JPH0735968B2 - 長尺状材料用３次元形状測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、長尺状の材料を曲げ加
工した被測定物の形状を測定する長尺状材料用３次元形
状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、長尺状材料を曲げ加工した被
測定物、例えば３次元形状に曲げ加工された被測定物
が、当初の設計値通りに曲げ加工されたかどうかを測定
するための測定装置として、特開昭６２−３６５１４号
公報にあるように、接触子を有するものが知られてい
る。このような測定装置では、３次元的に移動可能な３
次元移動機構に接触子を支承し、接触子を被測定物の外
周に接触させたときの３次元移動機構の移動量を検出し
ている。そして、複数の接触点の座標から被測定物の形
状を測定するものが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
た従来の測定装置では、接触子を３次元的に移動させる
ために、３次元移動機構を設けなければならず、構成が
複雑であるという問題があった。また、操作者が接触子
を持って、被測定物の外周に接触させるように移動させ
なければならず、操作が煩わしいという問題があった。

【０００４】そこで本発明は上記の課題を解決すること
を目的とし、構成が簡単で、また操作が簡単な長尺状材
料用３次元形状測定装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成すべ
く、本発明は課題を解決するための手段として次の構成
を取った。即ち、図１に例示する如く、平面上に載置さ
れた長尺状材料を曲げ加工した被測定物Ｍ１の全体を２
次元画像として検出する全体検出器Ｍ２と、該全体検出
器Ｍ２からの２次元画像に基づいて前記被測定物Ｍ１の
直線部の中心点を検出する中心点検出手段Ｍ３とを備
え、前記平面上をスキャン可能で、前記被測定物Ｍ１の
一部の測定個所を前記全体検出器Ｍ２の画像よりも拡大
された２次元画像として検出する第１、第２画像検出器
Ｍ４，Ｍ５を、所定距離離れて所定位置に配置すると共
に、前記中心点検出手段Ｍ３により検出された前記中心
点に基づいて、前記第１、第２画像検出器Ｍ４，Ｍ５を
制御して前記平面上をスキャンさせ、前記被測定物Ｍ１
の直線部を検出させる画像制御手段Ｍ６と、前記第１、
第２画像検出器Ｍ４，Ｍ５による前記被測定物Ｍ１の画
像から、前記被測定物Ｍ１の前記平面上への投影中心線
をそれぞれ算出する投影算出手段Ｍ７と、前記算出した
両投影中心線及び前記第１、第２画像検出器Ｍ４，Ｍ５
の位置から、これらを含むそれぞれの平面を算出し、両
平面の交線を被測定物Ｍ１の中心線として算出する中心
線算出手段Ｍ８とを備えたことを特徴とする長尺状材料
用３次元測定装置の構成がそれである。

【０００６】

【作用】前記構成を有する長尺状材料用３次元形状測定
装置は、全体検出器Ｍ２が、平面上に載置された長尺状
材料を曲げた被測定物Ｍ１の全体を２次元画像として検
出し、中心点検出手段Ｍ３が、全体検出器Ｍ２からの２
次元画像に基づいて被測定物Ｍ１の直線部の中心点を検
出する。そして、画像制御手段Ｍ６が、中心点検出手段
Ｍ３により検出された中心点に基づいて、第１、第２画
像検出器Ｍ４，Ｍ５を制御して平面上をスキャンさせ
て、第１、第２画像検出器Ｍ４，Ｍ５が、被測定物Ｍ１
の直線部の２次元画像を検出する。投影算出手段Ｍ７
が、２次元画像から平面上への投影中心線をそれぞれ算
出し、中心線算出手段Ｍ８が、投影中心線及び第１、第
２画像検出器Ｍ４，Ｍ５の位置から、これらを含む平面
を算出し、両平面の交線を被測定物Ｍ１の中心線として
算出する。

【０００７】

【実施例】以下本発明の実施例を図面に基づいて詳細に
説明する。図２は本発明の一実施例である長尺状材料用
３次元形状測定装置の概略構成図である。１は載置台で
あり、本実施例では、長方形状の半透明の磨りガラスで
形成されており、上側は平坦な平面２にされている。本
実施例では、この平面２の短辺方向をＸ軸、長辺方向を
Ｙ軸とされており、平面２上には、各軸に沿って、一定
間隔の目盛り４，６が描かれている。また、平面２と垂
直方向がＺ軸とされて、平面２を基準としてＸＹＺ座標
が定められている。

【０００８】尚、目盛り４，６は、平面２上に碁盤の目
状に単位長さ毎に線を描いたものでもよく、あるいは、
その交点にマーク等を描いたものであってもよい。載置
台１の下側には、蛍光灯８が設けられており、載置台１
を透過して、載置台１上に載置される被測定物１０を照
らし出すようにされている。ここで、被測定物１０とし
ては、丸棒やパイプ等の長尺状の材料を３次元的に曲げ
加工したものを対象としている。

【０００９】また、載置台１の上方には、全体検出器１
２が設けられており、この全体検出器１２は、２次元撮
像素子１３ａを備え、レンズ１３ｂにより、２次元撮像
素子１３ａ上に載置台１の全体像が、本実施例では、７
５０ｍｍ（Ｘ軸）×１２５０ｍｍ（Ｙ軸）の範囲の像が
形成されるようにされている。この２次元撮像素子１３
ａは、本実施例では、画像を５１２×５１２の画素に分
解し、各素子によって量子化されて、素子毎に光量に応
じた電荷量に光電変換された後、画像データとして出力
するようにされている。

【００１０】この全体検出器１２は、本実施例では、平
面２の中央の真上に設けられている。そして、前記２次
元撮像素子１３ａの中央が、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を座標軸
とする座標の所定位置（ｘ0 ，ｙ0 ，ｚ0 ）にあること
が予め測定されている。更に、この全体検出器１２の両
側に、第１、第２画像検出器１４，１６がＹ軸方向に所
定距離離れて、また、平面２から所定高さの位置に設け
られている。この第１、第２画像検出器１４，１６は、
同一構成であるので、一方の第１画像検出器１４につい
て、図３によって、詳細に説明する。

【００１１】この第１画像検出器１４は、第１、第２ス
キャナ１８，２０を備え、第１スキャナ１８は、平面２
上に載置された被測定物１０を写す鏡２２をＸ軸と平行
な軸の廻りに、図４に示すように、パルスモータ２３に
より回転する構成のものである。そして、第２スキャナ
２０は、前記鏡２２に写し出された像を写す鏡２４をＺ
軸と平行な軸の廻りに、パルスモータ２５により回転す
る構成のものである。

【００１２】また、第１画像検出器１４は、２次元撮像
器２６を備え、この２次元撮像器２６は、２次元撮像素
子２８を有し、前記鏡２４に写し出された像がレンズ３
０により、２次元撮像素子２８上に形成されるように配
置されている。この２次元撮像素子２８は、本実施例で
は、画像を５１２×５１２の画素に分解し、各素子によ
って量子化されて、素子毎に光量に応じた電荷量に光電
変換された後、画像データとして出力するようにされて
いる。

【００１３】前記２次元撮像素子２８上に形成される像
の大きさは、平面２上に載置された被測定物の一部の測
定箇所の像であり、測定精度と画素の数５１２×５１２
との関係で定められる。本実施例では、平面２上で１５
０ｍｍ×１５０ｍｍの範囲を拡大画像データとして出力
することができるようにされている。また、この２次元
撮像素子２８の中心が、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を座標軸とす
る座標の所定位置（ｘ1 ，ｙ1 ，ｚ1 ）にあることが予
め測定されている。

【００１４】この所定位置（ｘ1 ，ｙ1 ，ｚ1 ）は、２
次元撮像素子２８の実際の座標上の位置ではなく、鏡２
２，２４で反射されるため、光学的な座標上の位置であ
る。本実施例では、平面２上の被測定物１０と鏡２２と
を結んだ延長上にあり、かつ、鏡２２の位置から、鏡２
２と鏡２４と２次元撮像素子２８とを結んだ距離に等し
い位置にある。

【００１５】一方、第２画像検出器１６も、第１画像検
出器１４と同様に、第１、第２スキャナ３２，３４を備
えると共に、２次元撮像器３５を備えている。図４に示
すように、第１スキャナ３２は、鏡３６をパルスモータ
３７により回転させ、また、第２スキャナ３４も、鏡３
８をパルスモータ３９により回転させて、平面２上を走
査できるようにされている。そして、２次元撮像器３５
は、図示しない２次元撮像素子を備え、この２次元撮像
素子の中心の座標も、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の座標の所定位
置（ｘ2 ，ｙ2 ，ｚ2 ）にあることが予め測定されてい
る。

【００１６】前記全体検出器１２、第１、第２画像検出
器１４，１６は、制御回路４０に接続されており、制御
回路４０は、周知のＣＰＵ４２、制御用のプログラムや
データを予め格納するＲＯＭ４４、読み書き可能なＲＡ
Ｍ４６を中心に論理演算回路として構成され、入出力回
路４８がコモンバス５０を介して相互に接続されて、外
部との入出力を行うよう構成されている。

【００１７】そして、ＣＰＵ４２は、入出力回路４８を
介して、全体検出器１２、第１、第２画像検出器１４，
１６から画像データを入力し、また、これらの信号、Ｒ
ＯＭ４４、ＲＡＭ４６内のプログラムやデータ等に基づ
いてＣＰＵ４２は、入出力回路４８を介して、ディスプ
レイ５２に測定結果を表示するようにされている。

【００１８】次に、本実施例の長尺状材料用３次元形状
測定装置の作動について、図５のフローチャートによっ
て説明する。まず、電源を投入すると、第１、第２画像
検出器１４，１６により、平面２上をスキャンして、補
正する処理を実行する（ステップ１００）。本実施例で
は、第１、第２画像検出器１４，１６が、平面２上を光
学的にスキャンして、画像データを出力するものである
ので、平面２上の写し出す角度、即ちＸＹ平面上での位
置によって、画像データとして出力される被測定物１０
の長さが異なる。

【００１９】そこで、パルスモータ２２，２３，３７，
３９を回転させて、平面２上に描かれた目盛り４，６上
を走査し、パルスに対応したＸＹ軸の座標の各位置にお
ける画像データを読み込む。そして、目盛り４，６の１
間隔の画素数を単位長さとして、平面２上での各位置に
おける単位長さの補正データを得る。

【００２０】そして、平面２上に載置された被測定物１
０の全体を、全体検出器１２で検出し、全体の画像デー
タを読み込む（ステップ１１０）。この全体画像データ
を所定しきい値により２値化処理し、その輪郭から、被
測定物１０の直線部分の中心点を検出すると共に、被測
定物１０の端点を検出する（ステップ１２０）。

【００２１】図２に示す場合を例にすると、全体検出器
１２による画像データは、平面２上への被測定物１０の
投影像に対応し、この投影像の直線部分の第１〜第３中
心点ａ，ｂ，ｃの各点のＸＹ座標（ｘa ，ｙa ）、（ｘ
b，ｙb ）、（ｘc ，ｙc ）を算出する。また、被測定
物１０の画像の両端を、仮の端点ｄ，ｅとして、そのＸ
Ｙ座標（ｘd ，ｙd）、（ｘe ，ｙe ）を算出する。

【００２２】続いて、第１、第２画像検出器１４，１６
の画像の中心が、第１中心点ａ（ｘa ，ｙa ）と合うよ
うに、パルスモータ２３，２５，３７，３９にパルス信
号を出力して、第１スキャナ１８，３２、第２スキャナ
２０，３４をそれぞれ回転させる（ステップ１３０）。
そして、この画像に被測定物１０があるか否かが判断さ
れる（ステップ１４０）。

【００２３】例えば、図２に示すように、被測定物１０
の３次元座標の第１中心点Ａが、平面２上から所定の高
さの位置にあるときは、平面２上の第１中心点ａに画像
中心を合わせたのでは、被測定物１０の画像が得られな
い場合がある。この場合には、第１スキャナ１８，３
２、第２スキャナ２０，３４を回転させることにより、
スキャンして、被測定物１０が画像の中心に来るように
する（ステップ１５０）。

【００２４】３次元座標の中心点Ａは、全体検出器１２
の中心の座標（ｘ0 ，ｙ0 ，ｚ0 ）と、投影像である平
面２上の中心点ａ（ｘa ，ｙa ）とを結んだ直線上にあ
る。従って、スキャンする際には、この直線上をたどっ
てスキャンして、スキャンする時間を短縮するようにし
ている。

【００２５】そして、図６に示すように、第１画像検出
器１４による画像のほぼ中心に、被測定物１０が来るよ
うにスキャンする。また、図７に示すように、第２画像
検出器１６による画像のほぼ中心に、被測定物１０が来
るようにスキャンする。画像の中心に来ると、スキャン
を停止し、第１、第２画像検出器１４，１６からの拡大
画像データを読み込む（ステップ１６０）。

【００２６】次に、この拡大画像データは平面２上への
被測定物１０の投影像に対応し、拡大画像データを所定
のしきい値により２値化処理する。その輪郭から、平面
２上におけるそれぞれの投影中心線ｇ，ｈを、下記式の
如く、ＸＹ座標系で算出する（ステップ１７０）。

【００２７】Ｙ＝Ａg Ｘ＋Ｂg Ｙ＝Ａh Ｘ＋Ｂh 続いて、これらの投影中心線ｇ，ｈを示す式と、第１、
第２画像検出器１４，１６の位置座標（ｘ1 ，ｙ1 ，ｚ
1 ）、（ｘ2 ，ｙ2，ｚ2 ）とから、被測定物１０のＸ
ＹＺ座標系における第１中心線Ｌa を算出する（ステッ
プ１８０）。この第１中心線Ｌa の算出は、まず、図８
に示すように、投影中心線ｇ，ｈと、第１、第２画像検
出器１４，１６の位置座標（ｘ1 ，ｙ1 ，ｚ1 ）、（ｘ
2 ，ｙ2，ｚ2 ）とを含むＸＹＺ座標系におけるｍ、ｎ
平面を下記式の如く算出する。

【００２８】Ａm Ｘ＋Ｂm Ｙ＋Ｃm Ｚ＋Ｄm ＝０ Ａn Ｘ＋Ｂn Ｙ＋Ｃn Ｚ＋Ｄn ＝０ 次に、このｍ、ｎ平面の交線が被測定物１０の第１中心
線Ｌa であることから、前記のｍ、ｎ平面の式から、第
１中心線Ｌa を下記式の如く、２つの一次方程式として
算出する。

【００２９】Ｙ＝ＡLaＸ＋ＢLa Ｚ＝ＣLaＸ＋ＤLa そして、前記ステップ１２０の処理により算出した全て
の第１〜第３中心点ａ，ｂ，ｃについて、前記ステップ
１３０〜１８０の処理を実行したか否かを判断する（ス
テップ１９０）。

【００３０】全ての第１〜第３中心点ａ，ｂ，ｃについ
て前述した処理を実行し、第１〜第３中心線Ｌa ，Ｌb
，Ｌc を算出すると、次に、端点Ｄ，Ｅについて、そ
の座標を検出する（ステップ２００）。端点Ｄ，Ｅの検
出は、まず、前記ステップ１２０の処理により検出した
端点ｄ，ｅが、第１、第２画像検出器１４，１６の画像
の中心に来るように、スキャンする。

【００３１】そして、画像データを所定のしきい値によ
り２値化処理し、被測定物１０の端部外周の輪郭から、
ＸＹ座標系におけるその曲線の方程式を算出する。図９
に示すように、被測定物１０の端面が円形であるときに
は、この輪郭曲線は楕円である。この楕円が円形になる
ように、その楕円を含む面を立て、立てた角度を算出す
る。この角度から、第１中心線Ｌa と直交する平面の方
程式を算出し、この平面と第１中心線Ｌa との交点が端
点Ｄ，Ｅとして算出される。

【００３２】こうして、算出した各中心線Ｌa ，Ｌb ，
Ｌc の交点ｉ，ｊ、及び端点Ｅ，Ｄを、図１０に示すよ
うに、ディスプレイ５２に立体的に表示すると共に、Ｘ
ＹＺ座標で表示する（ステップ２１０）。このように、
前述した本実施例の長尺状材料用３次元形状測定装置
は、全体検出器１２が、被測定物１０の全体画像を検出
し、この全体画像データに基づいて、被測定物１０の直
線部の中心点ａ，ｂ，ｃ及び仮の端点ｄ，ｅを検出する
（ステップ１２０）。そして、第１、第２画像検出器１
４，１６が、この中心点ａ，ｂ，ｃに基づいて、被測定
物１０の直線部の拡大画像を検出する。次に、拡大画像
データから平面２上のＸＹ座標系の投影中心線ｇ，ｈを
算出し、第１、第２画像検出器１４，１６の位置座標
（ｘ1 ，ｙ1 ，ｚ1 ）、（ｘ2 ，ｙ2 ，ｚ2 ）とから、
被測定物１０のＸＹＺ座標系における第１中心線Ｌa を
算出する（ステップ１８０）。これを各中心点ｂ，ｃに
ついて繰り返し実行して、被測定物１０の各中心線Ｌa
，Ｌb ，Ｌc を算出する（ステップ１９０）。

【００３３】従って、平面２上に被測定物１０を載置
し、全体検出器１２及び第１、第２画像検出器１４，１
６を配置した簡単な構成で、また、３次元形状に曲げ加
工された被測定物１０を平面２上に載置するだけの簡単
な操作で、被測定物１０の形状を測定することができ
る。

【００３４】

【００３５】

【００３６】尚、第１、第２スキャナ１８，２０，３
２，３４を設けることなく、第１、第２画像検出器をＸ
軸及びＹ軸と平行に機械的に移動できるようにして、平
面２上の被測定物を走査できるように構成してもよい。
そして、被測定物の測定箇所毎に第１、第２画像検出器
を移動して、画像データを得、前記ステップ１３０以下
の処理を実行する構成としても実施可能である。

【００３７】

【００３８】次に、前述した実施例の第１、第２スキャ
ナ１８，２０，３２，３４と異なる構成を有する他のス
キャナ６０の実施例について、図１１によって説明す
る。このスキャナ６０は、１個の鏡６２を備え、この鏡
６２は、略Ｕ字型の回転枠６４に、鏡面と平行な回転軸
６６により、回転可能に支承されている。そして、この
回転軸６６は、回転枠６４に固定されたパルスモータ６
８により回転されるように構成されている。

【００３９】また、回転枠６４は、回転軸６６と直交す
る軸の廻りに回転するパルスモータ７０により回転され
るように形成されている。このスキャナ６０を、第１画
像検出器１４の第１、第２スキャナ１８，２０に代えて
配置し、前記鏡６２に写し出された像がレンズ３０によ
り、２次元撮像素子２８上に形成されるようにし、２次
元撮像器２６から画像データが出力されるようにされ
る。第２画像検出器１６についても、第１、第２スキャ
ナ３２，３４に代えてこのスキャナ６０を配置する。

【００４０】このスキャナ６０を備えた第１及び第２画
像検出器１４，１６を、回転軸６６が、Ｘ軸及びＹ軸に
共に４５度の角度を成すように取り付けると共に、それ
ぞれの前記所定位置（ｘ1 ，ｙ1 ，ｚ1 ），（ｘ2，ｙ2
，ｚ2 ）に設けることにより、前述したと同様にして
実施可能である。このスキャナ６０を用いることによ
り、装置を小型化することができる。

【００４１】あるいは、このスキャナ６０と２次元撮像
器２６とを備えた一台の画像検出器を、前記所定位置
（ｘ1 ，ｙ1 ，ｚ1 ），（ｘ2 ，ｙ2 ，ｚ2 ）間で図示
しない機械的な移動機構により移動するように構成する
ことも可能である。このときには、一台の画像検出器
が、一方の所定位置（ｘ1 ，ｙ1 ，ｚ1 ）にあるときに
は、第１画像検出器１４として働き、他方の所定位置
（ｘ2 ，ｙ2 ，ｚ2 ）にあるときには、第２画像検出器
１６として働き、前述した実施例と同様にして被測定物
１０の形状を測定することもできる。

【００４２】以上本発明はこの様な実施例に何等限定さ
れるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲にお
いて種々なる態様で実施し得る。

【００４３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の長尺状材料
用３次元形状測定装置は、全体検出器及び第１、第２画
像検出器を配置した簡単な構成で、また、平面上に被測
定物を載置するだけで、その後の測定のための操作を必
要とせず、被測定物の各直線部について中心線を算出す
ることができるので、簡単な操作で３次元形状に曲げ加
工された被測定物の形状を測定することができるという
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の長尺状材料用３次元形状測定装置の基
本的構成を例示するブロック図である。

【図２】本実施例の長尺状材料用３次元形状測定装置の
概略構成図である。

【図３】本実施例の長尺状材料用３次元形状測定装置の
画像検出器の概略構成図である。

【図４】本実施例の長尺状材料用３次元形状測定装置の
電気系統の構成を示すブロック図である。

【図５】本実施例の長尺状材料用３次元形状測定装置の
制御回路において実行される形状測定処理の一例を示す
フローチャートである。

【図６】本実施例の第１画像検出器により検出される２
値化処理後の画像を示す説明図である。

【図７】本実施例の第２画像検出器により検出される２
値化処理後の画像を示す説明図である。

【図８】本実施例の投影中心線を含む平面からの中心線
算出を説明する説明斜視図である。

【図９】本実施例の被測定物の端部からの端点算出を説
明する説明図である。

【図１０】本実施例の被測定物の測定結果の表示例を示
す説明図である。

【図１１】別の実施例としてのスキャナの斜視図であ
る。

【符号の説明】

Ｍ１，１０…被測定物 Ｍ２，１２…全体検出
器 Ｍ３…中心点検出手段 Ｍ４，１４…第１画像
検出器 Ｍ５，１６…第２画像検出器 Ｍ６…画像制御手段 Ｍ７…投影算出手段 Ｍ８…中心線算出手段 ２…平面 １ ８…第１スキャナ ２０…第２スキャナ ４０…制御回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平面上に載置された長尺状材料を曲げ加工
   した被測定物の全体を２次元画像として検出する全体検
   出器と、該全体検出器からの２次元画像に基づいて前記
   被測定物の直線部の中心点を検出する中心点検出手段と
   を備え、前記平面上をスキャン可能で、前記被測定物の
   一部の測定個所を前記全体検出器の画像よりも拡大され
   た２次元画像として検出する第１、第２画像検出器を、
   所定距離離れて所定位置に配置すると共に、前記中心点
   検出手段により検出された前記中心点に基づいて、前記
   第１、第２画像検出器を制御して前記平面上をスキャン
   させ、前記被測定物の直線部を検出させる画像制御手段
   と、前記第１、第２画像検出器による前記被測定物の画
   像から、前記被測定物の前記平面上への投影中心線をそ
   れぞれ算出する投影算出手段と、前記算出した両投影中
   心線及び前記第１、第２画像検出器の位置から、これら
   を含むそれぞれの平面を算出し、両平面の交線を被測定
   物の中心線として算出する中心線算出手段とを備えたこ
   とを特徴とする長尺状材料用３次元測定装置。