JP7083282B2 - 測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮影対象物を測定する装置、特に、工作機上の撮影対象物を測定する測定装置に関する。

工作機上の撮影対象物を測定する測定装置では、工作機械の移動部（例えば、主軸）に画像センサを取り付けて、撮影対象物を測定することができる。画像センサを用いる場合、画像むら、特に輝度のむらが生じる可能性がある。これに対処するため、シェーディング補正を行って輝度のむらを補正する画像処置装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２－９４９５１号

特許文献１に記載の画像処置装置では、シェーディング補正用の補正情報を簡便に算出することを目的とし。これにより輝度のむらの補正が可能である。しかし、工作機械の移動部に取り付ける画像センサは、自動工具交換装置への収納を考慮すると、小型、軽量であり、かつ実用上、低コストである必要がある。これに対応するため、撮像レンズの周囲にＬＥＤ等によるリング照明が配置された画像センサを用いることが好ましい。

このようなリング照明を備えた画像センサでは、輝度のむらだけでなく、配光特性の差違も考慮する必要がある。特に、３次元構造の撮影対象物における画像むらは、撮影対象物の面の各点からみた照明の臨み角にばらつきがあることにより発生する。例えば、図６に示すように、画像取得部（撮像レンズ）の周囲にリング照明が配置された画像センサを用いて、凸部のエッジ部ｅ、ｆを測定しようとすると、プロファイルの矢印Ｅ、Ｆに示す部分のように、配光特性の差違によりプロファイルに大きな誤差が生じる場合がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、照明により配光特性の誤差が生じる場合であっても、画像センサを用いた精度の高い撮影対象物の測定が実現可能な測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の１つの実施態様に係る測定装置は、
画像取得部と、
照明部と、
制御部と、
を備え、
前記画像取得部が、前記照明部及び撮影対象物が第一の位置関係にある場合の撮像と、前記照明部及び撮影対象物が前記第一の位置関係と対称な第二の位置関係にある場合の撮像とを取得し、
前記制御部が、前記第一の位置関係及び前記第二の位置関係の撮像に基づき、前記撮影対象物の表面位置を測定する。

上記の実施態様によれば、照明により配光特性の誤差が生じる場合であっても、画像センサを用いた精度の高い撮影対象物の測定が実現可能な測定装置を提供することができる。

本発明の１つの実施形態に係る測定装置の構成を模式的に示す斜視図である。 照明部及び画像取得部が備えられた画像センサの一例を模式的に示す斜視図である。 照明部及び撮影対象物が第一の位置関係にある場合の撮像を取得する一例を模式的に示す図である。 照明部及び撮影対象物の間の位置関係を第一の位置関係から第二の位置関係に変更する一例を模式的に示す図である。 照明部及び撮影対象物が第二の位置関係にある場合の撮像を取得する一例を模式的に示す図である。 図１に示す測定装置を用いて配光特性の誤差を相殺させて測定する工程１つの例を示すフローチャートである。 図１に示す測定装置を用いて配光特性の誤差を相殺させて測定する工程その他の例を示すフローチャートである。 配光特性の誤差による影響を模式的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。

後述の実施形態や実施例では、前述と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、各実施形態、実施例ごとには逐次言及しないものとする。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合もある。
図１、図３Ａ～Ｃにおいては、工作機械の水平方向における互いに直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とし、工作機械の垂直な方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸周りの回転方向をＣ軸方向として示す。

（１つの実施形態に係る測定装置）
始めに、図１及び図２を参照しながら、本発明に係る測定装置の概要を説明する。図１は、本発明の１つの実施形態に係る測定装置の構成を模式的に示す斜視図である。図２は、照明部及び画像取得部が備えられた画像センサの一例を模式的に示す斜視図である。

本実施形態に係る測定装置２は、画像センサ１０と、測定のための制御を行う制御部２０とを備える。画像センサ１０は、制御部２０と電気的に接続されている。また、画像センサ１０は、工作機械の移動部である工具主軸３０に取り付けられている。
工作機械の移動部（工具主軸）３０の駆動部は、ＮＣ装置４０と電気的に接続され、ＮＣ装置４０による駆動制御により、移動部（工具主軸）３０は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動可能であり、主軸周りに回転可能である。測定装置２の制御部２０とＮＣ装置４０とは、電気的に接続されている。

図１では、撮影対象物Ｗが工作機械のテーブル５０に取り付けられている場合を示す。画像センサ１０が取り付けられた移動部（工具主軸）３０は、主軸がＺ軸方向（垂直）方向を向いており、画像センサ１０により、垂直上方から撮影対象物Ｗを撮像することができる。

工作機械の移動部（工具主軸）３０に取り付ける画像センサ１０は、自動工具交換装置への収納を考慮すると、小型、軽量であり、かつ実用上、低コストである必要がある。これに対応するため、本実施形態に係る画像センサ１０は、図２に示すように、画像取得部１２及びその周囲に配置された照明部１４を有する。
更に詳細に述べれば、画像取得部１２の撮像レンズの周囲に、６個のＬＥＤによるリング照明である照明部１４が配置されている。また、画像センサ１０はシャンク１６を備え、シャンク１６が、工作機械の移動部材である工具主軸３０の工具ホルダに挿入され固定されている。

このような構成により、画像センサ１０は、テーブル５０の上に固定された撮影対象物Ｗに対して、上方から照明部１４で照明を行いながら、画像取得部１２で撮影対象物Ｗを取得することができる。移動部（工具主軸）３０に取り付けられた画像センサ１０は、ＮＣ装置４０の制御により、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に移動可能であり、更にＺ軸周りのＣ軸方向に回転可能である。

（照明部及び撮影対象物が第一及び第二の位置関係にある撮像を用いた測定方法）
本実施形態に係るリング照明（照明部）１４を備えた画像センサ１０は、小型、軽量であり、コスト的にも優れる。しかし、図６に示すように、画像取得部（撮像レンズ）の周囲にリング照明が配置された画像センサを用いて、凸部のエッジ部ｅ、ｆを測定しようとすると、プロファイルの矢印Ｅ、Ｆに示す部分のように、配光特性の差違により、プロファイルに大きな誤差が生じる場合がある。よって、配光特性の差違により、精度の高い撮影対象物の測定が困難な場合がある。
これに対処するため、照明部１４により配光特性の誤差が生じる場合であっても、この誤差を相殺させることにより、精度の高い撮影対象物の測定を実現できる。このことについて、以下に詳細に述べる。

＜第一の位置関係にある場合の撮像＞
始めに、図３Ａを参照しながら、照明部１１４及び撮影対象物Ｗが第一の位置関係にある場合の撮像の説明を行う。図３Ａは、照明部１４及び撮影対象物Ｗが第一の位置関係にある場合の撮像を取得する一例を模式的に示す図である。

図３Ａの矩形の枠が画像取得部１２の視野（ＦＯＶ）を示す。画像取得部１２の周囲の照明部１４を構成する６つのＬＥＤＬ１～Ｌ３、Ｒ１～Ｒ３の配置を示す。照明部１４（Ｌ１～Ｌ３、Ｒ１～Ｒ３）及び撮影対象物Ｗが第一の位置関係にあり、画像取得部１２の視野（ＦＯＶ）の左上方に撮影対象物Ｗの上面形状が示されている。撮影対象物Ｗの上面形状は、４つのエッジａ～ｄを有する矩形を示している。画像センサ１０を回転させるときの回転中心をＰで示す。

＜第一の位置関係からら第二の位置関係への変更＞
次に、図３Ｂを参照しながら、図３Ａに示す照明部１４及び撮影対象物Ｗの第一の位置関係から第二の位置関係に変更する場合の説明を行う。図３Ｂは、照明部１４及び撮影対象物Ｗの間の位置関係を第一の位置関係から第二の位置関係に変更する一例を模式的に示す図である。

図３Ｂの右側に実線で照明部１４及び撮影対象物Ｗが第一の位置関係にある場合の撮像を示す。白抜き矢印に示すように、ＮＣ装置４０の制御により、画像センサ１０が取り付けられた移動部（工具主軸）３０を、第一の位置関係に対応する位置Ｐｓ１から第二の位置関係に対応する位置Ｐｓ２に移動させる。更に、Ｚ軸周りのＣ軸方向に１８０度回転させる。これにより、照明部１４及び撮影対象物Ｗの第二の位置関係に変更される。図３Ａの第一の位置関係の画像取得部１２の視野（ＦＯＶ）における相対的な第二の位置関係の位置を点線で示す。

＜第二の位置関係にある場合の撮像＞
次に、図３Ｃを参照しながら、照明部１４及び撮影対象物Ｗが第二の位置関係にある場合の撮像の説明を行う。図３Ｃは、照明部１４及び撮影対象物Ｗが第二の位置関係にある場合の撮像を取得する一例を模式的に示す図である。もし、図３Ａに示す第一の位置関係から、Ｘ軸、Ｙ軸方向には移動させず、画像センサ１０を１８０度回転させた場合、図３Ｃの点線で示す位置に撮影対象物Ｗが示される。

そこで、図３Ｂの白抜き矢印に示すように、画像センサ１０をＸ軸、Ｙ軸方向に移動させることにより、画像取得部１２の視野（ＦＯＶ）上での測定位置を、対称なエッジが視野上の同じ位置にくるようにすることができる。具体的には、第一の位置のエッジａが第二の一のエッジｃに一致し、第一の位置のエッジｂが第二の一のエッジｄに一致し、第一の位置のエッジｃが第二の一のエッジａに一致し、第一の位置のエッジｄが第二の一のエッジｂに一致するようになる。よって、照明部１４により配光特性の誤差が生じる場合であっても、この誤差を相殺させることができる。

仮に、撮影対象物Ｗの中心座標が画像センサ１０の回転中心Ｐに一致する場合には、画像センサ１０をＸ軸、Ｙ軸方向に移動させる必要はない。図３Ｂの白抜き矢印に示す移動は、撮影対象物Ｗの画像センサ１０の回転中心Ｐに対するオフセット分を補正するものである。よって、撮影対象物Ｗの平面視における中心座標を求め、中心座標の回転中心Ｐからのオフセット分を考慮して、対称なエッジが視野上の同じ位置にくるように移動させる必要がある。

以上のように、画像センサ１０の画像取得部１２が、照明部１４及び撮影対象物Ｗが第一の位置関係にある場合の撮像と、照明部１４及び撮影対象物Ｗが第一の位置関係と対称な第二の位置関係にある場合の撮像とを取得し、制御部２０が、第一の位置関係及び第二の位置関係の撮像に基づき、撮影対象物の表面位置を測定する。

第一の位置関係及びこれと対称な第二の位置関係の撮像に基づいて、撮影対象物Ｗの表面位置を測定するので、仮に、照明部１４により配光特性の誤差が生じる場合であっても、この誤差を相殺させて、精度の高い撮影対象物Ｗの測定を実現できる。

上記の例では、「対称な位置関係」として、照明部１４及び撮影対象物Ｗを１８０度回転させた場合を示すが、これはあくまでも一例であって、相対的位置が少しずれただけでも、そのずらす前とずらした後の中間点から見れば、それも「対称な位置関係」に含まれる。

配光特性の誤差を相殺させるための具体的な一例として、測定装置２の制御部２０が、照明部１４及び撮影対象物Ｗが第一の位置関係にある場合の撮像と、第二の位置関係にある場合の撮像とを重ね合わせることが考えられる。これにより、配光特性の誤差を効率的に相殺させることができ、精度の高い撮影対象物の測定を効率的に実現できる。

また、照明部１４及び撮影対象物Ｗが第一の位置関係にある場合の撮像から測定データを取得し、照明部１４及び撮影対象物Ｗが第二の位置関係にある場合の撮像から測定データを取得し、得られたそれぞれの測定データを相殺することも考えられる。第一の位置関係及び第二の位置関係にある撮像により得られた測定データを相殺することにより、確実に精度の高い撮影対象物の測定を実現できる。

第一の位置関係及び第二の位置関係は、上記のように、画像取得部１２及び照明部１４が固定された画像センサ１０を移動、回転させる場合に限られるものではない。例えば、画像取得部は撮影対象物に対して移動せず、照明部のみを移動する場合もあり得るし、撮影対象物側を移動させることもあり得るし、それらを組み合わせる場合もあり得る。

第一の位置関係から第二の位置関係に移動させるには、工作機械の移動部（工具主軸）３０を回転、並進移動させる場合だけでなく、撮影対象物Ｗを載せたテーブル５０を回転、並進移動させる場合もあり得るし、両方を組み合わせることもできる。制御部２０は、測定装置固有の制御装置として存在する場合も、工作機械の制御装置を用いる場合もあり得る。
また、測定装置２が、固有の移動機構を有し、工作機械の移動機構を用いずに、第一の位置関係から第二の位置関係に移動させる場合もあり得る。

（配光特性の誤差を相殺させて測定する工程）
次に、上記の実施形態に係る測定装置２を用いて、照明部１４の配光特性の誤差を相殺させて測定する工程の説明を行う。
＜工程の1つの例＞
図４を参照しながら、照明部１４の配光特性の誤差を相殺させて測定する工程の１つの例を説明する。図４は、図１に示す測定装置を用いて配光特性の誤差を相殺させて測定する工程の１つの例を示すフローチャートである。

図４において、まず、測定装置２の制御部２０から画像センサ１０へ、準備指令の信号を送信し、画像センサ１０が準備を完了した後、画像センサ１０から制御部２０へ、準備完了の信号を送信する。次に、制御部２０からＮＣ装置４０へ、画像センサ１０が取り付けられた移動部（工具主軸）３０を第一の位置関係に対応する位置Ｐｓ１へ移動させる指示信号を送信する。ＮＣ装置４０は、移動部（工具主軸）３０を位置Ｐｓ１へ移動させる。移動が完了後、ＮＣ装置４０から制御部２０へ、移動完了の信号を送信する。これにより、照明部１４及び撮影対象物Ｗが第一の位置関係に配置される。

この状態において、制御部２０から画像センサ１０へ、撮影指令の信号を送信する。画像センサ１０は撮影を行い、撮影後、画像センサ１０から制御部２０へ、撮影終了の信号を送信する。以上の工程により、照明部１４及び撮影対象物Ｗが第一の位置関係にある場合の撮像が完了する。

次に、制御部２０からＮＣ装置４０へ、画像センサ１０が取り付けられた移動部（工具主軸）３０を第二の位置関係に対応する位置Ｐｓ２へ移動させる指示信号を送信する。ＮＣ装置４０は、移動部（工具主軸）３０を位置Ｐｓ２へ移動させる。移動が完了後、ＮＣ装置４０から制御部２０へ、移動完了の信号を送信する。
引き続いて、制御部２０からＮＣ装置４０へ、画像センサ１０が取り付けられた移動部（工具主軸）３０の主軸を１８０度回転させる指示信号を送信する。ＮＣ装置４０は、移動部（工具主軸）３０の主軸を１８０度回転させる。主軸の回転が完了後、ＮＣ装置４０から制御部２０へ、主軸回転完了の信号を送信する。これにより、照明部１４及び撮影対象物Ｗが第二の位置関係に配置される。

この状態において、制御部２０から画像センサ１０へ、撮影指令の信号を送信する。画像セン１０は撮影を行い、撮影後、画像センサ１０から制御部２０へ、撮影終了の信号を送信する。以上の工程により、照明部１４及び撮影対象物Ｗが第二の位置関係にある場合の撮像が完了する。これにより、画像取得部１２の視野（ＦＯＶ）上で、対称なエッジが視野上の同じ位置にくる第一の位置関係及び第二の位置関係の撮像が得られる。
なお、Ｘ軸、Ｙ軸方向に移動させる制御、及び回転させる制御は同じ１つのステップで行うこともできる。

第一の位置関係及び第二の位置関係の撮像を重ね合わせることにより、照明部１４の配光特性の誤差を効率的に相殺させることができ、精度の高い撮影対象物Ｗの測定ができる。
また、第一の位置関係にある撮像により得られた測定データと、第二の位置関係にある撮像により得られた測定データとを相殺することにより、精度の高い撮影対象物Ｗの測定ができる。

例えば、第一の位置関係にある撮像に基づいて、撮影対象物Ｗのエッジａの測定位置Ｐｓ１ａを算出し、撮影対象物Ｗのエッジｃの測定位置Ｐｓ１ｃを算出する。同様に、第二の位置関係にある撮像に基づいて、撮影対象物Ｗのエッジａの測定位置Ｐｓ２ａを算出し、撮影対象物Ｗのエッジｃの測定位置Ｐｓ２ｃを算出する。
”Ｐｓ１ａ－Ｐｓ２ａ”及び”Ｐｓ１ｃ－Ｐｓ２ｃ”により、測定データを相殺することができる。
このとき、移動部（工具主軸）３０の主軸の回転中心と、画像センサ１０の回転中心のずれを同時に推定、補正することもできる。例えば、第一の位置関係にある撮像による測定値及び第二の位置関係にある撮像による測定値のずれの１／２として求めることができる。

このようにして算出した移動部（工具主軸）３０及び画像センサ１０のずれを、撮影対象物Ｗの座標補正値として、制御部２０からＮＣ装置４０へ送信して設定を行う。これにより、照明部１４により配光特性の誤差が生じる場合であっても、この誤差を相殺させて、精度の高い撮影対象物Ｗの測定を実現できる。

＜工程のその他の例＞
次に、図５を参照しながら、照明部１４の配光特性の誤差を相殺させて測定する工程のその他の例を説明する。図５は、図１に示す測定装置を用いて配光特性の誤差を相殺させて測定する工程のその他の例を示すフローチャートである。

図４に示す工程の１つの例では、画像センサ１０の画像取得部１２が、照明部１４及び撮影対象物Ｗの位置関係を１８０度回転させた位置関係にある撮像を取得したが、図５に示すその他の例では、画像センサ１０の画像取得部１２が、照明部１４及び撮影対象物Ｗの所定の位置関係を０度として、９０度、１８０度、２７０度回転させた位置関係にある撮像を取得する点で異なる。各々の回転角度において、対称なエッジが視野上の同じ位置にくるように、画像センサ１０が取り付けられた移動部（工具主軸）３０をＸ軸方項、Ｙ軸方向に移動させる。

以上のように、画像取得部１２が、照明部１４及び撮影対象物Ｗの所定の位置関係を０度として、９０度、１８０度、２７０度回転させて、それぞれ対称な位置関係にある撮像を取得することにより、配光特性の誤差を相殺させて、精度の高い二次元の撮影対象物の測定を実現できる。
その他の点については、上記の工程の1つの例と同様なので、更なる説明は省略する。

（外光の影響を低減した測定）
更に、照明部１４及び白色光源の両方をオンにした場合、及びどちらか一方のみをオンにした場合において、照明部１４から様々な波長の出射光を出射して、輝度の差または輝度の比が大きい波長を検出することができる。例えば、照明部１４が赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤを備えたリング照明の場合には、それぞれの波長のＬＥＤの出力を変更することにより、出射光における輝度の差または輝度の比が大きい波長を検出することができる。なお、白色光源として、工作機械の機内照明や、工作機械が設置された室内の照明を用いことが考えられる。

ここでは、画像取得部１２が、照明部１４及び白色光源をオンにした状態における撮影対象物Ｗの撮像を取得し、更に、照明部１４のみをオンにした状態または白色光源のみをオンにした状態における撮影対象物Ｗの撮像を取得する。そして、照明部１４から出射され得る出射光のうち、取得した２つの撮像において、撮影対象物Ｗの測定を行う領域における輝度の差または輝度の比が大きい波長の光を定める。画像取得部１２は、定められた波長の出射光を用いて、撮影対象物Ｗの表面位置を測定する。

以上のように、照明部及び白色光源をオンにした状態、及び照明部または白色光源のみをオンにした状態における、撮影対象物Ｗの測定領域の輝度の差または輝度の比が大きい波長を用いて測定することにより、外光の影響を低減した測定が実現できる。

本発明の実施の形態、実施の態様を説明したが、開示内容は構成の細部において変化してもよく、実施の形態、実施の態様における要素の組合せや順序の変化等は請求された本発明の範囲および思想を逸脱することなく実現し得るものである。

２ 測定装置
１０ 画像センサ
１２ 画像取得部
１４ 照明部
１６ シャンク
２０ 制御部
３０ 移動部（工具主軸）
４０ ＮＣ装置
５０ テーブル
Ｗ 撮影対象物

Claims (4)

1. 画像取得部と、
   照明部と、
   制御部と、
   を備え、
   前記画像取得部が、前記照明部及び撮影対象物が第一の位置関係にある場合の撮像と、前記照明部及び撮影対象物が前記第一の位置関係と対称な第二の位置関係にある場合の撮像とを取得し、
   前記制御部が、前記第一の位置関係及び前記第二の位置関係の撮像に基づき、前記撮影対象物の表面位置を測定し、
   更に、前記画像取得部が、前記照明部及び白色光源をオンにした状態における前記撮影対象物の撮像、及び前記照明部または前記白色光源のみをオンにした状態における前記撮影対象物の撮像を取得し、
   前記画像取得部が、前記照明部から出射され得る出射光のうち、該２つの撮像において、前記撮影対象物の測定を行う領域における輝度の差または輝度の比が大きい波長の光を用いて、前記撮影対象物の表面位置を測定することを特徴とする測定装置。
   
2. 前記画像取得部が、前記照明部及び撮影対象物の所定の位置関係を０度として、９０度、１８０度、２７０度回転させた位置関係にある撮像を取得することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
   
3. 前記制御部が、前記第一の位置関係にある場合の撮像と、前記第二の位置関係にある場合の撮像とを重ね合わせることにより、前記撮影対象物の表面位置を測定することを特徴とする請求項１または２に記載の測定装置。
   
4. 前記制御部が、前記第一の位置関係にある場合の撮像により得られた測定データと、前記第二の位置関係にある場合の撮像により得られた測定データとを相殺することにより、前記撮影対象物の表面位置を測定することを特徴とする請求項１または２に記載の測定装置。

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