JPS63252204A - 距離・傾斜角測定器 - 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、溶接トーチ等の加工具と測定対象物の間の相
対距離間隔やその位置、形状等を非接触で検出するに好
適な光学的距離・傾斜角測定装置に関する。

〔従来の技術〕

各種加工装置と被加工物（２１１！ｌ定対象物）との間
の相対距離や被加工物の姿勢（傾斜角あるいは形状等）
を非接触で検出する場合の手段としては光学的に検出す
るものが代表的である。そのような手段として特公昭５
９−２７８４３号公報に記載されたものが知られている
。

この従来技術は、ワーク面（測定対象面）上に３個以上
のスポット光を一定拡散角をもって照射し、その像をイ
メージセンサの焦点面に結び、上記ワーク面とイメージ
センサとの相対位置関係の変化に対するイメージセンサ
の焦点面におけるスポット光像の位置変化を検出するこ
とによって。

ワーク面のイメージセンサ光軸に対する傾斜角を算出す
るものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来の角度検出方法は、ワーク面からの反射光に多
量の正反射成分が含まれるような場合（例えば、鉄板等
のワークにおいて正反射成分が強い場合）、ワーク面の
検出器に対する傾斜角および相対距離を正確に測定する
ことが困難となる問題がある。すなわち、ワーク面上に
複数個の光スポットを全て焦点を合わせて同一受光面上
に結像させることは幾何光学的に不可能であり、いくつ
かのスポット光像は焦点のぼけたものになる。

それと同時に、正反射成分が含まれるような場合はある
特定の方向への反射光が極端に強い場合が生じ光スポッ
トが受光レンズ全面に一様な光量で入射しないこととな
り、その結果、スポット光像の光量的重心位置が偏心し
、距離および傾斜角の８１１定出力に誤差を含むことに
なるからである。

本発明は、１対の投受光系を移動することにより、他の
投受光系との干渉を無とし、また常に受光面にスポット
光像を焦点を合わせて結像させることができるため正確
な測定が可能な距離・傾斜角測定装置を提供することに
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点は測定対象面にスポット光を投光する光源を
有する投光系と該測定対象面からの反射スポット光を受
光する受光素子を有する受光系を備えたセンサ部と；該
センサ部を移動して前記スポット光を前記８１１定対象
面に少くとも３点以上投光するセンサ部移初装置と；前
記投光系を制御する発光コントローラと：前記センサ部
移動装置を制御するセンサ部移動装置制御部と；前記受
光系の検出信号を入力し、前記投光系の所定位置と前記
測定対象面上のスポット光との間の前記３点以上の移動
位置における相対距離をそれぞれ算出する投光距離演算
部と；該投光距離演算部が算出した前記各移動位置にお
ける相対距離を入力し各前記相対距離を前記センサ部移
動装置制御部から入力する各前記移動位置に対応して保
持するサンプルホールド部と；該サンプルホールド部の
各前記移動位置に対応した各前記相対距離を入力し、各
該相対距離を平均して距離を算出し、各前記移動位置に
おける各前記所定位置によって規定される平面と前記測
定対象面との傾斜角を算出する距離・傾斜角演算部と；
を備えた距離・傾斜角測定装置によって解決される。

〔作用〕

上記本発明の構成によれば、移動するセンサ部がある移
動位置ａにおいて、測定対象面に投光系よりスポット光
を投光し、該測定対象面からの反射光を受光素子が受光
し、所定の信号にセンサ部で変換され、投光距離演算部
に送られ該演算部においてセンサ部の所定位置と前記測
定対象面のスポット光投光位置との相対距離ｄａが計算
され、この計算値ｄａがサンプルホールド部に送られ、
センサ部移動装置制御部から送られてくる前記移動位置
ａと共に保持される。同様にしてセンサ部の移動位置を
ｂ　＊　Ｑ　Ｉと次き次ぎに移動させて少くとも３点以
上の移動位置とこれに対応した前記相対距離ｄｂ、ｄａ
のデータがとられ、これらのデータが保持されたときサ
ンプリングホールド部より該データ値、ｄａ、ｄｂ、ｄ
ａ−ａ、ｂ、ｃ−が距離・傾斜角演算部に送られ前記測
定対象面の各スポット位置とセンサ部の各所定位置との
相対距離の平均値である距離、および各該所定位置によ
って規定される平面と前記測定対象面との傾斜角、の算
出が行なわれる。

〔実施例〕

本発明にかかわる一実施例を第１図、第２図と用いて説
明する。

第１図は本発明にかかわる装置のブロック図であり、本
装置は大きく分けるとスポット光を測定対象面２に投光
してその反射光を受けそれをデータとして出力するセン
サ部１と該センサ部１を移動させるセンサ部移動装置、
およびセンサ部１の投光量を制御する発光コントローラ
１４とセンサ部移動装置の制御を行うセンサ部移動装置
制御部１３および前記データからセンサ部１の所定位置
とａ＋１１定対象面２との相対距離および測定対象面の
傾斜を演算する演算部１５とからなる。

センサ部１は、投光の光源となるレーザダイオード４、
該レーザダイオード４からの光を測定対象面２に投光し
て光スポットを形成する投光レンズ５、該光スポットの
反射光を受光する受光レンズ７、該受光レンズの焦点位
置に光軸に対し所定の傾斜角で配置された受光素子とし
てＰＳＤ　（半導体−次元光位置検出素子：　Ｐｏ５ｉ
ｔｉｏｎ　５ｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ）　８
、該ＰＳＤの出力を所定の信号に変換する信号変換器９
より構成される。

センサ部駆動部は駆動源となるサーボモータ１１、該サ
ーボモータの軸に設けられたビニオンと前記レザーダイ
オード４と前記投光レンズ５の光軸に平行で、該光軸と
ｒ離れた軸を回転軸としたギヤとから成る回転伝達ギヤ
１０から構成される。サーボモータ１１にはモータ回転
検出器１２が設けられ、その回転をセンサ部移動装置制
御部１３に出力する。

発光コントローラ１４はセンサ部１の投光系を構成する
レーザダイオード４の投光量を制御する。

センサ部移動装置制御部１３はサーボモータ１１の回転
位置の制御を行い、さらにセンサ部１が測定対象面との
相対距離を測定する所定の回転位置の信号をセンサ部移
動装置制御部１３を介してサンプルホールド１７に伝送
する。

演算部１５は投光距離演算部１６．サンプルホールド部
１７．距離・傾斜角演算部１８より構成され、投光距離
演算部１６はセンサ部１が所定の回転位置にあるときの
測定対象面２の光スポット６位置とセンサ部１の所定位
置との相対距離を入射光と反射光とのなす角度を表わす
ＰＳＤ８からの信号と投光系と受光系の幾何学的関係か
ら算出するものであり詳細は後述する。

サンプルホールド部１７は投光距離演算部１６からセン
サ部１の所定位置における相対距離の値ｄａを入力し、
センサ部移動装置制御部１３から該所定位置のデータａ
入力し、これら対のデータｄａ、ａが最少３組以上蓄積
されるまで保持し。

距離・傾斜角度演算部１８が測定対象面２と前記回転軸
と直交する平面との傾斜角を計算できるようにする。

距離・傾斜角演算部１８は、サンプルホールド部１７よ
り上記３組以上のデータを入力し、測定対象面２と前記
傾斜角の演算と各相対距離の平均値を計算する。

次に動作について説明する。

まずセンサ部１の静止位置から投光系により測定対象面
２に光スポット６を照射する位置を始点としく第１図の
ａの位置）、この位置において、発光コントローラ１４
によりレーザダイオード４の投光量を適切に調整して光
スポットａに投光レンズ５を通して投光する。この反射
光は受光レンズ７により受光素子ＰＳＤＳ上に焦点を結
ぶように配置されている。つまりＰＳＤ８の受光面を受
光レンズ７の光軸に対して第１図に示すように傾斜させ
ることにより測定対象部２とセンサ部１の距離が変り受
光レンズの焦点を結ぶ位置が変動してもその変動に対応
してＰＳＤＢ上の結像位置も変るのでＰＳＤａ上の結像
の焦点はぼけない。例えば第２図に示すように光スポッ
ト６が受光レンズ７に近づくと受光位置はＰＳＤ８の右
上部へ移動し受光レンズ７の結像距離の増大に対応し、
光スポット６が受光レンズ７から離れれば受光位置はＰ
ＳＤ８の左下部へ移動して受光レンズ７の結像距離の減
少に対応する。ＰＳＤ８はセンサ部１の所定位置から光
スポット６までの距離に関する（４号を発生し、該信号
は信号変換器９に送られ、投光距離演算部１６へ伝達さ
れるのに適゛した信号に変換される。該信号は投光距離
演算部１６で次のようにしてセンサ部１の所定位置とス
ポット光６との間の相対距離が演算される。投光系と受
光系との関係を第２図に示す。第２図において投光レン
ズ５の中心点と測定対象面２上のスポット６との相対距
離をＤとし、投光レンズ５の光軸と受光レンズ７の光軸
上の中心点との距離をＬとし、投光スポット光と反射ス
ポット光となす角度をθとする、いま測定対象面２が点
線の位置２′から実線の位置２に変化した場合、実線位
置における光スポラ１−６と受光レンズ７のレンズ中心
とを結ぶ直ａ（すなわち反射ビーム）は実線のごとく変
劣し、受光素子８の受光面におけるスポット光像の位置
が変化する。このときの受光素子８°の出力信号Ｓはθ
の関数として次のように表わされる。

５＝ｆ（０） 角度Ｏは 、°、ｏ＝ｆ−”（Ｓ）　　　　　　　　・・・・・・
・・・（１）となる。そして、投光距離りは と表わされる。

したがって投光距離演算部１６は上記（２）式により光
スポット６がａの位置における相対距離ｄａを算出する
ことになる。

次に上記相対距離データｄａはサンプルホールド部１７
に送られ、ここでセンサ部移動装置制御部１３から送ら
れてくる光スポツト位置データａと対応した状態で保持
される。次にサーボモータを駆動して光スポットをす、
ｃの位置に移動し。

それぞれの位置における相対距離ｄｂ、ｄａを同様にし
て算出し位［ｂ、ｃとそれぞれ対応させてサンプルホー
ルド部１７で保持し、ｄａ、　ａ　：　ｄｂ。

ｂ：ｄｃ、ｃの３組が集った時点でこれらのデータは、
距離・傾斜角演算部１８に入力される。

次に第３図を用いて８１す定対象面２と回転軸と直交す
る平面との傾斜角の算出法を説明する。

三角測量の原理によれば上記傾斜角を算出するには上記
相対距離と該相対距離を求める光スポット６の位置のデ
ータは３組あればよいので、本実施例は理解を容易にす
るため３組のデータが同一円周上ある場合について説明
する。光スポットの位置はａｔｉ−０度とし反時計回り
に９０度づつ回った点をそれぞれす、ｃとする。

センサ部１に第１直交座標系ｏ−ｘｙｚを第３図に示す
ように設定する。このときＺ軸はセンサ部１の回転軸に
一致する。次にＺ軸の負方向で測定対象面２と交叉する
点をＯ′とし、直交座標系ｏ’　−ｘ’　ｙ’　ｚ’軸
を設定する。なおＸ′。

Ｙ′軸はＸ、Ｙ軸とそれぞれ平行としＺ′軸とＺ軸は同
一軸上で原点が異っている。

ここで、ｄを点０−Ｏ′間の距離 θｘ＆Ｘ’軸と測定対象面２のｚ’　−ｘ’平面上の０
′点を通る接線となす角 θ９をＹ′軸と測定対象面２のＺ’　−Ｙ’平面上の０
′点を通る接線となす角 と定義する。

光スポット６の位１ｔａｔｃをＯ’−Ｙ’輪軸上とり、
位置すをｏ’−ｘ’輪軸上とるとＯＸｅ　ｏ９は次のよ
うに表わされる。

ここにｒは第１図に示す光源（レーザダイオード４）と
回転軸との距離である。

（３）式より ｄ−ｄｂ θｇ＝ｔａｎ’− ・・・・・・・・・（４） センサ部１と測定対象面２との相対距離をＤとするとＤ
は位置ａ、ｂ、Ｑにおける相対距離の値の平均値として
得られる。

距離・傾斜角演算部１８は（４）、　（５）式を計算す
ることによりセンサ部１の所定位置と測定対象面２との
距離りおよびセンサ部１の回転軸と直交する平面と測定
対象面２の傾斜角ＯＸＩ　θ、を算出する。

なお、第２実施例では回転伝達ギヤ１０を介さず直接セ
ンサ部１をサーボモータ１１により往復回動する。

また第３実施例では回転伝達ギヤ１０の代りにリンク機
構を用いてサーボモータ１１の回転を往復回動に変換し
センサ部１を往復動する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、投受光系を１組とし、これを移動して
、測定対象面上の任意の最少３組以上の投受光データを
得ることにより測定対象面とセンサ部の所定位置との距
離および３回の移動によって得られる３個の該所定位置
によって規定される平面と測定対象面との傾斜角が得ら
れるので、３組以上の投受系をセンサ部に設ける必要が
ないため構造の簡易化、小型化が可能となり、複数組の
投受光系を設ける場合のように、各粗間の機器特性のバ
ラツキや各組の投光の干渉が発生しないので測定精度が
向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すブロック図、第２図は投
光距離の算出方法の説明図、第３図は投光距離および傾
斜角の算出方法の説明図である。 １・・・センサ部、 ２・・・測定対象面。 ４・・・レーザダイオード、 ５・・・投光レンズ。 ６・・・光スポット、 ７・・・受光レンズ、 ８・・・ＰＳＤ。 １０・・・回転伝達ギヤ、 １１・・・サーボモータ、 １２・・・モータ回転検出器、 １３・・・センサ部移動装置制御部。 １４・・・発光コントローラ。 １６・・・投光距離演算部、 １７・・・サンプルホールド部。 １８・・・距離・傾斜角演算部。 代理人　弁理士　鵜　沼　辰　之 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定対象面にスポット光を投光する光源を有する
   投光系と該測定対象面からの反射スポット光を受光する
   受光素子を有する受光系を備えたセンサ部と；該センサ
   部を移動して前記スポット光を前記測定対象面に少くと
   も３点以上投光するセンサ部移動装置と；前記投光系を
   制御する発光コントローラと；前記センサ部移動装置を
   制御するセンサ部移動装置制御部と；前記受光系の検出
   信号を入力し、前記投光系の所定位置と前記測定対象面
   上のスポット光との間の相対距離を前記３点以上の移動
   位置においてそれぞれ算出する投光距離演算部と；該投
   光距離演算部が算出した前記各移動位置における相対距
   離を入力し各前記相対距離を前記センサ部移動装置制御
   部から入力する各前記移動位置に対応して保持するサン
   プルホールド部と；該サンプルホールド部の各前記移動
   位置に対応した各前記相対距離を入力し、各該相対距離
   から前記対象面を代表する距離を算出し、各前記移動位
   置における各前記投光系の所定位置によって規定される
   平面と前記測定対象面との傾斜角を算出する距離・傾斜
   角演算部と；を備えたことを特徴とする距離・傾斜角測
   定装置。