JP6113541B2 - 形状測定装置及び形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、周期的構造を有する物品の形状を測定する技術に関するものである。

寸法や形状がＪＩＳ（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ）規格等により厳しく定められている物品がある。例えば、異形棒鋼は、外周面に節やリブといった突起形状を有しており、その寸法や形状が規格により定められている。リブとは、軸線方向の連続した突起をいい、軸線方向以外の突起を節という。

そこで、異形棒鋼の形状及び寸法を測定する技術が提案されている。例えば、異形棒鋼の径方向に広がりを有する平行光線を照射し、異形棒鋼により遮光された光のパターンを軸方向に走査してその白黒画像信号を得、白黒画像信号に基づいて形状計測する方法が提案されている（特許文献１参照）。また、形状測定対象物の周囲にスリット光を投光する投光器を複数個配置し、スリット光を撮像する撮像装置を配置した光学的形状測定装置であって、隣同士の投光器からのスリット光が形状測定対象物の表面上で重ならないように投光器を配置する等して、被測定物が高速移動している場合等も測定誤差が生じ難くて正確な形状測定をし得る装置が提案されている（特許文献２参照）。

特開平５−１８７８２５号公報 特開２００１−２５５１２５号公報

ここで、異形棒鋼の圧延は、通常の丸棒圧延と比較して難度が高く、特に、始圧延時における圧延機の微調整による寸法形状調整が重要である。また、安定操業中もわずかな圧延条件の変動で不良品を大量に発生させてしまう可能性があるため、製造工程における寸法形状管理が極めて重要となる。従って、圧延工程の実施中に、加工直後の異形棒鋼の寸法及び形状を測定し、即座に、圧延条件に反映することが望まれる。

しかし、特許文献１の技術では、冷間圧延した異形棒鋼か、熱間圧延した異形棒鋼が冷えた後に行う評価であるので、圧延工程へのフィードバックの即時性が確保されず、不良品を大量発生させてしまう可能性がある。また、抜き取り検査となるため、サンプルの選び方によっては、不良品の発生を検知できない場合もあり得る。

また、特許文献２の技術は、いわゆる光切断法を用いた形状測定装置及び方法である。光切断法とは、被測定物の形状を非接触、且つ、光学的に計測する手法であり、三角測量の原理に基づいて、薄いシート状の光を投影することで３次元位置を得る方法である。従って、特許文献２の技術は、圧延工程の実施中に、加工直後の異形棒鋼の寸法及び形状を測定することは可能である。

しかし、光切断法は、シート状に光を当てると被測定物の表面にできる１本の光の縞の形が、被測定物の形状に応じて変化するので、この変化を測定することで、被測定物の３次元形状を知る方法である。従って、光切断法では、シート状に光が当たっている箇所しか測定できない。つまり、より細かな形状を測定しようとする場合は、光の間隔をより狭くする必要がある。

特に、外周面に節やリブといった突起形状を周期的に有している異形棒鋼の場合、突起形状の寸法や形状をも詳細に測定する場合は、測定回数は膨大となる。例えば、節幅が数ｍｍ程度、節と節との間隔が数十ｍｍ程度の異形棒鋼を測定する場合、異形棒鋼の移動速度が約１０ｍ／ｓ程度であるとすると、節などの特徴的な形状を軸方向に精度よく測定するためには、フレームレート数万ｆｐｓ程度の高速度カメラによって撮像する必要がある。結果として、測定装置自体が高価となってしまうという問題がある。

そこで、本発明は、異形棒鋼のような周期的構造を有する測定対象物の形状及び寸法を、簡易に測定する装置及び該方法を提供することを目的とする。

（１）本発明にかかる一態様の形状測定装置は、長手方向に節が周期的に形成された測定対象物の表面形状を、光切断法を用いて測定する形状測定装置であって、前記測定対象物は、前記長手方向に所定の速度で移動し、前記測定対象物の移動方向と交差する方向に光切断線を照射する照射手段と、前記照射手段により照射された前記測定対象物を撮像する撮像手段とを備え、前記撮像手段は、ｖを前記測定対象物の移動速度とし、Ｌを前記節の間隔とし、ｗを前記節の前記長手方向の長さとし、ｎを正の整数、ｍを２以上の整数としたとき、次の式により示されるフレームレートｆで前記測定対象物を撮像する。
ｆ＝ｖ／（ｎＬ＋ｗ／ｍ）
この構成によれば、測定対象物の周期的構造である節の寸法及び間隔と、測定対象物の移動速度とに応じて、撮像するフレームレートを決める。つまり、測定のタイミングを、周期的構造の全てを詳細に測定する場合に比べて、周期的構造に応じて少なくすることができる。従って、高速度カメラを用いることなく、より低速なカメラを用いて、周期的構造を有する測定対象物の形状を知ることが可能となる。節を周期的に有する異形棒鋼の特徴的な形状及び寸法を、安価かつ簡便な方法で測定することができる。また、光切断法を用いることから非接触での測定が可能であるので、圧延工程での加工直後に形状の測定が可能である。よって、測定結果に応じて即座にフィードバックが可能となり、始圧延時および安定操業時の寸法不良材を減少させることが可能となり、圧延設備を停止しなければならない時間を減少させることができる。

（２）上述の形状測定装置において、前記撮像手段が撮像した画像内の前記光切断線に対して三角測量法の原理を適用して、前記測定対象物の形状を示す形状データを算出する形状データ算出手段を更に備えることが好ましい。

この構成によれば、撮像された画像から、容易に形状データを得ることが可能となる。

（３）上述の形状測定装置において、前記照射手段は、前記測定対象物から発光される光の波長とは異なる波長を照射することが好ましい。

この構成によれば、撮像された画像において光切断線が明確となるので、より正確な形状データを得ることが可能となる。

（４）上述の形状測定装置において、前記撮像手段は、カラー画像を撮像し、前記形状データ取得手段は、前記カラー画像のうち、前記照射手段が照射した光の色の画像から、前記光切断線を用いて形状データを算出し、前記カラー画像のうちの前記測定対象物から発光される光の色の画像から、前記測定対象物の材幅を算出することが好ましい。

この構成によれば、自発光像から測定対象物の材幅を計測することが可能となり、より正確に異形棒鋼の圧延管理が可能となる。

本発明によれば、周期的構造を有する被測定物の形状及び寸法を、簡易に測定することができる。

本発明の実施形態による形状測定装置の全体構成図を示している。 図１に示す形状測定装置の形状測定方法を説明するための図である。 図１に示す形状測定装置の機能的な構成を示すブロック図である。 図１に示す形状測定装置の形状測定処理のフローチャートである。 図１に示す形状測定装置の変形例を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態における形状測定装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態による形状測定装置の全体構成図を示している。図１に示すように、形状測定装置は、照射部３、撮像部２、及び、制御部４を備えている。異形棒鋼１は、測定対象物である。

照射部３は、例えば１つの光源により構成され、光源は、例えば、撮像部２の撮像領域に向けて、扇状に拡がるように光を照射する。そして、光源が照射する光と、搬送される異形棒鋼１との交線が、光切断線ＣＬとなる。本実施形態では、光切断線ＣＬは、異形棒鋼１の軸１１（長手方向）と直交するように照射されるので、異形棒鋼１の断面の形状データを得ることができる。このような光切断線ＣＬの設定は、光源の設置位置や射出する光の方向を調節することで容易に実現することができる。

照射部３の光源は、例えば、半導体レーザと、光学系とを備え、光学系は、半導体レーザの射出側に設けられ、半導体レーザから射出されるレーザ光を扇状に広げて射出させる。実施形態では、半導体レーザ（波長４０５ｎｍ）を用い、出力１０ｍＷで、全放射角αが５度で射出し、光切断線の幅は０．１ｍｍ、光切断線の長さは１０ｃｍとする。圧延中の異形棒鋼１は赤熱しているため、光源としては赤外や赤色を避け、輻射の少ない短波長側の色のレーザ光を射出する。例えば、緑色レーザ（波長役５３０ｎｍ）、青色レーザ（波長約４００ｎｍ）が望ましい。つまり、測定対象物から発光される光の波長とは異なる波長の光を照射する。

撮像部２は、例えば、１つのカメラを備え、カメラは、異形棒鋼１を、リブ１２を含む一定の視野範囲で撮像するように配置されている。撮像部２のカメラは、所定のフレームレート（ｆｐｓ）で、画像を撮像することができるＣＭＯＳカメラにより構成され、撮像した画像のアナログの画像データをデジタルの画像データに変換し、所定のフレームレートで制御部４に出力する。例えば、解像度が１Ｍ（メガ）ピクセルの画像データを出力し、レンズの焦点距離ｆは７５ｍｍのカメラである。

撮像部２及び照射部３は、例えば、照射部３が照射するレーザ光と撮像部２のカメラのレンズの光軸とのはさみ角βが２５度になるように設置される。また、撮像部２は、カメラの受光面と異形棒鋼１との間の距離が１０００ｍｍになるように設置され、照射部３の光源と異形棒鋼１との間の距離が５００ｍｍとなるように設置される。

制御部４は、例えば、通常のコンピュータにより構成され、撮像部２、及び、照射部３とケーブルを介して接続され、形状測定装置の全体制御を司る。

測定対象物である異形棒鋼１は、軸１１方向（長手方向）に、節幅Ｗの節１３を、節間隔Ｌで周期的に有している。そして、異形棒鋼１は、矢印１４の方向、つまり、異形棒鋼１の軸１１と平行する方向（長手方向）に、速度Ｖで、搬送部（不図示）によって搬送されているものとする。尚、図１には、測定対象物である異形棒鋼１の一部分が記載されている。搬送部は、例えばローラーテーブルであり、ローラのうちの駆動ローラをモータにより回動させることで、異形棒鋼１を長手方向に搬送速度Ｖで搬送する。
＜測定方法＞
ここで、本実施形態の形状測定方法について、図２を用いて説明する。実施形態では、異形棒鋼１が周期的構造であること、つまり、節幅Ｗの節１３が、節間隔Ｌで周期的に存在していることに着目し、全ての節１３及び節間隔の形状を測定するのではなく、例えば、３つ置きの節１３の形状を測定する等の周期で形状測定を行い、サンプリングの間隔を長くするものである。但し、単純に所定個数おきの節１３をサンプリングする等ではなく、サンプリング位置を少しずつずらすようなタイミングとする。

例えば、異形棒鋼の圧延工程において圧延機の微調整を行うためには、必ずしも１つ１つの節の形状を正確に知る必要はなく、例えば、全体として規格から外れているか否かを知ることで足りる場合がある。このような場合に、知りたいデータの精度に応じて、サンプリング間隔を決定すればよい。

図２は、異形棒鋼１の一部分である節１３ａ〜節１３ｆの部分を記載し、１つ置きの節１３における光切断線ＣＬ１、光切断線ＣＬ２、光切断線ＣＬ３の３カ所を測定することを示している。図２では、説明の便宜上、光切断線ＣＬを異形棒鋼１の周囲に廻らせて記載している。

節１３ｃの位置ｂは、節１３ａの位置ａ（光切断線ＣＬ１）の位置に対応する位置を示す。また、節１３ｅの位置ｄは、節１３ｃの位置ｂに対応する位置を示し、位置ｅは、位置ｃ（光切断線ＣＬ２）の位置に対応する位置を示す。

つまり、単純に１個置きの周期でサンプリングした場合は、節１３ａの位置ａ、節１３ｃの位置ｂ、１３ｅの位置ｄがサンプリングされる。実施形態では、わずかにサンプリング周期をずらして、位置ａ、位置ｃ、位置ｆの位置をサンプリングする。

このように、節１３におけるサンプリング位置を変えることで、サンプリングしたデータを再合成すると、擬似的に節１３を再現することができることになる。擬似的に再現した節１３ｚを、右側に示す。節１３ｚを観察し、圧延機の微調整を行うことで、即座に寸法形状調整をすることが可能となる。尚、図２では、節１３と節１３の間の光切断線ＣＬは記載していないが、このサンプリング周期でサンプリングしていくと、節１３と節１３の間の部分もサンプリングされることになる。

節間隔Ｌを１周期とすると、図２では、２周期分を基本周期とし、サンプリング周期のずらし量は節幅Ｗの４分の１としているが、何周期分を基本周期とするか、また、ずらし量をどの程度にするかは、測定対象物の形状や、必要とされる精度に応じて適切に定めることとすればよい。

ここで、サンプリング周期、つまり、撮像部２のフレームレートの算出方法を説明する。異形棒鋼１の節間隔をＬ（ｎｍ）、節幅をＷ（ｎｍ）、搬送速度をＶ（ｍ／ｓ）、サンプリングの基本周期の周期分をｎ、ずらし量を出すための節幅Ｗを何分割するかを示す分割数をｍとした場合、以下の式（１）によってフレームレートＦ（ｆｐｓ）を求めることができる。
Ｆ＝Ｖ／（ｎＬ＋Ｗ／ｍ） ・・・（１）
例えば、異形棒鋼１の節間隔Ｌを２０ｍｍ、節幅Ｗを２ｍｍ、搬送速度Ｖを１０ｍ／ｓとする。また、基本周期の周期分ｎを８、分割数ｍを２とした場合、上記式（１）よりフレームレートＦは６２．１１ｆｐｓとなる。

従って、フレームレート６２．１１ｆｐｓを満たすカメラを用いればよいので、安価なカメラを使用して、異形棒鋼１のような周期的構造を有する測定対象物の形状及び寸法を測定することが可能となる。
＜機能＞
図３は、図１に示す形状測定装置の機能的な構成を示すブロック図である。

制御部４は、照射制御部４１、フレームレート算出部４２、撮像制御部４３、形状データ算出部４４、及び、形状データ記憶部４５を備えている。尚、照射制御部４１〜形状データ算出部４４は、例えばＣＰＵがコンピュータを制御部４として機能させるための制御プログラムを実行することで実現される。

照射制御部４１は、例えば、操作部５によりユーザから測定開始の指示が受け付けられると、光源を点灯させる。

フレームレート算出部４２は、例えば、操作部５によりユーザから入力された、測定対象物である異形棒鋼１の規格上の寸法（節幅Ｗ、節間隔Ｌ）、移動速度Ｖ、基本周期の周期分ｎ、分割数ｍを用いて、上記式（１）によりフレームレートを算出する。

撮像制御部４３は、操作部６０によりユーザから測定開始の指示が受け付けられると、撮像部２に撮像開始のコマンドを出力し、フレームレート算出部４２が算出したフレームレートを指定して、撮像部２に異形棒鋼１の撮像を開始させる。撮像部２は、指定されたフレームレートで撮像した画像データを、制御部４に送信する。

形状データ算出部４４は、撮像部２から受信した画像データを基に、異形棒鋼１の形状データを算出し、形状データ記憶部４５に記憶させる。形状データ算出部４４は、撮像部２から受信した画像データを、一旦作業用のメモリに取り込み、取り込んだ画像データに二値化などの処理を施して、光切断線ＣＬのみのデータを抽出する。そして、抽出した光切断線ＣＬのデータに対して、三角測量法の原理を適用することで、異形棒鋼１の表面における高さ分布（形状）や材幅（断面幅寸法）を算出する。

詳細には、まず、撮像部２の視野範囲を求める。実施形態では、異形棒鋼１の軸１１方向をＹ方向、軸１１と直交する方向をＸ方向とし、Ｙ方向の視野範囲をｗ（ｍｍ）、異形棒鋼１と撮像部２のレンズとの間の距離をｄ（ｍｍ）、レンズの焦点距離をｆ（ｍｍ）、カメラ２の受光面のＹ方向のサイズをｙ（ｍｍ）とすると、以下の式（２）が成り立つ。
ｗ＝ｄ×ｙ／ｆ・・・（２）
そして、以下の式（３）で高さｈを求めることができる。
ｈ＝ｗ×ｃｏｓθ／ｓｉｎ（θ）・・・（３）
但し、θは、照射部３が照射するレーザ光と撮像部２のカメラのレンズの光軸とのはさみ角βを示す。

形状データ記憶部４５は、例えば、書き換え可能な不揮発性の記憶装置により構成され、形状データ算出部４４が算出した形状データを取得順に記憶する。

操作部５は、例えばキーボート、及び、マウスにより構成され、ユーザから入力される種々の指令を受け付ける。表示部６は、例えば、液晶パネルから構成され、種々の操作画像や、操作部５を用いて入力したデータ、形状データ等を示す画像等を表示する。
＜動作＞
実施形態の形状測定装置が行う、形状測定処理について説明する。図４は形状測定処理のフローチャートである。

まず、ユーザは、操作部５を操作して、測定対象物である異形棒鋼１の規格上の寸法（節幅Ｗ、節間隔Ｌ）、移動速度Ｖ、基本周期の周期分ｎ、分割数ｍを入力し、測定開始を指示するコマンドを入力する。

操作部５を介して、異形棒鋼１の規格上の寸法（節幅Ｗ、節間隔Ｌ）等、及び、測定開始を指示するコマンドが入力されたことを検知した制御部４は、まず、入力された異形棒鋼１の規格上の寸法（節幅Ｗ、節間隔Ｌ）等のデータをフレームレート算出部４２に渡して、フレームレートの算出を依頼する。

依頼を受けたフレームレート算出部４２は、上述したように、式（１）を用いてフレームレートを算出する（ステップＳ１０）。

次に、制御部４は、照射制御部４１に光切断線を照射するよう依頼し、依頼を受けた照射制御部４１は、照射部３を制御して照射を開始させる（ステップＳ１１）。

照射制御部４１に照射の開始を依頼した制御部４は、撮像制御部４３に、フレームレート算出部４２が算出したフレームレートを渡して、撮像の開始を依頼する。依頼を受けた撮像制御部４３は、渡されたフレームレートで撮像部２に撮像を開始させる。撮像部２は、渡されたフレームレートで、画像データを形状データ算出部４４に送信する（ステップＳ１２）。例えば、６０ｆｐｓであれば、６０分の１秒ごとに１フレームの画像データを送信する。撮像部２から撮像データを受信した形状データ算出部４４は、内部の作業領域に記憶する。

制御部４は、所定時間の間、撮像部２に画像データを送信させ（ステップＳ１３：ＮＯ）、所定時間が経過した場合（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、形状データ算出部４４に所定時間内に受信した画像データから形状データの算出を依頼し、最初から所定時間のカウントを開始する。所定時間とは、ユーザが所望する数の画像データが収集できる時間であり、例えば、図２の節１３ｚに示すように形状データを合成して、ユーザが知りたい部分の画像が作成できる数の画像データを収集する時間である。この所定時間は、予め決めておくものとする。

依頼を受けた形状データ算出部４４は、所定時間内に受信した画像データから形状データを算出し、算出した形状データを形状データ記憶部４５に記憶させる。尚、形状データ算出部４４は、撮像部２から画像データを受信するとすぐに、受信した画像データから形状データを算出して、形状データ記憶部４５に記憶しておくこととしてもよい。

制御部４は、形状データ記憶部４５に記憶された形状データから、例えば、図２の節１３ｚのような画像を生成して、表示部６に表示させる（ステップＳ１５）。

ユーザは、表示部６に表示された画像等を参照し、必要に応じて圧延機の調整を行う。

操作部５を介してユーザから測定終了の指示が入力されたことを検出しない場合は（ステップＳ１６：ＮＯ）、制御部４は、撮像制御部４３に撮像を続けさせ（ステップＳ１２）、測定終了の指示を検出した場合は（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、撮像制御部４３、及び、照射制御部４１に撮像の終了を指示する。指示を受けた撮像制御部４３は、撮像部２に撮像を終了させ、照射制御部４１は照射部３の光照射を終了させる。
（１）図５に、形状測定装置の変形例を示す。撮像手段２１は、例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂの色フィルタを持つ画素がべイヤー配列で配列され、カラー画像を撮像できるカメラを備え、照射部３１は、複数色のレーザを個別に照射できるものである。

この場合、形状データ算出部４４は、撮像部２１が撮像したカラー画像から、赤色画像のみを抜き出し、その画像から異形棒鋼１の材幅を測定する。具体的には、形状データ算出部４４は、赤色画像において、光切断線と交差する方向の各ラインの輝度の積算値を求める。そして、形状データ算出部４４は、積算値を微分して、その微分値が閾値以上である位置を異形棒鋼１の端部として求める。そして、形状データ算出部４４は、２つの端部の差分を、異形棒鋼１の材幅として算出する。更に、形状データ算出部４４は、赤色画像の色ムラから、異形棒鋼１の表面の傷等の瑕疵を検出することが可能となる。圧延中の異形棒鋼は赤熱しているため、異形棒鋼１は、赤色の自発光を出しているからである。
（２）実施形態では、リブ１２が１つの異形棒鋼１を例に説明したが、リブ１２が複数個の異形棒鋼１の場合は、リブ１２の個数分の撮像部２及び照射部３を備える事としてもよい。全てのリブ１２の形状を、測定するためである。

１ 異形棒鋼（測定対象物）
２ 撮像部（撮像手段）
３ 照射部（照射手段）
４ 制御部
５ 操作部
６ 表示部

Claims (5)

1. 長手方向に節が周期的に形成された測定対象物の表面形状を、光切断法を用いて測定する形状測定装置であって、
   前記測定対象物は、前記長手方向に所定の速度で移動し、
   前記測定対象物の移動方向と交差する方向に光切断線を照射する照射手段と、
   前記照射手段により照射された前記測定対象物を撮像する撮像手段とを備え、
   前記撮像手段は、ｖを前記測定対象物の移動速度とし、Ｌを前記節の間隔とし、ｗを前記節の前記長手方向の長さとし、ｎを正の整数、ｍを２以上の整数としたとき、次の式により示されるフレームレートｆで前記測定対象物を撮像する
   ｆ＝ｖ／（ｎＬ＋ｗ／ｍ）
   ことを特徴とする形状測定装置。
2. 前記撮像手段が撮像した画像内の前記光切断線に対して三角測量法の原理を適用して、前記測定対象物の形状を示す形状データを算出する形状データ算出手段を更に備える
   ことを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
3. 前記照射手段は、前記測定対象物から発光される光の波長とは異なる波長を照射する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の形状測定装置。
4. 前記撮像手段は、カラー画像を撮像し、
   前記形状データ取得手段は、前記カラー画像のうち、前記照射手段が照射した光の色の画像から、前記光切断線を用いて形状データを算出し、前記カラー画像のうちの前記測定対象物から発光される光の色の画像から、前記測定対象物の材幅を算出する
   ことを特徴とする請求項３に記載の形状測定装置。
5. 長手方向に節が周期的に形成された測定対象物の表面形状を、光切断法を用いて測定する形状測定装置で用いられる形状測定方法であって、
   前記測定対象物は、前記長手方向に所定の速度で移動し、
   前記測定対象物の移動方向と交差する方向に光切断線を照射する照射ステップと、
   前記照射ステップで照射された前記測定対象物を撮像する撮像ステップとを備え、
   前記撮像ステップにおいては、ｖを前記測定対象物の移動速度とし、Ｌを前記節の間隔とし、ｗを前記節の前記長手方向の長さとし、ｎを正の整数、ｍを２以上の整数としたとき、次の式により示されるフレームレートｆで前記測定対象物を撮像する
   ｆ＝ｖ／（ｎＬ＋ｗ／ｍ）
   ことを特徴とする形状測定方法。

Images