JP4350497B2

JP4350497B2 - 特殊形状物品の形状計測装置

Info

Publication number: JP4350497B2
Application number: JP2003419568A
Authority: JP
Inventors: 志朗井上; 義和中野
Original assignee: Tsubakimoto Chain Co
Current assignee: Tsubakimoto Chain Co
Priority date: 2003-12-17
Filing date: 2003-12-17
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2023-12-17
Also published as: JP2005181001A

Description

本発明は、回転運動と直線運動の変換に使用される機械要素の１つであるラックのように、連続して連なる複数の山型からなる特殊形状を有する物品の形状計測装置に関するものであり、さらに詳しくは、機械加工により製造された特殊形状物品の最終検査工程等における特殊形状物品の特定の測定個所における寸法計測の自動化に関するものである。

従来、製造現場における検査工程での物品の寸法を高精度で自動計測する形状計測装置としては、高解像度の工業用カメラにより物品を撮像し、その画像を演算処理することにより所望の個所の寸法を算出する装置が知られていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１９４５２９号公報

しかしながら、従来の画像処理による形状計測装置では、平板状の物品や、直方体や球体等の簡単な形状の物品を計測する場合には適していたが、ラックのような連続して連なる複数の山型を有する特殊形状物品の形状計測については配慮されていなかった。すなわち、図３（ａ）に示すように、連続して連なる複数の山型を有する特殊形状物品１００を垂直に立てて工業用カメラ等の撮像手段２００で撮像した場合、図３（ｂ）に示すように、全ての山型の稜線が重なって投影画像１００ａに現れ、それぞれの山型の稜線を特定することができない。また、図４（ａ）に示すように、連続して連なる複数の山型を有する特殊形状物品１００を水平にして撮像した場合、図４（ｂ）に示すように、全ての山型が投影画像１００ｂに現れるものの、それぞれの山型の稜線が点となって投影されるため、稜線の中央部における高さを計測することができない。特に、山型の中央部の高さが両端部に比べて低く形成された凹面円筒形状の物品において、山型の中央部の高さ（図３、図４におけるＧ点）を測定しようとする場合、測定点が投影像に現れないため、現状では、マイクロメータやノギス等を用いた人手による測定に頼らざるを得なかった。そのため、検査工程が製造リードタイム短縮のボトルネックとなるだけでなく、測定者の熟練度の相違による測定誤差が生じ、検査精度及び検査品質低下の原因になっていた。

さらに、消費者の個性化や高品質志向、消費者ニーズの多様化が進んでいる今日、各メーカにおいては、多品種少量とクイックデリバリーへの対応が急務になっており、検査時間の短縮や製品の高品質化が要求されている。その実現のためには、特殊形状物品に対する高速且つ高精度な形状計測装置の開発が求められている。

そこで、本発明の目的は、連続して連なる複数の山型を有する特殊形状物品の特定の測定個所における山型の高さを人手によらず、高速且つ高精度で測定することが可能な形状計測装置を提供することにある。

請求項１に係る形状計測装置は、連続して連なる複数の山型を有する特殊形状物品の特定の測定個所における山型の高さを測定する形状計測装置において、前記特殊形状物品を撮像する撮像手段と、前記特殊形状物品を照射する照射手段と、前記特殊形状物品を前記撮像手段に対して所与の傾斜角度で保持する保持手段と、前記測定個所における山型の高さを算出する演算手段とを備え、前記保持手段が、前記撮像手段により撮像される画像上に前記測定個所が位置する山型の稜線を陰影線として投影するような前記傾斜角度で前記特殊形状物品を保持し、前記演算手段が、前記画像上に投影された陰影線から得られる前記測定個所に関する投影寸法と、前記測定個所に関する前記特殊形状物品上の既知寸法と、前記傾斜角度とに基づき、前記測定個所における山型の高さを算出するものであることによって、上記課題を解決するものである。

請求項１に係る形状計測装置によれば、撮像手段により撮像される画像上に測定個所が位置する山型の稜線を陰影線として投影されるような傾斜角度で特殊形状物品を保持し、撮像された画像上に投影された陰影線から得られる測定個所に関する投影寸法と、測定個所に関する特殊形状物品上の既知寸法と、前記傾斜角度とに基づき、測定個所における山型の高さを算出することとしているため、照射光の特殊形状物品の山型斜面上での反射と山型稜線上での散乱により、測定個所が位置する山型の稜線が撮像画像上に陰影線として投影され、特殊形状物品の特定の測定個所における山型の高さを人手によらず、高速且つ高精度で測定することが可能になる。

本発明の形状計測装置の実施の形態について、その装置構成及び形状計測原理について図１及び図２に基づき説明する。

図１は、本発明の形状計測装置の装置構成の概略と形状計測原理を説明する図であり、図１（ａ）は、被測定物である特殊形状物品１０の測定個所Ｈを通る垂直断面を示している。本発明の形状計測装置は、被測定物である連続して連なる複数の山型を有する特殊形状物品１０を撮像する撮像手段２０と、特殊形状物品１０を照射する照射手段３０と、図示はされていないが、特殊形状物品１０を撮像手段２０に対して所与の傾斜角度θで保持する保持手段とを備えている。

照射手段３０としては、理想的には、平行光線を照射できる平行光学系透過照明を用いることが測定誤差を最小にできる点で好ましいが、実際には、コスト等を勘案して、ＬＥＤや蛍光灯を発光源とする面発光ランプが好適に使用され、特殊形状物品１０の測定個所に略平行光線である入射光Ｌｉｎが照射される。

撮像手段２０としては、高解像度で歪みなく撮像できるものであれば、特に限定されるものではないが、画像データの処理の簡便さやコスト等の観点から、ＣＣＤカメラなどの市販の工業用カメラが好適に使用される。きわめて高い測定精度が要求されるような場合には、平行なビームパスを有する撮像レンズ、すなわちテレセントリックレンズを光学系に使用したＣＣＤカメラが使用される。

特殊形状物品１０は、照明手段３０により照射された入射光Ｌｉｎの反射光Ｌｒｅｆが、撮像手段２０により撮像される画像上に投影されるような傾斜角度θで保持されている。その結果、撮像手段２０により撮像される画像には、図１（ｂ）に示したように、特殊形状物品の全ての山型の稜線が陰影線として投影される。ここで、特殊形状物品１０を撮像手段２０に対して傾斜させることにより、全ての山型の稜線が陰影線として投影される理由を図２に基づき説明する。

図２は、図１に示した特殊形状物品１０の測定個所における山型断面を拡大した図面である。連続して連なる複数の山型を有する特殊形状物品１０においては、どんなに鋭角のエッジ形状を有する山型であっても、実際には、図２に示したように有限の曲率半径を持つ曲線断面を有しており、頂点部付近において法線方向が連続的に変化する形状となっている。そのため、撮像手段２０の視線に対して傾斜角度θで傾斜させた特殊形状物品１０の連続する山型斜面に、照明手段３０により略平行光線（照射角度が±θｍａｘ以下）である入射光Ｌｉｎを照射し、その投影画像を撮像手段２０により撮像すると、山型頂点付近に当たった入射光Ｌｉｎは、撮像手段２０の方向へは反射されず、撮像手段２０の視野から外れる。その結果、各山型の稜線部分は、山型斜面部分に比べて光量が少なくなり、撮像手段２０により撮像された画面上に、図１（ｂ）に示したように陰影線となって現れる。

この陰影線は、被写体深度が浅い一般の工業用カメラを撮像手段２０として使用した場合、カメラの焦点を測定すべき山型に合わせることにより、最も鮮明（シャープ）に、すなわち、より細く且つより暗く（画面上では、より濃い黒色）表示される。したがって、同一形状の複数の山型が連続して連なっている特殊形状物品１０を測定する場合には、撮像手段２０の焦点を、山型のそれぞれに順次合わせることによって、複数の山型の稜線を検出することが可能になる。一方、異なる形状の山型を有する特殊形状物品を測定する場合には、前段落の説明から明らかなように、照明手段３０の角度を変化させて、測定すべき山型の稜線が撮像手段２０により撮像された画面上に陰影線として現れるように調整することによって、同一形状でない複数の山型の稜線を検出することが可能になる。

次に、このように撮像された図１（ｂ）に示したような投影画像から、演算手段が特殊形状物品１０の特定の測定個所（図１のＨ点）における山型の高さを算出する一手法について、図１（ａ）及び図１（ｂ）に基づき説明する。

上述したように連続して連なる複数の山型を有する特殊形状物品１０を撮像手段２０の視線に対して傾斜角度θで傾斜させて、山型斜面に照明手段３０により照射し、撮像手段２０により撮像すると、図１（ｂ）に示したような投影画像が得られる。特殊形状物品１０の特定の測定個所Ｈにおける山型の高さＨＰ（＝Ｂ）は、既知寸法である特殊形状物品１０の端面から測定個所Ｈが存在する山型稜線までの距離ＯＰ（＝ＬＢ）及び所与の角度である傾斜角度θ並びに投影画像から得られる測定個所Ｈに関する投影寸法ＨＦ（＝ＢＴ）から、次式に基づき算出される。

Ｂ＝Ｂ_Ｔ／ｃｏｓθ−Ｌ_Ｂ・ｔａｎθ＋Ｋ（数式１）
その理由は、図１（ａ）に基づき、次のように幾何学的に説明することができる。すなわち、求めるべき山型の高さＨＰ（＝Ｂ）は、
ＨＰ＝Ｂ＝ＧＨ−ＧＰ（数式２）
である。また、直角三角形ＨＦＧと直角三角形ＯＰＧは、相似形であるので角ＧＨＦ（＝θ_Ｈ）と角ＧＯＰ（＝傾斜角度θ）は、等しい。さらに、言うまでもなく、
ｃｏｓθ_Ｈ＝ＨＦ／ＧＨ＝Ｂ_Ｔ／ＧＨ（数式３）
であるから、
ＧＨ＝Ｂ_Ｔ／ｃｏｓθ_Ｈ＝Ｂ_Ｔ／ｃｏｓθ （数式４）
の関係式が得られる。一方、直角三角形ＯＰＧの辺と角の関係から、明らかに、
ＧＰ＝ＯＰ・ｔａｎθ＝Ｌ_Ｂ・ｔａｎθ （数式５）
の関係式が成立する。

したがって、上記（数式２）に、（数式４）及び（数式５）を代入することによって、（数式１）が得られる。ここで、（数式１）のＫ値は、キャリブレーションによって得られるオフセット値である。すなわち、山型の高さが正確に定められている標準物品や予め人手により山型の高さが正確に測定されている基準物品を測定した際に、（数式１）が成立するようにＫ値を定めることにより、撮像手段２０の光学系の収差や被測定物の性状等に起因する測定誤差等を校正し、測定精度を向上させている。

さらに、図２に示したように、撮像手段２０の前面に偏光板４０を配置することにより、視差による画像の歪みを抑制することができ、測定精度を一層、向上させることができる。

本発明は、これまで人手に頼らざるを得なかった特殊形状物品製造における検査工程を自動化することができるのみならず、特殊形状物品の形状測定が必要とされるあらゆる産業分野において、その測定時間の短縮及び測定品質の安定性が確保でき、その産業上の利用可能性は極めて大きい。

本発明の形状計測装置の装置構成の概略と形状計測原理を説明する説明図である。山型の稜線が陰影線として投影される理由を説明する説明図である。従来の形状計測装置による特殊形状物品の計測を説明する説明図である。従来の形状計測装置による特殊形状物品の計測を説明する説明図である。

符号の説明

１０、１００・・・特殊形状物品
２０、２００・・・撮像手段
３０・・・照射手段
４０・・・偏光板

Claims

連続して連なる複数の山型を有する特殊形状物品の特定の測定個所における山型の高さを測定する形状計測装置において、
前記特殊形状物品を撮像する撮像手段と、
前記特殊形状物品を照射する照射手段と、
前記特殊形状物品を前記撮像手段に対して所与の傾斜角度で保持する保持手段と、
前記測定個所における山型の高さを算出する演算手段とを備え、
前記保持手段が、前記撮像手段により撮像される画像上に前記測定個所が位置する山型の稜線を陰影線として投影するような前記傾斜角度で前記特殊形状物品を保持し、
前記演算手段が、前記画像上に投影された陰影線から得られる前記測定個所に関する投影寸法と、前記測定個所に関する前記特殊形状物品上の既知寸法と、前記傾斜角度とに基づき、前記測定個所における山型の高さを算出するものであること、
を特徴とする形状計測装置。