JPS6365308A - 三次元自由曲面自動計測装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、立体の形状を測定する形状測定装置に係り、
特に、三次自由曲面等の金属材料等を自動的に計測する
のに好適な三次元自由曲面自動計測装置に関する。

〔従来の技術〕

従来より立体の形状を計測する装置は、種々考案されて
いる。たとえば、接触式の計測装置は、触針を用いて被
測定物体の表面を倣い、この時の測定点の座標を読み取
り、立体の形状を８１１定する装置があった。

また非接触式の装置は、たとえば、特開昭６０−２００
１０９号広報のような光源より一定の光を被８１！ｌ定
面に対して照射し、その反射光を光検出器で検出し、そ
の検出量と検出ヘッドの位置情報より、立体の形状を測
定する装置があった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来技術のうち前者のような装置では、接触式のため測
定対象物を触針で損傷する可能性があり、触針先端部の
形状によって計測精度が影響を受け、計測精度も悪かっ
た。

また、後者のような装置では光源から照射する光エネル
ギの量が常に一定であるため、被測定物体の表面状態が
変化する場合、適切な計測を行なうことができなかった
。

たとえば、一定のエネルギを光の形で被測定面に照射し
た場合、被測定物体の反射率が大きい場合は光検出器の
検出範囲を超えてしまい、逆に、反射率が小の場合は、
光検出器の検出範囲以下となってしまい、反射光の検出
が不可能であった。

さらに、二次元曲面のように、測定面の方向が変わり、
反射角度が変化する場合は、光検出器の計８１！ＩｖＡ
囲に反射光がくるように光源を含む計測ヘッドを被測定
面に応じて位置決めする必要があった。

本発明の目的は、立体の形状、特に、三次元自由曲面を
もつ立体の形状を測定するのに好適な計測装置を提供す
ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、光の反射を利用した非接触式の計測を行な
い、さらに、被測定物体より反射され光検出器に入射す
る光エネルギの量が一定となるように光源の出力を制御
することにより達成される。

〔作用〕

光源はその出力が、被測定物体によって反射し、光検出
器に入射する光量が常に一定となるように動作する。そ
れによって、被測定物体の表面状態が変化しても、光検
出器に入射する光エネルギの量は一定なので、安定して
高精度の非接触計測が可能である。

〔実施例〕

以下、図面を用いて本発明の一実施例について構成及び
動作について詳細に説明する。

第１図は本発明の光学系の構成を示す。第１図によって
反射された反射光を集光する集光レンズ４、集光レンズ
４を通ってきた光を検出し、光検出器５の前面に入射す
る光エネルギの分布及び光エネルギ量を検出する光検出
器５からなる。

光エネルギ検出回路７は、光検出器５に入射する光エネ
ルギの総量を検出し、反射光の光エネルギの量に応じて
レーザ用電源９の出力を加減することによりレーザ発振
器２より照射する光エネルギの量を制御し、光検出器５
に入射する光エネルギの量を一定にする。

第１図において、被測定物体１がＡにある時は反射光は
光検出器５のＡ′の位置に、被測定物体１がＢにある時
は光検出器５のＢ′の位置に入射する。従って、光検出
器５．集光レンズ４．レーザ発振器２からなる光学ヘッ
ド６から被測定物体１までのＹ軸方向の距離は、光検出
器５によって検出される位置と比例関係にあるため、光
検出器５のどの位置に反射光が当っているかを検出する
ことにより光学ヘッド６と被測定物体１の距離を認識で
きる。これを検出するのが、ピーク検出回路８である。

第２図は、光学ヘッド６をロボット１０に取付け、被測
定物体１の形状を計測している状況を示す。ロボット１
０は、ロボット制御回路１１によって制御され、図示し
ないＸ、Ｙ、Ｚ各軸のモータによってＸ、Ｙ、Ｚ方向に
移動する。１２．１３はＺ軸テーブル、Ｘ軸テーブルを
示す。

第３図は計測制御回路を示す。２１，２２．２３はロボ
ット１０の位置を検出するため、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の三
軸に取付けたＸ軸位置検出器、Ｘ軸位置検出器、Ｚ軸位
置検出器である。本実施例では、直線形の磁気式スケー
ルを使用している。

ロボット１０は、任意の位置に位置決めし光学ヘッド６
により計測を行なう。被測定物体のＸ。

Ｚ方向の位置はＸ軸位置検出器２０．Ｘ軸位置検出器２
２の出力によって、Ｙ軸方向の位置はＸ軸位置検出器２
１の出力値とピーク検出回路８の出力値を加減すること
により得られる。これを、位置検出回路２３が行ない、
その結果をＸ−Ｙプロッタ２４にプロファイル情報とし
て、プリンタ２５に数値点列データとして出力する。

次に、本発明の動作について説明する。まず、本発明で
使用した光検出器５について説明する。

本実施例で使用したのは、半導体表面抵抗層による光電
流分側を行なうポジション・センシティブ・ディテクタ
と呼ばれる光検出器である。

第４図の光検出器５の原理図に示すように、光検出器５
に入射した光による光電流は、となる。

ここで、 ■Ｌ二人射光エネルギに応じて流れる電流、Ｉｘ：　Ｘ
測より出力する電流 Ｉｖ：Ｙ′ｌ１４より出力する電流 Ｘ　：光検出器５のＸ８１１Ｉ端より光の入射している
位置までの距離 ■、：光検出器５の有効面の長さ すなわち、光の入射した位置と光強度の情報がＸｅ　ｙ
の電磁に得られる。

（１）、（２）式よりＩＸ、ＩＹの和と差の比をとりこ
れを位置信号Ｐとすれば、 ＩＸ＋ＩＹ　　　Ｌ が得るれ、Ｘ＝０からＬに対応して ｘ＝０　の時Ｐ＝１ Ｘ＝−Ｌの時ｐ＝。

Ｘ＝Ｌ　　の時Ｐ＝−１ のように、光検出器５に入射する光エネルギに無関係な
位置信号が連続して得られる。

そこで、光エネルギ検出回路７は光エネルギに対応して
流れる電流ＩＬをフィードバックし、被測定物体のレー
ザ光３を反射する状態に変化が生じてもレーザ用電源２
の出力を調整することによリレーザ発振器２が出力する
光エネルギ量を制御し光検出器５への入射光エネルギを
一定に保持する。

第５図に本実施例で使用したレーザ発振器である日立製
半導体レーザ発振器ＨＬ　Ｐ　１５００の出力特性を示
す。第５図のＡに示す出力特性区間を使用すれば、レー
ザ発振器２への入力電流に応じて光エネルギが比例状態
で変化することがわかる。

さらにピーク検出回路８は（３）式によって与えられる
位置情報より、光学ヘッド６と被測定物体１とのＹ軸方
向の距離を算出する。

次に、実際の計測動作について説明する。まず、光学ヘ
ッド６を取付けたロボット１０を被測定物体１上の任意
の計測点のＸ、Ｚ座標位置に位置決めするとともに、被
測定物体１に光学ヘッド６が接触せず光学ヘッド６の計
測範囲入るようにＹ軸座標位置に位置決めする。

一般的にこれらの座標データは被測定物体１の外形より
容易に算出されるので、あらかじめロボット制御回路１
１のメモリ領域にプログラムしておく。

そして、次々と計測点を移動し計測を行なっていくこと
により、第３図で説明した計測制御回路によって被測定
物体１の（ｘ、ｙ、ｚ）座標が点列データとして得られ
るので、三次元自由曲面形状の認識が可能である。

尚、上述の実施例では、光検出器５としてポジション、
センシティブ、ディテクタを使用した例を説明したが、
光エネルギ量と光エネルギの分布を計測できる他の光検
出器を使用しても良い。さらに、ロボット１０として直
交三軸のロボットを使用した例について説明したが、希
望する計測点へ移動可能な他の方式の移動機構を使用し
ても良５）。

本実施例によれば、光源として半導体レーザ発振器を利
用したので、指光性の良い光ビームが得られ、小型軽量
であるため、光学ヘッドを小型軽量にできるとともに、
高精度安定計測が可能である。

また、光検出器に入射する光量が一定になるように、光
源より出力する光エネルギを制御しているので、二次元
自由曲面等の面の傾斜が変化する場合や、被測定物体の
表面状態が変化する場合にも、高精度で安定した計測が
広い計測範囲にわたって可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、移動機構の先端に光学系を取付け、光
の反射を利用した計測を行なうことができるので、非接
触の自動計測が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の光学系の構成図。 第２図は計測装置の概略構成図、第３図は計測制御回路
のブロック図、第４図は光検出器の原理図、第５図はレ
ーザ発振器の出力特性図である。 １１・・・ロボット制御回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被測定物体へ光ビームを照射する光源と、その反射
   光ビームの投影像の位置と光エネルギ量を検出する光検
   出器を備えた光学系をもち、前記、光エネルギ量に応じ
   て前記光源の出力を制御し前記光検出器で検出する前記
   光エネルギ量を一定に保持する制御回路を設けたことを
   特徴とする三次元自由曲面自動計測装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記光学系を計測
   点に移動可能な移動機構に取付け、前記移動機構の三次
   元空間上の座標データと前記光学系を用いて計測した位
   置情報を情報処理し、立体の形状を計測することを特徴
   とする三次元自曲面自動計測装置。