JPH09229639A - 穴径自動測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】穴径の測定が実用的な時間で高速に行えるよう
にすることを主要な課題とする。 【解決手段】計測ヘッド１に設けたレーザ走査系１５で
レーザ光を偏向させることで、被検物３０に形成された
穴並びにその穴近傍をスキャンニングさせ、その反射光
をレンズ９、ハーフミラー１１を介してＣＣＤ１２で受
けることで、穴の形状が反映された反射光の画像を取得
する。そして、この画像から画像処理により画像上の穴
の径を求める一方、レーザ反射光を計測ヘッド１に設け
たレーザ変位計１０でとらえることで、ＣＣＤ１２と被
検物３０上の測定対象穴との距離を求め、この距離をも
とに、画像上の穴の径を被検物上の実際の穴の径に補正
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン燃焼
器ライナーの冷却穴など、多数の小さな穴の径を計測す
るのに好適な穴径自動測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、例えばガスタービン燃焼器ラ
イナー上に数千個単位で形成された直径が０．８〜５ｍ
ｍの範囲の冷却穴（貫通穴）の径（直径）を非接触で自
動的に測定するのに、レーザ光を用いた非接触三次元レ
ーザ計測装置が用いられている。

【０００３】この非接触三次元レーザ計測装置は、図６
に示すように、２軸に沿って回転する角度変化機構４１
にレーザ変位計４２を取り付けて構成されている。角度
変化機構４１は、縦軸ガイド４３に沿って上下に移動
（縦軸移動）可能なようになっている。ガスタービン燃
焼器ライナー等、穴径測定の対象となる被検物（被検査
物）５０は、ベッド４４に設けられたターンテーブル４
５上に載置される。

【０００４】図６に示した構造の非接触三次元レーザ計
測装置では、角度変化機構４１に取り付けられたレーザ
変位計４２から被検物５０に対して例えば２．５μｍの
径のレーザ光を１点１点照射して当該被検物５０上をス
キャンニングする。このレーザ光のスキャンニングは角
度変化機構４１を２軸に沿って回転させることにより実
現される。このように慣性の大きい構造によるレーザ光
スキャンニングであることから、レーザ光を１点に照射
してから次の点に照射するまでに要する時間は長く、例
えば０．０４〜０．０８ｓｅｃ程度である。

【０００５】さて、図６の非接触三次元レーザ計測装置
では、レーザ光のスキャンニングにより、図７に示すよ
うに、被検物５０に対して照射されたレーザ光が（当該
被検物５０に形成された貫通穴を通過せずに）当該被検
物５０の表面で反射して、その反射光がレーザ変位計４
２に戻ってくるか否かで、被検物５０に形成された穴の
端を探り、その被検物５０上のレーザ光照射位置（反射
位置）からの距離Ｌiと角度θi の情報をレーザ変位計
４２により収集するようにしている。そして、収集した
距離Ｌi と角度θi の情報から、図７に示すように当該
穴の端の形状（穴径）を算出する。

【０００６】ここで、直径が０．８〜５ｍｍの範囲の穴
（孔）の径を例えば±０．０１ｍｍの精度で測定するに
は、レーザ光の径が２．５μｍの例では、１箇所の穴に
対して２５万ポイント程度の測定を行う必要がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、微小
穴径の測定に用いられていた従来の非接触三次元レーザ
計測装置では、２．５μｍの径のレーザ光を被検物に対
して１点１点照射して当該被検物上をスキャンニングし
ていく。このため、直径が０．８〜５ｍｍの範囲の穴の
径を±０．０１ｍｍの精度で測定しようとすると、２５
万点のデータが必要となる。しかし、従来の計測装置で
は、慣性の大きい構造によるレーザ光スキャンニングを
適用していることから、レーザ光を１点に照射してから
次の点に照射するまでに要する時間が約０．０４〜０．
０８秒と長く、上記した２５万ポイントの測定を行おう
とすると、１箇所の穴の測定に２０分程度を要し、実用
にならないという問題があった。また、穴径が微小なた
め、穴端を検出して穴径を算出する方法では、測定自体
が困難であった。

【０００８】本発明は上記の点を考慮してなされたもの
でその目的は、穴径の測定が実用的な時間で高速に行え
る穴径自動測定装置を提供することにある。本発明の他
の目的は、レーザ光による穴明け加工毎にその穴径の測
定が実用的な時間で高速に行えるレーザ穴明け加工機を
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の穴径自動測定装
置は、レーザ光を計測ヘッドに設けたレーザ走査手段で
偏向させることで被検物に形成された穴並びにその穴近
傍をスキャンニングさせ、その反射光をＣＣＤ等の画像
形成手段で受けることで、穴の形状が反映された反射光
の画像を取得して、その画像から画像処理手段の画像処
理により穴径を求めるようにしたことを特徴とする。但
し、画像の大きさは、被検物と画像形成手段の位置（画
像の形成位置）との距離によって異なり、本来の大きさ
を現したものではない。

【００１０】このため本発明では、上記のレーザ反射光
を受けて被検物上の反射位置との間の距離を計測するレ
ーザ変位計を上記計測ヘッドに設け、画像形成手段で取
得した画像から求められる画像上の穴径を、このレーザ
変位計で計測された距離をもとに、被検物上の実際の穴
径に上記画像処理手段にて補正するようにしたことを特
徴とする。

【００１１】即ち本発明においては、計測の対象となる
被検物上の穴並びにその穴近傍をレーザ走査手段により
レーザ光を偏向させてスキャンニングすることで、その
反射光の画像をＣＣＤ等の画像形成手段で取得する。こ
のように、レーザ光を偏向させてスキャンニングするこ
とで、穴径測定に必要なポイント数分のレーザ光スキャ
ンニングに要する時間を大幅に短縮することができる。

【００１２】画像形成手段により取得された画像はレー
ザ光が照射された穴の形状を表しており、その画像を対
象とする画像処理によりその画像上の穴の径が求められ
る。また、スキャンニング中のレーザ反射光をレーザ変
位計でとらえることで画像形成手段と測定対象の穴との
距離が計測され、この距離をもとに、上記画像処理で求
められた画像上の穴の径が被検物上の実際の穴の径に補
正される。

【００１３】また本発明は、上記の穴径自動測定装置を
レーザ光による穴明け加工のための加工レーザヘッドを
備えたレーザ穴明け加工機に持たせ、上記測定装置の計
測ヘッドを上記加工レーザヘッドと対にして設けたこと
をも特徴とする。

【００１４】このような構成のレーザ穴明け加工機にお
いては、レーザ穴明け加工直後に、その加工された穴の
測定（検査）が実用的な時間で高速に行える。このた
め、加工機に不具合が生じた場合、製品への影響を１穴
だけにとどめることが可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】

［第１の実施形態］以下、本発明の第１の実施の形態に
つき図１乃至図４を参照して説明する。図１は本発明の
第１の実施形態に係る穴径自動測定装置の全体構成を示
す。

【００１６】同図において、計測ヘッド１は、ターンテ
ーブル６に載置された被検物３０に対してレーザ光を照
射し、その反射光をとらえて、当該計測ヘッド１と被検
物３０の間の距離を検出すると共に、被検物３０上に形
成された穴（円形の貫通穴）を後述するＣＣＤ１２上
（図３参照）に画像化する。ここでは、被検物３０とし
て、ガスタービン燃焼器ライナーを適用するものとす
る。

【００１７】計測ヘッド１で検出された距離及び画像の
データ（アナログデータ）は、計測・駆動用コンピュー
タ４にケーブル５を介して伝えられる。計測・駆動用コ
ンピュータ４は、計測ヘッド１からの距離データ（距離
信号）をディジタルの距離データにアナログ／ディジタ
ル変換する。また計測・駆動用コンピュータ４は、計測
ヘッド１からの画像データに対する画像処理を行ってＣ
ＣＤ１２上の穴（孔）の画像部分の面積を求めて、その
穴径（画像上の穴径）を算出し、アナログ／ディジタル
変換した距離データの示す距離で補正して、被検物３０
上の実際の穴の穴径を得る。

【００１８】ここで、被検物３０上の多数の穴（孔）
は、例えばレーザ穴明け加工機によりＮＣ（数値制御）
データに従って形成されたものである。このＮＣデータ
は、被検物３０上に形成する穴の穴位置及び径等を指定
する。そこで本実施形態では、このＮＣデータを計測・
駆動用コンピュータ４に接続される後述するハードディ
スク２０（図４参照）に記憶しておき、このＮＣデータ
の示す穴位置に従って計測ヘッド１が位置決め制御され
るようにしている。

【００１９】さて、計測ヘッド１は、計測ヘッド駆動部
２に取り付けられている。この計測ヘッド駆動部２の周
辺の詳細構成を図２に示す。計測ヘッド駆動部２は、計
測・駆動用コンピュータ４からの指示により、縦軸ガイ
ド３に沿って上下方向（縦軸方向）に移動可能なように
なっている。また、計測ヘッド駆動部２には、当該計測
ヘッド駆動部２（に取り付けられた計測ヘッド１）の角
度を変化させる角度変化機構１６が取り付けられてい
る。また、計測ヘッド１に用いられるエアベアリングへ
の空気源１７も設けられている。

【００２０】しかして計測ヘッド１は、図４中のハード
ディスク２０に記憶されているＮＣデータ上の穴位置デ
ータに基づく計測・駆動用コンピュータ４の指示に従っ
て計測ヘッド駆動部２が縦軸ガイド３に沿って移動する
ことで、縦軸方向に移動されると共に、角度変化機構１
６による角度変化を受けて被検物３０上の穴の軸上に移
動され、当該穴軸に計測ヘッド１の軸が合わせられる。
また、穴の位相は、穴径自動測定装置のベッド８上に設
けられたターンテーブル駆動機構７がターンテーブル６
を回転駆動することで調整される。

【００２１】図３は、以上のようにして位置決め制御さ
れる計測ヘッド１の詳細構成を示す。同図において、被
検物３０上の穴軸上に位置決めされた計測ヘッド１に
は、レーザ光出力用の半導体レーザ発振器１４が設けら
れている。この半導体レーザ発振器１４は、計測・駆動
用コンピュータ４の指示によりレーザ光を発振出力す
る。半導体レーザ発振器１４から発振出力されたレーザ
光は、レーザ光のスキャンニングを行うレーザ走査系１
５により偏向されてハーフミラー１１に入射する。ハー
フミラー１１に入射したレーザ光は、当該ハーフミラー
１１で反射されて光学レンズ９に導かれ、当該光学レン
ズ９を介して被検物３０上に照射される。ここで、計測
・駆動用コンピュータ４の制御のもとで、レーザ走査系
１５にて、レーザ光に対する偏向量と方向を可変するこ
とで、レーザ光の走査（レーザ光スキャンニング）を実
現することができる。このレーザ走査系１５によるレー
ザ光スキャンニングは偏向操作により実現されているた
め、図６に示した従来の計測装置におけるような、角度
変化機構４１による角度変化を用いて実現される、慣性
の大きい構造によるレーザ光スキャンニングとは異なっ
て、高速化が図れる。即ち、レーザ走査系１５によりレ
ーザ光を偏向制御することで、（ハーフミラー１１及び
光学レンズ９を介して）被検物３０上の穴及びその近傍
をレーザ光（走査レーザ光）で高速にスキャンニングす
ることができる。ここでは、レーザ光を１点に照射して
から次の点に照射するまでの時間、即ち１点の測定時間
（レーザ光走査周期）を、従来の０．０４〜０．０８ｓ
ｅｃから０．１〜０．６μｓｅｃ程度まで短縮できる。

【００２２】さて、被検物３０をスキャンニングしたレ
ーザ光（走査レーザ光）のうち、被検物３０上の穴（貫
通穴）に照射されたレーザ光は当該穴を通過するもの
の、その穴近傍に照射されたレーザ光は被検物３０上で
反射する。この反射光（レーザ反射光）は、光学レンズ
９に対応する位置に設けられたレーザ変位計１０に導か
れて当該レーザ変位計１０で検出され、被検物３０での
反射位置と光学レンズ９との間の距離が計測される。ま
た、上記反射光は光学レンズ９及びハーフミラー１１を
介して、そのハーフミラー１１の背後に設けられている
画像形成（画像取得）用のＣＣＤ（電荷結合素子）１２
にも導かれ、その反射光の像が当該ＣＣＤ１２の該当位
置に形成（記憶）される。

【００２３】計測・駆動用コンピュータ４は、１つの穴
に対する１回目のレーザ光スキャンニングを実行する
と、ＣＣＤ１２により形成（取得）されている画像信号
を入力し、その画像信号をもとに、光学レンズ９の位置
を可変するフォーカシング駆動機構１３を駆動させるこ
とで、ＣＣＤ１２上に画像の焦点が合うよう補正する。
この技術は、周知の写真機の自動焦点機能を利用して実
現できる。

【００２４】計測・駆動用コンピュータ４は、上記した
焦点補正を行うと、実際に穴径を測定するために、２回
目のレーザ光スキャンニングを実行する。ところで、１
つの穴に対するレーザ光スキャンニングでは、直径が
０．８〜５ｍｍの範囲の穴の径を例えば±０．０１ｍｍ
の精度で測定しようとすると、レーザ光の径が２．５μ
ｍである場合には、従来技術の欄でも述べたように、１
箇所の穴について２５万ポイント（点）の測定が必要と
なる。しかし本実施形態では、１点の測定時間が０．１
〜０．５μｓｅｃで済むことから、２５万ポイント
（点）の測定を３０秒以下（従来は２０分程度）で行う
ことができ、実用的な時間での自動測定が可能となる。

【００２５】図４は、本装置（穴径自動測定装置）のシ
ステム構成を示すブロック図である。同図において、計
測・駆動用コンピュータ４は、図１乃至図３を用いて既
に説明したように、レーザ変位計１０、ＣＣＤ１２等か
らの入力信号の処理、フォーカシング駆動機構１３、半
導体レーザ発振器１４、レーザ走査系１５、計測ヘッド
駆動部２及び角度変化機構１６等への指示出力を司る。

【００２６】計測・駆動用コンピュータ４は、上記した
２回目のレーザ光スキャンニングを実行し、ＣＣＤ１２
にレーザ光スキャンニングの対象となった被検物３０上
の穴とその近傍の画像を取得すると、当該ＣＣＤ１２か
ら画像信号を入力する。

【００２７】また計測・駆動用コンピュータ４は、２回
目のレーザ光スキャンニングでレーザ変位計１０により
計測される被検物３０での反射位置と光学レンズ９との
間の距離Ｌa の信号を入力する。この距離Ｌa の信号は
計測・駆動用コンピュータ４内でアナログ／ディジタル
変換されて、以下に述べる穴径算出（穴径補正）に用い
られる。

【００２８】計測・駆動用コンピュータ４は、ＣＣＤ１
２から入力した画像信号を内蔵の画像処理プロセッサに
より処理することで、ＣＣＤ１２上に形成された穴の画
像から、その穴の面積を求めて、その径（ＣＣＤ１２の
画像上の穴の径）ｄb を求める。この穴径ｄb は、ＣＣ
Ｄ１２上の穴画像の径であり、被検物３０上の実際の穴
の径を表すものではない。

【００２９】そこで計測・駆動用コンピュータ４は、被
検物３０上の実際の穴の径をｄa とすると、画像処理で
求めた穴径ｄb と、レーザ変位計１０により計測された
被検物３０（での反射位置）と光学レンズ９との距離Ｌ
a と、フォーカシング駆動機構１３の駆動量によって決
まる光学レンズ９とＣＣＤ１２との間の距離Ｌb とか
ら、実際の穴径ｄa を、ｄa ＝（Ｌa ／Ｌb ）×ｄb の
計算により求める。このように計測・駆動用コンピュー
タ４は、ＣＣＤ１２上の穴画像の径ｄb を、Ｌa及びＬb
を用いて補正して、実際の穴径ｄa を求める。

【００３０】なお、レーザ変位計１０を、ＣＣＤ１２に
対応する位置に設けて、被検物３０（での反射位置）と
ＣＣＤ１２との間の距離Ｌc を求め、その距離Ｌc と上
記距離Ｌb （フォーカシング駆動機構１３の駆動量によ
って決まる光学レンズ９とＣＣＤ１２との間の距離）と
から、Ｌc −Ｌb の計算により被検物３０（での反射位
置）と光学レンズ９との距離Ｌa を求めて、上記の計算
ｄa ＝（Ｌa ／Ｌb ）×ｄb を行うようにしてもよい。

【００３１】計測・駆動用コンピュータ４は、以上に述
べた穴径測定のための計測ヘッド１等の駆動制御及び穴
径算出処理を、被検物３０上の測定対象穴を切り替えな
がら繰り返し実行する。

【００３２】計測・駆動用コンピュータ４には、表示手
段としてのＣＲＴ（ＣＲＴディスプレイ）１８、印刷手
段としてのプリンタ１９、及び大容量外部記憶装置とし
ての前記ハードディスク（ハードディスク装置）２０が
接続されている。計測・駆動用コンピュータ４は、被検
物３０に対する穴径測定結果を取得すると、その測定結
果をＣＲＴ１８に表示出力する。また計測・駆動用コン
ピュータ４は、オペレータから印刷出力が要求された場
合には、穴径測定結果をプリンタ１９によりプリントア
ウトする。この穴径測定結果はハードディスク２０に保
存される。 ［第２の実施形態］次に、本発明の第２の実施の形態に
つき図５を参照して説明する。

【００３３】図５は本発明の第２の実施形態に係る穴径
自動測定装置を備えたレーザ穴明け加工機の全体構成を
示す。本実施形態の特徴は、図１で示した穴径自動測定
装置の計測ヘッド１を、図５に示すように、レーザ穴明
け加工機の加工レーザヘッド２１と平行に、５軸制御ヘ
ッドアタッチメント２２に取り付けた構造を適用してい
る点である。本実施形態では、穴明け加工機の制御用コ
ンピュータを図１に示した計測・駆動用コンピュータ４
として兼用することも可能である。

【００３４】このように計測ヘッド１（を備えた穴径自
動測定装置）を加工機と一体化することで、穴明け加工
直後に、該当する穴の径を測定することができる。この
ため、レーザ穴明け加工機に不具合が生じた場合でも、
製品への影響を１穴だけにとどめることが可能となる。

【００３５】以上は、ガスタービン燃焼器ライナーを被
検物３０として、そのライナー上に形成された冷却穴
（貫通穴）の径（直径）を測定する場合について説明し
たが、本発明は多孔吸音板の孔径の測定など、種々の部
材の孔径測定に適用できる。また、本発明で適用した画
像形成技術と画像処理技術を応用して２次元上の形状を
測定することで、要求される形状寸法との比較を行うこ
とも可能である。

【００３６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、計
測の対象となる被検物上の穴並びにその穴近傍をレーザ
走査手段によりレーザ光を偏向させてスキャンニングし
て、その反射光の画像をＣＣＤ等の画像形成手段で取得
するようにしたので、穴径測定に必要なポイント数分の
レーザ光スキャンニングに要する時間を大幅に短縮する
ことができる。また、画像形成手段により取得された画
像上の穴の径は、レーザ変位計によりスキャンニング中
のレーザ反射光をとらえることで計測される距離をもと
に、被検物上の実際の穴の径に正しく補正される。以上
のことから本発明によれば、被検物上の多数の穴の径
を、高精度に且つ実用的な時間で高速に測定できる。

【００３７】また本発明によれば、上記した穴径の自動
測定機能を持つ装置の計測ヘッド部分をレーザ穴明け加
工機にその加工レーザヘッドと対をなして設けること
で、１回の穴明け加工毎に、その加工された穴の径を測
定できるようになり、加工機に不具合が生じても、製品
への影響を１穴だけに止めることがえきる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る穴径自動測定装
置の全体構成を示す図。

【図２】図１中の計測ヘッド駆動部２の周辺の詳細構成
を示す図。

【図３】図１中の計測ヘッド１の詳細構成を示す図。

【図４】同実施形態のシステム構成を示すブロック図。

【図５】本発明の第２の実施形態に係る穴径自動測定装
置を備えたレーザ穴明け加工機の全体構成を示す図。

【図６】穴径測定が可能な従来の装置の全体構成図。

【図７】図６の従来装置で適用される穴径測定方法を説
明するための図。

【符号の説明】

１…計測ヘッド、 ４…計測・駆動用コンピュータ（処理手段）、 ９…光学レンズ、 １０…レーザ変位計、 １２…ＣＣＤ（電化結合素子、画像形成手段）、 １３…フォーカシング駆動機構、 １４…半導体レーザ発振器、 １５…レーザ走査系、 ２１…加工レーザヘッド、 ３０…被検物。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を偏向させることで被検物に形
   成された穴径測定の対象となる穴並びにその穴近傍をス
   キャンニングさせるレーザ走査手段、このレーザ走査手
   段によるレーザ光スキャンニングの結果前記被検物で反
   射されたレーザ光を受けて、そのレーザ反射光の像を形
   成するための画像形成手段、及び前記レーザ反射光を受
   けて前記被検物上の反射位置との間の距離を計測するレ
   ーザ変位計を有する、前記被検物上の任意の穴に位置決
   め可能な計測ヘッドと、 前記画像形成手段により取得された画像上の穴の径を求
   め、その画像上の穴径を、前記レーザ変位計で計測され
   た距離をもとに前記被検物上の実際の穴径に補正計算す
   る画像処理手段とを具備することを特徴とする穴径自動
   測定装置。
2. 【請求項２】 レーザ光による穴明け加工のための加工
   レーザヘッドを備えたレーザ穴明け加工機であって、 請求項１記載の穴径自動測定装置を具備し、当該測定装
   置の前記計測ヘッドを前記加工レーザヘッドと対にして
   設けたことを特徴とするレーザ穴明け加工機。