WO1992011974A1 - Non-contact digitizing method - Google Patents

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WO1992011974A1
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normal vector
model
axis
measurement
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PCT/JP1991/001764
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Hitoshi Matsuura
Eiji Matsumoto
Original Assignee
Fanuc Ltd
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q35/00—Control systems or devices for copying directly from a pattern or a master model; Devices for use in copying manually
    • B23Q35/04—Control systems or devices for copying directly from a pattern or a master model; Devices for use in copying manually using a feeler or the like travelling along the outline of the pattern, model or drawing; Feelers, patterns, or models therefor
    • B23Q35/08—Means for transforming movement of the feeler or the like into feed movement of tool or work
    • B23Q35/12—Means for transforming movement of the feeler or the like into feed movement of tool or work involving electrical means
    • B23Q35/127—Means for transforming movement of the feeler or the like into feed movement of tool or work involving electrical means using non-mechanical sensing
    • B23Q35/128—Sensing by using optical means
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/41—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by interpolation, e.g. the computation of intermediate points between programmed end points to define the path to be followed and the rate of travel along that path
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37422—Distance and attitude detector

Definitions

  • the present invention relates to a non-contact digitizing method, and more particularly, to a non-contact digitizing method for generating a profile data of a model shape by controlling a posture of a tracer head while structuring a three-dimensional model shape in a non-contact manner. It relates to a contact digitizing method. Background technology
  • This non-contact distance detector uses an optical distance detector, which is fixed to the tip of the tracer head to detect the distance to the model surface. Since there is no fear of damaging the model, it is possible to use a model made of a soft material, and it is expected that the field of application in contour machining will be expanded.
  • the digitizing function the function of following the model shape, detecting its locus data momentarily, and automatically outputting it to NC tape or the like is called the digitizing function.
  • the digitizing data can be calculated without damaging the model surface.
  • the profile accuracy is reduced at the part where the inclination angle of the model is large, and the digital accuracy is high. Timing data could not be obtained.
  • the measurement axis of the tracer head is close to being parallel to the model plane, spots on the model plane will be enlarged in an elliptical shape and distance detection will be performed. Resolution is reduced. Therefore, in order to perform non-contact digitizing with high accuracy, it is necessary to replace the tracer head fixed in the direction perpendicular to the model installation surface (Z-axis direction) with the tracer head in the optimal direction with respect to the model surface. It is necessary to make the model shape by inclining the racer head.
  • the inventor provided two non-contact distance detectors on the tracer head, and based on the measured values obtained by sampling the trace data from the tracer head, the normal vector of the model surface was measured.
  • Has already filed an application to control the tracing of the tracer head in the direction of projection by projecting this normal vector onto a predetermined plane Japanese Patent Application No. No. 19450.
  • the invention of the preceding application is an invention of a non-contact copying control device, in which three points are selected from a plurality of measurement points, two surface vectors are determined from the three points, and the surface vectors are determined.
  • the normal vector is calculated by calculating the outer product of However, when calculating the normal vector, the order in which the surface vectors are multiplied is not fixed, so when the order is switched, two normal vectors with completely regular reflection directions are obtained. would.
  • the present invention has been made in view of such a point, and it is an object of the present invention to provide a non-contact digitizing method capable of always controlling the rotation of a measurement axis of a tracer head in an optimal direction with respect to a model surface. Target.
  • a tracer head in which a tilting measurement axis is rotationally controlled is used on the model surface. Measuring the distances to a plurality of measurement points of the at least three measurement points, and determining two surface vectors based on at least three measured distances; and the measurement points of the measurement axis of the train head The direction of the normal vector is determined from the outer product of the surface vector as long as the angle between the axis vector starting from the angle and the normal vector at the measurement point does not exceed 90 °. And controlling the rotation of the measurement axis of the tracer head based on the projection of the normal vector onto the installation surface of the model, and sequentially generating the profile data.
  • a contactless digitizing method characterized by
  • N Z The Z-axis component (N Z) of the normal vector of the model surface is normally assumed to be N Z ⁇ 0.
  • C there is C in the model shape for non-contact digitizing because there is no part where the model surface is overhanged and the model does not follow the area where NZ is negative.
  • the normal vector when calculating the normal vector, is calculated so that the angle between the axis vector of the measurement axis and the normal vector does not exceed 90 °.
  • the direction of the vector is determined. Therefore, usually, the direction in which the Z-axis component (N Z) of the normal vector satisfies N Z ⁇ 0 is selected. If the model is modeled on a vertical surface or a model shape close to the vertical surface, select the correct normal vector even if there is a measurement error in the non-contact distance detection mechanism or a calculation error in the arithmetic mechanism.
  • the measurement axis of the train head is controlled to rotate in the optimal direction with respect to the model surface.
  • Fig. 1 is a block diagram showing the configuration of a non-contact digitizing control device.
  • FIG. 2 shows the details of the tracer head.
  • Fig. 3 is an explanatory diagram showing the control of the rotation of the tracer head.
  • Figure 4 shows two normal vectors in opposite directions at the measurement point.
  • Figure 5 is a diagram explaining the case where the value NZ of the Z-axis component of the normal vector becomes negative.
  • Figure 6 is a flowchart for calculating the rotation angle.
  • BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • Figure 1 is a block diagram showing the configuration of a non-contact digitizing control device and peripheral devices.
  • R AMI 3 is a temporary data storage device, which stores measurement data from a non-contact distance detection mechanism of a machine tool described later and other temporary data.
  • the non-volatile memory 14 is backed up by a battery (not shown), and various parameters such as a direction, a profile speed, and the like input from the operation panel 2 via the interface 15 are provided. Are stored.
  • the tracer head 4 of the copying machine tool 3 is provided with distance detectors 5a and 5b.
  • the distance detectors 5a and 5b a semiconductor laser or a reflected light type sensor using a light emitting diode as a light source is used.
  • the measured values La and Lb of the distance to the model surface along the measurement axes 4a and 4b are converted to digital values by the AZD converters 16a and 16b in the digitizing controller 1, and are sequentially converted.
  • processor 1 1 Read by processor 1 1.
  • the processor 11 calculates the amount of displacement of each axis based on the digital value obtained by the A / D conversion and signals from the current position registers 19x, 19y, and 19z, which will be described later.
  • the speed commands Vx, Vy, and Vz for each axis are generated by a known technique. These speed commands are converted to analog values by the DZA converters 17x, 17y and 17z and input to the servo amplifiers 18x, 18 and 182.
  • the servo amplifiers 18x and 18y drive the servomotors 32x and 32y of the machine tool 3 based on this speed command, thereby vertically moving the table 31 in the X direction and on the paper. Move in the Y axis direction.
  • the servo amplifier 18 z drives the servo motor 32 z to move the tracer head 4 and the tool 34 in the Z-axis direction.
  • Servo motors 32x, 32y and 32z have pulse coder 33x, 33y and 33z that generate detection pulses FPx, FPy and FPz each time they rotate a predetermined amount. Is set up.
  • the current position registers 19X, 19Y, and 19Z in the digitizing control device 1 output the detection pulses FPx, FPy, and FPz according to the rotation direction, respectively.
  • the current position data Xa, Ya and Za in each axis direction are obtained and input to the processor 11 as control data.
  • the processor 11 samples the measured values La and Lb of the distance detectors 5 and 5b at a predetermined sampling time at the same time as controlling the above axes, and uses this.
  • the normal vector of the model surface is obtained by the calculation method described later.
  • Normal vector A rotation command SC is formed corresponding to the projection vector on the X—Y plane of the XY plane, and is converted into an analog value by the DZA converter 17c.
  • the servo amplifier 18c drives the servomotor 32c based on the rotation command SC, and controls the rotation while tilting the measuring axis 4a of the train head 4 at a predetermined angle about the Z axis.
  • the table 31 moves in the commanded direction and at the commanded speed, and the workpiece 35 is machined in the same shape as the model 6 by the tool 34, which is controlled in the Z-axis similarly to the tracer head 4. Is done.
  • the Z axis of the correct normal vector is caused by the measurement error in the distance detectors 5 a and 5 b and the calculation error in the processor 11.
  • the direction component value NZ may be negative.
  • the calculation method for determining the direction of the normal vector is changed, and even if the value of NZ is negative, the projection vector of the normal vector on the XY plane is calculated. If it is not selected and the rotation command SC is not formed, the posture of the tracer head 4 rotates in the reverse direction contrary to the intention.
  • the processor 11 measures the measurement axis 4 a of the tracer head 4 on the model 6 surface. Calculate the outer product of the surface vector and calculate the direction of the normal vector as long as the angle between the axis vector starting from the point and the normal vector at this measurement point does not exceed 90 °. Is determined.
  • FIG. 2 is a detailed view of the tracer head 4.
  • a tracer 5a is attached to the tracer head 4 at an angle of ⁇ with respect to the Z axis, and this measuring axis 4a is Rotate at the command angle c of the rotation command SC.
  • a distance detector 5b is attached so as to overlap the outside of the distance detector 5a, and the rotation is similarly controlled by the command angle ⁇ c.
  • the rotation of the measurement axis 4a of the distance detector 5 is controlled so as to be in the optimum direction with respect to the inclination angle of the surface of the model 6, that is, the position closest to the normal line of the model 6.
  • the measured value of the distance detector 5a is fed back to the digitizing controller 1, so that the distance La from the distance detector 5a to the measurement point Pa on the model 6 is one. Is kept constant.
  • This distance L is set to the distance between the intersection of the measurement axis of the distance detector 5a and the Z-axis, and the measurement point Pa does not move even if the tracer head 4 is rotated by the C-axis. Therefore, the distance L between the tracer head 4 and the model 6 is also kept constant.
  • the distance detector 5b measures the distance Lb to the measurement point Pb on the model 6, and inputs the measured value to the controller.
  • the tracer head 4 is moved relative to the model 6 in the X-axis direction at a predetermined tracing speed, and the measurement data at two points Pn and Qn are simultaneously sampled at a predetermined time. You. Based on these measured values and the current position data output from the current position register, points P n— 1, Q n-1, P n, Q n, P n + 1, Q n + 1, ⁇ -The coordinate value of is calculated.
  • the coordinate value (XI, ⁇ 1, ⁇ 1) of the point ⁇ ⁇ From the coordinates (X2, Y2, ⁇ 2) of the point Qn, find the surface vector S1 [X2-X1, ⁇ 2- ⁇ 1, ⁇ 2-Zl]. From the coordinate values of the point ⁇ ⁇ -1 (1 3, ⁇ 3, ⁇ 3) and the coordinate values of the point ⁇ ⁇ (X 1, ⁇ 1, ⁇ 1), the surface vector S 2 [X 3 -X1, ⁇ 3- ⁇ 1, ⁇ 3—Zl]. In this case, as the coordinate value of the point ⁇ -11, measured data from the preceding sampling is stored in RAM 13 or the like. These two surface vectors S 1 and S 2 are given by the following equations.
  • N n S 1 X S 2
  • the normal vector N n at the point P n can be obtained.
  • the Z-axis direction component (N Z) of the normal vector N n of Model 6 is normally assumed to be N Z ⁇ 0.
  • N Z the Z-axis direction component of the normal vector N n of Model 6
  • This angle (9 c changes in response to the slope of model 6, for example at point P q another angle /? Cq. ⁇ 9 c, rotate according to the change of cq.
  • Figure 4 shows two normal vectors in opposite directions at the measurement point.
  • the two surface vectors S 1 and S 2 are determined from the measurement points P, a and b, and the outer product of the surface vectors S 1 and S 2 is calculated to calculate the normal vectors N l and N 2 . That is, when the normal vector is calculated, if the order in which the surface vectors S 1 and S 2 are multiplied is not fixed, when the order in which the multiplications are multiplied is reversed, the two in exactly opposite directions are used.
  • the normal vectors N 1 and N 2 are obtained.o
  • the rotation of the train head 4 does not correspond to the inclination of the model 6 instead.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a case where the surface of the model 6 approaches vertical and the value NZ of the Z-axis direction component of the normal vector at the measurement point P becomes negative.
  • the vertical surface 61 of the model 6 is assumed only when it does not hang over, so that the vertical surface 61 forms an angle with the model mounting surface 62 (" ⁇ 90 °). Therefore, without assuming the axis vector of the measurement axis of the tracer head, that is, the unit axis vector A starting from the measurement point P to which the measurement light is irradiated, two normal lines are assumed. Of the vectors N l and N 2, the vector to be obtained by the outer product operation is vector N 1.
  • the Z-axis component (NZ 1) of the normal vector N 1 is usually Z 1 ⁇ 0.
  • the order in which the surface vectors are multiplied when calculating the normal vectors In order to select the normal vector in the correct direction even if the direction is exchanged, it is usually necessary to select the direction in which the Z-axis component (NZ) of the normal vector is such that NZ ⁇ 0.
  • the vector can be selected, and the measurement axis of the tracer head can be controlled to rotate in the optimal direction with respect to the model surface.
  • the Z-axis direction component (NZ 1) of the normal vector N 1 becomes negative, and In some cases, the Z-axis direction component (NZ 2) of the normal vector N 2 is positive.
  • each axis component (AX, AY, AZ) of the unit axis vector A and the unit normal vector N starting from the measurement point P irradiated with the measurement light is used.
  • NX, NY, NZ
  • the tracer head 4 is measured from the back of the vertical plane 6 1 of the model 6 as shown in Fig. 5.
  • the measurement axis rotates 180 °, making measurement impossible or causing interference with the model surface. The possibility arises.
  • FIG. 6 is a flowchart when the rotation angle is calculated.
  • the number following S ⁇ indicates the step number.
  • the normal vector is obtained based on one of the measurement data at the previous sampling and the measurement data at the two detection points at the current sampling. However, if at least three points on the model surface obtained by the previous and current samplings are specified, two surface vectors starting from one of them can be determined.
  • an optical triangular distance measuring type In addition to the reflected light amount type, an optical triangular distance measuring type, an eddy current type, an ultrasonic type or the like can be used as the distance detector.
  • the present invention can be similarly applied to a digitizing control device having only a function of automatically outputting data from a shape to an NC tape or the like.
  • the measurement axis of the tracer head can always be controlled to rotate in the optimal direction with respect to the model plane.
  • the tracer head is controlled so that the measurement axis of the distance measuring means is oriented in the direction most perpendicular to the model surface so that the measurement accuracy of the distance measuring means does not decrease. Since the measurement is performed stably, distance measurement can be performed with high accuracy, and the tracing accuracy is improved.
  • the digitizing control device of the present invention it is possible to obtain spot data at high speed, at low cost, and efficiently by using a spot method in which a spot light is applied to a model to detect a distance. Can be.

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Description

明 細 書 非接触デジタィ ジング方法 技 術 分 野
本発明は非接触デジタィ ジング方法に関し、 特に 3次元的 なモデル形状を非接触でならいながら、 ト レ一サへッ ドの姿 勢を制御して、 モデル形状についてのならいデータを生成す る非接触デジタィ ジング方法に関する。 背 景 技 術
近年、 非接触距離検出器を使用してモデルの形状をならう 非接触ならい制御装置が開発されている。 この非接触距離検 出器には光学式距離検出器が使用され、 これを ト レーサへッ ドの先端に固定してモデル面までの距離を検出してならいを 行う。 モデルを傷つける心配がないので、 柔らかい材質のモ デルを使用することができ、 ならい加工における適用分野の 拡大が期待されている。
—般に、 モデル形状をならい、 その軌跡データを時々刻々 に検出して N Cテープ等に自動的に出力する機能は、 デジタ ィ ジング機能と呼ばれている。 非接触デジタィ ジング方法に よれば、 モデル面を傷付けることなしに、 デジタイ ジングデ 一夕が算出できる。
と ころで、 従来の非接触ならい制御装置ではモデルの傾斜 角度が大きい部分ではならい精度が低下し、 精度の高いデジ タィ ジングデータを得ることができなかった。 例えばモデル の設置面と垂直に近いモデル面をならう場合に、 ト レーサへ ッ ドの測定軸がモデル面と平行に近くなれば、 モデル面上の スポッ トが楕円状に拡大されて距離検出の分解能が低下する。 そこで非接触デジタイジングを精度良く実行するためには、 モデルの設置面と垂直の方向 （ Z軸方向） に固定した ト レー サへッ ドに代えて、 モデル面に対して最適な方向に ト レーサ へッ ドを傾斜させてモデル形状をならう必要がある。
そこで、 発明者は ト レーサへッ ドに 2つの非接触距離検出 器を設け、 ト レ一サへッ ドからのならいデータをサンプリ ン グした測定値に基づいてモデル面の法線べク トルを求め、 こ の法線べク トルを所定の平面に投影した射影の方向に ト レー サへッ ドを回耘制御するようにした発明を、 既に出願してい る （平成 1年特許願第 1 9 4 5 0 0号） 。
この先行する出願の発明は、 非接触ならい制御装置の発明 であって、 複数の測定点から 3点を選択し、 それら 3点から 2つの表面べク ト ルを決定し、 それら表面べク ト ルの外積を 計算して法線べク ト ルを算出している。 ところが、 法線べク ト ルを算出する際に、 表面べク ト ルを掛ける順番が固定され ないため、 その順番が入れ替わった時に、 全く正反射の向き の 2つの法線べク トルが求まってしまう。
この時、 通常は、 法線べク ト ル Nの Z軸方向成分の値 N Z が正である方が選択されればよい。 しかし、 とりわけ、 垂直 面あるいは垂直面に近いモデル形状についてのならいを行つ ている場合には、 非接触距離検出機構の測定誤差や、 演算機 構での計算誤差などで N Zが負である方が正しい法線べク ト ル Nになってしまう ことがある。 したがって、 上記の非接触 ならい制御装置では、 モデル面の法線べク トルと して相応し く ない方が選択されると、 ト レーサへッ ドの測定軸が 1 8 0 ° 回転し、 測定が不可能になったり、 モデル面と干渉を起こ すという問題点があった。 発 明 の 開 示
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、 常に モデル面に対して最適な方向に ト レーサへッ ドの測定軸を回 転制御できる非接触デジタィ ジング方法を提供することを目 的とする。
本発明では上記課題を解決するために、
3次元的なモデル形状を非接触でならいながら、 モデル形 状についてのならいデータを生成する非接触デジタィ ジング 方法において、 傾斜する測定軸が回転制御される ト レーサへ ッ ドによって、 前記モデル面上の複数の測定点までの距離を 測定して、 少なく とも 3つの測定された距離に基づいて 2つ の表面べク トルを決定するステツプと、 前記ト レ一サヘッ ド の測定軸の前記測定点を始点とする軸べク トルと前記測定点 における法線べク トルとのなす角度が 9 0 ° を越えない範囲 で、 前記表面べク トルの外積から法線べク トルの方向を決定 するステ ップと、 前記法線べク トルの前記モデルの設置面へ の射影に基づいて前記ト レーサへッ ドの測定軸を回転制御し て、 前記ならいデータを逐次に生成するステップと、 を有す ることを特徴とする非接触デジタィ ジング方法が、 提供され o
モデル面の法線べク トルの Z軸方向成分 （N Z ) は、 通常 N Z≥ 0であると想定されている。 非接触デジタイ ジングの ためのモデル形状には、 モデル面がオーバーハングしている 部分はなく、 N Zが負になる領域ではならいを行わないから C、ある。
本発明の非接触デジタイ ジング方法では、 法線べク トルを 算出する際に、 測定軸の軸べク トルと法線べク トルとのなす 角度が 9 0 ° を越えない範囲で、 法線べク トルの方向を決定 している。 従って、 通常は法線べク トルの Z軸方向成分 （N Z ) が N Z≥ 0 となる方が選択される。 垂直面あるいは垂直 面に近いモデル形状についてならいを行っている場合、 非接 触距離検出機構の測定誤差や、 演算機構での計算誤差が発生 しても、 正しい法線べク トルを選択する。 ト レ一サヘッ ドの 測定軸は、 モデル面に対して最適な方向にて、 回転制御され
図 面 の 簡 単 な 説 明 図 1 は非接触のデジタィ ジング制御装置の構成を示すプロ ック図、
図 2はト レ一サへッ ドの詳細を示す図、
図 3はト レ一サへッ ドの回転制御を示す説明図、
図 4は測定点での正反対の向きの 2つの法線べク トルを示 す図、 図 5は法線べク ト ルの Z軸方向成分の値 N Zが負になる場 合を説明する図、
図 6 は回転角度の算出時のフローチ ヤ一トである。 発明を実施するための最良の形態 以下、 本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。 図 1 は非接触のデジタィ ジング制御装置及び周辺装置の構成を示 すプロ ッ ク図である。
デジタイ ジ ング制御装置 1側では、 プロセッサ 〗 1がバス 1 0を介して R O M 1 2に格納されたシステムプログラムを 読みだし、 このシステムプログラムに従ってデジタイ ジング 制御装置 1の全体の動作を制御する。 R A M I 3はデータの 一時記憶装置であり、 後述するならい工作機械の非接触距離 検出機構からの測定データ、 及びその他の一時的なデータを 記憶する。 不揮発性メモリ 1 4は図示されていないバッテ リ でバッ クアップされており、 イ ンタ ーフ ェ ース 1 5を介して 操作盤 2より入力されたならい方向、 ならい速度等の各種の パラメ ータ等が格納される。
ならい工作機械 3の ト レーサヘッ ド 4 には、 距離検出器 5 a及び 5 bが設けられている。 距離検出器 5 a及び 5 bには、 半導体レーザあるいは発光ダイォ一 ドを光源と した反射光量 式のセンサ等が使用される。 測定軸 4 a , 4 bに沿うモデル 面までの距離の測定値 L a及び L bは、 デジタィ ジング制御 装置 1 内の A Z D変換器 1 6 a及び 1 6 bでディ ジタル値に 変換され、 逐次プロセッサ 1 1 に読み取られる。 プロセッサ 1 1は A / D変換されたディ ジタル値と後述す る現在位置レジスタ 1 9 x、 1 9 y及び 1 9 zからの信号に 基づいて各軸変位量を算出すると共に、 この変位量と指令さ れたならい方向、 ならい速度に基づいて、 周知の技術により、 各軸の速度指令 V x、 V y及び V zを発生する。 これらの速 度指令は DZA変換器 1 7 x、 1 7 y及び 1 7 zでアナログ 値に変換され、 サーボアンプ 1 8 x、 1 8 及び 1 8 2に入 力される。 サ一ボアンプ 1 8 x及び 1 8 yはこの速度指令に 基づいてならい工作機械 3のサ一ボモータ 3 2 x及び 3 2 y を駆動し、 これによりテーブル 3 1を X輒方向及び紙面に垂 直な Y軸方向に移動する。 また、 サ一ボアンプ 1 8 zはサ一 ボモータ 3 2 zを駆動し、 ト レーサヘッ ド 4及び工具 3 4を Z軸方向に移動する。
サーボモータ 3 2 x、 3 2 y及び 3 2 zには、 これらが所 定量回転する毎にそれぞれ検出パルス F P x、 F P y及び F P zを発生するパルスコーダ 3 3 x、 3 3 y及び 3 3 zが設 けられている。 デジタイ ジング制御装置 1内の現在位置レジ スタ 1 9 X、 1 9 y及び 1 9 zは検出パルス F P x、 F P y 及び F P zをそれぞれ回転方向に応じて力ゥ ン トアツプ Zダ ゥ ンして各軸方向の現在位置データ X a、 Y a及び Z aを求 め、 制御データとしてプロセッサ 1 1に入力している。
一方、 プロセ ッ サ 1 1 は上記各軸の制御と同時に、 距離検 出器 5 及び 5 bの測定値 L a及び L bを所定のサンプリ ン グ時間毎にサンプリ ングし、 これを使用して後述する演算方 法によってモデル面の法線べク トルを求める。 法線べク ト ル の X— Y平面上への射影べク トルに対応して、 回転指令 S C が形成され、 D Z A変換器 1 7 cによりアナ口グ値に変換さ れる。 サーボアンプ 1 8 cはこの回転指令 S Cに基づいてサ —ボモータ 3 2 cを駆動し、 ト レ一サヘッ ド 4の測定軸 4 a を Z軸廻りに所定角度傾斜しつつ回転制御する。 そして同時 にテーブル 3 1が指令されたならい方向、 ならい速度で移動 して、 ト レーサヘッ ド 4 と同じく Z軸制御される工具 3 4に よってワーク 3 5にモデル 6 と同様の形状の加工が施される。
ところで、 モデル 6の表面が垂直に近づいてく ると、 距離 検出器 5 a及び 5 bでの測定誤差や、 プロセッサ 1 1 での計 算誤差に起因して、 正しい法線べク トルの Z軸方向成分の値 N Zが負になることがある。 この場合に法線べク トルの向き を決定する演算方法を変更して、 上記 N Zの値が負であって も、 その法線べク トルの X— Y平面上への射影べク トルを選 択して回転指令 S Cを形成しないと、 ト レーサヘッ ド 4の姿 勢が意に反して逆転方向に回転することになる。
このような回耘制御される ト レーサヘッ ド 4の姿勢が安定 しないという問題を解消すべく、 本発明ではプロセッサ 1 1 において、 ト レーザへッ ド 4の測定軸 4 aのモデル 6面上の 測定点を始点とする軸べク トルと、 この測定点における法線 ベタ トルとのなす角度が 9 0 ° を越えない範囲で、 表面べク トルの外積を演算して法線べク トルの方向を決定している。 図 2 は ト レ一サへッ ド 4の詳細図である。 図において、 ト レーサへッ ド 4 には Z軸に対して角度 øだけ傾斜させて距離 検出器 5 aが取り付けられ、 この測定軸 4 aが C軸によって 回転指令 S Cの指令角度 cで回転する。 また、 距離検出器 5 aの外側に重ねて距離検出器 5 bが取り付けられており、 同様に指令角度 ^ cで回転制御される。
これによつて距離検出器 5 の測定軸 4 aは、 モデル 6の 表面の傾斜角度に対して最適な方向、 即ちモデル 6の法線に 最も近づいた位置になるように、 回転制御される。
また前述したように、 距離検出器 5 aの測定値がデジタイ ジング制御装置 1 にフィー ドバッ クされることにより、 距離 検出器 5 aからモデル 6上の測定点 P aまでの距離 L aは一 定に保たれる。 この距離 L は距離検出器 5 aの測定軸と Z 軸との交点までの距離に設定されており、 ト レーサヘッ ド 4 が C軸によって回転しても測定点 P aは移動せず、 したがつ て ト レーサヘッ ド 4 とモデル 6 との距離 Lも一定に保たれる。 同様に、 距離検出器 5 bはモデル 6上の測定点 P bまでの距 離 L bを測定してならい制御装置に入力している。
次に、 ト レ一サヘッ ド 4の回転角度の算出方法について図 3を参照して説明する。
ト レーサヘッ ド 4をモデル 6に対して相対的に X軸方向に、 所定のならい速度で移動させてならいを行うと共に、 所定時 間毎に 2点 P n、 Q nの測定データを同時にサンプリ ングす る。 これらの測定値と現在位置レジスタから出力される現在 位置データに基づいて、 モデル 6上の点 P n— 1 , Q n - 1 , P n， Q n , P n + 1 , Q n + 1 , ♦ - · の座標値を求めて いく。
そして、 例えば点 Ρ ηの座標値 （X I， Υ 1 , Ζ 1 ) と、 点 Q nの座標値 （X 2， Y 2 , Ζ 2 ) から、 表面べク トル S 1 [X 2 - X 1 , Υ 2 - Υ 1 , Ζ 2— Z l〕 を求める。 また、 点 Ρ η— 1の座標値 （Χ 3, Υ 3, Ζ 3 ) と、 点 Ρ ηの座標 値 （X 1， Υ 1 , Ζ 1 ) から、 表面べク ト ル S 2 [X 3 - X 1， Υ 3 - Υ 1 , Ζ 3— Z l〕 を求める。 この場合に、 点 Ρ η一 1の座標値は、 先行するサンプリ ングによる測定データ を R AM 1 3などに格納しておく。 これら 2つの表面べク ト ル S 1， S 2を次式、
N n = S 1 X S 2
(但し、 N n， S I , S 2はベク トルを表す）
によって表面ベク トル S 1 と S 2の外積を演算し、 点 P nに おける法線べク トル N nを求めることができる。 ここでは、 モデル 6の法線べク トル N nの Z軸方向成分 （N Z ) は、 通 常 N Z≥ 0であると想定されている。 非接触デジタィ ジング のためのモデル形状には、 モデル面がォ一バーハングしてい る部分はなく、 N Zが負になる領域ではならいを行わないか らでめる。
次に、 法線べク トル N nを X— Y平面上に投影した射影べ ク トル Nの X軸となす角度 cを次式、
^ c = t a n - 1 ( J n X I n )
但し、 1 11 : べク ト ル1\111の 成分
J n ： ベク トル N nの Y成分
で求め、 この角度 cを C軸の指令値と して出力する。
この角度（9 cはモデル 6の傾斜に対応して変化し、 例えば 点 P qでは別の角度 /? c qとなる。 ト レ一サへッ ド 4はこう した角度 <9 c、 c qの変化に応じて回転する。
図 4は測定点での正反対の向きの 2つの法線べク トルを示 す。 測定点 P , a , bから 2つの表面ベク トル S 1 , S 2を 決定し、 それら表面ベク トル S 1 , S 2の外積を計算して法 線ベク トル N l， N 2が算出される。 すなわち、 法線べク ト ルを算出する際に、 表面べク トル S 1， S 2を掛ける順番が 固定されていなければ、 それらを掛ける順番が入れ替わつた 時に、 全く正反対の向きで 2つの法線べク トル N 1 , N 2が 求まる o
したがってモデル面の法線べク トルとして相応しくない方、 図 4ではべク トル N 2が選択されると、 トレ一サヘッ ド 4の 回転により、 かえつてモデル 6の傾斜に対応しなくなる。
図 5は、 モデル 6面が垂直に近づいて、 測定点 Pにおける 法線べク トルの Z軸方向成分の値 N Zが負になるような場合 を説明する図である。
ここではモデル 6の垂直面 6 1 は、 ォ一バーハングしてい ない場合だけが想定されており、 したがって垂直面 6 1 はモ デル設置面 6 2 と角 " （≤ 9 0 ° ) をなしている。 そこで、 ト レ一サへッ ドの測定軸の軸べク トル、 即ち測定光が照射さ れる測定点 Pを始点とする単位軸べク トル Aを想定するまで もなく、 2つの法線ベク トル N l， N 2のうち、 外積演算に よって求められるべきベク トルは、 ベク トル N 1である。 こ の法線べク トル N 1の Z軸方向成分 （N Z 1 ) は、 通常 Z 1≥ 0である。
法線べク ト ルを算出する際に、 表面べク ト ルを掛ける順番 が入れ替わっても、 正しい向きの法線べク トルを選択するに は、 通常は法線べク ト ルの Z軸方向成分 （N Z ) が N Z ≥ 0 となる方を選択することで正しい法線べク トルが選択でき、 モデル面に対して最適な方向にて、 ト レーサへッ ドの測定軸 を回転制御できる。
ところが、 このような垂直面 6 1 あるいは垂直面に近いモ デル形状についてのならいを行っている場合に、 法線べク ト ル N 1の Z軸方向成分 （N Z 1 ) が負になり、 他方の法線べ ク ト ル N 2の Z軸方向成分 （N Z 2 ) が正で求まるときがあ る。 本発明の非接触デジタイ ジ ング方法では、 測定光が照射 される測定点 Pを始点とする単位軸べク トル Aと単位法線べ ク ト ル Nについての各軸成分 （A X， A Y, A Z ) 及び （N X， N Y, N Z ) が、
Α Χ Χ Ν Χ +·Α Υ Χ Ν Υ + Α Ζ Χ Ν Ζ≥ 0
を満たすか否かによって、 2つの法線ベク トル N l , Ν 2の うちの一方を選択する。 上記式の左辺は、 内積の定理から単 位軸べク ト ル Αと単位法線べク ト ル Nとのなす角度 ^の余弦 (cosine) に等しい。 したがって、 この式が成立しない場合 には、 cos の値が負になり、 角度 ^が 9 0 ° より大き く な つていることを意味するからである。
すなわち、 角度（9が 9 0 ° より大きい法線べク トル N 2力 選択されると、 図 5から明らかなように ト レーサへッ ド 4 は モデル 6の垂直面 6 1 の裏側から測定点を決定しようと して、 回転方向が決定され、 そのまま回転制御されると測定軸が 1 8 0 ° 回転し、 測定が不可能になったり、 モデル面と干渉を 起こす可能性が生じる。
図 6は回転角度の算出時のフロ ーチヤ一トである。 図にお いて、 S Ρに続く数値はステッ プ番号を示す。
〔 S Ρ 1〕 所定時間毎に距離検出器 5 a , 5 bの測定値をサ ンプリ ングする。
[ S P 2 j それぞれの距離検出器の今回の測定値からべク ト ル S 1を求める。
[ S P 3 ] 距離検出器 5 の今回の測定値と前回の測定値か らべク ト ル S 2を求める。
[ S P 4 3 ベク ト ル S 1 とベク ト ル S 2の外積を演算し、 測 定点を始点とする軸べク トルと測定点における法線べク トル とのなす角度が 9 0 ° を越えない範囲で法線べク トル Νの方 向を決定する。
[ S Ρ 5 3 決定'した法線べク トル Νを X— Υ平面に投影した 射影の X軸となす角度 ^ cを算出する。
なお、 上記の実施例では前回のサンプリ ング時の一方の測 定データと、 今回のサンプリ ング時の 2点の検出点について の測定データに基づいて法線べク トルを求めている。 しかし、 少なく とも前回と今回のサンプリ ングによって得られたモデ ル面上の 3点が特定されれば、 その内の 1点を始点とする 2 本の表面べク ト ルを決定できる。
また、 距離検出器には反射光量式の他に、 同じく光学式の 三角測距式、 .あるいは渦電流式、 超音波式等の距離検出器も 使用できる。
なお、 モデルを同時加工するならい機能を持たず、 モデル 形状からのデータを N Cテープなどに自動的に出力する機能 のみを持つデジタィ ジング制御装置についても、 本発明は同 様に適用できることは言うまでもない。
以上説明したように本発明では、 垂直面あるいは垂直面に 近いモデル形状についてのならいを行っている場合に、 非接 触距離検出機構の測定誤差や、 演算機構での計算誤差が発生 しても、 正しい法線べク トルが選択されるから、 常にモデル 面に対して最適な方向に ト レーサへッ ドの測定軸を回転制御 できる。
これによつて、 距離測定手段における測定精度が低下しな いように、 距離測定手段の測定軸をモデル面に対して最も垂 直に近い方向に向けるように、 ト レーサへッ ドの制御が安定 して行われるから、 高精度の距離測定ができ、 ならい精度が 向上する。
したがって、 本発明のデジタィ ジング制御装置によれば、 モデルにスポ ッ ト光を当てて距離を検出するスポ ッ ト方式を 利用して、 高速に且つ低コス トで、 効率良くならいデータを 得ることができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 3次元的なモデル形状を非接触でならいながら、 モデ ル形状についてのならいデータを生成する非接触デジタィ ジ ング方法において、
傾斜する測定軸が回転制御される ト レ一サヘッ ドによって、 前記モデル面上の複数の測定点までの距離を測定して、 少な く とも 3つの測定された距離に基づいて 2つの表面べク トル を決定するステツプと、
前記ト レーサへッ ドの測定軸の前記測定点を始点とする軸 べク トルと前記測定点における法線べク トルとのなす角度が 9 0 ° を越えない範囲で、 前記表面べク トルの外積から法線 べク トルの方向を決定するステップと、
前記法線べク トルの前記モデルの設置面への射影に基づい て前記ト レ一サへッ ドの測定軸を回転制御して、 前記ならい データを逐次に生成するステツプと、
を有することを特徴とする非接触デジタィ ジング方法。
2 . 前記表面ベク トルを決定するステップでは、 3つの測 定された距離に基づいて前記モデル面上の異なる 3点の座標 値を求め、 前記 3点の座標値の一点より他の二点へそれぞれ 向かう第 1及び第 2の平面べク トルを求めることを特徴とす る請求項 1 に記載の非接触デジタイ ジング方法。
3 . 前記法線ベク トルの方向を決定するステップでは、 前 記測定点を始点とする単位軸べク トルと単位法線べク トルに ついての各軸成分 （A X , A Y , A Z ) 及び （N X , N Y , N Z ) が、 A X x N X + A Y x N Y + A Z x N Z≥ 0
を満たすか否かによって、 前記法線べク トルの方向を判定す ることを特徴とする請求項 1 に記載の非接触デジタィ ジング 方法。
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