特許 6004954 法線検出装置、加工装置、及び法線検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6004954

(24)【登録日】2016年9月16日

(45)【発行日】2016年10月12日

(54)【発明の名称】法線検出装置、加工装置、及び法線検出方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 21/22 20060101AFI20160929BHJP

   B23B 39/04 20060101ALI20160929BHJP

   B23Q 1/48 20060101ALI20160929BHJP

【ＦＩ】

   G01B21/22

   B23B39/04

   B23Q1/48 C

【請求項の数】7

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-7784(P2013-7784)

(22)【出願日】2013年1月18日

(65)【公開番号】特開2014-137357(P2014-137357A)

(43)【公開日】2014年7月28日

【審査請求日】2015年12月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112737

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 考晴

(74)【代理人】

【識別番号】100118913

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 邦生

(72)【発明者】

【氏名】二瓶 智宏

【審査官】 神谷 健一

(56)【参考文献】

【文献】 特開平３−５７９１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−５１６１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−１９１７１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−９９９５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１３５８７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第７３３１１１３（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００２／０１２９５０４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０２９０９０９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−１６７５０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１８１７５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−７１８２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第７２００５１６（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｂ ３５／００−４９／０６

Ｂ２３Ｑ １／００− １／７６

Ｂ２３Ｑ ９／００− ９／０２

Ｂ２３Ｑ １７／００−２３／００

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

Ｇ０１Ｂ ２１／００−２１／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

加工機の周囲であって該加工機の加工軸に直交する平面上に４つ以上配置されると共に、各々の測定軸と前記加工軸とが交差し、加工物の加工面までの距離を測定する距離測定手段と、
各前記距離測定手段による測定値及び各前記距離測定手段の前記加工軸に対する角度に基づいて前記加工面の近似面を算出し、該近似面の法線を前記加工面の法線として求める演算手段と、
を備え、
前記演算手段は、前記近似面と前記距離測定手段との距離が所定範囲から外れる前記距離測定手段による前記測定値を、前記近似面の算出に適さない前記測定値と判定する法線検出装置。

【請求項2】

前記所定範囲は、前記加工物の曲率が大きいほど大きく設定される請求項１記載の法線検出装置。

【請求項3】

前記演算手段は、前記近似面の算出に適さない前記測定値を除外して再び近似面を求める請求項１又は請求項２記載の法線検出装置。

【請求項4】

前記加工軸に対する角度は、前記距離測定手段の測定軸と前記加工軸との交差角度、前記平面を構成する所定軸を基準とした前記距離測定手段までの方位角度である請求項１から請求項３の何れか１項記載の法線検出装置。

【請求項5】

加工物を加工する加工機と、
請求項１から４の何れか１項記載の法線検出装置と、
を備え、
前記法線検出装置によって検出された法線に前記加工機の加工軸が倣うように、前記加工機と前記加工物とを相対的に移動させる加工装置。

【請求項6】

前記加工軸の軸線を前記加工面の法線に倣わせた後に、前記加工機の先端を前記加工物に対する加工点に接触させた状態で、前記距離測定手段によって距離の測定を行い、前記近似面の算出に適さない前記測定値を除外した前記距離測定手段の測定値のばらつきが予め定められた許容範囲内に含まれている場合に、前記加工機による加工を行う請求項５記載の加工装置。

【請求項7】

加工機の周囲であって該加工機の加工軸に直交する平面上に４つ以上配置されると共に、各々の測定軸と前記加工軸とが交差し、加工物の加工面までの距離を距離測定手段によって測定する第１工程と、
各前記距離測定手段による測定値及び各前記距離測定手段の前記加工軸に対する角度に基づいて前記加工面の近似面を算出し、該近似面の法線を前記加工面の法線として求める第２工程と、
を含み、
前記第２工程は、前記近似面と前記距離測定手段との距離が所定範囲から外れる前記距離測定手段による前記測定値を、前記近似面の算出に適さない前記測定値と判定する法線検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、法線検出装置、加工装置、及び法線検出方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来から３次元ワークの加工面等の曲面の法線の方向を検出する方法として特許文献１に記載の方法が知られている。
特許文献１に記載の方法は、対象物の曲面上で基準点近傍に少なくとも３点の位置を測定する測距手段を設け、各測定位置の位置に基づいて、各測定位置を含む仮想平面を設定し、該仮想平面の法線方向を検出する方法である。

【0003】

特許文献１に記載の方法では、測定対象に突起部や段差等の凹凸があった場合には、正確な法線を検出することができない。また、特許文献１では４点以上の測定位置を用いた場合の平面近似の方法も十分に開示されていない。

【0004】

一方、特許文献２には、測定軸の回転（加工）中心から半径方向に距離センサーを偏心量Ｒだけずらして配置し、測定軸を中心に距離センサーを旋回させることで、連続的な被測定面までの距離情報を取得して、距離情報から段差部を除外することで法線を検出する方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平３−５７９１０号公報

【特許文献2】特開昭６２−１９１７１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献２に記載の方法は、距離センサーを回転させるための機構や回転中心近辺に距離センサーを配置する必要があり、加工機を配置するためのスペースを確保できないという問題がある。また、特許文献２に記載の方法を加工機に適用したとしても、検出した法線へ加工機の加工軸の軸線を位置合わせするために十分な制御情報を得ることができないという問題がある。

【0007】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、加工面に凹凸があっても加工面の法線方向を検出でき、かつ加工機を設置するためのスペースを確保し、加工軸の軸線を加工面の法線に倣わせることができる、法線検出装置、加工装置、及び法線検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】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明の法線検出装置、加工装置、及び法線検出方法は以下の手段を採用する。

【0009】

本発明の第一態様に係る法線検出装置、加工機の周囲であって該加工機の加工軸に直交する平面上に４つ以上配置されると共に、各々の測定軸と前記加工軸とが交差し、加工物の加工面までの距離を測定する距離測定手段と、各前記距離測定手段による測定値及び各前記距離測定手段の前記加工軸に対する角度に基づいて前記加工面の近似面を算出し、該近似面の法線を前記加工面の法線として求める演算手段と、を備える。

【0010】

本構成に係る法線検出装置は、加工機の周囲に４つ以上の距離測定手段が配置される。各距離測定手段は、加工機の加工軸に直交する平面上に４つ以上配置されると共に、各々の測定軸と加工軸とが交差して配置される。なお、加工軸は例えばｚ軸に平行な軸であり、上記平面を構成する軸はｘ軸及びｙ軸である。

【0011】

そして、演算手段は、各距離測定手段による測定値及び各距離測定手段の加工軸に対する角度に基づいて加工面の近似面を算出する。加工軸に対する角度とは、例えば距離測定手段の測定軸と加工軸との交差角度、加工軸に直交する平面上における距離測定手段の配置角度である。配置角度は、詳述すると、該平面上の所定軸（例えばｘ軸）を基準とした距離測定手段までの方位角度である。

【0012】

これにより、少なくとも距離測定手段による３点の測定値があれば、演算手段は、正確に加工面の近似面を求めることができる。そして、近似面の法線が加工面の法線とされる。

【0013】

また、３点の測定値があれば加工面の近似面を算出できるが、本構成は４つ以上の距離測定手段を備える。このため、加工面に段差又は突起等の凹凸があり、近似面の算出に適しない凹凸までの距離を測定した距離測定手段があったとしても、４つ以上の距離測定手段を備える本構成は、その測定値を除外して近似面を算出できる。
さらに、４つ以上の距離測定手段は、加工機の周囲に配置されるので、加工機を設置するためのスペースを確保し、加工軸の軸線を法線に倣わせることができる。

【0014】

以上のように、本構成は、加工面に凹凸があっても加工面の法線方向を検出でき、かつ加工機を設置するためのスペースを確保し、加工軸の軸線を加工面の法線に倣わせることができる。

【0015】

上記第一態様では、前記演算手段が、前記近似面と前記距離測定手段との距離が所定範囲から外れる前記距離測定手段による前記測定値を、前記近似面の算出に適さない前記測定値と判定することが好ましい。

【0016】

本構成は、簡易に近似面の算出に適さない測定値を判定できる。

【0017】

上記第一態様では、前記所定範囲が、前記加工物の曲率が大きいほど大きく設定されることが好ましい。

【0018】

本構成は、近似面の算出に適さない測定値の誤判定を抑制できるので、近似面をより精度高く算出できる。

【0019】

上記第一態様では、前記演算手段が、前記近似面の算出に適さない前記測定値を除外して再び近似面を求めることが好ましい。

【0020】

本構成は、加工面の凹凸の影響のないより正確な近似面を算出できる。

【0021】

上記第一態様では、前記加工軸に対する角度が、前記距離測定手段の測定軸と前記加工軸との交差角度、前記平面を構成する所定軸を基準とした前記距離測定手段までの方位角度であることが好ましい。

【0022】

本構成は、近似面を簡易に精度高く算出できる。

【0023】

本発明の第二態様に係る加工装置は、加工物を加工する加工機と、上記記載の法線検出装置と、を備え、前記法線検出装置によって検出された法線に前記加工機の加工軸が倣うように、前記加工機と前記加工物とを相対的に移動させる。

【0024】

上記第二態様では、前記加工軸の軸線を前記加工面の法線に倣わせた後に、前記加工機の先端を前記加工物に対する加工点に接触させた状態で、前記距離測定手段によって距離の測定を行い、前記近似面の算出に適さない前記測定値を除外した前記距離測定手段の測定値のばらつきが予め定められた許容範囲内に含まれている場合に、前記加工機による加工を行うことが好ましい。

【0025】

本構成は、より精度の高い加工が可能となる。

【0026】

本発明の第三態様に係る法線検出方法は、加工機の周囲であって該加工機の軸線に直交する平面上に４つ以上配置されると共に、各々の測定軸と前記加工軸とが交差し、加工物の加工面までの距離を測定する第１工程と、各前記距離測定手段による測定値及び各前記距離測定手段の前記加工軸に対する角度に基づいて前記加工面の近似面を算出し、該近似面の法線を前記加工面の法線として求める第２工程と、を含む。

【発明の効果】

【0027】

本発明によれば、加工面に凹凸があっても加工面の法線方向を検出でき、かつ加工機を設置するためのスペースを確保し、加工軸の軸線を加工面の法線に倣わせることができる、という優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】本発明の実施形態に係る加工装置の斜視図である。

【図2】本発明の実施形態に係る加工装置の側面図であって、（Ａ）は治具枠と加工機支持体とが分離した状態を示し、（Ｂ）は治具枠と加工機支持体とが連結された状態を示す。

【図3】本発明の実施形態に係るドリルユニットを示す縦断面図である。

【図4】本発明の実施形態に係る法線検出装置の電気的構成を示すブロック図である。

【図5】本発明の実施形態に係る法線検出方法の概要を示す模式図である。

【図6】本発明の実施形態に係る非接触式距離センサーの配置位置の詳細を示した模式図である。

【図7】本発明の実施形態に係る法線検出処理の流れを示すフローチャートである。

【図8】本発明の実施形態に係る加工物の曲率と測定位置との関係を示した模式図であり、（Ａ）は曲率の小さい加工物の測定位置を示し、（Ｂ）は曲率の大きい加工物の測定位置を示す。

【図9】発明の実施形態に係るＡ軸の倣い角度α及びＢ軸の倣い角度βを示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら説明する。

【0030】

図１は、本実施形態に係る加工装置１の斜視図である。この加工装置１は、例えば航空機の翼や胴体等を形成する湾曲した板材状の加工物２にドリルで穴開けを施すものであるが、穴開けに限らず、研削やリベットの打鋲といった他種の加工や、これらの加工の後の検査等に適用してもよい。図２は、加工装置１の側面図である。図２（Ａ）は治具枠３と加工機支持体５とが分離した状態を示し、図２（Ｂ）は治具枠３と加工機支持体５とが連結された状態を示す。

【0031】

図１及び図２（Ａ），（Ｂ）に示されるように、加工装置１は、加工物２を固定するための治具枠３と、ドリルユニット４を支持する加工機支持体５とを備えている。また、治具枠３と加工機支持体５とを切り離し可能に連結する連結部６を備えている。加工物２は、単曲面（シングルコンター）であっても、複合曲面（ダブルコンター）であってもよい。

【0032】

治具枠３は、例えば角パイプなどから構成されており、平面視でＨ字形状をなす脚部３ａと、この脚部３ａの中央部から鉛直に起立する枠体３ｂとを備えている。脚部３ａには例えば６つのキャスター輪７が設けられていて、これにより治具枠３全体が、加工装置１の設置される工場フロア等の設置面１０上を自由に移動可能である。なお、説明の便宜上、治具枠３の幅方向をｘ軸方向、鉛直方向をｙ軸方向、そしてｘ軸方向に直交する水平方向をｚ軸方向と呼ぶ。また、ｘ軸方向回りの動方向をＡ方向、ｙ軸回りの動方向をＢ方向と呼ぶ。

【0033】

治具枠３の枠体３ｂは、加工物２を囲むようなサイズであり、加工物２は図示しないロケーター（保持具）を介して、その湾曲面がｚ軸方向を向き、且つその湾曲の弦がｙ軸方向に沿う姿勢で枠体３ｂに据え付けられている。なお、治具枠３による加工物２の支持形態や加工物２の面方向は、この例のみに限定されない。なお、実際には、枠体３ｂ同士の間隔は図１に描かれているより広いスパンとなっている。

【0034】

一方、加工機支持体５は、治具枠３と同様にキャスター輪１２によって設置面１０上を自由に移動可能な台座部１３の上に、ｘ軸スライダ１４を介して主柱部１５が鉛直に立設され、この主柱部１５にｙ軸スライダ１７（座標位置調整部）を介してｚ軸スライダ１８（座標位置調整部）が設置され、ｚ軸スライダ１８の下にドリルユニット４が取り付けられている。

【0035】

また、主柱部１５の上端付近から水平梁部材１９がｚ軸方向に延び、その自由端に前述の連結部６が設置されている。連結部６の具体的な構造としては、治具枠３の枠体３ｂ上部との間に形成された図示しない凹凸形状をインロー嵌合させる方式や、強力な電磁石により吸着させる方式等が考えられる。

【0036】

図１及び図２（Ｂ）に示されるように、加工機支持体５は治具枠３の脚部３ａのＨ字形状の間に入り込んだ位置で、連結部６を治具枠３の枠体３ｂ上部に連結させて正確に位置決めされ、固定される。治具枠３の枠体３ｂのスパンは、加工機支持体５の台座部１３の幅よりも十分に広いため、加工機支持体５は治具枠３の枠体３ｂの間でｘ軸方向に移動でき、治具枠３に取り付けられる加工物２の長手方向（ｘ軸方向）に沿って連結部６の連結位置を変えながら加工物２の加工を行うようになっている。
なお、キャスター輪７，１２には転動を止める制動手段が付いているが、その制動を解除することにより、治具枠３と加工機支持体５とが一体に連結された状態で設置面１０上を移動することができる。

【0037】

ドリルユニット４の座標位置調整部であるｘ軸スライダ１４、ｙ軸スライダ１７、及びｚ軸スライダ１８は、治具枠３と加工機支持体５とが連結部６により連結された状態で、ドリルユニット４の加工軸（後述するドリル軸２４）の軸線を加工物２に指向させる。そして、ドリルユニット４は、台座部１３に対してｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の３方向に位置を調整可能とされる。

【0038】

図３に示されるように、ドリルユニット４は、ｘ軸方向視で略Ｌ字形をなすアーム部材２１に加工機であるドリル本体２２が、その後端側をｙ方向に上下できるように取り付けられている。ドリル本体２２は、略円筒状であり、その内部に、ドリル軸２４（加工軸）と、このドリル軸２４を回転駆動するとともに、ドリル本体２２の先端面に固定されたエンドピース２５から外部に出没させる加工軸アクチュエータ（不図示）とを具備している。加工軸アクチュエータは、ドリル軸２４を回転させる回転アクチュエータと、ドリル軸２４を加工物２側に送る（突き出す）送りアクチュエータとが一体化されたものであるが、両者が別体であってもよい。エンドピース２５は、加工物２に接触した際に加工物２を傷付けることがないように、硬質ゴムや樹脂材料等で形成されている。
なお、加工装置１の形態については、ヘッド（本実施形態ではドリルユニット４）とワーク（本実施形態では加工物２）が相対的に移動できる方式であれば、ヘッドがガントリー式の加工装置１や、ワークが載置されたワークテーブルが移動する方式の加工装置１等であってもよく、図１等に示される形態に限定されるものではない。

【0039】

図３に示されるようにアーム部材２１の縦壁の内面には一対の弧型レール２８（リニアレールを湾曲させたもの；通称ゴニオウエイ）を介してドリル本体２２が取り付けられている。図３に示されるように、側面視では、弧型レール２８によるドリル本体２２の回動中心が、エンドピース２５の先端部の接触点Ｓに一致している。エンドピース２５は、ドリル軸２４の軸線ＣＬを、加工物２の加工点を貫通する法線ＮＬ（図５参照）に沿わせる際に、加工物２の加工点に当接する当接部となる点である。このため、ドリル本体２２は、エンドピース２５の接触点Ｓを中心に、Ａ方向及びＢ方向に回動可能となっている。このように、図３に示される弧型レール２８は、ドリル本体２２をＡ方向に回動させるためのものである。ドリル本体２２をＢ方向に回動させるための弧型レール２８（不図示）は、図３に示される弧型レール２８に対して直交して設ける。

【0040】

また、加工装置１は、ドリル本体２２の角度を固定するブレーキ部３５を備える。ブレーキ部３５は、ドリル本体２２の角度を堅固に固定できるものであれば、特にその構造が限定されるものではない。

【0041】

加工装置１には、法線検出装置５０を構成する機器として、ドリル本体２２の周囲に４つ以上の非接触式距離センサー３１が配置される。非接触式距離センサー３１は、加工物２の加工面５６までの距離を測定する。このように、非接触式距離センサー３１は、ドリル本体２２の周囲に配置されるので、ドリル本体２２を設置するためのスペースが確保される。
なお、非接触式距離センサー３１としては、例えばレーザー光Ｌａの反射を受光して加工物２の加工面５６までの距離を測定するレーザー距離センサーが好適である。

【0042】

図４は、本実施形態に係る法線検出装置５０の電気的構成を示すブロック図である。

【0043】

図４に示されるように、法線検出装置５０は、例えばＰＬＣ（programmable logic controller）である制御部５１を備える。

【0044】

制御部５１は、非接触式距離センサー３１による測定値が入力され、該測定値をＰＣ（Personal computer）５２へ出力する。ＰＣ５２は、入力された測定値に基づいて、加工物２の加工点を貫通する加工面５６の法線ＮＬを算出する。さらに、ＰＣ５２は、ドリル軸２４の軸線ＣＬが法線ＮＬに倣うように、ドリル軸２４のＡ方向及びＢ方向に対する倣い角度α，βを算出する。なお、法線検出装置５０は、ＰＣ５２を備えず、制御部５１がＰＣ５２で実行される倣い角度α，βの算出機能を有してもよい。

【0045】

ＰＣ５２によって算出された倣い角度α，βは、制御部５１へ出力される。
制御部５１に入力された倣い角度αは、ドリル本体２２を弧型レール２８に沿ってＡ方向へ回動させるためのモータ５３Ａのコントローラ５４Ａへ出力される。また、制御部５１に入力された倣い角度βは、ドリル本体２２を弧型レール２８に沿ってＢ方向へ回動させるためのモータ５３Ｂのコントローラ５４Ｂへ出力される。

【0046】

コントローラ５４Ａ，５４Ｂは、各々倣い角度α，βが入力されると、倣い角度α，βに応じてモータ５３Ａ，５３Ｂを駆動させる。これによって、ドリル軸２４の軸線ＣＬの角度が変更され、法線ＮＬに倣うこととなる。

【0047】

また、制御部５１は、ｘ軸スライダ１４、ｙ軸スライダ１７、及びｚ軸スライダ１８を移動させるための各アクチュエータ（不図示）と接続され、各種の制御信号が入出力されるようになっている。

【0048】

図５は、本実施形態に係る法線検出方法の概要を示す模式図である。

【0049】

図５では一例として法線検出装置５０が、非接触式距離センサー３１を８つ備えている場合を図示しており、Ｐ_ｎで示される位置が非接触式距離センサー３１の配置位置（光源点）を示している。また、非接触式距離センサー３１による測定位置は、Ｐ’_ｎで示される。そして、非接触式距離センサー３１は、加工物２の加工面５６までの距離ΔＬ_ｎを測定する。なお、ｎは非接触式距離センサー３１を特定するための番号であり、図５の例では１から８の何れかである。

【0050】

法線検出装置５０が備えるＰＣ５２は、非接触式距離センサー３１による測定値ΔＬ_ｎを用いて、加工面５６の近似面を算出し、近似面の法線ＮＬを加工面５６の法線として求める。

【0051】

しかしながら、例えば測定位置Ｐ’_６のように、加工面５６の段差又は突起までの距離を測定する可能性がある。なお、段差又は突起は、例えば治具、治具ピン、及び加工面５６に既に開けられている孔等である。この段差又は突起のような凹凸までの測定値は、非接触式距離センサー３１の光軸が凹凸に干渉した測定値であるため、近似面の算出に適さない。
そこで、本実施形態に係る法線検出方法では、近似面の算出に適さない測定値（以下「干渉ポイント」という。）を除外して近似面を算出する。

【0052】

図６は、非接触式距離センサー３１の配置位置Ｐ_ｎの詳細を示した模式図である。
非接触式距離センサー３１は、ドリル本体２２の周囲であってドリル本体２２の軸線ＣＬに直交する平面（以下「配置平面」という。）Ｊ上に配置される。
なお、以下の説明では簡略化のため、軸線ＣＬがｚ軸に平行な状態であり、配置平面Ｊを構成する軸がｘ軸及びｙ軸にそれぞれ平行な場合を例として説明する。

【0053】

そして、非接触式距離センサー３１は、各々の距離測定軸ＭＬと軸線ＣＬとが交差角度θ_ｎで交差するように配置される。なお、各非接触式距離センサー３１の距離測定軸ＭＬは、加工点Ｇよりも奥の収束点Ｏ’で収束することが好ましい。
また、配置平面Ｊ上における非接触式距離センサー３１の配置角度γ_ｎは、配置平面Ｊを構成する所定軸（例えばｘ軸）を基準とした非接触式距離センサー３１までの方位角度で定義される。

【0054】

図７は、本実施形態に係る法線検出処理の流れを示すフローチャートである。なお、法線検出処理は、加工物２に対して加工を行う毎に法線検出装置５０によって実行される。

【0055】

まず、ステップ１００では、制御部５１が各非接触式距離センサー３１に対して、加工面５６までの距離の測定を行わせるための制御信号を出力する。そして、制御部５１は、非接触式距離センサー３１からの測定値をＰＣ５２へ出力する。

【0056】

次のステップ１０２では、ＰＣ５２が測定値を用いて近似面の算出を行う。
より具体的には、ＰＣ５２は、各非接触式距離センサー３１による測定値、及び各非接触式距離センサー３１の軸線ＣＬに対する角度に基づいて加工面５６の近似面を算出する。なお、軸線ＣＬに対する角度とは、各非接触式距離センサー３１の交差角度θ_ｎ及び配置角度γ_ｎである。以下に説明するように、交差角度θ_ｎ及び方位角度γ_ｎを用いて測定位置Ｐ’_ｎの座標を求め、近似面を算出することによって、簡易により精度高く近似面を算出することができる。

【0057】

下記（１）式は、非接触式距離センサー３１による測定値を用いて、加工面５６における測定位置Ｐ’_ｎの座標（ｘ^’_ｎ，ｙ’_ｎ，ｚ’_ｎ）を求めるための式である。なお、（１）式においてｘ_ｎ，ｙ_ｎ，ｚ_ｎは、ｎ個目の非接触式距離センサー３１の光源点、すなわち配置位置Ｐ_ｎを示す座標である。

【数1】

【0058】

次に（１）式によって算出された加工面５６の座標（ｘ^’_ｎ，ｙ’_ｎ，ｚ’_ｎ）を用いて、加工面５６の近似面を算出する方法の一例について説明する。なお、本実施形態では、一例として平面近似を行うが、これに限らず、直線近似、円近似、球面近似、及び自由曲面近似等、加工面５６を他の方法を用いて近似してもよい。
なお、干渉ポイントが加工面５６より大きく外れる場合、近似面の精度が著しく悪化する場合がある。このため、そういったケースではロバスト推定法などの方法を用いて近似面を算出することが好ましい。

【0059】

下記（２）式は、平面の一般式として定義した式である。なお、（２）式においてａ，ｂ，ｃは未知数である。

【数2】

【0060】

そして、各ｚ_ｉからの２乗の和を最小にするように偏差平方和Ｓが、下記（３）式のように定義される。すなわち、偏差平方和Ｓが最小となる条件が最も誤差が無く、加工面５６に近似した平面となる。

【数3】

【0061】

偏差平方和Ｓに対して、未知数ａ，ｂ，ｃで偏微分が行われると、下記（４）式に示される連立方程式が得られる。

【数4】

【0062】

未知数ａ，ｂ，ｃに対して、方程式が３つ求まっているので、（４）式を下記（５）式に示されるように解くことで、未知数ａ，ｂ，ｃが求まり、近似平面が定義される。

【数5】

【0063】

次のステップ１０４では、ＰＣ５２が干渉ポイントの有無を判定し、肯定判定の場合はステップ１０６へ移行する。一方、否定判定の場合は近似面が確定するので、ステップ１１２へ移行する。
なお、本実施形態に係るＰＣ５２は、近似面と非接触式距離センサー３１の配置位置Ｐ_ｎとの距離が所定範囲（以下「非干渉範囲」という。）から外れる非接触式距離センサー３１による測定値を干渉ポイントと判定する。

【0064】

具体的な干渉ポイントの判定方法の一例について以下で説明する。
近似面を平面とした場合、近似平面の一般式は上記（２）式を変形して下記（６）式のように定義される。

【数6】

【0065】

従って、近似平面の法線方向における、近似平面と非接触式距離センサー３１の配置位置（ｘ_ｎ，ｙ_ｎ，ｚ_ｎ）との距離ｈ_ｎは下記（７）式で定義される。

【数7】

【0066】

そして、距離ｈ_ｎが予め設定されている非干渉範囲から外れる測定値が、干渉ポイントと判定される。
なお、非干渉範囲は、加工物２の曲率が大きいほど大きく設定される。
この理由を、加工物２の曲率と測定位置Ｐ^’_ｎとの関係を示した図８を参照して説明する。図８（Ａ）は、曲率の小さい加工物２の測定位置Ｐ^’_ｎを示し、図８（Ｂ）は、曲率の大きい加工物２の測定位置Ｐ^’_ｎを示す。

【0067】

測定位置Ｐ^’_２における距離ΔＬ_２のように、非接触式距離センサー３１の配置位置Ｐ_ｎが同じであっても、図８（Ｂ）に示されるように曲率が大きいほど各距離ΔＬ_ｎの差が大きくなる場合がある。
このため、加工物２の曲率が大きいにもかかわらず曲率が小さい場合と同じ非干渉範囲を用いると、加工面５６までの距離を測定している測定値が、干渉ポイントと判定される可能性がある。

【0068】

そこで、本実施形態では、加工物２の曲率が大きいほど非干渉範囲が大きく設定される。これにより、近似面の算出に適さない測定値の誤判定が抑制されるので、近似面をより精度高く算出できる。

【0069】

例えば、基準となる非干渉範囲は、予め入力された加工物２の曲率半径を基準に算出され、計測された加工物２との距離、加工物２の角度、入力された加工物２の表面性状等の少なくとも何れか一つに基づく重み付けを行うことで算出されてもよい。

【0070】

さらに、加工点Ｇと非接触式距離センサー３１との距離が大きい場合、曲率が同じであっても各非接触式距離センサー３１毎の計測距離の差が大きくなるため、非干渉範囲が大きく設定される必要がある。
また、非接触式距離センサー３１の計測精度が悪い場合も非干渉範囲が大きく設定される必要がある。例えば、加工面５６が光沢面の場合や、非接触式距離センサー３１の光軸と加工面５６のなす角度が大きい場合、計測精度が悪くなることがあるため非干渉範囲が大きく設定され、これにより干渉ポイントの誤検知が防止される。
しかしながら、非干渉範囲の設定にあたっては上記の条件に加え、所定の角度精度が満たされることも重要である。すなわち干渉ポイントの誤検知が防止しされ、かつ所定の角度精度が満たされるように種々の最適な条件が設定される。

【0071】

ステップ１０６では、非接触式距離センサー３１による測定値から、干渉ポイントを除外する。

【0072】

次のステップ１０８では、干渉ポイントを除外後の測定値が３つ以上であるか否かを判定する。２点の測定値では面を特定できないため、正確に加工面５６の近似面を求めるためには、少なくとも３点の測定値を必要とするためである。ステップ１０８において、肯定判定の場合はステップ１１０へ移行し、否定判定の場合は近似面を算出できないため本法線検出処理を終了して、エラー処理を行う。

【0073】

ステップ１１０では、干渉ポイントを除外した測定値を用いて、再び近似面を算出する。
３点の測定値があれば加工面５６の近似面を算出できるが、本実施形態に係る加工装置１は、４つ以上の非接触式距離センサー３１を備える。このため、加工面５６に段差又は突起等の凹凸があり、近似面の算出に適しない凹凸までの距離を測定した非接触式距離センサー３１があったとしても、４つ以上の非接触式距離センサー３１を備える本実施形態に係る加工装置１は、その測定値を除外して近似面を算出できる。
これにより、法線検出処理は、加工面５６の凹凸の影響のないより正確な近似面を算出できる。

【0074】

法線検出処理は、ステップ１１０で近似面を算出した後、ステップ１０４へ戻り、再び干渉ポイントの有無を判定する。

【0075】

ステップ１０４で否定判定となった場合に移行するステップ１１２では、ＰＣ５２が倣い角度α，βを算出し、算出した倣い角度α，βを制御部５１へ出力する。そして、制御部５１は、倣い角度α，βを各々コントローラ５４Ａ，５４Ｂへ出力する。
コントローラ５４Ａ，５４Ｂは、倣い角度α、βに応じた移動量でドリル本体２２が移動するようにモータ５３Ａ，５３Ｂを駆動させ、ドリル軸２４の軸線ＣＬを法線ＮＬに倣わせる。

【0076】

具体的な倣い角度α，βの算出方法は、以下の通りである。

【0077】

近似面の法線ベクトルは、下記（８）式で定義される。

【数8】

このため、図９の模式図に示されるように、Ａ方向の倣い角度α及びＢ方向の倣い角度βは、下記（９）式のように定義される。

【数9】

【0078】

次のステップ１１４では、制御部５１が、ドリル本体２２を加工面５６に近接させるために、ｚ軸方向の送り量を測定値に基づいて算出し、ｚ軸スライダ１８を駆動させる。ｚ軸スライダ１８が駆動すると、加工物２の加工点Ｇに、ドリル本体２２の先端に設けられたエンドピース２５の接触点Ｓが突き当てられる。この時には、ｚ軸スライダ１８が駆動されてエンドピース２５が適度な突き当て力で加工物２に押し付けられる。この時の突き当て力の大きさは、加工物２の加工反力を上回り、且つ加工物２を変形させない程度の力に設定するのが望ましい。これにより、加工物２の加工接触点Ｐに対してエンドピース２５の接触点Ｓがずれることを防止できる。このように、ｚ軸スライダ１８を駆動して力支配により、ドリル本体２２の先端の接触点Ｓが加工点Ｇに押し当てられる。

【0079】

そして、軸線ＣＬが法線ＮＬに倣わされたドリル軸２４によって、加工点Ｇに対する加工が行われる。

【0080】

なお、ドリル本体２２の先端の接触点Ｓが加工点Ｇに接触した状態で、再度、非接触式距離センサー３１によって距離の測定が行われ、干渉ポイントを除いた各非接触式距離センサー３１の測定値のばらつきが予め定められた許容範囲内に含まれている場合に、加工が行われることが好ましい。これにより、より精度の高い加工が可能となる。

【0081】

以上説明したように、本実施形態に係る法線検出装置５０は、ドリル本体２２の周囲であってドリル本体２２の軸線ＣＬに直交する配置平面Ｊ上に４つ以上配置されると共に、各々の距離測定軸ＭＬと軸線ＣＬとが交差し、加工物２の加工面５６までの距離を測定する非接触式距離センサー３１と、各非接触式距離センサー３１による測定値及び各非接触式距離センサー３１の軸線ＣＬに対する角度に基づいて加工面５６の近似面を算出し、該近似面の法線を加工面５６の法線として求めるＰＣ５２と、を備える。

【0082】

従って本実施形態に係る法線検出装置５０は、加工面５６に凹凸があっても加工面５６の法線方向を検出でき、かつドリル本体２２を設置するためのスペースを確保し、ドリル本体２２の軸線ＣＬを加工面５６の法線に倣わせることができる。

【0083】

以上、本発明を、上記各実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記各実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

【0084】

例えば、上記各実施形態では、加工物２の加工面５６までの距離を測定する距離測定手段を非接触式距離センサー３１とする形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、距離測定手段を接触点先端にタッチセンサを配置した接触式距離センサー等、他のセンサーとする形態としてもよい。

【0085】

また、上記各実施形態では、法線検出装置５０によって検出された法線ＮＬにドリル本体２２の軸線ＣＬが倣うように、ドリル本体２２を加工物２へ移動させる形態について説明した。しかし、本発明は、これに限定されるものではなく、ドリル本体２２と加工物２とが相対的に移動すればよく、加工物２をドリル本体２２へ移動させる形態、又はドリル本体２２と加工物２とが共に移動する形態としてもよい。

【0086】

また、上記各実施形態では、モータ５３Ａ，５３Ｂを駆動させことによって、ドリル軸２４の軸線ＣＬの角度を変更する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、ドリル軸２４の軸線ＣＬの角度をエアシリンダ等、他のアクチュエータを用いて変更する形態としてもよい。

【0087】

また、上記各実施形態で説明した法線検出処理の流れも一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。

【符号の説明】

【0088】

１ 加工装置
２ 加工物
４ ドリルユニット
２４ ドリル軸
３１ 非接触式距離センサー
５０ 法線検出装置
５１ 制御部
５２ ＰＣ
５６ 加工面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】