KR890000776B1

KR890000776B1 - 용접기 계측헤드(計測 head)

Info

Publication number: KR890000776B1
Application number: KR1019840001489A
Authority: KR
Inventors: 기이찌 이또오; 이찌죠오 나까노; 유우이찌 시미즈; 고오사꾸 무까이; 사이쥬 스즈끼
Original assignee: 에누.티.티.기쥬쓰 이뗀 가부시끼가이샤; 기이찌 이또오
Priority date: 1983-12-15
Filing date: 1984-03-22
Publication date: 1989-04-06
Also published as: JPH0430524B2; DE3485815T2; EP0147501A2; DE3485815D1; EP0147501B1; EP0147501A3; CA1202117A; JPS60128304A; KR850007039A; US4567347A

Abstract

내용 없음.

Description

용접기 계측헤드(計測 head)

제1도는 용접로보트에 있어서의 종래의 전기자기 센서법을 표시한 도.

제2a 및 b도는 용접로보트에 있어서의 종래의 위이빙(weaving)법을 표시한 도.

제3도는 용접로보트에 있어서의 종래의 공업용 텔레비젼 카메라를 사용하는 방법을 표시한 도.

제4도는 본 발명의 측정원리의 설명도.

제5도는 본 발명의 1실시예의 계측헤드의 구조를 표시한 도.

제6도는 본 발명의 1실시예에 있어서의 계측제어회로예를 표시한 블록도.

제7로부터 7h도는 제6도의 회로의 검출제어동작의 예를 표시한 타임차아트.

제8도는 제6도중의 측정제어논리회로(61)의 구체예를 표시한 논리회로도.

제9도는 제6도중의 주사(走査)제어카운터(59)와 각도 오차보정회로(76)의 1예를 표시한 블록도.

제10a도부터 제10k도는 제9도의 동작예를 표시한 타임차아트.

제11도는 계측헤드와 측정점까지의 거리(h)와 휘선(輝線)상의 위치(a)와의 관계를 표시한 도.

제12도는 제11도의 수광렌즈(28), 수광소자제어레이(29)부근의 확대도.

제13도는 처리장치(97)에 있어서의 계측되는 휘점상(輝點像)좌표의 연산처리동작예를 표시한 플로우차아트.

제14도는 처리장치(97)에 있어서의 계측되는 휘점상 좌표의 연산처리동작의 다른예를 표시한 플로우차아트.

제15도는 작업물제의 요부(凹部)의 저부를 검출할때의 그 저부에 만들어진 휘점의 휘점상이 수광소자어레이의 소자위에 없을때의 휘점상을 구하는 설명에 제공되는 휘점열을 표시한 도.

제16도는 휘점위치신호의 증가경향과 감소경향과의 절환점의 확대 설명도.

제17도는 제16도의 각 휘점위치의 변차와 극성과의 관계를 표시한도.

제18도는 수광소자어레이의 소자피치간에 생기는 휘점상의 검출수단의 예를 표시한 사시도.

제19도는 제18도에 있어서의 모우터 회전위치와 각소자의 이동위치의 휘점상과의 관계를 표시한 도.

제20도는 휘점의 궤적 및 작업대상물체의 단면을 표시한 도.

제21a도부터 제21c도는 본 발명에 의한 계측헤드를 사용한때의 수광기 출력의 주파수 분석예를 표시한 도.

제22도는 수광기의 출력파형의 요동미러의 구동전류파형의 1예를 표시한 도.

제23도는 본 발명의 계측헤드에 의한 측정원리를 일반화한 예를 표시한 도.

제24도는 제23도의 측정원리를 설명하기 위한 도.

제25도는 수광기를 2개 사용할 경우의 본 발명의 계측헤드의 예를 표시한 도.

제26도는 제25도의 측정원리를 설명하기 위한 도.

제27도는 수광기의 결상원리를 설명하기 위한 도.

제28도는 수광기의 초점조정 불완전한때의 결상상태를 표시한 도.

제29도는 보조광에 의한 초점조정원리를 표시한 도.

제30a도부터 제30e도는 투광기의 투광형식의 각종예를 표시한 도.

제31a도부터 제31d도는 수광기 (23)의 수광형식의 각종예를 표시한 도.

제32도는 수광기(23)의 시선배열의 구성예를 표시한 도.

제33도는 투광형식과 수광형식의 각종조합예를 매트릭스표로 표시한 도.

제34a도, 제34b도는 광비임(L_s)과 시선(L_r)이 동일면내로 되도록 투광기와 수광기를 조합한 경우의 원리도.

제35도는 고정광비임(L_s)과 동일면내에 광비임(L_r(t))의 방향을 변화시키는 경우의 원리도.

제36도는 고정시선(Lr)과 동일면내의 광비임(Ls(t))의 방향을 변화시킬 경우의 원리도.

제37a, b도는 고정광비임(Ls)에 대하여 판상시선(Lrp)을 교차시킬 경우의 원리도.

제38도는 고정시선(Lr)에 대하여 판상광비임(Lsp)을 교차시킬 경우의 원리도.

제39도는 광비임배열(Ls(ti))과 동일면내에서 시선(Lr(t))의 방향을 변화시킬 경우의 원리도.

제40도는 시선배열(Lr(ti))과 동일면내에서 광비임(Ls)의 방향을 변화시킬 경우의 원리도.

제41a, b, c도는 광비임배열(Ls(ti))과 판상시선(Lrp)을 조합한 경우의 원리도.

제42도는 광비임과 시선을 동일면내에서 그들의 방향을 각각 변화시킬 경우의 원리도.

제43a, b, c, d, e도는 판상시선과 방향의 변화하는 광비임을 조합한 경우의 원리도.

제44도는 판상광비임과 시선배열의 각각의 면을 서로 교차시킬 경우의 원리도.

제45a, b, c도는 판상광비임과 방향을 변화시키는 시선을 조합한 경우의 원리도.

제46a, b도는 판상광비임과 판상시선을 조합한 경우의 원리도.

제47도는 보조광을 사용하여 수광기(23)의 초점조정을 행하는 실시예의 측정회로 블록도.

제48도는 소정의 SN비의 크기 이상으로 샘플링 펄스를 발생시키도록 한 실시예의 측정회로 블록도.

제49도는 수광소자어레이를 가진 1쌍의 수광기(23a, 23b)를 사용한 경우의 측정회로 블록도.

제50도는 제49도에 있어서의 절환스위치(121)의 구체적 구성을 표시한 도.

제51도는 제45a도의 측정원리를 사용한 계측헤드의 배치를 사용한 계측헤드의 배치를 표시한 도.

제52도는 제51도에 표시한 실시예의 구체예를 표시한 도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

23 : 수광기 25 : 레이저광비임

26 : 휘점 29 : 수광소자어레이

L_r: 시선배열 θ_L: 투광각

θ_R: 수광각

본 발명은 용접용로보트에 있어서 작업대상물의 용접부와 형상 및 그 로보트에 대한 위치를 계측하기 위한 용접기계 계측헤드에 관한 것이다. 종래는 자동차등의 조립에 있어서와 같이 각 용접개소가 점이며 더우기 용접부의 두께가 비교적 얇은 경우에는 마이크로 컴퓨우터에 의해 제어된 전기 스포트용접로보트에 의해 자동용접을 하는 것이 시행되고 있다. 그런데 건설, 조선등의 분야에 있어서는 예컨데 10ml이상의 상당히 두꺼운 철판을 용접할 필요가 있으므로 아아크용접을 사용하지 않으면 안되고 상술한 바와 같은 스포트 용접로보트를 사용할 수는 없다. 이와같은 경우 종래는 용접토오치를 연결한 측정헤드에 의해 용접토오치의 작업물제에 대한 위치를 검출하여 그것에 의해서 용접토오치를 정확히 용접할 위치에 이동시킨다.

예컨대 계측헤드로서 코일과 같은 전기자기센서를 사용하는 것이 제안되고 있다. 이 방법에서는 용접되어야 할 철판의 판면으로부터 헤드까지의 거리를 측정할 수 있는데 불과하고 다시 열의 영향을 피하기 위해 자기센서와 용접아아크와의 사이는 어느정도 큰 거리를 유지할 필요가 있으며 검출된 위치정보로부터 용접부 근방의 형상을 반드시 정확히 추정할 수는 없고 코일의 인덕턴스로부터 검출한 정보는 용접되는 물체표면의 정확한 형상정보와 대응시키는 것이 어렵다. 따라서 용접토오치의 위치제어를 정확히 행할 수가 없다. 다른 방법으로서 용접토오치를 용접부를 중심으로 좌우로 소정폭만큼 진동시켜 그때의 아아크전류가 대칭적으로 변화하도록 토오치의 위치를 조정하는 것도 행해지고 있으나 이 방법은 용접되어야 할 2개의 철판이 용접선에 대하여 대칭적으로 배치되었을 경우에는 사용할 수 있으나 용접선이 급하게 굽은부분 또는 철판의 단부에서는 사용할 수 없다.

또 다른 방법에서는 용접부 근방에 팬형상광을 투사하여 그 휘선을 공업용텔레비카메라로 촬영하여 화상처리를 행하여 검출한 휘선의 형상에 의거해서 용접토오치의 위치를 제어하는 것이 행해지고 있으나 용접부에 가까운 부분의 형상을 얻을 경우 노이즈로 되는 용접토오치의 광을 배경으로하여 휘선을 검출하는 것은 어렵다.

이상 설명한 3가지의 종래기술에 관해서는 1982년의 세계용접회의(IIW)에서 발표된 I. MASUMOTO의 보고 “Development and Application of sensors and Sensor System for Arc Welding in Japan”(IIW XII)-C-031-82)에 소개되었다.

본 발명의 목적은 용접아아크광에 영향되는 일없이 용접부분의 형상, 그의 로보트에 대한 위치를 높은 정도(精度)로 계측할 수가 있는 용접기계측헤드를 제공하는데 있다.

본 발명에 의하면 투광기의 투광방향, 수광기의 수광방향의 양쪽 혹은 한쪽을 주기적으로 변화시켰을 경우 피측정물표면에서 휘점 또는 휘선과 시점 또는 시야선이 교차하도록 구성하고 휘점 또는 휘선과 시점 또는 시야선을 교차하였을때 생기는 수광기의 출력을 타이밍 신호로서 사용하여 3각측량에 필요한 방향각을 측정하고 그값을 마이크로 컴퓨우터와 같은 전자계산기에 입력하여 측정점의 위치가 구하여진다. 따라서 용접작업의 진행에 따라 피용접부의 형상을 차례로 연속적으로 행할수가 있다. 측정의 정도를 양호하게 하기 위해서는 투광기, 수광기의 초점조종을 다음의 방법에 의해 행한다. (a) 수광기의 시선방향으로 보조광비임을 방사하고, 그것이 만드는 보조의 휘점의 상을 검출하여 검출레벨이 최대로 되도록 초점조정을 자동적으로 행한다. (b) 제1회째의 측정치에 의해 근사치적으로 휘점까지의 거리가 구해지므로 이 거리에 따라서 계측헤드를 이동해서 결상위치가 거의 수광소자의 위치와 일치하도록 한다. 필요에 따라서 이 초점조정을 반복한다. 이와같이 해서 결정한 결상면의 위치는 반드시 정확하지는 않지만 물체의 표면형상은 비교적 완만한 곡면인 경우가 많으므로 비교적 좋은 근사치가 구하여진다.

용접아아크광은 일반적으로 강한 에너지를 지니고 있으나 광스페트럼 분포가 매우 넓고 또한 비교적 고르게 분포되고 있으므로 광밴드 패스필터를 사용하여 신호광의 스페트럼근방만을 통과시키도록하면 아아크광에 의한 방해에너지가 현저하게 감소한다. 또 신호광 부근만으로 수광감도가 높은 수광소자를 사용하도록 하여도 좋다. 용접아아크광의 시간변동은 용접기의 전기회로 정수에도 관계하지만 비교적 낮은 주파수 성분밖에 포함하지 않는다.(대개 100KHz 이하), 따라서 측정에 사용하는 레이저광비임을 적어도 50HKz보다 높은 주파수, 예컨대 1MHz에서 변조하여 수광기의 전기출력을 복조하여 그중에 변조성분이 있는지의 여부에 따라 수광기가 신호광의 휘점을 포착하였는지의 여부를 용접아아크광에 의한 측정방해를 제거할 수가 있다.

상기 2가지 방법의 채용에 의해 용접아아크광에 의한 측정방해는 거의 완전히 방지할 수 있다. 측정에 사용되는 신호광(레이저비임)의 변조는 아아크광에 포함되지 않는 형태이면 되고 간단한 펄스변도, 주파수변조등 여러가지의 형식의 것이 이용된다. 또한 본 발명에 의하면 투광기의 수광기로 된 광학계가 1평면내에 혀성되고 그 투광기로부터의 레이저광비임을 일정각도내에 진동시켜 작업대상물위에 생긴 레이저광비임의 휘점을 일정시간 간격으로 순차적으로 상기 수광기의 수광소자 어레이위에 포착해서 상기 휘점의 위치를 순차적으로 3각층량하여 상기 투광기, 수광기를 잇는 선 및 이것과 직각인선을 기준선으로하는 휘점의 좌표를 구한다.

이 때문에 본 발명에 관한 용접기 계측헤드의 구성은 다음과 같다. 용접기계측헤드의 본체 일정거리를 두고 상기 투광기와 수광기가 설치되고 투광기에는 레이저광원이 설치되고 그의 레이저광원으로부터 레이저광비임이 작업대상물체면의 측정점에 조사되어 그 조사에 의해 생긴 휘점은 수광기의 집광렌즈에 의해 수광어레이소자상에 결상된다. 레이저광비임은 파장대역에서 본 광출역이 용접아아크광의 스펙트럼분포에 대하여 검출 가능한 출력을 가진 적색 내지 근적외의 파장의것이 바람직하고, 50KHz 이상의 광강도 변조가 가해져 있다. 수광기의 수광어레이소자의 출력으로부터 상기 광강도 변조성분을 꺼내는 대역여파기가 설치된다. 수광소자 어레이는 예컨대 포토다이오우드를 집적화한 소형경량의 것이 바람직하다. 일반적으로 2m/분 정도의 용접속도로 작업이 행해지는 아아크용접중의 온라인 계측을 가능케 하기위하여 상기 레이저광비임을 요동형 미러(혹은 회전형 미러) 등을 사용하여 상기 동일평면내에서 또한 용접선과 직각방향으로 고속으로 진동시키는 기능이 상기 투광기에 부가된다. 따라서 상기 작업대상물체면에는 레이저광 비임에 의한 휘선이 형성된다.

수광기에서는 휘선을 일정간격의 휘점으로하여 검출하고 그의 각 휘점에 대해서 수광소자의 수광상태로부터 수광기에서 그 휘점에 대한 각도(θ_R)를 구하고 또 그 휘점상이 얻어졌을대의 광비임의 진동각도(θ_L)로부터 휘점의 좌표를 연산하는 수단이 설치된다. 필요에 따라 그 얻어진 각 휘점위치와 미리 설정된 주사패턴 위치와의 차를 산출하여 용접시의 홈(groove)형상, 용접재의 덧땜(buildingup)상황, 물제의 맞땜부의 위치를 얻는다. 또한 용접선을 센싱하기 위하여 토오치를 포함한 용접헤드와 이 계측헤드와를 연동하여 레이저광비임을 물체에 수직주사시켜서 물체형상을 3차원적으로 관측하는 것을 가능케한다.

본 발명의 계측헤드에 의해 아아크용접에 있어서 용접부분에 있어서의 용융부의 산란면을 포함한 용접점의 극히 가까이까지 측정할 수 있다. 본 발명의 용접기 계측헤드에 관하여 설명하기 전에 종래 기술에 대하여 도면을 참조하여 간단히 설명한다. 종래의 아아크용접을 자동적으로 행하기 위한 센서로서는 제1도에 표시한바와같이 용접할 철판(11,12)의 판면이 교차하여 설치되고 그 교차선(13)을 용접할 경우에 그 철판(11, 12)사이에 용접토오치(14)가 배치되고 토오치(14)에 철판(11,12)측에 각각 연장된 전기자기센서 즉 예컨대 코일(15,16)이 부착되고 센서(15,16)의 인덕턴스를 측정하므로써 철판(11,12)의 판면위치를 검출하면서 용접을 진행시키고 있다.

제2도에 표시한 바와같이 용접토오치(14)를 철반(11,12)에 교호로 근접되도록 진동시켜서 용접토오치(14)가 철판(11,12)에 대하여 제2a도에 표시한 바와같이 꼭 중앙위치에 있으면 토오치(14)가 철판(11)측에 향하였을때와 철판(12)측에 향하였을때에 있어서의 각 아아크전류, 전압이 동형으로 된다. 그러나 제2b도에 표시한 바와같이 토오치(14)가 한쪽의 철판(11)측으로 쏠려 있을 경우는 토오치(4)가 철판(11)측으로 향한때와 철판(12)측으로 향하였을때에 따라서 아아크전류, 전압파형이 상이하다. 이들 아아크전류, 전압파형의 차를 검출하여 용접토오치(14)를 정확한 위치에 조정하면서 용접을 진행시킨다.

이들 제1도, 제2도에 표시한 각 방법은 용접부분의 형상이나 용접부분에 대한 위치를 수치로서 구하는 것이 아니고 정도가 좋지않다. 더우기 피용접체의 형상이 복잡하거나 용접선이 급격히 굽어있거나 또는 용접할 부분이 물체의단부인 경우는 이 방법을 실시하기가 어렵고 전자동 용접로보트에 사용할 수가 없다.

제3도에 표시한 바와같이 투광기(17)로부터 판상광(18)을 용접될 철판(11 ,12)위에 투사하고 그때 생기는 휘선(19)을 영상카메라(21)로 촬영하여 그의 사상(寫像)으로부터 용접선(13)을 구하고 용접토우치(14)를 용접선(13)에따라서 나가도록 제어하는 방법이있다. 이 방법에서는 휘선을 용접부의 가까이에 형성하였을 경우 용접 아아크광이 잡음광으로 되고 휘선과 노이즈광의 분리가 곤란하며 용접선(13)이 정도좋게 구해지지 않는다.

제4도는 본 발명에 의한 계측원리의 설명도이며, 본 발명에 관한 계측헤드는 투광기(22)와 일정거리(d)를 두고 1평면내에 수광기(23)가 설치된다. 투광기(22)로부터 작업대상물체(24)에 레이저광비임(25)이 발사되고 그 레이저광비임(25)은 상기 1평면내에서 일정각(_△θ_L)으로 진동된다. 작업대상물체(24)위에 입사된 레이저광비임 (25)의 휘점(26)으로부터의 난반사광비임(27)은 수광기(23)의 수광렌즈(28)에 의해 일정간격으로 배열된 수광소자어레이(29)위에 집광결상된다. 그 수광소자어레이(29)위의 휘점(26)의 영상위치로부터 휘점(26)을 3각 측량하여 휘점(26)으로부터 광비임(25)의 용동중심(O_L)과 그곳으로부터 거리(d)가 떨어진 수광렌즈(28)의 중심 (O_R)을 잇는 기준선(31)에 대하여 내려진 수선의 교점(H)의 기준선상의 좌표, 휘점 (26) 및 기준선(31)간의 높이(h)를 구한다. 이와같이 하여 레이저광비임(25) 및 반사광비임(27)의 기준선(31)에 대한 투광각(θ_L) 및 수광각(θ_R)을 점선도시와 같이 변화시키면서 각각의 각(θ_L,θ_R)에 대응하는 휘점의 좌표를 순차적으로 구하므로써 광비 임 (25)이 작업대상체(24)를 자르는 휘선상의 소망의 휘점의 좌표를 결정한다. 투광기 (22), 수광기(23)를 가진 계측헤드와 작업대상체(24)를 광비임(25), 반사광비임(27)을 포함하는 면과 직각방향으로 상대적으로 이동시켜가면서 상기와 같이해서 각 휘선상의 휘점의 좌표를 온라인으로 계측처리하므로써 용접선의 위치, 맞붙이는 형상, 용접체의 덧땜상태등을 알 수가 있다.

제5도는 본 발명의 1실시예인 계측헤드의 구조를 표시한다. 직방체상 하우징 (32)내의 하부에 투광기(22) 및 수광기(23)가 배치된다. 광비임(25)의 요동중심(O_L)과 수광렌즈(O_R)의 간격은 d이다. 투광기(22)에 있어서 레이저다이오드(33)는 케이블 (34)을 통하여 구동회로(25)에 의해 구동된다. 구동회로(35)는 알루미늄으로 시일드되고 있다. 레이저다이오우드(33)로부터의 광비임은 광원렌즈(36)에 의해 가는 평행광으로 된다. 광원렌즈(36)의 초점위치는 화살표로 표시한 바와같이 미조 (微調) 기구(37)에 의해 레이저다이오우드(33)에 대하여 전후 시킬수가 있다. 광원렌즈(36)로부터 출사된 레이저광비임은 요동미터(38)에 입사되고 그 반사광은 하우징(32)의 저판(32b)에 형성된 창(39)을 통하여 외부의 레이저광비임(25)으로서 방사된다. 창 (39)은 용접불꽃의 영향을 방지하기 위한 차단유리(41)로 폐쇄되어 있다. 미터(38)는 O_L을 중심으로 회동되므로 레이저광비임(25)은 도면에 있어서 좌우로 진동되고 그의 측정범위단(端)을 검출하기 위하여 좌단검출센서(42), 우단검출센서(43)가 창(39)의 좌우방향의 내단에 각각 부착되어 있다. 요동미터(38)는 예컨대 검류계 (gal vano meter)와 동일한 원리에 의해 구동전류치와 대응한 각도 회동하도록 구성된다. 수광기 (23)측에서 하우징(32)의 저판(32b)에 부착공이 형성되고 그 부착공에 수광렌 즈 (44)가 부착된다. 수광렌즈(44)의 외단에 잡음의 영향을 제거하기 위한 커버유리(45) 및 광필터(46)가 부착되어 있다.

휘점으로부터 반사된 레이저광비임(27)은 수광렌즈(44)로 수광되어 하우징 (32)의 내부에 설치한 수광소자어레이(29)에 결상된다. 레이저광비임(27)을 수광소자어레이(29)에 정확히 집광시키기 위해 수광렌즈(44)의 초점과 수광소자 어레이 (29)를 화살표방향으로 미조정하는 기구(47,47')가 설치된다. 수광소자어레이(29)의 각 소자에 접속된 리이드선은 코넥터(48)를 통하여 회로기판(49)에 결합되고 이 기판(49)위에는 다음에 설명하는 계측제어에 필요한 회로가 구성되고 또 그밖에 계측에 필요한 회로가 수납되어 있다. 하우징(32)의 상판(32u)에 제어선코넥터단자(51), 검출신호단자(52), 카운터입력단자(53), 변조입력단자(54) 및 전원코넥터단자(55)가 설치되고 후술하는 프로세스처리장치와 결합된다.

본 실시예의 계측헤드의 제어회로와 구성을 제6도에 표시한다. 발전기(56)로부터 만들어진 레이저광 변조신호(f_m)가 구동회로(35)를 통하여 레이저 다이오우드(33)에 공급되고 이것을 강도 변조한다. 이 레이저광변조신호(f_m)는 클록카운터(57)에도 가하여진다. 레이저다이오우드(33)를 온·오프광 강도변조하는 변조신호(f_M)는 잡음광의 영향이 없는 50KHz이상의 주파수영역, 바람직하기는 예컨대 100KHz이상으로 선정된다. 이예에서는 1MHz의 변조가 사용된다. 클록카운터(57)는 입력된 레이저광변조신호(f_M)를 분주(分周)하여 적당한 주파수의 각종의 클록을 만들고, 이것들을 미러구동신호회로(58), 주사제어카운터(59), 측정제어논리회로(61) 및 주사카운터(62)에 공급한다. 미러구동신호회로(58)는 클록카운터(57)로부터 제7a도에 표시한 구형파의 비임 이동방향 지지신호(DI)를 입력하여 3각파 발생회로에 의해 제7b도에 표시한 3각파전류의 미러구동신호(f_t)를 만들어 이 미러구동신호(f_T)를 요동미러(38)에 공급하여 레이저광비임(25)을 임의의 각만큼 일정각 속도로 왕복소인시킨다.

이 경우 미러(38)의 요동은 계측범위에서 양호한 직선성을 얻기위해 좌단 및 우단검출센서(42,43)로부터의 각 레이저광비임검출펄스(제7c, 제7d도)는 각각 레이저광비임(25)의 방향의 절환점, 즉 제7a도의 미러구동신호(fr)의 최소점과 최대점의 내측에서 얻어지도록 검출센서(42,43)가 설치되고 방향절환으로 생기는 과도응답의 부분은 계측에 이용하지 않도록 배려하고 있다. 즉 좌단과 우단의 검출센서(42,43)의 출력은 측정제어논리회로(61)에 입력되고 그 출력으로서 제7e도에 표시한 측정범위신호가 얻어지고 그의 측정범위 신호하는 동안 주사제어카운터(59)는 클록카운터(57)로부터의 클록(CL₁)을 계수한다. 이 계수치는 비임각도신호(BA)(제7f도)로서 출력된다. 제6도의 예에서는 주사제어카운터(59)는 클록(CL₁)의 주파수를 64분의 1로 하는 카운터(59a)와 그의 분주출력을 계수하는 카운터(59b)로 이루어지고(제9도참조)카운터 (59b)의 카운트수로 비임각도신호(BA)를 나타내고 그의 최대치는 256으로한 경우이다.

카운터(59b)의 각 1카운트 하는 동안에 주사카운트(62)는 게이트(81)를 통과한 클록(CL₁) 즉 클록(CL₂)을 수광소자수와 같은 수만큼 계수한다. 주사카운터(62)는 그 계수치에 따라서 절환스위치회로(63)를 제어하여 64개의 수광소자로 된 어레이 (29)중의 1소자의 출력을 순차적으로 선택하여 증폭기(64)에 공급한다. 주사제어카운터(59), 주사카운터(62)의 리세트는 제이저광비임(25)의 왕복회전의 절환점, 즉 제7b도의 미러구동신호의 최소점 및 최대점에 제7g도에 표시한 바와같이 클록카운터(57)로부터 리세트펄스를 발생시켜서 행한다. 또 이 실시예에서는 주사카운터(62)는 리버어서블카운터이며 미러(38)의 회동방향이 절환할때마다 주사카운터(62)의 U/D단자에 부여되는 지시신호(DI)(제7a도)가 주사카운터(62)의 계수방향을 역전하고 있다. 이로 인해서 수광소자어레이(29)의 주사방향도 역전되고 광비이의 주사방향과 항상 일정한 관계를 유지하고 있다.

제6도의 실시예에 있어서는 주사카운터(62)는 절환스위치회로(63)와 함께 제5도에 표시한 수광소자어레이(29)와 인접하여 설치되어있고 따라서 회로기판(49)과 주사카운터(62)를 접속하는 신호선은 제6도에 표시된 바와같이 3개로 족하다. 이 주사카운터(62)를 생략하여 제9도에 표시한 주사제어카운터(59)내의 카운터(59a)와 공용하여도 좋지만 카운터(59a)와 절환스위치회로(63)와의 접속신호선은 6개(2⁶=64)로 많아지고 또 수광소자어레이(29)의 주사방향은 일정방향밖에 되지 않는다.

미러(38)는 주사제어카운터(59)내의 카운터(59a)의 출력을 카운터(59b)가 256계수하는 동안에 좌단, 우단 검출센서(42,43)의 한쪽으로부터 타방까지 레이저광비임(25)을 변위하여 카운터(59b)가 1계수를 나가는 동안에 주사카운터(62)는 클 록(CL₂) 즉 (CL₁)을 64계수하여 수광소자어레이(29)의 각 소자를 1회 주사한다. 그리고 측정제어논리회로(61)는 예컨대 제8도에 표시한 바와같이 단자(65,66,67)에 각각 비임이동방향 지시신호(DI)(제7a도), 좌단검출센서(42)의 출력(제7c도), 우단검출센서(43)의 출력(제7d도)이 입력된다. 비임이동방향 지시신호(DI)가 논리“1”일때에 센서(42)의 출력펄스가 얻어지면 AND게이트(68)로부터 펄스가 출력되고 그 펄스는 OR게이트(69)를 통하여 필림플롭(71)을 세트하고 그의 출격 즉 단자(77)의 측정범위신호(MA)(제7e도)가 논리“1”로 된다.

이 상태에서 단자(67)에 센서(43)오부터 펄스가 입력되면 AND게이트(72)로부터 펄스가 출력되고 그 펄스에 의해 OR게이트(73)를 통하여 필릅플롭(71)이 리세트되어서 측정범위신호(MA)는 논리“0”로 된다. 단자(65)의 비임이동방향지시신호 (DI)가 논리“0”에 있을때에 단자(67)에 센서로부터의 펄스가 입력되면 AND게이트 (74)로부터 펄스가 출력되고 그 펄스는 OR게이트(69)를 통하여 필립플롭(71)을 세트하고 측정범위신호(MA)는 논리“1”로 되어 이 상태에서 단자(66)에 센서(42)로부터 펄스가 입력되면 AND게이트(75)로부터 펄스가 출력되고 그 펄스는 OR게이트 (73)을 통하여 필립플롭(71)을 리세트하여 측정범위신호(MA)는 논리“0”로 된다.

미러(38)의 왕복회전동작이 정속에서 오차가 없으면 좌단검출센서(42)의 검출로 주사제어카운터(59)중의 카운터(59b)가 카운트를 개시(제7도 시점 t₁)하여 우단검출센서(43)의 검출시에(제7도 시점 t₂)카운터(59b)의 계수가 소정수(nLO)(이예에서는 256)에 달하도록 설정된다. 혹은 이것과 반대로 우단검출센서(43)와 검출로부터 계수를 개시하여 좌단검출센서(42)의 검출시에 카운터(59b)의 계수가 소정수에 달하도록 하여도 된다. 그러나 미러(38)의 구동전류의 변동에 따라 이들 2개의 타이밍, 즉 측정범위의 종단검출과 카운터(59b)의 소정카운트종료와의 사이에 시간차가 생기는 일이었다. 이 시간차는 오차의 원인으로 된다.

이 오차를 정정하기 위하여 각도오차보정회로(76)가 설치된다. 각도오차보정회로(76)는 예컨대 제9도에 표시한 것같이 구성이 된다. 그동안 타임차아트를 제10도에 표시한다.

제10a도에 표시한 바와같이 비임이동방향 지시신호(DI)가 논리“1”로 되고 미러(38)가 회동하여 레이저광비임(25)이 최초의 검출센서(42)를 지나고, 제10b도에 표시한 바와같이 펄스가 시점(t₁)에서 발생하면 이 시점으로부터 계측범위인것을 지시하는 측정범위신호(MA)가 제10d도에 표시한 바와같이 “1”로 되고, 이것이 제6도중의 측정제어논리회로(61) 즉 제8도 중의 플립플롭(71)의 Q출력으로부터 제9도중의 단자(77)를 통하여 오차검출논리회로(78)에 입력된다. 이 측정범위신호(MA)는 오차검출논리회로(78)를 통하여 게이트(81,82)에 부여되는 측정범위신호(MA)가 “1”의 사이에 이들 게이트를 열고있다. 게이트(81, 82)에는 제6도중의 클록카운터(57)로부터의 제어클록(CL₁)도 입력되고, 다시 게이트제어플립플롭(84)의 Q ,

출력이 각각 입력되어있다. 초기상태에서 제10e도에 표시한 것 같이 게이트제어 플립플롭(84)은 리세트되어있고, 따라서 시점(t₁)에서 게이트(82)가 열린다.

제어클록(CL₁)은 제10g도에 표시한 바와같이 게이트(82)를 통하여 카운터 (85)에 카운트된다. 이 카운트수가 메모리카운터(86)의 기억치 예컨대 “8”과 같이 되면 일치회로(87)로부터 일치출력이 생기고 그 일치출력에 의해서 게이트 제어플 리플롭(84)이 제10e도에 표시한 바와같이 t₂에서 세트된다. 따라서 게이트(82)는 닫히고 게이트(81)는 열리고, 이 시점(t₂)으로부터 제어클록(CL₁)은 게이트(81)를 통하여 카운터(59a)에 주어져서 제10f도에 표시된 바와같이 카운트된다. 이 예에서는 카운터 (59a)는 6비트로 구성되어 있고, 64개의 입력으로 상태가 한바퀴돈다.

이 최후의 카운트 상태“111111”가 디코우더(88)에 의해서 검출되어, 그 검출 출력에 의해서 게이트제어용플립플롭(84)은 리세트되며, 또 카운터(59a)의 최초의 카운트상태“000000”가 디코우더(88)에서 검출되어, 그 검출력에 의해서 카운터(85)가 리세트된다. 플립플롭(84)이 리세트된 시점(t₃)으로부터 제10g도에서 표시한 바와같이 다시 카운터(85)는 카운트를 개시한다. 이와같이하여 카운터(85)와 (59a)는 제10도의 예에서는 제어클록(CL₁)의 8카운트와 64카운트와의 교호동작을 반복한다.

제10g도는 게이트(82)를 통과하는 클록(CL₁)을 표시한다. 분주기로서 동작하고 있는 카운터(59a)의 오우버플로우출력은 각도신호카운터(59b)에 부여되어, 이 카운트상태가 비임각도신호(BA)로 된다. 각도신호카운터(59b)는 예컨대 8비트로 구성되어 그 계수치인 각도신호(BA)는 제10h도에 표시한 바와같이 0내지 255의 상태를 표시한다. 각도신호(BA)는 처리장치(97)와 오차검출논리회로(78)에 부여되고 후자에 있어서는 각도신호(BA)의 모든 비트는 OR게이트(78), 에서 논리화가 취하여지고, 따라서 적어도 하나의 비트가 “1”이라면 카운터(59b)의 카운트동작상태를 제10i도에 표시한 바와같은 “1”로서 나타낸다.

다음에 단검출센서(43)로부터 레이저광비임(25)이 제10c도에 표시한 바와같이 검출되면, 그 시점(t₄)에 측정범위신호(MA)가 제10d도에 표시한 바와같이 “0”로 된 시점(t₄)과의 각도신호 카운터(59b)의 동작종료시점(t₅)과의 시간차(△t)는 XOR게이트 (78₂)에 의해서 예컨대 제10d도의 신호(MA)와 제10i도에 표시한 게이트(78₁)의 출력신호와의 배타적 논리화를 취하여 검출된다. XOR게이트(78₂)로부터의 출력은 AND게이트(78₃)를 통하여 AND게이트(89)에 부여되어 메모리카운터(86)에 의하여 계수될 클록(CL1)이 게이트(89)를 통과하는 시간(△t) (제10j도)를 결정한다.

카운터(59a, 59b)에 부여되는 것과같은 리세트신호(RS)(제7g도)가 플립플롭 (78₄)에도 부여되어 그 출력은 게이트(78₁)의 출력이 “1”로 되기까지 게이트(78₃)를 닫고있다.

제10도의 예에서는 미러(38)가 회동에 의한 단검출센서(43)의 검출쪽이 카운터(59b)의 동작종료보다 빠른 경우를 표시하고 측정범위신호(MA)의 종료(입하, 立下)보다 제10i도의 카운트동작의 종료(입하)가 늦어져있다. 이때 메모리카운터(86)에 측정범위신호(MA)를 제어단자 U/D에 부여하고, 측정범위신호(MA)가 “1”일때에 업카운트, “0”일때에 다운카운트로 제어한다. 이 예에서는 메모리카운터(86)는 시간(t₄)이후 다운카운트상태로 되어서, 카운터(59b)의 계수가 0으로 될때까지 게이트 (87)를 통과한 클록(제10k도)이 다운카운트되어, 그 결과 메모리카운터(86)의 내용은 8로부터 6으로 된다. 메모리카운터(86)는 초기 상태에서는 기준카운터로 세트되어 제10도의 예에서는 8로되어 제10도의 예에서와 같이 카운터(59b)의 카운트동작의 쪽이 미러(3 8)의 동작보다 늦은경우, 즉 제10i도에 표시한 신호의 입하보다 먼저 측정범위 신호 (MA)의 입하가 생긴 경우에는 메모리카운터(86)는 감산동작상태로되어 이시간(△t)에 따른 클록(CL₁)의 수만큼 메모리카운터(86)로 감소시킨다.

이상의 동작이 미러동작의 왕복주기의 전반의 끝에서 행하여진다고 하면, 미러동작의 주기의 후반에 있어서는 카운터(85)의 계수치가 새로이 메모리카운터(86)에 세트된수, 이 예에서는 6에서 일치출력이 생기기 때문에 카운터(59a,59b)의 반복동작은 단축되고, 각도신호카운터(59b)의 동작도 속히 종료한다.

다음에 미러동작이 주기후반부터 다음의 주기와 전반으로 옮기는 경우도 동작은 같으며, 반대로 카운터 동작의 쪽이 미러동작보다도 빠른 경우, 즉 제10i도에 표시한 신호의 입하후에 특정범위신호(MA)의 입하가 생긴경우에는 메모리카운터(86)가 클록(CL₁)을 계수할때에는 그 제어단자 U/D에 “1”가 부여되어 있기때문에, 메모리카운터(86)의 값을 증가시킨다. 이 때문에 카운터(59a,85)의 반복동작은 늦게되어, 각도신호카운터(59b)의 동작도 늦게 종료하게 된다. 이와같이 하여 시간차(△t)가 생기지 않는 값에 메모리카운터(86)의 계수치는 미러(38)의 진동의 반주기마다 자동적으로 재설정된다.

다음에, 제6도에 되돌아가 설명하면 카운터(59a)의 입력클록(CL₂)은 주사카운터(62)에도 공급되어, 주사카운터(62)의 출력에 의해 절환스위치회로(63)의 아날로그 스위치가 순차로 도통되어 일정간격으로 배치된 수광소자어레이(29)의 상태가 주사된다. 이 주사주기와 레이저광비임(25)에 대한 변조주파수와의 관계는 수광소자어레이 (29)의 수광소자 1개당의 출력에, 예컨대 3파 이상의 변조파가 존재하도록 선정된다. 이점에서 변조신호의 주파수는 200KHz이상으로 선택하는 것이 바람직하다. 이선택은 용접시의 불꽃 그밖의 잡음에 의한 영향을 제거하는데 충분하며 또 측정점의 간격을 적게하고 또한 신호의 입상(立上), 즉 휘점으로부터의 난반사비임(27)의 검출정도를 향상하는데 유효하다.

절환스위치회로(63)의 출력으로서 얻어진 각 수광소자의 출력은 증폭기(64)에서 적당한 크기로 증폭된 후신호용의 협대역 여파기(91) 및 잡음용의 저대역여파기 (92)에 공급된다. 증폭기(64)의 증폭주파수대는 예컨대 0.1 내지 10MHz로 되고, 협대역여파기(91)는 레이저변조신호 주파수를 중심으로 2△f의 통과대역을 가지며, 저대역여파기(92) 100KHz 내지 (fm-△fm)을 통과대역으로 한다.

여파기(91,92)의 출력은 정류 평활회로(93,94)에 의해 직류신호화되어, 이들 직류신호는 비교회로(95)에서 비교되어, 신호광의 유무가 판정이 난다. 난반사 레이저광비임(27)의 입사가 있는 경우에는, 협대역여파기(91)의 통과후의 변조주파수(f_M)의 성분이, 저대역여파기(92)의 잡음검출레벨보다 크게되어, 비교회로(95)의 출력은 “1”로 된다. 비교회로(95)의 출력은 클록(CL₂)에 대하여, 그의 반 주기가 어긋난 검출클록(CL₃)에서 샘플링되어서 8비트 시프트레지스터(96)에 순차로 기억이된다. 레이저광비임(27)의 입사가 없는 경우에는 주파수(f_M)의 성분이 저대역여파기(92)의 출력인 잡음레빌보다 작게되고, 비교회로(95)의 출력레벨은 “0”의 상태로된다. 시프트레지스터(96)에서 축적된 8비트 비트데이타는 예컨대 일단 병렬로 레지스터(도시하지 않음)에 옮기고 그의 레지스터러부터 병렬로 처리장치(97)이 취입된다. 따라서 64개의 수광소자를 일회 주사한 데이타(DS)는 8비트씩 8회에서 취입되게 된다.

처리장치(97)에는 비임이동방향지시신호(DI), 비임각도신호(BA), 측정범위신호(MA)도 각각 입력이 되어, 시프트레지스터(96)로부터 제64비트의 데이타를 받을때마다 제4도에 있어서의 투광기(22)로부터의 레이저광비임(25)의 투광각(θ_L)과 수광기(23)의 난반사레이저광비임(27)의 수광각(θ_R)을 산출하고, 다시 용접물체(24)상의 휘점(26)까지의 거리(h)와 휘선상의 위치(a)를 다음식에서 계산한다.

이들 식중의 각 신호를 제11도 및 제12도에 표시한다.

θc=BA n_LO-1의 보수...(DI=0일때) 제11도 및 제12도에서 제4도와 대응하는 부분은 동일기호로 표시하고, 기호 A_L, A_R은 각각 단검출센서(42,43)에 대응하는 용접면상의 휘점의 위치, P, f는 각각 일정간격으로 배치된 수광소자 어레이(29)의 수광소자 피치와 수광소자어레이(29)의 기준선(31)으로부터의 거리(제12도), θ'_L,θ'_R은 각각 레이저광선 및 점 A를 관측하는 시선이 중심(O_L) 및 (O_R)을 통하고 기준선(31)과 직각인 수선과 이루는 각, θ_AL,θ_AR은 단검출센서(42,43)의 검출시의 레이저광선과 중심(O_L)을 통한 수선과 이루는 각,θ_C는 각도신호카운터(59b)의 계수치(BA), (i_o)는 수광기(29)의 렌즈(28)의 중심점(O_R)과 대향하는 수광소자어레이(29)의 소자번호 (제 12도 참조), i는 휘점(26)의 상을 검출한 수광소자어레이(29)의 소자번호 즉 시프트레지스터(96)로부터 받은 64비트 데이타중의 대응하는 “1”레벨의 비트위치번호(제12도 참조), n_LO는 투광각의 주사범위의 카운터(59b)의 전카운트수, a는 수광기(23)의 렌즈중심점(O_R)으로부터 기준선(31)과 수직으로 건선과 휘점(26)과의 수직거리이다.

d, P,f,io,θ_AR,θ_AL및 n_LO가 구조인자이며, 이들은 처리장치(97)내의 메모리 (98)에 미리 기억하여 두고, 계측시에 BA, DI 및 DS를 얻어(1)식 내지(4)식의 연산을 행한다. 예컨대 제13도에 표시한 바와같이 스탭(S₁)에서 측정범위신호(MA)가 “1”인가를 체크한다. 좌단 또는 우단의 검출센서(42,43)가 레이저광비임(25)을 포착하면, 측정범위신호(MA)(제10도)가 “1”로 되고 스텝(S2)에서 처리장치(97)내의 K카운터 (99)의 내용을 k=0으로 한다.

스텝(S₃)에서 비임각도신호(BA)(8비트), 수광복조신호(DS)(64비트), 비임이동방향 지시신호(DI)가 모두처리장치(97)에 취입되었는가를 조사한다.

이들 각신호(BA, DS, 및 DI)가 입력되면 스텝(S₄)에서 수광복조신호(DS)로부터 i(수광소자어레이의 소자번호)를 계산하고, 스텝(S₅)에서 식(3)으로부터 tan θ_R을 계산하여 기억장치(98)에 기억하고, 스넵(S₆)에서 비임이동방향 지시신호(DI)의 정, 역(가는것과 되돌아옴)을 판정하고, 정의 경우(DI=1)는 스텝(S₇)에서 입력된 비임각도신호(BA)를 θc로하고, S₆에서 역(DI=0)이라고 판정되면 스텝(S₈)에서 신호(BA)의 비이트마다의 보수를 θc로한다.

스텝(S₇) 또는 (S₈)와 다음에 스텝(S₉)에서 tan θ_L을 계산하고 스텝(S₁₀)에서는 스텝(S₅,S₉)에서 얻은 tan θ_Ltan θ_L을 사용하여 h_K를 계산하면서 기억장치(98)에 기억한다. 또 이 h_k및 tan θ_R로부터 스텝(S₁₁)에서 ak를 계산하여, 기억장치(98)에 기억한다. 스텝(S₁₂)에서 k를 +1로하여, 스텝(S₁₃)에서 k가 n_LO로 되었는가를 판정하여, nLO가 아닌 경우에 스텝(S₃)에 되돌아간다. 스텝(S₁₃)에서 k=n_LO와 경우(상기예에서는 nLO=256회), 스텝(S₁₄)에서 기억장치(98)와 각 hk의 값으로부터 최대치 h_M을 구하고, 그 최대치를 부여하는 k=M 일대의 값(a_M)을 기억장치(98)로부터 얻는다. 스텝(S₁₅)에서 이들 h_M, a_M을 로보트 본체에 출력하여 스텝(S₁)에 복귀한다. 또한 이 예에서는 작업대상물(24)이 제3도에 표시한 바와같은 것으로 레이저광비임(25)의 요동에 의해서 휘선(19)을 용접선(13)에 대하여 거의 직각으로 형성하고 또한 작업대상물 (24)과 계측헤드 및 용접토오치를 용접선(13)에 따르도록 상대적으로 이동시킨다.

제9도에 있어서 카운터(59b)로서 레버시블 카운터를 사용하여 비임이동방향지시신호(DI)가 “1”인지 “0”인지에 의해서 카운터(59b) 를 업카운트와 다운카운트로 절환하면 각도신호(BA)와 수광복조신호(DS)로부터 h 와 a를 구할 수 있다. 그 경우의 처리장치(97)에서의 처리동작예를 제14도에 표시하고 그 설명은 생략한다.

제3도에 표시된 바와같이 용접부가 V자형으로 되어있는 골짜기(谷)부분을 용접하는 경우에는 그 골짜기의 저부의위치를 정확히 구하는 것이 요망된다. 이 골짜기를 가로질러서 레이저비임(25)을 소인하므로서 어느순간에 그 골짜기의 최심부에 휘점을 형성하는 것이 가능하다. 그러나 이 최심부에 형성된 휘점의 상은 반드시 수광소자의 하나의 위에 결상된다고는 할 수 없다.

이와같이 휘점상이 수광소자 어레이(29)위의 소자와 소자와의 중간에서 결상한 경우의 휘점위치는 처리장치(97)에 수광소자어레이(29)의 소자위에서 결상한 경우의 휘점위치의 좌표(a, h)를 순차로 기억하여두고 복수개의 휘점위치의 좌표(a, h)의 회기곡선으로부터 구할 수가 있다. 예컨대 처리장치(97)내부에서 제15도에 표시한 바와같이 휘점상이 수광소자어레이(29)의 소자위에서 결상한 경우의 휘점상의 좌표(a_k, h_k)를 fi, gi로 하고 휘점위치의 h가 증가경향을 나타내는 그로우프 f₁내지 f_n의 회기곡선 h=f(a)와, h가 감소경향을 나타내는 그루우프 g₁내지 g_n의 회기곡선 h=f(a)의 2개의 곡선을 구하고, 그의 교점이 예컨대 제3도에 있어서의 용접선(13)의 위치라고 판정할 수가 있다.

이경우, 휘점위치와 h가 증가경향으로부터 감소경향으로 절환하는 점의 휘점 (제15도와 g₁) 을 증가경향 그루우프에 포함하든가, 감소경향 그루우프에 포함하든가의 그루우프식별의 문제가 생긴다. 이 그루우프 식별방볍을 제16도 및 제17도에 의해 설명한다. 제16도는 제15도에 있어서의 휘점위치와 h의 증가경향과 감소경향과의 절환점의 확대설명도, 제17도는 k와 △hi의 관계를 표시한다.

인접 휘점위치의 h의 차 △hi=hi-hi+1를 순차로 구하여 그 값과 부호를 제17도와 같이 순차로 기록하여가고 △hi의 부호가 변환한점(k+2)을 구한다.

제17도에서는 △hi의 부호가 부의 경우를 1, 정의 경우를 0으로 표시하고 있다. △hi의 부호의 변화한점(k+2)으로 부터 원위치로 복귀한 2개의 휘점위치 k 및 k+1의 차△hi의 차△△h_k+1=｜△h_k+1+△h_k｜를 구한다.

△hi의 차△△h_k+1를 ε와 비교하여 △△h_k+1≤ε의 때에는 점 k+2와 휘점을 k+1측의 그루우프에 포함시킨다.

△△hk+1〉ε때에는 점 k+2의 휘점을 k+3측의 그루우프에 포함시킨다.

여기서 ε=q×1tanθ1이며 θ은 점 h_k와 h_k+1의 휘점을 이은 직선과 기준선(제4도의 선31)과의 사이의 각도이다. q는 좌우방향의 측정정도이며, 제16도의 예에서는 0.3mm로 하였다. 수광기에 설치하는 수광소자어레이(29)는 구 수광소자를 일정간격을 조밀하게 배치할 수 있으면 정밀도의 향상은 도모되나, 수광소자어레이(29)의 구조상, 수광면적을 크게하며 또한 고밀도로 실장(實裝)하는 것은 곤란하다. 이 문제를 해결하기 위해 수광소자어레이(29)를 왕복구동장치(110)에 부착한 예를 제18도에 표시하였다. 즉 펄스모우터(201)의 회전축에 풀리(202)가 축으로 부착되고 또 펄스모우터 (201)의 회전각도를 검출하는 엔코우더(203)의 축에 풀리(204)가 축으로 부착되어 이들 풀리(202)(204)사이에 스티일벨트(205)가 설치되었다. 이 스티일벨트(205)에 의해서 좌우(화살표방향)으로 왕복이동되는 캐리지(206)가 설치되고 캐리지(206)는 왕복이동시에 안내봉(207)에 의해 안내된다.

안내봉(207)은 1쌍의 지지아암(208)사이에 지지된다. 캐리지(206)에는 nRO개의 수광소자가 피치(P)로 일렬로 배치되어서 수광소자 어레이(29)가 구성되고, 각소자는 신호선(209)과 접속되어있다. 수광소자어레이(29)전체를 절환스위치회로(63)에서 주사할때마다 펄스모우터(201)의 정전에 의해서 수광소자어레이(29)를 정방향으로 p/m의 스텝폭으로 1회합계(m-1)회, 즉 p(m-1)/m만큼 이동시키면 펄스모우터 (201)를 역전하여 수광소자어레이(29)를 원위치로 이동시키는 것을 반복한다. 계측헤드(32)전체는 레이저광비임의 소인방향과 직각방향으로 일정속도로 이동하고 있으므로 펄스모우터(201)가 1스텝씩 1, 2, 3…m-1로 순번으로 회동하면, 수광소자와 작업물체에 대한 상대위치 1,2,3…n_RO는 제19도에 표시한 바와같이 동시에 우측으로 순차로 이동한다.

따라서 투사광비임의 소인에 대하여 충분한 고속으로 수광소자어레이(29)의 주사 및 스텝이동을 행하면 어레이(29)의 원위치(스텝#0)에 있어서의 인접수광소자간에 있는 휘점의 상 마저도 수광가능하게 된다.

제19도에 표시한 예에서는 모우터(201)가 2스텝 이동하였을때에 번호(2)의 수광소자에 휘점상(211)이 수광된경우이다. 이 모우터(201) 스텝수(2)와 수광한 소자번호(2)로부터 수광소자(2)로부터 2P/m만큼 수광소자번호(3)측에 휘점상(211)이 위치하고 있는 것이 검출된다. 앞에 설명한 바와같이 레이저광비임에 대하여 50KHz이상, 바람직하게는 100KHz이상의 펄스변조를 걸고있다. 용접물체표면은 동방산란에 가까운 반사면이므로 휘점은 휘도가 적으나 임의의 방향으로부터 거의 같은 강도로 그 휘점상을 포착할수가 있다. 휘점을 수광렌즈(28)에서 보아 수광소자어레이(29)위에 결상시킨다. 수광소자(29)에서 받은 빛을 변조파를 포함한 전기신호로 변환하여 이 전기신호는 복조된다. 변조파를 검출하면 앞서 설명한 바와같이 하여 어떤 수광소자가 휘점을 포착한가를 찾아낸다. 실험에 의하면 용접아아크광중에는 100KHz이상의 주파수성분은 거의 없으므로 협대역통과필터로서 변조주파수성분을 꺼내므로써 아아크광(잡음)의 방해가 제거되는것이 확인되었다. 철과 아아크광의 파장은 200내지 150mm가 광범위하게 걸쳐져 있으나, 550mm이상의 파장대에서는 레이저광의 파장을 통과대역에 갖는 광필터를 사용하므로써, 수광한 난반사 레이저광에 비해, 잡음으로서 입사하는 아아크광 성분을 작게할 수가 있었다. 또 실리콘 또는 게르마늄의 포토다이오드는 소자 그것자체의 파장특성이 산상으로 되어있으며 필터작용을 가지고, 500mm이하의 광성분에 대한 감도는 충분히 작고, 통상의 경우에는 특히 광필터를 필요로 하지 않는 것을 확인하였다. 다음에 본 발명의 계측헤드의 시방이 예를 표시하면 다음표와 같다.

계측헤드는 용접토오치와 연동하여 제20도a에 그 동작궤적을 표시한 바와같이 지금까지 설명한 3각파에 의한 등속운동에 의해 0, 1,2...5와 같이 용접면의 레이저광비임 휘점에서 왕복주사하고, 용접선(13)을 감시하여 진행한다. 예컨대 휘점의 왕복주사의 진폭은 128mm이며 이 사이를 2mm피치로 64점의 측정을 행하며, 계측헤드의 용접선(13)에 따른 이동은 휘점의 1왕복중에 4mm로 된다. 제20b도의 경우는 톱니상파로 얻어지는 등속운동에 의해 0,1,1',2,2', ....와 같이 레이저광비임 휘점에서 용접면의 아아크전연을 왕복주사하며, 그 왕복에서 작업대상물체(24)에 대한 계측헤드의 이동은 2mm로하며 제20a도의 경우의 1/2의 속도로 용접선을 감시한다. 어느것을 취하는가는 작업대상물(24)의 종류, 크기등에 의해서 결정된다. 또 동c도는 작업대상물체(24)의 용접점(13)이 V자단면형상을 하고 있는 것을 표시하고 레이저광비임(25)과 그 검출좌단, 우단의 각 휘점(A_R, A_L)의 관계를 예시하고 있다. 지금 아아크용접시의 휘점센싱예로서, 다음의 조건하에서의 실험예를 표시하였다.

피용접제 : 조선용 철판두께 15mm

용접전류 : DC 350A

투광기(22)의 광원 : 레이저다이오우드 파장 0.78 내지 1.3μm

1MHz펄스변조 변조출력 3.5mW(전기적으로 10dB)

수광기(23)의 수광소자 어레이(29) : 실리콘 포토다이오우드 SiPinPD(파장 1.3μm의 경우는 (Ge-APD)(수광경 0.1내지 0.4mm)

작업대상물(24)과 수광기(23)와의 거리 : 500mm용접아아크와 센싱점과의 거리 : 15내지 500mm

제21a및 b도는 이 실험결과의 주파수분석의 1예로 동a도는 계측헤드를 설정하여 용접아아크가 없는 상태에 있어서의 수광기(23)의 출력의 주파수특성을, 동b도는 아아크가 있는 상태에 있어서 아아크로부터 25mm떨어진 휘점을 계측한때의 수광기(23)의 출력의 주파수특성을 각각 표시하고 포토다이오우드(29)의 전기출력을 증폭후, 100KHz내지 10MHz사이를 30KHz의 분해농대역폭으로 대수소인한때의 주파수 응답이다. 1MHz에서의 강한 피이크는 변조신호의 주파수를 표시하고, 1MHz이상에서의 강한 피이크는 이 변조신호의 고주파를 표시하고 있다. 양도를 비교하여 보면 아아크광의 정기적 영향은 200KHz이하에서 주파수의 저하에 따라 증대하나 적당한 밴드패스필터를 사용하면 200KHz이하의 신호성분을 꺼내는 것이 가능하다. 200KHz이하에서의 노이즈레벨의 증가는 사용한 분해농대역폭이 30KHz로 넓으므로 정확하지 않다. 제21c도는 분해농대역폭 1KHz에서 10KHz로부터 1MHz까지 아아크광하에서 행한것과 마찬가지의 분석결과이다. 100KHz로 부터 내려감에 따라 노이즈가 증가하고 있다. 그러나 변조주파수에 의존하지 않는 레이저광 출력레벨을 고려하면 변조주파수는 50KHz이상 있으면 좋다고 추정할 수 있다. 이 실험에 있어서 용접아아크와 센싱점과의 거리를 토오치의 외경에 의해서 결정되는 한계의 15mm까지 근접시켰으나 용접의 스패터가 레이저광을 지나치는 경우를 제외하고 휘점을 검출할 수 있었다. 도면에는 표시하지 않았으나 10MHz이상에 있어서도 아아크에 의한 노이즈는 문제가 되지 않을 정도로 작다는 것이 확인되었다.

용접스퍼터는 이산적(離散的)인 현상이므로 수광때에 변조광을 3파이상 취임하도록 하면, 용접점의 극히 가까이(거리 10mm이하)에서도 면형상이 존속하는 곳의 센싱은 충분히 가능하다. 또 레이저광비임을 흔들었을때 요동미러를 12Hz의 3각파 (TRL)로 정속도 구동시킨때의 수광소자어레이(29)의 1소자의 센싱출력은 제22도와 같이 변조파가 실측된다. 이 파형을 대역여파기를 통하고 나서 복조하고 변조신호의 검출에 의거하여 상기 연산처리를 행하면 휘점위치는 아아크광중에서도 정확하게 계측할 수가 있다. 측정조건은 제21b도의 경우와 동일하다. 계측헤드의 분해농에는 수광렌즈 (28)의 배율과 수광소자어레이(29)의 피치수가 관계한다. 분해농은 렌즈배율(β)이 크고 피치가 가늘수록 향상하나 반면 렌즈가 크게 되는 것과, 측정폭이 좁게 되는 등의 문제가 있다. 고정밀도가 요구되는 구조에서는 수광소자어레이(29)를 소자의 피치와 1/m(m＞1)에 상당하는 미소량씩 필요량을 좌우로 움직이는 펄스모우터를 구동원으로 사용한 제18도에 표시한 수법이 적합하다.

일반적 적용

이상의 설명에서 이해되는 바와같이 본 발명은 예컨대 제23도에 표시한 바와같이 측정헤드의 본체(32)에 투광기(22), 수광기(23)를 부착 투광기(22)의 발하는 광비임(25)을 피측정물체(24)의표면에 투사하고 그때 생기는 광비임임사점에 생기는 휘점 (26)을 수광기(23)에서 포착할 수 있도록 하고, 투광기(22)의 중심(O_L)과 수광기 (23)의 중심(O_R)간의 거리(d), 광비임(25)의 방향(Q_L), 수광기(23)의 시선 즉 수광되는 반사광비임(27)의 방향(Q_R)을 구하여 그것들을 사용하여 휘점(26)의 위치를 산출하는 방법, 즉 3각측량을 기본적으로하는 것이며, 상기 예에 한하지 않고 각종의 것이 생각난다. 따라서 그것들을 종합해서 측정에 필요한 기본식을 표시한다.

제24도에 있어서 ε,η,ξ를 계측헤드본체(32)에 부착한 고정좌표축으로 한다. 광비임(25) 및 시선(27)을 포함한면이 계측헤드의 정면과 평행으로 O_L과 O_R을 포함한 평면에 대하여 각도(

)를 이루고 있는 경우에 대하여 휘점 A₁, 및 A₁에서 계측헤드정면에 평행한 상기 평면에 내려진 수선의 발(A_M)의 위치를 구하는 식을 구한다.

(i) θ_L,θ_R,d를 알면 다음의 제량이 구하여진다.

(ii) d, θ_L,θ_R을 안다면 다음의 제량이 구하여진다.

(iii) d, θ_L,θ_R을 알면 다음의 제량이 구하여진다.

상기와 유사한 방법이나, 제25도에 표시한 바와같이 1개의 투광기(22)와 그 양측에 같은 거리를 두고 설치한 1쌍의 수광기(23a, 23b)를 가지고, 그것들의 광비임 (25), 시선(27a, 27b)이 모두 동일평면내에 있도록 하고, 또한 수광기(23a, 23b)에는 직선상으로 수광소자를 조밀하게 병렬한 수광소자어레이(29a, 29b)와 렌즈(28a, 28b)로 되어있다. 이와같이 하면 이 광학계는 제26도와 같이 나타낼수가 있다. 휘점A (26)의 상이 1'(x'i', y'i), 1''(x''i, y''i)에 이어져, 상의위치(x'i, x''i)는 휘점 A를 포착하고 있는 소광소자의 위치로부터 구하여진다. 각부의 좌표를 제26도와 같이 표시하면, 휘점의 위치 및 결상면의 위치는 다음에 의해서 부여된다.

f : 렌즈(28a,28b)의 초점거리

이 경우는 투광기로부터의 광비임이 투광각을 사용하지 않고 수광기(23a) 및 (23b)내의 휘점을 포착하고 있는 수광소자의 위치로부터의 휘점의 위치 및 결상면의 위치를 간단한 계산으로 구할 수가 있다.

수광기의 수광계에 대하여

수광기가 피측정물상의 휘점에 상을 이은 모습을 제27도에 표시하였다. 도면에 있어서 렌즈(28)는 좌표계 p,q,r의 r축과 광축을 일치시켜서 p,q축은 렌즈(28)의 중심면내에 취하였다.

휘점 A₁의 좌표를 p₁,q₁,r₁그의 상 1₁의 좌표를 p₁,q₁,r₁라고 하면

여기에 ｜rf｜=f=렌즈의 초점거리 광비임(25)의 방향을 바꾸어서, 휘점 A₁이 물체의 표면을 이동하면 그상 1₁₁은 식(9)에 따라서 이동한다. 수광소자 S가 정확히 1₁와 같은 위치에 있으면 식(9)에 의하여 R 및

,

'를 구할 수 있는 것도 가능하나, S를 정확하게 결상면 위치에 놓이게 하는 것은 힘들며, 수광소자 어레이면의 위치에 있어서의 휘점의 상은 희미하게 된다. 이 경우, 희미한상의 중심을 취하면 거의 오차가 생기지 않는다. 이와같은 모양을 제28도에 표시하였다.

휘점 A₁의 상은 1₁은 수광소자어레이의 면(Sd)위에서 (p+내지 p-)에 걸쳐서 희미하게 된다. 그 중심(Ps)은

로 된다. A₁O_R의연장과 면(Sd)과의 지점을 pa로 한다. ＜r_sO_Rpa=

, LrsORPS=

로 한다.

G는 렌즈(28)의 조리개

r₁≫r_s≫r_f로 취하여 두면

즉 조리개를 렌즈의 중심면에 가까이에 놔두면 희미해진 휘점상의 중심을 취하여도 방향에 대한 오차는 거의 생기지 않는다. 다음에 수광기의 초점조정 즉 결상면 위치와 수광소자면을 일치시키는 방법에 대하여 기술한다.

(a) 초점조정이 불충분한채로 휘점측정을 행하면, 제24도의 경우에서도, 제26도의 경우에서도 식(6), (7) 또는 (8)을 사용하여 1차 근사점으로서의 휘점과 수광기와의 거리를 얻는다. 그 근사거리에 의거하여 계측헤드를 이동하여 휘점의 결상면의 위치가 수광소자면의 위치와 거의 일치하도록 한다. 이 조정을 반복하므로써 휘점상의 위치를 바른위치로 점차 가까이 할 수가 있다. 실용상은 2회정도의 조정으로 올바른 값이 얻어진다.

(b) 보조광을 사용하는 방법

수광기의 수광소자 S는 이동하는 휘점을 순간적으로 포착하는 것만이므로, 그 짧은 시간에 수광기의 초점조정을 행하는 것은 곤란하다. 따라서 제29a도에 표시한 바와같이 수광기의 앞에 보조광비임(L_foc)을 두고, 그 방향을 수광기 시선과 일치시켜서 이 보조광비임(L_foc)이 물체상에 만드는 휘점(A_foc)에 대하여 초점조정을 행하도록 한다. A_foc가 수광기내에 만드는 상은 l₁의 위치에 있고 수광소자(s)를 r_s에 놓았을때 s에 들어가는 빛의 강도는 r_s=r₁로 극대로 되고 r₁에서 어긋나 있으면 대략 ｜r₁-r_s｜²에 역비례적으로 변화하므로서, 보조광비임성분의 출력이 극대로 되게, 계측헤드의 위치를 조정하면 좋다. 보조광비임(L_foc)으로서는, 그 파장이 투공기로부터의 신호광비임과 같으면 변조가 다른것을 사용하면 편리하다. 또한 수광기의 보조광비임 대응출력은 신호광비임 대응성분의 검출의 비교용 표준치로서 사용하면 검출정밀도가 좋게된다. 초점거리의 조정법으로서 상기(a)(b)의 어느것을 사용하는가는 측정에 허용되는 시간, 실현의 난이도, 경제성을 고려하여 결정한다. 보조광원은 예리한 평행광비임을 말하는 것을 사용한다. 만일 투광기의 초점거리 조정이 필요하다면 상기의 (a)의 경우와 마찬가지의 방법에 의하는 것이 좋다.

투광형식과 수광형식

제30a내지 e도에 측정에 이용할 수 있는 신호광의 형 즉 투광형식을 표시하였다. 도면에 있어서 빛은 어느 경우에도 O_L을 중심으로하여 방사되고 있다. 제30a도, 단일의 광비임(L_S)이 피측정물 표면 J상에 투사하여 휘점 α이 생기는 경우,

제30b도, 1접O_L을 지나는 복수개의 광비임LS

이 1평면내에 있어서 시간

마다 순차로 일정각만큼 방향을 옮겨서

으로 방사되어, 표면 J상에 순차로 휘점

이 생기는 경우이다. 광비인계 전체를 광선배열이라 칭하며

로 나타내고, 휘점

을 휘점배열이라 칭하며

로 나타낸다. 제30c도, 1점 O_L을 통하는 복수개의광비임

이 1평면내에 있어서 일정각씩 방향을 바꾸어서 방사되며 이들 각 광비임이 서로 상이한 변조

을 받고 있으며, 표면 J상에 휘점

이 생기는 경우이다.

광비임계 전체를 광선배열이라 칭하며

으로 나타내고, 휘점

을 휘점배열이라 칭하며

로 나타낸다. 제30d도, 점 O_L을 지나는 광비임 L_S(t)가 1평면내에 있어서, 그 방향을 시간의 주기함수에 따라서 연속적으로 변화하는 경우, 광비임[Ls(t)]가 형성하는 부채꼴평면을 동관선면이라 칭하며 [L_S(t)]로 나타내고 [L_S(t)]가 표면 J상에 그리는 휘점 궤적을

로 나타낸다.

제30e도, 점 O_L을 지나는 광으로 형성되는 평면상의 광을 판상광이라 칭하고

로 나타내고

가 표면 J상에 만드는 밝은 선을 휘선이라 칭하고 [αp]로 나타낸다. 31a내지 d도에 측정에 사용할 수 있는 수광기와 수광형식을 표시하였다. 도면에 있어서, 제31a도, 수광기가 피측정물 표면상의 1점을 포착하도록 한 경우에 수광기를 렌즈와 렌즈의 축상에 설치한 1개의 점상 수광소자로 형성하면, 수광소자와 렌즈와 중심을 잇는 선에 수광기의 시선 Lr으로 되어, Lr과 피측정물 표면과의 교점을 시점이라 칭하며 β로 나타낸다. 제31b도, 점(O_R)을 지나는 복수개의 시선

이 1평면내에서 그 방향을 미소시간

마다 방향을 일정각씩 바꾸어 순차로 발생하는 경우이다. 이 경우의 시선전체를 시선배열이라 칭하며

로 나타내며 ;

와 표면 J와의 교점을 시점배열이라 칭하며 [βτ₁]로 나타낸다. 제31c도, 시선

를 점(O_R)을 지나 1평면내에 있어서 그 방향을 시간의 주기함수에 따라서 연속적으로 변화시키는 경우이다. 이경우의 시선의 계(系)를 동시선면(動視線面)이라 칭하며 [Lr(t)]로 나타내고, 이것에 대응하는 시점궤적을

로 나타낸다. 제31d도, 수광기의 시야가 점(O_R)을 지나는 부채꼴 평면인 경우로서 이 경우의 시야를 판상시야라고 칭하며[Lrp]로 나타내고 이것에 대응하여 표면 J상에 생기는 밝은선을 시야선이라 칭하며

로 나타낸다.

상술의 수광형식을 실현하는 방법으로서는 예컨대 제31a도는 제28도에서 r축 ri의 위치에 1개의 수광소자를 설치하여 실현되고, 제31b도는 제32도에 표시한 바와같이 1개의 렌즈와 n개의 수광소자를 병렬하여 이루어진 수광소자어레이와 각 수광소자의 출력단자를 시간

마다 순차 절환하여 꺼내므로 실현된다. 제31c도는 제31a도의 수광기 전체를 1평면내에서 OR을 중심으로 하여 흔들어 움직이거나, 또는 제28도에서 수광소자를 ri를 지나 r축에 수직인 면내에서 직선위를 흔들어 움직임으로써 얻는다. 또 제32도에서 수광소자를 충분히 조밀하게 배열하면 제31d도의 판상시야가 얻어진다.

3각 충량에 의한 측정법

1개의 투광기와 1개의 수광기를 사용할 경우, 3각측량법에 의해서 측정하는데는 투광기가 피측정물 표면 J위에 만드는 휘점(휘점배열, 휘점궤적) 또는 휘선과 수광기가 표면 J상에 만드는 시점(시점배열, 시점궤적) 또는 시야선과의 교점의 위치를 구하는 것에 귀착된다.

제33도 가로줄에 수광형식을, 종렬에 투광형식을 취하여 수광기내의 결상면내에 있어서의 수광소자 배열광영상과의 관계를 표시하였다. 계측헤드의 설계에 있어서는 수광하는 부분과 영상이 반드시 교차되고 그 교차점의 위치에 있는 수광소자의 출력을 사용하여 그 수광소자의 우치로부터 시선방향을 구하거나, 또는 수광소자의 출력을 타이밍신호로써 사용하여 광비임의 방향, 시선의 방향등을 구하므로써 피측정물 표면에서의 위치를 산출할 수가 있다.

제33도에 있어서 매트릭스에 도면 1.1,1.2,...2.1,2.2,...5.4로 되는 번호를 붙여서 나타낸다. 도면에 있어서 O표는 수광소자, O표에 쌍방향 화살표는 수광소자의 이동궤적, X표는 휘점상, X표에 쌍방향 화살표는 휘점상의 이동궤적, 선분은 휘선상을 나타낸다. 도 1.1,1.2,2.1,2.2,3.1,3.2는 수광소자의 영상과의 교점이 구하기 어려우므로 실용적 가치가 없다. 그밖의 것은 적당한 구성을 취하므로써 실용될 수 있는 것을 구성하는 것이 가능하다. 다음에 그 예를 열거한다.

투강계 ·수광계의 구성예

상술한 생각한 방법에 의거하여, 실현가능한 투광계, 수광계의 조합예를 열거한다. 다음의 도면에 있어서 측정헤드본체의

축을 포함하면을 Sb로 표시하고, O_L을 지나 η축ζ축에 평행한 축을 η_L축, ζ_L축, O_R를 지나는 동일한 축을 η_R축, ζ_R축으로 한다.

예1 : 제34a, b도(제33도 1.1대응)

광비임(L_S), 시선(Lr)을 면 Sb내에 두고 제34a도에서는 L_S

축으로 하고, 휘점 α을 시점 β가 추수(追隨)한다. 제34b도에서는 Lr

축으로 하고, 시점β를 휘점 α이 추수한다. α,β를 추수로 겹쳐가는 것은 번거롭다. 피측정물의 단면형상은 계측헤드를

축의 주위에 회전, 또는 제34a도의 경우는 ηL축의 주위에 제34b도의 경우는 η_R축의 주위에 회전하여서 구한다.

예2. 제35도(제33도 1.3) 및 제36도(제33도 4.1)

예1에서 시점(또는 휘점)을 휘점(또는 시점)에서 추수하는 것은 번거로우므로, 광비임(Ls)또는 시선(Lr)의 한쪽의 방향을

축에 대하여 고정하고 다른쪽의

축을 이루는 각을 시간의 주기관수 θ(t)에 따라서 면 Sb내에서 변화시켜, 시점과 휘점이 겹쳤을대 수광소자에서 생기는 신호를 타이밍신호로서 사용하여 θ(t)를 구한다. 다만 Ls 및 Lr은 항상 면 Sb내에 있다.

시선이

축을 이룬 각 θ_R(t)를 바꾸어

로 하였을 경우에는 제35도와 같으며 광비임이

축을 이룬 각θ_L(t)를 바꾸어,

로 한 경우에는 제36도와 같게 된다. 피측정물의 단면을 구하는데는 계측헤드전체를

축의 주위에 회동하거나, 제35도에서는 η_L축의 주위로 들리거나, 제36도의 경우는 η_R축의 주위에 회정한다.

예. 제37a, b도(제33도 1.4대응)

광비임 Ls

축, 판상시야 [Lrp]를 다음과 같이 취한다.

제37a도는 [Lrp]fmf η_R축을 포함하여 주위로 회전하도록 한다. 원리적으로는 제35도와 같게 되며, 측정법도 거의 같아도 좋다. 제37b도는 [Lrp]를

면내에 취한다. θ_R은 신호광의 출력이 생기고 있는 수광소자의 위치로 부터 결정된다.

예4. 제38도(제33도 5.1대응)

면 Sb내에서 Lr

축으로 하여, 판상광[Lsp]을 η_L축의 주위에 회전하여 시선 Lr과의 교점을 구한다.

예.5 . 제39도(제33도 2.3,3.3대응)

동시선면[Lr(t)] 및 광선배열

또는

를 면(Sb)내에 설치, 휘점과 시점이 교차할 때의 Lr(t)의 방향

의 방향

을 알고, 교차점의 위치를 산출한다.

를 사용할때는 각시간

의 사이에 β(t)가

의 전체를 소인하도록 하여

로부터

를 구하여 각

에 대하여 수광기의 출력을 얻은 시간(t)에서

를

를 사용할때는 수광소자의 출력을 복조하여 얻은 출력중의

로 부터 Ls의 방향을 구하며, Lr(t)의 시간으로 부터 θ_R(t)를 구한다.

예6. 제40도(제33도 4.2대응)

동 광선면[Ls(t)]과 시선배열

을 Sb면내에 설치 α(t)가 각 시간

의 사이에 전시점배열을 대충 소인하게 한다.

로부터 시선방향

를 구하고 각

에 대하여 신호출력을 얻은 시간(t)으로 부터

를 구하여 교차점의 위치를 계산한다.

예7. 제41a , b, c도(제33도 2.4,3.4대응)

판상시야[Lrp]와 광선배열

또는

를 사용하는 경우이다. 제41A 도는 판상시야[Lrp]와 광선배열

또는

를 면 Sb내에 설치하고

를 사용한 경우는 시간

로 부터 Ls의 방향 θ_L를 구하고 시간

에 신호출력을 생기게 하고 있는 수광소자와 위치로부터 Lr의 방향 θ_R를 구한다. 또

를 사용한 경우는 수광소자출력을 복조하여 거기서 포함되는 변조성분

를 검출하여, Ls의 방향 θ_L를 구하여 그 출력이 생긴 수광소자의 위치로부터 Lr와 방향θ_R를 구한다. 이 경우는 Sb면에서 피측정물을 짜른 단면형상이 얻어진다.

제41b도는 면내에 축η_R을 포함한 판상시야[Lrp]를 축η_R의 주위에 회전하여 θ_R를 바꾸도록 하고 면내 n_L를 포함한 광선배열을 η_R의 주위에 회전하여 θ_L를 바꾸도록 설치한다.

이 경우는 광선배열은 각 광비임을 지속적으로 나오게하여 두고 θ_R(또는 θ_L)을 고정하여 θ_L(또는 θ_R)을 주기적으로 변화시켜 신호를 수신한 수광소자의 위치로부터

(제24도도 참조)를 구하고 신호광을 수광한때 생기는 수광소자출력을 타이밍신호로서 θ_L(t)(또는 θ_R(t))를 구하면, 측정하여 있는 점의 위치가 산출될 수 있다. Ls(γi)의 γi또는 Ls(μ₁)와 μ₁에 의해

를 결정하고

로부터 휘점의 위치를 계산할 수 있다.

이 측정에서는 θ_R를 고정한때는 [Lrp]에 의한 피측정물의 단면이 얻어지고, θ_L를 고정한때에는 광선배열을 포함한 면에 의한 단면형상을 구할 수 있다. 제41c도는 판상시야를 ξ축을 포함하여, 그 주위에 회전이 되도록 하여, 광선배열을 ξ축에 수직으로 설치한 경우이다. 판상시야[Lrp]의 신호광을 수광하여 출력이 생긴 수광소자의 위치로부터 θ_R를 구하여 이때의 수광신호를 타이밍신호로서 사용하여 판상시야의 회전각

를 구하면 피측정물표면의 위치가 결정된다. 또, 회전각

은 Ls(γi)의 γi로부터 결정하여도 좋다. 광비임은 상시 나오게하여 둔다 . [Ls(μ₁)]를 사용할 경우에는 [Lrp]의 회전각

를 μ₁의 검지에 의해서 구할 수 있으므로 이성질을 사용하는 것이 편리하다.

제41c도의 경우는 광선배열면에서 피측정물을 짜른 단면형상을 구할 수 있다.

예8. 제42도(33도 4.3대응)

동광선면[Ls(t)] 및 동시선면[Lr(t)]을 평면 Sb 내에 설치한 경우이다. 광비임 Ls(t)의 방향 θ_L(t) 및 시선 L_R(t)의 변화주기를 예컨대 1 : n로 선택하면 시선이 1주기의 변화를 할 사이에 적어도 n회의 휘점과 시점의 겹치는 것이 생겨 이 겹치는 점에서 수광기로부터 신호가 얻어지므로 이것을 타이밍 신호 θ_L(t), θ_R(t)를 판독하도록하면 그 점의 위치를 산출할 수 있다. 상기 주기를 1 : n 대신 n : 1로 취하여도 광비임과 시선의 입장이 바뀔뿐이고 적어도 n개의 측정점이 구하여진다.

이와같이하여 구하여진 점은 Sb 면에 의한 피측정물 절단면으로 된다.

예9. 제43a,b,c,d,e도(제33도 4.4대응)

동광선면[Ls(rt)]과 판상시야[Lrp]를 사용하는 경우이다. 제43a도는 [Ls(t)] 및 [Lrp]를 Sb면내에 설치한 경우로 적당한 타이밍으로 Ls(t)의 방향 θ_L(t)를 판독하는 동시에, 동시각에 있어서 신호광의 수신출력을 내고 있는 수광소자의 위치를 잃고 θ_R를 구하면 측정점의 위치를 구할 수 있다.

제43b, c도는 [Ls(t)] 및 [Lrp]를 각각 π_L축 및 π_R축을 포함하고 그 축의 주위를 회전하여 θ_L(t) 또는 θ_R(t)를 바꾸도록 설치한다. 제43b도는 θ_L를 고정하여 θ_R(t)를 바꾸어 휘점과 시야선의 교점을 구하는 것으로, 수광소자의 신호를 타이밍신호로 하여 θ_R(t)를 및 Ls(t)의 방향

를 구하여 측정점 위치를 산출하든가 또는 그 수광소자의 위치로부터

를 구하여 그 점의 위치를 산출한다. 이경우는 동광선면에서 피측정물체를 절단한 단면형상을 얻는다.

제43c도는 θ_R를 고정하여 θ_R(t)를 주기변화시킨 경우이다. 측정법은 제43b도의 경우와 유사하며, 이 경우는 [Lrp]면에서 피측정물을 절단한 때의 단면형상을 구할 수 있다. 제43d도는 동광선면[Ls(t)]을 ξ축으로 수직, 판상시야 Lsp를 ξ축을 포함하며 그 주위로 회전되도록 취한 경우이다. 이 경우에는 신호광을 수신한 수광소자의 위치로부터 θ_R를 구하여 그때의 동광선의 방향

를 구하면, 측정점의 위치를 산출할 수 있다.

이 경우에는 [Lrp]를 회전하여 측정을 행하므로써 [Ls(t)]로 피측정물을 절단한 경우의 단면형상을 구할 수 있다. 제43e도는 판상시야[Lrp]를 ξ축에 수직으로 취하고, 동광선면(Ls(t))을 ξ축을 포함하고 그 주위에 회전하도록 취한 경우이다. 이 경우는 (Lrp)면에서 피측정물을 절단한 단면을 얻는다.

측정법은 앞서와 마찬가지이므로 생략한다.

예10. 제44도(제33도 5.2대응)

판상광(Lsp)과 시선배렬(Lr(ri))를 각각 축π_L및 π_R를 포함하고, 그 축주위로 회전할 수 있도록 설치한 경우이다. (Lsp)의 방향(θ_L)을 일정하게 취하고 (Lr(ri))의 방향 θ_R(t)을 주기변화시켜, 시점과 휘선의 교차점에서 생기는 신호를 타이밍신호로서 θ_R(t)를 구하고, τi로부터

를 구한다. (Lsp)에서 피측정물을 절단한 단면형상을 구할 수 있다. 또 (Lr(ri))의 방향θ_R을 일정하게 유지하고(Lsp)의 방향θ_L(t)를 주기변화시키면, 이 경우는 [Lr(ri)]면에서 피측정물을 절단한 경우의 단면형상을 구할 수가 있다. 측정의 방법은 앞서와 유사하므로 생략한다.

예11. 제45a,b,c도(제33도 5.3대응)

판상광[Lsp] 과 동시선면[Lr(t)]을 사용한 경우이다. 제45a,b도는 [Lsp]및 [Lr(t)]를 각각 축 π_L및 π_R를 포함하고 그 주위에 회전할 수 있도록 설치하고 휘선과 시점이 교차될때 발하는 수광기의 신호출력을 타이밍 신호로서 사용하여 Lr(t)의 방향

면의 방향 θ_L또는 [Lr(t)]면의 방향θ_R을 구한다. 제45a도는 [Lsp]면의 방향 θ_L을 고정하여 [Lr(t)]면내에서 시점의 방향

을 바꾸면서[Lr(t)]의 방향θ_R(t)를 주기적으로 바꿔서 측정하는 경우이며, [Lsp]면에서 피측정물을 절단한 단면이 구하여진다. 제45b도는 [Lr(t)]면의 방향 θ_R을 고정하여 그 면내에서 시점의 방향

을 바꾸면서 (Lsp)면의 방향 θ_L(t)을 주기적으로 바꿔서 측정하는 경우로서 (Lr(t))면에서 절단된 단면형상이 구해져진다. 제45c도는 판상광(Lsp)을 ξ축에 수직으로 설치하고 동시선면(Lr(t))을 ξ축을 포함하여 그 주위에 회전할 수 있도록 설치한 경우이다.

(Lr(t))의 회전각

및 Lr(t)의 방향 θ_R(t)을 주기적으로 변화시켜 휘선과 시점이 교차할 때 수광기에 생기는 신호출력을 타이밍신호로서 사용하여 θ_R(t)및

를 구하면 측정점의 위치가 구해진다. 이 경우는 (Lsp)면에 의해서 피측정물을 절단한 단면 형상이 얻어진다.

예12

제46a,b도(제33도 5.4대응)는 판상광(Lsp)및 판상시야(Lrp)를 사용하는 경우이다. 제46a도는 (Lsp)및 (Lrp)를 각각 축n_L및 n_R를 포함하여 그 주위에 회전될 수 있도록 설치한다. 측정은 (Lsp)의 방향θ_L를 고정하고(Lrp)의 방향 θ_R(t)를 주기적으로 변화시킨다. 시야선과 휘선이 교차하는 점에 대응하여 수광기의 수광소자로부터 신호출력이 얻어진다. 수광소자 어레이의 단자를 소인하여 그 소자의 위치를 알으므로써 면(Lrp)내의 그 시선의 방향

을 구하고 그 수광소자의 출력을 타이밍신호로서 사용하여

를 구하면 측정점의 위치가 산출된다. 이 측정으로부터(Lsp)면에서 피측정물을 절단한 경우의 단면형상이 얻어진다. 다음에(Lrp)의 방향

을 고정하고(Lsp)의 방향

을 주기적으로 변화시키면 상술과 마찬가지로해서 측정을 할 수가 있다. 이 경우는 (Lrp)면에서 절단된 단면형상이 구해진다.

제46b도는 판상광(Lsp)을 축ξ에 수직으로 취하고 판상시야(Lrp)를 축 ξ을 포함하여 그 주위에 회전할 수 있도록 설치한 경우이다. (Lrp)면의 방향

를 주기적으로 변화시켜 수광소자어레이의 출력단자를 주기적으로 소인하여 신호출력이 생기고 있는 수광소자의 위치로부터

를 구하고 그 출력을 타이밍신호로서 사용하여

을 구한다. 이것에 의해서 측정점의 위치를 산출할 수가 있다. 이 경우는 (Lsp)면에 의하여 피측정물을 절단한 절단면의 형상이 얻어진다.

예13. 제26도(페어형)

하나의 동광선면(Ls(t))과 1쌍의 판상시야(Lrp')및 (Lrp'')를 도면과 같이 동일평면 Sb 내에 설치한 경우이다. 앞에서 상세하게 설명하였므로 여기에서는 생략한다. 수광소자 어레이속에서 신호출력이 생기고 있는 수광소자의 위치를 (Lrp')와 (Lrp'')로 거의 동시각에 구하지 않으면 안된다. 이때문에 수광소자 어레이속의 소자배열의 밀도를 충분히 조밀하게하여 그 소자출력단자를 충분히 빠른속도로 소인하여 구하던가 또는 수광소자 어레이의 소자밀도가 충분히 조밀하지 않을때는 2개의 수광기로부터 가장 접근하여 출력되는 신호에 의거하여 휘점의 위치를 보간법(補間法)에 의하여 보정하여 구하지 않으면 안된다.

측정계

측정계의 구성, 측정방법은 앞에서 예거한 투광계, 수광계의 구성에 의하여 다르나 그 기본적 사고방식, 측정의 구체적 방법은 유사하고 있으므로 다음에 예를들어 설명해둔다.

측정회로 1 제47도

여기서는 제42도의 투광계(Ls(t))수광계(Lr(t))를 사용하고 수광기의 앞에는 신호광을 통하는 빛의 밴드패스필터를 가지고 수광기의 시선방향으로 초점을 조정하기 위한 보조광 Lfoc을 설치하고 신호광 Ls에는 변조 μS를 가하여 보조광 Lfoc에는 변조 μfoc를 가한다. 이 경우의 측정회로를 제47도에 표시하였다.

도면에 있어서 투광기(22)로 μS인 변조를 변조기(101)에 의해서 가해진 빛을 피측정물(24)의 표면에 투사하여 그 방향을 구동회로(102)에 의하여 시간관수

를 주기적으로 바꾼다.

수광기(23)에서 빛의 밴드패스필터, 결상용렌즈(28), 수광소자(s)를 지니고 그 시선과 일치하는 방향으로 초점조정 및 비교기준을 위한 보조광 Lfoc을 설치하고 Lfoc는 파장은 투광기의 신호광과 같으며 신호광과 다른 변조μfoc를 변조기(103)에 의해서 부여되고 있다고 한다. 또한 수광기(23)전체는 그 방향

을 구동회로(104)에 의해서 주기적으로 변화된다. 지금

와

의 변화를 예컨대

로하고 또한 시점궤적과 휘점궤적을 거의같은 길이로 되도록 해두면 시선의 1진폭의 사이에 휘점과 시점과는 적어도 n회 겹친다. 휘점과 시점이 겹쳐진때는 수광기 수광소자(s)의 출력에는 [신호광 Ls+보조광 L_foc+아아크잡음광]의 광필터통과 성분에 대응하는 전기출력이 얻어지며 휘점이 시점에 겹쳐있지 않을때는 수광소자(s)의 출력에는 [보조광 L_foc+아아크잡음광]의 광필터 통과성분에 대응하는 전기출력이 얻어진다. 따라서 s의 출력을 복조기 (105s 및 105f)로 복조하면 아아크와 잡음성분은 거의 없어지며 변조신호

에 대응하는

와

가 각각 복조기(105s, 105f)로부터 얻어진다.

제산기(106)에 의하여 비

를 구한다. 이 비와 정수(K)를 비교기(107)에 의하여 비교하여

의 경우는 휘점과 시점은 겹쳤다고 판정하고

의 경우는 휘점과 시점은 겹치지 않았다고 판정한다.

k로 된때는 샘플링펄스(또는 타이밍 펄스라고 한다)가 생겨 샘플링 회로(108_R, 108_L)에 보내진다.

샘플링회로(108_R,108_L)는 각각

의 치를 샘플링하여 그치를 디지탈화하여 마이크로컴퓨우터로 이루어진 처리장치(111)에 보내진다. 도면의 구동회로(104)는 수광기(23)의 방향

의 구동을 행함과 동시에

의 치를 샘플링 회로(108_R)에 입력한다. 구동회로(102)는 구동회로(104)와 마찬가지로 투광기(22k)에 대하여 광비임각

을 변화시키는 구동신호를 부여함과 동시에 각도신호

을 발생시킨다. 구동회로(104)는 예컨대 수광기(23)전체를 펄스모우터로 회동하는 경우는 펄스모우터의 펄스제어회로이며 또 수광기(23)로서 제5도에 표시한 투광기와 같은 검류계형 회동미러 (38)를 사용한 것의 경우는 3각파 전압에 의한 구동회로를 사용할 수 가 있다. 검류계형미처(38)의 대힌으로 회전미러를 사용하고 시선을 한방향만으로 소인하여도 좋다. 이들 3개의 경우 수광기는 1개의 수광소자를 지닌다. 또 수광소자 어레이를 지닌 수광기를 사용하여도 된다. 복조기(105f)의 출력인 보조광의 변조성분

은 처점 조정회로(112)에 주어지며

가 극대로 되도록 수광소자와 렌즈와의 거리를 조정한다. 또한 계측헤드 전체를 피측정물(24)에 대하여 이동하고 고정된 수광소자(S)의 위치에 결상되게 한다. 이와같은 수광신호가 극대로 되도록 초점조정을 하는 대신에 렌즈와 표면(J)과의 거리 1R(식5에 있어서의 1RM)의 제1차 측정치를 사용하여 경상위치를 f, 1R/(1R-f)에 의하여 산출하고 그것을 사용하여 초점을 조정하여 다시 측정하고 초점 조정을 반복하는 순차적 근사법을 취하는 것도 가능하나 이 방법은 시간이 걸린다.

의 치가 처리장치(111)에 입력되면 그치를 사용하여 측정할 점의 위치가 산출된다.

측정회로예 2. 제48도

위의 예(1)에서 보조광 L_foc을 사용하지 않는 경우는 제48도와 같은 측정회로를 사용한다. 수광기(23)의 출력을 증폭후 2분하여 한쪽을 변조신호 주파수를 중시주파수로 하는 밴드 패스필터(113s), 검파기(114s), 저역여파기(115s)로 이루어지는 복조기(105s)를 통하여 신호광 대응출력 Vs(t)을 꺼내고, 다른쪽을 변조신호 주파수를 중심주파수로 하는 밴드 엘리미네이션필터(113n), 검파기(114n), 저역여파기(115n)로 이루어지는 복조기(105n)를 통하여 잡음대응의 출력 Vn(t)을 구하고 다시 제산기 (106)에 의해서 비 Vs(t)/Vn(t)를 구한다. 이 비와 정수(k)를 비교기(107)에 의하여 비교하여 Vs(t)/Vn(t) k의 경우는 휘점과 시점은 겹쳐져 있다고 판정하고 Vs(t)/ Vn(t)＜k의 경우는 휘점과 시점과는 겹쳐져 있지 않다고 판정한다.

Vs(t)/Vn(t) k인때는 비교기(107)로부터 샘플링펄스를 발생시킨다. 이 샘플링펄스으 타이밍으로 샘플링회로(108_R,108_L)에 의하여

를 샘플링하여 그치를 디지탈화하여 처리장치(111)에 입력하는 것은 예1과 마찬가지이다. 초점 조정은 제1차의 1_R, 1_L를 사용하여 결상위치를 산출하고 상술의 방법에 준하여 순차적으로 초점조정을 한다. 제47도에 대하여 기술한 바와 마찬가지로 여러가지 형태의 수광기(23)를 사용할 수가 있다. 기타의 것을 생략한다. 구체예로서, 피용접물 표면의 폭20cm를 길이방향으로 측정하는 경우를 취한다. 폭 방향의 측정간격 0.2cm, 측정점수 20/0.2=100점 폭 20cm의 측정시간 0.2sec . 광비임의 지름 0.02cm, 수광기렌즈의 초점거리 4cm, 측정헤드와 피측정물과의 거리 50cm, 시점의 표면 J상에서의 속도 100cm/sec, 휘점의 표면 J상에서의 속도 10⁴㎝/sec로 하면 휘점과 시점과의 겹쳐지는 시간은 4.04

광비임의 변조 주파수를 2.475MHz로 하면, 휘점과 시점이 겹쳐져 있는 시간내에 약 10파가 포함되므로 변조파는 충분히 검출된다.

또 처리장치(마이크로컴퓨우터)(111)에 허용되는 1점의 계산시간은 1.6×10^-3sec이므로 충분한 계산시간을 취할수가 있다.

측정회로 예3. 제49도

제25도(제26도)에 표시한 페어형 계측헤드의 측정회로를 제49도에 표시하였다. 광비임의 변조는 앞의 예와 마찬가지이다. 수광기의 출력측은 제50도와 같이 구성되며 절환스위치(121)는 스위치 제어회로(122)에 제어되고 수광소자(29)의 출력을 고속으로 순차적으로 절환하여 그 출력을 복조기(105)에 입력하고 복조출력은 식별기(123',123'') 에 의하여 그 속에 변조성분의 유무를 식별하여 변조성분이 포함되어 있을때에만 샘플링 펄스를 발생시킨다.

스위치콘트로울러(122)는 절환스위치(121',121'')의 단자절환을 제어함과 동시에 단자번호발생기(124)에 스위치가 온으로 되어 있는 스위치(121',121'')의 단자번호를 발생시킨다. 식별기(123',123'')가 변조성분을 검출하였을때 발생된 샘플링펄스는 단자번호발생기(124)로부터 단자번호를 샘플링하여 처리장치(111)에 입력한다. 이 단자번호는 수광소자의 위치에 대응하고 있으므로 제26도의 xi', xi''

에 대응하고 있다. 휘점의 상이 1개의 수광소자 위를 통과하는 사이에 절환스위치는 확실하게 그것을 포착하지 않으면 안되므로 휘점상이 1개의 수광소자를 통과하고 있을 기간에 절환스위치는 전수광소자 단자를 한바퀴 돌아서 소인하지 않으면 안된다. 그리고 또 수광소자(23a)측과 (23b)측에서 휘점과 시점의 겹침이 동시에 생긴다고는 할 수 없으므로 휘점과 시점의 매회의 겹침을 시간적 시이퀀스로서 처리장치(111)에 입력하고 수광기(23a,23b)와의 동시간에 있어서의 휘점위치를 보간하여 구하고 그치를 사용하여 제26도에 표시한 xA,yA,yi'의 근사치를 산출하고 yi'를 사용하여 초점 제어부(125)에 의하여 수광기(23a,23b)의 초점거리의 자동조정을 한다. 이들은 모두 처리장치 (111)을 사용하여 행하는 것으로 한다.

이 초점조정을 충분한 정밀도를 얻어질때까지 반복하여도 좋다.

초점 조정이 종료후 소망하는 측정이 행하여진다.

근사치적으로 구한 yi'에 의거하여 수광기(23a,23b)의 초점을 조정하는 대신에 계산한 y_A의 근사치에 의거하여 계측헤드를 물체(24)에 대하여 이동하고, 이 조정을 필요에 따라서 반복하여도 좋다.

제51도는 제45a도에 표시한 계측원리를 사용하여 피용접물의 표면형상을 측정하기 위한 계측헤드의 배치의 구체예를 표시한다. 광선[Lrp] 및 시선[(Lr(t)]의 정의는 제45a도의 것과 같으므로 설명을 생략한다. 도면에 표시된 바와같이 계측헤드(32)의 축(ξ)이 예컨대 용접선상에 거의 평행으로 배치되어 동시선면[Lr(t)]과 축(ξ)이 이루는 각

을 일정하게 유지하여, 판상광선[Lsp]과 축

이 이루는 각

을 시간과 동시에 변화시킨다. 이 구성에 의하면 피용접물체의 접촉부의 저부의 검출이 용이하게 행하여진다. 예컨대 판상광 Lsp의 요동속동에 대하여 시선 Lr(t)의 요동속도를 충분히 크게하면 시선(Lr(t))의 일회의 소인에 의해 2개의 휘점(A¹,A²)을 골짜기부에 있어서 검출한다. 판상광의 방향각v

을 증가하여가면 이 2개의 휘점(A¹,A²)은 점차로 접근되어 용접부의 최저부에 있어서 하나로 겹쳐진다. 따라서 시선(Lr(t))의 소인에 의해서 휘점이 하나만 검출된때가 최저부를 검출한때이며, 그 휘점의 위치가 제45a도에 있어서 시점이 휘선과 교차한때의 (θ_L(t)),

가 얻어지면 휘점 A의 위치

는 다음식에 의해서 정해진다.

즉 동시선면[Lr(t)]을

면과 일치시키면 식(10)은 다음식과 같이 간단하게 된다.

이 경우는 제45b도와 같은 측정원리로 된다. 그 투광기 및 수광기로서 요동미러를 사용한 구체예를 제52도에 표시하였다. 제52도에 있어서 투광기(22)는 중심이 O_L과 일치하고 축

을 중심으로 요동하는 미러(131)의 ξ축상에 놓여져 O_L에 향하여 빛을 사출하는 레이저다이오우드(33)의, 레이저다이오우드(33)와 요동미러(131)의 사이에 있어서 축(ξ)상에 놓여지고 레이저광을 파상광으로 하는, 원통상 투광렌 즈(132)를 가지며, 판상광선은 요동미러(131)에 의하여 반사되어 물체상에 휘선을 형성한다. 수광기(23)는 중심이 O_R과 일치하여 축

과 일치된 광축을 가진 렌즈( 135)의 축

상에 놓여지고 축(ξ)과 평행한 직선을 중심으로 요동하는 요동미러 (133)와, 미러(133)의 중심을 통과하여 축

과 평행한 직선상에 놓여진 수광소자 (134)를 가지며, 미러(133)의 각도위치에 의하여 정해지는 휘선

상의 임의의 점A를 렌즈(135)에 의해서 수광소자(134)상에 결상한다. 요동미러(133)의 회동에 의해서 동시선 Lr(t)을 소인한다. 레이저다이오우드(33)의 원통상렌즈(132)의 위치는 ζ_Lξ면내에라면 임의의 선택하여도 좋다. 또 수광소자(134)의 위치는 ζ_Rζ_R면내에라면 임의로 선택하여도 좋다. 요동미러(131), (133)는 예컨대 제5도의 실시예에 있어서 사용한 것과 같은 카르바노미터형이나 회전미터라도 좋다. 이와같이 요동미러(133)에 의해서 시선을 소인하고 있기때문에, 수광소자는 하나이며, 따라서 제6도에 있어서의 절환스위치회로(63) 및 주사카운터(62)는 불필요하게 되어 제어회로가 간단하게 된다. 물론 제5도 및 제6도에 표시한 실시예와 마찬가지로 요동미러(133) 및 단일 수광소자(134)를 사용하지 않고 제52도에 파선으로 표시한 바와같이 렌즈(135)의 결상면내에서 축

과 평행으로 수광소자 어레이(29)를 설치하여도 좋다.

Claims

계측헤드의 본체상에 설치되어 레이저광비임을 용접될 물체에 투사하기 위한 투광수단과 상기 투사되는 레이저광비임의 광강도를 50KHz이상의 변조신호로 변조하기 위한 변조수단과, 상기 투광수단으로 일정거리 떨어져서 상기 계측헤드 본체상에 설치되고 상기 용접될 물체의 표면으로부터 상기 광비임의 반사광을 수광하여 전기신호로 변환하여 출력하기 위한 수광수단과, 상기 수광수단으로부터의 변환된 전기신호로부터 상기 광비임의 변조성분을 복조(複調)하기 위한 복조수단과, 상기 물체의 표면에서 상기 광비임에 의한 휘점 또는 휘점 배열 또는 휘점궤적 또는 휘선과 상기 수광수단에 의한 시점 또는 시점배열 또는 시점궤적 또는 시야선이 적어도 하나의 점에서 교차하도록 상기 투광수단의 투광각 및 또는 상기 수광수단의 수광각을 주기적으로 변화시키기 위한 소인(掃引)수단과, 상기 복조수단의 출력에 의해 상기 광비임의 변조성분이 얻어졌을때의 상기 투광수단의 투광각과 상기 수광수단의 수광각을 검출하여 이들 투광각과 수광각으로부터 3각측량의 원리에 의해 미리 준비된 프로그램에 따라서 상기 물체의 표면상의 교차점의 위치를 계측할점의 위치로서 산출하기 위한 처리장치를 포함한것을 특징으로하는 용접기 계측헤드.
제1항에 있어서, 상기 처리장치는 상기 투광수단의 투광각을 나타내는 신호를 방생시키는 투광각 신호발생수단과 상기 수광수단의 수광각을 나타내는 신호를 발생시키는 수광각 신호발생수단과, 상기 복조수단의 복조출력을 타이밍신호로 하고 그 타이밍신호가 얻어졌을때의 상기 투광각 신호발생수단 및 상기 수광각 신호발생수단으로부터의 투광각 신호를 샘플링하기 위한 샘플링수단과, 상기 투광각 신호 및 상기 수광각 신호를 받아 이로부터 상기 변조성분이 얻어졌을때의 투광각과 수광각을 결정하여 상기 계측할점의 위치를 산출하기 위한 마이크로컴퓨우터 수단을 포함한 것을 특징으로하는 용접기 계측헤드.
제2항에 있어서, 상기 투광수단에 의한 광비임의 투광선과 상기 수광수단에 의한 수광의 시선은 동일 평면내로 되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 용접기 계측헤드.
제3항에 있어서, 상기 소인수단은 상기 투광수단의 투광각(θ_L)을 주기적으로 변화시키기 위한 제1의 편향수단과 상기 수광수단의 수광각(θ_L)을 주기적으로 변화시키기 위한 제2의 편향수단을 가지며, 상기 수광수단은 수광렌즈계와 그 수광렌즈계의 결상(結像)면상에 배치되어 수광신호를 전기신호로 변환하기 위한 수광소자를 포함한 것을 특징으로하는 용접기 계측헤드.
제4항에 있어서, 상기 수광수단의 시선과 일치하는 방향으로 광비임을 상기 물체에 투사하기 위한 제2의 투광수단과 그 제2의 투광수단에 의해서 투사되는 광비임에 의한 변조와 다른 제2의 변조를 주기위한 제2의 변조수단과 상기 수광수단의 출력으로부터 상기 제2의 변조성분을 복조하는 제2의 복조수단과 상기 제2의 복조수단에 접속되어 그 출력이 최대로 되도록 상기 수광수단의 결상위치를 조정하기 위한 수단을 다시 포함하는 것을 특징으로하는 용접기 계측헤드.
제5항에 있어서, 용접기 계측헤드는 상기 제1 및 제2의 복조수단에 접속되어 그들의 보조출력의 비를 반드는 나눔셈회로와 상기 나눔셈회로의 출력치와 미리 결정된 값이 부여되어 그들의 값을 비교하기 위한 비교수단을 포함하고 상기 비교수단의 출력은 상기 타이밍신호로서 상기 샘플링수단에 부여되는 것을 특징으로 하는 용접기 계측헤드.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2의 변조수단의 변조는 서로 상이하는 주파수에 의한 광강도 변조인 것을 특징으로 하는 용접기 계측헤드.
제5항 도는 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2의 투광수단에 의해 투사되는 광비임은 서로 거의 같은 파장성분을 가지고 있는 것을 특징으로하는 용접기 계측헤드.
제5항에 있어서, 상기 결상위치 조정수단은 상기 계측헤드를 이동하여 상기 물체까지의 거리를 조정하는 수단인 것을 특징으로하는 용접기 계측헤드.
제4항에 있어서, 상기 수광수단의 출력중의 상기 변조수단에 의한 변조성분 이외의 노이즈성분을 출력하는 제2의 복조수단과 상기 제 상기 제1 및 제2의 복조수단에 접속되어 그들의 출력의 비를 만드는 나눔셈회로와 상기 나눔셈회로의 출력치와 미리 정해진 값이 부여되고 그것들의 값을 비교하기 위한 비교수단을 포함하고 상기 비교수단의 출력은 상기 타이밍신호로서 상기 샘플링수단에 부여되는 것을 특징으로하는 용접기 계측헤드.
제10항에 있어서, 상기 마이크로컴퓨우터 수단은 산출된 상기 물체상의 계측되는 점의 위치로부터 다시 상기 수광렌즈에 의한 상기 계측되는 점의 결상위치를 프로그램에 따라서 산출하여 결상위치신호로서 출력하도록 되어 있고 상기 계측헤드는 상기 산출된 결상위치신호가 부여되어 그 결상위치에 수광소자를 맞추기 위한 초점조정수단이 설치되어 있는 것을 특징으로하는 용접기 계측헤드.
제11항에 있어서, 상기 산출된 상기 계측되는 점의 위치를 나타내는 신호가 상기 마이크로컴퓨우터 수단으로부터 부여되어 상기 투광수단의 초점 조정하는 수단이 설치되어 있는 것을 특징으로하는 용접기 계측헤드.
제4항에 있어서, 각 상기 제1 및 제2의 편향수단은 회동미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접기 계측헤드.
제1항에 있어서, 상기 수광수단은 수광렌즈계와 그 수광렌즈계에 의한 결상면상에 배열된 복수의 수광소자 어레이를 가지며, 상기 주사수단은 상기 투광수단으로부터의 광비임의 투광각을 동일평면내에서 요동하여 상기 물체의 표면상에 요동하는 휘점을 만들기위한 요동수단과 상기 복수의 수광소자의 출력을 순차적으로 절환하여 꺼내서 상기 복조수단에 부여하는 절환스위치 수단을 가지며, 상기 처리장치는 상기 투광수단의 투광각을 나타내는 신호를 발생시키는 투광각 신호발생수단과 상기 복조수단의 출력이 상기 광비임의 변조성분인지의 여부를 결정하여 그 결정의 상태신호를 발생시키기 위한 결정수단과 상기 투광각 신호발생수단으로부터의 투광각신호와 상기 결정수단으로부터의 상기 수광소자 어레이의 각소자에 대한 상기 상태신호를 받아 상기 상태신호로부터 상기 변조성분이 얻어졌을때의 수광각에 대응하는 상기 수광소자 어레이중의 수광소자의 위치를 결정하여 상기 투광각신호 와 상기 결정된 수광소자의 위치로부터 3각측량원리에 의해 상기 계측할점인 수광된 상기 휘점의 위치를 산출하기 위한 마이크로컴퓨우터 수단을 가지며, 상기 투광수단에 의한 광비임의 투광방향과 상기 수광수단에 의한 수광방향은 항상 동일 평면내로 되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 용접기 계측헤드.
제14항에 있어서, 상기 변조수단은 상기 투광수단의 투광비임을 소정의 주파수로광강도 변조하는 수단인것을 특징으로 하는 용접기 계측헤드.
제15항에 있어서, 상기 복조수단은 상기 절환스위치수단으로부터의 상기 변환된 전기신호중의 상기 변조주파수 성분을 꺼내기 위한 협대역 여파기와 상기 협대역 여파기의 출력을 검파하는 제1의 검파기와 상기 제1의 검파기로부터의 검파출력을 평활(平滑)하는 평활회로를 포함하고 상기 결정수단은 상기 절환스위치수단의 출력에 접속되어 상기 협대역 여파기의 통과대역보다 낮은 주파수대(帶)를 통과대역으로 하여 상기 변환된 전기신호중의 잡음성분을 꺼내는 저대역 여파기와, 상기 저대역 여파기의 출력을 검파하기 위한 제2검파기와 상기 제2검파기의 검파출력을 평활하는 제2평활회로와 상기 제1 및 제2평활회로의 출력을 비교하여 그 출력을 상기 상태신호로서 출력하기 위한 비교수단을 포함한것을 특징으로하는 용접기 계측헤드.
제16항에 있어서, 상기 절환스위치수단의 절환속도와 상기 변조주파수의 관계는 상기 절환스위치수단이 상기 수광소자 어레이의 하나의 수광소자에 접속되어 있는 동안에 상기 변조주파수의 3파 사이클 이상이 얻어지도록 선정되어 있는 것을 특징으로 하는 용접기 계측헤드.
제14항에 있어서 상기 수광소자어레이의 전수광소자를 상기 절환스위치수단으로 주사할때마다 상기 수광소자어레이의 위치를 그의 배열방향으로 p/m의 스텝에서 최대 p(m-1)/m까지 위치 움직이기 위한 수광소자어레이 구동수단을 가지고 있으며, 여기서 p는 상기수광소자어레이의 소자피치, m은 정(正)의 정수인것을 특징으로하는 용접기 계측헤드.
제14항에 있어서, 상기 요동수단은 상기 레이저광비임이 입사되는 요동미러와 그 요동미러를 일정주기로 요동하는 미러 구동수단을 포함하고 상기 투광각 신호발생수단은 상기 요동미러에 의해 반사된 레이저광비임의 요동범위내에 배치된 제1 및 제2광검출소자와 그의 제1 및 제2광검출소자는 측정범위의 양단을 설정하기 위한 제1 및 제2단부신호를 발생시키고 상기 제1의 단부신호를 받아서 제1클록의 계수를 개시하여 그의 계수치를 투광각 신호로서 출력하고 상기 제2의 단부신호를 받아서 상기 계수를 정지하는 투광각 카운터를 가지며, 상기 절환스위치수단은 제2의 클록을 소정수까지 계수하는 것을 반복하여 그의 계수치에 따라서 상기 수광소자어레이의 각소자를 순차적으로 절환하기 위한 주사카운터를 가지며, 상기 제2의 클록속도는 상기 투광각 카운터의 1카운트내에 상기 주사카운터가 상기 소정수까지의 계수를 적어도 1회 행하도록 선정되어 있는 것을 특징으로 하는 용접기 계측헤드.
제19항에 있어서 상기 제2의 클록은 상기 투광각 카운터의 최종 자릿수 올림 출력인것을 특징으로하는 용접기 계측헤드.
제20항에 있어서 상기 제1클록을 보정치만 계수하는 보정용 카운터와 상기 주사카운터와 보정용 카운터를 교호로 동작시키는 수단과 상기 레이저광비임의 요동범위내의 상기 측정범위를 정하는 1단으로부터 상기 주사카운터와 보조용 카운터와의 교호동작을 개시시켜 측정범위의 타단에서 그의 교호동작을 정지시키는 수단과 그의 정지시각과 그의 정지후 상기 주사카운터가 상기 소정의 계수치로된 시각과의 시간차를 검출하여 그의 시간차에 대응하여 상기 보정치를 증감시키는 수단을 포함한것을 특징으로하는 용접기 계측헤드.
제14항에 있어서, 상기 피용접물체와 이것을 용접하는 용접기 토오치가 용접선에 따라서 상대적으로 이동되고 이 용접기 토오치에 이 계측헤드가 연동되어 상기 레이저광비임의 휘점의 이동이 상기 용접선과 교차하는 방향으로 되고 또한 그 이동의 적어도 한쪽은 등속(等俗)운동으로 되도록 상기 요동수단이 구성되어 있는 것을 특징으로하는 용접기 계측헤드.
제14항에 있어서, 상기 수광소자어레이의 소자위에 결상한 휘점상에 대한 휘점의 좌표의 복수개로부터 그의 좌표가 증가경향에 있는 회귀곡선과 감소경향에 있는 회귀곡선을 구하여 상기 좌표변화의 변곡점을 구하는 수단이 상기 처리장치에 설치되고 상기 인접한 휘점좌표의 차분(差分)을 얻는 수단, 그 차분의 부호변화점을 구하는 수단, 그 부호변화점의 그전의 2개의 차분의 차를 구하는 수단, 그 차로부터 상기 부호변화점의 휘점을 상기 회귀곡선 증가경향을 나타내는 그룹에 포함시키거나 감소경향을 나타내는 그룹에 포함시킬 것인가를 판정하는 수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 용접기 계측헤드.
계측헤드의 본체상에 설치되어 레이저광비임을 용접될 물체에 투사하여 휘점을 만들기위한 투광수단과, 상기 투광수단의 양측에 각각 같은 소정의 거리를 두고 동일 직선상에 설치되어 상기 물체의 표면으로부터의 상기 광비임의 반사광을 수광하여 전기신호로 변환하기 위한 제1 및 제2의 수광수단과, 상기 투광수단에 의해 투사되는 광비임을 변조하기 위한 변조수단과, 상기 투광수단으로부터 투사되는 상기 광비임을 정해진 평면내에서 주기적으로 회동하기 위한 회동수단과, 상기 제1 및 제2의 수광수단에 설치된 제1 및 제2의 수광렌즈계와, 상기 제1 및 제2의 수광렌즈계의 결상면내에 설치되고 상기 정해진 평면내에 시선배열을 형성하는 복수의 수광소자로 이루어진 제1 및 제2의 수광소자 어레이와, 상기 제1 및 제2의 수광소자 어레이의 각 수광소자를 상기 광비임을 회동하는 주기로부터 충분히 빠른 주기로 동시에 순차적으로 절환하는 제1 및 제2절환스위치수단과, 상기 제1 및 제2의 절환스위치 수단의 출력으로부터 각각 상기 광비임의 변조성분을 꺼내는 제1 및 제2복조수단과 및 상기 제1 및 제2의 복조수단으로부터 제1 및 제2이 복조출력이 각각 얻어졌을때의 상기 제1 및 제2의 절환스위치수단이 접속한 상기 제1 및 제2수광소자 어레이중의 각각의 수광소자의 위치를 결정하여 이들 결정된 2개의 수광소자의 위치로부터 이들 2개의 수광소자에 의해 수광된 상기 물체상의 휘점위치를 연산하는 수단을 가진것을 특징으로하는 용접기 계측헤드.
제24항에 있어서, 상기 휘점위치를 연산하는 수단은 상기 제1 및 제2복조수단의 출력이 상기 광비임의 변조성분인지의 여부를 판정하는 제1 및 제2판정수단과 상기 제1 및 제2절환스위치수단의 절환에 동기하여 계수하는 카운터수단과 상기 제1 및 제2판정수단의 출력이 변조성분이라고 판정하였을때에 상기 카운터수단의 계수를 각각 상기 결정된 2개의 수광소자의 위치를 나타내는 정보로서 출력하는 스위치 번호 발생수단과 상기 스위치 번호 발생수단으로부터의 상기 위치정보로부터 상기 휘점의 위치를 연산하는 처리장치를 포함한것을 특징으로하는 용접기 계측헤드.
제25항에 있어서, 상기 휘점위치를 연산하는 수단은 상기 제1 및 제2복조수단의 출력이 상기 광비임의 변조성분인지 아닌지를 나타내는 판정신호를 발생시키는 제1 및 제2판정수단과 상기 제1 및 제2의 절환스위치 수단의 절환에 동기하여 계수하는 카운터수단과 상기 제1 및 제2판정수단의 출력과 상기 카운터수단의 계수를 데이터로서 상기 제1 및 제2절환스위치수단의 전환할때마다 취입하여 상기 제1 및 제2절환스위치수단의 절환이 1주기 끝낼때마다 상기 취입한 데이터로부터 상기 제1 및 제2수광소자중의 상기 물체상의 휘점을 수광한 2개의 수광소자의 위치를 결정하여 상기 휘점의 위치를 연산하는 처리장치를 포함한 것을 특징으로 하는 용접기 계측헤드.
제25항 또는 제26항에 있어서 상기 처리장치는 결정한 상기 2개의 수광소자의 위치 X₁', X₁''로부터 상기 휘점의 위치(X_A,Y_A)를

에 의해서 연산하도록 되어 있으며 여기서 d는 상기 투광수단으로부터 상기 제1 및 제2수광수단까지의 거리이며 f는 상기 제1 및 제2수광렌즈계의 초점거리인것을 특징으로하는 용접기 계측헤드.
제27항에 있어서, 상기 처리장치는 상기 제1 및 제2수광렌즈계에 의한 결상위치 y₁'를

에 의해 연산하여 결상위치신호로서 출력하여 상기 계측헤드는 상기 처리장치로부터의 결상위치신호에 따라서 상기 제1 및 제2수광수자 어레이의 위치를 조정하는 초점조정수단을 가진것을 특징으로하는 용접기 계측헤드.
제1항에 있어서, 상기 투광수단으로부터 투사되는 상기 레이저광비임은 상기 물체의 표면에 휘선을 형성하는 판상광비임이며 상기 소인수단은 상기 판상광비임을 포함하는 평면내의 제1의 축과 일치하는 회동축을 가지며 상기 판상광비임을 상기 제1의 축을 중심으로 회동하여 상기 휘선을 그의 직각방향으로 소인하기 위한 상기 투광수단에 속하는 회동미러와 상기 제1의 축으로부터 소정거리의 위치의 상기 제1의 축과 평행한 제2의 축을 포함한 평면내에서 사이 제2의 축상의 1점을 중심으로 상기 수광수단의 시선을 회동소인하여 상기 물체의 표면에 시점궤적을 형성하기 위한 상기 수광수단에 속하는 시선소인수단을 가진것을 특징으로하는 용접기 계측헤드.
제29항에 있어서, 상기 시선의 회동에 의해서 형성되는 동시선면(動視禪面)은 상기 제1 및 제2의 축과 직각으로 교차하는 제3의 축과 90도를 이루고 상기 투광수단은 레이저다이오우드와 그의 레이저다이오우드의 출력광을 판상광으로 수속(收束)하여 상기 판상광비임으로서 상기 회동미러에 입사시키기 위한 원통상렌즈를 가지며, 상기 수광수단은 상기 제2와 제3의 축의 교점을 지나 이들의 축과 직각인 제4의 축과 일치하는 광축을 가진 수광렌즈를 가진것을 특징으로 하는 용접기 계측헤드.
제30항에 있어서 상기 시선소인수단은 상기 제4의 축상에 중심이 놓여지고 상기 제3의 축과 평행한방향으로 회동축을 가진 제2의 회동미러를 가지며 상기 수광수단은 상기 제2의 미러에 의해서 반사된 상기 수광렌즈로부터의 광이 결상되는 위치에 하나의 수광소자를 가진것을 특징으로하는 용접기 계측헤드.
제30항에 있어서, 상기 시선소인수단은 상기 제4의 축과 교차되어 제기 제2외축과 평행한 직선상에 배열된 수광소자 어레이를 가진것을 특징으로 하는 용접기 계측헤드.