(57)【要約】【課題】  機械加工デバイスにおいて安全区画又は制限区画を確立する方法を提供する。【解決手段】  レーザ加工デバイスで利用される切削経路の安全区画を規定する方法。この方法は、計算機支援設計モデルにおける安全区画の位置座標を識別し、マシンビジョンシステムを使ってモデル化された物理的な加工デバイスを撮像し、設計モデルの安全区画の点と撮像された点の間の位置的な差を決定し、機械切削経路プログラムに入力させるために、設計モデルの安全区画の座標系を特定装置向け座標系に変換することを備える。
2011524520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料加工システムでの利用が制限された安全区画を規定する方法であって、
物理的な材料加工デバイスの計算機支援設計モデルの少なくとも１つの安全区画の位置座標を識別し、
前記設計モデルの少なくとも１つの基準アライメント基準点の位置座標を識別し、
前記材料加工デバイスの少なくとも１つの基準点の位置座標を決定し、
前記設計モデルと前記材料加工デバイスとの間の前記基準点の位置の差を計算し、および
前記材料加工システムで使われる前記位置の差を使って、前記設計モデルの安全区画の位置座標を前記材料加工デバイスの座標系に変換する
ことを備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つの基準点は、前記安全区画の位置座標のうちの１つであることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項３】
前記材料加工デバイスの少なくとも１つの基準点の位置座標を決定することは、
前記設計モデルで規定される、前記少なくとも１つの安全区画と基準点とを含む、材料加工デバイスの少なくとも一部の視覚画像を取り込む
ことを特徴とする請求項１か請求項２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４】
前記画像を取り込むことは、少なくとも１つの安全区画と基準点を含む、前記加工デバイスの少なくとも一部、の近傍に位置する光源とカメラを選択的に動作させる
ことを備えることを特徴とする請求項３の方法。
【請求項５】
前記基準点の位置の差を計算することは、前記設計モデルの基準点の位置を、前記画像上の基準点の位置から分離する画像画素の数を決定する
ことを備えることを特徴とする請求項４の方法。
【請求項６】
前記基準点の位置の差を計算することは、前記設計モデルの前記基準点の位置座標を前記加工デバイスの位置座標に変換するための座標変換を定義する工程をさらに備える
ことを特徴とする請求項１か請求項２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記座標変換の変換係数を決定することをさらに備え、
前記変換係数は、オフセット、回転、縮小、キーストン効果のうちの少なくとも１つを表わす
ことを特徴とする請求項６の方法。
【請求項８】
前記安全区画の位置座標を変換することは、所定の座標変換を前記設計モデルの前記安全区画の位置座標に適用することをさらに備える
ことを特徴とする請求項６の方法。
【請求項９】
規定された加工デバイスの安全区画を、材料加工システムのためのコンピュータ切断経路プログラムに移入する
ことをさらに備えることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項１０】
前記物理的な材料加工デバイスの計算機支援設計モデルを生成することをさらに備えることを特徴とする請求項１か請求項９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの安全区画は複数の安全区画であり、前記少なくとも１つの基準点は複数の基準点であり、前記複数の基準点の各々は、前記複数の安全区画のうちの１つにそれぞれ関連する安全区画の位置座標のうちの１つである
ことを特徴とする請求項１の方法。
【請求項１２】
前記材料加工システムはレーザ加工システムである
ことを特徴とする請求項１の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、レーザ加工デバイスと、レーザ加工システムの機構と動作に関する。
【背景技術】
【０００２】
材料除去デバイス、一般的には材料機械加工（ｍａｔｅｒｉａｌ  ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）又は単に機械加工と呼ばれているプロセスでは、切削ヘッド（ｃｕｔｔｉｎｇ  ｈｅａｄ）、典型的にはカーバイド切断ホイール又はビットの態様のカッター、又は、より高度な機械加工技術に基づくレーザ・ヘッドが、機械加工される材料と接触して配置されるか、又は、その近傍に配置される。その後、元の状態から所望の材料が除去される、及び／又は、変えられるまで、切削ヘッドが、材料を横断する移動経路に沿って動かされる。近代の機械加工機器では、切断経路とその他のパラメータが、機能の１つである所望の移動経路に沿って切削ヘッドを導くコンピュータプログラムを実行するコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）機械加工デバイスにプログラムされる。
【０００３】
従来の機械加工デバイスとＣＮＣ機械加工デバイスにおいては、高価であり、多くの場合繊細である切削ヘッドが、それが切削ビットであろうとレーザであろうと、次の移動経路に置かれないことは大切なことである。即ち、その移動経路とは、機械加工されない材料の部分、又は、周囲のその他の機器、例えば、固定具の部分と接触する移動経路である。ここで、固定具とは、テーブル又はワークステーションに、機械加工される材料を配置して固定するものである。切削ヘッドが、それらの領域又は機器と意図しないか又は許可なく接触すると、切削ヘッドおよび／又は、機械加工される潜在的に繊細な材料が損傷するか、又は、位置づれを起こすことがある。
【０００４】
切削ヘッドと周囲の機器又は材料の部分との意図しない接触を回避するために、安全領域を設けて、切削ヘッドが望まれない接触が起こる可能性のある区域に入れないようにする場合が多い。機械加工される材料、例えば、平面材料の表面又は非平面材料の表面、又は、複雑な固定具が使われている場所に依存するが、安全領域又は制限区画は、二次元のｘ−ｙ座標領域の形態をとったり、又は、ｘ−ｙ領域とＺ軸の高さ方向の成分をもつ三次元領域であってもよい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
切削ヘッドが移動するか、又は、通過することが不適当である安全領域又は制限区画の規定はジョブ毎に行う必要がある。これは、機械加工される材料か又は物体の位置を決めるか、又は固定するために使われる固定具のいずれか一方が異なるからである。ＣＮＣ機械では、三次元である場合が多いこれらの座標は、切削機械で使う座標系で識別されて、次に、コンピュータプログラムに入力される必要がある。多くの安全区画、および／又は、複雑な形状の安全区画が必要な場合、安全区画の座標又は境界の識別と、座標の入力作業は大変飽き飽きするもので、かつ、時間を消費する作業である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、機械加工デバイスにおいて安全区画又は制限区画を確立する方法を備える。この方法は、従来の方法よりも効率的であって、時間がかからない方法である。また、本発明は、所望の制限区画の境界を規定する３次元座標を識別して、それらをコンピュータ数値制御加工デバイスのコンピュータプログラム又はプログラムに移入する方法を備える。
その結果、本発明の実施形態は、レーザ加工システムにおいて安全区画又は制限区画を規定する方法を備える。これによって一旦それが規定されると、レーザ切削ヘッドは制限区画に入らないか又は通過しない。
【０００７】
本発明の一態様によれば、任意の３次元座標系を使用する計算機支援設計（ＣＡＤ）モデルを使って、所望の制限区画を一般的に識別することができる。ここで、制限区画とは、レーザ切削ヘッドが入りこむか又は通過してほしくない区画である。各制限区画の選択点又は複数の選択点は、ＣＡＤ座標系で識別される。これらの選択点は、作成されるアプリケーションに含まれるアライメント基準位置として使われる。レーザ加工システムのマシン・ビジョン・サブシステムを使って、ＣＡＤ座標系のアライメント基準点を特定のレーザ加工座標系に変えるか又は変換することができる。各所望の制限区画の残りの領域は、アライメント基準点に関する従来のＣＡＤの三次元座標データに基づいて、制限区画の周囲の長さの写像をとるか又は計算することによって、特定のレーザ加工座標系で確定される。
【０００８】
本発明の一態様によれば、ＣＡＤモデルの単純な幾何学的な図形又は容積部が識別される。それらの図形を連結することによって、制限区画を囲むか又は識別する包絡面を生成することができる。奇妙な形の、又は、複雑な形の制限区画については、幾つかの単純な幾何学的図形を連結することによって複雑な形の制限区画を形成することができる。
本願の記述では、添付の図面に言及する。ここでは、複数の図面に渡って同じ参照番号は同じ部品を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一例の方法の工程を示すフロー・チャートである。
【図２】１つ以上の物体が機械加工されるために位置決めされる２つの穴あけ領域を各々有する２つの固定具を備えるレーザ装置の一例を図解した透視図である。
【図３】一例としての制限区画と位置合わせ用基準点を示す図２の一例を図解した平面図である。
【図４】は、レーザ装置の特定の座標で制限区画を決定するレーザ加工システムで使用可能な機械視覚システムの一例を単純化して描いた図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１−図４を参照すると、一例としてのレーザ加工システムの安全区画又は制限区画を規定する方法の例が示されている。図１を参照すると、概要フロー・チャートが示されており、これは、このレーザ加工アプリケーションにおける制限区画を規定するために使われる方法の工程１０の一例を紹介するものである。
【００１１】
図２と図３には、三次元の計算機支援設計（ＣＡＤ）モデルで示されるレーザ加工システムのための部品キャリアアセンブリの一例が示されており、以下の記述は、この例示されたレーザ加工システムの制限区画を規定する新しい方法に関する。一般的に、この制限区画を規定する新しい方法は、その他のレーザ加工システムとその他の材料加工デバイスでも利用可能であることを理解されたい。
【００１２】
例示されたレーザ加工システム２０の部品キャリアアセンブリを、図２に示す。図４に例示されるレーザ、カメラ、照明器、制御部等のレーザ加工システム２０のその他の要素については、要点を明快にするために省略している。図示されたシステム２０は、座標系１８で示されるｘ−ｙ座標平面を一般的に規定する支持表面２６を一般的にもつ部品キャリア２４を備える。部品キャリア２４は、移動可能面か、又は、静止面でもよく、図示されているように、一平面の表面に限定されることはなく、当業者にとっては周知の特定の機械加工アプリケーションに適するその他の表面、又は、幾何学形体を備えていてもよい。
【００１３】
さらに、機械加工システム２０は、部品キャリア２４に関して静止した状態で穴が空けられるか、又は、機械加工される特定の部品を位置決め及び／又は固定する際に支援する１つ以上の部品固定具３０（２つ図示している）を備える。図２に示されるように、各固定具３０は、蝶番４２によって側壁に接続された固定具蓋４０と、ｚ方向に高い側壁３４を備える。さらに、例示した各固定具３０は、一般的に示される冷却ライン５０と真空ライン４４を備える。部品キャリア２４と固定具３０は、鋼、アルミニウム、又は、当業者にとっては周知の特定の機械加工プロセスに適したその他の材料から形成してもよい。
【００１４】
図示した固定具蓋４０と側壁３４は、蓋４０をｚ方向で支持面２６に向かって深さ５８まで延びる、穴空け領域、又は、機械加工領域５４（４つが図示されている）を規定するものである。深さ５８は、固定具側壁３４の高さか、又は、それよりも浅くてもよい。深さ５８が側壁３４の高さ未満である場合、固定具３０によって備えられた部品支持面（不図示）を使って、機械加工される部品の位置決めと固定を行うことができる。図示されているように、固定具３０と例示した４つの穴あけ領域５４によって、４つの領域、又は、アイランド６２が規定されるので、一般的に、４つの穴あけ領域の位置がわかる。
【００１５】
図２に示されて説明されるレーザ加工デバイス２０については、制限区画、又は、安全区画を規定する方法の例が説明される。制限区画、又は、安全区画という用語の使い方に関しては、これらの区画、領域、又は、３次元の体積部は、レーザ加工ヘッドとコンポーネントと、それに接続したハードウェアが入っていくか又は通過するには不適当な領域として考えられる。何故ならば、その通過によって、レーザ・ヘッドとその他の機器、例えば、部品キャリア２４、固定具３０、又は、機械加工又は穴空けされる物体の衝突が発生するからである。
【００１６】
例示したレーザ加工システム２０において、安全区画又は制限区画を規定する新しい方法１０の第一の工程６６では、ＣＡＤシステム１３２の既存の三次元ＣＡＤモデルが使われるか、又は、作成される。これには、例えば、図２の部品キャリア２４、固定具３０、穴あけ領域５４を含むレーザ加工システム２０の周囲が含まれているか、又は、それについて詳述されている。ＣＡＤモデルにおいては、制限区画又は安全区画、即ち、レーザ・ヘッドが進めない区域、又は、領域がＣＡＤ  の３次元座標系１８で識別される。例えば、図３は、長方形区域６８、７４、７８、８０の４つの制限区画を備える図２のレーザシステム２０を示す。図３に示される二次元空間の４つの制限区画については、部品キャリア支持面２６に関してｚ方向の−方角の頂上、又は、高さが異なっていてもよい。第５の区画８４は制限区画としては含まれていないが、レーザ・ヘッドが通過することが望ましいか、又は、許容できる区画を示すものである。何故ならば、それが図２と図４に示される穴あけ領域５４を囲んでいるからである。安全区画は、例示したレーザ・ヘッドが入ってゆかないか、又は、通過しない区画又は区域として説明したが、例えば、レーザ・ヘッドと機器、固定具、又は、その他のコンポーネントの間で衝突が発生することなく、レーザ・ヘッドか、又は、その他の加工ヘッドが上を通過するか、又は、部分的に通過することが許容されるよう、３区画を規定してもよいことがわかる。
【００１７】
これらの制限区画６８、７４、７８、８０が、ＣＡＤで三次元座標点（ｘ、ｙ、ｚ）として規定されることが理解される。また、長方形区域として示したが、制限区画は、多角形や円柱や円や、当業者にとっては周知のその他の形等のどのような幾何学形であってもよいことも理解されている。さらに、三次元空間で制限区画を規定するために、例示した長方形を使う場合は、各制限区画の体積部か又は境界が、例えば、箱か又は長方形の頂部と底部の反対側の隅の、例えば、上部の２つの左側の隅と低部の２つの右側の隅の三次元座標を知ることによって得られることも理解される。これらの点から、本願の教示に基づく既知の方法を使って、残りの隅と制限区画の境界が計算される。さらに、従来のＣＡＤモデルとして説明されたが、計算機支援設計システムの別の態様、例えば、ソリッドモデリング・プログラムとその他のデザイン、又は、当業者にとって周知のエンジニアリング・システム等を使ってもよい。
【００１８】
一旦、制限区画が一般的に識別され、それらの境界が、固有のＣＡＤ座標系１８に基づく三次元座標空間で確認されると、ＣＡＤ座標系の１つ以上の基準アライメント点９２を識別する方法の工程９０が使われる。図２と図３のＣＡＤモデルの一例としての点９２によって１つ以上の基準点が識別され、これは、後述される特定レーザ装置向け座標系の位置合わせ点か又は基準点として役に立つ。基準アライメント点９２はＣＡＤモデルのどこでもよいが、特定の制限区画の境界上か又は特定の制限区画内に位置づけられることが好ましい。どの形体が、例えば、部品キャリア２４、固定具３０、穴あけ（ｄｒｉｌｌ）領域５４がアライメント点９２として役に立つかについて決める際に、後述するレーザ加工システム２０と共に使われる機械視覚システムによって形体が簡単に検出されるか又は識別可能であるかという点が考慮される。
【００１９】
第一の工程６６で識別された制限区画のＣＡＤ座標だけでなく、三次元アライメント点（又は、複数の点）９２も、計算機アプリケーションファイルにロードされるか、又は、方法の工程１００でプログラムされる。アプリケーションファイルのそのデータの使い方については、以下で議論される。
【００２０】
特定の物理的なレーザ加工システムか、又は、例示した部品支持物２４と固定具３０と穴あけ領域５４を含むデバイス２０では、一般的に、上述した１対１のＣＡＤ座標系１８と直接一致しない異なる位置座標系（特定装置向け座標系）をもつことができる。しかしながら、レーザ加工システム２０は、当業者にとって公知の合理的な許容範囲内に上述した部品キャリア２４と固定具３０と穴あけ領域５４とその他の関連コンポーネントのＣＡＤモデル化物理コンポーネントを備えることができる。
【００２１】
好都合なことに、本発明の方法の実施形態は、以下で説明する工程とプロセスを使う特定装置向け座標系の制限区画６８、７４、７８、８０に関するＣＡＤ情報を利用することができる。
【００２２】
図１と図４に一般的に示されているように、方法の工程１２０では、まず、以前にＣＡＤモデルで識別された物理コンポーネント上の基準アライメント点９２を読みとるか又は見つけるために、レーザ加工システム２０のコンポーネントと共にマシン・ビジョン・サブシステムか又はコンポーネントグループを使用する。一例においては、例えば、固定具３０の物理コンポーネントの領域か又はその領域の画素からなる画像を得るために、１台以上のカメラ１２２が１つ以上の光か又は照明源１２４と組み合わせて使用される。ここでは、以前に識別された基準点か又は複数点９２の位置が特定されるものと推定されている。一例においては、カメラ１２２は電荷結合素子型カメラ（ＣＣＤ）であり、照明源１２４は発光ダイオード（ＬＥＤ）の１つ以上の輪である。例えば、明視野の照明か又は暗視野の照明を作るために、当業者とって周知の他の態様のカメラと照明源を使うこともできる。これらのコンポーネントに加えて、マシン・ビジョンコンポーネントは、マシン・ビジョンコンポーネントとＣＡＤシステム１３２との電子通信のために、カメラ１２２と照明源１２４のためのドライバーとコントローラ、カメラ１２２に取られた画像を見るための表示端末装置１２６、マイクロプロセッサ１２８、データ記憶装置及び／又はソフトウェア・ライブラリ１３０を全て備えていてもよい。
【００２３】
１つ以上の既知の画像認識技術、又は、アルゴリズム、例えば、正規化相関、エッジ検出、ブロブ（ｂｌｏｂ）分析を使うことによって、ＣＡＤモデルの基準点９２と一致する物理的レーザ加工コンポーネント上の基準点が、特定装置向け座標系の３次元空間で識別される。物理コンポーネント上の一点か又はその他のマーカーの３次元空間における位置を決定する一例では、取り込まれた画像が画素として表わされる。レーザ加工システムは、どこにカメラがあるかわかっているので、例えば、取り込まれた画像の中心位置を容易に決定することができる。この位置か又はその他の既知の像点から、所望の点か又は基準アライメント点が、基準中心点からｘ−ｙ座標で何画素分離れているかを容易に計算できる。カメラの解像度はわかっているので、ユーザは、例えば、各画素の幅が２ミクロン（μｍ）であることを知ることができる。その後、取り込まれた画像の、例示した基準点から基準アライメント点までの距離を、レーザ装置座標系で計算することができる。これは、基準アライメント点か、又は、特定装置向け座標系の点の正確な位置を規定する。ブロブ分析技術については、本発明の譲受人であるエレクトロ・サイエンティフィック・インダストリーズ社の米国特許７，０５５，１１２を参照されたい。別の照明源についても、エレクトロ・サイエンティフィック・インダストリーズ社に譲渡した米国特許６，８７０，９４９を参照されたい。この両方の特許の全てが本願の援用文献である。
【００２４】
物理的レーザ加工システムの特定装置向け座標系における基準アライメント点又はこの複数点の位置を識別して決定すると、ＣＡＤ座標系と装置座標系の両方における同じ基準点の位置がわかり、工程１００で作成されたＣＡＤデータを含むアプリケーションデータ・ファイルを使う比較工程１４０の処理が始まる。その後、計算工程１５０で、ＣＡＤの基準アライメント点又はこの複数点を特定装置向け座標系に写像するための座標変換を行う。座標の写像をとることの一例での座標変換としては、ＣＡＤ座標系から装置座標系へのアファイン変換がある。座標変換の一例を次に示す。
【００２５】
Ｘ＿ｍａｃｈｉｎｅ＝ａ＋ｂ＊ｘ＿ＣＡＤ＋ｃ＊ｙ＿ＣＡＤ＋ｄ＊ｘ＿ＣＡＤ＊ｙ＿ＣＡＤ；及び
Ｙ＿ｍａｃｈｉｎｅ＝ｅ＋ｆ＊ｘ＿ＣＡＤ＋ｇ＊ｙ＿ＣＡＤ＋ｈ＊ｘ＿ＣＡＤ＊ｙ＿ＣＡＤ
ここで、ｘ＿ＣＡＤとｙ＿ＣＡＤは、例えば、ＣＡＤ座標系における標準基点からのｘ−ｙ座標値であり、Ｘ＿ｍａｃｈｉｎｅとＹ＿ｍａｃｈｉｎｅは、特定装置向け座標系における同じ起点のｘ−ｙ座標である。ａ−ｈ係数は座標変換を表わすパラメーターである。
【００２６】
例示したこの変換に関する係数は、オフセット、回転、縮小、キーストン（ｋｅｙｓｔｏｎｅ）効果を表わし、標準的な最小二乗法を使って、測定され写像された基準座標間の自乗誤差を最小化するような変換の特徴を表わす係数を計算することができる。記述した例以外に変換の特徴を表わすパラメーターを計算するために、当業者にとっては周知な別の座標系、又は、写像変換とその他の方法が使えることがわかっている。
【００２７】
一旦、適切な数学的な変換又は座標変換が決定されると、以前にＣＡＤで決定された制限区画の境界点又は座標の全て又は残りの部分を含む上記アプリケーションデータ・ファイルに対して、座標変換を使った方法の工程１６０が適用される。所定の座標変換を使って、制限区画の境界を規定するその他のＣＡＤ点を変換するか又は「写像をとる（”ｍａｐｐｅｄ”）」ことによって、これらのＣＡＤの位置基点を計算するか、又は、特定レーザ装置向け座標点に変換することができる。
【００２８】
一旦、上述したように変換又は変形されると、特定レーザ装置座標系の制限区画６８、７４、７８、８０の従来の基準ＣＡＤデータが得られ、それは、切削ツールガイドパスを確率するため、又は、工作機械の経路外にある別の区域を識別するために利用可能になる。変換された特定レーザ装置向けデータをレーザ装置切削ツールプログラム又はその他のコンピュータプログラム又はサブ・プログラムに入力する方法の工程１７０を実行することが可能である。その後、このデータを使って、意図した切断経路がこれらの区画のうちの１つに接触しないか、又は、入ってないことを確認することができる。尚、この事象によって、衝突が発生したり、影響を受けやすい機器又は機械加工されるワークピースが損傷する可能性がある。
【００２９】
本方法には幾つかの長所がある。既存のＣＡＤデータを使い、そのデータを安全区画又は制限区画で利用される特定装置向けデータに変換することによって、例示したプロセスは、各安全区画の境界点を手動で決定してその境界点を特定装置向けレーザシステムにインプリメントする厄介で時間のかかる処理を排除している。これらの利点は、システム構築時間が非常に短いことと、装置座標が必ずしも互いに一致しない複数の座標系で安全区画と制限区画を記述するために、ＣＡＤ座標系で同じデータファイルを利用できることである。また、別の制限区画のトポロジー又は別の安全区画のトポロジー間の変更が容易になることである。これは、例えば、別のアプリケーションに別の部品固定具を使うことによって達成され、これにより使いやすさとシステム全体の生産性が向上する。
【００３０】
上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするために説明されたものであって、本発明を限定するものではない。逆に、本発明は、添付の請求の範囲内での様々な修正と等価な構成を受容するものであって、請求の範囲は、法の下で許容される全ての修正と等価な構造を包含するような最も広い解釈がなされるべきものである。
【図１】
2011524520.tif 000003
【図２】
2011524520.tif 000004
【図３】
2011524520.tif 000005
【図４】
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【国際調査報告】
2011524520.tif 000007
2011524520.tif 000008