JPH063367B2 - 投影による物体の形状判定方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、物体の形状を光学的に投影しその投影形状か
ら軸線（物体の中心線）の曲り形状を算定し、これをパ
ターンマッチング方式で判定する方法及び装置に関する
ものである。

［従来の技術］ 複雑な曲り形状を有する部材、例えば自動車用スタビラ
イザのごとき屈曲棒の曲り形状を検査するにあたって、
従来各種の検査方法が提案されている。その１つは第１
０図に示すような検査治具を用いる機械的な検査方法で
ある。この検査方法を説明すると、検査治具１０は、Ｕ
字状のくぼみ１０１を有するブロツク１０２を屈曲棒１
の設計形状に合せて多数台座１０３上に取り付けて構成
されており、検査にあたっては、これらのブロツク１０
２のくぼみ１０１に検査対象の屈曲棒１を入れ、各々の
ブロツク１０２のくぼみ１０１に該屈曲棒１がきっちり
はまるかどうかを目視で判断することにより、曲り形状
の良否を判定している。

しかし、このような検査治具を用いる機械的な検査方法
では、第１に、屈曲棒１の種類が異なるごとに異なった
検査治具を用意する必要があり、検査治具の製作価格が
かさむばかりでなく、検査治具の保管のために大なるス
ペースを必要とする。第２に、屈曲棒１の種類の変更の
たびに検査治具を取り替える必要があり、重量がある検
査治具のハンドリングが重労働かつ繁雑であるという問
題がある。

かかる問題を改善するための検査治具も提案されてい
る。例えば、第１１図は特開昭５８−６８６０１号公報
に開示された屈曲棒１の検査治具であり、図に示すよう
に目的とする曲げ形状と同じ形状に曲げた定規棒１１１
にＵ字状のくぼみ１１２を有する受け部材１１３を多数
取り付け、この定規棒１１１を台座１１４上の支持棒１
１５に取り付けて検査治具１１を構成し、検査すべき屈
曲棒１をくぼみ１１２にはめながら定規棒１１１と重ね
合せて、目視で屈曲棒１の曲り形状の検査を行ってい
る。したがって、第１１図に示した検査治具では、検査
治具の軽量、小型化が図れるとともに、検査治具の製作
の簡素化を図ることができる。しかし、この検査治具を
用いる場合であっても前記第１及び第２の問題点を根本
的に解決するものとはなっていない。

次に、曲り形状の検査方法の他の方式は、光学系を利用
しその映像信号を電気的に処理して判定するものであ
る。これには一般に次の２とおりの方法がある。

(1)パターンマッチング方式 これは、基準軸線形状を３次元２値パターンとして表現
し、このパターンを良否判定のうえで許容範囲を含む分
だけ拡大し太線化したパターンを準備しておき、検査対
象の軸線上の各点がこの太線化したパターン内に全て入
っているか否かで形状の良否を判定する方式である。

(2)偏差演算方式 これは、基準軸線形状を軸線上の各点の座標の配列で表
現し、検査対象の軸線上の各点について、基準軸線との
偏差を演算し、その偏差が良否判定上の許容範囲内に入
っているか否かで形状の良否を判定する方式である。

これら２つの方式のうち、(1)のパターンマッチング方
式は、一般に良否判定に要する時間は短くて済むが、３
次元２値パターンを表現するにあたって、膨大な容量の
メモリを必要とするという問題がある。一方、(2)の偏
差演算方式では、基準軸線形状の表現に要するメモリ容
量は小さくて済むが、測定した軸線座標の基準軸線に対
する偏差の演算に膨大な時間を要するという問題があ
る。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような対象物の曲り形状の検査にあたっては、生
産性の確保のため検査は短時間にかつ正確にできるもの
であるべきことはいうまでもない。したがって、上記の
ような検査治具を用いる機械的な検査方法は、この観点
からも好ましいものではない。一方、光学的な検査方法
は、こん点で機械的な検査方法に比べればはるかに有利
であるといえる。また、その検査結果が定量的であり、
しかも検査結果を曲げ加工機の加工条件にフィードバッ
クすることができるという利点もある。しかしながら、
光学的な検査方法にも上記のような問題を含んでいる。
とくに、この光学的な検査方法を実施するうえで、演算
時間の短縮化とメモリ容量の小量化を同時に満たすこと
は困難である。

そこで、本発明者らは上記の光学的な検査方法のうち演
算時間の短縮化を有利なパターンマッチング方式を採用
することにして、なおかつメモリ容量の小量化に努めた
結果、以下に述べる構成とすることによりその成功をみ
たものである。

本発明は、基本的にパターンマッチング方式に係るもの
であり、対象物の曲り形状を短時間に正確にしかも小容
量のメモリを用いて検査できる形状判定方法及び装置を
得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る投影による物体の形状判定方法は、対象物
の軸線形状と基準軸線形状とを複数方向へ投影された形
状のパターンマッチング方式で判定するにあたり、基準
軸線形状は上記のようにそれぞれの方向の投影パターン
に基づき許容範囲を含む分だけ拡大され太線化されたも
のとなっており、しかも、その基準軸線形状は、分解能
の低いマクロな第１階層から分解能の高いミクロな第ｎ
階層に至るｎ段の階層を有し、かつ、第ｉ階層（ｉ＝
２，３，…，ｎ）の形状パターンは第（ｉ−１）階層の
形状パターンのうち、基準軸線形状を含むブロツクにつ
いてのみ抽出されるようになっており、前記対象物の軸
線形状が基準軸線形状の第１階層から第ｎ階層までの全
ての基準軸線形状内に入っているときにのみ合格と判定
し、そのうちの１つでも外れているときは不良と判定す
るものである。

また、かかる形状判定方法を実施するための形状判定装
置は、光学的な投影により、対象物の軸線形状及びこの
軸線形状の比較対象となる基準軸線形状について複数方
向の投影パターンを得るためのシルエット像撮像装置を
備え、この撮像装置により撮像された各方向の投影パタ
ーンを３次元２値パターンとして表現するために各投影
パターンから軸線位置を検出する軸線位置検出手段と、
基準軸線形状についてシルエット像撮像装置で得られる
複数方向の投影パターンを各方向の複数枚の投影パター
ンで表現するために各投影パターンごとに分解能の低い
マクロな第１階層の形状パターンから分解能の高いミク
ロな第ｎ階層の形状パターンに至るｎ段の階層構造と
し、さらに第ｉ階層（ｉ＝２，３，…，ｎ）の形状パタ
ーンは第（ｉ−１）階層の形状パターンのうち基準軸線
形状を含むブロツクについてのみ抽出されるように構成
された複数の形状マスターテーブルと、基準軸線形状の
各投影パターンを許容範囲を含む分だけ拡大し太線化し
て形状マスターテーブルに登録する形状マスターテーブ
ル演算手段とを有する構成としたものである。

［作用］ 本発明においては、対象物の中心線すなわち軸線の曲り
形状をパターンマッチング方式で比較しその良否を判定
するものである。この場合において、基準となる基準軸
線形状が３次元２値パターンとして表現されており、許
容範囲分だけ太線化されている。このようなパターンマ
ッチング方式において、本発明では、さらにこの基準軸
線形状が複数方向の各々の投影パターンを分解能の低い
マクロな第１階層から分解能の高いミクロな第ｎ階層に
至るｎ段の階層構造とし、かつ、第ｉ階層（ｉ＝２，
３，…，ｎ）の形状パターンは第（ｉ−１）階層の形状
パターンのうち、基準軸線形状を含むブロツクについて
のみ抽出する構成としてあらかじめ登録されているの
で、対象物の軸線形状との判定の際には該軸線形状が上
記のように登録された基準軸線形状と比較すればよく、
基準軸線形状の第１階層から第ｎ階層までの全ての基準
軸線形状内に入っているときにのみ合格と判定し、その
うちの１つでも外れているときは不良と判定し得るので
ある。このため、曲り形状の検査を短時間にかつ正確に
行えるとともに、この判定方法を装置化した場合のメモ
リ容量が小さなもので済む。

［実施例］ 以下、本発明による形状判定方法を図により詳細に説明
する。

第１図は本発明において対象物の軸線形状及び基準軸線
形状の投影パターンを得るための形状測定装置の外観図
である。第２図はこの測定装置の主としてその光学系を
示す内部構成図である。

本発明においては、まず対象物の軸線形状及び基準軸線
形状を光学的な投影により測定することとしている。そ
のために、基準となる基準軸線形状は対象物１としてマ
スターピースを、検査対象の軸線形状は対象物１として
テストピースをそれぞれ図示のように形状測定装置にセ
ットして測定を行う。

まず、マスターピースあるいはテストピースは回転スキ
ャニング装置の回転台２に複数本のアーム３を介して支
持される。各アーム３の先端にはＵ字状のくぼみ３１を
有する支持具３２が設けられ、これらの支持具３２のく
ぼみ３１に対象物１の複数箇所をはめ込んで支持する。
このように支持された対象物１は、回転台２を適当な回
転手段（図示せず）により所定の角度で１ピッチずつ回
転することにより、シルエット像撮像装置４の撮像空間
４１内を回動する。

シルエット像撮像装置４は、第２図に示すように２個の
平行光源５，６と、２個の密着型イメージセンサ７，８
及び反射鏡９を備えている。平行光源５から出射される
光束１０は反射鏡９で９０度屈折され、回転台２の回転
軸２１と平行な光束にされて撮像空間４１内にある対象
物１に投光され、回転台２と平行に設けられた密着型イ
メージセンサ７に対象物１のシルエット像を形成する。
一方、平行光源６からは光軸が回転台２の上面と平行
で、かつ回転軸２１と平行な光束１０と直交する光束１
１が出射され、この光束１１が撮像空間４１内にある対
象物１に投光され、回転軸２１と平行に設けられた密着
型イメージセンサ８に対象物１のシルエット像を形成す
る。

ここで、光源として平行光源５，６を用いたのは、平行
光源５，６から出射される光線が平行であり、空間的な
コヒーレンスが高いため対象物１の形状にかかわらずシ
ルエット像に生じるボケ量が小さくなり、測定分解能を
高めることができ、さらに発散光や収束光でないから、
対象物１との距離の変動に影響されないためである。

また、密着型イメージセンサ７，８には、例えば近年小
型ファクシミリ等で多用されている１００μｍ×１００
μｍのサイズの受光素子が１２５μｍピッチで直線状に
２０４８素子配列し、各素子の受光量に比例した電圧が
シリアルに出力されるように構成されたラインスキャン
タイプのリニアイメージセンサを用いており、このよう
なイメージセンサを必要に応じて１個または複数個使用
することにより、光学系の結像系が必要でなくなり、装
置の小型化を図ることができる。

上記のシルエット像撮像装置４により、対象物１の軸線
形状及び基準軸線形状について、複数方向の投影パター
ンを得ることができるので、次に、これらの各方向の投
影パターンを３次元２値パターンとして表現するための
手段について説明する。第３図はかかる手段の一例を示
すものであり、投影パターンのシルエット信号から対象
物の曲り形状を判定する形状判定装置のブロツク図であ
る。

図において、１２はシルエット像撮像装置４内の複数個
の密着型イメージセンサ７，８の信号を処理して対象物
１の軸線位置を検出する軸線位置検出回路、１３は軸線
位置検出回路１２より出力される円筒座標系で表現され
た軸線位置を直交座標系に変換する座標変換回路、１４
はマスターピースについて測定した基準軸線形状を複数
の投影パターンに分解し、各々良否判定上の誤差すなわ
ち許容範囲を含む分だけ拡大し太線化し、さらにこれを
階層構造データに展開して後述の形状マスターテーブル
に登録する形状マスターテーブル演算回路、１５は基準
軸線形状の複数の投影パターンに対応して設けられ、か
つ分解能の低いマクロな第１階層の形状パターンから分
解能の高いミクロな第ｎ階層の形状パターンまでのｎ段
の階層構造で表現した基準軸線形状を格納する形状マス
ターテーブル、１６はテストピースについて測定した軸
線形状データを、あらかじめ形状マスターテーブル１５
に登録しておいた基準軸線形状と許容範囲内で一致して
いるか否かを判定する良否判定回路、そして１７は良否
判定結果を出力する出力回路である。

このように構成された形状判定装置の動作を次に説明す
る。軸線位置検出回路１２及び座標変換回路１３につい
ては、マスターピース形状の登録時及びテストピース形
状の判定時共に共通に使用される。すなわち、マスター
ピースあるいはテストピースはそれぞれの形状の登録時
及び良否判定時において、第１図に示した形状測定装置
のアーム３にセットされ、回転台２が１ピッチ回転する
ごとにシルエット撮像装置４でシルエット像が観察さ
れ、密着型イメージセンサ７及び８よりｒ方向（半径方
向）及びｚ方向（高さ方向）のシルエット信号がそれぞ
れ出力される。

軸線位置検出回路１２は、このように出力される密着型
イメージセンサ７及び８からのシルエット信号を第４図
に示すように２値化し、出力電圧４０が零であるシルエ
ット部４１の中心位置４２を演算し、その中心位置４２
を円筒座標系で表現した軸線位置ｒ（θ），ｚ（θ）と
して出力する。

座標変換回路１３は軸線位置検出回路１２より得られる
円筒座標系の軸線位置ｒ（θ），ｚ（θ）を直交座標系
に変換し、（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）として出力する。

一方、形状判定装置において、上記のように直交座標系
で表現した対象物１の軸線形状（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）が
得られた後では、マスターピース形状の登録時とテスト
ピース形状の判定時とで処理の仕方が異なる。

まず、マスターピース形状の登録にあたっての形状マス
ターテーブル１５の作成方法について説明する。

形状マスターテーブル演算回路１４は、マスターピース
の測定によって得られる軸線形状（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）
をもとにして、例えば第５図（ａ）〜（ｄ）に示すよう
に、複数枚の投影パターンに分解する。ここで、同図
（ａ）はＸ−Ｚ平面に対する軸線投影パターン５０ａ
を、同図（ｂ）はＸ−Ｙ平面に対する軸線投影パターン
５０ｂを、同図（ｃ）は左側面から見たＹ−Ｚ平面に対
する軸線投影パターン５０ｃを、また同図（ｄ）は右側
面から見たＹ−Ｚ平面に対する軸線投影パターン５０ｄ
を示している。

これらの投影パターンの作成にあたっては、例えばマス
ターピースを支持するアーム３の支持具３２のようにマ
スターピースの形状を直接測定できないような部分につ
いては、適宜その近傍の形状データから補間により連続
した軸線形状データを得、さらに、形状マスターテーブ
ル１５への登録に先立って、後の形状判定の便宜を図る
ため、あらかじめ良否判定上の許容範囲分だけ太線化し
た投影パターンとしておくものである。

上記のように作成した複数の投影パターンは、それぞれ
分解能の低いマクロな形状パターンから分解能の高いミ
クロな形状パターンに至るｎ層の階層構造を有し、さら
に、第ｉ階層（ｉ＝２，３，…，ｎ）の形状パターンは
第（ｉ−１）階層の形状パターンのうち基準軸線形状を
含むブロツクについてのみ抽出して有するように構成さ
れた形状マスターテーブル１５に登録される。

例えば、第５図（ｂ）に示すＸ−Ｙ平面における軸線投
影パターン５０ｂを、第６図〜第８図に示すようなマク
ロからミクロに至る階層データ構造で表現する。すなわ
ち、第６図は第５図（ｂ）に示した軸線投影パターン
を、例えば（１２×６）ブロツクに分割した第１階層テ
ーブル６１を示し、軸線投影パターンが存在しないブロ
ツクには０が、また、軸線投影パターンが存在するブロ
ツクには、各ブロツクに対応する第２階層テーブルが格
納されている形状マスターテーブル１５内のメモリアド
レスＡ_１〜Ａ₁₆が登録されている。第７図は第６図にＡ
_５で示した第１階層のブロツクに対応して、このブロツ
クＡ_５をさらに細かく（１６×１６）ブロツクに分割し
て軸線投影パターンを表現した第２階層テーブル６２の
１つを示しており、これらの第２階層テーブル６２はそ
れぞれ形状マスターテーブル１５内のメモリアドレスＡ
₁₆以下に格納されている。この第２階層テーブル６２に
おいても、軸線投影パターンが存在しないブロツクには
０が、また、存在するブロツクには、そのブロツクに対
応する第３階層テーブルのメモリアドレスＢ_１〜Ｂ₂₅が
登録されている。最後に、第８図には第２階層のＢ₁₆で
示したブロツクに対応する最下層のテーブル６３を示し
ている。この最下層のテーブル６３においては、軸線投
影パターンの一部が、例えば（１６×１６）の０／１情
報として登録されている。第８図の例は、良否判定上の
許容誤差を±２画系として軸線投影パターンを２画系分
太線６４にして登録した例を示している。

次に、このようにして登録された形状マスターテーブル
１５を参照して、良否判定回路１６がテストピース形状
の良否を判定する方法について第９図のフローチヤート
に基づいて説明する。

テストピース上の各点について得られる軸線位置データ
は、まず形状マスターテーブル１５のうち最もマクロな
形状を表わしている第１階層テーブル６１と比較され
（ステップ９１）、この中に入っているか否かが判定さ
れる（ステップ９２）。このとき、入っていない場合に
はテストピース上の対応する部分が形状不良であると判
断する（ステップ９８）。第１階層テーブル６１に含ま
れている場合には、次にそのブロツクに対応する第２階
層テーブル６２を参照し（ステップ９３）、同様の良否
判定が行われる（ステップ９４）。そして最後に、第２
階層テーブル６２に含まれている場合、そのブロツクに
対応する第３階層テーブル６３を参照し（ステップ９
５）、測定された軸線位置データに対応するテーブル内
のデータの０／１を判定し（ステップ９６）、１の場合
についてのみその軸線位置データが所定の形状に収まっ
ていると判断する（ステップ９７）。

以上の判定をテストピース上のあらゆる点について行
い、全ての点について軸線位置データが所定の形状に収
まっていたとき、テストピースを良品と判断し、また、
１点でも外れている場合には不良品と判断して、出力回
路７を介して良否判定結果及び不良箇所を出力・表示す
る。

なお、上記実施例においては、マスター形状の登録を測
定データに基づいて行っているが、必ずしも測定によら
なくてもよく、例えばＣＡＤデータに基づいて登録して
も差し支えない。さらに、形状マスターの投影パターン
を作成する際に、直交座標系の各座標軸からなる平面へ
の投影を用いたが、本発明の趣旨は必ずしもこれに限定
されるものではなく、形状マスターを一意に表現できる
ものであれば、例えば円筒座標系における（Ｒ，θ）平
面と（θ，Ｚ）平面への投影パターンを用いてもよい。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、対象物の軸線形状をパタ
ーンマッチング方式で比較しその良否を判定するもので
あり、基準となる基準軸線形状が３次元２値パターンと
して表現されており、許容範囲分だけ太線化され、さら
に複数方向の各々の投影パターンを分解能の低いマクロ
な第１階層から分解能の高いミクロな第ｎ階層に至るｎ
段の階層構造とし、かつ、第ｉ階層（ｉ＝２，３，…，
ｎ）の形状パターンは第（ｉ−１）階層の形状パターン
のうち、基準軸線形状を含むブロツクについてのみ抽出
する構成としてあらかじめ登録されているので、対象物
の軸線形状との判定を高速かつ正確に行えるとともに、
メモリ容量が小さなもので済むという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による形状判定方向に使用する形状測定
装置の外観図、第２図はこの形状測定装置の内部構成
図、第３図は本発明による形状判定装置の一実施例を示
すブロツク図、第４図は形状判定装置の出力波形図、第
５図（ａ）〜（ｄ）は各平面に対する軸線投影パターン
を示す説明図、第６図は形状マスターテーブルの第１階
層テーブルを示す説明図、第７図は形状マスターテーブ
ルの第２階層テーブルを示す説明図、第８図は形状マス
ターテーブルの第３階層テーブルを示す説明図、第９図
は第３図に示した形状判定装置の動作を示すフローチヤ
ート、第１０及び第１１図はそれぞれ従来の機械的検査
方法に使用される検査治具の構成図である。 １…対象物 ４…シルエット像撮像装置 １２…軸線位置検出回路 １３…座標変換回路 １４…形状マスターテーブル演算回路 １５…形状マスターテーブル １６…良否判定回路 １７…出力回路 ５０ａ〜５０ｄ…軸線投影パターン ６１…第１階層テーブル ６２…第２階層テーブル ６３…第３階層テーブル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対象物の軸線形状を、複数方向へ投影して
   得られる投影パターンに基づき各方向について許容範囲
   を含む分だけ拡大され太線化された基準軸線形状と比較
   対照することにより曲り形状の良否を判定するものにお
   いて、 前記基準軸線形状は分解能の低いマクロな第１階層の形
   状パターンから分解能の高いミクロな第ｎ階層の形状パ
   ターンに至るｎ段の階層に分かれており、かつ第ｉ階層
   （ｉ＝２，３，…，ｎ）の形状パターンは第（ｉ−１）
   階層の形状パターンのうち前記基準軸線形状を含むブロ
   ックについてのみ抽出されるようになっており、前記対
   象物の軸線形状を前記基準軸線形状の第１階層から第ｎ
   階層まで順次比較することにより曲り形状の良否を判定
   することを特徴とする投影による物体の形状判定方法。
2. 【請求項２】対象物の軸線形状及び基準となる基準軸線
   形状のシルエット像撮像装置と； 前記対象物の軸線形状及び基準軸線形状について前記シ
   ルエット像撮像装置で得られる複数方向の投影パターン
   からそれぞれの軸線位置を検出する軸線位置検出手段
   と； 前記基準軸線形状について前記シルエット像撮像装置で
   得られる複数方向の投影パターンにそれぞれ対応して設
   けられ、かつ分解能の低いマクロな第１階層の形状パタ
   ーンから分解能の高いミクロな第ｎ階層の形状パターン
   に至るｎ段の階層構造を有し、さらに第ｉ階層（ｉ＝
   ２，３，…，ｎ）の形状パターンは第（ｉ−１）階層の
   形状パターンのうち前記基準軸線形状を含むブロツクに
   ついてのみ抽出して有するように構成された複数の形状
   マスターテーブルと； 前記基準軸線形状の各投影パターンを許容範囲を含む分
   だけ拡大し太線化した前記形状マスターテーブルに登録
   する形状マスターテーブル演算手段と； を備えてなることを特徴とする投影による物体の形状判
   定装置。