JPH05507145A - 表面の形状を決定する装置 - Google Patents

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】 表面の断層像の決定装置 本発明は、点から点へと表面の法線ベクトルを計測することにより表面の断層像 を決定する装置、並びに同じ点における表面の曲率の決定、及び表面における穴 の方向、位置、形状及び寸法を決定する装置に関する。

前記装置は、例えばノルウェイ国特願第８８１５７９号において２名の発明者（ ベテルセン及びロトフォルト）により説明された活性光源の空間位置の測定のた めの光−電子式センサーの使用に基づく。表面の測定点を記録し、かつセンサー から隠れた点の位置を決定する付属器具が発明者の一人（リンドヴイスト）によ り以前に開発された。スウェーデン国特願第４５６４５４号参照。本発明はこの 付属器具の更なる発展に関し、これは現在は表面の法線ベクトルの点から点の決 定を許し、更にこれらの点における表面の曲率、並びに表面の穴の位置、形状、 大きさ及び方向の決定を可能とす。

工業において、表面の断層像を描（強い要求がある。例えば、これは、製造する 湾曲表面の品質管理、及び設計工程中におけるモデル表面の数値化についての要 求のある自動車工業に関係する。

計算機支援設計（ＣＡＤ）システムの使用に関連して、表面の法線ベクトルがそ の形状を描くためにしばしば使用される。これは、表面の点の座標に加えて価値 のある情報を与える。対象物を調査する総ての公知の方法は、個々の点の座標の 測定値に基づく。表面を横切り点から点の法線ベクトルの物理的な直接測定のた めの方法は知られていない。

この測定技術は、表面上の点の空間座標の決定のみができる機械的な座標測定機 械に基づくことが多い。かかる場合においては、法線ベクトルは近隣の点の座標 からこれを誘導しなければならない。同じ限定条件が、非接触測定、例えばビデ オカメラとレーザー感知手段の使用による総ての公知のシステム、あるいは対象 物又は表面上の記録された点の断層像の作成に基づく通常の断層像法についてか 認められる。

点から点への表面の法線ペルトルの情報、終局的にはその曲率の情報により、そ の同じ点における測定により計測された座標値を補足することが本発明の目的で ある。測定点は表面上のどこでも自由に選ぶことができる。更に、穴の位置、直 径及び方向を決定することにより、表面上又は対象物上の穴を完全に記述するこ とが目的である。

この装置は可動センサーの使用に基づく。これは大きな対象物を測定室内に持ち 込むことを必要とせずにこれらを調査できる。前記付属器具は、問題の座標シス テム間、即ちセンサーの内部座標システムと対象物の座標システムとの間の関係 を決定するためにも使用される。この関係の決定は断層写真法の原理に基づ（。

本発明により、これは、本体、最小２個の光源及び３個の接触点又は平面の接触 面を備えたプローブにより得られ、光源の位置は接触点又は接触面に関して既知 であり、前記センサーを用いてこれら光源の空間位置（座標）を測定するときに 、これが前記接触点の座標並びに接触点又は接触面により定められた平面に対す る法線ベクトルの計算の基礎を与える。

本発明により、このプローブは２個又は３個の光源を備えることが提案される。

更に、プローブの接触点又は接触面の種々の設計方法が示唆され、従って、更に 表面の縁により定められた点において、表面の曲率又は表面の法線ベクトルを決 定できる。更に、表面の穴の位！、方向、形状及び寸法の決定ができるように、 プローブの特別な設計が提案される。

更に特徴的な特色は、特許請求の範囲において、並びに付属図面を参照した本発 明の非限定的な事例の以下の説明において与えられる。

図１　表面の法線を決定するために２個のセンサー及び付属工具が使用される測 定方法を示す。

図２　ａ−ｂ　平面の接触面に基づく付属器具の基本構造を示す。

図３ａ−ｂ　３個の接触ピンに基づく付属器具を示す。

図４　ａ−ｂ　表面法線に加えて測定点の表面の曲率の直接測定ができる付属器 具示す。

図５　穴の位置及び直径の測定に加えて表面の穴により定められる点における表 面の法線を与える器具を示す。

図６　穴の方向、位置及び直径を決定するための器具を示す。

図７　ａ−ｂ　表面の縁における法線ベクトルの決定用の器具を示す。

本発明による測定装置の使用は、表面３に置かれた光源又は光点の位置の決定の ための２個のセンサー１．２の位置決めを含む。センサーはノルウェイ国特願第 ８８１５７９号に説明された種類のもの、又はその他の光検知用感知器とするこ とができる。付属器具４は表面上の所要の位置に置かれる。器具のこの基本的な 構造が図２　ａ−ｂ及び３　ａ−ｂに示される。これは、光源６−８を有する本 体５、及び平面になっている接触面９（図２）又は３個の接触ピン１Ｏ−１２（ 図３）より構成される。光源を有するプローブは、例えば横棒の各端部に１個ず つ及び垂直柱の脚に１個の光源を有する丁字形の本体（図２ａ、　３ａ−ｂ）を 持つことができる。３個の光源の使用は、これが法線ベクトルの明瞭な定義を与 えるので有利である。

測定原理は、２個（又はそれ以上の）センサーが個々の光源の位置を記録するこ とである。器具の光源の位置の情報に基づいて、穴としての器具の位置及び方向 が計算される。例えば、断層写真法的な計算方法をこれらの計算原理に対して使 用できる。

光源の最小数は図２ｂに示されるように２個である。これは、法線ベクトルと平 行又は一致する線上に取り付けられた２個の光源７−８を必要とする。２個の光 源を通る線が接触面又は３個の接触点により定められる平面と交差する点に関す る光源の位置を知れば、これが、法線ベクトルに加えて、この点の空間座標の計 算についての基礎を与える。

接触点１０−１２に関して任意に取り付けうる３個又はそれ以上の光源６−８を 使用る場合は、光源は直線内に置かれない。器具に固定された局所的な座標に関 する光源の位置は既知である。この局所的な座標／ステムは、接触ビン］、　Ｏ −１２又は接触面９の位置と方向とによって定められるであろう。もし個々の光 源の位置が全座標システム又は対象物に固定された座標システムに関して測定さ れれば、器具の位置と方向とは簡単な座標変換により計算される。

付属器具の本体５は、接触面９、又は３個の接触ピン１０−１２により定められ る面に直角に取り付ける必要はない。逆に、部分的に隠された面への接近を容易 にする角度で本体を取り付けことが多くの応用に対し、て有利である。

付属器具の使用により、接触面９又は接触ピン１０−１２により定められる平面 の法線ベクトルが決定される。接触面の寸法と形状又は接触ビン間の距離が測定 すべき表面の曲率に適合することが重要である。もし表面が接触ピン間の距離と 同程度の大きさの寸法内できつ（湾曲しているならば、表面の法線は定められず 、又はせいぜい表面の平均の法線が測定されるだけである。

図４　ａ−ｂは、表面の法線に加えて表面曲率の情報も与える器具を示す。

図４８においては、ピン１０−１２により定められる表面への法線と平行に自由 に動ける第４の接触ピン１３が穴１５内に取り付けられる。可動ピン１３に光源 １４が取り付けられる。この光源１４のその他の光源６−８に関する位置が、表 面の曲率を計算する基礎を与える。計算された曲率は３個の接触ピンにより限定 された領域についての平均値となるであろう。

これと同じ機能は、３個のピン１０−１２が一体となって表面の法線と平行に動 き、かつ光源１４がその上で動かされるように、３個のピンを取り付けることに より、器具の本体５に取り付けられ固定されたピン１３により得られるであろう 。

図４ｂにおいては、２個のアーム２５−２６が回転取付は具３１−３２の使用に より器具本体５に取り付けられる。各アームに光源２７−２８が取り付けられる 。表面はピン２９−３０と接触させられる。ばね荷重式の連結具３１−３２によ り、接触ピンは確実に表面に押し当てられる。光源２７−２８のその他の光源６ −８に関する位置が表面の曲率の測定値を与える。

図５は、表面３における穴１７により与えられた点における表面の法線を決定す るように開発された図４８の器具の変更例である。円錐状の尖ったピン１６が穴 １５内を垂直方向に動くことができる。このピンに光源１４が取り付けられる。

この光源のその他の光源６−８に関する位置は、ピン１６が穴１７内にどの位の 深さに入ったかを示す。ピンの形が既知であれば、これは穴の中心に加えて穴の 直径を計算する基礎となる。上述のように、３個のピン１０−１２が垂直方向軸 に沿って一緒に取り付けられるならば固定されたピン１６の使用により同じ効果 が得られるであろう。

上述のような穴の直径の決定用の器具は、薄い表面における円形の穴に限定され る。図６は、穴１７の方向、位置、直径及び形状の決定に使用しうる器具を示す 。この場合は、ピンは円柱体１８のような形状にされる。この円柱体は最小３個 の異なった位置において穴の縁に隣接して保持される。穴１７内の深さがよく定 められるように、円柱体１８の頂部にリム１９が取り付けられる。

円柱体１８の長手方向中心軸は、よく定められた点においてリム１９により定め られた平面と交差する。光源６−８の位置はこの点に関して知られる。表面３内 に垂直に穿孔された円形穴１７の場合は、穴の位置（中心）、方向及び直径を決 定するには３個の測定点で十分である。測定値は、穴の中心にその中心を有しか つ穴の直径から円柱体の直径を差し引いた値に等しい直径を有する円形上の３個 の点の空間座標を与える。

これは、穴と表面との交線が楕円であるような穴の方向が表面と直角でない場合 でも有効である。一方、穴が楕円形ならば、最小４個の測定点が必要である。

穴の決定用の提言された円柱体状の付属器具は、別の形状を有する器具、例えば 穴の側面に接触するよく定められた壁を有する器具により置換することができる 。これの本質的な特徴は、器具がよく定められた接触面又は接触線を有し、器具 が穴の中心線と自然と平行に位置付けられ更に接触面又は接触線が知られかつ光 源の位置に関してよく定められることである。

表面３の縁において、あるいは表面の特徴線又は切れ目に沿っての表面の法線に 対する特別な要求がしばしばある。図７ａにおいて、３個の接触ピン２０−２２ が表面の縁からよく定められた距離における表面の法線を決定するように設計す る方法が示される。図７　ｂ−ｃにおいては、３個の接触ピンは１個の接触面２ ３により置き換えられる。この表面は、回転連結具２４の使用により付属器具の 本体５に取り付けられる。これにより、器具の本体及び光源を常に測定システム のセンサーの方に向けうるので、表面全体の外縁の回りでの同じ器具の使用が可 能となる。

表面の縁における表面の法線の決定が必要な例は、自動車の車体部品間の高さ合 わせに関連する自動車工業における要求に関する。これは、例えば、取り付けら れたフードの縁とフェンダ−とを同じ高さにしなければならないことを含む。図 ７に示された器具の使用により、２個の表面の両者の法線の測定、並びにそれぞ れの接触点の座標を通るこれらの相対高さが知られる。通常の座標測定機械は、 その使用に多数の測定点、及びこれを通る数学面と適合することを必要とするの で、この用途に対しては役に立たなかった。

上の場合、多くの器具が提言される。総てが同じ本体５と光源６−８とから組み 立てられる。実際的な万能型器具は、この部分が異なった形状にされた多（の置 換可能な接触面及びピンと共に適用しうるように設計されるであろう。

要　約　書 本発明は点から点へと表面の法線ベクトルを計測することによって表面の断層像 を決定する装置、並びにこれらの点における表面の曲率の決定、及び表面上の穴 の方向、位置、形状及び寸法を決定する装置に関する。前記装置は、活性光源の 空間位置の測定のための光−電子式センサー（１；１−２）の使用に基づく。更 に、本発明は、本体（３ａ；５）、最小２個の光源（３ａ：６−８）及び３個の 接触ピン（３ａ；１０−１２）又は平面の接触面よりなる付属器具（１；４）の 使用に基づく。接触ピン又は接触面は、器具を明瞭に表面（，１；３）上に位置 決めする。器具の接触ピン又は接触面に関する光源の位置の知識により、光源の 測定された空間座標からこの表面の方向を決定できる。

国際調査報告 国際調査報告 鬼 ■−Ｊ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．光点の空間位置を決定する最小２個のセンサーを備え、点から点への表面の 法線ベクトルの測定により表面の断層像を決定する装置において、 −プローブが本体（５）、最小２個の光源（６−８）及び３個の接触点（１０− １２）又は平面の接触面（９）を備え、前記光源の位置は接触点又は接触面に関 して知られ、前記センサーの使用によるこれら光源の空間位置（座標）の測定に より、前記接触点の座標、並びに接触点又は接触面により定められた平面の法線 ベクトルを計算するための基礎が構成される ことを特徴とする装置。
2. ２．請求項１に請求された装置にして、−２個の光源（７−８）がプローブに取 り付けられ、両者とも前記２個の光源を通る線が前記接触点（１０−１２）又は 平面の接触面（９）により記述された平面の法線ベクトルと平行であるように取 り付けられることを特徴とする装置。
3. ３．請求項１に請求された装置にして、−任意の位置ではあるが、３個の光源の 総てが一つの直線に沿って置かれることのないように取り付けられたプローブに ３個の光源（１０−１２）が取り付けられ、光源の位置が前記接触点（１０−１ ２）又は平面の接触面（９）に関して知られる ことを特徴とする装置。
4. ４．請求項１に請求された装置にして、−３個の接触点（１０−１２）に加えて これらの中央において第４の接触点（１３）プローブに取り付けられ、この第４ の接触点が前記３個の固定接触点により記述される平面と直角方向に可動であり 、更に光源（１４）はその他の光源に関するこの光源の位置の決定により表面の 曲率が計算できるようにこの第４の接触点に取り付けられることを特徴とする装 置。
5. ５．請求項１に請求された装置にして、−接触面（２３）、あるいは３個の接触 点（２０−２２）の内の１個文は２個は、プローブが表面の縁に関してよく定め られた位置における表面の法線を決定するために、そこに置きうるように設計さ れることを特徴とする装置。
6. ６．請求項１に請求された装置にして、−案内用手段（１６）が穴の中心決定の できるように接触面又は３個の接触点に関して取り付けられる ことを特徴とする装置。
7. ７．請求項６に請求された装置にして、−案内用手段（１６）はこれに取り付け られた光源（１４）を有する円錐状にされ、この光源の位置の決定により穴の中 心位置及び方向に加えて穴の直径を計算できる ことを特徴とする装置。
8. ８．請求項１に請求された装置にして、−プローブの接触面は、既知の直径及び と接触リム（１９）を有する円柱体（１８）として、あるいは１個又は複数個の 知られた接触縁（２３）を有するように設計され、穴の中心軸と平行に穴におけ るその位置決めができ、かつこれら接触縁はプローブの光源に関して知られた位 置と方向とを有し、従って最小３個の位置において接触面を穴の側面と接触させ ることにより、及び光源の位置を決定することにより、穴の位置、直径及び方向 を計算する基礎が構成されることを特徴とする装置。