JPH03500027A - 工作物表面追跡装置 - 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】 工作物表面追跡装置 本発明は工作物の表面を追跡する装置に関する。この種の公知装置は、工作物支 台と、操作部材と、操作部材と工作物支台の一方を他方に対して相対的に並行移 動して位置付けるための並行移動位置付は手段と、工作物を検知するプローブで あって、検知軸をもち、検知軸方向に工作物表面と相互に作用し合って位置誤差 信号を発生するように構成された検知系を備えたプローブと、該位置誤差信号に 応答して並行移動位置付は手段に働きかけ、プローブを位置誤差がゼロになる方 向に移動させる制御系とを具えている。

上記公知装置では、プローブは、操作時には、工作物に対して一定の角位置に保 持されている。このために、決定すべき輪郭が大幅に変化する°勾配をもつ場合 には、公知装置によると、大幅なあるいは全くの誤差なしでは、対処できないと いう欠点があった。

本発明の目的は、かかる問題を軽減または解決することにある。本発明の範囲は 、本明細書に付属する請求の範囲に記載されている通りである。

以下、本発明による装置の実施例について添付図面を参照して説明する。

第１図は、プローブとその取付具を備え、これらが基準位置にあるときの状態を 示した座標測定装置の立面図である。

第２図は、第１図のプローブとその取付具が操作位置にあるときの状態を示した 拡大図である。

第３図は、第２図の矢印ＩＩＩの方向から見た図である。

第４図は、第２図の平面図である。

第５図は、第１図に示したプローブをさらに拡大して示した図である。

第６図は、第５図のＶＩ−Ｖｌ　ｍ上の断面図である。

第７図は、第５図のＶｌｌ−Ｖ１１線上の断面図である。

第８図は、機械の制御系の系統図である。

第９図（ａ、ｂ、ｃ）は、第６図の制御系に関係する制御ループの系統図である 。

ｉ見星定１１ 座標測定装置（第１図）は、直交座標系のＸ、Ｙ。

Ｚ方向の移動のための、並行し動位置付は構造４１によって支持された操作部材 ４０を具えている。モータＭ（ｘ、Ｙ、Ｚ）（第９図）は工作物支台１１に対し て、操作部材４０を相対的にＸ、Ｙ、Ｚのそれぞれの方向に駆動させるためのも のである。トランスジユーサＴ（ｘ、ｙ、ｚ）は、操作部材４０（７）Ｘ、　Ｙ 、　Ｚ（７）それぞれの方向の移動を測定するためのものである。支台１１上に 支えられた工作物１２は、その輪郭を決定する目的で、すなわち、座標上の基準 面ｘｙｌ；ｘｚｔ、ｙｚｌ（第２゜３，４図）を基準にして工作物表面の走査ラ イン１２Ｂに沿う点Ｃの位置（第２図）を確定する目的で、走査される表面１２ Ａをもっている０本実施例では、走査ライン１２Ｂは平面ＸＺ２内にある０表面 １２Ａの位置は、光学的プローブｌＯによってプローブの検知軸Ａｌの方向に検 知される。プローブは、プローブをそれぞれ軸Ａ２と軸＾３のまわりに回転させ るためのモータＭ２．Ａ３を収めている取付具ＰＨによフて操作部材４０に固着 されている。モータＭ２　、　Ａ３の回転はそれぞれトランスジューサＴ２．Ｔ ３によってモニタされている。本実施例では、軸Ａ２と軸Ａ３はそれぞれＸ方向 とＹ方向に位置し、軸Ａ１は軸Ａ２に直交し、Ａ１゜Ａ２．Ａ３の３軸はすべて 共通点Ｄ１で交差している。また、この共通点Ｄ１は、プローブ１０が操作部材 ４０にその点において接続される終端を規定する。第１図は、基準位置における プローブを示し、軸Ａ１がＺ方向と同一線上にある。第２．３および４図は、操 作位置におけるプローブを示し、軸Ａ１が表面１２Ａに対して法線をなし、表面 １２Ａは、本実施例では、ｘ、ｙ、Ｚ方向の各々に対して角度をなしている平坦 面である。

プローブ プローブ１０（第５図）はハウジング１４を有し、このハウジング１４には、そ の外側の検知点Ｆにレンズ１５によって焦点合わせされる光源１３が収容されて いる。レンズ１５は、その先軸が軸Ａ１上に位置するようにハウジング１４内で 支持され、軸Ａ１方向の移動が制限されている。検知点Ｆは、Ａ１方向に沿う範 囲１５Ａ内にある任意の面上に検知系によって保持されており、検知系はレンズ １５に光学的に結合された焦点外れ検出器１６を有し、かつ表面ＩＢＡ上に焦点 が合ったままでいるようにレンズを位置付けるためにモータＭｌを駆動するよう に接続された電気的出力１６Ａをもつ閉制御ループＬ１である。レンズの位置は トランスジューサＴＩによって検知される。ループＬｌのような閉制御ループ系 はそれ自体公知である。

レンズ１５の焦点Ｆは、軸Ａ１に角度をなしている並行側面をもつガラス板１７ によって、軸Ａ１の横で変位される。ガラス板１７はモータＭＯによって軸＾ｌ のまわりに回りＭＯカ動作したとき、焦点Ｆが軸Ａ１のまわりに軌道ＦＤを描く ようになっている。ガラス板１７の角位置、従って、軸Ａ１を中心とした焦点Ｆ の角位置はトランスジューサＴＯによって与えられ、トランスジューサＴ。

は、それら自身がプローブの自由端を規定する基準点Ｄ２に交差している一対の 面Ｘｌ、ＹＺ面と軌道ＦＯが交差する４つの基本点Ｆ　（１，２，３，４）　（ 第６図）において焦点Ｆの位置を規定する４つの出力ＴＯ＾（ｊ、２．３．４） をもっている、その配置は、表面１２Ａが軸Ａ１に対して角度をなしている限り 、表面１２Ａのうち軌道ＦＯ上にまたはその範囲内に位置する部分１２Ｃによっ て規定された表面１２Ａの検知領域の平均勾配Ｓ（第６図）に従ってレンズが軸 方向に移動するようになっている。勾配Ｓによる軸Ａ１方向の点Ｆ　（１，２， ３，４）の変位の大きさは、トランスジューサＴ１の出力ＴＩＡによりて与えら れる。プローブは、レンズ１５が範囲１５Ａの中間点に対応する位置に置かれて いるとき、距ｌｌＤが点Ｄｉ、　Ｄ２間の距離として規定されるように較正され ている（第５図）０点Ｄ２は軸Ａｌ上にあり、軸Ａ１．＾２．Ａ３の共通点Ｄ１ に関する勾配Ｓの平均高さは距１１Ｄによって決まる。点Ｄ２を通り、軸Ａ１に 対し垂直な平面ＲＰによって、プローブの基準面が規定される。

鉦監亘迭亙 以上の説明から明らかなように、軸＾１が現在の表面部分１２ｃに対してほぼ法 線をなす角位置にプローブｌＯを維持するために、表面部分１２Ｃの勾配Ｓ（第 ５図）を決定する必要がある。勾配Ｓは信号Ｔｌ＾によって表わされ、それぞれ の基本点における勾配を決定するために、信号ＴＯ＾（１，２，３，４）がそれ ぞれのサンプリング・ゲート２３において信号ＴＩＡと結合されて（第８図）、 表面部分１２Ｃと基準面ＲＰ間のＸ方向とＹ方向の勾配、より具体的には、勾配 誤差を表わしている２つの信号Ｓｘ、Ｓｙを作る。信号Ｓｘ、Ｓｙはそれぞれ位 置要求信号としてモータＭ２．Ａ３に印加される。そのとぎモータＭ２゜Ａ３に よって達し得る位置はトランスジューサＴ２．Ｔ３によって読み取られ、その出 力信号Ｔ２Ａ、Ｔ３＾は勾配Ｓｘ。

ｓｙの角度Ｗ２　、Ｗ３を表わしている。サンプリング・ゲート２３はスイッチ ングによる位相感応検出器の働きをすると考えてよい。

制御系 走査操作、すなわち、工作物の表面を追跡する操作は、点Ｄ２をライン１２Ｂ上 に維持し、軸Ａ１を現在の表面部分１２Ｃに対しほぼ法線をなすように維持した まま、プローブ１０を表面１２上に駆動するように機械を動作させるサーボ系（ 第８．９図）の制御の下で行なわれる。最初に、モータＭＯに対する駆動がオン に切り替えられ、モータＭ　（Ｘ、Ｙ、Ｚ）は、場合によっては手操作による制 御の下で、動作され、プローブ１０を開始位置に置く、この開始位置では、点Ｄ ２は平面ＸＺ２上に位置し、表面１２Ａは範囲１５Ａ　（第６図）内に位置して いる。そのあと、モータＭ　（Ｘ、Ｙ、Ｚ、２．３）に１組の制御関数が加えら れるが、その相互作用関係は、次式Ｅ（１，２，３）によって与えられる。

０２Ｘ　−ＤＩＸ　−［（Ｄ＋ｄ）　（ｓｉｎ　Ｗ２）　（ｃｏｓ　Ｗ３）］　 （Ｅｌ）Ｄ２Ｙ　＝　ＤＩＹ　−［（Ｄ＋ｄ）　（ｓｉｎ　Ｗ３）　（ｃｏｓ　 １２）］　（Ｅ２）Ｄ２Ｚ　−ＤＩＺ　−［（Ｄ◆ｄ）　（ｃｏｓ　Ｗ２）　（ ｃｏｓ　１３）］　（Ｅ３）ここで、 Ｄ２Ｘ、Ｄ２Ｙ、Ｄ２Ｚは、それぞれＸ、Ｙ、Ｚ方向の点Ｄ２（７）実際の座標 位置であり、ＤＩ）ｊ、ＤＩＹ、ＤＩＺは、それぞれＸ。

Ｙ、Ｚ方向の点Ｄ１の座標位置であり、ｗ２はＸ方向に対する勾配Ｓの角度であ り、Ｗ３はＹ方向に対する勾配Ｓの角度であり、Ｄは点ＤＩ、０２間のあらかじ め較正された距離であり、ｄは、距１ｉＤの誤差、つまり、表面１２ＡがＡｌ軸 方向に点Ｄ２からどれだ−は離れているかを示している。この誤差ｄは、ＤＣセ レクタ回路２０（３４８図）によって信号ＴＩＡのＯＣ値として得られる。

上式Ｅ　（１，２，３）は、ｘ、ｙ、ｚ方向の点Ｄ２（７）実際位置を定義し、 従りて、制御ループＬ　（Ｘ、ｙ、ｚ）におけるモータＭ　（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の動 作に関する項を定義している（第９図）、ループＬＸは閉ループであり、第９ａ 図に示すように点０２に必要な漸増位置Ｄ２Ｘ　（ｉ＋１）をその要求信号とし て、実際位置０２Ｘ−ＤＩＸ（ｉ）−［（Ｄａｄ）　（ｓｉｎ　ｗ２）（ＣＯＳ 胃３）］　をそのフィードツタツク信号として有する。

ただし、（ｊ◆ｌ）は要求された位置に関し、（ｉ）は現在位置に関係する。

ループＬＹも閉ループであり、第９ｂ図に示すように、その要求信号として一定 位置Ｄ２Ｙを、そのフィードバック信号として実際位置Ｄ２Ｙ＝ＤＩＹ−［Ｄａ ｄ）　（ｓｉｎ　１３）（ｃｏｓ　Ｗ２）］　を有する。このことから明らかな ように、ループＬＸはＸ方向の走査移動を制御するのに対して、ループＬＹは点 Ｄ２を走査平面ＸＺ２内に保持する働きをする。

ループＬＸは従属ループであるが、これは、点Ｄ２の位置Ｄ２Ｚが表面１２Ａに よって決まるからである。従って、Ｄ２Ｚ　（ｉ◆１）の値は、第９Ｃ図に示す ように式０式％］ ２つの制御関数は区別される必要がある。第１に、操作時に、勾配Ｓが変化しな いのに、表面１２＾がプローブ１０に対して上昇または下降する場合には、その 状態はｄの値の変化によって示され、従ってモータＭ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に対する出 力が変化し、値ｄをゼロにするようにして点Ｄ２をライン１２Ｂ上に維持する。

第２に、点ＤＩ、Ｄ２の座標位置間の関係が角度ｗ２　、ｗ３で修正された項（ Ｄａｄ）によって与えられることは明らかである。このことから、動作時に、プ ローブ１０が勾配Ｓの変化を検出した場合には、項（０φｄ）は式Ｅ　（１，２ ，３）でめられる角度ｗ２　、Ｗ３の三角関数によって修正される。これらの三 角関数がループＬＸ　、　ＬＹのフィードバックに、そして従属ループＬＺの出 力の中に存在するので、モータＭ　（Ｘ、Ｙ、Ｚ）はその作用を受けて、点ｐ２ を現在点Ｃ上に維持する。

旌星９迭ｌ ライン１２Ｂに沿った表面１２Ａの輪郭は、連続値Ｄ２ＸにおけるＤ２Ｚの値を 記録することによって決定され、このプロセスは平面ＸＺ２に隣接する平面にあ る表面１２Ａの残り部分に対して繰り返される。

Ｌ長Ｕ 上述したように、軸Ａ　（１，２，３）は共通の交差点Ｏ１をもっている。これ は、点Ｄｉの位置を数学的にめるときに便利であるが、これは必須条件ではない ０例えば、軸Ａ２．　Ａ３は、数学的に単純化することよりも、設計上の配慮の 方が重要である場合には、一方を他方から２方向にずらすことも可能である。

モータＭ２．Ｍ３の一方、例えば旧、を省くことが可能であり、これに代えてモ ータＭ４　（第１図）をモータＭ２と一緒に使用して、軸ＡＩの角位置を測定す ることも可能である。その場合には、転送ブロック２１は、次式Ｅ（４，５，８ ）に基づいて操作することになる。

０２Ｘ　−ＤＩＸ　−［（Ｄａｄ）　（Ｓｉｎ　Ｗ２）　（Ｃｏｇ　１４）　（ Ｅ４）Ｄ２Ｙ　＝　ＤＩＹ　−［ＣＤ＋ｄ）　（ｓｉｎ　ｗ２）　（ｓｉｎ　１ ４）　（Ｅ５）Ｄ２Ｚ　−０１２−、［（Ｄ−ａ）　（ｃｏｓ　’１１２）　（ Ｅ６）ただし、Ｗ４は軸＾４を中心とする角度であり（第４図）、プローブ１０ が任意の勾配Ｓを満足するために回転する必要がある角度である。角度ｗ４は、 勾配誤差がゼロになるようにモータＭ４を駆動することによって確定される。こ のことから理解されるように、この場合には、勾配誤差Ｓｘ　、　Ｓｙと異なり 、問題となった２つの勾配誤差は一般にＸＺ面とＹＺ面内にはなく、それぞれ軸 ＾ｌとＡ２を通る相互に直交する面内に存在する。

（Ｋ　号Ｓｘ　、　Ｓｙの発生については、パルス信号ＴＯＡを発生するのでは なく、トランスジューサＴＯが一対の信号を位相直角に生成するようにすること が可能である。

別の方法として、直角位相信号を独立の発生源から発生させ、この発生源を、こ れらの信号と同期してモータＭＯを駆動するために使用することも可能である。

どちらの場合も、位相直角信号またはタイミング信号は大きさ信号ＴＩＡにも接 続されているそれぞれの位相感応検出器に供給されて、ＸおよびＹ方向に対する 勾配誤差信号Ｓｘ、Ｓｙを作り出す。

検知系Ｌｌに関しては、機械的、光学的、またはその他の任意のセンサを使用し て、少なくとも２個所の検知点（例えば、Ｆ　（１，３：２，４））で表面１２ Ａと相互に作用させて、勾配誤差信号（例えば、Ｓｘ）を生成することができる 。検知点は任意の順序で検知することも、同時に検知することも可能である。制 御系に関しては、上述した実施例では、これはディジタルまたはアナログ・コン ピュータまたはその混成コンピュータによって操作され得るサンプル・データ・ システムであることは明らかであろう。

軸Ａ１に交差する検知点の変位は図示のように軌道上にあることも、振動的であ ることも可能である。検知表面部分１２Ｃの面積は本発明が応用される分野によ って異なる６例えば、円滑表面の測定といった、高精度応用分野では、表面部分 １２Ｇの直径は２■であってもよく、溶接電極案内用の溶接ジヨイント追跡とい った、粗面応用分野では、表面部分１２Ｃの直径は２０〜３０ａｌｌであっても よい。

国際調査報告 ｍｅｒ＋ｎ＋ｗｗｓｌ　Ａｗ４＋ｃｓ＋ｉｍ　、ｓ　ＰｃＴＩＧ”　８９１０ｏ ４１４ＳＡ　２Ｅ１２５２

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．工作物（１２）用の支台（１１）と、操作部材（４０）と、前記操作部材と 前記工作物支台の一方を他方に対して並行移動して位置付けるための並行移動位 置付け手段４１Ｍ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、前記工作物（１２）を検知するためのプロ ーブ（１０）であって、検知軸（Ａ１）を備えると共に、支持端（Ｄ１）と自由 端（Ｄ２）を備えたプローブと、前記操作部材（４０）上に前記支持端（Ｄ１） 側で該プローブ（１０）を支持して、前記検知軸（Ａ１）に交差する軸（Ａ２） のまわりに角度をもって前記プローブを位置付けるための角度位置付け手段［Ｐ Ｈ，Ｍ（２，３，４）］とを具備し、前記プローブ（１０）は、前記自由端（Ｄ ２）に設けられ、少なくとも２個所の検知点（Ｆ１，Ｆ３）で前記工作物（１２ ）の表面（１２Ａ）と相互に作用し合って、前記支持端（Ｄ１）に関する表面（ １２）の勾配（Ｓ）を規定する勾配誤差信号（Ｓｘ）を発生するように構成され た検知系（Ｌ１）と、該勾配誤差信号（Ｓｘ）に応じて前記角度位置付け手段と 前記並行移動位置付け手段とに働きかけて、前記プローブの接続端（Ｄ１）を、 前記第１の軸（Ａ１）が前記表面に対しほぼ法線をなす位置に移動させるための 制御系とを具備している工作物表面追跡装置。
2. ２．追跡ライン（１２Ａ）が追跡平面（ＸＺ２）内の前記工作物上に定義され、 基準平面（ＲＰ）が前記プローブ（１０）の支持端（Ｄ１）から所定間隔（Ｄ） を置いて前記検知軸（Ａ１）に対し法線をなす位置における前記プローブ（１０ ）に対して定義され、基準点（Ｄ２）が前記検知軸（Ａ１）と前記基準平面（Ｒ Ｐ）の交差点で前記プローブに対して定義されており、前記プローブは、前記基 準平面（ＲＰ）が前記表面の検知領域（１２Ｃ）に隣接する操作位置をもち、前 記検知系（Ｌ１）は、前記追跡平面（ＸＺ２）内で相互に離れた少なくとも２個 所の前記検知点（Ｆ１，Ｆ３）で前記領域（１２Ｃ）を検知するための位置検出 手段（ＴＯ）と、該検知点間の前記検知軸（Ａ１）方向の距離を規定して前記基 準平面（ＲＰ）に関する前記検知領域（１２Ｃ）における勾配誤差を規定してい る勾配誤差信号（ＳＸ）を発生するための誤差検出手段（２０）とを具備してお り、前記制御系は、前記勾配誤差信号（ＳＸ）に応じて、該勾配誤差信号（Ｓｘ ）がゼロになるような方向に前記角度位置付け手段（ＰＨ，Ｍ２）を動作させる と共に、前記プローブの自由端（Ｄ２）を前記工作物の検知領域（１２Ｃ）に維 持するように前記操作部材（４０）の並行移動位置を修正するように並行移動位 置付け手段（４１，ＭＸ）を動作させる制御手段（ＬＸ）を具備している請求の 範囲第１項に記載の装置。
3. ３．前記検知系（１６）は、前記基準平面（ＲＰ）に関する前記表面の位置を前 記検知軸方向に検知するための軸方向位置検出手段（１５）と、前記表面（１２ Ａ）と前記基準平面（ＲＰ）間に発生する前記検知軸（Ａ１）方向の誤差距離を 定義する軸方向誤差信号（ｄ）を発生するための軸方向誤差検出手段（２０）と を具備しており、前記制御系は、前記軸方向誤差信号（ｄ）に応じて前記並行移 動位置付け手段［Ｍ〔Ｘ，Ｙ，Ｚ）］を動作させて前記プローブの基準点（Ｄ２ ）が前記工作物の検知領域（１２Ｃ）に維持されるように、前記操作部材（４０ ）の並行移動位置を修正するための制御手段（ＬＸ）を具備している請求の範囲 第２項に記載の装置。
4. ４．前記検出手段（１６）は前記少なくとも２個所の検知位置（Ｆ１，Ｆ３）と 順次に相互に作用し合うように構成された請求の範囲第１項、第２項または第３ 項に記載の装置。
5. ５．前記検出手段（１６）は前記少なくとも２個所の検知位置と光学的に相互に 作用し合って、前記勾配誤差信号（Ｓｘ）を発生する光学的手段（１５）を具備 する請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の装置。
6. ６．前記光学的手段（１５）は前記基準平面（ＲＰ）における焦点領域（Ｆ）に 光ビームを投影する投影手段（１５）と、焦点領域（Ｆ）に対する光ビームが前 記検知位置（Ｆ１，Ｆ３）に順次に位置するように光ビームを移動させるための 移動手段（ＭＯ）とを含む請求の範囲第５項記載の装置。
7. ７．前記検知系（１６）は前記焦点領域（Ｆ）に対する前記光ビームが前記検知 軸（Ａ１）のまわりに軌道（ＦＯ）を描くように回転させると共に、前記光ビー ムが前記走査平面（ＸＺ２）と交差する個所で前記誤差信号（Ｓｘ）を発生する 請求の範囲第６項記載の装置。