WO2013054690A1 - レーザートラッカー - Google Patents

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WO2013054690A1
WO2013054690A1 PCT/JP2012/075465 JP2012075465W WO2013054690A1 WO 2013054690 A1 WO2013054690 A1 WO 2013054690A1 JP 2012075465 W JP2012075465 W JP 2012075465W WO 2013054690 A1 WO2013054690 A1 WO 2013054690A1
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WO
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target
counter
angle
information processing
laser
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PCT/JP2012/075465
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French (fr)
Inventor
中島明生
Original Assignee
Ntn株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/66—Tracking systems using electromagnetic waves other than radio waves

Definitions

  • the present invention relates to a laser tracker and, for example, to a technique for measuring spatial coordinates of an object such as a material, a product, a building, or a natural object in a production field or a measurement field.
  • Patent Document 1 a laser tracking technique in which the direction of a laser beam serving as a guide is controlled by a biaxial motor to follow a moving target is known (Patent Document 1).
  • the spatial direction of the moving target can be known using a biaxial encoder attached to the motor.
  • the target is generally a retro-reflector or a reflector using three mirrors each called an orthogonal reflector. In any case, the reflector can return light in the incident direction.
  • laser distance measurement technology has been established.
  • laser interferometers such as Agilent (formerly Hewlett-Packard), Renishaw, etc., measure distances of several meters with a resolution of nanometers.
  • Agilent formerly Hewlett-Packard
  • Renishaw etc.
  • a device that combines these two technologies can measure the distance and spatial angle from the device to the target and determine the spatial position of the target relative to the device. It is. They are commercialized by API (Automated Precision Inc.), FARO, etc., and the principle is disclosed (Patent Document 3).
  • JP-A-62-165114 Japanese Patent Laid-Open No. 5-264215 Special table 2003-506691 gazette
  • the ⁇ -axis motor 50 is rotated at a high speed and high-speed position information is obtained by the encoder 51 in order to cause the laser beam Lb to follow the target Tg.
  • the ⁇ -axis motor 52 must be rotated at high speed and high-speed position information must be obtained by the encoder 53 in order to cause the laser beam Lb to follow the target Tg.
  • high-speed position information must be obtained by the laser length measuring device 54.
  • the laser tracker usually sets the resolution finely when the position signal is output as a pulse. Therefore, the output pulse frequencies of the encoders 51 and 53 and the laser length measuring device 54 are large values. For this reason, there is a case where the position information exceeds the maximum frequency of the counter of the information processing means for inputting the signal, resulting in incorrect position information. Therefore, from these three points, the moving speed of the target Tg is limited, which is inconvenient when used as a measuring instrument.
  • An object of the present invention is to provide a laser tracker that allows a laser beam to follow a target at a higher speed while maintaining accuracy when the target moves.
  • a laser tracker 1 is a laser tracker 1 for obtaining a spatial coordinate of one target Tg provided on a workpiece W, and moves with a laser light source 2 that irradiates the target Tg with a laser beam Lb.
  • Angle adjusting means 3 capable of adjusting the angle of the laser beam Lb about two axes orthogonal to the target Tg, and an angle detecting means for detecting the angle adjusted by the angle adjusting means 3 and outputting the detected angle as a pulse.
  • 4 and a light receiving unit 5 for recognizing the position information of the reflected light of the laser beam Lb reflected by the target Tg, and the reflected light of the laser beam Lb reflected by the target Tg.
  • a distance measuring means 6 for outputting by the scan, and information processing means 7 that processes the measured distance measured by said angle detecting means detects the angle and the distance measuring means 6 detected by 4, respectively.
  • the information processing means 7 includes a plurality of counters 23A, 23B, 24A, 24B that count the number of pulses that are the detection angle detected by the angle detection means 4 or the output of the measurement distance measured by the distance measurement means 6. 25A and 25B, these plural counters can be switched according to the moving speed of the target Tg, and between the angle detecting means 4 or the distance measuring means 6 and any counter in the information processing means 7, A prescaler 8 that divides the pulse input to the counter by 1 / integer is provided.
  • the laser beam Lb emitted from the laser light source 2 reaches the target Tg via the angle adjusting means 3.
  • the reflected light of the laser beam Lb reflected by the target Tg returns to the irradiation source laser tracker 1 through substantially the same path.
  • the light receiving unit 5 recognizes the position information of the reflected light, that is, the positional deviation amount with respect to the reference position of the reflected light.
  • the angle detection means 4 detects the angle adjusted by the angle adjustment means 3 and outputs the detected angle as a pulse.
  • the distance measuring means 6 measures the distance from the laser beam Lb irradiated by the laser light source 2 and the received reflected light to the target Tg and outputs the measured distance as a pulse.
  • the information processing means 7 processes the position signal by the pulse of the detection angle and the measurement distance and converts it into the spatial coordinates of the target Tg.
  • the control unit generally has a maximum input frequency fmax, and must always satisfy f ⁇ fmax. However, it is not preferable to reduce the resolution r in order to increase the moving speed v because accuracy decreases.
  • a prescaler 8 that divides a pulse is provided between the angle detection means 4 or the distance measurement means 6 and any counter in the information processing means 7. Yes.
  • the frequency division number of the prescaler 8 is n
  • the output frequency of the prescaler 8 is 1 / n
  • the signal frequency fin in the information processing means 7 is lowered.
  • fin f / n
  • the speed of the detection angle and the measurement distance are each increased n times, and the movable speed of the target Tg is increased n times.
  • the counter to which the pulses output from the prescaler 8 are input can perform processing at a conventional resolution of 1 / n and n times the speed. Other counters can perform processing at the same resolution and speed as before.
  • the information processing means 7 may synchronize a plurality of counters A and B. Specifically, the count value of the number of pulses counted by the counter A is reset at the edge Eg of the pulse output from one counter B, that is, at the boundary between the pulse “H1” signal and the “L1” signal.
  • the information processing means 7 has a counter A directly connected to the angle detection means 4 or the distance measurement means 6 and a counter B connected to the angle detection means 4 or the distance measurement means 6 via the prescaler 8, the target When the movement speed of Tg is low, the counter A is used for processing with the same resolution as before. When the moving speed of the target Tg is high, processing can be performed at a speed that is a multiple of the frequency division number of the prescaler 8 using the counter B.
  • the information processing means 7 always detects the edge Eg of the counter B, and the number of pulses per unit time, that is, the moving speed has shifted from high speed to low speed based on the pulse output from the encoder or the like. Based on the determination, the count value of the counter A is reset at the edge Eg of the counter B. As a result, the high-resolution and highly reliable data can be obtained by synchronizing the counter A, which has exceeded the maximum input frequency fmax at high speed and the data reliability is lost, and the counter B having a coarse resolution.
  • the information processing means 7A may include one counter and one parallel port 26 instead of a plurality of counters, and the prescaler 8 may be connected to the counter and to the parallel port 26.
  • the counter to which the pulse from the prescaler 8 is input can process at a resolution of 1 / n and a speed of n times that of the prior art.
  • the prescaler 8 outputs the remaining pulses divided by n as parallel data.
  • This parallel data is input to the parallel port 26 in the information processing means 7A. Therefore, the information processing means 7A can process the resolution reduced to 1 / n of the conventional one with the same resolution as the conventional one by combining the counter value and the parallel data as necessary.
  • the information processing means 7 and 7A may be configured such that the frequency division ratio of the prescaler 8 can be switched according to the moving speed of the target Tg. In this case, it can be operated with an optimum frequency division ratio.
  • the counter and the prescaler 8 may be reset at the measurement origin. At the measurement origin, not only the counter but also the prescaler 8 is reset and the count value and the remainder are set to “0”, so that the absolute value from the measurement origin can be made as small as the relative value.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing the principle of a laser tracker according to a first embodiment of the present invention. It is a block diagram of the control system of the laser tracker. It is a block diagram of the principal part of the control system of the laser tracker. 5 is a timing chart of an example using a prescaler and two counters in the laser tracker. It is a block diagram of the principal part of the control system of the laser tracker concerning 2nd Embodiment of this invention. It is the schematic of the laser tracker of a prior art example.
  • the laser tracker follows the movement of one target provided on the measurement object and obtains spatial coordinates.
  • the following description also includes a description of the spatial coordinate measurement method.
  • the target Tg is attached in a stationary state at one place on the measurement object W.
  • a spherical retro reflector is used as the target Tg. However, it is not limited to a spherical retro reflector.
  • the laser tracker 1 mainly includes a laser light source 2, an angle adjusting unit 3, an angle detecting unit 4, a light receiving unit 5, a distance measuring unit 6, an information processing unit 7 (FIG. 2), a prescaler 8 (FIG. 2), and a control unit. 9
  • the laser light source 2 irradiates the target Tg with the laser beam Lb, and the distance measuring means 6 measures the distance to the target Tg using the laser beam Lb reflected by the target Tg.
  • the distance measuring means 6 for example, a length measuring device comprising an interferometer or an absolute distance meter is used.
  • the laser light source 2 and the length measuring device constitute a laser length measuring device which is an integrated device and are accommodated in, for example, a cylindrical casing 10.
  • the angle adjusting means 3 is capable of adjusting the angle of the laser beam Lb around two axes orthogonal to the moving target Tg, and includes a ⁇ -axis motor 11, a ⁇ -axis motor 12, and a half mirror that is an optical device. 13 and mirror 14.
  • the ⁇ axis (Y axis) and the ⁇ axis (X axis) in the ⁇ axis motor 11 and the ⁇ axis motor 12 are two orthogonal axes, and the ⁇ axis is arranged in parallel to the axial center of the cylindrical casing 10.
  • the rotating body 15 is configured to be angularly displaceable about the ⁇ axis relative to the casing 10 via a swivel bearing or the like at the upper end portion of the casing 10.
  • the rotator 15 is configured to be rotatable relative to the casing 10 by the ⁇ -axis motor 11.
  • the motor body of the ⁇ -axis motor 11 is fixed to a substantially central portion at the upper end portion of the casing 10, and the motor shaft of the ⁇ -axis motor 11 is connected to the lower end portion of the rotating body 15 via a driving force transmission means (not shown).
  • a driving force transmission means not shown
  • the ⁇ -axis motor 12 is supported on the upper end of the rotating body 15 via a concave frame 16.
  • the axis of the ⁇ -axis motor 12 is parallel to the ⁇ -axis orthogonal to the ⁇ -axis, and the mirror 14 is attached to the axis of the ⁇ -axis motor 12, and the angle is changed by the motor 12.
  • a hole h through which a laser beam (including reflected light) Lb passes is formed in the upper end portion of the casing 10, the rotating body 15, and the frame 16.
  • the angle detecting means 4 detects the angle adjusted by the angle adjusting means 3 and outputs the detected angle in pulses, and has a ⁇ -axis encoder 17 and a ⁇ -axis encoder 18.
  • the ⁇ -axis encoder 17 outputs a detection angle around the ⁇ -axis from the measurement origin at the target Tg as a pulse.
  • the ⁇ -axis encoder 18 outputs a detection angle around the ⁇ axis from the measurement origin at the target Tg as a pulse.
  • the ⁇ -axis encoder 17 is provided integrally with the ⁇ -axis motor 11, and the ⁇ -axis encoder 18 is provided integrally with the ⁇ -axis motor 12.
  • the laser beam Lb emitted from the laser light source 2 passes through the half mirror 13 and is reflected by the mirror 14 and then reaches the target Tg.
  • the laser beam Lb reflected from the target Tg that is, the reflected light passes through substantially the same path, returns to the irradiation source laser tracker 1, is reflected by the half mirror 13, and reaches the light receiving unit 5 disposed in the casing 10.
  • the light receiving unit 5 recognizes the position information of the reflected light of the laser beam Lb, and is configured by, for example, a semiconductor position detecting element (abbreviated as PSD) or a quadrant photodiode.
  • PSD semiconductor position detecting element
  • the “positional information” of the reflected light represents the displacement amount of the laser spot in the two orthogonal directions on the light receiving unit 5.
  • the control unit 9 controls the ⁇ -axis motor 11 and the ⁇ -axis motor 12 so that the reflected light that has reached the light receiving unit 5 returns to the center of the light receiving unit 5.
  • the distance measuring means 6 Part of the reflected light that has returned to the laser tracker 1 enters the distance measuring means 6 without being reflected by the half mirror 13, and this distance measuring means 6 receives the reflected light and projects the laser beam Lb emitted from the laser light source 2. The distance from the received reflected light to the target Tg is measured, and the measured distance is output as a pulse.
  • the control means 9 includes a ⁇ -axis control unit 19, a ⁇ -axis control unit 20, a ⁇ -axis driver 21, and a ⁇ -axis driver 22.
  • the ⁇ -axis control unit 19 and the ⁇ -axis control unit 20 are composed of, for example, a microcomputer and other electronic devices.
  • the ⁇ -axis control unit 19 and the ⁇ -axis control unit 20 respectively return the laser beam Lb to the ⁇ -axis driver 21 and the ⁇ -axis driver 22 based on the position information signals from the light receiving unit 5 so as to always return to the center of the light receiving unit.
  • the ⁇ -axis motor 11 and the ⁇ -axis motor 12 angularly displace the mirror 14 (FIG.
  • the information processing means 7 processes the detected angle detected by the angle detecting means 4 and the measured distance measured by the distance measuring means 6, respectively.
  • the information processing means 7 includes a ⁇ -axis counter 23, a ⁇ -axis counter 24, and a position counter 25.
  • the ⁇ -axis counter 23 is electrically connected to the ⁇ -axis encoder 17 and counts the number of pulses that is an output of the detected angle of the ⁇ -axis detected by the ⁇ -axis encoder 17.
  • the ⁇ -axis counter 23 includes two counters 23A and 23B. Of these, the counter 23B is connected to the ⁇ -axis encoder 17 via a prescaler 8 that divides a pulse input to the counter 23B by an integer. It is connected.
  • the counters 23A and 23B are configured to be switchable according to the moving speed of the target Tg around the ⁇ axis. As shown in FIG. 2, the control means 9 performs switching control so as to select one of the counters 23A and 23B based on the pulse output from the ⁇ -axis encoder 17. For example, when the control means 9 determines that the moving speed of the target Tg around the ⁇ axis is lower than a predetermined speed (threshold) based on the number of pulses per unit time that is the moving speed of the target Tg. When 23A is selected and it is determined that the moving speed of the target Tg around the ⁇ axis is high, the counter 23B with the prescaler 8 interposed is selected.
  • control unit 9 determines that the number of pulses per unit time is equal to or greater than the “predetermined value”
  • the control unit 9 selects the counter 23B.
  • the “predetermined value” can be arbitrarily set.
  • the control means 9 controls the switching of the counters 23A and 23B, but the information processing means 7 determines the moving speed of the target Tg and controls the switching of the counters 23A and 23B. It may be configured to have a “part”.
  • the ⁇ -axis counter 24 is electrically connected to the ⁇ -axis encoder 18 and counts the number of pulses that are the output of the detected angle of the ⁇ axis detected by the ⁇ -axis encoder 18.
  • the ⁇ -axis counter 24 includes two counters 24A and 24B, and the counter 24B is connected to the ⁇ -axis encoder 18 via the prescaler 8.
  • the counters 24A and 24B can be switched in accordance with the moving speed of the target Tg around the ⁇ axis, and the control means 9 can control the target Tg based on the pulse output from the ⁇ axis encoder 18 as described above.
  • the counter 24A is selected
  • the counter 24B is selected.
  • the position counter 25 is electrically connected to a laser length measuring device as the distance measuring means 6 and counts the number of pulses as an output of the measurement distance measured by the laser length measuring device.
  • the position counter 25 also includes two counters 25A and 25B, and the counter 25B is connected to the laser length measuring device via the prescaler 8.
  • the counters 25A and 25B can be switched according to the moving speed at which the target Tg approaches or moves away from the laser tracker 1, and the control means 9 has a low moving speed of the target Tg based on the output pulse.
  • the information processing means 7 processes the position signal by the pulses from the ⁇ -axis encoder 17, the ⁇ -axis encoder 18, and the laser length measuring device and converts it into the spatial coordinates of the target Tg.
  • the control unit generally has a maximum input frequency fmax, and must always satisfy f ⁇ fmax. However, it is not preferable to reduce the resolution r in order to increase the moving speed v because accuracy decreases.
  • the laser tracker 1 includes the prescaler 8 described above.
  • the frequency division number of the prescaler 8 is n
  • the output frequency of the prescaler 8 is 1 / n
  • the signal frequency fin in the information processing means 7 is lowered.
  • fin f / n
  • the speed of the detection angle and the measurement distance are each increased n times, and the movable speed of the target Tg is increased n times.
  • the counters 23B, 24B, and 25B to which the pulses output from the prescaler 8 are input are processed at a resolution of 1 / n and a speed that is n times that of the prior art. can do.
  • the other counters 23A, 24A, and 25A (collectively referred to as “counter A”) can perform processing at the same resolution and speed as before. Therefore, when the movement speed of the target Tg is low, the counter A without the prescaler 8 is used to achieve the same resolution as before, and when the movement speed of the target Tg is high, the counter B is used to increase the resolution to n. It can be processed at double speed.
  • FIG. 4 is a timing chart of an example using a prescaler 8 and two counters A and B for each axis counter and position counter in this laser tracker.
  • Each prescaler 8 is connected to the counter B as described above.
  • the moving speed of the target Tg shifts from high speed to low speed, as shown in the figure, at the edge Eg of the pulse output from the counter B, that is, at the boundary between the pulse “H1” signal and the “L1” signal.
  • the count value of the number of pulses counted by the counter A is reset.
  • the edge Eg of the counter B is always detected by the control unit provided in the information processing means 7.
  • the control unit resets the count value of the counter A at the edge Eg of the counter B based on the determination by the control unit that the moving speed has shifted from the high speed to the low speed based on the pulse output from the encoder or the like.
  • the total count value K is a value obtained by adding the count value m to nL obtained by multiplying the frequency division number n by the count value L.
  • K nL + m It can be expressed.
  • the movement speed of the target Tg can be reduced.
  • the signal of the counter A becomes K, and the same effect as when the count value of the counter A is reset at the edge Eg of the counter B is obtained.
  • the information processing means 7A may include one counter A and one parallel port 26 instead of a plurality of counters, and the prescaler 8 may be connected to the counter A and connected to the parallel port 26.
  • the counter A to which the pulse from the prescaler 8 has been input can be processed at a resolution of 1 / n and a speed n times that of the prior art.
  • the prescaler 8 outputs the remaining pulses divided by n as parallel data.
  • This parallel data is input to the parallel port 26 in the information processing means 7A. Therefore, the information processing means 7A can process the resolution reduced to 1 / n of the conventional resolution by using the counter A alone by combining the value of the counter A and the parallel data as necessary. .
  • the total count value K is a value obtained by adding the parallel data p to nL obtained by multiplying the frequency division number n by the count value L.
  • K nL + p It can be expressed.
  • the absolute value from the measurement origin is set to be as small as the relative value. Can do.
  • one counter A can be connected to the prescaler 8, and the division ratio n can be switched from the information processing means side according to the moving speed of the target Tg, so that it can be operated at the optimum division ratio. It can also be done. In brief, the frequency division ratio is switched between n and “1”.
  • the prescaler 8 is provided at the next stage of each axis encoder and laser length measuring device, but is not necessarily limited to this example.
  • the prescaler 8 may be provided in the next stage of any one of the ⁇ -axis, ⁇ -axis encoder, and laser length measuring device.
  • Three or more counters may be provided for each axis counter and position counter, and these counters may be switched according to the moving speed of the target Tg.

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Abstract

　レーザートラッカー(1)は、角度検出手段(4)により検出された検出角度および距離測定手段(6)で測定した測定距離をそれぞれ処理する情報処理手段(7)とを有する。情報処理手段(7)は、角度検出手段(4)で検出された検出角度または距離測定手段(6)で測定された測定距離の出力であるパルス数をカウントする複数のカウンタを含み、これら複数のカウンタをターゲットの移動速度に応じて切換可能とする。角度検出手段(4)または距離測定手段(6)と、情報処理手段(7)におけるいずれかのカウンタとの間に、前記カウンタに入力するパルスを整数分の１に分周するプリスケーラ(8)を設けた。

Description

レーザートラッカー 関連出願
　本出願は、２０１１年１０月１１日出願の特願２０１１－２２３６２８の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
　この発明は、レーザートラッカーに関し、例えば、生産分野、計測分野において、素材、生産物や建築物、自然物等の物体の空間的座標を測定する技術に関する。
　従来、ガイドとなるレーザー光の方向を、２軸のモータで制御し、移動するターゲットに追従させるレーザートラッキング技術が公知である（特許文献１）。この場合、モータに取り付けた２軸のエンコーダを用いて、移動するターゲットの空間的な方向を知ることができる。ターゲットはレトロリフレクターあるいは単にリフレクターと呼ばれるそれぞれ直交する３枚の鏡を使用した反射鏡を用いるのが一般的である。このリフレクターは、どのような場合でも入射した方向に光を返すことができる。
　また、レーザーで距離を測る技術は確立されており、例えば、アジレント社(旧ヒューレット・パッカード社)、レニショー社等のレーザー干渉計では、数メートルの距離を、ナノメートル単位の分解能で測定することができる（特許文献２）。
　これら二つの技術を組み合わせた装置は、レーザートラッカーと称されて、その装置からターゲットまでの距離と空間的な角度を測定し、その装置を基準とした、ターゲットの空間位置を特定することが可能である。それらは、API(Automated Precision Inc.)社、FARO社等から商品化されており、その原理が公開されている（特許文献３）。
特開昭６２－１６５１１４号公報 特開平５－２６４２１５号公報 特表２００３－５０６６９１号公報
　図６に示すレーザートラッカーにおいて、ターゲットＴｇが高速で水平方向に移動する場合、レーザービームＬｂをターゲットＴｇに追従させるため、θ軸モータ５０を高速で回転させ、エンコーダ５１により高速な位置情報を得なければならない。また、ターゲットＴｇが高速で垂直方向に移動する場合、レーザービームＬｂをターゲットＴｇに追従させるため、ψ軸モータ５２を高速で回転させ、エンコーダ５３により高速な位置情報を得なければならない。さらに、ターゲットＴｇが高速で接近、あるいは遠ざかる場合は、レーザー測長器５４により高速な位置情報を得なければならない。
　いずれの場合も、通常レーザートラッカーでは、位置信号をパルスで出力する場合、分解能を細かく設定している。そのため、各エンコーダ５１，５３やレーザー測長器５４の出力パルス周波数は大きな値となる。そのため、その信号を入力する情報処理手段のカウンタの最高周波数を超えて、誤った位置情報となる場合がある。したがって、これらの３点から、ターゲットＴｇの移動速度は制限を受けており、測定器として使用する場合不都合となる。
　この発明の目的は、ターゲットが移動するとき、精度を保ちながら、レーザービームをターゲットに、より高速で追従させるレーザートラッカーを提供することである。以下、この発明の概要について、実施形態を示す図面中の符号を用いて説明する。
　この発明のレーザートラッカー１は、測定物Ｗ上に設けられた一つのターゲットＴｇの空間座標を求めるレーザートラッカー１であって、前記ターゲットＴｇに対しレーザービームＬｂを照射するレーザー光源２と、移動するターゲットＴｇに対し、前記レーザービームＬｂを直交する２軸回りにそれぞれ角度調整可能な角度調整手段３と、この角度調整手段３で調整した角度を検出して検出角度をパルスで出力する角度検出手段４と、前記ターゲットＴｇで反射されたレーザービームＬｂの反射光の位置情報を認識する受光部５と、前記ターゲットＴｇで反射されたレーザービームＬｂの反射光を受光し、前記レーザー光源２の照射するレーザービームＬｂと受光した反射光とから前記ターゲットＴｇまでの距離を測定して測定距離をパルスで出力する距離測定手段６と、前記角度検出手段４により検出された検出角度および前記距離測定手段６で測定した測定距離をそれぞれ処理する情報処理手段７とを有する。
　前記情報処理手段７は、前記角度検出手段４で検出された検出角度または前記距離測定手段６で測定された測定距離の出力であるパルス数をカウントする複数のカウンタ２３Ａ，２３Ｂ、２４Ａ，２４Ｂ、２５Ａ，２５Ｂを含み、これら複数のカウンタをターゲットＴｇの移動速度に応じて切換可能とし、前記角度検出手段４または前記距離測定手段６と、情報処理手段７におけるいずれかのカウンタとの間に、前記カウンタに入力するパルスを整数分の１に分周するプリスケーラ８を設けたものである。
　この構成によると、レーザー光源２から発せられたレーザービームＬｂは、角度調整手段３を経由してターゲットＴｇに到達する。このターゲットＴｇで反射されたレーザービームＬｂの反射光は、略同じ経路を通り照射元のレーザートラッカー１に戻る。受光部５は、反射光の位置情報、つまり反射光の基準位置に対する位置ずれ量を認識する。角度検出手段４は、角度調整手段３で調整した角度を検出して検出角度をパルスで出力する。距離測定手段６は、レーザー光源２の照射するレーザービームＬｂと受光した反射光とからターゲットＴｇまでの距離を測定して測定距離をパルスで出力する。情報処理手段７は、前記検出角度および前記測定距離のパルスによる位置信号を処理してターゲットＴｇの空間座標に換算する。
　ここで、ターゲットＴｇの各軸の移動速度をｖ、分解能をｒとすると、位置パルス周波数ｆはｆ＝ｒｖの関係にあり、移動速度ｖを上げると、位置パルス周波数ｆが大きくなる関係になる。また、制御部は一般的に最大入力周波数ｆmaxが決まっており、常に、ｆ＜ｆmaxでなければならない。ただし、移動速度ｖを上げるために、分解能ｒを落とすことは、精度が低下するため好ましくない。
　この問題を解決するため、この発明のレーザートラッカー１では、角度検出手段４または距離測定手段６と、情報処理手段７におけるいずれかのカウンタとの間に、パルスを分周するプリスケーラ８を設けている。プリスケーラ８の分周数をｎとすると、プリスケーラ８の出力周波数は１／ｎとなり、情報処理手段７での信号周波数ｆinが低下する。
　ｆin＝ｆ／ｎ
　これは、最大入力周波数ｆmaxがｎ倍になったものに相当し、最大移動速度ｖがｎ倍になる。つまりプリスケーラ８を設けることで、検出角度および測定距離の速度がそれぞれｎ倍になり、ターゲットＴｇの移動可能速度がｎ倍になる。換言すれば、プリスケーラ８から出力されるパルスが入力されるカウンタでは、従来の１／ｎの分解能、ｎ倍の速度で処理することができる。他のカウンタでは、従来と同等の分解能、従来と同等の速度で処理することができる。
　前記情報処理手段７は、複数のカウンタＡ，Ｂの同期を取るものとしても良い。具体的には、一方のカウンタＢにて出力されるパルスのエッジＥｇ、つまりパルスの「Ｈ１」信号と「Ｌ１」信号との境において、カウンタＡでカウントするパルス数のカウント値をリセットする。情報処理手段７が、角度検出手段４または距離測定手段６に直接接続されたカウンタＡと、角度検出手段４または距離測定手段６にプリスケーラ８を介して接続されたカウンタＢとを有する場合、ターゲットＴｇの移動速度が低速のとき、カウンタＡを使用して従来と同等の分解能で処理する。ターゲットＴｇの移動速度が高速のときには、カウンタＢを使用し、プリスケーラ８の分周数倍の速度で処理することができる。
　例えば、前記情報処理手段７は、常時、カウンタＢのエッジＥｇを検出しておき、エンコーダ等から出力されるパルスに基づき、単位時間当たりのパルス数つまり移動速度が高速から低速に移行したとの判断により、カウンタＢのエッジＥｇでカウンタＡのカウント値をリセットする。これにより、高速時に最大入力周波数ｆmaxを超え、データの信頼性の無くなったカウンタＡと、分解能の粗いカウンタＢの同期を取り、高分解能で信頼性の高いデータとすることができる。
　前記情報処理手段７Ａは、複数のカウンタに代えて、一つのカウンタと一つのパラレルポート２６を含むものとし、プリスケーラ８を前記カウンタに接続すると共に前記パラレルポート２６に接続したものとしても良い。この場合、プリスケーラ８からのパルスを入力したカウンタでは、従来の１／ｎの分解能、ｎ倍の速度で処理することができる。またプリスケーラ８からは、ｎ分周した余りのパルスをパラレルデータとして出力する。このパラレルデータは、情報処理手段７Ａにおけるパラレルポート２６に入力される。したがって情報処理手段７Ａは、必要に応じて、カウンタの値とパラレルデータとを組み合わせて、カウンタだけでは従来の１／ｎに低下した分解能を従来と同等の分解能にして処理することができる。
　前記情報処理手段７，７Ａは、ターゲットＴｇの移動速度に応じて、プリスケーラ８の分周比を切替可能に構成しても良い。この場合、最適な分周比で運用することができる。
　前記カウンタおよびプリスケーラ８を、測定原点でリセットするものとしても良い。測定原点において、カウンタだけでなく、プリスケーラ８もリセットして、カウント値と余りを「０」にすることで、測定原点からの絶対値も相対値と同様に小さな誤差とすることができる。
　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。
　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
この発明の第１実施形態に係るレーザートラッカーの原理を概略的に示す斜視図である。 同レーザートラッカーの制御系のブロック図である。 同レーザートラッカーの制御系の要部のブロック図である。 同レーザートラッカーにおいて、プリスケーラと２つのカウンタを用いる例のタイミングチャートである。 この発明の第２実施形態に係るレーザートラッカーの制御系の要部のブロック図である。 従来例のレーザートラッカーの概略図である。
　この発明の第１実施形態を図１ないし図４と共に説明する。この実施形態に係るレーザートラッカーは、測定物上に設けられた一つのターゲットの動きに追従し、空間座標を求めるものである。以下の説明は、空間座標測定方法についての説明をも含む。図１に示すように、この例では、前記ターゲットＴｇは、測定物Ｗ上の一箇所に静止した状態で取り付けられるものである。ターゲットＴｇとして、例えば、球状のレトロリフレクターが用いられる。ただし、球状のレトロリフレクターに限定されるものではない。
　レーザートラッカー１は、主に、レーザー光源２、角度調整手段３、角度検出手段４、受光部５、距離測定手段６、情報処理手段７（図２）、プリスケーラ８（図２）、および制御手段９を有する。レーザー光源２は、ターゲットＴｇにレーザービームＬｂを照射させるものであり、距離測定手段６は、前記ターゲットＴｇで反射したレーザービームＬｂを用いて前記ターゲットＴｇまでの距離を測定するものである。距離測定手段６として、例えば、干渉計または絶対距離計等から成る測長器が使用される。前記レーザー光源２および測長器は、一体化した機器であるレーザー測長器を構成して例えば筒状のケーシング１０の内部に収容される。
　前記角度調整手段３は、移動するターゲットＴｇに対し、レーザービームＬｂを直交する２軸回りにそれぞれ角度調整可能なものであり、θ軸モータ１１、ψ軸モータ１２、および光学機器であるハーフミラー１３，ミラー１４を有する。θ軸モータ１１，ψ軸モータ１２におけるθ軸（Ｙ軸），ψ軸（Ｘ軸）は直交する２軸であり、θ軸が筒状の前記ケーシング１０の軸心と平行に配置される。回転体１５は、ケーシング１０の上端部において旋回軸受等を介してこのケーシング１０に対し相対的にθ軸回りに角変位可能に構成されている。回転体１５は、θ軸モータ１１によりケーシング１０に対し相対的に回転駆動可能に構成される。例えば、θ軸モータ１１のモータ本体が、ケーシング１０の上端部における略中央部に固定され、θ軸モータ１１のモータ軸が、図示外の駆動力伝達手段等を介して回転体１５の下端部に連結される。
　回転体１５の上端部に、凹形状のフレーム１６を介してψ軸モータ１２が支持されている。ψ軸モータ１２の軸心は、θ軸に直交するψ軸に平行であり、前記ミラー１４は、このψ軸モータ１２の軸に取付けられ、モータ１２によって角度が変えられる。なお、ケーシング１０の上端部、回転体１５、およびフレーム１６には、レーザービーム（反射光も含む）Ｌｂを通す孔ｈが形成されている。
　前記角度検出手段４は、角度調整手段３で調整した角度を検出して検出角度をパルスで出力するものであり、θ軸エンコーダ１７およびψ軸エンコーダ１８を有する。θ軸エンコーダ１７は、ターゲットＴｇにおける測定原点からのθ軸回りの検出角度をパルスで出力する。ψ軸エンコーダ１８は、ターゲットＴｇにおける測定原点からのψ軸回りの検出角度をパルスで出力する。またこの例では、θ軸エンコーダ１７はθ軸モータ１１に一体に設けられ、ψ軸エンコーダ１８はψ軸モータ１２に一体に設けられている。
　レーザー光源２から発せられたレーザービームＬｂは、ハーフミラー１３を透過し、ミラー１４で反射した後前記ターゲットＴｇに到達する。このターゲットＴｇで反射したレーザービームＬｂつまり反射光は、略同じ経路を通り照射元のレーザートラッカー１に戻り、前記ハーフミラー１３で反射され、ケーシング１０内に配置された受光部５に到達する。この受光部５は、レーザービームＬｂの反射光の位置情報を認識するものであり、例えば、半導体位置検出素子（略称ＰＳＤ）または４分割フォトダイオード等により構成される。前記反射光の「位置情報」とは、受光部５上での直交する２軸方向におけるレーザースポットの変位量を表す。制御手段９は、この受光部５に到達した反射光が同受光部５の中心に戻るように、θ軸モータ１１，ψ軸モータ１２を制御する。
　レーザートラッカー１に戻った反射光の一部は、ハーフミラー１３で反射されずに距離測定手段６に入り、この距離測定手段６は、反射光を受光しレーザー光源２の投光するレーザービームＬｂと受光した反射光とからターゲットＴｇまでの距離を測定して測定距離をパルスで出力する。
　図２に示すように、制御手段９は、θ軸制御部１９と、ψ軸制御部２０と、θ軸ドライバ２１と、ψ軸ドライバ２２とを有する。θ軸制御部１９，ψ軸制御部２０は、例えばマイクロコンピュータやその他の電子機器で構成される。θ軸制御部１９，ψ軸制御部２０は、それぞれ受光部５からの上記位置情報の信号に基づいて、θ軸ドライバ２１，ψ軸ドライバ２２に、常にレーザービームＬｂが受光部中心に戻るように指令する。θ軸モータ１１，ψ軸モータ１２は指令値に基づいてミラー１４（図１）を直交するθ軸，ψ軸回りに角変位させる。これによりミラー１４（図１）を常に適切な方向に向ける。θ軸制御部１９、ψ軸制御部２０には、それぞれ、固定されたゲインΚθ、Κψが設定されている。制御手段９は、受光部表面に到達したレーザースポットの位置情報に、ゲインΚθ、Κψを用いて、角度調整手段３による角度を制御する。
　図２、図３に示すように、情報処理手段７は、角度検出手段４により検出された検出角度および距離測定手段６で測定した測定距離をそれぞれ処理するものである。この情報処理手段７は、θ軸カウンタ２３、ψ軸カウンタ２４、および位置カウンタ２５を含む。図２に示すように、θ軸カウンタ２３は、θ軸エンコーダ１７に電気的に接続され、このθ軸エンコーダ１７で検出されたθ軸の検出角度の出力であるパルス数をカウントする。このθ軸カウンタ２３は２個のカウンタ２３Ａ，２３Ｂを含み、これらのうちカウンタ２３Ｂは、同カウンタ２３Ｂに入力するパルスを整数分の１に分周するプリスケーラ８を介して、θ軸エンコーダ１７に接続されている。
　カウンタ２３Ａ，２３Ｂは、ターゲットＴｇのθ軸回りの移動速度に応じて切換可能に構成されている。図２に示すように、制御手段９は、θ軸エンコーダ１７から出力されるパルスに基づいて、カウンタ２３Ａ，２３Ｂのいずれか一方を選択するように切換制御する。例えば、制御手段９は、ターゲットＴｇの移動速度である単位時間あたりのパルス数に基づき、ターゲットＴｇのθ軸回りの移動速度が定められた速度（閾値）よりも低速であると判断したときカウンタ２３Ａを選択し、ターゲットＴｇのθ軸回りの移動速度が高速であると判断したときプリスケーラ８が介在するカウンタ２３Ｂを選択する。例えば、単位時間あたりのパルス数が「定められた値」以上になったと制御手段９が判断したとき、制御手段９はカウンタ２３Ｂを選択する。前記「定められた値」は任意に設定することが可能である。なお、この例では、制御手段９によりカウンタ２３Ａ，２３Ｂの切換を制御しているが、情報処理手段７が、ターゲットＴｇの移動速度の判定を行うと共にカウンタ２３Ａ，２３Ｂの切換を制御する「制御部」を有する構成にしても良い。
　図２に示すように、ψ軸カウンタ２４は、ψ軸エンコーダ１８に電気的に接続され、このψ軸エンコーダ１８で検出されたψ軸の検出角度の出力であるパルス数をカウントする。このψ軸カウンタ２４は２個のカウンタ２４Ａ，２４Ｂを含み、カウンタ２４Ｂはプリスケーラ８を介してψ軸エンコーダ１８に接続されている。前記カウンタ２４Ａ，２４Ｂは、ターゲットＴｇのψ軸回りの移動速度に応じて切換可能とされ、制御手段９は、前記と同様に、ψ軸エンコーダ１８から出力されるパルスに基づいて、ターゲットＴｇのψ軸回りの移動速度が低速であると判断したときカウンタ２４Ａを選択し、移動速度が高速であると判断したときカウンタ２４Ｂを選択する。
　位置カウンタ２５は、前記距離測定手段６としてのレーザー測長器に電気的に接続され、このレーザー測長器で測定された測定距離の出力であるパルス数をカウントする。この位置カウンタ２５も２個のカウンタ２５Ａ，２５Ｂを含み、カウンタ２５Ｂはプリスケーラ８を介してレーザー測長器に接続されている。カウンタ２５Ａ，２５Ｂは、ターゲットＴｇがレーザートラッカー１に対し接近または遠ざかる移動速度に応じて切換可能とされ、制御手段９は、出力されるパルスに基づいて、ターゲットＴｇの移動速度が低速であると判断したときカウンタ２５Ａを選択し、移動速度が高速であると判断したときカウンタ２５Ｂを選択する。したがって情報処理手段７は、θ軸エンコーダ１７、ψ軸エンコーダ１８、およびレーザー測長器からのパルスによる位置信号を処理してターゲットＴｇの空間座標に換算する。
　ここで、ターゲットＴｇの各軸の移動速度をｖ、分解能をｒとすると、位置パルス周波数ｆはｆ＝ｒｖの関係にあり、移動速度ｖを上げると、位置パルス周波数ｆが大きくなる関係になる。また、制御部は一般的に最大入力周波数ｆmaxが決まっており、常に、ｆ＜ｆmaxでなければならない。ただし、移動速度ｖを上げるために、分解能ｒを落とすことは、精度が低下するため好ましくない。
　この問題を解決するため、この実施形態に係るレーザートラッカー１では、前述のプリスケーラ８を設けている。プリスケーラ８の分周数をｎとすると、プリスケーラ８の出力周波数は１／ｎとなり、情報処理手段７での信号周波数ｆinが低下する。
　ｆin＝ｆ／ｎ
　これは、最大入力周波数ｆmaxがｎ倍になったものに相当し、最大移動速度ｖがｎ倍になる。つまりプリスケーラ８を設けることで、検出角度および測定距離の速度がそれぞれｎ倍になり、ターゲットＴｇの移動可能速度がｎ倍になる。換言すれば、プリスケーラ８から出力されるパルスが入力されるカウンタ２３Ｂ，２４Ｂ，２５Ｂ（これらを総称して「カウンタＢ」と称す）では、従来の１／ｎの分解能、ｎ倍の速度で処理することができる。他のカウンタ２３Ａ，２４Ａ，２５Ａ（これらを総称して「カウンタＡ」と称す）では、従来と同等の分解能、従来と同等の速度で処理することができる。したがって、ターゲットＴｇの移動速度が低速の場合、プリスケーラ８の介在しないカウンタＡを使用して従来と同等の分解能とし、ターゲットＴｇの移動速度が高速の場合、カウンタＢを使用して従来よりもｎ倍の速度で処理することができる。
　図４は、このレーザートラッカーにおいて、各軸カウンタおよび位置カウンタにつき、それぞれプリスケーラ８と、２つのカウンタＡ，Ｂを用いる例のタイミングチャートである。各プリスケーラ８は、前記のようにカウンタＢに接続されるものとする。ターゲットＴｇの移動速度が高速から低速に移行した場合、同図に示すように、カウンタＢにて出力されるパルスのエッジＥｇ、つまりパルスの「Ｈ１」信号と「Ｌ１」信号との境において、カウンタＡでカウントするパルス数のカウント値をリセットする。この場合、例えば、情報処理手段７に設けた制御部により、常時、カウンタＢのエッジＥｇを検出する。エンコーダ等から出力されるパルスに基づき移動速度が高速から低速に移行したとの前記制御部の判断により、前記制御部は、カウンタＢのエッジＥｇでカウンタＡのカウント値をリセットする。これにより、高速時に最大入力周波数ｆmaxを超え、データの信頼性の無くなったカウンタＡと、分解能の粗いカウンタＢの同期を取り、高分解能で信頼性の高いデータとすることができる。
　カウンタＡのカウント値をｍ、カウンタＢのカウント値をＬとすれば、総合したカウント値Ｋは、分周数ｎにカウント値Ｌを乗じたｎＬに、カウント値ｍを加えた値となり、
　Ｋ＝ｎＬ＋ｍ
と表せる。
　また、カウンタＢの立ち上がりエッジで、カウンタＡのカウント値をリセットする代わりに、カウンタＡに、分周数ｎにカウント値Ｌを乗じたｎＬをプリセットすれば、ターゲットＴｇの移動速度が低速時や停止時に、カウンタＡの信号はＫとなり、カウンタＢのエッジＥｇでカウンタＡのカウント値をリセットした場合と同様の作用効果を奏する。
　この発明の第２実施形態を図５と共に説明する。情報処理手段７Ａは、複数のカウンタに代えて、一つのカウンタＡと一つのパラレルポート２６を含むものとし、プリスケーラ８を前記カウンタＡに接続すると共に前記パラレルポート２６に接続した構成としても良い。この場合、プリスケーラ８からのパルスを入力したカウンタＡでは、従来の１／ｎの分解能、ｎ倍の速度で処理することができる。またプリスケーラ８からは、ｎ分周した余りのパルスをパラレルデータとして出力する。このパラレルデータは、情報処理手段７Ａにおけるパラレルポート２６に入力される。したがって情報処理手段７Ａは、必要に応じて、カウンタＡの値とパラレルデータとを組み合わせて、カウンタＡだけでは従来の１／ｎに低下した分解能を従来と同等の分解能にして処理することができる。
　パラレルデータをｐ、カウンタＡのカウント値をＬとすれば、総合したカウント値Ｋは、分周数ｎにカウント値Ｌを乗じたｎＬに、パラレルデータｐを加えた値となり、
　Ｋ＝ｎＬ＋ｐ
と表せる。
　また、測定原点で、カウンタＡだけでなく、プリスケーラ８もリセットして、カウント値およびパラレルデータをそれぞれ「０」にすれば、測定原点からの絶対値も相対値と同様に小さな誤差とすることができる。
　さらに、２個のカウンタを使用する代わりに、１個のカウンタＡをプリスケーラ８に接続し、ターゲットＴｇの移動速度によって分周比ｎを情報処理手段側から切換え、最適な分周比で運用できるようにすることもできる。簡単には、分周比をｎと「１」で切換える。図２の例では、各軸エンコーダおよびレーザー測長器の次段にそれぞれプリスケーラ８を設けたが、この例に必ずしも限定されるものではない。例えば、θ軸，ψ軸エンコーダおよびレーザー測長器のいずれか一つの次段にプリスケーラ８を設けても良い。各軸カウンタおよび位置カウンタにつき、３個以上のカウンタを設け、ターゲットＴｇの移動速度に応じてこれらのカウンタを切換えるようにしても良い。
　以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態および応用形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、請求の範囲から定まる発明の範囲内のものと解釈される。
１…レーザートラッカー
２…レーザー光源
３…角度調整手段
４…角度検出手段
５…受光部
６…距離測定手段
７…情報処理手段
８…プリスケーラ
２３Ａ，２３Ｂ…カウンタ
２４Ａ，２４Ｂ…カウンタ
２５Ａ，２５Ｂ…カウンタ
２６…パラレルポート
Ｌｂ…レーザービーム
Ｔｇ…ターゲット
Ｗ…測定物

Claims (5)

  1. 　測定物上に設けられた一つのターゲットの空間座標を求めるレーザートラッカーであって、
    　前記ターゲットに対しレーザービームを照射するレーザー光源と、
    　移動するターゲットに対し、前記レーザービームを直交する２軸回りにそれぞれ角度調整可能な角度調整手段と、
    　この角度調整手段で調整した角度を検出して検出角度をパルスで出力する角度検出手段と、
    　前記ターゲットで反射されたレーザービームの反射光の位置情報を認識する受光部と、
    　前記ターゲットで反射されたレーザービームの反射光を受光し、前記レーザー光源の照射するレーザービームと受光した反射光とから前記ターゲットまでの距離を測定して測定距離をパルスで出力する距離測定手段と、
    　前記角度検出手段により検出された検出角度および前記距離測定手段で測定した測定距離をそれぞれ処理する情報処理手段とを有し、
    　この情報処理手段は、前記角度検出手段で検出された検出角度または前記距離測定手段で測定された測定距離の出力であるパルス数をカウントする複数のカウンタを含み、これら複数のカウンタをターゲットの移動速度に応じて切換可能とし、
    　前記角度検出手段または前記距離測定手段と、情報処理手段におけるいずれかのカウンタとの間に、前記カウンタに入力するパルスを整数分の１に分周するプリスケーラを設けたレーザートラッカー。
  2. 　請求項１において、前記情報処理手段は、複数のカウンタの同期を取るものとしたレーザートラッカー。
  3. 　請求項１において、前記情報処理手段は、複数のカウンタに代えて、一つのカウンタと一つのパラレルポートを含むものとし、プリスケーラを前記カウンタに接続すると共に前記パラレルポートに接続したレーザートラッカー。
  4. 　請求項３において、前記情報処理手段は、ターゲットの移動速度に応じて、プリスケーラの分周比を切替可能に構成したレーザートラッカー。
  5. 　請求項１において、前記カウンタおよびプリスケーラを、測定原点でリセットするものとしたレーザートラッカー。
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