JPS60108704A - 被測定物の溝または穴の中心位置検出装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は超音波を利用した被測定物の位置検出方法に関
する。

従来例の構成とその問題点 従来の被測定物の位置検出方法としては超音波送受波素
子を被測定物に対して回転走査して得られた反射信号強
度から、被測定物の位置と姿勢を検出するものがある。

以下その内容の概略を説明する。

第１図は従来の装置の概略の構成を示すシステム図であ
る。第２図は従来の装置を用いた位置検出を示す斜視図
である。第１図において超音波送受波素子１に第３図に
示す高電圧パルス１７を印加すると空気中に所定の周波
数の超音波パルスが発射される。この超音波パルスが第
２図の対象物体１３で反射され、対象物体１３の各辺１
４，１６゜１６からの反射信号が超音波送受波素子１に
到達し、受波信号増幅器３で増幅された後、アナログ−
デジタル変換されてメモリ６に記憶される。第３図は、
メモリ５に記憶された超音波送受波素子１の動作波形を
示すもので、１Ｂ、１９．２０はそれぞれ対象物体１３
の各辺１４，１５．１６からの反射信号を示す。メモリ
６に記憶された反射信号は／Ｊ’ｌ型電子計算機６に転
送され、第３図に示した反射信号１８，１９．２０の伝
播時間２１゜２２．２３及び反射信号強度２４，２５．
２６を検出している。

また、第２図において超音波送受波素子１は、小型電子
計算機６からの制御信号によりパルスモータドライバ１
１とパルスモータ１０を介して矢印Ａ、Ｂ方向に回転定
査する構成となっておυ、超音波送受波素子−を所定の
角度でステップしながら前述の被測定物間で反射信号の
伝播時間及び強度の検出を行なっている。第４図は、超
音波送受波素子１を回転走査させた時の被測定物１３か
らの反射信号強度を横軸に超音波送受波素子の回転角、
縦軸に反射信号強度をとってプロア）したものである。

２７，２８．２９はそれぞれ被測定物１３の各辺１４，
１５．１６からの反射信号を整理したものであり、それ
ぞれの反射信号強度が最大となるときの超音波送受波素
子１の回転走査角度から被測定物１３の各辺１４，１５
．１６の方向を検出している。１だ前述の反射信号の伝
播時ｒ＃！Ｊから被測定物の各辺までの距離が得られる
ので被測定物１３の各辺１３，１４．１５の座標をめる
ことができ、被測定物１３の位置を検出することができ
る。

しかしながら、従来の位置検出装置を穴の位置検出に適
用した場合、大径穴ではその位置検出が可能であるが、
小径穴では穴の各辺からの反射信号が重畳されるので、
超音波送受波素子の減衰に１：を大幅に向上し々いと位
置検出ができないという問題点があった。

本発明者らは上記従来の問題点を解決するためにすでに
被測定物の形状検出装置を提案している。

第６図はすでに本発明者らにＪ：って発明されている被
測定物の形状検出装置を溝の位置検出に適用した場合の
システム図である。寸だ第６図は同形状検出装置を用い
た溝位置検出の斜視図、第７図は同平面図である。

第６図において、３０はロボットのマニピュレータであ
り、データ処理制御装置３１からの制御信号によりマニ
ピュレータ制御装置３２を介して動作を制御している。

またマニピュレータ３ｏ上には、第６図に示すように送
受波兼用の超音波送受波素子３３が設置されている。

超音波送受波素子３３は、発振器３５により所定の周波
数の超音波を被測定物３４の溝４２に向けて送波し、ま
たその反射信号を受波している。

超音波送受波素子３３が出力する受波信号は受波信号増
幅器３６を経て、アナログ−デジタル変換器３７（以下
Ａ／Ｄ変換器という。）によってデジタル値開変換され
、メモリ３８に記憶される。

さらにデータ処理制御装置３１が設けられるが、このデ
ータ処理制御装置３１はインタフェイスコントロールユ
ニット３９（以下ＩＣＵという。）・フロッピディスク
ドライブ装置４０（以下ＦＤＤという。）および小型電
子計算機４１（以下ＣＰＵという。）から構成される。

ＩＣＵ３９はＦＤＤ４０およびＣＰＵ４１に接続される
とともに、前述の発振器３６とメモリ３８に接続される
。ＦＤＤ４ｏけ本形状検出装置を用いて溝の位置検出を
行なうためのプログラム或は諸条件を入力する。このデ
ータ処理制御装置３１においては、発振器３５を動作さ
せるための制御信号の出力、マニピュレータ３０の動作
を制御するマニピュレータ制御装置３２への制御信号の
出力を行なうとともにメモリ３８から転送された入力デ
ータの前処理を行ない、ＦＤＤ４０から予め入カスドア
されたプログラムに従ってＣＰＵ４１で反射信号強度の
検出、被測定物の溝の位置の演算処理、マニピュレータ
３０の移動量の演算処理を行なう。

また本従来例では第７図に示すように超ｉｆｆ　ｉＱ送
受波素子３３の送受波面は被測定物３４及び被測定物３
４の溝４２に対して所定の角度θ１　煩多ｌして配置さ
れており、一定のステップで矢印入方向へ被測定物３４
と一定の距離を保って平行走査する。

溝の位置検出はＦＤＤ４０から予め入カスドアされた溝
の位置検出プログラムの手順に従って行われる。すなわ
ち、まずデータ処理制御装置３１からの制御信号により
マニピュレータ制御装置３２を介してマニピュレータ３
０を駆動して超音波送受波素子３３をセンシング開始位
置に移動する。

第６図において４３は超音波送受波素子３３から送受波
される超音波ビームの中心位置を示し、４４はセンシン
グ開始時の、４５はセンシング完了時の超音波ビームの
中心位置と被測定物３４の交点を示し、センシングはこ
の区間内で行われる。

次にデータ処理制御装置３１からの制御信号によシ発振
器３６を動作させ超音波送受波素子３３で所定の周波数
の超音波を被測定物３４に向けて発射すると同時に、Ａ
／Ｄ変換器３７．メモリ３８を動作させて、被測定物３
４からの反射信号をメモリ３８に記憶する。メモリ３８
に記憶された反射信号はＩＣＵ３９を介してＣＰＵ４１
に転送される。ＣＰＵ４１ではＦＤＤ４０から予め入カ
スドアされているプログラムに従って被測定物３４から
の反射信号の反射信号強度を検出する。

次にマニピュレータ３０を矢印入方向へ一定距離移動し
て上記手順を所定のセンシング回数を完了するまで繰返
す。第８図は超音波送受波素子３３を矢印入方向に平行
走査した時の被測定物３４からの反射信号強度を、横軸
に超音波送受波素子３３の平行走査量、縦軸に反射信号
強度をとってプロットしたものであり、ＣＰＵ４１では
ＦＤＤ４０から予め入カスドアされたプログラムに従っ
て反射信号強度が極小になる時の超音波送受波素子３３
の走査開始位置からの平行走査量を検出し、超音波送受
波素子３３の走査開始位置の座標に平行走査量と、予め
メモリ内に入カスドアされている超音波送受波素子３３
からの超音波ビームと被測定物３４の交点からの超音波
送受波素子３３のオフセット量δ（第７図参照）を加え
ることにより被測定物３４の溝４２の中心位置を検出す
る。

一方、上記のような構成からなる形状検出装置を溝また
は穴の位置検出に適用するような産業上の利用分野では
、被測定物に段差等の高さ方向の情報の変化がある場合
の位置検出への適用が望井れている。しかしながら、超
音波送受波素子を被測定物の中心軸に対して傾斜して設
置する構成の形状検出装置では、被測定物に段差等の高
さ方向の情報に変化がある場合、前記オフセット量に変
化が生ずるため、上記要求に対応するためには、前記オ
フセット量を検Ｈｊ　する機能の実現が望まれている。

発明の目的 本発明は、超音波送受波素子による被測定物の位置検出
における上記問題点をなくし、上記オフセント量の変化
を検出することにより、被測定物に段差等の高さ方向の
情報に変化がある場合にも適用可能な被測定物の位置検
出装置を提供することを目的とする。

発明の構成 本発明は、被測定物の中心軸に対して傾斜して設置され
た超音波送受波素子と前記被測定物の相対位置関係を変
化させる手段と、前記超音波送受波素子によシ超音波を
送受波して得られた反射信号を信号処理して、前記超音
波送受波素子からの超音波ビームの中心と前記被測定物
の交点からの前記超音波送受波素子のオフセｙＪと前記
被測定物からの反射信号の反射信号強度が極小となる時
の前記超音波送受波素子の相対位置変化量を検出するこ
とにより、被測定物の位置を検出する手段からなる被測
定物の位置検出装置を得るものである。

実施例の説明 以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明す
る。

第９図は本発明の実施例における穴の位置検出装置の概
略を示すシステム図である。第９図においてマニピュレ
ータ制御装置４７はマニピュレータ４８をＸ−Ｙ軸の直
交２軸で動作可能な構成になっている。これ以外のシス
テム構成は前述の従来例と同様である。第１０図は本実
施例の位置検出装置による穴位置検出を示す斜視図、第
１１図は同平面図である。第１０図、第１１図に示すよ
うに、本実施例における被測定物は段差を有しており、
異なった高さの位置に被測定穴５８．６４が存在する。

次に上記のように構成した位置検出装置の動作を説明す
る。なお本実施例では、第１０図に示す超音波送受波素
子４９の直径が３６間、被測定物６７と超音波送受波素
子４９の距離が１−００　ｍｍ、被測定物５７の穴６８
の直径が５ｍｍ、超音波送受波素子４９を被測定物５７
に対して１閣のステップで、平行走査した場合について
説明する。

なお詳細な説明は省略するが、超音波送受波素子４９の
送受波面は被測定穴５８．６４の中心軸に対してＸ及び
Ｙ軸方向に独立して１０°傾斜をする構成である。

第１１図には超音波送受波素子４９がＸ軸方向へ移動す
る時の傾斜状態を示す。

位置検出はＦＤＤ５４から予め入カスドアされた第１２
図のフローチャートに示す位置検出プログラムの手順に
従って行なわれる。第１２図のフローチャートにおいて
、ステップ１で前記従来例と同様に超音波送受波素子４
９をＸ軸のセンシング開始位置へ移動する。第１０図に
おいて６９は超音波送受波素子４９から送波される超音
波ビームの中心位置を示す。丑た６０はＸ軸方向のセン
シング開始時の、６１はＸ軸方向のセンシング完了時の
、また６２はＹ軸方向のセンシング開始時の、６３はＹ
軸方向のセンシング完了時の超音波ビームの中心位置と
被測定物５７の交点を示し、ＸＭ、Ｙ軸のセンシングｄ
：、それぞれこの区間（本実施例では各１０＋ＩＩＩ＋
１）内で行なわれる。この時超音波送受波素子４９の送
受波面は穴５８．６４の中心軸に対してＸ軸方向へ１０
０傾斜している。

次にステップ２ではデータ処理制御装置４６からの制御
信号により発振器５６を動作させて超音波送受波素子４
９で所定の周波数の超音波を被測定物６７に向けて送波
すると同時に、Ａ　／　Ｄ変換器６１．メモリ５２を動
作させて、被測定物６７からの反射信号をメモリ５２に
記憶する。第１３図にはメモリ５２に記憶された反射信
号を示す。

第１３図においてｅ　５　（ｄ被測定物５７からの反射
信号を、６６は反射信号の伝播時間を示す。

次にステップ３では、ステップ２でメモリ６２に記憶さ
れた反射信号６５をＩＣＵ３３を介してＣＰＵ６５に転
送する。ＣＰＵ５ｓ５では予めＦＤＤ６４から入力され
ているプログラムに従って被測定物６７からの反射信号
６６の伝播時間６６を検出し、超音波送受波素子４９か
らの超音波ビームの中心と被測定物５７の交点からの超
音波送受波素子４９のオフセット量δ１　（第１１図参
照）を算出する。ここで超音波送受波素子４９のオフセ
ット量δ１は、超音波送受波素子４９の被測定物６７の
中心軸に対する傾斜角をθ２、反射信号の伝播時間６６
を２Ｔ、超音波の伝播速度をＶとすれば、 δ　＝ｖｘＴｘｓｉｎθ２ なる式で与えられる。

次にステップ４では、メモリ６２に記憶されている反射
信号６６をＩＣＵ３３を介してＣＰ　Ｕ５６に転送する
。ＣＰＵ５ｒｓでは予めＦＤＤ６４から入カスドアされ
ているプログラムに従って被測定物６７からの反射信号
６６の反射信号強度Ｐ（第１３図参照）を検出し記憶し
ておく。

次にステップ６では、所定のセンシング回数を完了して
いなければマニピュ１／−夕４８を矢印Ｘ方向へ１閣移
動して（ステップ６）、超音波送受波素子４９を動作さ
せて超音波を送波すると同時如被測定物５７からの反射
信号をメモリ５２に記憶しくステップ７）、メモリ５２
に記憶された反射信号から反射信号強度を検出（ステッ
プ４）する動作を繰返す。所定のセンシング回数（本実
施例では１１回）を完了すればステップ８へ進む。

ステップ８ではステップ３で検出した超音波送受波素子
４９のＸ軸方向オフセソ）ｔと、上記ステップ４・ステ
ップ６・ステップ６、ステップ７を繰返して得られた反
射信号の反射信号強度から、被測定穴６８のＸ軸方向中
心イ装置を検出する。第１４図は超音波送受波素子４９
を矢印Ｘ方向に平行走査した時の被測定物６７からの反
射信号強度を、横軸に超音波送受波素子４９のＸ軸方向
平行走査量、縦軸に反射信号強度をとってプロットした
ものであり、ＣＰＵ５５ではＦＤＤ５４から予め入カス
ドアされたプログラムに従って平行走査して得られた反
射信号強度について２次回帰を用いた補間処理を行い反
射信号強度の極小値Ｐｘおよびこの時の超音波送受波素
子４９のＸ軸方向平行走査量を検出する。第１４図にお
いて６７は２次回帰を用いた補間処理結果であり、曲線
６７の頂点から反射信号の極小値Ｐ！は３１００　ｍＶ
、またこの時の超音波送受波素子４９のＸ軸方向平行走
査量は４ｆｉとなる。被測定穴６８のＸ軸方向センシン
グ開始位置のＸ座標に、上記Ｘ軸方向平行走査量（４１
１１１１）とステップ３で検出した超音波送受波素子４
９のＸ軸方向オフセット量δ１を加えることにより、被
測定穴６８のＸ軸方向の中心位置を検出できる。

次にステップ９では超音波送受波素子４９をステップ８
で検出した被測定穴６ＢのＸ軸方向の中心位置座標上の
Ｙ軸方向センシング開始位置まで移動する。この時超音
波送受波素子４９の送受波面は、被測定穴５８の中心軸
に対してＹ軸方向へ１０°傾斜している。第１０図にお
いて、６２はＹ軸方向センシング開始時の、６３はＹ軸
方向センシング完了時の超音波ビームの中心位置と被測
定物６７の交点を示し、Ｙ軸方向のセンシングはこの範
囲で行われる。なお本実施例ではＹ軸方向のセンシング
区間は１０Ｂである。

以下前記被測定穴６８のＸ＠方向中心位置を検出するの
と同様にステップ２からステップ８の動作を実行し、超
音波送受波素子４９のＹＩＩ１１方向オフセッｌＬＹ軸
方向の反射信号強度が極小になる時の超音波送受波素子
４９のＹ軸方向平行走査量から、被測定穴６８のＹ　Ｗ
１＋方向の中心位置を検出する。

以上の動作で、被測定穴５８の中心位置を検出できる。

なお１、第１０図、第１１図に示したように、被測定物
６７上の被測定穴６８とは高さが異なる場所に存在する
被測定穴６４の位置検出においては、超音波送受波素子
４９のオフセット用が、δ１からδ２に変化するが（第
１１図参照）、本装置ではステップ３で超音波送受波素
子４９のオフセット量の変化を検出しているので、被測
定穴６４の中心位置も高精度に検出できる。

以上のように本実施例によれば、被測定物６７上の異な
った高さの場所に存在する被測定穴５８゜６−４の中心
位置検出において、被測定物６７の中心軸に対して傾斜
して設置された超音波送受波素子４９により超音波を送
受波すると同時にマニピュレータ４８を動作させて被測
定物５７に対して超音波送受波素子４９をＸ軸方向に平
行走査することにより得られる反射信号を信号処理する
ことにより検出した超音波送受波素子４９のＸ軸方向オ
フセット量、Ｘ軸方向の信号強度が極小になる時の超音
波送受波素子４９のＸ軸方向平行走査量から被測定穴５
８．６４のＸ軸方向中心位置を検出した後、超音波送受
波素子４９をＹ軸方向に平行走査して同様の方法を用い
て検出した超音波送受波素子４９のＹ軸方向オフセット
量、Ｙ軸方向の信号強度が極小になる時の超音波送受波
素子４９のＹ軸方向平行走査量から被測定穴５８．６４
のＹ軸方向中心位置を検出することにより、被測定穴５
８．６４の位置検出ができる。

また、本実施例では、超音波送受波素子４９がらの超音
波ビームと被測定物６７の交点からの超音波送受波素子
４９のオフセット量：を、被測定物５７からの反射信号
６６の伝播時間６６を検出することにより算出している
が、−１−記オフセットには、超音波送受波素子４９と
被測定物６７間の距離を予めメモリ５２または位置検出
プログラム内部に保持しておき、前記距〃１データから
算出することも可能である。。

発明の効果 以上のように本発明は、被測定物の中心軸に対して傾斜
して設置された超音波送受波素子と前記被測定物の相対
位置関係を変化させ、前記超音波送受波素子により超音
波を送受波して得られた反射信号を信号処理して、前記
超音波送受波素子からの超音波ビームと被測定物の交点
からの前記超音波送受波素子のオフセット量と、反射信
号強度が極小になる時の前記超音波送受波素子のモ行走
査量を検出することにより、被測定物の位置検出ができ
る。本発明によれば、被測定物に段差等の高さ方向の情
報に変化がある場合でも位置検出が可能であり、その実
用的効果は大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波形状検出装置の概略の構成を示す
システム図、第２図は従来の装置の斜視図、第３図は従
来の装置の動作波形を示す図、第４図は従来の装置によ
る動作波形を整理した図、第５図は従来の装置を用いた
溝位置検出の概略の構成を示すシステム図、第６図は溝
位置を検出する従来の装置の斜視図、第７図は同平面図
、第８図従来の装置を用いた溝位置検出において一方の
軸方向の反射信号強度が極小になる時の平行走査量の検
出結果を示す図、第９図は本発明の一実施例における装
置の概略の構成を示すシステム図、ｆ、１ｏ図は本発明
の一実施例における位置検出装置の斜視図、第１１図は
同平面図、第１２図は穴位置検出のためのプログラムの
一例を示すフローチャート図、第１３図は穴の位置検出
の動作波形を示す図、第１４図は補間処理結果から一方
の軸方向の反射信号強度が極小になる時の平行走査量の
検出結果を示す図である。 ４９・・・・・・超音波送受波素子、５７・・・・・・
被測定物、４８・・・・・・マニピュレータ、５５・・
・・・・ＣＰＵ。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 ＩＯ（ｆ 第３図 第４図 第１０図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定物の中心軸に対して傾斜して設定された超
   音波送受波素子と、前記被測定物の相対位置関係を変化
   させる手段と、前記超音波送受波素子によシ超音波を送
   受波して得られた反射信号を信号処理して前記被測定物
   の位置を検出する手段からなる被測定物の位置検出装置
   。
2. （２）信号処理手段は、前記超音波送受波素子と前記被
   測定物間の距離情報から前記超音波送受波素子からの超
   音波ビームの中心と前記被測定物の交点からの前記超音
   波送受波素子のオフセット量を検出する手段と、前記被
   測定物からの反射信号の反射信号強度が極小とな゛る時
   の前記超音波送受波素子の相対位置変化量を検出する手
   段からなる特許請求の範囲第１項記載の被測定物の位置
   検出装置。