JPH083409B2 - 光学的法線けがき検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、例えば金属薄板等からプレス成形した３次
元立体表面の自由曲面を計測して、その所定位置におけ
る被計測面の法線を求め同時にけがき線に位置合わせす
るための光学的法線けがき検出装置に関するものであ
る。

従来技術 従来、金属薄板等からプレス成形した３次元立体表面
の自由曲面を計測して、その面の法線を求める場合に
は、回転不可能な計測軸に、この計測軸に発生する曲げ
および引っ張りの力を計測するセンサーを取り付け、さ
らにこの計測軸の先端に磁石を取り付けて、計測に際し
被計測面に上記計測軸を接近させたときに、この磁石が
被計測面に吸引されることによって発生する各センサー
の出力信号の大きさから法線誤差を算出するようにした
装置、あるいは回転不可能な計測軸の先端に３個または
それ以上の距離計測センサーを取り付け、計測に際し被
計測面にこの計測軸を接近させたときに、各センサーが
発生する出力信号の大きさから法線誤差を算出するよう
にした装置が使用されていた。

しかし、前者の装置では、計測軸に発生する曲げ力の
方向と大きさを確実に計測し得るような計測軸の構造を
得るために、特に正確な機械加工が必要であり、さらに
計測軸の先端に取り付けた磁石の特性から、被計測面の
急激に屈曲している部位や切断溝および端部等の近傍に
おける計測が不可能である。また、後者の装置では、計
測軸の先端に３個またはそれ以上のセンサーを取り付け
るので、計測軸の先端部の形状が大きくなってしまい、
前者の装置と同様に被計測面の急激に屈曲している部位
や切断溝および端部等の近傍における計測が不可能であ
り、しかも多数のセンサーを備えたことから、それに対
応して増幅器等が多数必要となり、コストが上昇してし
まう等の問題があった。

発明の目的 したがって、本発明の目的は、回転駆動する部分を簡
単、かつ小型に構成して、被計測面の急激に屈曲してい
る部位等の近傍においても、その表面の法線を計測でき
るようにすることである。

発明の概要 上記の目的を達成するために、本発明は、複合レンズ
系を回転させ、その回転位相に対応する信号を出力する
手段を設け、複合レンズ系により結像された被計測面の
けがき線を撮像することにより検出装置とけがき線との
位置偏差を検出し、位置合わせするとともに、複合レン
ズ系を通して被計測面上でその回転中心より所定の偏心
量の位置で被計測面までの距離を計測する光学的距離計
測手段を設け、計測時に被計測面にその計測軸を接近さ
せてから、複合レンズ系の回転によってこの光学的距離
計測の計測点を旋回させることにより、被計測面との距
離に応じて発生する距離計測信号と前記回転位相に対応
する信号とから法線誤差の方向およびその大きさを演算
により算出するようにしている。

実施例の構成 以下に、本発明の好適な実施例が図面に基づいて説明
される。

第１図において、本発明による光学的法線けがき検出
装置１は、フレーム２に例えば締め付け具2aにより固定
された本体３と、被計測面Ｓに対してほぼ垂直な中心線
Ａの周りに回転し得るように前記本体３の内側に軸受3a
および軸受3bによって支持されている複合レンズ枠４と
を備えている。複合レンズ枠４は、その上方端部に回転
駆動用のタイミングプーリ５を備えており、このタイミ
ングプーリ５には、本体３の外側に固定的に配設された
駆動手段としてのモータ６のタイミングプーリ6aに装着
されたタイミングベルト７が巻き掛けられている。さら
に、モータ６には、位相検出手段としてロータリエンコ
ーダ８が連結されており、このロータリエンコーダ８は
モータ６の回転位相を検出して信号を計算器９に出力す
るようになっている。複合レンズ枠４には、中心線Ａに
対して垂直な凸レンズ4aと、その周りでくさび状の円筒
レンズ4bとからなる複合レンズ4cが取り付けられてい
る。

さらに本体３の上部には、光学的距離計測手段とし
て、距離検出器10が取り付けられている。この距離検出
器10は、中心線Ａ上で凸レンズ4aに対向する受像面11a
を有する光ファイバー束11と、この光ファイバー束11の
受像面11aを挟んで互いに反対側に配置され円筒レンズ4
bに対向する照光部として半導体レーザ等の発光素子12
と、受光部として半導体位置センサー等の受光素子13と
を備えている。光ファイバー束11の他方の端面11bは、
フレーム２内を通って離れた位置に導かれ、結像光学系
14を介して、撮像手段としてのCCDカメラ15の撮像面15a
に対向している。CCDカメラ15の出力コード15bは、上記
の計算器９に接続されている。光ファイバー束11の受像
面11aは、被計測面Ｓの凸レンズ4aによる結像位置に配
置されており、また発光素子12から投光レンズ12aを介
して照射した測定用の光線L₁は、被計測面Ｓの中心線Ａ
上の点Ｏに向かって進むが、くさび状の円筒レンズ4bを
通ることにより屈折して、被計測面Ｓの中心線Ａから所
定の偏差量Ｒだけ偏心した位置の計測点P₁に入射する。
この計測点P₁で反射した光線L₂は、再び円筒レンズ4bを
通って受光レンズ13aを介して受光素子13に入射するよ
うになっており、受光素子13の受光信号は、コード13b
を介して計算器９に入力される。このような光学的配置
によって、複合レンズ枠４がモータ６により回転駆動さ
れた場合、円筒レンズ4bが回転して光線L₁および光線L₂
に対する偏心方向を変化させ、これによって計測点P₁が
中心線Ａの周りに半径（偏心量）Ｒで旋回されることに
なる。

なお、本体３の下端には下方に向かって延びたほぼ円
筒状の透明カバー3cが備えられ、またモータ６の駆動軸
6aはカバー3dにより覆われている。

実施例の作用 次に、以上のように構成された本発明の実施例の作用
を説明する。

まず、光学的法線けがき検出装置１を第１図のように
被計測面Ｓに接近させ、その中心線Ａが被計測面Ｓに対
してほぼ垂直な姿勢で、被計測面Ｓに施されたけがき線
Ｍに対向するような位置に設定し、この状態でフレーム
２を被計測面Ｓに対して仮固定する。なお、この検出装
置１の中心線Ａは、例えば加工機のヘッド軸と一致して
いる。

このとき、CCDカメラ15の視野（撮像画面）は、例え
ば第２図に示すようになっており、この画像信号を計算
器９により処理することによって、上記けがき線Ｍの中
心線Ａに対する位置、すなわち中心線Ａ（視野原点Ｏ）
と垂線の足の接線とのずれ量δおよび回転角ωを算出す
る。そして、算出されたずれ量δおよび回転角ωと、光
学的法線けがき検出装置１による現在の検出点すなわち
光学的法線けがき検出装置１の中心線Ａと被計測面Ｓと
の交わる点の座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）および光学的法線けが
き検出装置１の姿勢、すなわち計測方向を示すデータと
から、ずれ量δをｘ、ｙ、ｚ方向の各成分に分解し、適
宜な駆動機構によりフレーム２を移動させてけがき線Ｍ
に対する位置を修正する。

その後モータ６を回転せしめることにより、タイミン
グベルト７を介して複合レンズ枠４を回転駆動せしめ
る。この複合レンズ枠４の回転駆動により、複合レンズ
4cのうち、中央の凸レンズ4aは、その光軸つまりこれに
一致する中心線Ａを中心として回転するだけのため、光
ファイバー束11の受像面11aにおける結像に影響を与え
ないが、円筒レンズ4bは、発光素子12からの光線L₁の被
計測面Ｓへの計測点P₁を中心線Ａに関して一定の偏心量
Ｒを維持しながら旋回させることになる。この計測点P₁
の運動軌道は、被計測面Ｓの平面内で中心線Ａを中心と
する半径Ｒの円軌道である。

このとき、被計測面Ｓが中心線Ａに対する垂直な平面
に対して３次元的に平行であれば、複合レンズ枠４の下
端の基準面から、中心線Ａに沿った被計測面Ｓまでの距
離Ｄは、複合レンズ枠４の回転中に、常に一定である。
しかし、被計測面Ｓが中心線Ａに対して垂直でないなら
ば、距離Ｄは、１回転中に周期的に変化する。距離検出
器10は、その距離Ｄの変化を受光素子13の像の移動によ
る受光量の変化として電気的なアナログ量に変換し、計
算器９に送る。

そこで、計算器９は、ロータリエンコーダ８からの信
号により、複合レンズ枠４の回転中の位相角θを逐次演
算するとともに、そのときの受光素子13からの信号の大
きさにより、複合レンズ枠４の基準面から計測すべき被
計測面Ｓまでの距離Ｄを算出して位相角θおそびそのと
きの距離Ｄを順次読み込み、第３図（ａ）に示すような
関係の正弦曲線を導き出し、この関係に基づき正弦曲線
の最大値D_maxおよび最小値D_minを与える位相角θ_maxお
よび位相角θ_minを求め、またこの位相角値から90度ず
れた位相角θ_０における距離D₀を求める。なお、距離D₀
は、複合レンズ枠４から被計測面Ｓまでの平均距離を表
す。ここで位相角θ_max、θ_minは、被計測面Ｓの傾斜方
向を表し、それらの差（D_max−D_min）は、傾斜量を表
す。

なお、理論上、傾斜角αは、下記の式で求められる。

α＝arctan〔（D_max−D_min）/2R〕 このようにして、計算器９は、複合レンズ枠４の中心
線Ａと被計測面Ｓの法線との間の誤差、すなわち傾斜方
向および傾斜量を演算して、この誤差を修正するような
方向、つまり複合レンズ枠４の中心線Ａを被計測面Ｓの
法線に一致せしめるような方向の情報を光学的法線けが
き検出装置１の出力として図示しない加工機の姿勢制御
装置等に出力する。

さて、第３図（Ｂ）は、凸コーナの被計測面Ｓに対す
る関係を示すグラフであり、最大値D_max1は平面部分
に、そして最大値D_max2は、屈曲コーナ部分に対応し、
最小値D_minは現れない。したがって、この場合は傾斜量
は ２×（D_max1−D₀） により得られる。

また、第３図（Ｃ）は、凹コーナの被計測面Ｓのグラ
フであり、最小値D_min1は平面部分に、そして最小値D
_min2は屈曲部分に対応するが、この場合、最大値D_maxは
現れない。この場合、傾斜量は、 ２×（D₀−D_min1） から求められる。

発明の効果 上述のように、本発明によれば、複合レンズ系を回転
させ、その回転位相に対応する信号を出力する手段を設
け、複合レンズ系により結像された被計測面のけがき線
を撮像することにより、中心線とけがき線との位置誤差
を検出するとともに、複合レンズ系を通して被計測面上
でその回転中心より所定の偏心量の位置で被計測面まで
の距離を計測する光学的距離計測手段を設け、計測時に
被計測面にこの計測軸を接近させてから、複合レンズ系
の回転によって、この光学的距離計測の計測点を旋回さ
せることにより、基準面と被計測面との距離に応じて発
生する距離計測信号と前記回転位相に対応する信号とか
ら法線誤差の方向およびその大きさを演算により算出す
るようにしたので、検出装置の先端部が小型に形成さ
れ、かつその構成が簡単であるから、被計測面の近傍が
急激に屈曲していたり切断溝を有していたり、また材料
の端部である場合にも従来あった容量式あるいは磁力式
等の法線検出装置に比較して非常に小さな半径の計測範
囲においてすなわち実質的に計測点の位置において被計
測面の傾斜の測定が可能であり、しかもその製作コスト
が低減せしめられ得る等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光学的法線けがき検出装置の一実
施例の要部を示す縦断面図、第２図は第１図の装置にお
けるCCDカメラによる撮像画面の一例を示す概略図、第
３図は（ａ）（ｂ）（ｃ）種々の形状の被計測面の場合
の第１図の装置により得られる計測軸の回転位相角と距
離との関係を示すグラフである。 １……光学的法線けがき検出装置、２……フレーム、３
……本体、3a……軸受、４……複合レンズ枠、６……モ
ータ、７……タイミングベルト、８……ロータリエンコ
ーダ、９……計算器、10……距離検出器、11……光ファ
イバー束、12……発光素子、13……受光素子、15……CC
Dカメラ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】けがき線を施してある被計測面に対してほ
   ぼ垂直な中心線を回転軸として回転可能に支持された複
   合レンズ系と、この複合レンズ系を回転駆動せしめると
   ともにその回転位相を検出する駆動検出手段と、前記複
   合レンズ系によって結像されたけがき線の映像を適切な
   位置で観測する撮像手段と、前記複合レンズ系を通して
   被計測面までの距離を計測する光学的距離計測手段とか
   ら構成されており、前記撮像手段からの信号を画像処理
   して中心線とけがき線との位置誤差を検出し、前記複合
   レンズ系の回転に伴って変化する距離計測信号と回転位
   相との関係パターンを計測処理することにより中心線の
   被計測面に施されたけがき線における法線に対する傾斜
   方向および傾斜量ならびに基準面から被計測面までの距
   離を算出することを特徴とする光学的法線けがき検出装
   置。
2. 【請求項２】前記複合レンズ系と、回転中心部の凸レン
   ズと、その周りでくさび状の円筒レンズとで構成されて
   いて、この凸レンズにより被計測面のけがき線を複合レ
   ンズ系の後方に結像させ、複合レンズ系の回転により前
   記光学的距離計測の計測点を中心線の周りに旋回させる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学的法
   線けがき検出装置。
3. 【請求項３】前記光学的距離計測手段を、中心線に対し
   て所定の角度だけ傾斜した方角から照射する照光部と、
   この一点から反射する光線を前記中心線の反対側所定角
   度でとらえる受光部とで構成することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の光学的法線けがき検出装置。
4. 【請求項４】前記撮像手段を、光ファイバー束と電子カ
   メラおよび必要なレンズ系とから構成することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の光学的法線けがき検出
   装置。