(57)【要約】【課題】球体表面の中心を迅速かつ正確に算出できる球体中心算出方法を提供すること。【解決手段】球体中心算出方法は、測定装置１０、第１駆動機構１１、および第２駆動機構１２を用いて、測定装置１０から球体２０の中心までの距離を算出する。まず、測定装置１０により、レーザ光を射出しながら第１駆動機構１１を駆動して、レーザ光で球体２０の表面を走査するとともに、反射光の強度とＹ軸回りの回転角との関係を監視し、Ｙ軸回りの回転角のうち反射光の強度が最大となるものを第１回転角として記憶する。次に、測定装置１０により、レーザ光を射出しながら第２駆動機構１２を駆動して、レーザ光で球体２０の表面を走査するとともに、反射光の強度とＸ軸回りの回転角との関係を監視し、Ｘ軸回りの回転角のうち反射光の強度が最大となるものを第２回転角として記憶する。そして、第１回転角および第２回転角に基づいて、球体２０の中心を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を射出する光射出手段およびレーザ光の強度を検出する光検出手段を有する測定手段と、第１走査軸を回転軸として前記測定手段を回転させる第１回転手段と、前記第１走査軸と直交する第２走査軸を回転軸として前記測定手段を回転させる第２回転手段と、を用いて、前記測定手段から球体の中心までの距離を算出する球体中心算出方法であって、
前記測定手段により、レーザ光を射出しながら前記第１回転手段を駆動して、レーザ光で前記球体の表面を走査するとともに、前記射出したレーザ光の反射光の強度を検出して、当該反射光の強度と前記第１走査軸回りの回転角との関係を監視する手順と、
前記第１走査軸回りの回転角のうち前記反射光の強度が最大となるものを第１回転角として記憶する手順と、
前記測定手段により、レーザ光を射出しながら前記第２回転手段を駆動して、レーザ光で前記球体の表面を走査するとともに、前記射出したレーザ光の反射光の強度を検出して、当該反射光の強度と前記第２走査軸回りの回転角との関係を監視する手順と、
前記第２走査軸回りの回転角のうち前記反射光の強度が最大となるものを第２回転角として記憶する手順と、
前記第１回転角および前記第２回転角に基づいて、前記球体の中心を算出する手順と、を備えることを特徴とする球体中心算出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球体中心算出方法に関する。詳しくは、レーザ測定装置を用いて、表面が鏡面である球体の中心を算出する球体中心算出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、レーザ測定装置を用いてワークの形状を測定することが行われている。具体的には、例えば、床面上にワーク台を設け、このワーク台上にワークを載置する。そして、レーザ測定装置を、天井面などのワーク全体を俯瞰できる位置に設ける。
このレーザ測定装置によれば、レーザ光でワーク表面を走査し、測定装置からワーク表面までの距離を計測することで、ワークの形状を測定する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、このようにワークの形状を高精度で測定するためには、ワーク台に対する測定装置の位置を厳密に測定しておく必要があるが、建物の振動により、天井に設置されたレーザ測定装置の位置がずれてしまう場合があった。
【０００４】
この問題を解決するため、床面上に表面が鏡面の球体を設置しておき、レーザ測定装置からこの球体の中心位置までの距離を定期的に測定することで、レーザ測定装置の位置を把握することが行われている。ここで、球体の中心を求める方法としては、例えば、以下の２つが知られている。
【０００５】
第１の方法は、レーザ測定装置により、球体表面に向かってレーザ光を射出する。このレーザ光で照射された球体表面上の点を照射点とすると、レーザ光の反射光を解析することで、レーザ測定装置から照射点までの距離を測定できる。さらに、この測定した距離とレーザ光の射出角度とから、照射点のレーザ測定装置に対する座標を計算する。このような作業を複数回繰り返して、複数の照射点についての座標を算出し、これらの座標に基づいて、球体表面の中心を算出する。
【０００６】
第２の方法は、レーザ測定装置により、球体表面に向かってレーザ光を射出し、このレーザ光の反射光を解析する。レーザ光が球体表面の中心で反射した場合には反射光の強度が最大となるから、反射光の強度が最大となる地点を検出するまで、レーザ光の射出角度を変化させて、球体表面を走査する。
【特許文献１】特開平５−２１５５２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、第１の方法では、照射点が球体表面の中心に位置する場合には、反射光の強度が高く、レーザ測定装置から球体表面までの距離を正確に測定できるが、照射点が球体表面の中心から離れるに従って、反射光の強度が低下し、レーザ測定装置から照射点までの距離を正確に測定することが困難となる。その結果、照射点の座標の測定精度が低くなり、球体表面の中心位置を正確に算出できないおそれがあった。
【０００８】
第２の方法では、反射光の強度が最大となるまでレーザ光で球体表面を走査するため、球体の中心位置の検出に時間がかかっていた。その結果、中心位置を検出する間に、天井面の振動によりレーザ測定装置の位置がずれてしまう場合があった。
【０００９】
本発明は、球体表面の中心を迅速かつ正確に算出できる球体中心算出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の球体中心算出方法は、レーザ光を射出する光射出手段およびレーザ光の強度を検出する光検出手段を有する測定手段と、第１走査軸を回転軸として前記測定手段を回転させる第１回転手段と、前記第１走査軸と直交する第２走査軸を回転軸として前記測定手段を回転させる第２回転手段と、を用いて、前記測定手段から球体の中心までの距離を算出する球体中心算出方法であって、前記測定手段により、レーザ光を射出しながら前記第１回転手段を駆動して、レーザ光で前記球体の表面を走査するとともに、前記射出したレーザ光の反射光の強度を検出して、当該反射光の強度と前記第１走査軸回りの回転角との関係を監視する手順と、前記第１走査軸回りの回転角のうち前記反射光の強度が最大となるものを第１回転角として記憶する手順と、前記測定手段により、レーザ光を射出しながら前記第２回転手段を駆動して、レーザ光で前記球体の表面を走査するとともに、前記射出したレーザ光の反射光の強度を検出して、当該反射光の強度と前記第２走査軸回りの回転角との関係を監視する手順と、前記第２走査軸回りの回転角のうち前記反射光の強度が最大となるものを第２回転角として記憶する手順と、前記第１回転角および前記第２回転角に基づいて、前記球体の中心を算出する手順と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、射出したレーザ光の反射光の強度を検出して、この反射光の強度と第１走査軸回りの回転角との関係を監視し、第１走査軸回りの回転角のうち反射光の強度が最大となるものを第１回転角として記憶する。
レーザ光が照射された球体表面上の点を照射点とすると、第１走査軸回りの回転角が変化することで、球体表面上には、照射点の集合として走査線が引かれることになる。反射光の強度は球体表面の中心に接近するに従って大きくなるから、第１回転角における照射点は、この走査線上の点の中で、球体表面の中心に最も接近した点となる。
【００１２】
同様に、射出したレーザ光の反射光の強度を検出して、この反射光の強度と第２走査軸回りの回転角との関係を監視し、第２走査軸回りの回転角のうち反射光の強度が最大となるものを第２回転角として記憶する。
すると、第２回転角における照射点は、第２走査軸回りの回転角が変化することにより引かれる走査線上の点の中で、球体表面の中心に最も接近した点となる。
【００１３】
そして、第１回転角および第２回転角に基づいて、球体の中心を算出する。つまり、球体表面の中心に近い２つの点の位置関係から、球体の中心を算出する。
【００１４】
従来の第１の方法では、球体表面に複数の照射点についてレーザ測定装置に対する座標を計算するが、照射点が球体表面の中心から離れた位置にあった場合、反射光の強度が低下し、レーザ測定装置から照射点までの距離を正確に測定できなかった。これに対し、本発明によれば、反射光の強度が最も高い２点、つまり、球体表面の中心に近い２点を用いて、球体表面の中心を求めるので、従来に比べて、球体表面の中心を正確に算出できる。
【００１５】
従来の第２の方法では、反射光の強度が最大となる地点を検出するまで球体表面を走査するため、球体の中心位置の検出に時間がかかっていた。これに対し、本発明では、第１走査軸回りの回転角を変化させる動作と、第２走査軸回りの回転角を変化させる動作と、の２つの動作のみでも球体表面の中心を算出できるから、従来に比べて、球体表面の中心を迅速に算出できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、射出したレーザ光の反射光の強度を検出して、この反射光の強度と第１走査軸回りの回転角との関係を監視し、第１走査軸回りの回転角のうち反射光の強度が最大となるものを第１回転角として記憶する。レーザ光が照射された球体表面上の点を照射点とすると、第１走査軸回りの回転角が変化することで、球体表面上には、照射点の集合として走査線が引かれることになる。反射光の強度は球体表面の中心に接近するに従って大きくなるから、第１回転角における照射点は、この走査線上の点の中で、球体表面の中心に最も接近した点となる。同様に、射出したレーザ光の反射光の強度を検出して、この反射光の強度と第２走査軸回りの回転角との関係を監視し、第２走査軸回りの回転角のうち反射光の強度が最大となるものを第２回転角として記憶する。すると、第２回転角における照射点は、第２走査軸回りの回転角が変化することにより引かれる走査線上の点の中で、球体表面の中心に最も接近した点となる。そして、第１回転角および第２回転角に基づいて、球体の中心を算出する。つまり、球体表面の中心に近い２つの点の位置関係から、球体の中心を算出する。これにより、従来の手法に比べて、球体表面の中心を迅速かつ正確に算出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る球体中心算出方法が適用されたワーク測定システム１の側面図である。図２は、ワーク測定システム１のブロック図である。
ワーク測定システム１は、測定手段としての測定装置１０と、第１走査軸としてのＹ軸を回転軸として測定装置１０を回転させる第１回転手段としての第１駆動機構１１と、Ｙ軸と直交する第２走査軸としてのＸ軸を回転軸として測定装置１０を回転させる第２回転手段としての第２駆動機構１２と、これらを制御する制御装置１３と、を備える。
【００１８】
床面２には、ワーク台３が設けられ、このワーク台３にワーク４が載置されている。また、床面２には、表面が鏡面の球体２０が設置されている。
【００１９】
測定装置１０は、工場の天井面５にワーク４全体を俯瞰できる位置に設けられている。この測定装置１０は、レーザ光を射出する光射出手段としての射出部１０１と、レーザ光の強度を検出する光検出手段としての検出部１０２と、を備える。
【００２０】
このワーク測定システム１によれば、測定装置１０からレーザ光を射出し、レーザ光でワーク４の表面を走査して、測定装置１０からワーク４の表面までの距離を計測することで、ワーク４の形状を測定する。
また、このワーク測定システム１は、測定装置１０から離れた球体２０の中心を算出し、測定装置１０から球体２０の中心までの距離を定期的に測定することで、ワーク４の測定誤差を低減する。
【００２１】
ワーク測定システム１の球体２０の中心を算出する動作について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。
ＳＴ１では、Ｘ軸回りの回転角を固定し、この状態で、測定装置１０によりレーザ光を射出しながら第１駆動機構１１を駆動してＹ軸回りに測定装置１０を回転させ、レーザ光で球体２０の表面をＸ軸方向に走査する。同時に、測定装置１０により球体２０の表面で反射するレーザ光を検出して、反射光の強度とＹ軸回りの回転角との関係を監視する。
【００２２】
この動作を、図４に示すように、測定装置１０のＸ軸回りの回転角を少しずつ変化させて、４つの異なるＸ軸回りの回転角について行う。これにより、図５に示すように、球体２０の表面上には、Ｘ軸方向に延びる４本の走査線Ｘ１〜Ｘ４が引かれて、これらの走査線Ｘ１〜Ｘ４について、それぞれ、反射光の強度とＹ軸回りの回転角との関係が監視されることになる。
【００２３】
ＳＴ２では、これらの走査線Ｘ１〜Ｘ４上の点のうち反射光強度が最大となるものを抽出し、反射光強度最大点Ａとして記憶する。具体的には、反射光強度の最大値が測定された走査線、ここでは走査線Ｘ２と、反射光強度の最大値が測定された回転角、ここでは第１回転角θと、を記憶することになる。
【００２４】
反射光強度最大点Ａは走査線Ｘ２上の点の中で最も球体２０の表面の中心に接近しているので、反射光強度最大点Ａを通り、走査線Ｘ２に直交する方向、つまりＹ軸方向に延びる直線ＡＹを引くと、この直線ＡＹ上に球体表面の中心が存在する。
【００２５】
ＳＴ３では、Ｙ軸回りの回転角を固定し、この状態で、測定装置１０によりレーザ光を射出しながら第２駆動機構１２を駆動してＸ軸回りに測定装置１０を回転させ、レーザ光で球体２０の表面をＹ軸方向に走査する。同時に、測定装置１０により球体２０の表面で反射するレーザ光を検出して、反射光の強度とＸ軸まわりの回転角との関係を監視する。
【００２６】
この動作を、図６に示すように、測定装置１０のＹ軸回りの回転角を少しずつ変化させて、４つの異なるＹ軸回りの回転角について行う。これにより、図７に示すように、球体２０の表面上には、Ｙ軸方向に延びる４本の走査線Ｙ１〜Ｙ４が引かれて、これらの走査線Ｙ１〜Ｙ４について、それぞれ、反射光の強度とＸ軸回りの回転角との関係が監視されることになる。
【００２７】
ＳＴ４では、これらの走査線Ｙ１〜Ｙ４上の点のうち反射光強度が最大となるものを抽出し、反射光強度最大点Ｂとして記憶する。具体的には、反射光強度の最大値が測定された走査線、ここでは走査線Ｙ３と、反射光強度の最大値が測定された回転角、ここでは第２回転角φと、を記憶する。
【００２８】
反射光強度最大点Ａは走査線Ｙ３上の点の中で最も球体２０の表面の中心に接近しているので、反射光強度最大点Ｂを通り、走査線Ｙ３に直交する方向、つまりＸ軸方向に延びる直線ＢＸを引くと、この直線ＢＸ上に球体２０の表面の中心が存在する。
【００２９】
ＳＴ５では、反射光強度最大点Ａ、Ｂに基づいて、球体２０の中心までの距離を算出する。つまり、図８に示すように、直線ＡＹと直線ＢＸとの交点である点Ｃを求めると、この点Ｃが球体２０の表面の中心となる。
具体的には、第１回転角θおよび第２回転角φに基づいて、球体２０の表面の中心までの距離を算出する。すなわち、測定装置１０により、Ｙ軸回りに第１回転角θ、Ｘ軸回りに第２回転角φの角度でレーザ光を射出する。すると、図９に示すように、このレーザ光の光路上には、球体２０の表面の中心である点Ｃと、球体２０の中心である点Ｏと、が存在することになる。したがって、このレーザ光の反射光を検出することで、図１０に示すように、測定装置１０から球体２０の表面の中心までの距離Ｌを測定できるので、測定装置１０から球体２０の中心までの距離Ｍは、この距離Ｌと球体の半径ｒとの和となる。
【００３０】
本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）測定装置１０から射出したレーザ光の反射光の強度を検出して、この反射光の強度とＹ軸回りの回転角との関係を監視し、Ｙ軸回りの回転角のうち反射光の強度が最大となるものを第１回転角θとして記憶する。第１回転角θにおける照射点Ａは、走査線Ｘ１〜Ｘ４上の点の中で、球体２０の表面の中心に最も接近した点となる。
【００３１】
同様に、測定装置１０から射出したレーザ光の反射光の強度を検出して、この反射光の強度とＸ軸回りの回転角との関係を監視し、Ｘ軸回りの回転角のうち反射光の強度が最大となるものを第２回転角φとして記憶する。すると、第２回転角φにおける照射点Ｂは、走査線Ｙ１〜Ｙ４上の点の中で、球体２０の表面の中心に最も接近した点となる。
【００３２】
そして、第１回転角θおよび第２回転角φに基づいて、球体２０の中心を算出する。つまり、球体２０の表面の中心に近い２つの点Ａ、Ｂの位置関係から、球体２０の中心を算出する。
【００３３】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、本実施形態では、ＳＴ５では、測定装置１０から球体２０の表面の中心である点Ｃまでの距離Ｌを、直接、測定したが、これに限らず、測定装置１０から反射光強度最大点Ａ、Ｂまでの距離に基づいて、測定装置１０から点Ｃまでの距離Ｌを、間接的に求めてもよい。
すなわち、図１１に示すように、測定装置１０から反射光強度最大点Ａまでの距離Ｌ１を測定し、さらに、測定装置１０から反射光強度最大点Ｂまでの距離Ｌ２を測定する。測定装置１０から反射光強度最大点Ａ、Ｂに至る直線と、測定装置１０から点Ｃに至る直線と、の成す角度δ１、δ２は、十分に小さいと考えられるから、測定装置１０から点Ｃまでの距離Ｌを、Ｌ１およびＬ２の平均とする。
【００３４】
また、例えば、本実施形態では、Ｘ軸方向およびＹ軸方向について、それぞれ４本の走査線Ｘ１〜Ｘ４および走査線Ｙ１〜Ｙ４を設けたが、これに限らず、各方向について走査線の本数は任意に決められてよく、Ｘ軸方向およびＹ軸方向について、走査線を１本ずつとしてもよい。この場合、反射光強度の最大値が測定された走査線を記憶する必要がなく、反射光強度の最大値が測定された回転角のみを記憶すればよい。
また、球体表面の中心位置を高精度で算出する場合には、走査線の本数を多くして、走査線同士の間隔を狭くすればよい。
【００３５】
また、本実施形態では、直線ＡＹを、反射光強度最大点Ａを通りＹ軸方向に延びる直線としたが、これに限らず、図１２に示すように、走査線Ｘ１〜Ｘ４について、それぞれ、反射光強度が最大となる反射光強度最大点Ａ１〜Ａ４を求めて、これら反射光強度最大点Ａ１〜Ａ４を結んで、直線ＡＹを引いてもよい。同様に、直線ＢＸを、反射光強度最大点Ｂを通りＸ軸方向に延びる直線としたが、これに限らず、図１３に示すように、走査線Ｙ１〜Ｙ４について、それぞれ、反射光強度が最大となる反射光強度最大点Ｂ１〜Ｂ４を求めて、これら反射光強度最大点Ｂ１〜Ｂ４を結んで、直線ＢＸを引いてもよい。このようにしても、直線ＡＹや直線ＢＸを求めることができる。
【００３６】
また、本実施形態では、第１駆動機構１１および第２駆動機構１２を用いて、測定装置１０を物理的にＸ軸およびＹ軸回りに回転させたが、これに限らず、画像処理により、コンピュータ上の仮想空間にＸ軸およびＹ軸を設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態に係る球体中心算出方法が適用されたワーク測定システムの側面図である。
【図２】前記実施形態に係るワーク測定システムのブロック図である。
【図３】前記実施形態に係るワーク測定システムの球体中心を算出する動作のフローチャートである。
【図４】前記実施形態に係る測定装置の第１走査軸回りの回転動作を説明するための図である。
【図５】前記実施形態に係る測定装置の第１走査軸回りの回転動作により引かれた走査線を示す平面図である。
【図６】前記実施形態に係る測定装置の第２走査軸回りの回転動作を説明するための図である。
【図７】前記実施形態に係る測定装置の第２走査軸回りの回転動作により引かれた走査線を示す平面図である。
【図８】前記実施形態に係る走査線上の反射光強度最大点から求めた球体表面の中心を示す平面図である。
【図９】前記実施形態に係る走査線上の反射光強度最大点から求めた球体表面の中心を示す側面図である。
【図１０】前記実施形態に係る測定装置から球体中心までの距離を算出する手順を説明するための図である。
【図１１】本発明の変形例に係る測定装置から球体中心までの距離を算出する手順を説明するための図である。
【図１２】本発明の別の変形例に係る測定装置の第１走査軸回りの回転動作により引かれた走査線から球体表面の中心に向かう直線を算出する手順を説明するための平面図である。
【図１３】前記変形例に係る測定装置の第２走査軸回りの回転動作により引かれた走査線から球体表面の中心に向かう直線を算出する手順を説明するための平面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０      測定装置（測定手段）
１１      第１駆動機構（第１回転手段）
１２      第２駆動機構（第２回転手段）
２０      球体
１０１    射出部（光射出手段）
１０２    検出部（光検出手段）
Ｙ軸      第１走査軸
Ｘ軸      第２走査軸
θ        第１回転角
φ        第２回転角
【図１】
2008249484.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2008249484.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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