θ及び方位角φで、抽出点の位置及び変位を表している。極角θ及び方位角φは、観測装置と観測対象マークとの距離に依存する倍率の影響を受けない。倍率の違いを考慮して演算を行う必要がないため、変位量算出のための演算時間を短縮することが可能になる。

次に、図１５を参照して、観測対象物１０に測定対象マークを固定する他の構成例について説明する。

図１５に示すように、例えば観測対象物１０の１つの表面１４が、第１の観測対象物２０に対向している。第１の観測装置２０から見て横方向を向く表面１５に、複数のマーク表示部材１１が取り付けられている。マーク表示部材１５の各々は、表面１５から突出しており、第１の観測装置２０に対向する表面を含む。第１の観測装置２０に対向する表面に、観測対象マークＣが表示されている。

表面１５がＷ軸に平行である場合、表面１５に直接描画したマークを第１の観測装置２０で観測することはできない。図１５に示したように、表面１５から突出したマーク表示部材１１を取り付けることにより、表面１５に対して固定された観測対象マークＣを第１の観測装置２０で観測することができる。

図１に示した第２の観測装置３０では、図１５の表面１５に固定された観測対象マークのＸ軸方向の変位を検出することができない。マーク表示部材１１を用いて表面１５に固定された観測対象マークＣを、第１の観測装置２０で観察することにより、観測対象マークＣのＸ軸方向の変位を検出することが可能になる。

Ｗ軸に直交し、表面１５に含まれる方向（図１５においてはＶ軸方向）に関して、マーク表示部材１１同士が重ならないように配置することが好ましい。このように配置すると、表面１５に固定されたすべての観測対象マークＣを第１の観測装置２０で観測することができる。

Ｗ軸方向に関して異なる位置に配置される観測対象マークＣのうち、第１の観測装置２０の被写界深度内に位置するものは、受像面上に結像させることができる。被写界深度からはずれて受像面上に結像しない場合でも、重心演算等の手法を用いて、観測対象マークＣの像の（Ｕ，Ｖ）座標を検出することができる。

図１６に、上記実施例による形状変化測定装置を搭載することができる射出成型機の正面図を示す。射出成型機３４０が、射出装置３５０及び型締装置３７０を含んで構成される。

射出装置３５０は、加熱シリンダ３５１を備え、加熱シリンダ３５１に、樹脂を供給するホッパ３５２が配設される。また、加熱シリンダ３５１内に、スクリュー３５３が進退自在かつ回転自在に配設される。スクリュー３５３の後端は、支持部材３５４によって回転自在に支持される。支持部材３５４に、サーボモータ等の計量モータ３５５が駆動部として取り付けられている。計量モータ３５５の回転が、計量モータ３５５の出力軸３６１に取り付けられたタイミングベルト３５６を介して、被駆動部のスクリュー３５３に伝達される。計量モータ３５５の出力軸３６１の後端に、検出器３６２が直結している。検出器３６２は、計量モータ３５５の回転数または回転量を検出する。検出器３６２により検出された回転数または回転量に基づいて、スクリュー３５３の回転速度が求められる。

射出装置３５０はさらに、スクリュー３５３と平行なねじ軸３５７を回転自在に備える。ねじ軸３５７の後端は、サーボモータ等の射出モータ３５９の出力軸３６３に取り付けられたタイミングベルト３５８を介して、射出モータ３５９に連結されている。従って、射出モータ３５９によってねじ軸３５７を回転させることができる。ねじ軸３５７の前端は支持部材３５４に固定されたナット３６０と螺合させられる。駆動部である射出モータ３５９を駆動し、タイミングベルト３５８を介して駆動伝達部であるねじ軸３５７を回転させると、支持部材３５４が前後進する。

支持部材３５４に、荷重の検出器であるロードセル３６５が取り付けられている。支持部材３５４の前後進運動が、ロードセル３６５を介してスクリュー３５３に伝えられることにより、スクリュー３５３が前後進する。ロードセル３６５により検出された力に対応するデータが、制御装置３１０に送出される。射出モータ３５９の出力軸３６３の後端に、検出器３６４が直結している。検出器３６４は、射出モータ３５９の回転数または回転量を検出する。検出器３６４により検出された回転数及び回転量に基づいて、スクリュー３５３の前後進方向の移動速度または前後進方向の位置が求められる。

型締装置３７０は、可動側の金型３７１が取り付けられた可動プラテン３７２と、固定側の金型３７３が取り付けられた固定プラテン３７４とを含む。可動プラテン３７２と固定プラテン３７４とは、タイバー３７５によって連結される。可動プラテン３７２はタイバー３７５に沿って摺動可能である。また、型締装置３７０は、トグル機構３７７を含む。トグル機構３７７は、一端が可動プラテン３７２と連結し、他端がトグルサポート３７６と連結する。トグルサポート３７６の中央において、ボールねじ軸３７９が回転自在に支持されている。トグル機構３７７に設けられたクロスヘッド３８０に固定されたナット３８１が、ボールねじ軸３７９に螺合させられている。また、ボールねじ軸３７９の後端にプーリ３８２が配設され、サーボモータ等の型締モータ３７８の出力軸３８３とプーリ３８２との間に、タイミングベルト３８４が架け渡されている。

型締装置３７０において、駆動部である型締モータ３７８を駆動すると、型締モータ３７８の回転が、タイミングベルト３８４を介して、駆動伝達部であるボールねじ軸３７９に伝達される。そして、ボールねじ軸３７９及びナット３８１によって、運動方向が回転運動から直線運動に変換され、トグル機構３７７が作動させられる。トグル機構３７７の作動により、可動プラテン３７２がタイバー３７５に沿って摺動し、型閉じ、型締め及び型開きが行われる。

型締モータ３７８の出力軸３８３の後端に、検出器３８５が直結している。検出器３８５は、型締モータ３７８の回転数または回転量を検出する。検出器３８５により検出された回転数または回転量に基づいて、ボールねじ軸３７９の回転に伴って進退するクロスヘッド３８０の位置、または、トグル機構３７７によってクロスヘッド３８０に連結された被駆動部である可動プラテン３７２の位置が求められる。制御装置３１０が、計量モータ３５５、射出モータ３５９、型締モータ３７８を制御する。

可動側の金型３７１と固定側の金型３７３との間に、キャビティｃａｖが形成される。キャビティｃａｖと加熱シリンダ３５１の内部とが連通している。

型締めを行うと、可動側の金型３７１及び固定側の金型３７３に応力が印加され、これらの金型がわずかに変形する。射出成形品の形状の精密度を高めるために、金型のわずかな変形を観測することが望まれる。

可動側の金型３７１と固定側の金型３７３の側面に複数の観測対象マークが固定される。これらの観測対象マークを、上記実施例による形状変化装置を用いて観測することにより、金型の変形の様子を画像により確認することができる。

上記実施例では、観測対象マークＡの変位量を検出するための観測装置２０。３０にディジタルカメラを用いたが、他の方法で変位量を検出してもよい。例えば、レーザ変位計を用いて観測対象マークの変位量を検出することも可能である。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

実施例による形状変化測定装置の概略図である。 実施例による形状変化測定方法を示すフローチャートである。 測定対象物を仮想的に複数の有限要素に分割した状態を示す線図である。 観測対象マークの座標及び変位量の時刻暦を記憶するテーブルを示す線図である。 抽出点（Ｕ，Ｖ）の変位量（ΔＵ，ΔＶ）を記憶するテーブルを示す線図である。 観測対象マークの変位量から、抽出点の変位量を算出方法を説明するためのグラフである。 受像面上の（Ｕ，Ｖ）座標を、（θ，φ）座標に変換する方法を説明するための線図である。 抽出点（θ，φ）の角度変化量（Δθ，Δφ）を記憶するテーブルを示す線図である。 節点の角度変化量（Δθ，Δφ）の時刻暦を記憶するテーブルを示す線図である。 角度変化量（Δθ，Δφ）を、グローバル座標系の変位量（ΔＸ，ΔＹ）に変換する方法を説明するための線図である。 節点の変位量（ΔＸ，ΔＹ）の時刻暦を記憶するテーブルを示す線図である。 実施例による形状変化測定装置に用いられる画像表示装置の概略図である。 第１の観測装置で観測された観測対象マークの変位と、第２の観測装置で観測された他の観測対象マークの変位とに基づいて、節点の変位量を算出する方法を説明するための線図である。 １つの観測対象マークを、第１及び第２の観測装置で観測した場合に、観測対象マークの変位量を算出する方法を説明するための線図である。 観測対象マークの固定方法の他の例を示す斜視図である。 実施例による形状変化測定装置を装着することが可能な射出成型機の正面図である。

符号の説明

１０ 観測対象物
１１ マーク表示部材
２０ 第１の観測装置
３０ 第２の観測装置
４０ 処理装置
４１ 画像表示装置
４２ 対象物表示領域
４３ 操作部
４４ 経過時間表示バー
４５ 表示指令部
Ａ、Ｃ 観測対象マーク
Ｂ 節点
ＸＹＺ グローバル座標系
ＵＶＷ 第１のローカル座標系
ＲＳＴ 第２のローカル座標系

Claims (4)

1. レンズ及び受像面を含み、測定対象マークを観測して画像データを取得する第１の観測装置と、
   画像を出力する画像出力装置と、
   前記第１の観測装置及び前記画像出力装置を制御する制御装置と
   を有し、
   前記第１の観測装置のレンズの光軸に一致するＷ軸、該レンズの主点を通過してＷ軸に直交し、かつ相互に直交するＵ軸及びＶ軸により、ＵＶＷ座標系を定義したとき、
   前記制御装置は、
   測定対象物に対応する解析モデルを複数の有限要素に区分し、該有限要素の節点の、三次元のグローバル座標系における位置を記憶し、
   前記第１の観測装置で取得された前記画像データを解析することにより、前記第１の観測装置に固定され、前記ＵＶＷ座標系のＵ座標及びＶ座標からなる二次元の第１のローカル座標系において、前記測定対象マークの各々の位置情報の時刻暦を求め、
   前記節点の前記グローバル座標系における位置を、Ｗ軸を基準とした極角θとＵＷ平面を基準とした方位角φからなる第１のローカル極座標系における位置に変換し、
   前記第１の観測装置から取得した前記第１のローカル座標系における前記測定対象マークの位置情報の時刻暦に基づいて、前記節点の各々の前記第１のローカル極座標系における変位量を算出し、
   前記節点の各々の前記第１のローカル極座標系における変位量を、前記グローバル座標系における変位量に変換し、
   前記節点の各々の前記グローバル座標系における変位量に基づいて、前記測定対象物の形状または姿勢の変化を、前記画像出力装置に表示させる形状変化測定装置。
2. 前記制御装置は、
   前記第１の観測装置から取得した前記第１のローカル座標系における前記測定対象マークの位置情報の時刻暦に基づいて、前記節点の各々の前記第１のローカル極座標系における変位量を算出するときに、
   前記第１の観測装置から取得した前記第１のローカル座標系における前記測定対象マー
   クの位置情報の時刻暦に基づいて、前記測定対象マークの前記第１のローカル座標系における変位量を求め、
   前記測定対象マークの前記第１のローカル座標系における変位量に基づいて、ＵＶ面内の複数の抽出点の前記第１のローカル座標系における変位量を求め、
   前記抽出点の前記第１のローカル座標系における変位量を、前記第１のローカル極座標系の極角の変化量、及び位角の変化量に換算し、
   前記抽出点の前記極角の変化量及び前記方位角の変化量に基づいて、前記節点の各々の、前記第１の極座標系における極角の変化量と方位角の変化量とを求める請求項１に記載の形状変化測定装置。
3. さらに、測定対象マークを観測する第２の観測装置であって、該第２の観測装置に固定された二次元の第２のローカル座標系における該測定対象マークの位置情報を取得する第２の観測装置(30)を有し、
   前記第２の観測装置は、レンズと受像面とを含み、該レンズを介して該受像面上に投影された画像の画像データを前記制御装置に出力し、
   前記第２の観測装置の前記レンズの光軸に一致するＴ軸、該レンズの主点を通過してＴ軸に直交し、かつ相互に直交するＲ軸及びＳ軸によりＲＳＴ座標系を定義したとき、
   前記制御装置は、
   前記節点の各々の前記グローバル座標系における変位量を算出する際に、前記節点の各々の、前記第１のローカル極座標系の極角の変化量及び方位角の変化量のみならず、Ｔ軸を基準とした極角の変化量及びＲＴ平面を基準とした方位角の変化量に基づいて、前記節点の各々の前記グローバル座標系における変位量を算出する請求項２に記載の形状変化測定装置。
4. 測定対象物に対応する解析モデルを複数の有限要素に区分し、有限要素同士の節点の、三次元のグローバル座標系における位置を確定する工程と、
   前記測定対象物に固定された複数の測定対象マークを、レンズ及び受像面を含む第１の観測装置で観測し、前記第１の観測装置のレンズの光軸に一致するＷ軸、該レンズの主点を通過してＷ軸に直交し、かつ相互に直交するＵ軸及びＶ軸により、ＵＶＷ座標系を定義したとき、Ｕ座標及びＶ座標からなる二次元の第１のローカル座標系における該測定対象マークの位置情報の時刻歴を取得する工程と、
   前記グローバル座標系における前記節点の位置を、Ｗ軸を基準とした極角θとＵＷ平面を基準とした方位角φからなる第１のローカル極座標系における位置に変換する工程と、
   前記測定対象マークの各々の、前記第１のローカル座標系における位置情報の時刻歴に基づいて、前記節点の各々の前記第１のローカル極座標系における変位量を算出する工程と、
   前記節点の各々の前記第１のローカル極座標系における変位量を、前記グローバル座標系における変位量に変換する工程と、
   前記節点の各々の、前記グローバル座標系における変位量の時刻暦に基づいて、前記測定対象物の形状の変化を画像として表示する工程と
   を有する形状変化測定方法。
   

Images