JPS63214606A - 形状測定器 - 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） 本発明は物体の形状および突合部の間隙を継続・自動的
に測定する形状測定器に関するものであり、特に溶接ロ
ボット、接着ロボット等の視覚センナとして有効に使用
できるものである。

（従来の技術） 溶接ロボット用視覚センサとして、従来から知られてい
る技術として次のものがある。

（１）テレとカメラとスリット光を用いる方法二物体表
面にスリット光を投射し、物体表面に生ずる明るい線、
すなわち輝線を、投射光と異なる方向より、テレビカメ
ラで撮像すると。

輝線の像は物体表面の形に応じて曲線になる。

この曲線の形から、物体の表面形状を知って溶接点を検
出する。この方法は便利であるが溶接アーク等雑音光の
測定妨害を受けるのが最大の欠点である。また、突合の
狭い間隙の測定は不可能である。

（２）光ビームを用いる三角測量法：物体表面に揺動す
るレーザビームを投射し、移動する明るい点、すなわち
輝点を受光器でとらえ、三角測量法によシ輝点の位置を
求める方法でらる。従来の方法ではアーク光の妨害、あ
るいは測定精度不足のため、材料の緊密な突合せ部は検
出できなかった。

（発明が解決しようとする問題） 従来の物体の形状矛Ｊ定器では、物体のおおよその形を
測定できても、狭い間隙の測定ができなかまた。あるい
は間隙の測定はできても、その周辺の形の測定ができな
い、従つて、任意の形の物体の形状および突合部の検出
が困難でおり、同時にこれらを測定できる形状測定器が
望まれていた。

（問題を解決するための手段） 本発明の形状測定器は物体表面に信号光を投射し、その
乱反射光をとらえるための測定ヘッドと、該測定ヘッド
を制御し、測定に関する情報を処理するための測定制御
部からなり、また、測定に用いる信号光としては、普通
光でもレーザ光でも差支えないが、外部雑音光の測定妨
害を除く丸めには、高周波質ｖ４１ｃ受けた光を用いる
方がよく、特にアーク溶接用ロボットの視覚センナとし
て用いるには高周波変調をうけた信号光を用いることが
必要である。

周知のように、一般的性質として、光が物体表面に投射
されると、光の肖っている表面は光を乱反射して明るく
みえるが、物体表面にある間隙では光が間隙内に吸収さ
れて、乱反射光が著しく減少し暗くみえる０本発明の形
状測定器はその特性を利用するものであり、以下、その
原理を説明する。

（７）　７組の受光素子アレーと線状受光素子を用いる
場合 三角測量法を用いる本発明の形状測定器の測定原理を第
１図に示す。測定ヘッドＨは投光器りと受光器几よりな
り、投光器りはレーザダイオードＬＤと集光レンズ刀、
よりなる光源Ｌ８より鋭い信号光ビームｔｔ−発射し、
周期的角振動をする回転鏡ＭＩ、により、信号光ビーム
ｔの方向θ、を揺動し、物体表面Ｊを輝点Ａにより１図
の破線のように走査する。

受光器Ｒは対物レンズＬＲと、その結像面におかれた受
光部Ｓよりなり、レンズの光軸受光部Ｓ、信信号ビーム
ｔを常に同一平面内にあるように構成する。このように
すれば。

輝点Ａからの乱反射光は対物レンズ刀、を通って受光部
Ｓ上に輝点の像ａを結ぶ、対物レンズ刀、の中心を内と
し、　　ａＯＲＡを受光器の視線ｒと称することとする
０回転鏡ＭＬの中心を０！、とし、０ＴＪＯＲと視＠ｒ
とのなす角θＲで視線方向（受光方向）を表わすことに
する。　ｘｙｚ座標を図示のように、ＯＲを原点、対物
レンズｂＲの元軸をＸ軸＆０ＬＯＲｔＹ＠とし、右手座
標系をなすように２軸をとる。

投光器りと受光器Ｒとの距離ｑ、＝ｄｏは一定であるか
ら、θ−１θＲを知れば輝点Ａの座標は 受光素子Ｓ−暮−−例として、第２図の（ａ）受光素子
アレーＳｄ、　（ｂ）線状受光部８ｔ、および（Ｃ）複
合受光部Ｓｄｔをとり、これらの受光素子Ｓを用いた形
状測定器の動作を説明する。

第２図（ａ）の受光素子アレーＳｄは、微小受光面の受
光素子’ｏ　ｒ　ＡＩ　＋・・・、Ａ＋、　−、Ａｒａ
ｔ直線上に等間隔に配置して形成されている。

第１図の受光部Ｓとして受光素子アレーＳｄを用いれば
、その受光素子Ａ、の電気端子の出力に信号成分を含む
か否かにより、輝点像が結ばれているか否かを知ること
が可能であり、その受光素子Ａ、の位置、すなわち順番
五から視線方向０Ｒが求められる。このθＲおよびθｒ
、を用いて輝点の位置が求められる。

信号光ビームの方向の変化にともなって、輝点Ａは連続
的に移動するが、測定点は、受光素子Ａｉ　　に対応し
て輝点とデスクリートに求められる。輝点が間隙Ｇに出
合うと、乱反射光が著しく減少し、１象ａは消滅する。

この時、間隙の位置が受光素子Ａ、に対応しておれば。

Ａ１の電気端子からは信号成分が得られず。

間隙の位置が受光素子配列の中間に対応すれば、受光器
の電気出力には同等変化がない。

し九がって、間隙測定の信頼度は著しく低く。

不可能と見て差支えない。

第２図（ｂ）の線状受光部Ｓｔは、細い線状の受光面を
もつ受光部であって、受光部のどこかに輝点像ａが結ば
れれば、その電気端子から信号成分が得られ、輝点像ａ
が消滅すると信号成分がなくなる。したがって、受光部
Ｓとして８１を用いれば、輝点人が間隙に出合った時刻
を検知することができる。しかし。

その方向を知ることはできない。

今、受光器として第３図に示すように、対物レンズＬＲ
の後方にビームスプリッタ（ハーフミラ、または半透明
プリズム）Ｂ８を設けて、光束を分割し、その一方を受
光素子アレーに、他方を線状受光部に入射させ、それぞ
れの上に輝点像を結ばせる。このようにすると、信号光
ビームの方向と受光素子アレーの信号出力から物体表面
Ｊの形が三角測量法により計算され、さらに、線状受光
部Ｓｔの電気出力から信号成分が消え九ことを示す欠落
信号を利用して、その時刻における受光素子アレー上の
対応点の位置が求められ、これから間隙の視線方向を求
め、間隙の位置を算出することができる。

間隙中が割合に広い場合は、輝点を大きくしても間隙検
出が可能であるから、受光部Ｓとして第２図（Ｃ）に示
すように、受光素子アレーと線状受光部とを微小距離を
へだてで平行に配置した複合受光部８ｄｚを用い、輝点
の形を図のようにやや細長くすれば、ビームスプリッタ
Ｂ８を用いなくても物体の形および間隙の測定が可能に
なる。

（イ）複数組の受光素子アレーと線状受光素子を用いる
場合 前記発明を献張して板状信号光を用いて構成した形状測
定器を、第弘図につき説明する。

図において、レーザダイオードＬＤと円筒レンズＬＬよ
りなる光源より発射された板状信号光ｔ、は回転鏡ＭＬ
により、その方向θ−を周期的に揺動して、物体表面Ｊ
に投射され。

明るい線（輝線）Ｑで物体表面Ｊを走査する。

板状信号光４は、２軸に平行な軸□Ｌｚｌを含み、それ
を軸として角振動をする。受光器の受光面にマルチ受光
部ＳＭを設ければ、札止に輝線Ｑの像ｑが結像され、ｑ
は輝線Ｑの移動にともなってマルチ受光部へ上を走査す
る。マルチ受光部ＳＭとして第！図（ａ）に示すマルチ
受光素子アレーＳＭｄ　ｈすなわち受光部平面上に複数
個の受光素子アレーを等間隙、平行に配置したもの、ｔ
ｙ軸に平行に設置すると、受光素子アレーと対物レンズ
の中心を通る面内には多数の視線が含まれる。この面を
視線面Ｐｖｉと称することとする。このようにすると、
板状光が揺動すると、受光器は複数個の視線面と物体表
面との交線に清って測定を行なっていくことになる。

輝線Ｑ上の点Ａが、受光素子アレーの素子Ａ１上に像ａ
を結んでいるものとすると１点人の座標は次により算出
される。

上式において、ＯＨｃ＋　ｃｄは図に示すように。

受光器の構成できまる構造定数である。ｄａは信号成分
を出力した受光素子の順番を検出して求められる。した
が９て、板状光の方向、投光器と受光器の距＊　ｄｏ　
、受光器の構造定数０Ｈｃｖ　ｃｄ　　と信号成分を出
力した受光素子の順番を用いてＡの座標が求められる。

なお。

第ψ図におけるλＢは人からｚｚＯの面（Ｘ軸ｙ軸を含
む面）への垂線、ＡＤは人からｙ＝ｏの面への垂線、　
　ＢＯはＢからＸ軸への垂線である。またｌ！＋　ｂ＋
　Ｃｅ　ｄ　　はそれぞれ人、　Ｂ、　Ｏ，Ｄに対応す
るマルチ受光素子アレー面上の点である。

前に説明した場合と同様に、受光部として第５図（ｂ）
のマルチ線状受光部ＳＭｔを用いる場合を説明する。受
光器几の結像面には、複数個（０，／、　Ｊ、・・・Ｊ
、・・・ｎ）の線状受光部、輝線像ｑおよび物体表面Ｊ
の像があり、物体表面に間隙があればその像ｇがある。

輝線Ｑが走査するとｑが結像１■を走査し、ｑが線状受
光部ｑｊ　と間隙像ｇの交点を通る時、線状受光部ｑ」
の信号出力が消えるので、これを利用して欠落信号を発
生させ、タイミング信号として用いることができる。

受光器として、前と同様に、第６図に示すようにビーム
スプリッタＢＳ、マルチ受光素子アレーｓＭｄ　＊マル
チ線状受光部ＳＭＺを用い、受光素子間の位置対応を正
しくとっておけば、輝線が物体表面をｌ走査するごとに
、受光部の対数と同数の測定値系列が得られる。この場
合゛、物体表面の間隙位置の算出法は前の場合と同じで
ある。

また、第≠図の受光部として第５図（Ｃ）に示すマルチ
複合受光部ＳＭｔを用いればビームスプリッタＢＳをな
くして、前記と同様の測定ができる。

（ロ）受光素子アレー・線状受光部の対数の効果受光素
子アレー・線状受光部を／対相いる形状測定器では、信
号光ビームの一走査につき、物体の７断面の形が求めら
れる。これに対して複数対の受光素子アレー・線状受光
部を用いる場合は、板状信号光のｌ走査につき対数ｎと
同数の断面の形が求められる。

本発明の形状測定器をアーク溶接ロボットあるいは接着
作業用ロボット等の視覚センナとして用いると、受光素
子アシ−・線状受光素子７組を用いたもの、すなわち口
＝／の場合は、信号光の一走査ではロボットの作業点７
個しか得られないので、作業の進行方向を知ることは困
難である。対数ｎ管２．３．・・・と増加すると、それ
につれて作業線の方向、曲がり等が詳細にわかる。した
がって、ロボットの高速高精度の制御ができるようにな
る。

しかし、ｎの増加にともなって、測定ヘッド。

測定制御部が大きく重くなる。実際には、実用上の要求
を満す範囲でｎを小さくとって形状測定器の実用化を行
なう。

（実施例／） 第３図に示す受光器を用いた本発明の実施例を第７図に
よシ説明する０図中の記号は特に断らない限シ、前に記
したところと同じである１図において、　ＭＤは回転鏡
の角振動駆動回路で、駆動電流を回転鏡Ｍ、へ送るとと
もに、回転角θ１に関する信号をデータ処理部Ｐ几０へ
送る。ＬＤＤはレーザダイオード駆動回路で、レーザダ
イオードＩ、Ｄに高周波変調された駆動電流を供給する
。

ＳＷＯは高速電子スイッチ制御回路で高速電子スイッチ
ＳＷへ制御信号を供給するとともにスイッチングに関す
る情報をデータ処理部Ｐ几Ｃへ送る。

８ｄＤＭは信号検出回路で、受光素子アレーの受光素子
端子を高速電子スイッチＳＷで切換えて得られた直列信
号列を復調・検波して信号成分を検出し、それをデータ
処理部ＰＲｏへ送る−　８ｔＤＭは隙間信号検出回路で
線状受光部８ｔの出力を復調・検波して、信号成分が無
い場合は、それを示す欠落信号をデータ処理部１’ＩＬ
Ｏへ送る。ＴＳＤはタイミンク信号分配回路で、測定制
御部全体が整然と動作するに必要なタイミング信号を発
生して、各部回路へ送り込む。ＰＲＯはデータ処理部で
、　各部回路（ＭＤ、　８ＷＯ，ＳｄＤＭ、　８ｚＤＭ
　、　　およびＴ８Ｄ　）から各種信号を受入れて、輝
点人および間隙Ｇの位置座標を算出する。この算出を信
号光の方向変化にともなって次々と行ない物体の断面形
状を求める。

信号検出回路Ｓｄ　ＤＭの動作を第ｒ図により説明する
。信号光ビームの角振動周期τ１は輝点像ａの受光素子
アレーＳｄ走査周期に等しく、比較的長い、したかりて
、高速電子スイッチＳＷの受光素子アレーＳｄ走査周期
τ８Ｗをτ８ｖ〉〉τ１　にとりて、信号成分を出力し
ている受光素子の出力を見逃すことなくスイッチして後
続回路へ送るようにすることができる。高速電子スイッ
チＳＷの出力は増巾器ＡＭＰ、フィルタＦ、検波器ＤＴ
を通って復調され、信号光ビーム角振動の１周期中で最
大の値をとって信号出力、すなわち輝点像対応の出力と
し、その出力を生じた受光素子の番号から視線方向θＲ
を求める。

間隙信号出力検出回路ＳｔＤＭを第７図に示す・図（ａ
）は７本の線状受光部Ｓｔを用いる場合で、物体表面Ｊ
に輝点Ａが存在する限り８ｔからは信号成分が出力され
、信号光ビームが物体表面の間隙に入射すると、輝点人
が消滅し、その像ａが線状受光部上から消えるので、そ
の出力端子には信号出力が得られない、したがって図の
ような回路構成を用いればその右端には、信号光ビーム
ｔが間隙に入った時に、信号成分の消滅を示す欠落信号
が得られる。図のＤＰは入力の深い落込みに対応してパ
ルスを出力するディンプ検出回路で、その出カバルスは
信号成分の無いことを示すので、欠落信号ということに
する。

線状受光部８ｔは高周波変調光に対しても良好な感度上
もつことが必要であるが、線状受光部８１が長くなると
、高周波における感度が低下するので、このような場合
は、同図（ｂ）に示すように、線状受光部を適当数に分
割し、しかも分割片の形を適切にして１分割部分におけ
る信号出力の低下をを少くするとともに、高周波感度の
改善をはかる。

また、線状受光部の端に点状受光素子を設け、その信号
成分出力を検知し、走査のタイミング信号として用いる
ことも出来る０図（ａ）は線状受光素子Ｓｔの両端に受
光素子ｔ、ｔ’を設は六例を示す拳線状受光部８１の信
号出力は物体表面Ｊの状態に依存して変る。例えば信号
光ビームｔが表面Ｊの小さいビット等に入射すると、そ
こからの乱反射光が著しく低下する。信号光ビームｔの
走査を。

測定ヘッドを移動しながら何回も繰返し行ない、線状受
光素子８１の信号出力の低下を調べると。

物体表面暇による出力低下は大ていランダムに生じ、物
体の突合による出力低下は、突金線に沿うて規則的に生
ずる。測定結果を統計的に処理することにより、間隙測
定の誤りを除くことができる。

なお１本発明の形状測定器は、測定ヘッドをロボットあ
るいは工作機械に搭載して使用することが多い、測定ヘ
ッドの信号光ビームの波長が非視領域にあると１作業者
が測定ヘッドＨの正面が測定点に正対しているかどうか
見定めにくい場合が少くない、その対策として、測定ヘ
ッドＨに信号光ビームの他に、可視光のビームを正面方
向に射出する手段を設けると便利である。

（実施例２） 第１図において、受光部Ｓとして第２図（Ｃ）に示す複
合受光部Ｓｄｔを用い、輝点Ａの形をやや細長くし、そ
の像ａが複合受光部Ｓｄｔの受光素子アレーと線状受光
部Ｋま九がるようにすれば、ビームスプリッタなしで、
物体表面の形および間隙を同時に測定できる。測定の基
本原理および測定器のシステム構成は実施例／の場合と
同様であるから省略する。但し、この場合は輝点Ａの形
を細長くするために、測定可能な間隙中が実施例／の場
合よりも大きくなる。

（実施例３） 測定ヘッドＨの投″Ｉｔ、器りとして第弘図と同じもの
を用い、受光器几として第６図に示すものを用いれば、
板状信号光１ｐの物体表面の各走査毎に、複数本の物体
断面形状を示す線が得ら牡る０例えば、溶接ロボット視
覚センサとして用いれば、物体上の作業線が一走査で求
められる。受光６几の出力側の復調・信号検出等の回路
は実施例／の場合と同様である。

さらにまた、受光部として第！図（Ｃ）のマルチ複合受
光部を用いれば、ビームスプリッタＢ８　’ｉ省くこと
ができる。

（発明の効果） 以上説明し几ように、本発明の形状測定器は。

信号光として外部雑音光の防害を除く高周波変調を受け
た鋭い光ビームあるいは薄い板状光を用い先物体表面を
走査し、該信号光が物体表面につくる明るい点（輝点）
あるいは明るい輝線の移動を受光器でとらえ、該受光器
は受光素子アレーお：び線状受光部を一対もし７くは複
数対有し、これらの電気出力から物体の表面の形、突合
間隙の位置、作業線の方向等を高精度で測定できるうえ
、外部雑音光の影響を受けない、したがワて、工場等で
行なわれるアーク溶接、レーザ溶接、イオンビーム浴接
等の自動化のためのロボット用視覚センサに有効に使用
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の測定原理工を示す図、第２図は受光部
を示しくａ）は受光素子アレー５（ｂ）は線状受光部、
（Ｃ）は複合受光部を示す図、第３図はビーム−スプリ
ッタ付受光部を示す図、第弘図は測定原理■を示す図、
第！図はマルチ受光部を示し、（ａ）はマルチ受光素子
アレー、（ｂ）はマルチ線状受光部、（Ｃ）はマルチ複
合受光部を示す図、第を図はビームスプリッタ付マルチ
形受光器を示す図、第７図は形状測定器システム構成を
示す図、第ｒ図は高速電子スイッチおよび信号検出回路
を示す図、第７図は線状受光部と信号検出回路を示し、
（ａ）は線状受光部と信号検出回路、（ｂ）は分割形綜
状受光部と信号検出回路を示す図である。 Ｈは測定ヘッド、Ｌは投光器、几は受光器、ＬＤはレー
ザダイオード、４Ｘ、ｔａ、レンズ、Ｍ、は回転Ｈ，ｔ
は信号光ビーム、人は輝点、ａは輝点像、Ｓは受光部、
Ｌｌに対物レンズ、Ｕシは信号光ビームの方向を示す角
、γは視線、ＯＲは視線の方向を示す角、ＯＴ、は回転
鏡の中心、ＯＲは対物レンズの中心、ｄｏは０１とＯＲ
の距離、Ｘ＋ｙｔ２は座標、Ｊは物体表面、Ｇは間隙、
　８ｄは受光素子アレー、　　８ｔは線状受光部、８ｄ
ｚは複合受光部、Ｂ８はビームスプリッタ、ＳＭはマル
チ受光部、ｔｐは板状信号光、Ｑは輝線、ｑは輝線像。 ８Ｍｄはマルチ受光素子アレー、Ｓｌ、、はマルチ線状
受光部、ＳＭｄｔ　はマルチ複合受光部％　　Ｐｖｆは
視線面、ＯＮＴは測定制御部、ＰＲＯはデータ処理部、
ＭＤは回転鏡駆動回路、　　ＬＤＤはレーザダイオード
駆動回路、　　ＳＷＯは高速電子スイッチ制御回路、ｓ
ｄＤＭは信号検出回路、ＳｚＤＭは間隙信号検出回路、
ＴＳＤはタイミング信号分配回路、８Ｗは高速電子スイ
ッチ、入ＭＰは増巾器、　Ｆはフィルタ、ＤＴは検波器
、ＤＰはディ７ブ検出回路、ｖＧは間隙に対応して生ず
る欠落信号。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）一定距離をへだてて設けられた投光器と受光器を
   備え、投光器は高周波変調された信号光ビームあるいは
   板状信号光を射出し、その方向を揺動させて被測定物表
   面を走査するとともに、その方向を示す信号を発生し、
   受光器は信号光ビームあるいは板状信号光が被測定物表
   面に生ずる輝点あるいは輝線を結像させる光学的手段、
   および結像面に１対あるいは複数対の受光素子アレーと
   線状受光部を備え、さらに、受光素子アレーの電気出力
   から信号成分を検出し、それを示す信号を発生する手段
   、および線状受光部の電気出力から、信号成分が消滅し
   たことを示す欠落信号を発生する手段を備え、前記の信
   号光ビームあるいは板状信号光の方向を示す信号と受光
   素子アレーの電気出力から得た信号とを用いて、被測定
   物表面の形を計算し、これと前記の信号成分の消滅を示
   す欠落信号とを用いて被測定物表面の間隙の位置を計算
   する手段を備えたことを特徴とする形状測定器。
2. （２）前記特許請求の範囲第１項において、受光器に入
   った光束を２分して、その一方を受光素子アレーまたは
   マルチ受光素子アレー上に、他方を線形受光部またはマ
   ルチ線形受光部上に入射結像するようにしたことを特徴
   とする形状測定器。
3. （３）前記特許請求の範囲第１項において、受光素子ア
   レーと線状受光部とを平行かつ近接して配置した複合受
   光部を１対あるいは複数対、受光器の受光面に備えたこ
   とを特徴とする形状測定器。