JPS628007A - 非接触センサによる断面形状の自動測定方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明はレーザ光等を用いた光センサによシ非接触で物
体形状を測定する方法に係シ、特に、指　　　　　　１
定した断面の輪郭形状を自動測定する方法に関する。

〔発明の背景〕

オプト・エレクトロニクスの目覚しい発展に伴い、物体
形状の測定にレーザ光等を利用した非接触光センサを利
用した装置が開発されている。例えば、センサ技術１９
８３年２月号の１光点検出センサによる物体形状の測定
”にもその−例が記載されている。　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　１、この種の測定装
置では、予め指定された断面、例えば、平面としては水
平ないし垂直面と任意の傾きをなす断面、また、曲面と
しては円筒断面等、の物体の形状を測定するために用い
られることが多い。しかし、この指定断面に対してセン
サの位置及び光軸の向きを適切に設定しない場合には、
測定点が所期の断面から外れてしまうという問題があっ
た。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、指定断面の輪郭形状を自動測定できる
方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、測定点が指定断面を外れるのは、センサの光
軸が指定断面とある角度をなして交わっている場合に起
こり易いことを考慮し、センサの位置及び光軸の向きを
変化させる機構を一定の関係式が成立するように駆動制
御して、光軸全自動的に指定断面内に拘束させるように
したものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を引用しながら説明する。

先ず、第２図は、測定装置の全体構成を示す。三次元駆
動機構１のＸ方向移動部上に載置された物体２に相対し
て、レーザ光等を利用した光センサ３が配置され、この
先センサ３はＳＷ（振り）軸及びＢＤ（曲げ）軸の二自
由度をもつ角度変化機構４を介して三次元駆動機構１の
２方向移動部に取シ付けられている。また、この２方向
移動部自身は、三次元駆動機構１のｙ軸方向移動部上に
載置されている。従って、光センサ３は、物体２の周シ
で図中のＮで示したセンサの位置を三次元的（ｘ＋７ｔ
”軸方向）に移動可能であり、図中の破線の矢印で示し
た光軸の向きを、物体２の形状に応じて任意の方向に変
化させることができる。

第３図は光センサ３の概略構造を示す。光源１１よシ噴
出されたレーザ光は照射レンズ１２を通って照射光軸上
を進み、物体２の表面の点ｒに光点管結ぶ。点Ｐからの
反射光は、照射光軸と一定の角［１−なす受光光軸上に
配置された集光レンズ１３によシ集光され、受光器１４
によシ検出される。距離測定の原理は、物体２と光セン
サ３との距離ｔが変化すると、受光器１４上の受光位置
が変化するので、この変化を電気的に検出することによ
っている。なお、本センサでは照射光軸上の図中のｌ　
ｍ　ｉ　ｎ〜ｔｍａＸ間の距離を測定可能である。なお
、物体の法線と照射光軸とのなす角度にツイテも、一定
の測定可能範囲がある。

次に、第４図及び第２図によシ、物体形状の測定方法に
ついて説明する。光センサ３の照射光軸の向き（第４図
の太い破線の矢印）は、角度変化機構４によシ鉛直軸（
図中のＳＷ軸）周シに回転可能であシ、水平軸（図中の
ＢＤ軸）周シにも回転可能となっている。本実施例では
、光センサ３の照射光軸上でこれら８Ｗ及びＢＤ軸が交
点Ｎｅもつように構成されている。また、測定機の座標
系０−　ｘ　ｙ　ｚに対し、ＳＷ軸はｚ軸と平行、ＢＤ
軸はｚ軸と垂直な断面内に設定されている。さらに、Ｓ
Ｗ軸及びＢＤ軸の回転角度θ、Ｖ及びθｂ４は、照射光
軸がｙ方向を向いた場合をそれぞれ０度と定義している
。

本実施例では、物体２の表面の照射点Ｐの座標（”Ｐ＊
’／ｐ、　ｚｐ　）は、センサ位置を示す交点Ｎの測定
座標系の座標（ｘＮ　＊　３’）ｉ　＋　”Ｎ　）　、
また光センサによる距離の測定値１ｔ−用いて、次式で
書き表わされる。

従って、物体２の周シで、演算制御装置（図示せず）に
よシ光センサの位置と光軸の向きを駆動制御しながら、
必要な間隔で光点Ｐの座標ｔ−（１）式によシ求めれば
、物体形状はこれら光点の座標の集合として測定できる
。

次に１本発明による指定断面の輪郭形状の自動測定方法
を説明する。本発明が基本とすることは、指定断面の形
状を測定するにあたシ、先ず、光センサの光軸が指定断
面内となるための光センサの位置と光軸の向きとの関係
を演算し、次いで、本関係が成立するように三次元駆動
機構と角度変化機構とを駆動制御し、この状態で光セン
サによシ距離測定を行なって、（１）式によシ測定点の
座標を計算する点にある。また、これらの演算、駆動制
御及び距離測定等は、全て演算制御装置によシ行なうの
で、指定断面の形状を自動的に測定することができる。

先ず、第５図は本発明による物体２の水平断面の形状の
測定方法を示す。この場合、求める水平断面２０の方程
式は、測定機座標系に対して並進量（ａ＊　ｂｅ　Ｃ）
だけ平行移動した座標系０−ＸＹＺに対して、一般に、
Ｚ＝Ｚｃと書き表わせる。

従りて、光センサの位置Ｎ　（ＸＮＩ　）’ＮＩ　ＺＮ
　）及び光軸の向きθｓｖ、θｂ４について、以下の関
係式を満足させる必要がある。

なお、残るＸＮ、　）’Ｎ及びθ、、は、測定点の更新
の度に、光センサの距離及び角度の測定可能範囲を満足
する適切な値に設定する。

次いで、第６図及び第７図は、物体２の鉛直断面のうち
、それぞれ測定機座標系のＸ軸及びｙ軸に垂直な断面２
１及び２２の形状の測定方法を示す。これら各＃？面の
方程式は、それぞれＸ”Ｘｃ　　及び　Ｙ　＝　Ｙｃ　
　　　　　　　（８）と書き表わせる。従って、第６図
及び第７図の場合に対し、光センサの位置及び光軸の向
きをそれぞれ次式のように設定する必要がある。

（４）　、　（５）式で、残るＹＮ＋ｚＮ＋θｂｄ　　
及びＸＮ、ＺＮ。

０Ｍの値は、測定点の更新の度に光センサの測定可能範
囲を満足する適切な値に設定する。

これらの実施例にみるように、本発明によれば、光軸が
常゛に指定断面内に拘束されるので、得られる測定点は
必ず指定断面内となる。また、これらの制御は自動的に
行なわれるので、測定機座標系のいずれかの軸に垂直な
断面の形状の測定を、自動的に行なうことができる。

次に、さらに一般的な場合、すなわち、指定断面が測定
機座標系の一つの軸と平行で、かつ、この軸周シに回転
している場合を考える。第１図は、このような例として
、指定断面２３が測定機座標系のＸ軸に平行で、かつ、
Ｘ軸（Ｘ／　Ｘ　）周シにＡ８だけ回転した平面の場合
を示す。この場合、指定断面２３の方程式は、回転後の
座標系を０−ｘ／　ｙ／　ｚ／とすれば、一般に、下式
で書き表わせる。

ｚ’　＝　Ｚ’ｃ　　　　　　　　　　　　　　　（６
）一方、０−ｘｙｚとｏ−ｘ’ｙ’ｚ’との間には、座
標変更マトリクスを用いて以下の関係が成立する。

本式から、Ｚ’　？測定機座標系の値で表わすと、Ｚ’
＝（Ｚ　Ｃ）　Ｃ０８ＡＸ　　（）’　　ｂ）　８１ｎ
Ａｘ　　　　　（８）を得る。従って、式（８）と式（
６）とから、センサ位置Ｎ　（ＸＮ、ＹＮ、　Ｚｓ）を
断面２３内に拘束するためには、以下の関係式を満足さ
せればよいことがわかる。

（ＺＮ　　Ｃ）ＣＯ８ＡＸ　　（ｙＮ−ｂ）ＳｉｎＡＩ
＝Ｚ’Ｃ−（９）次に、この場合の光軸の向きが満すべ
き関係式を求める。第８図は、第１図のセンサの位置Ｎ
ｔ−座標系ｏ−ｘ’ｙ’ｚ’の原点０に平行移動したも
のである。ベクトルＯＰが、指定断面２３と平行な断面
内にあるためには、 Ｚ’　”　Ｚ　Ｃ０５ＡＸ　　Ｙ　’　１ｎｋｘ　＝　
Ｏ（１０）一方、第８図より以下の関係式が成立する。

式α０）及び（１１）よシ、光軸を指定断面２３内に拘
束するには、ＳＷ軸及びＢＤ軸の回転角度θ、Ｗ及びθ
ｂ−との間に、 Ｃ０８ＡＸ　５ｉｎ１９４４−ｓｉｎＡｚｃｏｓ９．、
　ｃｏｓθｈ　ａ　＝　Ｏ（１２）すなわち、測定機座
標系のＸ軸に平行、かつ、ｘＭＫ平行な軸まわシにＡｘ
だけ回転した指定断面の形状を求めるには、光センサの
位置及び光軸の向きを、それぞれ式（９）及び（１２）
の関係式を満足するように設定すればよい。

同様にすれば、ｙ軸に平行で、かつ、ｙ軸に平行な軸ま
わシにＡ丁だけ回転した指定断面の形状を求めるために
は、光センサの位置及び光軸の向きは、それぞれ以下の
関係式で設定すればよいことがわかる。

（ｚＮ−Ｃ）　Ｃ０３Ａｙ　＋　（ＸＮ−ａ）ｓｉｎＡ
ｙ＝Ｚ’ｃ　−（１３）ｃｏｓＡＹｓｉｎθｂ４−ｓｉ
ｎＡｙｓｉｎθ、、ｃｏｓθｂ　ａ　＝　Ｏ（１４）次
いで、第９図は測定機座標系の２軸に平行、かつ、Ｚ軸
に平行な軸周りにＡｚだけ回転した指定断面の形状を求
める場合について説明したものである。この場合の光セ
ンサの位置Ｎ　（Ｘ　Ｎ　＊　）’Ｎ　＋ＺＮ）　は、
同様な計算により次の関係式で設定すればよいことがわ
かる。

（ＹＮ−ｂ）ｃｏｓＡｚ　　（ＸＮ−ａ）ｓｉｎＡｚ＝
Ｙ’ｃ　　　（１５）一方、光軸を指定断面２４内に拘
束するためには、図より明らかなように回転角度θ１ｗ
は、次式で設定する必要がある。

θ−ｖ　＝”　Ａ　ｚ□μｓ） なお、式（１５）、　（１６）中に出てこないＺＮ及び
θｂｄの値は、測定点の更新の都度、光センサの距離及
び測定表面の法線に対する角度の測定可能範囲を満足す
る適切な値に設定すればよい。

これらの実施例では光軸は常に指定断面内に拘束される
ので、測定点は必ず指定断面内となる。

また、これらの制御は演算制御装置によシ自動的に行な
われるので、形状測定を自動的に行なえる。

さらに、測定機座標系のいずれかの軸に平行に軸周りで
回転した断面を、測定断面として指定できるので、第５
図ないし第７図で説明した例よりもより一般的な測定が
できる。

本発明は、これらの実施例にのみその適用を限定される
ものではもちろんないが、例えば、角度変化機構の自由
度は、本実施例の二軸に限定されるものでなく、物体の
形状に対応三軸とすることも可能である。

また、指定断面が測定機座標系のいずれの軸とも平行で
ない場合についても、センサ位置及び光軸の向きを設定
する関係式は複雑とはなるが、本発明の光軸を指定断面
に拘束する方法が適用可能である。

さらに、実施例では断面が全て平面の場合について記述
したが、直線の集合により形成される円筒断面、双曲線
断面、他の各穐断面の場合にも適用可能であることはい
うまでもない。

これらの実施例では、光センサの光軸を指定断面内に拘
束するにあたり、光センサを最低二自由度の角度変化機
構を介して三次元駆動機構に取り付ける構造を例に取っ
て説明した。しかし、光軸と物体との関係は相対的なも
のであり、光センサの光軸は固定したまま物体を最低二
自由度の角度変化機構を介して、三次元駆動機構に取シ
付ける構造等も可能である。この構造では、断面形状の
測定に関する既述の実施例と同等の効果に加えて、三次
元駆動機構の移動量を半減できるという効果を期待でき
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、センサの位置及び光軸の向きを一定の
関係式により設定して、光軸を常に指定断面内に拘束す
るので、所期の断面の輪郭形状を自動的に測定すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の説明図、第２図は形状測定
装置の全体構成図、第３図は光センサの構造図、第４図
は形状測定の原理の説明図、第５図は水平断面の一実施
例の説明図、第６図及び第７図はそれぞれ垂直断面の実
施例の説明図、第８図は光軸の向きの説明図、第９図は
本発明の他の実施例の説明図である。 １・・・三次元駆動機構、２・・・物体、３・・・光セ
ンサ、４・・・角度変化機構、１１・・・光源、１２・
・・照射レン代理へ　弁理士　ｔＪｓ川局男 茅ｌ　固 第δ　口 茅２　目 第４　目 Ｎ（九す、ｃ） 茅　５　固 茅６　固 ギク目

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光を用いて物体との距離を測定する光センサと、前
   記光センサの光軸の向きを変化させる最低二自由度の角
   度変化機構と、前記光センサの位置を三次元的に変化さ
   せる三次元駆動機構と、前記光センサによる距離の測定
   値と前記光センサの前記光軸の向き及び前記光センサの
   位置とを入力して演算し、前記三次元駆動機構の動きを
   制御する演算制御装置とで構成し、この測定装置により
   予め指定された任意の断面に対する物体の形状を測定す
   る方法において、 前記演算制御装置を用いて前記光センサの前記光軸が前
   記指定断面内となるための前記光センサの位置と前記光
   軸の向きとの関係を演算し、本関係が成立するように三
   次元駆動機構と角度変化機構を駆動制御して指定断面に
   対する物体の形状を測定することを特徴とする非接触セ
   ンサによる断面形状の自動測定方法。