JPH07120216A - 光学式変位センサのデータ補正方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザ光等を使用して被測定物との間の距離
を検出する光学式変位センサのデータ補正方式におい
て、少ないメモリ容量で正確な補正を行えるようにす
る。 【構成】 測定用モデル８１の移動した距離を変位セン
サ５が検知し、その実測値としての変位データを誤差値
演算手段７ａに送る。誤差値演算手段７ａは、所定間隔
の区間毎に変位センサ５の実測値を検出し、各実測値の
誤差値を演算する。補正値データ生成手段７ｂは、各区
間の誤差値の変化量が所定誤差変化量となる位置間隔を
算出し、算出された位置間隔の内で最小の位置間隔を補
正値データ間隔とし、この補正値データ間隔毎に全ての
誤差値を補間して補正値データを生成する。この生成さ
れた各補正値データを補正データ格納手段７ｃが補正値
データ１２ａとしてＲＯＭ１２に格納する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ光等を使用して被
測定物との間の距離を検出する光学式変位センサのデー
タ補正方式に関し、特に補正値を生成してメモリに格納
する光学式変位センサのデータ補正方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、レーザ光等を使用した光学式変位
センサが開発され、目標位置とセンサヘッドとの距離を
非接触によって測定できるようになっている。この光学
式変位センサは、数値制御装置等においてモデル形状の
測定やロボットの位置決め等に使用され始めている。光
学式変位センサは、センサヘッド内に設けられた発光素
子によってレーザ光等を出力し、被測定物の表面に反射
して戻ってきた光を同じセンサヘッド内の受光素子によ
り受光し、受光素子上の基準位置からのずれ量に基づい
てセンサヘッドと被測定物の表面との距離を検出するも
のである。

【０００３】ただし、センサによる測定値と実際の距離
との関係は、光学的な性質により非線形になっている。
このため、従来は、所定間隔ごとに設定した補正点で補
正値を測定値に加えるようにしていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、数値制御装置
等での位置精度はμｍ単位のため、正確な補正を行うた
めには膨大な補正データが必要となり、メモリの容量が
増大するという問題点があった。

【０００５】一方、これに対し、補正データを荒い位置
間隔で持ち、補正データの設けられた位置以外の補正位
置では補間演算によって補正を行う方式がある。しか
し、補間演算には処理時間がかかるため、補正位置にく
る度に補間演算を行うのは困難であり、他の処理ができ
なくなるという問題点があった。

【０００６】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、少ないメモリ容量で正確な補正を行うことの
できる光学式変位センサのデータ補正方式を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、レーザ光等を使用して被測定物との間の
距離を検出する光学式変位センサのデータ補正方式にお
いて、所定間隔の区間毎に前記光学式変位センサの実測
値を検出し、前記各実測値の誤差値を演算する誤差値演
算手段と、前記誤差値の変化量が所定誤差変化量となる
位置間隔を前記各区間で算出し、算出された前記位置間
隔の内で最小の位置間隔を補正値データ間隔とし、前記
補正値データ間隔毎に全ての前記誤差値を補間して補正
値データを生成する補正値データ生成手段と、前記生成
された補正値データをメモリに格納する補正値データ格
納手段と、を有することを特徴とする光学式変位センサ
のデータ補正方式が提供される。

【０００８】

【作用】誤差値演算手段は、所定間隔の区間毎に光学式
変位センサの実測値を検出し、各実測値の誤差値を演算
する。補正値データ生成手段は、誤差値の変化量が所定
誤差変化量となる位置間隔を各区間で算出し、算出され
た位置間隔の内で最小の位置間隔を補正値データ間隔と
し、補正値データ間隔毎に全ての誤差値を補間して補正
値データを生成する。そして、この生成された補正値デ
ータを補正値データ格納手段がメモリに格納する。

【０００９】したがって、少ない補正点数で所定誤差変
化量の精度を持った補正値データを生成することができ
る。

【００１０】

【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。図１は、本実施例の機能の概念図である。本実
施例では、光学式変位センサをデジタイジング制御装置
に使用する例を示す。光学式の変位センサ５は、まず、
精度測定装置８に取り付けられる。精度測定装置８は、
測定用モデル８１、テーブル８２、および軸制御モータ
８３等からなる。測定用モデル８１はテーブル８２上に
固定され、テーブル８２は軸制御用モータ８３によって
所定の方向に移動制御される。また、軸制御用モータ８
３は、測定制御装置７の図示されていない駆動手段によ
って回転制御される。この軸制御用モータ８３の回転移
動量は、精度の保証されたパルスコーダ８４が検出し、
測定制御装置７の誤差値演算手段７ａに送る。

【００１１】軸制御用モータ８３の回転によりテーブル
８２とともに測定用モデル８１も同一方向に移動する。
この移動した距離を変位センサ５が検知し、その実測値
としての変位データを誤差値演算手段７ａに送る。誤差
値演算手段７ａは、所定間隔の区間毎に変位センサ５の
実測値を検出し、各実測値の誤差値を演算する。

【００１２】補正値データ生成手段７ｂは、各区間の誤
差値の変化量が所定誤差変化量となる位置間隔を算出
し、算出された位置間隔の内で最小の位置間隔を補正値
データ間隔とし、この補正値データ間隔毎に全ての誤差
値を補間して補正値データを生成する。この生成された
各補正値データを補正データ格納手段７ｃが補正値デー
タ１２ａとしてＲＯＭ１２に格納する。

【００１３】補正値データ１２ａの格納されたＲＯＭ１
２は、ならい機械３を制御するデジタイジング制御装置
１に設けられる。また、ならい機械３には、補正値デー
タ１２ａを生成するために精度測定装置８で使用された
光学式の変位センサ５が取り付けられる。ならい機械３
では、テーブル３１上にモデル６が固定される。テーブ
ル３１は、軸制御用モータ３２ｘおよび図示されていな
い他の軸制御用モータによって移動制御される。軸制御
用モータ３２ｘの回転移動量は、パルスコーダ３３ｘが
読み取る。

【００１４】変位センサ５は、図示されていない制御用
のモータによってＺ軸方向に制御される。すなわち、変
位センサ５は、モデル６に対して相対的に少なくとも２
軸方向に移動する。こうして変位センサ５は、モデル６
の表面との距離を検出し、各測定点の変位データをデジ
タイジング制御装置１側に出力する。デジタイジング制
御装置１では、実行データ読み取り手段１ａが変位セン
サ５からの変位データを読み取るとともに、パルスコー
ダ３３ｘからの位置信号に基づいて変位センサ５の移動
量を読み取る。補正制御手段１ｂは、変位センサ５の移
動量が補正値データ間隔となる毎にＲＯＭ１２内の補正
値データ１２ａから新しい補正値データを読み出し、補
正値を更新して変位データの補正を行う。

【００１５】次に、本実施例の具体的な例を説明する。
図２は測定制御装置７のハードウェア構成を示すブロッ
クである。バス７０には、プロセッサ７１等の複数の装
置が結合されている。ＲＯＭ７２には、測定制御装置７
全体を制御するシステム・プログラムが格納されてい
る。また、ＲＯＭ７２には、後述する補正値データ生成
のためのプログラムが格納されている。ＲＡＭ７３に
は、一時的なデータが格納される。不揮発性メモリ７４
には、生成した補正値データが格納される。

【００１６】インタフェース（ＩＮＴ）７５は、外部の
ＲＯＭライタ７５ａと接続されており、このインタフェ
ース７５を介して不揮発性メモリ７４内の補正値データ
がＲＯＭライタ７５ａに送られる。ＲＯＭライタ７５ａ
は、図示されていないＲＯＭに補正値データを書き込
む。

【００１７】グラフィック制御装置（ＣＲＴＣ）７６
は、プロセッサ７１からのディジタル信号を表示信号に
変換して表示装置（ＣＲＴ）７６ａに表示する。キーボ
ード７７は、データ入力や測定制御装置７の操作指令等
を行うために使用される。

【００１８】Ａ／Ｄ変換回路７８は、変位センサ５から
送られるアナログの変位データをディジタルに変換して
プロセッサ７１に送る。軸制御回路７９は、プロセッサ
７１からの軸の移動指令を受けて軸制御用モータ８３を
制御すべくアンプ７９ａの出力を制御する。また、軸制
御回路７９は、パルスコーダ８４からの位置検出信号を
読み取り、軸制御用モータ８３の安定制御を行う。パル
スコーダ８４からの位置検出信号はバス７０を介してプ
ロセッサ７１に送られ、変位センサ５のテーブル８２に
対する移動量が検出される。

【００１９】変位センサ５は、半導体レーザを使用した
光学式のセンサであり、測定用モデル８１の表面までの
距離を検出する。変位センサ５の出力は変位データとし
てＡ／Ｄ変換回路７８に送られる。

【００２０】このような構成の測定制御装置７は、精度
測定装置８のテーブル８２上の測定用モデル８１を例え
ば図中左右方向に移動させ、変位センサ５からの変位デ
ータおよび軸制御回路７９からの変位センサ５の移動量
データに基づき、補正値データを生成する。

【００２１】次に補正値データ生成の具体的な手順を説
明する。図３は変位センサ５による出力特性を示す図で
ある。図において、横軸は変位センサ５の移動した位
置、縦軸は変位センサ５の出力値である。本来、変位セ
ンサ５が線形の性質を有していれば、その出力値は特性
Ｓ１に示すように、全ての測定位置に対して比例した値
となる。しかし、センサ内の受光素子等の性質により、
実際には特性Ｓ２に示すように、出力値は基準位置Ｏを
中心にして非線形となる。このため、例えば、測定位置
ｘ１では誤差Δｙ１というように、各測定位置において
それぞれ異なった値の誤差が生じてしまう。

【００２２】このように、変位センサ５の出力値はその
まま使用することができないため、各測定位置の出力値
に対して補正を加える必要がある。この場合、より正確
な補正を行うためには、軸制御の分解能である１μｍ程
度の単位で補正値を確保する必要がある。しかし、全て
の点における補正データを確保するためには膨大なメモ
リ容量を必要とし、コスト高となる。したがって、補正
値データの量は極力少なくする必要がある。

【００２３】そこで、本実施例では、測定制御装置７の
プロセッサ７１が、まず装置の分解能である１μｍより
も十分に粗い単位、例えば１００μｍ毎に変位データを
取り込み、そのときの変位センサ５の実際の位置との誤
差量を演算する。

【００２４】図４はこの演算した誤差量の特性の一例を
示す図である。ここで、横軸は変位センサ５の移動位置
であり、縦軸は測定によって得られたセンサ出力値の誤
差量である。単位はともにμｍで示してある。また、こ
こでは、正方向の特性についてのみ示してある。

【００２５】このような特性が得られたら、次にプロセ
ッサ７１は、各区間Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５・・
・・において、誤差量が所定誤差変化量δ（ここでは１
μｍ）となる場合の位置間隔ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４，
ｄ５・・・・を算出する。例えば、区間Ｐ１について言
えば、センサ位置が１００μｍの移動の間に誤差量が１
０μｍ変化している。これから、位置間隔ｄ１＝１０μ
ｍと算出される。他の区間Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５・・
・の各位置間隔ｄ２，ｄ３，ｄ４，ｄ５・・・も同様の
手順によって算出することができる。

【００２６】プロセッサ７１は、こうして算出した位置
間隔ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４，ｄ５・・・の中の最小値
を選び、これを補正値データ間隔とする。ここでは、区
間Ｐ１の位置間隔ｄ１が補正値データ間隔として選択さ
れたものとする。

【００２７】この補正値データ間隔ｄ１が決まると、プ
ロセッサ７１は、図４で示した１００μｍ単位の補正デ
ータを補正値データ間隔ｄ１単位で補間演算し、補正値
データ間隔ｄ１毎の補正値データを作成する。

【００２８】図５は作成された補正値データの一部を示
す図である。図に示すように、区間Ｐ１内の位置０〜１
００μｍは、１０μｍ毎に１μｍずつ補正値が増大して
いる。これに対して、例えば区間Ｐ２内の位置１１０、
１２０μｍ等では補正値の変化が少なくなっている。

【００２９】このように、誤差量が分解能レベルの１μ
ｍ変化する位置間隔ｄを全データについて求め、その位
置間隔ｄの中の最小値を補正値データ間隔とし、さらに
補正値データ間隔毎に補正値を与えるようにすることに
より、変位センサ５の精度レベルで正確な補正ができ、
かつメモリ容量を大幅に減少させることができる。

【００３０】図６はこのような補正値データを生成する
ためのプロセッサ７１の処理手順を示すフローチャート
である。 〔Ｓ１〕変位センサ５の実測値データを収集する。 〔Ｓ２〕所定誤差変化量δに対する位置間隔ｄを全デー
タについて演算する。 〔Ｓ３〕位置間隔ｄの中の最小値を選択し補正値データ
間隔とする。 〔Ｓ４〕補正値データ間隔毎に補間演算して補正値デー
タを生成する。

【００３１】このように作成された補正値データは、一
旦、不揮発性メモリ７４に格納され、その後、インタフ
ェース７５を介してＲＯＭライタ７５ａに送られ、ＲＯ
Ｍ１２に書き込まれる。このＲＯＭ１２は、変位センサ
５を使用する数値制御装置等に内蔵される。

【００３２】次に、上記の手順により生成された補正値
データの使用例を説明する。図７は上記の補正値データ
を有する変位センサ５を使用する非接触のデジタイジン
グ制御装置および周辺装置の構成を示すブロック図であ
る。デジタイジング制御装置１側では、プロセッサ１１
を始め複数の回路や装置がバス１０を介して結合されて
いる。ＲＯＭ１２には、デジタイジング制御装置１全体
を制御するシステム・プログラムが格納されている。ま
た、ＲＯＭ１２には、前述のＲＯＭライタ７５ａによっ
て書き込まれた補正値データが格納されている。さら
に、ＲＯＭ１２には、補正値データを使用して補正を行
うための補正プログラムも格納されている。

【００３３】ＲＡＭ１３はデータの一時記憶装置であ
り、後述するならい機械の変位センサ５ａ，５ｂからの
変位データ、およびその他の一時的なデータを記憶す
る。不揮発性メモリ１４は図示されていないバッテリで
バックアップされており、インターフェース１５を介し
て操作盤２より入力されたならい方向、ならい速度等の
各種のパラメータ等が格納される。

【００３４】ならい機械３のトレーサヘッド４には、変
位センサ５ａ，５ｂが設けられている。変位センサ５
ａ，５ｂは、前述した変位センサ５と同等のものであ
り、それぞれについて前述した手法により補正値データ
が作成され、ＲＯＭ１２に格納されている。これら変位
センサ５ａ，５ｂには、半導体レーザあるいは発光ダイ
オードを光源とした反射光量式のセンサ等が使用され
る。測定軸４ａ，４ｂに沿うモデル面までの距離の測定
値Ｌａ，Ｌｂは、デジタイジング制御装置１内のＡ／Ｄ
変換器１６ａ，１６ｂでディジタル値に変換され、逐次
プロセッサ１１に読み取られる。

【００３５】プロセッサ１１はＡ／Ｄ変換されたディジ
タル値と後述する現在位置レジスタ１９ｘ、１９ｙおよ
び１９ｚからの信号に基づいて各軸変位量を算出すると
共に、この変位量と指令されたならい方向、ならい速度
に基づいて、周知の技術により、各軸の速度指令Ｖｘ、
Ｖｙ及びＶｚを発生する。これらの速度指令はＤ／Ａ変
換器１７ｘ、１７ｙおよび１７ｚでアナログ値に変換さ
れ、サーボアンプ１８ｘ、１８ｙおよび１８ｚに入力さ
れる。サーボアンプ１８ｘ，１８ｙはこの速度指令に基
づいてならい機械３のサーボモータ３２ｘ，３２ｙを駆
動し、これによりテーブル３１をＸ軸方向及び紙面に垂
直なＹ軸方向に移動する。また、サーボアンプ１８ｚは
サーボモータ３２ｚを駆動し、トレーサヘッド４および
工具３４をＺ軸方向に移動する。

【００３６】サーボモータ３２ｘ、３２ｙおよび３２ｚ
には、これらが所定量回転する毎にそれぞれ検出パルス
ＦＰｘ、ＦＰｙ及びＦＰｚを発生するパルスコーダ３３
ｘ、３３ｙおよび３３ｚが設けられている。デジタイジ
ング制御装置１内の現在位置レジスタ１９ｘ、１９ｙお
よび１９ｚは、検出パルスＦＰｘ、ＦＰｙおよびＦＰｚ
をそれぞれ回転方向に応じてカウントアップ／ダウンし
て各軸方向の現在位置データＸａ、Ｙａ及びＺａを求
め、制御データとしてプロセッサ１１に入力している。

【００３７】一方、プロセッサ１１は、上記各軸の制御
と同時に、変位センサ５ａ，５ｂの変位データＬａ，Ｌ
ｂを所定のサンプリング時間毎にサンプリングし、これ
を使用してモデル面の法線ベクトルを求める。法線ベク
トルのＸ−Ｙ平面上への射影ベクトルに対応して、回転
指令ＳＣが形成され、Ｄ／Ａ変換器１７ｃによりアナロ
グ値に変換される。サーボアンプ１８ｃはこの回転指令
ＳＣに基づいてサーボモータ３２ｃを駆動し、トレーサ
ヘッド４の測定軸４ａをＺ軸廻りに所定角度傾斜しつつ
回転制御する。そして同時にテーブル３１が指令された
ならい方向、ならい速度で移動して、トレーサヘッド４
と同じくＺ軸制御される工具３４によってワーク３５に
モデル６と同様の形状の加工が施される。

【００３８】このような構成のデジタイジング制御装置
１では、プロセッサ１１が変位センサ５ａ，５ｂからの
測定値である変位データを読み取り、ＲＯＭ１２内の補
正値データに従ってそれぞれの値を補正する。

【００３９】次にこの変位データの補正の手順について
説明する。なお、変位センサ５ａ，５ｂともに補正の手
順は同じなので、ここでは変位センサ５ａのみについて
説明をする。また、変位センサ５ａの補正値データは図
５で示したものとする。

【００４０】まず、プロセッサ１１は、基準点からの変
位センサ５ａの移動量を分解能の１μｍ単位で検出し、
この移動量が前述の補正値データ間隔である１０μｍを
越えるまでは最初の補正値１μｍによって補正を行い、
１０μｍを越えたときに次の補正値２μｍで補正を行
う。これは、基準値からの移動量が２０μｍを越えるま
で継続される。そして、移動量が２０μｍを越えると、
今度は補正値３μｍによって補正を行う。こうして以後
は、同様の手順によって各移動量に応じた補正値によっ
て補正を行う。

【００４１】図８はこのような変位センサの補正を行う
ためのプロセッサ１１側の手順を示すフローチャートで
ある。 〔Ｓ１１〕変位センサの移動量のカウントを行う。 〔Ｓ１２〕移動量が補正値データ間隔の値を越えたか否
かを判断し、越えればステップＳ１４に進み、越えなけ
ればステップＳ１３に進む。 〔Ｓ１３〕前回の移動量の補正値と同じ補正値により変
位データを補正する。 〔Ｓ１４〕補正値を新たな補正値データ間隔に対応した
補正値に更新して変位データを補正する。

【００４２】このように、本実施例では、誤差量が分解
能レベルの１μｍ変化する位置間隔ｄを全データについ
て求め、その位置間隔ｄの中の最小値を補正値データ間
隔とし、さらに補正値データ間隔毎に補正値を与えてＲ
ＯＭ１２に格納し、実行するときには補正値データ間隔
毎に補正値を更新して補正を行うようにしたので、メモ
リ容量を大幅に減少させることができ、かつ、変位セン
サ５の精度レベルで正確な補正ができる。

【００４３】なお、本実施例では、所定誤差変化量δと
して１μｍとしたが、装置の分解能レベルなどに応じて
他の数値にすることができる。また、本実施例では、図
４、図５等において、説明を簡単にするため補正値デー
タをプラス方向の移動量についてのみ示したが、当然の
ことながら、マイナス方向についても同様の処理が適用
される。

【００４４】さらに、本実施例では、変位センサ５の補
正値データを生成するための精度測定装置８と、変位セ
ンサ５を使用するならい機械３とを別の装置としたが、
同一の装置にしてもよい。

【００４５】また、本実施例では、変位センサ５をなら
い機械３のモデル形状測定用に使用する例を示したが、
ロボットの位置決め制御用等、他の装置にも適用するこ
とができる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、所定間
隔の区間毎に光学式変位センサの実測値を検出して各実
測値の誤差値を演算し、誤差値の変化量が所定誤差変化
量となる位置間隔を各区間で算出し、算出された位置間
隔の内で最小の位置間隔を補正値データ間隔とし、補正
値データ間隔毎に全ての誤差値を補間して補正値データ
を生成し、この生成された補正値データをメモリに格納
するようにしたので、少ない補正点数でありながら、装
置に対応した精度を持った補正値データを生成すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の機能の概念図である。

【図２】測定制御装置のハードウェア構成を示すブロッ
クである。

【図３】変位センサによる出力特性を示す図である。

【図４】演算した誤差量の特性の一例を示す図である。

【図５】作成された補正値データの一部を示す図であ
る。

【図６】補正値データを生成するためのプロセッサの処
理手順を示すフローチャートである。

【図７】補正値データを有する変位センサを使用する非
接触のデジタイジング制御装置および周辺装置の構成を
示すブロック図である。

【図８】変位センサの補正を行うためのプロセッサ側の
手順を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１ デジタイジング制御装置 １ａ 実行データ読み取り手段 １ｂ 補正制御手段 ３ ならい機械 ４ トレーサヘッド ５，５ａ，５ｂ 変位センサ ６ モデル ７ 測定制御装置 ７ａ 誤差値演算手段 ７ｂ 補正値データ生成手段 ７ｃ 補正値データ格納手段 ８ 精度測定装置 １１ プロセッサ １２ ＲＯＭ １２ａ 補正値データ ７１ プロセッサ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光等を使用して被測定物との間の
   距離を検出する光学式変位センサのデータ補正方式にお
   いて、 所定間隔の区間毎に前記光学式変位センサの実測値を検
   出し、前記各実測値の誤差値を演算する誤差値演算手段
   と、 前記誤差値の変化量が所定誤差変化量となる位置間隔を
   前記各区間で算出し、算出された前記位置間隔の内で最
   小の位置間隔を補正値データ間隔とし、前記補正値デー
   タ間隔毎に全ての前記誤差値を補間して補正値データを
   生成する補正値データ生成手段と、 前記生成された補正値データをメモリに格納する補正値
   データ格納手段と、 を有することを特徴とする光学式変位センサのデータ補
   正方式。
2. 【請求項２】 前記光学式変位センサからの変位データ
   および前記光学式変位センサの移動量を読み取る実行デ
   ータ読み取り手段と、前記移動量が前記補正値データ間
   隔となる毎に前記メモリ内の補正値データから対応する
   補正値データを読み出して新しい補正値データを更新し
   て前記変位データの補正を行う補正制御手段と、を有す
   ることを特徴とする請求項１記載の光学式変位センサの
   データ補正方式。
3. 【請求項３】 前記所定誤差変化量は、測定の分解能程
   度の値に設定されていることを特徴とする請求項１記載
   の光学式変位センサのデータ補正方式。
4. 【請求項４】 前記所定間隔は、測定の分解能よりも十
   分に大きく設定されていることを特徴とする請求項１記
   載の光学式変位センサのデータ補正方式。