JPS6186606A

JPS6186606A - 非接触形状測定方法

Info

Publication number: JPS6186606A
Application number: JP59208244A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Takagi; 勇輔高木; Yoshio Kojima; 小島　吉夫; Kazuo Moriguchi; 森口　一夫; Tsunehiko Takakusaki; 高草木　常彦
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-10-05
Filing date: 1984-10-05
Publication date: 1986-05-02
Also published as: EP0177038A1; US4721388A

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〕本発明はレーザ元号光を用いた光点検出センサにより物
体形状を測定する測定方法に係わり、特に物体の加工誤
差全市単に測定できる非接触形状測定方法に関する。

近時、オプト・エレクト”ロニクスの急激な発展に伴い
、物体形状の測定にレーザ光等を利用した光点検出セン
サを柑いた装置が開発埒ｎている。

例えば、センサ技術、１９８３年２月号の”光点検出セ
ンサによる物体形状の６ｉｉ足２にも、その−例が論じ
られている。

この楢の計測装置は、物体の加工後の形状を測定し、設
計した形状と比較することによってカロエ誤差を議論す
るために用いられることが多い。この比較を行うにらた
っては、物体の設計値が存在する物体座伸系と、測定装
置のもつ測定座標系との相対的位置関係を、前もって把
握しておく必斐がりる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、この両座標系間の相対的位置関係を求
め、その結果を用いて簡単かつ自動的に被測定物体の加
工誤差を両足しようとするものである。

〔発明の概要〕

本発明は、上記の目的を達成するため、光点横比センサ
のもつ距離測定の機能だけでなく、物体表面に光点を照
射できる機能をも有効に利用して、両座標系ＩＵ１の相
対的位置関係を把握すると共に、加工誤差を演算によシ
自動的に求めるようにしたものである。

１１４１１ち、その％微とするところは、測定装置を光
を用いて非接触で被測定物体との距離を測定する光点検
出センサと、この光点検出センサの照射角度を変化させ
る角度変化機構と、前記角度変化機構を取付けて光点検
出セ／すを３次元的に駆動する３次元１ｉＡ動機構と、
光点検出センサによる距離の測定値と３次元駆動機構の
駆動諷及び光点検出センサの照射角度とを入力して演算
すると共に、これらの動きを制御する演算制御装置とで
構成し、この測定装置で被測定物体の形状を測定する測
定方法において、被測定物体の形状を規定する物体座標
系と測定装置の動きを規定する測定座標系との関係につ
いて被測定物体上に物体座標系での座標値が既知である
１点ないしは複数点の基準点を設け、この基漁点を光点
検出センサの光点が照射するように駆動して基準点の測
定座標系での座標値を求め、しかる後、この座標値と前
記物体座標系に対する座標値とを用いて両座標系間の相
対的位置関係を演算制御装置により求め、この求めた値
とあらかじめ入力しておいた基準値とを比較して被測定
物体の加工誤差を求めて々る非接触形状測定方法にある
。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。第１
図はその全体構成を示したものでお）、固定具１に＆置
された被測定物体２に相対して、レーザ光を利用した光
点検出センサ３が配置され、この光点検出センｆ３は角
度変化機構４を介して３次元駆動機構５の取付部６に結
合されている。

この取付部６はモータ７により図中のＹ軸（左右）方向
に駆動可能に構成されてム゛る。また、光点検出センサ
３の図中の２軸（上下）方向の駆動は、モータ８に結合
された縦送りねじ９とアーム１０に滑合きれたギアボッ
クス１１とにより行われる。

きらに、光点検出セ／す３のＸａ（紙面に画面ン方向の
駆動は、基台］２にａ置された３次元駆動機構全体を、
モータ１３により行う構造となっている。したがって、
光点恨出セ／す３は、被測定物体２の周りで３次元的（
Ｘ、　Ｙ、　Ｚ４ｔｔ１方向）に移動可ｎヒであると共
に、角度変化機構４にょυ、破測定￥２１坏２の形状に
応じて、図中の破線の矢印で示し′ｆｃ照射光の巨財角
度を変更できるようになってい、り。

仄いで、第２しｌ＋−１光点検出センサ３の概略構造を
示したものである。レーザ光は、光源２１より射出され
、照射レンズ２２を通って照射光軸上を進み、被測定物
体２の表面上のＰ点に光点を結ぶ。

Ｐ点からの反射光は、照射光軸と一足の角度をなす受光
光軸上に配置された集光レンズ２３により集光され、受
光器２４により検出される。距離測定の原理は、被測定
物体２と光点検出センサ３との距！？ｌＩＬがＬｌ。あ
るいはＬ□８のように変化すると、受光器２４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。

このように、光点検出センサ３は、物体との距離を測定
する機能をもつばかりでなく、物体表面に光点を照射す
る機能を有することがわかる。

次に、第３図によシ、物体形状の測定方法について説明
する。光点検出センサ３の照射元軸（破線の矢印）は、
角度変化機構４のモニタ３１によリＳ１ｓ＋ｓ＋ｔわり
に回転可能となっている。一方、゛１度変化機構４／”
１３次元駆動機構５への取付けは、フランジ状の取付部
６を結合することにより行われるが、これら各構成部品
は図示のＴ軸上に配置されている。なお、上述のＳ軸及
びＴ軸は、それぞれ３次元駆動機構５のＺ軸及びＴ軸に
平行に設定されている。

上述のように構成された本実施例においては、仮測定物
体２の形状は、３次元駆動機構５の駆動位置、角度変化
機構４の回転角度及び光点検出センサ３の距離の測定値
の３要素により測定される。

すなわち、３次元駆動機括５の駆動位置、を示すＴ軸と
Ｓ軸の交点Ｎの座標を（ＸＮ　、　Ｙｓ　、　ＺＮ　）
。

Ｎ点と照射究明１との距離をｔｌ、角度変化機構４の回
転角度をθ、また光点検出センサ３の距離の測定値をＬ
とすると、被測定物体２表面の光点Ｐの座昏（Ｘｐ　、
　Ｙｐ　、　Ｚｐ　）は、次式により求めることができ
る。

したがって、光点検出センサ３を物体層シに鹿勤しなが
ら、必要な間隔で光点Ｐの圧椴を演算制伺装ｆｉ（図示
せず）により（１）式を用いて求めれば、物体形状はこ
れら光点の座標の集合として測定できることがわかる。

さて、こうして得られた形状−１−夕は、３次元駆動機
構５の動きを規定する測定座標系（図示のｏ−ＸＹＺ）
に対するものである。一方、機械加工物等の場合は、物
体の形状は独自の物体座標系（図示のＱ−ｘｙｚ）に対
して規定されている。

したがって、物体形状を測定し、それが設計値どうりに
加工されているか全チェックするためには、上記２つの
座標系の間の相対的位置関係を求め（座標系のリンケー
ジをとり）、一方の座標系の値を他方の座標系の（［ｊ
に変換して、同じ座標系の値同志で比較する必要がある
。

本発明による装置では、この座標系のリンケージを以下
に示す手順で行うようにしている。

（１）　　′４測定物体２上に、物体座標系での座標値
が既知である基準点を１〜３個設定する。

（２）　　これらの基準点の測定座標系における座標値
を測定する。具体的には、３次元駆動機構５及び角度変
化機０！４を駆動して、光点検出センサ３の光点がこれ
ら基準点を照射するようにすればよい。

（３）各基準点に対するこれら両座標系における座り：
領を演其制御装置（図示せず）に入力し、両座標糸の相
対的位ＩＩＬ関係を演りにより求める。

以下、示準焦の数が１〜３点の場合一対し、具体的なリ
ンケージ方法を、図を引用しながら説明する。先ず、第
４図は物体座体系０−ｘｙｚの各座標軸が、ｔｆｉｌｌ
定座体系０−ＸＹＺの各座標軸と平行になるように肢定
でれているので、唯一の基助点Ａのみを必振とする場合
を示す。この場合、両とｉ桿糸の間には並進量をｒ　（
ａ、ｂ、ｃ）とすると、ＰＬ砦＾快マトリクスを用いて
、以下の関係式が既立する。

ｉｘｌ　　、’１００ａ’　ｉｘ’１ここで、８測定′ｌＯ体２上の任りの位ｉに設定された
が準焦Ａの物俸厘０λ糸でのん（４を（Ｘ＾。

）’ＡＴ　ＺＡ）、また九点恢出センサ３を照射して切
らオｔ７ｃＩ１１８弓足服似系での広椋を（Ｘ＾、Ｙム
。

ＺＡ）とする。これらの数値を（２）式に代入すれば、
未知数でおった並進量（ａ、ｂ、ｃ）が簡単に求まる。

すなわち、物体座標系と測定座標系の相対的位置関係が
、把握できることがわかる。

次いで、物体の設置のされ方として、物体座標系の１座
標軸のみが、対応する測定座標系の座標軸と平行で心り
、リンケージをとるのに相異なる２個の基準点が必要の
場合を考える。第５図には、このような例として、物体
座標系のＺ軸が測定座標系のＺ＠と平行でおり、ｘ、ｙ
軸が２軸まわりにα２だけ回転しているｉ合を示す。こ
の場合、物体座標系０−　ｘ’　ｙ’　ｚ’と測定座標
系０−ＸＹＺＯ間には、以下の関係式が成立する。

この（２）式において、未知数は並進Ｑ（ａ＋　ｂ＋Ｃ
）及び回転角α！の４＠であるので、す／ケージに必要
な基準点の数は１点のみでは不十分で、図示のようにＡ
、Ｂの２点が必要となる。これらＡ、１３点の物体座標
系における座標をそれぞれ（ＸＡ、　ｙＡ、Ｚｈ　）＋
　　（Ｘｓ　＋　Ｙｍ　＋　　”ｌ　）Ｘまた光点全照
射して得られる測定座標系での座標をそれぞれ（ＸＡ　
、ＹＡ、ＺＡ）、（Ｘ農、Ｙ、。

（ノフＺｎｌとすれば、（９）式よυ計６個の関係式が得られ
るので、これらを連立して解けば４個の未知数の１１へ
かＡ＜する。すガわち、物体座（票系と測定座標系の相
対位置関係が把握できることがわかる。なお、−組の平
行な軸が２軸と２軸以外のＳ台でも、同様な方法を用い
てり／ケージをとることができる。

さらに、物体座標系と測定座標系のどの軸も平行でなで
、リンケージをとるのに同一直線上にない相！′４なる
３点の基準点が必披な場合を考える。

第６図はこの場合を示したものであるが、物体座標系０
−ｘｙｚのどの座標軸も、測定座標系０−ＸＹＺの座樟
軸と平行ではない。この場合、基準点が３個必要となる
理由は、図示の２つの基準点Ａ、Ｈのみでは、被測定物
体２の姿勢が一義的に決甘らないためである。すなわち
、基助点が２点のみであると被測定物体２ｉ”ｊ、基準
点Ａ、Ｂを通る図示のｔ軸まわりで回転が許容されてし
まう。これを避けるために１−１、図示のようにｔ軸上
に無い第３の基糸点Ｃを追加し、被測定物体２の位置及
び姿勢を一義的に決めなくてはいけない。なお、この場
せにも、これらに、Ｂ、Ｃの基１１１点の物体座標系に
対する彫件値（ＸＡ、ｙＡＩ”Ａ）＋（Ｘｅ＋　　Ｙｍ
＋　ｚＢ）、（Ｘｃ、Ｙｃ、ｚｃ　ｌｌ”ｉ、前もって
求まっている必戦かあり、また測定座標系に対する各基
糸点の座標値（ＸＡ、ＹＡ、Ｚ−９（Ｘｉ、Ｙｍ、　ｚ
＋＋　）、（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ　）は、光点検出センサ
３の光点全これら基準点に照射して得られる測定値であ
る。これらの各座標１直を用いて演算することにより、
両座標系の相対位置関係、すなわち並進遣（ａ、ｂ、ｃ
）及び両座υ系の各相の方向を把握できることがわかる
。

次に、上述のように物体座標系と測定座標系の相対位置
関係が把握された後に、漬ｐ制御装置を用いて加工誤差
を演算により求める方法について、第５トｊを例にとり
説明する。

ＩＱ＋図において、Ｐ点の物体座標系０−　ｘ’　ｙ’
　ｚ’に対する設計値ｔ　（ｘ／、　、　Ｙ’ｐ　、　
ｚ／、　）とする。これらヲ（乞式へ代入すれば、Ｐ点
の座標は下式のように測定座標系に変換される。ここに
、ａ、ｂ。

Ｃ及びαｚｉ’ｌＬ、既に座標系のリンケージによって
Ｚぬられている値でろる。

Ｘ　ｐ　＝Ｃｎ５αＺＸ’Ｐ−ＳｌｌｌαＺＹ’ｐ　　
　＋ａ　　＞１’　ｐ　＝ｓ＋ｎαｚ　Ｘ’ｐ＋Ｃ０５
（Ｉｚ　ｙ’ｐ　　　＋ｂ　　　・＝−・（４）Ｚｐ＝
　　　　　　　ｚ／、−１−Ｃラ一方、Ｐ点を実際に測
定して得られた座標を、測定座標系で（ＸＰＩ　、　Ｙ
ＰＩ　、　ＺＰ！　）　　とすると、測定座標系におけ
る誤差（ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ）は下式により求められる。

１よλ もし、物体が設計値通りカロエされていれば、（４）式
の（ΔＸ、ΔＹ、Δ２）はそｎぞれ０となり、また加工
が設計値通りでなければ、（ΔＸ、ΔＹ。

Δ２）はそれぞれＯ以外の値をとる。

（４）ｔｆ）政及び（イ）のＴＪ１算式を１演５↓らり御装立に予じ
めプログラミングしておき、その結果を出力させれば、
下式に示すように設計点と測定点の距離ΔＬを用いて行
うことも可能である。

Δ　ｔ　＝、’（ΔＸ）２＋（ΔＹ）２＋（ΔＺ）２　
　　　　　　・・・・・・　　−６ノ〔発明の効果〕本発明によれば、被測定物体の形状を規定した物体座標
系と、測定鏡面の動きを規定した測定座標系との相対的
位置関係が求まり、その結果を用いてｌ￥１］単かつ自
動的に被ニ１」足物体の加工誤差をがり定することめ：
できる。

１面の１ｍ単な説明第１図は形状測定装置の全体構成図、第２図１１光点検
出センサの構造図、第３図は形状測定の原理を示す匝明
図、第４０は基糸点が１点の場合の不発明の実施例を示
す説明図、第５図は基進点−Ｄ：２点の場合の本発明の
実施例を示す説明図、第６（≦］は２＋”；　ｙ”一点
か３点の揚台の本発明の実施例を示す説明図である。

１・・・固驚具、２・・・板測定物体、３・・・光点検
出センサ、４・・・角度変化機構、５・・・３次元駆動
機構、６・・・取り付は部、７・・・モータ、８・・・
モータ、９・・・０迭りねじ、１０・・・アーム、１１
・・・ギアボックス、１２・・・ゼ、５台、１３・・・
モータ、２１・・・光源、２２・・・服、躬レンズ、２
３・・・集光レンズ、２４・・・受光器、χ１（２１￥３０葛４０第５０

Claims

【特許請求の範囲】

１、測定装置を光を用いて非接触で被測定物体との距離
を測定する光点検出センサと、この光点検出センサの照
射角度を変化させる角度変化機構と、前記角度変化機構
を取付けて光点検出センサを３次元的に駆動する３次元
駆動機構と、光点検出センサによる距離の測定値と３次
元駆動機構の駆動量及び光点検出センサの照射角度とを
入力して演算すると共に、これらの動きを制御する演算
制御装置とで構成し、この測定装置で被測定物体の形状
を測定する測定方法において、被測定物体の形状を規定
する物体座標系と測定装置の動きを規定する測定座標系
との関係について被測定物体上に物体座標系での座標値
が既知である１点ないしは複数点の基準点を設け、この
基準点を光点検出センサの光点が照射するように駆動し
て基準点の測定座標系での座標値を求め、しかる後、こ
の座標値と前記物体座標系に対する座標値とを用いて両
座標系間の相対的位置関係を演算制御装置により求め、
この求めた値とあらかじめ入力しておいた基準値とを比
較して被測定物体の加工誤差を求めてなることを特徴と
する非接触形状測定方法。