JPH07286845A - 三次元形状測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 三次元形状測定において、測定面の傾斜等に
よる測定誤差を少なくし、精密測定が出来るようにす
る。 【構成】 超音波ビームの反射波により測定点の角度判
定を行うと共に、光ビームの反射波により測定点の位置
測定をする。即ち、超音波ビームの送受信による角度検
出ヘッド１と、レーザービームの送受光による位置測定
ヘッド２と、両ヘッドを被測定体５の測定点を中心とす
る球面上に走査させる角度走査装置とを設け、該角度走
査装置３、４による角度走査において、測定点の角度検
出ヘッド１による角度の検出測定結果から、位置検出ヘ
ッド２による位置の検出測定を行う。又、被測定体５の
測定点を移動させる位置走査装置６、７、８と、測定点
の角度検出ヘッドによる角度の検出測定結果から、位置
走査装置による測定点の移動位置情報と位置測定ヘッド
２による位置の検出測定情報とにより、三次元形状信号
を演算出力する演算処理装置１１とを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は三次元形状測定方法、及
びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来光学式非接触で、三次元形状の測定
を行うのに三角測量法により反射光のスポット位置をＰ
ＳＤとかＣＣＤの光位置検出器で検出して、変位を測定
する方式のものが知られている。

【０００３】これは図８に示すごとく、反射面Ｓの変位
ｚにより光位置検出器上を反射スポットが移動ａするの
で、このａを検出して変化ｚを測定することが三角法の
原理である。この場合、投光系と受光系とが２軸光学系
を形成しているために、反射面Ｓの傾き方向及び形状等
による影響が大きくなり、これが測定誤差として現れる
欠点がある。即ち、例えば図９に示すように、測定面が
傾斜するＳ_１面と水平面Ｓ_２がある場合に、照射ビーム
ｌ_０が斜面Ｓ_１のＰ_１点に当たったとき反射光ｌ_１は、
ラインセンサのａ_１位置に検出されるが、このときＰ_１
点の反射光が水平面Ｓ_２に当たって２次反射した光ｌ_２
も強くセンサのａ_２位置に検出される。したがって、こ
のときのセンサ上の光スポット位置は、ａ_１とａ_２の中
間位置にあるように検出、処理されることになり、点ａ
_１からずれた位置を検出してしまうことになる。

【０００４】

【本発明が解決しようとする課題】本発明は、前記の形
状測定における測定面の傾斜等による影響を少なくし、
測定誤差を少なくした精密測定ができるようにすること
を目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】超音波ビームの反射波に
より、測定点の傾斜角度判定を行うと共に、光ビームの
反射波により前記測定点の位置測定をすることを特徴と
する。

【０００６】又、超音波ビームの送受信による角度検出
ヘッドと、レーザービームの送受光による位置測定ヘッ
ドと、前記両ヘッドを被測定体の測定点を中心とする球
面上に走査させる角度走査装置とを設け、該角度走査装
置による角度走査において、前記測定点の角度検出ヘッ
ドによる傾斜角度の検出判定結果から、それが一定の範
囲内にある時のみ、前記位置検出ヘッドによる位置の検
出測定を行うようにしたことを特徴とする。

【０００７】又、前記の装置に於て、前記被測定体の測
定点を移動させる位置走査装置と、前記測定点の角度検
出ヘッドによる傾斜角度の検出判定結果から、それが一
定の範囲内にある時のみ、前記位置走査装置による測定
点の移動位置情報と前記位置測定ヘッドによる位置の検
出測定情報とにより、三次元形状信号を演算出力する演
算処理装置とを設けたことを特徴とする。

【０００８】

【作用】本発明は前記のように、超音波ビームの反射波
により測定点の傾斜角度判定をすると共に、光ビームの
反射波により前記測定点の位置測定をするようにしたか
ら、超音波反射波の角度特性、即ち指向特性が高いこと
を利用して測定点の傾斜角度判定を高精密に判定するこ
とができ、この判定結果に基づいて光ビームが測定面に
ほぼ垂直に当たるような角度範囲にある時のみ、測定点
の位置判定をすることができ、光の乱反射による測定誤
差を少なくして測定精度を向上させることができる。位
置測定はレーザー等の光ビームを利用するから微小スポ
ットに集束することが容易にでき、前記散乱光を排除す
ることによって位置（距離）の測定が高精度にできる効
果がある。

【０００９】又、本発明は角度検出ヘッドと位置測定ヘ
ッドとを被測定体の測定点を中心とする球面上に走査さ
せる角度走査装置を設け、該角度走査装置による角度走
査において、前記測定点の角度検出ヘッドによる傾斜角
度の検出判定結果から、それが一定の範囲内にある時の
み、前記位置測定ヘッドによる位置の検出測定を行うよ
うにしたから、位置測定ヘッドを被測定体の測定点に対
して、常に一定の角度範囲、即ちほぼ垂直に指向対向し
て位置測定をすることができ、精密測定をすることがで
きる。

【００１０】又、本発明は更に、前記被測定体の測定点
を移動させる位置走査装置と、前記測定点の角度検出ヘ
ッドによる傾斜角度の検出判定結果から、それが一定の
範囲内にあると時のみ、前記位置走査装置による測定点
の移動位置情報と、前記位置測定ヘッドによる位置の検
出測定情報とにより、三次元形状信号を演算出力する演
算処理装置とを設けたから、三次元形状の精密測定が自
動的にできる効果が得られる。

【００１１】

【実施例】以下、図面の一実施例により本発明を説明す
る。図１において、１は超音波ビームの反射波による角
度検出ヘッドで、凹面振動子により超音波ビームを集束
し、指向特性を高めて測定面に照射し、その反射波を受
波するセンサより成る。２はレーザービームの反射波に
よる位置測定ヘッドで、これは図２に示すように半導体
レーザー２１及びレンズ２２の照射系とラインセンサ２
３とレンズ２４の受光系が所要の角度を有する２軸
ｌ_０，ｌ_１上に設けられている。

【００１２】３は前記両ヘッド１，２を支持するアーム
で、このアームの基点を中心にモータ４により回転する
ことによって、両ヘッド１，２を照射点を中心とする円
弧を回動させるもので、被測定体の測定点を中心とする
球面上にヘッド１，２を移動させる角度走査装置を構成
する。５は被測定体でｘ、ｙ駆動テーブル６に固定さ
れ、ｘ軸駆動モータ７及びｙ軸駆動モータ８により、被
測定体の測定点を移動させる測定位置走査装置を構成す
る。９はテーブルの上下ｚ軸位置の制御用駆動モータ、
１０は各モータ４，７，８，９の自動制御を行うＮＣ制
御装置である。

【００１３】１１は演算処理装置で、ＮＣ制御装置１０
から測定位置の情報が、又、角度検出ヘッド１及び、位
置測定ヘッド２から各々の検出信号が演算情報として供
給され、測定点の傾斜角度検出により測定結果から、そ
れが一定の範囲内にある時のみ、測定点の移動位置情報
と測定ヘッド２の位置測定情報とにより三次元形状信号
を演算出力する。１２は演算装置１１の演算出力をテー
プ等にプリントアウトするプリンターである。

【００１４】以上において、角度検出ヘッド１から照射
する超音波は、例えば５００ｋＨｚのパルスを用い、測
定点Ｐまでの距離、即ち設定距離を例えば１５０〜２０
０ｍｍ程度にモータ９駆動により設定すると、図３の特
性図によりスポット半径をｒ＝２〜２．５ｍｍ程に絞る
ことができる。又、図４は角度特性を示すもので、前記
設定距離１５０〜２００ｍｍにおいて、反射波の検出角
度は約４°〜３°である。即ちこれは図５に説明するよ
うに、照射点Ｐの傾斜角度θが４°以内であればＰ点か
らの反射波が検出できるが、４°以上になると検出でき
なくなる。ヘッド１の検出信号は演算処理装置１１に供
給され、信号の判別によってそれが所定以下であるとＰ
点の傾斜角θが４°以上であり、検出信号が所定値以上
であると角度θが４°以内であることが判定される。

【００１５】前記演算処理装置１１の判別結果がθ＞４
°であれば、装置１１からＮＣ装置１０に信号が加えら
れ、モータ４を駆動してヘッド１，２を、測定点Ｐを中
心とした円弧回動を行わせ、θ＞４°である間は、超音
波の照射角度を変更制御する。この回動による角度制御
によって、検出ヘッド１の信号判別の結果θ＜４°を判
別したとき、このときはＰ点に照射する超音波ビームの
照射角度が面に対してほぼ垂直に当たっていることを判
定したわけであり、このときは装置１１からＮＣ装置１
０に回動停止信号を送ってモータ４の回転を停止する。

【００１６】以上の角度制御により、ヘッド１のＰ点の
対向照射方向がほぼ垂直になった位置で固定し、このと
きはレーザーの位置測定ヘッド２もＰ点に対してほぼ垂
直な対向をし、図２の発振器２１のレーザービームｌ_０
は面Ｓの測定点Ｐにほぼ垂直に当たり、その反射波をレ
ンズ２４を通してラインセンサ２３上で検出するので、
図８で説明したように反射面Ｓの変位ｚによりラインセ
ンサ２３の光スポット位置ａが移動し、三角測量法の原
理により位置ａを検出して変位ｚを測定することができ
る。即ち、演算処理装置１１はラインセンサ２３の検出
信号をＡ−Ｄ変換して入力し、そのデジタル信号を複数
のＣＰＵでリニア補正や平均処理などのデータ処理す
る。データ処理された測定結果は、一旦メモリされると
共に、前記ＮＣ制御装置１０からの測定点Ｐのｘ、ｙ平
面上の位置情報と共に、三次元形状信号を演算出力し、
プリンタ１２によりプリントアウトする。

【００１７】このようにレーザービームによる位置測定
は、Ｐ点に対してほぼ垂直にレーザ照射が行われたとき
の測定ヘッド２による検出信号のみが演算処理装置１１
によってデータ処理されるので、傾斜面に鋭角をもって
レーザー照射し、位置測定することによる２次、３次反
射等の乱反射による測定誤差を少なくして極めて高精度
な測定が行えるようになる。測定点Ｐの測定が終えた
ら、ｘ軸モータ７、又はｙ軸モータ８の駆動により被測
定体５の測定点を順次移動し、変更して前記測定操作を
繰り返し、角度検出ヘッド１による測定点の傾斜角度判
定によりそれが一定の範囲内、即ち測定面にほぼ垂直に
対向するときの位置測定ヘッド２により、レーザービー
ムを照射し、測定点からの反射波を利用した位置の検出
測定値を有効とし、この測定制御を被測定体５の全表面
に亘って行い、有効データの演算処理によって三次元形
状を精密に測定することができる。

【００１８】図６は被測定体５の上面の測定走査形状の
実施例で、測定点をＳｔａｒｔ位置からスタートし、矢
印のようにｘ軸を左方向に移動し、被測定体５端部で所
定単位長さｙ軸に移動して折り返し、ｘ軸を右方向に移
動させるよう、これを繰り返してＳｔｏｐ位置まで全面
走査する。この走査はＮＣ装置１０によるｘ軸モータ７
及びｙ軸モータ８の駆動によって行い、この走査中、被
測定体５の凹部５１，５２、凸部５３，５４に移動した
ときはモータ４の駆動によって、照射角度の制御によっ
て測定点の面が垂直になる角度からの測定をすることに
より精度向上を計る。勿論、ｘ、ｙ走査により被測定体
５の全面走査して、予め凹凸部５１〜５４の位置をメモ
リしておき、その後凹凸部５１〜５４だけを角度制御し
ながら測定するようにしてもよい。尚、前記角度走査装
置は実施例以外の球面上の移動装置を利用することがで
き、又、被測定体側を回動させる構成にしてもよい。
又、測定位置走査装置はヘッド１，２側を移動させるも
のでもよい。

【００１９】図７は中心対称体１３の測定をする実施例
で、１４は対称軸中心に回転するモータ、１５は上下ｚ
軸移動制御するモータである。角度検出ヘッド１及び位
置測定ヘッド２は被測定体１３を中心とする円弧軸１６
を移動するように設けられる。回転モータ１４及びｚ軸
制御モータ１５はＮＣ制御装置によって制御され、ｚ軸
の成る位置を設定したらモータ１４の回転によって１周
走査する。そのときの角度検出ヘッド１によって測定面
の傾斜角度が一定の範囲内にあるときの位置測定ヘッド
２の測定信号のみを有効データとして処理し、範囲外の
ものは除外していき、この走査測定をｚ軸モータ１５の
制御によって位置を移動しながら各ｚ軸位置の回転走査
を繰り返し、又、両ヘッド１，２を円弧軸１６上を１ス
テップずつ移動させて照射角度を変更しながら検出測定
し、測定角度が一定範囲内にあるもののみをデータ処理
して全体としてモデルの三次元形状を測定する。

【００２０】以上のようにして形状測定信号は、プリン
タ１２によってテープ等にプリントアウトされるが、こ
のテープを用いて工作機械を駆動すればＮＣ制御により
容易にモデル形状の機械加工ができ、高精度の測定によ
って高精度の製造が得られる。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、超音波ビ
ームの反射波により測定点の角度判定をすると共に、光
ビームの反射波により前記測定点の位置測定をするよう
にしたから、超音波反射波の角度特性、指向性が高いこ
とを利用して測定点の角度判定を高精度に判定すること
ができ、この判定結果に基づいて、光ビームが測定面に
ほぼ垂直に当たるような角度範囲にあるときのみ測定点
の位置測定をすることができ、光の乱反射による測定誤
差を少なくして測定精度を向上させることができる。位
置測定はレーザー等の光ビームを利用するから、微小ス
ポットに集束することが容易であり、測定面に垂直に当
てることによって散乱光を排除して測定でき、位置の測
定が極めて高精度にできる効果がある。

【００２２】又、本発明は角度検出ヘッドと位置測定ヘ
ッドとを、被測定体の測定点を中心とする球面上に走査
させる角度走査装置を設け、該角度走査装置による角度
走査において、前記測定点の角度検出ヘッドによる角度
の検出判定結果から、それが一定の範囲内にある時の
み、前記位置測定ヘッドによる位置の検出測定を行うよ
うにしたから、位置測定ヘッドを被測定体の測定面に対
して常に一定の角度範囲、即ちほぼ垂直にビームの指向
対向させて位置測定をすることができ、精密測定するこ
とができる。

【００２３】又、本発明は更に、前記被測定体の測定点
を移動させる位置走査装置と、前記測定点の角度検出ヘ
ッドによる角度の検出判定結果から、それが一定の範囲
内にあると時のみ、前記位置走査装置による測定点の位
置情報と前記位置測定ヘッドによる位置の検出測定情報
とにより、三次元形状信号を演算出力する演算処理装置
とを設けたから三次元形状の自動測定が極めて精密にで
きる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例構成図である。

【図２】図１の一部詳細図である。

【図３】図１の一部分のスポット径特性図である。

【図４】図１の一部分の角度特性図である。

【図５】図１の一部分の説明図である。

【図６】図１の走査説明図である。

【図７】本発明の他の実施例の一部構成図である。

【図８】従来例の説明図である。

【図９】従来例の説明図である。

【符号の説明】

１ 角度検出ヘッド ２ 位置測定ヘッド ３ アーム ４ 回動モータ ５ 被測定体 ６ テーブル ７ ｘ軸モータ ８ ｙ軸モータ ９ ｚ軸モータ １０ ＮＣ制御装置 １１ 演算処理装置 １２ プリンタ ２１ レーザー− ２２ レンズ ２３ ラインセンサ ２４ レンズ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波ビームの反射波により測定点の傾
   斜角度判定をすると共に、光ビームの反射波により前記
   測定点の位置測定をすることを特徴とする三次元形状測
   定方法。
2. 【請求項２】 前記光ビームの反射波による位置測定を
   三角測量の原理を利用して測定することを特徴とする第
   １項に記載の三次元形状測定方法。
3. 【請求項３】 超音波ビームの送受信による角度検出ヘ
   ッドと、レーザービームの送受光による位置測定ヘッド
   と、前記両ヘッドを被測定体の測定点を中心とする球面
   上に走査させる角度走査装置とを設け、該角度走査装置
   による角度走査において、前記測定点の角度検出ヘッド
   による傾斜角度の検出判定結果からそれが一定の範囲内
   にある時のみ、前記位置測定ヘッドによる位置の検出測
   定を行うようにしたことを特徴とする三次元形状測定装
   置。
4. 【請求項４】 超音波ビームの送受信による角度検出ヘ
   ッドと、レーザービームの送受光による位置測定ヘッド
   と、前記両ヘッドを被測定体の測定点を中心とする球面
   上に走査させる角度走査装置とを設け、該角度走査装置
   による角度走査において、前記測定点の角度検出ヘッド
   による傾斜角度の検出判定結果から、それが一定の範囲
   内にある時のみ、前記位置測定ヘッドによる位置の検出
   測定を行うようにした装置において、前記被測定体の測
   定点を移動させる位置走査装置と、前記測定点の角度検
   出へッドによる傾斜角度の検出判定結果から、それが一
   定の範囲内にある時のみ、前記位置走査装置による測定
   点の移動位置情報と前記位置測定ヘッドによる位置の検
   出測定情報とにより、三次元形状信号を演算出力する演
   算処理装置とを設けたことを特徴とする三次元形状測定
   装置。