JPH01287408A - 姿勢センサ - Google Patents

姿勢センサ

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JPH01287408A
JPH01287408A JP63116975A JP11697588A JPH01287408A JP H01287408 A JPH01287408 A JP H01287408A JP 63116975 A JP63116975 A JP 63116975A JP 11697588 A JP11697588 A JP 11697588A JP H01287408 A JPH01287408 A JP H01287408A
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JP63116975A
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Ichizo Nakano
中野 一造
Giichi Ito
義一 伊藤
Yuichi Shimizu
清水 湧一
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) レーザビーム、イオンビーム等の高エネルギビームを用
い、材料の切断、溶接等の加工作業を行うには、第8図
に示すように、例えばレーザビームガン等の加工機ヘッ
ドの軸Zを被加工物表面Jに垂直に保つとともに、該加
工機ヘッドの先端と被加工物表面Jとの間隙dを一定に
保つことが必要である。本発明の姿勢センサは、該加工
機ヘッドに装備して加工機ヘッドの被加工物表面Jに対
する姿勢(傾斜および間隙)を自動検出し、正規の姿勢
に自動制御させるための制御情報を発生するものである
(従来の技術) 代表的なレーザ加工機の加工機へラド(以下レーザガン
と呼ぶ)Gの姿勢検出に用いられている従来の技術を第
8図を用いて説明する。従来のレーザガンでは、レーザ
ガンGの先端部に板状電極Cを装着し、板状電極Cと被
加工物表面Jとの間に静電容量を形成させ、板状電極C
と被加工物表面Jとの間の間隙dの変化による静電容量
の変化を、電圧または発振周波数等の電気的変化量とし
て検出する。この方法では、間隙dの平均値は求められ
るが、レーザガンGの中心軸であるZ軸と被加工物表面
Jとの傾きは不明である。
(発明が解決しようとしている問題点)本発明が解決し
ようとする問題点は (1)  レーザガンGの姿勢を自動検出できる姿勢検
出器を実現すること。例えば、第8図において、レーザ
ガンGの中心軸Zを被加工物表面Jに対しどのような角
度で取付けるか(多くの場合垂直である)、ならびに間
隙dが加工上きめられている規定値に適合しているかど
うかを検出することである。
(2)上記姿勢検出器はレーザガンGの総重量および外
形寸法をあまり増加することなく装備できること。
(問題を解決するための手段および実施例)本発明の姿
勢センサを装備したレーザガンGの実施例を第1図に示
す。本姿勢センサはレーザガンGの中心2のまわりに複
数個の測定ユニッ)Ml。
M2.・・・・、Ml、が配置されている。nは通常3
〜4で充分である。
第1図に示すように、レーザガンGの筐体を上下に分割
してB、、B、とじ、その間に環状の受光レンズ記、を
設ける。受光レンズE、の光軸はZ軸と一致させである
。光源は筐体B、外周に母線に沿って設けられた光フア
イバコード■、により導かれ、ファイバ端から出る光を
微小集光レンズL、により細い平行ビームに集光する。
このように集光された光ビームは、第2図に示すように
Z軸に対し90°−αの角度方向から被加工物表面J上
に入射し、輝点alを生せしめる。受光系はa、からの
乱反射光をとらえる。受光レンズL。
で集光された光は筐体B1内に設けた受光素子S、上に
入射し、光信号から電気信号に変換され、電気的出力を
得る。受光素子Stは、レーザガンGと被加工物表面J
との距離が規定値になっているときの輝点aioの像B
、。を含む結像面SまたはS′上に配置される。像B、
とレンズ中心面との距離す、はレンズの結像式 で求められる。S′は第2図に示すように、l1aiに
対し、常に上記公式が満足される結像面である。
受光レンズL、と輝点a1との距離1.lが規定値から
ずれると、atの位置が変わりa、からの反射光が受光
素子S、へ入射する位置が変化する。
このat点の位置の変化は、通常の加工機ヘッドでは入
射角αが70“〜85°であり、iatの変化量もたか
だか数m111であるので、lll1a1程度に過ぎな
い。
受光レンズL、は測定ユニッ)Mt  (t・1,2.
・・)に共用されており、構造の単純化、価格の低下に
役立っている。
受光素子S1は直線状の細長い形をなし、光が入射する
と電気出力を生じ、その出力から光の入射位置を知るこ
とができるような素子である。例えば、市販されている
PSD (ホトセンシングデバイス)、シリコンホトダ
イオードアレー等あるいは複数条の光ファイバの一端を
直線上に密に並べて配置して受光部とし、受光した信号
光を光ファイバで中継してレーザガンの外部へ導出し、
他端に受光用ホトダイオード列を設けたものを用いても
よい。
次に1つの測定ユニッ)Mlにつき光学的測定原理を第
2図〜第4図を用いて説明する。
第1図の構造では、下の筐体B2は輝点aiの乱反射光
が受光レンズ記、の反対側の部分に入射するのを遮り、
また、受光素子Slとして一次元PSDのような細い線
状のものを用いるので、測定ユニットMlにあける輝点
aiからの乱反射光が受光素子Stに入射する様子は、
近似的には、受光素子Stと受光レンズLllの光軸Z
を含む面内の現象として取扱ってもよい。さらに、受光
素子SLの取付は方向は、測定すべき物体に面して取付
けられればよいが、精度を上げるには、第2図に示した
ように、Z軸に対する入射角が90” −α度のとき、 tanβ=M−tar+α ただし、Mはレンズの倍率(M=f/(1,。−f))
を満足するよう受光素子SiをZ軸に対し90°−βを
傾けて組み込む。
環状受光レンズfzJaの内縁の半径をr’l+外縁の
半径をr 21  Z軸と輝点atとの距離をrL+受
光レンしW、の中心面と輝点a、との距離をlalとす
ると、rL+  β、iの変化にともなう受光素子S、
上の輝点反射光の変化の様子は次のようである。
第3図および第4図において、aleは受光レンズAi
からの規定位置にある輝点、allは規定位置より遠方
にある輝点、al2は規定位置よりも近くにある輝点を
示し、それらの像をB lop  B I InB、□
 で示す。141J(j=o、t、2)はそれぞれ受光
レンズ2つの中心面と輝点a IJ (j =0.1.
2)との距離である。
rLは加工点近傍にあることが望ましいが、ここでは実
用範囲と考えられるrl<rt<r2において、センサ
から物体までの距離が変化したときの結像点の動きを説
明する。
第3図はrl<rL<r2の場合である。基準のワーク
面A上の輝点a、。は像面S上の81゜に結像している
。ワーク面がAからA′の位置に遠のくと、第3図(a
)に示すように輝点はattに移り、受光した像はB1
1に結像するから、S上では多少ボケで広がりをもつ像
B′、1が形成される。この場合、像位置はBtaから
B′、1にS面上で右へ移動する。8面は受光素子列が
並んだものと考えてよいから受光した素子位置を、その
出力信号(B′、の平均値)から知れば、ワーク面まで
の距離の変化量が求まる。次に、ワーク面がAからA′
の位置へ近づいた場合、第3図υに示すように、結像位
置はS面上を左へ動き、その移動量が距離変化量と対応
する。
第4図はal。がrL =r、に生ずる場合の例である
。ワーク面が基準面AからA′へ遠のいたとき(第4図
(a))、像B1゜はS面上を右へ動いてB’llへ移
り、反対にAからA′へ近づいたとき(第4図(b))
、像BtoはS面上を左へ動いてBi2となり、それぞ
れがワーク面との距離の変化を表すことは第3図と同じ
である。
第3図、第4図において、結像面SをB′のように、第
2図で説明したa10*  a 11+およびa、。
の結像点B、。* Bt++ Bi2を結ぶ線上に、受
光素子S、を設けるとすれば、B i In  811
はレンズ寸法r1およびr2の影響を受けないから、S
面上で見る場合の像のボケがなく、距離の検出精度を著
しく向上させることができる。
測定ユニットの受光特性例として、光源に光出力1mw
程度のレーザを使用し、光ビームを斜めに物体に入射し
た場合の実験結果を示す。α=80°。
It 、。= 80 mad、レンズ倍率M=1/6で
、受光素子にPSDを用い、金属面を測定した。受光特
性は第6図に示すように、ワーク面までの距離の変化量
Zに対し、直線性の良い出力電圧かえられた。
上記測定ユニッ)MlをレーザガンGの中心軸Zのまわ
りに一定角づつずらして、例えば90゜づつずらして4
個(M、、M2.M、、M、)配置すれば、4個の輝点
ai  (i・1〜4)と受光レンズL、との距離が、
測定値1.。からどのようにずれているかを知ることが
できるので、レーザガンGの姿勢を矯正できる。この場
合、レーザガンGの姿勢は、4個のユニットの距離デー
タを一致させるよう姿勢制御を行えば、レーザガンGの
Z軸が被加工物表面Jに垂直を保ち、また、4個のユニ
ットの距離i。の基準値を適宜設定し、測定値との演算
により、レーザガンGのZ軸を被加工物表面Jに対して
一定の傾斜を保たせることができる。
次に雑音の検出について説明する。レーザ加工機では、
002等加工レーザビームの加工点における反射、散乱
、工場内の各種光源等の雑音光による測定妨害、超音波
加工機や洗浄機などからの誘導、輻射等の妨害が無数に
存在する。しかし、これらの周波数域はたかだか10〜
30 KHzであるので、測定に使用する信号光ビーム
を30に上辺上の高周波で変調しておけば、受光素子の
電気出力側で帯域フィルタまたは高域フィルタを用いて
、雑音成分を除去し、その測定妨害を除くことができる
本発明による姿勢検出システムを第7図により説明する
OPSは高周波変調された信号光発生器で、光ファイバ
It  (i=1.2.・・)を導路としてレーザガン
Gへ送る。レーザガンGのセンサ組込みは前に説明した
通りであるが、光ビームの発光端部は中心から径の半径
方向に余弦的な屈折率分布をもつ円筒レンズ等を使用す
れば、光フアイバコード径と合わせて1〜2mmの径で
構成できるから、レーデガンG外周上母線方向に溝を掘
り、ファイバとも一体に埋込むことができる。その構造
は第8図に示した通りである。
DET+  (+4.2.・・)は受光系の信号検出回
路である。
受光素子S1で光から電気出力V、に変換された信号は
増幅後、フィルタで雑音成分を除去し、デジタル信号と
して出力される。出力データ、すなわち輝点aiが受光
素子S1上で正規の位置に対して遠近何れの側にあるか
を示す符号と距離の変化量等の情報は、R3−232C
等のインタフェースを介して、センサ・コンピュータS
PCへ送られる。
センサ・コンピュータSPCでは、4つの測定データの
計算処理をリアルタイムで行い、姿勢制御データを加工
機のコントローラMCPへ渡す。この情報により、加工
機のコントローラMCPは前記姿勢制御のための駆動動
力を発生し、レーザガンGの姿勢を正しく矯正する。
(発明の効果) 以上説明したように本発明の姿勢センサを内蔵した加工
機ヘッドは小形・軽量・低価格であり、加工機ヘッドの
従来の作業空間を変更することなく、複雑に入りこんだ
凹所等の各種作業にも適用できる。また、本姿勢センサ
を使用することによって作業中の姿勢自動制御が可能に
なったことは、今後自動ならい等作業の自動化の推進に
大きく貢献する。特に、レーザ加工機におけるガンの姿
勢制御に有効である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の姿勢センサを装備したレーザ加工機ヘ
ッドを示す図。 第2図〜第4図は本発明の姿勢センサの光学系を示す図
。 第5図は本発明の検出特定を測定する測定回路。 第6図は本発明の受光系の検出特性を示す図。 第7図は本発明の姿勢検出システムを示す図。 第8図は本発明のレーザ加工機ヘッドの構造を示す図。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)1個の環状受光レンズと、該受光レンズの光軸の
    まわりに配置され、かつ、該光軸に収束する方向に放射
    される細い複数條の信号光ビームを発生する手段を有し
    、該信号光ビームが被加工物表面につくるスポットと受
    光レンズとが所定の距離になった時、該受光レンズによ
    り結ばれるスポットの像の結像点に、受光位置を検知す
    る手段をもった細長い線状受光素子列をそなえ、姿勢検
    出の場合、受光素子に入射するスポットからの反射光の
    入射区間が、前記の所定距離の場合のスポット結像点の
    何れの側にあるかを判別する電気回路をそなえ、該電気
    回路の複数個の出力から被加工物表面に対する加工機ヘ
    ッドの姿勢を検出することを特徴とする姿勢センサ。
JP63116975A 1988-05-16 1988-05-16 姿勢センサ Expired - Lifetime JPH0625659B2 (ja)

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JP63116975A JPH0625659B2 (ja) 1988-05-16 1988-05-16 姿勢センサ

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JP63116975A JPH0625659B2 (ja) 1988-05-16 1988-05-16 姿勢センサ

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JPH01287408A true JPH01287408A (ja) 1989-11-20
JPH0625659B2 JPH0625659B2 (ja) 1994-04-06

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010019836A (ja) * 2008-06-13 2010-01-28 Katsura Opto Systems:Kk 変位チルトセンサ

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010019836A (ja) * 2008-06-13 2010-01-28 Katsura Opto Systems:Kk 変位チルトセンサ

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JPH0625659B2 (ja) 1994-04-06

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