JPS5843681B2 - ヒヨウメンジヨウタイカンソクソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は物質の表面状態の観測装置、とくに加工中、
または加工後の材料の表面仕上げ状態を自動観測する装
置に関するものである。

生産工場において研削盤等の加工機械により仕上げられ
た表面の状態を知ることは、ことに重要である。

従来より表面状態を観測するためには探触子による表面
粗さ計を用いるよりほかになかった。

しかるにこのような表面粗さ計を用いた場合には、まず
第１に、表面粗さ計で測定され、レコダ−の上に記録さ
れたデーターは非常に複雑でランダムな形をしており、
表面の概略的な観測には適するが、一定量的な表現がで
きないこと、第２に観測は加工後、被加工物をとり外し
て別途計測しなければならない。

従って加工中に表面状態を観測することができないこと
、第３に表面粗さ計は一回の測定に１次元方向のデータ
がとれるのみであること、第４に接触させるため、対象
物に傷を与える怖れがあり、また測定に高度が熟練を要
すること等多くの欠点がある。

この発明は上記のような点に鑑み、レーザ光線の表面か
らの回折現象を利用し、その回折パターンを観測するこ
とにより、上記欠点をすべて除去した観測装置を実現し
ようとするものである。

第１図はこの発明を研削盤に実際に応用する場合の構成
を示すもので、１は被研削材料（ワーの、２は砥石、３
は砥石２を矢印のように回転させる回転軸、４は検出装
置全体、５はレーザ光源、６は反射パターンの観測装置
、７は入射光線、８は反射光線である。

一般にレーザ光を照射された粗面からの反射光により任
意の観測面で観測される反射光パターンは、照射された
粗面による回折によって形成される。

いま表面上での光波の分布を、表面上の２元座標を（Ｘ
、ｙ）とすればＵ（ｘ、ｙ、）であるとする。

これに対し表面から距離りだけ離れた位置にある観測面
での光波分布を、観測面での座標（ｕ、■）で、Ｐ（ｕ
、ｖ）とする。

上記Ｕ（ｘ、ｙ）とＡ（ｕ、■）とはよく知られている
ように互いにフーリエ変換された関係にあり、λを光の
波長とすると次式で表わされる。

で与えられる。

ω、Ｑは表面（ｘ、ｙ）における散乱体間隔である。

（４）式は表面上の光波分布の自己相関関数を表わし、
（３）式は上記自己相関関数をフーリエ変換したもので
、表面上での光波のパワースペクトルを与える。

すなわちレーザ光を表面に照射しその反射パターンを直
接観測すると、直ちに表面からの光のパワースペクトル
が得られる。

第５図に示すように、レーザ光源５からスポット状は照
射され被研磨材料１の表面で反射された光線は回折現象
を起こし、観測面上に回折像２００を作る。

被研磨材料１の表面に凹凸があると、凹の部分から反射
する光と曲部分から反射した光とでは位相に差が生ずる
。

位相の差は回折像２００の明暗パターンとなって表われ
る。

この明暗パターンを観測すれば被研磨材１の表面の凹凸
がわかる。

明暗パターンの観測は回折像のｕ、Ｖ方向に二次元的に
行っても良いし、いづれかの方向に一次元的に行っても
良い。

実際には一次元的に数ケ所で観測すれば足りることが多
い。

被研磨材１に照射する光は位相が揃った光すなわちコヒ
ーレントな光である必要がある。

コヒーレントな光源としてレーザ光線が使用される。

粗面形状は本来きわめて複雑でランダムなものであり、
このような形状の数量的表現はおおむね統計的表現によ
らざるを得ず、その代表的な表穴が相関関数、またはパ
ワースペクトルである。

上記の結果から単純なレーザ光の照射とその反射パター
ンにより、表面の１つの変換されたパワースペクトルが
きわめて簡単に得られることは明らかである。

さらに加工中のワークに対しても、簡単にパワースペク
トルが得られることは明らかである。

次に上記のパワースペクトルを観測する方法についての
べる。

単にパワースペクトルを観察、もしくは記録する目的で
あれば、反射パターンをスクリーンに映して肉眼にて観
察するか、写真撮影をおこなえばよい。

いまここでのべるのは電気的なデータとして検出し、場
合によって加工中に用いて、加工機を制御する目的に利
用する場合である。

第２図は上記のように、パワースペクトルを検出し、加
工機械を制御するための装置の構成を包括的にしめした
ものである。

図で６は第１図と同じ反射パターンの観測装置で観測点
に対応して複数個設けられた光電変換素子を有するもの
、９は観測装置６の光電変換素子の出力を増幅する１個
又は複数個の増巾器、１１は観測点に対応する増巾器９
からのアナログ的な出力値をディジタルな数値に変換す
るＡ−Ｄ変換装置、１２は上記ＡＤ変換装置１１からの
入力とあらかじめ与えられた標準パターンとを比較する
比較装置、１３は上記標準パターンを発生させる標準パ
ターン発生装置、１４は比較装置１２により比較された
結果にもとづき、所定の制御量を発生させる制御量発生
装置、１５は加工機械の所定の制御をおこなう制御装置
である。

ワーク１の表面から反射した光線は観測装置６の観測面
上に反射パターンを形成する。

この反射パターンの二次元的又は−次元的な分布を、複
数個の観測点においてサンプリングした出力は時間的に
順次に、もしくは同時に増巾器９により増巾され、Ａ−
Ｄ変換装置１１によりディジタルデークに変換され、各
観測点ごとに、標準パターン発生装置１３からの出力と
、比較装置１２において比較される。

反射パターンを二次元的に観測する場合には、観測装置
６内の光電変換素子を二次元的に配置し、−次元的に測
定するときは光電変換素子を一次元的に複数個配置する
。

観測装置６の複数個の光電変換素子の夫々に対応して複
数の増巾器を設けている場合は各観測点の出力は時間的
に同時に増巾され、増巾器を１個だけ設け、複数個の光
電変換素子の出力を順次走査して増巾器に導いて増巾す
る場合は、各観測点の出力は時間的に順次に増巾される
。

制御量発生装置１４では比較装置１２にて比較し出力さ
れた結果にもとずき、所定の制御量を発生させ点制御装
置１５により加工機械の制御を行なう。

上記の説明は反射パターンの形状を検出し、加工機械を
制御するための装置構成をきわめて一般的にしめしたも
のであるが、次にその具体的な実施例についてのべる。

第３図は観測装置として工業用テレビジョンを、一連の
情報処理装置として計算機を用いた場合の実施例である
。

図で６１は観測スクリーン、６２は結像レンズ、６３は
テレビカメラ、１０１は同期信号発生回路、１０２はテ
レビカメラの水平、垂直方向の掃引回路、１０３は２次
元位置のサンプリング回路、１１は１つのサンプリング
点に対応して増巾器９からの信号の大きさを、各大きさ
のレベルに区分してとり出すようにしたＡ−Ｄ変換器、
１６はインプット・インターフェイス、１７は計算機、
１８はアウトプット・インターフェイス、１５は制御装
置である。

この実施例の動作の説明を次にのべる。

ワーク１からの反射光は観測スクリーン６１の上に反射
光パターンを形成し、その像は結像レンズ６２によりテ
レビカメラ６３の撮像面上に結像される。

同期信号発生回路１０１からの同期信号を基準にして掃
引回路１０２から掃引信号を発生させ、テレビカメラ６
３は２次元方向に掃引され、カメラ６３からのビデオ信
号は増巾器９により増巾される。

一方同期信号発生回路１０１からの同期信号をもとにし
て観測面上の２次元的な観測点を選択し、サンプリング
するための信号がサンプリング回路１０３より作られる
。

２次元位置の指定は水平走査線を指定する水平掃引の同
期パルス、および水平方向をあらかじめ所定区間に電気
的に仕分けておき、それらの区間に対応して発生するよ
うにしたパルスとによりおこなわれる。

サンプリング点の組合せ、およびそのサンプリング順序
（」あらかじめ決めておく。

上記の１つのサンプリング信号に対しビデオ増巾器９の
出力はＡ−Ｄ変換器１１によりディジタル値に変換され
、この実施例ではそのディジタル値はそのまへただちに
インプット・インターフェイス１６に供給され、インタ
ーフェイス１６から計算機１７にデータが読みこまれる
。

計算機１７の中では、あらかじめメモリーにインプット
されている標準パターンを、サンプリング回路１０３か
らのサンプリング信号により、各サンプリング点のデー
クーを順次呼び出して、インプットデークと比較して比
較値を再び記憶する。

全サンプリング点に関して−通りの比較動作が完了した
後、記憶された比較値を呼び出してその組合せを判断し
、その結果により所定の制御量をたとえば加工機を停止
させるべきかどうか、また異常な状況にないかどうかを
判断して、指令信号をアウトプット・インターフェイス
１８を通して、制御装置１５に送り、加工機の動作を指
示する接点の開閉あるいは場合によっては加工条件のパ
ラメータを変化させる。

上記実施例のほかにもたとえば複数台の研削盤と検出装
置を配置し、これを１台の計算機１７を用いて情報処理
をおこなうことは当然可能である。

またサンプリング点が少く、また信号の大きさの測定値
が粗くて済む場合、すなわち信号処理として簡単である
場合には計算機１７の代りにそれと原理的に類似の機能
をもつ電気回路に置きかえてもよい。

きわめて簡単なパターンの検出で済む場合の実施例を第
４図にしめす。

第４図ａで１９は観測面、２０〜２４は観測面１９の上
に図のように配置された光検出器で、反射光パターン８
１が観測面１９の上に形成されている状況をしめす。

第４図すはこの実施例の信号処理方式をしめすもので、
２０〜２４は第４図ａのそれぞれの同一番号にしめず光
検出器からの入力端子をしめす。

１１１〜１１４は差動増巾器、１３１〜１３４は差動増
巾器１１１〜１１４からの差動出力をそれぞれ判定する
基準を与えるための標準電圧発生回路、１４１〜１４４
は上記差動出力と標準電圧とを比較して大小関係に対応
して一定の電圧を発生するための判定回路、２５はＯＲ
回路、２６は研削盤駆動継続を指令するＧＯ信号端子、
２７はＡＮＤ回路、２８は研削盤の停止を指令するＮ０
ＧＯ信号端子である。

この方式の動作は次の通りである。

ワークからの反射パターン８１は第４図ａのように直接
観測面１９の上に形成され、光検出器２０〜２４の出力
は、反射パターン８１の強度分布を部分的にサンプリン
グしたことに相当する。

差動増巾器１１１〜１１４により、反射パターンの中心
部に対置した光検出器２０からの出力との相対値をとる
ことにより、相対的な分布が抽出される。

この差動出力値をあらかじめ基準値として設定した１３
１〜１３４から与えられる標準電圧との大小関係を判定
回路１４１〜１４４によりそれぞれ比較する。

もし人力信号が標準電圧より大きい場合には信号パルス
をＡＮＤ回路２７に送り、小さい場合にはＯＲ回路２５
に送る。

通常、研削が不充分である場合には反射パターン、すな
わちパワースペクトルは広い周波数範囲にわたって広が
っているが、研削が進むに従って表面の形状がなめらか
になってゆき、パワースペクトルは低周波領域、つまり
反射パターンの中心部に光が集ってくる。

従って充分研削がおこなわれれば差動増巾器１１１〜１
１４からの出力はいずれも標準値より大きくなる。

各サンプリング点に対応する差動出力が標準値より大き
くなり、研削が所定の程度に達したなら、各判定回路１
４１〜１４４からの信号パルスがＡＮＤ回路２７に入り
、その結果、研削を停止させる信号が２８に発生する。

もし差動出力の大きさが標準電圧より小さい場合には信
号パルスがＯＲ回路２５に送られ、１つでも信号パルス
がある場合には研削を継続するＧＯ信号が端子２６に発
生する。

以上の如くこの発明による装置を適用する場合、検出の
対象物と周辺の条件により、反・射パターンを観測する
手段ならびに信号を処理する手段とは最も適合した方法
が選択されるべきものである。

この発明にもとづく検出装置は、加工機により加工され
るワークの表面の観測のみならず、生産過程、または仕
上げ過程にある金属板表面の観測、検査、あるいはガラ
ス、紙等の表面状態の観測等にも広く応用することがで
きる。

以上のべてきたところにより、この発明により物体表面
の定量的な評両が簡単な手段により可能となり、また加
工中の被加工物体の表面を即時自動観測することが可能
となり、技術的、かつ実用的効果は著しい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の検出装置を円筒研削盤に適用する場
合の実施例の構成図、第２図はこの発明による装置の原
理的な構成を包括的にしめす図、第３図はこの発明の装
置の具体的な一実施例の構成図、第４図は他の実施例の
構成図、第５図は物体からの反射光線による回折像の説
明図である。 なお図中同一部分、または相当する部分は同一符号にて
しめす。 第１図で１は被研削材料（ワーク）、２は砥石、３は回
転軸、４は検出装置全体、５はレーザ光源、６は反射パ
ターン観測装置である。 第２図で９は１個または複数個の増巾器、１０は走査装
置、１１はＡ−Ｄ変換装置、１２は比較装置、１３は標
準パターン発生装置、１４は制御量発生装置、１５は加
工機械の制御装置である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被検査対象物体の表面にコヒーレント光線を照射す
   る光源と、上記表面からの反射光線により形成される回
   折像の光強度の分布を測定する観測装置、この観測装置
   で測定した分布を所定の標準パターンと比較する比較装
   置とを備えた表面状態観測装置。 ２ 被検査対象物体の表面にコヒーレント光線を照射す
   る光源と、上記表面からの反射光線により形成される回
   折像中における光強度の一次元的ないしは２次元的分布
   パターンを観測するよう配置された複数個の光電変換素
   子と、これら光電変換装置の出力信号から得られる反射
   光分布パターンを所定の標準分布バクーンと比較判定す
   る比較装置とを備えた表面状態観測装置。 ３ 加工中の被加工物体の表面にコヒーレント光線を照
   射する光源と、上記表面からの反射光線により形成され
   る回折像中における光強度の一次元的ないしは２次元的
   分布パターンを観測するよう配置された複数個の光電変
   換素子と、これら光電変換素子の出力信号から得られる
   反射光分布パターンを所定の標準分布パターンと比較判
   定する比較装置と、上記比較判定結果にもとづき加工機
   械に所要の制御を行なう制御手段とを備えたことを特徴
   とする表面状態観測装置。