JPH0474913A - 表面形状測定センサ - 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〕 本発明は表面形状の測定に使用される表面形状測定セン
サに関し、特にレーザビームを走査させて、溶接ロボッ
トの溶接線を探索するアークセンサとして使用される表
面形状測定センサに関する。

〔従来の技術〕

従来、レーザビームを走査させて対象物の表面形状を測
定する表面形状測定センサが知られている。

第８図は、従来の表面形状測定センサの概略の構成を示
す図である。図において、レーザ発振器１から発振され
たレーザビーム１０は、集光レンズ２、スキャナ３のミ
ラー３１を経た後、対象物４上で集光されて、スポット
状の反射光（以下、スポット光という。）１１になる。

このスポット光１１は、受光レンズ５を経由し、受光素
子６上に結像し受光される。

受光素子６には、受光面６１が直線状に形成されている
。受光面６−１はスポット光１１を検出する。受光素子
６は、その位置検出信号を出力する。

表面形状測定センサは、この受光素子６からの出力信号
等に基づいて対象物４までの距離を算出する。さらに、
ミラー３１を揺動して、レーザビ−ム１０、スポット光
１１の走査を行い、連続的に距離を算出して、対象物４
の表面形状を求める。

スポット光１１は走査されて、受光素子６上にスポット
光１１の軌跡１２を形成する。このスポット光１１の軌
跡１２と、受光面６１とが、図に示すように完全に一致
しているとき、対象物４０表面形状は、視野全体にわた
って、正確に求められる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来の表面形状測定センサでは、受光素子６上
で、スポット光１１の軌跡１２と受光面６１とを完全に
一致させるのは困難であった。

これは、レーザビーム１０、スポット光１１の走査平面
７　（走査されたレーザビーム１０、スポット光１１に
よって形成された面）に対して、受光素子６や、受光レ
ンズ５がずれるためである。

第９図は、受光素子上で、スポット光の軌跡と受光面と
が一致しない場合の、軌跡と受光面との位置関係を示す
図である。走査平面７に対して受光素子６の位置がずれ
ている場合は、スポット光の軌跡１２は、実線で示した
ようになり、走査平面７に対して受光素子６と受光レン
ズ５が傾いている場合は、破線で示したようになる。

一方、軌跡１２と受光面６１とは、双方ともに非常に細
い線であり、この点でも、軌跡１２と受光面６１とを完
全に一致させるのが困難であった。

したがって、対象物４の表面形状を、視野全体にわたっ
て正確に求めることができないという問題点があった。

ところで、このような問題点を解決するために、受光面
６１の幅を広げるようにしたものが提案され、使用され
ている。

第１０図は、受光面の幅を広げた場合の、スポット光の
軌跡と受光面との位置関係を示す図である。軌跡１２は
、受光面６１内に収まり、軌跡１２と受光面６１とを一
致させることができる。

しかし、このように、受光面６１の幅を広げると、受光
素子６は、測定に必要なスポ−／　）光１１だけでなく
、測定上、ノイズの原因となる外乱光までも受光してし
まう。したがって、測定時のＳ／Ｎ比が悪化するという
問題点があった。

一方、外乱光の影響を受けにくくするために、受光面６
１の幅を狭くすると、軌跡１２と受光面６１とを完全に
一致させるための機構を、別に設ける必要がある。この
ため、センサ機構が複雑になり、大型化する。したがっ
て、センサ機構を調整する工数が増加し、また、測定精
度が安定しないという問題点があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、受
光面の幅を狭くしても、対象物の表面形状を、視野全体
にわたって正確に求めることができる表面形状測定セン
サを提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、測定時のＳ／Ｎ比が向上す
る表面形状測定センサを提供することである。

さらに、本発明の他の目的は、センサ機構が簡単で、セ
ンサ機構を調整する工数が削減され、測定精度が安定す
る表面形状測定センサを提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明では上記課題を解決するた約に、レーザビームを
走査させて対象物の表面形状を測定する表面形状測定セ
ンサにおいて、レーザ発振器から出力された前記レーザ
ビームと、前記レーザビームを、前記レーザビームの走
査平面に直交するスリット状の光に変換するレーザビー
ム変換手段と、前記変換されたレーザビームの反射光を
、直線状に配置された受光面によって受光する受光素子
と、を有することを特徴とする表面形状測定センサが、
提供される。

〔作用コ レーザ発振器から出力されたレーザビームは、レーザビ
ーム変換手段によって、レーザビームの走査平面に直交
するスリット状の反射光に変換される。受光素子の受光
面は、スリット状の反射光を受光する。このため、受光
面は、幅が狭くても、確実に反射光を受光する。したが
って、対象物の表面形状を、視野全体にわたって正確に
求めることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の表面形状測定センサの概略の構成を示
す図である。図において、レーザ発振器１から発振され
たレーザビーム１０は、コリメートレンズ１３を経て平
行ビームになり、シリンドリカルレンズ１４に入射する
。

平行ビーム１０は、シリンドリカルレンズ１４を通る際
に、シリンドリカルレンズ１４の円柱の母線に垂直な面
内の光が集光されて、対象物４上でスリット状になる。

すなわち、後述する走査平面７に直交するスリット状の
反射光（以下、スリット光という。）２０になる。その
詳細は後述する。

レーザビーム１０は、シリンドリカルレンズ１４及びミ
ラー３１を経た後、対象物４で反射され、上述したよう
にスリット光２０となって、受光レンズ５を経由し、受
光素子６上に結像し受光される。

スキャナ３は、ミラー３１を揺動させて、レーザビーム
１０、スリット光２０を走査する。走査されたレーザビ
ーム１０．スリット光２０は、その軌跡によって、ミラ
ー３１と対象物４の間、対象物４と受光レンズ５の間、
及び受光レンズ５と受光素子６の間に走査平面７を形成
する。

スリット光２０は走査されて、受光素子６上に軌跡１５
を形成する。その詳細は後述する。

受光素子６は、ＣＣＤ　ＩＪニアセンサ、フォトダイオ
ードアレイ、ＰＳＤ　（位置検出センサ）等であり、受
光面６１が直線状に形成されている。受光面６１は、ス
リット光２０を検出する。受光素子６は、その検出信号
を出力する。

表面形状測定センサは、この受光素子６からの出力信号
、ミラー３１の揺動角、及びミラー３１、受光レンズ５
、受光素子６の相対的な位置関係のデータを総合し、三
角測量の原理によって、対象物４までの距離を算出する
。さらに、レーザビム１０、スリット光２０の走査によ
って、連続的に距離を算出し、対象物４の表面形状を求
める。

第２図は、第１図の走査平面を上方から見たときのレー
ザビーム及び反射光を概念的に示す図、第３図は、第１
図の走査平面を側方から見たときの図である。ミラー３
１は省略しである。

第２図に示すように、走査平面７に平行な面内のレーザ
ビーム１０は、シリンドリカルレンズ１４によって対象
物４上に集光される。一方、第３図に示すように、走査
平面７に垂直な面内のレーザビーム１０は、シリンドリ
カルレンズ１４を通っても平行ビームの状態のままであ
り、シリンドリカルレンズ１４によって集光されない。

このた約、レーザビーム１０は全体として、対象物４上
で、走査平面７に垂直なスリット光２０となる。

このスリット光２０は、対象物４上で反射され、受光レ
ンズ５を経て、受光素子６上にスリット状の像を結ぶ。

第４図は、受光素子上における、スリット光の軌跡を示
す図である。スリット光２０は、受光素子６上において
、受光面６１に直交する方向に長い線状（正確には楕円
）の像となる。このため、スリット光２０と受光面６１
は、確実に交差する。

したがって、スリット光２０が走査されて描く軌跡１５
と、受光素子６の受光面６１とが、互いにずれていたと
しても、受光面６１は、スリット光２０を受光すること
ができる。また、受光面６１の幅が狭くても、スリット
光２０を受光することができる。その結果、対象物の表
面形状を、視野全体にわたって正確に求めることができ
る。

また、受光面６１の幅を狭くすることができるため、従
来、受光面６１の幅を広げたときに、外乱光によって生
じていた、測定時のＳ／Ｎ比の悪化を防止することがで
き、Ｓ／Ｎ比を大幅に向上させることができる。

さらに、受光面６１の幅を狭くしても、スリット光２０
の軌跡と、受光面６１とを完全に一致させることができ
るため、軌跡１５と受光面６１とを一致させるための機
構を、別に設ける必要がなく、センサ機構が簡単になる
。このため、センサ機構を調整する工数が削減され、測
定精度が安定する。

第５図は、本発明の表面形状測定センサが適用される溶
接ロボットの外観図である。ロボット３５のハンド３２
の先端にトーチ３３が結合されている。トーチ３３には
、本発明の表面形状測定センサであるアークセンサユニ
ット４０が設けられている。ロボット３５はロボット制
御装置３７によって制御される。ロボット制御装置３７
の内部にはアークセンサ制御部３０が内蔵されている。

第６図はトーチ近傍の詳細図である。トーチ３３の先端
からは電極３４が出ている。ワーク４ａとワーク４ｂは
溶接するために重ねられており、アークセンサユニット
４０はレーザビーム１０を出力して、ワーク４ａとワー
ク４ｂの継ぎ目を検出する。

第７図は、本発明の表面形状測定センサであるアークセ
ンサユニットと、アークセンサユニットを制御するアー
クセンサ制御部のブロック図である。アークセンサ制御
部３０はミラー走査部５１、レーザ駆動部５２、信号検
出部５３からなる。ミラー走査Ｒ５１はミラー３１のス
キャナ３を駆動する駆動回路等から構成されている。

アークセンサユニット４０はレーザ発振器１、コリメー
トレンズ１３、シリンドリカルレンズ１４、スキャナ３
、スキャナ３によって揺動されるミラー３１を有する。

また、受光レンズ５、受光素子６を有する。

レーザ発振器１はレーザ駆動部５２の駆動電力を受けて
、レーザ発振を行い、レーザビーム１０を出力する。ス
キャナ３はミラー走査部５１からの駆動指令電流によっ
て駆動され、ミラー３１を揺動する。ミラー３１はレー
ザビーム１０を走査し、ワーク４ａ、４ｂの継ぎ目を検
出する。レーザビーム１０はワーク４ａ、４ｂで反射さ
れ、スリット光２０となって、受光レンズ５で集光され
、受光素子６に入射される。受光素子６は入射光を受け
、信号を出力する。その信号に基づいて、ワーク４ａと
ワーク４ｂの継ぎ目及び継ぎ目の位置が検出される。こ
れらの検出信号はロボット制御装置３７に送られ、ロボ
ット制御装置３７はこれらの信号を使用して、トーチ３
３を溶接開始点に位置決めする。また、溶接開始後はト
ーチ３３が溶接線を追従するように制御する。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明では、走査用のレーザビーム
をスリット光にしたので、受光素子の受光面の幅を狭く
しても、対象物の表面形状を、視野全体にわたって正確
に求めることができる。

また、受光素子の受光面の幅を狭くすることができるた
め、従来、受光面の幅を広げたときに、外乱光によって
生じていた、測定時のＳ／Ｎ比の悪化を防止することが
でき、Ｓ／Ｎ比を大幅に向上させることができる。

さらに、受光素子の受光面の幅を狭くしても、レーザビ
ームの軌跡と、受光素子の受光面とを完全に一致させる
ことができるため、軌跡と受光面とを一致させるための
機構を、別に設ける必要がす＜、センサ機構が簡単にな
る。このた杓、センサ機構を調整する工数が削減され、
測定精度が安定する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の表面形状測定センサの概略の構成を示
す図、 第２図は第１図の走査平面を上方から見たときのレーザ
ビームを概念的に示す図、 第３図は第１図の走査平面を側方から見たときのレーザ
ビームを概念的に示す図、 第４図は受光素子上におけるスリット光の軌跡を示す図
、 第５図は本発明の表面形状測定センサが適用される溶接
ロボットの外観図、 第６図は溶接ロボットのトーチ近傍の詳細図、第７図は
本発明の表面形状測定センサであるアークセンサユニッ
トと、アークセンサユニットヲ制御するアークセンサ制
御部のブロック図、第８図は従来の表面形状測定センサ
の概略の構成を示す図、 第９図は受光素子上でレーザビームの軌跡と受光素子の
受光面とが一致しない場合の、軌跡と受光面との位置関
係を示す図、 第１０図は受光素子の受光面の幅を広げた場合の、スポ
ット光の軌跡と受光面との位置関係を示す図である。 走査平面 レーザビーム コリメートレンズ シリンドリカルレンズ スリット光の軌跡 スリット光（スリット状の反射光） ミ　ラ　− アークセンサユニット 受光面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザビームを走査させて対象物の表面形状を測
   定する表面形状測定センサにおいて、レーザ発振器から
   出力された前記レーザビームと、 前記レーザビームを、前記レーザビームの走査平面に直
   交するスリット状の光に変換するレーザビーム変換手段
   と、 前記変換されたレーザビームの反射光を、直線状に配置
   された受光面によって受光する受光素子と、 を有することを特徴とする表面形状測定センサ。
2. （２）前記レーザビーム変換手段は、シリンドリカルレ
   ンズであることを特徴とする請求項１記載の表面形状測
   定センサ。