JPH0926316A - 非接触三次元変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 機械的駆動を行うことなく、非接触測定によ
りタッチプローブのスタイラスの復帰位置精度を評価す
ることを可能とした非接触三次元変位検出装置を提供す
る。 【構成】 固定されたタッチトリガプローブ３のスタイ
ラス４先端に測定部材５を取付け、Ｘ軸方向から撮像系
７ａ，８ａにより部材５の一方の平面を撮像し、Ｙ軸方
向から撮像系７ｂ，８ｂにより他方の平面を撮像し、得
られた画像を画像処理装置９に送って、各画像上の二つ
の稜線に対応する直線を求め、それぞれの二つの直線の
交点の画像座標値を求め、更に各画像上で求められた交
点の画像座標値に基づいて、測定部材５の３稜線の交点
の三次元座標値を求める。そしてスタイラス４を変位さ
せて逃げ動作，復帰動作を行わせる前後における前記三
次元空間座標値に基づいてスタイラス４先端の復帰位置
ずれを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、三次元座標測定機用
のタッチプローブの復帰精度を非接触で測定評価するた
めの非接触三次元変位検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】三次元座標測定機用のタッチプローブに
取り付けられたスタイラスは、ワークに接触すると逃げ
動作を行い、外部からの力がなくなると元の位置に復帰
するようになっている。このスタイラスの逃げ動作と復
帰動作を行うメカニズムは着座機構と呼ばれる。通常タ
ッチプローブは、スタイラスがワークに接触したことを
検出する接触センサがついており、これがトリガ信号を
出すように構成されている（例えば、特公昭５８−１７
４０２号公報参照）。このようなプローブは、タッチト
リガプローブと呼ばれる。

【０００３】高精度タッチトリガプローブの復帰誤差
は、接触センサのばらつき（接触方向、接触時のスピ
ード等に依存）と、着座機構の復帰位置誤差（方向、
バネの押し付け力、復帰時のスピード等に依存）に大別
される。一般に接触センサは十分高感度であり、の誤
差はの誤差に比べて小さく、タッチトリガプローブの
精度は、殆ど着座機構により支配され、これが測定誤差
発生の原因となる。従来このタッチトリガプローブの検
出精度を測定評価するには、高精度の三次元座標測定機
あるいは専用の高精度移動機構が用いられていた。例え
ば、三次元座標測定機にタッチトリガプローブを取り付
けて、スタイラスをワークに接触させ、トリガ信号によ
って三次元座標測定機のＸ，Ｙ，Ｚの座標値を取り込む
動作を繰り返し行い、取り込んだ座標値のばらつきから
スタイラスの復帰精度を測定評価する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし従来の方法で
は、高精度のタッチトリガプローブを評価しようとする
と、前述の，の誤差に加えて、三次元座標測定機
あるいは高精度移動機構が移動することにより発生する
振動や揺れによる誤差が含まれてしまい、しかもこれを
分離できない。したがってタッチプローブ単体の誤差
，のみを測定評価することができないという問題が
あった。

【０００５】この発明は、上記事情を考慮してなされた
もので、機械的駆動を行うことなく、非接触測定により
タッチプローブの復帰位置精度を評価することを可能と
した非接触三次元変位検出装置を提供することを目的と
している。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、タッチプロ
ーブのスタイラス先端の復帰位置ずれを非接触で検出す
るための三次元変位検出装置であって、Ｘ，Ｙ，Ｚの三
次元空間のＺ軸に沿って固定されたタッチプローブのス
タイラス先端に取り付けられて、互いに直交する二つの
平面を有し、これらの二つの平面にはそれぞれ二つの平
面で決まる稜線の他にその稜線と一点で交わるもう一つ
の稜線を有する測定部材と、Ｘ軸方向から前記測定部材
の二つの平面のうち一方の平面にある二つの稜線を含む
画像を撮像する第１の撮像手段と、Ｙ軸方向から前記測
定部材の二つの平面のうち他方の平面にある二つの稜線
を含む画像を撮像する第２の撮像手段と、前記第１の撮
像手段により得られた画像データを処理して、二つの稜
線にそれぞれに対応する直線を、それぞれ少なくとも二
つ以上の点の画像座標値から求める第１の直線検出手段
と、この第１の直線検出手段により求められた二つの直
線の交点の画像座標値を求める第１の交点検出手段と、
前記第２の撮像手段により得られた画像データを処理し
て、二つの稜線にそれぞれに対応する直線を、それぞれ
少なくとも二つ以上の点の画像座標値から求める第２の
直線検出手段と、この第２の直線検出手段により求めら
れた二つの直線の交点の画像座標値を求める第２の交点
検出手段と、前記第１および第２の交点検出手段により
求められた各交点の画像座標値に基づいて、前記測定部
材の３つの稜線の交点の三次元空間座標値を求める三次
元位置検出手段と、前記スタイラスを変位させて逃げ動
作および復帰動作を行わせる前後における前記三次元位
置検出手段により求まる三次元空間座標値に基づいて前
記スタイラス先端の復帰位置ずれを検出する位置ずれ検
出手段とを備えたことを特徴としている。

【０００７】この発明において好ましくは、前記スタイ
ラス先端に取り付ける測定部材は立方体とする。あるい
は測定部材として直方体、四角錐等を用いることもでき
る。

【０００８】

【作用】この発明によると、スタイラス先端に所定形状
の測定部材を取り付けたタッチプローブを適当なフレー
ム等を用いて三次元空間のＺ軸方向に固定した状態で、
Ｘ，Ｙ軸方向から測定部材の二つの平面を撮像し、画像
処理によって測定部材の一点の空間座標を非接触で検出
することができる。そしてこの空間座標検出動作を、ス
タイラスに所定の変位を与えて逃げ動作および復帰動作
を行わせる前後において行うことで、スタイラス先端の
復帰位置ずれを検出することができる。

【０００９】したがってこの発明によると、タッチプロ
ーブは固定状態で、従来の三次元座標測定機を用いた場
合のような機械駆動を行わないから、振動や揺れ等の影
響がなくなり、タッチプローブ自体の正確な復帰精度の
測定評価が可能になる。また、高価な高精度三次元座標
測定機や高精度移動機構を必要としない。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施例を
説明する。図１は、この発明の一実施例に係る変位検出
装置の構成を示す。ベース１に一体形成されたフレーム
２に、図示のように測定しようとするタッチトリガプロ
ーブ３が、Ｘ，Ｙ，Ｚの三次元空間座標のＺ軸に沿って
吊り下げられた状態に取り付け固定される。プローブ３
には、外力により逃げ動作および復帰動作を行うスタイ
ラス４が取り付けられ、スタイラス４の先端には、スタ
イラス４の先端位置測定に供される測定部材５が取り付
けられている。測定部材５はこの実施例では立方体であ
る。

【００１１】フレーム２に固定されたテーブル６ａに
は、スタイラス先端の測定部材５をＸ軸方向から撮像す
るために、照明系を含む拡大光学系７ａが載置され、こ
の光学系７ａにはその拡大像を撮像するＣＣＤカメラ８
ａが取り付けられている。フレーム２に固定されたもう
一つのテーブル６ｂには同様に、測定部材５をＹ軸方向
から撮像するための拡大光学系７ｂとＣＣＤカメラ８ｂ
が備えられている。光学系７ａ，７ｂはそれぞれ、測定
部材５の直交する二つの平面の所定箇所にフォーカス調
整される。

【００１２】ＣＣＤカメラ８ａ，８ｂにより得られた画
像信号は、画像処理装置９に送られ、後述するようにホ
ストコンピュータ１０との協動で画像処理がなされ、測
定部材５の特定の位置の検出、即ちスタイラス４の先端
位置の検出と、復帰動作の精度評価が行われるようにな
っている。またこの実施例では、スタイラス４の逃げ動
作および復帰動作を自動的に行うため、直動のアクチュ
エータ１１が備えられている。このアクチュエータ１１
は、コンピュータ１０により制御されて、図１に破線で
示すようにスタイラス４をはじくようになっている。但
し、アクチュエータ１１を備えることなく、マニュアル
でスタイラス先端をはじいて、逃げ動作を行わせるよう
にしてもよい。

【００１３】次にこの実施例での具体的な位置測定の動
作を説明する。図２は、スタイラス４の先端に取り付け
た測定部材５の拡大図である。Ｘ軸方向からの撮像を行
う光学系７ａおよびＣＣＤカメラ８ａと、Ｙ軸方向から
の撮像を行う光学系７ｂおよびＣＣＤカメラ８ｂは、測
定部材５の一つの頂点５３を撮像できるように配置され
ている。即ち、Ｘ軸側から撮像する平面５１とＹ軸側か
ら撮像する平面５２とは互いに直交する関係にあり、Ｘ
軸方向からは、二つの平面５１，５２により決まる稜線
Ｂとこれとは別の平面５１上のもう一つの稜線Ａを同時
に含む画像を撮像する。Ｙ軸方向からは、やはり稜線Ｂ
と平面５２上のもう一つ別の稜線Ｃを同時に含む画像を
撮像する。そして３つの稜線Ａ，Ｂ，Ｃが一点で交わる
頂点５３の空間座標を求めるのである。

【００１４】なお、測定部材５の配置については、それ
らの二つの平面５１，５２を、ベース１およびフレーム
２により決まる三次元空間座標のＸ軸、Ｙ軸とそれぞれ
直交させることは必ずしも必要ではない。上述のよう
に、Ｘ，Ｙ軸方向からそれぞれ二つずつの稜線Ａ，Ｂお
よびＢ，Ｃを含む画像が撮像できればよい。

【００１５】上述した撮像系の配置により、ＣＣＤカメ
ラ８ａ，８ｂにより得られる画像はそれぞれ、図３
（ａ），（ｂ）のようになる。即ち、ＣＣＤカメラ８ａ
からは、図３（ａ）に示すように、二つの稜線Ａ，Ｂが
交わる画像、ＣＣＤカメラ８ｂからは、図３（ｂ）に示
すように、二つの稜線Ｂ，Ｃが交わる画像が得られる。
図３（ａ）の画像は、横軸がＹ軸、縦軸がＺ軸であり、
図３（ｂ）の画像は、横軸がＸ軸、縦軸がＺ軸である。
なお、稜線Ａ，Ｂ，Ｃは図示のように画像上ではいわゆ
るエッジとして現れるから、以下画像上ではエッジと呼
ぶことにする。

【００１６】Ｘ軸方向から撮像した図３（ａ）の画像を
画像処理装置９で処理することにより、頂点５３のＹ，
Ｚ座標を求めることができ、Ｙ軸方向から撮像した図３
（ｂ）の画像を画像処理装置９で処理することにより、
頂点５３のＸ，Ｚ座標を求めることができる。したがっ
て、アクチュエータ１１によりスタイラス４の逃げ動作
と復帰動作を繰り返すことにより、頂点５３の復帰位置
のばらつき、即ちスタイラス４の復帰位置のばらつきを
検出できることになる。

【００１７】具体的に、Ｘ軸方向から撮像した図３
（ａ）の画像を例にとって、二つの稜線の交点である頂
点５３の検出法を次に説明する。図４（ａ）に示すよう
に、図３（ａ）に示す画像に対して４個のエッジ検出用
ツール２１〜２４を設定する。これらのツール２１〜２
４は、画像処理装置９内の画像メモリのアドレスに対応
して、エッジ検出のための画像メモリのグレーレベル
（明るさレベル）の変化点を読み出す場所を特定するシ
ンボルであって、撮像する画像が変わっても常に同じ位
置に設定される。

【００１８】いまの場合、ツール２１によりエッジＡ上
の一つの点３１の画像座標値を検出し、ツール２２によ
り同じくエッジＡ上の別の点３２の画像座標値を検出す
る。同様に、ツール２３によりエッジＢ上の一点３３の
座標値を検出し、ツール２４によりエッジＢ上のもう一
つの点３４の座標値を検出する。そして以上の検出結果
から、点３１と３２を結ぶ直線を算出し、同様に点３３
と３４を結ぶ直線を算出する。これらの直線はそれぞれ
エッジＡ，Ｂに相当するから、これらの直線の交点位置
として、頂点５３のＹ，Ｚ座標が求められる。

【００１９】一方、図４（ｂ）は、アクチュエータ１１
によりスタイラス４を押し込み、逃げ動作を行い復帰し
たときに、復帰位置に誤差があった場合の検出例を示
す。エッジ検出用ツール２１〜２４は前述のように固定
であり、これにより位置ずれしたエッジＡ上の点３
１′，３２′、エッジＢ上の点３３′，３４′が検出さ
れ、前述の処理と同様の処理により、頂点５３′の画像
座標値が求められる。

【００２０】なお、検出できる画像座標値は、各画像上
の原点からの座標差であるが、１画素に相当する寸法が
分かれば実寸法に換算できる。通常、既知の寸法をもつ
ワークの幅を検出し、その間に何画素あるかにより、１
画素に相当する寸法を算出することができる。

【００２１】図４で説明したのは、Ｘ軸方向の撮像系で
得られた画像の処理であり、これにより求められるの
は、逃げおよび復帰動作の前後におけるＹ−Ｚ面での頂
点５３，５３′の座標差である。図では示さないが、Ｙ
軸方向からの撮像画像に対しても同様の処理を行うこと
により、Ｘ−Ｚ面での頂点５３の変位を検出できる。そ
してこれらの検出結果から、頂点５３のＸ，Ｙ，Ｚの三
次元空間座標での復帰位置ずれが検出できることにな
る。

【００２２】以上の画像処理の一連のシーケンスはホス
トコンピュータ１０により制御される。その制御フロー
の概略を示せば、図５の通りである。前述のように、Ｘ
軸方向およびＹ軸方向からの撮像画像に基づいて、測定
部材５の頂点５３のＸ，Ｙ，Ｚ座標を算出する（Ｓ
１）。また、アクチュエータ１１を駆動してスタイラス
４の逃げ動作および復帰動作を行い（Ｓ２）、その後の
Ｘ軸方向およびＹ軸方向からの撮像画像に基づいて、測
定部材５の頂点５３′のＸ，Ｙ，Ｚ座標を算出する（Ｓ
３）。そして、頂点５３の座標と頂点５３′の座標の差
により、復帰位置ずれを算出する（Ｓ４）。以下、繰り
返し回数を判定しながら（Ｓ５）、同様の処理を必要回
数繰り返す。

【００２３】また、以上の画像処理を機能ブロックで示
せば、図６のようになる。第１の直線検出手段６１ａ
は、Ｘ軸方向からの撮像を行うＣＣＤカメラ８ａにより
得られる画像データを処理して、二つの稜線Ａ，Ｂにそ
れぞれに対応する直線を、それぞれ二つの点の画像座標
値から求める。第１の交点検出手段６２ａはこの第１の
直線検出手段６１ａにより求められた二つの直線の交点
の画像座標値を求める。第２の直線検出手段６１ｂは、
Ｙ軸方向からの撮像を行うＣＣＤカメラ８ｂにより得ら
れる画像データを処理して、やはり二つの稜線にそれぞ
れに対応する直線をそれぞれ二つの点の画像座標値から
求め、第２の交点検出手段６２ｂはこの第２の直線検出
手段６１ｂにより求められた二つの直線の交点の画像座
標値を求める。

【００２４】三次元位置検出手段６３は、上述の第１お
よび第２の交点検出手段６２ａ，６２ｂにより求められ
た各交点の画像座標値に基づいて、測定部材５の３つの
稜線の交点５３のＸ，Ｙ，Ｚの三次元空間座標値を求め
る。そして、位置ずれ検出手段６４は、スタイラス４を
変位させて逃げ動作および復帰動作を行わせる前後にお
ける三次元位置検出手段６３により求まる三次元空間座
標値に基づいて、スタイラス先端の復帰位置ずれを検出
する。

【００２５】以上の実施例では、スタイラス４の先端に
取り付ける測定部材５を立方体としたが、図７（ａ）に
示すような直方体でもよい。この場合も、図２に対応さ
せて符号を示したように、互いに直交する二つの平面５
１，５２を有し、一方の平面５１上に二つの稜線Ａ，Ｂ
を有し、他方の平面５２に稜線Ｂを共有して二つの稜線
Ｂ，Ｃを有し、これら３つの稜線Ａ，Ｂ，Ｃの一点に交
わる頂点５３を有するから、同様の撮像と画像処理によ
り、スタイラス４の復帰位置精度の検出ができる。縦長
の直方体でなく、横長の直方体であっても全く同様であ
る。

【００２６】更に、測定部材５は、図７（ｂ）に示すよ
うな四角錐でもよい。この場合も、図２との対応符号を
付してある。二つの平面５１，５２はやはり直交し、そ
れぞれの平面５１，５２に二つずつの稜線Ａ，Ｂおよび
Ｂ，Ｃが現れ、これらの交点としての頂点５３があるか
ら、同様の処理によって、スタイラス４の復帰位置検出
が可能である。

【００２７】なお実施例では、測定部材の稜線の撮像画
像上での直線式を求めるのに、２点検出を利用したが、
２点以上の多点検出を行って直線を求めてもよく、これ
により、より高精度の位置検出が可能になる。また実施
例では、評価しようとするタッチトリガプローブをフレ
ームに取り付けて非接触測定を行ったが、例えば三次元
座標測定機等に取り付けた状態で、測定機を駆動するこ
となく同様の非接触測定を行って、スタイラスの復帰位
置精度を検出評価することが可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、ス
タイラス先端に所定形状の測定部材を取り付けたタッチ
プローブを三次元空間のＺ軸方向に固定した状態で、
Ｘ，Ｙ軸方向から測定部材の二つの平面を撮像し、画像
処理によって測定部材の一点の空間座標を非接触で検出
し、この空間座標検出動作を、スタイラスに所定の変位
を与えて逃げ動作および復帰動作を行わせる前後におい
て行うことで、スタイラス先端の復帰位置ずれを検出す
ることができる。この発明によると、タッチプローブを
三次元座標測定機により機械駆動する場合と異なり、振
動や揺れ等の影響がなくなり、タッチプローブ自体の正
確な復帰精度の測定評価が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施例による変位検出装置の構
成を示す。

【図２】 同実施例に用いる測定部材を拡大して示す。

【図３】 同実施例の二つの撮像画像例を示す。

【図４】 同実施例の画像処理の動作を説明するための
図である。

【図５】 同実施例の画像処理の制御フローを示す。

【図６】 同実施例の画像処理の機能ブロックを示す。

【図７】 他の実施例に用いる測定部材を示す。

【符号の説明】

１…ベース、２…フレーム、３…タッチトリガプロー
ブ、４…スタイラス、５…測定部材、６ａ，６ｂ…テー
ブル、７ａ，７ｂ…拡大光学系、８ａ，８ｂ…ＣＣＤカ
メラ、９…画像処理装置、１０…ホストコンピュータ。
５１，５２…平面、Ａ，Ｂ，Ｃ…稜線、５３…頂点。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タッチプローブのスタイラス先端の復帰
   位置ずれを非接触で検出するための三次元変位検出装置
   であって、 Ｘ，Ｙ，Ｚの三次元空間のＺ軸に沿って固定されたタッ
   チプローブのスタイラス先端に取り付けられて、互いに
   直交する二つの平面を有し、これらの二つの平面にはそ
   れぞれ二つの平面で決まる稜線の他にその稜線と一点で
   交わるもう一つの稜線を有する測定部材と、 Ｘ軸方向から前記測定部材の二つの平面のうち一方の平
   面にある二つの稜線を含む画像を撮像する第１の撮像手
   段と、 Ｙ軸方向から前記測定部材の二つの平面のうち他方の平
   面にある二つの稜線を含む画像を撮像する第２の撮像手
   段と、 前記第１の撮像手段により得られた画像データを処理し
   て、二つの稜線にそれぞれに対応する直線を、それぞれ
   少なくとも二つ以上の点の画像座標値から求める第１の
   直線検出手段と、 この第１の直線検出手段により求められた二つの直線の
   交点の画像座標値を求める第１の交点検出手段と、 前記第２の撮像手段により得られた画像データを処理し
   て、二つの稜線にそれぞれに対応する直線を、それぞれ
   少なくとも二つ以上の点の画像座標値から求める第２の
   直線検出手段と、 この第２の直線検出手段により求められた二つの直線の
   交点の画像座標値を求める第２の交点検出手段と、 前記第１および第２の交点検出手段により求められた各
   交点の画像座標値に基づいて、前記測定部材の３つの稜
   線の交点の三次元空間座標値を求める三次元位置検出手
   段と、 前記スタイラスを変位させて逃げ動作および復帰動作を
   行わせる前後における前記三次元位置検出手段により求
   まる三次元空間座標値に基づいて前記スタイラス先端の
   復帰位置ずれを検出する位置ずれ検出手段とを備えたこ
   とを特徴とする非接触三次元変位検出装置。
2. 【請求項２】 前記測定部材は立方体であることを特徴
   とする請求項１記載の非接触三次元変位検出装置。