(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１機械部品（４）の位置を第２機械部品（５）の位置に対して変更する可動キャリア（３）を有するコンピュータ制御機械（２）用のセンサ装置（１）であって、
前記センサ装置（１）は、
前記第１機械部品（４）に取り付け可能なパターン発生器（６）と、
前記第１機械部品（４）または前記第２機械部品（５）のいずれかに取り付け可能であり、空間の光の３次元パターン（８）を共同で生成するために、前記パターン発生器（６）をコヒーレント光で照明するように光学的に構成されているコヒーレント光照明器（７）の第１の照明器（７Ａ）と、
前記第２機械部品（５）に取り付け可能であり、空間の光の前記３次元パターンのパターン画像を記録するように光学的に構成されたカメラの第１のカメラ（９Ａ）とを含み、
前記センサ装置（１）は、
ａ）前記カメラ（９）の第２のカメラ（９Ｂ）と、前記コヒーレント光照明器の第１の照明器（７Ａ）と前記カメラの第１のカメラ（９Ａ）との組み合わせを用いて空間の光の３次元パターン（８）の第１画像、および前記コヒーレント光照明器の第１の照明器（７Ａ）と前記カメラの第２のカメラ（９Ｂ）との組み合わせを用いて空間の光の３次元パターン（８）の第２画像を取り込むために前記センサ装置（１）を構成するセンサ装置構成手段とを含み、前記パターン発生器（６）を介して前記第１の照明器（７Ａ）から前記第１画像を取り込むための前記第１のカメラへの光路に沿って光が伝搬する第１光学構成（１１Ａ）の有効光学距離の範囲は、前記第１の照明器（７Ａ）から前記パターン発生器（６）を介して前記第２画像を取り込むための前記第２のカメラへの光路に沿って光が伝搬する第２光学構成（１１Ｂ）の有効光学距離の範囲と重ならず、前記第１の照明器（７Ａ）は、前記光学構成（１１Ａ、１１Ｂ）のそれぞれの中の最大光路長差よりも長いコヒーレンス長の光で前記パターン発生器（６）を照明するように構成され、または
ｂ）前記コヒーレント光照明器（７）の第２の照明器（７Ｂ）と、前記カメラの前記第１のカメラ（９Ａ）と前記コヒーレント光照明器の第１の照明器（７Ａ）との組み合わせを使用して、空間の光の３次元パターンの第１画像と、前記カメラの前記第１のカメラ（９Ａ）と前記コヒーレント光照明器の前記第２の照明器（７Ｂ）との組み合わせを使用して、空間の光の３次元パターン（８）の第２画像を取り込むように前記センサ装置（１）を構成するセンサ装置構成手段とを含み、前記パターン発生器（６）を介して前記第１の照明器（７Ａ）から前記第１画像を取り込むための前記第１のカメラへの光路に沿って光が伝搬する第１光学構成（１１Ａ）の有効光学距離の範囲は、第２の照明器（７Ｂ）から前記パターン発生器（６）を介して前記第２画像を取り込むための前記第２のカメラへの光路に沿って光が伝搬する第２光学構成（１１Ｂ）の有効光学距離の範囲と重ならず、前記第１（７Ａ）または前記第２（７Ｂ）の照明器の各々は、前記光学構成（１１Ａ、１１Ｂ）のそれぞれの中の最大光路長差よりも長いコヒーレンス長のコヒーレント長さで前記パターン発生器（６）を照明するように構成され、または
ｃ）前記カメラ（９）の第２のカメラ（９Ｂ）と、前記コヒーレント光照明器（７）の第２の照明器（７Ｂ）と、および前記カメラの第１のカメラ（９Ａ）と前記コヒーレント光照明器の第１の照明器（７Ａ）との組み合わせを用いて空間の光の３次元パターン（８）の第１画像、および前記コヒーレント光照明器の第２の照明器（７Ｂ）と前記カメラの第２のカメラ（９Ｂ）との組み合わせを用いて空間の光の３次元パターン（８）の第２画像を取り込むために前記センサ装置（１）を構成するセンサ装置構成手段とを含み、前記パターン発生器（６）を介して前記第１の照明器（７Ａ）から前記第１画像を取り込むための前記第１のカメラへの光路に沿って光が伝搬する第１光学構成（１１Ａ）の有効光学距離の範囲は、前記第２の照明器（７Ｂ）から前記パターン発生器（６）を介して前記第２画像を取り込むための前記第２のカメラへの光路に沿って光が伝搬する第２光学構成（１１Ｂ）の有効光学距離の範囲と重ならず、前記第１（７Ａ）または第２（７Ｂ）前記第１及び第２の照明器の各々は、前記光学構成（１１Ａ、１１Ｂ）のそれぞれの中の最大光路長差よりも長いコヒーレンス長のコヒーレント光で前記パターン発生器（６）を照明するように構成され、
前記センサ装置（１）はさらに、
複数の位置の各々に対して前記第２機械部品の位置に対する前記第１機械部品の位置が変化するように前記キャリアを複数のキャリア位置に移動させ、前記キャリア位置で、前記キャリア位置に関連する位置データを記録し、前記第１および前記第２光学構成のそれぞれにおける空間の前記３次元光パターンの第１および第２画像の対を記録するセンサを動作させ、前記記録された画像データを、前記パターン発生器の空間の光の３次元光パターンに関連する相互関係のある画像および位置データを含む参照データベースの画像データと比較し、類似した画像の対を見つける手段と、
類似画像の各対について画像並進オフセットデータを導出し、前記光学構成（１１Ａ、１１Ｂ）に関連する画像並進オフセットデータに基づいて、前記コンピュータ制御機械の位置決めを改善する、または較正用の並進および回転データを導出する手段と、を含む
センサ装置（１）。
【請求項２】
前記第１および第２の照明器（７Ａ、７Ｂ）は、複数の異なる発散中心を生成するように適合されている請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記第１および第２のカメラ（９Ａ、９Ｂ）の感光部品は、１次元（１Ｄ）ラインカメラである請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記第１および第２のカメラ（９Ａ、９Ｂ）の感光部品は、２次元（２Ｄ）領域カメラセンサである、請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項５】
前記第１および第２のカメラ（９Ａ、９Ｂ）が、高速度１次元（１Ｄ）ライン画像、または２次元（２Ｄ）領域画像を少なくとも毎秒１０００個の画像サンプリングレートで取り込むように適合されている、請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項６】
前記光学構成（１１）において、前記第１および第２の照明器（７Ａ、７Ｂ）の光軸はそれぞれ、同じ前記光学構成（１１）の前記カメラ（９）の光軸と同軸である、請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載のセンサ装置（１）と、参照データベースを保持する記憶手段（１０）とを含み、参照データベースは、前記パターン発生器（６−Ｒ）および対応するキャリア（３−１−Ｒ、３−２−Ｒ）位置データ（３１−Ｒ、３２−Ｒ）に関連付けられた空間の光の３次元パターン（８）の相互関係のある画像を含む、システム。
【請求項８】
前記画像データの記録された対を前記参照データベースの画像データの対と比較し、類似画像の対を見出し、類似画像の各対についての画像並進オフセットデータを導出し、複数の異なる光学構成（１１）に関連する画像並進オフセットデータに基づいて前記コンピュータ制御機械（２）の位置較正のための並進および回転データを導出するように構成された処理手段（１２）をさらに含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
第２機械部品の位置に対する第１機械部品の位置を変更するための可動キャリアを含むコンピュータ制御機械の較正または位置決めを向上させるためのデータを導出する方法であって、
請求項１に記載のセンサ装置を提供するステップを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は工作機械、光機械測定装置、座標測定装置（ＣＭＭ）、ロボット、位置エンコーダ等のコンピュータ制御機械内の正確な並進および回転を見出す装置および方法の分野に関する。より具体的には、本発明は、複数の機械部品位置における剛体並進および回転較正、またはそのような装置内での同時の並進および回転読み取りに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＸＹＺ座標軸を参照すると、部品の並進は、以下のその部品上の特定の位置のΧ、Ｙ、Ζ座標を意味する。同じ部品の回転とは、その部品のＲｘ、Ｒｙ、Ｒｚ回転角度を意味し、ここで、Ｒｘ、ＲｙおよびＲｚは、それぞれ、所与のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の周りの回転角度を指す。部品の位置が広い意味では、部品の並進と回転の組み合わせ、並進、または回転を意味する。典型的には、上述の機械は、機械の異なる部品の正確な並進を読み取るために、並進読取り装置、いわゆるエンコーダを使用する。例えば、そのような機械が３つの並進自由度ＸＹＺと１つの回転角度自由度θで構築されている場合、線形エンコーダが３つのそれぞれのＸ、Ｙ、Ｚキャリアの各々に配置され、角度エンコーダは、機械のθキャリアの回転軸に配置される。しかし、これらのエンコーダは、通常、機械の作業領域（または作業空間）から離れて配置されている。さもなければ、エンコーダは機械の作業領域動作と衝突することになる。結果として、前記作業空間内の特定の機械部品または工具の並進を決定するために、いくつかの機械部品の並進および回転がそれぞれのエンコーダによって行われた測定から決定される必要がある。幾何学的情報を使用し、前記測定に基づいて幾何学的計算を実行することにより、前記特定の機械部品の並進および回転、または典型的には機械の作業空間に位置する工具の並進および回転が導出される。しかし、機械的な不規則性、クリアランス、および／または機械的な遊びは、機械部品の動きに影響を及ぼす。従って、エンコーダ読取り位置と作業領域動作位置との間の並進および回転オフセットは、各それぞれの自由度に関連する測定困難なオフセットを導入し、それらのオフセットは前記幾何学的計算では考慮されず、決定された機械部品位置のある程度の不確実性および誤差に対応する。
【０００３】
３次元の３Ｄ（３次元）を測定して較正するために、例えば、工作機械、光機械装置、およびエンコーダ、いわゆるタッチプローブの位置決めが一般的に使用されている。タッチプローブは工作機械の工具ホルダに取り付けることができ、測定のためにスチールボールやバーのようなゲージの較正された位置に触れるように移動することができる。これは、時間のかかる逐一(point by point)プロセスであり、高価な寸法の較正されたゲージが取り付けられ使用されることを必要とする。
【０００４】
典型的には、エンコーダは、バーに沿った１Ｄ（一次元）並進を測定するか、または回転軸の周りの１Ｄ回転の回転角度を読み取るために測定する。剛体の機械的な自由度の可能な６つ（３つの並進＋３つの回転）の一部または全部について、並進および回転の両方を同時に読み取るために同じプロセスを拡張することは、複雑で高価な場合がある。今日のエンコーダは、精度の限界のために、例えば、２つのバーに沿って並進し、おそらくバーの外に届く場所の並進値にその差異の並進を外挿する。
【０００５】
レーザースペックルと関連現象、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ、ベルリン（１９７４年）のＣｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ Ｊ．Ｄａｉｎｔｙｅｄなどの文献では、いわゆるスペックル撮影およびスペックル干渉法の範囲が記載されている。これらの技術の主な焦点は、対象内部の変形および表面トポグラフィの測定にある。スペックル撮影技術は、３Ｄ空間内の複数の部品位置における局所並進および回転角度オフセットの両方を測定することができない。相応して、さらに、干渉技術は振動に敏感であり、多くの場合、工業用途にはあまり適していない。
【０００６】
後で、たとえば１９８９年１０月１５日の応用光学、Ｖｏｌ．２８、Ｎｏ．２０、山口一郎など、および、２００４年２月のマサチューセッツ工科大学修士論文においてビジェイ・シルピエカンドラは、焦点ぼけまたは焦点を合わせたカメラが、ｅｑカメラを使用してスペックル変位を記録することによって回転角度読み取りエンコーダを作成するためにどのように使用できるかを記載している。この技術はまた、３Ｄ空間内の複数の部品位置での局所的な並進と回転オフセットの両方を測定する能力が不足している。
【０００７】
ヨーロッパ特許ＥＰ１９２４４００は、機械的および光学機械的加工および品質制御システムの部品の部品位置関係を見出し、これらの部品を認識するための装置および方法を記載している。この技術は、特に、焦点合わせされた表面構造の画像変位を見つけるための相関技術を記述する。しかし、この技法では、３Ｄ空間内の複数の部品位置で並進オフセットと回転オフセットの両方を測定する能力が欠けている。
【０００８】
したがって、コンピュータ制御機械内の並進および回転を見出すための既知の機械的および光学的装置および方法は、十分な測定能力が不足しているか、または過敏であるか、または誤差を起こしやすい。さらに、それらは、典型的には、時間のかかるおよび／または高価な較正を必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１５／０５０１０２号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】ビジェイ・シルピエカンドラ著、マサチューセッツ工科大学修士論文
【発明の概要】
【００１１】
本発明の目的は、コンピュータ制御機械の作業空間内で部品の並進または回転、または部品の並進と回転の両方の判定精度を向上させることである。本発明の別の目的は、コンピュータ制御機械の較正に必要な時間を短縮することである。本発明のさらに別の目的は、機械のコンピュータ制御に並進および／または回転補正データを提供すること、または先進の並進および／または回転エンコーダとして直接働くソリューションを提供することである。
【００１２】
本発明の以下の説明から理解されるこれらおよび他の目的および利点は、添付の独立請求項による装置、システムおよび方法によって達成される。本発明の他の態様は、添付の従属請求項によって定義される。
【００１３】
本発明の１つの態様によれば、前記コンピュータ制御機械の作業空間に位置する第２の機械部品に対する第１の機械部品の位置を変更するための可動キャリアを有するコンピュータ制御機械における使用に適したセンサ装置であって、第１の機械部品に取り付け可能なパターン発生器と、パターン発生器を照らして、前記作業空間内に３次元光回折および干渉パターンを結合して形成するために構成された少なくとも１つの照明器とを含み、以下、光パターンまたは光のパターンと称され、そして、第２の機械部品に取り付け可能な少なくとも１つのカメラとを含む。カメラは、有利には、光の前記３次元パターンのパターン画像を作業空間に記録するように構成されている。一実施形態では、センサ装置は、前記少なくとも１つのカメラからの画像データと前記キャリアの位置データを受け取るための記憶手段をさらに備え、前記少なくとも１つの照明器、前記少なくとも１つのカメラおよび前記パターン発生器の少なくとも第１のおよび第２の異なる光学構成で画像を記録するように構成される。第１の光学構成の、パターン発生器からの照明発散中心距離、パターン発生器からのカメラ対象面距離、および有効パターン発生器の焦点距離の高調波の和の逆数である有効距離は、第２の光学構成の有効距離と異なる。本発明の一態様によれば、少なくとも1つの照明器は、少なくとも部分的にコヒーレント光でパターン発生器を照射するように構成される。光のコヒーレンス度が高いほど、３次元光パターンはより広い空間に広がる。
【００１４】
本発明の一態様によるシステムは、上記の態様のいずれか１つによるセンサ装置と、参照データベースを保持する記憶手段とを備える。参照データベースは、パターン発生器に対する基準機械部品の正確な並進および回転を表す相関画像およびキャリア位置データを含む。参照データベースの提供は、第１のコンピュータ制御機械に記録された画像サンプルを第２のコンピュータ制御機械に記録された以前または後の画像サンプルに関連付けることを可能にする。第２の機械は、第１の機械と同じ光学構成を使用する基準機械である。
【００１５】
一態様によれば、システムは、前記記録された画像データを参照データベースの画像データと比較し、類似画像の対（ペア）を見出し、類似画像の各対についての画像並進オフセットデータを導出し、複数の異なる光学構成に関連する画像並進オフセットデータに基づいてコンピュータ制御機械の較正のためにデータを導出するように構成された処理手段をさらに含む。処理手段は、システムが自動的に画像を比較し、コンピュータ制御機械の較正のためのデータを導出することを可能にする。
【００１６】
別の態様は、コンピュータ制御機械の第１のおよび第２の部品の相対的な並進および回転に関連するデータを記録する方法を説明する。コンピュータ制御機械は、第２の機械部品に対する第１の機械部品の位置を変更するための可動キャリアを含む。この方法は、キャリアを複数の位置に移動させるステップを含む。各位置において、少なくとも１つの照明器が、少なくとも１つの３次元光パターンが空間内に生成されるように、第１の機械部品に取り付けられたパターン発生器を照射するために使用される。また、各位置において、前記少なくとも１つの３次元光パターンの画像は、前記パターン発生器、前記少なくとも１つの照明器、および少なくとも１つのカメラの少なくとも２つの異なる光学構成で記録される。このような方法は、第２の機械部品の並進および回転に対する第１の機械部品の並進および回転に関連するデータの迅速かつ正確なサンプリングを可能にする。このように、この方法は、工作機械または座標測定機械などのコンピュータ制御機械において、並進および回転オフセットの高密度サンプリングを可能にする。
【００１７】
１つの態様によれば、方法は、各位置に前記キャリアの位置を記録するさらなる方法ステップを含む。
【００１８】
一態様によれば、各位置において、パターン発生器を交互に照明するように複数の前記照明器が制御される。
【００１９】
一態様によれば、各位置に記録された画像は、異なる対象面に画像を記録するように構成された複数のカメラを使用して記録される。
【００２０】
一態様によれば、コンピュータ制御機械の較正のためのデータを導出する方法が提供される。コンピュータ制御機械は、第２の機械部品に対する第１の機械部品の位置を変更するための可動キャリアを備える。この方法は、第２の機械部品に対する第１の機械部品の位置が位置ごとに変化するように、キャリアを複数のキャリア位置に移動させるステップを含む。各キャリア位置において、少なくとも１つの照明器が、少なくとも１つの３次元光パターンが空間内に生成されるように、第１の機械部品に取り付けられたパターン発生器を照明するように動作される。各キャリア位置においても、前記キャリアの位置に関する位置データが記録される。さらに、各キャリア位置において、空間内に生成された前記少なくとも１つの３次元光パターンの画像は、前記少なくとも１つの照明器、前記パターン発生器および少なくとも１つのカメラの少なくとも２つの異なる光学構成で記録される。各それぞれのキャリア位置ごとに、前記記録された画像データと参照データベースの画像データとを比較することによって類似画像の対が見つけられ、参照データベースの前記画像データは、空間内の固有の光パターンに関連する相互関係のある画像および位置データを含み、パターン発生器から反射または送信される。同様の画像を分析して、類似画像の各対について画像並進オフセットデータを導出する。さらに、コンピュータ制御機械の較正のためのデータは、複数の異なる光学構成に関連する画像並進オフセットデータに基づいて導出される。
【００２１】
１つの態様によれば、パターン発生器は、少なくとも部品的にコヒーレント光で照明される。光のコヒーレンスは、空間における３次元光パターンを生成することを可能にする。
【００２２】
本発明のさらなる態様によれば、基準光パターンの記録およびこれらの基準光パターンの使用は、異なる機械上で実行される。
【００２３】
さらに、機械が後で実行される際の基準となる可能性もある。本発明の別の態様は、コンピュータ制御機械の並進および回転を見つけて較正し、本発明は、光パターンの異なる構成の記録をエンコーダ位置読み取りと関連付ける。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明によるセンサ装置を含むシステムを備えたフライス盤の第１の例示的な実施形態を示す概略側面図である。
【図２】本発明によるセンサ装置を含むシステムを備えた座標測定機の第１の例示的実施形態を示す概略側面図である。この機械は、図１に示すように、フライス盤で使用される基準データを収集している。
【図３】図１のフライス盤および図２の座標測定機の光路および有効距離を表す概略側面図である。
【図４】実施例１のフライス盤の概略側面図であるが、本発明によるセンサ装置を含む代替システムを備えている。これらのセンサ装置を使用することにより、同じように構成されたセンサ装置を有する座標測定機に関して、フライス盤の複数の位置での剛体運動の６自由度（３つの並進＋３回転）が全て可能になる。
【図５】本発明によるセンサ装置を含む代替システムを備えた実施例１のフライス盤の概略側面図である。これらのセンサを使用することにより、センサ装置の機械的構成を２つの照明器−カメラ・ハウスに分割し、別個に作動させることができる。
【図６】本発明によるセンサ装置を含むシステムを備えたコンピュータ数値制御機械のキャリア詳細の第２の例示的実施形態を示す概略投影図である。このソリューションにより、先進の並進および回転エンコーダとしてのシステム作業が可能になる。
【図７】本発明によるセンサ装置を含むシステムを備えた較正基準機械のキャリアの詳細の第２の例示的な実施形態を示す概略投影図である。この機械は、図６に示すように、コンピュータ数値制御機械によって使用される基準データを収集している。
【図８】本発明によるセンサ装置を含むシステムを備えたコンピュータ数値制御機械のキャリア詳細の別の第２の例示的実施形態を示す概略投影図である。このソリューションにより、２つの独立したキャリアの正確な位置を表す先進の並進および回転エンコーダとしてのシステム作業が可能になる。
【図９】本発明によるセンサ装置を含むシステムを備えたロボットジョイントのキャリアの詳細の第３の例示的な実施形態を示す概略側面図である。このソリューションは、ロボットアーム先端の正確な並進および回転を見つけることを可能にする先進の並進および回転エンコーダとしてのシステム作業を可能にする。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の方法は、第２の機械部品の並進および回転に対する第１の機械部品の並進および回転に関連するデータの迅速且つ正確なサンプリングを可能にする。このように、この方法は、基準機械のものに対して、工作機械または座標測定機械などのコンピュータ制御機械における並進および回転オフセットの高密度サンプリングを可能にする。パターン発生器の空間的光学特性に関連する相互に関連した画像および位置データを含む参照データベースとのデータ比較は、第１のコンピュータ制御機械に記録された画像サンプルの位置を同じ光学構成を使用して、座標測定機または較正装置のような基準コンピュータ制御機械に、以前、またはそれ以降記録された画像サンプルと比較することを可能にする。それによって、各サンプル位置での並進オフセットおよび回転オフセットを迅速に決定し、オフセットデータを使用して第１のコンピュータ制御機械の較正のためのデータを導出することが可能である。較正データは、その動きが基準データを記録するために使用される基準機械の移動によって補正されるように、第１のコンピュータ制御機械の動作を制御するために使用され得る。
【００２６】
カメラおよび照明器の光学構成の正確な位置および角度を、本明細書でパターン発生器と呼ばれる物理的部品の位置および角度に関連付けることにより、本発明は、コンピュータ制御機械における正確な工具ホルダの並進および回転をパターン発生器またはパターン発生器の真の姉妹複製を１つの機械（基準）から他の機械に持ち込み、同じ光学構成によって画定されたセンサ装置を用いて作成された光パターンを観察することによって、見出すことを可能にする。これにより、高い信頼性と精度が得られる。
【００２７】
パターン発生器は、例えば、市販のエンコーダのエンコーダガラスバーと同じ目的を非常に上手く果たす。結果として、本発明は、パターン発生器の外側の自由空間に３Ｄ光パターンの並進および回転の記録を可能にし、この情報を使用して機械部品の正確な並進および回転オフセット状態を見出す。
【００２８】
センサ装置は、第２の機械部品の並進および回転に対する第１の機械部品の並進および回転に関連するデータの迅速且つ正確なサンプリングを可能にする。したがって、この装置は、工作機械または座標測定機械などのコンピュータ制御機械における並進および回転オフセットの高密度サンプリングを可能にする。２つの異なる光学構成を提供することにより、第２の部品の回転に対する第１の部品の回転とは別に、第２の部品の並進に対する第１の部品の並進の信頼できる情報を導出することができる。また、第１の光学構成の有効距離が第２の光学構成の有効距離と異なるため、前記３次元光パターンの２つのはっきりと区別された画像を記録することが可能であり、それは共に各サンプル位置に十分な並進および回転情報を含む。これにより、各サンプル位置における並進および回転オフセットを迅速に決定することができ、並進および回転オフセットデータを使用して、第１のコンピュータ制御機械における位置決めを補償し、その結果、第１の機械における位置決めは、基準データを記録するために使用される基準機械の位置決めに非常に似ている。このように、センサ装置は、全て機械部品の位置決め誤差を生じさせる機械的な不規則性、軸受のクリアランス、および／または機械的な遊びの影響を多かれ少なかれ除去する。
【００２９】
キャリア位置を記録することにより、記録された画像データを記録されたキャリア位置に関連付けることができるので、実験室機械などの基準コンピュータ制御機械の座標系を指す位置を、別のコンピュータ制御機械、すなわち使用されているコンピュータ制御機械の座標系を指す位置に関連付けることができる。これにより、パターン発生器に関連する正確な並進データと回転データを生成することも可能になり、一緒に先進のエンコーダとして機能する。
【００３０】
本発明は、利用可能な各カメラに対して複数の異なる光学構成を使用することを可能にし、したがって、単一のカメラでさえ使用することを可能にする。また、より多くの光学構成により、より自由度の高い並進および回転を測定することができ、並進および回転オフセットの決定においてより高い精度を得ることができる。
【実施例１】
【００３１】
ここで、図１を参照して、本発明の一実施形態によるセンサ装置１を説明する。センサ装置１は、この例では、フライス盤２の整列および較正に適応している。図１において、フライス盤２は、作業領域テーブル４、工具ホルダ５、支持部１００−１、１００−２、および１００−３、キャリア３−１、３−２を含む。本例では、フライス盤２のキャリア３−１、３−２を搭載する際には、それらの軸を互いに直交して整列させる必要がある。キャリア３−１および３−２が機械的に調整された後であっても、フライス盤２の内部座標系１００−４と可能な限り最良に整列するために、キャリアが移動する場合に依然として残留誤差が生じる可能性がある。高い加工精度が必要な場合は、これらの誤差を考慮する必要がある。センサ装置１は、これらの誤差を見つけるために使用される。本実施形態は、図２に示すように、ＣＭＭ（座標測定装置）２−Ｒを使用して別々に記録された対応する基準データからの並進および回転オフセットとしてこれらの誤差を表す。これらの誤差は、フライス盤２の可動部品の位置に関係する。この例では、フライス盤は、Ｘ、Ｙ、およびＺキャリア位置が言及される内部３Ｄ機械座標系１００−４を有する（簡略化のため、Ｘキャリア軸３−１およびＺキャリア軸３−２のみが図１に概略的に示されていることに留意されたい）。本実施形態の目的は、フライス盤作業容積内の複数の３Ｄ位置に関連する並進および回転オフセットデータのセットを見つけることである。これらのオフセットデータは、マシンビルダーによって取り付けおよび整列を改善するために、または機械ＣＮＣ（コンピュータ数値制）によって、工具を空間内の意図した位置に物理的に配置している実際のＸ−Ｙ−Ｚキャリア移動の誤差を補償するために使用される。
【００３２】
図１は、本発明の一実施形態によるフライス盤２の概略図を示す。センサ装置１は、２つの照明器７Ａおよび７Ｂと、１つのカメラ９とを備える。我々は、２つの光学構成１１Ａおよび１１Ｂを区別する。パターン発生器６を照明するために照明器７Ａが動作可能にされた場合の構成では、カメラは光学構成Ａに属し、それをカメラ９Ａと呼ぶものとする。これに対応して、パターン発生器６を照明するために照明器７Ｂが動作可能にされた構成では、カメラは光学構成Ｂに属し、カメラ９Ｂと呼ばれる。この例では、照明器７Ａ、７Ｂおよびカメラ９が工具ホルダ５に取り付けられ、パターン発生器６がワークホルダ４に取り付けられている。第１のおよび第２の照明器７Ａ、７Ｂおよびカメラ９をワークホルダ４に取り付け、パターン発生器６を工具ホルダ５に取り付けることも同様に行う別の可能な装置に留意されたい。パターン発生器６は、照明器７Ａ、７Ｂによって放射された光の少なくとも一部をカメラ９に向かう方向に反射するのに適した光散乱面である。照明器７Ａ、７Ｂは、パターン発生器６を照明して、ワークホルダ４と工具ホルダ５との間の空間に一緒に３次元光パターン８Ａ、８Ｂを形成する。カメラは、空間内の前記３次元光パターン８Ａ、８Ｂの２Ｄ（２次元）パターン画像を取り込むように構成される。センサ装置１は、少なくとも第１の１１Ａおよび第２の１１Ｂの異なる光学構成で画像を取り込むように構成されている。前記第１の光学構成１１Ａは、前記パターン発生器６を介して前記照明器７Ａから前記カメラ９Ａへの経路を画定する。前記第２の光学構成１１Ｂは、前記照明器７Ｂから前記パターン発生器６を介して前記カメラ９Ｂまでの経路を画定する。したがって、各それぞれの光学構成は、パターン発生器６、カメラ９および照明器７Ａ、７Ｂの相対位置によって画定される。そのため、カメラ９によって取り込まれた画像は、指標ＡおよびＢによってそれぞれ識別される異なる光学構成において、個別に固有であり、パターン発生器６、カメラ９およびそれぞれの照明器７Ａ、７Ｂの相対位置に直接関連する。センサ装置１に加えて、この特定の実施形態によるトータルシステムは、フライス盤２からの相互関係のあるキャリア位置３１、３２と、カメラ９Ａ、９Ｂからのパターン画像３０Ａ、３０Ｂとを記憶するためのコンピュータハードディスク１０または類似のデータ記憶装置も備える。コンピュータはまた、前に記録されたキャリア基準位置データ３１−Ｒ、３２−Ｒをフライス盤２から来るキャリア位置データ３１、３２と比較し、カメラ９からの取り込まれたパターン画像データ３０Ａ、３０Ｂを別々に取り込み、記録した基準パターン画像データ３０Ａ−Ｒ、３０Ｂ−Ｒと比較する。図１では、プロセッサ１０によってハードディスク１０から受信された収集データ３３は、対応する以前に記録されたキャリア基準位置データ３１−Ｒ、３２−Ｒ、キャリア位置データ３１、３２、以前に記録された基準パターン画像データ３０Ａ−Ｒ、３０Ｂ−Ｒ、および取り込まれたパターン画像３０Ａ、３０Ｂのセットである。先に記録されたキャリア基準位置データ３１−Ｒ、３２−Ｒおよび前に記録された基準パターン画像データ３０Ａ−Ｒ、３０Ｂ−Ｒは、図２に示すように別個のＣＭＭに予め記録され、ハードディスク１０−Ｒに記憶されて、図１のハードディスク１０に転送される。
【００３３】
照明器７Ａ、７Ｂは、パターン発生器６を照明するのに適した光を放射して前記３Ｄ光パターン８Ａ、８Ｂを空間に生成することができるタイプのものである。典型的には、実質的にコヒーレント光を放射することができる照明器が、記載された目的に適している。本発明の目的のために、照明器７のコヒーレンス長を、完全コヒーレンスの５０％より大きいコヒーレンス度を生成する最大光路長差として画定する。この特定の実施形態では、照明器は、光学構成ＡおよびＢのそれぞれの中の最大経路長差よりも大きなコヒーレンス長を有するレーザ放射ダイオードである。照明器７Ａ、７Ｂのそれぞれから放射される光は、無限に多くの異なる経路に従う。光学構成Ａについては、説明のために、経路の２つの例を図３に示す。第１の経路は、第１の照明器７Ａからパターン発生器６に向かう第１の照明光軸１６Ａと一致する鎖線で示され、パターン発生器６からカメラ９Ａに向かうカメラ光軸２０Ａと一致する鎖線に沿って連続する。第２の経路は、第１の照明器７Ａからパターン発生器６に向かう完全に描かれた二重線２１Ａによって示され、パターン発生器からカメラ９Ａに向かう完全に描かれた二重線２２Ａに沿って続く。パターン発生器６を介して第１の照明器７Ａからカメラ９Ａまでの可能な全ての光路および経路長を考慮することにより、照明器７Ａのレーザダイオード光源は、これらの光路の間の最大長さの差よりも大きいコヒーレンス長の光を放射する必要がある。同じコヒーレンス状態は、第２の照明器７Ｂ、パターン発生器６、およびカメラ９Ｂを含むＢ構成によって別個に満たされるべきである。カメラ９は、典型的には、好ましくは１０００×１０００画素またはそれ以上の解像度を有するタイプのＣＣＤ（電荷結合素子）またはＣＭＯＳの２Ｄビデオカメラである。パターン発生器６は、平面／平らなステンレス鋼板によって適切に提供される。パターン発生器６の反射面が空間内に意図された３Ｄ光パターン８Ａ、８Ｂを生成するのに適している限り、パターン発生器６を提供するために、本発明の範囲内でアルミニウムやガラスのような他の材料を使用することができる。パターン発生器６はまた、反射ホログラムによって、またはガラス板表面上に蒸着された金属表面パターンによって、あるいはマスタ表面から他の適切な表面へのエンボス印によって提供されてもよい。しかしながら、重要な要件は、表面の細部が、例えば腐食、取り扱いなどのために時間とともに変化してはならないことである。本実施形態では、鋼板の反射面は、照明器７Ａ、７Ｂが放射するレーザ光の波長と同程度の表面粗さを有しているため、カメラ９によって検出されるのに十分な角度範囲の散乱角度と十分な光量を作成する。この実施形態では、コンピュータは、ハードディスク１０とプロセッサ１２とを含む。キャリア位置データ３１、３２を受信するために、コンピュータは、イーサネットケーブルを介してフライス盤ＣＮＣに接続され、コンピュータは、ＵＳＢポートケーブル接続またはＦｉｒｅＷｉｒｅポートケーブル接続を使用して、カメラ９から画像３０Ａ、３０Ｂを受信する。参照ハードディスク１０−ＲからＵＳＢ型メモリスティック等の可搬型データ記憶装置を用いて、基準位置データ３１−���、３２−Ｒ、および基準パターン画像３０Ａ−Ｒ、３０Ｂ−Ｒをハードディスク１０に転送する。
【００３４】
以下では、図１、図２、図３および図４を参照して、本発明の実施形態による方法を説明する。上述のセンサ装置１または同じ光学構成を含むセンサ装置１−Ｒが使用され、ハードディスク１０−Ｒ、図２の記憶手段１０−Ｒに記録する。本実施形態では、基準パターン画像３０Ａ−Ｒ、３０Ｂ−Ｒおよび基準キャリア位置データ３１−Ｒ、３２−Ｒを記録するために、以下ではＣＭＭ２−Ｒと呼ばれる較正された座標測定機(Coordinate Measuring Machine)を使用する。概して、このＣＭＭ２−Ｒは、フライス盤２に類似しているが、図２によって表されている。このＣＭＭは、固定された位置の３Ｄマトリックス内のサンプリング／記録位置の間を段階的に移動するようにプログラムされている。位置の数は、ユーザーとそのアプリケーションに大きく依存する。フライス盤２の組立品質を検査するだけであれば、５×５×５の位置で十分である。それ以外の場合、ＣＮＣへの詳細なフィードバック補正データが必要な場合は、１０００×１０００×１０００などの高い数値が必要になることがある。この例では、これらの位置は４００×４００×４００ｍｍの容積をカバーする。これらの位置の各々について、コンピュータハードディスク１０−Ｒは、２つの画像、対応するキャリア位置データ３１−ＲＡ、３２−ＲＡ、３１−ＲＢ、および３２−ＲＢと共に、各光学構成１１Ａ−Ｒ、１１Ｂ−Ｒのためのものを格納する。画像記録中にＣＭＭが機械的に安定であると仮定すると、位置３１−ＲＡは位置３１−ＲＢに等しく、キャリア位置３２−ＲＡはキャリア位置３２−ＲＢに等しい。これらのデータは、後続のフライス盤２の製造／整備整合作業のための基準データであり、その時点でハードディスク１０−Ｒ（図２）からハードディスク１０（図１）に転送される。第１のおよび第２の照明器７Ａ−Ｒ、７Ｂ−Ｒは、フライス盤２で後に使用される同じタイプおよびコヒーレンス特性のレーザダイオードである。本実施形態では、図２に概略的に示されるように、また、図１のフライス盤の構成に対応して、第１の照明器７Ａ−Ｒは、第１の照明器７Ａ−Ｒとパターン発生装置６−Ｒとの間に位置するその焦点位置を有する。レーザ光は、この焦点位置１７Ａ−Ｒからパターン発生器６−Ｒに向かって発散する。第２の照明器７Ｂ−Ｒは、図１にも概略的に示されているように、パターン発生器６−Ｒに向かって伝搬する平行光を生成するための光学系を含み、すなわち、その発散中心はこの例では無限に設定されており、結果として、図２の図面の延長内に表示することはできない。図３は、２つの光学構成ＡおよびＢの照明／観察形状を概略的に示し、図１の図面によって概略的に表されるフライス盤２、および図２の図面によって概略的に表されるＣＭＭ２−Ｒ上で使用される両方の光学構成を表す。明瞭にするために、両発散中心は図３の範囲内に示されているが、本実施形態では、第２の照明器７Ｂの発散中心１７Ｂは無限に設定されている。図３にも示されているように、カメラの撮像特性は、対象面の位置および大きさ１５Ａ、１５Ｂと、この対象面上に中心合わせされた対応する被写界深度１９Ａ、１９Ｂとによって画定される。被写界深度は、平面１９Ａ１、１９Ｂ１から平面１９Ａ２、１９Ｂ２までそれぞれ延びている。この例では、対象面は、カメラ９とパターン発生器６との間に位置する。カメラ光軸２０Ａ、２０Ｂの各々は、空間の２つの点を通過するように画定され、第１の点はカメラ９Ａ、９Ｂの入射瞳中心であり、第２の点はそれぞれの対象面１５Ａ、１５Ｂの中心点である。これらのカメラ光軸２０Ａ、２０Ｂは、カメラ９の光軸２０Ａ、２０Ｂがパターン発生器６と交わる点２３を画定するように延びている。図３にも示されているように、照明器の光学特性は、発散中心１７Ａ、１７Ｂと、これらのそれぞれの発散中心に中心を合わせた対応する被写界深度１８Ａ、１８Ｂとによって画定される。照明器７Ａの被写界深度は、平面１８Ａ１から平面１８Ａ２まで延びている。これに対応して、照明器７Ｂの被写界深度は、平面１８Ｂ１から平面１８Ｂ２まで延びている。本例では、分かりやすくするために、発散中心は、それぞれの照明器７Ａ、７Ｂとパターン発生器６との間に配置されている。各照明光軸１６Ａ、１６Ｂは、それらのそれぞれの発散中心１７Ａ、１７Ｂが、それぞれのカメラ光軸２０Ａ、２０Ｂがパターン発生器６と交わる点２３まで、空間内の２点を通過するように画定されている。照明器の発散中心間距離ｄｉＡ４０、ｄｉＢ４１は、発散中心１７Ａ、１７Ｂからパターン発生器６の反射面点２３までのそれらのそれぞれの光軸１６Ａ、１６Ｂに沿って測定される。カメラ対象平面距離ｄｃＡ４２、ｄｃＢ４３は、それらのそれぞれの光軸２０Ａ、２０Ｂに沿ってパターン発生器６の反射面点２３から対象面１５Ａ、１５Ｂまで測定される。これらの形状は、ＣＭＭキャリア３−１−Ｒ、３−２−Ｒ、およびフライス盤キャリア３−１、３−２が移動するにつれて、ＣＭＭ２−Ｒ基準記録およびフライス盤２の測定中に変化することに留意されたい。画定された軸、位置、および距離は、これらのプロセス中に変化する。第１の光学構成Ａの有効距離は、式ｄｅＡ＝ｄｉＡ＊ｄｃＡ／（ｄｉＡ＋ｄｃＡ）によって与えられ、同様に、第２の光学構成Ｂの有効距離は、式ｄｅＢ＝ｄｉＢ＊ｄｃＢ／（ｄｉＢ＋ｄｃＢ）となる。パターン発生器６が湾曲しているか、または透過時にレンズ効果を含んでいる場合には、上式のｄｉＡおよびｄｉＢをそれぞれ式ｄｉＡ＊ｆ／（ｄｉＡ＋ｆ）およびｄｉＢ＊ｆ／（ｄｉＢ＋ｆ）に置き換える必要があり、ここで、ｆは、パターン発生器６の表面が粗さのない光学的に滑らかな表面に置き換えられた同等のパターン発生器の等価焦点距離を表す。例えば、パターン発生器６が符号付きの曲率半径Ｒで湾曲している場合、焦点距離ｆはＲ／２に等しくなる。これらの光学構成のそれぞれについて、被写界深度は、対象物が焦点を結んでいると考えられる範囲を画定する。これらの範囲は、本実施例では、それぞれのフィールド平面１９Ａ１、１９Ｂ１からフィールド平面１９Ａ２、１９Ｂ２まで延在し、対象平面距離ｄｃＡ４２、ｄｃＢ４３をそれぞれｄｃＡｌ＝ｄｃＢ１からｄｃＡ２＝ｄｃＢ２の範囲にする。
【００３５】
これに対応して、照明器は、それぞれの発散平面１８Ａ１〜１８Ａ２および１８Ｂ１〜１８Ｂ２の範囲の異なる距離をカバーし、発散中心距離ｄｉＡ４０、ｄｉＢ４１をそれぞれｄｉＡｌ〜ｄｉＡ２およびｄｉＢｌ〜ｄｉＢ２の範囲にすることができる。第１の有効距離ｄｅＡの式にｄｃＡｌ、ｄｉＡｌ、ｄｃＡ２、およびｄｉＡ２を挿入すると、ｄｅＡｌからｄｅＡ２までの有効距離の範囲が得られる。これに対応して、ｄｃＢ１、ｄｉＢ１、ｄｃＢ２、およびｄｉＢ２を第２の有効距離ｄｅＢの式に挿入すると、ｄｅＢ１からｄｅＢ２に及ぶ有効距離の範囲が得られる。典型的には、関係するカメラおよび照明器の被写界深度は、＋／−（２＊λ＊Ｆ＊Ｆ）であり、λは光学波長であり、Ｆはパターン発生器６側を指す有効光学Ｆナンバーである。有効Ｆナンバーとは、式Ｆ＝ｌ／［２＊ｓｉｎ（ｖ／２）］を介して、照明器の射出瞳とカメラ入射瞳の角度の広がりを画定するＦナンバーを意味し、ｖは発散中心および対象面から観察されるそれらの瞳孔の角度範囲である。ただし、照明器とカメラは異なるＦナンバーで構成することができる。また、別の光学構成では、発散中心１７Ａ、１７Ｂが、１つの横方向、すなわち、Ｘ軸、直交する横方向に観察された場合に、対応する発散中心間の距離に平行に観察されるときに異なる照明距離ｄｉＡ（図３の４０）およびｄｉＢ（図３の４１）にあるように、非点焦点を含むことがある。他の代替的な光学構成では、２つの直交する横方向の特徴に着目すると、対象面位置１５Ａおよび１５Ｂを異なるカメラ対象面距離ｄｃＡ（図３の４２）およびｄｃＢ（図３の４３）に配置するカメラ撮像特性の場合も同様である。非点収差性能は、典型的には、照明および／または観察経路に円筒光学系を含むことによって得られる。光学構成Ａ、Ｂは、それらの有効距離が重ならないように、すなわち、各センサ装置１の位置に対して、ｄｅＡｌからｄｅＡ２までの有効距離は、ｄｅＢ１からｄｅＢ２の範囲の有効距離に等しくなってはいけないように構成される。別の光学構成が非点発散中心１７Ａ、１７Ｂまたは非点対象面位置１５Ａ、１５Ｂを含む場合、光学構成Ａ、Ｂの有効距離は、別々に評価された横方向のそれぞれについて重ならないことが必要である。優れた画像解析性能のためには、有効距離の範囲を分離する必要がある。有効距離の間の距離を増加させることにより、並進オフセットと回転オフセットとを区別することが容易になるため測定誤差による影響が低減される。
【００３６】
パターン発生器６がレーザ光によって照明されるので、パターン発生器６の上方の３Ｄ空間内の構造的に安定した光パターン８が形成される。この光パターン８は、カメラ９によって観察される。光学構成ＡおよびＢの各々は、他とは異なる光パターンを生成する。典型的には、これらの光パターンは、全ての異なる記録位置に対して固有である。キャリア３−１、３−２および３−１−Ｒ、３−２−Ｒが第１の時間Ｔ１で第１の記録位置に記録するように制御された後、次の記録位置で記録するように移動し、第２の時間Ｔ２の第１の位置に正確に記録するように最終的に戻った場合、時刻Ｔ１に記録されたパターン画像は時刻Ｔ２に正確に再生される。しかし、第１のおよび第２の記録時間の間の非常に小さな位置のオフセット（例えば、０．１μｍなど）は、パターン画像位置に影響を及ぼし、したがって検出可能である。
【００３７】
本実施形態に係るセンサ装置１−Ｒや同様の光学的に構成されたセンサ装置１を用いて、ＣＭＭ基準記録が完了した後、ハードディスク１０−Ｒに記録された収集した基準データ３３−Ｒを用いフライス盤２の組み立て、使用、または整備中に誤整列を定量化する。一度定量化されると、誤整列は、機械整列を改善するため、および／またはフライス盤２の後続のＣＮＣ移動を制御するために使用される。これにより、フライス盤２の機械的な並進および回転の不規則性に関係なく、より良好な位置決めが達成され、慣習的な較正および整列方法を用いて補正することは不可能である。センサ装置１は、ＣＭＭ２−Ｒの基準データを記録するのに使用されたものと同じ光学構成Ａ、Ｂを含んで使用される。図1は、フライス盤2の概略図を示す。本実施形態では、パターン発生器６−Ｒは、フライス盤に移動され、パターン発生器６と呼ばれる。しかし、本実施形態は、パターン発生器６−Ｒとパターン発生器６の両方は、同じマスタの正確な複製である場合、等しく機能する。パターン発生器６に対する照明−カメラアセンブリ７Ａ、９、７Ｂの新たな位置は、ＣＭＭ装置のものを密接に再現すべきである。そのようにするためには、照明器−カメラアセンブリ７Ａ、９、７Ｂ、およびパターン発生装置６を予め整列する必要がある。この目的のために、予め位置決めされた機械的ロケータの使用、またはパターン発生器６位置の反復機械的整列が行われるべきである。フライス盤２のＣＮＣ制御は、次に、パターン発生器６に対する以前のＣＭＭ２−Ｒ記録位置の１つの近傍に照明器カメラアセンブリ７Ａ、９、７Ｂを移動させるために使用され、オフセットを光学的に観察／測定し、パターン発生器６を機械的に移動させ、次いで、位置が幾分一致するまで整列処理を繰り返す。
【００３８】
代替的には、ルーラー／キャリパーまたはタッチプローブなどのような他の整列工具を手動で使用するだけで、パターン発生器６に対して照明器カメラアセンブリ７Ａ、９Ｂを機械的に整列することが可能である。
【００３９】
予備整列後、このフライス盤２装置は、ＣＭＭ２−Ｒ基準記録に対して相対的に測定された正確な整列を見つける準備ができている。一連の対応する基準キャリア位置データ３１−Ｒ、３２−Ｒおよび基準パターン画像データ３０Ａ−Ｒ、３０Ｂ−Ｒによって表される収集された基準データ３３−Ｒは、ハードディスク１０にコピーされる。フライス盤２は、基準ＣＭＭ２−Ｒによって記録されたものに対応する以前の公称位置の間を名目上ステップするように、次いで、指示される。これらの位置のそれぞれについて、コンピュータハードディスク１０は、２つの光学構成ＡおよびＢのそれぞれの状態で記録された２つのパターン画像３０Ａ、３０Ｂおよび対応するキャリア位置３１、３２をカメラ９から受け取る。パターン発生器６の並進および回転に対する照明器−カメラアセンブリ７Ａ、９Ｂの並進および回転は、名目上、ＣＭＭ２−Ｒ基準記録中に使用される対応する並進および回転に等しくなければならない。結果として、全ての位置について、フライス盤２に記録された新たなパターン画像３０Ａは、対応する光学構成Ａに記録された対応するＣＭＭ２−Ｒ基準パターン画像３０Ａ−Ｒと同様である。対応するＢ記録の場合も同様である。より具体的には、画像は、それらが同じパターンとして認識されるのに十分類似しているが、特定オフセットおよび可能性のあるわずかな非相関を有する。しかし、カメラ９の感光面に関して、画像は一般に比較的少量で移動される。感光面を参照すると、これらの２Ｄ画像並進オフセットは、それぞれ（ＤＡＸ、ＤＡＹ）および（ＤＢＸ、ＤＢＹ）と呼ばれる。これらのオフセットを計算するために、各基準パターン画像３０Ａ−Ｒ、３０Ｂ−Ｒは、対応するフライス盤２のパターン画像３０Ａ、３０Ｂと数学的に２Ｄ相互相関する（相互相関計算のために、例えば、Athanasios Papoulisによる書籍は、光学系の適用を伴うシステムと変換と呼ばれる、１９６８年、ＭｃＧｒａｗ−ＨｉｌｌＢｏｏｋ Ｃｏｍｐａｎｙ、ニューヨーク）。
【００４０】
キャリア位置３１、３２のそれぞれについて、最大相互相関の位置が、２つの光学構成ＡおよびＢの画像オフセット（ＤＡＸ、ＤＡＹ）および（ＤＢＸ、ＤＢＹ）を決定する。基準ＣＭＭ２−Ｒキャリア３−１−Ｒ、３−２−Ｒのエンコーダは、機械２のキャリア３−Ｒ、３−２−Ｒの指示されたキャリア位置３１、３２からわずかに異なるキャリア位置３１−Ｒに戻り、同じ公称キャリア位置であっても、キャリア位置または測定された画像並進オフセットは、これらの可能な差異によって補正される必要がある。この例では、これらの補正を画像並進オフセットに適用し、（ｄＡｘ、ｄＡｙ）および（ｄＢｘ、ｄＢｙ）の対応する補正された画像並進オフセットを呼び出す。これらの補正された画像並進オフセットは、パターン発生器６に対する照明−カメラアセンブリ７Ａ、９、７Ｂの並進オフセット（Ｄｘ、Ｄｙ）と回転角度オフセット（Ｔｘ、Ｔｙ）の組合せによって引き起こされ、すなわち、基準として第２の部品５−Ｒの位置に対するＣＭＭ２−Ｒ第１の部品４を用いて、工具ホルダ５に対するフライス盤２のワークホルダ４の並進オフセット（Ｄｘ、Ｄｙ）および回転角度オフセット（Ｔｘ、Ｔｙ）によって補正された画像並進オフセットが生じる。ＤｘおよびＤｙはそれぞれｘ方向およびｙ方向の平行移動オフセットを表し、一方、ＴｘとＴｙはｘ軸とｙ軸の周りの回転角度オフセットを表す。これらのオフセットは、図１のフライス盤座標軸１００−４を指している。基準キャリア位置３１−Ｒ、３２−Ｒは、ＣＭＭ２−Ｒ座標軸１００−４−Ｒを指す。
【００４１】
線形近似では、画像並進オフセット（ｄＡｘ、ｄＡｙ）と（ｄＢｘ、ｄＢｙ）と相対部品並進オフセット（Ｄｘ、Ｄｙ）および回転角度オフセット（Ｔｘ、Ｔｙ）との間の関係は、４つの式ｄＡｘ＝ｍ１１＊Ｄｘ＋ｍ１２＊Ｄｙ＋ｍ１３＊Ｔｘ＋ｍ１４＊Ｔｙ、ｄＡｙ＝ｍ２１＊Ｄｘ＋ｍ２２＊Ｄｙ＋ｍ２３＊Ｔｘ＋ｍ２４＊Ｔｙ、ｄＢｘ＝ｍ３１＊Ｄｘ＋ｍ３２＊Ｄｙ＋ｍ３３＊Ｔｘ＋ｍ３４＊Ｔｙ、ｄＢｙ＝ｍ４１＊Ｄｘ＋ｍ４２＊Ｄｙ＋ｍ４３＊Ｔｘ＋ｍ４４＊Ｔｙで表される。これらの式において、それぞれの因子（ｍ１、ｍ１２、ｍ１３、ｍ１４、ｍ２１、ｍ２２、ｍ２３、ｍ２４、ｍ３１、ｍ３２、ｍ３３、ｍ３４、ｍ４１、ｍ４２、ｍ４３、ｍ４４）は、第１のおよび第２の光学構成Ａ、Ｂそれぞれの正確な照明−観察形状によって与えられる。光学構成Ａのパターン画像３０Ａ、３０Ａ−Ｒを作成するための有効距離ｄｅＡが光学構成Ｂのパターン画像３０Ｂ、３０Ｂ−Ｒを作成するための有効距離ｄｅＢと異なる限り、上記の式を反転させて、並進オフセット（Ｄｘ、Ｄｙ）および回転角度オフセット（Ｔｘ、Ｔｙ）値によって表されるように、工具ホルダ５に対するワークホルダ４の並進角度および回転角度オフセットを求める。数値実施例として、照明距離ｄｉＡ４０が６０ｍｍに等しく、カメラ距離ｄｅＡ４２が１００ｍｍに等しく、照明距離ｄｉＢ４１が無限遠にあり、カメラ距離ｄｃＢ４３も１００ｍｍに等しく、座標軸ＸＹＺはフライス盤２の対応するＸＹＺ座標軸１００−４（図１）に平行であり、原点は、カメラ９の光軸２０Ａ、２０Ｂがパターン発生器６と交わる点２３（図３）に配置されると仮定する。距離を表す数字は図３を参照されたい。照明器の光軸１６Ａ、１６Ｂは、カメラの光軸２０Ａ、２０Ｂと同軸であり、カメラの倍率は−１／３に等しく、カメラの感光面のＸ軸およびＹ軸は、フライス盤の座標軸１００−４（図１）およびＣＭＭ座標軸１００−４−Ｒ（図２）によって示されるように、対応する機械のＸ軸およびＹ軸に平行であるとさらに仮定する必要がある。線形近似では、これらの構成パラメータは、因子（ｍ１ｌ、ｍ１２、ｍ１３、ｍ１４、ｍ２１、ｍ２２、ｍ２３、ｍ２４、ｍ３１、ｍ３２、ｍ３３、ｍ３４、ｍ４１、ｍ４２、ｍ４３、ｍ４４）に対して、それぞれの値（−０．８８８９、０．０、０．０ｍｍ、−６６．６６７ｍｍ、０、−０．８８８９、６６．６６６７ｍｍ、０．０ｍｍ、−０．３３３３、０．０、０．０ｍｍ、−６６．６６６７ｍｍ、０．０、−０．３３３３、６６．６６６７ｍｍ、０．０ｍｍ）を出す。また、対応するキャリア位置３１、３２と基準キャリア位置３１−Ｒ、３２−Ｒとの間の相違に起因する補正もないものと仮定する必要がある。次に、補正された画像並進オフセット（ｄＡｘ、ｄＡｙ、ｄＢｘ、ｄＢｙ）は（−５９．６、−４．０、−３０．７、＋２．７）μｍにそれぞれ等しいことがわかる。次に、これらの式を逆にして、それぞれの並進オフセット（Ｄｘ、Ｄｙ）を（５２．０、１２．０）μｍおよび回転角度オフセット（Ｔｘ、Ｔｙ）を（１００、２００）μラジアン（Ｒａｄｉａｎ）として探索値与えることができる。上で説明した線形式は、光学照明、回折および観察プロセスを記述する。実際の適用では、上記のｍ因子は、非線形偏差を考慮しなければならない場合がある。あるいは、完全な非線形式を反復して正確な解を求める。
【００４２】
キャリア位置３１、３２、関連部品並進オフセット（Ｄｘ、Ｄｙ）、および関連する回転角度オフセット（Ｔｘ、Ｔｙ）によって表される並進および回転データ３４は、その後のフライス盤製造、整備、または整列活動のための較正データになる。あるいは、フライス盤２のＣＮＣは、フライス加工中の複合キャリア３−１、３−２の誤差移動を補償するためにこれらのデータを使用する。
【００４３】
一般に、２つの光学構成Ａ、Ｂは、並進成分と回転成分を別々に見つけるために必要である。しかし、この実施形態では２つの異なる光学構成が設けられているが、他の実施形態ではより多くの光学構成を提供することができる。光学構成の数が多いほど、より多くの情報が得られ、より多くの空間基準が提供されるが、記録されたデータの解析にはより大きな計算能力が必要となる。光学構成の正確な設定は、光パターンが繰り返し可能である限り、本発明の範囲内で変更され、その結果、何度も何度も繰り返される。図４に概略的に示されている例は、適用される全てのキャリア位置３１、３２について見出される剛体運動の自由度（３つの並進＋３つの回転）を可能にする。また、２つの異なる光学構成ＡおよびＢを提供する実施形態によれば、２つの別個のカメラ９Ａ−１、９Ｂ−１が１つの照明器７と組み合わせて使用される。図４の７Ａ−１および７Ｂ−１と呼ばれる１つの照明器７とともに光学的に構成された別個のカメラ９Ａ−１、９Ｂ−１を参照されたい。さらに別の例では、一実施形態によれば、２つの別々の照明器が２つのカメラと組み合わせて使用され、２つの異なる光学構成ＡおよびＢを提供する。照明器７Ａ、パターン発生器６およびカメラ９ＡがＡ構成に属し、照明器７Ａ、パターン発生器６およびカメラ９ＡがＢ構成に属する図５の例を参照されたい。その場合、１つの照明器とカメラをそれぞれ有する２つの異なるセンサヘッドとしてグループ化することができる。１つ以上の照明器が同じカメラと組み合わせて使用される場合、照明器は、好ましくは、パターン発生器６を交互に照明するように動作され、その結果、複数の異なる光パターンが、放射された光の起源に基づいて生成され、複数の照明器が同時に放射する場合、放射される光波の干渉にも基づいて生成される。他の実施形態では、少なくとも１つの照明器が、部品４にも取り付けられているパターン発生器６に対して移動不能に部品４に取り付けられており、カメラは別の機械部品５に取り付けられていて、その結果、それらは、パターン発生器６および照明器に対して移動可能である。さらなる実施形態では、複数のパターン発生器が設けられ、カメラ（複数可）および照明器（複数可）の様々な光学構成Ａ、Ｂと組み合わされる。他の実施形態では、ほとんどのＣＮＣ制御機械の位置決めが非常に反復可能であるため、光学構成Ａの全てのパターン画像３０Ａを最初に収集し、次に光学構成Ｂの全てのパターン画像３０Ｂを収集することも可能である。その場合、コンピュータ制御機械の再現性誤差が最終結果に加わることになる。しかし、一度に１つの光学構成での記録の柔軟性は、その欠点を凌駕する可能性がある。
【００４４】
この例のＣＭＭを基準機械として使用する代わりに、他の代替手段は、実験室機械を基準として使用するか、または生産シリーズの最良の機械を基準として使用するか、後続の整備（複数可）中に、後の基準ための機械の初期状態を記録するかの何れかである。
【００４５】
低コストパターン発生器６の特性は、フライス加工または電気浸食プロセスのような製造プロセスに依存するので、パターンの表面構造の詳細はランダムであるが、パターン発生器ごとに固有である。しかしながら、例えば、ホログラフィック複製技術の使用によって、パターン発生器の光学特性を複製して、十分に同一のパターン発生器を量産することが可能になる。マスタのいくつかの同一複製を作ることができる撮影技術またはスタンピング方法を使用してマスクを作成することも可能である。これらのマスクは、透過性を反映して機能することができる。
【実施例２】
【００４６】
この実施形態は、並進および回転オフセットに対して較正可能な絶対位置エンコーダとして機能する。本明細書では、絶対エンコーダは、開始（ホーム）位置に対するその位置を必ずしも追跡する必要なく、キャリア位置を読み取り、把握しているエンコーダである。この実施形態の変形を図６、図７、および図８に示す。図６は、先進の１キャリアエンコーダの一部を概略的に示す。この図では、パターン発生器６は機械部品４に固定され、照明器７Ａ、７Ｂおよびカメラ９は機械部品５に固定され、カメラ９Ａはカメラ９Ｂと同じであるが、異なる光学構成ＡおよびＢにそれぞれ属する。高いサンプリングレートを得るために、カメラ９は、解像度が５０×５０画素であるが、毎秒１００００のサンプリングレートを有するタイプＣＭＯＳの２Ｄビデオカメラである。２つの平行なキャリアスライドを有するキャリア３−１（図６参照）は、機械が部品４に対して部品５をＹ軸に平行な方向に移動できる。キャリアＹ位置３−１を読み取る従来のエンコーダセンサヘッド１０１も示されている。各キャリア位置３１について、この実施形態は、部品４に対する部品５並進（Ｄｙ、Ｄｚ）オフセットおよび回転角度（Ｔｙ、Ｔｚ）オフセットを見出すことができる。キャリア位置３１、関連部品並進オフセット（Ｄｘ、Ｄｙ）、および関連する回転角度オフセット（Ｔｘ、Ｔｙ）によって表される並進および回転データ３４は、この先進の１キャリアエンコーダが組み込まれた機械によって使用されるこの先進の１キャリアエンコーダが設置されている。
【００４７】
本実施形態では、図７に概略的に示されている注意深く準備された較正基準機械が、収集された基準データ３３−Ｒを作成するために使用される。この較正基準機械は、図６の先進の１キャリアエンコーダと可能な限り類似して任意に構成されているが、高い回転オフセット精度を得るために、その機械は、Ｚ方向およびＹ方向の両方向で、２つの精密キャリア３−１−Ｒの間およびキャリア３−１−Ｒと可動部５−Ｒとの間により長い距離を備える。この較正基準機械は、基準キャリア位置３１−Ｒおよび基準パターン画像データ３０Ａ−Ｒ、３０Ｂ−Ｒによって表される収集された基準データ３３−Ｒを提供し、部品４−Ｒに対する部品５−Ｒの正確な並進および回転を特徴付ける。小さな組み込みコンピュータは、プロセッサ１２を含む（図６）。収集された基準データ３３−Ｒは、ＵＳＢメモリキーにコピーされる。ＵＳＢメモリキーは、組み込みコンピュータに配置され、この組み込みコンピュータ内の内部メモリ１０にコピーされる。図６に示すように、キャリア位置データ３１およびパターン画像データ３０Ａ、３０Ｂも内部メモリ１０にコピーされる。実施例１で説明したのと同じ計算によって、収集されたデータ３３、対応する基準キャリア位置３１−Ｒ、キャリア位置３１、対応する基準パターン画像データ３０Ａ−Ｒ、３０Ｂ−Ｒ、およびパターン画像データ３０Ａ、３０Ｂをキャリア３−１の位置ごとに全て把握し、プロセッサ１２は、部品４に対する部品５（Ｄｙ、Ｄｚ）並進オフセットおよび（Ｔｙ、Ｔｚ）回転角度オフセットをリアルタイムで計算する。本明細書では、リアルタイムは、この１キャリアエンコーダのこの実施形態が設置されているＣＮＣ機械に必要な更新速度が、そのＣＮＣを適切な速度で動作させることを意味する。
【００４８】
あるいは、Ｚ軸の周りのＹ並進および回転角度オフセットのみが必要な場合、この実施形態は、２Ｄカメラの代わりに、５００画素の解像度を有する１Ｄラインカメラを備えており、画素線はＹ軸に平行であり、サンプリングレートは１００００／秒である。各キャリア位置３１について、この実施形態は、ラインカメラの光感応ライン面がｙ軸に平行である場合に、部品４に対する部品５（Ｄｙ）並進オフセットおよび（Ｔｚ）回転角度オフセットを見つけることができ、ラインカメラの感光ライン面がｚ軸に平行である場合、部品４に対する部品５（Ｄｚ）並進オフセットおよび（Ｔｙ）回転オフセットを見つけることができる。
【００４９】
１Ｄラインカメラのケースの第１のケースでは、画像並進オフセット（ｄＡｙ）と（ｄＢｙ）および相対部品並進オフセット（Ｄｙ）と回転角度オフセット（Ｔｚ）との間の関係に対する線形近似は、２つの式ｄＡｙ＝ｍ１１＊Ｄｙ＋ｍｌ２＊Ｔｚ、ｄＢｙ＝ｍ２１＊Ｄｙ＋ｍ４２＊Ｄｙ＋ｍ２２＊Ｔｚによって表せられる。これらの式において、それぞれの４つの因子（ｍ１、ｍ２、ｍ２１、ｍ２２）は、それぞれの第１のおよび第２の光学構成Ａ、Ｂの正確な照明−観察形状によって与えられる。
【００５０】
図８は、キャリア３−１および３−２が部品４に対して部品５をＹ方向およびＺ方向の両方に移動させるコンピュータ制御機械の内部に設置された先進の２キャリアエンコーダと呼ばれる代替のエンコーダを示す。また、この実施形態は、部品４に対する部品５（Ｄｙ、Ｄｚ）並進オフセットおよび（Ｔｙ、Ｔｚ）回転角度オフセットを見出すことができる。この実施形態のさらなる使用は、例１に記載のフライス盤２のような工作機械への設置である。機械加工中の並進および回転の同時測定、または工具荷重および速度の同時測定、または熱変化の同時測定が、次いで実行される。
【００５１】
本実施例２で説明した実施形態では、エンコーダセンサヘッド１０１からのキャリア位置データ３１は、正しいパターン画像データ３０Ａ、３０Ｂの検索を高速化するのを助け、基準キャリア位置３１−Ｒのため、適用可能な３２ーＲの場合、一致パターン画像データ３０Ａ、３０Ｂを指す選択を助ける。基準パターンデータ３０Ａ−Ｒ、３０Ｂ−Ｒを３１−Ｒおよび３１−Ｒなどの基準キャリア位置に関連付けるために、基準エンコーダセンサヘッド１０１−Ｒが必要であるが、本発明による全ての装置は、キャリア位置３１、３２にアクセスなしでも正常に動作できる。その場合、プロセッサ１２は、部品の並進および回転を見い出す詳細な画像相関が実行される前に、基準パターン画像３０Ａ−Ｒ、３０Ｂ−Ｒと一致するパターン画像３０Ａ、３０Ｂを最初に検索する必要がある。しかし、本実施例２の実施形態では、エンコーダの速度は重要であるが、実施例１の実施形態は、キャリア位置３１またはキャリア位置３１、３２を使用することなくほぼ正確に機能する。それらが正確に機能しない理由は、これらの場合、プロセッサ１２は、指示されたＣＮＣと実際に読み取られたキャリア位置３１、３２との間の小さな補正にアクセスすることができないという事実に起因する（例１の補正された画像並進オフセットの補償の説明を参照）。
【実施例３】
【００５２】
この実施形態は、ロボットジョイントの絶対角度エンコーダとして機能する。このエンコーダは、並進と回転オフセットの較正が可能である。これは、図９に概略的に示されている。図９は、ロボットジョイントの機械部品の一部および本発明の実施形態を示す。この図では、パターン発生器６は機械部品４に、照明器７およびカメラ９Ａ、９Ｂは機械部品５に固定されている。ここで、７Ａは、照明器７が光学構成Ａおよび７Ｂに属し、それが光学構成Ｂに属することを示す。パターン発生器６は、その表面に詳細なミラーパターンが蒸着された平面研磨されたガラス板である。パターンがランダム化されている場合、全てのパターン画像３０Ａ、３０Ｂは異なる。パターンが周期的である場合、パターンは異なるキャリア位置３１でそれ自身を繰り返すことができ、プロセッサ１２はパターン間を区別するためにキャリア位置３１にアクセスする必要がある。このパターン発生器６は図面から作成されており、複数の光学的に同一のコピーを作成することが可能である。これにより、図面マスタから、基準ロボットジョイントに使用される異なるコピー基準パターン６−Ｒを作成することが可能になる。しかしながら、パターンは、照明器７Ａからカメラ９Ａに、照明器７Ｂからカメラ９Ｂへ光を回折させるのに十分なほど細かくする必要がある。基準ロボットジョイントは図には示されていないが、プロセッサ１２および並進および回転データ３４を除いて、図９に示すことができ、全ての数字および文字の組み合わせが−Ｒで終わる（同様の表記規則のために図２および図７参照）。図９に示す軸受であるキャリア３−１は、機械が部品５を部品４に対してＸ軸の周りに回転させることを可能にする。
【００５３】
従来の角度エンコーダセンサヘッド１０１は、また、Ｘ軸を中心に回転するセグメント化ガラスラインパターン１０２からキャリア回転角度を読み取ることがさらに示される。Ｘ軸周りの各回転角度について、本実施例の実施形態は、部品４に対する部品５ローカル（Ｄｙ、Ｄｚ）並進オフセットおよび（Ｔｙ、Ｔｚ）回転角度オフセットを見つけることができる。ロボットジョイントにおける並進オフセット（Ｄｙ、Ｄｚ）と回転角度オフセット（Ｔｙ、Ｔｚ）の両方が高い精度で求められるので、外挿によりロボットアーム先端の並進および回転もまた高い精度で見いだされる。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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