JPH04198705A - ３次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 の 本発明は、所定の方向（Ｘ方向）に移動する物品の形状
および寸法を非接触で、しかも、物品の向き（置き方）
が移動方向（Ｘ方向）に対してばらばらであっても正確
に測定することのできる、傾きの測定可能な３次元形状
測定装置に関する。

支釆立改皿 大量生産される製品の外形寸法が重要な品質管理項目で
ある場合、製品の寸法を１個づつ正確に測定し、所定の
規格範囲内に収まっているか否かを検査する必要がある
。従来、このような寸法測定は、検査作業者が製品を１
個ずつ取り上げ、ノギスやマイクロメータ等を用いて行
っていた。

日が　　しよ　と　る 製品の生産工程が自動化され、効率が向上するにつれて
、このような人間に頼る寸法検査工程は生産性向上のネ
ックとなる。また、人間が測定する場合、どうしても作
業者間のばらつきや、同一作業者でもそのときのコンデ
イションにより測定寸法がばらつく可能性がある。この
ようなばらつきを防止するため、レーザ光等を用いた寸
法測定装置も既に開発されているが、この場合、例えば
長方形の製品であれば縦・横・高さの３寸法を別々に測
定しなければならず、能率が良くない、また、従来の自
動寸法測定装置の最も致命的な欠点は、予め製品を一定
の方向に正しく揃えておかなければ、正確な寸法を測定
することができないということである。

本発明はこのような問題を解決し、物品の３次元的外形
寸法を自動的に測定し、しがも、その前に物品の向きを
揃える必要の無い形状寸法測定装置を提供することを目
的とする。

るための 上記目的を達成するため、本発明の３次元形状測定装置
は、平面形状に直線部を有する物品の３次元形状及び寸
法を測定する装置であって、該物品をＸ方向に移動させ
る物品移動手段と、該物品のＸ方向の位置を検出する移
動方向位置検出手段と、ｙ−ｚ平面内にスリット光を投
射する手段と、物品の表面で反射される該スリット光を
撮影する撮影手段と、撮影された映像信号から、物品の
スリット光平面により切断される断面の輪郭線上の各点
の座標値を算出する座標値算出手段と、物品が移動する
間に逐次算出された座標値データ及び物品のＸ方向の位
置のデータより、上記直線部のＸ方向に対する傾きを算
出する傾き算出手段と、を備えることを特徴とする。

負り一月− 物品がＸ方向に移動されている間、スリット光はそれに
直交するＹ−Ｚ平面内に投射され、撮影手段はそのスリ
ット光が照射されている物品の映像を撮影する。物品に
スリット光が照射された場合、スリット光はその物品の
表面において線を描くが、この線は、スリット光が投射
されている平面により物品を切断したときの輪郭線を表
わしている。座標値算出手段は、スリット光投射手段の
位置とそれ自身の位置とから、三角測量の原理により輪
郭線上の各点の（スリット光平面内の２次元的）座標値
を算出する。物品が移動されている間、移動方向位置検
出手段は物品のＸ方向の位置（座標値）を検出し、座標
値算出手段はその各位置で測定されるＹ−Ｚ平面内の座
標値を検出するため、これらのＸ及びＹ−Ｚ座標値を集
積することにより、物品の外形の３次元座標値を得るこ
とができる。

傾き算出手段は、この３次元座標値データから、例えば
差分値解析等の特徴抽出の手法により直線部の座標値を
抽出し、その直線部のＸ方向に対する傾きを算出する６ なおここで言う「物品の直線部」とは、例えば直方体の
物品のように、外形上明瞭に現われている直線ばかりで
はなく、例えば楕円板状の物品の長径（あるいは短径）
のように、数学的に導出可能であれば、外形に現われて
いない直線であってもかまわない。また、Ｘ方向とＹ−
Ｚ平面の方向は必ずしも直交している必要はなく、数学
的に互いに独立（すなわち、同一平面内に無いこと）で
あればよい。

スＪｕ」 第１図は本発明の一実施例である３次元形状測定装置の
外観図である。本実施例の形状寸法測定装置には、被測
定物２８をＸ軸方向に移動させるステージ２６、そのス
テージ２６の上方に固定されているレンジファインダ１
６、レンジファインダ１６による測定結果のデータから
被測定物２８の輪郭の座標値を算出するための回路１４
、そして本装置の全体を制御するパーソナルコンピュー
タ（以下、パソコンという）１０が含まれる。レンジフ
ァインダ１６は、スリット光をステージの所定の位置に
投射するスリット光投射部１７と、ステージ上のスリッ
ト光が照射される部分の映像を撮影する撮像部１８とか
ら構成される。本測定装置にはこの他に、ステージ２６
を移動させるステップモータ２２、パソコン１ｏとステ
ップモータ２２との間に接続されるインタフェイス２０
．　　パソコン１０と座標値演算回路１４とを仲介する
インタフェイス１２等が含まれる。

初めに、レンジファインダ１６による物体の３次元座標
測定の原理を説明する。レンジファインダ１６のスリッ
ト光投射部１７からは、被測定物２８の移動方向（Ｘ方
向）に直交するＹ−Ｚ平面内にスリット光３０が投射さ
れる。このスリット光３０は被測定物２８の表面で反射
され、撮像部１８に入射する。このとき、スリット光３
０の照射される部分は被測定物２８の表面に沿った線と
なるが、この線はスリット光平面（ｙ−ｚ平面）により
被測定物２８を切断したときの被測定物２８の輪郭線を
表わしている。

このスリット光投射部１７、撮像部１８、及び輪郭線の
位置関係を第３図に示す。スリット光投射部１７と撮像
部１８との相互の位置関係はレンジファインダ１６内で
固定されているため、それらの間の距離ｄは一定である
。また、スリット光３０の投射方向も一定であるため、
角度αも既知である。従って、撮像部１８から輪郭線上
の点３１を見込む角度βを検出することにより、三角測
量の原理により、輪郭線上の点３１のＹ−Ｚ平面内での
２次元座標を算出することができる。この２次元座標測
定を、被測定物２８をＸ方向に移動させ、Ｘ方向の位置
を検出しながら逐次性なうことにより、被測定物２８の
３次元外形形状・寸法を求めることができる。

なお、被測定物２８のＸ方向の位置は、モータの送り量
（モータの制御信号等から算出できる）やスリット光の
投射時間間隔等から検出することができる。これが３次
元座標測定の原理である。

具体的には第２図に示すように、撮像部１８の映像デー
タは座標値演算回路１４に入力され、ここでまず輪郭線
の正確な位置を決定するために、走査線上における高輝
度部分（すなわち、スリット光照射部分）の中心を検出
する（スリット光中心検出回路３２）。このようにして
求められた輪郭線の映像画面上の位置を、予め前記三角
測量の原理に基づいて用意されたＹＺ！標ルツルツクア
ップテーブル３４照することにより、Ｙ−Ｚ平面内の座
標値に変換する。このようにして求められた座標値デー
タがインタフェイス１２を介してパソコン１０に入力さ
れる。なお、被測定物２８のＸ方向の位置は、ステップ
モータ２２の制御信号から求められる。また、撮像部１
８からの映像信号によりスリット光の反射強度も検出し
くスリット光反射強度検出回路３６）パソコンに送信す
る。パソコン１０はこの反射強度情報に基づき、被測定
物２８の表面性状の影響を少なくするように、スリット
光投射強度設定回路３８を用いてスリット光投射強度を
調整する。

本実施例では簡単のために、被測定物２８を長さ９、幅
ｂ１　　高さｈの直方体とする。また、被測定物２８は
平面状のステージに密着して置かれているものとする。

このとき、スリット光３０により形成される輪郭線の形
状は第４図のようになるが、この輪郭線の各点の座標値
を算出し、その座標値が急激に変化する点を検出するこ
とにより、被測定物２８の断面の４隅４１ａ、　４１ｂ
の座標値を検出することができる。なおここで、上部の
２隅４１ａの座標値はスリット光３０の反射光から直接
的に検出することができるが、下部の２隅４１ｂは被測
定物２８上部の陰になるため、直接的には検出すること
ができない。

従って、ここでは、被測定物２８の断面形状が予め長方
形であることがわかっているため、ステージ平面のライ
ンの座標値と上部２隅４１ａの座標値とから下部２隅４
１ｂの座標値を算出するようにしている。

なおもちろん、スリット光をＹ−Ｚ平面内の２カ所から
投射し、陰の部分の２隅４１ｂをも直接的に検出するよ
うにしてもよい、このようにして求められた４隅４１ａ
、　４１ｂの座標値のデータから、高さｈは上部隅４１
ａと下部隅４１ｂの２座標値の差、幅ｂ’は上部隅４１
ａの２点のｙ座標値の差として容易に算出することがで
きる。

しかし、今の直方体の例の場合、第５図のように被測定
物２８の長軸の方向が移動方向Ｘと一致していないと、
第４図のようにして求められた断面の幅ｂ゛は被測定物
２８の正しい幅すの値ではない。

そこで本実施例の３次元形状測定装置では、測定された
座標値データから被測定物２８の傾きθを自動的に算出
し、算出された傾き値θを基に仮の幅の値ｂ”を補正し
て正しい幅の値すを算出するようにしている。以下、そ
の処理を第６図〜第１０図のフローチャートにより説明
する。

第６図のフローチャートはメインルーチンを表わす。基
本的な流れは次の通りである。初めに被測定物２８の２
次元的座標測定を行ない（ステップ＃１０）、次に被測
定物２８全体の座標測定が完了したか否かを判断しくス
テップ＃２０）、未だ完了していない場合にはステップ
＃１０に戻って次の断面の２次元座標測定を行なう。な
お、この間、被測定物２８のＸ方向の位置はステップモ
ータ２２に対する制御信号から常に検出されている。全
体の座標測定が終了するとステップ＃３０に進み、被測
定物２８の各種形状パラメータ（長さ、幅等）の計算を
行ない、ステップ＃４０で計算結果を数値あるいはグラ
フ等の形でモニタ上に表示する。

次に、第６図のステップ＃１０で行なう座標測定の具体
的な手順を第７図のフローチャートにより説明する。初
めにステップモータ２２を駆動してステージ２６を所定
の微小量だけ移動させる（ステップ＃１１）６次に、撮
像部１８で撮影したスリット光の形状から、前記三角測
量の原理により被測定物２８の輪郭の各点の座標値を算
出する（ステップ＃１２）。この座標値から、第４図に
示した幅ｂ′と高さｈを算出する（ステップ＃１３）。

次に、第６図のステップ＃３０で行なう計算処理の具体
的手順を第８図のフローチャートにより説明する。本ル
ーチンでは初めに被測定物２８の平面図形状である長方
形の４辺のそれぞれの直線の式を、各辺上の点の座標値
データから最小自乗法によって算出する（ステップ＃３
１）。各辺上の点の座標値は前記ステップ＃１３で幅と
高さを算出する際に既に算出されている０次にステップ
＃４０で長方形の長さ９を算出し、ステップ＃５０で真
の幅すを算出する。これらの手順を第９．１０図により
更に詳しく説明する。

まず、長さ９を算出するために、長方形の４辺の交点（
第５図では４３．４４．４５．４６で示す）の座標値を
算出する（ステップ＃４１）。４辺の直線の式は既にス
テップ＃３１で算出されているため、これは容易に行う
ことができる。次に、短辺（第５図では頂点４３と４４
の間の辺と頂点４５と４６の間の辺）の中心点４７．４
８を、両端の交点の座標値の平均を算出することにより
求める（ステップ＃４２）。そして、それらの中心点４
７．４８の間の距離９を求める（ステップ＃４３）。こ
の距離９が被測定物２８の長さである。

本実施例の形状寸法測定装置では、真の幅すを算出する
前に被測定物の傾きθを求める（第１０図ステップ＃５
１）、　　この傾きθはＸ軸に対する長辺の傾きである
ため、ステップ＃３１で求めた長辺（第５図では頂点４
３と４６の間の辺と頂点４４と４５の間の辺。

なお、長辺であるか短辺であるかは、その長さにより判
別することができる）を表わす線の式より求めることが
できる。この傾きのデータθがわかれば、原始的に求め
られた幅ｂ゛の値から真の幅すはｂ−ｂ’／ｃｏｓθ として求めることができる（ステップ＃５２）。

以上の通り、本実施例の３次元形状測定装置では、被測
定物２８がいかなる傾きでライン上を移動されてこよう
と、その傾きを自動的に補正して、正しい長さ及び帳（
及び高さも）の寸法を測定することができる。

なお、被測定物の形状が特に細長い場合には、端部の方
では十分細かく寸法検出を行なう必要があるが、中央部
ではあまりに細かい寸法測定を行なっでも時間の無駄で
ある。このような場合には第１１図のフローチャートに
示すように、被測定物の移動による寸法（幅）の変化の
大きい端部と、被測定物が移動しても寸法（幅）がほと
んど変化しない中央部とでステージ２６の送り速度を変
えることもできる。第１１図の例では、初めに単位当た
りの送り量を比較的小さい値ｆ１に設定しくステップ＃
７０）、座標測定を始める（ステップ＃７１）。このス
テップ＃７１及び後述のステップ＃７４、＃７７におけ
る座標測定は、上述のステップ＃１０と同じであり、第
７図のフローチャートに示されるルーチンである。次に
、ステップ＃７１で測定された座標値から算出される帳
ｂ′の値を前回測定された値と比較しくステップ＃７２
）、それらの差が所定の小さい値以上であれば（すなわ
ち、前回測定値よりも大きいと判定されたときは）ステ
ップ＃７１に戻り、次の断面の座標測定を行なう、ステ
ップ＃７２で差が所定値以内であると判定されたとき（
すなわち、前回測定値と同程度であると判定されたとき
）は次のステップ＃７３に進み、ステージ２６の単位送
り量をｆｌよりも大きい値ｆ２にセットする。そして、
ステップ＃７４及び＃７５で上記ステップ＃７１と＃７
２と同様に座標測定を繰り返す。

このときのステップ＃７５の判断は、現在の幅ｂ゛が前
回測定値よりも小さいか否かである。幡ｂ”が小さくな
ったときは、測定箇所が被測定物の後端に近づいたこと
であるため、ステップ＃７６でステージ２６の単位送り
量を再び小さい値ｆ１に戻し、Ｘ方向に細かく座標を測
定してゆく（ステップ＃７７）。そして、測定される幅
ｂ゛の値が所定の小さい値εよりも小さくなったとき（
ステップ＃７８）、測定を終了する。

上記実施例では被測定物２８の傾きθを算出した後、そ
のデータを幅すの補正にのみ使用していたが、この傾き
データθはこのような寸法の補正ばかりではなく、例え
ば後工程で製品２８の所定位置に部品を所定の角度で取
り付けなければならないといった場合にも利用すること
ができる。

なお、上記実施例ではデー多数の多い座標演算を高速に
行なうために座標演算回路１４をハード的な回路で構成
したが、レンジファインダ１６の出力を直接パソコン１
０に与え、パソコン１０でソフト的に座標値を算出させ
るようにしても良い。

以上説明した実施例では、説明の簡単のために被測定物
２８を直方体と仮定しくすなわち、断面形状を長方形と
仮定し）、座標値等の計算を単純化して示したが、本発
明の３次元形状測定装置は任意の断面形状を有する物品
に対して適用することができる０例えば、第１２図に示
すような台形断面の物品に対しては、対象物の上面の傾
きを新たに考慮に入れるだけで、上記実施例の傾き算出
の手順をほぼ同様に適用することができる。また、第１
３図（ａ）に示すような丸棒物品５０に対しては、次の
ような基本的手順で同様に傾きを検出することができる
。移動方向（Ｘ方向）に対して傾いた丸棒物品５０にＹ
−Ｚ平面のスリット光を照射すると、その断面形状は同
図（ｂ）に示すように楕円５１となる。

このとき、撮像部により検出可能な部分は物品の上面で
ある楕円の一部５２のみであるが、いずれにせよその形
状は数学的には２次曲線であり、上記一部５２の座標値
から最小自乗法等の手法を用いて楕円５１の中心（すな
わち、物品５０の断面である円の中心）５３の座標値を
求めることが可能である。この楕円５１の中心５３のＹ
−Ｚ座標と、丸棒物品５０の移動とともに検出されるＸ
座標とを集積することにより、丸棒物品５０の長軸の式
を求めることができ、上記同様、傾きも検出することが
できる。なお、中心５３ではなく、楕円５１の頂点５４
を求めることでも同様に、長細の式を求めることができ
る。

丑」ｂＬ処遠。

以上説明した通り、本発明によれば、物品をＸ方向に移
動することにより、その物品の３次元的外形形状を非接
触で自動的に測定することができる。従って、生産ライ
ンの検査工程等に用いた場合、ばらつきの無い製品寸法
データを得ることができる。さらに本発明の３次元形状
測定装置では、物品が移動方向（Ｘ方向）に対して何度
傾いているかという傾きデータも算出することができる
ため、測定された外形形状データをこの傾きデータを用
いて補正することにより、物品の傾きに関係なく常に正
確な外形形状・寸法を測定することができる。このため
、本発明の３次元形状測定装置を生産工程の寸法検査ラ
イン等に用いる場合でも、この寸法検査装置の前に製品
の向きを揃える必要がなく、検査工程を簡略化すること
ができると共に、検査時間も短縮することができる。

また、本発明の３次元形状測定装置を単なる寸法測定ば
かりではなく、製品の製造ラインに用いて製造工程の簡
略化、省力化に利用することもできる。すなわち、コン
ベア上を色々な傾きで流れる製品の傾きを本発明の３次
元形状測定装置により求めておけば、その傾きデータを
用いて、各製品の向きを揃えることなくそのままの状態
で、次工程で部品の取り付は等に利用することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例である３次元形状測定装置の
接続図、第２図はその装置のレンジファインダと座標値
演算回路を詳細に示した説明図、第３図はレンジファイ
ンダによる３次元形状測定の原理を説明する説明図、第
４図は３次元形状測定装置により測定された被測定物の
断面の輪郭線を表わす図、第５図は被測定物の測定箇所
及び特徴点を示す平面図、第６図〜第１１図は実施例の
３次元形状測定装置のパソコンで行なわれる各種処理の
手順を示すフローチャート、第１２図は別の被測定物の
例の断面形状を示す断面図、第１３図（ａ）は丸棒物品
の傾きを本発明の３次元形状測定装置で測定する場合の
状況を示す説明図、同図（ｂ）はその断面の測定の状況
を示す説明図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）平面形状に直線部を有する物品の３次元形状を測
   定する装置であって、 該物品をＸ方向に移動させる物品移動手段と、該物品の
   Ｘ方向の位置を検出する移動方向位置検出手段と、 Ｙ−Ｚ平面内にスリット光を投射する手段と、物品の表
   面で反射される該スリット光を撮影する撮影手段と、 撮影された映像信号から、物品のスリット光平面により
   切断される断面の輪郭線上の各点の座標値を算出する座
   標値算出手段と、 物品が移動する間に逐次算出された座標値データ及び物
   品のＸ方向の位置のデータより、上記直線部のＸ方向に
   対する傾きを算出する傾き算出手段と を備えることを特徴とする３次元形状測定装置。