| 【発明の名称】 |
形状検出装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】田中 宏幸
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| 【要約】 |
【課題】鋼板のエッジ等の形状の変化点を精度よく抽出しうる方法を提供すること。
【解決手段】被計測材の形状を検出する形状検出装置であって、光を被計測材に投光する手段と、該被計測材からの反射光を受光する手段と、投光と受光とによって形状検出装置から被計測材までの距離を計測する手段と、該距離から被計測材表面の光の位置を演算する手段と、受光の強度を計測する手段と、上記光を被計測材上にスキャンさせる手段と、スキャン位置に対応し前記光の位置と受光強度を記憶する手段とを有することを特徴とする形状検出装置。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 被計測材の形状を検出する形状検出装置であって、光を被計測材表面に投影する手段と、該投影光の形状を計測する手段と、該計測された投影光の各位置での光の受光強度を計測する手段と、前記計測された投影光の形状とその各位置における投影光の受光強度とを対応させて記憶する手段とを具備することを特徴とする形状検出装置。
【請求項２】 被計測材の形状を検出する形状検出装置であって、光を被計測材表面に投影する手段と、該投影光の形状を計測する手段と、該計測された投影光の各位置での光の受光強度を計測する手段と、該計測された投影光の形状から被計測材の表面形状を演算する手段と、前記演算された表面形状とその各位置における投影光の受光強度とを対応させて記憶する手段とを具備することを特徴とする形状検出装置。
【請求項３】 前記投影される光がスリット形状の光であることを特徴とする請求項１又は２記載の形状検出装置。
【請求項４】 前記計測された投影光の形状から被計測材の表面形状を演算する方法が光切断方式であることを特徴とする請求項２又は３記載の形状検出装置。
【請求項５】 前記投影光の形状あるいは演算された被計測材の表面形状と、それぞれの形状の各位置における投影光の受光強度の情報を元にエッジ部の位置または形状を抽出する信号処理装置を具備することを特徴とする請求項１、２，３又は４記載の形状検出装置。
【請求項６】 前記信号処理装置が、前記投影光の形状あるいは演算された被計測材表面の形状の情報を元に形状変化点の候補を複数点抽出する手段と、前記形状変化点の候補の中から受光強度の情報を基にエッジ位置を検出する手段とを具備することを特徴とする請求項５記載の形状検出装置。
【請求項７】 前記信号処理装置が、前記受光強度の情報を元に形状変化点の候補を複数点抽出する手段と、前記形状変化点の候補の中から前記投影光の形状あるいは演算された被計測材表面の形状の情報を基にエッジ位置を検出する手段とを具備することを特徴とする請求項５記載の形状検出装置。
【請求項８】 前記計測された投影光の形状の情報に基づいて被計測材上の形状変化点となりうる複数の候補点を抽出する手段と、前記複数の候補点の中から前記受光強度の情報に基づいて前記形状変化点を抽出する手段とを具備することを特徴とする請求項１記載の形状検出装置。
【請求項９】 前記受光強度の情報に基づいて被計測材上の受光強度変化点となりうる複数の候補点を抽出する手段と、前記複数の候補点の中から前記計測された投影光の形状の情報に基づいて前記受光強度変化点を抽出する手段とを具備することを特徴とする請求項１記載の形状検出装置。
【請求項１０】 前記演算された被計測材の表面形状の情報に基づいて被計測材上の形状変化点となりうる複数の候補点を抽出する手段と、前記複数の候補点の中から前記受光強度の情報に基づいて前記形状変化点を抽出する手段とを具備することを特徴とする請求項２記載の形状検出装置。
【請求項１１】 前記受光強度の情報に基づいて被計測材上の受光強度変化点となりうる複数の候補点を抽出する手段と、前記複数の候補点の中から前記演算された被計測材の表面形状の情報に基づいて前記受光強度変化点を抽出する手段とを具備することを特徴とする請求項２記載の形状検出装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は鋼板等の形状を計測する形状検出装置に関する。
【０００２】
【従来技術】鋼板における形状計測技術は、板幅計測装置などに利用されている。広く利用されているものに、エッジ位置検出技術がある。これは、鋼板をはさんで下方に光源を、上方に受光強度を計測しうる素子を板幅方向に直線状に多数配列した受光素子を配置して、鋼板が遮光する最エッジ部を検出する技術で、板幅の両端部の最エッジ部を検出することによって板幅を計測するものである。また、特開昭６２−１６４１５号公報には、レーザー光線を当て、被計測材からの反射光の強度を用いてエッジ位置を検出する方法が記載されている。
【０００３】あるいは、熱延鋼板の形状を計測するための技術として、特開平３−５３６５０号公報に記載の技術がある。これは熱延鋼板の形状を測定するために投光器からの光に対する被計測材からの反射光の強度を用いて側縁部の形状不良部分を検出している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、エッジ部で幅方向に膨らんでいる厚い鋼板の場合、幅計測装置において、前記従来の方法では最も膨らんでいる最エッジ部（以下、最端のエッジ位置とも称する。）を検出してしまうため、実際に板厚が一定の部分の幅、つまり表面の幅に対して、膨らみ分だけ余分に計測してしまう欠点があった。この膨らみの大きさは板厚によってばらつきも大きく、板厚が一定の部分の板幅の計測は困難であった。
【０００５】また、形状不良部分の検出の技術においては、熱延鋼板表面の粗度、付着物による反射強度のばらつきや、鋼板の傾きによって側縁部の反射強度分布は変化するため、インライン等では使いづらい等の問題点があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明はかかる課題に対し、被計測材上のエッジ位置や所望の検出点を正確に抽出することができる形状検出装置を提供するものである。つまり、本発明は以下の手段を提供する。
【０００７】第１の形状検出装置は、被計測材の形状を検出する形状検出装置であって、光を被計測材表面に投影する手段と、該投影光の形状を計測する手段と、該計測された投影光の各位置での光の受光強度を計測する手段と、前記計測された投影光の形状とその各位置における投影光の受光強度とを対応させて記憶する手段とを具備することを特徴とするものである。
【０００８】第２の形状検出装置は、被計測材の形状を検出する形状検出装置であって、光を被計測材表面に投影する手段と、該投影光の形状を計測する手段と、該計測された投影光の各位置での光の受光強度を計測する手段と、該計測された投影光の形状から被計測材の表面形状を演算する手段と、前記演算された表面形状とその各位置における投影光の受光強度とを対応させて記憶する手段とを具備することを特徴とするものである。
【０００９】第３の形状検出装置は、第１又は第２の形状検出装置において、前記投影される光がスリット形状の光であることを特徴とするものである。
【００１０】第４の形状検出装置は、第２又は第３の形状検出装置において、前記計測された投影光の形状から被計測材の表面形状を演算する方法が光切断方式であることを特徴とするものである。
【００１１】第５の形状検出装置は、第１、第２，第３又は第４の形状検出装置において、前記投影光の形状あるいは演算された被計測材の表面形状と、それぞれの形状の各位置における投影光の受光強度の情報を元にエッジ部の位置または形状を抽出する信号処理装置を具備することを特徴とするものである。
【００１２】第６の形状検出装置は、第５の形状検出装置の信号処理装置が、前記投影光の形状あるいは演算された被計測材表面の形状の情報を元に形状変化点の候補を複数点抽出する手段と、前記形状変化点の候補の中から受光強度の情報を基にエッジ位置を検出する手段とを具備することを特徴とするものである。
【００１３】第７の形状検出装置は、第５の形状検出装置の信号処理装置が、前記受光強度の情報を元に形状変化点の候補を複数点抽出する手段と、前記形状変化点の候補の中から前記投影光の形状あるいは演算された被計測材表面の形状の情報を基にエッジ位置を検出する手段とを具備することを特徴とするものである。
【００１４】第８の形状検出装置は、第１の形状検出装置において、前記計測された投影光の形状の情報に基づいて被計測材上の形状変化点となりうる複数の候補点を抽出する手段と、前記複数の候補点の中から前記受光強度の情報に基づいて前記形状変化点を抽出する手段とを具備することを特徴とするものである。
【００１５】第９の形状検出装置は、第１の形状検出装置において、前記受光強度の情報に基づいて被計測材上の受光強度変化点となりうる複数の候補点を抽出する手段と、前記複数の候補点の中から前記計測された投影光の形状の情報に基づいて前記受光強度変化点を抽出する手段とを具備することを特徴とするものである。
【００１６】第１０の形状検出装置は、第２の形状検出装置において、前記演算された被計測材の表面形状の情報に基づいて被計測材上の形状変化点となりうる複数の候補点を抽出する手段と、前記複数の候補点の中から前記受光強度の情報に基づいて前記形状変化点を抽出する手段とを具備することを特徴とするものである。
【００１７】第１１の形状検出装置は、第２の形状検出装置において、前記受光強度の情報に基づいて被計測材上の受光強度変化点となりうる複数の候補点を抽出する手段と、前記複数の候補点の中から前記演算された被計測材の表面形状の情報に基づいて前記受光強度変化点を抽出する手段とを具備することを特徴とするものである。
【００１８】本発明における被計測材上の形状変化点とは、投影光の形状が変化する部分の境目の点をいい、板厚が一定の部分のエッジ位置や最端のエッジ位置を含む概念である。
【００１９】本発明における被計測材上の受光強度変化点とは、被計測材からの反射光の強度が変化する部分、例えば形状の変化部分や色の変化部分等の境目の点をいい、板厚が一定の部分のエッジ位置や最端のエッジ位置を含む概念である。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下に本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態である形状検出装置の全体構成を示す図である。図１において、１は被計測材であって、被計測材の幅方向をｙ座標、厚み方向をｚ座標とする。本実施形態の形状検出装置２は被計測材のエッジ部の位置及び形状を検出するものである。形状検出装置２には光を投影する手段としてレーザープロジェクタ４が、また、その投影光の形状を計測する手段として２次元ＣＣＤカメラ５が設置されている。レーザープロジェクタ４の先端にはシリンドリカルレンズが設置されており、スリット状の光６を被計測材上に投影する。投影角はθである。２次元ＣＣＤカメラ５は碁盤目状に微細な画素が配列され、各画素ごとに光の強弱を検出可能となっており、計測された投影光の各位置での光の受光強度を計測可能であり、被計測材１の表面に対し正対して配設されている。２次元ＣＣＤカメラ５によって得られる画像は７に示すようにスリット光の部分８が明るく、他は暗い画像となっており、この画像を画像処理装置９が取り込み、演算を行う。画像処理装置９においては、まず１フレームの画像が画像メモリ１０に記録され、その後、各画素の輝度レベルに対してあるしきい値以上の画素のみを抽出する２値化演算処理を行う２値化演算器１１が処理を行う。続いて細線化処理演算器１２は２値化演算器１１の結果得られる画像１３に対して、画面の縦方向の中心画素を求め、スリット光の画像を幅１画素の細線１４に変換する。次に画素位置抽出演算器１５は細線化処理演算器１２の結果得られた各画素のカメラ平面での座標位置を抽出する。
【００２１】一方、輝度レベル抽出演算器１６は上記得られた各画素の輝度レベルを画像メモリ１０に記録されている原画像から抽出する。あるいは、より信頼性を確保するため、２値化演算器１１によって抽出された画素のうち、画素位置抽出演算器の結果得られた画素の近傍の数点の平均輝度を求めても良い。メモリ装置１７は画素位置抽出演算器１５および輝度レベル抽出演算器１６により得られたカメラ平面での座標位置および輝度レベルを同じ画素から得られたものを対応付けて記憶する。すなわち、計測された投影光の形状とその各位置における投影光の強度分布とを対応させて記憶する。
【００２２】さらに、座標演算器１８は投影光の形状から被計測材の表面形状を演算する装置であり、光切断法（光投影法）を用いて、メモリ装置１７に記憶されている各画素のカメラ平面での座標を三角測量の原理式に従って被計測材のｙｚ座標系の座標に変換し、メモリ装置１９はその結果を元の対応する輝度レベルと対応付させて記憶する。
【００２３】以上の処理から、スリット光投射部分の座標（ｙ，ｚ）と、この点での反射光強度ｐが得られ、これら位置情報（ｙ、ｚ）、強度情報（ｐ）はエッジ部の位置または形状を抽出する信号処理装置であるエッジ位置演算処理装置２０に取り込まれる。あるいは、正確な（ｙ，ｚ）が不要な場合、直接メモリ装置１７に記憶されているカメラ平面上の座標を（ｙ、ｚ）に代えて使用しても良い。図中ではこの場合の機器の接続状況をメモリ装置１７をエッジ位置演算処理装置とをつなぐ点線で示した。この計測点Ｐ1（y1,z1,p1）〜ＰN(yN,zN,pN)をグラフ上にプロットすると、被計測材のエッジ部の形状およびその位置での反射強度が図２に示す曲線２１、２２のごとく計測される。ただし、曲線２１は横軸に被計測材のｙ方向の位置、縦軸にｚ方向の位置、曲線２２は縦軸に受光強度を示したものであり、Ｐ（ｙ，ｚ，ｐ）はＰＺ（ｙ，ｚ）とＰＰ（ｙ，ｐ）に分割して表示している。
【００２４】なめらかな金属表面におけるスリット光の反射光を、強度を長さとするベクトルであらわすと、正反射方向を最大とする楕円状の強度分布となる。すなわち図３において、平面部の位置Ａでは楕円Ａのごとくとなり、エッジ部の位置Ｂでは楕円Ｂの如くとなる。従って、鋼板中央部（位置Ａ）ではカメラレンズ２３を通じてＣＣＤ受光素子２４には比較的多くの光量が届くが、エッジ部においては、反射光の大部分はセンサが受光不可能な方向へ拡散するため、カメラレンズ２３に到達する光量は少なく、ＣＣＤ受光素子２４で観測される受光強度は位置Ａに対して小さくなる。また、エッジ部と反対側（図の左側）にレーザーがカメラレンズ２３直下からはなれていった場合も同様にしてカメラレンズ２３に到達する光量が減少する。つまり、鋼板全面で観測される反射光の強度は被計測材のｙ方向各位置に対し、曲線２２の通りとなる。エッジ位置演算処理装置２０は曲線２１、２２の波形をメモリし、この波形に対して演算処理を行うことにより、エッジ位置３を検出する。
【００２５】次にエッジ位置演算処理装置２０にて実行されるエッジ位置検出の信号処理例を図４を用いて示す。本信号処理はエッジ位置演算処理装置２０において実行されるソフトウェアとして実現した。まず、被計測材１の表面の板厚が一定の部分のエッジ位置３を検出する場合について説明する。図４に示す●印、＋印はそれぞれ図２の曲線２１、２２と同じく横軸を被計測材のｙ方向の座標、縦軸をそれぞれ、ｚおよび、受光強度ｐとし、メモリ装置１９に記憶される形状および受光強度の計測値（Ｎ点）をプロットしたものである。ｙ座標の値の小さいものから順にPＺ1（y1,z1）、PＺ2(y2,z2)、…PＺn（yn,zn）、…PＺN(yN,zN)及びＰＰ1（y1,p1）、ＰＰ2(y2,p2)、…ＰＰn(yn,pn)、…ＰＰN(yN,pN)とする。
【００２６】まず、ＰＺ1〜ＰＺNについて２点間のｚ方向の差分値ｄn＝ｚn−ｚn+1を計算し、ＰＤm（ｍ＝１〜Ｎ−１）（ｙn、ｄn）を図４に、縦軸をｄ、横軸をｙとしてプロットした。次に、ｄ1〜ｄN-1の値の大きいものから順に５点を候補点としてとり、これをｄm1、ｄm2、ｄm3、ｄm4、ｄm5とする。図４の場合ｍ１＝Ｎ−１、ｍ２＝Ｎ−２、ｍ３＝Ｎ−３、ｍ４＝Ｎ−２０、ｍ５＝Ｎ−２９であった。
【００２７】そして、ＰＰm1、ＰＰm2，ＰＰm3、ＰＰm4，ＰＰm5、のｐ要素である、ｐm1、ｐm2、ｐm3、ｐm4、ｐm5のうちの最大のものを選択すると、ＰＰのプロット結果よりｐm3＝ｐN-3が最大値である。このようにして抽出されたN-3番目の点の位置ＰＺN-3（ｙN-3、ｚN-3）を被計測材の板厚が一定の部分のエッジ位置とする。
【００２８】次に、被計測材の最端のエッジ位置を検出する方法について説明する。例えば、被計測材の背後に架台があり、その反射光がＣＣＤカメラで受光されるとすると、一般にこれら架台からの反射は被計測材からの反射強度よりもさらに低く、図４中のＰＰ’、ＰＺ’の如くとなる。従って、図４のＰＰn（ｙn、ｐn）に対し、輝度しきい値ＴＨを図の通り適当な値に設定すると、ＰＰ’，ＰＺ’の被計測材上にない計測点は除去でき、残った点Ｐ1〜ＰNまでの中から、ｙ方向の最大の位置をとれば、被計測材の最端のエッジ位置の検出が可能である。すなわち、まずしきい値を用いて受光強度情報を処理することによって求めるべき形状変化点の候補を複数点抽出し、しかる後、これら候補点の中から、形状の情報を元に最端のエッジ位置（点ＰＺN）の検出が可能となる。
【００２９】上記の本実施形態によれば、スリット形状の光を被計測材に投影し、その投影光の形状を計測し、更に投影光の各位置における受光強度を計測して記憶し、計測した投影光を細線化した画像の座標系あるいは演算された被計測材の表面形状の座標系に基づいて、隣合う２点について、被計測材の厚み方向における差分値と、受光光度を用いることにより被計測材の板厚が一定の部分のエッジ位置を確実に検出することができる。これにより、エッジ部が幅方向に膨らんでいる厚い鋼板の場合でも、板厚が一定部分の板幅を確実に計測することができる。また、しきい値を用いて処理した受光強度の情報と細線化した画像の座標系あるいは被計測材の表面形状の座標系を用いることにより、最端のエッジ位置を検出することができる。
【００３０】更に、上記の本実施形態によれば、被計測材の形状を正確に検出することができるので、鋼材等の製品の形状不良部分を検出する場合、製造ラインに組み込んで製品の検査を行うことが可能となる。
【００３１】本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が可能である。例えば、上記の実施形態では、被計測材端部のエッジ位置（一点）を検出する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、検出したエッジ位置に基づいてエッジ部の他の点を検出してもよいし、或いはエッジ部の形状を検出するようにしてもよい。さらに、上記の実施形態では、被計測材端部のエッジ位置を検出する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、被計測材の段差部、突部、凹部、先行材と後行材の溶接ならい部、或いは色が異なる部分等を検出するようにしてもよい。色が異なる部分を検出するときには、先ず受光強度に基づいて複数の候補点を検出し、次に投影光の形状の情報に基づいて、色が異なる部分の変化点を特定する。更に、メモリ装置１９とエッジ位置演算処理装置２０は、パーソナルコンピュータを用いて構成するようにしてもよい。
【００３２】また、上記の実施形態では、２点間の単純な差分値を用いる場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、微分した値の差分値を用いてもよいし、高次微分した値の差分値を用いるようにしてもよい。
【００３３】
【発明の効果】本発明によれば、投影光の形状の情報とあわせて受光強度の情報を使用することにより、従来よりも正確に被計測材のエッジ等の形状変化点や受光強度変化点の検出が可能となる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６６５５
【氏名又は名称】新日本製鐵株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年７月１日（１９９９．７．１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９１２６９
【弁理士】
【氏名又は名称】半田 昌男
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１２９２０（Ｐ２００１−１２９２０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１月１９日（２００１．１．１９） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１８７７５８ |
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