JPS60181603A - 磁力式形状測定方法 - 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】 本発明は形状測定方法とりわけ磁力を利用した形状測定
方法に関する。

製品形状の多様化、複雑化や製品加工組立技術の高度化
に伴い自由曲面を対象にした形状測定の重要性が高まっ
ており、ことに自由曲面の法線方向や変位を簡便かつ能
率よく計測する方法の開発が望まれている。

一般に自由曲面の測定には接触子を被測定　′物に接触
させる方法がとられているが、この方法では被測定面に
傷を付けやすく、また方向性がある点、摩擦による誤差
の介入がある点などから、精度が低く、連続化も達成で
きないっ 従って、この種形状測定は非接触方式が望ましく、たと
えば、法線近傍の３点の座標値から曲面上のある点の法
線方向を算出する方法があるが、多数の点の測定と演算
が必要であるため実用性に乏しいうらみがある。また変
位計を正三角形の頂点の位置に８個配列したり、２個の
変位計をＺ方向など一つの力方向に可動に構成したセン
サーを用いる方法も考えられるが、精度確保の点からセ
ンサーの頭部を小さくできないため装置が大型化し、局
所的な曲率の変化を測定することができないという欠点
がある。そのほか、レンズと鏡と受光素子を用いた光学
式のものもあるが、被測定物の凹凸などによって反射率
が微妙に変化するため誤差が大きくなるという問題があ
る。

本発明は上記したような従来の形状測定法の不具合を解
消するために研究と実験を重ねて創案されたもので、そ
の目的とするところは、三次元自由曲面の法線方向の検
出、自由曲面との距離及び角度の同時検出、直線面の傾
き方向と角度の検出、あるいはさらに穴の中心と方向の
検出をも簡便かつ連続的に行え、センサー構造もきわめ
て簡単でヤンサ頭を小型化でき、局所的な曲率変化にも
追従することができるこの種形状測定方法を提供するこ
とにある。

この目的を達成するため、本発明は、異なる磁性体の不
連続境界面に働く応力が面に垂直方向成分のみを有し／
、透磁率の大きい方から小さい方へ向いている点に着目
し、ａれを利用して磁力方式で形状測定を行うようにし
たもので、すなわち、強磁性体からなる被測定面に磁石
を接近させ、磁石が被測定面の法線方向に吸引されるこ
とによる変位を測定することで形状検出を行うようにし
たことを特徴とするものである。

以下本発明の実施例を添付図面に基いて説明する。

第１図ないし第８図は本発明による形状測定方法を適用
して得たセンサーの実施例を、示すもので、１は被測定
物であり、少なくとも被測定面１１は鉄などの強磁性体
がらなっている。２は磁石であり、図示するものけ永久
磁石を用いてい−るが、電磁石を用いてもよいのは勿論
である。磁石２は角度の測定精度の点からセンサー先端
にモーメントが生じないような断面積にすべきであり、
図示するような円盤状に代え針状ないしこれに近い形状
寸法にすることが望ましい。磁束密度は感度の面からで
きるだけ高いことがｍましい。

３は前記磁石２を支持して被測定面１１に非接触で対峙
させ、磁石の変位を後記する変位計に伝達する支持体で
あり、第１図と第２図の実施例では横梁３０およびこれ
から立上るたて梁３１からなる剛構造を用い、たて梁３
１の先端に磁石２を接着など任意の方法で数句けており
、横梁３０をもってアーム等の支台６に固定するように
なっている。第３図の実施例はフレキシブルな支持体つ
まり成る範囲で支持はしているが、その範囲内では自由
に磁石の変位を許す構造の支持体としたもので、たて梁
３１の先端に磁石２を取利け、たて梁３１の中間部に膨
大部１０を設けこれを静圧式その他の空気軸受９で揺動
、直動及び回転が可能なように支えたものである。

４は前記磁石２が被測定面１１の法線方向に吸引される
ことにより生ずる変位を測定する手段であり、ひずみゲ
ージ、圧電素子、光電素子、渦電流、差動トランスなど
接触型、非接触型の要素を用いることができる。

本実施例では、変位測定手段として、３分力計もしくは
これと同等のものを用いており、第１図と第２図ではた
て梁３１の適所にひずみゲージのごとき接触変位計５α
、５ｂ。

５ｃ、５ｄを取付けて傾きを検出するようにし、横梁３
０にも複数個の接触変位計６α。

６ｂ、７α、７Ａを配設し、これらで軸方向の変位を検
出するようにしている。第８図の実施例においては、空
気軸受９より後方のたて梁３１に対し、非接触又は接触
型の変位計５．６．７を配している。

しかして、本発明は支持体３に磁石２を取付けておき、
磁石２を被測定面１１に近づけるものである。この被測
定面１１が強磁性体からなる場合、さきに述べたように
、異なる磁性体の不連続境界面に働く応力は面に垂直方
向成分のみを有し、透磁率の大きい方から小さい方へ向
いていることから、磁石２は必ず被測定面１１の法線方
向に吸引される。そこでこの吸引による磁石２の変位を
測定すれば、一本の細いセンサー構造で、曲面からの距
離と傾きが同時に検出される。

すなわち、第１図と第２図の実施例において、被測定面
１１と磁石２の先端との距離をＺ１センサ軸つまり支持
体３の軸方向の変位をＺ１支持体３の法線からの傾きを
θ／、θ２とすれば、Ｚ方向の引張力Ｐｚｌは変位計５
α〜５ｄにより測定され、θ７及びθノ方向の力Ｐｅｔ
　ｅＦｅｚけそれぞれ変位計６ａ、６ｂ、７　ａ、７ｂ
により測定される。

磁石２が曲面から受けるＰの大きさはＺとθｌ、θ２の
関数であり、θ、とθ２を一定にすればＰの絶対値より
Ｚをめることができる。θとθについては、Ｐの成分は
（Ｐ２、Ｐθ１１Ｐθ２）で与えられ、吸引力Ｐの方向
は法線方向と一致するから、センサ軸の傾きθ１．θ２
は次式からめることができる。

θ、−ｔａｎ　（Ｐａｔ　／　Ｐｚ　）、６．ｇ　ｔａ
ｎ　（Ｐｍ／Ｐｉ）第４図は本発明による測定方法の基
本特性をみるための実験装置を示すもので、ＸＹテーブ
ル１２に回転テーブル１３を載置させ、回転テーブル１
３に被測定物１を固定し、磁石２を取付けた支持体３を
支台８により固定している。

この実験装置において、たて梁３１と横梁３０には５鯛
のアルミニウム利を用い、これの適所に孔をあけて、円
孔ロードセルを取付け、たて梁３１の先端に直径９ガｍ
の鉄製ホルダ１４を介して厚み２關、直径８關、残留磁
束密度１０キロガウス、希土類永久磁石を付けた。後部
梁から磁石の先端までの長さは８９．５朋である。

第５図は厚さ１５電、材質８４５Ｃの被測定物について
、θ−０として変位ＺとＺ軸の出力の関係を測定した結
果であり、磁石２が法線方向に吸引されることによる出
力により被測定面からの距離を測定できることがわかる
。

第６図はＺをパラメータにとり、傾斜角θ。

との軸の出力の関係を測定した結果であり、この第６図
からθ方向の出力により傾き角を測定でき、Ｚを小さく
するほど感度がよいことがわかる。自重の影響はセンサ
頭部重量が２ｙｆと小さいため無視できた。

第７図はｌｌ　−ｌ　ｍａｒにおいて測定したＰｉ’と
ｐ、ｌｌ−基に、実際の傾斜角θ、を横軸にとり、セン
サにより測定した傾斜角ｔａｒＬ（Ｐ６ｔ／Ｐ））を点
で示したもので、実線はｔａｎ　（Ｐａｔ／Ｐ））−〇
・の理論値である。この第７図からＺを任意にとったま
まで被測定面の傾斜角を測定できることがわかる。

第８図は被測定物の板厚による影響を測定したデータで
あり、第９図と第１θ図は板厚一定＜１５ｍｍｔ＞にお
いて材質の変化によるセンサー特性を測定したものであ
る。これら第８図ないし第１０図から、実験センサーに
おいては、板厚約０．９關以上であれば材質に関係なく
一定の特性を維持でき、これは、５軸のレーザー加工機
やロボットによる溶接、スタッド溶接等に応用する場合
に好都合の特性であるといえる。

本発明は上記のような特性を有しているため、強磁性体
からなる曲面の法線方向の検出を行えると共に、曲面か
らの距離と傾きを同時に検出することができ、またあら
ゆる面の傾き方向と角度、角部や隅部の測定、さらには
穴の中心と方向の検出を行うことができる。

次に本発明の具体的な実施例を示す。

実施例１ 第４図の実験装置を用いて曲面の形状測定を行った。実
験はＸＹテーブルのＸ軸の目盛を一定のピッチで動かす
ことで被測定面と磁石との相対移動を得た。このときに
、Ｐｔ”が一定にＰθがＯすなわち法線方向に向くよう
にＹ軸と回転角を調整した。

第１１図はＲ８５凹面の測定結果を示すもので、第１２
図は測定誤差をみたものである。第１２図において、設
定値Ｚ／−１ｔｕｒＫからのずれをΔ２−２−２．、法
線方向からのずれを時計方向を正にとり２θとし、測定
面に沿った弧長Ｓに従ってΔＺと　ｌθの変化をみた。

磁石が直径１３　ｍｍと比較的大きいにもかかわらず良
好な結果が得られている。測定精度は磁石をもつと小さ
くシ、８分力計の感度（試作センサはひずみ５０μ５ｔ
ｒａｉｎ以下を小さい）を上げることにより容易に向上
でき、曲率の大きい場合にも十分に適用できる。現状の
ままでも曲面とある角度をなしく特に法線方向）一定の
距離を保つ必要がある場合のセンサーとして有効である
。

第１３図は本発明でＲＯの角部を、第 １４図けＲＯ隅部の測定をそれぞれ行った結果を示すも
ので、簡単に角部や隅部を検出できることがわかる。

実施例２ ■０本発明により穴の中心軸の位）Ｒと方向の測定を行
った。第１５“図はその測定方法と原理を示すもので、
板厚１５間の鉄板に幅寸法すの長円１１を形成し、その
長円１１′に支持体３を介して磁石２を挿入するもので
磁石２が穴曲面の法線方向に吸引されるため、偏心量に
相当したθ軸の出力があり、またセンサ軸が傾いている
場合、軸方向にＺだけ移動するとθ軸の出力が変化する
。したがって、θ軸の出力が０となるようにすれば穴の
中心が簡単に検出できる。第１６図は偏心量と出力との
関係を示すもので、長円幅寸法が狭いほど感度が良いこ
とがわかる。

■。本発明により穴の方向の検出を行った。

第１６図はその測定方法と結果を示すもので、支持体３
を介して磁石２をｂ−１０ｍｍの大中に所要深さくＺ−
−７゜５朋）挿入し、その状態で磁石２を移動する。こ
れによりθ軸の出力が変化するため穴の中心軸からの傾
きを直ちに検出することができる。

以上説明した本発明の形状測定方法によるときには、非
接触式であるため被測定面に傷をつける心配や摩擦によ
る誤差が生ずる問題もなく連続的に曲面の法線方向や直
線面を含む面や大面などからの距離、傾きを同時検出す
ることができ、それでいて梁が一本で足りると共にセン
サ頭を小さくできるので、センサ構造をきわめて簡単か
つ小型なものにすることができ、局所的な曲率の変化に
も自在に対応することができる。

本発明の測定方法は、８次元測定機のプルーブのほか、
多軸レーザー加工機や溶接ロボット、組立てロボットな
ど加工機やロボットが手首を法線方向に向け、距離を一
定に保って動く必要のある場合のセンサ等広い範囲に適
用が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る磁力式形状測定方法を適用して得
たセンサーの一実施例を示す正面図、第２図は同じくそ
の側面図、第８図は別の実施例を示す平面図、第４図は
第１図と第２図のセンサーを用いた測定実験装置の斜視
図、第５図は本発明における被測定面からの変位と出力
の関係を示すグラフ、第６図は法線方向からの傾きと出
力の関係を示すグラフ、第７図は本発明による傾斜角測
定結果を示すグラフ、第８図は被測定物の板厚と出力の
最大値との関係を示すグラフ、第９図と第１０図は被測
定物の材質と磁石の変位特性との関係を示すグラフ、第
１１図は本発明による自由曲面の測定結果を示す線図、
第１２図は第１１図における測定誤差を示すグラフ、第
１８図は本発明による角部測定結果を示す線図、第１４
図は本発明による隅部測定結果を示す線図、第１５図（
α）（ｂ）は本発明による穴の中心軸の位置と方向の測
定方法を示す説明図、第１６図は本発明により穴部検出
を行ったときの偏心量と出力の関係を示すグラフ、第１
７図は本発明により穴の方向検出を行った結果を示すグ
ラフである。 １・・・被測定物、２・・・磁石、３・・・支持体、４
−・変位を測定する手段、１１・・・被測定面第　１　
図　第　２　図 第３図 ８　容　呂　０　０　０ （旧ｇＪ’ＪＳ山　で　電 ０　（）　ＯＯＯＯ わ　マ　の　ｅＩＪ、− （■ＩｅＪＩＳイ）　＋で　９マ 第　７Ｊ　図 第１ケ図 第７７図 第１Ｓ図 第１ど図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ／。強磁性体からなる被測定面に磁石を近接させ、磁石
   が被測定面の法線方向に吸引されることによる磁石の変
   位を測定することで形状検出を行うようにしたことを特
   徴とする磁力式形状測定方法。 ２、磁石の変位の測定を８分力計もしくはその類似手段
   を用いて行う特許請求の範囲第１項記載の磁力式形状測
   定方法。 ３、磁石として永久磁石を用いる特許請求の範囲第１項
   記載の磁力式形状測定方法。 ｔ、磁石として電磁石を用いる特許請求の範囲第１項記
   載の磁力式形状測定方法。