JP2810709B2 - 非接触ならい制御装置 - Google Patents
非接触ならい制御装置Info
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- B23Q35/12—Means for transforming movement of the feeler or the like into feed movement of tool or work involving electrical means
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- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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- Automation & Control Theory (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Machine Tool Copy Controls (AREA)
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は非接触ならい制御装置に関し、特にならい精
度を向上させた非接触ならい制御装置に関する。
度を向上させた非接触ならい制御装置に関する。
近年、非接触距離検出器を使用してモデルの形状をな
らう非接触ならい制御装置が開発されている。この非接
触距離検出器には光学式距離検出器が使用され、これを
トレーサヘッドの先端に固定してモデル面までの距離を
検出してならいを行う。モデルを傷つける心配がないの
で、柔らかい材質のモデルを使用することができ、なら
い加工における適用分野の拡大が期待されている。
らう非接触ならい制御装置が開発されている。この非接
触距離検出器には光学式距離検出器が使用され、これを
トレーサヘッドの先端に固定してモデル面までの距離を
検出してならいを行う。モデルを傷つける心配がないの
で、柔らかい材質のモデルを使用することができ、なら
い加工における適用分野の拡大が期待されている。
しかし、従来の非接触ならい制御装置ではモデルの傾
斜角度が大きい部分ではならい精度が低下してしまう問
題があった。すなわち、この部分では距離検出器の測定
光軸がモデル面に対して平行に近くなり、モデル面上の
スポットが楕円状に拡大されて距離検出器の分解能が低
下し、ならい精度が低下する。特に、三角測距式の距離
検出器では、この傾斜角度によっては測定光軸がモデル
面と干渉して測定不能になってしまうこともあった。
斜角度が大きい部分ではならい精度が低下してしまう問
題があった。すなわち、この部分では距離検出器の測定
光軸がモデル面に対して平行に近くなり、モデル面上の
スポットが楕円状に拡大されて距離検出器の分解能が低
下し、ならい精度が低下する。特に、三角測距式の距離
検出器では、この傾斜角度によっては測定光軸がモデル
面と干渉して測定不能になってしまうこともあった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、
ならい精度を向上させた非接触ならい制御装置を提供す
ることを目的とする。
ならい精度を向上させた非接触ならい制御装置を提供す
ることを目的とする。
本発明では上記課題を解決するために、モデルの形状
を非接触でならいながらワークをならい加工する非接触
ならい制御装置において、ほぼ垂直な姿勢を維持し、垂
直軸を中心に回転するトレーサヘッドと、前記垂直軸に
一定の角度だけ傾斜させて、半径方向に並んで前記トレ
ーサヘッドに取りつけられ、それぞれ前記モデル面まで
の距離を非接触で測定する第1及び第2の非接触距離検
出器と、所定のサンプリング時間毎に前記第1及び第2
の非接触距離検出器のそれぞれの測定値をサンプリング
するサンプリング手段と、前回のサンプリング時にサン
プリングされた前記第1の非接触距離検出器による第1
の測定値及び前記第2の非接触距離検出器による第2の
測定値を記憶する記憶手段と、前記第1及び第2の測定
値と、今回のサンプリング時にサンプリングされた前記
第1の非接触距離検出器による第3の測定値及び前記第
2の非接触距離検出器による第4の測定値のうちの少な
くとも三つの測定値に基づいて前記モデル表面の法線ベ
クトルを算出するベクトル算出手段と、前記法線ベクト
ルを前記直線軸に直角な平面に投影した射影の前記平面
上での角度を算出する角度算出手段と、前記角度の方向
に前記第1及び第2の非接触距離検出器が並び、かつ前
記第1及び第2の非接触検出器の測定軸が前記法線ベク
トルとほぼ一致するように前記トレーサヘッドを回転さ
せる回転駆動手段と、を有することを特徴とする非接触
ならい制御装置が提供される。
を非接触でならいながらワークをならい加工する非接触
ならい制御装置において、ほぼ垂直な姿勢を維持し、垂
直軸を中心に回転するトレーサヘッドと、前記垂直軸に
一定の角度だけ傾斜させて、半径方向に並んで前記トレ
ーサヘッドに取りつけられ、それぞれ前記モデル面まで
の距離を非接触で測定する第1及び第2の非接触距離検
出器と、所定のサンプリング時間毎に前記第1及び第2
の非接触距離検出器のそれぞれの測定値をサンプリング
するサンプリング手段と、前回のサンプリング時にサン
プリングされた前記第1の非接触距離検出器による第1
の測定値及び前記第2の非接触距離検出器による第2の
測定値を記憶する記憶手段と、前記第1及び第2の測定
値と、今回のサンプリング時にサンプリングされた前記
第1の非接触距離検出器による第3の測定値及び前記第
2の非接触距離検出器による第4の測定値のうちの少な
くとも三つの測定値に基づいて前記モデル表面の法線ベ
クトルを算出するベクトル算出手段と、前記法線ベクト
ルを前記直線軸に直角な平面に投影した射影の前記平面
上での角度を算出する角度算出手段と、前記角度の方向
に前記第1及び第2の非接触距離検出器が並び、かつ前
記第1及び第2の非接触検出器の測定軸が前記法線ベク
トルとほぼ一致するように前記トレーサヘッドを回転さ
せる回転駆動手段と、を有することを特徴とする非接触
ならい制御装置が提供される。
トレーサヘッドはほぼ垂直に維持され、トレーサヘッ
ドに設けられた二つの非接触距離検出器からの前回と今
回のサンプリング時の測定値よりモデル面上の微小な四
角形の各頂点の座標値を得て、このうちの所要の三つの
頂点の座標値を用いて法線ベクトルを求め、この法線ベ
クトルのX−Y平面への投影の方向にトレーサヘッドを
回転する。そして、非接触距離検出器の測定軸がモデル
の法線ベクトルの方向と一致する。
ドに設けられた二つの非接触距離検出器からの前回と今
回のサンプリング時の測定値よりモデル面上の微小な四
角形の各頂点の座標値を得て、このうちの所要の三つの
頂点の座標値を用いて法線ベクトルを求め、この法線ベ
クトルのX−Y平面への投影の方向にトレーサヘッドを
回転する。そして、非接触距離検出器の測定軸がモデル
の法線ベクトルの方向と一致する。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
第1図は本発明の非接触ならい制御装置及び周辺装置
の構成を示したブロック図である。図において、プロセ
ッサ11はバス10を介してROM12に格納されたシステムプ
ログラムを読みだし、このシステムプログラムに従って
ならい制御装置1の全体の動作を制御する。RAM13はデ
ータの一時記憶装置であり、後述する距離検出器からの
測定値、及びその他の一時的なデータを記憶する。不揮
発性メモリ14は図示されていないバッテリでバックアッ
プされており、インターフェース15を介して操作盤2よ
り入力されたならい方向、ならい速度等の各種のパラメ
ータ等を格納する。
の構成を示したブロック図である。図において、プロセ
ッサ11はバス10を介してROM12に格納されたシステムプ
ログラムを読みだし、このシステムプログラムに従って
ならい制御装置1の全体の動作を制御する。RAM13はデ
ータの一時記憶装置であり、後述する距離検出器からの
測定値、及びその他の一時的なデータを記憶する。不揮
発性メモリ14は図示されていないバッテリでバックアッ
プされており、インターフェース15を介して操作盤2よ
り入力されたならい方向、ならい速度等の各種のパラメ
ータ等を格納する。
ならい工作機械3のトレーサヘッド4には距離検出器
5a及び5bが設けられている。距離検出器5a及び5bには半
導体レーザあるいは発光ダイオードを光源とした反射光
量式の距離検出器が使用され、それぞれモデル6までの
距離を非接触で測定する。これらの距離検出器の測定値
La及びLbは、ならい制御装置1内のA/D変換器16a及び16
bでディジタル値に変換されて逐次プロセッサ11に読み
取られる。
5a及び5bが設けられている。距離検出器5a及び5bには半
導体レーザあるいは発光ダイオードを光源とした反射光
量式の距離検出器が使用され、それぞれモデル6までの
距離を非接触で測定する。これらの距離検出器の測定値
La及びLbは、ならい制御装置1内のA/D変換器16a及び16
bでディジタル値に変換されて逐次プロセッサ11に読み
取られる。
プロセッサ11は測定値La及びLbと後述する現在位置レ
ジスタ19x、19y及び19zからの信号に基づいて各軸変位
量を算出すると共に、この変位量と指令されたならい方
向、ならい速度に基づいて、周知の技術により、各軸の
速度指令Vx、Vy及びVzを発生する。これらの速度指令は
D/A変換器、17x、17y及び17zでディジタル値に変換さ
れ、サーボアンプ18x、18y及び18zに入力される。サー
ボアンプ18x及び18yはこの速度指令に基づいてならい工
作機械3のサーボモータ32x及び32yを駆動し、これによ
りテーブル31がX軸方向及び紙面と直角なY軸方向に移
動する。また、サーボアンプ18zがサーボモータ32zを駆
動し、トレーサヘッド4及び工具34がZ軸方向に移動す
る。
ジスタ19x、19y及び19zからの信号に基づいて各軸変位
量を算出すると共に、この変位量と指令されたならい方
向、ならい速度に基づいて、周知の技術により、各軸の
速度指令Vx、Vy及びVzを発生する。これらの速度指令は
D/A変換器、17x、17y及び17zでディジタル値に変換さ
れ、サーボアンプ18x、18y及び18zに入力される。サー
ボアンプ18x及び18yはこの速度指令に基づいてならい工
作機械3のサーボモータ32x及び32yを駆動し、これによ
りテーブル31がX軸方向及び紙面と直角なY軸方向に移
動する。また、サーボアンプ18zがサーボモータ32zを駆
動し、トレーサヘッド4及び工具34がZ軸方向に移動す
る。
サーボモータ32x、32y及び32zには、これらが所定量
回転する毎にそれぞれ検出パレスFPx、FPy及びFPzを発
生するパルスコーダ33x、33y及び33zが設けられてい
る。ならい制御装置1内の現在位置レジスタ19x、19y及
び19zは検出パルスFPx、FPy及びFPzをそれぞれ回転方向
に応じてカウントアップ/ダウンして各軸方向の現在位
置データXa、Ya及びZaを求め、プロセッサ11に入力して
いる。
回転する毎にそれぞれ検出パレスFPx、FPy及びFPzを発
生するパルスコーダ33x、33y及び33zが設けられてい
る。ならい制御装置1内の現在位置レジスタ19x、19y及
び19zは検出パルスFPx、FPy及びFPzをそれぞれ回転方向
に応じてカウントアップ/ダウンして各軸方向の現在位
置データXa、Ya及びZaを求め、プロセッサ11に入力して
いる。
一方、プロセッサ11は上記の各軸の制御と同時に、距
離検出器5a及び5bの測定値La及びLbを所定のサンプリン
グ時間毎にサンプリングし、このサンプリングデータを
用いて後述する方法によりモデル6の表面の法線ベクト
ルを求め、法線ベクトルのX−Y平面上の射影の方向に
対応した回転指令SCを発生する。回転指令SCはD/A変換
器17cでアナログ値に変換された後、サーボアンプ18cに
入力され、この指令に基づいてサーボアンプ18cがC軸
のサーボモータ32cを駆動する。
離検出器5a及び5bの測定値La及びLbを所定のサンプリン
グ時間毎にサンプリングし、このサンプリングデータを
用いて後述する方法によりモデル6の表面の法線ベクト
ルを求め、法線ベクトルのX−Y平面上の射影の方向に
対応した回転指令SCを発生する。回転指令SCはD/A変換
器17cでアナログ値に変換された後、サーボアンプ18cに
入力され、この指令に基づいてサーボアンプ18cがC軸
のサーボモータ32cを駆動する。
これにより、トレーサヘッド4が指令された角度に回
転されると共に、モデル6との間隔が後述する一定距離
を保つように制御され、同時にテーブル31が指令された
ならい方向、ならい速度で移動して、トレーサヘッド4
と同じくZ軸制御される工具34によってワーク35にモデ
ル6と同様の形状の加工が施される。
転されると共に、モデル6との間隔が後述する一定距離
を保つように制御され、同時にテーブル31が指令された
ならい方向、ならい速度で移動して、トレーサヘッド4
と同じくZ軸制御される工具34によってワーク35にモデ
ル6と同様の形状の加工が施される。
第2図はトレーサヘッド4の詳細図である。図におい
て、トレーサヘッド4にはZ軸に対して角度φだけ傾斜
させて距離検出器5aが取りつけられ、これがC軸によっ
て回転指令SCの指令角度Θcで所定の半径の円周上を回
転する。また、距離検出器5aの外側に重ねて距離検出器
5bが取りつけられており、同様に指令角度Θcの角度で
回転制御される。
て、トレーサヘッド4にはZ軸に対して角度φだけ傾斜
させて距離検出器5aが取りつけられ、これがC軸によっ
て回転指令SCの指令角度Θcで所定の半径の円周上を回
転する。また、距離検出器5aの外側に重ねて距離検出器
5bが取りつけられており、同様に指令角度Θcの角度で
回転制御される。
前述したように、距離検出器5aの測定値がならい制御
装置1にフィードバックされることにより、距離検出器
5aからモデル6上の測定点P1までの距離laは一定に保た
れる。また、この距離laは距離検出器5aの測定軸とZ軸
との交点までの距離に設定されており、トレーサヘッド
4がC軸によって回転しても測定点Paは移動せず、した
がってトレーサヘッド4とモデル6との距離lも一定に
保たれる。
装置1にフィードバックされることにより、距離検出器
5aからモデル6上の測定点P1までの距離laは一定に保た
れる。また、この距離laは距離検出器5aの測定軸とZ軸
との交点までの距離に設定されており、トレーサヘッド
4がC軸によって回転しても測定点Paは移動せず、した
がってトレーサヘッド4とモデル6との距離lも一定に
保たれる。
距離検出器5bはモデル6上の測定点P2までの距離lbを
測定してならい制御装置に入力している。
測定してならい制御装置に入力している。
次に、トレーサヘッド4の回転角度の算出方法につい
て第3図を参照して説明する。図において、トレーサヘ
ッド4をモデル6に対して相対的に、X軸方向に所定の
ならい速度で移動させてならいを行うと共に、所定時間
毎に距離検出器5a及び5bの測定値をサンプリングし、こ
れらの測定値と現在位置レジスタから出力される現在位
置データに基づいて、モデル6上の点P11、…………P1
n-1、P1n、及びP21、…………P2n-1、P2nの座標値を求
めていく。
て第3図を参照して説明する。図において、トレーサヘ
ッド4をモデル6に対して相対的に、X軸方向に所定の
ならい速度で移動させてならいを行うと共に、所定時間
毎に距離検出器5a及び5bの測定値をサンプリングし、こ
れらの測定値と現在位置レジスタから出力される現在位
置データに基づいて、モデル6上の点P11、…………P1
n-1、P1n、及びP21、…………P2n-1、P2nの座標値を求
めていく。
そして、例えば点P1nの座標値(X1n,Y1n,Z1n)と、点
P2nの座標値(X2n,Y2n,Z2n)から、表面ベクトルS1n〔X
2n−X1n,Y2n−Y1n,Z2n−Z1n〕を求める。また、点P1nの
座標値(X1n,Y1n,Z1n)と、点P1n-1の座標値(X1n-1,Y1
n-1,Z1n-1)から、表面ベクトルS2n〔X1n-1−X1n,Y1n-1
−Y1n,Z1n-1−Z1n〕を求める。
P2nの座標値(X2n,Y2n,Z2n)から、表面ベクトルS1n〔X
2n−X1n,Y2n−Y1n,Z2n−Z1n〕を求める。また、点P1nの
座標値(X1n,Y1n,Z1n)と、点P1n-1の座標値(X1n-1,Y1
n-1,Z1n-1)から、表面ベクトルS2n〔X1n-1−X1n,Y1n-1
−Y1n,Z1n-1−Z1n〕を求める。
次に次式、 Nn=S1n×S2n (但し、Nn,S1n,S2nはベクトルを表す) によって表面ベクトルS1nとS2nの外積を演算して点P1n
における法線ベクトルNnを求める。
における法線ベクトルNnを求める。
そして、法線ベクトルNnをX−Y平面上に投影した射
影ベクトルN1nのX軸となす角度Θcnを次式、 Θcn=tan-1(Jn/In) 但し、In:ベクトルNnのX成分 Jn:ベクトルNnのY成分 で求め、この角度ΘcnをC軸の指令値として出力する。
影ベクトルN1nのX軸となす角度Θcnを次式、 Θcn=tan-1(Jn/In) 但し、In:ベクトルNnのX成分 Jn:ベクトルNnのY成分 で求め、この角度ΘcnをC軸の指令値として出力する。
この角度はモデル6の傾斜に対応して変化していき、
例えば点P1qではΘcqとなる。
例えば点P1qではΘcqとなる。
したがって、トレーサヘッド4は距離検出器の測定軸
が常にモデル6の表面に対して最も垂直に近い方向に向
けられ、高精度の距離測定が行われる。
が常にモデル6の表面に対して最も垂直に近い方向に向
けられ、高精度の距離測定が行われる。
第4図は上記の回転角度の算出時のフローチャートで
ある。図において、Sに続く数値はステップ番号を示
す。
ある。図において、Sに続く数値はステップ番号を示
す。
〔S1〕所定時間毎に距離検出器5a及び5bの測定値をサン
プリングする。
プリングする。
〔S2〕それぞれの距離検出器の今回の測定値からベクト
ルS1を求める。
ルS1を求める。
〔S3〕距離検出器5aの今回の測定値と前回の測定値から
ベクトルS2を求める。
ベクトルS2を求める。
〔S4〕ベクトルS1とベクトルS2の外積を演算して法線ベ
クトルNを求める。
クトルNを求める。
〔S5〕法線ベクトルNをX−Y平面に投影した射影のX
軸となす角度Θcを算出する。
軸となす角度Θcを算出する。
なお、上記の実施例では前回のサンプリング時の一方
の距離検出器の測定値と、今回のサンプリング時の両方
の距離検出器の測定値に基づいて法線ベクトルを求めた
が、これに限らず、少なくとも前回と今回のサンプリン
グによって得られた四つの測定値のうちの他の組み合わ
せによる3点からも同様な法線ベクトルを求めることが
できる。また、距離検出器には反射光量式の他に、同じ
く光学式の三角測距式、あるいは渦電流式、超音波式等
の距離検出器も使用できる。
の距離検出器の測定値と、今回のサンプリング時の両方
の距離検出器の測定値に基づいて法線ベクトルを求めた
が、これに限らず、少なくとも前回と今回のサンプリン
グによって得られた四つの測定値のうちの他の組み合わ
せによる3点からも同様な法線ベクトルを求めることが
できる。また、距離検出器には反射光量式の他に、同じ
く光学式の三角測距式、あるいは渦電流式、超音波式等
の距離検出器も使用できる。
以上説明したように本発明では、トレーサヘッドに設
けられた二つの非接触距離検出器からの前回と今回のサ
ンプリング時の測定値に基づいてモデル面の法線ベクト
ルを求め、この法線ベクトルを所定の平面に投影した射
影の方向にトレーサヘッドを回転制御するので、非接触
距離検出器の測定軸を制御する軸が一つの回転軸のみ
で、2つの非接触距離検出器の並びが射影の方向にな
り、ほぼ2つの非接触距離検出器の測定軸がほぼ法線ベ
クトルと一致し、高精度の距離測定ができ、ならい精度
が向上する。また、モデル面との干渉による死角が生じ
ないので、複雑な3次元モデルのならいが可能になる。
けられた二つの非接触距離検出器からの前回と今回のサ
ンプリング時の測定値に基づいてモデル面の法線ベクト
ルを求め、この法線ベクトルを所定の平面に投影した射
影の方向にトレーサヘッドを回転制御するので、非接触
距離検出器の測定軸を制御する軸が一つの回転軸のみ
で、2つの非接触距離検出器の並びが射影の方向にな
り、ほぼ2つの非接触距離検出器の測定軸がほぼ法線ベ
クトルと一致し、高精度の距離測定ができ、ならい精度
が向上する。また、モデル面との干渉による死角が生じ
ないので、複雑な3次元モデルのならいが可能になる。
第1図は本発明の一実施例の非接触ならい制御装置及び
周辺装置の構成を示したブロック図、 第2図は本発明の一実施例におけるトレーサヘッドの詳
細図、 第3図は本発明の一実施例におけるトレーサヘッドの回
転角度の算出方法の説明図、 第4図は本発明の一実施例における回転角度の算出時の
フローチャートである。 1……ならい制御装置 3……ならい工作機械 4……トレーサヘッド 5a、5b……距離検出器 6……モデル 11……プロセッサ 13……RAM La、Lb……測定値 φ……傾斜角度 S1n、S2n……表面ベクトル Nn……法線ベクトル N1n、N1q……射影 Θcn、Θcq……指令角度
周辺装置の構成を示したブロック図、 第2図は本発明の一実施例におけるトレーサヘッドの詳
細図、 第3図は本発明の一実施例におけるトレーサヘッドの回
転角度の算出方法の説明図、 第4図は本発明の一実施例における回転角度の算出時の
フローチャートである。 1……ならい制御装置 3……ならい工作機械 4……トレーサヘッド 5a、5b……距離検出器 6……モデル 11……プロセッサ 13……RAM La、Lb……測定値 φ……傾斜角度 S1n、S2n……表面ベクトル Nn……法線ベクトル N1n、N1q……射影 Θcn、Θcq……指令角度
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−109058(JP,A) 特開 昭61−274853(JP,A) 特開 昭62−15063(JP,A) 特開 昭64−64753(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B23Q 35/127
Claims (4)
- 【請求項1】モデルの形状を非接触でならいながらワー
クをならい加工する非接触ならい制御装置において、 ほぼ垂直な姿勢を維持し、垂直軸を中心に回転するトレ
ーサヘッドと、 前記垂直軸に一定の角度だけ傾斜させて、半径方向に並
んで前記トレーサヘッドに取りつけられ、それぞれ前記
モデル面までの距離を非接触で測定する第1及び第2の
非接触距離検出器と、 所定のサンプリング時間毎に前記第1及び第2の非接触
距離検出器のそれぞれの測定値をサンプリングするサン
プリング手段と、 前回のサンプリング時にサンプリングされた前記第1の
非接触距離検出器による第1の測定値及び前記第2の非
接触距離検出器による第2の測定値を記憶する記憶手段
と、 前記第1及び第2の測定値と、今回のサンプリング時に
サンプリングされた前記第1の非接触距離検出器による
第3の測定値及び前記第2の非接触距離検出器による第
4の測定値のうちの少なくとも三つの測定値に基づいて
前記モデル表面の法線ベクトルを算出するベクトル算出
手段と、 前記法線ベクトルを前記直線軸に直角な平面に投影した
射影の前記平面上での角度を算出する角度算出手段と、 前記角度の方向に前記第1及び第2の非接触距離検出器
が並び、かつ前記第1及び第2の非接触検出器の測定軸
が前記法線ベクトルとほぼ一致するように前記トレーサ
ヘッドを回転させる回転駆動手段と、 を有することを特徴とする非接触ならい制御装置。 - 【請求項2】前記ベクトル算出手段は、前記三つの測定
値に基づいて前記モデル表面上の異なる3点の座標値を
求め、前記3点の座標値の一点より他の二点へそれぞれ
向かう第1及び第2のベクトルを求め、前記第1及び第
2のベクトル間の外積演算を行うことにより前記法線ベ
クトルを算出するように構成したことを特徴とする特許
請求の範囲第1項記載の非接触ならい制御装置。 - 【請求項3】前記第1及び第2の非接触距離検出器のう
ちの一方の前記モデル面上の測定点が前記回転軸の回転
に係わらず前記直線軸上に位置されるように、前記直線
軸を制御するように構成したことを特徴とする特許請求
の範囲第1項記載の非接触ならい制御装置。 - 【請求項4】前記第1及び第2の非接触距離検出器は光
学式距離検出器であることを特徴とする特許請求の範囲
第1項記載の非接触ならい制御装置。
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