JP2738964B2 - 構造物部材の寸法計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、構造物部材の工場検査に適用される寸法計
測装置に関し、その他機器等の寸法検査に適用できるも
のである。

〈従来の技術〉 一般に、橋梁は架設現場で組み立てる前に、製品検査
法として仮組立てを行うのが通常である。ここで、仮組
立ては、架設現場に材料や部材を搬送する直前に、工場
等でこれらの部材等の全部或いはその一部をいったん組
み立てて、架設に不都合がないかどうかをチェックする
作業であり、検査後は再び解体されて現場に搬送され
る。

しかし、仮組立て作業は確実な製品検査法である反
面、手間や費用がかかる問題があった。例えば、小型の
橋梁でも数日かかるうえ、大型の橋梁の場合は、屋外作
業となるので更に煩雑な作業となり、危険も伴ってい
た。

そこで、このような現物検査である仮組立てに代わっ
て、各部材等を光学的に非接触で測定することによって
架設に不都合がないかチェックする検査方法の開発が試
みられている（以下、その方法を数値仮組立てとい
う。）。その一例について第７図を参照して説明する。

同図に示すように橋梁の桁鋼１において、桁組立部と
なるボルト穴２は、製品加工の結果として寸法公差、配
置等を厳しく検査する必要がある。ここでは、ボルト穴
２に寸法計測用ターゲットとなる球光源３を配置し、テ
レビカメラ4aを左配置、テレビカメラ4bを右配置として
左右ずれの無い視野５で球光源３を立体視することで、
球光源３、即ちボルト穴２の位置を三次元的に測定して
いる。この原理は、テレビカメラ4a,4bに対応したモニ
タテレビ7a,7bにより観測角θで測定されると、画面中
心を共通にして変位相当ずつ画像８或いは画像９のよう
に観測されるため、下式（４）に従って、三角測量によ
って球光源３の位置が計測可能となる。

但し、（x_p,y_p,z_p）は点ｐの三次元座標値、（x_s,y_s,
z_s）は点ｐのカメラ計測三次元座標値であり、計測ター
ゲットに取り付けた球光源３の２台のCCDカメラで三角
測量したものである。Ｍは台車移動に伴う被測定物の回
転変位補正座標変換行列、（Δx,Δy,Δｚ）は台車移動
に伴う被測定物の変位である。

このような、演算は画像処理装置10で行われるため、
数値出力がオンラインで得られ、数値仮組立てが可能と
なるが、テレビカメラ4a,4bの視野５に限りがあるた
め、一つの桁鋼全体の検査を行なうためには、橋梁の桁
鋼１を搬送台車６に積載して移動させる必要がある。

このように、従来技術によっても一応の数値仮組立を
行うことが出来るが、つぎの様な問題点があった。

（１）部材の仮組立には、穴の位置だけでなく、穴間の
距離、穴と部材端部の距離及び方向、部材の反りや傾き
を組み合わせた総合的な部材寸法データを必要とする
が、上記従来技術では穴の位置を求められるだけで、そ
の他の配置等のデータは求められない。

（２）計測したい部位に球光源を設置しなければなら
ず、その段取り時間が多大となり、通常の仮組み工数と
変わらなくなる。

（３）例えば、桁鋼等の部材を台車にて搬送するため剛
体移動を必要とするが、技術的に困難であり、精度補償
が難しい。

（４）ボルト穴に球光源を配置する場合の取り付け精度
が曖昧となり易く、ヒューマンエラーを招いて信頼性に
欠ける欠点がある。

このように、上記従来技術では、実用面において多く
の問題があり、その解決が望まれていた。

〈発明が解決しようとする課題〉 本発明は、次のような課題を解決することを目的とす
るものである。

数値仮組み立てに必要となる部材寸法として穴位置、
穴ピッチ、穴と端部距離、配置又部材の反りや傾き等を
高精度に測定することの出来る多機能センサを開発する
こと。

センサを部材に接近させ、柔軟且高精度な位置決めで
死角なしで必要な部位の部材寸法を計測できる手段を開
発すること。

広範囲な計測範囲を高精度に計測できる手段を開発す
ること。

更には、以上の課題を克服したうえで、数値仮組み立
てに応用し、その実用性を改善すること。

〈課題を解決するための手段〉 斯かる目的を解決する本発明の構成は部材寸法を測定
する機能と、照明、スリット光源及び部材の形状を測定
する機能とを持つ多機能センサヘッドと、前記多機能セ
ンサヘッドを支持して旋回、首振り、転回の各機能によ
り測定点に接近させる３軸位置決めアームと、前記３軸
位置決めアームを相互に直交する３方向に移動可能に支
持してなる移動装置と、前記多機能センサヘッドに駆動
原点として設けられる追尾用ターゲットと、前記３軸位
置決めアーム及び前記移動装置の動きに追従して前記追
尾用ターゲットを追尾すると共に前記追尾用ターゲット
までの距離をレーザ光を利用して測定する三次元位置測
定装置とを具備することを特徴とする。

〈作用〉 測定の対象となる部材は撮像装置により撮像されると
共にリング照明により均一な照度が得られるようにリン
グ状に照明される。撮像装置により得られた画像は画像
処理され、穴だけが認識され、その図芯点から穴中心位
置が計測される。

穴のピッチは複数個の穴を認識した結果により、その
中心間距離を計測して求められる。同時に、穴の配置、
方向も求められる。

穴と部材端部の距離等は、スリット光源から照射され
るスリット光の長さを測定して求められる。

部材の反り、傾きは四点式光変位計により、部材まで
の距離を計測することで求められる。

多機能センサヘッドを旋回、首振り、転回の各機能を
有する３軸位置決めアームにより支持したので、多機能
センサヘッドは測定点まで柔軟且つ高精度で、しかも高
速に移動されることこととなる。

３軸位置決めアームは走査装置により相互に直交する
方向に移動できるので、広範囲な寸法計測が可能とな
る。

三次元位置測定装置が追尾用ターゲットを常に追跡
し、追尾用ターゲットまでの距離を測定するので、多機
能センサヘッドの三次元的位置が高精度で検出すること
が出来る。

〈実施例〉 以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説
明する。

第１図〜第６図に本発明の一実施例を示す。同図に示
すように橋梁の桁鋼１には部材寸法計測を必要とするボ
ルト穴２が設けられている。床面にはレール14bが桁鋼
１に沿って図中Ｙ軸方向に敷設されており、このレール
14b上に三次元直交座標形走査機構14aを介して走査装置
14が摺動自在に設置されている。走査装置14には、高精
度３軸位置決めアーム15が図中XY軸方向に可動自在に取
り付けられ、その先端には多機能センサヘッド16が搭載
されている。高精度３軸位置決めアーム15は、第２図に
示すように三つの関節を有しα軸旋回、β軸首振り、γ
軸転回が可能であり、傾斜計23、追尾用ターゲット（姿
勢制御装置保有）17が装着されている。傾斜計23は２軸
（第１図中YZ方向）の傾斜を測定するものであり、高精
度３軸位置決めアーム15の独立した高精度位置決め機能
を保証するため駆動原点の水準を計測している。追尾用
ターゲット17は駆動原点として設けられ、高精度３軸位
置決めアーム15の移動にともなって三次元位置測定装置
18により追尾される標的となる。第１図に示すように三
次元位置測定装置18はθ軸φ軸の２軸に関して回動自在
に高精度位置決め装置20に搭載されている。従って、レ
ール14b上を走査装置14が移動しても、追尾用ターゲッ
ト17の位置を正確に捕らえることが出来るので、高精度
３軸位置決めアーム15、多機能センサヘッド16は走査装
置14に関係なく、部材寸法を測定しながら動くことが可
能となる。つまり、走査装置14は水準が保証されていれ
ば、誤差を持たないのである。

追尾用ターゲット17と三次元測定装置18等の構成を第
３図（ａ）に示す。同図に示すように、追尾用ターゲッ
ト17は、レーザ側長用のコーナーキューブ17aと円形光
源17bとを同軸に組み合わせたものであり、θ′旋回、
φ′首振りにより三次元位置測定装置18のθ軸、φ軸に
トラッキングできる機能を有している。この為、走査装
置14が移動しても、追尾用ターゲット17と三次元測定装
置18とは常に光学的計測軸19を挟んで向かう合うことが
可能となる。

次に、自動追尾及び位置決め方法について説明する。
円形光源17bから光を出射して光源光19aとして視覚セン
サ18lで観察すると、モニタテレビ25上では円形図形が
得られる。この円形図形は追尾用ターゲット17の中心
は、一般には光学的計測軸19の光軸中心dx₀,dy₀と一致
せず、それらのからのズレ量がdx,dyであるとする。と
すれば、そのズレ量dx,dyが小さくなるように円形光源1
7bを視覚センサ18lで追尾し、θ＝−θ′、φ＝−φ′
となるように制御すれば、自動追尾位置決めができるこ
とになる。

追尾用ターゲット17と三次元測定装置18との距離D_IS
は次のように測定される。即ち、半導体レーザ変調光学
系18aで２種、例えば670mmと830mmの波長を有する２種
の半導体レーザを変調して、シングルモードファイバ18
b、コリメータヘッド18cを介してビームスプリッタ18d
で同一光路に軸合せし、ミラー18dで分岐し光センサ18g
で基準点信号Ｒとして検知する一方、受光レンズ18i、
ミラー18jを介してコーナーキューブ17aとの往路を経た
レーザ側長光19bを光センサ18hで測定し測定信号Ｍを得
る。これにより、基準信号Ｒと測定信号Ｍとの位相差Δ
Ｐを算出し、次のように距離D_ISを求める。

但し、ｃは光速（３×10⁸ｍ）、ｆは変調周波数、Δ
Ｐは測定位相、ｎは媒体の屈折率である。また、図中、
18e,18f,18j,18kはレーザの波長等を考慮したフィルタ
ー的特性をもつミラーである。

このように、三次元位置測定装置18では、半導体レー
ザに可変変調を加えて任意の長さを測定出来るだけでな
く、２種類の波長を用いることに特徴がある。つまり、
光学的計測軸19は測定環境により変化、具体的には温
度、湿度、気圧の変化により、その屈折率が増減するた
め、環境補償して真の距離D_IS0を求める必要がある。そ
こで、三次元位置測定装置18ではこれを２種類の波長を
用いて次のように求め直すことで精度を維持している。

このように、三次元位置測定装置18のθ軸φ軸の２軸
の情報及び追尾用ターゲット17と三次元測定装置18との
真の距離D_IS0とから、追尾用ターゲット17の三次元座標
（x_T,y_T,z_T）が容易に求められる。つまり、走査装置14
の広範囲な移動に伴う寸法計測の三次元位置計測が高精
度に実施できる。

次に、多機能センサ16による寸法計測方法について第
４図を参照して説明する。

第４図（ａ）に示すように、多機能センサ16には、超
小型テレビカメラ26、スリット光源27、光変位計28、リ
ング照明29が装備されている。穴位置計測は、同図
（ｂ）に示すようにリング照明29により超小型テレビカ
メラ26の視野31を均一に照明し、視野31内の画像を画像
処理により二値化して図形的特徴のあるボルト穴２を認
識することにより行う。また、穴間ピッチ、部材端33と
穴端間距離は、同図（ｃ）に示すように視野31にスリッ
ト光源27からスリット光27aを加えて、光切断法による
画像処理により認識測定する。その他の部材の反り、傾
きは同図（ｄ）に示すように四点配置された光変位計28
で部材35までの距離を測定することにより、その三次元
的配置を簡単に測定することができる。

このような穴位置計測、穴間ピッチ、部材端33と穴端
間距離、その他の部材の反り、傾きは、部材寸法を精度
良く測定出来るように適宜組み合わせて適用される。

尚、これら走査装置14、高精度３軸位置決めアーム15
及び多機能センサヘッド16は制御ケーブル21を介して部
材寸法計測装置12に接続され、又、これら三次元位置測
定装置18及びθ軸φ軸の高精度位置決め装置20は制御ケ
ーブル22を介して部材寸法計測装置12に接続されてい
る。部材寸法計測装置12は通信回線13を介して数値仮組
立シュミレーションシステム11に接続されている。つま
り、本実施例の構成のシステムブロックは第５図に示す
ものとなる。

上記構成を有する本実施例において、数値仮組立てを
行う場合の動作について、第６図（ａ）（ｂ）のフロー
チャートを参照して説明する。

まず、第６図（ａ）に示すように仮組立部となる部
材、例えばボルト穴等を数値仮組立シュミレーションシ
ステム11が選択し、それを通信回線13を介して部材寸法
計測装置12に通信する。部材寸法計測装置12では、測定
点が指示されると、第６図（ｂ）に示されるように走査
装置14を制御してXYZ軸方向に移動させると共に高精度
３軸位置決めアーム15を制御して旋回等の機能により移
動させ、多機能センサヘッド16を測定点の近傍まで移動
させる。多機能センサヘッド16は測定点となる部材の寸
法計測を行う。例えば、前述したように穴位置、穴配
置、板反り、傾き等を測定する。同時に、三次元位置測
定装置18をθ軸φ軸廻りに旋回させて、追尾用ターゲッ
ト17を自動追尾すると共に追尾用ターゲット17と三次元
測定装置18との真の距離D_IS0を算出し、追尾用ターゲッ
ト17の三次元座標（x_T,y_T,z_T）を求める。このような測
定結果は、通信回線13により数値仮組立シュミレーショ
ンシステム11に出力される。そして、第６図（ｂ）に示
すようにこれらの測定結果を基に数値仮組立シュミレー
ションが下式にしたがって行われる。

但し、（X,Y,Z）は測定点の三次元座標、（Δx,Δy,
Δｚ）は多機能センサヘッド測定座標であり、Δx,Δｙ
は視覚センサ18lにより測定され、Δｚは光変位計28に
より測定される。（x_T,y_T,z_T）は追尾用ターゲット17の
三次元座標、（R_X,R_Y,R_Z）は、傾斜計23の測定値による
座標回転変換行列、（A₁,A₂,A₃）は追尾用ターゲット17
から見た多機能センサヘッド基準点の位置姿勢を表す変
換行列である。この変換行列には次の関係がある。

〈発明の効果〉 以上、実施例に基づいて、具体的に説明したように本
発明は、数値仮組立てに必要となる部材寸法として穴位
置、穴ピッチ、穴と端部距離、配置又部材の反りや傾き
等を高精度に測定することの出来る多機能センサを実現
することができると共にこのセンサを部材に接近させ、
柔軟且高精度な位置決めで死角なしで必要な部位の部材
寸法を計測できる手段として３軸位置決めアームを実現
することができ、また、広範囲な計測範囲を高精度に計
測できる手段として走査機構を実現することができた。
更には、本発明を数値仮組立てに応用すれば、その実用
性を改善することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す全体斜視図、第２図は
高精度３軸位置決めアームの構成図、第３図（ａ）は追
尾用ターゲット及び三次元位置決め装置の構成図、第３
図（ｂ）は基準信号及び測定信号を示すグラフ、第４図
は多機能センサヘッドにかかり、同図（ａ）はその外観
斜視図、同図（ｂ）はリング照明による穴位置測定を示
す説明図、同図（ｃ）はスリット光による穴配置測定を
示す説明図、同図（ｄ）は光変位計による部材の反り、
傾き測定を示す説明図、第５図は本発明の一実施例にか
かるシステムブロックの説明図、第６図（ａ）（ｂ）は
それぞれ本発明の一実施例にかかるフローチャート、第
７図は従来の数値仮組立てを示す説明図である。 図面中、 １は桁鋼、２はボルト穴、３は球光源、4a,4bはテレビ
カメラ、５はテレビカメラの視野、６は搬送台車、7a,7
bはモニタテレビ、8,9はテレビカメラ画像、10は画像処
理装置、11は数値仮組立シュミレーションシステム、12
は部材寸法計測装置、13は通信回線、14は走査装置、15
は高精度３軸位置決めアーム、16は多機能センサヘッ
ド、17は追尾用ターゲット、18は三次元位置測定装置、
19は光学的計測軸、20は高精度位置決め装置、21,22は
制御ケーブル、23は傾斜計、26は超小型テレビカメラ、
27はスリット光源、28は光変位計、29はリング照明であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 拓也 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 藤原 正弘 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 浦川 智志 東京都千代田区丸の内２丁目５番１号 三菱重工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−196615（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】部材寸法を測定する機能と、照明、スリッ
   ト光源及び部材の形状を測定する機能とを持つ多機能セ
   ンサヘッドと、前記多機能センサヘッドを支持して旋
   回、首振り、転回の各機能により測定点に接近させる３
   軸位置決めアームと、前記３軸位置決めアームを相互に
   直交する３方向に移動可能に支持してなる移動装置と、
   前記多機能センサヘッドに駆動原点として設けられる追
   尾用ターゲットと、前記３軸位置決めアーム及び前記移
   動装置の動きに追従して前記追尾用ターゲットを追尾す
   ると共に前記追尾用ターゲットまでの距離をレーザ光を
   利用して測定する三次元位置測定装置とを具備すること
   を特徴とする構造物部材の寸法計測装置。