JPS61207909A - 非接触形状計測装置の角度変化機構の角度検出法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、レーザ光等を利用した非接触距離計により物
体形状を計測する方法に係り、特に、距離計の物体に対
する光の照射角度と三次元駆動機構の座標軸の方向とを
高精度に対応させる操作に好適な角度検出法に関する。

〔発明の背景〕

近時、オプトエレクトロニクスの急激な進歩に伴って、
機械加工物等の物体の三次元形状の計測に、光学式セン
サを用いる非接触計測法が開発されている。なかでも、
センサとしてレーザ光等を利用した距離計を用い、これ
を三次元駆動機構に取り付けて形状を計測する方法が主
流であり、センサ技術１９８３年２月号の１１光点検出
センサによる物体形状の測定″と題する文献にもその一
例が紹介されている。

この種の計測方法で、高精度の計測結果を得るには、三
次元駆動機構自身のもつ座標軸の方向と、距離計を回転
させて照射角度を変化させる角度変化機構の回転角度と
の対応を高精度でとる操作（角度検出）が必要である。

このため、従来は距離計の外形上の特定面を基準面とし
、本基準面が距離計の照射光軸と平行ないし垂直である
ことを前提とし、機械的に三次元駆動機構自身のもつ座
標軸の方向と角度変化機構の回転角度との対応をとって
いた。しかし本方法は手続きが複雑である割には、高精
度が得られないという問題をもっていたにのため、この
種の計測方法で、簡便で操作性が良く、高精度な角度検
出法が望まれていた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、三次元駆動機構のもつ座標軸の方向と
、距離計の照射角度を変化させる角度変化機構の回転角
度とを、すべて非接触操作により、簡便、かつ、高精度
に対応させる角度検出法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、その断面内にある基準点を含んだ照射面を有
する角度合わせ用照射体を用いて、この照射面の形状を
すべて非接触操作により実際に計測することにより、角
度変化機構の原点角度方向を検出するようにしたもので
ある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

第１図は、本発明の全体構成図である。

ここで、距離計１は、フランジ２内に距離計駆動用モー
タ３を内蔵した角度変化機構土に回転可能状態に結合さ
れ、距離計１の照射光軸５と、角度変化機構↓の回転軸
Ｓ軸は交点Ｎをもつように構成されている。

さらに、角度変化機構工は、三次元駆動機構の取り付は
部６を介して、三次元駆動機構７と結合されている。

こめため、距離計１は、三次元駆動機構７により被測定
物体８の回りで、三次元的（図中Ｘ、Ｙ。

Ｚ軸方向）に移動可能であり、角度変化機構土により被
測定物体８の形状に応じて、照射角度を変化させること
ができる。

第２図は、距離計１の概略構造を示したものである。

レーザ等の照射光は、光源９より射出され、照射レンズ
１０を通って照射光軸５上を進み、被測定物体８の表面
上の点Ｐを照射する。Ｐ点からの拡散反射光は、照射光
軸５と角度γをなす軸線１１上に配置された集光レンズ
１２により集光され、受光器１３により検出される。

距離測定の原理は、被測定物体８と距離計１との距離が
変化すると、受光器１３の受光面に入射する反射光の位
置が変化するので、この変化を電気的に検出することに
よっている。

ただし、受光面の大きさ等の制約から、距離りの測定範
囲には自ずと制限があり、第２図において、Ｐ’　〜Ｐ
’間（距離りは、Ｌｍｉｎ≦Ｌ≦Ｌｍａｘ）がその範囲
となる。

第１図に示すように、物体上の測定点Ｐの座標（ＸＰ　
、ｙ、、ｚ、）は、三次元駆動機構７の位置を示すＮ点
の座標（Ｘオ、Ｙ、ｌ、Ｚ、）、角度変化機構４の回転
角度θ及び距離計１による距離測定値りの情報をデータ
処理機構に久方し、そのデータ処理機構により下式で計
算できるので、これらの点の連なりとして、物体形状の
測定が可能となる。

ここで、θは図中のＹ軸方向と一致した場合を角度Ｏ１
すなわち、原点角度方向と規定している。

従って、角度変化機構土の原点角度方向が三次元駆動機
構７のＹ軸方向と一致していないと。

（１）式の座標計算による被測定物体８の形状測定がで
きなくなることがわかる。

第３図は１本発明による角度変化機槽重の原点角度方向
の検出の具体的な実施方法を説明したものである。

本実施例では、角度合わせ用照射体１４の照射面１５の
断面形状が、交点Ｐ、、（基準点）をもつ三直線部を含
む凹面で形成された場合を示す。

その手順は、以下の通りである。

■　角度合わせ用照射体１４を三次元駆動機構７の移動
テーブル１６上に設置する。

■　角度変化機構４を照射面１５の前面、すなわち、距
離計１による照射面１５の照射が可能な位置ＮＡ　（Ｘ
ｌ、ＹＡ）に設定する。この際のＹ１座標は、照射面１
５を照射したとき、前述した距離の測定範囲を外れない
位置に設定する必要がある。

■　角度変化機構±を回動させ、距離計１が照射面１５
の断面内に任意に設定した照射開始点Ｐ工′　を照射す
るようにする。ここで、この照射光軸５方向にＸ′軸を
とり、ｙ′軸をＮ１点を通りＸ′軸に垂直方向にとる。

またこの場合の角度変化機構±の回転角度ｅ′は、この
Ｘ′軸からの回転角度とする。

■　角度変化機槽重を回動させながら、照射面１５の断
面形状を測定する。ここで、各照射点Ｐ　１’の座標（
Ｘｔ’　、　　ｙｌ’　）は、回転角度ｅｉ’＋距離計
１の距離測定値をＬｌ’　とすれば。

■　■で求めた照射面１５の断面の二つの直線部の座標
に基づき、データ処理を行って二面線の方程式を求め、
二面線の交点Ｐ、　（ｘｃ＋’　ｔＹ（！’　）の座標
及びＮ１点から交点Ｐ。までの距離り。′を求める。

■　角度変化機槽重をＸ軸方向にΔＸだけ移動した位置
Ｎ＠　（Ｘ＋、、Ｙ、）に設定する。この際の、Ｎ１位
置も距離計１による照射面１５の照射が可能な位置に設
定する必要がある。

■　■と同様に、角度変化機構４を回動させ、距離計１
が照射面１５の断面内に任意に設定した照射開始点Ｐ１
′を照射するようにする。この際のＰ工′は、位ＭＮ、
における照射開始点Ｐユ′　と必ずしも一致させる必要
はない、ここで、この照射光軸５方向にＸ′軸を、Ｎ１
１軸に直角方向にｙ“軸を設定し、この場合の回転角度
０１′を　Ｘ＃軸からの回転角度とする。

■　■と同様に、角度変化機構土を回動させながら、照
射面１５の断面形状を測定し、各照射点Ｐ１’の座標（
ｘ、’、ｙ１’）を ■　■と同様に、■で求めた照射面１５の断面の二つの
直線部の座標に基づき、交点Ｐ、（ｘｃ’ｙａ’）の座
標及びＮ１点から交点Ｐ。までの距離Ｌｃ′　　を求め
る。

１−０　　第４図に示すように、角度変化機槽重の本来
の回転角度θは、距離計１の照射光５がＹ軸方向を向い
た場合（Ｐ、Ｏ／Ｎ；Ｄ）、すなわち、原点角度方向が
θ＝０である。このθと、角度変化機槽重の現在の座標
系を規定しているＸ′軸からの回転角度θ１との差θ４
は、 θ、：θ、、＃＋Δθ　　　　　　　　　・・・（４）
ここで、Ｈｏ′はｐ、の座標（Ｘｃ’　ｔ　Ｖｃ’　）
により 一方、Δθの値は次のようにして求める。すなわち、点
Ｎ、、Ｎ、、Ｐ、を結ぶ三角形について注目すると、■
、■、■より三辺の長さくＬ（１’、ΔＸ、Ｌ。’）が
既知であるため、その三角形は一意的に定まりＡθは。

Ａθ＝９０−〇、　　　　　　　　・・・（６）（第２
余弦定理より）・・・（７） ここで、角度変化機槽重の本来の回転角度θと回転角度
θ′との間には、（４）式で求まったθ、を用いれば、 θ＝θ′　−〇□　　　　　　　　　　　　・・・（８
）従って、以降は（８）式のθを（１）式に代入するこ
とによって、（１）式を用いて物体形状の計測が可能と
なる。

すなわち、本方法では、角度変化機槽重の回転中心の位
置を異なる二点において、基準点との距離を求めるので
、三次元駆動機構自身の座標系に対する三点の相対位置
関係が明らかとなり、三次元駆動機構７の座標系に対す
る原点角度方向の検出が可能となる。

本実施例によれば、これらの操作を実施することにより
、回転角度θの原点方向を自動的に検出でき、回転角度
を設定できることがわかる。

この場合、照射開始点Ｐ１′とＰ□′は必ずしも一致す
る必要はなく、また固定された位置にある必要もなく照
射面１５の一方の直線上の任意の点に設定すれば良い。

また、角度合わせ用照射体１４を三次元駆動機構７の移
動テーブル１６上に設定する際は、Ｎ、。

Ｎ、位置における照射面１５の形状測定を終了するまで
角度合わせ用照射体１４を動かさなければ。

照射面前面１７をＸ軸と平行に設定する必要はなく、そ
の設定は容易に行うことができ、さらに、角度変化機槽
重の照射位置Ｎ、　、　Ｎ、も距離計１の測定範囲内に
設定すればよく、その設定には特別な配慮を払う必要が
ないので、従来法に比べて操作が簡単となる。

その際の照射面の断面形状は、上述の交点（基準点）を
もつ三直線部を含む凹面で構成された場合に限らず、短
足や凸形で構成された場合でも、その形状に固有の点を
基準点にすればよいことは明らかである。

このように１本実施例によれば、距離計１の外形上の基
準面が光軸と平行ないし垂直であることを前提とした従
来法に比べて、角度変化機構の原点角度方向の検出をす
べて非接触操作で行えるため操作が簡単となり、かつ、
高精度で行なえる。

上述の実施例では、照射面１５を照射する際の角度変化
機槽重の回転中心位置Ｎ、、Ｎ、のＹ座標値を同一値Ｙ
、としたが１位置Ｎ、のＹ座標値を、上述の距離計の測
定範囲内のＹ、座標とした位ＩＮ、′での原点角度検出
法が考えられる。

第５図は、Ｙ座標の異なる照射点位置Ｎ、（Ｘ、。

ＹＡ）、　　Ｎ、’　　（Ｘ、、Ｙ、）　での原点角度
検出について示したものである。

（６）式で求めた線分Ｎ、ＰａとＹ軸のなす角Ａθは、 Δθ＝９０−（θ、−Ｏ，）　　　　　　・・・（９）
（第二余弦定理より）・・・（１０） である。

本変形例によれば、三次元駆動機構７の移動テーブル１
６上にラフ−に設定した角度合わせ用照射体１４の照射
面１５に対応した位置での原点角度検出を行うことがで
きる。

また、上述の実施例では、二点Ｎ、、Ｎ、で照射面形状
を計測し、原点角度方向を検出したが、三点以上の位置
による原点角度方向検出も考えられる。

その方法は、位置Ｎ、、Ｎ、における原点角度方向θ、
を検定後、さらに、位置Ｎ。（ｘ、ｌ、、Ｙｏ。

Ｚａ　）において、上述の■〜■の操作を繰り返し。

位Ｉ！ＮＩＩ　とＮｏに基づいた原点角度方向　θ、′
を求め、その平均値１７を原点角度方向とするという原
点角度検出法である。

本変形例によれば、より高精度な原点角度検出を行うこ
とができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、三次元駆動機構のもつ座標軸の方向と
距離計の照射角度を変化させる角度変化機構の回転角度
とを、すべて非接触操作により簡便、かつ、高精度に対
応させることができるので、被測定物体の形状を高精度
で測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の全体構成図、第２図は距雛
計の概略構造図、第３図、第４図は本発明の一実施例の
説明図、第５図は本発明の変形例を示す図である。 １・・・距離計、２・・・フランジ、３・・・モータ、
↓・・・角度変化機構、５・・・照射光軸、６・・・取
り付は部、７・・３次元駆動機構、８・・・被測定物体
、９・・・光源、１ｏ・・・照射レンズ、１１・・・照
射光軸と角度γをなす軸線、１２・・・集光レンズ、１
３・・・受光器、１４・・・角度合わせ用照射体、１５
・・・照射面、１６・・・移竿２　図 第　３５２１ 第４図 ヱ“

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、光を照射して物体との距離を測定する距離計と、こ
   の距離計の照射角度を変化させる角度変化機構と、この
   角度変化機構を三次元的に駆動させる三次元駆動機構と
   、距離測定値と照射角度及び前記三次元駆動機構の駆動
   量情報から照射された点の座標を計算するデータ処理機
   構とを備え、被測定物体の形状計測を行う計測方法にお
   いて、その断面内にある基準点を含んだ照射面をもつ角
   度合わせ用照射体に対して、まず、前記角度変化機構の
   回転中心の位置を、前記照射面の形状が計測できる一定
   の位置に置き、次に、前記角度変化機構を回動させなが
   ら前記照射面の形状を計測し、前記データ処理機構によ
   り前記角度変化機構の回転中心と前記基準点との距離を
   求め、次いで、前記角度変化機構の回転中心の位置を、
   前記照射面の形状が計測できる前回とは異なつた一定の
   位置に置き、次に、前記角度変化機構を回動させがら前
   記照射面の形状を計測し、前記データ処理機構により前
   記角度変化機構の回転中心と前記基準点との距離を求め
   、さらに、既知の値である前記角度変化機構の回転中心
   の前回及び今回の位置座標値と、計測の結果求まつた前
   記角度変化機構の回転中心と前記基準点との各々の距離
   を用いて、前記データ処理機構で演算して前記角度変化
   機構の原点角度方向を検出することを特徴とする非接触
   形状計測装置の角度変化機構の角度検出法。