(57)【要約】【課題】  測定対象物の形状や大きさによって基準物が配置された回転テーブルの大きさや形状を変更せず、また回転テーブルの上で測定対象物の向き等の位置を変えることなく、測定対象物の外形全体の測定を可能にする装置を提供する。【解決手段】  非接触式３次元形状測定手段によって、各領域の測定と同時に測定する、直方体で前記直方体の上面、前後の相対する面、及び左右の相対する面に１個、もしくは複数の球体を有する測定基準物を備えている。また、非接触式３次元形状測定手段により各領域の測定と同時に測定する、基板の上に直方体を固定し、前記直方体の前後、左右の面から間隙を設けた位置に球体が取り付けられた測定基準物を備えている。【選択図】図１
2009058249.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触式３次元形状測定手段によって、測定対象物の３次元形状を複数の角度から各領域毎に測定し、それぞれの測定結果を合成して前記測定対象物全体の３次元形状を得る測定装置において、自在に回転する回転台と、前記回転台の上方で前記測定対象物と離間した位置に載置され前記３次元形状測定手段により前記測定対象物の前記各領域の測定と同時に測定する直方体で前記直方体の上面、前後の相対する面、及び左右の相対する面に１個、もしくは複数の球体を有する測定基準物を備えたことを特徴とする非接触式３次元形状測定装置。
【請求項２】
前記測定基準物は直方体の上面に２個、前後の相対する面にそれぞれ２個、左右の相対する面にそれぞれ１個ずつ合計８個の球体を備えたことを特徴とする請求項１記載の非接触式３次元形状測定装置。
【請求項３】
非接触式３次元形状測定手段によって、測定対象物の３次元形状を複数の角度から各領域毎に測定し、それぞれの測定結果を合成して前記測定対象物全体の３次元形状を得る測定装置において、自在に回転する回転台と、前記回転台の上方で前記測定対象物と離間した位置に載置され前記３次元形状測定手段により前記測定対象物の前記各領域の測定と同時に測定する基板の上に直方体を固定し前記直方体の前後、左右の面にそれぞれ対向し、かつそれぞれの面から間隙を設けて１個または複数の球体が取り付けられた測定基準物を備えたことを特徴とする非接触式３次元形状測定装置。
【請求項４】
前記測定基準物は基板の上に固定された直方体の前後の面と対向し、かつ前記直方体の前後の面から間隙を設けて３個の球体を、また前記直方体の左右の面に対向し、かつ前記直方体の左右の面から間隙を設けてそれぞれ１個の球体が取り付けられたことを特徴とする請求項３記載の非接触式３次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
非接触式３次元形状測定装置により測定対象物に対して複数の位置から３次元形状測定を行い、その形状データを合成することによって測定対象物全体の３次元形状データを作成し、任意の方向から見た時の３次元形状を表示する事が可能な３次元形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から測定対象物を非接触式３次元形状測定手段によって３次元形状測定を行う装置はよく知られており、各種の３次元形状測定装置が提案されている。従来の３次元形状測定装置の例を図７、図８を用いて説明する。
【０００３】
図７の定盤５０の上には回転テーブル５１が取り付けられ、その回転テーブル５１の上には同一径で真球の基準球５２が複数個配置され固定されている。その基準球５２のそれぞれの座標をあらかじめ測定し、基準球５２による第１の座標系である基準座標系データ６１を作成して図８の基準座標記憶手段６２に記憶しておく。３次元測定機５３は定盤５０の上に固定された支持部材５４に移動自在に取り付けられた取付具５５によって支持され、取付具５５は支持部材５４を図７のＸ１、Ｘ２の矢印の方向にスライドすることで回転テーブル５１の回転との組み合わせにより、測定対象物５６に対して複数の位置から測定することができるよう構成されている。
【０００４】
以上のように構成された従来例の３次元形状測定装置について、図７、図８を用いてその動作を説明する。測定対象物５６は３次元測定機５３によって３次元形状の測定を行うが、その時図７に示すＣ点、Ｄ点、Ｅ点の様に複数の場所からその３次元形状を複数の領域に分割して測定する。この測定時には測定対象物５６と同時に基準球５２のうち分割して３次元形状を測定する領域の中に含まれている複数の基準球５２を同時に測定する。測定された複数の３次元形状測定データ６３にはこの基準球５２のうち同時に測定した基準球５２を識別するデータを基準球識別データ入力手段６４によって入力しておく。
【０００５】
この分割された領域を測定した複数の３次元形状測定データ６３は座標変換手段６５に入力され、同時に基準座標記憶手段６２に記憶されている基準球５２の基準座標系データ６１も座標変換手段６５に入力され、分割された領域を測定した複数の３次元形状測定デー６３はそれぞれ基準球５２の基準座標を基準に第２の座標系に変換される。この第２の座標系にそれぞれ変換された３次元形状データは合成手段６６に入力され、それぞれに分割して測定された３次元形状データを一つの３次元全体形状データ６７に合成される。これにより、測定対象物５６の全体の３次元形状データを得ることができることとなる。
【特許文献１】特開２００５−２４９４０２号公報
【特許文献２】特開平７−２６０４５２号公報
【特許文献３】特開２００５−２２１２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の方法では３次元形状測定機で複数の領域を測定対象物と同時に測定する基準球は、測定対象物の形状や大きさによっては複数の測定の都度異なる基準球を測定することになり、それら複数の測定で同じ基準球を測定することが困難であった。そのため基準球によって演算された基準座標の誤差が基準座標によって座標変換された複数の領域の３次元形状データにそのまま蓄積され、その結果合成された測定対象物全体の３次元形状データの測定精度を低下させてしまう。
【０００７】
また、測定対象物は回転テーブルの上で測定の基準となる基準球と同じ平面上に配置されており、測定対象物の形状や大きさによっては基準球が一緒に測定できなくなり、そのため基準球が配置された回転テーブルの大きさや形状を測定対象物によって変更しなければならない。また測定対象物の下面を測定する場合には回転テーブルの上で測定対象物の向き等の位置を変えて測定する必要があり、そのため座標系が変わってしまう。
【０００８】
さらには測定時には３次元形状測定機と測定対象物の間に基準球が入ってくるため基準球が影になり測定対象物の一部分で測定できない部分が発生する、という課題を有していた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記記載の課題を解決するために、本発明の非接触式３次元形状測定装置は、自在に回転する回転台と、前記回転台の上方で前記測定対象物と離間した位置に載置され前記３次元形状測定手段により前記測定対象物の前記各領域の測定と同時に測定する直方体で前記直方体の上面、前後の相対する面、及び左右の相対する面に１個、もしくは複数の球体を有する測定基準物を備えたものである。
【００１０】
また本発明の非接触式３次元形状測定装置は、自在に回転する回転台と、前記回転台の上方で前記測定対象物と離間した位置に載置され前記３次元形状測定手段により前記測定対象物の前記各領域の測定と同時に測定する基板の上に直方体を固定し前記直方体の前後、左右の面にそれぞれ対向し、かつそれぞれの面から間隙を設けて１個または複数の球体が取り付けられた測定基準物を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように、本発明の非接触式３次元形状測定装置によれば、測定基準物を複数の平面を持つ直方体とその直方体の平面に配置された複数の球体によって構成し、前記測定対象物と離間した位置に載置することによって、複数の方向から測定対象物と測定基準物を同時に測定する場合、直方体の平面を共通の基準面とすることが容易にできるという効果が得られるものである。
【００１２】
また、測定対象物と離間した位置に測定基準物を配置するようにしたので、測定基準物が配置された回転テーブルの大きさや形状を測定対象物によって都度変更することなく、測定対象物の大きさや形状にかかわらず一度設置すれば設置をやり直すことなく測定対象物の全面について測定を行うことができるものである。また測定基準物は測定対象物と同一平面上にはないため、測定基準物の影により測定対象物の一部分の測定ができなくなるということもなしに測定対象物全体の測定をもれなく行うことができるという効果が得られるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係る非接触式３次元形状測定装置について説明する。尚、各図において、同一部分には同一符号を付している。
【００１４】
図１は本発明の実施の形態に係る非接触式３次元形状測定装置の概略を表す斜視図、図２は測定基準物の構成を表す斜視図、図３は本実施例における３次元形状測定状態を表す概略の平面図、図４は本実施例における３次元形状測定状態を表す概略の側面図、図５は非接触式３次元形状測定装置の測定データ処理を示すブロック図である。
【００１５】
図１において、置き台１１の上に回転台１２が回動自在に固定され、回転台１２の上に取付台１３が固定され、取付台１３にはその中央付近でその両側に測定対象物１４を固定するためのアームが取り付けられた概略U字状の固定アーム１５が固定されている。固定アーム１５の上方には測定対象物１４を３点で固定するための固定用部材１６が取り付けられており、この固定用部材１６は測定対象物１４の大きさ、形状によって上下、左右に測定対象物１４を固定する点を自在に変えられるように取り付けられている。
【００１６】
この固定用部材１６によって測定対象物１４を固定する場合、測定対象物１４を固定する点は測定対象物の大きさや重量、形状によって必ずしも３点でなくとも良いができるだけ固定する点を少なくする方が望ましい。
【００１７】
固定アーム１５の取付台１３への取付位置近傍に取り付けられ、固定アーム１５に取り付けられた測定対象物１４の下方で該測定対象物１４と離間した位置に測定基準物１７が配置されており、測定基準物１７は図２に示すように直方体でその直方体の上面２１ａ、前面２１ｂ、後面２１ｃ、左側面２１ｄ、右側面２１ｅの面を基準平面２１とし、その直方体上面２１ａに２２ａと２２ｂ、前面２１ｂに２２ｃと２２ｄ、後面２１ｃに２２ｅと２２ｆ、左側面２１ｄに２２ｇ、右側面２１ｅに２２ｈの基準球２２とする球体が固定されている。この８個の基準球２２は同一の径を有する真球であることが望ましい。
【００１８】
測定基準物１７は基準球２２が配置されている前後、左右、及び上部のそれぞれの基準平面２１を基準に８個の基準球２２によって、それぞれ図５に示す基準の座標系１から座標系５までの基準座標系データ３１が構成される。一つの基準球２２の表面の少なくとも３点の位置座標と球の半径、もしくは４点以上の位置座標がわかれば幾何学的な演算によってその球面体の中心座標を求めることができることは既に知られており、また高い精度を得るためには測定点を多くすればいいことはいうまでもない。
【００１９】
これによって基準球２２の表面座標を４点以上測定することによってそれぞれの基準球２２の中心座標を求め、同時に基準平面２１の位置座標を測定することによってこの測定基準物１７の５個の基準平面２１それぞれについて基準平面２１と基準球２２によって構成される５個の基準座標データを求めることができ、この５個の基準座標系データ３１は基準座標記憶手段３２に記憶されている。
【００２０】
一方、スポットレーザを用いたレーザ３次元形状測定機１８は上下、前後、左右自在に回動する測定用アーム１９に取り付けられ、測定用アーム１９は測定機用支柱２０に取り付けられている。この測定用アーム１９は図１の矢印Ａの位置から矢印Ｂの位置まで測定機用支柱２０を上下に移動可能であり、レーザ３次元形状測定機１８は測定対象物１４の上方、下方いずれにも移動可能となる。これによってレーザ３次元形状測定機１８は測定対象物１４の上方からも下方からも測定が可能となり、同時に回転台１２を所望の角度回転させることによって、レーザ３次元形状測定機１８による測定対象物１４の様々な角度からの測定が可能となるものである。
【００２１】
以上のように構成された非接触式３次元形状測定装置において、以下その測定動作について図１、図２、図３、図４、図５を用いて説明する。
【００２２】
レーザ３次元形状測定機１８からレーザスキャンによって測定対象物１４の外形形状を測定する際、測定対象物１４の外形を複数の角度から測定し、その測定の都度測定対象物１４と測定基準物１７を同時に測定するが、その時測定基準物１７を構成する５個の基準平面２１のうち少なくとも１個の基準平面２１と少なくとも２個の基準球２２を同時に測定する。
【００２３】
図３、図４に示すように、測定対象物１４の水平面Ｘに対して概略４５度上方であるＡ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１の４つの方向から測定し、Ａ１の方向から測定する場合はＡ１ａからＡ１ｂまで水平方向にＡ１ｃの幅内を、垂直方向にＡ１ｄの幅でレーザスキャンして測定し、Ｂ１の方向からはＢ１ａからＢ１ｂまで水平方向にＢ１ｃの幅で垂直方向にＢ１ｄ（不図示）の幅内、Ｃ１の方向からは、Ｃ１ａからＣ１ｂまで水平方向にＣ１ｃの幅で垂直方向にＣ１ｄ（不図示）の幅内、Ｄ１の方向からは、Ｄ１ａからＤ１ｂまで水平方向にＤ１ｃの幅で垂直方向にＤ１ｄ（不図示）の幅内を測定する。
【００２４】
また、Ａ１からＤ１のそれぞれの方向において測定対象物１４の概略４５度下方からも同様に測定を行い、Ａ２の方向から水平方向にＡ２ｃ（不図示）と垂直方向にＡ２ｄ、Ｂ２（不図示）の方向から水平方向にＢ２ｃ（不図示）垂直方向にＢ２ｄ（不図示）、Ｃ２（不図示）の方向からは水平方向にＣ２ｃ（不図示）垂直方向にＣ２ｄ（不図示）、Ｄ２（不図示）の方向からは水平方向にＤ２ｃ（不図示）垂直方向にＤ２ｄ（不図示）の幅で測定を行うことにより測定対象物１４の外形全体を測定する。
【００２５】
本実施例では上方、下方それぞれ４方向、合わせて８点の方向から測定しているが、測定対象物１４の形状、大きさによっては上方下方それぞれもっと少ない３方向、あるいは複雑な形状の場合にはもっと多くの方向から測定する方が望ましいことはいうまでもない。
【００２６】
ここで、Ａ１からＤ２（不図示）までの各位置から測定を行う際には、前述したように測定対象物１４だけではなく測定基準物１７を同時に測定し、その同時に測定する測定基準物１７は基準平面２１と基準球２２のうち少なくとも１個の基準平面２１と２個の基準球２２を測定する。
【００２７】
例えば、図３においてＡ１の方向から測定する場合には測定対象物１４と同時に測定基準物１７のうち、基準平面２１ａと基準球２２ａ、２２ｇを測定し、Ｂ１の方向からは測定対象物１４と同時に基準平面２１ａと基準球２２ｇ、２２ｃを測定、Ｃ１の方向からは測定対象物１４と同時に基準平面２１ａと基準球２２ｂ、２２ｆを測定、Ｄ１の方向からは測定対象物１４と同時に基準平面２１ａと基準球２２ｄ、２２ｈといったように測定する。
【００２８】
このように、複数の方向からの測定を行う際には、ある基準平面を共通の基準として測定する方が後述するデータ合成のための座標変換を行う際に基準座標の誤差を最小にし、より精度の高い合成を行うことができるものであり、また同時に座標変換処理を行う際の処理をよりやりやすくするものである。
【００２９】
また、この場合の基準平面２１の測定については上述した測定方法以外に、例えば測定対象物の形状がＡ１とＣ１の間で複雑な形状をしていた場合にも、Ａ１の方向から基準平面２１ｃと基準球２２ａ、２２ｅを測定し、Ｃ１の方向から基準平面２１ｃと基準球２２ｂ、２２ｆを測定する、といったように基準平面２１は共通の基準平面２１を測定することで、後述するデータ合成のための座標変換を行う際に基準座標の誤差を最小にし、より精度の高い合成を行うことができるものである。
【００３０】
この場合、測定基準物の基準平面を構成するために直方体を用いているが立方体を用いてもよく、また複数の測定における共通の基準を基準平面としているが、これは平面の方がいろんな方向からの測定に対して共通の基準として測定しやすいというものであり、基準球を共通にしても同様の効果を得ることはできるものである。また、基準平面２１と基準球２２の測定は、その全てを測定できなくても基準平面座標と基準球中心座標を演算できるだけの測定ができればよいことはいうまでもない。
【００３１】
以下、測定によって得られた３次元形状測定データ３４とあらかじめ測定して記憶されている基準座標系データ３１により複数の角度から測定されたデータを合成するステップを図５の測定データ処理を示すブロック図を用いて説明する。
【００３２】
レーザ３次元形状測定機１８による測定は、測定基準物１７の基準平面２１のうち、２１ａから２１ｅまでのどの基準平面と基準球２２ａから２２ｈまでのどの基準球２２を一緒に測定したかということを判別できるよう測定基準物１７の基準平面２１と基準球２２を識別するための基準識別データを図５に示す基準識別データ入力手段３３により、それぞれの測定位置から測定対象物１４の外形形状を測定した測定データである３次元形状測定データ３４に入力しておく。
【００３３】
これによってこの複数の３次元形状測定データ３４は一緒に測定した測定基準物１７の基準平面２１の基準識別データにより基準座標記憶手段３２の中にある基準座標系データ３１のうちのそれぞれに対応した基準座標データに基づいて、座標変換手段３５によりそれぞれ第２の座標系に変換される。
【００３４】
この基準座標系データ３１に基づいて第２の座標系に変換されることによって、複数の３次元形状測定データ３４は同じ座標系のデータとすることができるため、それぞれのデータでオーバーラップされた重なり部分を正確に判別することができ、これらの３次元形状測定データ３４は合成手段３６に入力され、お互いの重なり部分を一つにし、正確に貼り合わせることによって一つの３次元全体形状データ３７に合成することが可能となる。これによって合成された測定対象物１４全体の３次元形状データを得ることができるものである。
【実施例】
【００３５】
本発明を実施するための最良の形態における測定基準物では、直方体の測定基準物を使用していたが、図６に示す測定基準物によっても本発明を実施するための最良の形態における測定基準物と同等の効果を得ることができる。以下本発明の測定基準物の他の実施例について説明する。
【００３６】
図６は本発明の他の実施例における非接触式３次元形状測定装置の測定基準物を表す斜視図である。図６において  測定基準物４０は基板４１の上面に直方体４２が固定され、直方体４２の上面４３ａ、前面４３ｂ、後面４３ｃ、左側面４３ｄ、右側面４３ｅの面をそれぞれ基準平面４３とし、基板４１上で基準平面４３ｂに対向し、基準平面４３ｂと間隙を設けた位置に３個の基準球４４ａ、４４ｂ、４４ｃを配置し、基準平面４３ｃに対向し、基準平面４３ｃと間隙を設けた位置に３個の基準球４４ｄ、４４ｅ、４４ｆを、基準平面４３ｄに対向し、基準平面４３ｄと間隙を設けた位置に基準球４４ｇ、基準平面４３ｅに対向し、基準平面４３ｅと間隙を設けた位置に基準球４４ｈを配置している。
【００３７】
この基準平面４３ａから４３ｅまでの５個の基準平面４３と基準球４４による基準座標系を構成し、５個の基準座標データ３１はこの基準平面４３を識別する基準識別データと共に基準座標記憶手段３２に記憶されている。
【００３８】
これにより本発明を実施するための最良の形態と同様に、上記測定基準物４０を用いて複数の方向から測定対象物１４と一緒に測定基準物４０の測定を行う際、測定基準物４０の基準平面４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅのうちのどれかの基準平面４３を共通の基準平面４３として測定し、この複数の方向から測定した測定対象物１４の３次元形状測定データ３４は測定基準物４０の基準平面４３の基準識別データによって基準座標記憶手段３２の中にあるそれぞれに対応した基準座標データに基づいて、座標変換手段３５によりそれぞれ第２の座標系に変換される。
【００３９】
この基準座標データに基づいて第２の座標系に変換されることによって、複数の３次元形状測定データ３４は同じ座標系のデータとすることができるため、それぞれのデータでオーバーラップされた重なり部分を正確に判別することができ、これらの３次元形状測定データ３４は座標変換手段３５を通って合成手段３６に入力され、お互いの重なり部分を一つにし、正確に貼り合わせることによって一つの３次元全体形状データ３７に合成することが可能となる。これによって合成された測定対象物全体の３次元形状データを得ることができるものである。
【００４０】
なお、本実施例では基板４１の上で、直方体４２の前面４３ｂ、後面４３ｃ、左側面４３ｄ、右側面４３ｅのそれぞれの面から間隙を設けた位置に取り付けた８個の球体４４は支柱により基板４１に取り付けられているが、直接基板４１の上に直接取り付けても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本実施例における非接触式３次元形状測定装置の斜視図、
【図２】測定基準物の構成を表す斜視図
【図３】本実施例における３次元形状測定状態を表す概略平面図
【図４】本実施例における３次元形状測定状態を表す概略側面図
【図５】非接触式３次元形状測定装置の測定データ処理を示すブロック図
【図６】第２の実施例における測定基準物の構成を表す斜視図
【図７】従来の３次元形状測定装置の斜視図
【図８】従来の３次元形状測定装置のデータ処理を表すブロック図
【符号の説明】
【００４２】
１１・・置き台
１２・・回転台
１３・・取付台
１４・・測定対象物
１５・・固定アーム
１６・・固定用部材
１７・・測定基準物
１８・・レーザ３次元形状測定機
１９・・測定用アーム
２０・・測定機用支柱
２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ）・・基準平面
２２（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ、２２ｈ）・・基準球
４０・・測定基準物
４１・・基板
４２・・直方体
４３（４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ）・・基準平面
４４（４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ、４４ｆ、４４ｇ、４４ｈ）・・基準球
【図１】
2009058249.tif 000003
【図２】
2009058249.tif 000004
【図３】
2009058249.tif 000005
【図４】
2009058249.tif 000006
【図５】
2009058249.tif 000007
【図６】
2009058249.tif 000008
【図７】
2009058249.tif 000009
【図８】
2009058249.tif 000010