JPH0625659B2 - 姿勢センサ - Google Patents

姿勢センサ

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JPH0625659B2
JPH0625659B2 JP63116975A JP11697588A JPH0625659B2 JP H0625659 B2 JPH0625659 B2 JP H0625659B2 JP 63116975 A JP63116975 A JP 63116975A JP 11697588 A JP11697588 A JP 11697588A JP H0625659 B2 JPH0625659 B2 JP H0625659B2
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JP
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lens
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JP63116975A
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一造 中野
義一 伊藤
湧一 清水
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ENU TEI TEI ADOBANSU TEKUNOROJI KK
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ENU TEI TEI ADOBANSU TEKUNOROJI KK
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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ヘッド(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
加工上きわらて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Zの
まわりに複数個の測定ユニットM1,M2,‥‥,M
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B1,B2とし、その間に環状の受光レンズLを設
ける。受光レンズLの光軸はZ軸と一致させてある。
光源は筐体B外周に母線に沿って設けられた光ファイ
バコードI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aを生ぜしめる。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B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S
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度aioの像Bio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
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、lai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aとの距離laiが規定値からずれると、
の位置が変わりaからの反射光が受光素子S
入射する位置が変化する。このa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、laiの変化量もたかだか数mmであるので、1mm程度
に過ぎない。
受光レンズLRは測定ユニットM(i=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S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ーの一端を
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入し、
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つの測定ユニットM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Bは輝点aの乱反射光
が受光レンズLの反対側の部分に入射するのを遮り、
また、受光素子S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Mにおける輝点
からの乱反射光が受光素子Sに入射する様子は、
近似的には、受光素子Sと受光レンズL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Sの取付け方向は、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・tanα ただし、Mはレンズの倍率(M=f/(lao-f))を満
足するよう受光素子SをZ軸に対し 90゜−βを傾けて組み込む。
環状受光レンズLの内縁の半径をr,外縁の半径を
,Z軸と輝点aとの距離をr,受光レンズL
の中心面と輝点aとの距離をlaiとすると、r,l
ai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、aioは受光レンズL
らの規定位置にある輝点、ai1は規定位置より遠方にあ
る輝点、ai2は規定位置よりも近くにある輝点を示し、
それらの像をBi0,Bi1,Bi2 で示す。laij (j=
0,1,2)はそれぞれ受光レンズLの中心面と輝点aij
(j=0,1,2)との距離である。
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r<r<r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r<r<rの場合である。基準のワーク
面A上の輝点aioは像面S上のBio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ai1に移り、受光した像はBi1に結像す
るから、S上では多少ボケて広がりをもつ像B′i1が形
成される。この場合、像位置はBi0からB′i1にS面上
で右へ移動する。S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′i1
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(b)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ai0がr=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Bi0はS面上を右へ動いてB′i1へ移り、反
対にAからA″へ近づいたとき(第4図(b))、像Bi0
はS面上を左へ動いてB′i2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S′のように、第
2図で説明したai0,ai1,およびai2の結像点Bi0
i1,Bi2を結ぶ線上に、受光素子Sを設けるとすれ
ば、Bi1,Bi2はレンズ寸法rおよびr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゜,la0=80mm、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がえ
られた。
上記測定ユニットM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,M,M,M)配置すれば、4個の輝点
(i=1〜4)と受光レンズLとの距離が、測定
値la0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lai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、
CO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 K
Hz以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
(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
ァィバコード径と合わせて1〜2mmの径で構成できるか
ら、レーザガンG外周上母線方向に溝を堀り、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(i=1,2,・・)は受光系の信号検出回路であ
る。
受光素子S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徐去し、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aが受光
素子S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、RS-232C 等のイ
ンタフェースを介して、センサ・コンピュータSPC 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. 【請求項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。
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