JP5846093B2

JP5846093B2 - 形状測定装置

Info

Publication number: JP5846093B2
Application number: JP2012220144A
Authority: JP
Inventors: 室崎　隆; 隆室崎
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-10-02
Filing date: 2012-10-02
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2032-10-02
Also published as: JP2014071094A

Description

本発明は、測定対象物の形状を測定する形状測定装置に関する。

従来、特許文献１には、高輝度の飽和（ハレーション）が起こり得る画像検査処理装置が記載されている。この従来技術では、撮像素子を用いて被検査物を撮影し、その撮像画像に基づいて被検査物を検査する。

この種の画像検査処理装置では、ハレーション領域では本来の輝度情報が損なわれてしまうため、正確な検査ができなくなる。そこで、上記従来技術では、ハレーション領域の輝度値を周辺領域の輝度の値に基づいて補間することによって、正確な検査ができるようにしている。

また、従来、測定対象物にレーザー光を照射し、測定対象物の表面で拡散反射したレーザー光を撮像素子で受光し、撮像素子の各画素における輝度値を測定対象物の高さに置き換えることによって測定対象物の形状を測定する形状測定装置が製品化されている。

特開２０１０−１４５０３号公報

上記の形状測定装置を用いて、溶接部を有する測定対象物の形状を測定した場合、測定対象物に照射されたレーザー光が溶接部で鏡面反射することがある。レーザー光が鏡面反射した領域の輝度値は、周辺の領域（すなわちレーザー光が拡散反射した領域）の輝度値と大きく異なるため、鏡面反射領域では高さを誤測定してしまう。具体的には、鏡面反射領域では、本来の高さよりも高すぎる測定結果や、低すぎる測定結果が得られてしまう。

そこで、上記特許文献１の従来技術の考え方を適用して、鏡面反射領域の高さを正確に測定できるようにすることが考えられる。例えば、高さの値が所定範囲を逸脱している領域がある場合、その領域の高さの値を周辺領域の高さの値に基づいて補間することによって、鏡面反射領域の高さを正確に測定できるようにすることが考えられる。

しかしながら、このような補間を行った場合、鏡面反射領域以外の領域に対しても高さの値が補間されることがあり、その結果、鏡面反射領域以外の領域の高さを誤測定してしまうことが起こりうる。

具体的には、溶接部に溶接不良が発生し、溶接不良の部分の高さの値が所定範囲を逸脱しているような場合、溶接不良の部分の高さの値が周辺領域の高さの値に基づいて補間されてしまうことがある。すなわち、本来補間する必要のない溶接不良の部分が補間されてしまうので、溶接不良の部分の高さを誤測定してしまい、ひいては溶接部の形状を誤測定してしまうことが起こりうる。

本発明は上記点に鑑みて、溶接部を有する測定対象物の形状を測定する形状測定装置において、鏡面反射領域の高さの値を補間できるようにするとともに、溶接不良部分の高さを誤測定してしまうことを抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
溶接部（２３）を有する測定対象物（２０）の表面で反射したレーザー光を受光した撮像素子の各画素における輝度値を測定対象物（２０）の高さに置き換えることによって、測定対象物（２０）の断面形状を表すプロファイルデータを構成し、さらにプロファイルデータを測定対象物（２０）の複数断面について複数個構成するプロファイルデータ構成手段（１１、１２、１３）と、
複数個のプロファイルデータのそれぞれに対して、断面形状における高さの値が所定範囲を逸脱している部分の高さの値を、他の部分の高さの値に基づいて補間する補間手段（Ｓ２）と、
補間手段（Ｓ２）によって補間された部分が溶接不良の部分であるか否かを、補間手段（Ｓ２）によって補間される前の複数個のプロファイルデータと、補間手段（Ｓ２）によって補間された後の複数個のプロファイルデータとを比較することによって判定する判定手段（Ｓ３４）と、
補間手段（Ｓ２）によって補間された部分が溶接不良の部分であると判定した場合、補間手段（Ｓ２）によって補間された後の複数個のプロファイルデータの内容を、補間手段（Ｓ２）によって補間される前の複数個のプロファイルデータの内容に復元する復元手段（Ｓ３５）とを備えることを特徴とする。

これによると、補間手段（Ｓ２）によって、鏡面反射領域の高さの値を補間することができる。さらに、補間手段（Ｓ２）によって補間された部分が溶接不良の部分であると判定した場合、補間手段（Ｓ２）によって補間された後の複数個のプロファイルデータの内容を、補間手段（Ｓ２）によって補間される前の複数個のプロファイルデータの内容に復元するので、溶接不良部分の形状が誤測定されてしまうことを抑制できる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

一実施形態における形状測定装置の全体構成図である。一実施形態における測定対象物を示す斜視図である。一実施形態における測定対象物を示す平面図である。一実施形態における測定対象物を示す斜視図である。一実施形態における測定対象物を示す平面図である。一実施形態における測定対象物を示す斜視図である。一実施形態における測定対象物を示す平面図である。一実施形態における測定対象物を示す斜視図である。一実施形態における測定対象物を示す平面図である。一実施形態における形状測定装置のデータ処理を示すフローチャートである。一実施形態におけるプロファイルデータ補間処理を説明する説明図である。一実施形態における補間前のプロファイルデータの例を示す図である。一実施形態における補間後のプロファイルデータの例を示す図である。一実施形態における補間解消チェック処理を示すフローチャートである。一実施形態における補間前のプロファイルデータ群に基づくグレースケール画像の例を示す図である。一実施形態における補間後のプロファイルデータ群に基づくグレースケール画像の例を示す図である。一実施形態における排他的論理和画像の例を示す図である。一実施形態における補間前のプロファイルデータ群に基づくグレースケール画像の例を示す図である。一実施形態における補間後のプロファイルデータ群に基づくグレースケール画像の例を示す図である。一実施形態における排他的論理和画像の例を示す図である。

本発明の一実施形態について図１〜図２０に基づいて説明する。図１に示すように、本実施形態における形状測定装置１０は、センサヘッド１１、センサコントローラ１２、掃引装置１３およびパーソナルコンピュータ１４を備えている。

センサヘッド１１は、半導体レーザ、シリンドリカルレンズ、受光レンズ、撮像素子を有している。半導体レーザから発振されたレーザ光は、シリンドリカルレンズによって帯状に広げられて、測定対象物２０の一部分に照射される。測定対象物２０の表面で拡散反射したレーザー光は、受光レンズで集光され、撮像素子上で結像される。撮像素子上で結像された光情報は、撮像素子によって電気信号に変換されて、センサコントローラ１２に出力される。

センサコントローラ１２は、センサヘッド１１から出力された電気信号からプロファイルデータを構成してパーソナルコンピュータ１４に出力する。プロファイルデータは、測定対象物２０の断面形状（２次元形状）を表すデータであり、帯状レーザ光の幅方向（図１に示すＸ方向）における位置を表すデータと、図１に示すＸ方向に対して直交する方向であってセンサヘッド１１側の方向（図１に示すＺ方向）における測定対象物２０の高さを表すデータとの組み合わせで構成されている。

掃引装置１３は、図１に示すＸ方向およびＺ方向に対して直交する方向（図１に示すＹ方向）にセンサヘッド１１を駆動する。これにより、帯状レーザ光が測定対象物２０に掃引照射される。

帯状レーザ光が測定対象物２０に掃引照射されている間、センサヘッド１１は、撮像素子によって変換された電気信号を所定の周期でセンサコントローラ１２に出力する。これにより、センサコントローラ１２では、プロファイルデータが、帯状レーザ光の掃引方向（図１に示すＹ方向）に所定の間隔毎に構成される。このように構成された多数個のプロファイルデータ（以下、プロファイルデータ群と言う。）によって、測定対象物２０の立体形状（３次元形状）を表すことができる。

したがって、センサヘッド１１、センサコントローラ１２および掃引装置１３は、プロファイルデータを測定対象物２０の複数断面について複数個構成するプロファイルデータ構成手段を構成している。

パーソナルコンピュータ１４は、予め記憶された制御プログラムに基づいて、センサコントローラ１２および掃引装置１３の作動を制御するとともに、センサコントローラ１２で構成されたプロファイルデータ群を読み込み、プロファイルデータ群に対して各種の処理を行う。

本実施形態における測定対象物２０は、車両用部品であるオルタネータであり、オルタネータのリード２１とターミナル２２とを溶接することによって形成された溶接部２３を有している。

図２および図３は、溶接部２３が形成される前の測定対象物２０を示す斜視図および平面図であり、図４および図５は、溶接部２３が形成された後の測定対象物２０を示す斜視図および平面図である。図２〜図５に示すＸＹＺの各矢印は、図１に示すＸＹＺの各矢印に対応している。

リード２１は、断面がＬ字状に屈曲した板形状になっている。リード２１には、測定高さの基準となる平坦部２１ａが形成されている。ターミナル２２は棒形状になっており、溶接部２３が形成される前の状態では、その端部がリード２１の端面から突き出るようにリード２１に隣接配置されている。

ターミナル２２の先端部分（リード２１の上面から突き出た部分）が溶接時に溶融されることによって、測定対象物２０の上面にリード２１とターミナル２２とを接合する溶接部２３が形成される。溶接部２３の表面には、鏡面状になっている部分がある。鏡面状になっている部分は入射光を特定の方向に反射させる。

形状測定装置１０で測定対象物２０の形状を測定する際には、測定対象物２０は、溶接部２３（換言すればターミナル２２の先端部分）がセンサヘッド１１側（図１に示すＺ方向）を向くように配置される。

図４および図５は、リード２１とターミナル２２との溶接が良好であった場合の溶接部２３の例を示している。この場合、溶接部２３は、リード２１とターミナル２２との間の隙間を埋めるように形成されている。

一方、図６〜図９は、リード２１とターミナル２２との溶接が不良であった場合の溶接部２３の例を示している。図６および図７は、リード２１上の溶融金属とターミナル２２上の溶融金属とが完全に別れてしまった場合（いわゆる玉別れ）である。図８および図９は、リード２１上の溶融金属とターミナル２２上の溶融金属とが部分的に別れてしまった場合（いわゆる溶け不足）である。図６〜図９に示すような溶接不良が発生した場合、リード２１とターミナル２２との間に隙間Ｇ１が残ったままになってしまう。

次に、パーソナルコンピュータ１４が実行するプロファイルデータの処理について図１０〜図２０に基づいて説明する。パーソナルコンピュータ１４は、センサヘッド１１の帯状レーザ光が測定対象物２０に掃引照射され、センサコントローラ１２でプロファイルデータ群が構成されると、図１０のフローチャートに示す処理を実行する。

まずステップＳ１では、センサコントローラ１２からプロファイルデータ群の読み込みを行って、ステップＳ２へ進む。

次に、ステップＳ２では、ステップＳ１にて読み込んだプロファイルデータ群に対して補間処理を行う。具体的には、プロファイルデータ群の各プロファイルデータに対して、溶接部２３での鏡面反射による誤測定部分を、隣接部分の高さ情報によって補間する。

すなわち、上述のように、形状測定装置１０は、測定対象物２０の表面で拡散反射したレーザー光を撮像素子上で結像させることによって測定対象物２０の形状を測定するものであるので、レーザー光が溶接部２３で鏡面反射すると測定結果に大きな誤差が生じる。そこで、ステップＳ２では、レーザー光が鏡面反射したと推定される部分の測定結果を、それ以外の部分の測定結果を用いて補正する。

ステップＳ２の詳細な処理内容については、図１１〜図１３を用いて説明する。例えば図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ断面（Ｘ方向に平行な断面）におけるプロファイルデータを図１２に示す。図１１に示すＸＹの各矢印は、図１〜図９に示すＸＹの各矢印に対応している。

ステップＳ２では、プロファイルデータの高さの値が下限高さ以下または上限高さ以上になっている部分について、レーザー光の鏡面反射によって誤測定された部分であると判断して、Ｘ方向における直ぐ隣の位置（図１２では直ぐ左側の位置）での高さの値に補正する。下限高さおよび上限高さは、例えば、リード２１の平坦部２１ａにおける測定高さを基準として設定される。

これにより、図１２のプロファイルデータは、図１３に示すように補間される。なお、図１３の例は、溶接部２３が含まれると推定されるＸ方向位置範囲に対してのみ、ステップＳ２の補間処理を行った結果を示している。

図１２、図１３は、プロファイルデータ群のうち１つのプロファイルデータ（図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ断面におけるプロファイルデータ）に対して補間処理を行った例を示したが、ステップＳ２では、プロファイルデータ群に含まれる全てのプロファイルデータに対して、同様の補間処理を行う。

次のステップＳ３では、ステップＳ２で補間処理が行われたプロファイルデータ群に対して補間解消チェックを行う。具体的には、ステップＳ２で補間した部分が溶接不良の部分であるか否かを判定し、溶接不良の部分でないと判定された場合、補間処理後のプロファイルデータ群を溶接合否判定用のデータとする。一方、溶接不良の部分であると判定された場合、補間処理前のプロファイルデータ群を溶接合否判定用のデータとする。

ステップＳ３の詳細な処理内容については、図１４〜図２０を用いて説明する。図１４は、ステップＳ３の詳細な処理内容を示すフローチャートである。図１５〜図２０は、ステップＳ３の処理によって作成される画像データの例を示している。図１５〜図１７は、溶接不良の部分がない場合の画像データの例を示し、図１８〜図２０は、溶接不良の部分がある場合の画像データの例を示している。図１５〜図２０に示すＸＹの各矢印は、図１〜図９に示すＸＹの各矢印に対応している。

まずステップＳ３１では、補間前プロファイルデータ群および補間後プロファイルデータ群をそれぞれグレースケール画像化して、ステップＳ３２へ進む。したがって、ステップＳ３１は、グレースケール画像作成手段を構成している。

図１５、図１８は、補間前プロファイルデータ群に基づいて作成されたグレースケール画像３１の例を示し、図１６、図１９は、補間後プロファイルデータ群に基づいて作成されたグレースケール画像３２の例を示している。

グレースケール画像３１、３２は、具体的には、プロファイルデータ群におけるＸ方向位置およびＹ方向位置をピクセル座標に置き換え、プロファイルデータ群における高さ（Ｚ方向位置）を各ピクセルの輝度値に置き換えることによって作成される。

本実施形態では、高さの値が小さいほど輝度値を小さく（黒く）し、高さの値が大きいほど輝度値を大きく（白く）する。したがって、高さの値が小さい部分に対応するピクセルの色は黒くなり、高さの値が大きい部分に対応するピクセルの色は白くなる。

次のステップＳ３２では、補間前プロファイルデータ群に基づくグレースケール画像３１と、補間後プロファイルデータ群に基づくグレースケール画像３２との排他的論理和をとった画像３３を作成して、ステップＳ３３へ進む。したがって、ステップＳ３２は、排他的論理和画像作成手段を構成している。

図１７、図２０に示すように、排他的論理和画像３３には、ステップＳ２で補間した部分が抽出される。図１７に示す排他的論理和画像３３は、図１５のグレースケール画像３１と図１６のグレースケール画像３２との排他的論理和をとった結果である。図２０に示す排他的論理和画像３３は、図１８のグレースケール画像３１と図１９のグレースケール画像３２との排他的論理和をとった結果である。

すなわち、図１７は、溶接不良の部分がない場合における排他的論理和画像３３の例を示し、図２０は、溶接不良の部分がある場合における排他的論理和画像３３の例を示している。

次のステップＳ３３では、排他的論理和画像３３に対してブロブ解析を行い、ステップＳ３４へ進む。したがって、ステップＳ３３は解析手段を構成している。

次のステップＳ３４では、ステップＳ３３での解析結果、具体的にはブロブの寸法や形状等に基づいて、ステップＳ２で補間した部分が溶接不良の部分であるか否かを判定する。したがって、ステップＳ３４は判定手段を構成している。

すなわち、鏡面反射は狭い範囲に発生するのに対し、溶接不良は鏡面反射に比べて広い範囲に連続的に発生するので、排他的論理和画像３３中のブロブの寸法や形状等を調べることによって、ステップＳ２で補間した部分が溶接不良部分であるか否かを判定することができる。

例えば、ブロブの長さ（図２０に示す寸法Ｌ１）が所定の閾値以上である場合、ステップＳ２で補間した部分が溶接不良部分であると判定する。すなわち、ブロブの長さ（図２０に示す寸法Ｌ１）が所定の閾値以上である場合、図６〜図９に示すような溶接不良が発生した場合における隙間Ｇ１が存在していると考えられるので、ステップＳ２で補間した部分が溶接不良部分であると判定する。なお、当該判定を、ブロブの面積やブロブの曲率等に基づいて行ってもよい。

ステップＳ２で補間した部分が溶接不良の部分であると判定と判定した場合、ステップＳ３５へ進み、補間後プロファイルデータ群の内容を、補間前プロファイルデータ群の内容に復元して、ステップＳ４へ進む。一方、ステップＳ２で補間した部分が溶接不良の部分でないと判定と判定した場合、そのままステップＳ４へ進む。

ステップＳ４では、補間後プロファイルデータ群を解析して溶接部２３の寸法や面積等を算出し、その算出結果に基づいて溶接部２３の合否判定を行う。

ここで、ステップＳ３４にて、ステップＳ２で補間した部分が溶接不良の部分でないと判定と判定した場合、ステップＳ３５にて、補間後プロファイルデータ群の内容は補間前プロファイルデータ群の内容に復元されているので、補間前プロファイルデータ群の内容に基づいて溶接部２３の合否判定が行われることとなる。

一方、ステップＳ３４にて、ステップＳ２で補間した部分が溶接不良の部分であると判定と判定した場合、補間後プロファイルデータ群の内容は補間前プロファイルデータ群の内容に復元されないので、補間後プロファイルデータ群の内容に基づいて溶接部２３の合否判定が行われることとなる。

本実施形態によると、ステップＳ２で説明したように、プロファイルデータ群に含まれる個々のプロファイルデータに対して、断面形状における高さの値が所定範囲を逸脱している部分の高さの値を、他の部分の高さの値に基づいて補間するので、鏡面反射領域の高さの値を補間することができる。その結果、鏡面反射領域に対する形状測定の精度を向上できる。

さらに、ステップＳ３、Ｓ４で説明したように、ステップＳ２で補間された部分が溶接不良部分であるか否かを、補間前プロファイルデータ群と補間後プロファイルデータ群とを比較することによって判定し、ステップＳ２で補間された部分が溶接不良の部分であると判定された場合、補間前プロファイルデータ群の内容を用いて溶接部２３の合否判定を行うので、本来補間される必要のない溶接不良部分が補間されてしまって溶接不良部分の形状が誤測定されてしまうことを防止できる。

（他の実施形態）
（１）上述の実施形態では、補間前プロファイルデータ群に基づくグレースケール画像３１と、補間後プロファイルデータ群に基づくグレースケール画像３２との排他的論理和をとって排他的論理和画像３３を作成する際、両画像３１、３２の全体に対して排他的論理和をるようになっているが、両画像３１、３２について、溶接不良が発生する可能性がある部分（具体的にはリード２１とターミナル２２との境界部）のみに対して排他的論理和をとれば、ステップＳ２で補間された部分が溶接不良の部分であるか否かの判定を一層精度良く行うことができる。

（２）上述の実施形態では、補間前プロファイルデータ群に基づいて作成されたグレースケール画像３１と補間後プロファイルデータ群に基づいて作成されたグレースケール画像３２との排他的論理和をとって排他的論理和画像３３を作成し、排他的論理和画像３３に対してブロブ解析を行うことによって、ステップＳ２で補間した部分が溶接不良部分であるか否かを判定するが、必ずしも排他的論理和画像３３を作成する必要はなく、補間前プロファイルデータ群に基づいて作成されたグレースケール画像３１と補間後プロファイルデータ群に基づいて作成されたグレースケール画像３２とを適宜比較することによって、ステップＳ２で補間した部分が溶接不良部分であるか否かを判定するようにしてもよい。

また、必ずしもグレースケール画像３１、３２を作成する必要はなく、補間前プロファイルデータ群と補間後プロファイルデータ群とをデータ上で直接比較することによって、ステップＳ２で補間した部分が溶接不良の部分であるか否かを判定するようにしてもよい。

（３）上述の実施形態では、車両用部品であるオルタネータにおけるリード２１とターミナル２２との溶接部２３の形状を測定する例を示したが、これに限定されるものではなく、種々の測定対象物の形状測定に本発明を適用することができる。例えば、車両用部品であるインバータにおけるバスバーと板状の端子との溶接部の形状の測定に本発明を適用することができる。

１１センサヘッド（プロファイルデータ構成手段）
１２センサコントローラ（プロファイルデータ構成手段）
１３掃引装置（プロファイルデータ構成手段）
２０測定対象物
２３溶接部
Ｓ２補間手段
Ｓ３１グレースケール画像作成手段
Ｓ３２排他的論理和画像作成手段
Ｓ３３解析手段
Ｓ３４判定手段
Ｓ３５復元手段

Claims

溶接部（２３）を有する測定対象物（２０）の表面で反射したレーザー光を受光した撮像素子の各画素における輝度値を前記測定対象物（２０）の高さに置き換えることによって、前記測定対象物（２０）の断面形状を表すプロファイルデータを構成し、さらに前記プロファイルデータを前記測定対象物（２０）の複数断面について複数個構成するプロファイルデータ構成手段（１１、１２、１３）と、
前記複数個のプロファイルデータのそれぞれに対して、前記断面形状における高さの値が所定範囲を逸脱している部分の高さの値を、他の部分の高さの値に基づいて補間する補間手段（Ｓ２）と、
前記補間手段（Ｓ２）によって補間された部分が溶接不良の部分であるか否かを、前記補間手段（Ｓ２）によって補間される前の前記複数個のプロファイルデータと、前記補間手段（Ｓ２）によって補間された後の前記複数個のプロファイルデータとを比較することによって判定する判定手段（Ｓ３４）と、
前記補間手段（Ｓ２）によって補間された部分が溶接不良の部分であると判定した場合、前記補間手段（Ｓ２）によって補間された後の前記複数個のプロファイルデータの内容を、前記補間手段（Ｓ２）によって補間される前の前記複数個のプロファイルデータの内容に復元する復元手段（Ｓ３５）とを備えることを特徴とする形状測定装置。
前記補間手段（Ｓ２）によって補間される前の前記複数個のプロファイルデータ、および前記補間手段（Ｓ２）によって補間された後の前記複数個のプロファイルデータのそれぞれに対して、前記断面形状における高さの値をピクセルの輝度に置き換えることによってグレースケール画像（３１、３２）を作成するグレースケール画像作成手段（Ｓ３１）を備え、
前記判定手段（Ｓ３４）は、前記補間手段（Ｓ２）によって補間される前の前記複数個のプロファイルデータに基づくグレースケール画像（３１）と、前記補間手段（Ｓ２）によって補間された後の前記複数個のプロファイルデータに基づくグレースケール画像（３２）とを比較することによって、前記補間手段（Ｓ２）によって補間された部分が溶接不良の部分であるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
前記補間手段（Ｓ２）によって補間される前の前記複数個のプロファイルデータに基づいて作成された前記グレースケール画像（３１）と、前記補間手段（Ｓ２）によって補間された後の前記複数個のプロファイルデータに基づいて作成された前記グレースケール画像（３２）との排他的論理和をとった画像（３３）を作成する排他的論理和画像作成手段（Ｓ３２）と、
前記排他的論理和をとった画像（３３）を解析する解析手段（Ｓ３３）とを備え、
前記判定手段（Ｓ３４）は、前記解析手段（Ｓ３３）の解析結果に基づいて、前記補間手段（Ｓ２）によって補間された部分が溶接不良の部分であるか否かを判定することを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置。