JPS5987304A - 物体形状測定法 - 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】 豐 本発明は、アーク浴−接用ロボットにおいて、作業対象
と、ロボットとの関係位置を正しく保つための計測を行
なう計測ヘッドに関するものであって、以下の説明はア
ーク浴接用の場合を対象として行なうが、この独の計測
ヘッドはアーク浴接の場合の４ならず、一般の作業用ロ
ボットにおいても有効に活用できるものである。

従来のアーク浴接用ロボットで浴接を行なう場合の例？
：ｉ／図（イ）、（ロー、（−）に示す。図において、
Ｇｌ　＊　Ｇ１は被浴接板（Ｇｔ　、Ｇｔを区別する必
要のない場合は単にＧで示す）、Ｊ１＋Ｊ２はその表面
（Ｊｌ、Ｊｔを区別する必要のない場合は単にＪで示す
）、Ｗ（＋は溶接すべき線すなわち溶接線、Ｔは浴接ト
ーチである。

第１図（イ）は溶接トーチＴの両側の磁気センサ各。

ぬによって、　Ｊ、　、　Ｊ、との関係位置を検出し。

ＴＶ正しい作業位置に保とうとするものである。

−〇　　　　− 図（ロ）は浴接トーチＴを左右に定振巾だけ振って左右
の位置で、溶接電流が等しくなるよ５１ＣＴの位置を調
整して作業を進めろものである。図（・）はレーザビー
ム投６イ攪七嘩のように左右に振って、Ｇの表面を照射
し、Ｇ上の光の当った点すなわち輝点の軌跡をテレビカ
メラｌに結像させ、その画像を処理して、溶接線Ｗ。を
求めて溶接作業を行なうものであり、この時、得られる
画像を図の右側に示した。

これらの溶接ロボットで図（イ）、（０）は簡単な場合
の自動化にしか適せず、また、図（ハ）は、得られた画
像の処理が面倒である等のことがあった。

本発明は、比較的簡単な方法で、マイクロコンピュータ
の助けをかりて、計測データから、溶接線の検出および
溶接作業を全自動的に行なうことを可能にする計測ヘッ
ドに関するものである。

一般に厚い鉄板の溶接ではＧ、、Ｇ、は平板であり、表
面は平面で構成されていることが多く、また曲面といえ
ども、その曲率は小さく局部的には平面として取扱うこ
とができることが多く、たとえ、平面とみなせなくとも
ゆるい曲率であるので５２次曲面で近似して取扱うこと
ができる。

本発明のロボットの計測原理を第２図についで説明する
。図において、Ｂはロボットの計測ヘッドで、支持部に
より支持され軸ξ、η、、（Ｌ　の廻りに回転できるも
のとし、支持部は空間座標Ｘ。

ｙ＋　１方向に平行移動できるものとする。つまり、Ｂ
は上６己の平行移動と回転運動により、任意の姿勢をと
ることが可能であり、計測ヘッドＢと浴接トーチＴとは
一定の関係で結合されており、Ｂを溶接線Ｗｏに対して
所定の位置におけば溶接トーチＴは溶接可能の位置を占
めるようになっている。

また溶接トーチＴに付設された遮光板りは溶接アークの
輝線部分・＼の入射量を少くするためのものである。

ここでは、座標系として空間座標Ｘ＋ｙ＋Ｚ　　および
計測ヘッドＢに固定されて移動する座標軸ξ１η、Ｃを
用いるが、他の座標系を用いても原理に変りはない。

計測ヘッドＢの両端には図示のように一定距離ｄを一＼
だてたコ点０，０Ｒにそれぞれ投光器札と受光器ＢＲを
相対して設けである。Ｂ１は変調された光ビームｆ（ｔ
ｌを発射し、ｆ（【）は扇形平面φ内で、ξ、η、ζ軸
の原点ＯＩ、？：中心として図のように２９１の巾で変
動する。さらに扇形平面Φとξ軸とのなす角θｘＪを変
えることができる。このような光の面φをここでは扇形
光（以下、扇形光小）と称することとする。

扇形光歪を物体Ｇに投射すると、物体Ｇ上の輝線は明ら
かに、物体Ｇを扇形光Φで切断した時の断面形状を示す
ことになる。また受光器ＢＲへ入射される光ビーム’ａ
：　Ｐ（１）とする。

受光器ＢＲは第３図のように、２ｎ個の受光素子を隙間
な（等間隔に、直線上に配置した受光アレーＩ’Ｌと、
第弘図に示す外部の像を受光アレー凡の位置に結ばせる
だめのレンズ系ｌとよりなっている。受光アレー几はｔ
軸に平行であり、この受光器はレンズの中心を通りη軸
に平行な軸η、のまわりに回転して、すなわち第弘図の
受光器ＢＲの方向角θＲを変えることによって、受光方
向を変−９− えることができる。

計測ヘッドＢおよび投光器ＢＩ、、受光器ＢＲは、ξ軸
を通る中心面に対して左右対称に構成されている。

物体Ｇの表面の形を測定するには、投光器ＢＩ。

により扇形光モをＧの表面に投射し、生ずる輝線を受光
器ＢＲで受けると受光アレー几近傍に輝線の像を生ずる
。この像と受光アレーＲとの交点にある受光素子が励起
されて、この素子から、入射光の強さに比例した出力が
得られる。

物体上の輝線Ａ、ＡＭと受光器ＢＲのレンズｔ、受光ア
レー几の関係を第５図（イ）に示す。図において、Ａ、
　ＡＭは扇形光計が物体表面につ（る輝線、００ＲＡＭ
は糸の中心面、Ｆはレンズの焦点、００ＲはＡ、　ＡＭ
（ｉ’）像とレンズ１との距離、０−まＡ１の像、［は
比の中点からＣ５までの長さで、受光素子の配列位置順
位に対応している。受光アレーと輝線像との関係は、同
図（ロ）に示すようであって、輝線像０゜ｌＣｉ　＊　
Ｃ；−＋　Ｃｋ　と受光アレー几との交点にある受光素
子０１．Ｃ・から電気出力が得られる。

ム　　　　ｒ −１０− 受光器の方向角０Ｒ７ｉ１１′変えると、結像面では、
図の受光アレー几にたいして、ＯｏＯ・ＣＯｋが上下方
１（ 向にθ、に応じて平行移動する。そしてたとえば像が上
方に移動すると、受光アレー凡の励起される素子０．Ｃ
ンが漸次接近し、図のように０（において２点が重なる
。この点は、丁度物体の最高点に相等している。（映像
が反転されているものとした）。したがって、受光アレ
ー几上で励起される受光素子の順位の変化の様子から、
輝線像の形、したがって物体表面の形状を知ることがで
きる。

測定上必聾な基本式はつぎのとおりである。

（１ン　　第５図（イ）について、輝点像の位置から９
Ｒを求めるには次式を用いる の中心軸とのなす角 １＋：）：輝点像を受光アレー几と同じ面に結ばせるた
めの調整値より求められる −　　　１１　　　＝ （２）　　第６図は被測定物に対する計測系全体の各部
の距離を求めるための説明図であって、これの基本式は
っぎのとおりである。ξ軸上のコ点ｏ１．．ｕＲ，，２
点間ＯＬ、ＯＲの距離ｄ、［形元予、輝線、９に、、（
ｆＲ等は第２図と同じである。

ＯＬＡＭは扇形光中の中心線、Ａ、　Ａ’、上０ＬＡ（
、Ａ１′Ｈ上０ＬＯＲ，ＡｌＨＬｏＬｏＲ，ＵＬ−乙０
ＲｏＬＡｒ、θ□−ど０ＬＯＲＡ′１、　Ｑ　ＲＡＬ、
は受光軸に一致する。

（２１）　θ□、θｈ、　ｄが測定されると次の財が求
められる。

Ｘｒ＝　、　、］−ｄｔａｎ（／ｈｔａｎ＃ｘ　　・・
・・・・・・・山川・・・・・・・・・・　（２ＪＬＪ
ＩＩＩＯＬ　＋ＩａｎｔＪＨ １′Ｌ＝　Ａ’、　ＯＬ＝□　・・　・・・・・・・・
・　（３）部Ｏｂ　（ｔａｎＯｈ＋ｊａｎ０Ｂ） ｄｔａｎθＬ ｔｐ＝ｘ、ｏＲ＝□・・・曲・山・・・・・　（４）（
在θＲ（−〇ｈ＋ｊａｎ０Ｂ） （，２，，２）　（ｌＬ、θＬ、　’Ｒ，ｄが測定され
ると次の量が求められる。

（ｚｇ　９ｘ、θ８．θ１．ｄが測定されると、次の量
が求められる。

−１８− （，２，弘）　　９Ｌ、９Ｒ，θ１．θ、が測定された
場合は前項＜２．／）、＜２．２）、＜２．３）の諸式
（２）〜（５）、　（６１〜（９）　、　Ｈ−（１３）
の倒れでも都合よろしいものを用いればよい。また、 ハＡ１０ＲＯＬとΔに１０ＲＯＬの２面のなす角をφと
すれば また、次の関係が成立っている 次に、σＬ、　ＵＲ，９ｂ、　’７ａ、　ｄについて述
べる。

ｄは計測ヘッド固有の定数で構造からきめられる。

θ１は計測器についてあらかじめ定めておく定数で、こ
こでは、説明の都合上次の値θ１とθｌＬ　をとるよ−
１４− うにしておく、測定の便宜上θｔくθＬ＝ｉにとると都
合がよい。

ＯＲは扇形光が物体上につくる輝線をとらえるに都合の
よい値に設定する。

θＲ−ＯＲＯ十〇Ｒ６（ｔ） 輻、（ｔｌ　はＯを中心に変化させ時間【を与えればき
まる値である。６ＲｏはＯＬの値に対応してきめられろ
値であるが、（／Ｒ，乞若干太き（とればｏｒ、、ＵＬ
の両方に対応させることもできる。

包は扇形光重の中心線ＯＬＡＭの両側に光ビームの方向
？変える時の角を示し、時間の関数ｆ、＝　９（ｔｌな
る形で与えられる。９）Ｒは元ビームの反射光と受光器
の中心軸とのなす角であるから、９□（１）　に対応し
てきまる値であって、受光アレー几上の受光素子の位置
「から式（１）により算出される。

受光アレーＲ上の受光素子が輝点像を感知した時間ｔを
知れば、この時間ｔからテＬ（ｔ）を求めることができ
る。

前に示したＣ２．２＞、Ｃ２，３＞項の各式かられかる
ように物体の表面形状乞求めるには、舛か粋の何れか一
方とＵＬ、＃Ｒ’ａ’知ればよいので、その何れを用い
るかは測定上の便宜あるいは精度等の関係を考慮してき
めればよい。

次に１つの例について説明する。計測ヘッドの諸元を次
のようにとる。

測定法ｌ： 受光アレー几上での輝点像がコ「０内にあるとすれば、
輝点像のＲ上での速度はω５ａｒｏ　以下であるので、
輝点像がｌ受光素子に入力している時間は１／。ω　以
上となる。ｌ／ｒｌωｒの時間内に受光アレーブ 几をｌわたりスキャンニングすれば、輝点像を見落すこ
とはない。したがって平均ｌ素子当りスイッチング時間
は′ＴＡ−１４♂ω、以下であればよい。

上記の測定回路の概要は第７図の如く受光アレーＲ、レ
ンズｌ、元フィルタＦＩＬＴＥ几７、光ビーム０ＬＡＩ
、スキャニングスイッチＳ１増巾器ＡＭＰ　、フィルタ
Ｆ　Ｉ　ＬＴＥＴＥ１０出回路ω、で構成されている。

光ビームＯＬ、Ａ、：の輝点鼾の像は受光系の受光アレ
ー几上で受光素子Ｂ・を励起し、その出力がスキャンニ
ングスイッチＳのスキャニングで検知され、受光素子Ｂ
・　の位置すなわちＳのスキャニング位置布からもが求
められ、また、その時刻における　’ｆＬ（ｔ）ｆｆ：
読みとることができる。

いま、２ｎ＝２００．ωＬｆ／２π＝３０Ｈ２，とすれ
ばＴｓ　＋　０．２μ、ｓｅｃ　　ＯＲ（１）の振動は
ωＲ／、２π−ＦＨ２程度でよ（、また、光ビームの強
さの変調周波数ωＬ／２π−／　００　ＭＨ，程度にと
ればＬの間に含まれる変調波の波数は２０程度となり、
ω、の検出に−ｌり　　− 充分な波数となる。

測定法２： 上述の測定法ｌでは輝点像がｌ受光素子に入射している
時間内にスキャニングスイッチＳが全受光素子の端子Ａ
Ｌ　（Ｌ　””　−１１＋　−ｎ＋１＋　−１＋　１＋
　２＋　”・＋　ｎ　）をｌわたりスキャニングするよ
うにして輝点像の検知を行なったが、別の方法として次
のようにしてもよい。

スキャニングスイッチＳによって受光素子の端子杏を順
次スキャニングする場合、８が１つの受光素子の端子Ａ
に留まる（接続している）時間でイな十分長（とり、時
１ｌｆ３７．７の間に元ビームが少くとも１回以上輝線
のｌ端から他端までスキャニングする。すなわち（ｌ　
Ｌ（ｔｌが少（とも７回以上、その変化領域をスキャニ
ングするようにすれば、輝線像と受光アレーとの交点に
ある受光素子の端子では、輝点像がその受光素子を通る
時に電気信号出力を出力し、その出力信号を用いて、そ
の出力時刻におけるｆ　１．（ｔＬ　＃１（ｔｌ、　（
ｌＲ（ｔｌを知ることができる。

また受光素子の端子否の位置、すなわち、／から＝　　
　１８　　− ９・Ｒ（ｔ）を知ることができる。スキャニングスイッ
チが輝線像と受光アレーとの交点でない受光素子の端子
上にある時は信号出力は得られない。例えば式（１６）
において、τ＜＝０．００／秒とすれば、スキャニング
スイッチＳが全部の受光素子の端子Ａ、、−ｙ、わたり
スキャニングするに要する時間は、おおよそ０．２秒程
度となり、光ビームを層形平面内で変化させる周波数ω
、／２π÷／　０００　Ｈ２となる。ωＲ／２πは浴接
進行速度を考えろと、２Ｈ２程度にとれば充分である。

また、光ビームの強さの変調周波数な約／　ＯＭＢ２に
とれば、受光素子の端子に輝点信号が検出される場合、
／信号中に含まれる変調波の波数は約／Ｊとなり、ω１
の検出には充分な波数となる。

上記の測定法ｌと２の何れを用いるかは測定機器の便宜
、測定精度１価格等を考慮してきめればよい。

次に、本発明の計測ヘッドを用いて測定を行なうための
準備として計測ヘッドの姿勢とｙ４［線、受光アレーに
入る物体上の線、すなわち視野線との関係を、物体表面
か平面の場合につき説明する。

（１）計測ヘッドのη１軸と物体表面とが平行である場
合 第を図において、η、軸とη□軸が平行であるから、両
軸共に表面Ｊに平行である。今、（ｌＬ”＝π／２とし
、ＯＲ馨変化すると、−１４，線、視野線は互に平行で
その間隔が変化し、あるθ６で全く重なる。この重なり
に対応して、受尤アレー几上の受光素子が同時に励起さ
れて電気信号出力を生ずる。計測ヘッドＢが正面方向に
対して左右対称の構造をもっておれば、当然第ｇ図でｔ
Ｌｌ　＝　”Ｌ２である。

さらにξ軸か平面Ｊに平行であれば、ＯＬをπ／２から
θｔに変えると輝線Ａ　Ｉ　Ｍ　Ａ　ｔはＡ’１Ｍ’Ａ
４にうつり、Ｍ′からξ軸・＼の垂線の長さＭ’Ｈ−１
（Ｕ！Ｌ）はＭからξ軸・＼の垂線の長さＭＯＸ、−〃
′（π／２）に等しい。このん’（ＯＬ）を計測ヘッド
と平面Ｊとの距離（あるいは高さ）という。Ｉ’＜牲）
へイ′（π／２）なる場合は、ξ軸と平面とのなす傾き
角は ζＬ ここにζ、＝ＯＬＨは式（５）から求められる。

（２）計測ヘッドのη１軸が物体表面Ｊに傾斜している
場合 第２図に示すように輝線（直線）　Ａｔ　Ａ２　　と視
野線（直線）０＋Ｏｔとは平行ではな（互に交わる。そ
の交点な工・とする。受光アレー几上では輝点工・　に
対応する受光素子Ｂ・　のみが励起され、電気出力を生
ずる。受光素子Ｂ、は第５図（イ）の「あるいは第７図
のＢ・に対応しており、このｆ３　、ｒの電気出力の存
在を検知することにより元および９ｔｉ　　を知ること
ができる。

（３）　　計測ヘッドの姿勢と平面との関係計測ヘッド
が平面に正対しておれば、 −２１＝ したがって、傾斜位置にある計測ヘッドを平面Ｊに正対
せしめるには、 （１）計測ヘッドＢをξ軸のまわりに回転してｔＬ□＝
ｔ１．にする。

（１１）計測ヘッドなη５軸のまわりに回転してル゛（
（／Ｌ）＝　／ｊ’（ｕｉ）にする。

を行えばよい。

矢に平面Ｊ１と平面Ｊ２との交線Ｗの検出法を第１Ｏ図
にもとづいて述べる。

計測ヘッドＢが最初Ｊｌ側にあるものとする。

まづ前述の方法によりＢとＪｌとを正対させ、所定の高
さ４′を保ったまま、ＢをＪｌに平行に移動して、Ｊｌ
とＪ２との交線Ｗにさしかかる場合を考えると、Ｊｌ上
で弐〇が成立っていたのが。

交線Ｗを通過すると、成立しな（なり、面の交線Ｗの存
在が検出される。この場合次の（ｉＨｉｉｌのλつの場
合がある。

（１）　　η、軸が交線Ｗに平行の場合は、第１Ｏ図（
イ）に示すとと（で、式（Ｉ７１でｔＬｌ　＝　ｔＬ２
　’　ｔＲＬ””ｔＲＱは成立つが、　ン′（ＯＬ）キ
Ｉ′（０Ｌ）となる。そして図−２２− から明らかなように、 ！、’（（ｊＩ、）　＞　　＜’（ｕｉ）　ナラハＡ形
交叉輝線ハｉｌｌｆＭん’（ａｌ、）＜　　＜’＜ｏ’
、、）ならばＶ形交叉　輝線は直線（１１）　　η、軸
が交線Ｗｖｃ平行でない場合は第１Ｏ図（ロ）に示すよ
うに、式（Ｌ７）でまづｔＬｌ”ｅＬｕとなり、つづい
て、さらに　に′（θＬ、）キ＜’（ｂ′ｉ、）　　に
なってくる。この場合は１図から明らかなように、ｔＬ
□く４．ならば△形交叉　輝線は△形に折れるｔＬＩ　
＞　Ｌｂｚならば　形交又輝線はＶ形に折れるこの場合
の輝線の折れ曲り位置はＵＲをかえた時のＲ上の励起さ
れる受光累子の位置から容易に求められる。

上記（ｉ）Ｏｉ）により、平面と平面との交線および面
交叉の形がわかる。

次に、これまでに述べた計測ヘッドの諸性質を用いて、
溶接作業を行なう場合の計測ヘッドの姿勢制御を行なう
ことについて述べる。アーク溶接で接合される面の交叉
はＶ形であることが多いので、ここでは浴接線は形交叉
として取扱う。

（１）計測ヘッドＢか而Ｊ１に正対して走行していると
き、輝線が直線で、左右対称であったのか、急にｔＬ□
−ｔ、８．　　＜’（θ１．）〈に′（ＯＬ）になった
場合は、面Ｊ、［交わる面Ｊ２があり、かつ面交叉はＶ
形で、浴接線Ｗ。が存在すると判断し、計測ヘッドＢを
ξ軸のまわりに−だけ回転して、η１軸の方向をかえ、
次の（１１）と同様の処置を行なう。

（１１）計測ヘッドが走行中、４□”　ｌｓｚになれば
、面交叉′ｆＪ）あるのでｔＬ□とｔＴ、２の大小比較
から面交叉の形を識別、形交叉であれば溶接線と判断し
、ｉｔ計測ヘッド更に進めて、輝線の折れ曲り点が丁度
Ｒの中点に重なったとき、計測ヘッドの移動を止める。

この輝線の折れ曲り点と凡の中点の重なりは、同時に励
起される受九アレー凡の累子数が几の中点の片側だけに
なることから知ることができる。第１／図はこの状態を
示し、この時計測ヘッドＢの（１，軸は丁度交線Ｗを通
り、（軸工Ｊ７面となっている。ついで次のＯｉｌの処
理を行なう。

０１１）　　アーク溶接では溶接トーチは例えば第２図
に示したように、溶接されるコ物体の表面Ｊ、、Ｊ。

のなす角の２等分面上において行なわれることが多いの
で、計測ヘッドもＪ、と５２のなす角の２等分面上にお
いてその方向を交線Ｗに正対させ、交線からの距離を所
定の値にとって溶接作業を進めることになる。計測ヘッ
ドのこの位置を交線Ｗに対する正対位置と称することに
する。

前の（１１）の処置により第１１図のＯＸ、の位置を占
めている計測ヘッドＢを交線Ｗに正対する位置に移すこ
とについて考える。

第１／図においてＢ１測ヘッドの６１を６ｔ　に変える
と、輝線は図のＡ？　Ａ’Ｍ　Ａ’ｔのような位置を占
める。そこで、ＡＭλＭを交線Ｗに重ねるために、イ。

軸のまわりに、計測ヘッドを回転（点線矢印）して、Ａ
Ｍ九をＷに重ねる。この重なりは受光アレーＲの中点が
交線Ｗ上に（ることにより容易にわかる。

次に、計測ヘッドをξ軸のまわりに回転して、而Ｊ２に
正対させる。この回転角をθξとすると、−２５− 第１２図に示すように、θξはＪ、とＪ２どのなす角に
等しい。図の、４：Ｊ、Ｗｌ２の２等分面ｉ　Ｗｌ）、
とす平行（点線矢印）に移動すればＯＬはＯＬ□の位置
にうつり、面Ｊ、と面Ｊ、のなす角の２等分面上に位置
する。次に、計測ヘッドな交線Ｗに正対させる。このた
めには、受光アレー几上に結ぷ輝緋像が第１３図のＡＩ
、ＡＯＩ、Ａ、Ｌのように輝線像の折れ点が凡の中点に
くるように計測ヘッドＢをξ軸のまわり１τ）回転して
その方向を調整する。

次に計測ヘッドＢと交線Ｗとの距離を所定の値るに調整
１−る。これによって計測ヘッドＢはＯＬ、にうつる。

以上の操作によって計測ヘッドは溶接に適した位置にお
かれる。

計測ヘッドが平面と平面の交線を検知して、溶接作業に
適した位置を占めるには、上述のようにやや面倒な操作
を要するが、一度溶接作業に適した位置を占めた後、溶
接作業を進めてい（場合の−２６− 姿勢制御は、次のような比較的簡単な姿勢制御で充分で
ある。

（１）輝線の折れ点が、受光アレーＨの中心線上にあり
、かつｔＬ□＝６１．である。

（１１）計測ヘッドＢと交線Ｗとの距離が所定の値九に
等しい。

０１１）上記（ｉ）（ｉｉ）がｏＬ、θＺに対して成立
つ。

上記は平面と平面との交線Ｗの部分な耐液する場合につ
いて述べたが、平面と曲面の交線、あるいは曲面と曲面
との交線を浴接する場合でも同様にして、その交線近傍
の面交叉の特徴をとらえて操作を進めることができる。

また、物体表面に複雑な凹凸がある場合でも、輝線像と
受光アレー几との関係は、例えば第１≠図のようになる
ので、交点Ａ、　Ａ、、　Ａ、、・・・の動きから、物
体表面の山谷の位置と高さを計算できる。

次に輝点の測定における雑音の除去について述べる。

溶接作業で溶接アークから強い光が放射され、この光が
前述の輝線の位置・＼入射して雑音光になる。この雑音
光の妨害を防止することが望ましい。

ここでは雑音光の妨害を除くため矢の手段な講する。

（１）溶接アーク光のスペクトル強度の弱い波長の光、
あるいは、溶接アーク光のスペクトルに含まれない波長
の光を扇形光（１百号元）の光として用い、受光アレー
の前に扇形光の波長付近だけを通す元フィルタを設置す
る。さらにまた、入射光の強さと受光素子出力の線形性
を保持するため、例えば写真機の絞りのような機構を設
けて、入射光量の調整を行なうことも必要である。

（１１）扇形光を形成する光ビームを時間的にパルスま
たは正弦波等で変調し、受光器の出力側回路で復調し、
変調波の存否により信号光の存否を判定するようにし、
雑音妨害の除去をはかる。

θ１１）遮光板を用いて溶接アーク光の輝線部分・＼の
入射量をなるべ（少（する。

上述のことを実現するためには測定系としては、おおよ
そ第７図のような回路を用い、測定ヘッドの光ビームの
強さの変調、扇形平面の方向角θ５、受光器の方向角θ
、受光アレー几の受光素子出力端子のスキャニング等は
前に述べた例のような考え方によって決定すればよい。

本発明の測定系全体の構成例を第１Ｊ’図に示す。

図において、発振器■は１００ＭＨ２程度の発振器で、
その出力ω１は増巾器ＡＭＰ、で増巾された出力により
、投光器りより、ωｒ、／２πなる周波数で変調された
光を発射し、被測定物体表面Ｇからの反射光（この光は
信号光と雑音光の重畳されたもの）を受光器Ｒにうける
。信号光の方向は前に説明したようにその方向角が（Ｌ
６）式のにｐＬ（ｔ）　＝　礼ｓＪｎωデ【（ここにω
？／ｌｉπは約３０Ｃ／８程度でよい）で変動して扇形
光を形成している。この（７Ｌ（ｔ）の駆動は発振器Ｈ
の出力によって行なわれ、かつ’；Ｌ（ｔ）の値は９Ｌ
検出回路により検出するとともに位相調整を行なって出
力される。びわの値はＵＬ駆動検出回路によって０１ま
たはθｌに調整され、その値を出力される。

受光器の方向角θＲ（ｔ）は発振器■の出力により−２
９− 数Ｈ２程度の低い周波数で駆動され、輝線を捕捉するに
十分な範囲に変化する。このθＲ（【）の値はθ、検出
回路により検出され、位相調整された上で出力される。

輝線像と受尤アレー几との交点の受光素子ｂＬの出力は
スキャニングスイッチＳＹＣよってスキャニングされス
イッチ２．から受光素子ｂＬの出力を取出して増巾器Ａ
Ｍ　ｐ２で増巾され、ωＬ／２π近傍の周波数だけを通
すバンドパスフィルタ十”ＩＬＴＥＲを通して恢ωＬ検
出回路で検出されて、その出力ｅは比測定回路ＯＦｔ［
入力される。一方発振器■の出力は基準値作成回路８Ｂ
を通じて基準値ｅＡを出力し、比測定回路ＯＥに入る。

この比測定回路はｅ／　ｅ　　なる比を求め、その出力
は差回路ＤＥに入力され、ｅ／ｅ４　　とある定値にと
の差を求め、ｅ／ｅＪ＞［の場合はパルス出力を生ずる
。このパルスｉｔｌ力はＤＲ，ｆｌｙ、　（ｆＩ、、Ｍ
よびスキャニング位置信号を読取るタイミング信号とし
て用いられる。

スキャニング回路Ｓ。はスキャニングスイッチＳの駆動
を行なうとともに、受光アレー几上での−８０− スキャニング位ｗ、を示す信号として用いられる。

θ□、θＬ　、　９Ｌ、スキャニング位置は同時刻にお
ける値を読みとることが必要であるので、これらに関す
る信号の通る回路は適切に位置調整を行ってお（。図の
ゲート（Ｇａｔｅ）回路は何れも、差回路ＤＥの出力信
号でゲートされ、その時刻における各値ヲケートパルス
でサンプリングして、その犬ぎさ馨ディジタル数値に変
換したる後マイコンμ−ＣＯＮに入力される。θ８．θ
Ｌ、？Ｊスキャニング位置は次々と適切なタイミングで
μｍ０ＯＮ　　に入って（るので、これらの値を用いて
、前に求めた関係式（１）〜０４）を用いて、所要の値
を算出することができる。

上述の測定によって各種の値を知れば、その値を用いて
、前に説明した方法により、あらかじめ作成しておいた
プログラミングにより、計測ヘッドの自動制御を行なう
ことができる。

計測ヘッドＢのＸＩＹＩＺ方向の平行移動および、ξ軸
、η軸、Ｃ軸のまわりの回転は、μｍ０ＯＮの出力によ
って行なわれるが、ここでは省略した。

さらにまた、これまでの例においては、？Ｌ（山ｆ（ｔ
ｌ　、ＯＲ（ｔｌは正弦波の変動をするものとしたが、
例えばｆ（ｔ）ｖｃパルス変調波を、（ｆ、Ｉｔ）に回
転ミラを用いて元ビームを一方向・＼走らせる形式の元
ビームを用いる等のことを行っても類似の方法で取扱え
る。元ビームの変調形式は、雑音光に含まれない形式の
ものを用いれば、信号と雑音との分離が可能であるので
、便利で各易な変調形式を用いればよい。

これまで述べたところでは、θ１−一と、Ｏｌ　　の２
値とし、ＯＲを連続的に変えて輝点像と受光アレーとの
交点の受光素子出力を観測する形をとってきたが、元の
投射と受光器の視野の方向とは互に対称的形になってい
る。これは、前にあげた式（２）〜ａωにおいて、サフ
ィックスＬと几とを交換しても成立つことから容易にわ
かる。したがって、例えば、ＯＲ−一と、θにのλ値と
し、θ１　を連続的に変えて、輝線を視野に入れて、受
光アレーと輝線と交点の受光素子の出力を観測するよう
にしても全く同様の計測を行なうことができる。

上記計測ヘッドはアーク浴接を目的として述べたが、溶
接以外の用途にも有効に利用できる。また、平面板と平
面板との溶接を例にとったが、曲面板の場合でも、複雑
にはなるが、有効に利用できる。

以上の説明で明らかになったように、本発明の計測ヘッ
ドには次のような著しい特徴がある。

（１）　　溶接線の検出および溶接作業を、全自動的に
行なうことができる。

（１１）元ビームの変調により、溶接作業では避けられ
ない、アーク光（雑音光）の妨害を著しく軽減すること
ができる。したがって溶接精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のアーク溶接のセンシング例を示す図で（
イ）は磁気センシング、←）はアーク電流形センシング
、（ハ）はテレビカメラ形センシングを示す。 第２図は本発明の一実施例による計測ヘッドの構成図、
第３図は受光アレーの構造の一例図、第５図は本発明計
測ヘッドの光学系の略図、第５図は−８８− 受光系の略図で、（イ）は受光糸の像と輝点の関係位１
ｋを示す図、ｔＦ：１）は受光アレー几と輝線像との関
係を示す図、第６図は被測定物体に対する計測系全体の
各種の寸法を示す図、第７図は計測回路の几侶号通過系
の概要図、第ｒ図及び第７図は計測−＼ラドの姿勢と平
面との関係により生する輝線または輝点の様子を示す図
で、第ｇ図はη１軸ＩＩ平面Ｊの場合、第り図はη１軸
が平面Ｊと平行でない場合を示す、第１Ｏ図は計測ヘッ
ドが平面と平面の交縁にさしかかった時の様子を示す図
で、（イ）は平面の交ＩＶｖ’かη軸に平行の場合、←
）は平行でない場合を示す。第１１図、及び第１２図は
計測ヘッドを溶接作業位置にお（ための過程を示す図、
第１３図は受光アレー上にむすぶ平面の交わりの輝線像
、第１≠図は凹凸物体上の輝線像を示す図、第１ｊ図測
定回路の構成例を示す図である。 Ｂ：ロボットの計測ヘッド、ξ、η、ζ：ロボット計測
ヘッドの軸、ＢＬ：投光器、ＢＲ：受光器、ｄ：ＢＬと
ＢＲの距離、Ｔ：浴接トーチ、冑。：　溶接線、Ｄ：遮
光板、Ｇｌ　＋　（）１　：被溶接板、Ｊ、　、　Ｊ。 −８４− ：　Ｇ、　ｌ　Ｇ、の表面、Ｗ；交線、虱：扇形冗（Ｂ
Ｌからの元ビームｆ（ｔ））、屹：元ビームの扇形平面
の方向角、θＲ：受元受光方向角、♀５：　光ビームの
扇形平面内でその中心線となす角、（１〕Ｒ：物体表面
上の輝点と点ＯＲとを結、ｇ−線と受光器ＢＲの中心軸
とのなす角、ｆＬ：受光アレー、　ＢＬ：　　受光素子
、刀：写像用レンズ、Ｓｏ：スキャニンク回路、Ｓニス
キャニングスイッチ、Δ、：受元受子素子力端子、Ｉ、
：４線と視野線の交点、ωＬ：ω１検出回路、ＳＥ：基
準値作成回路、ＯＥ：比測定回路、ＤＥ：差回路、μｍ
０ＯＮ　：マイコン。 −８％　　　　− ６ 第１囚 冨２図 第３可 ■ 粟４Ｖ 冨５圀 稟乙区 ｒ漿 θＦ（をン 第７区 円Ｉ 穿６区 ′ｌ 竿９　ぼ 菓／θ図 ｖｌ１図 ＤＭ　　　　又 ＼　　　　　１ ′１ｆＩ／２閃

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （ＩＪ　　ロボット用計測ヘッドの中心軸ξ上で、一定
   距離をへだてた２点０Ｌ−Ｊ６よびＯＲにそれぞれ投光
   器、受光器を相対して設け、投光器はＯｎ、を頂点とし
   、ξ軸と角ＯＬ（元ビームの扇５形千ｍｌの方向角）を
   なす廟形平面内で、細い元ビームを点ＯＬを９心とする
   放射状方向に射出するようにし、扇形平面の方向角θ、
   および光ビームの扇形平面中心線となす角９Ｌを変化で
   きるように構成し、受光器は点ＯＲにレンズの中心をも
   つ写像用レンズと、元ビームの扇形平面の回転軸に平行
   で、写像用レンズの写像位置を占める直線上に受光素子
   を稠密に配列した受光アレーを備え、かつ受光アレーと
   レンズの中心点ＯＲを含む平面と、ξ軸とのなす角θＲ
   （すなわち受光器の方向角）を変化できるように構成す
   ることにより、投光器の元ビームを物体表面に投射して
   生ずる輝点の軌跡（すなわち輝線）を受光器で捕捉し、
   その写像と受光アレーとの交点にある受光素子の電気信
   号出力を検知し、その信号出力によって０１．θ８，９
   □を求め、あるいは０１、、θ、ならびに信号出力を生
   じた受光素子の位置情報を用いて、その受光素子上に写
   像された物体表面上の輝点と点ＯＲとを結ぶ線と受光器
   の中心軸とのなす角９Ｒを求めるようにし、これらの測
   定値ｆａｘ、　、　ＯＲ，９ｐ　、　　９Ｒ（１）うち
   ＯＬ、、θ、とｅＩ、、　＋Ｒの何れか一方を用いるか
   、あるいはσ１．θＲ，９Ｊ　ｆ、ｘＲを用いて被測定
   物体の表面形状と計測ヘッドとの相対位置あるいは被測
   定物体の表面形状を算出するようにしたことを特徴とす
   る光切断法によるロボット用計測ヘッド。 （２）前記特許請求の範囲第１項において、光ビームの
   強さに正弦波変調、パルス変調９周波数変調等の変調を
   加え、受光器の電気信号出力回路で復調して変調波の存
   否を判別することによって、受光器内の輝線像と受光ア
   レーとの交点を識別するようにして、雑音光の妨害の軽
   減をはかるようにしたことを特徴とする光切断法による
   ロボット用計測ヘッド。 （３）　　前記％許請求の範囲第１項、第２項において
   、元ビームの扇形平曲の方向角θＬを任意個の定位とし
   、元ビームの扇形平面中心線となす角９□４および受光
   器の方向角ＯＲをそれぞれ％（ｔ）　＋θＲ（ｔ）なる
   時間の周期関数にしたがって変化するようにして、受光
   器内におけろ被測定物体表面の輝線像と受光アレーとの
   相対位置が周期的に移動を繰返すようにし、両者の交点
   で得られる電気信号出力を生ずる素子の位置の変化の様
   子から、被測定物体の形状、及び被測定物体と計測ヘッ
   ドとの相対位置を求めるようにしたことを特徴とする光
   切断法によるロボット用計測ヘッド。 （４）　前記特許請求の範囲第１項、第２項において、
   受光器の方向角θ□は任意個の定値をとるようにし、元
   ビームの扇形平曲の方向角υ、および扇形平面内におけ
   る元ビームの扇形平面中心線となす角ケＴ、をそれぞれ
   ０Ｌ（ｔ）　＋　９．　（ｔ）なる時間の周期関数にし
   たがって変化するようにして、受光器内における被測定
   物体表面の輝線の像と、受光アレーとの相対位置が周期
   的に移動を繰返すようにし、両者の交点で得られる電気
   信号出力を生ずる素子の位置の変化の様子から被測定物
   体の形状、被測定物体と計画ヘッドとの相対位置を求め
   るようにしたことを特徴とする光切断法によるロボット
   用計４１１１ヘッド。 （５）　　前記ｔ￥ｊ許精求の範囲第３項％４４項にお
   いて、受光アレーの受光素子端子を順次スキャニングス
   イッチで切換えて、その端子における輝点信号の有無を
   識別するようにした場合、各受光素子端子にスキャニン
   グスイッチが接続されている時間υイの間に、元ビーム
   の方向角９１．（ｔ）がその全振巾にわたって少（とも
   １回以上変化するようにし、任意の１つの受光素子端子
   にスイッチ接続されでいる時間−の間で、輝点信号が検
   出された時は、その検出信号を時間信号として用いて、
   その時刻におけ６　％（ｔｌ　＋　０Ｒ（ｔ）　Ｓよび
   気（１）　；ｈ　ルイｔｔ　（？＊（ｔ）の何れか１つ
   、または、０Ｌ（ｔｌｒ輸（ｔｌ　＋　９Ｌ（ｔｌ　＋
   ９７Ｒ（ｔ）請求めるようにしたことを特徴とする光切
   断法によるロボット用計測ヘッド。 （６）前記特許請求の範囲第３項、第φ項において、受
   光アレーの受光素子端子を順次スキャニングスイッチで
   切換えて、その端子における輝点信号の有無を識別する
   ようにした場合、７個の受光素子の入力面を輝点像が通
   過するに要スる時間も　内に、スキャニングスイッチが
   全受光素子端子を少（とも１回以上スキャニングするよ
   うにし、受光素子端子から得られた輝点信号の出力信号
   を時間信号として用い、その時刻におけるθＬ（ｔｌ　
   、θＲ（ｔｌ、および（−ｆＬ（ｔ）あるいは’？Ｒ（
   ｔｌ　の倒れか１つ、または、０１（ｔｌ、θＨ（ｔｌ
   　＋　９　Ｌ（ｔｌ　＋　９　Ｒ（ｔ）　　を求めるよ
   うにしたことを特徴とする光切断法によるロボット用−
   ５− 計測ヘッド。