JPS6080705A - 立体物の測定方法 - 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、立体物を非接触で測定する測定方法に関する
。

一般に、被測定物の寸法や形状を測定するものとして、
タッチ信号プローブを二次元または三次元方向へ移動可
能に構成し、そのプローブが棺測定物に当接した時点の
プローブの移動変位量から被測定物の寸法や形状を測定
する、いわゆる立体物測定装置が知られている。

従来、この種の装置では、被測定物にプローブを当接さ
せる形式のため、その当接力や当接姿勢等によって誤差
が生じ易いばかりか、プローブに原点復帰性、全方向性
、オーバーストローク許容性等の機能がめられる結果、
高価にならざるを得ない。しかも、被測定物がプラスッ
チク部材等の比較的弾性がある材料の場合には、測定不
可能な場合もある。

ここに、非接触型の測定機が要請される。これには、光
学式、電磁式等が考えられるが、今だ実用価値あるもの
の出現を見ない。この理由は、方向性やストロークに対
する特性が不安定であることに起因する結果と思われる
。

ここにおいて、本発明の目的は、このような従来の測定
方法の欠点を解消し、高能率で、かつ高精度な測定が可
能な立体物の測定方法を提供することにある。

そのため、本発明では、被測定物を回動させるとともに
、被測定物の回動軸線と交差する方向へ移動可能な非接
触型の距離検出器から光ビームを被測定物表面へ照射す
る一方、被測定物表面からの反射光を利用して前記距離
検出器から被測定物表面までの距離が一定となるように
距離検出器を移動させ、被測定物が停止したとき距離検
出器の初期位置に対する移動量から被測定物の測定箇所
の座標をめることにより、上記目的を達成しようとする
ものである。

そこで、はじめに、本発明の測定原理を説明する。まず
、第１図に示す如く、被測定物Ｗを回転円板Ｅ上におき
、その回転円板Ｅの回動中心Ｏより距離Ａだけ離れた位
置Ｂにレーザビーム投受光器Ｇをおく、ここで、距離Ａ
はレーザビーム投受光器Ｇのレーザビームの焦点距離で
ある。

この状態において、レーザビーム投受光器Ｇからレーザ
ビームを被測定物Ｗの測定点Ｐ＋へ照射する一方、レー
ザビームの焦点が測定点Ｐ１に結ばれるようにレーザビ
ーム投受光器Ｇを回動中心０と交差する方向へ移動させ
ると、レーザビーム投受光器Ｇは前記位置Ｂに対して回
動中心０から被測定物Ｗの測定点ＰＩまでの距離ＯＰＩ
だけ左側にある位置Ｃへ移動される。

次に、回転円板Ｅを図中矢示方向へ角度θ１だけ回転さ
せると、測定点Ｐ１の位置に測定点Ｐ２が位置する。こ
こで、レーザビーム投受光器Ｇかものレーザビームの焦
点が測定点Ｐ２に結ばれるようにレーザビーム投受光器
Ｇを移動させると。

レーザビーム投受光器Ｇは前記位ＩＢに対して回動中心
０から測定点Ｐ２までの距離１下２だけ移動される。

このようにして、回転円板Ｅを所定角度づつ回転させ、
その各回動停止位置において被測定物Ｗの各測定点Ｐ＋
　、ｐ２．Ｐｇ　、Ｐ４にレーザビームの焦点が順に結
ばれるようにレーザビーム投受光器Ｇを移動させると、
回動中心０からレーザビーム投受光器Ｇまでの距離は、
（Ａ＋ＯＦ＋）。

（Ａ＋が７２）、（Ａ＋ＯＰ９）、（Ａ＋♂〒４）・・
・と変化する。つまり、レーザビーム投受光器Ｇの位置
Ｂからの移動距離は、回動中心０から被測定物Ｗの各測
定点Ｐ＋　、Ｐ２　、Ｐｇ　、Ｐ４・・・なる。

このことから、回転円板Ｅを所定角度づつ回転させ、被
測定物Ｗの表面上にレーザビームの焦点が順次結ばれる
ようにレーザビーム投受光器Ｇを移動させ、そのときの
回転円板Ｅの角度およびレーザビーム投受光器Ｇの移動
量をめれば、被測定物Ｗの各測定点Ｐ＋　、Ｐ２　、Ｐ
ａ　、Ｐ４・・・を回動中心Ｏを原点とする極座標で表
わすことができる。

ここで、各測定点Ｐ＋　、Ｐ２．Ｐａ　、Ｐ４・・・の
極座標は直交座標に変換することができる０例えば、測
定点Ｐ２の直交座標Ｘ２．ｙ２は、第２図に示す如く、
ＯＰ　２　＝　ｒとすると、Ｘ２−０ｘａ　−ｒｃｏｓ
　θ＋　・・・（１）ｙ２≠０３’＊＋ｒＢｌｎθ−・
・・（２）となる、このようにして、各測定点Ｐ＋、Ｐ
２゜Ｐａ、Ｐ＜・・・を直交座標として表わすこともで
きる。

従って、第１図の回動中心Ｏを通り紙面に垂直な軸をＺ
軸とし、そのＺ軸方向にレーザビーム投受光器Ｇを一定
量づつ移動させ、そのＺ軸方向の各位置において前述し
た被測定物Ｗの二次元形状を極座標または直交座標とし
てめれば、被測定物Ｗの三次元的形状を簡単にめること
ができる。

次に、本発明の測定方法を実施した立体物測定機の一実
施例を第３図から第９図に基づいて説明する。

第３図は本実施例の立体物測定機の外観を示している。

同図において、基台ｌｌには、その上面−側寄りにポー
ルネジ受け１２を介して垂直なＺ軸１３が上下方向へ昇
降自在に設けられているとともに、上面他側寄りに前記
Ｚ＠ｈ１３のΦ心軸線と平行な回転軸１４の下部が回動
自在に支持されている。回転軸１４の上端には、被測定
物Ｗを載置固定する回転テーブル１６が一体的にかつ水
平に設けられているとともに、その回転テーブル１６の
下方に真円リング１７が装着されている。前記回転テー
ブル１６の下面側には、モの回転テーブル１６の上下方
向の振れを検出する上下振れ検出器１８が対向されてい
るとともに、前記真円リング１７の外周には、前記回転
テーブル１６の芯振れを検出する芯振れ検出器！９が対
向されれている。

前記上下振れ検出器１８は、第４図に示す如く、レーザ
光源２１から出射されたレーザービームがコリメータレ
ンズ２２よりビームスプリッタ２３にて直角に曲げられ
、対物レンズ２４を経て回転テーブル１６の下面に照射
されるようになっている６回転テーブル１６の下面から
の反射光は、前記対物レンズ２４およびビームスプリッ
タ２３を経て集光レンズ２５で集光された後、フォトダ
イオード２６で受光される。ここで、レーザービームの
焦点が回転テーブル１６の下面に一致せず１例えば回転
テーブル１６の下面に対して遠退たり遅過たりすると、
信号処理回路２７からフォーカシング信号ＦＣ５Ｉが出
力される。このフォーカシング信号ＦＣ３＋は増幅器２
８を介して増幅されｆ−後、光学系全体を上下方向へ移
動させるサーボ機構２９へ入力される。これにより、レ
ーザビームの焦点が回転テーブル１６の下面に正しく位
置するまで光学系全体が上下方向へ移動される。従って
、回転テーブル１６が回転時に上下方向へ振れると、そ
の上下方向の振れ量が光学系全体の移動量として検出さ
れる。

また、前記芯振れ検出器１９は、第５図に示す如く、レ
ーザ光源３１から出射されたレーザービームがコリメー
タレンズ３２よりビームスプリー。

り３３にて直角に曲げられ、対物レンズ３４を経て真円
リング１７の外周面に照射されるようになっている。真
円リング１７の外周面からの反射光は、前記対物レンズ
３４およびビームスプリッタ３３を経て集光レンズ３５
で集光された後、フォトダイオード３６で受光される。

ここで、レーザービームの焦点が真円リング１７の外周
面に一致せず１例えば真円リング１７の外周面に対して
遠退たり遅過たりすると、信号処理回路３７からフォー
カシング信号Ｆ　ＣＳ　２が出力される。

フォーカシング信号Ｆ　ＣＳ　２は増幅器３８を介して
増幅された後、光学系全体を水平方向へ移動させるサー
ボ機構３９へ入力される。これにより、レーザビームの
焦点が真円リング１７の外周面に正しく位置するまで光
学系全体が水平方向へ移動される。従って１回転テーブ
ル１６が回転時に芯振れを起すと、モの芯振れ量が光学
系全体の移動量として検出される。

また、前記回転軸１４の下端には、歯車機構４１を介し
て回転軸１４を回転させる回転駆動装置としてのモータ
４２が連結されているとともに。

歯車機構４３を介して回転テーブル１６の回転角位置を
検出する角度検出器４９が連結されている。いま、被測
定物Ｗの大きさを回転テーブル１６の回動軸線Ｏを中心
として半径５００ｍｍ、つまり直径１ｍの被測定物Ｗの
外周形状をＩＩＬｍの精度で測定する場合に′ついて考
えると１回転テーブル１Ｂの１回転について、（１ｍＸ
ｗ）７１ｇｍ輪３１４１６００点数を知らなければなら
ない、つまある。このため１本実施例では、１回転で１
００００パルスを発生するインクリメンタルロータリエ
ンコーダ４４を用い、それが回転テーブル１６の１回転
で４００回転、つまり４００００００個のパルスが発生
するように前記歯車機構４３を構成している。

また、回転テーブル１６の回転方向の原点検出および読
取り誤差を防ぐために、インクリメンタルロータリエン
コーダ４４が１回転つまりｌＯθ００パルス発生する毎
に１個のパルスを発生させ、そのパルスが４００個発生
したときに回転テーブル１６が１回転したことを判別す
るようにしている０例えば、第６図に示す如く、インク
リメンタルロータリエンコーダ４４で発生したパルスを
変調器４５へ、インクリメンタルロータリエンコーダ４
４が１回転する毎に１個発生するパルスを変調器４６へ
それぞれ入力させる。変調器４５は周波数１区をインク
リメンタルロータリエンコーダ４４で発生するパルスで
変調し、一方変調器４６は周波数Ｆ２をインクリメンタ
ルロータリエンコーダ４４がＩｒｆｆ１ｌＩｉ；ナス何
１７１個塁外ナスパＩＩ／スで亦ボし、この変調器４５
および変調器４６の出力をカウンタ４７へ入力し、その
カウンタ４７のカウント数から回転テーブル１６の回転
角位置をめるようにしている。従って、例えば変調器４
５の出力が誤動作によって８Ｉｌ１９９のとき、変調器
４６の出力があった場合は、誤ったカウントをしている
ので、回転テーブル１６に回転力を与えるモータ４２を
停止させ、測定を再度行なわせる。なお、ロータリーエ
ンコーダのパルスで周波数Ｆ＋、Ｆ２を変調する理由は
、外部からの妨害となるパルスを除き１周波数Ｆｌ、Ｆ
２の同調回路で誤動作を防ぐためである。

一方、前記Ｚ軸１３には、その下端にＺ軸１３を上下方
向（Ｚ軸方向）へ昇降させる昇降装置５１が設けられて
いるとともに、Ｚ軸１３に沿ってＺ軸１３の上下方向の
位置を検出するリニアエンコーダ等の高さ検出器５２が
設けられている。また、Ｚ軸１３の上下方向の略中夫に
は、水平テーブル５３が水平に取付けられている。水平
テーブル５３には、被測定物Ｗ表面にレーザビームな照
射し、その被測定物Ｗ表面からの反射光を利用して被測
定物Ｗまでの距離を非接触で検知する距離検出器５４、
この距離検出器５４からの出力信号に応じて前記被測定
物Ｗ表面までの距離が一定となるように距離検出器５４
を回転テーブル１６の回動軸線Ｏに対して直角に交差す
る方向（例えばＺ軸方向）へ進退させる位置決め装置５
６および距離検出器５４の移動位置を検出するリニアエ
ンコーダ等の位置検出器５５がそれぞれ設けられている
。

前記距離検出器５４は、第７図に示す如く、レーザ光源
６１からのレーザービームがビームスプリッタ６２を直
進して対物レンズ６３を経て被測定物Ｗに照射されるよ
うになっている。被測定物Ｗからの反射光は対物レンズ
６３を経てビームスプリッタ６２で直角に曲げられ円筒
レンズ６４を経てフォトダイオード受光面６５で受光さ
れる。

いま、対物レンズ６３と被測定物Ｗとの距離が第１図の
焦点距離Ａに合致した場合は、レーザビームの焦点が被
測定物Ｗ上に位置するので、反射光は第８図（Ａ）のフ
ォトダイオード受光面６５を構成する受光素子Ａ＋　、
Ａ２．Ｂ＋　、Ｂ２に円形に表われ、増幅器６７かもの
出力は零となる。もし、対物レンズ６３と被測定物Ｗと
の距離が焦点距離Ａより大きい場合、つまり被測定物Ｗ
と対物レンズ６３との距離が遠い場合は、第８図（Ｂ）
に示す如く、受光素子Ｂｌ、Ｂ２のみに像が結ばれるの
で、増幅器６７の出力は−Ｖｌとなる。この出力−ｖ■
がサーボ機構等により構成された位置決め装置５６に入
力されると、位置決め装Ｍ５６により出力−Ｖｌが零に
なるまで距離検出器５４が回転テーブル１６の回動軸線
０に対して直角に交差するＸ軸方向へ移動され、そのＸ
軸方向の位置が位置検出器５５によって検出される。

前記位置検出器５５からの出力は、第９図に示す如く、
演算処理装置７１の加減算器７２の一方の入力端へ入力
されている。加減算器７２は、前記位置検出器５５から
の出力を前記芯振れ検出器１９からの出力で補正し、前
記距離検出器５４の（Ｘ）は、合成回路７３に入力され
、前記角度検出器４９で検出された回転テーブル１６の
回転角データ（θ）と合成される。合成回路７３からの
合成出力（ｘ、θ）は、次の合成回路７４に入力され、
加減算器７５からの出力データと合成される。加減算器
７５は、前記高さ検出器５２からの出力を前記上下振れ
検出器１８からの出力で補正し、前記Ｚ軸１３の高さつ
まり距離検出器５４の高さデータ（０）を算出する。従
って、距離検出器５４の高さデータ（θ）と合成回路７
３からの合成出力（ｘ、θ）つまり距離検出器５４の位
置データ（Ｘ）および回転テーブル１６の回転角データ
（θ）とが合成回路７４で合成された後、コンピュータ
７５へ入力される。コンピュータ７５は、制御器７６を
介して操作盤７７から与えられる指令に従って所定の演
算を行ない、その結果をフロッピー７８へ記憶させると
ともに、出力装置７９へ出力する。出力装置７９は、例
えばプロッター、レコーダ、ＣＲＴ等で、前記コンピュ
ータ７４から占えられるデータを２．３次元画像、直交
座標、極座標、等として表示させる。

次に、本実施例の作用を説明する。まず、回転テーブル
１６の上面に被測定物Ｗをセットした後、モータ４２を
駆動させると、回転軸１４を介して回転テーブル１６が
回転される。すると、その回転テーブル１６の回転角デ
ータ（θ）が角度検出器４９で検出された後、演算処理
装置７１へ与えられる。

一方、回転テーブル１６が回転すると、その回転テーブ
ル１６の回動軸線Ｏから被測定物Ｗの各測定点までの距
離に応じて、距離検出器５４からのレーザビームの焦点
が被測定物Ｗの各測定点上に位置するように距離検出器
５４がＸ軸方向へ移動され、その各移動量が位置検出器
５５で検出された後、演算処理装Ｗ７１の加減算器７２
へ入力される。同時に、芯振れ検出器１９で検出された
回転軸１４の芯振れ量が加減算器７２へ入力される。こ
れにより、加減算器７２において、前記位置検出器５５
から与えられる位置データ（Ｚ）は、前記芯振れ検出器
１９からのデータによって補正された後、合成回路７３
において、角度検出器４９で検出された回転テーブル１
６の回転角データ（θ）と合成される。

合成回路７３からの合成出力（ｘ、θ）は、次の合成回
路７４へ入力され、加減算器７５からの出力と合成され
る。加減算器７５には、高さ検出器５２および上下振れ
検出器１８からのデータがそれぞれ入力されているので
、その加減算器７５からの出力つまりＸ軸方向の高さデ
ータ（Ｚ）と合成（Ｘｌθ、Ｚ）されコンピュータ７５
へ入力される。これにより、コンピュータ７５は、与え
られる位置データ（Ｘ、）から被測定物Ｗ表面の前記回
動軸線０からの寸法を、高さデータ（Ｚ）から被測定物
Ｗ表面の回転テーブル１６からの高さを、回転角データ
（θ）から被測定物Ｗ表面の周方向位置をそれぞれめ、
その結果をフロッピー７７へ記憶させる一方、出力装置
７９に表示させる。

このようにして、被測定物Ｗの水平断面形状の測定を、
Ｘ軸方向へ繰返えせば、被測定物Ｗの三次元的形状を測
定することができる。例えば、二次元、三次元形状のほ
か、必要な部分の寸法、平面積、立方体積、中心位置、
或いは被測定物の表面の穴位置、穴の深さ、穴の直径、
突起物の形状、更に表面粗さ等を測定し、それらを測定
値とともに二次元、三次元画像として表示することがで
きる。

従って、本実施例によれば、接触子を使用することなく
、即ち被測定物Ｗに物理的外力をかけることなく測定が
できるので、非常に高速にかつ高精度に測定することが
できる。ちなみに、回転テーブル１６の回転速度を１回
転１５秒とすると。

ＸＹ平面を１５秒で測定でき、Ｘ軸方向に１００層の測
定を行うと、三次元の全測定が１５００−２５分の速度
で、かつ測定値をｌＩＬｍ以下の精度で測定することが
できる。

また、距離検出器５４の位置データ（Ｘ）を芯振れ検出
器１９の芯振れ量で補正する一方、距離検出器５４の高
さデータ（Ｚ）を上下振れ検出器１８の上下振れ量によ
って補正するようにしたので、機械加工上或いは組立上
の誤差が測定値に影響を与えることがなく、従って高精
度の測定が期待できる。

また、距離検出器５４の位置データ（Ｘ）、回転テーブ
ル１６の回転角データ（θ）および距離検出器５４の高
さデータ（Ｚ）をコンピータ７５で演算処理するように
したので、そのコンピュータ７５により二次元、三次元
画形状のほか、必要な部分の寸法、平面積、立方体積、
中心位置、或いは被測定物の表面の穴位置、穴の深さ、
穴の直径、突起物の形状、更に表面粗さ等をも簡単に測
定でき、かつそれらの測定結果を二次元画像、三次元画
像として表示させることもできる。

なお、上記実施では、距離検出器５４を、レーザビーム
を被測定物Ｗ表面に照射し、その被測定物Ｗ表面からの
反射光がフォトダイオード受光面６５で結像する形状に
よって被測定物Ｗ表面までの距離を検知する結像式光学
型検出器としたが、距離検出器５４としては、被測定物
Ｗ表面に一定形状のレーザビームを照射し、その被測定
物Ｗ表面からの反射光の反射角度によって被測定物Ｗ表
面までの距離を検知する三角測量式光学型検出器でもよ
い。

また、上記実施例では、初期状態において、距離検出器
５４を回転テーブル１６の回動軸線０から焦点距離Ａだ
け離れた位置に配置し、距離検出器５４からのレーザビ
ームの焦点が回転テーブル１６の回動軸線０に一致する
ように設定したが、距離検出器５４からのレーザビーム
の焦点を回転テーブル１６の回動軸線０に必らずしも一
致させなくてもよい、この場合、被測定物Ｗ表面の測定
点をめるには、任意に設定された焦点位置に距離検出器
５４の初期位置からの移動量を加算すればよい。

また、上記実施例では、回転テーブル１６を所定角度づ
つ回転させ、その各回転停止位置において距離検出器５
４から被測定物Ｗ表面までの距離が一定となるように距
離検出器５４を移動させて測定するようにしたが、回転
テーブル１６を連続して回転させながら測定するように
してもよい。

このようにすると、より高速な測定が期待できる。

更に、上記実施例では、回転テーブル１６の回動軸線０
に対し直角に交差する方向へ進退可能な距離検出器５４
をＺ軸方向へ昇降自在としたが、この距離検出器５４に
加えて前記回動軸線０と平行な方向へ昇降自在な距離検
出器を回動軸線０に対して直角に交差する方向へ移動自
在に設ければ、あらゆる形状の三次元形状を測定するこ
とができる。

以上の通り、本発明によれば、従来の測定方法の欠点を
解消し、能率的で、かつ高精度な測定が可能な立体物の
測定方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の測定原理を示す平面図、ｔ５２図は極
座標を直交座標に変換するための説明図、第３図は本発
明の測定方法を実施した立体物測定機の一実施例を示す
正面図、第４図は上下振れ検出器を示す説明図、第５図
は芯振れ検出器を示す説明図、第６図は角度検出器を示
す説明図、第７図は距離′検出器を示す説明図、第８図
（Ａ）（Ｂ）はフォトダイオード受光面を示す説明図、
第７７図は演算処理装置を示すブロック図である。 Ｗ・・・被測定物、５４・・・距離検出器。 代理人　弁理士　木下　実三　（ほか１名）第１図 第２図 ＯＸ２　ＸＯＸ 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 （Ａ）　（８）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定物を回動させるとともに、被測定物の回動
   軸線と交差する方向へ移動可能な非接触型の距離検出器
   から光ビームを被測定物表面へ照射する一方、被測定物
   表面からの反射光を利用して前記距離検出器から被測定
   物表面までの距離が一定となるように距離検出器を移動
   させ、この距離検出器の初期位置に対する移動量から被
   測定物の測定箇所の座標をめることを特徴とする立体物
   の測定方法。