JP4791118B2

JP4791118B2 - 画像測定機のオフセット算出方法

Info

Publication number: JP4791118B2
Application number: JP2005270303A
Authority: JP
Inventors: 剛八島; 光司久保
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2025-09-16
Also published as: JP2007078635A

Description

この発明は、校正用治具及び画像測定機のオフセット算出方法に関する。

従来、ＣＣＤカメラ等の撮像手段で被測定物（ワーク）を撮像して得られた画像から被測定対象の輪郭形状等を測定する画像測定装置が知られている。また、このような画像測定装置において上下方向すなわちＺ方向の測定精度の向上のため、撮像手段に加えレーザプローブ等の非接触式光学プローブを併設した画像測定機が知られている（例えば、特許文献１参照）
このような撮像手段による画像測定機能と、非接触式光学プローブにより非接触変位検出機能との間にオフセットが存在する場合、このオフセットを定量的に特定する必要がある。このオフセット値の算出のため、様々な治具が用いられている。

例えば特許文献１では、平板状の基板上に、非平行な２つの直線のナイフエッジを有する台形パターンの金属膜が形成された校正用治具が提案されている。その他、図５に示すように、基板５１上に、上面が平面で中空の円筒形状のブロック５２を形成した校正用治具、或いは図６に示すように、基板５１上に４辺のナイフエッジを有する矩形状金属ブロック５３を形成し、その周囲をアクリルブロック５４で囲うことにより、金属ブロックの４辺の画像測定及び光学プローブによる測定を可能にした校正用治具も知られている。しかし、これらの校正用治具は、オフセット値の算出誤差がブロックの平面度や直角度に依存しているため、部品を組み立てた状態での調整加工が必要になり、治具の価格が高いという問題がある。また、特許文献１や図６の校正用治具の場合、ブロックの各辺を測定機の測定座標に対して位置合わせする必要があり、作業性が悪いという問題がある。

これに対し、タッチブローブを用いた３次元測定機においては、装置の校正のため予め精密に測定され半径が既知の基準球をオフセット算出のために用いている。基準球は方向性を持たないため、測定座標に対する位置合わせ等は不要であるというメリットがある。しかし、画像測定機においては、基準球はオフセット調整のためには使用することは困難であった。画像測定の場合、落射照明、透過照明、斜め照明等を使用しても基準球のエッジ部分が明確に特定できず、従って基準球の中心位置を正確に算出することができないためである。
特開平１１−８３４３８号公報

本発明は、この問題に鑑み、複雑な調整加工が不要で治具の価格を低価格に抑えることが可能になると共に、作業性に優れた画像測定器のオフセット算出方法を提供することを目的とする。

本発明に係る画像測定器のオフセット算出方法は、画像測定用の撮像手段を備えると共に被測定物に対して照射される光に基づき被測定物の形状を測定する非接触式光学プローブを備えた画像測定機のオフセット算出方法において、予め精密に測定され寸法が既知の基準球を、基板上に形成され且つ所定の表面粗さを有する反射板の上に設置すると共に、前記基板上に表面が平面である基準ブロックを設置し、前記基準球、前記基準ブロック及び前記反射板を設置した前記基板を前記画像測定機の測定テーブル上に載置し、その後、前記撮像手段により前記基準球及び前記基準ブロックを撮像して前記基準球の画像測定を行うと共に前記基準ブロックの表面に対する前記撮像手段の合焦動作を行い、更に非接触式光学プローブによる前記基準球及び前記基準ブロックの測定を実行する工程と、前記画像測定の測定結果と、前記合焦動作の結果と、前記非接触式光学プローブの測定結果とを比較してオフセットを算出する工程とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、基準球の下方に所定の表面粗さを有する反射板が配置され、この反射板により、基準球上方からの照明光が散乱される。このため、画像測定を行う場合であっても、基準球のエッジが明確に特定され、オフセット値を正確に算出することができる。また、この基準球を用いるため複雑な調整加工が不要で治具の価格を低価格に抑えることが可能になると共に、作業性に優れている。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、この発明の実施の形態に係る校正用治具１００の構成を示している。この校正用治具１００は、鋼製の基板１１１と、支柱１１２と、基準球１１３と、反射板１１４と、基準ブロック１１５とを備えて構成される。支柱１１２は、基板１１１に裏面側からネジ止めされて基板１１１に固定されている。また、基準球１１３はこの支柱１１２の上部に固定的に保持されている。基準球１１３は、予め精密に測定された寸法が既知の鋼製の球であり、ここでは、一例として直径Ｄ＝２５ｍｍのものとする。

反射板１１４は、この基準球１１３の下方において、基板１１１の表面にネジ止めその他の方法により基板１１１に対し固定的に形成されている。反射板１１４は、基準球１１３が上方から落射照明等により照明した場合の照明範囲よりも大なる大きさに形成されている。反射板１１４の表面は、その照明光が散乱されるよう、所定の表面粗さＲａ（算術平均粗さ）を与えられている。この表面粗さＲａは、基準球１１３の直径Ｄ、及び基準球１１３の赤道面の反射板１１４の表面からの高さｈ（図２参照）を考慮して決定される。一例として、直径Ｄ＝２５ｍｍ、高さｈ＝２０ｍｍの場合、表面粗さＲａ＝０．４μｍとすることができる。例えばｈが２０ｍｍより大きく設定された場合には、表面粗さＲａは０．４μｍより小さく設定される。また、基準ブロック１１５は、表面が平面となるように形成された鋼製の矩形のブロックである。

本実施の形態の校正用治具１００は、基準球１１３の真球度、基準ブロック１１５の平面度がオフセット値の算出誤差の要因となるが、従来の校正治具のように、部品を組み立てた状態での調整加工が不要となるため、価格を安く抑えることができる。

次に、この校正用治具１００が用いられる画像測定機の一例を図３を用いて説明する。この画像測定機は、次のように構成されている。即ち、架台１１上には、ワークを載置する測定テーブル１３が装着されており、この測定テーブル１３は、図示しないＹ軸駆動機構によってＹ軸方向に駆動される。架台１１の両側縁中央部には上方に延びる支持アーム１４、１５が固定されており、この支持アーム１４、１５の両上端部を連結するようにＸ軸ガイド１６が固定されている。このＸ軸ガイド１６には、撮像ユニット１７が支持されている。撮像ユニット１７は、図示しないＸ軸駆動機構によってＸ軸ガイド１６に沿って駆動される。撮像ユニット１７は、Ｘ軸ガイド１６に沿って移動可能にスライダ３１を備えており、このスライダ３１に一体にＺ軸ガイド３２が固定されている。このＺ軸ガイド３２には、支持板３３がＺ軸方向に摺動自在に設けられ、この支持板３３に、画像測定用の撮像手段であるＣＣＤカメラ３４と、非接触変位計であるレーザプローブ３５とが併設されている。これにより、ＣＣＤカメラ３４とレーザプローブ３５とは、一定の位置関係を保ってＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向に同時に移動できるようになっている。ＣＣＤカメラ３４には、撮像範囲を照明するための照明装置３６が付加されている。レーザプローブ３５の近傍位置には、レーザプローブ３５のレーザビームによるワークの測定位置を確認するために、測定位置の周辺を撮像するＣＣＤカメラ３８と、レーザプローブ３５の測定位置を照明するための照明装置３９とが設けられている。レーザプローブ３５は、撮像ユニット１７の移動の際にレーザプローブ３５を退避するための上下動機構４０と、レーザビームの方向性を最適な方向に適合させるための回転機構４１とにより支持されている。

このような画像測定機１のＣＣＤカメラ３４とレーザプローブ３５との間のオフセットを算出する場合、図１の校正用治具１００が測定テーブル１３上に載置される。そして、ＣＣＤカメラ３４による画像測定により、基準球１１３の中心の座標Ｐｃ（ｘ、ｙ）を算出した後、続いてレーザプローブ３５による測定により、基準球１１３の中心の座標Ｐｃ’（ｘ’、ｙ’）を算出する。

ＣＣＤカメラ３４の測定の際には、照明装置３６により基準球１１３が照明される。この照明光は、基準球１１３を落射照明すると共に、その下方に存在する反射板１１４を照明する。反射板１１４は所定の表面粗さＲａを有しており、反射板１１４に照射された光は、図４に示すように照明光は様々な方向に散乱される。この散乱光により、基準球１１３の周囲即ち赤道面付近が若干暗くなる一方、その周囲の反射板１１４が散乱により明るくなり、この明暗の差により、基準球１１３の輪郭は明確にＣＣＤカメラ３４の撮像画像において認識可能とされる。この撮像された画像に対しエッジ検出等の画像処理を施すことにより、基準球１１３の中心座標Ｐｃが正確に特定され得る。基準球１１３は、従来技術の矩形ブロック等の校正用治具と異なり、方向性を持たないため、校正用治具１００を画像測定機の測定座標系に平行に設置する必要がない。このため、作業性が従来の校正用治具に比べ向上されている。

一方、レーザプローブ３５による測定では、受光光学系のＮＡ等によって決まる測定範囲にレーザ光を照射しその反射光を受光して、基準球１１３の表面上を複数点測定し、その複数の座標値を算出することにより、基準球１１３の中心座標Ｐｃ’を算出することができる。この画像測定及びレーザプローブ測定の２通りの方法により算出された中心座標ＰｃとＰｃ’の差を取ることにより、Ｘ方向、Ｙ方向のオフセットを求めることができる。

また、ＣＣＤカメラ３４をオートフォーカスにより基準ブロック１１５の上面に合焦させ、その合焦位置を図示しないエンコーダの計数値に基いて特定することにより、基準ブロック１１５の上面の高さを測定する。それと共に、レーザプローブ３５により、この基準ブロック１１５の上面の高さを複数点、例えば２０点程度測定し、その平均値を測定する。この２つの測定値を比較することにより、Ｚ方向のオフセットも求めることができる。

以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、様々な置換、追加、削除等が可能である。例えば、上記実施の形態では、Ｚ方向のオフセット値の算出のため基準ブロック１１５を備えているが、基準球１１３の頂点へのＣＣＤカメラのオートフォーカスが精度良く行うことができる場合には基準ブロック１１５は省略してもよい。

本発明の実施の形態に係る校正用治具１００の構成を示している。校正用治具１００の構成を示している。図１の校正用治具１００が使用され得る画像測定機の構成例を示している。図１の校正用治具１００の作用を説明している。従来の校正用治具の一例を示す。従来の校正用治具の一例を示す。

符号の説明

１００・・・校正用治具、１１１・・・基板、１１２・・・支柱、１１３・・・基準球、１１４・・・反射板、１１５・・・基準ブロック、１１・・・架台、１３・・・測定テーブル、１４、１５・・・支持アーム、１６・・・Ｘ軸ガイド、１７・・・撮像ユニット、３４、３８・・・ＣＣＤカメラ、３５・・・レーザプローブ、３６、３９・・・照明装置、４０・・・上下動機構、４１・・・回転機構。

Claims

画像測定用の撮像手段を備えると共に被測定物に対して照射される光に基づき被測定物の形状を測定する非接触式光学プローブを備えた画像測定機のオフセット算出方法において、
予め精密に測定され寸法が既知の基準球を、基板上に形成され且つ所定の表面粗さを有する反射板の上に設置すると共に、前記基板上に表面が平面である基準ブロックを設置し、前記基準球、前記基準ブロック及び前記反射板を設置した前記基板を前記画像測定機の測定テーブル上に載置し、その後、前記撮像手段により前記基準球及び前記基準ブロックを撮像して前記基準球の画像測定を行うと共に前記基準ブロックの表面に対する前記撮像手段の合焦動作を行い、更に非接触式光学プローブによる前記基準球及び前記基準ブロックの測定を実行する工程と、
前記画像測定の測定結果と、前記合焦動作の結果と、前記非接触式光学プローブの測定結果とを比較してオフセットを算出する工程と
を備えたことを特徴とする画像測定機のオフセット算出方法。