JP5585391B2

JP5585391B2 - 球体の位置測定装置及び方法

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Publication number: JP5585391B2
Application number: JP2010246542A
Authority: JP
Inventors: 晶詳中瀬; 尊広水野
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2030-11-02
Also published as: JP2012098177A

Description

本発明は、玉軸受に使用される玉等の球体の位置測定装置及び方法に関する。

深溝玉軸受やアンギュラ玉軸受等の玉軸受は、内輪と外輪との相対回転によって玉が周方向に公転する。この玉の公転速度は、外輪や内輪に対する玉の接触角の変化や玉の滑り等に起因して不均一になる場合があり、これによって玉の進み遅れが生じ、保持器に大きな応力が発生することがある。したがって、玉軸受を設計したり使用条件等を定めたりするにあたって玉の公転状態等の挙動を解析することは極めて重要となる。

転がり軸受の転動体の挙動を解析する技術として、特許文献１に記載された転動体挙動の非接触測定装置が公知である。この非接触測定装置は、被測定物となる軸受の転動体を介在させて相対的に回転自在な一対の軌道盤と、この軌道盤を回転させる駆動源と、一対の軌道盤の間の転動体を撮像する撮像部と、この撮像部で撮像した画像データにより前記転動体の挙動を解析する画像解析部とを備えている。

この非接触測定装置は、スラスト針状ころ軸受等に使用される円筒状の転動体（以下、「円筒体」という）を解析対象とし、この円筒体を撮影した画像を解析することによって、その変位量や回転角度を解析する。具体的には、円筒体の端面の中心とその周囲との２箇所にマーキングを設け、スラスト針状ころ軸受の径方向外側から円筒体の端面を撮影し、この端面の画像において、端面中心のマーキングの回りで他のマーキングがどの程度移動するかによって円筒体の回転角度を取得する。また、一対の軌道輪を透明な材質で形成して、スラスト針状ころ軸受の軸方向外側からも円筒体の画像を撮影し、この画像における円筒体の両端の形状をパターン認識することによって、円筒体の重心位置とスキュー角の変化を取得する。

特開２００２−２１３９３２号公報

しかしながら、特許文献１の技術は、針状ころ等の円筒体を対象とするものであり、玉軸受の玉に対しては適用することができない。玉軸受の玉は、円筒体とは異なり一定の姿勢で公転しないため、常にマーキングが撮影範囲に含まれるとは限らないからである。また、マーキングを設けることによって玉の挙動が変化してしまう可能性もあり、正確な挙動を取得できなくなるおそれがある。

本発明は、玉軸受に使用される玉のように円軌道上を公転する球体の位置を好適に測定することができる球体の位置測定装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点に係る球体の位置測定装置は、
円軌道上を公転する球体の位置を測定するための球体の位置測定装置であって、
前記円軌道の中心線上に中心を有するリング照明と、
前記中心線上に配置されたレンズを有し、かつ前記中心線を含む範囲で前記球体を撮像する撮像部と、
前記撮像部によって撮像された画像中における、前記球体の表面で反射した前記リング照明の反射光を認識し、この反射光の領域の重心位置を求める画像処理部と、を備え、
前記画像処理部は、前記中心線に対する前記リング照明の中心及び／又はレンズの位置ずれに応じて前記反射光領域の重心位置を補正する重心位置補正部を備え、
前記重心位置補正部は、前記円軌道上に周方向略等間隔に配置された複数の球体における各反射光領域の重心位置又はその近傍を通る所定の図形の中心と、前記円軌道の中心との間の位置ずれ量を求め、この位置ずれ量を補正量として前記各反射光領域の重心位置を補正することを特徴とする。

この構成によれば、円軌道の中心線上に撮像部のレンズ及びリング照明の中心が配置されているので、球体は、円軌道上のどの位置にあってもリング照明及びレンズと一定の相対関係を保つ。そして、リング照明から球体に照射された光は、球体の表面で反射して撮像部のレンズに入射し、球体とともに撮像部によって撮像される。撮像部によって撮像された画像には、球体が円軌道上のどの位置にあっても円軌道の中心線を基準として球体の表面上の一定位置にリング照明の反射光が写されるため、当該反射光の領域の重心位置を球体の位置とみなすことができる。したがって、本発明によれば、球体にマーキングを設けることなく、正確に球体の周方向位置を求めることが可能となる。また、反射光は、球体がどのように回転しても撮像部によって撮影されるので、球体の位置が認識されなくなることもない。そして、撮像部によって所定の時間間隔毎に撮影された複数の画像（例えば、動画像を構成する複数のフレーム）から中心線周りの球体の位置（重心位置）の変化を求めることで、球体の公転の状態を把握することが可能となる。

前記画像処理部は、前記中心線に対する前記リング照明の中心及び／又はレンズの位置ずれに応じて前記反射光領域の重心位置を補正する重心位置補正部を備えている。円軌道の中心線に対してリング照明の中心及び／又はレンズの位置がずれていると、球体の表面で反射するリング照明の反射光の、撮像部のレンズに対する入射角度が変化するため、撮像された画像における球体上の反射光領域の重心位置が変化し、正確な球体の位置を求められなくなるおそれがある。本発明では、円軌道の中心線に対するリング照明の中心及び／又はレンズの位置ずれに応じて反射光領域の重心位置を補正する重心位置補正部を備えているため、上記のような位置ずれに伴う不都合を排除することができる。

前記重心位置補正部は、前記円軌道上に周方向略等間隔に配置された複数の球体における各反射光領域の重心位置又はその近傍を通過する所定の図形の中心と、前記円軌道の中心との間の位置ずれ量を求め、この位置ずれ量を補正量として前記各反射光領域の重心位置を補正するので、円軌道の中心線に対するリング照明の中心及び／又はレンズの位置ずれに起因する反射光領域の重心位置の位置ずれを適切に補正することができる。
なお、所定の図形とは、例えば、複数の球体における反射光領域の重心位置についての近似円とすることができる。また、球体が偶数個ある場合には、隣接する重心同士を繋いだ多角形とすることができ、この場合、点対称位置にある重心同士を繋いだ線分が交差する位置を多角形の中心とすることができる。

以上のような球体の位置測定装置は、玉軸受を測定対象として使用することができる。すなわち、前記球体が玉軸受の玉であり、前記円軌道が、前記玉が転動する内輪及び外輪の軌道であってもよい。

本発明の第２の観点に係る球体の位置測定方法は、
円軌道上を公転する球体の位置を測定するための球体の位置測定方法であって、
前記円軌道の中心線上に中心を有するリング照明によって前記球体を照明するステップと、
前記中心線上に配置されたレンズを有する撮像部によって前記中心線を含む範囲で前記球体を撮像するステップと、
撮像された前記球体の画像において、前記球体の表面で反射した前記リング照明の反射光を認識し、この反射光の領域の重心位置を求めるステップと、
を含み、
前記重心位置を求めるステップは、
前記円軌道上に周方向略等間隔に配置された複数の球体における各反射光領域の重心位置又はその近傍を通る所定の図形の中心と、前記円軌道の中心との間の位置ずれ量を求め、この位置ずれ量を補正量として、前記中心線に対する前記リング照明の中心及び／又はレンズの位置ずれに応じて前記反射光領域の重心位置を補正するステップを含むことを特徴とする。

この構成によれば、上述の位置測定装置と同様に、円軌道の中心線上に撮像部のレンズ及びリング照明の中心が配置されているので、球体は、円軌道上のどの位置にあってもリング照明及びレンズと一定の相対関係を保つ。そして、リング照明から球体に照射された光は、球体の表面で反射して撮像部のレンズに入射し、球体とともに撮像部によって撮像される。撮像部によって撮像された画像には、球体が円軌道上のどの位置にあっても円軌道の中心線を基準として球体の表面上の一定位置にリング照明の反射光が写されるため、当該反射光の領域の重心位置を球体の位置とみなすことができる。したがって、本発明によれば、球体にマーキングを設けることなく、正確に球体の周方向位置を求めることが可能となる。また、反射光は、球体がどのように回転しても撮像部によって撮影されるので、球体の位置が認識されなくなることもない。そして、例えば撮像部によって所定の時間間隔毎に撮影された複数の画像（例えば、動画像を構成する複数のフレーム）から中心線周りの球体の位置（重心位置）の変化を求めることで、球体の公転の状態を把握することが可能となる。

本発明によれば、円軌道上を公転する球体の位置を適切に測定することができる。

本発明の実施形態に係る球体の位置測定装置の概略図である。（ａ）は、玉軸受の軸心方向から見た位置測定装置の概略的な正面配置図、（ｂ）は、位置測定装置の概略的な側面配置図である。玉の表面で反射するリング照明の反射光を示す図である。画像処理部による処理手順を示すフローチャートである。カメラによって撮像された画像における各玉の反射光の重心位置を示す図である。各玉の反射光の重心位置の補正について説明する図である。各玉の反射光の重心位置の補正手順を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る球体の位置測定装置を示す概略図である。
本実施形態の位置測定装置１６は、測定対象としてのラジアル玉軸受１０の玉１３の位置を測定するために使用される。玉軸受１０は、内輪１１と、内輪１１の径方向外方に配置された外輪１２と、内輪１１と外輪１２との間に配置された複数の玉１３とを備えている。複数の玉１３は、内輪１１の外周面及び外輪１２の内周面に形成された円環状の軌道上を自転しつつ周方向に公転する。また、複数の玉１３は、図示しない保持器によって周方向の間隔が保持される。

位置測定装置１６は、玉軸受１０を撮像するカメラ（撮像部）１７と、玉軸受１０に光を照射するリング照明１８とを備えている。また、図示はしていないが、玉軸受１０を通常の使用形態と略同様の形態で回転させる駆動装置が設けられている。駆動装置は、内輪１１又は外輪１２の一方を固定し、他方を回転させる。リング照明１８は、玉軸受１０の軸心Ｏ上（内輪１１及び外輪１２の軌道中心線上）に中心を有するリング形状に形成され、玉軸受１０の全周に対して均一に光を照射する。

カメラ１７は、時間的に連続する複数の画像列からなる動画像を撮像するビデオカメラ１７が使用される。このカメラ１７には、例えば３０〜６０ｆｐｓのフレームレートで動画像を撮像するものを用いることができるが、１００ｆｐｓ以上の動画を撮像可能な高速度カメラを用いることがより推奨される。カメラ１７のレンズ２０は、その光軸が玉軸受１０の軸線Ｏ上に配置されており、玉軸受１０の軸方向端面の全体を撮像範囲に含んでいる。

カメラ１７によって撮像された画像は画像処理部２２に入力され、この画像処理部２２において所定の画像処理がなされる。この画像処理部２２は、ＣＰＵ等の演算部、ＲＡＭ、ＲＯＭ及びＨＤＤ等の記憶部、及び各種インターフェース等を備えたコンピュータにより構成されている。そして、本実施形態の画像処理部２２は、後述するように、反射光認識部２３、重心演算部２４、重心位置補正部２５としての機能を有している。

図２（ａ）は、玉軸受の軸心方向から見た位置測定装置の概略的な正面配置図、（ｂ）は、位置測定装置の概略的な側面配置図である。本実施形態の玉軸受１０は、８個の玉１３を備えており、各玉１３は、軸心Ｏを中心に内輪１１の軌道１１ａ及び外輪１２の軌道１２ａ上を周方向に公転する。リング照明１８は、外輪１２の軌道１２ａよりも大径に形成され、玉軸受１０全体を照明する。そして、カメラ１７のレンズ２０には、玉軸受１０の各玉１３の表面で反射されたリング照明１８の反射光２７が入射し、カメラ１７によって撮像された玉１３の画像には、表面に環状の反射光２７が写し出される。

具体的に説明すると、例えばリング照明１８のＡ点から照射された光は、玉１３の表面上におけるａ点で反射してカメラ１７に入射する。同様に、リング照明１８のＢ〜Ｄ点では、それぞれ玉１３の表面上のｂ〜ｄ点で反射してカメラ１７に入射する。これにより、図３に拡大して示すように、反射光２７は、環状の形態で撮像される。また、カメラ１７のレンズ２０が玉軸受１０の軸心Ｏ上に配置されているので、各玉１３の表面に写された反射光２７は各玉１３の平面中心よりもやや軸心Ｏ寄りに位置し、軸心Ｏを基準として互いに略回転対象形状となる。

カメラ１７によって撮像された画像は、画像処理部２２に入力されて所定の画像処理がなされる。以下、この画像処理について詳細に説明する。
図４は、画像処理部２２による処理手順を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１において、画像処理部２２は、カメラ１７によって撮像された画像の入力を受け付け、記憶部に記憶する。次いで、ステップＳ２において、画像処理部２２は、反射光認識部２３（図１参照）の機能により、各玉１３の表面上に写された反射光２７の領域を認識する処理を行う。この処理は、例えば、玉１３の画像に対し所定の輝度値を閾値とする２値化処理を行うことによって、反射光２７の領域を抽出する。すなわち、反射光２７は、その周囲の玉１３の表面よりも輝度が高くなるため、輝度が高い部分と低い部分とを２階調に変換することによって反射光２７の領域を抽出することができる。

なお、リング照明１８は、２値化処理によって反射光２７の領域が適切に抽出されるように予め適切な強度に調整される。また、玉１３の表面上の反射光２７が、例えば内輪１１の影等に重なって途切れた状態になる場合には、画像処理部２２は、反射光２７の領域に対して公知のクロージング処理を行うことによって形状を補正し、環状の反射光２７の領域を抽出する。

次いで、ステップＳ３において、画像処理部２２は、重心演算部２４（図１参照）の機能により、抽出された反射光２７の領域を対象としてその重心位置（図心の位置）を求める処理を行う（ステップＳ３）。この処理は、例えば、反射光２７の領域に含まれる画素の座標値の総和を当該画素の数で割ることによって求めることができる。この際、画素の輝度値によって重み付けを行った上で反射光２７の領域の重心を求めれば、より正確な重心位置を取得することができる。

このように求められた反射光２７の重心位置は、軌道１１ａ，１２ａ上における各玉１３の位置とみなすことができる。これは、リング照明１８の中心やカメラ１７のレンズ２０が玉軸受１０の軸心Ｏ上に配置されているため、玉１３は周方向のどの位置にあってもレンズ２０及びリング照明１８と一定の相対関係を保ち、カメラ１７によって撮像された画像には、軸心Ｏを基準として玉１３の表面上の一定位置（特に周方向位置）に反射光２７が写されるからである。

図５は、カメラによって撮像された画像における各玉の反射光の重心位置を示す図である。複数の玉１３における反射光２７の領域の重心位置は、２次元座標上の点ｇ_ｉ（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）（ただし、ｉ＝１〜ｎ（玉の個数））として求められる。そして、カメラ１７によって撮像された動画像の各フレームについて、各玉１３における反射光２７の重心位置ｇ_ｉの座標を求め、フレーム間の重心位置ｇ_ｉの変化を解析することによって、玉１３の公転速度やその変化を把握することができる。例えば、画像フレーム間の時間経過に対する玉１３の周方向位置の変化量を求めることで、玉１３の公転速度を取得することができる。また、隣接する玉同士の中心角の変化を取得することによって玉１３の相対的な公転速度差を求めることもできる。また、玉１３と保持器との相対位置関係により、玉１３と保持器との接触等の挙動を解析することができ、玉軸受１０の低トルク化等の設計に役立てることができる。

上記の説明では、カメラ１７のレンズ２０とリング照明１８の中心との双方が、玉軸受１０の軸心Ｏ上に配置されていることを前提としているが、各装置のセッティングの際に生じる誤差等によって若干のズレが生じている場合がある。そこで、本実施形態の画像処理部２２は、このような位置ずれに応じて玉１３の反射光２７の重心位置ｇ_ｉを補正する重心位置補正部（図１参照）を備え、図４のステップＳ４において、この重心位置補正部２５による処理を行う。

図６は、重心位置の補正処理について説明する図である。図７は、この補正処理の手順を示すフローチャートである。カメラ１７のレンズ２０やリング照明１８の中心が、玉軸受１０の軸心Ｏ上からずれて配置されていると、リング照明１８の反射光がレンズ２０に入射する角度が変化し、カメラ１７によって撮像された画像中の、各玉１３上の反射光２７の重心位置（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）が軸心Ｏを基準として偏った配置となる。

そのため、画像処理部２２は、まず、図７のステップＳ１１において、各玉１３における反射光２７の重心ｇ_ｉについての近似円Ａを求め、この近似円Ａの中心位置（ｘ_ａ，ｙ_ａ）を取得する処理を行う。この近似円Ａは、各重心ｇ_ｉとの間隔が最小となるように近似された円であり、最小二乗法等の公知の手法を用いて求めることができる。

次いで、ステップＳ１２において、画像中における玉軸受１０の軸心Ｏの位置、すなわち内輪１１又は外輪１２の中心位置（ｘ_ｃ，ｙ_ｃ）を取得する処理を行う。
そして、画像処理部２２は、近似円Ａの中心位置（ｘ_ａ，ｙ_ａ）と内輪１１等の中心位置（ｘ_ｃ，ｙ_ｃ）との相対位置の差であるズレ量を求め、このズレ量を各重心位置ｇ_ｉの補正量とする。具体的には、ステップＳ１３において、近似円Ａの中心位置（ｘ_ａ，ｙ_ａ）と内輪等の中心位置（ｘ_ｃ，ｙ_ｃ）とのズレ量としてベクトルｅ（Δｘ、Δｙ）＝（ｘ_ｃ−ｘ_ａ，ｙ_ｃ−ｙ_ａ）を求める。そして、ステップＳ１４において、反射光２７の重心位置ｇ_ｉをベクトルｅで補正することによって、補正重心位置ｇ_ｉ’（ｘ_ｉ’，ｙ_ｉ’）＝（ｘ_ｉ＋Δｘ，ｙ_ｉ＋Δｙ）を求める。

このような補正重心位置ｇ_ｉ’を求めることによって、軸心Ｏとリング照明１８の中心及びカメラ１７のレンズ２０とに位置ズレが生じていたとしても正確に玉１３の位置を求めることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において適宜変形可能である。
例えば、本発明における球体の位置測定装置１６は、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、４点接触玉軸受、自動調心玉軸受等に使用される玉の位置を測定するために使用することができる。
画像処理部２２における反射光認識部２３、重心演算部２４、及び重心位置補正部２５の各処理は、上述した方法、手順に限定されるものではなく、各部の目的が達成される限りにおいて他の方法や手順を用いることも可能である。

例えば、重心位置補正部２５において、複数の玉１３における反射光２７の重心ｇ_ｉについての中心位置（ｘ_ａ，ｙ_ａ）を求めるには、最小二乗法により近似円を求める方法に限らず、その他の方法を用いてもよい。例えば、玉１３の数が偶数個である場合には、隣接する玉１３の重心位置ｇ_ｉ同士を結んだ多角形図形を求め、この多角形図形の点対称となる頂点同士を結ぶ線分が交差する位置を中心位置（ｘ_ａ，ｙ_ａ）として求めてもよい。

１０：玉軸受、１１：内輪、１１ａ：軌道、１２：外輪、１２ａ：軌道、１３：玉（球体）、１６：位置測定装置、１７：カメラ（撮像部）、１８：リング照明、２０：レンズ、２２：画像処理部、２３：反射光認識部、２４：重心演算部、２５：重心位置補正部、２７：反射光

Claims

円軌道上を公転する球体の位置を測定するための球体の位置測定装置であって、
前記円軌道の中心線上に中心を有するリング照明と、
前記中心線上に配置されたレンズを有し、前記中心線を含む範囲で前記球体を撮像する撮像部と、
前記撮像部によって撮像された画像中における、前記球体の表面で反射した前記リング照明の反射光を認識し、この反射光の領域の重心位置を求める画像処理部と、
を備え、
前記画像処理部は、前記中心線に対する前記リング照明の中心及び／又はレンズの位置ずれに応じて前記反射光領域の重心位置を補正する重心位置補正部を備え、
前記重心位置補正部は、前記円軌道上に周方向略等間隔に配置された複数の球体における各反射光領域の重心位置又はその近傍を通る所定の図形の中心と、前記円軌道の中心との間の位置ずれ量を求め、この位置ずれ量を補正量として前記各反射光領域の重心位置を補正することを特徴とする球体の位置測定装置。
前記球体が玉軸受の玉であり、前記円軌道が、前記玉が転動する内輪及び外輪の軌道である請求項１に記載の球体の位置測定装置。
円軌道を公転する球体の位置を測定するための球体の位置測定方法であって、
前記円軌道の中心線上に中心を有するリング照明によって前記球体を照明するステップと、
前記中心線上に配置されたレンズを有する撮像部によって前記中心線を含む範囲で前記球体を撮像するステップと、
撮像された前記球体の画像において、前記球体の表面で反射した前記リング照明の反射光を認識し、この反射光の領域の重心位置を求めるステップと、
を含み、
前記重心位置を求めるステップは、
前記円軌道上に周方向略等間隔に配置された複数の球体における各反射光領域の重心位置又はその近傍を通る所定の図形の中心と、前記円軌道の中心との間の位置ずれ量を求め、この位置ずれ量を補正量として、前記中心線に対する前記リング照明の中心及び／又はレンズの位置ずれに応じて前記反射光領域の重心位置を補正するステップを含むことを特徴とする球体の位置測定方法。