JPH07218227A - 断面形状測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 丸みのある複数の角部と凹凸のある複数の辺
とから成る断面を有する平角鋼材等の断面形状をスリッ
ト光投光方式による光切断法により測定する装置におい
て、装置に含まれる誤差を簡単に補正でき、かつ被測定
物の大きさにより光切断線が撮像視野内を大きく移動す
ることを防止する。 【構成】 第１に、被測定物の寸法に応じて撮像ユニッ
トと被測定物表面との距離をほぼ一定に保つように撮像
ユニットを移動させる機構を設けることにより、光切断
線が撮像視野内を大きく移動することを防止する。第２
に、撮像ユニットの取付誤差を補正するための補正手段
として、１つの撮像ユニットに対して少なくとも３つの
法線ベクトルの異なる基準面を持つ補正用基準ブロック
を用い、撮像装置で基準ブロックの光切断線画像を撮像
し、得られた光切断線ベクトルから撮像ユニットの取付
誤差を補正する補正値算出手段を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、長手方向に垂直な断面
において、丸みを有する複数の角部と凹凸のある複数の
辺を有する型鋼等の断面形状を、オンラインで非破壊的
に測定する装置及び測定方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】圧延などで成型される型鋼材は形状が不
正確であるため、機械加工等によって寸法出しを行う必
要がある場合がある。この場合、所望の寸法が取れるか
どうかを判断する必要がある。この方法として、従来は
人手によりノギスを使って各部の寸法の測定を行ってい
た。しかし、成型後の型鋼材は角が丸みを帯びていて、
角部と平坦部との境界も不明瞭なため、測定毎のノギス
の先端の当て具合や測定者の境界を見分ける個人差によ
り、測定値は安定しなかった。

【０００３】例えば、図１６に示す平角鋼材１から矩形
状の材料を寸法出しする場合、重要となる寸法は厚さと
幅であり、機械加工等によって寸法出し可能な最大利用
可能領域２０（図中斜線部）を示すものとなる。この厚
さと幅を人手によって測定する場合、ノギス１９の先端
を厚さ平坦部の両端、幅平坦部の両端（以下、各”厚さ
平坦部端”、”幅平坦部端”と称す）に当てて測定する
方法を用いているため、測定毎に、あるいは個人差によ
り測定値が異なるという問題があった。さらに、中央部
がへこんだ形状の場合、上記最大利用可能領域をノギス
で測定することは困難であり、前記最大利用可能領域を
求めるためには断面形状を求める必要がある。

【０００４】その方法として、スポットレーザー光式測
距装置を用い、反射鏡を駆動することによりレーザー光
を走査させて、平角鋼材表面の形状を測定する方法（材
料とプロセス、ｖｏｌ１（１９８８））が提案されてい
るが、レーザー光を走査させるための装置が複雑にな
り、それ故に高精度の測定が困難であるという欠点があ
った。

【０００５】また、”Ｐｒｏｆｉｌｅ ｇａｇｅ Ｍｏ
ｎｉｔｏｒｓ Ｂａｒ Ｓｈａｐｅｓ（Ｍｅｔａｌ Ｐ
ｒｏｄｕｃｉｎｇ １９９１）”に、三角測量法を利用
したスリット光投光方式が記載されている。この方法
は、図２に示すように直線状に引き延ばした光５ａ（以
下、スリット光）をあたかも被測定物を切断するように
被測定物の表面に照射し、その表面とスリット光平面が
交わる部分に発生する光線のパターン（以下、光切断線
７）をスリット光平面と異なる方向から、例えばＴＶカ
メラで観察、撮像し、表面の形状が原因で生じた光切断
線の曲がり具合から表面の形状を求める方法である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記方
法では被測定物の大きさが変化した場合、図１７に示す
ように光切断線７はスリット投光面５に沿って移動する
ため、最悪の場合、撮像装置３の視野２１から外れてし
まうことになる。また、広い視野を取れるように画像の
倍率を小さくした場合、画像の解像度が低下することに
なり、精度の高い測定が困難となってしまう。

【０００７】さらに、スリット光投光器２、撮像装置３
には機械的取り付け誤差および光学的誤差が存在するた
め、これらの誤差を補正する必要がある。スリット光投
光方式では三角測量法を利用しているため、測定の基準
となるスリット光投光器２および撮像装置３の３次元的
な正確な位置を知る必要がある。スリット光投光器２お
よび撮像装置３には各々６つの自由度（ｘ、ｙ、ｚ軸方
向および各軸に対する回転）があるため、従来は最大６
つの寸法が既知でありかつ異なる面方向を持つ測定物を
測定し、これらの寸法値と光切断線の方向より正確な位
置を算出する必要があり、複数の測定物を測定しなけれ
ばならず、時間がかかるという問題があった。

【０００８】したがって本発明の目的は、上記問題を解
決すべく成されたもので、被測定物の大きさが変わって
も、光切断線を撮像視野内に確保し、かつ、装置に含ま
れる誤差を簡単に補正し、静止又は鋼材長手方向に移動
中である多角形形状鋼材の断面形状を非接触、自動的に
測定する装置及び測定方法を提供することである。

【０００９】

【問題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、丸みの有る複数の角部と、凹凸のある
複数の辺とから成る多角形形状の断面を有する被測定物
の断面形状測定装置において、受光素子とスリット光投
光器を有し、スリット光投光器から投光されるスリット
光が、被測定物の全表面を投光するように複数台設けら
れた撮像ユニットと、被測定物の寸法に応じて該撮像ユ
ニットを移動させる手段と、該受光素子で撮像した画像
から光切断線を抽出する手段と、得られた光切断線を座
標変換し断面形状を算出する手段と、得られた断面形状
から所望の寸法値を算出する手段とを有することを特徴
としている。

【００１０】また本発明では、撮像ユニットに含まれる
取り付け誤差を１回の補正作業により算出できるよう
に、１つの撮像ユニットに対して少なくとも３つの法線
ベクトルの異なる基準面を持つ補正用基準ブロックを用
い、撮像装置で得られた基準ブロックの光切断線画像よ
り撮像ユニットの取付誤差を補正することを特徴として
いる。

【００１１】

【作用】上記の構成により、寸法の異なる被測定物に対
しても、撮像ユニットと被測定物表面との距離をほぼ一
定に保つように撮像ユニットを移動させることにより、
常に光切断線を受光素子の中央部付近に生成させること
が出来るため、光切断線が受光素子の視野外にずれるこ
とを防止でき、それ故、視野を広げることなく大きな測
定物から小さな測定物まで測定可能となる。また、スリ
ット光投光器や撮像装置の機械的取り付け誤差の補正に
際しては、複数の基準法線ベクトルを持つ補正用基準ブ
ロックを用いることにより、１度の補正作業で行えるよ
うにしたため、簡単にかつ短時間で可能となる。

【００１２】

【実施例】以下、４つの丸みを帯びた角部と４つの凹凸
のある平坦部とから成る矩形状の型鋼（以下、平角鋼
材）の寸法を測定する場合の実施例を詳細に説明する。

【００１３】図１は、本発明の構成を示す図である。こ
の図は、紙面手前垂直方向が平角鋼材１の走行方向と一
致する構成である。平角鋼材測定の場合、撮像ユニット
４ａと４ｃ（又は４ｂと４ｄ）は、被測定物１に対して
対向する配置であり、平角鋼材１の断面形状が撮像でき
るように４ケの撮像ユニットで測定ユニット９が構成さ
れる。図２は受光素子３とスリット光投光器２から成る
１つの撮像ユニット４を示している。受光素子３の撮像
光軸６とスリット光投光器２の投光光軸５およびスリッ
ト光平面５ａは垂直に交わっている。投光光軸５および
スリット光平面５ａは、被測定物１の走行平面に対して
θの傾きを持って配置されている。スリット光平面５ａ
の被測定物１の表面からの散乱光あるいは反射光（以
下、光切断線７）を、受光素子３にて受光（以下、撮
像）する。

【００１４】図１において、各撮像ユニットは撮像ユニ
ット駆動機構８および撮像ユニット駆動制御部１４によ
り、各測定ユニットの受光素子３の視野２１内に光切断
線７が納まるように、被測定物の寸法に応じて、被測定
物１と各撮像ユニットの距離１０がほぼ一定に保たれる
ように調整、固定されている。各撮像ユニットは光切断
線抽出部１１ａと電気的に連結されている。光切断線抽
出部１１ａで求められた光切断線は、座標変換演算部１
１ｂにて三角測量法を用いた座標変換を行い、寸法演算
部１２にて所望の寸法値を算出、あるいは補正値演算部
１３にて測定ユニットに含まれる機械的取り付け誤差お
よび光学的誤差を補正する補正値を算出する。

【００１５】図３に示すように、平角鋼材１の寸法が変
わった場合、撮像ユニット４を平角鋼材１の寸法に合わ
せて移動させ、スリット光投光器２と平角鋼材１および
撮像素子３と平角鋼材１の距離をほぼ一定にすることに
より、撮像素子３のほぼ中央に常に光切断線７および７
ａが現れるため、図１７で前述した場合と異なり、撮像
素子３の視野外に光切断線が移動することが無くなる。

【００１６】次に、寸法算出方法について説明する。図
４は、寸法算出までの流れを示したものである。まず、
光切断線抽出部１１ａにおいて各撮像ユニットで撮像さ
れた画面より各光切断線を抽出し、座標変換演算部１１
ｂにて、所定の座標変換係数を用いて座標変換を行い、
平角鋼材断面の輪郭座標値を算出する。

【００１７】次に、寸法演算部１２にて、得られた輪郭
座標値から所定の寸法値を算出していく。その方法を図
５から図９に示す。

【００１８】まず、図５に示すように、輪郭線１５ａ〜
１５ｄについて仮平行部端ｂ００〜ｂ３１を求める。図
６には、簡単のため、ｂ００の場合の求め方について示
した。まず、輪郭線端部より一定量ｏｆｆだけ内側に戻
る。そこより輪郭線端部に向けーつーつデータを検索
し、平行部端であるか判断して行く。判断方法は、例え
ば現在位置のデータをｅｐ１とすると、ーつ手前のデー
タｅｐ０を通る直線ｅｌを求め、その直線ｅｌとーつ先
のデータｅｐ２との距離ｅｄを求め、距離ｅｄがある値
を越えたなら、現在位置ｅｐ１を仮平行部端とする。

【００１９】次に幅平坦部端を求める。図７には簡単の
ため、１つの角部について示した。輪郭線端部を含め一
定個数のデータを用い最小２乗法により近似曲線（以
下、端部輪郭曲線）１６ａ、１６ｂを求める。ここで、
端部は丸みを帯びているため、端部輪郭曲線は平角鋼材
１の外側に凸の式となるはずであるが、ノイズ等により
データが乱れ、そうならない場合は、先に求めた仮平行
部端から内側に一定個数のデータを用い端部輪郭曲線を
求める。次に幅輪郭曲線に相当する端部輪郭曲線１６ｂ
を平角鋼材１の内側に一定量シフトしシフト輪郭曲線１
６ｃを求め、厚さ輪郭曲線に相当する端部輪郭曲線１６
ａとの交点Ａを幅平坦部端とする。同様に全ての角部に
ついて行い、輪郭線１５ａに対してはＡ、Ｂ点、輪郭線
１５ｃに対してはＤ、Ｅ点を求める（図８）。

【００２０】次に、最大厚さ、最小厚さを求める。図８
にその例を示す。例えば厚さ輪郭線１５ａについて、先
に求めた幅平坦部端ＡおよびＢ間において、最小厚さ点
および最大厚さ点を求める。厚さ輪郭線１５ａに対して
は、最小厚さ点は点Ａ、Ｂ間で最も上にある点、最大厚
さ点は点Ａ、Ｂ間で最も下にある点に相当し、点Ｃおよ
び点Ｂがそれに当たる。厚さ輪郭線１５ｃについては、
最小厚さ点は点Ｄ、Ｅ間で最も下にある点、最大厚さ点
は点Ｄ、Ｅ間で最も上にある点に相当し、最小厚さ点
Ｅ、最大厚さ点Ｆとなる。求まった最小厚さ点間Ｃおよ
びＥ、最大厚さ点間ＢおよびＦを用いて最大厚さおよび
最小厚さを求める。

【００２１】次に最大幅および最小幅算出の例を図９に
示す。先に求めた最小厚さの中線ｅ０から削りだし目標
厚さ線ｆ０、ｆ１を求め、先に求めた、端部輪郭曲線１
６ｂ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆとの交点を厚さ平坦部端
Ｈ、Ｇ、Ｊ、Ｋとする。さらに、上記と同様に例えば幅
輪郭線15ｂについては、最小幅点は厚さ平坦部端Ｇ、Ｈ
間において最も左にある点に相当し、最大幅点は厚さ平
坦部端Ｇ、Ｈ間において最も右にある点に相当するた
め、最小幅点Ｇおよび最大幅点Ｉとなる。幅輪郭線１５
ｄについても同様に行うと、最小幅点は厚さ平坦部端
Ｊ、Ｋ間で最も右にある点に相当し、最大幅点は厚さ平
坦部端Ｊ、Ｋ間で最も左にある点に相当するため、最小
幅点Ｊおよび最大幅点Ｌとなる。求まった最小幅点間Ｇ
およびＪ、最大幅点間ＩおよびＬを用いて最大幅および
最小幅を求める。目的の最大利用可能領域の寸法は上記
で求めた最小厚さと最小幅となる。

【００２２】次に、撮像ユニットに含まれる誤差を補正
する方法について説明する。その例を図１０から図１４
に示す。用いた図中の符号は先と同じである。

【００２３】撮像ユニット４の測定ユニット９への取り
付け時には機械的取り付け誤差が存在する。スリット光
投光方式では三角測量法を用いているため、寸法値を精
度良く算出するためには、測定の基準となる撮像ユニッ
ト４中のスリット光投光器２および撮像素子３の正確な
位置を求めるための補正をする必要が有る。ここで、ス
リット光投光器２、撮像素子３にはそれぞれ６自由度の
誤差（ｘ、ｙ、ｚ軸方向のずれおよび回転）が考えられ
るが、これらのうちいくつかをまとめ図１０ａに示すよ
うに、スリット光投光器２に対しては光軸５を中心とす
る回転誤差１７ｄ、光軸５と平角鋼材１との成す角度誤
差１７ｃであり、撮像素子３に対しては、撮像光軸６を
中心とする回転誤差１７ｂ、撮像光軸６のずれ１７ａと
した。

【００２４】これらの誤差を算出する場合、上記に示し
たように５つの誤差（１７ａから１７ｄ）が含まれてい
るため、最大５つの異なる寸法（既知）かつ異なる面方
向を持つ平角鋼材を測定し、それらの関係から求めるこ
とが出来るが、複数回の測定が必要になり繁雑となる。
そこで、本装置では図１０ｂに示すようにーつの撮像ユ
ニットに対して、異なる法線ベクトルの基準面を３つ持
つ（例えばｈ００、ｈ０１、ｈ０２）既知寸法の基準ブ
ロック１ａを用いた。以下に、補正方法について説明す
る。

【００２５】図１１には補正処理を行うための流れを、
また、図１２にはテレビモニタ１８に写ったある撮像ユ
ニットでの光切断線の現れ方を示した。ここでは簡単の
ため、基準面ｈ００、ｈ０１、ｈ０２に対応する撮像ユ
ニットに関して説明する。まず、先の寸法算出で用いた
測定ユニットを用いて、光切断線７を撮像し、光切断線
抽出部１１ａにて、光切断線を抽出する。次に、補正値
演算部１３にて、図１２に示すように基準面ｈ００、ｈ
０１、ｈ０２に相当する部分の光切断線ベクトルｒ１、
ｒ２、ｒ３を求める。次にベクトルの交点Ｐ１、Ｐ２、
Ｐ３およびＰ１、Ｐ２の中点Ｐ０を求め、次に、ｒ１と
ｒ２およびｒ１とｒ３の成す角α１、α２を求める。

【００２６】まず、撮像素子３に対する、撮像光軸６を
中心とする回転誤差１７ｂ、撮像光軸６のずれ、１７ａ
の補正方法について説明する。図１３に示すように、ｒ
１とテレビモニタのｙ座標軸が平行になるように、先に
求めたＰ０を中心に回転させる。ここで求めた回転変換
係数が撮像素子３の補正のための補正係数となる。ここ
では、Ｐ０を測定ユニットの座標原点とし、かつ光切断
線７を座標の基準（ここではｙ軸）とすることにより撮
像素子３に対する誤差が全て補正される事になる。

【００２７】次に、スリット光投光器２に対する、光軸
５を中心とする回転誤差１７ｄ、光軸５と平角鋼材１と
の成す角度誤差１７ｃの補正方法について説明する。図
１４に示すように、光軸５を中心とする回転誤差１７
ｄ、光軸５と平角鋼材１との成す角度誤差１７ｃを含む
スリット光平面５ａと、基準ブロックの基準面ｈ００、
ｈ０１、ｈ０２が交わって出来た光切断線７００、７０
１、７０２を求める。先に求めたｒ１、ｒ２、ｒ３は光
切断線７００、７０１、７０２をテレビモニタ上に投影
したものであるという関係を用いると、先に求めたｒ
１、ｒ２、ｒ３およびα１、α２から、スリット光平面
５ａが求まるため、回転誤差１７ｄ、角度誤差１７ｃを
求めることが出来る。求めた誤差からスリット光投光器
２のずれを補正する補正係数を算出する。

【００２８】上記までの処理は、テレビモニタの画素を
単位として行っており、寸法算出のためには、これを長
さの単位（例えばミリメートル）に変換する必要があ
る。この方法として、先に求めたＰ１、Ｐ２間の画素数
を求め、補正用基準ブロックの溝部の長さと比較するこ
とにより単位変換のための補正係数を求めることが出来
る。

【００２９】最後に、撮像素子ずれ補正係数、スリット
光投光器ずれ補正係数および単位変換のための補正係数
を合わせた座標逆変換係数を求め、測定ユニット全体の
補正係数を算出する。この補正係数を上記寸法算出時の
座標変換演算部に加えることにより、平角鋼材の正確な
寸法値を算出することが可能となる。

【００３０】次に、実際に種々のサイズの平角鋼材の寸
法を測定し、３次元測定器により算出した寸法値と比較
した結果を図１５に示す。この場合、１５５ｍｍ幅×７
５ｍｍ厚さの基準ブロックを１ケ用いて最初に１回だけ
測定ユニットの位置ずれ補正を行い、その後、平角鋼材
のおおよその寸法に応じて撮像ユニットを移動セットし
測定を行ったものである。図１５からわかるように、１
５５ｍｍ幅×５０ｍｍ厚さから２７ｍｍ幅×４．７ｍｍ
厚さの平角鋼材まで±０．２ｍｍの高精度で測定が行わ
れていることがわかる。

【発明の効果】本発明によれば、撮像ユニットを被測定
物の寸法に合わせて移動させることにより、常に光切断
線を受光素子中央部に生成させることが出来るため、視
野を広げることなく、解像度の低下を伴わずに従来より
も幅広い寸法域の測定物まで測定可能となる。また、撮
像ユニットに含まれる誤差を補正するための補正機構に
異形基準ブロックを取り入れたことにより、誤差補正の
ための測定が１度で出来るようになり、装置の簡略化と
時間の短縮が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本装置の構成を示すブロック図

【図２】本装置の測定原理を説明する図

【図３】本装置の特徴を説明する図

【図４】本装置の寸法算出処理の流れ図

【図５】本装置における寸法算出方法を説明する図

【図６】同上

【図７】同上

【図８】同上

【図９】同上

【図１０】本装置における測定ユニット取り付け誤差を
補正するための構成図

【図１１】本装置における測定ユニット取り付け誤差補
正処理の流れ図

【図１２】本装置における測定ユニット取り付け誤差補
正処理を説明する図

【図１３】同上

【図１４】同上

【図１５】本装置により測定した寸法値と３次元測定器
により算出した寸法値の比較結果

【図１６】従来の人手による断面寸法測定方法

【図１７】従来の測定装置の欠点を説明する図

【符号の説明】 １ 被測定物あるいは平角鋼材 １ａ 補正用基準ブロック ２、２ａ スリット光投光器 ３、３ａ 撮像素子 ４ 撮像ユニット ５、５ａ スリット投光光軸 ６、６ａ 撮像光軸 ７、７ａ 光切断線 ８ 撮像ユニット駆動機構 ９ 測定ユニット １０ 撮像ユニットと平角鋼材表面との距離 １１ａ 光切断線抽出部 １１ｂ 座標変換演算部 １２ 寸法演算部 １３ 補正値演算部 １４ 撮像ユニット駆動制御部 １５ 輪郭線 ｂ００〜ｂ３１ 仮平行部端 ｏｆｆ 仮平行部端検索範囲 ｅｐ０、ｅｐ１、ｅｐ２ 輪郭線データ点 ｅｌ ２点間を通る直線 ｅｄ 直線と点との距離 １６ａ、１６ｂ 端部輪郭曲線 １６ｃ シフト輪郭曲線 Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅ 幅平坦部端 Ｊ、Ｋ、Ｇ、Ｈ 厚さ平坦部端 ｅ０ 最小厚さ中心線 ｆ０、ｆ１ 削りだし目標厚さ線 １７ 取り付け誤差 ｈ００〜ｈ３２ 基準面 ｒ１〜ｒ３ 光切断線ベクトル α１、α２ ベクトルの成す角 Ｐ０ 光切断線基準原点 Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ ベクトル交点 １８ テレビモニタ ７００、７０１、７０２ 基準ブロックの光切断線 １９ ノギス ２０ 最大利用可能領域 ２１ 撮像視野

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 丸みの有る複数の角部と、凹凸のある複
   数の辺とから成る多角形形状の断面を有する被測定物の
   断面形状測定装置において、受光素子とスリット光投光
   器を有し、スリット光投光器から投光されるスリット光
   が、被測定物の全表面を投光されるように複数台設けら
   れた撮像ユニットと、被測定物の寸法に応じて該撮像ユ
   ニットを移動させる手段と、該受光素子で撮像した画像
   から光切断線を抽出する手段と、得られた光切断線を座
   標変換し断面形状を算出する手段と、得られた断面形状
   から所望の寸法値を算出する手段とを有することを特徴
   とする断面形状測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の断面形状測定装置を用い
   て多角形の断面の寸法値を算出する測定方法において、
   １つの撮像ユニットに対して、少なくとも３つの法線ベ
   クトルの異なる基準面を持つ補正用基準ブロックを用
   い、該撮像ユニットで得られた基準ブロックの光切断線
   から撮像ユニットの取り付け誤差を補正することを特徴
   とする、断面形状測定方法。