JPS6088307A - 非接触長さ計測装置 - 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】 この発明は回転中の円板、円筒等の直圧を非接触測定す
る装置、特に光学縁によって測定する装置に関する。

機誠工作において円筒形状加工物の占める割合龜大きく
、その直圧を加工中に梢肚よく自動的に測定しうる技術
がめられている。

直圧測定法のうち、古くから険相されているノギス、マ
イクロメータは信頼性、精度の高い側矩法であるが、自
動化は困難である。直圧が既知の小さいローラー會測足
対象に押しつけ、回転数の比を用いて対象の直圧をめる
方法は、鞘区が尚く、自動化にも適すると考えられたが
、適切な咽擦力を維持することが困難であシ、実用化さ
れていない。レーザー光ケ円筒状別王物の軸に垂直な断
面内で走揄：し、光が加工物にあたって遮ぎられる区間
を検出して直圧をめることもヤ丁なわれているが、対象
にできる直圧り大きさが限られている。

レンズ糸によって光学縁をノし成し、そのはり大きさか
ら直圧をめる方法は、被測定物と光学系どの距離が変化
することにより結＠倍率が疾化するという問題がある。

この発明は事態い開口絞シを自するｋｉ鐵レンズに対し
てＣＣＤ−次元イメージセンサをその焦点位置に固足し
、会焦時ｖｉｌ氷１ｈ率を一定にした結１舘系を被測定
物に対して進退させ、イメージセンサからの信号を処理
することにより合焦嚇■像の大きさをに出することによ
って非接触で被測置物の大きさを測定しようとするもの
である。

更に、Ｃ０Ｄ−次元イメージセンサは、周知υように倣
小九翫笈換素子が一次元的に配列されたものであるため
、この素子の大きさによって測定精度に限界が生ずるが
、複数のイメージセン丈を用いることによシ、この限界
を超えた鞘変を得ようとするものである。

史にまた、信号処理によシ、自動的にカメラυ会焦位畝
を険出し、必安に応じてこＶ会焦位屓にカメラを再セン
トすることを可能にしようとするものである。

史にまた、回転体υ−一定角度位置長さを測定すること
によフ、非円形断面ＯＩＰ！Ｉ暫体■形状を、回転を浮
止することなく、非接触で測定可能にしようとするもの
である。

以下、図面を参照して詐軸に説明する。

第１図は、この発明のバｔ　ｍ＋４装置の基本的な構成
ケ示し、１はレンズ糸３ｖ結隊位姐にＣＣＬ）−次元イ
メージセンサ２をレンズに対して固定して配置した診め
て率純な幇醒■カメラであシ、矢印Ｙ方向に往復動が可
能な工其台等に載置され、被測定物４Ｖ）Ｉ！１！をイ
メージセンサ２上に結ぶように配設される。５は必替に
Ｌべ１−て破曲１窒物４の背後に飯かｉすることりある
螢光燈であシ、被測定物４が列えは工作磯臥１１Ｌ沫ｊ
守された丸棒である場合、反射ブＣで結除さぜれば被測
定物４■隊は周囲に対してψ」るいものとなり、螢光燈
５′（ｉ−飯いた場合は妃に暗い作となるが、被測定物
４υ外縁を明確にする効果がある。

レンズ糸３υ開臼絞）ｄが被測定物４υ中心位置とレン
ズ糸３との距離を及び被測定物４の直圧りに比して充分
小さいとき、即ち、主光線による結像関係が近似的に成
立するとき、結謙ｆこ４＝をｎｌ、レンズ系３υ焦点距
輪をｆ啄■大きさ七Ｘとしたとき、扱６１１！足物４υ
Ｌ匝りは光学系の幾例学的関ｔ°１、から次式でめらｉ
Ｌる。

このような装置においては、カメラｌが止しくピントの
合った位歓に甑かれた場合にの会結魅倍率ｎ１が得られ
、いわゆるヒンボケ状態では上式によシ正しい被測定物
４の大きさＤをＨ［測することが出来ない。ピントの合
った状態の鍬の大きさＸ　＋−＋：　、以下のようにし
て得られる。

ＣＣＩ）−次元イメージセンサハ、絢知のように重速で
祁勤されるクロックパルスによって走査され、百〇輝度
レベルに準じて各素子からグイチオパルス侶号が発生さ
れる。図示のように虻測定物４の背後に螢光短５を欝い
た場合は、被測定物４の＠は暗部、すなわちグイデオバ
ルス信号が発生しない状態、これをはずれた所で明部、
すなわちヴイデオパルスｆｇ号が発生する状鵬としてと
らえられる。反射光による鐵ではその逆となることは云
う迄もない。このパルス信号は以下のように処理される
。

第２図（Ｂ）　ｖハルス匍号はＣＣＤイメージセン？　
２　（Ｄ走査クロックパルスが、その一端から走査を始
めるときに出されるパルスで、ｔ□ＮＴｔ＝を走査のく
シ返し間隔を定める。Ｉｉ＝」図（ｂ）は走査クロック
パルスであり、これによって′２！ｒ累子■ヴイテオ色
号が発生される。

同図（Ｃ）はヴイデ第１百号波形を示し、例えば被側足
物■隊区ＩＭＪに均してＨレベル、木から外れる外縁部
では一般に傾斜部Ａ、ＢをもちＬレベルに移行する。

このグイデオ信号に対してしきい電圧Ｖｔｌを設定し、
とのＶｔｌを越えるときに対応して同図（ｄ）のような
矩形波を発生さぜ、Ｈレベルの継続時間ｔｌ内に計数さ
れる走査クロックパルスの数Ｃ１を計数する。イメージ
センサ２の素子間隔りは既知であ−るので、　Ｘ＝、Ｐ
Ｇｚ　からＸがめられ、このＸと、あらかじめ大きさの
わかっている対象で較正されている結鍬陪率ｍとから、
被測定物の大きさＤがめられる。

上述のように、上記の関係はピントの会った状態でなけ
れば成立しない。この合焦の判断は以下のように行なわ
れる。

合焦時は第２図（ｅ）のグイデオ信号の傾斜部Ａ。

Ｂが最も急峻になる。そこで、同図（Ｃ）のヴイデ第１
ｈ号にたいして先のＶＬＩよυ尚いしきい電圧ｖｔ２を
直走し、同図（ｅ）のように（ｄ）とはレベルが反転す
る矩形波を発生させ、（ｄ）　（ｅ）の両組１し波のＡ
ＮＤをとることによって同図Ｖ）に示す２つのパルスｆ
Ｎ号を発生させる。そして、このパルス幅ｔ５、Ｌ、ｖ
：）ｆ！ｔに含１れるクロックパルス数Ｃ２をδ１数す
る。カメラ１を被測定物４に対して遠さけ或いＦｉ近づ
けながらパルス数０２をδ１数し、これが最小になった
１ｆＬ置が合焦位置であυ、正しい倍率ｍを示す。

ｍ３１は、カメラの移動に伴い橡の大きさＸを示すパル
ス数Ｃ１と会焦状噛を示すパルス数Ｃ２変化の状況を示
す。Ｃ２が最小となる位ｔＲＣｃに対応するＣＸをめる
が、Ｃｃの近傍ではＣ２の和性はカメラ１と被測定ｖＬ
Ｊ４との距離ｔの変化にたいして午担となり、最小匝Ｃ
ｃｇ）測定部に誤差が大きくなる。

このため、適当な呟Ｃｔｈを設定し、 Ｃｔｈ　”２　＞。

となる軸回ｔ、〜ｔ２のカメラ１の移動領域に対してＣ
１、Ｃ２■データをメそりに記憶し、′＆−束めスこｋ
によｈ−ｃつの鹸小賄Ｃ１、に対する鐵の長さＸを加重
平均的に精度よくめるととカ；ロ■罷になる。

このとき、Ｃｉ、ｈを適切に与えＪｔは加重乎均する区
間−７石心−が過大になるのを防ぎ、演算の効率を高め
、演算に要する時間も節減することができる。また、同
時に焦点位置も自動的に定めることができる。

第４１２３は、上述のような信号処理を行うための回路
Ｖ）１例である。

ＣＣＤ−１メージセンサ２は駆動回ｌｉ！ｉＳ６からの
走査クロックパルスによって１６　ｍｂされる一方、こ
のクロックパルスは肘畝回ｔｉｌｌ、１３の前のゲート
回路１０．１２に人力される。イメージセンサ２の出力
でをンるヴイデオ信号はしきい電圧■ｔ１、Ｖｔ　２２
殴定できる！Ｉｉ安だ回路７．８に送られ、これらの瞬
安定回路７．８の出力としてそれぞれ第２図（ｄ）　（
ｅ）の矩；し談が得られる０準安定回路７の出力はゲー
ト回路１０を１ｌｔｌｌ帥し、（！！ｊ！■大きさＸを
示すクロックツくルス骸Ｃ１を計数回路１１で行なう。

一方、晧安定回路７．８の出力はＡＮＤ回路９に入力さ
れ、第２図り）に対応する２つのパルスを発生し、これ
によってゲート回路１２を制御し、ｔ３、ｔ４間のクロ
ックツくルスＦｊｙ、Ｃ２の８１数をカウンタ１３によ
って行なう。

＃１数回路１１．１３の出力はイメージセンサ２の全素
子の走査開始ごとに出される第２図（ａ）の間隔ｔＩＮ
Ｔごとのパルスごとにインター７ェイス１４を通してマ
イクμコンピュータ中央処理装［ＣＰＵとこれに附属す
るメモリ２０にとυこまれ、市速演′に素子１５、浮動
小数点演算素子１６との−−によって前記の式によって
被測定物４の大きさを高速で梢寂よくめることが出来る
。

なお、図中１７は操作用のキーボード、１８は戎示用の
ＣＲＴ、１９は出力用のツーリンクである。

こＶ）発明は上記の構叫によって、工作機械等に保持さ
れた円筒Ｊし状のもの等の被測定物を非接触で測定出来
るので、回転中の工作物を回転を止めることなく高精度
で測定できる。カメラ■レンズ系とイメージセンサの位
置は互に固定されているので、拳純なカメラによって計
則を行うことが出来る。その上、カメラを前後させ、イ
メージセンサの出力１ｈ号の処理によって１焦位置とそ
の像の大きさを自動的に得ることが出来るので、この種
のｎｉ側装置につきものの合焦誤差による測定誤差を除
くことか出来る。計速速度が早いので、＜シ返し得られ
るデータｔｌ−ヂ均化することによって測定精凹を高め
ることが出来る叫ｃｖ顕著な効果を奏する。

しかし、周知のように、ＣＣＬ）−次元イメージセンサ
は一定長の微小な光電変換素子が配列している構造であ
るため、この１個υ元ＯＡ、素子の長さよシ小さい長さ
は分解出来ないこととなシ、特に結像倍率ｍが小さい場
合に測定ｎ度に問題が生じる場合がある。

このような場合、複数のイメージセンサを互にずらして
配置することによって測定ｖ＊ｒｉｔを上げることが出
来る。第５図は２つのイメージセンサを用いた場合を示
し、２．２のイメージセンサを１九電累子の長さの半分
たけずらして配置する。

＠６図はこの１組のイメージセンサによる測定回路ｇ）
ｉ　ｓｔ＋を示す。図中２１はイメージセンサの駆動回
路、２２は第４図に示した１１号処理回路をまとめて１
つのブロックとして示したものである。また１４は第４
図と同様のインターフェースである。

駆動回路によるクロツクバルヌ走食なまずイメージセン
サ２′に対して行なった後、スイッチＳ４、Ｓ２、Ｓ、
を切換えてイメージセンサ２”を走五する。これによっ
てＣＰＵのメモリ中にはセンサ２と２のそれぞれについ
て、先にセンサが１つの場合について説明したと同じデ
ータを蓄積することができる。そして両センブリ測定結
果を乎均することによって光電素子の長さの半分に相当
する相変で測定できることになシ、分解能の向上と共に
合焦位置検出の１ｈ頼ａケも上けることができる。

本つとも、この方法が欧州ｐ、Ｉ能なのは、センサ２．
２を互いに充分接近させ、測定対象の鐵葡両省の上にＩ
ＨＪ喝に結ばせることが出来る場合に限られるが、ＣＣ
Ｄ−次元イメージセンサは充分に小さいので多くの測屋
対象に対して利用可能である。の秦ならず、向えば棒状
加工物件Ｖ場合には、必要に応じイメージセンサを更に
増して３不以上とし、分解能を梃に高めることも可能で
ある。

仮測定物に幻してカメラを進退させるため、工具むにカ
メラ′４ｃ塔載するのが便利であるが、工へ台はＮＣ装
置からの指令によシ加工物（被測夏物）に接近あるいは
これから離れる運動をすることが可能である。

第７図は工作機械ベット２７上のクロスチーフル２６上
υ工興台２５上に塔載されたカメラ１ｖ＋Ａ念図とこれ
につながる１を号処坦システムを示すＯＮＣ装ｆｌｋ２
３からの指令によシ、カメラｌを塔載した１具む２５は
加工物４に接近或いは離れる運動をすることが可能であ
る。一方、１其む２５を直朕躯鯛プるサーボモータ２４
からＮＣ装置媒２３にもどされる工具台の位置対応信号
ｉ、ＮＣ駁装２３内の私に止めることなく、インターフ
ェース１４、マイクロコンピュータバス葡Ｍｂ　してＣ
ＰＵ内にと）こり、カメラ１■移動にともなって刻々計
算され、長式処理回路２２から送られる長さデータと１
６Ｊ時にｃｐｕ。

ノモリに記憶する。そして、長さデータの拘止干均によ
って台−熱位置をめる際に、工具台の位置対応信号をＣ
ＰＵ内で簡畦な処理によって機−ｖｔ＋７−散として永
めることを可能にするものである。

これによシ、向えは加工物４の交換等によシカメラを退
避させ、再肚１＋す定な丹開する場合等、自動的に迅速
にカメラを前回Ｑ合焦位置に戻し、その前後でカメラを
進退することによって、迎」定速ｅ−’ｔ（上けること
ができる。

梃に、上記実施し０においては、被測定物が回転体でお
る場合性、１転軸に垂直な断面形状が円ｊしであるとき
にのり測定可能である。しかし、回転体が非円彩υ＃Ｊ
Ｊ会でも、回転角が３６０毎にυり測定を行なうように
すれは、一定のＩ！４度位九での長さを映出出来、測定
する角度位置をずらすことにより、非円形回転体の大き
さ、Ｉし状を測定することが出来る。

そ■−実施向ｒ第８図に示す。被損：ｊ定物である加工
ｈ４の回転軸に設けられたロータリーエンコーダ２９か
らは、加工物４の角度位置を示すパルス信号が出力され
る。キーボード１７からＣＰＵを介して長さを検出ずべ
き角度位置を入力指定する。こＱ指定角にはインターフ
ェース１４を／Ｊｉシてパルスセット狐片回路２８に与
えられる。Ｕ＜Ａ−回路２８でね、ロータリーエンコー
ダの零位置から発１ム°される絢に位置パルス１８号に
よって、セントされたパルスに対して減ｑ、を始め、こ
の結果か零になった時点て枢動（ロ）路６からＣＣＤ　
Ｋ至る回路のスイッチ８２、及びＣＣＵから良さ処ＩＭ
Ｉｇｌ路２２に至る回路０２インチ８５を閉じ、クロッ
クパルスによるＣＣＤＶ）走査とこれに対する出力信号
υ処理迦・ｔ〕なえるようにする。

一方、パルスセット演算回路には、ＣＰＵからの指定さ
れていた信号がリセットされる。

走査に対する出力１６号は長さ処理回路２２を介してＣ
ＰＵ内にとり込まれ記憶される。ＣＯＤに対するクロッ
クパルスの１回の走査が終ると、走を終了Ｖ）信号によ
シ、上記２つのスイッチＳ４、Ｓ５は開かれ請求められ
た長さは加工物４Ｖある角度位置に対する長さとなる０
ロータリーエンコーダ２９が零位置に至ると再び上記の
操作が〈シ返され、ＣＰＵ＝ｉ介して指定された回数だ
け、指定角度位置の長さがめられ、これをＣＰＵによっ
て干物することによシ、よシ高鞘度の長さの検出が可能
となる。

史に、これが終了した（ｉ、ＣＰＵによって最初の指定
角直に対して増分の指定、あるいは新たな指定角直を与
えることによシ、上記と回じシ順によって新たな推定角
表位置に対する長さをめることが出来る〇 このようにして、回転中の加工物の任意の角めることが
出来るだけでなく、そのめ［面形状をも容易に得ること
ができる。

なお、円形断ｍ」を結（８）させることによって直圧ヲ
求めるような場合には、二仄元イメージセンサによシ、
隙υ最長部をめることによって直圧を検出することも容
易である。また、イメージセンサはＣＣＤに限られるも
のではなく、歇映出部の走査速度が一定であれは、走査
速度とクロックパルス数とから像の大きさ合決定するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の１１測装置の偵成概念図、第２図は
１８号処理のタイミングナヤート、第３図は合焦及び歇
の大きさの映出法の説明図、第４図はｉ１１′１１１１
装徽の回路図、第５図は２つＶ）ＣＣ１）７用いた実施
向■ＣＵＤ配愼図、第６図はその１ば号処理回路図、第
７図はカメラ位甑恢出機？Ａの悔収砒念図、第８図は回
転体■一定角度位置の長さ検出装ｗｉ■栴収概念図であ
る。 ３：レンズ糸　４：被測定物　５：螢光燈６．２１；Ｃ
ＣＤ駆動回路　７．８：牟安定回蹟　９：ＡＮＤ回路　
１０．１２：ゲート回路１１．１３；計数回路　１４：
インター７エイス　１７：キーボード　２２：長さ処理
回路２３；ＮＣ装ｍ　２４ニー１１−−　ホー１１ニー
、Ｊ２５：工具台　２６：クロステーブル ２８：パルスセント演算回陥 ２９：ロータリーコーンコータ゛ 特Ｂ′１・出願人　絣技丙−発帛咳団 出願人代〕呈人　弁理士　佐　藤　文　９第１図 Ｉｂｌ　１冊謂−〜−一一−−一一−−−−一−−−−
一−−−−−−−−第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｌ）レンズ糸と、これに対して一定位置に１ｍｍ出金固
   定したカメラ、被測定物に対し該カメラを合焦位置の前
   後に移動させる装置及び合焦位置における祿検出詣上Ｑ
   １＃ρ大きさを検出する装置とからなシ、該鐵の大きさ
   から、光学系Ｖ）幾何学的な関保から被測定物の大きさ
   を測定することを％欲とする非接触長さ計測装置 ２）　＃検出器上り鍬の外縁における牌度変化が最大と
   なる位置を検出し、これを合焦位置と判断することｔ％
   敵とする特許請求の範囲第１項■長さＨ［副装置 ３）　カメラ７に合焦位置Ｑ前後に移動させ、隊の外絃
   ■綽度変化が一定の範囲の隊の大きさを加凪平均するこ
   とによυ合焦時のｇＩ（Ｄ大きさｉ得ることを特徴とす
   る特許話求Ｏ乾曲第１項の長さ計測装置 ４）　ＩＭｆＱ出醋は複数の一次元イメージセンサから
   なり、各イメージセンサを１％成する光ＩＬ変換素が互
   にずれるように配置され、各イメージセンサから得られ
   る結果を干物するようにされたことを特徴とする特許請
   求Ｖ屹す第１項の非接触長さＨ１゛側装置 ５）　レンズ系き、これに対して一定位置に慮険出詣を
   固定したカメラ、該カメラを塔載し合焦位置の前後に被
   測定物に対して往伽勤する台からなシ、合焦位置におけ
   るは検出す上の謙り大きさから、光学系■幾何学的関係
   によって被測定物の大きさを測定すると共に、上記カメ
   ラを塔載した往復動台の位１ｆｆｉｌｕ号発生装置を設
   け、これによシ合焦位慟：をも炊出可能とした非接触長
   さ計測装置 ６）レンズ糸と、これに対して一定位置に微検出に丼を
   一定したカメラ、回転する被測定物に対し該カメラを会
   焦位甑θ前後に移動させる装置、上記回転する被測定ｖ
   ｌＪの回転角検出睦置及び被測定物の一定回転角位置で
   上記ｅ、検出器を駆動する装置からなシ、回転体の一定
   角度位置の大きさを測定することを特徴とする非接触長
   さ計測装置 ７）４測する角度位置の指定を順次変艶できることを特
   徴とする特約請求の馳囲第６項の非接触長さ旧劇装置