JPH0645111B2 - 三次元位置計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は加工装置や産業用ロボットの三次元位置計測装
置に係わり、特に三次元空間形状を有する被化工物（ワ
ーク）の表面に描かれた例えばけがき線のような連続す
る教示点の中で計測したい教示点を選定し、その教示点
位置に設けられた送波器から送波される超音波を予めワ
ーク上方空間に配設された複数個の受波器で受波してワ
ーク表面の法線方向，傾斜角と共に教示点を計測して加
工に必要な加工ヘッドの一連の教示位置を加工装置に入
力する三次元位置計測装置に関する。

（従来の技術） 例えば工場の材料切断工程または加工工程に設置された
加工装置（産業用ロボットを含む）においては、実際に
稼働させる前に加工装置に対して加工ヘッドの移動手順
および動作手順を三次元的なワークの形状に即して教え
込む必要がある。

ところで、例えばＣＯ_２レーザ切断用加工装置において
は加工ヘッドの近傍位置に磁気センサを設置して鉄板等
の被切断体としてのワークに生じた渦電流の大きさを検
出して、その電流値によって加工ヘッドとワーク表面の
距離を算出するようにしていた。

従って、このような加工装置において、実際の三次元位
置計測と教示作業を行なうには作業者がティーチングペ
ンダントを操作しながら加工ヘッドをワーク表面に描か
れたけがき線等の連続する教示点へ接近させる作業と、
加工ヘッドのレーザ照射角度を教示点におけるワーク表
面に対して直角になるように加工ヘッドの姿勢を合せる
作業と、前述の磁気センサでもって加工ヘッドとワーク
表面上の教示点との間に距離を一定値に設定する作業と
の三つの作業をそれぞれ目視により施行錯誤的に実施す
る必要があった。

しかし、上記のように作業者が各教示点毎に目視で三つ
の作業からなる教示作業を実施することは各教示点間に
おいて加工ヘッドまでの距離とか加工ヘッドの姿勢角等
の設定値に差が生じる問題がある。このため、ワークの
切断面が不揃いになったり、一部切断できない場所が生
じたりする虞れがあった。

（発明が解決しようとする問題点） このように従来の加工装置に対する教示作業は各教示点
への接近作業，加工ヘッドの姿勢合せ作業および教示点
との間の距離を一定値に設定するための作業を目視によ
り試行錯誤的に行なっていたため、切断面が不揃いにな
ったり、一部切断できない場所が生じたりする問題があ
った。そこで、上記のような問題を回避するためには前
述の教示作業を丁寧に且つ正確に実施すればよいが、こ
れでは教示作業時間が増大するため、加工装置が実際に
切断作業を実行している時間の割合いを示す稼働率が低
下するという問題があり、しかも加工装置の操作に熟達
した作業者を必要としていた。

そこで、本発明はけがき線等の連続する教示点に沿って
送波器を移動させる一種類の作業だけで測定したい教示
点を測定して加工に必要な一連の加工ヘッドの表示位置
を自動的に加工装置に教示できるようにすることによ
り、熟達した作業者を必要とせずに加工装置に対する教
示作業を正確に且つ能率的に実施でき、もって自動化さ
れた加工装置の稼働率を大幅に向上させることができる
三次元位置計測装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （発明が解決するための手段） 本発明は上記のような目的を達成するため、加工装置に
対して加工ヘッドの移動手順および動作手順を三次元的
な被加工物の形状に即してその表面に描かれたけがき線
等の連続する教示点の中で測定したい教示点を計測して
その教示点を教示するようにした三次元位置計測装置に
おいて、正三角形の内心が被加工物の連続する教示点上
に位置するように移動可能に設けられる送波器と、前記
被化工物上方空間に設けられ前記送波器の各送波素子か
ら送波される超音波を受波する複数個の受波器と、前記
送波器と受波器との間の空間に設けられた温度センサ
と、前記各受波器で受波された超音波の受波時間を前記
温度センサで計測された温度に基き補正して求め、この
受波時間から前記各送波素子と各受波器との間の距離を
計算して前記送波器の３送波位置の三次元座標値を求
め、この３送波位置の三次元座標値で構成される平面の
向きと基準面との傾斜角により法線方向と正三角形の内
心の座標値を求めると共に、この座標値に前記平面の法
線上を前記送波器の厚み分だけ被加工物方向に加算した
座標値を連続する教示点の測定点として求め、さらにこ
の測定点から前記平面の法線上に被加工物表面の外方へ
所望の加工距離だけ離れた位置の座標値を算定してその
座標値を加工ヘッドの教示位置として得る演算手段を有
する制御部とを備え、前記送波器を前記けがき線等の連
続する教示点に沿って移動させながらその各計測位置で
の座標値を前記制御部の演算手段により求めて順次一連
の加工に必要な加工ヘッドの教示位置を加工装置に教示
させるようにしたものである。

（作用） 従って、このような構成の三次元位置計測装置にあって
は、まず被加工物に描かれたけがき線等の連続する教示
点の中で測定したい位置に送波器を設けて３個の送波素
子から時分割で超音波で送波すると、この超音波は被加
工物表面の上方空間に設けられた複数個の受波器により
受波される。これらの受波器により超音波が受波される
と各送波位置からの受波時間を，温度センサーにより計
測された温度に基く温度補正をして求め、この受波時間
から各送波素子と各受波器との間の距離を計算して３送
波位置の三次元座標を求める。次に３送波位置の三次元
座標値で構成される平面の向きと基準面に対する傾斜角
により法線方向と正三角形の内心の座標値を求めて、そ
の内心から法線上を送波器の厚み分だけ被加工物方向に
加算した座標値を求める。さらに連続する教示点の測定
位置から法線上を被加工物表面の外方へ所望の加工距離
だけ離れた位置の座標値を算定することにより加工ヘッ
ドの教示位置が得られる。そして、この加工ヘッドの教
示位置が求まり次第送波器を連続する教示点に沿って順
次移動させれば、加工に必要な一連の加工ヘッドの表示
位置を加工装置に教示することが可能となる。

（実施例） 以下本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明による三次元位置計測装置をＣＯ_２レー
ザ切断用加工装置と組合せた場合の装置全体の構成例を
示すものである。第１図において、１は加工装置本体
で、この加工装置本体１には鉄板等のワークをセットす
るためのテーブル２と、その上方位置をｘ，ｙ軸方向へ
移動可能な移動アーム３ａとこの移動アーム３ａに連結
されたｚ軸方向へ移動可能な移動アーム３ｂが設けら
れ、また移動アーム３ｂにはレーザ光を照射する加工ヘ
ッド４が設けられている。移動アーム３ｂは軸回りに回
転できるように構成されており、加工ヘッド４は移動ア
ーム３ｂの先端に取付けられた軸受け部によりアーム３
ｂと直角をなす軸回りにも回転できるように接続されて
いる。従って、加工ヘッド４はテーブル２の上方位置に
おいて三次元的に移動制御されると共にその姿勢も自由
に制御されるようになっている。またテーブル２の上方
空間部には超音波を受波する３個の受波器５ａ，５ｂ，
５ｃがテーブル２面に向き合うように設けられている。
なお、受波器はテーブル２の上方空間部に加えてその前
後左右方向にも設けられるが、ここでは図示を省略して
いる。一方、図中６は加工装置の操作卓で、この操作卓
６には後述する制御部が収納されている。７は加工ヘッ
ド４の教示位置の情報が引き渡される加工装置の制御用
コンピュータである。これら操作卓６，制御用コンピュ
ータ７，加工ヘッダ４及び受波器５ａ，５ｂ，５ｃは相
互に接続され、情報の送受ができるようになっている。

第２図は第１図に示したテーブル２上にセットされる三
次元的な形状を有するワークの構成例を示すものであ
る。第２図において、８は鉄板からなるワークで、この
ワーク８の表面にはけがき線９が描かれている。１０は
このけがき線９の真上に置かれる送波器で、この送波器
１０は詳細を後述するが表面に超音波を送波する３個の
送波素子が設けられており、けがき線の測定したい教示
点の座標値が求まり次第作業者によってけがき線上を移
動させるものである。

第３図は本発明による三次元位置計測装置全体の構成例
を示すものである。

第３図に示すように送波器１０はワーク８の表面に描か
れたけがき線９上の測定したい教示点にセットされてい
る。この送波器１０はリング状の送波器本体の上面に３
個の送波素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃが正三角形状に配
置され、その内側の中空部には例えばガラスからなる透
明体１２が嵌め込まれている。そして、この透明体１２
には送波素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃが作る正三角形の
内心位置で且つ少なくとも裏面（ワーク８側面）に中心
マーク１３が付されている。本例では透明体１２の表面
にも中心マーク１３を付した場合を示している。また、
送波器本体の上面の適宜の位置に計測中に点灯する表示
ランプ１４が取付けられている。なお、この表示ランプ
１４を透明体１２側に設けて透明体内を照明するように
してもよいが、この場合には計測中に表示ランプ１４が
消灯するようにしておく。さらに送波器本体の裏面には
図示点線で示すように小形の永久磁石１９が複数個設け
られ、送波器１０が磁性体のワーク８の表面に磁気吸着
できるようにしてある。

一方、受波器５ａ，５ｂ，５ｃはワーク８の上方空間部
に送波器１０の各送波素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃから
送波される超音波１５が受波できるように設けられ、こ
れらワーク８と受波器５ａ，５ｂ，５ｃとの間でワーク
側近傍と受波器側近傍に超音波が伝搬される空間温度を
計測するための温度センサ１６ａ，１６ｂが設けられて
いる。また、制御部１８は操作卓６に収納されており、
この制御部１８は送波器１０に対して計測開始指令，超
音波送波指令を与え、また受波器５ａ，５ｂ，５ｃ及び
温度センサ１６ａ，１６ｂからの情報を収集してけがき
線の教示点を測定するに必要な演算処理を行なって加工
ヘッドの教示位置を求め、その情報を加工装置の制御用
コンピュータ７に引き渡すものである。

第４図はこのような三次元位置計測装置のブロック回路
の構成例を示すものである。第４図において、制御部１
８はタイマ２０，データ収集ユニット２３，マイクロプ
ロセッサ回路（ＭＰＵ）回路２４，メモリ２５及び入出
力ユニット２６を備えている。タイマ２０は送波器１０
に計測開始指令及び発信動作指令を与えると共に受波器
５ａ，５ｂ，５ｃ及び温度センサ１６ａ，１６ｂにオン
指令を与えるものであり、またデータ収集ユニット２３
はマルチプレクサ，サンプル・アンド・ホールド回路，
アナログ・ディジタル・コンパレータ，３ステート・バ
ッファ，クロック・カウンタなどから構成されており、
タイマ２０からの指令により受波器５ａ，５ｂ，５ｃで
受波されたデータ及び温度センサ１６ａ，１６ｂで計測
されたデータの収集を行なうものである。ＭＰＵ回路２
４はスイッチ２７からの計測準備完了指令が与えられる
とオンとなり、データ収集ユニット２３で収集されたデ
ータを取込んで教示点の測定及び加工ヘッドの教示位置
を求めるに必要な演算処理を行なうもので、その演算結
果得られたデータをメモリ２５に記憶させるものであ
る。さらに入出力ユニット２６は作業者からの転送指令
によりメモリ２５に記憶されている加工ヘッドの教示位
置に応じたデータをＭＰＵ回路２４を通して制御用コン
ピュータ７に転送させるものである。

送波器１０はタイマ２０から計測開始指令が入力される
と表示ランプ１４が点灯するようになっており、またタ
イマ２０からの発振動作指令が入力されると発振回路２
１が動作してその出力がマルチプレクサ２２で切換えら
れて送波素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃに送られるように
なっている。この場合、送波素子１１ａ，１１ｂ，１１
ｃから送波される超音波の周波数としては数十ｋＨｚ〜
数ｋＨｚの間の一つの固定された周波数，例えば４０ｋ
Ｈｚが選ばれる。但し、超音波の計測区間が２〜３ｍｓ
以内であれば、超音波の周波数の上限はほぼ０．２Ｍｚ
であり、この範囲内の任意の周波数でよい。また、送波
素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃからは６０゜位に広がって
超音波が送波され、受波器５ａ，５ｂ，５ｃによりタイ
マ２０による超音波の受波時間が計測されるようになっ
ている。図中、１７は制御部１８と送波器１０，温度セ
ンサ１６ａ，１６ｂ及びスイッチ２７との間を結ぶ信号
伝送線路である。

なお、上記では送波器１０内に発振回路２１とマルチプ
レクサ２２を設ける場合について示したが、この発振回
路２１とマルチプレクサ２２を制御部１８内に移して送
波器１０には表示ランプ１４と送波素子１１ａ，１１
ｂ，１１ｃのみを設ける構成とすれば、送波器１０自体
を例えば直径２０mm未満の小形なものになし得る。

次にこのように構成された三次元位置計測装置の作用に
ついて述べる。

今、レーザ加工装置のテーブルにセットされたワーク８
の表面に描かれているけがき線９の真上に送波器１０の
中心マーク１３が一致するように送波器１０を永久磁石
１９により磁気吸着させて固定されているものとする。
この状態でスイッチ２７をオンして計測準備完了信号を
ＭＰＵ回路２４に入力すると、このＭＰＵ回路２４から
タイマ２０に計測開始指令が出力される。このタイマ２
０が計測開始指令を受取るとその旨を送波器１０に与え
て表示ランプ１４を点灯させ、次に動作指令を発振回路
２１及びマルチプレクサ２２，受波器５ａ，５ｂ，５
ｃ，温度センサ１６ａ，１６ｂ，データ収集ユニット２
３に同時に伝送してこれらをオン状態とする。ここで、
発振回路２１が例えば４０ｋＨｚの発振状態に入ると同
時にマルチプレクサ２２により送波素子１１ａが切換え
接続されているものとすれば、この送波素子１１ａから
超音波１５が送波される。さらに同じ時刻に受波器５
ａ，５ｂ，５ｃが一斉にデータ収集ユニット２３内の対
応するパルスカウンタと接続されてクロックパルスのカ
ウントが開始される。送波素子１１ａから送波された超
音波１５は受波器５ａ，５ｂ，５ｃによりそれぞれ受波
されるが、この場合送波素子１１ａと受波器５ａ，５
ｂ，５ｃとの間の距離が異なっているため、受波器５
ａ，５ｂ，５ｃはこの距離の相違に比例してそれぞれ異
なる時刻に超音波を受波する。そして、受波器５ａ，５
ｂ，５ｃでそれぞれ異なる時刻に超音波１５が受波され
ると、その時刻にクロックパルスのカウントを停止し、
その時データ収集ユニット２３内でラッチされたディジ
タルデータをＭＰＵ回路２４に割込みをかけて転送す
る。一方、温度センサ１６ａ，１６ｂからのアナログ信
号がデータ収集ユニット２３に伝送されると、マルチプ
レクサによるチャンネル切換えでデータ収集ユニット２
３に順次取込まれ、サンプル・アンド・ホールド回路に
よってサンプリング後ホールドされる。このホールド期
間中に温度センサ１６ａ，１６ｂからのアナログデータ
は順次ディジタル変換され、そのディジタルデータは３
ステート・バッファを通してＭＰＵ回路２４に順次渡さ
れる。

このＭＰＵ回路２４では温度センサ１６ａ，１６ｂの温
度データｔａ，ｔｂの平均をとってｔとして取り扱い、
データ収集ユニット２３から転送されたディジタルデー
タに基いて送波素子１１ａと受波器５ａ，５ｂ，５ｃと
の間の距離を次のようにして求める。即ち、距離につい
ては温度ｔ℃での空気中の音速ｖが３３１．７＋０．６
ｔ（ｍ／ｓ）であるから、送波素子１１ａの位置から送
波された超音波１５が受波器５ａ，５ｂ，５ｃに受渡さ
れるまでの間のクロックパルス数にパルス間隔時間と平
均温度ｔ゜で補正した音速とを掛けて距離Ｌａａ，Ｌａ
ｂ，Ｌａｃを求める。

ここで、Ｌの直ぐ後の添え字は送波素子の符号を付け、
その後の添え字は受波器の符号を付けて送波素子と受波
器の関係が分るように示してある。次にＭＰＵ回路２４
にて送波素子１１ａの位置Ｐａの座標値を求めるには受
波器５ａ，５ｂ，５ｃの三次元位置座標が予め定められ
ているので、受波器５ａから半径Ｌａａの球面，受波器
５ｂからは半径Ｌａｂの球面，受波器５ｃからは半径Ｌ
ａｃの球面を描いた時、３球面が交わる点の位置を送波
素子１１ａの位置Ｐａの座標値（ｘａ，ｙａ，ｚａ）と
して演算により求めることができる。このようにして求
められた送波素子１１ａの座標値（ｘａ，ｙａ，ｚａ）
はメモリ２５に記憶される。

第５図は上述した送波素子と受波器との位置関係を示す
もので、各受波器５ａ，５ｂ，５ｃの位置は受波面の中
心位置をＲａ，Ｒｂ，Ｒｃとして示している。

前述したデータ収集ユニット２３において、クロックパ
ルスのカウントが停止され、ＭＰＵ回路２４にディジタ
ルデータの引き渡たしが完了すると、このＭＰＵ回路２
４からタイマ２０へその旨の指令が出される。タイマ２
０はこの指令を受けると、発振回路２１，マルチプレク
サ２２，受波器５ａ，５ｂ，５ｃ及びデータ収集ユニッ
ト２３にそれぞれオフ指令を与える。すると、発振回路
２１は発振を停止し、マルチプレクサ２２は発振回路２
１と送波素子１１ａとの接続を切離し、これと同時に受
波器５ａ，５ｂ，５ｃとデータ収集ユニット２３内のパ
ルスカウンタとの接続も切離される。

送波素子１１ａの位置Ｐａの座標値が求まりメモリ２５
に記憶されると、ＭＰＵ回路２４から再びタイマ２０に
計測開始指令が出される。タイマ２０は再びその旨の指
令を発振回路２１，マルチプレクサ２２，受波器５ａ，
５ｂ，５ｃ，温度センサ１６ａ，１６ｂ及びデータ収集
ユニット２３に与えてオン状態とする。発振回路２１が
発振状態に入ると、これと同時に今度は送波素子１１ｂ
が発振回路２１にマルチプレクサ２２によって切換え接
続され、送波素子１１ｂから超音波が送波される。この
送波素子１１ｂから送波され超音波は受波器５ａ，５
ｂ，５ｃにより受波されるが、この時のデータ収集ユニ
ット２３内での動作及びデータ転送後のＭＰＵ回路２４
での演算処理は前述した送波素子１１ａからの超音波を
受波した時と全く同様にして行なわれる。したがって、
ＭＰＵ回路２４では送波素子１１ｂと受波器５ａ，５
ｂ，５ｃとの間の距離Ｌｂａ，Ｌｂｂ，Ｌｂｃを求め、
さらに第５図に示す送波素子１１ｂの位置Ｐｂの座標値
（ｘｂ，ｙｂ，ｚｂ）を求めてメモリ２５に記憶され
る。

さらに、送波素子１１ｂの位置Ｐｂの座標値（ｘｂ，ｙ
ｂ，ｚｂ）が求まり、メモリ２５に記憶されると今度は
送波素子１１ｃについても全く同じ手順が繰り返され、
第５図に示す送波素子１１ｃと受波器５ａ，５ｂ，５ｃ
との間の距離Ｌｃａ，Ｌｃｂ，Ｌｃｃを求めて送波素子
１１ｃの位置Ｐｃの座標値（ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ）が求め
られ、メモリ２５に記憶される。

このような送波素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃの位置計測
は前述したように音速が３３１．７＋０．６ｔ（ｍｓ）
なので、１μｓの間には０．３４４mm（２０℃）進むこ
とになり、パルス間隔が１μｓであれば０．３５mmの分
解能で計測できる。

次に上記のようにして求められた送波器１０の各送波素
子１１ａ，１１ｂ，１１ｃの各位置の座標値に基いて加
工ヘッドの教示位置を求める演算処理を第５図を参照し
ながら述べる。送波器１０の表面の３送波位置Ｐａ，Ｐ
ｂ，Ｐｃの座標値が決まると、この３点で構成される平
面Ｐと基準面，例えばテーブル２の表面との傾斜角及び
法線方向Ｎのベクトル成分（Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｚ）が得ら
れるが、平面Ｐの向きは送波器１０の表面と受波器５
ａ，５ｂ，５ｃの相互位置関係から決まる。さらに３送
波位置Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃが構成する正三角形の内心の位
置Ｐ_Ｍの座標値（ｘ_Ｍ，ｙ_Ｍ，ｚ_Ｍ）を求め、この点Ｐ
_Ｍから平面Ｐの法線方向Ｎを逆向きに送波器１０の厚み
分Ｌ_Ｓだけワーク８の方にとった位置Ｑ_Ｋの座標値（ｘ
_Ｋ，ｙ_Ｋ，ｚ_Ｋ）が求められ、けがき線９上の１点の位
置が決まる。さらに、けがき線９上の点Ｑ_Ｋの近傍の面
（少なくとも送波器１０が置かれている範囲内）と面Ｐ
とは平行なので、法線方向が一致する。したがって、点
Ｑ_Ｋの位置から面Ｐの法線方向Ｎに加工ヘッド４の所望
の加工距離Ｌ_Ｗだけ離れた位置Ｑ_Ｔの座標値（ｘ_Ｔ，ｙ
_Ｔ，ｚ_Ｔ）を計算することで、加工ヘッド４の教示位置
が得られる。

これら一連の計算はＭＰＵ回路２４で行なわれ、３座標
値（ｘ_Ｍ，ｙ_Ｍ，ｚ_Ｍ），（ｘ_Ｋ，ｙ_Ｋ，ｚ_Ｋ），（ｘ
_Ｔ，ｙ_Ｔ，ｚ_Ｔ）と法線方向のベクトル成分（Ｎｘ，Ｎ
ｙ，Ｎｚ）がメモリ２５に記憶される。

このようにしてけがき線の一つの教示点に対する教示位
置Ｑ_Ｔの座標値が計算されると、ＭＰＵ回路２４からタ
イマ２０を通して出された指令により送波器１０の表示
ランプ１４が消灯するので、作業者はけがき線９上のＱ
_Ｋ点の教示作業を終了したことが分る。なお、表示ラン
プ１４が透明体１２内を照明できるような箇所に取付け
られている場合には送波器１０をけがき線上に置く作業
を容易にするため、計測していない時に表示ランプ１４
を点灯しておき、計測中には消灯するようにしてある。

作業者が表示ランプ１４により一つの教示点に対する教
示作業が終了したことを確認すると、送波器１０をけが
き線９の新しい教示点に移動させて前述同様の教示作業
にかかることになる。ここで、第３図に示すようにけが
き線９がワーク８の端面で途切れている場合には途切れ
た位置での教示作業が終了した時点毎に作業者が入出力
ユニット２６からＭＰＵ回路２４に指令を出してけがき
線１本毎にメモリ２５内の教示データをグループにまと
めて識別と区切りを示すマークを付加しておけばよい。
また、第２図に示すようにけがき線９上がエンドレスで
複数本ある場合には教示開始点と終了点を同じ位置にと
って一巡した時点で作業者が入出力ユニット２６からＭ
ＰＵ回路２４に指令を出し、メモリ２５内の教示データ
をけがき線１本毎にグループ化して識別と区切りを示す
マークをデータに付しておけばよい。したがって、ワー
ク８上に複数本のけがき線９がある場合でも送波器１０
の位置を別のけがき線９の位置に移すだけで連続して教
示作業を行なうことができる。

かくしてけがき線９の全部の教示作業が終了すると、メ
モリ２５に記憶されている教示データを制御用コンピュ
ータ７へ転送することになるが、この場合には作業者が
入出力ユニット２６を通して教示データの転送指令を出
すことにより、Ｐ_Ｍ，Ｑ_Ｋ，Ｑ_Ｔの座標値と法線方向Ｎ
のベクトル成分を示すデータがメモリ２５からＭＰＵ回
路２４のインターフェースを通して制御用コンピュータ
７へ転送される。

以上のようなＭＰＵ回路２４での一連の演算処理の手順
をフローチャーチにて示すと第６図のようになる。

以上述べたように本実施例ではワーク８の表面に描かれ
たけがき線９上の測定したい教示点に送波器１０を置く
だけの作業で、３送波素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃから
順次送波される超音波をそれぞれ受波する受波器５ａ，
５ｂ，５ｃの受波時刻から距離と３送波位置の三次元座
標値，また３送波位置が構成する平面の向きと傾斜角か
ら法線方向と３送波素子が作る正三角形の内心の座標
値，さらにこの座標値からけがき線１点から法線上をワ
ーク面の外側へ所望の加工距離だけ離れた位置の座標値
をタイマ２０，データ収集ユニット２３，ＭＰＵ回路２
４メモリ２５及び入出力ユニット２６からなる制御部１
８により自動的に得て、加工装置に加工ヘッド４の表示
位置を教示できるようにしたので、従来手間のかかった
加工ヘッドの教示作業を熟練した作業者を必要とするこ
となく、正確に且つ能率的に行なうことができ、もって
加工装置の稼働率を大幅に向上させることができる。

次に本発明の他の実施例について述べる。

第７図は送波器として、第２図に示す非磁性材料からな
るワーク８の表面のけがき線９が斜面Ｓ_１，Ｓ_２，
Ｓ_３，Ｓ_４，Ｓ_５や横向きの面Ｓ_６にある場合でも吸着
固定してその教示点を教示できるようにするための構成
例を示すものである。即ち、本例の送波器１０は第７図
に示すように送波器本体の側面に吸着面近傍の状況に合
せて曲げることが可能な３個の吸着アーム２８が設けら
れ、これら吸着アーム２８の先端には１個の吸着素子２
９が取付けられている。また、送波器本体の側面からは
本体内部で３個の吸着アーム２８に分岐接続されたチュ
ーブ３０が引き出されており、このチューブ３０は吸着
駆動器３１と接続されている。この吸着駆動器３１の上
面にはボタン３２が設けられており、このボタン３２を
押し操作すると吸着駆動器３１内のモータが真空ポンプ
を駆動して吸着素子２９に至るチューブ３０内の空気が
外部へ排気できるようになっている。

従って、このような構成の送波器１０において、ワーク
８の傾斜面Ｓ_６のけがき線９の教示点を教示する場合に
は、例えば２個の吸着素子２９を上向きの面Ｓ_７に配置
し、残り１個の吸着素子２９を面Ｓ_６又は面Ｓ_５に配置
してボタン３２を押せば、吸着駆動器３１の動作により
ワーク８の表面と吸着素子２９の間の空間を真空に近い
減圧状態となり、周辺の大気圧により吸着素子２９がそ
れぞれの面に押し付けられるので、送波器１０を必要な
場所に固定することができる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、加工装置に対して加
工ヘッドの移動手順および動作手順を三次元的な被加工
物の形状に即してその方面に描かれたけがき線等の連続
する教示点の中で測定したい教示点を計測してその教示
点を教示するようにした三次元位置計測装置において、
正三角形状に配置され且つ時分割で超音波を送波する３
個の送波素子を有し、これら送波素子の３送波位置が作
る正三角形の内心が被加工物表面の連続する教示点上に
位置するように移動可能に設けられる送波器と、前記被
加工物上方空間に設けられ前記送波器の各送波素子から
送波される超音波をそれぞれ受波する複数個の受波器
と、前記送波器と受波器との間の空間に設けられた温度
センサと、前記各受波で受波された超音波の受波時間を
前記温度センサで計測された温度に基き補正して求め、
この受波時間から前記各送波素子と各受波器との間の距
離を計算して前記送波器の３送波位置の三次元座標値を
求める第１の演算手段と、この第１の演算手段により求
められた３送波位置の三次元座標値で構成される平面の
向きと基準面との傾斜角により法線方向と正三角形の内
心の座標値を求め、この座標値に前記平面の法線上を前
記送波器の厚み分だけ被加工物方向に加算した座標値を
前記連続する教示点の測定点として求める第２の演算手
段と、この第２の演算手段により求められた測定点から
前記平面の法線上に被加工物表面の外方へ所望の加工距
離だけ離れた位置の座標値を算定してその座標値を加工
ヘッドの教示位置として得る第３の演算手段とを備えて
前記送波器を前記けがき線等の連続する教示点に沿って
移動させながらその各計測位置での座標値を前記第１乃
至第３の演算手段により求めて順次一連の加工に必要な
加工ヘッドの教示位置を加工装置に教示させるようにし
たので、熟達した作業者を必要とせずに加工装置に対す
る教示作業を正確に且つ能率的に実施でき、もって自動
化された加工装置の稼働率を大幅に向上させることがで
きる三次元位置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ＣＯ_２レーザ切断用加工装置に本発明による三
次元位置計測装置を組込んだ装置全体を示す斜視図、第
２図は一加工例のワークを示す斜視図、第３図は本発明
の一実施例を示す三次元位置計測装置全体の概略構成
図、第４図は同実施例の計測に関係する信号処理のブロ
ック図、第５図は同実施例装置の動作原理の説明図、第
６図は同実施例装置の動作手順を示すフローチャート、
第７図は第３図に示す送波器の変形例を示す平面図であ
る。 １……ＣＯ_２レーザ加工装置本体、４……加工ヘッド、
５ａ，５ｂ，５ｃ……受波器、８……ワーク、９……け
がき線、１０……送波器、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，…
…送波素子、１２……透明体、１３……中心マーク、１
４……表示ランプ、１５……超音波、１６ａ，１６ｂ…
…温度センサ、１７……接続線、１８……制御部、１９
……永久磁石、２０……タイマ、２１……発振回路、２
２……マルチプレクサ、２３……データ収集ユニット、
２４……マイクロプロセッサ回路（ＭＰＵ回路）、２５
……メモリ、２６……入出力ユニット、２７……スイッ
チ。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｂ 17/00 Ｂ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加工装置に対して加工ヘッドの移動手順お
   よび動作手順を三次元的な被加工物の形状に即してその
   表面に描かれたけがき線等の連続する教示点の中で測定
   したい教示点を計測してその教示点を教示するようにし
   た三次元位置計測装置において、正三角形の内心が被加
   工物の連続する教示点上に位置するように移動可能に設
   けられる送波器と、前記被加工物上方空間に設けられ前
   記送波器の各送波素子から送波される超音波を受波する
   複数個の受波器と、前記送波器と受波器との間の空間に
   設けられた温度センサと、前記各受波器で受波された超
   音波の受波時間を前記温度センサで計測された温度に基
   き補正して求め、この受波時間から前記各送波素子と各
   受波器との間の距離を計算して前記送波器の３送波位置
   の三次元座標値を求め、この３送波位置の三次元座標値
   で構成される平面の向きと基準面との傾斜角により法線
   方向と正三角形の内心の座標値を求めると共に、この座
   標値に前記平面の法線上を前記送波器の厚み分だけ被加
   工物方向に加算した座標値を連続する教示点の測定点と
   して求め、さらにこの測定点から前記平面の法線上に被
   加工物表面の外方へ所望の加工距離だけ離れた位置の座
   標値を算定してその座標値を加工ヘッドの教示位置とし
   て得る演算手段を有する制御部とを備え、前記送波器を
   前記けがき線等の連続する教示点に沿って移動させなが
   らその各計測位置での座標値を前記制御部の演算手段に
   より求めて順次一連の加工に必要な加工ヘッドの教示位
   置を加工装置に教示させるようにしたことを特徴とする
   三次元位置計測装置。