JPS63154908A - 光学的法線けがき検出装置 - 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】 発明の技術分野 本発明は、例えば金属薄板等からプレス成形した３次元
立体表面の自由曲面を計測して、その所定位置における
被計測面の法線を求め同時にけがき線に位置合わせする
ための光学的法線けがき検出装置に関するものである。

従来技術 従来、金属薄板等からプレス成形した３次元立体表面の
自由曲面を計測して、その面の法線を求める場合には、
回転不可能な計測軸に、この計測軸に発生する曲げおよ
び引っ張りの力を計測するセンサーを取り付け、さらに
この計測軸の先端に磁石を取り付けて、計測に際し被計
測面に上記計測軸を接近させたときに、この磁石が被計
測面に吸引されることによって発生する各センサーの出
力信号の大きさから法′！ａ誤差を算出するようにした
装置、あるいは回転不可能な計測軸の先端に３個または
それ以上の距離計測センサーを取り付け、計測に際し被
計測面にこの計測軸を接近させたときに、各センサーが
発生する出力信号の大きさから法線誤差を算出するよう
にした装置が使用されていた。

しかし、前者の装置では、計測軸に発生する曲げ力の方
向と大きさを確実に計測し得るような計測軸の構造を得
るために、特に正確な機械加工が必要であり、さらに計
測軸の先端に取り付けた磁石の特性から、被計測面の急
激に屈曲している部位や切断溝および端部等の近傍にお
ける計測が不可能である。また、後者の装置では、計測
軸の先端に３個またはそれ以上のセンサーを取り付ける
ので、計測軸の先端部の形状が大きくなってしまい、前
者の装置と同様に被計測面の急激に屈曲している部位や
切断溝および端部等の近傍における計測が不可能であり
、しかも多数のセンサーを備えたことから、それに対応
して増幅器等が多数必要となり、コストが上昇してしま
う等の問題があった。

発明の目的 したがって、本発明の目的は、回転駆動する部分を簡単
、かつ小型に構成して、被計測面の急激に屈曲している
部位等の近傍においても、その表面の法線を計測できる
ようにすることである。

発明の概要 上記の目的を達成するために、本発明は、複合レンズ系
を回転させ、その回転位相に対応する信号を出力する手
段を設け、複合レンズ系により結像された被計測面のけ
がき線を撮像することにより検出装置とけがき綿との位
置偏差を検出し、位置合わせするとともに、複合レンズ
系を通して被計測面上でその回転中心より所定の偏心量
の位置で被計測面までの距離を計測する光学的距離計測
手段を設け、計測時に被計測面にこの計測軸を接近させ
てから、複合レンズ系の回転によってこの光学的距離計
測の計測点を旋回させることにより、被計測面との距離
に応じて発生する距離計測信号と前記回転位相に対応す
る信号とから法線誤差の方向およびその大きさを演算に
より算出するようにしている。

実施例の構成 以下に、本発明の好適な実施例が図面に基づいて説明さ
れる。

第１図において、本発明による光学的法線けがき検出装
置１は、フレーム２に例えば締め付は具２ａにより固定
された本体３と、被計測面Ｓに対してほぼ垂直な中心線
Ａの周りに回転し得るように前記本体３の内側に軸受３
ａおよび軸受３ｂによって支持されている複合レンズ枠
４とを備えている。複合レンズ枠４は、その上方端部に
回転駆動用のタイミングプーリ５を備えており、このタ
イミングプーリ５には、本体３の外側に固定的に配設さ
れた駆動手段としてのモータ６のタイミングプーリ６ａ
に装着されたタイミングベルト７が巻き掛けられている
。さらに、モータ６には、位相検出手段としてロークリ
エンコーダ８が連結すれており、このロータリエンコー
ダ８はモータ６の回転位相を検出して信号を計算器９に
出力するようになっている。複合レンズ枠４には、中心
線Ａに対して垂直な凸レンズ４ａと、その周りでくさび
状の円筒レンズ４ｂとからなる複合レンズ４Ｃが取り付
けられている。

さらに本体３の上部には、光学的距離計測手段として、
距離検出器１０が取り付けられている。

この距離検出器１０は、中心線Ａ上で凸レンズ４ａに対
向する受像面１１ａを有する光ファイバー束１１と、こ
の光ファイバー束１１の受像面１１ａを挟んで互いに反
対側に配置され円筒レンズ４ｂに対向する照光部として
半導体レーザ等の発光素子１２と、受光部として半導体
装置センサー等の受光素子１３とを備えている。光ファ
イバー束１１の他方の端面１１ｂは、フレーム２内を通
って離れた位置に導かれ、結像光学系１４を介して、撮
像手段としてのＣＣＤカメラ１５の撮像面１５ａに対向
している。ＣＣＤカメラ１５の出力コード１５ｂは、上
記の計算器９に接続されている。

光ファイバー束１１の受像面１１ａは、被計測面Ｓの凸
レンズ４ａによる結像位置に配置されており、また発光
素子１２から投光レンズ１２ａを介して照射した測定用
の光′ｆａ、ＬＩ　は、被計測面Ｓの中心線Ａ上の点０
に向かって進むが、くさび状の円筒レンズ４ｂを通るこ
とにより屈折して、被計測面Ｓの中心線Ａから所定の偏
差量Ｒだけ偏心した位置の計測点Ｐ、に入射する。この
計測点Ｐ。

で反射した光線Ｌ２は、再び円筒レンズ４ｂを通って受
光レンズ１３ａを介して受光素子１３に入射するように
なっており、受光素子１３の受光信号は、コード１３ｂ
を介して計算器９に入力される。このような光学的配置
によって、複合レンズ枠４がモータ６により回転駆動さ
れた場合、円筒レンズ４ｂが回転して光線Ｌ１および光
線Ｌ２に対する偏心方向を変化させ、これによって計測
点Ｐ１が中心線Ａの周りに半径（偏心量）Ｒで旋回され
ることになる。

なお、本体３の下端には下方に向かって延びたほぼ円筒
状の透明カバー３０が備えられ、またモータ６の駆動軸
６ａはカバー３ｄにより覆われている。

実施例の作用 次に、以上のように構成された本発明の実施例の作用を
説明する。

まず、光学的法線けがき検出装置１を第１図のように被
計測面Ｓに接近させ、その中心線Ａが被計測面Ｓに対し
てほぼ垂直な姿勢で、被計測面Ｓに施されたけがき線Ｍ
に対向するような位置に設定し、この状態でフレーム２
を被計測面Ｓに対して仮固定する。なお、この検出装置
１の中心＆ｉＡは、例えば加工機のヘッド軸と一致して
いる。

このとき、ＣＣＤカメラ１５の視野（撮像画面）は、例
えば第２図に示すようになっており、この画像信号を計
算器９により処理することによって、上記けがき線Ｍの
中心線Ａに対する位置、すなわち中心ｖＡＡ（視野原点
０）と垂線の足の接線とのずれ量δおよび回転角ωを算
出する。そして、算出されたずれ量δおよび回転角ωと
、光学的法線けがき検出装置１による現在の検出点すな
わち光学的法線けがき検出装置１の中心線Ａと被計測面
Ｓとの交わる点の座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）および光学的法線
けがき検出装置１の姿勢、すなわち計測方向を示すデー
タとから、ずれ量δをｘ、ｙ、ｚ方向の各成分に分解し
、適宜な駆動機構によりフレーム２を移動させてけがき
線Ｍに対する位置を修正する。

その後モータ６を回転せしめることにより、タイミング
ヘルド７を介して複合レンズ枠４を回転駆動せしめる。

この複合レンズ枠４の回転駆動により、複合レンズ４°
Ｃのうち、中央の凸レンズ４ａは、その光軸つまりこれ
に一致する中心線Ａを中心として回転するだけのため、
光ファイバー束１１の受像面１１ａにおける結像に影響
を与えないが、円筒レンズ４ｂは、発光素子１２からの
光線り、の被計測面Ｓへの計測点Ｐ、を中心線Ａに関し
て一定の偏心量Ｒを維持しながら旋回させることになる
。この計測点Ｐ、の運動軌道は、被計測面Ｓの平面内で
中心ｋｌを中心とする半径Ｒの円軌道である。

このとき、被計測面Ｓが中心線Ａに対する垂直な平面に
対して３次元的に平行であれば、複合レンズ枠４の下端
の基準面がら、中心＆ｉＡに沿った被計測面Ｓまでの距
離りは、複合レンズ枠４の回転中に、常に一定である。

しがし、被計測面Ｓが中心線Ａに対して垂直でないなら
ば、距１３ｉＩＤは、１回転中に周期的に変化する。距
離検出器１ｏは、その距離りの変化を受光素子１３の像
の移動による受光量の変化として電気的なアナログ量に
変換し、計算器９に送る。

そこで、計算器９は、ロータリエンコーダ８からの信号
により、複合レンズ枠４の回転中の位相角θを逐次演算
するとともに、そのときの受光素子１３からの信号の大
きさにより、複合レンズ枠４の基準面から計測すべき被
計測面Ｓまでの距離りを算出して位相角θおよびそのと
きの距離りを順次読み込み、第３図（ａ）に示すような
関係の正弦曲線を導き出し、この関係に基づき正弦曲線
の最大値Ｄ　１ｌａＫおよび最小値り、、ｉｆｉを与え
る位相角θ＋ａａｘおよび位相角θ１．７を求め、また
この位相角値から９０度ずれた位相角θ。における距離
Ｄ０を求める。なお、距離Ｄ０は、複合レンズ枠４から
被計測面Ｓまでの平均距離を表す。ここで位相角θ、１
ｘ、θ１７は、被計測面Ｓの傾斜方向を表し、それらの
差（Ｄ、、、−Ｄ、、、　）は、傾斜量を表す。

なお、理論上、傾斜角αは、下記の式で求められる。

ｃｔ＝ａ　ｒ　ｃ　ｔ　ａ　ｎ　　（（Ｄ＋ｓａｘ　−
Ｄｍ＝ｎ　）　／２Ｒ）このようにして、計算器９は、
複合レンズ枠４の中心線Ａと被計測面Ｓの法線との間の
誤差、すなわち傾斜方向および傾斜量を演算して、この
誤差を修正するような方向、つまり複合レンズ枠４の中
心線Ａを被計測面Ｓの法線に一致せしめるような方向の
情報を光学的法線けがき検出装置１の出力として図示し
ない加工機の姿勢制御装置等に出力する。

さて、第３図（Ｂ）は、凸コーナの被計測面Ｓに対する
関係を示すグラフであり、最大値Ｄ　ｍｍｘ＋は平面部
分に、そして最大値Ｄ　ＩＩＡＸ２は、屈曲コーナ部分
に対応し、最小値Ｄ８４７は現れない。したがって、こ
の場合は傾斜量は ２×（Ｄ、、ｌ１１゜−Ｄｏ） により得られる。

また、第３図（Ｃ）は、凹コーナの被計測面Ｓのグラフ
であり、最小値Ｄ　１ｌｉｌｔｌは平面部分に、そして
最小値Ｄ　ｎ　ｉ　ｎ□は屈曲部分に対応するが、この
場合、最大値Ｄ　ＩＩＡＸは現れない。この場合、傾斜
量は、 ２　Ｘ　　（Ｄｏ　　−Ｄｍ＝□） から求められる。

発明の効果 上述のように、本発明によれば、複合レンズ系を回転さ
せ、その回転位相に対応する信号を出力する手段を設け
、複合レンズ系により結像された被計測面のけがき線を
逼像することにより、中心線とけがき線との位置誤差を
検出するとともに、複合レンズ系を通して被計測面上で
その回転中心より所定の偏心量の位置で被計測面までの
距離を計測する光学的距離計測手段を設け、計測時に被
計測面にこの計測軸を接近させてから、複合レンズ系の
回転によって、この光学的距離計測の計測点を旋回させ
ることにより、基準面と被計測面との距離に応じて発生
する距離計測信号と前記回転位相に対応する信号とから
法″！ｌＡ誤差の方向およびその大きさを演算により算
出するようにしたので、検出装置の先端部が小型に形成
され、かつその構成が簡単であるから、被計測面の近傍
が急激に屈曲していたり切断溝を有していたり、また材
料の端部である場合にも従来あった容量式あるいは磁力
式等の法線検出装置に比較して非常に小さな半径の計測
範囲においてすなわち実質的に計測点の位置において被
計測面の傾斜の測定が可能であり、しかもその製作コス
トが低減せしめられ得る等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光学的法線けがき検出装置の一実
施例の要部を示す縦断面図、第２図は第１図の装置にお
けるＣＣＤカメラによる↑層像画面の一例を示す概略図
、第３図は（ａ）（ｂ）（ｃ）種々の形状の被計測面の
場合の第１図の装置により得られる計測軸の回転位相角
と距離との関係を示すグラフである。 １・・光学的法線けがき検出装置、２・・フレーム、３
・・本体、３ａ・・軸受、４・・複合レンズ枠、６・・
モータ、７・・タイミングベルト、８・・ロータリエン
コーダ、９・・計算器、１０・・距離検出器、１１・・
光ファイバー束、１２・・発光素子、１３・・受光素子
、１５・・ＣＣＤカメラ。 特許　出願人株式会社日平トヤマ 代　　　理　　　人　弁理士　中　川　國　男第７図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）けがき線を施してある被計測面に対してほぼ垂直
   な中心線を回転軸として回転可能に支持された複合レン
   ズ系と、この複合レンズ系を回転駆動せしめるとともに
   その回転位相を検出する駆動検出手段と、前記複合レン
   ズ系によって結像されたけがき線の映像を適切な位置で
   観測する撮像手段と、前記複合レンズ系を通して被計測
   面までの距離を計測する光学的距離計測手段とから構成
   されており、前記撮像手段からの信号を画像処理して中
   心線とけがき線との位置誤差を検出し、前記複合レンズ
   系の回転に伴って変化する距離計測信号と回転位相との
   関係パターンを計測処理することにより中心線の被計測
   面に施されたけがき線における法線に対する傾斜方向お
   よび傾斜量ならびに基準面から被計測面までの距離を算
   出することを特徴とする光学的法線けがき検出装置。
2. （２）前記複合レンズ系を、回転中心部の凸レンズと、
   その周りでくさび状の円筒レンズとで構成されていて、
   この凸レンズにより被計測面のけがき線を複合レンズ系
   の後方に結像させ、複合レンズ系の回転により前記光学
   的距離計測の計測点を中心線の周りに旋回させることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学的法線けが
   き検出装置。
3. （３）前記光学的距離計測手段を、中心線に対して所定
   の角度だけ傾斜した方角から照射する照光部と、この一
   点から反射する光線を前記中心線の反対側所定角度でと
   らえる受光部とで構成することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の光学的法線けがき検出装置。
4. （４）前記撮像手段を、光ファイバー束と電子カメラお
   よび必要なレンズ系とから構成することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の光学的法線けがき検出装置。