JP4350497B2 - Shape measuring device for special shaped articles - Google Patents
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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。 The present invention relates to an apparatus for measuring the shape of an article having a special shape composed of a plurality of ridges that are continuously connected, such as a rack that is one of mechanical elements used for conversion between rotational motion and linear motion. More specifically, the present invention relates to automation of dimension measurement at a specific measurement location of a specially shaped article in a final inspection process of the specially shaped article manufactured by machining.
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)。 Conventionally, as a shape measuring device that automatically measures the dimensions of an article in an inspection process at a manufacturing site with high accuracy, the article is imaged by a high-resolution industrial camera, and the image is processed to calculate the dimensions of a desired location. Has been known (for example, see Patent Document 1).
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。
However, the conventional shape measuring apparatus using image processing is suitable for measuring a flat article or an article having a simple shape such as a rectangular parallelepiped or a sphere. No consideration was given to the shape measurement of special-shaped articles having a mold. That is, as shown in FIG. 3 (a), when a specially
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。 In addition, as individuality of consumers, high-quality orientation, and diversification of consumer needs are progressing, each manufacturer is urgently required to respond to small quantities of various products and quick delivery. There is a demand for higher quality products. In order to achieve this, development of a high-speed and high-precision shape measuring device for specially shaped articles is required.
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。 Therefore, an object of the present invention is a shape capable of measuring the height of a mountain shape at a specific measurement location of a specially shaped article having a plurality of mountain shapes that are continuously connected, at high speed and with high accuracy, without manual operation. It is to provide a measuring device.
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。 The shape measuring apparatus according to claim 1 is an image capturing device for imaging the special shape article in the shape measurement apparatus for measuring the height of the mountain shape at a specific measurement location of the special shape article having a plurality of continuous mountain shapes. Means for irradiating the specially shaped article, holding means for holding the specially shaped article at a given inclination with respect to the imaging means, and calculation for calculating the height of the mountain at the measurement location And the holding means holds the specially shaped article at the inclination angle so as to project a mountain-shaped ridge line where the measurement location is located on the image captured by the imaging means as a shadow line, Based on the projected dimensions relating to the measurement location obtained from the shaded line projected on the image, the known dimensions on the specially shaped article relating to the measurement location, and the inclination angle, By and calculates the height of the mountain-shaped at the measuring point, is to solve the above problems.
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。 According to the shape measuring apparatus according to claim 1, the special shape article is held at an inclination angle such that the mountain-shaped ridge line where the measurement point is located is projected as a shadow line on the image picked up by the image pickup means, and picked up The height of the mountain shape at the measurement location is calculated based on the projection size relating to the measurement location obtained from the shaded line projected on the measured image, the known size on the specially shaped article relating to the measurement location, and the inclination angle. Therefore, due to the reflection of the irradiated light on the mountain-shaped slope of the specially shaped article and the scattering on the mountain-shaped ridgeline, the mountain-shaped ridgeline where the measurement location is located is projected as a shadow line on the captured image, It becomes possible to measure the height of the mountain shape at a specific measurement location of the shaped article at high speed and with high accuracy without manual intervention.
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。 An embodiment of the shape measuring apparatus of the present invention will be described with reference to FIG. 1 and FIG.
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。
FIG. 1 is a diagram for explaining the outline of the configuration of a shape measuring apparatus according to the present invention and the principle of shape measurement. FIG. 1 (a) is a vertical cross section passing through a measurement location H of a specially shaped
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。
Ideally, as the irradiating means 30, it is preferable to use a parallel optical system transmitted illumination capable of irradiating parallel light rays in terms of minimizing measurement errors. A surface-emitting lamp using a lamp as a light source is preferably used, and incident light Lin, which is a substantially parallel light beam, is applied to a measurement location of the specially shaped
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。
The
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。
The special
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。
FIG. 2 is an enlarged view of a chevron cross section at a measurement point of the specially shaped
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。
When a general industrial camera with a shallow depth of field is used as the imaging means 20, this shadow line is sharpest, that is, thinner and more, by adjusting the focus of the camera to the mountain shape to be measured. It appears dark (darker black on the screen). Therefore, when measuring the specially
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。
Next, from the projection image as shown in FIG. 1B, the computing means calculates the height of the mountain at a specific measurement location (point H in FIG. 1) of the specially shaped
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。
As described above, the specially
B=BT/cosθ−LB・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(=θH)と角GOP(=傾斜角度θ)は、等しい。さらに、言うまでもなく、
cosθH=HF/GH=BT/GH (数式3)
であるから、
GH=BT/cosθH=BT/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=LB・tanθ (数式5)
の関係式が成立する。
B = B T / cos θ−L B · tan θ + K (Formula 1)
The reason can be explained geometrically based on FIG. 1A as follows. That is, the peak-shaped height HP (= B) to be obtained is
HP = B = GH-GP (Formula 2)
It is. Since the right triangle HFG and the right triangle OPG are similar, the angle GHF (= θ H ) and the angle GOP (= tilt angle θ) are equal. And of course,
cos θ H = HF / GH = B T / GH (Formula 3)
Because
GH = B T / cos θ H = B T / cos θ (Formula 4)
The following relational expression is obtained. On the other hand, clearly from the relationship between the sides and corners of the right triangle OPG,
GP = OP · tanθ = L B · tanθ ( Equation 5)
The following relational expression holds.
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。 Therefore, (Formula 1) is obtained by substituting (Formula 4) and (Formula 5) into the above (Formula 2). Here, the K value in (Equation 1) is an offset value obtained by calibration. That is, when measuring a standard article in which the height of the chevron is accurately determined or a reference article in which the height of the chevron is accurately measured in advance by hand, the equation 1 is established. By determining the value, the measurement error caused by the aberration of the optical system of the image pickup means 20 or the property of the object to be measured is calibrated to improve the measurement accuracy.
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。
Furthermore, as shown in FIG. 2, by disposing the
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。 The present invention can not only automate the inspection process in the manufacture of specially shaped articles that had to be relied on by hand, but also the measurement time in all industrial fields where the shape measurement of specially shaped articles is required. And the stability of measurement quality can be secured, and its industrial applicability is extremely large.
10、100 ・・・ 特殊形状物品
20、200 ・・・ 撮像手段
30 ・・・ 照射手段
40 ・・・ 偏光板
10, 100 ... Special shaped
Claims (1)
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。 In a shape measuring device that measures the height of a mountain shape at a specific measurement location of a specially shaped article having a plurality of mountain shapes that are continuously connected,
Imaging means for imaging the specially shaped article;
Irradiating means for irradiating the specially shaped article;
Holding means for holding the specially shaped article at a given inclination with respect to the imaging means;
Calculating means for calculating the height of the mountain at the measurement location,
The holding means holds the specially shaped article at the inclination angle so as to project a mountain-shaped ridge line where the measurement location is located on the image captured by the imaging means as a shadow line,
The calculation means is based on a projected dimension relating to the measurement location obtained from the shaded line projected on the image, a known dimension on the specially shaped article relating to the measurement location, and the inclination angle. It is to calculate the height of the mountain,
A shape measuring device characterized by
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