WO1992011974A1 - Non-contact digitizing method - Google Patents

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。