JPH0621765B2 - ３次元的にねじれた物体の形状測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、画像処理により３次元的にねじれた回転体の
形状を測定するための形状測定装置に関するものであ
る。

（従来の技術） 従来、３次元的にねじれた回転体の形状を測定するため
には、ｘ，ｙ，ｚの３次元方向から各別に対象となる回
転体の形状をプローブ等の手段により接触して実施し
て、各方向の形状に基づき計算して求めていた。

そのため、例えばターボチャージャーロータ等の複数枚
の羽根を有する３次元的にねじれた回転体の形状あるい
は寸法特に羽根の投影像の輪郭形状（以下、シュラウド
形状と記す）を測定する場合、各羽根毎に形状、寸法等
を測定して計算により求めてその結果を総合して判断し
ていた。

（発明が解決しようとする問題点） 上述した従来の３次元測定装置により３次元的にねじれ
た回転体の形状を測定するためには、高価な汎用の３次
元測定装置を使用しなければならず費用がかかるととも
に、特にターボチャージャーの羽根等のシュラウド形状
を測定する場合は、複数ある羽根の各羽根毎に形状、寸
法等を測定・計算する必要がある等のため、多大の時間
がかかる欠点もあった。一方、カメラ１台ではその視野
と分解能からいって精度良く測定できない問題もあっ
た。

本発明の目的は上述した不具合を解消して、３次元的に
ねじれた回転体の形状特に羽根のシュラウド形状を高速
かつ安価に精度良く測定することができる３次元的にね
じれた物体の形状測定装置を提供しようとするものであ
る。

（問題点を解決するための手段） 本発明の３次元的にねじれた物体の形状測定装置は、光
源と、光源から出射した光を平行光に変換する光学系
と、サンプルをその中心軸を中心にして間けつ的に回転
させるサンプル駆動装置と、サンプルに照射された平行
光の透過光によりサンプル像を互いに重複部分を有する
複数の分割画像として撮像する複数の撮像装置と、予め
モデルを使用して分割画像間の位置合わせを行い形状測
定時の基準を求め、この基準に基づき撮像した複数の分
割画像の論理和を計算することにより形状を測定するオ
ートキャリブレーション機能を有する画像処理装置と、
前記各装置の動作を制御するための制御装置とを具え、
３次元的にねじれた回転体の径方向寸法を軸方向に連続
的に測定することを特徴とするものである。

（作 用） 上述した構成において、測定すべき物体を間けつ的に回
転させながら、その投影画像を連続的に撮像して、各画
像を順次演算することにより形状を求めているため、径
方向寸法を軸方向に連続的に高速で測定することが可能
となる。

また、撮像を分割して行うのは、測定対象となる物体の
測定を高解像度で実施することでき、特にターボチャー
ジャーロータ等の羽根の投影像の輪郭形状であるシュラ
ウド形状を測定するのに好適であるためである。さら
に、分割して撮像した画像間の位置関係を自動的に補正
するとともに、測定の基準を求めるオートキャリブレー
ション機構を具えると、形状測定を簡単かつ自動的に実
施することができる。

（実施例） 第１図は本発明の形状測定装置の一実施例を示す線図で
ある。本実施例では、光源１から出射した光は、光学系
２により平行光とされた後、ミラー３を介して平行光と
してサンプル駆動装置22に回転自在に装着された測定す
べき物体４に入射する。物体４の投影光は光学系５およ
び６を介してハーフミラー７に入射する。ハーフミラー
７で反射した光はさらにミラー８を介してハーフミラー
９に入射し、このハーフミラー９を透過した光は光学系
10を介して撮像装置11に入射するとともに、ハーフミラ
ー９で反射した光は光学系12を介して撮像装置13に入射
する。また、ハーフミラー７を透過した光はミラー14を
介してハーフミラー15に入射し、このハーフミラー15を
透過した光は光学系16を介して撮像装置17に入射すると
ともに、ハーフミラー15で反射した光は光学系18を介し
て撮像装置19に入射する。

各撮像装置11， 13 ，17， 19 で撮像された画像情報は
画像処理装置20に供給され、必要に応じてオートキャリ
ブレーション機能により各画像間の位置関係を補正する
とともに形状測定の基準を求めた後、その基準を使用し
て画像の径方向寸法を軸方向に連続的に求めている。こ
れらの処理の結果及び各画像の状態は表示装置21上に表
示することができる。なお、上述した操作はすべて、制
御装置25により制御されている。

第２図は第１図に示す４つの撮像装置を使用する実施例
において、物体４の投影光による画像を分割する一実施
例を示す線図である。第２図において、各画像領域Ａ〜
Ｄはお互いがオーバーラップする部分を有するととも
に、画像領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄがそれぞれ撮像装置11， 1
3 ，17， 19 により撮像可能なように各撮像装置11， 1
3 ，17， 19 の位置を決定している。

次に、本発明の形状測定装置の画像処理装置20における
形状測定とオートキャリブレーションの機構について説
明する。

第３図は本発明の画像処理装置20において形状測定をす
るための一構成を示すブロック図である。撮像装置11(1
3 ，17， 19)で撮像されたアナログの画像情報はA/D 変
換回路31に供給され、デジタル化した画像情報を得る。
デジタル化された画像情報は２値化回路32により各画素
毎に２値化され、さらに理論演算回路33に供給される。
論理演算回路33では、１ステップ回路前の画像メモリ34
に記憶された画像情報の画素データと新しく読み込んだ
対応する画素のデータとの間の論理和（アンド）、をと
り、その結果を画像メモリ34中のその画素データとして
記憶している。この計算を画面全体について行ない、そ
の結果を次の１ステップ後の論理和の基礎として使用す
る。そのため、所望の全ステップの論理演算が終了した
時点で、その撮像装置が分担する領域の最終的な画像情
報を得ることができる。

その後、画像データ選択回路35において、後述するオー
トキャリブレーション機構により求められ、記憶装置36
中に予め記憶された撮像装置相互間の位置関係を示す画
像選択情報に基づき、画像メモリ34内の画像情報のうち
撮像装置相互間の重複した画素データを除去して必要な
画像情報のみを得る。そして、この画像情報から軸方向
の各位置の径方向の画素データを画素データ積算回路37
において積算し、このデータと記憶装置36中に予め記憶
された基準情報とを加算・乗算装置38内で比較してその
軸方向の位置の径方向の長さを求めている。すなわち、
画素データ積算回路37で求めたその位置の積算データと
その位置の基準情報との画素数の差を求め、予め求めて
おいた１画素の実寸法を乗算することにより、基準情報
の存在する位置の実寸法に基づいてその位置の径方向の
実寸法を得ることができる。この操作を軸方向の画像全
部に対して実施してその結果を記憶装置39内に記憶す
る。

以上、１つの撮像装置に対応する形状測定のための画像
処理について説明したが、第１図に示す実施例では、上
述した回路構成を並列に４組設けることにより、全体の
測定対象物に対する形状測定を実施することができる。

第４図は本発明の画像処理装置20におけるオートキャリ
ブレーションを実施するための一構成を示すブロック図
である。オートキャブレーションを実施するためには、
まず例えばターボチャージャーロータ等のシュラウド形
状の基礎となる第５図にその斜視図を示すようなシュラ
ウド形状をモデル化した治具を第１図に示すサンプル駆
動装置22に装着する。この治具は、例えば第１図に示す
実施例のように測定対象物を４分割して画像を取り込む
場合は、各領域に各方向少なくとも１つの段部が存在す
るよう構成している。その後、撮像装置11(13 ，17， 1
9)で撮像されたアナログの画像情報はA/D 変換回路41に
供給されたデジタル化された後、２値化回路42において
所定のスレッシュホールド値と比較することにより２値
化される。２値化された画像情報は一旦画像メモリ43に
記憶され、画像データ積算回路44においてｘ方向の各位
置における画素データを積算し、この積算値に基づいて
微分回路45においてｘ方向の微分を求める。これと同様
に、画像メモリ43中の画像情報から、画素データ積算回
路46においてｙ方向の各位置における画素データを積算
し、この積算値に基づいて微分回路47においてｙ方向の
微分を求める。求めたｘ方向およびｙ方向の微分データ
は記憶装置48内に記憶される。同様の操作を他の撮像装
置についても実施して、合計で４組の微分データを記憶
装置48内に記憶する。

得られた微分データは演算装置49において以下のような
オートキャリブレーション操作に用いられ、その結果は
第３図に示す実施例の記憶装置36内に供給される。ま
ず、第６図(a)に示すように撮像装置11， 13 ，17， 19
によりモデル治具をＡ〜Ｄの領域に分割して撮像する
と、第６図(b)〜(e)に示すような画像がそれぞれのｘ方
向およびｙ方向の微分値とともに得られる。ここで、領
域Ａ，Ｂに対応する第６図(b)，(c)に示す画像間のオー
トキャリブレーションは、ｘ方向の微分値x₂の位置が一
致するとともにｙ方向の微分値y₂の位置が一致するよう
画像間の関係を求める。他の画像間すなわち第６図
(c)，(d)間および(d)，(e)間の画像間の関係も同様に求
める。その後、これらの微分値ｘ，ｙに基づき各画像中
の画像利用領域I1〜I4を求め、この画像利用領域I1〜I4
内の段部の実寸法と対応をつける基準情報としてのオフ
セット位置O1〜O4として求める。すなわち、予め求めて
おいたモデル治具の段部の回転軸からの実寸法を、各オ
フセット位置O1〜O4の位置の画素データと対応させると
ともに、１画素に対応する実寸法を求める。このように
して、画像間の位置関係を示す画像選択情報とオフセッ
ト情報とからなるオートキャリブレーション情報を得る
ことができる。

次に、上述した構成の本発明の形状測定装置を利用して
実際の形状測定を実施するときの流れについて説明す
る。

第７図は本発明の形状測定位置における全体の処理の流
れを示すフローチャートである。第７図において、まず
画像を分割して撮像する場合の画像間のキャリブレーシ
ョンが必要かどうかを判断する。そのため、すでにオー
トキャリブレーションを実施済の場合のキャリブレーシ
ョンがOKの場合は、そのまま次のステップを実行する。
また、画像を分割して撮像する場合で画像間のキャリブ
レーションが終了していない場合は、後述するオートキ
ャリブレーションを実施した後次のステップを実行す
る。次のステップにおいては、測定物をサンプル駆動装
置にセットした後、後述する形状測定を実施する。その
後、連続して次の測定対象物を測定する場合は形状測定
ルーチンを繰り返し実行し、連続して測定する必要のな
い場合は終了する。

第８図は上述したオートキャリブレーションの処理の流
れを示すフローチャートである。第８図において、まず
キャリブレーション用の治具をサンプル駆動装置にセッ
トした後、治具の実寸法のうち例えば各段部の半径等の
必要な治具の実データを入力して記憶する。次に、各撮
像装置により治具の画像を入力して、このアナログ画像
情報をA/D変換してデジタル化した後、所定のスレツシ
ュホールド値と比較して得た２値化画像情報を画像メモ
リに記憶する。その後、画像メモリに記憶した各画像情
報毎に、まずｘ方向の微分をｘ方向の各位置における画
素データを積算した後実施して、この微分データに基づ
き測定対象物を分割した各画像の位置に応じて各画像間
の位置関係を求める。すなわち、左端および右端以外の
画像については、微分値の最初のピークのあるｘ方向ア
ドレスを左隣の画像との境界とするとともに、最後のピ
ークのあるｘ方向のアドレスを右隣の画像との境界とし
ている。また、左端の画像については、画面の左端から
若干内側のｘ方向アドレスを合成画像の左端と決定した
後、微分値の最終のピークのあるｘ方向アドレスを右隣
の画像との境界としている。さらに、右端の画像につい
ては、画面の右端から若干内側のｘ方向アドレスを合成
画像の右端と決定した後、微分値の最初のピークのある
ｘ方向アドレスを左隣の画像との境界としている。

上述のようにして分割画像間の位置関係を求めた後、各
画像中の治具段部の位置から各画像のオフセット値を求
める。すなわち、画像メモリに記憶した各画像情報毎に
ｙ方向の微分をｙ方向の各位置における画素データを積
算した後実施する。次に、この微分データに基づき各画
像毎のオフセット値を、左端の画像については微分値の
最初のピークのあるｙ方向アドレスを対応する予め入力
した治具の段部実寸法と対応づけることにより、また左
端以外の画像については、微分値の２つめのピークのあ
るｙ方向アドレスを対応する予め入力した治具の段部実
寸法と対応することによりそれぞれ求めている。上述し
た操作を全画像について実施してオートキャリブレーシ
ョンを終了する。得られた画像間の位置関係とオフセッ
ト値とからなるオートキャリブレーション情報は制御装
置中のメモリに記憶され、形状測定時に使用される。

第９図は上述した形状測定の処理の流れを示すフローチ
ャートである。第９図において、まず各撮像装置よりサ
ンプル駆動装置にセットした測定対象物の画像を入力し
て、このアナログ画像情報をA/D 変換してデジタル化し
た後、所定のスレッシュホールド値と比較して２値化画
像情報を得る。この測定がその測定対象物に対する最初
のものである場合、そのまま画像メモリに記憶する。ま
た、その測定が最初のものでない場合は、読み込んだ画
像情報と画像メモリ中の画像情報との間の対応する画素
データ間で論理和(AND) を演算して、その結果をその位
置の画素データとして画素メモリに書き込む。上述した
処理を分割した全画像について終了した後、測定対象物
をサンプル駆動装置により所定角度1 ステップだけ回転
させ、その位置で上述した処理と同様の処理を実施す
る。この回転角度は測定対象物の羽根の数、測定精度等
の条件により任意に設定することができる。上述した処
理を１回転分実施することにより、測定対象物の論理演
算を終了する。

次に、論理演算処理が終了した後画像メモリ中に各画像
毎に記憶された画像に基づいて径方向寸法を軸方向に連
続的に測定する。まず、予め求めたオートキャリブレー
ション情報から各画像毎に画像使用領域の画像データを
選択した後、その領域内においてｘ方向の各位置におけ
る画素データを積算する。その後、ｘ方向の各位置の実
寸法をオフセット値と積算値との差および予め入力した
１画素の対応実寸法から求め、その結果をメモリに記憶
する。この操作をｘ方向の全画素について実施してさら
に全画像について実施した後、その撮像装置毎に得られ
た結果を連続して測定対象物の形状測定を終了する。こ
の後、必要に応じて基準となる形状と得られた測定対象
物の形状とを比較して、良品、不良品の形状判定を行な
う。

本発明は上述した実施例にのみ限定されるものではな
く、幾多の変形、変更が可能である。例えば上述した実
施例では、回転体を所定の角度ずつ回転して複数ステッ
プで形状測定を実施したが、回転体が例えば円筒形状等
どの位置でも同じ端部形状を有する場合は、複数ステッ
プでの形状測定を行なう必要がなく１ステップでの形状
測定で十分である。

（発明の効果） 以上詳細に説明したところから明らかなように、本発明
の３次元的にねじれた物体の形状測定装置によれば、画
像処理により形状を測定することにより、３次元的にね
じれた回転体の形状特に羽根のシュラウド形状を高速か
つ安価に測定することができる。また、単一の撮像装置
では解像度の関係で不可能な広範囲の画像を精度良く高
速に処理して形状測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の形状測定装置の一実施例を示す線図、 第２図は本発明における測定対象物の分割画像の一実施
例を示す線図、 第３図は本発明の画像処理装置において形状測定するた
めの一構成を示すブロック図、 第４図は本発明の画像処理装置におけるオートキャリブ
レーションを実施するための一構成を示すブロック図、 第５図はオートキャリブレーションにおいて使用するモ
デル治具の一実施例を示す斜視図、 第６図(a)〜(e)は本発明における画像間の位置関係の求
め方を説明するための線図、 第７図は本発明の形状測定装置における全体の処理の流
れを示すフローチャート、 第８図は本発明のオートキャリブレーションの処理の流
れを示すフローチャート、 第９図は本発明の形状測定の処理の流れを示すフローチ
ャートである。 １……光源 ２，５，６，10，12，16，18……光学系 ３，８，14……ミラー、４……物体 ７，９，15……ハーフミラー 11，13，17，19……撮像装置 20……画像処理装置、21……表示装置 22……サンプル駆動装置、23……パルスモータ 24……パルスモータコントローラー 25……制御装置、31，41……A/D 変換回路 32，42……２値化回路、33……論理演算回路 34，43……画像メモリ、35……画素データ選択回路 36，39，48……記憶装置 37，44，46……画素データ積算回路 38……加算・乗算装置、45，47……微分回路 49……演算装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、光源から出射した光を平行光に変
   換する光学系と、サンプルをその中心軸を中心にして間
   けつ的に回転させるサンプル駆動装置と、サンプルに照
   射された平行光の透過光によりサンプル像を互いに重複
   部分を有する複数の分割画像として撮像する複数の撮像
   装置と、予めモデルを使用して分割画像間の位置合わせ
   を行い形状測定時の基準を求め、この基準に基づき撮像
   した複数の分割画像の論理和を計算することにより形状
   を測定するオートキャリブレーション機能を有する画像
   処理装置と、前記各装置の動作を制御するための制御装
   置とを具え、３次元的にねじれた回転体の径方向寸法を
   軸方向に連続的に測定することを特徴とする３次元的に
   ねじれた物体の形状測定装置。