JP6044705B2 - 形状測定装置、構造物製造システム、形状測定方法、構造物製造方法、及び形状測定プログラム - Google Patents
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Description
[概要]
図1は、本発明の形状測定装置100の概要について説明するための模式図である。
この形状測定装置100は、測定対象3を光切断線PCLによりスキャン(走査)し、この光切断線PCLの撮像画像を基に、この測定対象3の3次元形状を示す点群データを生成する。そして、形状測定装置100は、光切断線PCLの撮像画像において、点群データの取得の際に利用する像を取捨選択するための抽出領域Apを設定できる点に特徴がある。
なお、本願明細書において「測定領域」とは、測定対象3の表面において、少なくとも撮像部22の撮像範囲内でかつ、投影部21から投影されたライン状の測定光Laが照射された範囲を含む。しかし、撮像部22の撮像範囲かつ測定光Laの照射範囲の両条件が当てはまった測定対象3の表面上の全領域でなくともよい。例えば、ライン状の測定光Laのラインの端部及びその近傍を除いて、測定領域に設定していてもよい。また、ライン状の測定光Laが測定対象3の歯車に対して、複数の歯に照射されている場合、そのうちの測定対象範囲に設定された歯に該当する部分の測定光Laが照射された範囲内であってもよい。本願発明では、測定対象範囲Hs1内において、測定光Laの照射範囲でかつ撮像部の撮影範囲内に位置する部分を測定領域として説明する。
(形状測定装置100の構成)
図3は、本発明の第1実施形態に係る形状測定装置100の概略構成の一例を示す構成図である。形状測定装置100は、測定機本体1と制御ユニット40(図4を参照)とを備えている。
支持テーブル32は、直交する2方向の回転軸周りにステージ31を回転可能に支持することによりステージ31を基準面に対して傾斜または水平回転させる。本実施形態の支持テーブル32は、例えば、垂直(Z軸方向)に延びる回転軸θを中心として水平面内で図3に示すA方向に回転可能、かつ、水平(X軸方向)に延びる回転軸φを中心として図3に示すB方向に回転可能にステージ31を支持している。
制御部51は、測定機本体1を制御する。その詳細は後述する。入力装置41は、各種指示情報を入力するマウス42やキーボード43などである。表示装置45は、表示画面46上に、計測画面、指示画面、計測結果、点群データの抽出領域Apなどを表示する。続いて、図4を参照し、測定機本体1の構成について説明する。
位置検出部17は、ヘッド位置検出部15と、前述のステージ位置検出部34とを備えている。
ヘッド位置検出部15は、測定ヘッド13のX軸、Y軸、及びZ軸方向の位置及びヘッドの設置角度をそれぞれ検出するX軸用エンコーダ、Y軸用エンコーダ、Z軸用エンコーダ、及びヘッド回転用エンコーダを備えている。また、ヘッド位置検出部15は、それらのエンコーダによって測定ヘッド13の座標を検出し、測定ヘッド13の座標値を示す信号を後述の座標検出部52へ供給する。
入力装置41は、ユーザが各種指示情報を入力するマウス42及びキーボード43を備えており、例えば、マウス42やキーボード43により入力された指示情報を検出し、検出した指示情報を、後述する記憶部60に書き込み記憶させる。本実施形態の入力装置41には、例えば、測定対象3の種類が指示情報として入力される。例えば、測定対象3が歯車である場合に、入力装置41には、測定対象3の種類としては、歯車の種類(例えば、平歯車SG、はすば歯車HG、かさ歯車BG、曲りばかさ歯車SBG、ウォーム歯車WGなど)が指示情報として入力される。
また、入力装置41は、後述するように、表示装置45に表示された撮像画像(測定対象3に投影された光切断線PCLの撮像画像)から、3次元形状測定に使用する点群データの抽出領域Apの設定するために使用される。この抽出領域Apの設定については後述する。
制御部51は、座標検出部52と、間隔調整部53と、駆動制御部54と、移動指令部55と、位置算出部56と、点群データ生成部56Aと、データ出力部57と、記憶部60と、抽出領域設定部70と、を備えている。
また、記憶部60には、設計データ(CADデータ)61は保持される。また、記憶部60には、後述する抽出領域設定部70により点群データを生成する抽出領域Apを設定する際に使用される形状データ62が記憶されている。この形状データ62の詳細については、後述する。
移動制御部54Aは、測定対象3を、測定対象3の円周方向に対応して定められる検出部20の移動方向DR3に相対的に回転移動させて、測定光Laが照射される位置を移動させるようにステージ駆動部33を制御する。本実施形態の移動制御部54Aは、例えば、測定対象3としての歯車を、歯車の円周方向に一致するように定められる移動方向DR3(つまり歯車の円周方向)に回転移動させて、測定光Laが照射される位置を移動させるようにステージ駆動部33を制御する。
また、位置算出部56は、間隔調整部53から供給されたフレームからなる画像情報を受け取る。位置算出部56は、座標検出部52から供給された光プローブ20Aの座標情報、撮像方向と、ステージ31の回転位置情報とを受け取る。
具体的な算出方法は以下の通りである。まず、位置算出部56は、撮像部22の撮影された画像情報から、陰影パターンが示すラインパターンが投影された相対位置を取得する。この相対位置は、検出部20に対する測定対象3のラインパターンが投影された位置である。また、相対位置は、撮像部22の撮影方向と投影部21の投影方向と撮像部22と投影部21の距離に基づいて、位置算出部56で算出される。一方、受け取った光プローブ20Aの座標とラインパターンが撮像された画像データ上での位置とを基に、基準座標系におけるラインパターンが投影された位置の座標を算出する。
ここで、投影部21は光プローブ20Aに固定されているので、投影部21の照射角度は、光プローブ20Aに対して固定である。また、撮像部22も光プローブ20Aに固定されているので、撮像部22の撮像角度は、光プローブ20Aに対して固定である。
このようにして、位置算出部56は撮像部22からの撮像画像に撮像されている像の測定光Laの位置に基づいて、表面の形状を測定する。
また、位置算出部56は、算出した測定対象3の表面形状データである3次元座標値の点群データを記憶部60に記憶させる。
また、データ出力部57は、抽出領域設定部70からの指示により、後述する抽出領域Apを設定する際に使用されるアイコンや抽出領域Apの形状を示す画像データなどを表示装置45に供給する。また、データ出力部57は、測定データ等をプリンタやCADシステムなど設計システム(不図示)へ出力する。
本実施形態の形状測定装置100は、例えば、図5に示すように、曲りばかさ歯車SBGを測定対象3にして、測定対象3の形状を測定することができる。
次に、図11を参照して、形状測定装置100が測定対象3の形状測定を実行する処理について説明する。
ここでは、主に、ティーチングの工程時における作業について説明する。実際には、ティーチング工程により、測定ポイントとして選ばれた測定位置ごとの撮像画像を合成した論理和画像を表示する。ユーザが、この論理和画像に対して抽出領域Apを設定した後に、測定ポイントの各点を結ぶように連続的に走査しながら、更に細かい間隔で測定することで本測定が行われる。
また、ユーザは、測定対象3の測定ポイントの距離間隔を入力装置41から入力して設定する。入力装置41は、入力された測定ポイントの距離間隔を記憶部60に記憶させる(ステップS12)。
次に、測定対象3の測定ポイントにおける歯車の緒元データを基に、測定光Laの投影方向及び撮像方向を設定する。具体的には、歯車の歯面の方向に応じて、投影方向が設定され、歯車の歯すじの方向に沿って、検出部20の走査方向が設定される(ステップS13)。
移動指令部55は、記憶部60から入力されて設定された情報である測定開始位置(最初の測定ポイント)と測定終了位置(最後の測定ポイント)との座標値、及び各測定ポイントの距離間隔(例えば、一定距離間隔の測定ピッチ)を示すデータや、予め設定された情報である測定対象範囲を示す複数の測定ポイントの座標値、及び測定ポイントの移動方向等を読み出す。移動指令部55は、上記読み出したデータに基づいて、測定対象3に対するスキャンの移動経路を算出する。
また、座標検出部52は、位置検出部17より光プローブ20Aの座標情報とステージ31の回転位置情報とを検出し、検出した情報を位置算出部56へ供給する(ステップS15)。
次に、移動指令部55は、直前に測定した測定ポイントが測定終了位置(最後の測定ポイント)であるか否かを判定する(ステップS17)。
ステップS17において、直前に測定した測定ポイントが測定終了位置(最後の測定ポイント)でない(測定終了位置以外の測定ポイントである)と判定された場合(ステップS17;NO)、移動指令部55は、次の測定ポイントに光プローブ20Aを移動させた後停止させる。例えば、移動指令部55は、移動経路に従って次の測定ポイントへ移動させるために、測定ヘッド13及びステージ31を駆動させるための指令信号を駆動制御部54に供給し、ヘッド駆動部14とステージ駆動部33とに測定ヘッド13及びステージ31を駆動させる(ステップS20)。そして、移動指令部55は、ステップS15に制御を戻す。
また、 ステップS17において、直前に測定した測定ポイントが測定終了位置(最後の測定ポイント)であると判定された場合(ステップS17;YES)、論理和画像生成部76は、記憶部60に記憶された全ての撮像画像から論理和画像LD1を生成し、生成した論理和画像LD1を、表示装置45の表示画面46上に表示する(ステップS18)。
上述した第1実施形態において、抽出領域Apの設定をユーザが行っている。これに対して、本実施形態においては、抽出領域設定部70Aがユーザの操作を介さずに抽出領域Apを設定する。
次に、各撮像画像に対して、特定された像だけが残り、他の像については消去された撮像画像を生成し、論理和画像生成用画像として、記憶部60に記憶する。
次に、各撮像画像から選択された像を残し、そのたの像は消し去った論理和画像生成用画像を記憶部60から読出し、この論理和画像生成用画像を使ってステップS18で論理和画像を生成する。そして、論理和画像を構成する各画像データのうち、ステップS103で選択された推定された光切断線に最も近い形状の像が少なくとも含むように、抽出領域を設定する。
このように、抽出領域設定部70Aは、撮像部22で撮影されたそれぞれ異なる測定領域における複数の撮像画像のうち、少なくとも測定光の像が最も外側に位置するときの撮像画像を有する画像から抽出領域を設定する。
そして、抽出領域設定部70Aは、表示画面46において、多重反射光像(ノイズNp1)を含まない領域(例えば、図10における破線に囲まれた領域)を、点群データを生成する抽出領域Apとして設定する(ステップS104)。
この自動抽出領域設定は、これだけに限られず、例えば、推定光切断線に最も近い形状を各撮像画像から選択したのちに、各撮像画像に共通の位置に画像中心点ICを設定し、画像中心点ICから予め設定された方向を正(逆方向を負)としたときに、方向毎に小さい値を持つ光切断線の像と最も大きい値を持つ光切断線の像とを選択光切断線像として選び出すことで、抽出領域を設定してもよい。
その一例を図16に示す。図16(a)は、図6の撮像画像から画像中心点ICから各方向L1P1〜L3P1ごとに距離を出したときの例であり、図16(b)は、図7の撮像画像から画像中心点ICから各方向L1P2〜L3P2ごとに距離を出したときの例であり、図16(c)は、図8の撮像画像から画像中心点ICから各方向L1P3〜L3P3ごとに距離を出したときの例である。ここで方向L1P1、方向L2P1、方向L3P1は図6の画像における方向L1P1、方向L2P1、方向L3P1の方向での距離データを示す。また、方向L1P2、方向L2P2、方向L3P2は図7の画像における方向L1P2、方向L2P2、方向L3P2の方向での距離データを示す。また、方向L1P3、方向L2P3、方向L3P3は図8の画像における方向L1P3、方向L2P3、方向L3P3の方向での距離データを示す。
本例の場合は次のようになる。方向L1P1<方向L1P2<方向L1P3、方向L2P1<方向L2P2<方向L2P3、方向L3P1<方向L3P2<方向L3P3。したがって、P1ではいずれの方向でも最小値を有する。また、P3ではいずれの方向でも最大値を有する。このように各撮像画像で、方向L1〜L3ごとに最大距離と最小距離を示す撮像画像を抽出し、抽出された撮像画像である2枚の画像(本例の場合は、図16(a)と図16(c)の画像)から、抽出領域を設定してもよい。なお、本例は、矢印で示した方向を正の値とし、矢印とは反対方向を負の値とする。
また、全ての撮像画像において、各矢印(又はその反対向きの矢印)の方向に推定光切断線に最も近い形状を有する像の一部が位置しないケースがある。この場合は、画像中心点IC方向を変えて、いずれの撮像画像にも対応する方向を選択することが好ましい。
次に、本発明の第3実施形態として、上述した第1の実施形態の形状測定装置100、第2の実施形態の形状測定装置100Aの、いずれかの形状測定装置を備えた構造物製造システムについて説明する。
形状測定装置100(または、形状測定装置100A)は、作製された構造物(測定対象3)の座標を測定し、測定した座標を示す情報(形状情報)を制御装置150へ送信する。
すなわち、本発明における投影部は、投影部21が対応し、本発明における撮像部は、撮像部22が対応する。また、本発明における抽出領域設定部は、抽出領域設定部70、70Aのいずれかが対応する。
また、本発明における構造物製造システムは、構造物製造システム200が対応し、本発明における設計装置は、設計装置110が対応し、本発明における成形装置は、成形装置120が対応し、本発明における検査装置は、制御装置150が対応する。
これにより、構造物製造システム200は、形状測定装置100(または、形状測定装置100A)が構造物の座標(3次元形状)を、撮像画像の異常点を容易に除外して測定することができるので、構造物製造システム200は、作成された構造物が良品であるか否かを正確に判定することができる。
Claims (24)
- 測定光を測定対象の測定領域へ投影する投影部と、
前記測定光が投影された前記測定領域の像を撮像する撮像部と、
前記測定対象の測定領域の位置が変わるように、前記測定対象に対して相対的に前記投影部または前記撮像部を移動させる移動機構と、
それぞれ異なる測定領域へ前記測定光を投影したときに前記撮像部により撮像された前記測定光の像と、前記それぞれ異なる測定領域へ前記測定光を投影したときに前記撮像部により撮像された、前記測定光の像とは異なる、前記測定対象に形成された像とに基づいて、前記撮像部で撮像された撮像画像から前記測定対象の位置を算出するために用いる画像情報の抽出領域を設定する抽出領域設定部とを備える形状測定装置。 - 前記抽出領域設定部は、
更に、前記撮像部で撮像されたそれぞれ異なる測定領域における撮像画像から論理和画像を生成する論理和画像生成部を備え、
前記論理和画像から前記撮像部が生成する画像データへの抽出領域を設定可能にする
請求項1に記載の形状測定装置。 - 前記論理和画像生成部は、
前記複数の撮像画像に対して、同一画素毎に所定の条件を満たす画素値を当該画素位置とすることで、前記論理和画像を生成する請求項2に記載の形状測定装置。 - 前記論理和画像生成部は、
前記測定対象の測定対象範囲の端部となった位置で前記測定光を投影したときに前記撮像部により得られた撮像画像を少なくとも1枚含めて、前記論理和画像を生成する
請求項2または3に記載の形状測定装置。 - 前記論理和画像生成部は、
前記測定対象の複数の前記測定領域のうち、少なくとも2つの前記測定領域を前記撮像部が撮像した少なくとも2つの前記撮像画像に基づいて、当該撮像画像の論理和を示す論理和画像を生成する
請求項2または3に記載の形状測定装置。 - 前記抽出領域設定部は、前記撮像部で撮影されたそれぞれ異なる測定領域に前記測定光を投影したときの複数の撮像画像の各々に対して、前記測定対象に対する前記投影部及び前記撮像部の位置関係から推定される測定光の像と類似する対象画像を抽出し、前記複数の撮像画像から得られた複数の前記対象画像の位置に基づいて、抽出領域を設定する
請求項1に記載の形状測定装置。 - 前記推定される前記測定光の像は、前記測定対象の設計データを基に推定された像である請求項6に記載の形状測定装置。
- 前記測定対象の概略形状データを保持する形状データ記憶部を備えた請求項7に記載の形状測定装置。
- 前記抽出領域設定部は、前記それぞれ異なる測定領域へ前記測定光を投影したときに前記撮像部により撮像された前記測定光の像のうち、前記測定光の像が最も外側に位置するときの撮像画像を含む画像情報から抽出領域を設定する請求項1に記載の形状測定装置。
- さらに、前記撮像部で撮像された撮像画像のうち、前記抽出領域設定部が設定した前記抽出領域内の画像情報に基づいて、前記測定対象の位置を算出する位置算出部を有する請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の形状測定装置。
- 測定光を測定対象の測定領域へ投影する投影部と、
前記測定光が投影された前記測定領域の像を撮像する撮像部と、
前記測定対象の測定領域の位置が変わるように、前記測定対象に対して相対的に前記投影部または前記撮像部を移動させる移動機構と、
前記撮像部で撮像された、それぞれ異なる測定領域に前記測定光を投影したときの複数の撮像画像を、前記複数の撮像画像の少なくとも一つに含まれる前記測定光の像及び前記測定光の像とは異なる前記測定対象に形成された像の情報を保持するように、重複して表示する表示部と、
前記表示部で表示された画像をもとに、前記撮像画像の一部を選択する選択領域に関する情報を入力する入力部と、
前記撮像部で撮像された撮像画像のうち前記選択領域に関する情報に基づき前記撮像画像から測定対象の位置を算出する位置算出部を有する形状測定装置。 - 前記抽出領域設定部は、
更に、前記撮像部で撮像されたそれぞれ異なる測定領域に前記測定光を投影したときの撮像画像から論理和画像を生成する論理和画像生成部と、
前記論理和画像生成部が生成した前記論理和画像を表示する表示部と、
前記表示部が表示する前記論理和画像に対して前記抽出領域を示す情報を入力するための入力部と
を備え、
前記入力部に入力された前記抽出領域を示す情報に基づいて、前記抽出領域を設定する
請求項11に記載の形状測定装置。 - 前記抽出領域設定部は、
更に、前記撮像部で撮影されたそれぞれ異なる測定領域に前記測定光を投影したときの前記撮像画像から論理和画像を生成する論理和画像生成部を備え、
前記論理和画像から前記撮像部が生成する撮像画像への抽出領域を設定する
請求項11に記載の形状測定装置。 - 前記論理和画像生成部は、
前記複数の撮像画像に対して、同一画素毎に所定の条件を満たす画素値を当該画素位置の画素値とすることで、前記論理和画像を生成する請求項13に記載の形状測定装置。 - 前記論理和画像生成部は、
前記測定領域が前記測定対象の測定対象範囲の端部となった位置で前記撮像部により得られた撮像画像を少なくとも1枚含めて、前記論理和画像を生成する
請求項13または14に記載の形状測定装置。 - 前記論理和画像生成部は、
前記測定対象の複数の前記測定領域のうち、少なくとも2つの異なる前記測定領域を前記撮像部で撮像した少なくとも2つの前記撮像画像に基づいて、当該撮像画像の論理和を示す論理和画像を生成する
請求項13に記載の形状測定装置。 - 前記抽出領域設定部は、
形状が互いに異なる少なくとも2つの前記抽出領域を設定する
請求項1から請求項15のいずれか一項に記載の形状測定装置。 - 前記抽出領域設定部は、
前記撮像部が生成した前記撮像画像内の抽出領域を、前記撮像部が生成した前記撮像画像の情報量が低減された画像に基づいて設定する
請求項1または請求項11に記載の形状測定装置。 - 前記抽出領域設定部は、前記撮像部が生成した前記撮像画像の情報量が低減された画像として、階調数が低減された画像に基づいて設定する
請求項18に記載の形状測定装置。 - 構造物の形状に関する構造物設計情報を作製する設計装置と、
前記構造物設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形装置と、
作成された前記構造物の形状を、撮像画像に基づいて測定する請求項1または請求項11に記載の形状測定装置と、
前記測定によって得られた形状情報と、前記構造物設計情報とを比較する検査装置と
を含む構造物製造システム。 - 測定対象の測定領域を撮像した撮像画像を生成する撮像手順と、
前記撮像手順において撮像される撮像画像が、前記測定対象にパターンが投影された画像として撮像されるように、前記撮像手順において撮像されている方向と異なる方向から、前記パターンを前記測定対象の測定領域に投影する投影手順と、
前記測定対象のそれぞれ異なる測定領域を前記撮像手順において撮像することにより撮像された前記パターンの像と、前記それぞれ異なる測定領域を前記撮像手順において撮像することにより撮像された、前記パターンの像とは異なる、前記測定対象に形成された像とに基づいて、前記撮像部で撮像された撮像画像から抽出領域を設定する抽出領域設定手順と、
前記撮像手順において生成された前記撮像画像内の前記抽出領域の前記撮像画像に基づいて、前記測定対象の位置を算出する位置算出手順と
を有する形状測定方法。 - 前記撮像手順において撮影されたそれぞれ異なる測定領域における画像データから論理和画像を取得する論理和画像生成手順
を有し、
前記抽出領域設定手順は、
前記論理和画像生成手順において生成された前記論理和画像を表示する表示手順と、
前記表示手順において表示される前記論理和画像に基づいて、前記抽出領域を示す情報を入力する入力手順と
を有し、
前記入力手順において入力された前記抽出領域を示す情報に基づいて、前記撮像手順において生成された前記撮像画像内の抽出領域を設定する
請求項21に記載の形状測定方法。 - 構造物の形状に関する構造物設計情報を作製する工程と、
前記構造物設計情報に基づいて前記構造物を作製する工程と、
作成された前記構造物の形状を、請求項21または請求項22に記載の形状測定方法を用いて生成した撮像画像に基づいて測定する工程と、
前記測定によって得られた形状情報と、前記構造物設計情報とを比較する工程と
を含む構造物製造方法。 - コンピュータに、
測定対象を撮像した撮像画像を生成する撮像手順と、
前記撮像手順において撮像される撮像画像が、前記測定対象にパターンが投影された画像として撮像されるように、前記撮像手順において撮像している方向と異なる方向から、前記パターンを前記測定対象の測定領域に投影する投影手順と、
前記測定対象のそれぞれ異なる測定領域を前記撮像手順において撮像することにより撮像された前記パターンの像と、前記それぞれ異なる測定領域を前記撮像手順において撮像することにより撮像された、前記パターンの像とは異なる、前記測定対象に形成された像とに基づいて撮像画像から前記測定対象の位置を算出するために用いる画像情報を抽出する抽出領域を設定する抽出領域設定手順と、
を実行させるための形状測定プログラム。
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