JPH0248152A - 非接触計測装置 - 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〕 本発明は金型加工等のためにモデルの自由曲面を非接触
で倣い動作させてモデルの形状データを計測する非接触
計測装置の改良に関するものである。

〔従来の技術〕

倣いフライス、デジタイジングマシン等に用いられてい
る接触式倣い制御用トレーサは、先端にスタイラスを持
ち、モデルと一定の接触圧を保って倣い動作を行うが、
接触圧が数十〜数百グラムあるため、クレイモデルなど
のように粘土など軟かい物体の場合、モデル形状のデジ
タイジングは不可能であった。

近年、小型高精度のレーザ式変位センサが開発され、従
来の接触式倣い制御用トレーサに代わって非接触デジタ
イジングが可能となり注目されている。

上記Ｌ・−ザ式変位センサ（Ａ）は、第６図に示す様に
、光学的三角測距法の原理に基づく光学系を採用してお
り、発光素子となる半導体しく２） −ザ（１）より出たレーザ光が投光レンズ（２）を遺り
被測定物（Ｂ）に照射され、拡散反射し、その一部が受
光レンズ（３）を通過してＰＳＤ（ポジションセンシテ
ィブデイバイス）と称される受光素子（４）上に結像し
、この結像位置の受光素子（４）の中心位置に対するず
れ量が、計測基準（Ｌ）から被測定物（Ｂ）までの距離
に比例することを利用しているものである。即ち、レー
ザ式変位センｆ　（Ａ）は、半導体レーザ（１）から発
射したレーザ光が被測定物（Ｂ）に当って反射し、その
反射光が受光素子（４）の中心に結像するときの半導体
レーザ（１）から被測定物（Ｂ）までの距離をセンサの
スタンドオフ距離即ち、計測基準長（Ｌ）と称し、この
計測基準長（Ｌ）に対して士αの計測範囲（Ｓ）を有し
ており、被測定物（Ｂ）からの反射光の結像位置を受光
素子（４）で検出させて計測するものである。

初期の非接触デジタイジングは、レーザ式変位センサ（
Ａ）を高さを一定にして移動させて被測定物（Ｂ）の形
状データを計測していたが、この方法は、被測定物（Ｂ
）の形状の変化が、レーザ式変位センサ（Ａ）の計測範
囲（Ｓ）内であればよいが、これを超えると計測できな
い。例えば、第７図に示す様に、計測範囲（Ｓ）を超え
た大きな段差があると、計測不可能となる。

そこで、上記のような場合、レーザ式変位センサ（Ａ）
の高さを変化させる方法も提案されているが、この方法
は、第８図に示す様に、大きな形状変化部では、他の部
分に比較してサンプリング間隔が粗くなる欠点があった
。

上記欠点を補うために、ＸＹＺ軸軌道部とは別にレーザ
式変位センサ（Ａ）を第９図に示す様に、回転軸（Ｃ）
を中心に旋回駆動可能とした方法が提案されているが、
この方法は、回転軸（Ｃ）がレーザ式変位センサ（Ａ）
の上方、即ち、被測定物（Ｂ）と反対側に設置されてい
るため、形状の急変部でサンプリング間隔を一定るする
には、第１０図に示す様に、急変直前のサンプリング位
置（Ｐｌ）から急変時のサンプリング位置（Ｐ２）に移
動した後、その場で旋回させると、計測ポイントが被測
定面から大きく外れてしまうため、−旦、レーザ式変位
センサ（Ａ）を第１１図に示す様に、回転軸（Ｃ）を中
心に送り方向前方へ旋回させると同時に、ＸＹＺの送り
方向を逆転後戻りさせる必要があり、高速連続計測に難
点があった。

また、上記方法は、形状の急変がない場合でも、第１２
図に示す様に、レーザ式変位センサ（Ａ）と被測定面（
Ｂ）を計測範囲内に一定に保ち、かつ、レーザ式変位セ
ンサ（Ａ）の姿勢を測定面の法線に対する許容範囲内に
するためにｘｙｚの送り方向の逆転後戻り動作が必要と
なる欠点があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の非接触計測装置は、被測定物の形状の急変部の処
置、特に、垂直壁面の測定が困難である。即ち、回転軸
（Ｃ）を備えた方式においても、ＸＹＺの送り方向へ逆
転後戻りさせて形状急変部でもサンプリング間隔を一定
にさせることを自動的に実行させることは、人間の判断
では簡単であるが、機械では簡単ではない。

本発明は、従来の非接触計測装置の上記欠点に鑑みて提
案されたもので、その目的とするところは、形状急変部
でも細密な計測を可能とする簡単な構成の非接触計測装
置を提供しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明は、ＮＣ制御装置で三
次元号向に制御移動可能な工作機械又は測定機等の三次
元移動ヘッドに、三角測距法によるレーザ式変位センサ
を、該センサの計測基準位置のスポット点を旋回中心に
もち、かつ、形状急変位置で前回のサンプル位置での計
測値に対する今回の計測値が大のときは送り方向前方へ
、小のときには送り方向後方へ旋回させて測定面法線が
レーザ式変位センサの測定許容範囲内となる如く旋回さ
せる旋回機構を介して設置したものである。さらに、本
発明は旋回機構が２軸よりなり、いずれの機構もレーザ
式変位センサの計測基準位置のスポット点を旋回中心に
持つ非接触計測装置を提供するものである。

〔作用〕

形状急変位置では、三次元移動ヘッドを停止させたまま
で、旋回機構により、レーザ式変位センサのみが、該セ
ンサの計測基準長位置のスポット点を中心に旋回する。

この旋回方向は、前回のサンプル値に対する今回の計測
値が大のときには送り方向前方へ、小のときには送り方
向後方へ旋回させることによって、垂直壁面や急斜面で
も、サンプル間隔を前回と路間−とできる。この場合、
三次元移動ヘッドを後戻りさせる必要はない。形状急変
位置をすぎると、三次元移動ヘッドを垂直壁面や急斜面
に沿って移動させればよい。

旋回機構が２軸よりなる場合は形状急変位置で三次元移
動ヘッドを停止させたままで、レーザ式変位センサを、
該センサの計測基準長位置のスポット点を中心とする球
面上で移動させることができる。

〔実施例〕

第１図は本発明装置の実施例を示す要部斜視図であって
、（Ａ）はレーザ式変位センサ、（Ｂ）は被測定物、（
Ｄ）は旋回機構、（Ｅ）は三次元移動ヘッドを示してい
る。

レーザ式変位センサ（Ａ）は、第６図で示したものと同
一構成であるので、ここでの説明は省略する。

旋回機構（Ｄ）は、レーザ式変位センサ（Ａ）の計測基
準長（Ｌ）位置のスポット点（Ｆ）を中心とする円弧案
内部（１０）及び円弧状ギヤ（１１）と、該円弧案内部
（１０）に摺動可能に嵌合されたホルダ（１２）と、ホ
ルダ（１２）に取付けられた旋回用サーボモータ（１３
）と、旋回用サーボモータ（１３）によって回転駆動さ
れ、上記円弧状ギヤ（１１）と噛合するピニオン（１４
）とからなり、ホルダ（１２）にレーザ式変位センサ（
Ａ）を固着し、かつ、円弧案内部（１ｏ）及び円弧状ギ
ヤ（１１）を取付板（１５）を介して三次元移動ヘッド
（Ｅ）に取付けたものである。

次元移動ヘッド（Ｅ）は、ＸＹＺ各軸方向に制御移動可
能とされるものである。

第２図は本発明装置のＮＣ制御部の構成を示すブロック
図であって、三次元移動ヘッド（Ｅ）の号−ボ系と、旋
回機構（Ｄ）のサーボ系と、レーザ式変位センサ（Ａ）
が検出する変位信号との関係を表している。

三次元移動ヘッド（Ｅ）は、ＮＣ制御装置（１６）内の
ｘｙｚ制御部（１７）からの指令を受け、号−ボアンプ
（１８）を通してＸＹＺ各軸号−ボモータ（１９）を駆
動し、その移動量は、ＮＣ制御装置（１６）内の計測処
理装置（２ｏ）及びＸＹＺ制御部（１７）に刻々とフィ
ードバックされる。

旋回機構（Ｄ）は、レーザ式変位センサ（Ａ）の変位信
号によりθ制御部（２１）からサーボアン７’　（２２
）を介して旋回用サーボモータ（１３）を駆動し、その
動作は、θ制御部（２１）及び計測処理装置（２０）に
フィードバックされる。

レーザ式変位センサ（Ａ）は、一定時間間隔（例えば１
６ｍ５）で計測位置のＺ方向の測定値をサンプリングし
、計測処理装置（２０）でリアルタイムで被測定面の接
線を算出し、被測定物（Ｂ）までの距離を一定に保つよ
うに三次元移動ヘッド（Ｅ）のＺ方向サーボモータを制
御させ、かつ、測定面法線許容範囲内にθを制御するよ
う旋回機構（Ｄ）を制御する。

本発明の実施例は以上の構成からなり、次に動作の一例
を説明する。

三次元移動ヘッド（Ｅ）は、ＸＹ力方向は予め指示され
た測定範囲を定ピンチでジグザグ移動し、Ｚ方向にはレ
ーザ式変位センサ（Ａ）の変位信号により、被測定物（
Ｂ）の測定面からの距離が一定となるように制御される
。これによって、被測定物（Ｂ）のＸＹ力方向座標値は
、三次元移動ヘッド（Ｅ）の動作から取り出され、Ｚ方
向の座標値は、レーザ式変位センサ（Ａ）の変位信号か
ら取り出される。そして、レーザ式変位センサ（Ａ）が
被測定物（Ｂ）の形状急変部を検出すると、先ず、三次
元移動ヘッド（Ｅ）のＸＹＺ方向の移動を停止させる。

次に、形状急変部の計測値が前回のサンプル位置（Ｐｌ
）の測定値より小さいときは、第３図に示す様に、今回
のサンプル位置（Ｐ２）でのレーザ式変位センサ（Ａ）
の計測基準長位置のスポット点（Ｐ２’）を中心として
、送り方向後方へ旋回用サーボモータ（１３）を回転駆
動する。これにより、今回のサンプル位置（Ｐ２）は形
状急変部の垂直壁面の下方、即ち、前回のサンプル位置
（Ｐｌ）に近い位置（Ｐ２　”）へ補正され、サンプル
間隔が略等しくなる。第４図は逆の場合であって、送り
方向前方ヘレーザ式変位センサ（Ａ）を旋回させるもの
である。

このようにして形状急変部の最初の位置の計測が終了す
ると、三次元移動ヘッド（Ｅ）の送りを再開する。この
場合、三次元移動ヘッド（Ｅ）は、レーザ式変位センサ
（Ａ）の測定面までの距離が一定となるように、Ｚ方向
に制御駆動されるため、結果的には、第３図及び第４図
で垂直壁面に沿ってＺ方向に駆動され、サンプル間隔が
一定に保持されることになる。尚、レーザ式変位センサ
（Ａ）を旋回させる角度（θ）は、レーザ式変位センサ
（Ａ）の計測基準長に近い位置にスポット点がくるよう
に制御されるもので、いわゆる第６図に示した計測範囲
（Ｓ）より若干小さい範囲に設定される。

上記のように、レーザ式変位センナ（Ａ）を旋回させた
ときには、計測値は、旋回角度（θ）の関数（ｃｏｓ　
θ）として補正されてＺ方向計測値とされる。

第３図及び第４において、垂直壁面部の終端を通過する
と、測定面からのレーザ光の反射光が大きくずれるため
、旋回機構（Ｄ）によって、角度（θ）が測定面法線許
容範囲内となるようにレーザ式変位センサ（Ａ）を旋回
させて計測を続行する。

上記機能□によって、第５図に示す様な波形曲面形状の
被測定物（Ｂ）に対しても、角度（θ）を変化させるだ
けで、三次元移動ヘッド（Ｅ）を送り方向と逆方向に後
退させる必要は全くなく、高速で連続して計測させるこ
とができる。

上記実施例は、１軸の旋回機構（Ｄ）を示しているが、
２軸とすることも可能である。即ち、第１図は、ＸＺ平
面内で旋回させているが、同一構造の旋回機構（Ｄ）を
もう１組付加し、ＹＺ平面内でも旋回させるようにする
。このようにすれば、第１図でレーザ式変位センサ（Ａ
）を三次元移動ヘッド（Ｅ）に対して、計測基準長（Ｌ
）位置のスポット点（Ｆ）を中心として球面内で立体的
に旋回させ得るため、モデル倣い方式の多様化に適合さ
せ得る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、形状急変部においても細密なサンプル
間隔でモデル形状の非接触計測が可能であり、その際、
ｘｙｚ方向への逆転後退動作を不要とできるため、高速
で連続計測が可能となり、作業性及び加工精度を向上さ
せることができる。

特に、２軸の旋回機構を採用することによって、複雑な
金型モデルの計測にも対処させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一実施例を示す要部斜視図、第２
図は本発明装置のＮＣ制御部の構成を示すブロック図、
第３図〜第５図は本発明装置の動作説明図、第６図ばレ
ーザ式変位センサの概略説明図、第７図〜第１２図は従
来装置の動作説明図である。 （Ａ）−−レーザ式変位センサ、 （Ｂ）−被測定物、　　（Ｄ）−旋回機構、（Ｅ）−−
−三次元移動ヘッド。 特　許出　願人　大阪機工株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＮＣ制御装置で三次元号向に制御移動可能な工作
   機械又は測定機等の三次元移動ヘッドに、三角測距法に
   よるレーザ式変位センサを、該センサの計測基準位置の
   スポット点を旋回中心にもち、かつ、形状急変位置で前
   回のサンプル位置での計測値に対する今回の計測値が大
   のときは送り方向前方へ、小のときには送り方向後方へ
   旋回させて測定面法線がレーザ式変位センサの測定許容
   範囲内となる如く旋回させる旋回機構を介して設置した
   ことを特徴とする非接触計測装置。
2. （２）旋回機構が２軸よりなり、いずれの機構もレーザ
   式変位センサの計測基準位置のスポット点を旋回中心に
   持つことを特徴とする請求項１記載の非接触計測装置。