(57)【要約】  機械的、光機械的な機械加工及び品質管理システムのパーツのパーツ位置関係を見出すための、またこれらのパーツを認識するための装置及び方法が開示される。本発明は、光学的非接触検知技術に依拠しており、物理的な接触なしに、光学的基準パターンを記録し、そこからワーク位置に近い位置を決定する。機械のパーツ位置は、基準パターン１を鍵となるパーツに関連付け、又は機械的に一体化し、これらのパターンの画像を光学的に検出することによって決定される。所与のパーツ位置測定器６戦略によるパーツ位置及び変位は、基準パターン画像１４及び機械位置データ１７を、パーツ幾何形状関係１５のメンバであるパーツに関連付け、パーツ変位制約１６の元で、所与のパーツ位置又は変位１８を見出すことによって見出される。基準パターン１を使用して、ワーク・ピース、ワーク・ホルダ、ワーク・ツール、ゲージ・ツール、及び機械パーツ全般の識別及び認識が可能になる。
2009508137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械のパーツの位置関係を見出すための装置であって、
第１の機械パーツ（２０）に固定されるように適合され、第２の機械パーツ（２１）の基準パターン（１）の第１の画像（２３）及び第２の画像（２４）を生み出すように適合された、又は第２の機械パーツ（２１）の、複数の基準パターン（１）の第１の画像（２３）及び第２の画像（２４）を生み出すように適合された光検出器（３）と、
前記光検出器（３）から前記基準パターン画像（２３）及び（２４）を受け取るために前記光検出器（３）に接続されるように適合された第１の入力を有し、パーツ幾何形状関係（１５）を受け取るように適合された第２の入力を有するパーツ位置測定器（６）とを備え、
前記パーツ幾何形状関係（１５）が、前記第１の機械パーツ（２０）と前記第２の機械パーツ（２１）と前記基準パターン（１）と第３の機械パーツ（２２）との位置関係、及び前記第１、第２、第３の機械パーツと前記光検出器（３）との位置関係を説明し、
前記パーツ位置測定器（６）が、パーツ変位制約（１６）を受け取るように適合された第３の入力を有し、前記パーツ変位制約（１６）が、前記第１、第２、第３の機械パーツのうちの少なくとも１つ、及び前記光検出器（３）について変位の許容自由度を説明し、
前記パーツ位置測定器（６）が、第１の基準パターン画像（２３）と第２の基準パターン画像（２４）の間の、又は第１の基準パターン画像（２３）と基準パターン画像モデル（２５）の間の基準パターン画像変位を決定するように適合され、
前記パーツ位置測定器（６）が、前記決定された基準パターン画像変位に対応する前記基準パターン画像変位を生じる機械パーツ変位（１８）を決定するために、前記パーツ変位制約に従って、前記パーツ幾何形状関係（１５）の少なくとも１つを修正するように適合される、装置。
【請求項２】
前記パーツ変位（１８）が、前記第１、第２、若しくは第３の機械パーツのうちの１つの、又は前記光検出器（３）の変位である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光検出器（３）が、ワーク・ツール・キャリアに固定されるように適合される、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記光検出器（３）が、ワーク・ピース・キャリアに固定されるように適合される、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
結像光学系と組み合わされた前記光検出器（３）が、前記第２のパーツ（２１）の表面に機械加工又はキャスティングされた細かい構造を光学的に解像する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記基準パターン（１）と前記光検出器（３）の間の光路が、光学アセンブリ内で閉じ込められる、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記基準パターン（１）と前記光検出器（３）の間の光路が、光学アセンブリ内で閉じ込められ、前記基準パターン（１）と前記光検出器の間の別の光路が、一部が光学アセンブリの外部にあり、一部がその内部にある、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記光検出器（３）を含む光学アセンブリが、前記基準パターン（１）側でテレセントリックである、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記基準パターン（１）が、観察の方向で三角測量の感度を生み出すように、観察の方向に対して、ある角度で、構造化された光で照明される、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
エア・ブロー、又は洗浄媒体のブローとそれに続くエア・ブローにより前記基準パターンを洗浄する基準パターン（１）の洗浄デバイスによって支持されるように適合された、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
基準パターン（１）の第１の画像（２３）及び第２の画像（２４）の異なる三角測量対を生み出すために、複数の前記光検出器（３）を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記光検出器（３）が、前記基準パターン（１）の前記第１の画像（２３）及び前記第２の画像（２４）の異なる三角測量対を生み出すように、ある場所から別の場所に移動されるように適合される、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記パーツ位置測定器（６）が、コンピュータ、電子プロセッサ、組込みプロセッサ、又はハード・ワイヤード電子回路である、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記パーツ位置測定器（６）の前記第１、第２、第３の入力が、異なるコンピュータ、電子プロセッサ、組込みプロセッサ、又はハード・ワイヤード電子回路上に分配され、前記コンピュータ、電子プロセッサ、組込みプロセッサ、又はハード・ワイヤード電子回路が、前記パーツ変位（１８）を見出すためにデータを交換するように適合される、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記基準パターン画像（２３）に対する前記基準パターン画像（２４）の前記変位が、相関度が最大にある前記変位を計算することによって見出される、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記基準パターン画像（２３）に対する前記基準パターン画像（２４）の前記変位が、両画像内の幾何学的な図心の位置を計算し、その図心の変位から前記画像変位を演繹することによって見出される、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記パーツ位置測定器（６）が、ａ）おそらくは同じパーツの前記基準パターン（１）の前記第２の画像（２４）を記録し、ｂ）そのパーツの前記第１の画像（２３）との最大相関度を計算し、次いでｃ）ある閾値を超える相関度を認識とみなすことによって、機械パーツを認識するように適合される、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記パーツ位置測定器（６）が、いくつかの他のパーツのグループのうちで、ａ）そのパーツの前記基準パターン（１）の前記第２の画像（２４）を記録し、ｂ）この第２の画像（２４）と、前記他のパーツの前記第１の画像（２３）のそれぞれとの間で、それぞれの最大相関度を計算し、次いでｃ）前記最大相関度を与えるパーツを、認識されるパーツとみなすことによって、機械パーツを認識するように適合される、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記基準パターン（１）が、機械支持構造、ワーク・ピース、ワーク・ツール、ゲージ・ツール、ワーク・ホルダ、光検出器、又は光学アセンブリのうちの少なくとも１つの、加工された表面である、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記基準パターン（１）が、機械支持構造、ワーク・ピース、ワーク・ツール、ゲージ・ツール、ワーク・ホルダ、光検出器、又は光学アセンブリに固定された、高コントラスト・パターンを担持するように適合されたタグ又はラベル・デバイスによって提供される、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記基準パターン（１）が、表面の上で規則的又は不規則に分布する、ある範囲の基準パターンによって表される、請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記基準パターン（１）が、前記機械ワーク・ツールにより生み出される基準パターンによって表される、請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記基準パターン（１）の中心が、前記ワーク・ツールのスピンドル中心を表すようにされる、請求項１及び２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記パーツ位置測定器（６）が、機械位置データ（１７）を受け取るように適合された第４の入力を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記パーツ位置測定器（６）が、前記機械位置データ（１７）を機械コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）ユニットから受け取るように適合される、請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
前記パーツ位置測定器（６）が、前記機械コンピュータ数値制御ユニットに対する前記機械位置データ（１７）の入力によって、機械位置を制御するように適合される、請求項１に記載の装置。
【請求項２７】
前記パーツ位置測定器（６）が、前記機械位置データ（１７）をキーボード又はキーパッド・ユニットから受け取るための入力を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項２８】
前記光検出器（３）が、ツール・ホルダ、ワーク・ピース・ホルダ、又は前記機械の支持構造に固定される、請求項１に記載の装置。
【請求項２９】
前記パーツ幾何形状関係（１５）が、キーボード又はキーパッドによって入力される、請求項１に記載の装置。
【請求項３０】
前記パーツ幾何形状関係（１５）が、前記コンピュータ、電子プロセッサ、組込みプロセッサ、又はハード・ワイヤード電子回路内にプログラムされる、請求項１及び１３に記載の装置。
【請求項３１】
前記パーツ幾何形状関係（１５）が、外部のコンピュータ又はプロセッサ、特に前記機械のコンピュータ又はプロセッサから入力される、請求項１に記載の装置。
【請求項３２】
前記パーツ幾何形状関係（１５）が、パーツ位置測定器（６）の電子回路内にハード・ワイヤードされる、請求項１に記載の装置。
【請求項３３】
前記パーツ変位制約（１６）が、キーボード又はキーパッドによって入力される、請求項１に記載の装置。
【請求項３４】
前記パーツ変位制約（１６）が、前記コンピュータ、電子プロセッサ、組込みプロセッサ、又はハード・ワイヤ電子回路内にプログラムされる、請求項１及び１３に記載の装置。
【請求項３５】
前記パーツ変位制約（１６）が、外部のコンピュータ又はプロセッサ、特に前記機械のコンピュータ又はプロセッサから入力される、請求項１に記載の装置。
【請求項３６】
前記パーツ変位制約（１６）が、パーツ位置測定器（６）の電子回路内にハード・ワイヤードされる、請求項１に記載の装置。
【請求項３７】
前記パーツ幾何形状関係（１５）が、予め較正された機械パーツ及び基準パターン（１）の位置を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３８】
前記パーツ位置測定器（６）が、第２の光検出器（３）によって記録される第１の基準パターン画像（２３）を受け取る、請求項１に記載の装置。
【請求項３９】
前記パーツ位置測定器（６）が、いくつかの基準パターン（１）からの前記第１の基準パターン画像（２３）と第２の基準パターン画像（２４）の間の変位を総変位オフセットのメリット関数の形に組み合わせ、このメリット関数を最小に低減する前記パーツ変位（１８）の組合せを反復して決定する、請求項１に記載の装置。
【請求項４０】
機械のパーツの位置関係を見出すための方法であって、
光検出器（３）を使用して、第２の機械パーツ（２１）の基準パターン（１）の第１の画像及び第２の画像を生み出すこと、或いは第２の機械パーツ（２１）の、複数の追加のパターン（１）の第１の画像（２３）及び第２の画像（２４）を生み出すこと、
パーツ位置測定器（６）において、前記パターン画像（２３、２４）を前記光検出器（３）から受け取ること、
第１の機械パーツ（２０）と前記第２の機械パーツ（２１）と前記基準パターン（１）と第３の機械パーツ（２２）との位置関係、及び前記第１、第２、第３の機械パーツと前記光検出器（３）との位置関係を説明するパーツ幾何形状関係（１５）を、前記パーツ位置測定器（６）において受け取ること、
前記第１、第２、第３の機械パーツのうちの少なくとも１つ、及び前記光検出器（３）について変位の許容自由度を説明するパーツ変位制約（１６）を、前記パーツ位置測定器（６）において受け取ること、
前記パーツ位置（６）を使用し、第１の基準パターン画像（２３）と第２の基準パターン画像（２４）の間の、又は第１の基準パターン画像（２３）と基準パターン画像モデル（２５）の間の基準パターン画像変位を決定すること、及び、
前記パーツ位置測定器（６）を使用し、前記決定された基準パターン画像変位に対応する基準パターン画像変位を生じる新しい機械パーツ変位（１８）を決定するために、前記パーツ変位制約に従って、前記パーツ幾何形状関係（１５）の少なくとも１つを修正することを含む方法。
【請求項４１】
前記パーツ変位（１８）が、前記第１、第２、若しくは第３の機械パーツのうちの１つの、又は前記光検出器（３）の変位である、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記光検出器（３）を、ワーク・ツール・キャリアに固定されるように適合させることをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
前記光検出器（３）を、ワーク・ピース・キャリアに固定されるように適合させることをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４４】
前記光検出器（３）に、前記第２のパーツ（２１）の表面の機械加工又はキャスティングされた細かい構造を光学的に解像するように適合された結像光学系を提供することをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４５】
前記基準パターン（１）と前記光検出器（３）の間の光路が、光学アセンブリ内で閉じ込められる、請求項４０に記載の方法。
【請求項４６】
前記基準パターン（１）と前記光検出器（３）の間の光路が、光学アセンブリ内で閉じ込められ、前記基準パターン（１）と前記光検出器（３）の間の別の光路が、一部が光学アセンブリの外部にあり、一部がその内部にある、請求項４０に記載の方法。
【請求項４７】
前記光検出器（３）を含む光学アセンブリが、前記基準パターン（１）側でテレセントリックである、請求項４０に記載の方法。
【請求項４８】
前記基準パターン（１）を、観察の方向で三角測量の感度を生み出すように、前記観察の方向に対して、ある角度で、構造化された光で照明することをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４９】
エア・ブロー、又は洗浄媒体のブローとそれに続くエア・ブローにより前記基準パターン（１）を洗浄するための、基準パターン（１）の洗浄デバイスを使用することをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項５０】
複数の光検出器（３）を用意すること、及び、前記基準パターン（１）の前記第１の画像（２３）及び第２の画像（２４）の異なる三角測量対を生み出すために前記光学的な複数の光検出器（３）を使用することをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項５１】
前記光検出器（３）を、ある場所から別の場所に移動すること、及び、前記基準パターン（１）の前記第１の画像（２３）及び前記第２の画像（２４）の異なる三角測量対を生み出すことをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項５２】
前記パーツ位置測定器（６）が、コンピュータ、電子プロセッサ、組込みプロセッサ、又はハード・ワイヤード電子回路を備える、請求項４０に記載の方法。
【請求項５３】
前記パーツ位置測定器（６）が、前記光検出器（３）から前記基準パターン画像（２３、２４）を受け取るための第１の入力と、前記パーツ幾何形状関係（１５）を受け取るための第２の入力と、前記パーツ変位制約（１６）を受け取るための第３の入力とを備え、前記第１、第２、第３の入力が、異なるコンピュータ、電子プロセッサ、組込みプロセッサ、又はハード・ワイヤード電子回路上に分配され、前記コンピュータ、電子プロセッサ、組込みプロセッサ、又はハード・ワイヤ電子回路が、前記パーツ変位（１８）を見出すときデータを交換するように適合される、請求項４０に記載の方法。
【請求項５４】
前記基準パターン画像（２３）に対する前記基準パターン画像（２４）の前記変位を、相関度が最大にある変位を計算することによって見出すことをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項５５】
前記基準パターン画像（２３）に対する前記基準パターン画像（２４）の前記変位を、両画像内の幾何学的な図心の位置を計算し、前記図心の変位から前記画像変位を演繹することによって見出すことをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項５６】
おそらくは同じパーツの前記基準パターン（１）の前記第２の画像（２４）を記録することによって、また、そのパーツの前記第１の画像（２３）との最大相関度を計算し、ある閾値を超える相関度を認識とみなすことによって、機械パーツを認識するように前記パーツ位置測定器（６）を使用することをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項５７】
いくつかの他のパーツのグループのうちで、ａ）そのパーツの前記基準パターン（１）の前記第２の画像（２４）を記録し、ｂ）この第２の画像（２４）と、前記他のパーツの前記第１の画像（２３）のそれぞれとの間で、それぞれの最大相関度を計算し、次いでｃ）前記最大相関度を与えるパーツを、認識されるパーツとみなすことによって、機械パーツを認識するように前記パーツ位置測定器（６）を使用することをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項５８】
前記基準パターン（１）が、機械支持構造、ワーク・ピース、ワーク・ツール、ゲージ・ツール、ワーク・ホルダ、光検出器、又は光学アセンブリのうちの少なくとも１つの、加工された表面である、請求項４０に記載の方法。
【請求項５９】
機械支持構造、ワーク・ピース、ワーク・ツール、ゲージ・ツール、ワーク・ホルダ、光検出器、又は光学アセンブリに固定された、高コントラスト・パターンを担持するように適合されたタグ又はラベル・デバイスを用いて前記基準パターン（１）を提供することをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項６０】
前記基準パターン（１）が、表面の上で規則的又は不規則に分布する、ある範囲の基準パターンによって表される、請求項４０に記載の方法。
【請求項６１】
前記基準パターン（１）が、前記機械ワーク・ツールにより生み出される基準パターンによって表される、請求項４０に記載の方法。
【請求項６２】
前記基準パターン（１）の中心に、前記ワーク・ツールのスピンドル中心を表させることをさらに含む、請求項４０及び６１に記載の方法。
【請求項６３】
前記パーツ位置測定器（６）において第４の入力によって機械位置データ（１７）を受け取ることをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項６４】
前記パーツ位置測定器（６）において、機械位置データ（１７）を機械コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）ユニットから受け取ることをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項６５】
前記パーツ位置測定器（６）が、前記機械コンピュータ数値制御ユニットに対する前記機械位置データ（１７）の入力によって、機械位置を制御するように適合される、請求項４０に記載の方法。
【請求項６６】
前記パーツ位置測定器（６）が、前記機械位置データ（１７）をキーボード又はキーパッド・ユニットから受け取るための入力を有する、請求項４０に記載の方法。
【請求項６７】
前記光検出器（３）を、ツール・ホルダ、ワーク・ピース・ホルダ、又は前記機械の支持構造に固定することをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項６８】
前記パーツ幾何形状関係（１５）を、キーボード又はキーパッドによって入力することをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項６９】
前記パーツ幾何形状関係（１５）を、前記コンピュータ、電子プロセッサ、組込みプロセッサ、又はハード・ワイヤード電子回路内にプログラムすることをさらに含む、請求項４０及び５２に記載の方法。
【請求項７０】
前記パーツ幾何形状関係（１５）を、外部のコンピュータ又はプロセッサ、特に前記機械のコンピュータ又はプロセッサから入力することをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項７１】
前記パーツ幾何形状関係（１５）が、パーツ位置測定器（６）の電子回路内にハード・ワイヤードされる、請求項４０に記載の方法。
【請求項７２】
パーツ変位制約（１６）を、キーボード又はキーパッドによって入力することをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項７３】
前記パーツ変位制約（１６）を、前記コンピュータ、電子プロセッサ、組込みプロセッサ、又はハード・ワイヤ電子回路内にプログラムすることをさらに含む、請求項４０及び５２に記載の方法。
【請求項７４】
前記パーツ変位制約（１６）を、外部のコンピュータ又はプロセッサ、特に前記機械のコンピュータ又はプロセッサから入力することをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項７５】
前記パーツ変位制約（１６）を、パーツ位置測定器（６）の電子回路内にハード・ワイヤすることをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項７６】
前記パーツ幾何形状関係（１５）に、予め較正された機械パーツ及び前記基準パターン（１）の位置を含めることをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項７７】
前記パーツ位置測定器（６）において、第２の光検出器（３）によって記録される第１の基準パターン画像（２３）を受け取ることをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項７８】
いくつかの基準パターン（１）からの前記第１の基準パターン画像（２３）と第２の基準パターン画像（２４）の間の変位を総変位オフセットのメリット関数の形に組み合わせ、このメリット関数を最小に低減する前記パーツ変位（１８）の組合せを反復して決定するように、前記パーツ位置測定器（６）を使用することをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項７９】
請求項４０から７８までのいずれか一項に記載の方法を実行するようにコンピュータ手段を適合させるように構成されたコンピュータ可読且つコンピュータ実行可能なコードを有するコンピュータ可読媒体を備えるコンピュータ・プログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置を決定するための技術的な構成及び方法の分野に関し、より詳細には、機械加工作業又は機械的な制御活動中に発生した位置偏差を決定するための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械的な品質管理用のシステムとすることができる典型的な機械システムに関係する重要なパーツ（ｐａｒｔｓ）を一意に識別することによって本開示を簡単にするために、以下では、いくつかの一般的な用語の使用について述べる。「機械」という用語は、切削（ｍｉｌｌｉｎｇ）、穿孔、ターニング（ｔｕｒｎｉｎｇ）などのためのマシニング・センタ、ＥＤＭ（放電加工機械）、ＣＭＭ（座標測定機械）、タッチ・プローブ及びスタイラス位置検知機械、コンピュータ・ビジョン・システム、さらに単純な、機械的な支持構造など、任意の生産機械又は品質管理機械を示す。「ワーク・ピース」は、機械加工しようとする、又は品質管理にかけようとするパーツを示す。機械加工された、又は品質管理を受けたワーク・ピース上の実際のエリアは、「ワーク・エリア」で示される。ワーク・エリアの実際の機械加工又は品質管理を実施しているパーツ又はデバイスは、「ワーク・ツール」で示される。ワーク・ツールは、（切削、ターニング、穿孔などのための）マシニング・ツール、放電加工ツール（ＥＤＭツール）、タッチ・プローブ及びスタイラス位置センサ、光学イメージング・センサ、電磁センサなどとすることができる。一般に、ワーク・ピースは、「ワーク・ホルダ」を使用することによって機械に固定される。ワーク・ホルダの以下の３つの異なるパーツを、「ワーク・ホルダ・サポート」、「ワーク・クランプ」、「ワーク・ロケータ」によって示すものとする。場合によっては、ワーク・ホルダ、又はそのパーツのいくつかは、機械の一体パーツとして識別することができる。
【０００３】
今日の機械的な参照システムの定義に関連して、ワーク・ロケータは重要な役割を果たす。これらのワーク・ロケータは、ワーク・ピースが接して配置される機械的な位置として定義され、それにより、ワーク・ピース位置が、機械及びワーク・ツールに対して規定される。様々な支持構造、ワーク・ピース、ワーク・ツール、及びワーク・ホルダを含む機械の機械的なパーツすべてを機械パーツと呼ぶものとする。
【０００４】
ワーク・ピース、又は機械の様々なパーツの位置などは、別段の記述がない限り、本書では、別のパーツに対する位置、向き、又は前述のものの両方を意味する。ワーク・ツールとワーク・ピースの間の出会う位置を「ワーク位置」と呼ぶものとする。
【０００５】
機械加工又は品質管理が実際に行われているとき、ワーク位置を直接読み取るのに使用可能な、実行可能な技法はない。多くの場合、ワーク・ロケータに対する機械の位置的な正確さは、たとえばガラス定規から正確な位置を自動的に読み取ることにより、又は対応する並進ステージの位置を示すことにより、又はモータ位置コントローラ及びエンコーダに依拠することにより、又は単に固定マウンティング（ｆｉｘｅｄ  ｍｏｕｎｔｉｎｇｓ）の使用により対処される。ワーク・ピースを位置決めするために、ワーク・ホルダは、単にいくつかの、多かれ少なかれ準備されたロケータ表面に接してクランプし、又は十分に準備された機械的なロケータ・ピンに接してクランプする。次いで、ワーク・ピース位置が、位置センサの使用により見出される。場合によっては、ワーク・ホルダそれ自体もまた、位置センサを含む。しかし、最終的に必要とされるものは、ワーク・エリア位置に対する、ワーク・ツール位置を正確に知ることである。これらの位置は、直接読み取るのに容易に使用可能であるわけではない。というのは、位置リーダが、ワーク・エリア位置及びワーク・ツール位置からオフセットして位置するからである。これは、非常にしばしば、読取り位置と作業位置（ｗｏｒｋｉｎｇ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ）の間で残留角度及び並進オフセット（ｒｅｓｉｄｕａｌ  ａｎｇｕｌａｒ  ａｎｄ  ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ  ｏｆｆｓｅｔｓ）が適正に対処されないことを意味する。さらに、実際のワーク・ピースのクランピング、ワーク・ツールの交換、一方の機械から他方の機械へのワーク・ピースの移動、及び機械的な伝達誤差が、ワーク・ツール位置とワーク・エリア位置の間で、説明できないオフセットを引き起こす可能性がある。最後に、説明できない変位誤差はまた、熱的、機械的な力が作用している、或いはワーク・ツールが変更される、位置を変えつつある、摩耗しつつある、又は交換された場合にそうであり得るように、機械加工、又は品質管理センサ読取り中に発生する。一般に、これらの誤差については、適正に構成されたワーク・ロケータ及び保持力を用いてワーク・ホルダを作製する、又は使用する際に、良好な職人の技能に依拠することによって取り組まれる。参考として、「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ｏｆ  ｔｏｏｌ  ｄｅｓｉｇｎ」Ｊｏｈｎ  Ｇ．ＮＥＥ、ＩＳＢＮ：０−８７２６３−４９０−６、１９９８年、７６９頁（出版社：Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ、Ｄｅａｒｂｏｒｎ、ＭＩ  ４８１２１）を参照されたい。しかし、作業工程中に正しい位置の値で機械を定期的に更新することは、めったに行われない複雑な作業であり、更新が行われるときには、重要な参照データが十分に正確なものでないことも、それらが一式欠けていることもある。良い例は、工程を機械加工から位置品質管理に変更するために、チャック取付け式フライス（ｍｉｌｌｉｎｇ  ｃｕｔｔｅｒ）がチャック取付けスタイラス・センサと交換され、また、再び戻されたときである。これは、機械加工ツールと位置制御ツールの間の、未知の位置オフセットを導入するおそれがあり、これにより、オフセット位置誤差に正しく対処することができなくなる。
【０００６】
精度を改善する、又は説明できない変位が発生する可能性があることに対抗するために、機械的なタッチ・プローブ及びスタイラス検知、マクロスコープ及び顕微鏡視検、レーザ・ビーム妨害検知、及び圧力トランスデューサ検知など、いくつかの技法が一般に使用されており、「Ｍｏｄｅｒｎ  Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｓｈｏｐ’ｓ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｍｅｔａｌｗｏｒｋｉｎｇ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ」Ｗｏｏｄｒｏｗ  Ｃｈａｐｍａｎ著、ＩＳＢＮ：１−５６９９０−３４５−Ｘ、２００２年、２３６８頁（出版社：Ｈａｎｓｅｒ  Ｇａｒｄｎｅｒ）及び「Ｍｏｄｅｒｎ  Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｓｈｏｐｓ  Ｇｕｉｄｅ  ｔｏ  Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ」Ｗｏｏｄｒｏｗ  Ｃｈａｐｍａｎ、ＩＳＢＮ：１−５６９９０−３５７−３、２００４年、９６８頁（出版社：Ｈａｎｓｅｒ  Ｇａｒｄｎｅｒ）を参照されたい。タッチ・プローブは、位置検出スタイラスの先端を使用することによってワーク・ピースの位置を決定する。このタッチ・プローブは、ワーク・ツール・キャリア上、ワーク・ツール・チャック内、又はおそらくは、ワーク・ピース・キャリア上に取り付けることができる。タッチ・プローブは、適正に機能するように、使用されるたびに較正し、又は永続的に固定し、又は機械的な固定具若しくはチャック内に再現可能に取り付けなければならない。機械加工中には、タッチ・プローブは除去しなければならず、そうでない場合には、ワーク・ホルダ又はワーク・ピースと衝突するおそれがある。２Ｄ位置若しくは３Ｄ位置、又は角度変位を正確に見出すために、幾分時間のかかる読取りを、何回か様々な方向で行わなければならない。或いは、顕微鏡視検と顕微鏡の位置制御との組合せを用いて、鍵となる相対的なワーク・ピースとワーク・エリアの位置を見出し、又は較正することもできる。しかし、人間の視検が必要とされるため、この技法は、完全に自動化される可能性を欠いており、また、ワーク・ホルダ・ロケータ位置を見出すことが困難である。他の技法は、レーザ・ビームの妨害の度合いを読み取ること、又は圧力トランスデューサを使用することによりワーク・ツール先端の圧力を読み取ることによって、ワーク・ツール先端の位置を決定する助けとなる。摩耗中には、この位置を更新することができる。しかし、これらの技法では、ワーク・ピースがどこに配置されるかわからない。
【０００７】
顕微鏡視検と同様に、手動、半自動、又は自動のカメラ視検に関する技法が、ワーク・ピース及びワーク・エリア上の相対位置又は較正された位置を見出す際に有用となるはずである。米国特許第６７８２５９６Ｂ２号は、ワーク・ピースが機械内で配置される前に、複数のデータムがワーク・ピースに対して配置及び較正される別の手法を開示する。しかし、本発明者らの知識によれば、現在知られている技法すべてに共通するのは、機械加工又は品質管理が行われている間に、定期的な位置検知を行うことができないこと、及び／又は機械それ自体の外部の較正及び位置検知に依存することである。また、実際に機械加工又は制御を受けているパーツ以外のパーツの位置誤差に適正に対処する全体的手法を欠いている。作業工程中には、現在知られている技法は、それらを行う際に時間がかかり、場合によっては、それら自体が、説明できない位置誤差を導入するおそれがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、全体的な位置読取りの正確さ及び速度、並びに機械のパーツ取扱い信頼性を改善することによって、前述の制限及び欠点のすべて又は一部を克服することである。本発明は、ワーク・ピース、ワーク・ツール、及び様々な機械パーツ位置を見出すことによって、任意の機械の機械加工及び品質管理位置精度を改善するために使用することができる。また、ワーク・ピースが一方の機械から他方の機械に移動されたとき、ワーク・ピース位置精度を様々な機械に対して維持するために使用することができる。また、本発明は、基準パターンを識別及び認識し、それにより、ワーク・ピース、ワーク・ホルダ、ワーク・ツール、ゲージ・ツール、機械などを識別及び認識するために使用することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、添付の独立請求項１に記載の特徴を備える、機械的、光機械的な機械加工及び品質管理システムのパーツのパーツ位置関係を見出すための、またこれらのパーツを認識するための装置を提供する。
【００１０】
機械的、光機械的な機械加工及び品質管理システムのパーツのパーツ位置関係を見出すための装置の、他の有利な特徴は、添付の従属請求項２〜３９に記載されている。
【００１１】
本発明は、添付の独立請求項４０に記載の特徴を含む、機械的、光機械的な機械加工及び品質管理システムのパーツのパーツ位置関係を見出すための、またこれらのパーツを認識するための方法を提供する。
【００１２】
機械的、光機械的な機械加工及び品質管理システムのパーツのパーツ位置関係を見出すための装置及び方法の、他の有利な特徴は、添付の従属請求項４１〜７８に記載されている。
【００１３】
本発明は、この方法を実行するようにコンピュータ手段を適合させるように構成されたコンピュータ可読且つコンピュータ実行可能なコードを有するコンピュータ可読媒体を備えるコンピュータ・プログラム製品を提供し、そのコンピュータ・プログラム製品の特徴は、添付の請求項７９に記載されている。
【００１４】
本発明は、光学的非接触検知技術に依拠しており、外部の品質管理及び較正手段に依拠することを必要とすることなしに、定期的、自動的に、鍵となる機械に関する位置情報を更新することができる工程内（ｉｎ−ｔｈｅ−ｐｒｏｃｅｓｓ）品質管理技法になる見込みがある。光学的基準パターンを記録することにより、物理的な接触なしにワーク位置に近い位置を読み取ることが可能になり、パーツ位置測定器戦略は、実際のワーク位置それ自体を含めて、他の関連パーツの位置の計算を可能にすることによって任務を完了する。
【００１５】
本発明は、基準パターンを鍵となるパーツに関連付け、又は機械的に一体化し、これらのパターンの画像を光学的に検出することによって、機械のパーツ位置を決定する。図２及び図４は、本発明によって包含される機械を概略的に例示し、１Ａ〜Ｆは、これらの機械内のパーツと一体化された基準パターンを例示する。これらの基準パターン１は、幾何学的なパーツ細部、パーツに固定されたパターン形成済みのタグ、又はパーツ表面微細構造とすることができる。本発明は、パーツ位置及び変位を、基準パターンを含まないパーツの位置でさえ、所与のパーツ位置測定器６の戦略に従って見出す。図１に示されているように、基準パターン画像１４及び機械位置データ１７を、パーツ幾何形状関係１５のメンバであるパーツに関連付け、パーツ変位制約１６の元で、所与のパーツ位置又は変位１８を見出すことによって行われる。図３は、座標フレームの階層としてパーツ幾何形状関係１５を例示し、１Ａ〜Ｆは、基準パターンの局所的な位置を表し、２Ａ〜Ｄは、ロケータの局所的な位置を表す。また、本発明は、基準パターンを識別及び認識し、それにより、ワーク・ピース、ワーク・ホルダ、ワーク・ツール、ゲージ・ツール、及び機械パーツを全般的に識別及び認識する。
【００１６】
図面は必ずしも原寸に比例して示されておらず、それらの図面では、同様な符号が、いくつかの図全体にわたって実質的に同様の構成要素について述べている。異なる接尾語を有する同様の符号は、実質的に同様の構成要素の、異なる事例を表す。図面は、例を介して、また本開示で論じられている様々な実施例によって本発明を全体的に例示する。
【実施例】
【００１７】
以下の詳細な説明では、その一部を形成する、また、本発明を実施することができる例示的な明細書実施例によって示される添付の図面を参照する。これらの実施例は、当業者が本発明を実施することができるように、十分詳細に述べられており、諸実施例は組み合わせることができること、又は、依然として本発明を表しながら、他の実施例の構造的、論理的、電気的な変更を加えることができることを理解されたい。したがって、本発明の全体的な範囲は添付の特許請求の範囲、及びそれらの均等物によって規定されるため、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈すべきでない。
【００１８】
以下の実施例では、参照座標フレーム位置、又は単にフレームは、構成要素又はより大きな構造の一部の、別の構成要素又はより大きな構造の一部に対する、向きを含む位置を表す。フレーム位置の指定は、公称位置と測定位置とを表すことができる。また、本発明者らがフレーム関係と呼ぶものについても述べる。これらの関係は、フレーム位置を、また、構成要素又はパーツが機械的又は光学的に相互連結されること、或いは、より大きな構造のパーツ同士が機械的に相互連結されることを表す。フレーム関係は、その最も単純な形態では、たとえば機械支持構造、機械内部の可動パーツ、可動パーツに固定されたパーツ、可動パーツに固定された光検出器をそれぞれ表す４つのフレームについてのみ述べることができる。次いで、可動パーツに固定されたパーツの位置を、光検出器によって提供されるデータから決定することができる。他の場合には、参照フレーム関係は、より複雑な機械的構造を表すことができる。
【００１９】
以下では、本発明について、いくつかの実施例によって述べる。
【００２０】
「実施例１」
図２は、例として、切削機械、穿孔機械、形彫り（Ｄｉｅ  ｓｉｎｋｉｎｇ）ＥＤＭ（放電加工機械）、ワイヤＥＤＭなど、任意の機械を表す可能性がある機械を示す概略図である。また、この概略図は、例として、ワーク・ツール９を、たとえばＣＭＭ（座標測定機械）内のもののようなタッチ・プローブ、又は光学ビジョン（ｏｐｔｉｃａｌ  ｖｉｓｉｏｎ）センサなどとすることができる任意の品質管理機械を表す機械の一実施例を概して示す。これらの機械は、ある範囲の異なる機械的な構成を備えることができるが、すべて本発明による装置を備えることができる。これらの機械の、いくつかの鍵となる要素は、（典型的には２つの直交する並進ｘ及び並進ｙを実施する）ワーク・ピース・キャリア１００、（典型的にはｚ方向で１つの並進を実施するが、１つ又はいくつかの追加の回転を実施することもある）ワーク・ツール・キャリア１０１、ワーク・ツール・チャック１０２、位置エンコーダ１０３Ａ、１０３Ｂ、及び支持構造として示される。この実施例では、支持構造は、ワーク・ピース・サポート１０４と、機械支持リンク１０５と、ワーク・ツール・サポート１０６とを含むように示される。この機械の目的は、ワーク・ツール９によって、ワーク・ピース８の機械加工又は品質管理を実施することである。この実施例では、ワーク・ツール９は、ワーク・ツール・チャック１０２に固定される。ワーク・ツール９は、機械加工ツール、放電加工ツール、機械的なセンサ、位置スタイラス・センサ、光学イメージング・センサ、顕微鏡などとすることができる。機械加工又は品質管理を受けるワーク・ピース８のエリアを、本発明者らは、ワーク・エリア１０と呼ぶ。ワーク・ツール・キャリア１０１及びワーク・ピース・キャリア１００によりワーク・ピース８に対してワーク・ツール９を移動することにより、機械加工工程又は品質管理工程を行うのに必要な変位が実施される。工程中は、これらのキャリアの位置が、位置エンコーダ１０３Ａ、１０３Ｂの場所で読み取られる。ワーク・ピース８をワーク・ツール９に対して位置決めし、それによってワーク・エリア１０を位置決めするために、ワーク・ピース８がワーク・ホルダ１１内に配置される。典型的には、ワーク・ホルダ１１は、ワーク・ピース・キャリア１００にしっかり固定される。ワーク・ホルダ１１は、典型的には、ワーク・ホルダ・サポート１２と、ワーク・ホルダ・クランプ１３と、ワーク・ロケータ２Ａ、２Ｂ、２Ｃとから構成される可能性がある。ワーク・ピース８をワーク・ロケータ２Ａ、２Ｂ、２Ｃに接して配置することにより、またワーク・ホルダ・クランプ１３を使用することによってクランプすることにより、ワーク・ピース８は、ワーク・ホルダ１１にしっかり固定される。
【００２１】
この実施例では、対処すべき問題について、以下のように述べることができる。しかしながら、上述のものに関連して、１つの鍵となる問題は、位置エンコーダ１０３Ａ、１０３Ｂが、ワーク・エリア１０及びワーク・ツール９の先端の場所から離れた距離で取り付けられ、たとえば未知の角度誤差により、ワーク・ツール９又はワーク・ピース・エリア１０の正しい位置を読み取っていない可能性があることである。その結果、クランピング工程と、熱的、機械的な力とにより、ワーク・ツール９の位置の場所に対するワーク・ピース８の場所が、機械加工又は品質管理の作業中に、わずかに変化又は変動するおそれがある。本実施例では、ワーク・ピース８が、ワーク・ホルダ・サポート１２に対して、ｘ及びｙ方向で水平に並進する可能性があると仮定するものとする。
【００２２】
したがって、第１の機械パーツ２０、第２の機械パーツ２１、基準パターン１、光検出器３、基準パターン画像１４、及び機械位置１７に関する詳細を提供すべきである。位置誤差の低減は、図２に例示されているように、基準パターンの光学像を記録することによって達成され、図２では、光検出器３が、基準パターン１Ａの基準パターン画像１４を記録し、それをパーツ位置測定器６に中継する。光検出器は、２次元アレイ・カメラである。光検出器３は、光学アセンブリ４及びブラケット１０７によって、ワーク・ツール・キャリア１０１に固定される。パーツ位置測定器６は、コンピュータ、パーソナル・コンピュータ、専用プロセッサなどの内部のプロセスとして実施することができる。基準パターン画像１４は、既知の手段によって変換／デジタル化され、コンピュータ位置計算に使用可能となる。図２では、基準パターン１Ａは、例として、ワーク・ピース８の所与の表面構造、或いはその表面に適用されたパターン形成済みのラベルである。基準パターン１Ａは、光路５Ａを介して、光検出器３に光学的に結像される。また、同じ基準パターン１Ａが、ワーク・ピース８及びロケータ２Ａ、２Ｂ、２Ｃを介して、機械の他のパーツに機械的に相互連結される。機械性能を改善するために、基準パターン１Ａの２つの基準パターン画像１４が記録される。第１の基準パターン画像２３は、参照状態を表すように記録される。機械がしばらくの間使用された後で、第２の基準パターン画像２４が記録される。別法として、ワーク・ピース８が他所での機械加工のために取り出され、定位置に戻されてから第２の基準パターン画像２４が記録される。パーツ位置測定器６は、基準パターン画像２３、２４のそれぞれの記録と同時に、対応する機械位置データ１７を記録する。機械位置データ１７は、機械位置エンコーダ１０３Ａ、１０３Ｂの位置である。パーツ位置測定器６の目的は、重要な機械パーツの位置、又は位置変位が何であるか演繹することである。この目的のために、パーツ位置測定器６は、パーツ幾何形状関係１５と、パーツ変位制約１６とを考慮する。
【００２３】
したがって、パーツ幾何形状関係１５、及びパーツ変位制約１６に関する詳細を提供すべきである。パーツ幾何形状関係１５は、キーボードによってパーツ位置測定器６に入力される。図３のダイアグラムは、座標フレーム（矩形のボックス）間の機械的（実線）相互連結、及び光学的（破線）相互連結として表されたパーツ幾何形状関係１５を示す。図３のこのダイアグラムは、適度な選択された数のパーツが考慮されている、図２の物理的な構成の１つの表現である。座標フレームは、あるパーツの、別のパーツに対する、向きを含む位置を表す。パーツ変位制約１６もまた、キーボードによって位置測定器６に入力される。パーツ変位制約１６は、新しいパーツ位置を見出す際に許されるパーツ変位自由度を、それらの最大の量／大きさを含めて規定する。パーツ変位制約１６を考慮することにより、パーツ位置測定器６は、最小限の位置記録労力でパーツの位置変位を見出す。本実施例では、ワーク・ホルダ１２とワーク・ピース８との相対位置が、何らかの理由で変化しつつあるものと仮定する。本実施例では、基準パターン１Ａの第１の基準パターン画像２３及び第２の基準パターン画像２４の（水平面内の）ｘｙ位置が記録されると仮定する。次いで、本発明者らの推定によれば、単純なパーツ変位制約１６は、ワーク・ピース８が、移動するのを許される唯一のパーツであること、また、許される変位自由度がワーク・ピース８のｘ並進及びｙ並進だけであることである。この情報があると、パーツ位置測定器６は、基準パターン１Ａの第２の記録１つだけに基づいて、新しいワーク・ピース８の位置を見出すことができる。
【００２４】
次に、パーツ位置測定器の初期条件、すなわち１４、１５、１６、１７を組み合わせること、及びループ一貫性を確保することについて説明する。パーツ変位１８、すなわちワーク・ホルダ・サポート１２に対する新しいワーク・ピース８の位置を計算するための開始点として、パーツ位置測定器６は、パーツ幾何形状関係の関連初期条件すべてが互いに確実に一致するようにする。これは、基準パターン１Ａの第１の基準パターン画像２３、及び対応する機械位置データ１７を、パーツ幾何形状関係１５の適正な参照フレーム内に記録することによって行われる。すなわち、位置エンコーダ１０３Ａのデータが、ワーク・ピース・サポート１０４に対するワーク・ピース・キャリア１００の位置を表す、ワーク・ピース参照フレーム１００（図３）の位置に追加される。同様に、位置エンコーダ１０３Ｂのデータが、ワーク・ツール・サポート１０６に対するワーク・ツール・キャリア１０１の位置を表す、フレーム１０１（図３）の位置に追加される。最後に、基準パターン１Ａの基準パターン画像２３が、光検出器３のフレーム（図３参照）に追加される。これは、初期のパーツ幾何形状関係１５が互いに一致する、すなわち、たとえば座標フレームすべてが任意の空間位置をその幾何形状内で正しく再現すること、また特に、パーツ幾何形状関係１５の任意の閉ループを介する位置の計算に再現性があることを確実にする。機械がその状態を変えつつあるとき、基準パターン１Ａの第２の基準パターン画像２４、及び対応する新しい機械位置データ１７が、上述のものと同じやり方で、パーツ位置測定器６のパーツ幾何形状関係１５内に供給される。
【００２５】
次に、基準パターン画像変位について説明する。パーツ位置測定器６は、基準パターン１Ａの第１の基準パターン画像２３と第２の基準パターン画像２４の間のｘｙ変位を計算する。この実施例では、変位計算が数学的な相関によって実施されると仮定する。すなわち、パーツ位置測定器６は、一方の画像を、他方の画像に比べてｘ方向及びｙ方向で繰り返し１段ずつ並進し、相関を計算し、相関がその最大にある並進を見出す。相関は、対応する画像ピクセル位置に関するグレー・レベル数の積として計算され、次いで、画像の重なり合いにわたって積の和を計算する。
【００２６】
以下では、パーツ変位１８をどのように見出すか、すなわちループ計算について述べる。基準パターン１Ａは、ワーク・ピース８を介して、ワーク・ホルダ１２と、ワーク・ピース・キャリア１００と、ワーク・ピース・サポート１０４と、機械支持リンク１０５と、ワーク・ツール・サポート１０６と、ワーク・ツール・キャリア１０１と、ブラケット１０７と、光学アセンブリ４とを介して光検出器３に機械的に相互連結される。また、基準パターン１Ａは、光路５Ａを介して、光検出器３に光学的に相互連結される。これは、本発明者らがループ（３−８−１２−１００−１０４−１０５−１０６−１０１−１０７−４−３）と呼ぶものを生み出す。パーツ位置測定器６は、このループ内のフレーム位置すべてが互いに確実に一致するようにすることによって、ワーク・ピース８のｘｙ並進を見出す。所与の位置から始めて、図３のダイアグラムにおける、ある閉ループを介してマップされた位置を計算することにより、同じ位置に戻るはずであることがわかる。すなわち、本発明のパーツ位置測定器６の１つの鍵となる目的は、各位置がループ全体にわたってマップされたとき、所与の閉ループのメンバである位置すべてがそれら自体に戻ってマップされることを確実にすることである。ワーク・ピース８が第１の基準パターン画像２３と第２の基準パターン画像２４の記録の間で並進した場合には、ループ（３−８−１２−１００−１０４−１０５−１０６−１０１−１０７−４−３）のフレーム位置は、もはや互いに一致しない。次いで、パーツ位置測定器６は、ワーク・ピース８を表すフレームだけが水平面内（すなわち、ｘ方向及びｙ方向）で並進することが許されるパーツ変位制約１６を適用する。機械位置データ１７によって対処されるキャリア１０３Ａ及び１０３Ｂの変位を除いて、他のフレームすべてが移動していないと仮定される。
【００２７】
したがって、ループ計算に対する数学的解が展開される。一貫性を復元する数学的問題は、相異なるフレーム間の変換を説明する１組の一次方程式を解くことによって得られる。これは、いわゆる同次座標（ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ  ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ）により、３次元の並進及び回転を説明する４×４行列を使用することによって行うことができる。本実施例では、基準パターン画像２３と基準パターン画像２４の間のｘｙ並進は既知の値であり、ワーク・ピース８のｘｙ並進、すなわちパーツ変位１８は、未知の値である。これは、パーツ位置測定器６がワーク・ピース８の並進を計算し、それによりワーク・ピース８の新しい位置をも計算することを意味する。
【００２８】
「実施例２」
図２は、例として、切削機械、穿孔機械、形彫りＥＤＭ（放電加工機械）、ワイヤＥＤＭなど、任意の機械を表す可能性がある機械を示す概略図である。また、この概略図は、例として、ワーク・ツール９を、たとえばＣＭＭ（座標測定機械）内のもののようなタッチ・プローブ、又は光学ビジョン・センサなどとすることができる任意の品質管理機械を表す機械の一実施例を概して示す。これらの機械は、ある範囲の異なる機械的な構成を備えることができるが、すべて本発明による装置を備えることができる。これらの機械の、いくつかの鍵となる要素は、（典型的には２つの直交する並進ｘ及び並進ｙを実施する）ワーク・ピース・キャリア１００、（典型的にはｚ方向で１つの並進を実施するが、１つ又はいくつかの追加の回転を実施することもある）ワーク・ツール・キャリア１０１、ワーク・ツール・チャック１０２、位置エンコーダ１０３Ａ、１０３Ｂ、及び支持構造として示される。この実施例では、支持構造は、ワーク・ピース・サポート１０４と、機械支持リンク１０５と、ワーク・ツール・サポート１０６とを含むように示される。この機械の目的は、ワーク・ツール９によって、ワーク・ピース８の機械加工又は品質管理を実施することである。この実施例では、ワーク・ツール９は、ワーク・ツール・チャック１０２に固定される。ワーク・ツール９は、機械加工ツール、放電加工ツール、機械的なセンサ、位置スタイラス・センサ、光学イメージング・センサ、顕微鏡などとすることができる。機械加工又は品質管理を受けるワーク・ピース８のエリアを、本発明者らは、ワーク・エリア１０と呼ぶ。ワーク・ツール・キャリア１０１及びワーク・ピース・キャリア１００によりワーク・ピース８に対してワーク・ツール９を移動することにより、機械加工工程又は品質管理工程を行うのに必要な変位が実施される。工程中は、これらのキャリアの位置が、位置エンコーダ１０３Ａ、１０３Ｂの場所で読み取られる。ワーク・ピース８をワーク・ツール９に対して位置決めし、それによってワーク・エリア１０を位置決めするために、ワーク・ピース８がワーク・ホルダ１１内に配置される。典型的には、ワーク・ホルダ１１は、ワーク・ピース・キャリア１００にしっかり固定される。ワーク・ホルダ１１は、典型的には、ワーク・ホルダ・サポート１２と、ワーク・ホルダ・クランプ１３と、ワーク・ロケータ２Ａ、２Ｂ、２Ｃとから構成される可能性がある。ワーク・ピース８をワーク・ロケータ２Ａ、２Ｂ、２Ｃに接して配置することにより、またワーク・ホルダ・クランプ１３を使用することによってクランプすることにより、ワーク・ピース８は、ワーク・ホルダ１１にしっかり固定される。
【００２９】
この実施例では、対処すべき問題について、以下のように述べることができる。しかしながら、上述のものに関連して、１つの鍵となる問題は、位置エンコーダ１０３Ａ、１０３Ｂが、ワーク・エリア１０及びワーク・ツール９の先端の場所から離れた距離で取り付けられ、たとえば未知の角度誤差により、ワーク・ツール９又はワーク・ピース・エリア１０の正しい位置を読み取っていない可能性があることである。その結果、クランピング工程と、熱的、機械的な力とにより、ワーク・ツール９の位置の場所に対するワーク・ピース８の場所が、機械加工又は品質管理の作業中に、わずかに変化又は変動するおそれがある。本実施例では、ワーク・ピース８が、ワーク・ホルダ・サポート１２に対して並進する可能性があると仮定するものとする。
【００３０】
したがって、第１の機械パーツ２０、第２の機械パーツ２１、基準パターン１、光検出器３、基準パターン画像１４、及び機械位置１７に関する詳細を提供すべきである。位置誤差の低減は、図２に例示されているように、基準パターンの光学像を記録することによって達成され、図２では、光検出器３が、基準パターン１Ｂの基準パターン画像１４を記録し、それをパーツ位置測定器６に中継する。光検出器は、２次元アレイ・カメラである。光検出器３は、光学アセンブリ４及びブラケット１０７によって、ワーク・ツール・キャリア１０１に固定される。パーツ位置測定器６は、コンピュータ、パーソナル・コンピュータ、専用プロセッサなどの内部のプロセスとして実施することができる。基準パターン画像１４は、既知の手段によって変換／デジタル化され、コンピュータ位置計算に使用可能となる。図２では、基準パターン１Ｂは、例として、穿孔又は切削された細部など、ワーク・ピース８の表面内の機械加工された細部である。基準パターン１Ｂは、光路５Ｂ（図２に図示せず）を介して、光検出器３に光学的に結像される。また、同じ基準パターン１Ｂが、ワーク・ピース８及びロケータ２Ａ、２Ｂ、２Ｃを介して、機械の他のパーツに機械的に相互連結される。機械性能を改善するために、基準パターン１Ｂの２つの基準パターン画像１４が記録される。第１の基準パターン画像２３は、参照状態を表すように記録される。機械がしばらくの間使用された後で、第２の基準パターン画像２４が記録される。別法として、ワーク・ピース８が他所での機械加工のために取り出され、定位置に戻されてから第２の基準パターン画像２４が記録される。パーツ位置測定器６は、基準パターン画像２３、２４のそれぞれの記録と同時に、対応する機械位置データ１７を記録する。機械位置データ１７は、機械位置エンコーダ１０３Ａ、１０３Ｂの位置である。パーツ位置測定器６の目的は、重要な機械パーツの位置、又は位置変位が何であるか演繹することである。この目的のために、パーツ位置測定器６は、パーツ幾何形状関係１５と、パーツ変位制約１６とを考慮する。
【００３１】
したがって、パーツ幾何形状関係１５、及びパーツ変位制約１６に関する詳細を提供すべきである。パーツ幾何形状関係１５は、キーボードによってパーツ位置測定器６に入力される。図３のダイアグラムは、座標フレーム（矩形のボックス）間の機械的（実線）相互連結、及び光学的（破線）相互連結として表されたパーツ幾何形状関係１５を示す。図３のこのダイアグラムは、適度な選択された数のパーツが考慮されている、図２の物理的な構成の１つの表現である。座標フレームは、あるパーツの、別のパーツに対する、向きを含む位置を表す。パーツ変位制約１６もまた、キーボードによって位置測定器６に入力される。パーツ変位制約１６は、新しいパーツ位置を見出す際に許されるパーツ変位自由度を、それらの最大の量／大きさを含めて規定する。パーツ変位制約１６を考慮することにより、パーツ位置測定器６は、最小限の位置記録労力でパーツの位置変位を見出す。本実施例では、ワーク・ホルダ１２とワーク・ピース８との相対位置が、何らかの理由で変化しつつあるものと仮定する。本実施例では、基準パターン１Ｂの第１の基準パターン画像２３及び第２の基準パターン画像２４の（水平面内の）ｘｙ位置が記録されると仮定する。次いで、本発明者らの推定によれば、単純なパーツ変位制約１６は、ワーク・ピース８が、移動するのを許される唯一のパーツであること、また、許される変位自由度がワーク・ピース８のｘ並進及びｙ並進だけであることである。この情報があると、パーツ位置測定器６は、基準パターン１Ｂの第２の記録１つだけに基づいて、新しいワーク・ピース８の位置を見出すことができる。
【００３２】
次に、パーツ位置測定器の初期条件、すなわち１４、１５、１６、１７を組み合わせること、及びループ一貫性を確保することについて説明する。パーツ変位１８、すなわちワーク・ホルダ・サポート１２に対する新しいワーク・ピース８の位置を計算するための開始点として、パーツ位置測定器６は、パーツ幾何形状関係の関連初期条件すべてが互いに確実に一致するようにする。これは、基準パターン１Ｂの第１の基準パターン画像２３、及び対応する機械位置データ１７を、パーツ幾何形状関係１５の適正な参照フレーム内に記録することによって行われる。すなわち、位置エンコーダ１０３Ａのデータが、ワーク・ピース・サポート１０４に対するワーク・ピース・キャリア１００の位置を表す、ワーク・ピース参照フレーム１００（図３）の位置に追加される。同様に、位置エンコーダ１０３Ｂのデータが、ワーク・ツール・サポート１０６に対するワーク・ツール・キャリア１０１の位置を表す、フレーム１０１（図３）の位置に追加される。最後に、基準パターン１Ｂの基準パターン画像２３が、光検出器３のフレーム（図３参照）に追加される。これは、初期のパーツ幾何形状関係１５が互いに一致する、すなわち、たとえば座標フレームすべてが任意の空間位置をその幾何形状内で正しく再現すること、また特に、パーツ幾何形状関係１５の任意の閉ループを介する位置の計算に再現性があることを確実にする。機械がその状態を変えつつあるとき、基準パターン１Ｂの第２の基準パターン画像２４、及び対応する新しい機械位置データ１７が、上述のものと同じやり方で、パーツ位置測定器６のパーツ幾何形状関係１５内に供給される。
【００３３】
次に、基準パターン画像変位について説明する。パーツ位置測定器６は、基準パターン１Ｂの第１の基準パターン画像２３と第２の基準パターン画像２４の間のｘｙ変位を計算する。この実施例では、基準パターン１Ｂが穴であり、並進計算が、２つの画像の穴の中心を計算し、次いで中心の並進を計算することによって実施されると仮定する。穴の中心を見出すために、穴の縁部のグレー・レベル閾値を見出し、これらの閾値位置の中心を計算する既知の画像処理技法が使用される。
【００３４】
以下では、パーツ変位１８をどのように見出すか、すなわちループ計算について述べる。基準パターン１Ｂは、ワーク・ピース８を介して、ワーク・ホルダ１２と、ワーク・ピース・キャリア１００と、ワーク・ピース・サポート１０４と、機械支持リンク１０５と、ワーク・ツール・サポート１０６と、ワーク・ツール・キャリア１０１と、ブラケット１０７と、光学アセンブリ４とを介して光検出器３に機械的に相互連結される。また、基準パターン１Ｂは、光路５Ｂを介して、光検出器３に光学的に相互連結される。これは、本発明者らがループ（３−８−１２−１００−１０４−１０５−１０６−１０１−１０７−４−３）と呼ぶものを生み出す。パーツ位置測定器６は、このループ内のフレーム位置すべてが互いに確実に一致するようにすることによって、ワーク・ピース８の変位を見出す。所与の位置から始めて、図３のダイアグラムにおける、ある閉ループを介してマップされた位置を計算することにより、同じ位置に戻るはずであることがわかる。すなわち、本発明のパーツ位置測定器６の１つの鍵となる目的は、各位置がループ全体にわたってマップされたとき、所与の閉ループのメンバである位置すべてがそれら自体に戻ってマップされることを確実にすることである。ワーク・ピース８が第１の基準パターン画像２３と第２の基準パターン画像２４の記録の間で並進した場合には、ループ（３−８−１２−１００−１０４−１０５−１０６−１０１−１０７−４−３）のフレーム位置は、もはや互いに一致しない。次いで、パーツ位置測定器６は、ワーク・ピース８を表すフレームだけが水平面内（すなわち、ｘ方向及びｙ方向）で並進することが許されるパーツ変位制約１６を適用する。機械位置データ１７によって対処されるキャリア１０３Ａ及び１０３Ｂの変位を除いて、他のフレームすべてが移動していないと仮定される。
【００３５】
したがって、ループ計算に対する数学的解が展開される。一貫性を確保する数学的問題は、相異なるフレーム間の変換を説明する１組の一次方程式を解くことによって得られる。これは、同次座標により、３次元の並進及び回転を説明する４×４行列を使用することによって行うことができる。本実施例では、基準パターン画像２３と基準パターン画像２４の間のｘｙ並進は既知の値であり、ワーク・ピース８のｘｙ並進、すなわちパーツ変位１８は、未知の値である。これは、パーツ位置測定器６がワーク・ピース８の並進を計算し、それによりワーク・ピース８の新しい位置をも計算することを意味する。
【００３６】
「実施例３」
図２は、例として、切削機械、穿孔機械、形彫りＥＤＭ（放電加工機械）、ワイヤＥＤＭなど、任意の機械を表す可能性がある機械を示す概略図である。また、この概略図は、例として、ワーク・ツール９を、たとえばＣＭＭ（座標測定機械）内のもののようなタッチ・プローブ、又は光学ビジョン・センサなどとすることができる任意の品質管理機械を表す機械の一実施例を概して示す。これらの機械は、ある範囲の異なる機械的な構成を備えることができるが、すべて本発明による装置を備えることができる。これらの機械の、いくつかの鍵となる要素は、（典型的には２つの直交する並進ｘ及び並進ｙを実施する）ワーク・ピース・キャリア１００、（典型的にはｚ方向で１つの並進を実施するが、１つ又はいくつかの追加の回転を実施することもある）ワーク・ツール・キャリア１０１、ワーク・ツール・チャック１０２、位置エンコーダ１０３Ａ、１０３Ｂ、及び支持構造として示される。この実施例では、支持構造は、ワーク・ピース・サポート１０４と、機械支持リンク１０５と、ワーク・ツール・サポート１０６とを含むように示される。この機械の目的は、ワーク・ツール９によって、ワーク・ピース８の機械加工又は品質管理を実施することである。この実施例では、ワーク・ツール９は、ワーク・ツール・チャック１０２に固定される。ワーク・ツール９は、機械加工ツール、放電加工ツール、機械的なセンサ、位置スタイラス・センサ、光学イメージング・センサ、顕微鏡などとすることができる。機械加工又は品質管理を受けるワーク・ピース８のエリアを、本発明者らは、ワーク・エリア１０と呼ぶ。ワーク・ツール・キャリア１０１及びワーク・ピース・キャリア１００によりワーク・ピース８に対してワーク・ツール９を移動することにより、機械加工工程又は品質管理工程を行うのに必要な変位が実施される。工程中は、これらのキャリアの位置が、位置エンコーダ１０３Ａ、１０３Ｂの場所で読み取られる。ワーク・ピース８をワーク・ツール９に対して位置決めし、それによってワーク・エリア１０を位置決めするために、ワーク・ピース８がワーク・ホルダ１１内に配置される。典型的には、ワーク・ホルダ１１は、ワーク・ピース・キャリア１００にしっかり固定される。ワーク・ホルダ１１は、典型的には、ワーク・ホルダ・サポート１２と、ワーク・ホルダ・クランプ１３と、ワーク・ロケータ２Ａ、２Ｂ、２Ｃとから構成される可能性がある。ワーク・ピース８をワーク・ロケータ２Ａ、２Ｂ、２Ｃに接して配置することにより、またワーク・ホルダ・クランプ１３を使用することによってクランプすることにより、ワーク・ピース８は、ワーク・ホルダ１１にしっかり固定される。
【００３７】
この実施例では、対処すべき問題について、以下のように述べることができる。相異なる機械パーツの位置が未知の量だけ変化したとき、本開示による革新が役立つ可能性がある。しかし、いくつかの高精度応用例では、光検出器３の位置さえ、たとえば熱シフトにより変化するおそれがある。そのとき、光検出器３に近接して、しかしワーク・ツール・キャリア１０１に対してしっかりした、また安定した位置で取り付けられた基準パターン１Ｆが、この誤差を補償する助けとなる可能性がある。本実施例では、光検出器３の位置が、水平のｘ及びｙ方向で並進すると仮定するものとする。
【００３８】
したがって、第１の機械パーツ２０、第２の機械パーツ２１、基準パターン１、光検出器３、基準パターン画像１４、及び機械位置１７に関する詳細を提供すべきである。位置誤差の低減は、図２に例示されているように、基準パターンの光学像を記録することによって達成され、図２では、光検出器３が、基準パターン１Ｆの基準パターン画像１４を記録し、それをパーツ位置測定器６に中継する。光検出器は、２次元アレイ・カメラである。光検出器３は、光学アセンブリ４及びブラケット１０７によって、ワーク・ツール・キャリア１０１に固定される。パーツ位置測定器６は、コンピュータ、パーソナル・コンピュータ、専用プロセッサなどの内部のプロセスとして実施することができる。基準パターン画像１４は、既知の手段によって変換／デジタル化され、コンピュータ位置計算に使用可能となる。図２では、基準パターン１Ｆは、例として、表面上に所定の高コントラスト・パターンが蒸着されたガラス板である。基準パターン１Ｆは透照されると仮定する。基準パターン１Ｆは、光路５Ｆを介して、光検出器３に光学的に結像される。また、同じ基準パターン１Ｆが、光学アセンブリ４及びブラケット１０７を介して、ワーク・ツール・キャリア１０１に機械的に相互連結される。光検出器３の変位を補償するために、基準パターン１Ｆの基準パターン画像１４を１つだけ記録することが必要とされる。第１の基準パターン画像２３が記録されるたびに、パーツ位置測定器６は、この画像の位置を基準パターン画像モデル２５（図２に図示せず）と比較する。パーツ位置測定器６の目的は、光検出器３の位置並進が何であるか演繹することである。この目的のために、パーツ位置測定器６は、パーツ幾何形状関係１５と、パーツ変位制約１６とを考慮する。
【００３９】
したがって、パーツ幾何形状関係１５、及びパーツ変位制約１６に関する詳細を提供すべきである。パーツ幾何形状関係１５は、キーボードによってパーツ位置測定器６に入力される。図３のダイアグラムは、座標フレーム（矩形のボックス）間の機械的（実線）相互連結、及び光学的（破線）相互連結として表されたパーツ幾何形状関係１５を示す。図３のこのダイアグラムは、適度な選択された数のパーツが考慮されている、図２の物理的な構成の１つの表現である。座標フレームは、あるパーツの、別のパーツに対する、向きを含む位置を表す。パーツ変位制約１６もまた、キーボードによって位置測定器６に入力される。パーツ変位制約１６は、新しいパーツ位置を見出す際に許されるパーツ変位自由度を、それらの最大の量／大きさを含めて規定する。パーツ変位制約１６を考慮することにより、パーツ位置測定器６は、最小限の位置記録労力でパーツの位置変位を見出す。本実施例では、光検出器３と光学アセンブリ４との相対位置が、何らかの理由で変化しつつあるものと仮定する。本実施例では、基準パターン１Ｆの第１の基準パターン画像２３の（水平面内の）ｘｙ位置が記録されると仮定する。次いで、本発明者らの推定によれば、単純なパーツ変位制約１６は、光検出器３が、移動するのを許される唯一のパーツであること、また、許される変位自由度が光検出器３のｘ並進及びｙ並進だけであることである。この情報があると、パーツ位置測定器６は、基準パターン・モデル２５に比べて、第１の基準パターン画像２３の位置に基づいて光検出器３の位置を見出すことができる。
【００４０】
次に、パーツ位置測定器の初期条件、すなわち１４、１５、１６、１７を組み合わせること、及びループ一貫性を確保することについて説明する。パーツ変位１８、すなわち光学アセンブリ４に対する新しい光検出器３の位置を計算するための開始点として、パーツ位置測定器６は、パーツ幾何形状関係の関連初期条件すべてが互いに確実に一致するようにする。これは、基準パターン１Ｆの基準パターン・モデル２５を光検出器３のフレーム（図３参照）内で基準位置内に置くことによって行われる。これは、初期のパーツ幾何形状関係１５が、この初期の基準パターン・モデル２５の参照位置に対して互いに一致する、すなわち、たとえば座標フレームすべてが任意の空間位置をその幾何形状内で正しく再現すること、また特に、パーツ幾何形状関係１５の任意の閉ループを介する位置の計算に再現性があることを確実にする。機械がその状態を変えつつあるとき、基準パターン１Ｆの第１の基準パターン画像２３が、パーツ位置測定器６のパーツ幾何形状関係１５内に、すなわち光検出器フレーム３内に供給される。
【００４１】
次に、基準パターン画像変位について説明する。パーツ位置測定器６は、基準パターン・モデル２５と、基準パターン１Ｆの第１の基準パターン画像２３との間のｘｙ並進を計算する。この実施例では、基準パターン１Ｆが、穴パターンの行列のように、多数の位置細部を有する決定的なパターンであり、変位計算が、基準パターン画像モデル２５及び基準パターン画像２３のそれぞれの図心を計算し、次いで図心の変位を計算することによって実施されると仮定する。パターンの図心を見出すために、各行列穴の穴縁部のグレー・レベル閾値位置を見出し、次いでこれらの閾値位置の中心を計算し、最後にこれらの穴中心の図心を見出す既知の画像処理技法。
【００４２】
以下では、パーツ変位１８をどのように見出すか、すなわちループ計算について述べる。基準パターン１Ｆは、光学アセンブリ４を介して、光検出器３に機械的に相互連結される。また、基準パターン１Ｆは、光路５Ｆを介して、光検出器３に光学的に相互連結される。これは、本発明者らがループ（３−４−３）と呼ぶものを生み出す。パーツ位置測定器６は、このループ内のフレーム位置が互いに確実に一致するようにすることによって、光検出器３の変位を見出す。所与の位置から始めて、図３のダイアグラムにおける、ある閉ループを介してマップされた位置を計算することにより、同じ位置に戻るはずであることがわかる。すなわち、本発明のパーツ位置測定器６の１つの鍵となる目的は、各位置がループ全体にわたってマップされたとき、所与の閉ループのメンバである位置すべてがそれら自体に戻ってマップされることを確実にすることである。光検出器が移動した場合には、ループ（３−４−３）の第１の基準パターン画像２３は、もはや基準パターン・モデル２５の位置に一致しない。次いで、パーツ位置測定器６は、光検出器３を表すフレームだけが水平面内（すなわち、ｘ方向及びｙ方向）で並進することが許されるパーツ変位制約１６を適用する。
【００４３】
したがって、ループ計算に対する数学的解が展開される。一貫性を確保する数学的問題は、相異なるフレーム間の変換を説明する１組の一次方程式を解くことによって得られる。これは、同次座標により、３次元の並進及び回転を説明する４×４行列を使用することによって行うことができる。本実施例では、基準パターン画像２３と基準パターン画像モデル２５の間のｘｙ並進は既知の値であり、光検出器３のｘｙ並進、すなわちパーツ変位１８は、未知の値である。これは、パーツ位置測定器６が光検出器３の並進を計算し、それにより光検出器３の新しい位置をも計算することを意味する。この光検出器３の変位は、たとえば実施例１及び実施例２で述べられている、たとえばパーツ変位８を補償するために使用することができる誤差である。
【００４４】
「実施例４」
図２は、例として、切削機械、穿孔機械、形彫りＥＤＭ（放電加工機械）、ワイヤＥＤＭなど、任意の機械を表す可能性がある機械を示す概略図である。また、この概略図は、例として、ワーク・ツール９を、たとえばＣＭＭ（座標測定機械）内のもののようなタッチ・プローブ、又は光学ビジョン・センサなどとすることができる任意の品質管理機械を表す機械の一実施例を概して示す。これらの機械は、ある範囲の異なる機械的な構成を備えることができるが、すべて本発明による装置を備えることができる。これらの機械の、いくつかの鍵となる要素は、（典型的には２つの直交する並進ｘ及び並進ｙを実施する）ワーク・ピース・キャリア１００、（典型的にはｚ方向で１つの並進を実施するが、１つ又はいくつかの追加の回転を実施することもある）ワーク・ツール・キャリア１０１、ワーク・ツール・チャック１０２、位置エンコーダ１０３Ａ、１０３Ｂ、及び支持構造として示される。この実施例では、支持構造は、ワーク・ピース・サポート１０４と、機械支持リンク１０５と、ワーク・ツール・サポート１０６とを含むように示される。この機械の目的は、ワーク・ツール９によって、ワーク・ピース８の機械加工又は品質管理を実施することである。この実施例では、ワーク・ツール９は、ワーク・ツール・チャック１０２に固定される。ワーク・ツール９は、機械加工ツール、放電加工ツール、機械的なセンサ、位置スタイラス・センサ、光学イメージング・センサ、顕微鏡などとすることができる。機械加工又は品質管理を受けるワーク・ピース８のエリアを、本発明者らは、ワーク・エリア１０と呼ぶ。ワーク・ツール・キャリア１０１及びワーク・ピース・キャリア１００によりワーク・ピース８に対してワーク・ツール９を移動することにより、機械加工工程又は品質管理工程を行うのに必要な変位が実施される。工程中は、これらのキャリアの位置が、位置エンコーダ１０３Ａ、１０３Ｂの場所で読み取られる。ワーク・ピース８をワーク・ツール９に対して位置決めし、それによってワーク・エリア１０を位置決めするために、ワーク・ピース８がワーク・ホルダ１１内に配置される。典型的には、ワーク・ホルダ１１は、ワーク・ピース・キャリア１００にしっかり固定される。ワーク・ホルダ１１は、典型的には、ワーク・ホルダ・サポート１２と、ワーク・ホルダ・クランプ１３と、ワーク・ロケータ２Ａ、２Ｂ、２Ｃとから構成される可能性がある。ワーク・ピース８をワーク・ロケータ２Ａ、２Ｂ、２Ｃに接して配置することにより、またワーク・ホルダ・クランプ１３を使用することによってクランプすることにより、ワーク・ピース８は、ワーク・ホルダ１１にしっかり固定される。
【００４５】
この実施例では、対処すべき問題について、以下のように述べることができる。しかし、上述のものに関連して、１つの鍵となる問題は、位置エンコーダ１０３Ａ、１０３Ｂが、ワーク・エリア１０及びワーク・ツール９の先端の場所から離れた距離で取り付けられ、たとえば未知の角度誤差により、ワーク・ツール９又はワーク・ピース・エリア１０の正しい位置を読み取っていない可能性があることである。その結果、熱的、機械的な力により、機械支持リンク１０５の位置が、機械加工又は品質管理の作業中に、わずかに変化又は変動するおそれがある。本実施例では、機械支持リンク１０５が、ワーク・ピース・サポート１０４に対して移動する可能性があると仮定するものとする。
【００４６】
したがって、第１の機械パーツ２０、第２の機械パーツ２１、基準パターン１、光検出器３、基準パターン画像１４、及び機械位置１７に関する詳細を提供すべきである。位置誤差の低減は、図２に例示されているように、基準パターンの光学像を記録することによって達成され、図２では、光検出器３が、３つの基準パターン１Ｅの基準パターン画像１４を記録し、それらをパーツ位置測定器６に中継する。光検出器は、２次元アレイ・カメラである。光検出器３は、光学アセンブリ４及びブラケット１０７によって、ワーク・ツール・キャリア１０１に固定される。パーツ位置測定器６は、コンピュータ、パーソナル・コンピュータ、専用プロセッサなどの内部のプロセスとして実施することができる。基準パターン画像１４は、既知の手段によって変換／デジタル化され、コンピュータ位置計算に使用可能となる。図２では、一般に、３つの基準パターン１Ｅは、例として３つの異なる機械パーツ、すなわちワーク・ピース・キャリア１００、ワーク・ホルダ・サポート１２、及びワーク・ホルダ・クランプ１３の所与の表面構造として分布し、或いはその表面に適用された３つのパターン形成済みのラベルである。基準パターン１Ｅは、（図２に示されていないが、図の光路５Ａの、３つのシフトされたバージョンと同様の）光路５Ｅを介して、光検出器３に光学的に結像される。また、同じ基準パターン１Ｅが、ワーク・ピース・サポート１０４を介して、機械の他のパーツに機械的に相互連結される。機械性能を改善するために、各基準パターン１Ｅの２つの基準パターン画像１４が記録される。各基準パターン１Ｅの第１の基準パターン画像２３は、３つの参照状態を表すように記録される。機械がしばらくの間使用された後で、各基準パターン１Ｅの第２の基準パターン画像２４が記録される。パーツ位置測定器６は、基準パターン画像２３、２４のそれぞれの記録と同時に、対応する機械位置データ１７を記録する。機械位置データ１７は、機械位置エンコーダ１０３Ａ、１０３Ｂの位置である。パーツ位置測定器６の目的は、重要な機械パーツの位置、又は位置変位が何であるか演繹することである。この目的のために、パーツ位置測定器６は、パーツ幾何形状関係１５と、パーツ変位制約１６とを考慮する。
【００４７】
したがって、パーツ幾何形状関係１５、及びパーツ変位制約１６に関する詳細を提供すべきである。パーツ幾何形状関係１５は、キーボードによってパーツ位置測定器６に入力される。図３のダイアグラムは、座標フレーム（矩形のボックス）間の機械的（実線）相互連結、及び光学的（破線）相互連結として表されたパーツ幾何形状関係１５を示す。図３のこのダイアグラムは、適度な選択された数のパーツが考慮されている、図２の物理的な構成の１つの表現である。座標フレームは、あるパーツの、別のパーツに対する、向きを含む位置を表す。パーツ変位制約１６もまた、キーボードによって位置測定器６に入力される。パーツ変位制約１６は、新しいパーツ位置を見出す際に許されるパーツ変位自由度を、それらの最大の量／大きさを含めて規定する。パーツ変位制約１６を考慮することにより、パーツ位置測定器６は、最小限の位置記録労力でパーツの位置変位を見出す。本実施例では、機械支持リンク１０５とワーク・ピース・サポート１０４との相対位置が、何らかの理由で変化しつつあるものと仮定する。本実施例では、基準パターン１Ｅの第１の基準パターン画像２３及び第２の基準パターン画像２４の（水平面内の）ｘｙ位置が記録されると仮定する。次いで、本発明者らの推定によれば、単純なパーツ変位制約１６は、機械支持リンク１０５が、移動するのを許される唯一のパーツであること、また、許される変位自由度がこの機械支持リンク１０５のｙ並進及びｙ軸の周りでの回転だけであることである。この情報があると、パーツ位置測定器６は、３つの基準パターン１Ｅの第２の画像２４の記録１つだけに基づいて、新しい機械支持リンク１０５の位置を見出すことになる。
【００４８】
次に、パーツ位置測定器の初期条件、すなわち１４、１５、１６、１７を組み合わせること、及びループ一貫性を確保することについて説明する。パーツ変位１８、すなわちワーク・ピース・サポート１０４に対する新しい機械支持リンク１０５の位置を計算するための開始点として、パーツ位置測定器６は、パーツ幾何形状関係の関連初期条件すべてが互いに確実に一致するようにする。これは、基準パターン１Ｅの第１の基準パターン画像２３を記録することによって行われる。これらの第１の基準パターン画像２３、及び対応する機械位置データ１７は、パーツ幾何形状関係１５の適正な参照フレーム内に記録される。すなわち、位置エンコーダ１０３Ａのデータが、ワーク・ピース・サポート１０４に対するワーク・ピース・キャリア１００の位置を表す、ワーク・ピース参照フレーム１００（図３）の位置に追加される。同様に、位置エンコーダ１０３Ｂのデータが、ワーク・ツール・サポート１０６に対するワーク・ツール・キャリア１０１の位置を表す、フレーム１０１（図３）の位置に追加される。最後に、基準パターン１Ｅの３つの異なる第１の基準パターン画像２３が、光検出器３のフレーム（図３参照）に追加される。これは、初期のパーツ幾何形状関係１５が、３つの異なるキャリア位置について互いに一致する、すなわち、たとえばこれらの３つの位置について、座標フレームすべてが任意の空間位置をその幾何形状内で正しく再現すること、また特に、パーツ幾何形状関係１５の任意の閉ループを介する位置の計算に再現性があることを確実にする。機械がその状態を変えつつあるとき、基準パターン１Ｅの異なる第２の基準パターン画像２４、及び対応する新しい機械位置データ１７が、上述のものと同じやり方で、パーツ位置測定器６のパーツ幾何形状関係１５内に供給される。
【００４９】
次に、基準パターン画像変位について説明する。パーツ位置測定器６は、３つの異なる基準パターン１Ｅについて、第１の基準パターン画像２３と、対応する第２の基準パターン画像２４との間のｘｙ並進を計算する。この実施例では、並進計算が数学的な相関によって実施されると仮定する。すなわち、パーツ位置測定器６は、対応する第１の画像２３を、第２の画像２４に比べてｘ方向及びｙ方向で繰り返し１段ずつ並進し、相関を計算し、相関がその最大にある並進を見出す。相関は、対応する画像ピクセル位置に関するグレー・レベル数の積として計算され、次いで、画像の重なり合いにわたって積の和を計算する。
【００５０】
以下では、パーツ変位１８をどのように見出すか、すなわちループ計算について述べる。基準パターン１Ｅは、ワーク・ピース・キャリア１００を介して、ワーク・ピース・サポート１０４、機械支持リンク１０５、ワーク・ツール・サポート１０６、ワーク・ツール・キャリア１０１、ブラケット１０７、及び光学アセンブリ４に機械的に相互連結される。また、基準パターン１Ｅは、３つの異なる光路５Ｅ（図２に図示せず）を介して、光検出器３に光学的に相互連結される。本実施例におけるワーク・ホルダ・クランプ１３と、ワーク・ホルダ・サポート１２と、ワーク・ピース・キャリア１００との位置関係は変化しないと仮定されるため、発明者らは、３つの基準パターン１Ｅすべてをワーク・ピース・キャリア１００の座標フレームに差し向ける。これは、３つのバージョンの、本発明者らがループ（３−１００−１０４−１０５−１０６−１０１−１０７−４−３）と呼ぶものを生み出す。パーツ位置測定器６は、別々にすべての、これらの３つのループ内のフレーム位置が互いに確実に一致するようにすることによって、機械支持リンク１０５の変位を見出す。所与の位置から始めて、図３のダイアグラムにおける、ある閉ループを介してマップされた位置を計算することにより、同じ位置に戻るはずであることがわかる。すなわち、本発明のパーツ位置測定器６の１つの鍵となる目的は、各位置がループ全体にわたってマップされたとき、所与の閉ループのメンバである位置すべてがそれら自体に戻ってマップされることを確実にすることである。機械支持リンク１０５が第１の基準パターン画像２３と第２の基準パターン画像２４の記録の間で移動した場合には、３つのループ（３−１００−１０４−１０５−１０６−１０１−１０７−４−３）のそれぞれにおけるフレーム位置は、もはや互いに一致しない。次いで、パーツ位置測定器６は、機械支持リンク１０５を表すフレームだけが、水平面内（すなわち、ｙ方向）で移動し、同じｙ軸の周りで回転することが許されるパーツ変位制約１６を適用する。機械位置データ１７によって対処されるキャリア１０３Ａ及び１０３Ｂの変位を除いて、他のフレームすべてが移動していないと仮定される。
【００５１】
したがって、ループ計算に対する数学的解が展開される。本実施例では、３対の基準パターン画像２３及び基準パターン画像２４の間のｘｙ変位は既知の変位であり、機械支持リンク１０５のｙ並進シフト及びｙ回転、すなわちパーツ変位１８は、未知の変位である。これは、パーツ位置測定器６が機械支持リンク１０５の変位を計算し、それにより機械支持リンク１０５の新しい位置をも計算することを意味する。
【００５２】
一貫性を確保する数学的問題は、未知のパーツ変位を小さな量だけ、反復して変更し、第２の基準パターン画像２４の位置が、対応する、見出された並進位置に近づくか、それとも離れるか検査し、次いで、オフセットが最小に、又は小さな閾値限界未満に低減されるまで、基準パターン画像２４の位置オフセットを減少させる方向で、未知の変位を繰り返し変更することによって達成される。この最後の手法の先進のバージョンは、大抵のレンズ設計問題によって使用される反復手法から周知である。そこでは、像面内の光線位置オフセット値の集まり、すなわちメリット関数が、光線位置オフセット値の集まりが最小に、又は小さな閾値限界未満に低減されるまで、レンズ表面の曲率、距離などを繰り返し変更することによって反復して低減される。たとえば、Ｗａｒｒｅｎ  Ｊ．Ｓｍｉｔｈによる書籍「Ｍｏｄｅｒｎ  Ｌｅｎｓ  Ｄｅｓｉｇｎ」（出版社：ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ  Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｔｗｏ  Ｐｅｎｎ  Ｐｌａｚａ、ニューヨーク、ＩＳＢＮ  ０−０７−１４３８３０−０）を参照されたい。類推によって、本実施例では、本発明者らは、画像オフセット値を光線位置オフセット値と同一視し、基準パターン画像２４のオフセット値の２乗和であるメリット関数を生み出す。類推によって、本発明者らはまた、未知の機械支持リンク１０５のｙ並進及びｙ回転を、レンズ表面の曲率、距離などと同一視する。その結果、本発明者らは、対応する基準パターン２３の位置に対する、観察された第２の基準パターン画像２４の並進に最もよく適合する新しい機械支持リンク１０５の位置を見出す。
【００５３】
その結果、本発明者らは、パーツ幾何形状関係１５を、機械支持リンク１０５の更新された、新しい位置で改善する。具体的には、図３に示されている、対応するフレーム関係によって表される、これらの新しい修正済みのパーツ幾何形状関係１５を使用することにより、この新しい機械支持リンク１０５の位置が自動的に考慮され、ワーク・エリア位置１０の決定を改善する。また、新しいパーツ幾何形状関係１５が自動的に考慮され、現在のループ（３−１００−１０４−１０５−１０６−１０１−１０７−４−３）に相互連結されている他のフレームすべての位置決定を改善する。図３からわかるように、本実施例では、ワーク・ツール９がループ（３−１００−１０４−１０５−１０６−１０１−１０７−４−３）のメンバでないにもかかわらず、ワーク・ツール９を表すフレームの位置決定が改善されることに、本発明者らは特に言及する。
【００５４】
「実施例５」
図２は、例として、切削機械、穿孔機械、形彫りＥＤＭ（放電加工機械）、ワイヤＥＤＭなど、任意の機械を表す可能性がある機械を示す概略図である。また、この概略図は、例として、ワーク・ツール９を、たとえばＣＭＭ（座標測定機械）内のもののようなタッチ・プローブ、又は光学ビジョン・センサなどとすることができる任意の品質管理機械を表す機械の一実施例を概して示す。これらの機械は、ある範囲の異なる機械的な構成を備えることができるが、すべて本発明による装置を備えることができる。これらの機械の、いくつかの鍵となる要素は、（典型的には２つの直交する並進ｘ及び並進ｙを実施する）ワーク・ピース・キャリア１００、（典型的にはｚ方向で１つの並進を実施するが、１つ又はいくつかの追加の回転を実施することもある）ワーク・ツール・キャリア１０１、ワーク・ツール・チャック１０２、位置エンコーダ１０３Ａ、１０３Ｂ、及び支持構造として示される。この実施例では、支持構造は、ワーク・ピース・サポート１０４と、機械支持リンク１０５と、ワーク・ツール・サポート１０６とを含むように示される。この機械の目的は、ワーク・ツール９によって、ワーク・ピース８の機械加工又は品質管理を実施することである。この実施例では、ワーク・ツール９は、ワーク・ツール・チャック１０２に固定される。ワーク・ツール９は、機械加工ツール、放電加工ツール、機械的なセンサ、位置スタイラス・センサ、光学イメージング・センサ、顕微鏡などとすることができる。機械加工又は品質管理を受けるワーク・ピース８のエリアを、本発明者らは、ワーク・エリア１０と呼ぶ。ワーク・ツール・キャリア１０１及びワーク・ピース・キャリア１００によりワーク・ピース８に対してワーク・ツール９を移動することにより、機械加工工程又は品質管理工程を行うのに必要な変位が実施される。工程中は、これらのキャリアの位置が、位置エンコーダ１０３Ａ、１０３Ｂの場所で読み取られる。ワーク・ピース８をワーク・ツール９に対して位置決めし、それによってワーク・エリア１０を位置決めするために、ワーク・ピース８がワーク・ホルダ１１内に配置される。典型的には、ワーク・ホルダ１１は、ワーク・ピース・キャリア１００にしっかり固定される。ワーク・ホルダ１１は、典型的には、ワーク・ホルダ・サポート１２と、ワーク・ホルダ・クランプ１３と、ワーク・ロケータ２Ａ、２Ｂ、２Ｃとから構成される可能性がある。ワーク・ピース８をワーク・ロケータ２Ａ、２Ｂ、２Ｃに接して配置することにより、またワーク・ホルダ・クランプ１３を使用することによってクランプすることにより、ワーク・ピース８は、ワーク・ホルダ１１にしっかり固定される。
【００５５】
この実施例では、対処すべき問題について、以下のように述べることができる。しかし、上述のものに関連して、１つの鍵となる問題は、位置エンコーダ１０３Ａ、１０３Ｂが、ワーク・エリア１０及びワーク・ツール９の先端の場所から離れた距離で取り付けられ、たとえば未知の角度誤差により、ワーク・ツール９又はワーク・ピース・エリア１０の正しい位置を読み取っていない可能性があることである。その結果、クランピング工程と、熱的、機械的な力とにより、ワーク・ツール９の位置の場所に対するワーク・ピース８の場所が、機械加工又は品質管理の作業中に、わずかに変化又は変動するおそれがある。本実施例では、ワーク・ピース８が、ワーク・ホルダ・サポート１２に対して、検出器３の観察の方向に直交して（ｘｙ方向）並進する可能性がある、また、機械支持リンク１０５が、ｙ軸の周りで回転し、ｙ方向に対して平行に並進し、部分的に検出器３を、検出器３の観察の方向に対して平行（ｚ方向）に、また直交（ｙ方向）して移動させる、組み合わされた変位を仮定するものとする。
【００５６】
したがって、第１の機械パーツ２０、第２の機械パーツ２１、基準パターン１、光検出器３、基準パターン画像１４、及び機械位置１７に関する詳細を提供すべきである。位置誤差の低減は、図２に例示されているように、基準パターンの光学像を記録することによって達成され、図２では、光検出器３が、基準パターン１Ａの基準パターン画像１４を記録し、それをパーツ位置測定器６に中継する。光検出器は、２次元アレイ・カメラである。光検出器３は、光学アセンブリ４及びブラケット１０７によって、ワーク・ツール・キャリア１０１に固定される。パーツ位置測定器６は、コンピュータ、パーソナル・コンピュータ、専用プロセッサなどの内部のプロセスとして実施することができる。基準パターン画像１４は、既知の手段によって変換／デジタル化され、コンピュータ位置計算に使用可能となる。図２では、基準パターン１Ａは、例として、ワーク・ピース８の所与の表面構造、或いはその表面に適用されたパターン形成済みのラベルである。基準パターン１Ａは、光路５Ａを介して、光検出器３に光学的に結像される。また、同じ基準パターン１Ａが、ワーク・ピース８及びロケータ２Ａ、２Ｂ、２Ｃを介して、機械の他のパーツに機械的に相互連結される。機械性能を改善するために、光学アセンブリ４の第１の光学構成にある基準パターン１Ａの２つの基準パターン画像１４が共に記録され、光学アセンブリ４の第２の光学構成にある基準パターン１Ａの別の２つの基準パターン画像１４が記録される。第１の光学アセンブリ４の構成は、光検出器３の観察の方向に直交する変位に敏感であるように構成される。第２の光学アセンブリ４の構成は、光検出器３の観察の方向に対して平行な変位に敏感であるように構成される。最初に、第１の光学アセンブリ４の構成における第１の基準パターン画像２３、及び第２の光学アセンブリ４の構成における第１の基準パターン画像２３が、２つの参照状態を表すように記録される。機械がしばらくの間使用された後で、第２の基準パターン画像２４が、両光学構成において記録される。パーツ位置測定器６は、基準パターン画像２３、２４のそれぞれの記録と同時に、対応する機械位置データ１７を記録する。機械位置データ１７は、機械位置エンコーダ１０３Ａ、１０３Ｂの位置である。パーツ位置測定器６の目的は、重要な機械パーツの位置、又は位置変位が何であるか演繹することである。この目的のために、パーツ位置測定器６は、パーツ幾何形状関係１５と、パーツ変位制約１６とを考慮する。
【００５７】
したがって、パーツ幾何形状関係１５、及びパーツ変位制約１６に関する詳細を提供すべきである。パーツ幾何形状関係１５は、たとえば機械のＣＮＣ（コンピュータ数値制御）ユニットのように別のコンピュータ又はプロセッサからパーツ位置測定器６に入力される。図３のダイアグラムは、座標フレーム（矩形のボックス）間の機械的（実線）相互連結、及び光学的（破線）相互連結として表されたパーツ幾何形状関係１５を示す。図３のこのダイアグラムは、適度な選択された数のパーツが考慮されている、図２の物理的な構成の１つの表現である。座標フレームは、あるパーツの、別のパーツに対する、向きを含む位置を表す。パーツ変位制約１６もまた、たとえば機械のＣＮＣ（コンピュータ数値制御）ユニットのように別のコンピュータ又はプロセッサから位置測定器６に入力される。パーツ変位制約１６は、新しいパーツ位置を見出す際に許されるパーツ変位自由度を、それらの最大の量／大きさを含めて規定する。パーツ変位制約１６を考慮することにより、パーツ位置測定器６は、最小限の位置記録労力でパーツの位置変位を見出す。本実施例では、ワーク・ホルダ１２とワーク・ピース８との、また機械支持リンク１０５とワーク・ピース・サポート１０４との相対位置が、何らかの理由で変化しつつあるものと仮定する。本実施例では、基準パターン１Ａの第１の基準パターン画像２３及び第２の基準パターン画像２４が、第１及び第２の光学アセンブリ４の構成で共に記録されると仮定する。次いで、本発明者らの推定によれば、パーツ変位制約１６は、ワーク・ピース８及び機械支持リンク１０５が、移動するのを許されるパーツであること、また、許される変位自由度が、光検出器３の観察の方向に直交する、ワーク・ピース８のｘ並進及びｙ並進、並びに機械支持リンク１０５のｙ回転及びｙ並進だけであることである。また、この実施例をさらに現実的なものにするために、本発明者らは、それより前に、シミュレーション又は測定によって、機械支持リンク１０５のｙ回転とｙ並進の間に結合比例（ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｉｔｙ）があることを見出していると仮定する。本発明者らは、この結合比例をもパーツ変位制約１６に含める。この情報があると、パーツ位置測定器６は、新しいワーク・ピース８及び機械支持リンク１０５の位置を共に見出すことができる。
【００５８】
次に、パーツ位置測定器の初期条件、すなわち１４、１５、１６、１７を組み合わせること、及びループ一貫性を確保することについて説明する。パーツ変位１８、すなわちワーク・ホルダ・サポート１２に対する新しいワーク・ピース８の位置、及びワーク・ピース・サポート１０４に対する新しい機械支持リンク１０５の位置を計算するための開始点として、パーツ位置測定器６は、パーツ幾何形状関係の関連初期条件すべてが互いに確実に一致するようにする。これは、２つの異なる光学アセンブリ４の構成について、基準パターン１Ａの２つの異なる第１の基準パターン画像２３を記録することによって行われ、第１の基準パターン画像２３の第１のものは、基準パターン１Ａを均等に照明する第１の光学アセンブリ４の構成によって生み出され、第１の基準パターン画像２３の他方の光学アセンブリ４の構成は、観察の方向に対して、ある角度で、構造化された光で基準パターン１Ａを照明することによって生み出される。最後の構成は、観察の方向に平行な、光検出器３の位置の感度を生み出す。これらの第１の基準パターン画像２３、及び対応する機械位置データ１７は、パーツ幾何形状関係１５の適正な参照フレーム内に供給される。すなわち、位置エンコーダ１０３Ａのデータが、ワーク・ピース・サポート１０４に対するワーク・ピース・キャリア１００の位置を表す、ワーク・ピース参照フレーム１００（図３）の位置に追加される。同様に、位置エンコーダ１０３Ｂのデータが、ワーク・ツール・サポート１０６に対するワーク・ツール・キャリア１０１の位置を表す、フレーム１０１（図３）の位置に追加される。最後に、基準パターン１Ａの２つの異なる第１の基準パターン画像２３が、光検出器３のフレーム（図３参照）に追加される。これは、初期のパーツ幾何形状関係１５が、２つの異なる光学構成について互いに一致する、すなわち、たとえば座標フレームすべてが任意の空間位置をその幾何形状内で正しく再現すること、また特に、パーツ幾何形状関係１５の任意の閉ループを介する位置の計算に再現性があることを確実にする。機械がその状態を変えつつあるとき、２つの異なる光学アセンブリ４の構成に対応する、基準パターン１Ａの相異なる第２の基準パターン画像２４、及び対応する新しい機械位置データ１７が、上述のものと同じやり方で、パーツ位置測定器６のパーツ幾何形状関係１５内に供給される。
【００５９】
次に、基準パターン画像変位について説明する。２つの異なる光学構成について、パーツ位置測定器６は、基準パターン１Ａの、対応する第１の基準パターン画像２３と第２の基準パターン画像２４の間のｘｙ並進を計算する。この実施例では、変位計算が数学的な相関によって実施されると仮定する。すなわち、パーツ位置測定器６は、対応する第１の画像２３を、第２の画像２４に比べてｘ方向及びｙ方向で繰り返し１段ずつ並進し、相関を計算し、相関がその最大にある並進を見出す。相関は、対応する画像ピクセル位置に関するグレー・レベル数の積として計算され、次いで、画像の重なり合いにわたって積の和を計算する。第２の光学アセンブリ４の構成を用いて記録された画像の場合、構造化された光の照明分布のｘｙ並進は、基準パターン１Ａから反射されたとき、第１の基準パターン画像２３と第２の基準パターン画像２４の間の画像並進として観察される。光学的三角測量の既知の光学技法により、このｘｙ並進は、計算によって、像面内（ｘｙ）並進から観察の方向に沿った（ｚ）並進に変換される。
【００６０】
以下では、パーツ変位１８をどのように見出すか、すなわちループ計算について述べる。ワーク・ピース８の基準パターン１Ａは、ワーク・ホルダ・サポート１２を介して、ワーク・ピース・キャリア１００、ワーク・ピース・サポート１０４、機械支持リンク１０５、ワーク・ツール・サポート１０６、ワーク・ツール・キャリア１０１、ブラケット１０７、光学アセンブリ４に機械的に相互連結される。また、基準パターン１Ａは、光路５Ａを介して、光検出器３に光学的に相互連結される。これは、本発明者らがループ（３−８−１２−１００−１０４−１０５−１０６−１０１−１０７−４−３）と呼ぶものを生み出す。パーツ位置測定器６は、このループ内のフレーム位置すべてが互いに確実に一致するようにすることによって、ワーク・ピース８及び機械支持リンク１０５の変位を見出す。所与の位置から始めて、図３のダイアグラムにおける、ある閉ループを介してマップされた位置を計算することにより、同じ位置に戻るはずであることがわかる。すなわち、本発明のパーツ位置測定器６の１つの鍵となる目的は、各位置がループ全体にわたってマップされたとき、所与の閉ループのメンバである位置すべてがそれら自体に戻ってマップされることを確実にすることである。機械支持リンク１０５が第１の基準パターン画像２３と第２の基準パターン画像２４の記録の間で移動した場合には、ループ（３−８−１２−１００−１０４−１０５−１０６−１０１−１０７−４−３）のフレーム位置は、もはや互いに一致しない。次いで、パーツ位置測定器６は、ワーク・ピース８を表すフレームだけが水平面のｘ方向及びｙ方向で並進することが許され、機械支持リンク１０５を表すフレームが水平面内（すなわち、ｙ方向）で並進し、同じｙ軸の周りで回転することが許されるパーツ変位制約１６を適用する。機械位置データ１７によって対処されるキャリア１０３Ａ及び１０３Ｂの変位を除いて、他のフレームすべてが移動していないと仮定される。
【００６１】
したがって、ループ計算に対する数学的解が展開される。本実施例では、第１の光学アセンブリ４の構成において記録された、基準パターン画像２３と基準パターン画像２４の間のｘｙ変位、及び第２の光学アセンブリ４の構成において記録されたｚ変位は、既知の変位である。ワーク・ピース８のｘ及びｙ並進、並びに機械支持リンク１０５の、結合されたｙ並進及びｙ回転は、未知のパーツ変位８である。
【００６２】
一貫性を確保する数学的問題は、未知のパーツ変位を小さな量だけ、反復して変更し、第２の基準パターン画像２４の位置が、対応する、見出された変位位置に近づくか、それとも離れるか検査し、次いで、オフセットが最小に、又は小さな閾値限界未満に低減されるまで、基準パターン画像２４の位置オフセットを減少させる方向で、未知の変位を繰り返し変更することによって達成される。この最後の手法の先進のバージョンは、大抵のレンズ設計問題によって使用される反復手法から周知である。そこでは、像面内の光線位置オフセット値の集まり、すなわちメリット関数が、光線位置オフセット値の集まりが最小に、又は小さな閾値限界未満に低減されるまで、レンズ表面の曲率、距離などを繰り返し変更することによって反復して低減される。たとえば、Ｗａｒｒｅｎ  Ｊ．Ｓｍｉｔｈによる書籍「Ｍｏｄｅｒｎ  Ｌｅｎｓ  Ｄｅｓｉｇｎ」（出版社：ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ  Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｔｗｏ  Ｐｅｎｎ  Ｐｌａｚａ、ニューヨーク、ＩＳＢＮ  ０−０７−１４３８３０−０）を参照されたい。類推によって、本実施例では、本発明者らは、画像のｘｙ及びｚオフセット値を光線位置オフセット値と同一視し、これらの基準パターン画像２４のオフセット値の２乗和であるメリット関数を生み出す。類推によって、本発明者らはまた、未知のワーク・ピース８のｘｙ並進、並びに機械支持リンク１０５のｙ並進及びｙ回転を、レンズ表面の曲率、距離などと同一視する。その結果、本発明者らは、対応する基準パターン２３の位置に対する、観察された第２の基準パターン画像２４の変位に最もよく適合する新しいワーク・ピース８の、また新しい機械支持リンク１０５の位置を見出す。
【００６３】
「実施例６」
図４は、例として、切削機械、穿孔機械、形彫りＥＤＭ（放電加工機械）、ワイヤＥＤＭなど、任意の機械を表す可能性がある機械を示す概略図である。これらの機械は、ある範囲の異なる機械的な構成を備えることができるが、すべて本発明による装置を備えることができる。これらの機械の、いくつかの鍵となる要素は、（典型的には２つの直交する並進ｘ及び並進ｙを実施する）ワーク・ピース・キャリア１００、（典型的にはｚ方向で１つの並進を実施するが、１つ又はいくつかの追加の回転を実施することもある）ワーク・ツール・キャリア１０１、ワーク・ツール・チャック１０２、位置エンコーダ１０３Ａ、１０３Ｂ、及び支持構造として示される。この実施例では、支持構造は、ワーク・ピース・サポート１０４と、機械支持リンク１０５と、ワーク・ツール・サポート１０６とを含むように示される。この機械の目的は、ワーク・ツール９によって、ワーク・ピース８の機械加工又は品質管理を実施することである。この実施例では、ワーク・ツール９は、ワーク・ツール・チャック１０２に固定される。ワーク・ツール９は、機械加工ツールである。機械加工を受けるワーク・ピース８のエリアを、本発明者らは、ワーク・エリア１０と呼ぶ。ワーク・ツール・キャリア１０１及びワーク・ピース・キャリア１００によりワーク・ピース８に対してワーク・ツール９を移動することにより、機械加工を行うのに必要な変位が実施される。工程中は、これらのキャリアの位置が、位置エンコーダ１０３Ａ、１０３Ｂの場所で読み取られる。ワーク・ピース８をワーク・ツール９に対して位置決めし、それによってワーク・エリア１０を位置決めするために、ワーク・ピース８がワーク・ホルダ１１内に配置される。典型的には、ワーク・ホルダ１１は、ワーク・ピース・キャリア１００にしっかり固定される。ワーク・ホルダ１１は、典型的には、ワーク・ホルダ・サポート１２と、ワーク・ホルダ・クランプ１３と、ワーク・ロケータ２Ａ、２Ｂ、２Ｃとから構成される可能性がある。ワーク・ピース８をワーク・ロケータ２Ａ、２Ｂ、２Ｃに接して配置することにより、またワーク・ホルダ・クランプ１３を使用することによってクランプすることにより、ワーク・ピース８は、ワーク・ホルダ１１にしっかり固定される。
【００６４】
この実施例では、対処すべき問題について、以下のように述べることができる。この実施例は、どのようにゲージ・ツール１９によってワーク・ツール９の先端の場所を光検出器３の位置に差し向け、それによってワーク・ツール９の先端の正確な場所を決定するかを示す。ここでは、ゲージ・ツール１９は、機械の内側、しかしワーク・エリアの外側に永続的に常駐しても、ツール９の位置制御のために機械内に一時的に配置されてもよい。１つの鍵となる問題は、ワーク・ツール９の先端が公差（ｔｏｌｅｒａｎｃｅ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）を有して生産されること、及び先端が機械加工中に摩耗することである。これは、機械加工誤差を引き起こす。本実施例では、本発明者らは、ゲージ・ツール１９が、たとえば、＋／−ｘ方向及び＋／−ｙ方向にばねで加重することによってこれらの方向でわずかに並進することが可能になるように、取り付けられて配置されると仮定する。機械の並進自由度（たとえば、ｘ、ｙ、ｚ）を使用することにより、切削又は穿孔ツールなどワーク・ツール９は、ツール先端がゲージ・ツール１９内の垂直面に接触するように並進させることができる。ゲージ・ツール１９がばねに向かってわずかに移動された場合、先端の接触点と基準パターン１Ａの間に所与の距離が確立されることになる。ゲージ・ツール１９がばね仕掛けでないとき、明確な位置ストップに接して止まることになる。
【００６５】
したがって、第１の機械パーツ２０、第２の機械パーツ２１、基準パターン１、光検出器３、基準パターン画像１４、及び機械位置１７に関する詳細を提供すべきである。ワーク・ツール９の先端の位置誤差の低減は、図４に例示されているように、基準パターンの光学像を記録することによって達成され、図４では、光検出器３が、基準パターン１Ａの基準パターン画像１４を記録し、それをパーツ位置測定器６に中継する。光検出器は、１次元アレイ・カメラである。光検出器３は、光学アセンブリ４及びブラケット１０７によって、ワーク・ツール・キャリア１０１に固定される。パーツ位置測定器６は、パーツ位置６の動作を実施するように、電気的にハード・ワイヤードされる。基準パターン画像１４は、既知の手段によって変換／デジタル化され、パーツ位置測定器６の動作に使用可能となる。図２では、基準パターン１Ａは、例として、ゲージ・ツール１９の所与の表面構造、或いはその表面に適用された、延長されたパターン形成済みのラベルである。基準パターン１Ａは、光路５Ａを介して、光検出器３に光学的に結像される。また、同じ基準パターン１Ａが、ゲージ・ツール１９を介して、機械の他のパーツに機械的に相互連結される。機械性能を改善するために、基準パターン１Ａの２つの基準パターン画像１４が記録される。参照状態を表すために、ワーク・ツール９の先端がゲージ・ツール１９の表面に近接し、しかし接触していないとき、第１の基準パターン画像２３が記録される。ワーク・ツールの先端がゲージ・ツール１９をわずかに並進させるようにワーク・ピース・キャリア１００が並進された後で、第２の基準パターン画像２４が記録される。パーツ位置測定器６は、基準パターン画像２３、２４のそれぞれの記録と同時に、対応する機械位置データ１７を記録する。機械位置データ１７は、機械位置エンコーダ１０３Ａ、１０３Ｂの位置である。パーツ位置測定器６の目的は、ワーク・ツール９の先端の位置、又は位置変位が何であるか演繹することである。この目的のために、パーツ位置測定器６は、パーツ幾何形状関係１５と、パーツ変位制約１６とを考慮する。
【００６６】
したがって、パーツ幾何形状関係１５、及びパーツ変位制約１６に関する詳細を提供すべきである。パーツ幾何形状関係１５は、それより前に、パーツ位置測定器６の電子デバイスにハード・ワイヤードされている。図５のダイアグラムは、座標フレーム（矩形のボックス）間の機械的（実線）相互連結、及び光学的（破線）相互連結として表されたパーツ幾何形状関係１５を示す。図５のこのダイアグラムは、適度な選択された数のパーツが考慮されている、図４の物理的な構成の１つの表現である。座標フレームは、あるパーツの、別のパーツに対する、向きを含む位置を表す。パーツ変位制約１６は、それより前に、パーツ位置測定器６の電子デバイスにハード・ワイヤードされている。パーツ変位制約１６は、新しいパーツ位置を見出す際に許されるパーツ変位自由度を、それらの最大の量／大きさを含めて規定する。パーツ変位制約１６を考慮することにより、パーツ位置測定器６は、最小限の位置記録労力でパーツの位置変位を見出す。本実施例では、ゲージ・ツール１９とワーク・ツール９の先端との相対位置が、故意に変更されると仮定する。本実施例では、基準パターン１Ａの第１の基準パターン画像２３及び第２の基準パターン画像２４の（水平面内及び紙面方向の）ｘ位置が記録されると仮定する。次いで、本発明者らの推定によれば、単純なパーツ変位制約１６は、ゲージ・ツール１９が、移動するのを許される唯一のパーツであること、また、許される変位自由度がゲージ・ツール１９のｘ並進だけであることである。この情報があると、パーツ位置測定器６は、基準パターン１Ａの第２の記録１つだけに基づいて、新しいゲージ・ツール１９の位置を見出すことができる。下記で述べる、較正された距離を使用することにより、ワーク・ツール９の先端の位置を抽出することができる。
【００６７】
次に、パーツ位置測定器の初期条件、すなわち１４、１５、１６、１７を組み合わせること、及びループ一貫性を確保することについて説明する。パーツ変位１８、すなわちワーク・ピース・キャリア１００に対する新しいゲージ・ツール１９の位置を計算するための開始点として、パーツ位置測定器６は、パーツ幾何形状関係の関連初期条件すべてが互いに確実に一致するようにする。これは、基準パターン１Ａの第１の基準パターン画像２３、及び対応する機械位置データ１７を、パーツ位置測定器６のメモリ・ロケーションのパーツ幾何形状関係１５の適正な参照フレーム内に記録することによって行われる。さらに、基準パターン１Ａから、ワーク・ツールの先端がゲージ・ツール１９に接触しているゲージ・ツール１９の表面までの正確な距離が、独立に較正され、対応するフレームに記録される。その較正距離は、較正機械によって記録される。実際には、ある範囲の第１の基準パターン画像２３、及び対応する基準パターン１Ａまでの対応する、較正された距離が、それより前に、パーツ位置測定器６のハード・ワイヤ・バージョンのメモリ・ロケーション内に記録される。さらに、位置エンコーダ１０３Ａのデータが、ワーク・ピース・サポート１０４に対するワーク・ピース・キャリア１００の位置を表す、ワーク・ピース参照フレーム１００（図３）の位置に追加される。同様に、位置エンコーダ１０３Ｂのデータが、ワーク・ツール・サポート１０６に対するワーク・ツール・キャリア１０１の位置を表す、フレーム１０１（図３）の位置に追加される。最後に、基準パターン１Ａの基準パターン画像２３が、光検出器３のフレーム（図３参照）に追加される。これは、初期のパーツ幾何形状関係１５が互いに一致する、すなわち、たとえば座標フレームすべてが任意の空間位置をその幾何形状内で正しく再現すること、また特に、パーツ幾何形状関係１５の任意の閉ループを介する位置の計算に再現性があることを確実にする。機械がその状態を変えつつあるとき、基準パターン１Ａの第２の基準パターン画像２４、及び対応する新しい機械位置データ１７が、上述のものと同じやり方で、パーツ位置測定器６のパーツ幾何形状関係１５内に供給される。
【００６８】
次に、基準パターン画像変位について説明する。パーツ位置測定器６は、基準パターン１Ａの第１の基準パターン画像２３と第２の基準パターン画像２４の間のｘ変位を計算する。この実施例では、数学的な相関を実施するように変位計算がハード・ワイヤードされると仮定する。すなわち、パーツ位置測定器６は、一方の画像を、他方の画像に比べてｘ方向で繰り返し１段ずつ並進し、相関を計算し、相関がその最大にある並進を見出すようにハード・ワイヤードされる。相関は、対応する画像ピクセル位置に関するグレー・レベル数の積として計算され、次いで、画像の重なり合いにわたって積の和を計算する。
【００６９】
以下では、パーツ変位１８をどのように見出すか、すなわちループ計算について述べる。第１の基準パターン画像２３が記録されたとき、基準パターン１Ａは、ゲージ・ツール１９を介して、（ばねストップ位置によって規定された）ワーク・ピース・キャリア１００と、ワーク・ピース・サポート１０４と、機械支持リンク１０５と、ワーク・ツール・サポート１０６と、ワーク・ツール・キャリア１０１と、ブラケット１０７と、光学アセンブリ４とを介して光検出器３に機械的に相互連結された。また、基準パターン１Ａは、光路５Ａを介して、光検出器３に光学的に相互連結される。これは、本発明者らがループ（３−１９−１００−１０４−１０５−１０６−１０１−１０７−４−３）と呼ぶものを生み出す。第２の基準パターン画像２４が記録されると、パーツ位置測定器６は、新しいループ（３−１９−９−１０２−１０１−１０７−４−３）内のフレーム位置すべてが互いに確実に一致するようにすることによって、ゲージ・ツール１９の変位を見出す。すなわち、ワーク・ツール９によるゲージ・ツール１９の並進により、新しいループが生み出される。所与の位置から始めて、図３のダイアグラムにおける、ある閉ループを介してマップされた位置を計算することにより、同じ位置に戻るはずであることがわかる。すなわち、本発明のパーツ位置測定器６の１つの鍵となる目的は、各位置がループ全体にわたってマップされたとき、所与の閉ループのメンバである位置すべてがそれら自体に戻ってマップされることを確実にすることである。ゲージ・ツール１９が第１の基準パターン画像２３と第２の基準パターン画像２４の記録の間で移動した後で、ループ（３−１９−９−１０２−１０１−１０７−４−３）のフレーム位置は、もはや互いに一致しない。次いで、パーツ位置測定器６は、ワーク・ピース８を表すフレームだけが水平面内（すなわち、ｘ方向）で移動することが許されるパーツ変位制約１６を適用する。機械位置データ１７によって対処されるキャリア１０３Ａ及び１０３Ｂの変位を除いて、他のフレームすべてが移動していないと仮定される。
【００７０】
したがって、ループ計算に対する数学的解が展開される。一貫性を確保する数学的問題は、相異なるフレーム間の変換を説明する１組の一次方程式を解くことによって得られる。これは、同次座標により、３次元の並進及び回転を説明する４×４行列を使用することによって行うことができる。本実施例では、基準パターン画像２３と基準パターン画像２４の間のｘ並進は既知の値であり、ワーク・ツール９の先端の位置のｘオフセット、すなわちパーツ変位１８は、未知の値である。これは、パーツ位置測定器６がワーク・ツール９の先端のオフセットを計算し、それによりワーク・ツール９の先端の新しい位置をも計算することを意味する。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の鍵となる概念を示す機能図である。この図では、矢印線がデータ転送を示す。実線及び破線は、機械的な相互連結を示す。破線は、代替の機械的相互連結を示す。基準パターン１の画像は、光検出器３によって検出され、基準パターン画像１４に変換される。パーツ幾何形状関係１５に関する知識に基づいて、パーツ位置測定器６が、基準パターン画像１４及び対応する機械位置データ１７を所与のパーツに関連付ける。許されるパーツ位置変位を規定するパーツ変位制約を使用することにより、パーツ位置測定器６は、記録されている基準パターン画像１４の変位又は位置に帰着するパーツ変位１８又は位置を見出す。
【図２】切削機械、穿孔機械、形彫りＥＤＭ（放電加工機械）、ワイヤＥＤＭなど、任意の機械を表す、機械の一実施例を概して示す概略図であり、また、この図面は、ワーク・ツール９を、たとえばＣＭＭ（座標測定機械）内のもののようなタッチ・プローブ、又は光学ビジョン・センサなどとすることができる任意の品質管理機械を表す、機械の一実施例を概して示す。
【図３】図２に示されている機械の選択されたパーツが座標参照フレームによって表され、線が機械的（実線）相互連結、及び光学的（破線）相互連結を表す概略図である。この図では、矩形のボックスが座標参照フレームを表す。ボックス間の実線は、機械的な相互連結を表し、破線は、光学的な相互連結／光路を表す。小さな円は、基準パターン１Ａ〜Ｆ、又は機械的なロケータ２Ａ〜Ｃを表す。光検出器３及び基準パターン１を含むことは、いくつかのループに関係するパーツの位置を見出すことを可能にする、発明者らが参照フレームの閉ループと呼ぶものを生み出す助けとなる。
【図４】切削機械、穿孔機械、形彫りＥＤＭ（放電加工機械）など、任意の機械を表す、機械の一実施例を概して示し、また、この実施例が、基準パターン１Ａを介して、どのようにゲージ・ツール１９によって局所的なワーク・ツール９の先端の位置を光検出器３の位置に差し向けるかを示す概略図である。
【図５】図４に示されている機械の選択されたパーツが座標参照フレームによって表され、線が機械的（実線）相互連結、及び光学的（破線）相互連結を表す概略図である。この図では、矩形のボックスが座標参照フレームを表す。ボックス間の実線は、機械的な相互連結を表し、破線は、光学的な相互連結／光路を表す。小さな円は、ゲージ・ツール１９上のより大きな基準パターン１Ａエリアを表す。光検出器３及び基準パターン１Ａを含むことは、いくつかのループに関係するパーツの位置を見出すことを可能にする、本発明者らが参照フレームの閉ループと呼ぶものを生み出す助けとなる。
【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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【国際調査報告】
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