JPH06186025A

JPH06186025A - 三次元測定装置

Info

Publication number: JPH06186025A
Application number: JP4355088A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sukunami; 博史宿南
Original assignee: YUNISUN KK
Current assignee: YUNISUN KK
Priority date: 1992-12-16
Filing date: 1992-12-16
Publication date: 1994-07-08

Abstract

(57)【要約】【目的】使用者が任意に指定した座標のもとで、非接
触走査により得られる多くのデータを取り扱えるように
して、三次元モデル上の任意の断面や特定部分の形状修
正の近似処理などに有効に活用できる測定データを得ら
れるようにする。【構成】測定対象物４にレーザ光を投射する投光部２
および測定対象物４上の光像を入力してビデオ信号とし
て出力する撮像部３を、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向に移
動させて、非接触走査により測定対象物４の第１の座標
系の座標位置を求める非接触型の装置に加えて、使用者
が指定する点位置を測定する接触式測定ヘッド６を搭載
したもので、非接触走査により得られた第１の座標系の
座標データを、点位置に基づき第２の座標系の座標デー
タに変換する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、測定対象物に、たと
えばレーザ光などのスポット光やスリット光を投射し
て、その光像をＣＣＤカメラ等の撮像部で撮像すること
により、測定対象物の位置を３角測量法の原理に基づい
て検出する非接触型、あるいは、接触プローブなどの接
触子を測定対象物に接触させて、その位置を検出する接
触型の三次元測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】接触プローブなどの接触子を用いた接触
型の三次元測定装置は、三次元測定の標準として既に多
くの産業分野で使用されており、昨今では、コンピュー
タによる制御機能を付加したＣＮＣ装置が主流になつて
いる。また、レーザ光などのスポット光やスリット光を
使用した非接触型の三次元測定装置も、現在までに種々
開発されて自動車や家電などの分野で利用されており、
今後なお一層需要が高まる方向にある。

【０００３】上記のような三次元測定装置のうち、非接
触型の測定装置は、スリット光などを瞬時にカメラやセ
ンサで捕らえてデータ処理を行なうものが多く、高速測
定が可能であり、数万から数十万点におよぶ多くのデー
タを短時間で入力できるために、測定対象物の形状を測
定する用途には非常に好適である。しかしながら、この
非接触型の測定装置は、測定精度の面において、接触型
の測定装置が数μｍの測定誤差であるのに対し、数十μ
ｍ程度に止まっているのが実状であり、測定精度の向上
が大きな課題である。一方、接触型の測定装置は、個々
の測定点に対して高い測定精度を発揮するが、測定対象
物の形状が複雑になると、必要測定点数が増加するため
に、測定操作が面倒で多大な時間を要するものであり、
せいぜい数百点程度の測定に止まっているのが実状であ
る。

【０００４】上記のように、接触型および非接触型それ
ぞれが長所、短所を有しているが、両者の大きな相違点
の１つに、接触型の測定装置では、使用者により直接あ
るいは間接的に測定点が指定されるのに対して、非接触
型の測定装置では、１走査について何点といった具合
に、装置自身が測定点を決定することにある。そのた
め、非接触型の測定装置においては、使用者が測定した
い幾つかの測定点を、測定データとして直接的に抽出す
ることができず、したがって、例えば特定の２点間距離
など測定したい部分的な数値を得ることができない難点
がある。さらに、光の走査方向を可変にすることは可能
であっても、測定テーブルまたは光学系撮像部の移動方
向までも柔軟に可変制御することは非常に難しく、一般
的には、測定テーブルまたは光学系撮像部の特定な移動
方向に対して光を垂直方向に走査させているのが現状で
ある。

【０００５】そのため、測定対象物のテーブルへの取り
付けの際、テーブルの移動方向に対して測定対象物の取
り付け方向が所望の方向からずれたとしても、光の走査
はあくまでもテーブルの移動方向であるから、例えば測
定したい断面形状に狂いが生じるなどの問題がある。図
４は、その一例を説明する図であり、同図の破線で示す
長方形は、テーブルの移動方向Ｘに対して使用者が取り
付けたい方向の長方形状の測定対象物１００であり、ま
た、同図の実線は、その長方形状の測定対象物１００の
取り付け方向がずれたものを示している。同図から明ら
かなように、光の走査方向Ｌは、辺Ａ−Ｂに垂直で、辺
Ａ−Ｃに平行なままであるため、取り付け方向にずれが
ある測定対象物１００の辺Ａ１−Ｂ１に対して垂直で、
辺Ａ１−Ｃ１に平行な方向Ｌ１の断面データを得たいに
もかかわらず、実際には、上記走査方向Ｌに沿った断面
データが得られることになつてしまう。これを解決する
方法として、空間座標をずれ角θだけＺ軸に対し回転変
換することが考えられるが、上述したように、非接触型
の測定装置では、使用者が点位置指定などできないため
に、ずれ角θの量を確認することもできない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、三次元モデ
ルの設計においては、二次元と同様に、図面などでモデ
ル上の特定の基準点あるいは基準線をベースに寸法など
が規定されている。したがって、製作されたモデルの寸
法測定や形状の検証を測定装置で行なう場合、上記した
モデルの特定の基準点あるいは基準線をもとに測定しな
ければならない。ところが、従来の非接触型の三次元測
定装置においては、上述したように、使用者が点位置を
指定することができないこと、および、測定値が測定装
置の測定対象物の空間内にある点を原点として決められ
た特定の座標系の座標値としてしか得られないものであ
ること、などの制約を受けるので、測定データは形状の
定義を行なえるだけに止まり、使用者がベースを基準と
して指定するモデル上の任意の断面の測定や特定部分の
形状の検証、形状修正の近似処理などに活用できる測定
データを得ることはできないものであった。

【０００７】この発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、光の走査による非接触で得られる第１の座標系の測
定データを、使用者が任意に指定する第２の空間座標の
もとでも扱えるようにして、任意の断面の測定や特定部
分の形状修正の近似処理などの三次元測定に有効に活用
することができる三次元測定装置を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明に係る三次元測定装置は、測定対象物に光
を投射する投光部と、一次元もしくは二次元上に配列さ
れた検出素子を持ち、上記投光部からの光投射による測
定対象物上の光像を入力しアナログビデオ信号として出
力する撮像部と、上記投光部および撮像部を保持し第１
軸方向に移動させて、その移動量を出力する第１軸駆動
制御部と、この第１軸駆動制御部を保持し第２軸方向に
移動させて、その移動量を出力する第２軸駆動制御部
と、この第２軸駆動制御部を保持し第３軸方向に移動さ
せて、その移動量を出力する第３軸駆動制御部と、上記
アナログビデオ信号をデジタル信号に変換して一次元も
しくは二次元上の最輝度位置を求める光点検出部と、求
められた最輝度位置から測定物空間の第１の座標系にお
ける座標位置を求めるデータ生成部と、測定対象物に接
触する接触子を有し、該接触子が測定対象物に接触した
時点でトリガ信号を出力する接触測定ヘッドと、上記ト
リガ信号により上記第１軸，第２軸および第３軸駆動制
御部から移動量を入力して第１の座標系の座標として格
納する位置検出部と、この位置検出部に格納された３点
以上の座標データから平面を決定することで第２の座標
系を定義する座標生成部と、上記データ生成部および位
置検出部のデータを第２の座標データに変換する座標変
換部とを有するものである。

【０００９】

【作用】この発明によれば、測定対象物に光を投射する
投光部および該投光部からの光投射による測定対象物上
の光像を入力しアナログビデオ信号として出力する撮像
部を、第１軸方向、第２軸方向および第３軸方向へ移動
させることにより、各軸方向の移動量を出力する一方、
光点検出部において、一次元もしくは二次元上の最輝度
位置を求め、その求めた最輝度位置から測定物空間の第
１の座標系における座標データを求める。ここで、測定
対象物に接触子を接触させて、そのトリガ信号を接触測
定ヘッドから出力させることで、上記各軸の移動量が第
１の座標系の座標として位置検出部に入力され格納され
る。この位置検出部に格納された３点以上の座標データ
から平面データが決定されて第２の座標系が定義される
とともに、上記データ生成部および位置検出部のデータ
が第２の座標データに変換される。このように、使用者
の指示する点位置を測定し、その点位置に基づいて第２
の空間座標を生成することにより、測定対象物に対する
走査移動により得られる第１の座標系の測定データを第
２の座標系の座標データに変換することが可能となり、
１つの測定装置が取り扱えるデータ数を増大することが
できる。

【００１０】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面にもとづいて
説明する。図１は、この発明の一実施例による三次元測
定装置の本体構成を示す外観斜視図であり、同図におい
て、１は非接触式の測定ヘッドで、投光部を構成するレ
ーザ光源２（図２参照）と、一次元もしくは二次元上に
配列された複数のＣＣＤのような検出素子（図示省略）
を持ち、上記レーザ光源２から測定対象物４に投射され
たスリット光像５を撮像しアナログビデオ信号として出
力するＣＣＤカメラなどの撮像部３（図２参照）とを内
蔵している。６は接触式の測定ヘッドで、測定対象物４
の点位置に接触可能な接触子としての接触プローブ７を
備えている。

【００１１】８は上記両測定ヘッド１，６を第３軸方向
（鉛直方向で、以下、Ｚ軸と称する）に移動案内する第
１ガイド、９はその第１ガイド８を第２軸方向（水平面
上の一次元方向で、以下、Ｙ軸と称する）に移動案内す
る第２ガイド、１０は第１および第２ガイド８，９を第
１軸方向（水平面上の二次元方向で、以下、Ｘ軸と称す
る）に移動案内する第３ガイドであり、これら第１ない
し第３ガイド８，９，１０には、各軸方向の移動量を測
定するための測長スケール（図示省略する）が設けられ
ている。１１は測定テーブルであり、測定対象物４を固
定するための取付治具（図示省略する）を有しており、
本実施例においては、第１の空間座標のＸ−Ｙ平面を形
成している。１２は原点ゲージで、上記接触プローブ７
の先端を接触させることで、第１の空間座標の原点を決
定するものであり、その取り付け位置は特に限定される
ものでない。

【００１２】図２は、上記のような本体構成からなる三
次元測定装置のシステム構成を示すブロック図であり、
同図において、１３は上記接触式測定ヘッド６の接触プ
ローブ７の先端が測定対象物４に接触したときにトリガ
信号を出力するトリガ信号検出部、１４，１５，１６は
Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸の駆動を制御し、上記トリガ信号により
各軸の移動量を出力するＸ軸駆動制御部，Ｙ軸駆動制御
部，Ｚ軸駆動制御部である。１７は光点検出部で、上記
撮像部３から出力されるアナログビデオ信号をデジタル
信号に変換して、各検出素子における配列行毎に最輝度
位置を求め、その求めた最輝度位置を受光面の座標とし
て出力する。１８は駆動指令部で、上記Ｘ，Ｙ，Ｚの各
軸駆動制御部１４，１５，１６の駆動または停止の指令
信号およびレーザ光源部２のＯＮ・ＯＦＦ信号を出力す
る。

【００１３】１９は位置検出部で、上記トリガ信号を受
けて上記各軸駆動制御部１４，１５，１６から移動量を
入力して第１の座標系の座標として格納する。２０は座
標生成部で、空間座標の変換の際に上記位置検出部１９
から必要な座標データを入力して第２の空間座標を求め
て、第１の空間座標に対する変換マトリクスを生成す
る。２１は上記信号制御部１７から画面座標を入力して
上記の最輝度位置に対する第１の空間座標の座標位置を
算出するデータ生成部である。

【００１４】２２は座標変換部であり、上記座標生成部
２０で生成された変換マトリクスを用いて、第１の空間
座標系の座標として格納されている位置検出部１９のデ
ータまたは上記データ生成部２１のデータを第２の座標
データに変換する。２３はデータ処理部で、上記座標変
換部２２あるいは上記位置検出部１９およびデータ生成
部２１で得られたデータをもとに、曲線近似、円弧近
似、断面図作成、面テータ変換など使用者からのコマン
ドに従ってデータ加工して、ディスプレイへの表示を行
なう。

【００１５】以上の構成において、上記トリガ信号検出
部１３および各軸駆動制御部１４，１５，１６は測定装
置本体Ａに搭載されているとともに、光点検出部１７、
駆動指令部１８、位置検出部１９およびデータ生成部２
１は、本体Ａとは別のコントローラＢに搭載され、か
つ、座標生成部２０、座標変換部２２およびデータ処理
部２３はパーソナルコンピュータやワークステーション
Ｃにおいて、主にソフトウェアの形で存在しており、こ
のような装置の操作は、パーソナルコンピュータまたは
ワークステーションのキーボードを介してマンマシンイ
ンターフェイスにより行なわれるのが一般的である。

【００１６】つぎに、上記構成の動作のうち、主要機能
部の動作処理を図３のフローチャートに基づいて説明す
る。第１の空間座標系は、装置自身がデフォルト座標系
として予め保持しているか、もしくは、使用者が動作開
始前に、図１の接触式測定ヘッド６の接触プローブ７を
介して指定したテーブル１１面上の複数の点位置と原点
ゲージ１２の一点位置とにより作成されている。

【００１７】この状態で、図３のスッテプＳ３０におい
てコマンドが入力されると、そのコマンドが座標変換コ
マンドであるか否かが判定される（ステツプＳ３１）。
座標変換コマンドの入力が確認されると、使用者が指定
した３点以上の位置が位置検出部１９に格納される（ス
テップＳ３２）。ついで、指定終了コマンドにより、座
標変換コマンドによる処理中であることの確認に基づい
て、上記位置検出部の格納データが座標生成部２０に転
送されて第２の空間座標系の平面（Ｘ−Ｙ平面）を決定
するデータとして認識される（ステップＳ３３，Ｓ３
４，Ｓ３５）。

【００１８】次に、Ｘ軸指定コマンドの入力が確認され
る（ステップＳ３６）と、上記と同様にして、使用者が
指定した２点の位置が位置検出部１９から座標生成部２
０に転送されてＸ軸を決定するデータとして認識される
（ステツプＳ３７）。ついで、原点指定コマンドが入力
される（ステップＳ３８）ことにより、続く１指定点が
位置検出部１９から座標生成部２０へ転送される（ステ
ツプＳ３９）。指定終了後、座標生成部２０は、Ｘ−Ｙ
平面を決定するデータを用いて平面方程式を求めて、第
１の空間座標系の原点とＸ軸を基にそのＸ−Ｙ平面に対
する変換マトリクスＺ¹を求める。次に、Ｘ軸指定に用
いた２点で決定される直線の方程式を求めて、Ｘ−Ｙ座
標を回転変換するマトリクスＺ²を求める。最後に、指
定の原点へ直線移動させるマトリクスＺ³を求めて、第
１の空間座標から第２の空間座標に変換するマトリクス
Ｚ＝Ｚ²＋Ｚ¹＋Ｚ³を得る（ステップＳ４０）。な
お、平面は３点で決定できるが、指定データが４点以上
の場合は、最小２乗法による補正により近似平面を求め
る。

【００１９】そして、実際の測定を行なう場合の動作
は、つぎの通りである。まず、使用者により接触式の測
定か、もしくは、非接触式の測定かのいずれかのコマン
ドが入力されて、それら入力コマンドが判定される（ス
テップＳ４１，Ｓ４２）。接触式の測定の場合は、上記
と同様に、接触式測定ヘッド６の接触プローブ７による
指定位置データの指定が終了するまで逐一、位置検出部
１９にその位置データが格納され（ステップＳ３２）、
指定終了（ステップＳ３３）後は座標変換コマンドによ
る処理中でないことの確認（ステップＳ３４）にもとづ
いて、それら位置データを位置検出部１９から座標変換
部２２へ転送する（ステップＳ４３）。この座標変換部
２２では、上記指定位置データを使用者が指定した第２
の空間座標系の座標値に変換した上（ステップＳ４
４）、データ処理部２３のリクエストにより、その変換
データをデータ処理部２３に転送し（ステップＳ４
５）、データ加工して、ディスプレイへの表示を行な
う。

【００２０】また、非接触式の測定の場合は、スタート
信号の入力（ステップＳ４６）に基づいて駆動指令部１
８からＸ軸駆動制御部１４へ駆動信号が出力されて、測
定ヘツド１がＸ軸方向へ移動するとともに、レーザスリ
ツト光の測定対象物４への投射による走査が行なわれる
（ステツプＳ４７）。このレーザスリツト光の投射によ
る走査は、Ｘ軸方向に指定ピツチで行なわれるように、
位置検出部１９が走査指令信号を光点検出部１７へ出力
し、光点検出部１７はその走査指令信号に同期して走査
する。なお、Ｙ軸およびＺ軸方向については、本実施例
では、撮像部３として二次元ＣＣＤカメラを使用するこ
とで、そのカメラ座標を第１の空間座標に変換するデー
タ生成部２１においてＹ軸およびＺ軸方向の座標を同時
に算出するようにしており、したがって、Ｙ軸およびＺ
軸については、スタート前の位置合わせを行なうのみ
で、実際の走査は行なわない。

【００２１】上記信号制御部１７では、撮像部３の複数
の検出素子が配列された一次元もしくは二次元上の最輝
度位置を求め、その求めた最輝度位置をデータ生成部２
１へ転送している。このデータ生成部２１では、上記光
点検出部１７から画面座標を入力して上記の最輝度位置
から第１の空間座標系におけるＸ−Ｙ座標を算出し、か
つ、光点検出部１７でそれらの位置が検出された時点の
Ｘ位置を合わせて三次元位置データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を生
成する。このような走査を終了信号が入力されるまで繰
り返し、終了信号の入力（ステップＳ４８）にともなつ
て、駆動指令部１８からＸ軸駆動制御部１４に停止信号
が出力される（ステップＳ４９）。その後、測定データ
がデータ生成部２１から座標変換部２２に転送されて
（ステップＳ５０）、以後は接触式の測定の場合と同様
に、第２の空間座標の座標値に変換され（ステップＳ４
４）、かつ、その変換データをデータ処理部２３に転送
して（ステップＳ４５）、データ加工されディスプレイ
への表示が行なわれる。

【００２２】なお、上記実施例では、撮像部３として、
二次元ＣＣＤを使用した場合について説明したが、一次
元ＣＣＤを使用してもよく、この場合は、レーザスリツ
ト光の投射による走査をＸ軸だけでなく、Ｙ軸およびＺ
軸について順次各別に行なうことで、上記と同様に動作
させることが可能である。

【００２３】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、非接
触型の装置本体に、使用者が指示するする点位置を測定
する接触測定ヘツドを装着して、使用者が指定する点位
置に基づいて生成される第２の空間座標のもとで、非接
触走査により得られた第１の空間座標系における多くの
測定データを取り扱うことが可能となる。したがって、
同一の測定点間で見た場合、従来の接触型の測定装置に
比べて、非常に多くの測定データを得ることができて、
三次元モデル上の任意の断面の測定や特定部分の形状の
修正の近似処理などの三次元測定に有効に活用すること
ができる。また、近似処理である場合においても、デー
タ数が豊富であるから、その近似処理精度の大幅な向上
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による三次元測定装置の本
体構成を示す外観斜視図である。

【図２】同上三次元測定装置のシステム構成を示すブロ
ック図である。

【図３】要部の動作処理フローを説明する図である。

【図４】従来の非接触型の測定装置における問題点を説
明するための説明図である。

【符号の説明】

２…レーザ光源（投光部）、３…撮像部、４…測定対象
物、６…接触測定ヘッド、７…接触プローブ（接触
子）、１３…トリガ信号検出部、１４…Ｘ軸駆動制御部
（第１軸駆動制御部）、１５…Ｙ軸駆動制御部（第２軸
駆動制御部）、１６…Ｚ軸駆動制御部（第３軸駆動制御
部）、１７…光点検出部、１９…位置検出部、２０…座
標生成部、２１…データ生成部、２２…座標変換部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象物に光を投射する投光部と、一
次元もしくは二次元上に配列された検出素子を持ち、上
記投光部からの光投射による測定対象物上の光像を入力
しアナログビデオ信号として出力する撮像部と、上記投
光部および撮像部を保持し第１軸方向に移動させて、そ
の移動量を出力する第１軸駆動制御部と、この第１軸駆
動制御部を保持し第２軸方向に移動させて、その移動量
を出力する第２軸駆動制御部と、この第２軸駆動制御部
を保持し第３軸方向に移動させて、その移動量を出力す
る第３軸駆動制御部と、上記アナログビデオ信号をデジ
タル信号に変換して一次元もしくは二次元上の最輝度位
置を求める光点検出部と、求められた最輝度位置から測
定物空間の第１の座標系における座標位置を求めるデー
タ生成部と、測定対象物に接触する接触子を有し、該接
触子が測定対象物に接触した時点でトリガ信号を出力す
る接触測定ヘッドと、上記トリガ信号により上記第１
軸，第２軸および第３軸駆動制御部から移動量を入力し
て第１の座標系の座標として格納する位置検出部と、こ
の位置検出部に格納された３点以上の座標データから平
面を決定することで第２の座標系を定義する座標生成部
と、上記データ生成部および位置検出部のデータを第２
の座標データに変換する座標変換部とを有する三次元測
定装置。