JPH0692881B2

JPH0692881B2 - 変位測定装置

Info

Publication number: JPH0692881B2
Application number: JP60230863A
Authority: JP
Inventors: 誠相良
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1985-10-16
Filing date: 1985-10-16
Publication date: 1994-11-16
Anticipated expiration: 2009-11-16
Also published as: JPS6290503A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、相対移動する２つの物体の相対移動変位量を
測定する変位測定装置に係り、例えば工作機械や各種産
業機械の相対移動部材の変位量の検出に利用できる。

［背景技術とその問題点］工作機械や各種産業機械等では、自動化にあたって、例
えばベッドとテーブルとの相対移動変位量を正確に検知
することがが要求される。

従来、相対移動する２つの物体の相対移動変位量を検知
する方式としては、相対移動する２つの物体の対向面に
スケールとスライダとを対向配置し、スケース側に励磁
電流を印加する一方、スライダ側に誘起される信号から
両物体の相対移動変位量を検知するインダクトシン等の
方式、或いは一方の物体を他方の物体に対して移動させ
るモータ等の回転角をレゾルバ等によって求め、この回
転角から両物体の相対移動変位量を検知する方式、等が
知られている。

しかし、前者の方式は、相対移動する物体の対向面に特
別に加工されたスケール等を設けなければならない。し
かも、高精度測定を達成するには、スケール等の加工に
あたって、スケールのピッチ間隔をできるだけ小さく、
かつ精密に仕上げなければならないので、多大な時間と
労力を要し、高価となる欠点がある。

また、後者の方式は、電気的処理回路が複雑化する上、
いくらモータの回転角を正確に測定しても、モータ以後
の減速機構や送り機構に含まれるクリアランス等の誤差
によって、測定誤差が生じる欠点がある。

［発明の目的］ここに、本発明の目的は、このような従来の欠点を解決
すべくなされたもので、製造が容易かつ安価で、しかも
高精度かつ高速測定が達成できる変位測定装置を提供す
ることにある。

［問題点を解決するための手段および作用］そのため、本発明では、相対移動するいずれか一方の物
体に、他方の物体に対向して複数の光電変換素子を前記
相対移動方向に沿って等間隔に配置し、この光電変換素
子列によって他方の物体表面の光学的パターン情報を順
次検知し、この検知されたパターン情報を特徴点抽出化
処理して２値化パターン情報に変換し、これをその以前
に検知されたパターン情報と比較して両者のずれ量を求
め、このずれ量を累計して両物体の相対移動変位量を求
めるようにしたものである。

具体的には、相対移動する２つの物体の相対移動変位量
を測定する装置であって、いずれか一方の物体と対向す
る他方の物体表面の状態を明暗の光学的情報として捉え
るための光源と、いずれか一方の物体に、他方の物体に
対向して複数の光電変換素子を前記相対移動方向に沿っ
て等間隔に配置した光電変換素子列と、この光電変換素
子列によって検出された他方の物体表面のパターン情報
を特徴点抽出化処理して２値化パターン情報に変換する
２値化処理手段と、この２値化処理手段によって処理さ
れた２値化パターン情報を記憶する第１のパターン記憶
部と、この第１のパターン記憶部のパターン情報より前
に前記光電変換素子列によって検出されたパターン情報
の２値化パターン情報を基準パターンとして記憶してい
る第２のパターン記憶部と、パターン情報のずれ量を累
計記憶する変位量記憶部と、前記第１のパターン記憶部
に記憶されたパターン情報の特徴点とこれに対応する第
２のパターン記憶部に記憶された基準パターンの特徴点
とのずれ量から基準パターンに対する前記第１のパター
ン記憶部のパターン情報のずれ量を計算し、その計算結
果に応じて、求められたずれ量を前記変位量記憶部に累
計記憶するとともに、前記第２の記憶部の基準パターン
を前記第１のパターン記憶部のパターン情報に更新する
演算手段と、を具備したことを特徴としている。

［実施例］第１図は本発明の変位測定装置を工作機械に応用した実
施例を示している。同図において、工作機械の相対移動
する２つの物体、ここではベッド１とこれに沿って図中
左右方向へ移動するテーブル２とのうち、ベッド１側の
摺動面には、相対移動方向において、一定の光源に対し
反射光の明度が均一とならないような処理が施されてい
る。例えば、相対移動方向に沿って反射光の明度が均一
とならないような明暗模様等のマークが施されている。

一方、テーブル２側には、第２図にも示す如く、光電変
換素子列11が前記ベッド１に対して所定間隔離れた対向
位置でかつ相対移動方向に平行に配置されているととも
に、相対移動方向に沿って平行でかつ前記ベッド１の摺
動面を光照射する直管型の光源12およびベッド１の表面
からの反射光を前記光電変換素子列11上に所定倍率で結
像させるレンズ13がそれぞれ設けられている。前記光電
変換素子列11は、前記相対移動方向に沿って等間隔に配
置されたｎ素子のCCD等からなる光電変換素子11₁〜11n
によって構成されている。これにより、ベッド１の表面
の光学的明度パターンが光電変換素子列11のｎ素子の光
電変換素子11₁〜11nにより電気的に検知された後、パタ
ーン処理部21へ送られる。ここで、各光電変換素子11₁
〜11nの間隔をδ、ベッド１の表面からレンズ13までの
距離をL₁、レンズ13から光電変換素子例11までの距離を
L₂とすると、光電変換素子11₁〜11nの間隔δに対し、
（L₁/L₂）δの分解能が得られる。

前記パターン処理部21へ送られたパターン情報は、第３
図に示す如く、アンプ22で増幅された後、２値化処理手
段を兼ねるA/D変換器23へ入力される。A/D変換器23は、
入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するとと
もに、特徴点の抽出を行って「１」，「０」の２値化パ
ターン情報に変換し、これを第１のパターン記憶部とし
ての検出パターンメモリ26へ出力する。

ここで、特徴点の抽出とは、ｎ個の各素子で測定された
アナログ信号を単純に何ビットかのデジタル量に変換す
るのではなく、ｎ個の素子の間のパターンとして特徴的
な点のみを「１」とし、他の点を「０」とするような２
値化処理をいう。特徴点の例としては、パターンの明暗
情報の極大点、極小点、または明暗情報を或しきい値よ
り明か暗かで２値化したとき、明→暗、暗→明へ切換る
点、更に２値化したとき明となった素子の連なり、暗と
なった素子の連なりのそれぞれの中心の点等である。い
ま、一例として、素子数16の光電変換素子列から得られ
たパターンを４ビット（16階層）の明暗情報で表わした
とき、Ｐ＝（4,6,8,9,7,4,3,2,3,5,9,12,13,10,8,7）であったとする。これを極大点、極小点で特徴点抽出化
処理を行うと、Ｐ＝（0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0,0,1,0,0,0）となる。

このようにして、特徴点抽出化されて検出パターンメモ
リ26に記憶された２値化パターン情報は、演算手段とし
ての処理回路27からの読取指令24が与えられる毎に処理
回路27へ読込まれ、そこで第２のパターン記憶部として
の基準パターンメモリ28に記憶されている基準パターン
と比較され、その基準パターンに対するずれ量が計算さ
れる。基準パターンメモリ28の基準パターンは、前記ず
れ量の計算が終る毎に、前記検出パターンメモリ26のパ
ターン情報に順次更新される。また、一連の処理が行な
われると、次の演算のために読取指令24が処理回路27か
ら検出パターンメモリ26へ出され、その検出パターンメ
モリ26のパターン情報が処理回路27へ読込まれる。

いま、検出パターンメモリ26に記憶されているパターン
情報、つまり今回のサンプリングで取込まれたパターン
情報のベクトルをＰ（p₁,p₂…pn）、基準パターンメモ
リ28に記憶されている基準パターン、つまり前回のサン
プリングにて更新された基準パターンのベクトルをＰ′
（p₁′,p₂′…pn′）とすると、演算回路27では、第４
図に示すフローチャートに従ってずれ量を計算する。

即ち、素子番号ｉ（１〜ｎ）を１、素子間隔単位で測っ
た各特徴点のずれ量Ｄを０、特徴点の数Ｍを０とした初
期状態から、ｉ＝ｉ＋１とし、このｉが全素子数ｎ未満
であることを条件として、ｉ番目の素子で検出されかつ
２値化処理された値Ｐ（ｉ）が０であるか否かを判断す
る。ここで、Ｐ（ｉ）が０の場合にはｉ＝ｉ＋１の処理
へ戻るが、Ｐ（ｉ）が０でない場合つまり１の場合に
は、基準パターンメモリ28に記憶されているＰ′（ｉ−
１）が１であるか否かを判断する。

Ｐ′（ｉ−１）が１であれば、＋方向へ１素子分ずれが
生じていると判断し、ずれ量Ｄに１を加える。また、
Ｐ′（ｉ−１）が１でなければ、つまり０であれば、次
にＰ′（ｉ＋１）が１であるか否かを判断する。

Ｐ′（ｉ＋１）が１であれば、−方向へ１素子分ずれが
生じていると判断し、ずれ量Ｄから１を差し引く。ま
た、Ｐ′（ｉ＋１）が１でなければ、つまり０のときに
は、または前記ずれ量Ｄに１を加減算したときには、特
徴点の数Ｍに１加え、ｉ＝ｉ＋１の処理へ戻る。

このような処理を繰返えして、ｉがｎになったとき、ず
れ量の総和Ｄを特徴点の数Ｍで除算して特徴点の平均ず
れ量DDを算出する。

基準パターンＰ′に対する検出パターンＰのずれ量の計
算が終了したら、変位量メモリ29に平均ずれ量DDを加算
するとともに、基準パターンＰ′の内容を検出パターン
Ｐに更新し、次の読取指令24を検出パターンメモリ26に
指令する。

従って、ベッド１に対してテーブル２が静止したままの
状態では、検出パターンＰと基準パターンＰ′との特徴
点位置が一致するから、変位量メモリ29のカウント値は
更新されない。しかし、ベッド１に対してテーブル２が
相対移動すると、その相対移動量に応じて検出パターン
Ｐと基準パターンＰ′との特徴点位置の間にずれを生じ
るので、移動方向によって変位量メモリ29のカウント値
が増減される。

このようにして、ベッド１に対してテーブル２が相対移
動していくと、変位量メモリ29には、ベッド１に対する
テーブル２の変位量が累計記憶されていく。変位量メモ
リ29に記憶された値は、測定単位による値に変換された
後、表示装置に表示され、またはNC装置等へ入力され、
以後の制御用データとして利用される。

従って、本実施例によれば、ベッド１の表面の光学的パ
ターン情報を光電変換素子列11で電気信号に変換し、更
に特徴点２値化処理されたパターン情報を前回のサンプ
リング時に更新記憶された基準パターンと比較して、基
準パターンに対する検出されたパターン情報のずれ量を
求めるようにしたので、従来のインダクトシン等のよう
に高精度に加工したスケールを物体表面に設けなくても
よく、またレゾルバ等のように処理回路が複雑化するこ
とがないので、全体の構成が簡易かつ容易である。

特に、物体表面の光学的パターン情報を検出するように
したので、物体の測定面が相対移動方向において反射光
の明度が均一とならないような態様であればよく、例え
ば規的或いは不規則的なマークの塗布等の処理でよく、
更には何も処理することなく加工面粗度のパターンをそ
のまま利用することもできる結果、相対移動部材に対す
る加工がほとんど不要である。しかも、被測定物に対し
て非接触型であるので、測定面を傷付けることがない。
このことは、被測定物の材質が比較的軟質な材料でも高
精度に測定できる利点がある。

また、マークや光源12等が経時的に変動しても、パター
ンとしての検出であるため、急激な変動でない限り測定
に影響を受ることがない。

しかも、光電変換素子列11の各素子で検出されたアナロ
グ信号を、特徴点抽出化処理して２値化パターン情報に
変換したので、後処理が簡単になり、基準パターンＰ′
と検出パターンＰとのずれ量の計算を高速処理できる。

また、基準パターンＰ′と検出パターンＰとのずれ量の
計算に当たって、検出パターンＰの特徴点と基準パター
ンＰ′の特徴点とのずれ量から両パターンP,P′のずれ
量を算出するようにしたので、具体的には、検出パター
ンＰの各特徴点と基準パターンＰ′の各特徴点とのずれ
量の総和Ｄを求めるとともに、特徴点の数Ｍを求め、ず
れ量の総和Ｄを特徴点の数Ｍで除算して特徴点の平均ず
れ量DDを算出するようにしたので、基準パターンＰ′と
検出パターンＰとのずれ量をを誤差なく正確に算出する
ことができる。その結果、変位量メモリ29に誤差が累積
されることがないから、高精度な測定が行える。

また、ベッド１の表面から反射光を光電変換素子列11上
に所定倍率で結像させるレンズ13を設けたので、光電変
換素子11₁〜11nの間隔δに対し、（ベッド１表面からレ
ンズ13までの距離L₁/レンズ13から光電変換素子列11ま
での距離L₂）倍の測定分解能が得られる。

なお、上記実施例では、A/D変換器23の後半処理として
特徴点抽出化処理を位置付けたが、特徴点抽出化処理
は、例えば処理回路27でのソフト処理によって行っても
よく、或いはアンプ22とA/D変換器23とが一体化してア
ナログ的に処理してから２値化してもよい。更に、A/D
変換の構成によっては、読取指令24の指令先もアンプ22
またはA/D変換器23になる場合もある。

また、上記実施例では、説明を簡単にするため、基準パ
ターンＰ′と検出パターンＰとの各特徴点のずれ量を最
大１素子分と仮定したが、第４図のフローチャートで
Ｐ′（ｉ−２）、Ｐ′（ｉ＋２）……等との比較をすれ
ば、１素子分以上のずれ量も検出可能である。

また、上記実施例の第４図では、ずれ量Ｄを全特徴点の
数Ｍで除算して平均ずれ量DDを算出したが、Ｍを全特徴
点としないで定数とすればD/Mなる除算がなくなるの
で、演算時間をより短縮できる。

また、上記実施例では、直線的に移動する２つの物体の
相対移動量を検出するようにしたが、例えば回転体の回
転面に沿って光電変換素子列11を対向配置すれば、回転
体の回転面の移動距離、つまり円周移動量或いは角度変
位を測定することができる。なお、外周面（内周面）に
沿って円弧状に素子を配列することは困難でもあり、ま
た測定直径毎に測定素子の配列を変えなければならなく
不都合なので、直線配列の素子列を使っても、素子列の
中央が測定面に近くなるように位置させれば誤差を生じ
させない。更に、回転体が１回転する間の円周移動距
離、つまり回転体の円周を求め、これを円周率πで割れ
ば、回転体の直径を求めることができる。

また、Ｎ個の光電変換素子列11を予め用意し、これらを
相対移動方向へ素子間隔のＮ分の１づつずらして並列配
置すれば、分解能をＮ倍に向上させることができる。

また、検出されたパターン情報と比較される基準パター
ンについては、前回のサンプリング時に更新記憶された
１つの基準パターンだけでなく、それ以前に更新された
複数個の基準パターンを記憶しておき、これら全てにつ
いて検出されたパターン情報と比較すれば、パターンの
解析をより正確に行うことができる。

また、複数の光電変換素子をマトリックス状に配置すれ
ば、二次元方向の相対移動量をも測定することができ
る。

更に、上記実施例では、工作機械のベッド１とテーブル
２との相対移動変位量を検出する例について述べたが、
本発明の変位測定装置では、２つの物体の距離が略一定
に保たれた状態で相対移動するもの全てに適用すること
ができる。

［発明の効果］以上の通り、本発明によれば、２つの物体の相対移動量
を測定するにあたって、製造が容易かつ安価で、しかも
高精度かつ高速測定が達成できる変位測定装置を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例を示すもので、第１図は全体の説
明図、第２図は第１図のII矢視方向からみた図、第３図
はパターン処理部を示すブロック図、第４図はずれ量の
計算手順を示すフローチャートである。１……ベッド、２……テーブル、11……光電変換素子
列、11₁〜11n……光電変換素子、12……光源、13……レ
ンズ、23……２値化処理手段としてのA/D変換器、26…
…第１のパターン記憶部としての検出パターンメモリ、
27……演算手段としての処理回路、28……第２のパター
ン記憶部としての基準パターンメモリ、29……変位量メ
モリ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】相対移動する２つの物体の相対移動変位量
を測定する装置であって、いずれか一方の物体と対向する他方の物体表面の状態を
明暗の光学的情報として捉えるための光源と、いずれか一方の物体に、他方の物体に対向して複数の光
電変換素子を前記相対移動方向に沿って等間隔に配置し
た光電変換素子列と、この光電変換素子列によって検出された他方の物体表面
のパターン情報を特徴点抽出化処理して２値化パターン
情報に変換する２値化処理手段と、この２値化処理手段によって処理された２値化パターン
情報を記憶する第１のパターン記憶部と、この第１のパターン記憶部のパターン情報より前に前記
光電変換素子列によって検出されたパターン情報の２値
化パターン情報を基準パターンとして記憶している第２
のパターン記憶部と、パターン情報のずれ量を累計記憶する変位量記憶部と、前記第１のパターン記憶部に記憶されたパターン情報の
特徴点とこれに対応する第２のパターン記憶部に記憶さ
れた基準パターンの特徴点とのずれ量から基準パターン
に対する前記第１のパターン記憶部のパターン情報のず
れ量を計算し、その計算結果に応じて、求められたずれ
量を前記変位量記憶部に累計記憶するとともに、前記第
２のパターン記憶部の基準パターンを前記第１のパター
ン記憶部のパターン情報に更新する演算手段と、を具備したことを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項において、前記光電
変換素子列と他方の物体表面との間に、その物体表面か
らの反射光を光電変換素子列上に結像させるレンズを設
けたことを特徴とする変位測定装置。