JP7722337B2 - Calibration method for three-dimensional shape measuring equipment, three-dimensional shape measuring device, and automatic processing device - Google Patents
Calibration method for three-dimensional shape measuring equipment, three-dimensional shape measuring device, and automatic processing deviceInfo
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Description
本発明は、3次元形状測定機器の校正方法、3次元形状測定装置及び自動加工装置に関する。 The present invention relates to a calibration method for a three-dimensional shape measuring instrument, a three-dimensional shape measuring device, and an automatic processing device.
製鉄所における厚板精製工程は、被測定物としての金属(鉄鋼、アルミニウム、チタン)製の厚板を精製する工程であり、この厚板精製工程においては、ガス切断やレーザー切断、プラズマ切断などの熱切断で厚板を切断する。そして、かかる厚板を切断した後、切断された厚板の長手方向、幅方向及び対角方向の寸法や平坦度を測定する作業を実施している。
ここで、従来の切断後の厚板の寸法や平坦度の測定においては、依然としてメジャーやハイトゲージなどを使用して人の手作業で行われることが多い。このような切断後の厚板の人手による測定作業は、重筋作業であり、作業足場が悪いことによる転倒災害や、ライン内立ち入り作業のため、切断装置との干渉による衝突・狭圧災害の危険が伴う作業である。また、手作業による測定のため、測定精度に個人差やヒューマンエラーが含まれる懸念や、測定点を多くとれないという課題がある。
The plate refining process in steelworks is a process for refining metal (steel, aluminum, titanium) plates as objects to be measured, and in this plate refining process, the plates are cut by thermal cutting such as gas cutting, laser cutting, plasma cutting, etc. After cutting the plates, the longitudinal, width, and diagonal dimensions and flatness of the cut plates are measured.
Conventional methods for measuring the dimensions and flatness of thick plates after cutting are still often performed manually using tools such as tape measures and height gauges. This manual measurement of thick plates after cutting requires heavy physical labor, and poses the risk of falls due to poor work footing, and the risk of collisions and pinch-in injuries due to interference with the cutting equipment when working inside the line. Furthermore, manual measurement raises concerns about individual differences and human error in measurement accuracy, as well as the issue of a limited number of measurement points.
このような課題を解決するため、厚板の寸法や平坦度を3次元測定装置を用いて自動で行うものとして、従来、例えば、特許文献1に示す光切断法による対象物の3次元測定装置が提案されている。
特許文献1に示す3次元測定装置は、対象物を載置するテーブルと、テーブルの両側端部に設けたアクチュエータと、対象物をいずれも複数方向から直角に照射するために設置された複数のスリット光の光源と、対象物からの反射光をそれぞれ撮像する複数のカメラとを備えている。また、3次元測定装置は、それぞれ互いに対をなす複数個所のスリット光の光源とカメラとを所定位置に支持するとともに、末端部にアクチュエータに沿って移動する移動機構を備えた門型フレームを備えている。更に、3次元測定装置は、各カメラからの画像データをそれぞれ処理する複数の画像処理装置と、各画像処理装置からの3次元計測データを演算処理するとともに、制御部を制御するコンピュータとを備えている。
In order to solve these problems, a three-dimensional measuring device for an object using a light-section method has been proposed in the past, as shown in Patent Document 1, for example, which automatically measures the dimensions and flatness of a thick plate using a three-dimensional measuring device.
The three-dimensional measuring device disclosed in Patent Document 1 includes a table on which an object is placed, actuators provided on both ends of the table, multiple slit light sources installed to illuminate the object from multiple directions at right angles, and multiple cameras that capture images of the light reflected from the object. The three-dimensional measuring device also includes a portal frame that supports the multiple pairs of slit light sources and cameras at predetermined positions and has a movement mechanism at its end that moves along the actuators. The three-dimensional measuring device also includes multiple image processing devices that process image data from each camera, and a computer that processes the three-dimensional measurement data from each image processing device and controls the control unit.
また、光切断法による3次元形状計測装置における光学ヘッド部のキャリブレーション装置として、従来、例えば、特許文献2に示すものが知られている。
特許文献2に示す3次元形状計測装置におけるキャリブレーション装置は、当該キャリブレーション装置において、スリット光源とカメラとを設置した光学ヘッドを分離可能に構成すると共に、分離した光学ヘッド部を所定姿勢で移動可能とする案内部を設けている。そして、キャリブレーション装置には、光学ヘッド部の移動方向に、寸法が既知のキャリブレーションブロックを下り階段状に複数列配置してある。そして、光学ヘッド部をキャリブレーション装置の案内部に沿って移動させ、スリット光源からスリット光を照射させた状態でカメラにより各キャリブレーションブロックを撮影し、その画像からスリット光の輝線を抽出する。そして、抽出したスリット光の輝線の画像面上の座標を求めるとともに、それらの輝線の実空間における座標をキャリブレーションブロックとカメラとの対応位置関係から求めて、それらの座標を対応させてマッピングテーブルとして保存する。そして、光切断法により測定対象を測定する際には、カメラにより撮影した画像中のスリット光の輝線に対して、画像面上の座標を求める。そして、マッピグテーブルとして保存されている各輝線の画像面上の座標と、実空間における座標との対応関係から、カメラにより撮影した画像中のスリット光の輝線の実空間における座標を求めて撮影した画像の補正を行う。
Furthermore, as a calibration device for an optical head portion in a three-dimensional shape measurement device using the light section method, for example, the device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-222114 is known.
The calibration device for a three-dimensional shape measurement device disclosed in Patent Document 2 includes a detachable optical head equipped with a slit light source and a camera, and a guide unit that allows the detached optical head to move in a predetermined orientation. The calibration device has multiple rows of calibration blocks with known dimensions arranged in a descending staircase pattern in the direction of movement of the optical head. The optical head is moved along the guide unit of the calibration device, and each calibration block is photographed with the camera while irradiated with slit light from the slit light source. The camera then extracts bright lines of the slit light from the images. The coordinates of the extracted bright lines of the slit light on the image plane are calculated, and the coordinates of the bright lines in real space are calculated from the corresponding positions of the calibration blocks and the camera. These coordinates are then stored as a mapping table. When measuring an object using the light-section method, the coordinates of the bright lines of the slit light on the image plane are calculated. The coordinates of the bright lines in real space in the image captured by the camera are then calculated from the correspondence between the coordinates of each bright line on the image plane and the coordinates in real space stored in the mapping table, and the captured image is corrected.
しかしながら、従来の特許文献1に示す3次元測定装置においては、スリット光の光源及びカメラを門型フレームに取り付ける際に、門型フレームの進行方向(x方向)、この進行方向に直交する水平方向(y方向)、及びこれら進行方向及び水平方向に直交する垂直方向(z方向)に対する取付誤差が生じるおそれがある。スリット光の光源及びカメラにこれら取付誤差が生じると、カメラで撮像された画像データに誤差が生じるおそれがある。
一方、特許文献2に示す光切断法による3次元形状計測装置における光学ヘッド部のキャリブレーション装置においては、スリット光源及びカメラの光学ヘッドに対する3軸方向(x軸方向、y軸方向、及びz軸方向)の取付誤差を校正することができる。
However, in the conventional three-dimensional measuring device disclosed in Patent Document 1, when the slit light source and camera are attached to the portal frame, attachment errors may occur in the direction of travel of the portal frame (x direction), the horizontal direction (y direction) perpendicular to the direction of travel, and the vertical direction (z direction) perpendicular to the direction of travel and the horizontal direction. If these attachment errors occur in the slit light source and the camera, errors may occur in the image data captured by the camera.
On the other hand, the calibration device for the optical head part in the three-dimensional shape measurement device using the light-section method shown in Patent Document 2 can calibrate the installation errors of the slit light source and the camera with respect to the optical head in three axes (x-axis, y-axis, and z-axis directions).
しかしながら、特許文献2に示す光切断法による3次元形状計測装置におけるキャリブレーション装置においては、スリット光源及びカメラの光学ヘッドに対する3軸方向(x軸方向、y軸方向、及びz軸方向)全ての取付誤差を一度に算出している。このため、キャリブレーション装置の装置構成が複雑になるとともに、3軸方向のそれぞれの取付誤差の算出精度がそれほど高くないという課題があった。
従って、本発明は、この従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、簡単な装置構成で3次元測定機器の複数の取付方向軸回りの取付誤差を精度高く算出することができる、3次元形状測定機器の校正方法、3次元形状測定装置及び自動加工装置を提供することにある。
However, in the calibration device for the three-dimensional shape measurement device using the light-section method shown in Patent Document 2, the installation errors for the slit light source and the camera optical head in all three axial directions (x-axis, y-axis, and z-axis directions) are calculated at once, which poses problems such as a complex configuration of the calibration device and not being very accurate in calculating the installation errors in the three axial directions.
Therefore, the present invention has been made to solve the problems of the related art, and its object is to provide a calibration method for a three-dimensional shape measuring device, a three-dimensional shape measuring device, and an automatic machining device that can accurately calculate installation errors around multiple installation direction axes of a three-dimensional measuring device using a simple device configuration.
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る3次元形状測定機器の校正方法は、被測定物の3次元形状を測定する3次元形状測定機器の取付誤差を校正する3次元形状測定機器の校正方法であって、校正装置によって、前記3次元形状測定機器の複数の取付方向軸に対し、前記取付方向軸ごとに異なる算出方法を用いて前記複数の取付方向軸回りのそれぞれの取付誤差を算出する算出工程を含むことを要旨とする。
また、本発明の別の態様に係る3次元形状測定装置は、被測定物の3次元形状を測定する3次元形状測定機器と、前記3次元形状測定機器の複数の取付方向軸に対し、前記取付方向軸ごとに異なる算出方法を用いて前記複数の取付方向軸回りのそれぞれの取付誤差を算出する校正装置とを備えていることを要旨とする。
In order to solve the above-mentioned problems, one aspect of the present invention provides a method for calibrating a three-dimensional shape measuring device that calibrates the installation error of a three-dimensional shape measuring device that measures the three-dimensional shape of an object to be measured, and includes a calculation step in which a calibration device calculates, for each of a plurality of installation direction axes of the three-dimensional shape measuring device, an installation error around the plurality of installation direction axes using a different calculation method for each of the installation direction axes.
Furthermore, a three-dimensional shape measuring apparatus according to another aspect of the present invention is characterized in that it includes a three-dimensional shape measuring device that measures the three-dimensional shape of an object to be measured, and a calibration device that calculates installation errors around multiple installation direction axes of the three-dimensional shape measuring device using different calculation methods for each of the installation direction axes.
また、本発明の別の態様に係る自動加工装置は、被測定物の3次元形状を測定する3次元形状測定機器と、前記3次元形状測定機器の複数の取付方向軸に対し、前記取付方向軸ごとに異なる算出方法を用いて前記複数の取付方向軸回りのそれぞれの取付誤差を算出する校正装置とを備えた3次元形状測定装置と、前記被測定物の加工を行う加工機器とを備え、前記3次元形状測定機器は、前記加工機器による加工前及び加工後の少なくとも一方の前記被測定物の3次元形状を測定することを要旨とする。 An automatic machining device according to another aspect of the present invention comprises a three-dimensional shape measuring device that measures the three-dimensional shape of a workpiece; a three-dimensional shape measuring device that includes a calibration device that calculates installation errors about multiple installation direction axes of the three-dimensional shape measuring device using different calculation methods for each of the multiple installation direction axes; and a machining device that processes the workpiece, wherein the three-dimensional shape measuring device measures the three-dimensional shape of the workpiece at least either before or after processing by the machining device.
本発明に係る3次元形状測定機器の校正方法、3次元形状測定装置及び自動加工装置によれば、簡単な装置構成で3次元測定機器の複数の取付方向軸回りの取付誤差を精度高く算出することができる。 The calibration method for a three-dimensional shape measuring device, the three-dimensional shape measuring device, and the automatic machining device according to the present invention enable highly accurate calculation of mounting errors around multiple mounting direction axes of a three-dimensional measuring device using a simple device configuration.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態に特定するものではない。また、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
(自動切断装置の全体構成)
図1には、本発明の一実施形態に係る自動加工装置としての自動切断装置の概略構成が示されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The embodiments shown below are examples of devices and methods for embodying the technical concept of the present invention, and the technical concept of the present invention is not limited to the materials, shapes, structures, arrangements, etc. of the components in the embodiments described below. Furthermore, the drawings are schematic. Therefore, it should be noted that the relationships and ratios between thicknesses and planar dimensions may differ from the actual ones, and the drawings may also contain portions where the relationships and ratios of dimensions differ from one another.
(Overall configuration of the automatic cutting device)
FIG. 1 shows a schematic configuration of an automatic cutting device as an automatic processing device according to one embodiment of the present invention.
図1に示す自動切断装置1は、門型切断機であり、x方向(水平方向)に延びるように敷設された一対のレール2上を、車輪(図示せず)を介して走行可能な門型の台車3を備えている。
台車3の側面には、y方向(x方向と直交する水平方向)に直動可能なツール4が設けられている。また、ツール4には、取付角度調整機構7を介して3次元測定機器としての距離センサ5がz方向(鉛直方向)に直動可能に取り付けられている。また、ツール4には、ガス切断やレーザー切断、プラズマ切断などの熱切断で台座1a(図4(a)参照)上に載置された厚板Sを切断するための加工機器としての切断トーチ6が設けられている。切断トーチ6は、ツール4に対してz方向(鉛直方向)に直動可能に取り付けられている。距離センサ5及び切断トーチ6は、共にツール4に対して直動可能に取り付けられているが、両者が同期して動く必要はなく、それぞれ独立してz方向に直動可能となっている。
The automatic cutting device 1 shown in Figure 1 is a gate-type cutting machine, and is equipped with a gate-type cart 3 that can run on wheels (not shown) on a pair of rails 2 laid to extend in the x direction (horizontal direction).
A tool 4 is provided on the side of the carriage 3, and is linearly movable in the y direction (a horizontal direction perpendicular to the x direction). A distance sensor 5 serving as a three-dimensional measuring device is attached to the tool 4 via an attachment angle adjustment mechanism 7 so as to be linearly movable in the z direction (vertical direction). The tool 4 is also provided with a cutting torch 6 serving as a processing device for cutting a thick plate S placed on a base 1a (see FIG. 4(a)) by thermal cutting such as gas cutting, laser cutting, or plasma cutting. The cutting torch 6 is attached to the tool 4 so as to be linearly movable in the z direction (vertical direction). While the distance sensor 5 and the cutting torch 6 are both attached to the tool 4 so as to be linearly movable, they do not need to move synchronously, and each can be independently linearly movable in the z direction.
3次元形状測定機器としての距離センサ5は、被測定物(厚板S及び後述する定盤13、キャリブレーションブロック14)に対してライン状のレーザー光を照射し、当該被測定物までの距離を測定する光切断法による非接触式の距離センサである。距離センサ5は、図3乃至図7に示すように、レーザー光5cを被測定物に照射し、図示しないカメラで投光されたレーザー光5cを撮影し、画像上でレーザー光5cの投光位置を算出することで被測定物の2次元形状を測定する。そして、距離センサ5を、台車3及びツール4で、x方向及びy方向に移動させ、ツール4の位置座標と距離センサ5で測定した2次元形状の測定データとを逐次演算することで、被測定物の3次元形状を測定する。つまり、距離センサ5は、台車3及びツール4によってx方向及びy方向に移動させる機能を伴って、被測定物の3次元形状を測定する。台車3に取り付ける3次元形状測定機器としては、光切断法による距離センサ5に限らず、被測定物の2次元の形状測定データを測定可能な他の装置を用いてもよい。2次元の形状測定データを測定可能な他の装置としては、例えば2次元LiDARセンサ等の測定原理としてTOF(Time of Flight)方式を使用したセンサ等が挙げられる。 The distance sensor 5, a three-dimensional shape measuring device, is a non-contact distance sensor that uses a light-section method to measure the distance to the object (thick plate S, surface plate 13, and calibration block 14, described below) by irradiating a line of laser light onto the object. As shown in Figures 3 to 7, the distance sensor 5 measures the two-dimensional shape of the object by irradiating the object with laser light 5c, capturing an image of the projected laser light 5c with a camera (not shown), and calculating the projection position of the laser light 5c on the image. The distance sensor 5 is then moved in the x and y directions by the carriage 3 and tool 4, and the three-dimensional shape of the object is measured by sequentially calculating the position coordinates of the tool 4 and the measurement data of the two-dimensional shape measured by the distance sensor 5. In other words, the distance sensor 5 measures the three-dimensional shape of the object by moving it in the x and y directions by the carriage 3 and tool 4. The three-dimensional shape measuring device attached to the carriage 3 is not limited to the light-section method distance sensor 5; other devices capable of measuring two-dimensional shape measurement data of the object may also be used. Other devices capable of measuring two-dimensional shape measurement data include, for example, sensors that use the TOF (Time of Flight) method as the measurement principle, such as two-dimensional LiDAR sensors.
取付角度調整機構7は、距離センサ5のツール4に対する取付角度を調整するものである。距離センサ5の取付方向は、図3(a),(b),(c)に示すように、水平方向かつ距離センサ5のレーザー光5c(光軸5b)のライン方向(レーザー光5cが広がる方向)を水平一軸(xs軸)方向とする。また、水平方向かつ水平一軸(xs軸)に直交する方向を水平二軸(ys軸)方向とする。更に、レーザー光5cの光軸5bに平行かつ水平一軸(xs軸)方向および水平二軸(ys軸)方向にそれぞれ直交する方向を鉛直軸(zs軸)方向とする。
そして、取付角度調整機構7は、距離センサ5のレーザー光5cを基準とした座標系に対して、取付方向軸としての水平一軸(xs軸)回りに距離センサ5を回転させる回転軸7c(図3(c)参照)を備えている。また、同様に、取付角度調整機構7は、距離センサ5のレーザー光5cを基準とした座標系に対して、取付方向軸としての水平二軸(ys軸)回りに距離センサ5を回転させる回転軸7b(図3(a)参照)を備えている。また、同様に、取付角度調整機構7は、距離センサ5のレーザー光5cを基準とした座標系に対して、取付方向軸としての鉛直軸(zs軸)回りに距離センサ5を回転させる回転軸7a(図3(b)参照)を備えている。
The mounting angle adjustment mechanism 7 adjusts the mounting angle of the distance sensor 5 with respect to the tool 4. As shown in Figures 3(a), (b), and (c), the mounting direction of the distance sensor 5 is defined as the horizontal direction and the line direction of the laser light 5c (optical axis 5b) of the distance sensor 5 (the direction in which the laser light 5c spreads), which is defined as the horizontal first axis ( xs- axis) direction. The horizontal direction and the direction perpendicular to the horizontal first axis (xs - axis) are defined as the horizontal second axis ( ys- axis) direction. The vertical axis (zs - axis) direction is defined as the direction parallel to the optical axis 5b of the laser light 5c and perpendicular to the horizontal first axis (xs - axis) direction and the horizontal second axis (ys - axis) direction.
The mounting angle adjustment mechanism 7 is provided with a rotation shaft 7c (see FIG. 3(c)) that rotates the distance sensor 5 around one horizontal axis (xs - axis) as an axis of mounting direction with respect to a coordinate system based on the laser light 5c of the distance sensor 5. Similarly, the mounting angle adjustment mechanism 7 is provided with a rotation shaft 7b (see FIG. 3(a)) that rotates the distance sensor 5 around two horizontal axes ( ys- axis) as axes of mounting direction with respect to the coordinate system based on the laser light 5c of the distance sensor 5. Similarly, the mounting angle adjustment mechanism 7 is provided with a rotation shaft 7a (see FIG. 3(b)) that rotates the distance sensor 5 around a vertical axis (zs - axis) as an axis of mounting direction with respect to the coordinate system based on the laser light 5c of the distance sensor 5.
つまり、取付角度調整機構7は、図3(a)に示すように、回転軸7bによって距離センサ5の光軸5bに対して直角方向である水平二軸(ys軸)回りに距離センサ5を回転させることが可能である。また、取付角度調整機構7は、図3(b)に示すように、回転軸7aによって距離センサ5の光軸5bに平行である鉛直軸(zs軸)回りに距離センサ5を回転させることが可能である。さらに、取付角度調整機構7は、図3(c)に示すように、回転軸7cによって距離センサ5のレーザー光5cのライン方向(測定幅方向)に平行である水平一軸(xs軸)回りに距離センサ5を回転させることが可能である。このように、回転軸7a~7cによって距離センサ5の取付角度を可変にすることで、後述する距離センサ5の取付誤差Δθx、Δθy、Δθzを算出した際に、距離センサ5の実際の取付角度を修正することも可能となる。 That is, as shown in FIG. 3( a), the mounting angle adjustment mechanism 7 can rotate the distance sensor 5 around two horizontal axes (y -s axes) perpendicular to the optical axis 5b of the distance sensor 5 using the rotation axis 7b. Also, as shown in FIG. 3( b), the mounting angle adjustment mechanism 7 can rotate the distance sensor 5 around a vertical axis (z -s axis) parallel to the optical axis 5b of the distance sensor 5 using the rotation axis 7a. Furthermore, as shown in FIG. 3( c), the mounting angle adjustment mechanism 7 can rotate the distance sensor 5 around one horizontal axis (x- s axis) parallel to the line direction (measurement width direction) of the laser light 5c of the distance sensor 5 using the rotation axis 7c. In this way, by varying the mounting angle of the distance sensor 5 using the rotation axes 7a to 7c, it is also possible to correct the actual mounting angle of the distance sensor 5 when calculating the mounting errors Δθx, Δθy, and Δθz of the distance sensor 5, which will be described later.
また、自動切断装置1は、制御装置8を備えている。制御装置8は、図1及び図2に示すように、制御部9と、校正装置10と、出力部11とを備えている。制御装置8は、演算処理機能を有するコンピュータシステムであり、記憶装置(図示せず)にインストールされたコンピュータプログラムの命令に従って、制御部9、校正装置10、及び出力部11の各機能を実行する。
ここで、制御部9は、台車3、ツール4、距離センサ5、及び切断トーチ6などの自動切断装置1の各部材の動作を制御する。
また、校正装置10は、3次元形状測定機器としての距離センサ5の3つの取付方向軸のそれぞれの取付誤差を算出する。具体的に述べると、校正装置10は、水平一軸(xs軸)、水平二軸(ys軸)、及び鉛直軸(zs軸)に対し、水平一軸(xs軸)、水平二軸(ys軸)、及び鉛直軸(zs軸)回りのそれぞれの取付誤差Δθx、Δθy、Δθzを算出する。このそれぞれの取付誤差Δθx、Δθy、Δθzを算出する際に、水平一軸(xs軸)、水平二軸(ys軸)、及び鉛直軸(zs軸)ごとに異なる算出方法を用いて算出する。
The automatic cutting device 1 also includes a control device 8. As shown in Figures 1 and 2, the control device 8 includes a control unit 9, a calibration device 10, and an output unit 11. The control device 8 is a computer system with a processing function, and executes the functions of the control unit 9, the calibration device 10, and the output unit 11 in accordance with instructions from a computer program installed in a storage device (not shown).
Here, the control unit 9 controls the operation of each component of the automatic cutting device 1 such as the carriage 3 , the tool 4 , the distance sensor 5 , and the cutting torch 6 .
Furthermore, the calibration device 10 calculates the installation errors of the three installation direction axes of the distance sensor 5 as a three-dimensional shape measuring device. Specifically, the calibration device 10 calculates the installation errors Δθx, Δθy, and Δθz about the horizontal axis (xs - axis), the horizontal axis ( ys- axis ), and the vertical axis ( zs -axis) with respect to the horizontal axis (xs - axis), the horizontal axis (ys-axis), and the vertical axis ( zs- axis), respectively. When calculating these installation errors Δθx, Δθy, and Δθz, different calculation methods are used for the horizontal axis (xs - axis), the horizontal axis (ys - axis), and the vertical axis (zs - axis).
校正装置10は、図2に示すように、取付誤差算出部10aと、取付誤差出力部10bとを備えている。取付誤差算出部10aは、水平一軸(xs軸)、水平二軸(ys軸)、及び鉛直軸(zs軸)ごとに異なる算出方法を用いて水平一軸(xs軸)、水平二軸(ys軸)、及び鉛直軸(zs軸)回りのそれぞれの取付誤差Δθx、Δθy、Δθzを算出する。また、取付誤差出力部10bは、取付誤差算出部10aで算出した水平一軸(xs軸)、水平二軸(ys軸)、及び鉛直軸(zs軸)回りのそれぞれの取付誤差Δθx、Δθy、Δθzを出力し、モニター等の表示装置でそれらの情報を表示する。
また、出力部11は、距離センサ5の座標変換部5aで座標変換された座標変換値ΣR(ツール4が配置されているxyz(移動)座標系における被測定物の位置)を取得し、その座標変換値ΣRを出力し、その被測定物の3次元形状測定データとしての座標変換値ΣRをモニター等の表示装置で表示する。
As shown in Fig. 2, the calibration device 10 includes an installation error calculation unit 10a and an installation error output unit 10b. The installation error calculation unit 10a calculates installation errors Δθx, Δθy, and Δθz about the horizontal axis ( xs - axis), the horizontal axis (ys - axis), and the vertical axis (zs - axis) using different calculation methods for each of the horizontal axis (xs - axis), the horizontal axis (ys-axis), and the vertical axis (zs - axis). The installation error output unit 10b outputs the installation errors Δθx, Δθy, and Δθz about the horizontal axis (xs - axis), the horizontal axis (ys - axis), and the vertical axis ( zs- axis) calculated by the installation error calculation unit 10a, and displays this information on a display device such as a monitor.
Furthermore, the output unit 11 acquires the coordinate transformation value ΣR (the position of the object to be measured in the xyz (movement) coordinate system in which the tool 4 is placed) that has been coordinate-transformed by the coordinate conversion unit 5a of the distance sensor 5, outputs the coordinate transformation value ΣR , and displays the coordinate transformation value ΣR as three-dimensional shape measurement data of the object to be measured on a display device such as a monitor.
そして、前述した3次元形状測定機器としての距離センサ5と、校正装置10とにより3次元形状測定装置12を構成している。
なお、距離センサ5には、図1に示すように、座標変換部5aが設けられている。座標変換部5aは、距離センサ5によって測定されたセンサ座標系の測定値(3次元形状測定データ)を、次の(1)式を用いてツール4の移動座標系の座標変換値(ツール4が配置されているxyz(移動)座標系における被測定物の位置)へと座標変換する。座標変換部5aは、演算処理機能を有するコンピュータであり、記憶装置(図示せず)にインストールされたコンピュータプログラムの命令に従って、座標変換機能を実行する。
The distance sensor 5 as the three-dimensional shape measuring device and the calibration device 10 constitute a three-dimensional shape measuring device 12 .
1, the distance sensor 5 is provided with a coordinate conversion unit 5a. The coordinate conversion unit 5a converts the measurement values (three-dimensional shape measurement data) in the sensor coordinate system measured by the distance sensor 5 into coordinate conversion values in the moving coordinate system of the tool 4 (the position of the object to be measured in the xyz (moving) coordinate system in which the tool 4 is located) using the following equation (1). The coordinate conversion unit 5a is a computer having an arithmetic processing function, and executes the coordinate conversion function in accordance with the instructions of a computer program installed in a storage device (not shown).
ΣR=Ms+Rx・Ry・Rz・Σs …(1)
ここで、ΣRはツール4の移動座標系の座標変換値(ツール4が配置されているxyz座標系における被測定物の位置)である。Msはツール4の位置座標である。Rxはセンサ座標系の水平一軸(xs軸)回りの座標変換行列、Ryはセンサ座標系の水平二軸(ys軸)回りの座標変換行列、Rzはセンサ座標系の鉛直軸(zs軸)回りの座標変換行列である。Σsはセンサ座標系の測定値(3次元形状測定データ)である。
そして、Rx、Ry、Rzは、それぞれ次の(2)式~(4)式で表される。
Σ R =M s +R x・R y・R z・Σ s …(1)
Here, ΣR is the coordinate transformation value of the moving coordinate system of the tool 4 (the position of the workpiece in the xyz coordinate system in which the tool 4 is placed). Ms is the position coordinate of the tool 4. Rx is a coordinate transformation matrix about the single horizontal axis ( xs axis) of the sensor coordinate system, Ry is a coordinate transformation matrix about the second horizontal axis ( ys axis) of the sensor coordinate system, and Rz is a coordinate transformation matrix about the vertical axis ( zs axis) of the sensor coordinate system. Σs is the measurement value (three-dimensional shape measurement data) in the sensor coordinate system.
R x , R y , and R z are respectively expressed by the following equations (2) to (4).
(被測定物としての厚板Sの3次元形状測定方法)
次に、図1に示す自動切断装置1を用いた厚板Sの3次元形状測定方法を説明する。
図4は、自動切断装置を用いて厚板の3次元形状を測定する方法を説明するもので、(a)は厚板を自動切断装置の台座上に載置した状態の平面図、(b)は(a)に示す状態から距離センサが平面視で矢印Aで示すジグザグ状に移動して厚板の3次元形状を測定している様子を説明する平面図である。
(Method for measuring three-dimensional shape of thick plate S as object to be measured)
Next, a method for measuring the three-dimensional shape of a thick plate S using the automatic cutting device 1 shown in FIG. 1 will be described.
Figure 4 explains a method for measuring the three-dimensional shape of a thick plate using an automatic cutting device, where (a) is a plan view of a thick plate placed on the base of the automatic cutting device, and (b) is a plan view explaining how the distance sensor moves in a zigzag pattern indicated by arrow A in a plan view from the state shown in (a) to measure the three-dimensional shape of the thick plate.
先ず、厚板Sは、図4(a)に示すように、自動切断装置1の一対のレール2間の台座1a上に載置される。
そして、図4(b)に示すように、制御部9は、測定対象の厚板Sに対し、矢印Aで示すように、平面視でジグザグ状に距離センサ5を移動させるよう台車3及びツール4を制御し、距離センサ5が厚板Sの3次元形状を測定する。
そして、距離センサ5によって測定したセンサ座標系の測定値(3次元形状測定データ)Σsは、座標変換部5aにおいて、前述の(1)式を用いてツール4の移動座標系の座標変換値(ツール4が配置されているxyz(移動)座標系における被測定物の位置)へと座標変換される。
First, the thick plate S is placed on the base 1a between the pair of rails 2 of the automatic cutting device 1, as shown in FIG. 4(a).
Then, as shown in Figure 4 (b), the control unit 9 controls the carriage 3 and the tool 4 to move the distance sensor 5 in a zigzag pattern in a planar view, as indicated by arrow A, relative to the thick plate S to be measured, and the distance sensor 5 measures the three-dimensional shape of the thick plate S.
Then, the measurement value (three-dimensional shape measurement data) Σs in the sensor coordinate system measured by the distance sensor 5 is converted into a coordinate transformation value in the moving coordinate system of the tool 4 (the position of the object to be measured in the xyz (moving) coordinate system in which the tool 4 is placed) by the coordinate conversion unit 5a using the above-mentioned equation (1).
なお、距離センサ5の設計上の水平一軸(xs軸)回りの取付角度θx、距離センサ5の設計上の水平二軸(ys軸)回りの取付角度θy、及び距離センサ5の設計上の鉛直軸(zs軸)回りの取付角度θzは、予め、作業者によって図示しない入力装置から座標変換部5aに入力されている。
また、ツール4のx方向、y方向及びz方向の位置座標Msは、各方向のアクチュエータの回転量をロータリーエンコーダによって取得し、その取得した情報が座標変換部5aに入力される。
そして、座標変換部5aで座標変換されたツール4の移動座標系の座標変換値(ツール4が配置されているxyz座標系の厚板Sの位置)ΣRが出力部11に送出され、出力部11は、座標変換値ΣRを出力し、その被測定物の3次元形状測定データとしての座標変換値ΣRをモニター等の表示装置で表示する。
(距離センサの取付誤差の校正方法)
距離センサ5のツール4に対する取付角度が設計上の取付角度θx、θy、θzと異なる取付角度で前述の(1)式により、ツール4の移動座標系の座標変換値(ツール4が配置されているxyz座標系の被測定物(厚板S)の位置)ΣRを算出した場合、測定値に誤差が生じる。このため、距離センサ5の水平一軸(xs軸)回りの取付角度の取付誤差Δθx、距離センサ5の水平二軸(ys軸)回りの取付角度の取付誤差Δθy、及び距離センサ5の鉛直軸(zs軸)回りの取付角度の取付誤差Δθzを算出し、その誤差を校正する必要がある。
The mounting angle θx of the distance sensor 5 around the horizontal axis (xs - axis) in the design, the mounting angle θy of the distance sensor 5 around the horizontal axis (ys - axis) in the design, and the mounting angle θz of the distance sensor 5 around the vertical axis (zs - axis) in the design are input in advance by an operator to the coordinate conversion unit 5a from an input device (not shown).
Further, the position coordinates Ms of the tool 4 in the x, y and z directions are obtained by the rotary encoder as the amount of rotation of the actuator in each direction, and the obtained information is input to the coordinate conversion unit 5a.
Then, the coordinate transformation value ΣR of the moving coordinate system of the tool 4 (the position of the thick plate S in the xyz coordinate system where the tool 4 is located) transformed by the coordinate transformation unit 5a is sent to the output unit 11, which outputs the coordinate transformation value ΣR and displays the coordinate transformation value ΣR as three-dimensional shape measurement data of the object to be measured on a display device such as a monitor.
(Method for calibrating distance sensor installation error)
When the mounting angle of the distance sensor 5 relative to the tool 4 is different from the design mounting angles θx, θy, θz, and the coordinate transformation value ΣR of the moving coordinate system of the tool 4 (the position of the object to be measured (thick plate S) in the xyz coordinate system in which the tool 4 is placed) is calculated using the above-mentioned equation (1), an error occurs in the measurement value. For this reason, it is necessary to calculate the mounting error Δθx of the mounting angle of the distance sensor 5 about the horizontal axis (xs - axis), the mounting error Δθy of the mounting angle of the distance sensor 5 about the horizontal axis (ys - axis), and the mounting error Δθz of the mounting angle of the distance sensor 5 about the vertical axis (zs - axis), and to calibrate these errors.
本実施形態においては、校正装置10は、距離センサ5の水平一軸(xs軸)、水平二軸(ys軸)、及び鉛直軸(zs軸)に対し、水平一軸(xs軸)、水平二軸(ys軸)、及び鉛直軸(zs軸)回りのそれぞれの取付誤差Δθx、Δθy、Δθzを算出する。このそれぞれの取付誤差Δθx、Δθy、Δθzを算出する際に、水平一軸(xs軸)、水平二軸(ys軸)、及び鉛直軸(zs軸)ごとに異なる算出方法を用いる。
A.距離センサ5の水平二軸(ys軸)回りの取付誤差Δθyの算出方法
距離センサ5の水平二軸(ys軸)回りの取付誤差Δθyの算出方法について、図5及び図8を参照して説明する。図5は、水平二軸(ys軸)回りの距離センサの取付誤差の算出方法を説明するもので、(a)は距離センサが校正部材としての定盤の上面に対してレーザー光を照射している状態の説明図、(b)は水平二軸(ys軸)回りの取付誤差Δθyがある状態でツールに取り付けられた距離センサが校正部材としての定盤の上面に対してレーザー光を照射している状態の説明図である。図8は、3次元形状測定装置を用いて距離センサの水平二軸(ys軸)回りの取付誤差を算出する処理の流れを説明するためのフローチャートである。
In this embodiment, the calibration device 10 calculates installation errors Δθx, Δθy, and Δθz about the horizontal axis (xs - axis), the horizontal axis (ys - axis), and the vertical axis (zs - axis) with respect to the horizontal axis (xs - axis), the horizontal axis (ys - axis), and the vertical axis ( zs- axis) of the distance sensor 5. When calculating these installation errors Δθx, Δθy, and Δθz, different calculation methods are used for the horizontal axis (xs - axis), the horizontal axis ( ys- axis), and the vertical axis ( zs- axis).
A. Calculation Method of Mounting Error Δθy of Distance Sensor 5 Around Two Horizontal Axes (ys - Axes) A calculation method of the mounting error Δθy of the distance sensor 5 around two horizontal axes (ys - axes) will be described with reference to FIGS. 5 and 8. FIG. 5 illustrates a calculation method of the mounting error of the distance sensor around two horizontal axes ( ys - axes ), where (a) is an explanatory diagram of a state in which the distance sensor is irradiating a laser beam onto the top surface of a surface plate serving as a calibration member, and (b) is an explanatory diagram of a state in which the distance sensor attached to a tool is irradiating a laser beam onto the top surface of a surface plate serving as a calibration member with a mounting error Δθy around two horizontal axes (ys-axes). FIG. 8 is a flowchart illustrating a process flow for calculating the mounting error of the distance sensor around two horizontal axes (ys - axes) using a three-dimensional shape measuring device.
先ず、図8に示すステップS1において、作業者は、水平出しした水平面13a(図5(a),(b)参照)を有する校正部材としての定盤13を自動切断装置1の台座1a上に載置する。定盤13は、可搬式で定盤13の傾斜を調整可能なアジャスタを有するものが望ましい。
次いで、ステップS2において、作業者は、制御部9、校正装置10、及び距離センサ5の座標変換部5aに水平二軸(ys軸)回りの取付誤差Δθyの算出指令を入力するとともに、3次元形状測定装置12を起動させる。
次いで、ステップS3において、3次元形状測定機器としての距離センサ5は、定盤13の水平面13aを測定する(定盤測定工程)。この際に、制御部9が台車3及びツール4を制御し、距離センサ5の位置を制御する。
First, in step S1 shown in Fig. 8, an operator places a surface plate 13 serving as a calibration member having a leveled horizontal surface 13a (see Figs. 5(a) and 5(b)) on the base 1a of the automatic cutting device 1. The surface plate 13 is preferably portable and has an adjuster that can adjust the inclination of the surface plate 13.
Next, in step S2, the operator inputs a calculation command for the installation error Δθy around the two horizontal axes (y and s axes) to the control unit 9, the calibration device 10, and the coordinate conversion unit 5a of the distance sensor 5, and also starts up the three-dimensional shape measuring device 12.
Next, in step S3, the distance sensor 5 as a three-dimensional shape measuring device measures the horizontal surface 13a of the surface plate 13 (surface plate measurement step). At this time, the control unit 9 controls the carriage 3 and the tool 4, and controls the position of the distance sensor 5.
次いで、ステップS4において、校正装置10の取付誤差算出部10aは、ステップS3において、距離センサ5が測定した、水平出しした水平面13aを有する定盤13の水平面13aの形状データを取得する。そして、取付誤差算出部10aは、取得した水平面13aの形状データを1次関数に近似して水平面13aの傾きを算出することにより、距離センサ5の水平二軸(ys軸)回りの取付誤差Δθyを算出する(算出工程)。
ここで、距離センサ5の取付角度に誤差が生じている場合は、図5(b)に示すように、距離センサ5で測定された定盤13の水平面13aの形状データが距離センサ5の取付誤差Δθyだけ傾いて出力される。距離センサ5の座標変換部5aは、距離センサ5で測定された水平面13aの形状データを座標変換することなく、その形状データを校正装置10の取付誤差算出部10aに送出する。取付誤差算出部10aは、その定盤13の水平面13aの形状データを取得し、取得した水平面13aの形状データを1次関数に近似し、水平面13aの傾きを算出することで、距離センサ5の水平二軸(ys軸)回りの取付誤差Δθyを算出する。
Next, in step S4, the installation error calculation unit 10a of the calibration device 10 acquires shape data of the horizontal surface 13a of the surface plate 13 having the leveled horizontal surface 13a measured in step S3 by the distance sensor 5. Then, the installation error calculation unit 10a calculates the installation error Δθy about the two horizontal axes (ys - axes) of the distance sensor 5 by approximating the acquired shape data of the horizontal surface 13a to a linear function to calculate the tilt of the horizontal surface 13a (calculation step).
Here, if an error occurs in the mounting angle of the distance sensor 5, the shape data of the horizontal surface 13a of the surface plate 13 measured by the distance sensor 5 is output with an inclination of the mounting error Δθy of the distance sensor 5, as shown in Fig. 5(b). The coordinate conversion unit 5a of the distance sensor 5 sends the shape data of the horizontal surface 13a measured by the distance sensor 5 to the mounting error calculation unit 10a of the calibration device 10 without performing coordinate conversion on the shape data of the horizontal surface 13a. The mounting error calculation unit 10a acquires the shape data of the horizontal surface 13a of the surface plate 13, approximates the acquired shape data of the horizontal surface 13a to a linear function, and calculates the inclination of the horizontal surface 13a, thereby calculating the mounting error Δθy of the distance sensor 5 about the two horizontal axes (y and s axes).
次いで、ステップS5において、校正装置10の取付誤差出力部10bは、ステップS4において、取付誤差算出部10aで算出した水平二軸(ys軸)回りの取付誤差Δθyを出力し、モニター等の表示装置でそれらの情報を表示する(取付誤差出力工程)。
B.距離センサ5の水平一軸(xs軸)回りの取付誤差Δθxの算出方法
距離センサ5の水平一軸(xs軸)回りの取付誤差Δθxの算出方法について、図6及び図9を参照して説明する。図6は、水平一軸(xs軸)回りの距離センサの取付誤差の算出方法を説明するもので、(a)は距離センサが定盤上に載置された校正部材としてのキャリブレーションブロックの2つの水平面に対してレーザー光を照射している状態の説明図、(b)は水平一軸(xs軸)回りの取付誤差Δθxがある状態でツールに取り付けられた距離センサがキャリブレーションブロックの2つの水平面に対してレーザー光を照射している状態の説明図、(c)はキャリブレーションブロックの2つの水平面の既知の高さの差hと水平一軸(xs軸)回りの取付誤差Δθxがある状態でツールに取り付けられた距離センサがキャリブレーションブロックの2つの水平面に対してレーザー光を照射したときのキャリブレーションブロックの2つの水平面の高さの差herrとの幾何的関係を示す図である。図9は、3次元形状測定装置を用いて距離センサの水平一軸(xs軸)回りの取付誤差を算出する処理の流れを説明するためのフローチャートである。
Next, in step S5, the installation error output unit 10b of the calibration device 10 outputs the installation errors Δθy around the two horizontal axes ( ys- axes) calculated by the installation error calculation unit 10a in step S4, and displays this information on a display device such as a monitor (installation error output step).
B. Calculation Method of Mounting Error Δθx of Distance Sensor 5 About One Horizontal Axis (xs - axis) A calculation method of the mounting error Δθx of the distance sensor 5 about one horizontal axis (xs - axis) will be described with reference to Fig. 6 and Fig. 9. Fig. 6 explains the calculation method of the mounting error of the distance sensor about the one horizontal axis ( xs- axis), and includes (a) an explanatory diagram of a state in which the distance sensor irradiates laser light onto two horizontal surfaces of a calibration block as a calibration member placed on a surface plate, (b) an explanatory diagram of a state in which the distance sensor attached to a tool irradiates laser light onto the two horizontal surfaces of the calibration block in a state in which there is a mounting error Δθx about the one horizontal axis ( xs - axis), and (c) a diagram showing the geometric relationship between a known height difference h between the two horizontal surfaces of the calibration block and a height difference herr between the two horizontal surfaces of the calibration block when the distance sensor attached to a tool irradiates laser light onto the two horizontal surfaces of the calibration block in a state in which there is a mounting error Δθx about the one horizontal axis (xs-axis). FIG. 9 is a flowchart for explaining the flow of a process for calculating the mounting error around one horizontal axis ( xs axis) of the distance sensor using the three-dimensional shape measuring device.
先ず、図9に示すステップS11において、作業者は、互いに平行かつ高さが異なり、水平出しした高さの差hが既知の2つの水平面14a,14b(図6(a),(b),(c)参照)を有する校正部材としてのキャリブレーションブロック14を、定盤13上に載置する。
次いで、ステップS12において、作業者は、制御部9、校正装置10、及び距離センサ5の座標変換部5aに水平一軸(xs軸)回りの取付誤差Δθxの算出指令を入力するとともに、3次元形状測定装置12を起動させる。
次いで、ステップS13において、3次元形状測定機器としての距離センサ5は、キャリブレーションブロック14の2つの水平面14a,14bの高さの差herr(図6(c)参照)を測定する(高さの差測定工程)。この際に、制御部9が台車3及びツール4を制御し、距離センサ5の位置を制御する。なお、図6(a),(b),(c)に示す例では、2段のキャリブレーションブロック14の上段と中段の2つの水平面14a,14bを測定対象としたが、1段のキャリブレーションブロック14の上段の水平面14aと定盤13の水平面の2面を測定対象としてもよい。
First, in step S11 shown in FIG. 9 , an operator places a calibration block 14, which serves as a calibration member, on the surface plate 13 and has two horizontal surfaces 14 a, 14 b (see FIGS. 6( a), 6 (b), and 6 (c)) that are parallel to each other but have different heights and whose difference in leveled height h is known.
Next, in step S12, the operator inputs a calculation command for the installation error Δθx around a single horizontal axis ( xs axis) to the control unit 9, the calibration device 10, and the coordinate conversion unit 5 a of the distance sensor 5, and also starts up the three-dimensional shape measuring device 12.
Next, in step S13, the distance sensor 5 serving as a three-dimensional shape measuring device measures the difference in height herr (see FIG. 6(c)) between the two horizontal surfaces 14a, 14b of the calibration block 14 (height difference measurement step). At this time, the control unit 9 controls the carriage 3 and the tool 4 to control the position of the distance sensor 5. Note that in the example shown in FIGS. 6(a), (b), and (c), the two horizontal surfaces 14a, 14b of the upper and middle levels of the two-level calibration block 14 are the measurement targets, but the two horizontal surfaces, the upper level horizontal surface 14a of the single-level calibration block 14 and the horizontal surface of the surface plate 13, may also be the measurement targets.
次いで、ステップS14において、校正装置10の取付誤差算出部10aは、ステップS13において、距離センサ5が測定した、水平出しした高さの差hが既知の2つの水平面14a,14bを有するキャリブレーションブロック14の2つの水平面14a,14bの高さの差herrのデータを取得する。そして、取付誤差算出部10aは、既知の高さの差hと取得した高さの差herrのデータとに基づいて距離センサ5の水平一軸(xs軸)回りの取付誤差Δθxを算出する(算出工程)。
ここで、距離センサ5の座標変換部5aは、距離センサ5で測定された高さの差herrのデータを座標変換することなく、その高さの差herrのデータを校正装置10の取付誤差算出部10aに送出する。
Next, in step S14, the installation error calculation unit 10a of the calibration device 10 acquires data on the height difference herr between the two horizontal surfaces 14a, 14b of the calibration block 14, the two horizontal surfaces 14a, 14b having a known leveled height difference h, measured by the distance sensor 5 in step S13. Then, the installation error calculation unit 10a calculates the installation error Δθx around the horizontal axis ( xs axis) of the distance sensor 5 based on the known height difference h and the acquired height difference herr data (calculation step).
Here , the coordinate conversion unit 5a of the distance sensor 5 sends the data of the height difference herr measured by the distance sensor 5 to the installation error calculation unit 10a of the calibration device 10 without performing coordinate conversion on the data of the height difference herr.
次いで、ステップS15において、校正装置10の取付誤差出力部10bは、ステップS14において、取付誤差算出部10aで算出した水平一軸(xs軸)回りの取付誤差Δθxを出力し、モニター等の表示装置でそれらの情報を表示する(取付誤差出力工程)。
C.距離センサ5の鉛直軸(zs軸)回りの取付誤差Δθzの算出方法
距離センサ5の鉛直軸(zs軸)回りの取付誤差Δθzの算出方法について、図7及び図10を参照して説明する。図7は、鉛直軸(zs軸)回りの距離センサの取付誤差の算出方法を説明するもので、(a)は距離センサが定盤上に載置された校正部材としてのキャリブレーションブロックの2つの水平面に対してレーザー光を照射している状態の説明図、(b)は鉛直軸(zs軸)回りの取付誤差Δθzがある状態でツールに取り付けられた距離センサの平面図、(c)は鉛直軸(zs軸)回りの取付誤差Δθzがある状態でツールに取り付けられた距離センサが異なる2方向の測定経路a,bでキャリブレーションブロックを測定する説明図、(d)は(c)の方法で異なる2方向の測定経路a,bでキャリブレーションブロックを測定した2つの3次元形状測定データのそれぞれについて座標変換した移動座標系の座標変換値を重ね合わせて2つの移動座標系の座標変換値が一致する取付角度を算出する方法を説明するための図である。図10は、3次元形状測定装置を用いて距離センサの鉛直軸(zs軸)回りの取付誤差を算出する処理の流れを説明するためのフローチャートである。
Next, in step S15, the installation error output unit 10b of the calibration device 10 outputs the installation error Δθx about the horizontal axis ( xs axis) calculated by the installation error calculation unit 10a in step S14, and displays this information on a display device such as a monitor (installation error output step).
C. Method for Calculating Mounting Error Δθz Around the Vertical Axis (zs - axis) of Distance Sensor 5 A method for calculating the mounting error Δθz around the vertical axis (zs - axis) of the distance sensor 5 will be described with reference to FIGS. 7A is a diagram illustrating a method for calculating the mounting error of a distance sensor about the vertical axis (zs - axis), and shows (a) an explanatory diagram of a state in which the distance sensor is irradiating laser light onto two horizontal surfaces of a calibration block as a calibration member placed on a surface plate, (b) a plan view of the distance sensor attached to a tool with a mounting error Δθz about the vertical axis ( zs -axis), (c) an explanatory diagram of the distance sensor attached to the tool measuring the calibration block along two different measurement paths a and b with a mounting error Δθz about the vertical axis (zs - axis), and (d) a diagram illustrating a method for calculating the mounting angle at which the coordinate transformation values of the two moving coordinate systems coincide by superimposing the coordinate transformation values of the moving coordinate systems obtained by transforming two pieces of three-dimensional shape measurement data obtained by measuring the calibration block along the measurement paths a and b in two different directions using the method of (c). FIG. 10 is a flowchart illustrating a process for calculating the mounting error of a distance sensor about the vertical axis (zs - axis) using a three-dimensional shape measuring device.
先ず、図10に示すステップS111において、作業者は、図7(a)に示すように、校正部材としての水平面14a,14bを有する平面視で正方形のキャリブレーションブロック14を、定盤13上に載置する。なお、キャリブレーションブロック14の形状は、水平面14a,14bを有する平面視で正方形の立体形状に限らず、立方体、円柱体、あるいは直方体などでもよい。
次いで、ステップS112において、作業者は、制御部9、校正装置10、及び距離センサ5の座標変換部5aに鉛直軸(zs軸)回りの取付誤差Δθzの算出指令を入力するとともに、3次元形状測定装置12を起動させる。また、作業者は、設計上の距離センサ5の取付角度θx、θy、θz及び座標変換する設計上の距離センサ5の取付角度θz±θの範囲における微小な角度dθzの情報を距離センサ5の座標変換部5aに入力する。
10, the operator places the calibration block 14, which has horizontal surfaces 14a and 14b and is square in plan view, as a calibration member, on the surface plate 13, as shown in FIG. 7A. The shape of the calibration block 14 is not limited to a three-dimensional shape having horizontal surfaces 14a and 14b and is square in plan view, but may be a cube, a cylinder, a rectangular parallelepiped, or the like.
Next, in step S112, the operator inputs a calculation command for the installation error Δθz around the vertical axis ( zs axis) to the control unit 9, the calibration device 10, and the coordinate conversion unit 5a of the distance sensor 5, and starts the three-dimensional shape measuring device 12. The operator also inputs information on the installation angles θx, θy, θz of the designed distance sensor 5 and the minute angle dθz in the range of the installation angle θz±θ of the designed distance sensor 5 to be coordinate converted to the coordinate conversion unit 5a of the distance sensor 5.
次いで、ステップS113において、3次元形状測定機器としての距離センサ5は、図7(c)に示すように、異なる直交する2方向の測定経路a,bからキャリブレーションブロック14を測定する(キャリブレーションブロック異方向測定工程)。この際に、制御部9が台車3及びツール4を制御し、距離センサ5の位置を制御する。なお、測定経路a,bの測定方向は、互いに直交しているが、必ずしも測定方向が直交している場合に限られない。
次いで、ステップS114において、距離センサ5の座標変換部5aは、ステップS113において測定した2つの3次元形状測定データ(測定経路a及び測定経路bで測定した2つのデータ)のそれぞれについて(1)式を用いて座標変換する。この座標変換の際に、当該測定した2つの3次元形状測定データ(測定経路a及び測定経路bで測定した2つのデータ)のそれぞれについて、設計上の取付角度θzから±θの範囲において微小な角度dθzごとに(1)式を用いて座標変換する。そして、2つの移動座標系の座標変換値Σr,a、Σr,bを算出する(座標変換工程)。この際に、(1)式に導入する設計上の距離センサ5の取付角度θx、θy、θz及び座標変換する設計上の距離センサ5の取付角度θz±θの範囲における微小な角度dθzの情報は、ステップS112で座標変換部5aに入力されたものである。また、ツール4の位置座標Msは各x方向、y方向、z方向のアクチュエータの回転量をロータリーエンコーダによって取得し、その取得した情報が座標変換部5aに入力される。
Next, in step S113, the distance sensor 5 serving as a three-dimensional shape measuring device measures the calibration block 14 from two different, orthogonal measurement paths a and b, as shown in Fig. 7(c) (calibration block different direction measurement step). At this time, the control unit 9 controls the carriage 3 and tool 4 to control the position of the distance sensor 5. Note that the measurement directions of the measurement paths a and b are orthogonal to each other, but this is not necessarily the case.
Next, in step S114, the coordinate conversion unit 5a of the distance sensor 5 performs coordinate conversion on each of the two pieces of three-dimensional shape measurement data measured in step S113 (two pieces of data measured along measurement path a and measurement path b) using equation (1). During this coordinate conversion, for each of the two pieces of three-dimensional shape measurement data measured in step S113 (two pieces of data measured along measurement path a and measurement path b), coordinate conversion is performed using equation (1) for each small angle dθz within a range of ±θ from the design mounting angle θz. Then, coordinate conversion values Σr ,a and Σr ,b of the two moving coordinate systems are calculated (coordinate conversion process). In this case, the information on the design mounting angles θx, θy, θz of the distance sensor 5 and the small angle dθz within a range of ±θ of the design mounting angle θz of the distance sensor 5 to be coordinate converted, which are introduced into equation (1), are the information input to the coordinate conversion unit 5a in step S112. Further, the position coordinates Ms of the tool 4 are obtained by acquiring the rotation amounts of the actuator in the x-, y-, and z-directions using a rotary encoder, and the acquired information is input to the coordinate conversion unit 5a.
ステップS113において測定した2つの3次元形状測定データ(測定経路a及び測定経路bで測定した2つのデータ)のそれぞれについて、設計上の取付角度θzで(1)式を用いて座標変換し、図7(d)に示すように、移動座標系の座標変換値Σr,a、Σr,bを算出する。すると、距離センサ5の取付角度(θz)に誤差がある場合には、図7(d)の図形15a,15bに示すように、測定したキャリブレーションブロック14の形状が歪んで算出される。形状の歪みは測定経路によって異なる。
そこで、本実施形態にあっては、ステップS114において、距離センサ5の座標変換部5aは、ステップS113において測定した2つの3次元形状測定データのそれぞれについて、設計上の取付角度θzから±θの範囲において微小な角度dθzごとに(1)式を用いて座標変換し2つの移動座標系の座標変換値Σr,a、Σr,bを算出する。そして、次の、ステップS115において、校正装置10が、2つの移動座標系の座標変換値Σr,a、Σr,bが一致する取付角度を算出し、距離センサ5の鉛直軸(zs軸)回りの取付誤差Δθzを算出するようにしている。
For each of the two pieces of three-dimensional shape measurement data measured in step S113 (two pieces of data measured along measurement path a and measurement path b), coordinate conversion is performed using equation (1) with the design mounting angle θz, and coordinate conversion values Σr ,a and Σr ,b in the moving coordinate system are calculated as shown in Fig. 7(d). If there is an error in the mounting angle (θz) of the distance sensor 5, the measured shape of the calibration block 14 will be distorted as shown in figures 15a and 15b in Fig. 7(d). The distortion of the shape will differ depending on the measurement path.
Therefore, in this embodiment, in step S114, the coordinate conversion unit 5a of the distance sensor 5 converts the coordinates of each of the two three-dimensional shape measurement data measured in step S113 for each small angle dθz in the range of ±θ from the design mounting angle θz using equation (1) to calculate coordinate transformation values Σr ,a and Σr ,b of the two moving coordinate systems. Then, in the next step S115, the calibration device 10 calculates the mounting angle at which the coordinate transformation values Σr ,a and Σr ,b of the two moving coordinate systems match, and calculates the mounting error Δθz around the vertical axis ( zs axis) of the distance sensor 5.
次いで、ステップS115において、校正装置10の取付誤差算出部10aは、ステップS114において、距離センサ5の座標変換部5aが座標変換した2つの移動座標系の座標変換値Σr,a((図7(d)において符号15aで示される図形)、Σr,b(図7(d)において符号15bで示される図形)を取得する。そして、取付誤差算出部10aは、取得した2つの移動座標系の座標変換値Σr,a、Σr,bを重ね合わせて2つの移動座標系の座標変換値Σr,a、Σr,bが一致する取付角度を算出する。これにより、距離センサ5の鉛直軸(zs軸)回りの取付誤差Δθzを算出する(算出工程)。図7(d)においては、一致する座標変換値Σr,a、Σr,bは、それぞれ符号16aで示される図形、16bで示される図形となっている。 Next, in step S115, the installation error calculation unit 10a of the calibration device 10 acquires coordinate transformation values Σr ,a ((the figure indicated by reference numeral 15a in FIG. 7(d)) and Σr ,b (the figure indicated by reference numeral 15b in FIG. 7(d)) of the two moving coordinate systems that were subjected to coordinate transformation by the coordinate transformation unit 5a of the distance sensor 5 in step S114. Then, the installation error calculation unit 10a superimposes the acquired coordinate transformation values Σr ,a and Σr ,b of the two moving coordinate systems to calculate the installation angle at which the coordinate transformation values Σr ,a and Σr ,b of the two moving coordinate systems coincide. In this way, the installation error Δθz around the vertical axis ( zs- axis) of the distance sensor 5 is calculated (calculation step). In FIG. 7(d), the coinciding coordinate transformation values Σr ,a and Σr,b are the figures indicated by reference numerals 16a and 16b, respectively.
ここで、2つの移動座標系の座標変換値Σr,a、Σr,bが一致するとは、移動座標系の座標変換値Σr,aの3次元の点群データのエッジ部と、移動座標系の座標変換値Σr,b3次元の点群データのエッジ部とが重なることを意味する。ここで、「重なる」とは、当該エッジ部同士の距離が1.0mm以下になることをいう。
例えば、設計上の距離センサ5の取付角度θzが45°でその±3°の範囲において0.1°ごとに座標変換する場合、42.0°、42.1°、42.2°、・・・、47.9°、48.0°と順次、2つの移動座標系の座標変換値Σr,a、Σr,bを算出する。そして、2つの移動座標系の座標変換値Σr,a、Σr,bを重ねてΣr,a、Σr,bの3次元の点群データのエッジ部同士が重なった際の角度が取付角度θz±取付誤差Δθzとなる。
Here, the coordinate transformation values Σr ,a and Σr ,b of the two moving coordinate systems being the same means that the edge portions of the three-dimensional point cloud data of the coordinate transformation value Σr ,a of the moving coordinate system overlap with the edge portions of the three-dimensional point cloud data of the coordinate transformation value Σr ,b of the moving coordinate system. Here, "overlapping" means that the distance between the edge portions is 1.0 mm or less.
For example, if the designed mounting angle θz of the distance sensor 5 is 45° and coordinate transformation is performed in increments of 0.1° within a range of ±3°, the coordinate transformation values Σr ,a and Σr ,b of the two moving coordinate systems are calculated in sequence as 42.0°, 42.1°, 42.2°, ..., 47.9°, and 48.0°. Then, the coordinate transformation values Σr ,a and Σr ,b of the two moving coordinate systems are superimposed, and the angle when the edge portions of the three-dimensional point cloud data of Σr,a and Σr ,b overlap becomes the mounting angle θz±the mounting error Δθz.
次いで、ステップS116において、校正装置10の取付誤差出力部10bは、ステップS115において、取付誤差算出部10aで算出した鉛直軸(zs軸)回りの取付誤差Δθzを出力し、モニター等の表示装置でそれらの情報を表示する(取付誤差出力工程)。
D.距離センサ5の取付角度の校正
本実施形態では、前述のA~Cの方法で取付誤差Δθx、Δθy、Δθzを算出した後、算出した取付誤差Δθx、Δθy、Δθzに基づいて距離センサ5の取付角度を校正する。
Next, in step S116, the installation error output unit 10b of the calibration device 10 outputs the installation error Δθz about the vertical axis (zs - axis) calculated by the installation error calculation unit 10a in step S115, and displays this information on a display device such as a monitor (installation error output step).
D. Calibration of Mounting Angle of Distance Sensor 5 In this embodiment, after the mounting errors Δθx, Δθy, and Δθz are calculated by the above-described methods A to C, the mounting angle of the distance sensor 5 is calibrated based on the calculated mounting errors Δθx, Δθy, and Δθz.
距離センサ5の取付角度の校正方法としては、例えば、距離センサ5の取付角度を算出した取付誤差Δθx、Δθy、Δθz分だけ直接修正する方法が挙げられる。また、前述の(1)式を用いてセンサ座標系の測定値Σsをツール4の移動座標系の座標変換値ΣR(ツール4が配置されているxyz座標系における被測定物の位置)へと座標変換する際に、座標変換列Rx、Ry、Rzを補正する方法もある。
前者の距離センサ5の取付角度を直接修正する場合には、距離センサ5の取付角度を算出した取付誤差Δθx、Δθy、Δθz分だけ修正した後、距離センサ5を用いて被測定物の3次元形状を測定する。
As a method for calibrating the mounting angle of the distance sensor 5, for example, there is a method of directly correcting the mounting angle of the distance sensor 5 by the calculated mounting errors Δθx, Δθy, Δθz. There is also a method of correcting the coordinate transformation sequences R x , R y , R z when transforming the measurement value Σ s in the sensor coordinate system into the coordinate transformation value Σ R in the movement coordinate system of the tool 4 (the position of the object to be measured in the xyz coordinate system in which the tool 4 is placed) using the above-mentioned equation ( 1 ).
In the former case of directly correcting the mounting angle of the distance sensor 5, the mounting angle of the distance sensor 5 is corrected by the calculated mounting errors Δθx, Δθy, Δθz, and then the three-dimensional shape of the object to be measured is measured using the distance sensor 5.
一方、後者の座標変換列Rx、Ry、Rzを補正する場合には、距離センサ5の取付角度を修正せずに、距離センサ5を用いて被測定物の3次元形状を測定する。そして、センサ座標系の測定値Σsを座標変換部5aで座標変換する際に、算出した取付誤差Δθx、Δθy、Δθz分を考慮して(1)式における座標変換列Rx、Ry、Rzの値を補正する。具体的には、算出した取付誤差Δθx、Δθy、Δθzを(2)~(4)式における設計上の取付角度θx、θy、θzに足して補正した座標変換列Rx、Ry、Rzを次の(6)~(8)式により算出する。そして、これら補正した座標変換列Rx、Ry、Rzにセンサ座標系の測定値Σsを掛け合わせ、ツール4の位置座標を足して(1)式によりツール4の移動座標系の座標変換値ΣR(ツール4が配置されているxyz座標系における被測定物の位置)を求める。 On the other hand, when correcting the latter coordinate transformation sequence Rx , Ry , Rz , the three-dimensional shape of the object to be measured is measured using the distance sensor 5 without correcting the mounting angle of the distance sensor 5. Then, when the coordinate conversion unit 5a converts the measurement value Σs in the sensor coordinate system, the values of the coordinate transformation sequence Rx , Ry , Rz in equation (1) are corrected taking into account the calculated mounting errors Δθx, Δθy, Δθz. Specifically, the calculated mounting errors Δθx, Δθy, Δθz are added to the design mounting angles θx, θy, θz in equations (2) to (4) to calculate the corrected coordinate transformation sequence Rx , Ry , Rz using the following equations (6) to (8). Then, these corrected coordinate transformation sequences R x , R y , R z are multiplied by the measurement value Σ s in the sensor coordinate system, and the position coordinate of the tool 4 is added to obtain the coordinate transformation value Σ R in the moving coordinate system of the tool 4 (the position of the object to be measured in the xyz coordinate system in which the tool 4 is placed) using equation (1).
本実施形態に係る自動切断装置1を用いて厚板Sの切断加工を行う際に、事前に距離センサ5の取付誤差Δθx、Δθy、Δθzを算出しておく。即ち、自動切断装置1の台座1a上に厚板Sを載置する前に、前述のA~Cの方法で距離センサ5の取付誤差Δθx、Δθy、Δθzを算出する。そして、距離センサ5の取付角度の校正方法として、距離センサ5の取付角度を算出した取付誤差Δθx、Δθy、Δθz分だけ直接修正する場合には、この時点で距離センサ5の取付角度を修正する。
When cutting a thick plate S using the automatic cutting device 1 according to this embodiment, the mounting errors Δθx, Δθy, and Δθz of the distance sensor 5 are calculated in advance. That is, before placing the thick plate S on the base 1a of the automatic cutting device 1, the mounting errors Δθx, Δθy, and Δθz of the distance sensor 5 are calculated using the methods A to C described above. Then, when calibrating the mounting angle of the distance sensor 5 by directly correcting the mounting angle of the distance sensor 5 by the calculated mounting errors Δθx, Δθy, and Δθz, the mounting angle of the distance sensor 5 is corrected at this point.
次いで、切断前の厚板Sを自動切断装置1の台座1a上に載置し、距離センサ5を用いて厚板Sの3次元形状を測定する。そして、距離センサ5で測定したセンサ座標系の測定値Σsを座標変換部5aにおいて(1)式によりツール4の移動座標系の座標変換値ΣR(ツール4が配置されているxyz座標系における厚板Sの位置)へと座標変換する。距離センサ5の取付角度の校正方法として座標変換列Rx、Ry、Rzを補正する場合には、この時点でセンサ座標系の測定値Σsを座標変換部5aで座標変換する際に、算出した取付誤差Δθx、Δθy、Δθz分を考慮して(1)式における座標変換列Rx、Ry、Rzの値を補正する。そして、これら補正した座標変換列Rx、Ry、Rzにセンサ座標系の測定値Σs(距離センサ5で測定した3次元形状測定データ)を掛け合わせ、ツール4の位置座標を足して(1)式によりツール4の移動座標系の座標変換値ΣR(ツール4が配置されているxyz座標系における厚板Sの位置)を求める。 Next, the thick plate S before cutting is placed on the pedestal 1a of the automatic cutting device 1, and the three-dimensional shape of the thick plate S is measured using the distance sensor 5. Then, the measurement value Σs in the sensor coordinate system measured by the distance sensor 5 is coordinate-converted in the coordinate conversion unit 5a into a coordinate transformation value ΣR in the movement coordinate system of the tool 4 (the position of the thick plate S in the xyz coordinate system in which the tool 4 is arranged) using equation (1). If the coordinate transformation sequence Rx , Ry , Rz is corrected as a method of calibrating the mounting angle of the distance sensor 5, the values of the coordinate transformation sequence Rx, Ry, Rz in equation (1) are corrected at this point when the measurement value Σs in the sensor coordinate system is coordinate-converted by the coordinate conversion unit 5a, taking into account the calculated mounting errors Δθx , Δθy , Δθz . Then, these corrected coordinate transformation sequences Rx , Ry , Rz are multiplied by the measurement value Σs in the sensor coordinate system (three-dimensional shape measurement data measured by the distance sensor 5), and the position coordinate of the tool 4 is added to obtain the coordinate transformation value ΣR in the moving coordinate system of the tool 4 (the position of the thick plate S in the xyz coordinate system in which the tool 4 is located) using equation (1).
そして、ツール4の移動座標系の座標変換値ΣR(ツール4が配置されているxyz座標系における厚板Sの位置)から厚板Sの切断位置を決定し、自動切断装置1は切断位置に沿ってツール4の位置合わせを行い、切断トーチ6によって厚板Sを切断する。これにより、指定された製品寸法の厚板製品を切り出す。
その後、切り出した厚板製品の3次元形状を距離センサ5を用いて再び測定し、距離センサ5で測定したセンサ座標系の測定値Σsを座標変換部5aにおいて(1)式によりツール4の移動座標系の座標変換値ΣRへと座標変換し、切り出した厚板製品の寸法が指定された寸法になっているかを確認する。距離センサ5の取付角度の校正方法として座標変換列Rx、Ry、Rzを補正する場合には、この時点でセンサ座標系の測定値Σsを座標変換部5aで座標変換する際に、算出した取付誤差Δθx、Δθy、Δθz分を考慮して(1)式における座標変換列Rx、Ry、Rzの値を補正する。そして、これら補正した座標変換列Rx、Ry、Rzにセンサ座標系の測定値Σsを掛け合わせ、ツール4の位置座標を足して(1)式によりΣR:移動座標系(ツール4が配置されているxyz座標系の厚板Sの位置)を求める。
Then, the cutting position of the thick plate S is determined from the coordinate transformation value Σ R of the movement coordinate system of the tool 4 (the position of the thick plate S in the xyz coordinate system in which the tool 4 is placed), and the automatic cutting device 1 aligns the tool 4 along the cutting position and cuts the thick plate S with the cutting torch 6. In this way, a thick plate product having the specified product dimensions is cut out.
The three-dimensional shape of the cut thick plate product is then measured again using the distance sensor 5, and the measurement value Σs in the sensor coordinate system measured by the distance sensor 5 is coordinate-converted in the coordinate conversion unit 5a into the coordinate transformation value ΣR in the moving coordinate system of the tool 4 using equation (1), to confirm whether the dimensions of the cut thick plate product are the specified dimensions. If the coordinate transformation sequence Rx , Ry , Rz is corrected as a method of calibrating the mounting angle of the distance sensor 5, the values of the coordinate transformation sequence Rx , Ry , Rz in equation (1) are corrected at this point when the measurement value Σs in the sensor coordinate system is coordinate-converted by the coordinate conversion unit 5a, taking into account the calculated mounting errors Δθx, Δθy, Δθz. Then, these corrected coordinate transformation sequences Rx , Ry , Rz are multiplied by the measurement value Σs in the sensor coordinate system, and added with the position coordinates of the tool 4 to obtain ΣR : the moving coordinate system (the position of the thick plate S in the xyz coordinate system where the tool 4 is located) using equation (1).
以上説明したように、本実施形態に係る3次元形状測定機器の校正方法によれば、校正装置10によって、3次元形状測定機器としての距離センサ5の3つの取付方向軸(水平一軸(xs軸)、水平二軸(ys軸)、及び鉛直軸(zs軸))に対し、3つの取付方向軸回りのそれぞれの取付誤差を算出する算出工程(ステップS14、ステップS4、ステップS115)を含む。この算出工程の際に、取付方向軸(水平一軸(xs軸)、水平二軸(ys軸)、及び鉛直軸(zs軸))ごとに異なる算出方法を用いて3つの取付方向軸回りのそれぞれの取付誤差を算出する。
これにより、各々の取付方向軸に対応する最適な算出方法を用いて3次元形状測定機器としての距離センサ5の取付誤差を算出することができ、距離センサ5の3つの取付方向軸(水平一軸(xs軸)、水平二軸(ys軸)、及び鉛直軸(zs軸))回りの取付誤差を精度高く算出することができる。
As described above, the calibration method for a three-dimensional shape measuring device according to this embodiment includes a calculation step (steps S14, S4, and S115) in which the calibration device 10 calculates installation errors about three installation direction axes (the first horizontal axis (xs - axis), the second horizontal axis (ys - axis), and the vertical axis (zs - axis)) of the distance sensor 5 serving as the three-dimensional shape measuring device. In this calculation step, different calculation methods are used for the installation direction axes (the first horizontal axis (xs - axis), the second horizontal axis (ys - axis), and the vertical axis ( zs- axis)) to calculate the installation errors about the three installation direction axes.
This makes it possible to calculate the installation error of the distance sensor 5 as a three-dimensional shape measuring device using an optimal calculation method corresponding to each installation direction axis, and to calculate the installation error around the three installation direction axes of the distance sensor 5 (the first horizontal axis (xs - axis), the second horizontal axis (ys - axis), and the vertical axis (zs - axis)) with high precision.
また、1つの算出方法で1つの取付方向軸回りの取付誤差のみを算出するため、各算出方法の装置構成や算出工程を簡略化することができる。
また、実施形態に係る3次元形状測定機器の校正方法によれば、校正装置10によって、3次元形状測定機器としての距離センサ5の水平一軸(xs軸)回りの取付誤差を算出する算出工程(ステップS14)において、次の処理を行う。即ち、距離センサ5が測定した(ステップS13で測定した)、水平出しした高さの差hが既知の2つの水平面14a,14bを有する校正部材としてのキャリブレーションブロック14の2つの水平面14a,14bの高さの差herrのデータを校正装置10が取得する。そして、校正装置10は、既知の高さの差hと取得した高さの差herrのデータとに基づいて前述の(5)式により距離センサ5の水平一軸回りの取付誤差Δθxを算出する(ステップS14)。
Furthermore, since only the mounting error around one axis in the mounting direction is calculated using one calculation method, the device configuration and calculation process for each calculation method can be simplified.
Furthermore, according to the calibration method for a three-dimensional shape measuring device of the embodiment, the calibration device 10 performs the following processing in a calculation step (step S14) of calculating an installation error about a single horizontal axis (xs - axis) of the distance sensor 5 serving as a three-dimensional shape measuring device. That is, the calibration device 10 acquires data on the height difference herr between the two horizontal surfaces 14a, 14b of the calibration block 14 serving as a calibration member having two leveled horizontal surfaces 14a, 14b with a known height difference h, measured by the distance sensor 5 (measured in step S13). Then, the calibration device 10 calculates the installation error Δθx about the single horizontal axis of the distance sensor 5 using the above-mentioned equation (5) based on the known height difference h and the acquired height difference herr data (step S14).
これにより、簡単な方法で精度高く距離センサ5の水平一軸回りの取付誤差Δθxを算出することができる。
また、本実施形態に係る3次元形状測定機器の校正方法によれば、校正装置10によって、3次元形状測定機器としての距離センサ5の水平二軸(ys軸)回りの取付誤差を算出する算出工程(ステップS4)において、次の処理を行う。即ち、校正装置10は、距離センサ5が測定した(ステップS3で測定した)、水平出しした水平面13aを有する校正部材としての定盤13の水平面13aの形状データを取得する。そして、校正装置10は、その取得した水平面13aの形状データを1次関数に近似して水平面13aの傾きを算出することにより、距離センサ5の水平二軸回りの取付誤差Δθyを算出する(ステップS4)。
This makes it possible to calculate the mounting error Δθx of the distance sensor 5 around the horizontal axis with high accuracy using a simple method.
Furthermore, according to the method for calibrating a three-dimensional shape measuring device of this embodiment, the calibration device 10 performs the following processing in a calculation step (step S4) for calculating the installation errors about two horizontal axes (y-axis and s- axis) of the distance sensor 5 serving as the three-dimensional shape measuring device. That is, the calibration device 10 acquires shape data of the horizontal surface 13a of the surface plate 13 serving as a calibration member having the leveled horizontal surface 13a measured by the distance sensor 5 (measured in step S3). Then, the calibration device 10 calculates the installation error Δθy about the two horizontal axes of the distance sensor 5 by approximating the acquired shape data of the horizontal surface 13a to a linear function and calculating the tilt of the horizontal surface 13a (step S4).
これにより、簡単な方法で精度高く距離センサ5の水平二軸軸回りの取付誤差Δθyを算出することができる。
また、本実施形態に係る3次元形状測定機器の校正方法によれば、校正装置10によって、3次元形状測定機器としての距離センサ5の鉛直軸(zs軸)回りの取付誤差を算出する算出工程(ステップS115)において、次の処理を行う。即ち、距離センサ5が異なる2方向の測定経路a,bから校正部材としてのキャリブレーションブロック14をそれぞれ測定して得られた2つの3次元形状測定データ(センサ座標系の測定値)Σsのそれぞれについて、設計上の取付角度θzから±θの範囲において微小な角度dθzごとに座標変換した2つの座標変換値Σr,a、Σr,bを校正装置10が取得する。そして、校正装置10は、その取得した2つの座標変換値Σr,a、Σr,bを重ね合わせて2つの座標変換値Σr,a、Σr,bが一致する取付角度を算出することにより、距離センサ5の鉛直軸回りの取付誤差Δθzを算出する(ステップS115)。
This makes it possible to calculate the mounting error Δθy around the two horizontal axes of the distance sensor 5 with high accuracy using a simple method.
Furthermore, according to the method for calibrating a three-dimensional shape measuring device of this embodiment, the calibration device 10 performs the following processing in a calculation step (step S115) for calculating an installation error about the vertical axis (zs - axis) of the distance sensor 5 serving as the three-dimensional shape measuring device. That is, for each of two pieces of three-dimensional shape measurement data (measurement values in the sensor coordinate system) Σs obtained by the distance sensor 5 measuring the calibration block 14 serving as the calibration member from two different measurement paths a and b, the calibration device 10 acquires two coordinate transformation values Σr ,a and Σr ,b by performing coordinate transformation for each small angle dθz within a range of ±θ from the designed installation angle θz. Then, the calibration device 10 superimposes the two acquired coordinate transformation values Σr ,a and Σr ,b to calculate the installation angle at which the two coordinate transformation values Σr,a and Σr ,b coincide, thereby calculating an installation error Δθz about the vertical axis of the distance sensor 5 (step S115).
これにより、簡単な方法で精度高く距離センサ5の鉛直軸回りの取付誤差Δθzを算出することができる。
また、本実施形態に係る3次元形状測定装置12によれば、被測定物の3次元形状を測定する3次元形状測定機器としての距離センサ5と、校正装置10とを備えている。校正装置10は、距離センサ5の3つの取付方向軸(水平一軸(xs軸)、水平二軸(ys軸)、及び鉛直軸(zs軸))に対し、3つの取付方向軸(水平一軸(xs軸)、水平二軸(ys軸)、及び鉛直軸(zs軸))回りのそれぞれの取付誤差Δθx、Δθy、Δθzを算出する。このそれぞれの取付誤差Δθx、Δθy、Δθzを算出する際に、取付方向軸(水平一軸(xs軸)、水平二軸(ys軸)、及び鉛直軸(zs軸))ごとに異なる算出方法を用いる。
This makes it possible to calculate the mounting error Δθz of the distance sensor 5 around the vertical axis with high accuracy using a simple method.
Furthermore, the three-dimensional shape measuring apparatus 12 according to this embodiment includes a distance sensor 5 as a three-dimensional shape measuring device for measuring the three-dimensional shape of an object to be measured, and a calibration device 10. The calibration device 10 calculates installation errors Δθx, Δθy, and Δθz about the three installation direction axes (the first horizontal axis ( xs - axis), the second horizontal axis ( ys- axis ), and the vertical axis ( zs - axis)) of the distance sensor 5. When calculating these installation errors Δθx, Δθy, and Δθz, different calculation methods are used for the installation direction axes (the first horizontal axis (xs - axis), the second horizontal axis (ys - axis), and the vertical axis ( zs- axis)).
これにより、校正装置10が、各々の取付方向軸に対応する最適な算出方法を用いて3次元形状測定機器としての距離センサ5の取付誤差を算出することができる。このため、距離センサ5の3つの取付方向軸(水平一軸(xs軸)、水平二軸(ys軸)、及び鉛直軸(zs軸))回りの取付誤差を精度高く算出することができる。
また、本実施形態に係る自動加工装置としての自動切断装置1によれば、前述の3次元形状測定装置12と、被測定物としての厚板Sの加工を行う加工機器としての切断トーチ6とを備えている。そして、3次元形状測定機器としての距離センサ5は、切断トーチ6による加工前及び加工後の少なくとも一方の厚板Sの3次元形状を測定する。
This allows the calibration device 10 to calculate the installation error of the distance sensor 5 as a three-dimensional shape measuring device using the optimum calculation method corresponding to each installation direction axis. Therefore, the installation error around the three installation direction axes (the first horizontal axis (xs - axis), the second horizontal axis (ys - axis), and the vertical axis (zs - axis)) of the distance sensor 5 can be calculated with high accuracy.
Furthermore, the automatic cutting device 1 as an automatic processing device according to this embodiment includes the above-described three-dimensional shape measuring device 12 and a cutting torch 6 as a processing device that processes the thick plate S as the object to be measured. The distance sensor 5 as a three-dimensional shape measuring device measures the three-dimensional shape of the thick plate S at least one of before and after processing by the cutting torch 6.
これにより、3次元形状測定装置12の校正装置10が、各々の取付方向軸に対応する最適な算出方法を用いて3次元形状測定機器としての距離センサ5の取付誤差を精度高く算出することができるので、切断トーチ6による加工前及び加工後の少なくとも一方の厚板Sの3次元形状を精度高く測定することができる。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに種々の変更、改良を行うことができる。
例えば、距離センサ5の取付方向軸である水平一軸(xs軸)、水平二軸(ys軸)、及び鉛直軸(zs軸)の3軸全てについて距離センサ5の取付誤差を求める必要は必ずしもなく、必要な軸についてのみ誤差を算出すればよい。例えば、鉛直方向(z方向)に設置した切断トーチ6を水平方向(y方向)に動かして厚板Sを切断する場合には、距離センサ5の水平一軸(xs軸)回りの取付誤差Δθxを考慮する必要はない。このため、水平二軸(ys軸)と鉛直軸(zs軸)の2軸回りの取付誤差のみを校正すればよい。
This allows the calibration device 10 of the three-dimensional shape measuring device 12 to accurately calculate the installation error of the distance sensor 5 as a three-dimensional shape measuring device using the optimal calculation method corresponding to each installation direction axis, thereby enabling the three-dimensional shape of at least one of the thick plates S before and after processing by the cutting torch 6 to be measured with high accuracy.
Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this and various modifications and improvements can be made.
For example, it is not necessary to calculate the installation error of the distance sensor 5 for all three axes, namely, the horizontal axis (xs - axis), the horizontal axis (ys - axis), and the vertical axis ( zs- axis), which are the installation direction axes of the distance sensor 5, and it is sufficient to calculate the error only for the necessary axes. For example, when a cutting torch 6 installed in the vertical direction (z-axis) is moved horizontally (y-axis) to cut a thick plate S, it is not necessary to consider the installation error Δθx around the horizontal axis ( xs -axis) of the distance sensor 5. Therefore, it is sufficient to calibrate only the installation errors around the two axes, the horizontal axis (ys - axis) and the vertical axis (zs - axis).
また、距離センサ5の取付方向軸は、水平一軸(xs軸)、水平二軸(ys軸)、及び鉛直軸(zs軸)の3軸であるが、3軸に限らず、複数軸あればよい。
また、3次元測定機器としての距離センサ5を自動切断装置1に取り付け、被測定物としての厚板Sを切断する場合について説明したが、3次元形状測定装置12を単独で設置することも可能である。また、3次元形状測定装置12を、自動切断装置1以外の被測定物の各種自動加工装置に取り付けることも可能である。さらに、被測定物についても、厚板Sには限らず、3次元形状測定装置12は、様々な物体の3次元形状の測定に適応することができる。
The distance sensor 5 has three mounting axes: one horizontal axis (xs - axis), two horizontal axes (ys - axis), and a vertical axis (zs - axis). However, the number of mounting axes is not limited to three, and any number of axes may be used.
In addition, although the case where the distance sensor 5 as a three-dimensional measuring device is attached to the automatic cutting device 1 and a thick plate S as a measurement object is cut has been described, the three-dimensional shape measuring device 12 can also be installed independently. The three-dimensional shape measuring device 12 can also be attached to various automatic processing devices for measurement objects other than the automatic cutting device 1. Furthermore, the measurement object is not limited to the thick plate S, and the three-dimensional shape measuring device 12 can be adapted to measure the three-dimensional shapes of various objects.
また、自動切断装置1についても、切断トーチ6や距離センサ5を被測定物に対して相対移動させることができる構成であれば門型の切断機に限らない。
また、3次元形状測定機器としての距離センサ5は、加工機器としての切断トーチ6による被測定物としての厚板Sの加工前及び加工後の双方の場合に厚板Sの3次元形状を測定している。しかし、この場合に限らず、厚板Sの加工前及び加工後の少なくとも一方において厚板Sの3次元形状を測定するようにすればよい。
また、自動切断装置1を用いて厚板Sの3次元形状を測定するに際し、図11に示すように、距離センサ5を門型の台車3の幅方向に複数台設置して、複数台の距離センサ5をそれぞれ矢印B方向(x方向)のみに走査させて厚板Sの3次元形状を測定する構成としてもよい。
Furthermore, the automatic cutting device 1 is not limited to a gate-type cutting machine as long as it is configured to be able to move the cutting torch 6 and the distance sensor 5 relative to the object to be measured.
Furthermore, the distance sensor 5 as a three-dimensional shape measuring device measures the three-dimensional shape of the thick plate S as the object to be measured both before and after processing by the cutting torch 6 as a processing device. However, this is not limited to this case, and it is sufficient if the three-dimensional shape of the thick plate S is measured at least either before or after processing.
Furthermore, when measuring the three-dimensional shape of a thick plate S using the automatic cutting device 1, as shown in Figure 11, multiple distance sensors 5 may be installed in the width direction of the gate-shaped cart 3, and each of the multiple distance sensors 5 may be scanned only in the direction of arrow B (x direction) to measure the three-dimensional shape of the thick plate S.
(1)本発明の校正方法によって水平二軸(ys軸)回りの距離センサの取付角度を校正した実施例について、図12を参照して説明する。図12は、本発明の校正方法によって水平二軸(ys軸)回りの距離センサの取付角度を校正した実施例の効果を説明するためのグラフである。
前述したAで示す距離センサ5の水平二軸(ys軸)回りの取付誤差Δθyの算出方法において、距離センサ5が水平出しした定盤13の水平面13aを測定し、その距離センサ5が測定した水平面13aの形状データを校正装置10が取得した。そして、校正装置10は、その取得した水平面13aの形状データを1次関数に近似して水平面13aの傾きを算出した。その結果、水平面13aの傾きは0.51°であった。これにより、校正装置10において、距離センサ5の水平二軸(ys軸)回りの取付誤差Δθyは0.51°と算出された。
そして、作業者は、水平二軸(ys軸)回りの距離センサ5の取付角度を0.51°だけ補正し、定盤13の水平面13aを測定した。その結果、図12に示すように、定盤13の水平面13aの傾きは0°近傍となった。
(1) An example in which the mounting angle of a distance sensor around two horizontal axes ( ys- axes) is calibrated by the calibration method of the present invention will be described with reference to Fig. 12. Fig. 12 is a graph for explaining the effect of an example in which the mounting angle of a distance sensor around two horizontal axes ( ys- axes) is calibrated by the calibration method of the present invention.
In the method for calculating the installation error Δθy of the distance sensor 5 around the two horizontal axes (ys - axes) shown in A described above, the distance sensor 5 measures the horizontal surface 13a of the leveled surface plate 13, and the calibration device 10 acquires the shape data of the horizontal surface 13a measured by the distance sensor 5. Then, the calibration device 10 approximates the acquired shape data of the horizontal surface 13a to a linear function to calculate the tilt of the horizontal surface 13a. As a result, the tilt of the horizontal surface 13a was found to be 0.51°. As a result, the calibration device 10 calculated the installation error Δθy of the distance sensor 5 around the two horizontal axes (ys - axes) to be 0.51°.
Then, the worker corrected the mounting angle of the distance sensor 5 around the two horizontal axes (y and s axes) by 0.51° and measured the horizontal surface 13a of the surface plate 13. As a result, as shown in Figure 12, the inclination of the horizontal surface 13a of the surface plate 13 was close to 0°.
(2)本発明の校正方法によって鉛直軸(zs軸)回りの距離センサの取付角度を校正した実施例について、図13乃至図15を参照して説明する。図13は、本発明の校正方法によって鉛直軸(zs軸)回りの距離センサの取付角度を校正した実施例を説明するもので、距離センサが定盤上に載置された校正部材としてのスコヤに対してレーザー光を照射している状態の説明図である。図14(a)は、図13に示す測定経路aでスコヤを測定した3次元形状測定データを示す説明図である。図14(b)は、図13に示す測定経路bでスコヤを測定した3次元形状測定データを示す説明図である。図15(a)は、図13に示す測定経路aでスコヤを測定した3次元形状測定データを設計上の距離センサの取付角度θz=45°にて座標変換した座標変換値と図13に示す測定経路bでスコヤを測定した3次元形状測定データを設計上の距離センサの取付角度θz=45°にて座標変換した座標変換値とを重ね合わせた図である。図15(b)は、図13に示す測定経路aでスコヤを測定した3次元形状測定データを設計上の距離センサの取付角度θz=45°からΔθz=-2.5°だけ変化させた取付角度42.5°にて座標変換した座標版権値と図13に示す測定経路bでスコヤを測定した3次元形状測定データを設計上の距離センサの取付角度θz=45°からΔθz=-2.5°だけ変化させた取付角度42.5°にて座標変換した座標変換値とを重ね合わせた図である。 (2) An embodiment in which the mounting angle of a distance sensor around the vertical axis (zs - axis) is calibrated using the calibration method of the present invention will be described with reference to FIGS. 13 to 15 . FIG. 13 illustrates an embodiment in which the mounting angle of a distance sensor around the vertical axis (zs - axis) is calibrated using the calibration method of the present invention, and is an explanatory diagram of a state in which the distance sensor is irradiating a laser beam onto a square as a calibration member placed on a surface plate. FIG. 14( a) is an explanatory diagram showing three-dimensional shape measurement data obtained by measuring a square using the measurement path a shown in FIG. 13 . FIG. 14( b) is an explanatory diagram showing three-dimensional shape measurement data obtained by measuring a square using the measurement path b shown in FIG. 13 . FIG. 15( a) is a diagram superimposing coordinate transformation values obtained by converting the three-dimensional shape measurement data obtained by measuring a square using the measurement path a shown in FIG. 13 at a designed mounting angle of the distance sensor θz = 45° and coordinate transformation values obtained by converting the three-dimensional shape measurement data obtained by measuring a square using the measurement path b shown in FIG. 13 at a designed mounting angle of the distance sensor θz = 45°. Figure 15(b) is a diagram superimposing coordinate copyright values obtained by coordinate transformation of three-dimensional shape measurement data measured with a square along measurement path a shown in Figure 13 at an installation angle of 42.5°, which is a change of Δθz = -2.5° from the design distance sensor installation angle θz = 45°, and coordinate transformation values obtained by coordinate transformation of three-dimensional shape measurement data measured with a square along measurement path b shown in Figure 13 at an installation angle of 42.5°, which is a change of Δθz = -2.5° from the design distance sensor installation angle θz = 45°.
前述したCで示す距離センサ5の鉛直軸(zs軸)回りの取付誤差Δθzの算出方法において、距離センサ5は、図13に示すように、異なる直交する2方向の測定経路a,bからスコヤTを測定した。その結果、図13に示す測定経路aでスコヤTを測定したセンサ座標系の測定値(3次元形状測定データ)Σaは図14(a)に示すようになり、図13に示す測定経路bでスコヤTを測定したセンサ座標系の測定値(3次元形状測定データ)Σbは図14(b)に示すようであった。
そして、距離センサ5の座標変換部5aは、距離センサ5で測定したセンサ座標系の測定値(3次元形状測定データ)Σa及びセンサ座標系の測定値(3次元形状測定データ)Σbのそれぞれについて、設計上の距離センサの取付角度θz==45°にて(1)式を用いて座標変換した移動座標系の座標変換値Σr,a、Σr,bを算出した。この際に、設計上の距離センサの取付角度θxは0°、θyは0°とした。
In the method of calculating the installation error Δθz around the vertical axis ( zs axis) of the distance sensor 5 shown in C described above, the distance sensor 5 measured the square T from two different, perpendicular measurement paths a and b as shown in Fig. 13. As a result, the measurement value (three-dimensional shape measurement data) Σa in the sensor coordinate system when the square T was measured along measurement path a shown in Fig. 13 was as shown in Fig. 14(a), and the measurement value (three-dimensional shape measurement data) Σb in the sensor coordinate system when the square T was measured along measurement path b shown in Fig. 13 was as shown in Fig. 14(b).
Then, the coordinate conversion unit 5a of the distance sensor 5 calculated coordinate conversion values Σr,a and Σr,b in the moving coordinate system by converting the measurement value (three-dimensional shape measurement data) Σa and the measurement value (three-dimensional shape measurement data) Σb of the sensor coordinate system measured by the distance sensor 5 using equation (1) with the designed mounting angle θz of the distance sensor set to 45 °. At this time, the designed mounting angle θx of the distance sensor was set to 0°, and θy was set to 0°.
そして、校正装置10は、その算出された両座標変換値Σr,a、Σr,bを取得し、図15(a)に示すように重ね合わせた。その結果、両座標変換値Σr,a、Σr,bの間に4.07mmの誤差があった。
また、距離センサ5の座標変換部5aは、距離センサ5で測定したセンサ座標系の測定値(3次元形状測定データ)Σa及びセンサ座標系の測定値(3次元形状測定データ)Σbのそれぞれについて、設計上の距離センサの取付角度θz:45°-取付誤差Δθz:2.5°=42.5°にて(1)式を用いて座標変換した移動座標系の座標変換値Σr,a’、Σr,b’を算出した。この際に、設計上の距離センサの取付角度θxは0°、θyは0°と変わらない。
そして、校正装置10は、両座標変換値Σr,a’、Σr,b’を取得し、図15(b)に示すように重ね合わせた。その結果、両座標変換値Σr,a’、Σr,b’の間の誤差が0.37mmとなり、ほぼ一致した。これにより、校正装置10は、距離センサ5の鉛直軸(zs軸)回りの取付誤差Δθzを2.5°と算出した。
そして、鉛直軸(zs軸)回りの距離センサ5の取付角度を2.5°だけ補正した。
The calibration device 10 then acquired the calculated coordinate transformation values Σr ,a and Σr ,b and superimposed them as shown in Fig. 15(a). As a result, there was an error of 4.07 mm between the coordinate transformation values Σr ,a and Σr ,b .
Furthermore, the coordinate conversion unit 5a of the distance sensor 5 calculated coordinate conversion values Σr,a', Σr,b' in the moving coordinate system by converting the sensor coordinate system measurement value (three-dimensional shape measurement data) Σa and the sensor coordinate system measurement value (three-dimensional shape measurement data) Σb measured by the distance sensor 5 using equation (1) where the design distance sensor mounting angle θz: 45 ° - mounting error Δθz: 2.5° = 42.5 °. In this case, the design distance sensor mounting angle θx remains 0°, and θy remains 0°.
Then, the calibration device 10 acquired both coordinate transformation values Σr ,a ' and Σr ,b ' and overlaid them as shown in FIG. 15(b). As a result, the error between both coordinate transformation values Σr ,a ' and Σr ,b ' was 0.37 mm, which was almost the same. As a result, the calibration device 10 calculated the installation error Δθz around the vertical axis ( zs axis) of the distance sensor 5 to be 2.5°.
Then, the mounting angle of the distance sensor 5 around the vertical axis ( zs axis) was corrected by 2.5°.
(3)次に、図1に示す自動切断装置1において、距離センサ5の取付角度を校正する前の状態で切断後の厚板Sの形状を測定した比較例と、図1に示す自動切断装置1において、距離センサ5の取付角度を校正した状態で切断後の厚板Sの形状を測定した実施例とについて、図16乃至図18を参照して説明する。
図16は、図1に示す自動切断装置1において、距離センサ5の取付角度を校正する前の状態で切断後の厚板の形状を測定する比較例と、図1に示す自動切断装置1において、距離センサ5の取付角度を校正した状態で切断後の厚板の形状を測定する実施例とにおける厚板の形状を測定する方法を説明するための図である。図17は、比較例による測定結果を示すグラフである。図18は、実施例による測定結果を示すグラフである。
比較例では、図16において、距離センサ5の取付角度を校正する前の状態で切断後の厚板Sの形状を矢印Cで示す方向に沿って測定し、厚板Sの長手方向の寸法lx及び厚板Sの幅方向の寸法lyを求めた。そして、メジャーを用いて手計測によって切断後の厚板Sの形状を測定し、厚板Sの長手方向の寸法Lx及び厚板Sの幅方向の寸法Lyを求めた。
(3) Next, with reference to Figures 16 to 18, a comparative example will be described in which the shape of the thick plate S after cutting is measured before the mounting angle of the distance sensor 5 is calibrated in the automatic cutting device 1 shown in Figure 1, and an example will be described in which the shape of the thick plate S after cutting is measured after the mounting angle of the distance sensor 5 is calibrated in the automatic cutting device 1 shown in Figure 1.
Fig. 16 is a diagram for explaining a method for measuring the shape of a thick plate in a comparative example in which the shape of the thick plate after cutting is measured in a state before the mounting angle of the distance sensor 5 is calibrated in the automatic cutting device 1 shown in Fig. 1, and an example in which the shape of the thick plate after cutting is measured in a state after the mounting angle of the distance sensor 5 is calibrated in the automatic cutting device 1 shown in Fig. 1. Fig. 17 is a graph showing the measurement results in the comparative example. Fig. 18 is a graph showing the measurement results in the example.
In the comparative example, in Fig. 16, before the mounting angle of the distance sensor 5 was calibrated, the shape of the thick plate S after cutting was measured along the direction indicated by the arrow C, and the longitudinal dimension lx and width dimension ly of the thick plate S were determined. Then, the shape of the thick plate S after cutting was measured manually using a tape measure, and the longitudinal dimension Lx and width dimension Ly of the thick plate S were determined.
そして、メジャーを用いて手計測によって測定して求めたLx,Lyと、比較例による方法で測定して求めたlx、lyとの差を測定誤差dx、dyとした。
dx=Lx-lx
dy=Ly-ly
測定誤差dx、dyの結果を図17及び表1に示す。
The difference between Lx and Ly measured manually using a tape measure and lx and ly measured using the method of the comparative example was taken as the measurement errors dx and dy.
dx = Lx - lx
dy = Ly - ly
The results of the measurement errors dx and dy are shown in FIG.
図17及び表1に示すように、メジャーを用いて手計測によって測定して求めたLx,Lyと、比較例による方法で測定して求めたlx、lyとの測定誤差dx、dyについては、測定誤差dxは最大で約3mm、測定誤差dyは最大で約7.5mmあり、非常に大きかった。
これに対し、実施例では、図16において、距離センサ5の取付角度を校正した後の状態で切断後の厚板Sの形状を矢印Cで示す方向に沿って測定し、厚板Sの長手方向の寸法lx及び厚板Sの幅方向の寸法lyを求めた。そして、メジャーを用いて手計測によって切断後の厚板Sの形状を測定し、厚板Sの長手方向の寸法Lx及び厚板Sの幅方向の寸法Lyを求めた。
そして、メジャーを用いて手計測によって測定して求めたLx,Lyと、実施例による方法で測定して求めたlx、lyとの差を測定誤差dx、dyとした。
dx=Lx-lx
dy=Ly-ly
測定誤差dx、dyの結果を図18及び表2に示す。
As shown in FIG. 17 and Table 1, the measurement errors dx and dy between Lx and Ly obtained by manual measurement using a tape measure and lx and ly obtained by measurement using the method of the comparative example were very large, with the maximum measurement error dx being approximately 3 mm and the maximum measurement error dy being approximately 7.5 mm.
In contrast to this, in the example shown in Figure 16, after the installation angle of the distance sensor 5 was calibrated, the shape of the thick plate S after cutting was measured along the direction shown by arrow C, and the longitudinal dimension lx and width dimension ly of the thick plate S were obtained. Then, the shape of the thick plate S after cutting was measured manually using a tape measure, and the longitudinal dimension Lx and width dimension Ly of the thick plate S were obtained.
The difference between Lx and Ly measured manually using a tape measure and lx and ly measured by the method of the embodiment was taken as the measurement errors dx and dy.
dx = Lx - lx
dy = Ly - ly
The results of the measurement errors dx and dy are shown in FIG.
図18及び表2に示すように、メジャーを用いて手計測によって測定して求めたLx,Lyと、実施例による方法で測定して求めたlx、lyとの測定誤差dx、dyについては、測定誤差dxは最大で約0.86mm、測定誤差dyは最大で約0.96mmあり、比較例に比べ測定誤差が減少することが確認された。 As shown in Figure 18 and Table 2, the measurement errors dx and dy between Lx and Ly measured manually using a tape measure and lx and ly measured using the method of the embodiment were approximately 0.86 mm at maximum and approximately 0.96 mm at maximum, confirming that the measurement errors were reduced compared to the comparative example.
1 自動切断装置(自動加工装置)
1a 台座
2 レール
3 台車
4 ツール
5 距離センサ(3次元形状測定機器)
5a 座標変換部
5b 光軸
5c レーザー光
6 切断トーチ(加工機器)
7 取付角度調整機構
7a 回転軸
7b 回転軸
7c 回転軸
8 制御装置
9 制御部
10 校正装置
10a 取付誤差算出部
10b 取付誤差出力部
11 出力部
12 3次元形状測定装置
13 定盤(校正部材)
13a 水平面
14 キャリブレーションブロック(校正部材)
14a 水平面
14b 水平面
S 厚板(被測定物)
1 Automatic cutting device (automatic processing device)
1a Base 2 Rail 3 Cart 4 Tool 5 Distance sensor (3D shape measuring device)
5a Coordinate conversion unit 5b Optical axis 5c Laser light 6 Cutting torch (processing equipment)
7 Mounting angle adjustment mechanism 7a Rotation axis 7b Rotation axis 7c Rotation axis 8 Control device 9 Control unit 10 Calibration device 10a Mounting error calculation unit 10b Mounting error output unit 11 Output unit 12 Three-dimensional shape measuring device 13 Surface plate (calibration member)
13a Horizontal surface 14 Calibration block (calibration member)
14a Horizontal surface 14b Horizontal surface S Thick plate (object to be measured)
Claims (4)
校正装置によって、前記3次元形状測定機器の複数の取付方向軸に対し、前記取付方向軸ごとに異なる算出方法を用いて前記複数の取付方向軸回りのそれぞれの取付誤差を算出する算出工程を含み、
前記3次元形状測定機器は、前記被測定物に対してライン状のレーザー光を照射し、前記被測定物までの距離を測定する距離センサであり、前記複数の取付方向軸は、水平方向かつ前記レーザー光のライン方向である水平一軸と、水平方向かつ前記水平一軸に直交する水平二軸と、前記レーザー光に平行かつ前記水平一軸及び前記水平二軸に直交する鉛直軸との3軸であり、
前記校正装置によって、前記3次元形状測定機器の前記鉛直軸回りの取付誤差を算出する算出工程では、前記3次元形状測定機器が異なる2方向の測定経路から校正部材をそれぞれ測定して得られた2つの3次元形状測定データのそれぞれについて、設計上の取付角度θzから±θの範囲において微小な角度dθzごとに座標変換した2つの座標変換値を前記校正装置が取得し、前記校正装置が取得した前記2つの座標変換値を重ね合わせて2つの座標変換値が一致する取付角度を算出することにより、前記3次元形状測定機器の前記鉛直軸回りの取付誤差Δθzを算出することを特徴とする3次元形状測定機器の校正方法。 1. A calibration method for a three-dimensional shape measuring device for calibrating an installation error of the three-dimensional shape measuring device for measuring the three-dimensional shape of an object to be measured, comprising:
a calculation step of calculating, by a calibration device, an installation error around each of a plurality of installation direction axes of the three-dimensional shape measuring device using a different calculation method for each of the installation direction axes ;
the three-dimensional shape measuring device is a distance sensor that irradiates a line-shaped laser beam onto the object to be measured and measures the distance to the object to be measured, and the multiple mounting direction axes are three axes: a horizontal axis that is horizontal and in the line direction of the laser beam, two horizontal axes that are horizontal and perpendicular to the horizontal axis, and a vertical axis that is parallel to the laser beam and perpendicular to the horizontal axis and the two horizontal axes;
In the calculation step of calculating the installation error of the three-dimensional shape measuring device about the vertical axis by the calibration device, the calibration device acquires two coordinate transformation values by performing coordinate transformation for each small angle dθz in a range of ±θ from the design installation angle θz for each of two three-dimensional shape measurement data obtained by the three-dimensional shape measuring device measuring a calibration member from two different measurement paths, and then calculates the installation error Δθz about the vertical axis of the three-dimensional shape measuring device by superimposing the two coordinate transformation values acquired by the calibration device .
前記3次元形状測定機器の複数の取付方向軸に対し、前記取付方向軸ごとに異なる算出方法を用いて前記複数の取付方向軸回りのそれぞれの取付誤差を算出する校正装置とを備えており、
前記3次元形状測定機器は、前記被測定物に対してライン状のレーザー光を照射し、前記被測定物までの距離を測定する距離センサであり、前記複数の取付方向軸は、水平方向かつ前記レーザー光のライン方向である水平一軸と、水平方向かつ前記水平一軸に直交する水平二軸と、前記レーザー光に平行かつ前記水平一軸及び前記水平二軸に直交する鉛直軸との3軸であり、
前記校正装置によって、前記3次元形状測定機器の前記鉛直軸回りの取付誤差を算出するに際し、前記3次元形状測定機器が異なる2方向の測定経路から校正部材をそれぞれ測定して得られた2つの3次元形状測定データのそれぞれについて、設計上の取付角度θzから±θの範囲において微小な角度dθzごとに座標変換した2つの座標変換値を前記校正装置が取得し、前記校正装置が取得した前記2つの座標変換値を重ね合わせて2つの座標変換値が一致する取付角度を算出することにより、前記3次元形状測定機器の前記鉛直軸回りの取付誤差Δθzを算出することを特徴とする3次元形状測定装置。 a three-dimensional shape measuring device for measuring the three-dimensional shape of an object to be measured;
a calibration device that calculates an installation error around each of a plurality of installation direction axes of the three-dimensional shape measuring device using a different calculation method for each of the installation direction axes,
the three-dimensional shape measuring device is a distance sensor that irradiates a line-shaped laser beam onto the object to be measured and measures the distance to the object to be measured, and the multiple mounting direction axes are three axes: a horizontal axis that is horizontal and in the line direction of the laser beam, two horizontal axes that are horizontal and perpendicular to the horizontal axis, and a vertical axis that is parallel to the laser beam and perpendicular to the horizontal axis and the two horizontal axes;
a calibration device for calculating an installation error about the vertical axis of the three-dimensional shape measuring instrument by the calibration device, the calibration device acquiring two coordinate transformation values by performing coordinate transformation for each small angle dθz in a range of ±θ from the design installation angle θz for each of two pieces of three-dimensional shape measurement data obtained by the three-dimensional shape measuring instrument measuring a calibration member from two different measurement paths, and then superimposing the two coordinate transformation values acquired by the calibration device to calculate an installation angle at which the two coordinate transformation values coincide, thereby calculating an installation error Δθz about the vertical axis of the three-dimensional shape measuring instrument .
前記被測定物の加工を行う加工機器とを備え、
前記3次元形状測定機器は、前記加工機器による加工前及び加工後の少なくとも一方の前記被測定物の3次元形状を測定するものであり、
前記3次元形状測定機器は、前記被測定物に対してライン状のレーザー光を照射し、前記被測定物までの距離を測定する距離センサであり、前記複数の取付方向軸は、水平方向かつ前記レーザー光のライン方向である水平一軸と、水平方向かつ前記水平一軸に直交する水平二軸と、前記レーザー光に平行かつ前記水平一軸及び前記水平二軸に直交する鉛直軸との3軸であり、
前記校正装置によって、前記3次元形状測定機器の前記鉛直軸回りの取付誤差を算出するに際し、前記3次元形状測定機器が異なる2方向の測定経路から校正部材をそれぞれ測定して得られた2つの3次元形状測定データのそれぞれについて、設計上の取付角度θzから±θの範囲において微小な角度dθzごとに座標変換した2つの座標変換値を前記校正装置が取得し、前記校正装置が取得した前記2つの座標変換値を重ね合わせて2つの座標変換値が一致する取付角度を算出することにより、前記3次元形状測定機器の前記鉛直軸回りの取付誤差Δθzを算出することを特徴とする自動加工装置。 a three-dimensional shape measuring device including: a three-dimensional shape measuring device that measures the three-dimensional shape of an object to be measured; and a calibration device that calculates installation errors about a plurality of installation direction axes of the three-dimensional shape measuring device using different calculation methods for each of the installation direction axes;
a processing device for processing the object to be measured,
the three-dimensional shape measuring device measures the three-dimensional shape of the object to be measured at least one of before and after processing by the processing device ,
the three-dimensional shape measuring device is a distance sensor that irradiates a line-shaped laser beam onto the object to be measured and measures the distance to the object to be measured, and the multiple mounting direction axes are three axes: a horizontal axis that is horizontal and in the line direction of the laser beam, two horizontal axes that are horizontal and perpendicular to the horizontal axis, and a vertical axis that is parallel to the laser beam and perpendicular to the horizontal axis and the two horizontal axes;
the calibration device acquires two coordinate transformation values obtained by coordinate transformation for each small angle dθz in a range of ±θ from the design mounting angle θz for each of two pieces of three-dimensional shape measurement data obtained by the three-dimensional shape measuring device measuring a calibration member from two different measurement paths, and then superimposes the two coordinate transformation values acquired by the calibration device to calculate the mounting angle at which the two coordinate transformation values match, thereby calculating the mounting error Δθz of the three-dimensional shape measuring device about the vertical axis .
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