JPH0430524B2 - - Google Patents

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JPH0430524B2
JPH0430524B2 JP58237476A JP23747683A JPH0430524B2 JP H0430524 B2 JPH0430524 B2 JP H0430524B2 JP 58237476 A JP58237476 A JP 58237476A JP 23747683 A JP23747683 A JP 23747683A JP H0430524 B2 JPH0430524 B2 JP H0430524B2
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/28—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring areas
    • 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
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/46—Indirect determination of position data
    • G01S17/48—Active triangulation systems, i.e. using the transmission and reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Measurement Of Optical Distance (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］ 本発明は、光ビームによる三角測量法を用い
て、非接触で強い溶接アーク光の下でも全然測定
妨害を受けずに物体の形状を精度よく測定するロ
ボツトあるいは自動加工機等の計測ヘツドに適し
た視覚センサに関するものである。 ［従来技術の問題点］ アーク溶接作業の自動化のために、溶接用ロボ
ツトに用いる各種のセンサが提案されている。古
くから用いられている方法として、磁気センサを
用いて溶接トーチと被溶接物との関係位置を調整
していく方法および、溶接トーチを揺動して、溶
接電流の変化を検出して溶接トーチの位置を調整
していく方法があるが、これらは被溶接物の形を
求めて溶接作業を進める方法ではなく、特定の作
業の部分自動化にしか適用できない。 最近検討を進められている方法は、光ビームを
用いる三角測量法により、非接触で被溶接物の形
を測定し、溶接ラインを検出して、その検出値を
用いて、溶接作業の自動化をはかろうとするもの
である。測定に用いる光ビームとしては、細い線
状の光ビームを用いるものと、板状の扇形光を用
いるものがある。以下にその例を説明する。 第１１図に従来の視覚センサの１例を示す。一
定距離ｄを隔てて、投光器Ｌおよび受光器Ｒを設
け投光器Ｌから、図のｄに直交する枝状扇形光を
放射して、物体表面に明るい線すなわち輝線AF
を生ぜしめる。受光器Ｒとしてテレビカメラ
（CCDカメラ）を用いて、輝線の映像を図ｂに示
すように撮像し、この像afの最低点ｂを求めて、
これから、物体４の最低点（溶接点）Ｂの位置を
求める。この方法の欠点は雑音光による測定妨害
を除去できないこと、および強いアーク光がでる
とハレーシヨンを起して測定不能になることであ
る。 第１１図に示した測定法で信号光として、扇形
光の代りに、扇形面内で方向を揺動する細い光ビ
ームを用いる方法もある。この場合、物体表面
を、光ビームが投射して生ずる輝点で走査し、そ
れがテレビカメラで撮像される。この場合も扇形
光を信号光としたときと全く同じ欠点をもつてい
る。 第１２図にオランダのOldelft社で開発された
Seampilotと称される視覚センサの測定原理（図
ａ）および構成（図ｂ）を示す。測定原理は、図
ａに示すように投光器Ｌから光ビームｌを測定さ
れる物体に投射し、生ずる輝点Ａを受光器で捕
え、受光素子アレー（CCDアレー）Ｓ上の輝点
像の位置を検知して、輝点の位置を求めるという
ものである。視覚センサ全体の構成は図ｂに示す
如くで、投光器Ｌより放射された光ビームl0は、
モータ４により往復回転駆動される軸１に取付け
たミラ２で反射されて揺動光ビームｌとなり、物
体表面を輝点Ａで走査する。輝点Ａからの反射光
ｒは、前記回転軸に取付けられたミラ３により反
射されて受光器内の受光素子アレーＳ上に輝点映
像を結ぶ。受光素子アレーの出力より、アレー上
における輝点映像の位置が求められ、これから、
反射光ｒが軸１となす角が求められるので軸１と
輝点との距離が求められる。軸１の回転にともな
つて測定を行えば、図の輝点軌跡つまり光による
物体切断面の形が求められる。欠点は大きさが大
きく、重さが1.7Kgと重いことである。 第１３図は英Meta Machines社製のアーク溶
接用視覚センサメタトーチの断面図である。投光
器Ｌから被測定物４の表面にスリツト光lFを投射
して、表面に生ずる輝線を受光器Ｒで捕えて、輝
線映像の形を解析して溶接線を検出していくもの
である。外形がコンパクトに出来ているが、受光
素子としてCCD受光面を用いているので、それ
に基づく欠点がある。 以上の他にも、光ビームを用いて三角測量を行
つている例は少なくないが、現在までに使用ある
いは研究されたものをまとめると次のようであ
る。 (イ) 測定用信号光として光ビームまたは板状扇形
光（スリツト光）を用い、光ビームで物体の形
状を測定する場合は、大抵揺動回転される。 (ロ) 受光器の受光素子として殆どの場合CCD素
子を用いている。これは、CCDが蓄積形受光
素子であるので、高周波変調された光を受光し
た場合、入力光に比例する電気出力、つまり高
周波変調成分を含んだ電気出力を出力すること
はできない。したがつて光ビームの変調と受光
器側での復調によつて、アーク光による測定妨
害が除去できない。さらにまた、CCDは強い
アーク光を受けると容易に飽和してしまう欠点
がある。測定範囲はせいぜい200〜300アンペア
のアーク光までとも言われている。 (ハ) 雑音光による測定妨害を除くために、信号光
を変調しているものもあるが、その変調周波数
はせいぜい20KHz以下であり、溶接アークの時
間変動のスペクトルから見ると全く効果がな
い。 ［本発明が解決しようとする課題］ アーク溶接ロボツトの視覚センサ（ここでは計
測ヘツドともいう）は溶接ロボツトのアームの先
端に装着して、強力なアーク光の存在のもとで
も、測定妨害を受けずに、被溶接物の表面形状
を、溶接作業に必要な測定精度と測定速度で逐
次、継続的に測定して行くことが必要である。そ
のため解決すべき課題は次のごとくである。 (i) 溶接アーク光の雑音光による測定妨害を除
き、信号光を正確に受光できるようにするこ
と。 (ii) 受光素子は、高周波で変調され、かつ強さの
レベルが広範囲に変化する光入力を受けた場
合、それをそのまま電気出力に変換できる特性
を有すること。 (iii) 溶接アークの飛沫や煙の影響を軽減するた
め、計測ヘツドを被溶接物から適当な距離だけ
離した状況で計測可能とすること。 (iv) ロボツトのアームの先端に装着された部分は
特に小形軽量にすること。 ［課題を解決するための手段］ 本発明は、光ビームを用いる三角測量法に以下
に示す改善を行うことによつて上記課題を解決す
るものである。 (1) 溶接アーク光の時間変動の周波数スペクトル
を求め、このスペクトルエネルギの小さい周波
数を信号光ビームの変調周波数に選ぶ。 (2) 受光素子としては、複数個の独立のシリコン
フオトダイオードのアレーを用いる。 (3) 受光素子アレーの出力端子に切替スイツチを
備えて、順次切替えてスイツチオンさせて受光
素子の電気出力を直列出力として取出す。 (4) 上記切替スイツチは、受光素子当りのスイツ
チオン時間が変調波を３波以上含むようにし
て、受光素子上に輝点が重なつている時間の間
に全受光素子アレーを一巡して、スイイツチオ
ンさせて、出力信号を取出す機能を持たせる。 ［実施例］ 本発明の計測ヘツドの測定原理を第１図を用い
て説明する。 １平面内のｘ軸上で、一定距離ｄを隔てた２点
OL、ORにそれぞれ投光器Ｌおよび受光器Ｒを設
け、前記平面内において、ORを通りｘ軸に垂直
な軸ｙ、および、OLを通りｘ軸に垂直な軸yLを
設ける。前期の平面すなわちxy面を基平面と称
することとする。投光器Ｌでは、光源LD（レーザ
ダイオード使用）から、高周波変調された光ビー
ムを発射し、OLに設けた揺動ミラRMにより、基
平面内で揺動する光ビームｌを作り、被測定物４
の表面に投射して、明るい点すなわち輝点Ａを生
じ、この輝点で被測定物表面を走査する。この走
査線を輝線と称し、光ビームｌとyL軸とのなす角
θLを投光角と称する。揺動周波数は低くとり10
Hz／秒以下とした。 投光器ＲはORに受光レンズ£Rを備え、受光レ
ンズ£Rが輝点像を結ぶ位置に、基平面内で、ｘ
軸に平行に設けられた受光素子アレーＳを備え、
受光素子アレーＳは多数の機械的に独立な受光素
子si（ｉ＝１，２……）を一直線上に等間隔に配
置してなる。受光素子siは微小受光面をもち、そ
れに光入力があると、その電気端子に電気出力を
生ずる。この電気出力は入力光の大きい強度変化
および高周波強度変調に対応して入力光に比例す
ることが必要である。従来は、しばしばCCDが
用いられているが、CCDは光入力が増加すると
容易に飽和し、また入力光の高周波変調波を電気
出力に変換して出力することができなかつた。 本発明の実施例では、上記欠陥を除くために、
シリコンフオトダイオード受光素子を直線上に一
列に配置したものを用いた。このシリコンフオト
ダイオードは3MHz程度までは高周波強度変調さ
れた光入力に対して、それに比例する（つまり変
調波を含んだ）電気出力を出力することが可能で
あり、さらにまた溶接電流2000Aのアーク光に対
しても飽和することなく正常に動作した。さらに
また、この受光素子は光波長0.7μ付近で感度が最
大でその両側でなだらかに下降する。つまり、一
種のフイルタ特性をもつているので雑音防止の上
でも都合がよい。 被測定物４の上に生じた輝点は受光器に捕えら
れて、受光素子アレーＳ上に輝点の映像ａを結
び、映像ａに対応する受光素子からは、信号入力
光（映像ａの明るさ）に比例する電気出力が得ら
れる。輝点映像ａは輝点Ａの被測定物表面走査に
ともなつて、受光素子アレーＳ上を走査し、それ
につれて、信号光成分を出力する受光素子端子も
順次移つていく。 輝点映像ａは、輝点Ａから受光レンズ£Rに向
う反射散乱光が受光レンズ£Rにより集光結像さ
れて生ずるものであるが、便宜のため、第１図の
直線Ａ−OR−ａを輝点からの反射光ｒと称し、
ｒとｙ軸とのなす角θRを受光角ということとす
る。 アーク溶接においては、強いアーク光が酸音光
となり、測定を妨害する。この測定妨害を除くた
めには、溶接アーク光の性質を知らなければなら
ないが、従来この性質は全く知られていなかつ
た。実際のアーク光についてスペクトル分析を行
うと、アークのエネルギは波長4000Å〜14000Å
にわたつて緻密に分布しているので、現存のレー
ザ光を用いたのでは、信号光の波長をアーク光に
含まれない波長に選んで光フイルタにより雑音光
を除去することは不可能である。 次に、アーク光の時間的変動の周波数スペクト
ル分析を行うと、第２図に示すごとくである。図
Ａは、鉄板上に、信号光ビーム（波長0.75μ、変
調周波数1MHz）を投射し、生ずる輝点からの反
射散乱光を受光して、光の時間変動の周波数スペ
クトル分析を行つた結果を示す。図Ａでは、信号
波1MHzが見られ、その他はグランドノイズ程度
である。図Ｂは、上記の状態で、輝点のすぐ近く
に溶接アークを生ぜしめ、輝点からの反射光とア
ーク光とを受光して、その時間変動の周波数スペ
クトル分析を行つた結果を示す。200KHz以上で
は図Ａの場合と殆ど同じであるが、150KHz以下
では周波数の減少にともなつてアーク光による雑
音成分が増加している。この雑音成分はアーク溶
接機の溶接電流回路の定数によつて異なるが、一
般に周波数が低い程大きくなり特に50KHz以下で
は著しく大きくなつている。したがつて、信号光
ビームの変調と受光出力の復調によつて雑音光の
測定妨害を除去するためには、信号光の強度変調
の周波数は少なくとも100KHz以上、望ましくは
200KHz以上に選ぶのがよい。本発明の実施例で
は、光ビームの変調周波数を1MHzとした。従来
の視覚センサで変調光ビームを用いても、溶接ア
ーク光の測定妨害を除去できなかつたのは、変調
周波がせいぜい20KHz程度で、アーク光の雑音帯
域内にあつたためである。 高周波変調された光ビームｌが揺動して、その
方向がθL1からθL2に変化すると輝点Ａは被測定物
表面を走査し、受光器Ｒは輝点の移動を捕え、輝
点映像ａは受光素子アレーＳ上を走査し、受光素
子端子に順次変調された信号光対応の電気出力が
得られる。受光素子sの総数は測定精度から決
められるが、相等多数になる。本実施例の場合は
ｉ＝０，１，２……，63となつている。本実施例
のように、光ビームを等速回転しても、輝点映像
ａが受光素子アレーＳ上を走査する速度は、被測
定物の形によつて変化するが、計測ヘツドの計測
制御回路は、 (i) 輝点映像ａが何れかの受光素子si上に乗つた
とき、siの出力を必ず落さずに拾い上げるこ
と。 (ii) 計測ヘツドの軽量小形化のために、受光素子
siの電気出力を復調し信号検出をする回路数は
なるべく少類、要すれば１系統にすること。 なる条件を満足することが必要である。この計測
制御回路については後に説明する。 第３図に本発明の計測ヘツドの実施例の機構部
の構造を示す。直方体匣体２０の下部に投光器
Ｌ、受光器Ｒが設けられる。レーザダイオード
LDには駆動回路２２からケーブル２１を通して
駆動電力が供給される。レーザダイオードLDか
ら射出されるレーザ光は光源レンズ£Lにより測
定距離で焦点を結ぶビームとなり、揺動ミラRM
により反射されて揺動する光ビームｌとなる。２
３は焦点の微調整機構であり、揺動ミラにはガル
バノメータのミラを用い、駆動電流により回転さ
れ、回転角は電流に比例する。 Ｒは受光器で、受光レンズ£Rの中心ORと投光
器Ｌの揺動ミラRMの中心OLを結ぶｘ軸、受光レ
ンズ£Rの中心軸に一致するｙ軸および光ビーム
ｌは全て同一平面内にあり、この面を基平面とい
う。 実施例では、揺動ミラRMを三角波駆動電流で
駆動し、測定範囲には、三角波の直線性のよい部
分（等速回転部分）を用い、三角波の頂点の近く
で運動の直線性の劣る部分を捨てるようにした。
この測定範囲を指定する信号を生ぜしめるため
に、投光器の窓の右、左に端検出センサ２５およ
び２６を設置した。 投光器Ｌ、受光器Ｒの窓には溶接飛沫、ヒユー
ムに対する保護のため、カバーガラス２４および
２７を設け、また必要に応じて受光器側には光フ
イルタを使用できるようにした。反射光ｒは受光
レンズ£Rにより集光され、輝点映像ａを受光素
子アレーＳ上に結ぶ。受光素子アレーＳの素子端
子０，１，２……，63の電気出力はコネクタ３０
を通つて、後に説明する計測制御回路を搭載する
回路基板３１に接続される。受光レンズ£Rと受
光素子アレーＳとの距離調整は微調機構２９によ
り行われる。匣体の上面２０ｕには、制御線コネ
クタ３２、検出信号端子３３、カウンタ入力端子
３４、変調入力端子３５、および電源コネクタ３
６が設けられ、後述のプロセス処理装置と接続さ
れる。 次に輝点映像ａが受光素子アレーsi上に重なつ
た時、siの電気出力を間違いなく検出する方法に
ついて説明する。第４図で受光素子アレーＳの素
子を…si，si+1，……とし、siに輝点映像ａが重な
つて、その端子ｉに信号光成分が出力される幅を
blとする。blは光ビームの強弱、検出回路の感度
にも依存するが、おおよその見当として、受光素
子が輝点映像と少しでも重なりをもつ幅である。
輝点映像ａの受光素子アレーＳ上における走査幅
で示せばbl＝ba＋bsである。ここに、baは輝点映
像ａの幅、bsは受光素子の幅である。輝点映像ａ
の明るさの分布は図ｂに示すようにほぼガウス曲
線になつており、輝点映像ａの幅baは明るさが中
心最大値の１／ｅ＝１／2.72になるところの幅で
与えられている。したがつて、baの外側でもかな
りの信号成分をもつていることも考慮してbl＝ba
＋bsとした。輝点映像ａがblを走査する間に切替
スイツチSWが受光素子siの端子にONするように
し、切替スイツチSWの出力で得られるsi対応出
力中に、復調により変調波を再生するに充分な波
数を含むようにしなければならない。この波数は
約３波とされている。つまり切替スイツチSWが
受光素子アレーＳの素子端子を順次切替走査する
場合、１素子端子あたりの接続時間は、変調波３
波分以上を要する。 本発明においては信号光ビームの回路の測定範
囲をnL等分し、その１つの微小角幅をΔとし、こ
れを順次Δ0，Δ1，……，ΔK，……，ΔoLとした。
このようにすると受光器Ｒの受光角θRにも、それ
に対応する微小角幅Δ′0，Δ′1，……，Δ′K，……
Δ′oLが存在し、受光素子アレーＳ上では例えば第
４図ａに示すようになる。この微小角幅Δj（ある
いはΔ′j）の間に切替スイツチSWが全受光素子の
出力端子を順番に切替えて、直列のデータ列とし
て出力し、これを信号成分の検出回路に送るよう
にする。微小角幅ΔとΔ′とは同じではないが、
ΔKとΔ′Kとは互いに対応している。微小角Δを小
さくすること、すなわちnLを大きくすることは、
位置精度を向上させることとなるが、Δを小さく
とればΔ′も小さくなり、Δ′がblの中に含まれ、切
替スイツチは必ず素子siの端子にONする。しか
し、Δ′をあまり小さくすると切替スイツチに高
速が要求されるとともに、１素子si当りの変調波
数が減少するので、全体的にバランスを考えて設
計されなければならない。 上述に対応する投光系の様子を第５図に示す。
光ビームｌはθ′L1〜θ′L2を揺動し、測定範囲はθL1
〜θL2であり、θL1〜θL2をnL等分して、光ビーム
ｌの移動方向にΔ0，Δ1，Δ2，……ΔL1-1の順番を
つけ、光ビームの方向はこのΔKの番号Ｋを用い
て表現される。また、光ビームがこのΔを移動す
る間に切替スイツチSWは、受光素子アレーの全
素子端子を一巡走査して直列出力として出力す
る。この直列出力を検出回路を通して、信号光成
分を検出し、検出結果を順次シフトレジスタを通
してプロセス処理装置（第７図５４）に送り込
む。 第６図は受光器における状況を示す。輝点映像
ａは受光素子アレーＳ上を走査し、切替スイツチ
SWは全ての受光素子端子を順番に切替走査し
て、得られる直列出力を検出回路の増幅器４７に
送り込む。素子端子の切替走査は各微小受光角幅
Δ′毎に全素子端子を一巡して行う。本実施例で
は受光素子アレーの受光素子数は64、Δ′の総数
すなわち光ビームのΔは256本であるので、受光
素子１ピツチ当り４回切替スイツチの端子走査が
ある。この計測条件においては、測定精度が0.3
mmと要求される測定精度を充分に満足して、輝点
が受光素子上に重なつていることを見逃すことな
く計測することができた。 切替スイツチSWの出力を復調・信号検出し、
その結果を順番にプロセス処理装置に送り込む
と、プロセス処理装置は、投光角を示すΔの順番
nAと、そのΔ内で信号を検出した素子の順番iAと
を求め、次式により、輝点の座標XA、YAを求め
る。 ｄ／YA＝tanθR＋tanθL ＝（iA−ic）Ｐ／ｆ＋tan（θL1＋nAΔ） ……(1) XA／YA＝tanθR＝（iA−iC）Ｐ／ｆ ……(2) Δ＝（θL2−θL1）／nL ……(3) ここに、 iAは輝点映像信号を生じた受光素子の番号 iCはｙ軸の受光素子の番号 ｐは受光素子の配列ピツチ ｆは受光素子アレーとORとの距離（第５図参
照） 次に上述の測定を行うための制御回路の構成を
第７図により説明する。発振回路４０において繰
返し周波数fMのパルスを発振し、その出力を、ク
ロツクカウンタ４１および駆動回路２２に供給す
る。駆動回路２２の出力はレーザダイオードLD
を駆動して、周波数fMなるパルス強度変調を受け
たレーザ光ビーム（以下、光ビームと称する）を
放射し、これが揺動ミラRMで反射されて、揺動
する光ビームｌとなる。 クロツクカウンタ４１は入力信号fMを分周し
て、適当な周波数の各種のクロツクを作り、これ
らを、ミラ駆動回路４２、走査制御カウンタ４
３、測定制御論理回路４４および走査カウンタ４
５へ供給する。ミラ駆動回路４２はクロツクカウ
ンタ４１から第８図Ａに示す矩形波の光ビーム移
動方向指示信号DIを受け入れて、第８図Ｂに示
す三角波電流fTを発生し、これにより揺動ミラ
RMを駆動して、光ビームの方向を、定速度で往
復回転させる。実施例の場合、計測範囲では、光
ビーム揺動の三角波のきれいな直線部分を利用で
きるようにするために、第３図の右、左の検出セ
ンサ２５，２６により、光ビームがそこを通つた
時に検出信号を測定制御論理回路４４へ出力し光
ビームｌが左右の検出センサの間を移動する間だ
けを測定に利用し、その外側の部分、すなわち、
揺動ミラRMの回転方向が切替るために直線性が
悪くなつている部分を捨てるようにする。第８図
でＣは右の検出センサ２５の検出信号を、Ｄは左
の検出センサ２６の検出信号を示す。検出センサ
２５，２６の検出信号は測定御論理回路４４に入
力され、第８図Ｅに示す測定範囲信号MAが得ら
れる。この測定範囲信号MAの間だけ、走査制御
カウンタ４３はクロツクカウンタ４１からのクロ
ツクCL1を計数する。 走査制御カウンタ４３はカウンタ４３ａとカウ
ンタ４３ｂとをもつており、カウンタ４３ａはク
ロツクカウンタ４１から入力されるクロツクCL1
を数え、カウンタ４３ｂは測定範囲中はクロツク
CL1の64個毎に１カウントし（１／64にカウント
ダウンする）、このカウントダウンされた信号を
最大256カウトまで数える。このカウンタ４３ｂ
のカウント数が光ビームの方向を示す信号BAに
なる。第５図の投光角θL1〜θL2間の微小角幅Δを
順次カウントする。 走査カウンタ４５は切替スイツチSWを制御す
るカウンタであつて、カウンタ４３ｂの各カウン
ト毎に64個のクロツクCL1を計数する。この64個
のクロツクに対応して、切替スイツチSWは受光
素子アレーＳの受光素子の出力端子64個を順次切
替えて、受光素子の出力を直列出力し、これを増
幅器４７に送り込む。つまり、カウンタ４３ｂの
１カウントの間に、切替スイツチSWは受光素子
アレーＳの64個の素子端子を１回走査して、直列
出力として、その出力を増幅４７に送り込む。カ
ウンタ４３ｂの計数状況を第８図Ｆに示す。図の
時刻t1とt2との間に256カウント存在する。これ
に対応する走査カウンタ４５の計数状況を同図Ｈ
に示す。図のＦの１カウントにＨの64カウントが
対応している。走査制御カウンタ４３および走査
カウンタ４５は揺動ミラRMの回転方向の変換点
（第８図Ａの光ビーム移動方向指示信号DIの変換
点）で、リセツトパルスによりリセツトされる。
このリセツト信号を図Ｇに示す。 切替スイツチSWの出力は増幅後、帯域ろ波器
４８（通過帯域fM±Δf）および低域帯域ろ波器
４９（通過帯域100KHz〜fM〜Δf）へ供給される。
両ろ波器の出力は、それぞれ整流平滑回路５０，
５１を通つて直流信号化して後、比較され、変調
波成分が雑音成分に比して有為差をもつとき、比
較回路５２の出力を“１”とし、その他の場合は
“０”とする。この出力はクロツクCL2より半周
期遅れのクロツクCL3でサンプリングされたシフ
トレジスタ５３に順次記憶される。このビツト列
は例えば８ビツト毎に並列にして、プロセス処理
装置５４に取込まれ、輝点映像を捕えた受光素子
の順番が検知されるから受光角θRが求められる。
さらに、プロセス処理装置５４には、光ビームの
移動方向指示信号DI、測定範囲信号MA、および
光ビームの振れを示す信号BAが取込まれている
ので、これらを用いて投光角θLが求められる。し
たがつて、前に示した式(1)，(2)，(3)により輝点を
位置座標XA、YAが計算される。XA，YAの計算
を光ビームｌの回転にともなつて一巡して行え
ば、被測定物の１つの断面形状が求められ、この
測定を計測ヘツドを進めながら行うことにより、
表面形状が求められる。 次に測定制御論理回路の動作を第９図により説
明する。端子６０，６１．６２にそれぞれ光ビー
ム移動方向指示信号DI（第８図Ａ）、右端検出セ
ンサ２５（第８図Ｃ）、および左端検出センサ２
６（第８図Ｄ）の出力が入力される。光ビームが
第５図の右から左へ移動する時は、光ビーム移動
方向指示信号DIは論理“１”、光ビームが回転し
て右検出センサ２５に達すると端子６１よりパル
スが入力され、ANDゲート６３、ORゲート６４
を通過してフリツプフロツプ６５をセツトし、そ
の出力が“１”となる。これが測定範囲信号MA
の立上りになる。光ビームが更に左へ回転して左
端検出センサ２６に達すると、端子６２にパルス
が入力され、このパルスはANDゲート６６、OR
ゲート６７を通つてフリツプフロツプ６５をリセ
ツトし、その出力は“０”にもどる。これが測定
範囲信号MA出力の終りになる。 次に光ビームが第５図の振幅の端θ′L2に達し
て、振れ方向が反転すると、光ビーム移動方向指
示信号DIは論理“０”になり端子６０の入力は
“０”になる。光ビームが左から右へ移動して左
端検出センサ２６に達すると、検出センサ２６の
パルスが端子６２より入力され、このパルスは
ANDゲート６８、ORゲート６４を通つてフリツ
プフロツプ６５をセツトし、信号“１”を出力す
る。すなわち測定範囲信号MAを“１”にする。
光が更に回転して右検出センサ２５に達すると、
そこからパルスを出力し、端子６１に入力する。
このパルスはANDゲート６９、ORゲート６７を
通つて、フリツプフロツプをリセツトし、その出
力は“０”となる。これはすなわち測定範囲信号
MAの終りである。 次に、プロセス処理装置による輝点座標の計算
法について説明する。上に説明してきたところか
らわかるように、本計測ヘツドで物体表面の形を
測定する場合、測定距離はおおよそ、あらかじめ
きめられた距離であるが、検討の結果によれば、
この距離が多少ずれても、あまり誤差は生じな
い。また、投光器と受光器の距離ｄ（＝OROL）、
受光素子アレー上の素子配列ピツチＰ、受光器の
受光レンズ£Rの中心面と受光素子アレーとの距
離ｆ、受光レンズ£Rの中心軸（すなわちｙ軸）
上にある受光素子の順番ic、光ビーム方向の測定
範囲両端における投光角θL1およびθL2、光ビーム
ｌの投光角の測定範囲θL1〜θL2をnL等分した場合
の微小角幅Δおよび分割数nLは予め定められてい
る構造定数であり、これらはあらかじめ、処理シ
ステム５４内のメモリ９２に記憶されている。測
定で次々と得られる輝点映像を捕えた受光素子の
順番iAおよびそれに対応する光ビームの信号BA
が得られれば、式(1)，(2)，(3)を用いて輝点の位置
座標XA、YAを求めることができる。この場合、
光の揺動方向が第５図でθL1→θL2（DI＝１）の場
合はnA＝Ａ、またθL2→θL1（DI＝０）の場合はnA
＝nL−BAとして計算する。nL−BAをBAのnLの
補数という。測定中は常に光ビームの移動方向指
示信号DI、測定範囲信号MAが処理システムに取
込まれていて必要に応じて利用される。 処理システム５４の処理フローを第１０図に示
す。図中のDSは受光素子の出力を復調、信号検
出して得たデータを切替スイツチの１走査分だけ
配列したものである（この１まとめのDSが光ビ
ームの微小角幅Δに対応する）。また、ＫはＫ番
目のΔすなわちΔKに関するものである。 まず測定開始で起動し、ステツプS1で光ビーム
ｌが測定範囲に入つたことを確めて、S2に移り、
ＫにＯを代入する（投光角θL1に対する測定であ
る。）次にS3で、光ビームの方向に関する信号
BA、受光素子アレーの出力から信号検出した結
果を示す信号列DS、および光ビームの移動方向
指示信号DIの入力を確認し、S4でDSの信号列の
中に輝点信号を示すものがあるかどうかをチエツ
クし、有る場合は次のステツプS5へ、無い場合
は、ステツプS13へ飛ぶ。S4で輝点信号が有れば
次のステツプS5でDSから輝点信号を検出した受
光素子番号iAを求め、S6で前に示した式(2)により
tanθRを計算し、次のステツプS7で光ビームの移
動方向指示信号DIを調べて、DI＝１すなわち光
ビームの移動がθL1→θL2の過程にある場合は、光
ビームの方向はθL＋nK・Δであるから、S8でnK←
BAとおき、DI＝Ｏすなわち、光ビームの移動が
θL2→θL1の過程にある場合は、光ビームの方向は
θL＋（nL−BA）・Δであるから、S9でnk←（nL−
BA）とおいて、次のステツプS10でtanθLを計算
する。このtanθLとS6で求めたtanθRを用い、S11
で輝点のｙ座標YA(K)を求め、さらにS12でｘ座標
XA(K)を計算する。これでＫ番目の光ビーム方向
の測定点が得られたことになる。次にS13でＫを
Ｋ＋１とおき、S14でこのＫが示す光ビームの方
向が、端θL2を超えない、すなわちＫ＜nLなる間
は、ステツプS3にもとつて前述と同様の処理を繰
返す。ステツプS4で受光素子アレーに輝点信号を
出力している素子がない場合は、受光素子受光面
と輝点映像とが全然重なりをもたない状態、換言
すると、光ビームのＫ番目のΔに対応する反射光
のΔ′内に受光素子が存在しない状態である。こ
の場合は、次のΔに移るべきであるからステツプ
S4からS13に飛びＫ←Ｋ＋１として図示の処理プ
ロセスを巡ることとする。Ｋ＝０の処理からＫを
１ずつ増し、Ｋ＝nLに達すると光ビームはθL1→
θL2、あるいは逆にθL2→θL1の測定が終わり、物
体を輝線で１走査した形が求められる。S15，S16
は例えばＶ溝の最低点を溶接する場合には最低点
のXK、YKを溶接ロボツトのコントローラに送つ
て利用するという意味で、その後はステツプS1に
もどつて、次の輝線走査を行つて形状を求めてい
くことを示している。１本の輝線走査に対してス
テツプS1，S2は最初（Ｋ＝０）のみであるが、ス
テツプS3〜S14はＫ＝０〜nL−１において光ビー
ム方向を微小角幅Δだけ増加して、測定範囲の終
点まで繰返される。 次に、本発明の計測ヘツドの仕様の例を示すと
下表のとおりである。
【表】
【表】 ［発明の効果］ 本発明は以上のように構成したものであるが、 光ビームは溶接アーク光の時間変動の周波数
スペクトルを考慮して100KHz以上の周波数変
調したものを用いているので、従来は300アン
ペア程度の溶接アーク光で測定不可能であつた
ものを、本発明では2000アンペアの溶接アーク
光の至近点でも測定が可能となつた。 電気的に互いに独立したシリコンフオトダイ
オードのアレーで受光検出するようにしたの
で、数ＭHzの変調光においても強度に比例した
電気出力が得られるようになつたとともに、光
強度に関するダイナミツクレンジが極めて広い
特性があるため強い溶接アーク光の存在下にお
いても正確に信号光を検出することができた。 受光素子アレーの出力端子を切替スイツチで
走査して、直列出力として信号光成分を検出す
るようにしたので、復調信号検出回路の数が１
系統で足りることとなり、測定ヘツドの小形
化、軽量化、経済化が図れた。 特に計測ヘツドとして重要となる軽量化につ
いて述べるならば、本発明においては計測ヘツ
ドを約700ｇにすることができた。 受光素子アレー上で受光素子受光面と輝点映
像が重なつている時間の間に全ての受光素子端
子が必ず高速の切替スイツチでスイツチオンさ
れるようにし、かつ、１端子当り必ず変調波を
３波以上含むようにしたので、輝点映像を受光
している受光素子を見逃すことなく確実に測定
できるようになつた。 この点は、実際に測定を行つていく上で重要
性が認識されたもので、本発明の特長となるも
のである。 以上の他に、本発明は、従来10cm以下であつ
た計測ヘツドと被溶接物との拒絶を20cm以上に
することを可能とし、計測ヘツドを溶接飛沫や
ヒユームから保護するのを容易とした。 上述したように本発明は、従来のこの種の測定
器の欠点を全面的に解決したものであり、現状に
おいても溶接用計測ヘツドとして有用されている
が、さらに述べるならば、現在は、まだ視覚セン
サを装着し、溶接点を測定しながら、軌道を見つ
けて進んでいくようなロボツト運転技術が開発さ
れていないが、この運転技術が開発されれば、本
発明に計測ヘツドはアーク溶接の自動化に必須の
ものとなろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の計測ヘツドの光ビームを用い
三角測量の測定原理を示す図、第２図は溶接アー
ク光の時間変動の周波数スペクトルを示す図、第
３図は本発明の実施例の計測ヘツドの構造を示す
図、第４図は受光器の受光素子アレー上における
輝点映像の走査および切替スイツチの動作の関係
を示す図、第５図は光ビームの方向の測定範囲、
微小角幅Δを示す図、第６図は輝点映像の受光素
子アレー走査および切替スイツチの受光素子端子
走査を示す図、第７図は測定制御回路構成を示す
図、第８図は測定制制御回路路の動作タイムチヤ
ートを示す図、第９図は測定制御論理回路の構成
を示す図、第１０図はプロセス処理装置における
形状計算の処理フローを示す図、第１１〜１３図
は従来の計測器を説明する図である。 Ｌ……投光器、Ｒ……受光器、ｌ……光ビー
ム、ｒ……反射光、θL……投光角、θR……受光
角、RM……揺動ミラ、OL……揺動ミラの回転中
心、£R……受光レンズ、OR……受光レンズの中
心、Ｓ……受光素子アレー、Si……受光素子（ｉ
＝０，１，２，……，ｍ−１）、Ａ……輝点、ａ
……受光素子アレー上に結ばれた輝点の映像、Δ
……測定範囲θL1〜θL2をnL等分した時の１つの微
小角幅、Δ′……受光角でΔに対応する微小角幅、
SW……切替スイツチ、４０……発振回路、fM…
…発振パレスの周波数（変調周波数）、４１……
クロツクカウンタ、CL1……クロツク、４２……
ミラ駆動回路、４３……走査制御カウンタ、４４
……測定制御論理回路、４５……走査カウンタ、
４８，４９，５０，５１，５２……全体で輝点信
号検出回路、５４……プロセス処理装置、２５，
２６……それぞれ測定範囲の右端および左端の検
出センサ、LD……レーザダイオード、２２……
レーザダイオードの駆動回路、55……角度誤差補
正回路、DI……光ビーム移動方向指示信号、MA
……測定範囲信号。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 一定距離ｄを隔てた２点OL、ORにそれぞれ
    投光器、受光器を設け、基線OL ORおよび基線
    OL ORを含む基平面を設けたものとし、 投光器は前記基平面内においてOLを中心とし
    て、その方向を、定振幅で周期的に揺動する光ビ
    ーム（信号光ビーム）を射出し、被測定物表面
    を、光ビーム投射で生ずる輝点で走査する手段、
    および前記光ビームを100KHzないし数ＭHz内の
    １周波数で強度変調する手段、ならびに、光ビー
    ムの揺動振幅内の測定範囲を所定の精度を出すの
    に必要な数に分割した一定の微小角幅Δに等分
    し、端から順次Δ0，Δ1，…Δk，…ΔoL-1としたと
    き、光ビームが存在するΔの順番を出力する手段
    を備え、 受光器は前記輝点の映像を結ばせるため、OR
    に中心をもつ受光レンズ、輝点映像位置に、基平
    面内において、複数個の独立のシリコンフオトダ
    イオードでなる受光素子を直線上に等間隔に配置
    した受光素子アレー、および、前記受光素子アレ
    ーの素子端子に順次切替えてスイツチオンして素
    子の電気出力を直列出力として取出す切替スイツ
    チを備え、 前記直列出力を復調して信号光成分をすなわち
    変調波成分を逐次検出して出力する信号検出手段
    を備え、 輝点が受光素子上に重なつていることを見逃す
    ことをなくするように光ビームが各微小角幅Δだ
    け回転する間に、前記切替スイツチが、受光素子
    アレーの全素子端子を逐次一巡してスイツチオン
    し、かつこの場合、１素子端子当りのスイツチオ
    ン時間が、変調波の復調に充分な波数を含むよう
    に構成し、 前記の光ビームの回転角を示す信号である微小
    角幅Δの順番、受光素子アレーの直列出力から信
    号光成分の検出を行つた結果を示す信号、さらに
    必要に応じて、クロツク信号、光ビーム移動方向
    を示す信号、測定範囲を示す信号を取り込んで、
    三角測量法の原理により輝点位置座標を、光ビー
    ムの回転にともなつて、逐次計算する計算手段を
    有して、物体の光ビームによる切断面の形を求め
    ることを特徴とする溶接機計測ヘツド。
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