JPS61124816A - 非接触式三次元計測装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、非接触式三次元計測装置に係り、特に、三次
元自由曲面を有する物体を非接触の状態で計測するに好
適な、非接触式三次元計測装置に関するものである。

〔発明の背景〕

近年注目されはじめている計測技術に、光点検出センサ
利用による非ｍＭ方式での物体形状の測定がめる。この
光点検出センサ利用による非接触方式での物体形状の測
定については、雑誌１センサ技術“における東京農工大
学の告澤徹氏による“光点検出上／すによる物体形状の
測定”と題する文献において論じられている。

この文献では、計測原理の紹介、この原理を利用した検
出センサの製品例の紹介およびこれらセンサの応用例に
ついての紹介等が記載されている。

これらのセンナを利用した計測装置の一例＋ｔ−第６図
を参照して説明する。

ここに第６図は、検出センナの計測原理図である。

１は計測すべき物体、４′は検出センナで、検出センナ
４′は、光源１３、送光用レンズ１４、受光用レンズ１
５および検知器１６からなっている。光源１３は、例え
ばレーザー光などである。

物体１の基準面を１．とすると、レーザー光は送光用し
／ズ１４ｔ−経て基準面１．で反射し受光レンズ１５ｔ
−経て当該レンズの垂直軸上の検知器１６の１６８に集
光し、面１ｂでの反射は１６ｂＫ集光し、レーザー光の
乱反射を検知器１６面に集光する状態によって検出セン
ナ４′と物体１間の距離が計測される。

検出センナの計測範囲、すなわち計測可能領域は、例え
ば第６図に示すように、＊体１と検出センナ４′との間
にある距離を基準として±１６ｍといったように受光で
きる範囲が有限で６ｔ）、　したがって、検出センナ４
′を如何にして計測可能領域を外れないように物体ｌの
まわりに移動させるかということが重要な問題となる。

しかし、前記の文献には、センナの駆動制御については
論じられていなかった。

〔発明の目的〕

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、計測手
段に係る検出センナと物体との間の距＃ｌｌを常にめる
一定の計測可能領域内にろるように、検出センナまたは
物体、もしくは検出センナと物体との両者１駆動制御で
きるようにし、これによ勺、三次元自由曲面を有する物
体を非接触の状態で。

かつ、自動的に計測しうる非接触式三次元計測装置の提
供を、その目的としている。

〔発明の概要〕

本発明に係る非接触式三次元計測装置の構成は、三次元
自由曲面を有する物体を、非接触の状態で当該物体と計
測手段との閣の距離を計測する計測手段と、当該計測手
段と当該物体との間の距離が常にある一定の計測可能領
域内にあるように当該計測手段または当該物体、もしく
は当該計測手段と当該物体との両者を移動せしめるため
に複数の駆動軸を具備する駆動装置と、物体の形状を点
列の状態で三次元の座標値として入力する入力手段と、
その入力を前記駆動装置の複数の駆動軸の座標位置指令
信号に変換するとともに、前記計測手段によって計測さ
れた距Ｐ＠信号を座標系の距離情報に変決して出力処理
するだめの信号変換部を有する信号処理手段と、前記座
標位置指令信号によって前記駆動装置紫、計測手段が常
に計測可能領域内で物体のまわ）を移動するように各軸
の座標位１ｔを指令する制御指令手段とを備えたもので
ある。

さらに補足すると、次のとおシである。

上記目的を達成するため、本発明では、検出センナと物
体との間の距離が常にある一定の範囲内と次るようＫ、
検出セ／すまたは物体、もしくは、検出センナと物体と
の両者を、複数の自由度を持つ駆動装置、すなわち複数
の駆動軸を具備する駆動装置に取付け、さらに当該７駆
動装置を、検出センナが常に計測範囲内、すなわち計測
可能領域内で物体のまわりｔ−移動するように、制御指
令手段により駆動制御するようにしたものである。

一方、この制御指令手段としては、物体の形状を点列の
状態で三次元の座標値として、ＮＯテープまたは７０ツ
ビーデスクに予め入力しておき、これを各軸の座標位置
指令信号に変換することにより、複数の駆動軸を具備す
る駆動装置を制御す・るか、または、検出センサ自身に
よって計測済みの各軸の座標値を基に１次に進むべき座
標位置を演算予測し、これにより、複数の駆動軸を具備
する駆動装置を制御するようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の各実施例を第１図ないしｉｇ５図を参照
して説明する。

ここに第１図は、本発明の一実施例に係る非接触式三次
元計測装置の構成図、第２図は、本発明の他の実施例に
係る非接触式三次元計測装置の構成図、第３図は、これ
らの装置の計測および駆動制御系のブロック図、＄４図
および第５図は、これら装置による実験結果を示す線図
であり、第１図および第２図において同等部は同一符号
で示している。そして、第１図は、物体と駆動ｉｔとが
別々に設置される場合、すなわち、４Ｅ体を固定し、計
測手段のみを駆動する実施例を示し、第２図は、物体が
駆動装置上に設置される場合、すなわち、物体と計測手
段との両者を駆動する実施例を示す。

ここでは５＄１図の実施例を主として説明する。

第１図において、ｌは物体、例えば水車ランナの羽根な
ど三次元自由曲ｐｉｔもり物体でろる。２は、複数の自
由度をもつ駆動装置で、矢印で示すＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の
直線移動、θ軸方向の回転およびζ軸方向の俯仰を行う
複数の駆動軸をもつものである。３ａおよび３ｂは駆動
装置２を直接制御するためのコントローラで、第１図に
示す実施例では、駆動装置のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を制
御する丸めのコントローラ３ａと、回転軸（θ軸）およ
び俯仰軸（ζ軸）を制御するためのコントロー２３ｂを
別々に設置しているが、これを一つにすることも可能で
るる。

また、４は計測手段に係る検出センナを示し、検出セン
ナ４は、第６図に示したようなレーザー光を使用した有
限の計測可能領域を有する検出器である。

６．７および８は、前記上／す４が常にろる一定の距離
で物体のまわりを移動するよう駆動装置２に指令信号を
与える制御指令手段と、検出センナ４によって計測され
た距離信号を必要な座標系の距離情報に変換し、かつ、
出力処理するための信号処理手段とを内蔵した、コンピ
ュータ、デスクドライバおよびフロッピーデスクを示す
。

次に、第１図および４３図を用いて計測手順を説明する
。

まず、制御指令手段として、物体１の形状を点列の状態
で三次元の座標値として入力手段に係るフロッピーデス
ク８に予め入力しておき、この入力ｔａ数の駆動軸の座
標位置指令信号に変換し、もって各軸の座標位置を指令
する場合について説明する。

計測を開始するに当り、まず駆動装置２と物体１との間
で座標系のリンケージを行う。ここに、座標系のリンケ
ージとは、物体１の座標系と、その設計値の座標系とを
一致させることである。

これは、いま、計測しようとする物体１の三次元の座標
系（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸）が、駆動装置ｚ側の複数の駆動方向
の軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ、θ、ζ軸）の座標値としてどこにあ
るかを定義するためのもので、設置された物体１のある
基準面上の数点を計測することにより行うことができる
。

この機能により、掬体ｘｆｅ任意の位置に設置して加工
する、いわゆるフリーセツティングが可能となる。

このように座標系のリンケージが完了すると。

次に、フロッピーデスク８に予め入力しておいた物体の
三次元点列データを、デスクドライバ７、インタフェイ
ス９？介してコンピュータ６に送る。

そこで、コンピュータ６に内蔵した制御指令手段により
、物体１の三次元点列データは駆動装置２の複数の駆動
軸の移動量として、物体１と検出センサ４との間の距離
が常にある一定の範囲となるｚうに演算変換され、イン
タフェイス１１、コントローラ３ａおよび３ｂを介して
駆動装置２に指令信号が伝達される。

ここで注目すべきことは、物体の三次元点列データは、
物体ｌの形状を定めるＸ、ＹおよびＺ軸の三次元座標値
であるが、制御指令手段においては、このデータにより
制御指令手段内部で物体１“の形状をモニターし、第３
図に示すように、駆動装置２に具備された干渉防止用近
接スイッチ１２等の作用で、物体１と検出センサー４が
干渉しないことを確認し、また各点における最適の回転
角（θ軸）および俯仰角（ζ軸）を演算して定めている
ことでるる。

駆ａ装置２においては、制御指令手段からの指令信号に
より、褒数の駆動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、ｚ軸。

θ軸およびζ軸）が指令値に一致するまで、指令信号の
フィードバック回路機能により移動する。

検出セ／す４により物体１との間の距離を計測し、計測
された距離信号は、信号増中器５、インタフェイスｌ（
ｌ介して信号処理手段を内蔵したコンピュータ６に伝達
される。

信号処理手段においては、駆動機構２の複数の駆動軸の
座標信号および検出センサ４からの計測信号を基に、計
測結果を物体の座標値として出力し、また、必要に厄じ
てム己憶する。

上述のように、検出センサ４と物体ｌとの間の距離は、
店にある一定の範囲である計測可能領域内で、検出セン
サ４が物体１のまわりｔ−移動し、物体ｌとの間の距離
を計測することができる。

発明者らは、上述の手順に従って実験を行い、ｓ４図に
示す結果を得た。

第４図は、Ｘ、ｙ、ｚ軸による三次元座標系で示した実
験結果で、コンピュータ６からアウトプットされたもの
である。図中の実線は、フロッピーデスク８により予め
入力された物体の三次元形状を示しており、はぼその線
上にるる×印は実際の計測結果を示したもので良好な結
果であることがわかる。

次に、制御指令手段として、検出センサ４自身によって
計測済みの駆動装置２の複数の駆動軸の座標値を基に、
次に検出センサ４の進むべき゛座標位置を演算予測し、
もって、各駆動軸の座標位置ｆｔｍ令する場合について
ＩＮ５！明する。

計測を開始するに当り、前記手順と同様、まず駆動装置
２と物体ｌとの間で座標系のす／ケージを行う。次に、
検出セフｔ４により、物体１のるる計測面上の４１数点
（最少２点）を、駆動装置２を手動操作するかまたは、
この点のみは、概略座ｍａｔを人力することによる自動
操作によって計測し、計測した距離信号ｔｉｇ号増巾器
５、インタフェイス１０を介して制御指令手段を内蔵し
たコンピュータ６に伝達する。そこで、制御指令手段に
より、その計測データは、駆動装置２の複数の駆動軸の
座標値として演算変換されるとともに、その計測データ
を基に、駆動装置２の複数の駆動軸の次に進むべき点は
、検出センサ４が計測可能領域内に入るようにコンピュ
ータ６に内蔵された演算部で演算予測され、インタ７エ
イス１１、コントローラ３ａお工び３ｂを介して駆動装
置２に司令信号として伝達される。

、駆動装ｄ２に２いては、制御指令手段からの指令１６
号により、複数の駆！ｊｈ軸（Ｘ軸、Ｙ軸、ｚ軸。

θ軸およびζ軸）が指令値に一致するまで、指令信号に
対するフィードバック回路機能により移動する。

ここで注目すべきことは、演算予測された指令信号に従
って駆動装置２の複数の駆動軸が移動し、検出センサ４
に工って物体１を計測したにもかかわらず、検出センサ
４が計測不能領域になり計測不能を生じた場合で、この
場合は、計測不能信号を制御指令手段にフィードバック
して、計測可能となるまで予測点を繰返し演算し捜し出
すことでｂる。

本手順は、噴出センサ４により物体１と検出セフｔ４と
の間の距離を計測し、その結果を基に各駆動軸の次に進
むべき点を演算予測する以外、これを信号処理するなど
については、前記方式と同様である。

このように、検出センサ４と物体ｌとの間の距離は、常
にるる一定の計測可能領域内で、検出センサ４が物体１
のまわり？移動し、物体ｌとの間の距離全計測すること
ができる。

発明者らは、上述の手順に従って実ｊＡを行い、第５図
に示す艮好な結果を得た。

第５図は、Ｘ、Ｙ二次元の線図で１図中ｘ印が実際の計
測結果を示すものでコンビエータ６がアウトプットした
ものである。この実験では予め設計データがないので演
算予測をして計測したものであり、この計測データから
設計データ？採取することができる。

上記実施例によれば、形状が既知の物体、すなわち三次
元の座標値のある切体のみならず、形状が未知の三次元
自由曲＠Ｊを有する物体についても非接触、かつ、自動
的に計測できるという効果がおる。

以上述べたところは、ｉｇ１図のように検出センサ４の
み７ｆ！：移動させるものであるが、第２図に示す実施
例は、物体１と検出センナ４の両方を駆動せしめるもの
である。

第２図において、物体１は、駆動装置２人のテーブルに
設置されＸ軸方向に移動し、検出センサ４は、駆動装［
ｔ２Ａに装着されて、Ｙ軸、Ｚ軸の直線運動、θ軸の回
転およびζ軸の俯仰運動の複数の軸方向の駆動がなされ
る。

そして、駆動装置２人による切体１および検出センサ４
を移動させるコントローラ３ａ、３ｂは、本実施例では
ひとつの装置に構成されている。

本実施例の場合も、４１図の実施例で述べたものと同様
の効果が期待される。

また、特に図示して説明しないが、物体のみを多次元に
駆動させて計測するように構成して同様の効果を期待す
ることも可能である。

なお、前記の実施例では、第１図および第２図に示す代
表的なｇ４ｈ装置、検出センナを説明したが、本発明は
、これらの形状、駆動機構、構造のものに限るものでな
く、同等の効果が期待される他の装置１手段の採用を妨
げるものではない。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、計測手段に係る検
出センナと物体との間の距ｍ’を常にらる一定の計測可
能領域内にあるように、検出センサまたは物体、もしく
は検出センナと物体との両者を駆動制御できるようにし
、これにより三次元自由曲面を有する物体を非接触の状
態で、かつ、自動的に計測しうる非接触式三次元計測装
置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、杢発明の一実施例に係る非接触式三次元計測
装置の構成図、第２図は１本発明の他の実施例に係る非
接触式三次元計測装置の構成図。 第３図は、これらの装置の計測および駆動制御系のブロ
ック図、第４図および第５図は、これら装置による実験
結果を示す５図、第６図は、検出センサの計測原理図で
める。 ｌ・・・切体、２，２Ａ・・・駆動装置、３ａ、３ｂ・
・・コントローラ、４・・・検出センサ、６・・・コン
ピュータ、内 〉発明者　大　島　　　勝　宏　日立市幸町３丁目１番
内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、三次元自由曲面を有する物体を、非接触の状態で当
   該物体と計測手段との間の距離を計測する計測手段と、
   当該計測手段と当該物体との間の距離が常にある一定の
   計測可能領域内にあるように当該計測手段または当該物
   体、もしくは当該計測手段と当該物体との両者を移動せ
   しめるために複数の駆動軸を具備する駆動装置と、物体
   の形状を点列の状態で三次元の座標値として入力する入
   力手段と、その入力を前記駆動装置の複数の駆動軸の座
   標位置指令信号に変換するとともに、前記計測手段によ
   つて計測された距離信号を座標系の距離情報に変換して
   出力処理するための信号変換部を有する信号処理手段と
   、前記座標位置指令信号によつて前記駆動装置を、計測
   手段が常に計測可能領域内で物体のまわりを移動するよ
   うに各軸の座標位置を指令する制御指令手段とを備えた
   ことを特徴とする非接触式三次元計測装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、計測手
   段は、レーザー光を使用した有限の計測可能領域を有す
   る検出器を用いたものである非接触式三次元計測装置。 ３、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、信号処
   理手段は、ある任意の時点において複数の駆動軸の次に
   進むべきそれぞれの座標位置を、その任意時点までに計
   測手段によつて計測ずみの各軸の座標値を基に演算予測
   しうる演算部を備えたものとし、演算予測に従つて各軸
   の座標位置を制御指令手段によつて指令するように構成
   したものである非接触式三次元計測装置。