JPH0718698B2

JPH0718698B2 - 非接触形変位計による自動寸法測定方法

Info

Publication number: JPH0718698B2
Application number: JP59188135A
Authority: JP
Inventors: 良輔谷口; 久保　　学; 英則河面; 隆池田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1984-09-10
Filing date: 1984-09-10
Publication date: 1995-03-06
Anticipated expiration: 2010-03-06
Also published as: JPS6166915A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、被測定物の表面形状寸法を精度良く且つ高速
で測定することができる非接触形変位計による自動寸法
測定装置に関するものである。

［従来の技術］従来、被測定物の表面形状寸法の計測は第４図に示すよ
うな構成に基づいてなされていた。同図において、
（１），（２），（３）はそれぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ
方向に移動する移動機構を備え、その時の座標を測定す
るリニアスケールで、（４）は測定しようとする物体の
表面に接触させるプローブ、そして（５）は寸法を計測
しようとする被測定物である。

従来の寸法測定の方法は、上記のような構成に基づいて
おり、被測定物（５）の寸法を測定する場合は、被測定
物（５）の表面にプローブ（４）を接触させ、この時の
x,y,zの座標を各リニアスケール（１），（２），
（３）からそれぞれ読み取る。その際、プローブ（４）
の角度を一定に保ちつつ、プローブ（４）を手或るいは
マニュアル操作で被測定物（５）の表面に接触させなが
ら移動し、リニアスケール（１），（２），（３）の座
標値を読み取っていく。そして、その座標値に基づいて
被測定物（５）の形状寸法を求めていた。

［発明が解決しようとする問題点］従来の寸法測定方法は、以上のように、被測定物（５）
の表面にプローブ（４）を手或いはマニュアル操作で接
触させながら測定するので計測に多大な時間がかかる。
また、プローブ（４）の角度を変える場合には、再度原
点出しを行なう必要があり、そのため操作が極めて繁雑
となる。

更に、通常プローブ（４）の先端は球となっており、計
測点は球の中心点である為、プローブ（４）が被測定物
（５）と接触する表面では誤差が生じるという問題点が
あった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされた
ものであり、被測定物表面の寸法計測を高精度に、しか
も高速で行なうことができる非接触形変位計による自動
寸法測定方法を得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］本発明に係る非接触形形変位計による自動寸法測定方法
は、上記の目的を解決するために以下に述べるステップ
からなる方法をとっている。

（１）被測定物は３次元形状からなり、その概要寸法が
予め分かっているものとし、被測定物の表面上には予め
複数の計測点が設定されているのとする。この計測点に
対応した計測経路上の非接触形変位計（例えば光変位
計）の３次元位置情報及び方向又は姿勢情報をそれぞれ
求める。

（２）そして、非接触形変位計を制御するための制御装
置に、被測定物の表面上の形測点に対応した、計測経路
上の非接触形変位計の３次元位置情報及び方向又は姿勢
情報を少なくとも含んだ制御情報を求めて記憶する。こ
の制御装置は、その制御情報に基いて非接触形変位計の
３次元位置（X,Y,Z）及び方向又は姿勢（θ）を制御す
るものであり、後述する実施例のNC制御装置、ロボット
コントローラ等が該当する。

（３）座標演算プロセッサに、被測定物上の計測点に対
応した、計測経路上の非接触形変位計の位置情報及び方
向又は姿勢情報を予め記憶しておく。ここで、座標演算
プロセッサとは、非接触形形変位計の３次元位置情報
（X,Y,Z）及び方向又は姿勢（θ）と、非接触形形変位
計の出力とに基いて、被測定物の表面座標を演算するも
のであり、CPU、メモリ等から構成される。

（４）以上の準備が完了した後、制御装置はその記憶さ
れた制御情報に基いて非接触変位計の３次元位置（X,Y,
Z）及び方向又は姿勢（θ）を制御し、非接触変位計を
計測経路に沿って移動させる。

（５）非接触形変位計の３次元位置（X,Y,Z）及び方向
又は姿勢（θ）の各情報を検出する。

（６）座標演算プロセッサにおいて、前記の検出された
非接触形変位計の情報と、前記の計測点に対応した非接
触形変位計の情報（予め記憶されている）とを比較し、
その所定の一部の情報において一致したとき、そのとき
の非接触形変位計の位置及び方向又は姿勢の各情報と、
非接触形変位計の出力とを収録し、これらのデータに基
いて被測定物の表面上の計測点の座標を求める。

［作用］被測定物の表面形状を特定する場合には、複数の特定点
の３次元座標により特定することができ、従って、その
特定点の３次元座標を計測することにより被測定物の表
面形状を求めることができる。被測定物が例えばNC工作
機械等により製作されたものであればその概略寸法（製
作寸法）は予め分かっており、従って、その特定点も予
め分かるので、本発明においてはそれを計測点としてお
り、計測点は被測定物の表面上に成立している。また、
その計測点を測定するための非接触形変位計の計測経路
（例えば被測定物の表面から一定の距離だけ離れた位置
にある）も必然的に決まり、そして、計測点に対応した
計測経路上の非接触形変位計の位置情報等の必然的に決
まる。

制御装置には、そのような計測経路を得るための制御情
報が予め記憶されており、また、座標演算プロセッサに
も、被測定物上に予め設定された複数の計測点に対応し
た、計測経路上の非接触形変位計の位置情報及び方向又
は姿勢情報が予め記憶されている。制御装置は、その制
御情報に基いて非接触形変位計を移動制御することによ
り計測経路（計測点に対応した点を含む）に沿って移動
させることができる。そして、そのときの非接触形変位
計それ自信の３次元位置（X,Y,Z）及び方向又は姿勢
（θ）の各情報が検出される。

座標演算プロセッサは、検出された非接触形変位計の情
報と予め設定されている計測点に対応した非接触形変位
計の情報とを比較し、その所定の一部の情報において一
致したとき、そのときの検出された非接触形変位計の位
置情報及び方向又は姿勢情報と、非接触形変位計の出力
とをそれぞれ収録する。例えばＨ形鋼の肉厚を計測する
ような場合には必ずしも全ての情報が一致しなくともよ
く、一部の情報において一致するだけでよい。このよう
にして、非接触形変位計が計測点に対応した計測経路上
の位置にあることが確認されたときのデータ、即ち３次
元位置情報（X,Y,Z）及び方向又は姿勢情報（θ）と非
接触形変位計の出力とに基いて、被測定物の表面上の計
測点の座標が求められる。

このように、非接触形変位計の移動制御と被測定物の座
標演算とがそれぞれ独立してなされるので、従来のトラ
ッキング方式に比べて極めて早い速度で測定することが
できる。そして、非接触形変位計が計測点に対応した計
測経路上の位置にあることが確認されたときの３次元位
置情報（X,Y,Z）及び方向又は姿勢情報（θ）と非接触
形変位計の出力とに基いて被測定物の表面上の計測点の
座標を求めるが、計測点は被測定物の表面形状を特定す
るために必要な点数（特定点の数だけ）だけあればよ
く、被測定物全体のデータの収録点数は少ないので、演
算処理も極めて早いものとなっている。また、このとき
の３次元位置情報（X,Y,Z）及び方向又は姿勢情報
（θ）は既知であり、従って、その既知の位置に対する
非接触形変位計の出力による変位を求めることにより被
測定物の表面上の計測点の座標、即ち表面形状の座標を
求めているので、この点からも演算処理が極めて早いも
のとなっている。

［実施例］次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第１
図は本発明の一実施例に係る方法を実施する装置のブロ
ック図である。同図におて、（10）は座標演算プロセッ
サであり、インタフェース（11），（12），（13），
（14）、外部装置用インタフェース（15）、高速演算プ
ロセッサ（16），（17）、クロック回路（18）、プログ
ラムメモリ（19）、データメモリ（20）、グラフィック
CRT（21）及び操作キー（22）を含んでいる。（30）はN
C制御装置であり、プログラムファイルメモリ（31）及
び増幅器（32）を含んでおり、さらにCRT（33）が取付
けられている。（40）は位置検出部であり、リニアスケ
ール（41）角度エンコーダ（42）及び非接触変位計とし
てのオプトセンサを含いでいる。リニアスケール（41）
はＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸にそれぞれ装置され、オプトセン
サ（43）の３次元位置情報を検出する。角度エンコーダ
（42）はオプトセンサ（43）の方向（θ_１）及び姿勢
（θ_２）を検出する。オプトセンサ（43）は被測定物と
の距離（ΔＨ）を非接触にて測定する。これらのリニア
スケール（41）、角度エンコーダ（42）及びオプトセン
サ（43）の各出力は、座標演算プロセッサ（10）内のイ
ンターフェース（11），（12），（13）を介して該プロ
セッサの内部に取り込まれる。（50）は測定機本体の駆
動機構部で、モータによりＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸並びにθ
_１軸（方向）及びθ_２軸（姿勢）の各軸を駆動する。こ
の駆動機構部（50）はNC制御装置（30）の増幅器（32）
を介して駆動される。（60）は座標演算プロセッサ（1
0）に接続された外部装置、例えばパソコンであり、外
部装置用インターフェース（15）を介して情報が与えら
れる。

第２図は本発明の他の実施例に係る方法を実施例するた
めの装置のブロック図で、測定機本体として通常のロボ
ットを利用したものである。（30A）はロボットコント
ローラで、第１図のNC制御装置（30）と同様にプログラ
ムファイルメモリ（31）及び増幅器（32）を含んでい
る。（50A）はロボット本体からなる駆動機構部であ
り、第１図の測定機本体（50）と同様に、各軸（Ｘ軸,Y
軸,Z軸，θ_１軸，θ_２軸）を駆動制御するものである。
（70）はプログラム装置であり、CRT（71）及び操作キ
ー（72）を含んでいる。このプログラム装置（70）によ
りロボットコントローラ（30）のプログラムファイルメ
モリ（31）に所望のプログラムを格納する。

従って、第１図の実施例と第２図の実施例との相違は、
第１図のものは外部で予め入力したメモリをプログラム
ファイルメモリ（31）としてセットするものであるのに
対し、第２図のものは、プログラム装置（70）をロボッ
トコントローラ（30A）に接続しておいて、それにより
プログラムを入力する点にあり、両者に本質的な差異は
ない。このため、以後第１図の装置の説明を中心に進め
ていく。

第３図は駆動機構部（50），（50A）の原理図であり、
直交するX,Y,Zの３軸及び関節θ_１，θ_２の２軸の計５
軸からなり、リニアスケール（41）及び角度エンコーダ
（42）が取付けられている。そして、駆動機構部（5
0），（50A）の関節の先端部にはオプトセンサ（43）が
取付けられている。（80）は被測定物で、（43a）はオ
プトセンサ（43）からの照射光であり、（43b）は被測
定物（80）の表面から乱反射してオプトセンサ（43）に
戻ってくる反射光である。（80a）は被測定物（80）の
表面の仮想測定線で、この線に沿ってオプトセンサ（4
3）の照射光（43a）が移動するように駆動制御部（50）
は各軸を駆動制御する。なお、仮想測定線（80a）上の
点（ｐ）は被測定物（80）上の計測点であり、この計測
点は被測定物（80）の表面形状を特定するための特定点
に相当する。

次に、以上の構成からなる装置の動作を説明する。

（イ）まず、被測定物の表面上の計測点に対応した計測
経路上の点（以下、計測経路上の計測点という）を教示
する。即ち、計測経路に対応したオプトセンサ（43）の
運動軌跡を得るための制御情報をNC制御装置（30）にプ
ログラム化して教示する。このとき、プログラムはプロ
グラムファイルメモリ（31）に格納される。一方、座標
演算プロセッサ（10）にも上記運動軌跡を教示すると共
に、計測経路上の計測点の位置に関する情報（X,Y,Z,θ
_１，θ_２）を記憶させる。これらの情報はデータメモリ
（20）に記憶される。

教示する方法としては、図面情報からそれぞれのプログ
ラム語を用いる方法、実用を用いて教示する方法など種
々ある。いずれにしても、被測定物（80）の形状の概要
寸法は予め判っているから、この形状に関する情報すな
わちオプトセンサ（43）の運動軌跡及び計測経路上の計
測点に関する情報を予め教示しておく。この場合、被測
定物は１個に限るものではなく複数個でもよく、その場
合は被測定物に応じたプログラム番号を設定しておく。

（ロ）次に、被測定物（80）を所定の位置に設置する。

この（ロ）の設置は勿論前記（イ）の前にしておいても
よい。

（ハ）次に、起動及び測定をする。まず、被測定物に応
じたプログラム番号を呼び出して座標演算プロセッサ
（10）及びNC制御装置（30）を起動させる。プログラム
番号の呼び出しに際しては、例えば座標演算プロセッサ
（10）の操作キー（22）を操作することにより、座標演
算プロセッサ（10）が実行するプログラム番号を特定す
ると共に、インターフェース（14）を介してNC制御装置
（30）に指示する。また、その逆でもよい。その場合
は、第１図の装置ではNC制御装置（30）に設けられたキ
ー（図示せず）の操作により、また、第２図の装置では
プログラム装置（70）の操作キー（71）の操作により行
なう。起動のタイミングも、同様に一方から他方へその
タイミングを指示できるものとする。

NC制御装置（30）がプログラムされた内容に基づいて駆
動機構部（50）を作動させていくと、位置検出部（40）
からの出力信号がインターフェース（11），（12），
（13）を介して座標演算プロセッサ（10）内に取り込ま
れる。このとき、高速演算プロセッサ（16），（17）
は、データメモリ（20）に記憶された計測経路上の計測
点の位置情報等（X₀，Y₀，Z₀，θ_10′，θ₂₀）と計測デ
ータ（X,Y,Z,θ_１，θ_２）とを比較して所定の一部の情
報、例えば位置情報において一致したとき、そのときの
計測データをデータメモリ（20）に格納する。そして、
これらの計測データ（X,Y,Z,θ_１′，θ_２）とオプトセ
ンサ（43）の出力（ΔＨ）に基づいて、被測定物（80）
上の計測点の座標を演算する。このときの演算は、プロ
グラムメモリ（19）に格納されたプログラムの内容に従
って高速演算プロセッサ（16），（17）によりなされ
る。

図５はオプトセンサ（43）による計測状態を示す説明図
である。図示のように、データメモリ（20）に記憶され
た計測経路上の計測点の位置情報等（X₀，Y₀，Z₀，θ
_10′，θ₂₀）と、オプトセンサ（43）の位置を示す計測
データ（X,Y,Z,θ_１′，θ_２）とが例えば位置情報にお
いて一致すると、このときの被測定物80上の計測点が点
Pi（x,y,z）であった場合にはこの計測点Piの座標は次
式により得られる。なお、次式において、ｌはオプトセ
ンサ（43）の位置を示すＱ点とオプトセンサ（43）の先
端部との距離を示す。

ｘ＝Ｘ＋（ｌ＋ΔＨ）sinθ_２・cosθ_１ｙ＝Ｙ＋（ｌ＋ΔＨ）sinθ_２・sinθ_１ｚ＝Ｚ＋（ｌ＋ΔＨ）cosθ_２なお、実際の計測点Piと被測定物の概要寸法に基いて設
定された計測点Ｐとがずれていても、そのずれがオプト
センサ（43）の測定範囲であるかぎり、実際の計測点Pi
を高精度に計測することができる。

また、上記において位置情報の一部において一致した場
合にそのときの計測データを格納して演算する場合もあ
るが、その場合の例としては、Ｈ型鋼の肉厚を計測する
場合のように一方向のデータのみを採取すればよい場合
が該当する。

（ニ）演算結果を表示する。演算結果はグラフィックCR
T（21）に表示する。また、データメモリ（20）に格納
すると共に外部装置用インターフェース（15）を介して
外部装置（60）にデータとして伝送する。

なお、上述の説明第１図の装置が中心であったが、第２
図の装置においても全く同様である。

また、本発明に係る方法は３次元の座標測定を主目的と
しているが、被測定物の表面の傷やパターンの検査にも
利用できることはいうまでもない。

［発明の効果］以上の説明から明らかなように、本発明に係る方法によ
れば、非接触形変位計の移動制御と、非接触変位計の出
力及び位置情報等に基づく座標演算とをそれぞれ独立し
て行なうようにしたので、いわゆるトラッキング方式に
比べて極めて早い速度で測定が可能になっている。ま
た、予め概略寸法の分っている被測定物を測定対象とし
ておりその特定点（計測点）の数は少ないので、被測定
物全体のデータの収録点数も少なく、演算処理は極めて
早いものになっている。また、予め決められた計測経路
上の計測点を基準としてそれに対する変位を計測して座
標を演算するようにしているので、この点からも演算処
理が極めて早くなるという利点がある。更に、計測経路
上の計測点での位置情報等を入力して計測点の座標を演
算し、かつ、非接触で変位を測定しているため、実際の
被測定物が教示した寸法と相違する場合、被測定物の設
置が所定の位置からずれた場合、或いは駆動機構部等の
測定機自体の移動に誤差が生じた場合であっても、非接
触変位計の測定範囲内の誤差であれば、測定には何ら支
障はないし、測定精度にも影響を与えない。測定が被測
定物に対して非接触になされるので、接触式のものに比
べて高速測定が可能である。

【図面の簡単な説明】

図１は本発明の一実施例に係る方法を実施するための装
置のブロック図、第２図は本発明の他の実施例に係る方
法を実施するための装置のブロック図、第３図は第１図
及び第２図の装置の駆動機構部の原理図、第４図は従来
の測定方法の説明図、第５図は上記実施例におけるオプ
トセンサによる計測状態を示す説明図である。（10）…座標演算プロセッサ、（30）…NC制御装置、
（30A）…ロボットコントローラ、（40）…位置検出
部、（50），（50A）…駆動機構部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者河面英則長崎県長崎市丸尾町６番14号三菱電機株式会社長崎製作所内 (72)発明者池田隆長崎県長崎市丸尾町６番14号三菱電機株式会社長崎製作所内 (56)参考文献特開昭57−110913（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−198710（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−86710（ＪＰ，Ａ) 実開昭60−137308（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３次元形状からなり、概要寸法が予め分か
っている被測定物の表面上に設定された複数の計測点に
対応した、計測経路上の非接触形変位計の３次元位置情
報及び方向又は姿勢情報を求める工程と、前記非接触形変位計を制御するための制御装置に、前記
複数の計測点に対応した、計測経路上の非接触形変位計
の３次元位置情報及び方向又は姿勢情報を少なくとも含
んだ制御情報を求めて記憶する工程と、入力情報に基づいて座標演算する座標演算プロセッサ
に、前記複数の計測点に対応した、計測経路上の非接触
形変位計の３次元位置情報及び方向又は姿勢情報を記憶
する工程と、前記制御装置によりその記憶された制御情報に基いて前
記非接触形変位計の位置及び方向又は姿勢を制御する工
程と、前記非接触形変位計の位置情報及び方向又は姿勢情報を
検出する工程と、前記座標演算プロセッサにおいて、前記の検出された非
接触形変位計の情報と、前記の記憶された非接触形変位
計の情報とを比較し、その所定の一部の情報において一
致したとき、そのときの非接触形変位計の位置情報及び
方向又は姿勢情報と、非接触形変位計の出力とに基いて
被測定物の表面上の計測点の座標を求める工程とを有することを特徴とする非接触形変位計による自動寸
法測定方法。
【請求項２】複数の計測経路上の非接触形変位計の３次
元位置情報及び方向又は姿勢情報を制御装置又は座標演
算プロセッサに記憶させておき、いずれか一方から他方
へ実行すべきそれらの情報を指示すると共に、制御装置
と座標演算プロセッサとを同期起動させることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の非接触形変位計による
自動寸法測定方法。