JPH01274949A - 非接触デジタイジング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は非接触デジタイジング方法に係り、特に簡単な
構成で位置座標値と法線ベクトルを求めることができる
非接触デジタイジング方法に関す〈従来技術〉 モデルを表面往黴倣いあるいは表面１方向倣いにより倣
いながら該モデル面上の各ポイントの座標値を求め、各
点の集まりにより曲面を定義し７（デジタイジング）、
各点の座標値（デジタイジングデータ）を用いて点列バ
スに沿って工具を移動させてモデル形状通りの加工を行
う方法がある。

ところで、かかるデジタイジングデ・−タを用いて加工
を行うには、使用するカッタに工具径があるｔ。、め必
ず工具径補正をし７なげねばならない。そして、この工
具径補正はポイントの座標値を法線方向に工具径だけ′
、１フセットすることにより行われる。このため、デジ
タイジングデータを用いｊ二加工において１よ、各、ツ
？インｉ・における法線方向を求める必要がある。

従来のスクイラスを用いた接触型倣いｊこよれば、三次
元的に変位しｔコスタイラスの各軸成分から面の法線方
向を容易に算出できる。しかし、接触型倣い；・′−始
いてはスータイラスがモデルと接触するものであるため
、ならい速度がある程度以上上げられないとかスタイラ
スが摩耗してスタイラスの交換が必要になると共に、交
換しないと精度の高いデジタイジングができなくなると
いう問題がある。

そこで、非接触で距離を測定できる距離測定プローブに
よりモデＡ−面を非接触でなられせながらデジタイジン
グ亨る非接触デジタイジング方法が提案ｙれている。尚
、非接触倣いとは、第６図に示すようにレーザ測長プロ
ーブのような非接触で距離の測定ができるブローブセン
ザ（距離測定プローブ）ＰＢを用いて該プローブをモデ
ルＭＤＬに接触させることなくモデル画をなられせる方
式である。この非接触型の距離測定プローブｐＢは一般
に基準距離Ｌｏを持っており、実際の測定距離りと基準
圧ｉＬ。の差を誤差量Δ■、４として出力できるように
なっている。

ところで、かかる非接触測定は一次元の測定であり、こ
のため法線方向（面の傾斜）を算出するには一旦モデル
面上の全ポイントを求め、しかる後コンピュ・−タを用
いて測定された魚群を接続して曲面を作成し、そのデー
タから法線ベクトルを算出している。

〈発明が解決しようとしている課題〉 しかし、かかる従来の非接触デジタイジング方法で：よ
大型の１ンピ、−夕が必要となると共に、ベクトル演算
ｔζ多くの時間を要し、しかも位置座標値と同時にリア
ルタイムで法線ベクトルを求めることができず、灯まし
くなかった。

どころで、面の傾斜（法線方向）を求める方法として、
第７図に示すようにモデルＭＤＬ面上の１点Ｐ２から相
異なった方向に２本の接線Ｐ２Ｐ、。

Ｐ２Ｐ３が引ければ、これら２本の接線ベクトルの外債
として当該点Ｐ２における法線ベクトルが算出できる。

そこで、適宜な間隔を持たせた３本の測定プローブを束
にして、３点を同時に測定する動作を連続的に繰り返す
ことにより、第７図におけるＡ　Ｐ２における法線ベク
トルをＰ２Ｐ、、　Ｐ２Ｐ、の外積により連続的に求め
て行くことが考えられる。

しかし、かかるシステムにおいては３本の距離測定プロ
ーブが必要となるため、測定部のメカニズムが大規模な
ものとな伎、しかも測定部のメカニズムが占める全体の
中のコストが太き（なって好ましくない。

以上から本発明の目的（よ、単一の光学プローブを用い
、しかも簡単な演算により位置座標値と共に法線ベクト
ルをリアルタイムで求めることができる非接触アジタイ
ジング方法を提供することである。

く課題を解決するための手段〉 第１図は本発明の概略説明図である。

１は非接触距離測定器、１ａは距離測定プローブ、１ｂ
は回転部、２は光軸、３は回転中心軸、４は光軸の曲面
上の軌跡である。

く作用〉 距離測定プローブ１ａの光軸２を回転中心軸３から偏心
させて取り付け、非接触距離測定器１を所定方向に非接
触ならいにより移動させると共１こ距離測定プローブ１
ａを回転中心軸３の回りに回転させる。

そして、光軸２の先端が描く曲線軌跡４上のボインドで
あって、距離測定器１の進行方向両側にそれぞれ存在す
る少なくとも２点ｐ、　、　ｐ、　／の位置データを周
期的に測定し、ポイントＰ１からポイントＰ１′を見た
時の軸成分（Δｘ、Δｙ、Δｚ）を用いてポイントＱ、
の法線方向を演算し、Ｑｌの座標値と組にして出力する
。

〈実施例〉 第２図は本発明の非接触デジタイジング方法を実現する
システムのブロック図である。尚、倣い平面はｘ−Ｚと
し、Ｙ軸はピックフィード方向であるものとする。

１は非接触距離測定器、１ａは距離測定プローブ、１ｂ
は回転部、５は光軸を一定速度で回転させるモータ、６
は１回転当りＮ個のパルスＰ１．Ｉを発生するパルスコ
ーダ、７は光軸回転位置監視部であり、たとえば距離測
定プローブ１ａが９０°位置及び２７０°位置に到来す
る毎に位置読取イネーブル信号ＰＥＳを発生する。従っ
て、後述するように第１図に示す光軸先端の軌跡４上の
２つのポイントＰ！、Ｐ、’迄の距離が読み取られると
共に、回転中心軸３とモデルＭＤＬとの交点Ｑ１ｐＱ、
’の座標値が読み取られる。

１１は非接触デジタイジング装置、１２２，１２Ｘば非
接触デジタイジング装置から発生するデジタルの各軸速
度信号ｖｘ、ｖｚをＤＡ変換するＤＡ変換器、１３Ｚ、
１３Ｘは各軸のサーボ回路、１４Ｚ、１４ＸはＺ軸及び
Ｘ軸駆動用のモータ、１５Ｚ、１５Ｘは対応するモータ
が所定角度回転する毎にパルスＰ２．Ｐｘを発生する位
置検出用のパルスコーダ（以上Ｙ軸分の図示は省略して
いる）、１６Ｚ、１６Ｘ、１６Ｙは対応スルハルスコー
ダから発生するパルスを移動方向に応じて可逆計数して
工具中心軸３（第１図）の先端における現在位置（Ｘ、
、＋、、　Ｙ、＋、、　Ｚ、＋１）　ヲ監視ｔ　ルｌｉ
（在位ｔ　レジスタである。

非接触デジタイジング装置１１において、１１ａはなら
い方向θ、、＋１を割り出す（予測する）ならい方向演
算部、１．１　ｂは軌跡４　（第１図（ｂｌ参照）上の
連続する２点ｐ！、　ｐｌ’迄の距離Ｌ１．　Ｌ、’を
用いて次式 ％式％（１） により工具中心軸３とモデルとの交点Ｑ、迄の距離りを
算出する距離補正部である。

１１ｃは距離りと基準距離Ｌ０の差分ΔＬを演算する加
算器、ｌｉｄは法線方向速度信号ｖＮを発生する速度信
号発生部、ｌｉｅは接線方向速度信号Ｖ□を発生する速
度信号発生部、ｌｌｆは速度信号ＶＮ、　Ｖ、及びなら
い方向θ、、＋Ｉを用いて各軸方向速度信号ｖｘ、■２
を発生する速度信号発生部、１１Ｓは軌跡４上の連続す
る２点ｐ、、ｐ、′のうち手前の点Ｐ、から他方の点Ｐ
、′までの軸成分を（Δｘ、Δｙ、ΔＺ）とする時、該
軸成分を用いて工具中心軸３とモデルとの交点Ｑ、にお
ける法線ベクトルを演算する法線ベクトル演算部、ｌｌ
ｈはモデル面上の各ポイントの座標値と法線ベクトルを
組にして記憶するメモリである。

以下、第２図の全体的動作を説明する。尚、最初に非接
触倣いについて説明し、ついで法線ベクトルの演算方法
を含むデジタイジング処理について説明する。

図示しない操作パネルからならい速度■。。、ならい範
囲、ならい方法（表面ならいとする）等皿々のならい制
御に必要なデータを入力した後、非接触デジタイジング
の起動を掛けると、非接触デジタイジング装置１１は距
離測定プローブ１ａを回転中心軸３の回りに一定速度で
回転させると共に、非接触倣い動作を開始する。

さて、光軸回転位置監視部６ば距離測定プローブ１ａが
９０’位置及び２７０°位置に到来する毎に位置読取イ
ネーブル信号ＰＥＳを発生する。

距離補正部１１ｂ及び倣い方向演算部１１ａは、それぞ
れイネーブル信号ＰＥＳが発生する毎に距離測定プロー
ブ１ｂから距離データ、及び現在位置レジスタ１６Ｘ〜
１６２から回転中心軸１ｂの位置データを読み取る。す
なわち、距離補正部１１ｂは光軸軌跡４　（第１図）上
のポイントｐ、、ｐ、′迄の距ｉｉＬ、、　Ｌ、’を読
み取り、倣い方向演算部１１ａは回転中心軸３とモデル
の交点Ｑ、、Ｑ。

′における座標値をそれぞれ読み取る。

距離補正部１１ｂは（１）式の演算を行って、回転中心
軸３とモデルの交点Ｑｉにおける距ｉＬを演算して加算
器１１Ｃに入力する。器財りが入力されると、加算器１
１ｂは基準距１ｌｉｌＬ０と測定器ｆｉＬとの誤差量Δ
Ｌを計算して速度信号発生部１１Ｃ２１１ｄに入力する
。

速度信号発生部ｌｉｅ、ｌｉｄは第３図及び第４図に示
すΔＬ−ＶＮ特性、ΔＬ−ＶＴ特性に従って法線方向速
度信号■８と接線方向速度信号■□を発生する。

一方、ならい方向演算＠　１　’１　ａは前々回のイネ
ーブル信号発生時刻（タイムスロット）におけるならい
方向θ。−１（第５図参照）と前回のタイムスロットに
おけるならい方向θ、との差分Δθ。並びに前回のなら
い方向θ。を用いて、 θ。＋（１／ｎ）　　・Δθ、→θ□Ｋ（２）（ｎは適
宜に決めた定数：通常１／２）により今回のタイムスロ
ットにおけるならい方向θ。。、を演算する。尚、現イ
ネーブル信号発生時刻Ｔ、や、より２つ前の時刻Ｔ。−
１における回転中心軸位置をＰ、−、（Ｘ、−、、Ｚ、
−、）　、１つ前の時刻ＴＩ、におけろ回転中心軸とモ
デルの交点座標値をＰ、（Ｘｏ。

２ｎ）、現イネーブル信号発生時刻の回転中心軸とモデ
ルの交点座標値をＰ　ｎ＋１　（ｘｎ＋１’　Ｚｒ＋＋
１）とすれば、ポイントＰ、、Ｐｎ間の傾斜角 θ、、−１は次式 ％式％ により求まり、ポイントＰ　ｎ　Ｐ　ｎ　＋　１間の傾
斜角θ。は次式 ％式％ により求まり、傾斜の増分Δθ、は次式θ−θ　　−Δ
θ により求まる。

速度信号発生部１１ｅは、各速度信号Ｖ、、　Ｖ。

とならい方向信号θ。１を用いて、 ■　・ｃｏｓθ　　→■（３） ■　・ｓｉｎθ　　→■（４） により各軸速度信号Ｖ１．．．ｖ２を発生し、該各軸方
向のならい速度イ：号Ｖ□ｖ２をＤＡ変換器１２Ｘ。

１２２及びサーボ回路１３Ｘ、１３２を介してモータ１
４Ｘ、１４Ｚに印加して非接触距離測定器１を移動させ
モデル面をなられせる。尚、距離測定器１はならい方向
演算部１１ａで計算された方向θ、、や、の方向に移動
する。

以上が非接触距離測定器１によりモデルを非接触倣いさ
せる方法である。次に法線方向と位置座標値の求め方に
ついて説明する。

法線ベクトル演算部１１ｇは、イネーブル信号ＰＥＳが
発生する毎に距離測定プローブ１ｂから距離データ及び
現在位置レジスタ１６Ｘから回転中心軸・モデル交点の
Ｘ軸方向座標値を読み取る。

すなわち、法線ベクトル演算部１１ｇは光軸軌跡４　（
第１図）上の２つのポイントｐ、、　ｐ、’迄の距ｇｉ
ｎ、、　Ｌ、’を読み取ると共に、回転中心軸・モデル
交点ＱＩＰＱ％におけるＸ軸座標値Ｘ。、Ｘ、、＋１を
読み取る。

しかる後、法線ベクトル演算部１１ｇは次式％式％ （たｔ！シ、Ｒは回転中心軸から光軸までの半径）によ
り、ポイントＰ１からポイントＰｌ′を見た時の軸成分
（Δｘ、Δｙ、Δｚ）を計算する。尚、Δｙ、ΔｚばΔ
Ｘと同様に現イネーブル信号発生時刻と１つ前の発庄時
割におけるＹ軸及びＺ軸座標値Ｙ　ｎ）　Ｙ、４１　；
　Ｚ、、＃　Ｚｎ＋１を用いて計算することもできる。

ついで、法線ベクトル演算部１１ｇは、（Δｘ、０、Δ
ｚ）を進行方向ベクトル、（０，Δｙ、Δｚ）を進行方
向に垂直な断面方向ベクトルとし、法線ベクトルをこれ
ら２つのベクトルの外積として求める。すなわち、法線
ベクトルの Ｘ軸成分：　−ΔＺ・Δｙ→頌。

Ｙ軸成分：　−Δｘ’Δｚ　−Ｎ　、、、　　　　（６
）Ｚ軸成分：　　△ｘ’−Δｙ　＝　Ｎ　よとなるから
、（６）式より法線ベクＩ−ルを求めてメモリ１１ｈに
出力する。

メモリｌｌｈは読取イネーブル（＝号ＰＥＳ発生時にお
ける各軸現在位置レジスタの内容（回転中心軸・モデル
交点Ｑ１の座標値）と法線ベクトル演算部で演算された
ポイントＱ１における法線を組にして記憶する。息後同
様な処理が行われてメモリ１１ｈにモデル面上の全ポイ
ントの座標値が法線ベクトルと対になって記憶されるこ
とになる。

〈発明の効果〉 以上本発明によれば、距離測定プローブの光軸を回転中
心軸から偏心させ、距離測定プローブを所定方向に非接
触ならいにより移動させると共に該光軸を回転中心軸の
回りに回転させ、光軸の先端が描く曲線軌跡上のポイン
トであって、進行方向の両側にそれぞれ存在する少な（
とも２点の位置データを周期的に測定し、該位置データ
を用いて法線方向を演算し、位置座標値と対にして出力
するように構成したから、単一の光学プローブであって
も簡単な演算により位置座標値と共に法線ベクトルをリ
アルタイムで求めることができる。

尚、上記の様にして法線ベクトルを算出する時は、進行
方向に対して測定する点間の距離及び、断面方向で見た
測定点間の距離をある程度短かく取り、傾斜が−様な微
小面素の中に各測定点かあるとみなせる様にしなければ
ならない。

又、一方、測定点の間隔があまりに短いと、演算精度が
保てない可能性があり、測定点間の距離は妥当な値に決
める必要がある。

更に、点の測定についても無制限に短い間隔で測定でき
る訳でない。測定の間隔を１ｍｓとした時、４　ｍ　ｓ
　／回転、すなわち１５０００ｒｐｍでのプローブの回
転までが可能である二従って、送り速度６　ｍ　／　ｍ
　ｉ　ｎで送っている時、４ｍｓで動く距離は０．４ｍ
ｍとなりプローブの偏心量の設定に工夫ができれば、−
辺０．４ｍｍ程度の面素程度まで曲面を分割して法線ベ
クトルの算出が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の概略説明図、 第２図は本発明を実現する非接触デジタイジシグ装置の
ブロック図、 第３図乃至第５図は非接触倣い説明図、第６図及び第７
図は従来方法の背景図である。 ｌ・・非接触距ｌａ測定器、 １ａ・・距離測定プローブ、 １ｂ・−回転部、 ２・・光軸、３・・回転中心軸、 ４・・光軸軌跡 特許出願人　　　　　　　　ファナック株式会社代理人
　　　　　　　　　　弁理士　　齋藤千幹第　１　図　
（ａ〕 第１図（ｂλ 第３図　　　　　第４図 第５図 ７′ ／

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）非接触で距離を測定できる距離測定プローブによ
   りモデル面をならわせて該モデル面上のポイントの座標
   値を求める非接触デジタイジング方法において、 前記距離測定プローブの光軸を回転中心軸から偏心させ
   、距離測定プローブを所定方向に非接触ならいにより移
   動させると共に該光軸を回転中心軸の回りに回転させ、 光軸の先端が描く曲線軌跡上のポイントであって、進行
   方向の両側にそれぞれ存在する少なくとも２点の位置デ
   ータを周期的に測定し、 該位置データを用いて法線方向を演算し、位置座標値と
   組にして出力することを特徴とする非接触デジタイジン
   グ方法。
2. （２）光軸の半回転毎に前記曲線軌跡上の１個のポイン
   トの位置データを周期的に測定することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の非接触デジタイジング方法。
3. （３）前記測定された２点のうち一方の点から他方の点
   までの軸成分を（Δｘ、Δｙ、Δｚ）とする時、 （Δｘ、０、Δｚ）を進行方向ベクトル、（０、Δｙ、
   Δｚ）を進行方向に垂直な断面方向ベクトルとして、法
   線ベクトルを演算することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の非接触デジタイジング方法。
4. （４）回転中心軸の三次元位置座標値を監視し、前記光
   軸軌跡上のポイントを読み取った時点における回転中心
   軸の位置データと前記法線ベクトルを組にして出力する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の非接触デ
   ジタイジング方法。