(57)【要約】【課題】三次元測定するワークの部分的な変形にも対応することのできる三次元測定装置を提供する。【解決手段】２台のカメラ１４、１５によりワークを撮影し、ラフ形状作成部２１が画像データからワークの大まかな三次元形状を作成して、形状比較部２３がラフ形状とワーク５０の設計形状とを比較してずれ量を求め、このずれ量に基づきワークの設計形状から作成されているプローブの移動経路を修正する。【選択図】　　　　　　図１
2004093190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブをワークに接触させて該ワークの三次元形状を測定する三次元測定装置において、
前記ワークの形状を非接触により測定する光学測定手段と、
前記光学測定手段によって測定されたワーク形状からワークの三次元形状を作成するワーク形状作成手段と、
前記ワーク形状作成手段によって作成された前記ワークの三次元形状に基づいて前記プローブの移動経路を設定する移動経路設定手段と、
前記プローブを前記移動経路にしたがって移動させるプローブ制御手段と、
を有することを特徴とする三次元測定装置。
【請求項２】
移動経路設定手段は、
前記ワーク形状作成手段によって作成された前記ワークの三次元形状と、前記ワークの設計形状とを比較して、前記ワーク形状作成手段によって作成された前記ワークの三次元形状と前記ワークの設計形状とのずれ量を求める形状比較手段と、
前記形状比較手段によって求められたずれ量に基づいて、前記ワークの設計形状に基づいて作成された前記プローブの移動経路を修正する移動経路修正手段と、
を有することを特徴とする請求項１記載の三次元測定装置。
【請求項３】
前記形状比較手段は、
前記ワークの設計形状上においてあらかじめ設定されている測定点と前記ワーク形状作成手段によって作成された前記ワークの三次元形状上における前記測定点に該当する位置とのずれ量を求めることを特徴とする請求項２記載の三次元測定装置。
【請求項４】
前記移動経路修正手段は、前記ずれ量があらかじめ決められたしきい値を越えている場合にのみ前記プローブの移動経路を修正することを特徴とする請求２または３記載の三次元測定装置。
【請求項５】
前記ワーク形状作成手段は、前記光学測定手段によって測定されたワーク形状から特徴点を抽出し、該特徴点を接続した線分によりワークの三次元形状を作成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の三次元測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
三次元測定装置は、ワークにプローブを接触させてその形状を測定する。このような接触式の三次元測定装置は、光学センサにより非接触で三次元形状を計測するタイプの三次元計測装置と比較してより精度の高い三次元計測が可能である。
【０００３】
近年、このような接触式の三次元測定装置においては、プローブをＮＣ機器に取り付け、プローブの移動経路をＮＣプログラムにより設定して自動でワークの形状を測定できるようにしたものがある。このようなＮＣ機機を動作させるためのプログラムはＣＮＣプログラムと称されている。
【０００４】
このような三次元測定装置としては、たとえば特開平１０−２６００３３号公報には、プローブの移動経路をＣＮＣプログラムで設定し、自動測定する三次元測定システムが開示されている。
【０００５】
この三次元測定システムによれば、プローブによる接触測定に先立ち、カメラによってワークを撮影し、得られた画像情報からワークの仮の座標系を求め、この仮の座標系に基づいて仮測定を行うことで、真の新座標系を求め、ＣＮＣプログラムによって設定されているプローブの移動経路の座標系を新座標系に修正して、実際に設置されたワークの設置位置に合うようにプローブを移動させるようにしている。
【０００６】
これにより、たとえばワークの設置位置のずれに伴うプローブの空振りやワークとの衝突を回避できるようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記公報による従来の技術では、ワークの設置位置のずれに伴うようなプローブの空振りやワークとの衝突は回避できるものの、ワーク形状そのものが設計どおりではない場合、たとえば、プレス成形されたワークなどの場合、バリ付きとなることが多く、しかもバリの大きさは様々であるため、このようなワークの部分的な変形や大きさが設計値と異なるようなワークに対応することができないといった問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、三次元測定するワークの部分的な変形にも対応することのできる三次元測定装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、プローブをワークに接触させて該ワークの三次元形状を測定する三次元測定装置において、前記ワークの形状を非接触により測定する光学測定手段と、前記光学測定手段によって測定されたワーク形状からワークの三次元形状を作成するワーク形状作成手段と、前記ワーク形状作成手段によって作成された前記ワークの三次元形状に基づいて前記プローブの移動経路を設定する移動経路設定手段と、前記プローブを前記移動経路にしたがって移動させるプローブ制御手段と、を有することを特徴とする三次元測定装置により達成される。
【００１０】
また、本発明において、移動経路設定手段は、前記ワーク形状作成手段によって作成された前記ワークの三次元形状と、前記ワークの設計形状とを比較して、前記ワーク形状作成手段によって作成された前記ワークの三次元形状と前記ワークの設計形状とのずれ量を求める形状比較手段と、前記形状比較手段によって求められたずれ量に基づいて、前記ワークの設計形状に基づいて作成された前記プローブの移動経路を修正する移動経路修正手段と、を有することを特徴とする。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、ワークの三次元測定を接触式で行うためのプローブの移動経路を実際に測定するワークの部分的な変形に対応して自動的に設定することが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
図１は、本発明を適用した三次元測定装置の構成を示すブロック図である。
【００１４】
この三次元測定装置は、ワークにプローブを接触させて、三次元測定を行うための測定機１と、プローブの動作経路の設定やデータ処理を行うための制御装置２からなる。
【００１５】
測定機１は、プローブ１１をＸ、Ｙの２方向に移動させるＸＹステージ１２とプローブ１１を昇降（Ｚ方向に移動）させる昇降装置１３が設けられている。ＸＹステージ１２にはＸ方向およびＹ方向にプローブ１１を移動させるモータ（不図示）とこのモータの回転角度を測定するパルスエンコーダ（不図示）が設けられている。同様に昇降装置１３にもモータおよびパルスエンコーダが設けられていてプローブ１１をＺ方向に移動させると共にその移動距離を測定する。各モータは、決められた移動経路でプローブ１１が動くようにプローブ制御手段であるコントローラ１６によって制御される。
【００１６】
また、測定機１には、載置されたワーク５０を撮影する２台のカメラ１４および１５が設けられている。
【００１７】
２台のカメラ１４および１５は、光学測定手段であり、ワーク５０を異なる角度から撮影する。このカメラ１４および１５は、たとえば電子スチルカメラ、または電子ムービーカメラなどである。
【００１８】
制御装置２は、カメラ１４および１５によって撮影された画像から大まかなワークの三次元形状（ラフ形状と称する）を作成するラフ形状作成部２１と、ワーク形状のデータからプローブ１１の移動経路を修正、設定する経路設定部２２と、ラフ形状作成部２１が作成したワークのラフ形状データとワークの設計形状データを比較して、ずれ量を求める形状比較部２３と、測定機１の各パルスエンコーダからのパルス信号によりプローブ１１の位置を計測し、計測されたプローブ位置からワークの三次元形状を再現する三次元測定データ処理部２４と、からなる。
【００１９】
ラフ形状作成部２１は、ワーク形状作成手段であり、カメラ１４および１５によって撮影された２つの画像データから、画像処理によって、ワークの特徴点を抽出し、抽出した特徴点について、たとえば周知のステレオ画像法（ある程度離れた２台のカメラで対象物体を撮影したときに生ずる視差を利用し、任意の点の三次元座標を測定する手法）により特徴点の三次元位置を算出して、この特徴点を線分で接続することによりワークの三次元ラフ形状を作成する。
【００２０】
特徴点としては、たとえばワーク外形のエッジ、突起部、開口部のエッジ、バリ端などである。
【００２１】
また、ここで作成されるラフ形状の精度としては、プローブを移動させる移動経路をワークとどの程度は離して設定するか（これをクリアランス距離と称する）によって異なる。このため、たとえばラフ形状の精度としては、クリアランス距離の１／２０〜１／１０程度とする。たとえば、クリアランス距離を１０ｍｍとすると、ラフ形状の精度を０．５〜１．０ｍｍ程度とするものである。もちろん具体的な値はこのような値以外であってもよい。これは、１／２０未満の精度では、精度が高くラフ形状作成のための画像処理に時間がかかるため好ましくなく、１／１０よりも精度が悪いと、後述するようにこのラフ形状を使って、ワークと干渉しないようにプローブの移動経路を修正したとしても、ラフ形状があまりにも大まか過ぎてプローブがワークと接触する可能性があるために好ましくない。
【００２２】
経路設定部２２は、移動経路設定手段および移動経路修正手段であり、ワークの設計形状データ、およびワークのラフ形状データからプローブ１１の移動軌跡をあらかじめ決められた条件にしたがって設定する。あらかじめ決められた条件は、測定点から垂直方向に離れた進入点と測定点との距離、進入点から測定点までの移動速度、進入点間の移動速度、進入点間移動時のワークとのクリアランス距離などである。
【００２３】
通常、進入点から測定点までの移動速度は遅く、プローブ１１の先端がワークと接触した時点で速やかに停止できる速度に設定する。一方、進入点間の移動速度は測定にかかる時間を短縮するため高速である。
【００２４】
ワークとのクリアランス距離は、通常、プローブ移動中にワークとプローブが接触しないようにするための距離であり、任意に設定される。このクリアランス距離が保てなくなる場合には、経路を曲げるための変折点を設定する。通常、プローブの移動経路は進入点から次の進入点までをできるだけ直線の経路となるように設定するのであるが、この直線経路上にワークや他の干渉物がある場合には、これらとのクリアランス距離を保てるように経路を変化させる必要がある。このための変折点を入れて、経路を曲げるのである。
【００２５】
作成された移動経路のデータは、コントローラ１６に入力される。コントローラ１６は、この移動経路データに基づいてモータを制御する。また、コントローラ１６は、パルスエンコーダからのパルス信号を監視して、プローブ１１が何かに当たって停止した際には、それ以上移動しないようにモータを停止させる。このため、プローブ１１は、通常の動作では、測定点に接触した時点で停止し、そのときの位置が測定点の測定値となる。また、この動作により、プローブの移動経路中に何らかの障害物があって、プローブ１１が測定点以外の障害物などに接触した場合にも、プローブは停止することになる。
【００２６】
形状比較部２３は、形状比較手段であり、ワークの設計形状データとラフ形状作成部２１によって作成されたワークのラフ形状データとを比較して、測定点の位置ずれ量を算出する。
【００２７】
三次元測定データ処理部２４は、測定機１の各エンコーダからのパルス信号をカウントして、プローブ１１の位置を計測し、プローブの停止位置からワークの三次元形状を再現する。
【００２８】
次に、この三次元測定装置による測定手順について説明する。
【００２９】
図２は、この三次元測定装置による測定手順を示すフローチャートである。
【００３０】
まず、ワーク５０が測定機１に載置された後、カメラ１４および１５がワーク５０を撮影する（Ｓ１）。撮影された画像は、ラフ形状作成部２１に入力される。
【００３１】
ラフ形状作成部２１は、入力された２つの画像データから特徴点の三次元位置を求めて、各特徴点を線分でつなぎ合わせたワークのラフ形状データを作成する（Ｓ２）。
【００３２】
続いて、形状比較部２３が、ラフ形状作成部２１が作成したワークのラフ形状データとワークの設計形状データを比較する（Ｓ３）。そして、形状比較部２３は、ラフ形状データと設計形状データの比較から測定点のずれ量を求める（Ｓ４）。なお、求める測定点のずれ量はこの段階で全ての測定点について求める。
【００３３】
ここで、測定点のずれ量の求め方について説明する。
【００３４】
図３は、設計形状データによるワーク形状を示す図面であり、図４は、ラフ形状データによるワーク形状を示す図面である。図３および図４において、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。
【００３５】
設計形状データ５１は、ＣＡＤシステムなどから取得したワークの完成形状のデータである。
【００３６】
一方、ラフ形状データ５２は、前述したように、ラフ形状作成部２１がカメラ１４および１５によって撮影されたワーク５０の画像データからワークのエッジ部分などを特徴点としてその三次元形状を作成したものである。図示するラフ形状データ５２においては、設計形状には無いバリ５５が出てしまっている。
【００３７】
形状比較部２３は、これら２つの形状データを比較することで、設計形状データ５１上であらかじめ決められている測定点ａおよびｂが、ラフ形状データ５２上における該当する位置でどの程度ずれているかを求める。
【００３８】
これには、図５に示すように、あらかじめ決められた三次元座標空間、たとえば、測定機１においてプローブ１１を動作させる空間と同じ三次元座標空間内に、設計形状データ５１とラフ形状データ５２を配置し、設計形状データ５１の測定点ａおよびｂに対してラフ形状データ５２の測定点に該当する位置ｃおよびｄがどの程度ずれているかを求める。
【００３９】
ここでａからｃのずれ量をＶｃ、ｂからｄのずれ量をＶｄとすると、
Ｖｃ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）＝（Ｘ（ａ−ｃ），Ｙ（ａ−ｃ），Ｚ（ａ−ｃ））
Ｖｄ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）＝（Ｘ（ｂ−ｄ），Ｙ（ｂ−ｄ），Ｚ（ｂ−ｄ））
となる。なお、Ｘ、Ｙ、Ｚは、それぞれ三次元座標空間におけるＸ軸の座標値、Ｙ軸の座標値、Ｚ軸の座標値であり、求めたずれ量Ｖｃ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）およびＶｄ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）は各軸ごとに設計形状データの測定点からどれだけずれているかを示す値となると共に、この値が元の測定位置に対して実際の測定位置を修正する修正情報となる。
【００４０】
このようにして測定点のずれ量を求めた後、処理は続いて、一つひとつの測定点について求めた測定点のずれ量がしきい値を越えているか否かを判断する（Ｓ５）。この判断は、ずれ量がしきい値以下であれば、その測定点については、測定位置を修正する必要がないので、ここで、ずれ量があらかじめ決められたしきい値を越えているか否かにより測定点の位置を修正する必要があるか否かを判断するのである。
【００４１】
なお、設定するしきい値は、たとえば測定時間をより短くしたければ、少しのずれ量でも測定点の位置を修正するように小さくするとよい。これは、プローブ１１を進入点から測定点まで移動させる際の移動速度が遅いため、測定点の位置が設計位置から大きい方向へずれていると、その分、余計に時間がかかるので、これを少なくするためには、測定点のずれ量が少ない場合でも修正することで、低速で移動する距離を短くすることが可能となる。
【００４２】
この判断の結果、ずれ量がしきい値以下であれば測定点の位置を修正する必要はないので、修正情報の値に０（ずれなし）を設定する（Ｓ６）。
【００４３】
一方、ずれ量がしきい値を越えている場合には、測定点の位置をずれ量に応じて修正するために修正情報として、測定点ごとのずれ量を設定する。上の例では、Ｖｃ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）およびＶｄ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を修正情報とする（Ｓ７）。
【００４４】
その後、処理は全ての測定点について修正情報を設定したか否かを確認して（Ｓ８）、全ての測定点について修正情報の設定が終了するまでステップＳ５へ戻り処理を継続する。
【００４５】
全ての測定点について修正情報を設定が終了した後、続いて経路設定部２２が設計形状データをもとに作成されているプローブ１１の移動経路データの測定点位置を修正情報に基づき修正する（Ｓ９）。
【００４６】
続いて、経路設定部２２は、測定点位置の修正が行われた移動経路データの経路そのものの修正を行う（Ｓ１０）。このとき、同時にワークとの干渉チェックも行う。
【００４７】
ここで移動経路データの修正について説明する。
【００４８】
図６は、プローブの移動経路の一例を示す図面である。なお、ここでは説明のために、プローブの移動経路をワークの側面図に対して二次元の経路として示したが、実際の移動経路は三次元の移動経路である。
【００４９】
図６において示す点線は、ワークの設計形状データをもとに設定されている経路である。この経路は、動作基準点０から、変折点ｔ１を通り、測定点ａ１のための進入点ｓ１までが高速移動、進入点ｓ１から測定点ａ１までが速度の遅い測定進入、測定点ａ１測定後、進入点ｓ１まで遅い速度で戻り、進入点ｓ１から変折点ｔ１まで高速移動し、その後は、変折点ｔ２を経て進入点ｓ２まで高速移動、進入点ｓ２から測定点ａ２まで遅い移動、測定点ａ２測定後、遅い移動で進入点ｓ２へ戻り、以降同様に、進入点ｓ３、測定点ａ３、変折点ｔ３、ｔ４、進入点ｓ４、および測定点ａ４を通る。
【００５０】
このような設計形状データによる移動経路に対して、ステップＳ９において各測定点が修正情報により修正される。図６に示した例では、測定点ａ１のみが修正情報によりａ１’に修正される。
【００５１】
そしてステップＳ１０により測定点の修正に合わせて経路の修正が行われる。この経路の修正の際には、ワークとの干渉をチェックして修正される。
【００５２】
測定点の修正に合わせて経路を修正するためには、修正された測定点への進入点が測定点と垂直に進入する位置に修正され、そして進入点から次の進入点までの経路がラフ形状データ５２の面に対して平行となるように修正される。
【００５３】
このため、修正後の経路は、修正された進入点ｓ１’に伴って変折点ｔ１が修正されてｔ１’になり、動作基準点０からこのｔ１’を通り、進入点ｓ１’までが高速移動、進入点ｓ１’から測定点ａ１’までが速度の遅い測定進入、測定点ａ１’測定後、進入点ｓ１’まで遅い速度で戻り、進入点ｓ１’から変折点ｔ１’まで高速移動となる。
【００５４】
そして、変折点ｔ１’からラフ形状データの面に沿って平行に経路を設定するために、ラフ形状データ５２に存在するバリ５５に対しても平行となるように経路が修正される。このため、変折点ｔ１’からバリ５５に対して平行に経路設定するための変折点ｔ１１〜ｔ１４が新たに設定され、変折点ｔ２がｔ２’に修正され、進入点ｓ２まで高速移動に設定される。ここで進入点ｓ２は測定点ａ２の位置が元のままであるので元の位置のままである。以降同様に、進入点ｓ３、測定点ａ３、変折点ｔ３、ｔ４、進入点ｓ４、および測定点ａ４を通る経路となる。
【００５５】
最後に、修正された移動経路データは、経路設定部２２からコントローラ１６に出力されて（Ｓ１１）、処理が終了する。
【００５６】
その後は、コントローラ１６が受け取った修正後の移動経路データによりプローブ１１を動作させて、測定機１による三次元測定が行われる。
【００５７】
以上のように、本実施の形態によれば、設計形状データによって作成されたプローブの移動経路が、実際に測定を行うワークによって得られたラフ形状データにより修正される。このため、実際に測定するワークが設計形状と部分的に異なる形状がある場合でも、ワーク形状に沿ってプローブが移動し、ワークと衝突したり、空振りしたりすることなく確実に三次元測定を行うことができる。したがって、プローブのワークとの衝突や空振りによる測定の停止や、中断を回避することができる。
【００５８】
また、本実施の形態では、測定点のずれに基づいてプローブの移動経路を修正することで、プローブが進入点から測定点まで低速で移動する距離も修正することになり、低速移動距離がワークの変形に応じて修正されるので、測定時間が長くなることもない。
【００５９】
さらに、実際に測定を行うワークによって得られたラフ形状データによりプローブが干渉しないように経路を修正するため、設計形状データには無いようなバリなどが実際に測定するワークにあった場合でも、このバリなどとプローブが干渉することのない適切な経路に設定される。
【００６０】
以上本発明を適用した実施の形態を説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。
【００６１】
たとえば本実施の形態では、ラフ形状データを作成するために２台のカメラによりワークを撮影しているが、これに代えて光学式測距センサなどを用いてワーク形状を非接触で測定し、ラフ形状データを作成してもよい。
【００６２】
また、本実施の形態では、ラフ形状データにおけるワークの面に平行となるようにプローブの移動経路を修正したが、このような経路設定の条件は、任意に設定してよく、たとえば、進入点から次の進入点までの直線距離をまず設定し、その間に干渉物が無い場合にはこの直線をそのまま移動経路として設定し、この直線間に干渉物がある場合にのみ、干渉物に対してクリアランス距離を保つように干渉物の面と平行となるように経路設定するようにしてもよい。これにより、干渉物がない場合には、ワークの設計形状とラフ形状との差に応じて、可能な限りプローブの移動経路を短く設定することが可能となる。
【００６３】
さらに、本実施の形態では、測定機１におけるプローブ１１は、ＸＹＺの３方向に動作するものを用いているが、この他に、プローブ先端を回転（または回動）させることのできる４方向や５方向に移動可能なプローブであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した三次元測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】上記三次元測定装置による測定手順を示すフローチャートである。
【図３】設計形状データによるワーク形状を示す図面である。
【図４】ラフ形状データによるワーク形状を示す図面である。
【図５】設計形状データとラフ形状データとのずれ量の求め方を説明するための図面である。
【図６】プローブの移動経路の一例を示す図面である。
【符号の説明】
１…測定機
２…制御装置
１１…プローブ
１２…ステージ
１３…昇降装置
１４、１５…カメラ
１６…コントローラ
２１…ラフ形状作成部
２２…経路設定部
２３…形状比較部
２４…三次元測定データ処理部
５０…ワーク
５１…設計形状データ
５２…ラフ形状データ
５５…バリ
【図１】
2004093190.tif 000003
【図２】
2004093190.tif 000004
【図３】
2004093190.tif 000005
【図４】
2004093190.tif 000006
【図５】
2004093190.tif 000007
【図６】
2004093190.tif 000008