JPH0319954B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は超音波を利用した被測定物の溝または
穴の中心位置検出装置に関する。

従来例の構成とその問題点 従来の被測定物の位置検出方法としては超音波
送受波素子を被測定物に対して回転走査して得ら
れた反射信号強度から、被測定物の位置と姿勢を
検出するものがある。以下その内容の概略を説明
する。

第１図は従来の装置の概略の構成を示すシステ
ム図である。第２図は従来の装置を用いた位置検
出を示す斜視図である。第１図において超音波送
受波素子１に第３図に示す高電圧パルス１７を印
加すると空気中に所定の周波数の超音波パルスが
発射される。この超音波パルスが第２図の対象物
体１３で反射され、対象物体１３の各辺１４，１
５，１６からの反射信号が超音波送受波素子１に
到達し、受波信号増幅器３で増幅された後、アナ
ログ−デジタル変換されてメモリ５に記憶され
る。第３図は、メモリ５に記憶された超音波送受
波素子１の動作波形を示すもので、１８，１９，
２０はそれぞれ対象物体１３の各辺１４，１５，
１６からの反射信号を示す。メモリ５に記憶され
た反射信号は小型電子計算機６に転送され、第３
図に示した反射信号１８，１９，２０の伝播時間
２１，２２，２３及び反射信号強度２４，２５，
２６を検出している。

また、第２図において超音波送受波素子１は、
小型電子計算機６からの制御信号によりパルスモ
ータドライバ１１とパルスモータ１０を介して矢
印Ａ，Ｂ方向に回転走査する構成となつており、
超音波送受波素子１を所定の角度でステツプしな
がら前述の被測定物間で反射信号の伝播時間及び
強度の検出を行なつている。第４図は、超音波送
受波素子１を回転走査させた時の被測定物１３か
らの反射信号強度を横軸に超音波送受波素子の回
転角、縦軸に反射信号強度をとつてプロツトした
ものである。２７２８，２９はそれぞれ被測定物
１３の各辺１４，１５，１６からの反射信号を整
理したものであり、それぞれの反射信号強度が最
大となるときの超音波送受波素子１の回転走査角
度から被測定物１３の各辺１４，１５，１６の方
向を検出している。また前述の反射信号の伝播時
間から被測定物の各辺までの距離が得られるので
被測定物１３の各辺１３，１４，１５の座標を求
めることができ、被測定物１３の位置を検出する
ことができる。

しかしながら、従来の位置検出装置を穴の位置
検出に適用した場合、大径穴ではその位置検出が
可能であるが、小径穴では穴の各辺からの反射信
号が重畳されるので、超音波送受波素子の減衰性
を大幅に向上しないと位置検出ができないという
問題点があつた。

本発明者らは上記従来の問題点を解決するため
にすでに被測定物の形状検出装置を提案してい
る。

第５図はすでに本発明者らによつて発明されて
いる被測定物の形状検出装置を溝の位置検出に適
用した場合のシステム図である。また第６図は同
形状検出装置を用いた溝位置検出の斜視図、第７
図は同平面図である。

第５図において、３０はロボツトのマニピユレ
ータであり、データ処理制御装置３１からの制御
信号によりマニピユレータ制御装置３２を介して
動作を制御している。またマニピユレータ３０上
には、第６図に示すように送受波兼用の超音波送
受波素子３３が設置されている。

超音波送受波素子３３は、発振器３５により所
定の周波数の超音波を被測定物３４の溝４２に向
けて送波し、またその反射信号を受波している。
超音波送受波素子３３が出力する受波信号は受波
信号増幅器３６を経て、アナログ−デジタル変換
器３７（以下Ａ／Ｄ変換器という。）によつてデ
ジタル値に変換され、メモリ３８に記憶される。
さらにデータ処理制御装置３１が設けられるが、
このデータ処理制御装置３１はインタフエイスコ
ントロールユニツト３９（以下ICUという。）・フ
ロツピデイスクドライブ装置４０（以下FDDと
いう。）および小型電子計算機４１（以下CPUと
いう。）から構成される。ICU３９はFDD４０お
よびCPU４１に接続されるとともに、前述の発
振器３５とメモリ３８に接続される。FDD４０
は本形状検出装置を用いて溝の位置検出を行なう
ためのプログラム或は諸条件を入力する。このデ
ータ処理制御装置３１においては、発振器３５を
動作させるための制御信号の出力、マニピユレー
タ３０の動作を制御するマニピユレータ制御装置
３２への制御信号の出力を行なうとともにメモリ
３８から転送された入力データの前処理を行な
い、FDD４０から予め入力ストアされたプログ
ラムに従つてCPU４１で反射信号強度の検出、
被測定物の溝の位置の演算処理、マニピユレータ
３０の移動量の演算処理を行なう。

また本従来例では第７図に示すように超音波送
受波素子３３の送受波面は被測定物３４及び被測
定物３４の溝４２に対して所定の角度θ₁傾斜して
配置されており、一定のステツプで矢印Ａ方向へ
被測定物３４と一定の距離を保つて平行走査す
る。

溝の位置検出はFDD４０から予め入力ストア
された溝の位置検出プログラムの手順に従つて行
われる。すなわち、まずデータ処理制御装置３１
からの制御信号によりマニピユレータ制御装置３
２を介してマニピユレータ３０を駆動して超音波
送受波素子３３をセンシング開始位置に移動す
る。第６図において４３は超音波送受波素子３３
から送受波される超音波ビームの中心位置を示
し、４４はセンシング開始時の、４５はセンシン
グ完了時の超音波ビームの中心位置と被測定物３
４の交点を示し、センシングはこの区間内で行わ
れる。

次にデータ処理制御装置３１からの制御信号に
より発振器３５を動作させ超音波送受波素子３３
で所定の周波数の超音波を被測定物３４に向けて
発射すると同時に、Ａ／Ｄ変換器３７、メモリ３
８を動作させて、被測定物３４からの反射信号を
メモリ３８に記憶する。メモリ３８に記憶された
反射信号はICU３９を介してCPU４１に転送さ
れる。CPU４１ではFDD４０から予め入力スト
アされているプログラムに従つて被測定物３４か
らの反射信号の反射信号強度を検出する。

次にマニピユレータ３０を矢印Ａ方向へ一定距
離移動して上記手順を所定のセンシング回数を完
了するまで繰返す。第８図は超音波送受波素子３
３を矢印Ａ方向に平行走査した時の被測定物３４
からの反射信号強度を、横軸に超音波送受波素子
３３の平行走査量、縦軸に反射信号強度をとつて
プロツトしたものであり、CPU４１ではFDD４
０から予め入力ストアされたプログラムに従つて
反射信号強度が極小になる時の超音波送受波素子
３３の走査開始位置からの平行走査量を検出し、
超音波送受波素子３３の走査開始位置の座標に平
行走査量と、予めメモリ内に入力ストアされてい
る超音波送受波素子３３からの超音波ビームと被
測定物３４の交点からの超音波送受波素子３３の
オフセツト量δ（第７図参照）を加えることによ
り被測定物３４の溝４２の中心位置を検出する。

一方、上記のような構成からなる形状検出装置
を溝または穴の位置検出に適用するような産業上
の利用分野では、被測定物に段差等の高さ方向の
情報の変化がある場合の位置検出への適用が望ま
れている。しかしながら、超音波送受波素子を被
測定物の中心軸に対して傾斜して設置する構成の
形状検出装置では、被測定物に段差等の高さ方向
の情報に変化がある場合、前記オフセツト量に変
化が生ずるため、上記要求に対応するためには、
前記オフセツト量を検出する機能の実現が望まれ
ている。

発明の目的 本発明は、超音波ビーム送波面に垂直な軸が溝
または穴を有する被測定物の超音波ビームが走査
される面に垂直な軸に対して角度θ傾斜して配置
された超音波送受波素子を用いて前記被測定物に
超音波を送受波する手段と、前記超音波ビームの
伝播時間を2T、超音波の伝播速度をＶとした時、
超音波送受波素子のオフセツト量δ＝Ｖ×Tsinθ
を検出する手段と、前記被測定物の反射信号強度
の極小値を求めるとともに、その時の前記超音波
送受波素子の位置を検出する手段と、前記極小値
を得た時の前記超音波送受波素子の位置と前記オ
フセツト量とを演算して、被測定物の溝または穴
の中心位置を検出する手段とを備えてなる被測定
物の溝または穴の中心位置検出装置を得るもので
ある。

実施例の説明 以下本発明の実施例について図面を参照しなが
ら説明する。

第９図は本発明の実施例における穴の位置検出
装置の概略を示すシステム図である。第９図にお
いてマニピユレータ制御装置４７はマニピユレー
タ４８をＸ・Ｙ軸の直交２軸で動作可能な構成に
なつている。これ以外のシステム構成は前述の従
来例と同様である。第１０図は本実施例の位置検
出装置による穴位置検出を示す斜視図、第１１図
は同平面図である。第１０図，第１１図に示すよ
うに、本実施例における被測定物は段差を有して
おり、異なつた高さの位置に被測定穴５８，６４
が存在する。

次に上記のように構成した位置検出装置の動作
を説明する。なお本実施例では、第１０図に示す
超音波送受波素子４９の直径が36mm、被測定物５
７と超音波送受波素子４９の距離が100mm、被測
定物５７の穴５８の直径が５mm、超音波送受波素
子４９を被測定物５７に対して１mmのステツプ
で、平行走査した場合について説明する。

なお詳細な説明は省略するが、超音波送受波素
子４９の送受波面は被測定穴５８，６４の中心軸
に対してＸ及びＹ軸方向に独立して10゜傾斜をす
る構成である。

第１１図には超音波送受波素子４９がＸ軸方向
へ移動する時の傾斜状態を示す。

位置検出はFDD５４から予め入力ストアされ
た第１２図のフローチヤートに示す位置検出プロ
グラムの手順に従つて行なわれる。第１２図のフ
ローチヤートにおいて、ステツプ１で前記従来例
と同様に超音波送受波素子４９をＸ軸のセンシン
グ開始位置へ移動する。第１０図において５９は
超音波送受波素子４９から送波される超音波ビー
ムの中心位置を示す。また６０はＸ軸方向のセン
シング開始時の、６１はＸ軸方向のセンシング完
了時の、また６２はＹ軸方向のセンシング開始時
の、６３はＹ軸方向のセンシング完了時の超音波
ビームの中心位置と被測定物５７の交点を示し、
Ｘ軸，Ｙ軸のセンシングは、それぞれこの区間
（本実施例では各10mm）内で行なわれる。この時
超音波送受波素子４９の送受波面は穴５８，６４
の中心軸に対してＸ軸方向へ10゜傾斜している。

次にステツプ２ではデータ処理制御装置４６か
らの制御信号により発振器５６を動作させて超音
波送受波素子４９で所定の周波数の超音波を被測
定物５７に向けて送波すると同時に、Ａ／Ｄ変換
器５１、メモリ５２を動作させて、被測定物５７
からの反射信号をメモリ５２に記憶する。第１３
図にはメモリ５２に記憶された反射信号を示す。
第１３図において６５は被測定物５７からの反射
信号を、６６は反射信号の伝播時間を示す。

次にステツプ３では、ステツプ２でメモリ５２
に記憶された反射信号６５をICU５３を介して
CPU５５に転送する。CPU５５では予めFDD５
４から入力されているプログラムに従つて被測定
物５７からの反射信号６５の伝播時間６６を検出
し、超音波送受波素子４９からの超音波ビームの
中心と被測定物５７の交点からの超音波送受波素
子４９のオフセツト量δ₁（第１１図参照）を算出
する。ここで超音波送受波素子４９のオフセツト
量δ₁は、超音波送受波素子４９の被測定物５７の
中心軸に対する傾斜角をθ₂、反射信号の伝播時間
６６を2T、超音波の伝播速度をｖとすれば、 δ₁＝ｖ×Ｔ×sinθ₂ なる式で与えられる。

次にステツプ４では、メモリ５２に記憶されて
いる反射信号６５をICU５３を介してCPU５５
に転送する。CPU５５では予めFDD５４から入
力ストアされているプログラムに従つて被測定物
５７からの反射信号６５の反射信号強度Ｐ（第１
３図参照）を検出し記憶しておく。

次にステツプ５では、所定のセンシング回数を
完了していなければマニピユレータ４８を矢印Ｘ
方向へ１mm移動して（ステツプ６）、超音波送受
波素子４９を動作させて超音波を送波すると同時
に被測定物５７からの反射信号をメモリ５２に記
憶し（ステツプ７）、メモリ５２に記憶された反
射信号から反射信号強度を検出（ステツプ４）す
る動作を繰返す。所定のセンシング回数（本実施
例では11回）を完了すればステツプ８へ進む。

ステツプ８ではステツプ３で検出した超音波送
受波素子４９のＸ軸方向オフセツト量と、上記ス
テツプ４・ステツプ５・ステツプ６・ステツプ７
を繰返して得られた反射信号の反射信号強度か
ら、被測定穴５８のＸ軸方向中心位置を検出す
る。第１４図は超音波送受波素子４９を矢印Ｘ方
向に平行走査した時の被測定物５７からの反射信
号強度を、横軸に超音波送受波素子４９のＸ軸方
向平行走査量、縦軸に反射信号強度をとつてプロ
ツトしたものであり、CPU５５ではFDD５４か
ら予め入力ストアされたプログラムに従つて平行
走査して得られた反射信号強度について２次回帰
を用いた補間処理を行い反射信号強度の極小値
P_xおよびこの時の超音波送受波素子４９のＸ軸
方向平行走査量を検出する。第１４図において６
７は２次回帰を用いた補間処理結果であり、曲線
６７の頂点から反射信号の極小値P_xは3100mV、
またこの時の超音波送受波素子４９のＸ軸方向平
行走査量は４mmとなる。被測定穴５８のＸ軸方向
センジング開始位置のＸ座標に、上記Ｘ軸方向平
行走査量（４mm）とステツプ３で検出した超音波
送受波素子４９のＸ軸方向オフセツト量δ₁を加え
ることにより、被測定穴５８のＸ軸方向の中心位
置を検出できる。

次にステツプ９では超音波送受波素子４９をス
テツプ８で検出した被測定穴５８のＸ軸方向の中
心位置座標上のＹ軸方向センシング開始位置まで
移動する。この時超音波送受波素子４９の送受波
面は、被測定穴５８の中心軸に対してＹ軸方向へ
10゜傾斜している。第１０図において、６２はＹ
軸方向センシング開始時の、６３はＹ軸方向セン
シング完了時の超音波ビームの中心位置と被測定
物５７の交点を示し、Ｙ軸方向のセンシングはこ
の範囲で行われる。なお本実施例ではＹ軸方向の
センシング区間は10mmである。

以下前記被測定穴５８のＸ軸方向中心位置を検
出するのと同様にステツプ２からステツプ８の動
作を実行し、超音波送受波素子４９のＹ軸方向オ
フセツト量、Ｙ軸方向の反射信号強度が極小にな
る時の超音波送受波素子４９のＹ軸方向平行走査
量から、被測定穴５８のＹ軸方向の中心位置を検
出する。

以上の動作で、被測定穴５８の中心位置を検出
できる。なお、第１０図、第１１図に示したよう
に、被測定物５７上の被測定穴５８とは高さが異
なる場所に存在する被測定穴６４の位置検出にお
いては、超音波送受波素子４９のオフセツト量
が、δ₁からδ₂に変化するが（第１１図参照）、本
装置ではステツプ３で超音波送受波素子４９のオ
フセツト量の変化を検出しているので、被測定穴
６４の中心位置も高精度に検出できる。

以上のように本実施例によれば、被測定物５７
上の異なつた高さの場所に存在する被測定穴５
８，６４の中心位置検出において、被測定物５７
の中心軸に対して傾斜して設置された超音波送受
波素子４９により超音波を送受波すると同時にマ
ニピユレータ４８を動作させて被測定物５７に対
して超音波送受波素子４９をＸ軸方向に平行走査
することにより得られる反射信号を信号処理する
ことにより検出した超音波送受波素子４９のＸ軸
方向オフセツト量、Ｘ軸方向の信号強度が極小に
なる時の超音波送受波素子４９のＸ軸方向平行走
査量から被測定穴５８，６４のＸ軸方向中心位置
を検出した後、超音波送受波素子４９をＹ軸方向
に平行走査して同様の方法を用いて検出した超音
波送受波素子４９のＹ軸方向オフセツト量、Ｙ軸
方向の信号強度が極小になる時の超音波送受波素
子４９のＹ軸方向平行走査量から被測定穴５８，
６４のＹ軸方向中心位置を検出することにより、
被測定穴５８，６４の位置検出ができる。

また、本実施例では、超音波送受波素子４９か
らの超音波ビームと被測定物５７の交点からの超
音波送受波素子４９のオフセツト量を、被測定物
５７からの反射信号６５の伝播時間６６を検出す
ることにより算出しているが、上記オフセツト量
は、超音波送受波素子４９と被測定物５７間の距
離を予めメモリ５２または位置検出プログラム内
部に保持しておき、前記距離データから算出する
ことも可能である。

発明の効果 本発明によれば、被測定物に段差等の高さ方向
の情報に変化がある場合でも位置検出が可能であ
り、その実用的効果は大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波形状検出装置の概略の構
成を示すシステム図、第２図は従来の装置の斜視
図、第３図は従来の装置の動作波形を示す図、第
４図は従来の装置による動作波形を整理した図、
第５図は従来の装置を用いた溝位置検出の概略の
構成を示すシステム図、第６図は溝位置を検出す
る従来の装置の斜視図、第７図は同平面図、第８
図従来の装置を用いた溝位置検出において一方の
軸方向の反射信号強度が極小になる時の平行走査
量の検出結果を示す図、第９図は本発明の一実施
例における装置の概略の構成を示すシステム図、
第１０図は本発明の一実施例における位置検出装
置の斜視図、第１１図は同平面図、第１２図は穴
位置検出のためのプログラムの一例を示すフロー
チヤート図、第１３図は穴の位置検出の動作波形
を示す図、第１４図は補間処理結果から一方の軸
方向の反射信号強度が極小になる時の平行走査量
の検出結果を示す図である。 ４９……超音波送受波素子、５７……被測定
物、４８……マニピユレータ、５５……CPU。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 超音波ビーム送波面に垂直な軸が溝または穴
   を有する被測定物の超音波ビームが走査される面
   に垂直な軸に対して角度θ傾斜して配置された超
   音波送受波素子を用いて前記被測定物に超音波を
   送受波する手段と、前記超音波ビームの伝播時間
   を2T、超音波の伝播速度をＶとした時、超音波
   送受波素子のオフセツト量δ＝Ｖ×Tsinθを検出
   する手段と、前記被測定物の反射信号強度の極小
   値を求めるとともに、その時の前記超音波送受波
   素子の位置を検出する手段と、前記極小値を得た
   時の前記超音波送受波素子の位置と前記オフセツ
   ト量とを演算して、被測定物の溝または穴の中心
   位置を検出する手段とを備えてなる被測定物の溝
   または穴の中心位置検出装置。