(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つまたは複数の距離検出器を用いて被測定物までの複数の距離を測定し、得られた測定結果から前記被測定物の被測定面における法線ベクトルを求める法線検出方法において、
同一円周上に配列されて前記距離検出器が前記被測定物までの距離を測定する複数の測定位置と、これら複数の測定位置において前記距離検出器によって得られた複数の測定結果とから前記複数の測定位置における前記被測定面上の複数の測定点を三次元座標で表し、
前記距離検出器によって前記複数の測定位置のうちの任意の第一の測定位置で測定する第一の測定点と、配列方向において前記第一の測定位置と対向する第二の測定位置で測定する第二の測定点とを、三次元軸上で繋いだ直線を第一のベクトルとし、
配列方向において前記第一の測定位置と前記第二の測定位置の中間に位置する第三の測定位置で測定する第三の測定点と、配列方向において前記第一の測定位置と前記第二の測定位置の中間に位置し、配列方向において前記第三の測定位置と対向する第四の測定位置で測定する第四の測定点とを三次元軸上で繋ぎ、前記第一の測定点または前記第二の測定点が起点となるように平行移動した直線を第二のベクトルとし、
前記第一のベクトルと前記第二のベクトルとの外積によって前記被測定面における法線ベクトルを求めることを特徴とする法線検出方法。
【請求項２】
前記第一のベクトルと前記第二のベクトルとが直角となることを特徴とする請求項１に記載の法線検出方法。
【請求項３】
前記距離検出器によって得られる前記複数の測定結果のうち、前記第一の測定位置における第一の測定結果と前記第二の測定位置における第二の測定結果との差が最大となるように、前記第一の測定位置、前記第二の測定位置、前記第三の測定位置および前記第四の測定位置を選定したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の法線検出方法。
【請求項４】
前記距離検出器を、前記第一の測定位置、前記第二の測定位置、前記第三の測定位置および前記第四の測定位置を含む八か所に放射状となるように配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の法線検出方法。
【請求項５】
前記距離検出器として非接触センサーを用いたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の法線検出方法。
【請求項６】
被測定物までの距離を測定する一つまたは複数の距離検出器と、
同一円周上に配列されて前記距離検出器が前記被測定物までの距離を測定する複数の測定位置と、これら複数の測定位置において前記距離検出器によって得られた複数の測定結果とから前記複数の測定位置における前記被測定物の被測定面上の複数の測定点を三次元座標で表し、前記距離検出器によって前記複数の測定位置のうちの任意の第一の測定位置で測定する第一の測定点と、配列方向において前記第一の測定位置と対向する第二の測定位置で測定する第二の測定点とを三次元軸上で繋いだ直線を第一のベクトルとし、配列方向において前記第一の測定位置と前記第二の測定位置の中間に位置する第三の測定位置で測定する第三の測定点と、配列方向において前記第一の測定位置と前記第二の測定位置の中間に位置し、配列方向において前記第三の測定位置と対向する第四の測定位置で測定する第四の測定点とを三次元軸上で繋ぎ、前記第一の測定点または前記第二の測定点が起点となるように平行移動した直線を第二のベクトルとし、前記第一のベクトルと前記第二のベクトルの外積によって前記被測定面における法線ベクトルを算出し、この法線ベクトルから加工箇所の設定点を通る加工用ベクトルを算出する演算手段と、
を有することを特徴とする法線検出装置。
【請求項７】
請求項６に記載の法線検出装置と、
当該法線検出装置および加工具の姿勢を、前記演算手段によって算出された加工用ベクトルへ三次元的に制御する三次元姿勢制御手段と
を有することを特徴とする法線検出機能を備えた加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離検出器を用いた法線検出方法、法線検出装置および法線検出機能を備えた加工機に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械加工では、設計図面通りおよび加工設定通りに加工を施すことが重要であり、そのためには被加工物に対する加工位置、加工方向および加工量を正確に把握することが必要である。
【０００３】
例えば、航空機の機体などのように多くの構成部品をリベットやファスナーなどの機械的結合部品によって機械的に結合して成る構造物においては、各構成部品に機械的結合部品を通すための穴明け加工を正確な加工位置、加工方向および加工量で施す必要がある。
【０００４】
航空機の一構成部品である主翼と骨格部品等を機械的結合部品などによって機械的に結合する際、主翼の表面から機械的結合部品が突出することで主翼表面に凸部が形成される、または機械的結合部品の取付け穴が深いことで主翼表面に凹部が形成されることがある。これら主翼の表面の凸部および凹部は飛行機の空力性能に影響する。よって、凸部および凹部が最小限となるように、被加工物である主翼に対して、機械的結合部品を通すための穴明け加工を正確な加工位置かつ正確な加工方向かつ正確な加工量で行う。ここで、加工方向とは主に被加工物の加工対象面に対して直角であり、加工の際には加工対象面における法線ベクトルを求める必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６１−２６９００２号公報
【特許文献２】特開平８−７１８２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
加工対象面における法線ベクトルを求める法線検出方法として特許文献１があり、法線検出機能を備えた加工機として特許文献２がある。
【０００７】
特許文献１の法線検出方法は、内筒と外筒が同軸上に嵌合されて成り、内筒に対して外筒が周方向回転および軸方向可動である法線検出治具において、内筒の一端側先端面に放射状に設置した複数の接触センサーのうち対向する二つの接触センサーが被測定物に接触し、外筒の一端側にある突出した対向する二つの先端面に設置した対向する二つの接触センサーが被測定物に接触することで、被測定物の被測定面における法線ベクトルを求める方法である。
【０００８】
これは、法線検出治具の軸方向が被測定面における法線ベクトルと同一であるかを判別する方法である。つまり、内筒の対向する二つの接触センサーが被測定物を検知し、且つ外筒の先端に設置した二つの接触センサーが被測定物を検知するような法線検出治具の軸方向を手探りで模索しなければならない。よって、法線検出治具の軸方向を被測定面における法線ベクトルと一致させる作業には時間が掛かってしまう。また、特許文献１の法線検出方法では、法線検出治具の姿勢を自動制御することは困難である。
【０００９】
特許文献２の法線検出機能を備えた加工機は、一端側に二つの非接触センサーを設置し、他端側にモータ駆動の高さ調整機構を設けた加工治具を備えた穴明け加工機である。二つの非接触センサーを穴明け加工具に対して対称となるように配置し、高さ調整機構を二つの非接触センサーおよび加工具と一列に並ぶように配置する。二つの非接触センサーによる測定距離が同一となるように高さ調整機構によって調整することで、加工対象面に対する加工機の加工方向が直角となるようにする。
【００１０】
これは、二つの非接触センサーおよび高さ調整機構が並ぶ一方向に対する直角度を検出する装置である。よって、当該方向とは異なる方向に対する直角度は検出できないので、加工対象面における法線ベクトルを高精度に求めるには不十分である。
【００１１】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたもので、被測定面における法線ベクトルを模索する必要がないように、距離検出器による測定距離から被測定面における法線ベクトルを高精度に算出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決する第一の発明に係る法線検出方法は、一つまたは複数の距離検出器を用いて被測定物までの複数の距離を測定し、得られた測定結果から前記被測定物の被測定面における法線ベクトルを求める法線検出方法において、同一円周上に配列されて前記距離検出器が前記被測定物までの距離を測定する複数の測定位置と、これら複数の測定位置において前記距離検出器によって得られた複数の測定結果とから前記複数の測定位置における前記被測定面上の複数の測定点を三次元座標で表し、前記距離検出器によって前記複数の測定位置のうちの任意の第一の測定位置で測定する第一の測定点と、配列方向において前記第一の測定位置と対向する第二の測定位置で測定する第二の測定点とを三次元軸上で繋いだ直線を第一のベクトルとし、配列方向において前記第一の測定位置と前記第二の測定位置の中間に位置する第三の測定位置で測定する第三の測定点と、配列方向において前記第一の測定位置と前記第二の測定位置の中間に位置し、配列方向において前記第三の測定位置と対向する第四の測定位置で測定する第四の測定点とを三次元軸上で繋ぎ、前記第一の測定点または前記第二の測定点が起点となるように平行移動した直線を第二のベクトルとし、前記第一のベクトルと前記第二のベクトルとの外積によって前記被測定面における法線ベクトルを求めることを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する第二の発明に係る法線検出方法は、前記第一のベクトルと前記第二のベクトルとが直角となることを特徴とする
【００１４】
上記課題を解決する第三の発明に係る法線検出方法は、前記距離検出器によって得られる前記複数の測定結果のうち、前記第一の測定位置における第一の測定結果と前記第二の測定位置における第二の測定結果との差が最大となるように、前記第一の測定位置、前記第二の測定位置、前記第三の測定位置および前記第四の測定位置を選定したことを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する第四の発明に係る法線検出方法は、前記距離検出器を、前記第一の測定位置、前記第二の測定位置、前記第三の測定位置および前記第四の測定位置を含む八か所に放射状となるように配置したことを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する第五の発明に係る法線検出方法は、前記距離検出器として非接触センサーを用いたことを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決する第六の発明に係る法線検出装置は、被測定物までの距離を測定する一つまたは複数の距離検出器と、同一円周上に配列されて前記距離検出器が前記被測定物までの距離を測定する複数の測定位置と、これら複数の測定位置において前記距離検出器によって得られた複数の測定結果とから前記複数の測定位置における前記被測定物の被測定面上の複数の測定点を三次元座標で表し、前記距離検出器によって前記複数の測定位置のうちの任意の第一の測定位置で測定する第一の測定点と、配列方向において前記第一の測定位置と対向する第二の測定位置で測定する第二の測定点とを三次元軸上で繋いだ直線を第一のベクトルとし、配列方向において前記第一の測定位置と前記第二の測定位置の中間に位置する第三の測定位置で測定する第三の測定点と、配列方向において前記第一の測定位置と前記第二の測定位置の中間に位置し、配列方向において前記第三の測定位置と対向する第四の測定位置で測定する第四の測定点とを三次元軸上で繋ぎ、前記第一の測定点または前記第二の測定点が起点となるように平行移動した直線を第二のベクトルとし、前記第一のベクトルと前記第二のベクトルの外積によって前記被測定面における法線ベクトルを算出し、この法線ベクトルから加工箇所の設定点を通る加工用ベクトルを算出する演算手段とを有することを特徴とする。
【００１８】
上記課題を解決する第七の発明に係る法線検出機能を備えた加工機は、第六の発明に係る法線検出装置と、当該法線検出装置および加工具の姿勢を前記演算手段によって算出された方向へ三次元的に制御する三次元姿勢制御手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
第一の発明に係る法線検出方法によれば、平行でない第一のベクトルと第二のベクトルから法線ベクトルを算出しているので、平面および曲面における法線ベクトルを高精度に求めることができる。また、距離検出器による測定距離から被測定面における法線ベクトルを算出することができるので、本発明に係る法線検出方法を加工機等に適用した場合には、加工機の加工具等の姿勢を自動制御することが容易になり、加工機の加工方向等を被測定面における法線ベクトルと一致させるように加工機の加工具等の姿勢を制御する作業時間の短縮を図ることができる。
【００２０】
第二の発明に係る法線検出方法によれば、直角を成す第一のベクトルと第二のベクトルから法線ベクトルを算出しているので、平面および曲面における法線ベクトルをより高精度に求めることができる。
【００２１】
第三の発明に係る法線検出方法によれば、対向する測定位置における測定結果の差が最大となる箇所の測定結果によって法線ベクトルを算出するようにしたので、算出する法線ベクトルの精度が向上する。
【００２２】
第四の発明に係る法線検出方法によれば、放射状に設置した八個の距離検出器を用いることで、八か所同時の測定が可能になり、穴や端面等によって一部の距離検出器が有効な測定を行えない場合にも有効な測定を行える他の距離検出器によって得られる測定距離から法線ベクトルを求めることができる。
【００２３】
第五の発明に係る法線検出方法によれば、距離検出器として非接触センサーを用いることで、接触センサーを被測定物に接触させるための動作がなくなるので、被測定面における法線ベクトルを求める作業時間を短縮できる。
【００２４】
第六の発明に係る法線検出装置によれば、直角を成す第一のベクトルと第二のベクトルから法線ベクトルを算出しているので、平面および曲面における法線ベクトルを高精度に求めることができる。また、距離検出器による測定距離から被測定面における法線ベクトルを算出することができるので、本発明に係る法線検出装置を加工機等に適用した場合には、加工機の加工具等の姿勢を自動制御することが容易になり、加工機の加工方向等を被測定面における法線ベクトルと一致させるように加工機の加工具等の姿勢を制御する作業時間の短縮を図ることができる。
【００２５】
第七の発明に係る法線検出機能を備えた加工機によれば、第五の発明に係る法線検出装置によって被測定面における法線ベクトルを算出し、この算出した法線ベクトルに合わせて三次元姿勢制御手段により加工具の姿勢を制御するので、加工具を正確かつ迅速に法線ベクトルに一致させることができ、正確な法線方向の加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施例１に係る距離検出器による測定を示す概念図である。
【図２】実施例１に係る加工治具における距離検出器の配置を示す平面図（図３におけるII方向矢視を示す）である。
【図３】図２のIII方向矢視を示す側面図である。
【図４】実施例１に係る平行治具を取付けた加工治具を示す平面図（図５におけるIV方向矢視を示す）である。
【図５】図４のＶ方向矢視を示す側面図である。
【図６】実施例１に係る傾斜治具を取付けた加工治具を示す平面図（図７におけるVI方向矢視を示す）である。
【図７】図６のVII方向矢視を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に、本発明に係る法線検出方法の実施例について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各種変更が可能であることは言うまでもない。
【実施例１】
【００２８】
本発明の実施例１に係る法線検出方法について、図１乃至図７を参照して説明する。
【００２９】
本実施例では、図示しない加工機に法線検出機構を備えた加工治具１０を取付け、加工対象である被測定物２０の被測定面２１における法線方向からの加工を可能にする。
【００３０】
図１および図２に示すように、加工治具１０は、被測定物２０までの距離を測定する非接触センサー３０、非接触センサー３０によって得られる測定距離Ｌから被測定面２１における法線ベクトルＶｎおよび加工用ベクトルＶｍを算出する図示しない演算手段、演算手段によって算出された方向へ加工治具１０の姿勢を図示しない加工機の加工具（主軸および工具など）と共に三次元的に制御する図示しない三次元姿勢制御手段を有する。本実施例の加工治具１０では、加工治具１０の加工側先端面１１に八個の非接触センサー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆ、３０ｇ、３０ｈを放射状に設置する。
【００３１】
また、加工治具１０は、加工治具１０に設置した非接触センサー３０ａ〜３０ｈにおけるＺ方向の補正を行うための平行治具４０（図４および図５）、および加工治具１０に設置した非接触センサー３０ａ〜３０ｈにおけるＸ方向およびＹ方向の補正を行うための傾斜治具５０（図６および図７）を取付け外し可能な加工側先端孔１２を有する。ここで、Ｚ方向は非接触センサー３０ａ〜３０ｈの測定方向であり、Ｘ方向はＺ方向に直交する任意の方向であり、Ｙ方向はＺ方向かつＸ方向に直交する方向である。なお、加工治具１０の加工側先端孔１２は、加工の際に図示しない加工機の加工部位を通す孔としても用いられる。
【００３２】
平行治具４０は、非接触センサー３０ａ〜３０ｈにおけるＺ方向の補正を行うための治具であり、図４および図５に示すように、加工治具１０の加工側先端孔１２に嵌合する取付け円筒部４１を有し、非接触センサー３０ａ〜３０ｈにおけるＺ方向の補正を行うためのＺ方向補正面４２を有する。平行治具４０の取付け円筒部４１を加工治具１０の加工側先端孔１２に挿し込み、加工治具１０に対して平行治具４０を固定すると、Ｚ方向補正面４２は加工治具１０の加工側先端面１１と平行すなわち非接触センサー３０ａ〜３０ｈの測定方向であるＺ方向に対して直交し、且つ加工治具１０の加工側先端面１１から任意の距離δｚに位置する。なお、八個の非接触センサー３０ａ〜３０ｈにおけるＺ方向の補正を行うので、Ｚ方向補正面４２は八個の非接触センサー３０ａ〜３０ｈがＺ方向補正面４２までの距離を測定できる程度に広い。
【００３３】
傾斜治具５０は、非接触センサー３０ａ〜３０ｈにおけるＸ方向およびＹ方向の補正を行うための治具であり、図６および図７に示すように、加工治具１０の加工側先端孔１２に嵌合する取付け円筒部５１を有し、非接触センサー３０ａ〜３０ｈにおけるＸ方向およびＹ方向の補正を行うためのＸＹ方向補正面５２を有する。取付け円筒部５１を加工側先端孔１２に挿し込み、加工治具１０に対して傾斜治具５０を固定すると、ＸＹ方向補正面５２は加工治具１０の加工側先端面１１に対して任意の角度θを成し、且つＸＹ方向補正面５２の中心部５３が加工治具１０の加工側先端面１１から任意の距離δｘｙに位置する。なお、八個の非接触センサー３０ａ〜３０ｈにおけるＸＹ方向の補正を行うので、ＸＹ方向補正面５２は八個の非接触センサー３０ａ〜３０ｈがＸＹ方向補正面５２までの距離を測定できる程度に広い。
【００３４】
傾斜治具５０の取付け円筒部５１の外壁面に図示しない凸部を設け、加工治具１０の加工側先端孔１２の内壁面に図示しない第一の凹部を設け、傾斜治具５０の取付け円筒部５１の凸部と加工治具１０の加工側先端孔１２の第一の凹部が係合することでＸＹ方向補正面５２がＸ方向と平行になるように取付けることができ、加工治具１０の加工側先端孔１２の内壁面に第一の凹部とは円周方向に９０度異なる位置に図示しない第二の凹部を設け、傾斜治具５０の取付け円筒部５１の凸部と加工治具１０の加工側先端孔１２の第二の凹部が係合することでＸＹ方向補正面５２がＹ方向と平行になるように取付けることができる。
【００３５】
まず、加工治具１０と平行治具４０を用いた、加工治具１０に設置した非接触センサー３０ａ〜３０ｈにおけるＺ方向の補正について図５を参照して説明する。
【００３６】
平行治具４０を加工治具１０に取付け、八個の非接触センサー３０ａ〜３０ｈによって平行治具４０のＺ方向補正面４２までの距離を測定する。平行治具４０のＺ方向補正面４２が加工治具１０の加工側先端面１１から任意の距離δｚとなるように平行治具４０およびＺ方向補正面４２を形成し、加工治具１０と組付けている。よって、非接触センサー３０ａ〜３０ｈによって得られるＺ方向補正面４２までの測定距離Ｌｚａ〜Ｌｚｈと比較することで、八個の非接触センサー３０ａ〜３０ｈにおけるＺ方向の補正を行うことができる。つまり、加工治具１０に対する八個の非接触センサー３０ａ〜３０ｈのＺ方向における設置位置を正確に把握でき、八個の非接触センサー３０ａ〜３０ｈの加工治具１０への組付け等による相対的な誤差を補正し、非接触センサー３０ａ〜３０ｈによるＺ方向の距離測定を正確に行うことができる。
【００３７】
次いで、加工治具１０と傾斜治具５０を用いた、加工治具１０に設置した非接触センサー３０ａ〜３０ｈにおけるＸ方向の補正について図７を参照して説明する。
【００３８】
傾斜治具５０をＸＹ方向補正面５２がＹ方向と平行になるように加工治具１０に取付け、八個の非接触センサー３０ａ〜３０ｈによって傾斜治具５０のＸＹ方向補正面５２までの距離を測定する。ＸＹ方向補正面５２が加工治具１０の加工側先端面１１に対して任意の角度θ、且つＸＹ方向補正面５２の中心部が加工治具１０の加工先端面１１から任意の距離δｘｙとなるように傾斜治具５０およびＸＹ方向補正面５２を形成し、加工治具１０と組付けている。よって、非接触センサー３０ａ〜３０ｈによって得られる測定距離Ｌｘａ〜Ｌｘｈから算出することで、八個の非接触センサー３０ａ〜３０ｈにおけるＸ方向の補正を行うことができる。つまり、加工治具１０に対する八個の非接触センサー３０ａ〜３０ｈのＸ方向における設置位置Ｘａ〜Ｘｈを正確に把握でき、八個の非接触センサー３０ａ〜３０ｈの加工治具１０への組付け等による相対的な誤差を補正し、非接触センサー３０ａ〜３０ｈによるＸ方向の距離測定を正確に行うことができる。
【００３９】
次いで、加工治具１０と傾斜治具５０を用いた、加工治具１０に設置した非接触センサー３０ａ〜３０ｈにおけるＹ方向の補正について図７を参照して説明する。
【００４０】
傾斜治具５０をＸＹ方向補正面５２がＸ方向と平行となるように加工治具１０に取付け、八個の非接触センサー３０ａ〜３０ｈによって傾斜治具５０のＸＹ方向補正面５２までの距離を測定する。ＸＹ方向補正面５２が任意の角度θ、且つＸＹ方向補正面の中心部が加工治具１０の加工先端面１１から任意の距離δｘｙとなるように傾斜治具５０を形成し、加工治具１０と組付けている。よって、非接触センサー３０ａ〜３０ｈによって得られる測定距離Ｌｙａ〜Ｌｙｈから算出することで、八個の非接触センサー３０ａ〜３０ｈにおけるＹ方向の補正を行うことができる。つまり、加工治具１０に対する八個の非接触センサー３０ａ〜３０ｈのＹ方向における設置位置Ｙａ〜Ｙｈを正確に把握でき、八個の非接触センサー３０ａ〜３０ｈの加工治具１０への組付け等による相対的な誤差を補正し、非接触センサー３０ａ〜３０ｈによるＹ方向の距離測定を正確に行うことができる。
【００４１】
次いで、加工治具１０を用いた、被測定面２１における法線ベクトルＶｎを求める法線検出方法について図１を参照して説明する。
【００４２】
法線ベクトルＶｎは、加工治具１０に設置した八個の非接触センサー３０ａ〜３０ｈから四個を選定し、後述する選定された組み合わせの非接触センサー３０ａと３０ｅおよび３０ｃと３０ｇによって得られる測定距離Ｌａ、Ｌｅ、Ｌｃ、Ｌｇおよび選定された組み合わせの非接触センサー３０ａと３０ｅおよび３０ｃと３０ｇの設置位置Ｐａ（Ｘａ、Ｙａ）、Ｐｅ（Ｘｅ、Ｙｅ）、Ｐｃ（Ｘｃ、Ｙｃ）、Ｐｇ（Ｘｇ、Ｙｇ）から算出して求める。
【００４３】
八個の非接触センサー３０ａ〜３０ｈによって測定した被測定物２０までの測定距離Ｌａ〜Ｌｈが、すべて有効であるとは限らない。これは、被測定物２０の測定点Ｑａ〜Ｑｈに穴が開いている場合、または測定点Ｑａ〜Ｑｈが被測定物の端部から外れている場合などによる。しかし、必ずしも全ての非接触センサー３０ａ〜３０ｈによって有効な測定距離Ｌａ〜Ｌｈが得られる必要はなく、有効な測定距離Ｌａ〜Ｌｈが必要条件に満たせば良い。有効な測定距離Ｌａ〜Ｌｈが必要条件に満たない場合は、加工治具１０を僅かに平行移動させて非接触センサー３０ａ〜３０ｈによる被測定物２０までの距離の測定を行うことで、有効な測定距離Ｌａ〜Ｌｈが必要条件を満たすようにする。
【００４４】
加工治具１０に設置した八個の非接触センサー３０ａ〜３０ｈを用いて、被測定物２０までの測定距離Ｌａ〜Ｌｈを測定する。加工治具１０に設置した非接触センサー３０ａ〜３０ｈにおいて、対向に位置する組み合わせの非接触センサー３０ａと３０ｅ、３０ｂと３０ｆ、３０ｃと３０ｇ、３０ｄと３０ｈは四組あり、非接触センサー３０ａと３０ｅから得られる測定距離ＬａとＬｅの差である測定距離差ΔＬａｅ、非接触センサー３０ｂと３０ｆから得られる測定距離ＬｂとＬｆの差である測定距離差ΔＬｂｆ、非接触センサー３０ｃと３０ｇから得られる測定距離ＬｃとＬｇの差である測定距離差ΔＬｃｇ、非接触センサー３０ｄと３０ｈから得られる測定距離ＬｄとＬｈの差である測定距離差ΔＬｄｈを算出する。
【００４５】
【数１】
0005936039.tif 000002
【００４６】
各組の測定距離差ΔＬａｅ、ΔＬｃｇ、ΔＬｂｆ、ΔＬｄｈを比較し、差分が最大となる組み合わせを選定する。
【００４７】
【数２】
0005936039.tif 000003
【００４８】
対向に位置する組み合わせの非接触センサー３０ａと３０ｅ、および対向に位置する組み合わせの非接触センサー３０ａと３０ｅに対して相対的に直交を成す組み合わせの非接触センサー３０ｃと３０ｇを選定された組み合わせの非接触センサー３０ａと３０ｅおよび３０ｃと３０ｇとする。
【００４９】
なお、非接触センサー３０ａ〜３０ｈから得られる測定距離Ｌａ〜Ｌｈに有効でない測定結果が含まれることがある。例えば、測定距離Ｌｂが有効でない場合には、上記の比較を行わずに、対向に位置する組み合わせの非接触センサー３０ａ、３０ｅ、３０ｃ、３０ｇが選定される。
【００５０】
選定された組み合わせの非接触センサー３０ａと３０ｅおよび３０ｃと３０ｇによって測定する被測定面２１上の測定点Ｑａ、Ｑｃ、Ｑｅ、Ｑｇを、非接触センサー３０ａ、３０ｃ、３０ｅ、３０ｇのＸＹ方向の設置位置Ｐａ（Ｘａ、Ｙａ）、Ｐｃ（Ｘｃ、Ｙｃ）、Ｐｅ（Ｘｅ、Ｙｅ）、Ｐｇ（Ｘｇ、Ｙｇ）、および非接触センサー３０ａ、３０ｃ、３０ｅ、３０ｇによって得られた測定距離Ｌａ、Ｌｃ、Ｌｅ、Ｌｇから、三次元座標で表す。
【００５１】
測定点Ｑａ（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）
測定点Ｑｃ（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ）
測定点Ｑｅ（Ｘｅ、Ｙｅ、Ｚｅ）
測定点Ｑｇ（Ｘｇ、Ｙｇ、Ｚｇ）
【００５２】
三次元座標を基に、対向する非接触センサー３０ａと３０ｅによって測定した測定点Ｑａと測定点Ｑｅを結ぶベクトルＶａｅ、および対向する非接触センサー３０ｃと３０ｇによって測定した測定点Ｑｃと測定点Ｑｇを結ぶベクトルＶｃｇを算出する。
【００５３】
【数３】
0005936039.tif 000004
【００５４】
ここで、ｓおよびｔは任意の実数である。
【００５５】
ベクトルＶａｅ、Ｖｃｇは捻じれの関係にあるので、一方のベクトルＶｃｇを平行移動させてベクトルＶａｅの一方の起点である測定点Ｑａ（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）を通るベクトルＶ´ｃｇとする。
【００５６】
【数４】
0005936039.tif 000005
【００５７】
ベクトルＶａｅとベクトルＶ´ｃｇの外積であるベクトルＶｎを算出する。ベクトルＶｎはベクトルＶａｅおよびベクトルＶ´ｃｇに直交する方向ベクトルであり、被測定面２１における法線ベクトルを示す。
【００５８】
【数５】
0005936039.tif 000006
【００５９】
ここで、ｕは任意の実数である。
【００６０】
算出した法線ベクトルＶｎから加工箇所の設定点Ｒｍ（Ｘｍ、Ｙｍ、Ｚｍ）を通る加工用ベクトルＶｍを算出する。
【００６１】
【数６】
0005936039.tif 000007
【００６２】
ここで、ｖは任意の実数である。
【００６３】
図示しない加工機の加工部位と求めた加工用ベクトルＶｍが一致するように、三次元姿勢制御手段によって加工治具１０の姿勢を図示しない加工機と共に制御する。この制御後は、対向する非接触センサー３０ａ、３０ｃ、３０ｅ、３０ｇによって得られる測定距離Ｌａ、Ｌｃ、Ｌｅ、Ｌｇは同じ値となる。
【００６４】
以上の法線検出方法および三次元姿勢制御によって、被測定面２１における法線ベクトルを高精度に求め、加工治具１０および図示しない加工機の加工具の向きを算出した法線ベクトルに一致させ、正確な法線方向の加工を行うことができる。
【００６５】
また、選定された組み合わせの非接触センサー３０ａと３０ｅおよび３０ｃと３０ｇによって得られる測定距離Ｌａ、Ｌｅ、Ｌｃ、Ｌｇおよび選定された組み合わせの非接触センサー３０ａと３０ｅおよび３０ｃと３０ｇの設置位置Ｐａ（Ｘａ、Ｙａ）、Ｐｅ（Ｘｅ、Ｙｅ）、Ｐｃ（Ｘｃ、Ｙｃ）、Ｐｇ（Ｘｇ、Ｙｇ）によって法線ベクトルＶｎを算出するだけでなく、非接触センサー３０ｂと３０ｆおよび３０ｄと３０ｈによって得られる測定距離Ｌｂ、Ｌｆ、Ｌｄ、Ｌｈおよび選定された組み合わせの非接触センサー３０ｂと３０ｆおよび３０ｄと３０ｈの設置位置Ｐｂ（Ｘｂ、Ｙｂ）、Ｐｆ（Ｘｆ、Ｙｆ）、Ｐｄ（Ｘｄ、Ｙｄ）、Ｐｈ（Ｘｈ、Ｙｈ）によって法線ベクトルＶ´ｎを算出し、複数の法線ベクトルＶｎとＶ´ｎの平均を取ることで、被測定面２１における法線ベクトルをより高精度に求めることもできる。
【００６６】
なお、本実施例の法線検出方法および三次元姿勢制御の作業を複数回繰り返すことで、被測定面２１における法線ベクトルをより高精度に求め、加工治具１０および図示しない加工機の加工具をより高精度に算出した法線ベクトルに一致させることができる。
【００６７】
法線検出は非接触センサー３０ａ〜３０ｈによって得られる測定距離Ｌａ〜Ｌｈの影響を受けるので、非接触センサー３０ａ〜３０ｈによる正確な測定が必要である。よって、本実施例では加工治具１０に取付けた八個の非接触センサー３０ａ〜３０ｈのＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向の補正を行った。もちろん、非接触センサー３０による正確な測定および設置が予め可能であれば、本実施例のようなＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向の補正は必要ない。
【００６８】
本実施例では距離検出器として八個の非接触センサー３０ａ〜３０ｈを放射状に設置して法線検出を行ったが、本発明はこれに限定されない。例えば、非接触センサー３０を可動式とすることで、一個の非接触センサー３０によって複数の測定位置Ｐで測定した複数の測定距離Ｌから法線ベクトルを算出しても良く、距離検出器として接触センサーを用いた測定距離Ｌから法線ベクトルを算出しても良い。
【００６９】
また、本実施例では法線検出機構を備えた加工治具１０を用いて法線ベクトルを求めたが、本発明はこれに限定されない。例えば、加工機自体に距離検出器、演算手段および三次元姿勢制御手段を設けることで、加工治具１０を用いずに法線検出を行っても良い。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明に係る法線検出方法は、対象面における法線ベクトルを高精度かつ短時間で検出することが可能であり、対象面として平面および曲面に有効であるので、航空機主翼等に穴明けを行う穴明け加工等に極めて有益である。
【符号の説明】
【００７１】
１０  加工治具
１１  加工側先端面
１２  加工側先端孔
２０  被測定物
２１  被測定面
３０  非接触センサー
４０  平行治具
４１  取付け円筒部
４２  Ｚ方向補正面
５０  傾斜治具
５１  取付け円筒部
５２  ＸＹ方向補正面
５３  中心部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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