JP2009216504A - 寸法計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】多段径を有する回転体形状の被測定物を対象として、回転軸心に沿って径を連続的に高精度で自動計測でき、被測定物の種類毎に計測手順を制御装置に入力・教示する必要がなく、被測定物を計測位置に設置するだけで非接触で迅速に計測が完了し、作業者の負担を著しく軽減し得る寸法計測システムを提供する。
【解決手段】一軸ロボット１により上下方向に駆動する昇降枠２に、水平方向に幅を持つＬＥＤの平行光Ｒを投射する投光部３と、ライン状の受光素子４ａを備えた受光部４とが水平方向に対向して取り付けられ、平行光Ｒの通過域に多段径を有する回転体形状の被測定物Ｗを垂直に設置し、昇降枠２を連続的に移動させながら平行光Ｒを被測定物Ｗに照射することにより、受光部４において被測定物Ｗによる陰影Ｓの境界位置を検出し、検出データに基づいて被測定物Ｗの径を連続的に計測する。
【選択図】図１

Description

本発明は、多段径を有する丸軸状や円筒状等の回転体形状の被測定物を対象として、その回転軸心に沿う径を連続的に自動計測する寸法計測システムに関する。

従来、例えばプレス用パンチのような多段径を有する丸軸状や円筒状等の被測定物について、その寸法誤差が製品としての許容範囲に入るか否かを判定するために、径や長さをμｍ単位の高精度で計測する場合、専ら熟練の作業者がマイクロメーターを用いて手作業で行っていた。しかるに、このような計測作業には高度の技量が求められるため、適任の作業者を育成するのに長期間を要する上、作業者によって計測値にバラツキが生じるといった課題があった。また、計測に高度の技量を要しても、行うこと自体は単純作業の反復になるため、作業者に多大な精神的苦痛を与えるという問題もあった。

そこで、近年においては、ロボット等を利用した寸法計測の自動化が種々検討されているが、特に多品種で少量ロットの被測定物を対象とした場合、各品種毎に異なるサイズ及び形態に対応した計測手順を策定し、その計測手順を制御装置に入力・教示するのに多大な手間を要するため、作業能率と経済性の面で実現が困難であった。

本発明は、上述の情況に鑑み、特に多段径を有する回転体形状の被測定物を対象として、その回転軸心に沿う径を連続的に高精度で自動計測でき、且つ被測定物の種類毎に計測手順を制御装置に入力・教示する必要がない上、被測定物を計測位置に設置するだけで非接触で迅速に計測が完了し、作業者の負担を著しく軽減し得る寸法計測システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するための手段を図面の参照符号を付して示せば、本発明の請求項１に係る寸法計測システムは、一軸ロボット１により上下方向に数値制御駆動する昇降枠２に、水平方向に幅を持つＬＥＤ（Light Emitting Diode）の平行光Ｒを投射する投光部３と、この平行光Ｒを受光するライン状の受光素子４ａを備えた受光部４とが水平方向に対向して取り付けられ、前記平行光Ｒの通過域に回転体形状の被測定物Ｗを回転軸心方向が垂直になるように設置し、前記昇降枠２を連続的に移動させながら前記平行光Ｒを被測定物Ｗに照射することにより、受光部４において被測定物Ｗによる陰影Ｓの境界位置を検出し、この検出データに基づいて被測定物Ｗの径を計測することを特徴としている。

請求項２の発明は、上記請求項１の寸法計測システムにおいて、被測定物Ｗが多段径（Ｄ１〜Ｄｎ）を有する構成としている。

請求項３の発明は、上記請求項１又は２の寸法計測システムにおいて、被測定物Ｗが水平面上で回転軸心方向を垂直にして自立し得る形態を備え、該被測定物Ｗを計測位置（計測テーブル８上）に直立載置して前記計測を行う構成としている。

請求項４の発明は、上記請求項１〜３のいずれかの寸法計測システムにおいて、一軸ロボット１の頂端近傍に、下向きにレーザ光Ｌを出射し、その反射光によって反射面までの距離を測定するレーザ距離センサー６が付設され、被測定物Ｗの頂部で該レーザ光Ｌを反射させることより、前記径の計測に加えて、反射面までの距離から被測定物Ｗの軸方向長さを計測する構成としている。

請求項５の発明は、上記請求項４の寸法計測システムにおいて、被測定物Ｗが非平面状の頂部Ｗａを有し、この被測定物Ｗの頂部Ｗａに、水平な頂面７ａを備えて頂部肉厚が既知の計測補助キャップ７を被せ、該計測補助キャップ７の頂面７ａで前記レーザ光Ｌを反射させることによって当該被測定物Ｗの軸方向長さを計測する構成としている。

請求項６の発明は、上記請求項４の寸法計測システムにおいて、計測位置に、水平姿勢を維持しつつ垂直ガイド（ガイドピン１１…）に沿って昇降自在で厚さが既知の補助計測板１３を備えた計測補助器１０を配置し、その補助計測板１３を前記昇降枠２に設けた受け具１４によって上位で支承すると共に、該補助計測板１３の下方に非平面状の頂部Ｗａを有する被測定物Ｗを設置し、計測に際して昇降枠２を下降させることにより、該補助計測板１３を自重によって垂直ガイドに沿って下降させ、水平姿勢を保持しながら前記受け具１４から被測定物Ｗの頂部Ｗａに移載し、該補助計測板１３の上面で前記レーザ光Ｌを反射させることによって当該被測定物Ｗの軸方向長さを計測する構成としている。

本発明の効果について図面の参照符号を付して示せば、請求項１の寸法計測システムにでは、被測定物Ｗを回転軸心方向が垂直になるように計測位置に設置して計測を開始すれば、自動的に昇降枠２が連続的に昇降しつつＬＥＤの平行光Ｒを該被測定物Ｗに照射し、受光部４において被測定物Ｗによる陰影Ｓの境界位置が明暗差から検出され、この検出データに基づく演算処理で被測定物Ｗの径が計測される。従って、熟練を要さずに高能率で高精度の計測を行える上、計測手順を予め策定してコンピュターに入力・教示する必要がないから、特に多品種で少量ロットの被測定物Ｗを計測対象とする場合に、計測手順の策定とコンピュターへの入力・教示のための膨大な手間が不要となり、しかも被測定物Ｗは平行光Ｒの通過域に入るように設置すればよく、厳密な位置決めが不要であるから、作業者の負担が著しく軽減されることになる。

請求項２の発明によれば、多段径（Ｄ１〜Ｄｎ）を有する被測定物Ｗを対象として、その各段の径を連続的に高精度で容易に計測できる。

請求項３の発明によれば、被測定物Ｗが水平面上で回転軸心方向を垂直にして自立し得る形態を備えるから、該被測定物Ｗを計測位置に直立に載置するだけで前記計測を容易に行える。

請求項４の発明によれば、上記の寸法計測システムにおいて、被測定物Ｗの前記径の計測に加え、一軸ロボット１の頂端近傍に設けたレーザー距離センサー７により、被測定物Ｗの軸方向長さも同時に計測できる。

請求項５の発明によれば、被測定物Ｗが非平面状の頂部Ｗａを有する場合に、その頂部Ｗａに計測補助キャップ７を被せることにより、当該被測定物Ｗの頂端位置（軸心Ｏ）がレーザー距離センサー６のレーザ光Ｌの光軸から多少ずれていても、該計測補助キャップ９の水平頂面９ａにさえレーザ光Ｌが当たっておれば、支障なく該被測定物Ｗの軸方向長さを計測できる。

請求項６の発明によれば、被測定物Ｗが非平面状の頂部Ｗａを有する場合に、その頂部Ｗａに上方から下降させた計測補助板１３を載せることにより、当該被測定物Ｗの頂端位置（軸心Ｏ）がレーザー距離センサー６のレーザ光Ｌの光軸からずれていても、該計測補助板１３の上面でレーザ光Ｌが反射するため、支障なく該被測定物Ｗの軸方向長さを計測できる。

以下、本発明に係る寸法計測システムの実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。図１は本寸法計測システムに用いる計測装置の構成例、図２は本寸法計測システムによる径測定の原理、図３は本寸法計測システムによる計測状態、図４は計測値補正データを得るための多段径マスターワーク、図５は補正データの補間方法、図６は尖端状の頂部を有する被測定物の高さ計測方法、をそれぞれ示す。

図１において、１は上下移動用の一軸ロボット、２は該一軸ロボット１によって上下方向に数値制御駆動する昇降枠、３は該昇降枠２の正面視左側に取り付けられた投光部、４は同左側に取り付けられて投光部３と水平方向に対向配置した受光部、５は上面を水平に設定する定盤、６は該定盤５上の後部寄りに立設されて一軸ロボット１を垂直に保持する支持基枠、７は支持基枠６の頂端から前方突出するブラケット６１の前端に取り付けられたレーザー距離センサー、８は定盤５上に載置された縦円筒状の計測テーブル、Ｗは計測テーブル８上に直立させた多段径を有する丸軸状の被測定物である。

図２に示すように、投光部３は、ＬＥＤ発光素子３ａより出射されたＬＥＤ光を、コリメータレンズ３ｂによって水平方向に幅を持つ平行光Ｒに変換して投射するようになっている。一方、受光部４は、入射する平行光Ｒをテレセントリック光学系の如き受光レンズ系４ｂを通してＣＣＤ（電荷結合素子）の如きライン状の受光素子４ａの表面に結像させ、その光情報を該受光素子４ａによって電気信号に変換してコンピュターＣに入力するようになっている。しかして、図示のように、平行光Ｒの通過域に被測定物Ｗが存在することにより、該平行光Ｒの一部が遮断されて陰影Ｓを生じ、この陰影Ｓの両側の境界位置が明暗エッジとして検出されるから、その情報を含む電気信号に基づいてコンピュターＣで所要の演算処理が行われ、被測定物Ｗの径が高精度で計測されると共に各段における表示出力として最大値、中央値（段中央部の値）、平均値等の必要とする値が求められて表示装置Ｇに表示される。

因みに、このようなＬＥＤ投光部及びＣＣＤ受光部を備える寸法測定器の好適な市販品として、キーエンス社製のデジタル寸法測定器ＬＳ−７０００シリーズ（緑色ＬＥＤ使用）がある。なお、他の寸法測定器として、半導体レーザより出射されるレーザー光をモーターで回転するポリコンミラーに照射し、測定範囲をスキャンして受光素子に入力するレーザー光の明暗の時間差に基づいて外径等の寸法を計測する、レーザースキャン方式のものがあるが、高速・高精度の計測を行うにはモーター能力等より耐久性及び安定性に問題がある。

本発明の寸法計測システムでは、出射する平行光Ｒの幅方向が水平になる姿勢とした投光部３と受光部とを水平方向に対向配置した状態で、一軸ロボットを利用して上下方向に数値制御駆動するように設定する一方、定盤５上の計測テーブル８の上に、回転体形状の被測定物Ｗを回転軸心方向が垂直になるように設置することにより、昇降する投光部３から出射されるＬＥＤの平行光Ｒを該被測定物Ｗの下端から上端までの全長にわたって照射できるようにしている。

多段径（呼び径Ｄ１〜Ｄｎ）を有する被測定物Ｗの各段の径を細かく高精度で計測するには、昇降枠２を連続的に上方又は下方へ移動させながら、投光部３から出射されるＬＥＤの平行光Ｒを連続的に被測定物Ｗに照射し、その所定の短い時間間隔（通常は数１０ミリ秒）で計測値をコンピュターＣに取り込む。しかして、既述のように表示装置Ｇでは計測の目的に応じて格段の最大値、中央値、平均値等を表示するため、コンピュターＣにおいて計測値の演算を行うと共に多数の計測値から表示値を求める。

上記の計測中、平行光Ｒの照射位置が被測定物Ｗの異なる段部に移ったことを識別するには、例えば１段目の呼び径Ｄ１に属する第１番目の取り込み値ｄ１と次回以降の取り込み値ｄｎの差の絶対値が予め設定していた値Δｘ１を超えた時、照射位置が次の２段目の呼び径Ｄ２に属する領域に移行したものとする。その時の取り込み値ｄｎをｄ２とし、同様にｄ２と次回以降の取り込み値ｄｎの差が設定値Δｘ２を超えた時、２段目の領域から３段目の呼び径Ｄ３に属する領域に移行したものとし、以降同様にして次段の呼び径領域への移行を識別すればよい。なお、各段の呼び径間で極端な径差がない場合は、前記設定値を単一の値Δｘにしても支障なく上記同様の識別を行える。また、計測における昇降枠２の移動速度は、通常１〜２０ｍｍ／秒程度であるが、一定に限らず、被測定物Ｗの多段径の形状に応じて、例えば多段の径の移行部分がテーパー状をなす領域で低速にする等、適宜変更してもよい。

なお、この計測においては、被測定物Ｗを平行光Ｒの通過域に入るように設置すればよく、厳密な位置決めが不要であるから、作業者の負担が著しく軽減される。しかして、計測対象の被測定物Ｗとしては、図１，図３で例示した多段径を有するものに限らず、回転体形状であればよいが、特にその回転軸心方向を垂直にして自立し得る形態であれば、計測位置の水平面上に単に直立させて置くだけで済むから、より操作が楽になる。ただし、下端部が細くて倒れ易い形状であったり、底面が凸状で自立できない被測定物Ｗでも、適当な補助治具を利用して回転軸心方向を垂直に保持できれば、測定に支障はない。例えば、被測定物Ｗが球体であっても、図９に示すように、上面に逆円錐状の凹部１５ａを有する載置台１５を用い、その凹部１５ａ上に載せるだけで計測が可能となる。

ところで、このようなＬＥＤの投光部３と受光部４による寸法計測では、同じ計測装置による計測値のバラツキは殆ど生じないが、個々の計測装置毎に固有の計測値のずれが存在する。これは、光学系のレンズ収差の僅かな違いや光学系及び装置全体の組立・取付時の歪み等による、言わば計測装置毎の癖であるが、高精度の計測を行う上で、その固有のずれ度合を予め検知しておき、そのずれ度合に応じて計測値の校正を行うことが望ましい。この校正の具体的手段として次の方法がある。

まず、個々の計測装置に固有の計測値の揺らぎを求めるために、例えば図４に示すような多段径（呼び径Ｄ１〜Ｄ５）を有するマスターワークＭを作製する。このマスターワークＭは、当該計測装置での通常の径測定範囲を想定して、Ｄ１を最小測定レンジ近辺の径、Ｄ５を最大測定レンジ近辺の径とし、Ｄ２〜Ｄ４はＤ１とＤ５の間の径差を均等に分割する径とする。そして、これら呼び径Ｄ１〜Ｄ５の精密な値を信頼性の高い別途の高精度計測手段で計測しておき、これを絶対径Ｄ１ｓ〜Ｄ５ｓとする。次に、本発明に用いるＬＥＤの投光部３と受光部４を有する計測装置により、該マスターワークＭの呼び径Ｄ１〜Ｄ５を測定し、これを計測径Ｄ１ｍ〜Ｄ５ｍとして絶対径Ｄ１ｓ〜Ｄ５ｓとの差（呼び径Ｄ１ではＤ１ｓ−Ｄ１ｍ、呼び径Ｄ２〜Ｄ５も同様）を求め、この差を補正値Δａ〜Δｅとする。すなわち、次のとおりである。

呼び径・・・・・Ｄ１ Ｄ２ Ｄ３ Ｄ４ Ｄ５
絶対径・・・・・Ｄ１ｓ Ｄ２ｓ Ｄ３ｓ Ｄ４ｓ Ｄ５ｓ
計測径・・・・・Ｄ１ｍ Ｄ２ｍ Ｄ３ｍ Ｄ４ｍ Ｄ５ｍ
補正値・・・・・Δａ Δｂ Δｃ Δｄ Δｅ

従って、この補正値を用いて計測径を校正し、例えば計測径Ｄ１ｍでは補正値Δａを加えたＤ１ｓとして出力する。しかして、図５で示すように、例えば計測径ＤｍがＤ２ｍとＤ３ｍの間に入る値であれば、補正値ΔｂとΔｃの間を補間して補正値Δｐを求め、出力をＤｍ＋Δｐとすればよい。すなわち、Ｘ＝Ｄ３ｍ−Ｄ２ｍ、Ｙ＝Δｃ−Δｂとして、
Δｐ≒Ｙ（Ｄｍ−Ｄ２ｍ）／Ｘ
となる。

なお、上記校正方法では計測径Ｄ２ｍとＤ３ｍとの間を内挿して補正値Δｐを求めているが、前後３点以上の既知補正値を用いて最小２乗２次近似によって適正補正値を求めてもよい。また、マスターワークＭの多段径の数は、例示した５以外に種々設定でき、多いほど正確な校正を行える。しかして、これらの補正値による校正方法は、被測定物Ｗの各呼び径領域の軸方向長さの計測値の補間にも適用できる。

一方、本実施形態の寸法計測システムでは、図３に示すように、一軸ロボット１の頂端近傍に設けたレーザー距離センサー７により、被測定物Ｗの軸方向長さも同時に計測できる。これは、レーザー距離センサー７から下向きで若干前後に斜め方向（図３は正面視のため、垂直に示される）にレーザ光Ｌを出射し、被測定物Ｗの頂部で該レーザ光Ｌを反射させ、その反射光を捉えて反射面までの距離を測定し、この距離と被測定Ｗの設置面の既知高さとから前記軸方向長さを計測するものである。

しかして、被測定物Ｗの頂部が軸方向に対して垂直な平坦面であれば、該平坦面のどの位置に前記レーザ光Ｌが当たっても軸方向長さを精密に計測できるから、既述のように該被測定物Ｗを設置する際に厳密な位置決めが不要となる。これに対し、図６（Ａ）に示すように、被測定物Ｗが尖端状等の非平面状の頂部Ｗａを持つ場合、レーザー距離センサー７からのレーザ光Ｌの照射位置が被測定物Ｗの軸心Ｏから外れると、反射位置が頂部Ｗａよりも距離ｅだけ低位にずれることになり、精密を計測を行えない。しかるに、該反射位置を頂部Ｗａに厳密に一致させることは極めて困難である。

そこで、尖端状の頂部Ｗａを持つ被測定物Ｗの場合、図６（Ｂ）に示すように、その頂部Ｗａに水平な頂面９ａを備えて頂部肉厚ｔが既知の計測補助キャップ９を被せ、該計測補助キャップ７の頂面９ａで前記レーザ光Ｌを反射させる。この場合、当該被測定物Ｗの軸心Ｏがレーザ光Ｌの光軸から多少ずれていても、該計測補助キャップ９の水平頂面９ａにさえレーザ光Ｌが当たっておれば、支障なく該被測定物Ｗの軸方向長さ（高さ）を計測できるから、該被測定物Ｗを設置する際に厳密な位置決めが不要となる。

ただし、上記の計測補助キャップ９は、内径を被測定物Ｗの頂部径に適合させるため、該頂部径毎に専用のものが必要になるから、多種の被測定物Ｗを計測対象とする場合には不向きである。そこで、これに代わる計測補助器として、厚さが既知の補助計測板を水平姿勢で昇降自在とするものを用いれば、被測定物Ｗの頂部径の違いに対応できる。

図７に例示した計測補助器１０は、正方形の計測台１０ａの四隅に垂直なガイドピン１１…が立設され、これら４本のガイドピン１１…の頂部が角環状の頂部枠１２に連結されると共に、これらガイドピン１１…を四隅のガイド筒部１３ａ…（図８参照）に貫通させて水平状態で昇降自在な補助計測板１３を備えており、計測装置の投光部３と受光部４との間で、且つ頂部枠１２の内側がレーザー距離センサー７の直下に臨むように定盤５上に設置し、その計測台１０ａ上に非平面状の頂部Ｗａを有する被測定物Ｗを設置するようになっている。一方、計測装置側の昇降枠２の中央上部には、二股状に前方へ張出する受け具１４が固着されている。

計測に際しては、まず図８の仮想線で示すように、昇降枠２の受け具１４を計測補助器１０の後部側のガイドピン１１，１１間より前方へ突入させ、該受け具１４によって補助計測板１３を上位で支承する。そして、そのまま昇降枠２を下降させてゆくと、該補助計測板１３も自重で受け具１４と共に下降するが、その途上で被測定物Ｗの非平面状（図では円錐状）の頂部Ｗａに載って水平姿勢を保持して止まり、受け具１４は該補助計測板１３から離れて昇降枠２と一体に下降を続けることになる。そこで、レーザー距離センサー７からのレーザ光Ｌを水平状態で停止している補助計測板１３の上面に照射して反射させることにより、当該補助計測板１３の既知厚み分を減じる形で該被測定物Ｗの軸方向長さ（高さ）を計測できる。この場合、計測対象の被測定物Ｗは、ガイドピン１１…の内側に配置し得る太さであれば、頂部径の制約がない。また、昇降枠２の下降は、既述の径計測に伴う動作として行えばよい。

なお、本発明の寸法計測システムに用いる計測装置としては、図１及び図７で例示した形態に限らず、各部の形状や大きさ、寸法比率等、細部構成については例示以外に種々設計変更可能である。

本発明の一実施形態に係る寸法計測システムに用いる計測装置全体の斜視図である。 同寸法計測システムによる径測定の原理を示す模式図である。 同寸法計測システムによる計測状態を示す正面図である。 計測値補正データを得るための多段径マスターワークの正面図である。 補正データの補間方法を説明する計測値−補正値の相関図である。 非平面状の頂部を有する被測定物の高さ計測を示し、（Ａ）は計測補助キャップ不使用時の縦断側面図、（Ｂ）計測補助キャップ使用時の縦断側面図である。 計測補助器を用いた非平面状の頂部を有する被測定物の計測状態を示す計測装置全体の斜視図である。 同計測補助器の使用状態を示す要部の縦断側面図である。 球状の被測定物の設置状態を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 一軸ロボット
２ 昇降枠
３ 投光部
３ａ ＬＥＤ発光素子
４ 受光部
４ａ ライン状の受光素子
５ 定盤
７ レーザー距離センサー
９ 計測補助キャップ
９ａ 頂面
１０ 計測補助器
１１ ガイドピン（垂直ガイド）
１３ 補助計測板
１４ 受け具
ｔ 頂部肉厚
Ｃ コンピュター
Ｌ レーザー光
Ｒ ＬＥＤの平行光
Ｗ 被測定物
Ｗａ 非平面状の頂部

Claims (6)

1. 一軸ロボットにより上下方向に数値制御駆動する昇降枠に、水平方向に幅を持つＬＥＤの平行光を投射する投光部と、この平行光を受光するライン状の受光素子を備えた受光部とが水平方向に対向して取り付けられ、前記平行光の通過域に回転体形状の被測定物を回転軸心方向が垂直になるように設置し、前記昇降枠を連続的に移動させながら前記平行光を被測定物に照射することにより、受光部において被測定物による陰影の境界位置を検出し、この検出データに基づいて被測定物の径を計測することを特徴とする寸法計測システム。
2. 被測定物が多段径を有する回転体形状である請求項１に記載の寸法計測システム。
3. 被測定物が水平面上で回転軸心方向を垂直にして自立し得る形態を備え、該被測定物を計測位置に直立載置して前記計測を行う請求項１又は２にに記載の寸法計測システム。
4. 一軸ロボットの頂端近傍に、下向きにレーザ光を出射し、その反射光によって反射面までの距離を測定するレーザ距離センサーが付設され、被測定物の頂部で該レーザ光を反射させることより、前記径の計測に加えて、反射面までの距離から被測定物の軸方向長さを計測する請求項１〜３のいずれかに記載の寸法計測システム。
5. 被測定物Ｗが非平面状の頂部を有し、この被測定物の頂部に、水平な頂面を備えて頂部肉厚が既知の計測補助キャップを被せ、該計測補助キャップの頂面で前記レーザ光を反射させることによって当該被測定物の軸方向長さを計測する請求項４に記載の寸法計測システム。
6. 計測位置に、水平姿勢を維持しつつ垂直ガイドに沿って昇降自在で厚さが既知の補助計測板を備えた計測補助器を配置し、その補助計測板を前記昇降枠に設けた受け具によって上位で支承すると共に、該補助計測板の下方に非平面状の頂部を有する被測定物を設置し、計測に際して昇降枠を下降させることにより、該補助計測板を前記受け具から被測定物の頂部に移載し、該補助計測板の上面で前記レーザ光を反射させることによって当該被測定物の軸方向長さを計測する請求項４に記載の寸法計測システム。

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