CN101304842B - 光学机械测位仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于确定机械及光学-机械加工和质量控制系统的各部件的部件位置关系，以及辨认这些部件的装置和方法。本发明依赖于非接触式光学探测技术，记录光学基准图案，并由此确定靠近工作位置的各位置，而无需物理接触。机器各部件的位置是通过将基准图案(1)和关键部件相关联或机械结合，并用光学方法检测这些图案的图像来确定的。通过将基准图案图像(14)和机器位置数据(17)与作为部件几何关系(15)组成部分的部件相关联，并在部件位移约束条件(16)下确定给定的部件位置或位移(18)来确定根据给定部件测位仪(6)策略的部件位置和位移。使用基准图案(1)，通常能够识别并辨认工件、工件夹具、作业工具、测量工具和机器部件。

Description

光学机械测位仪
技术领域
本发明涉及用于确定位置的技术装置和方法领域，并且更具体地涉及用于确定在机械加工作业或机械控制活动过程中产生的位置偏移的装置和方法。 
背景技术
为了通过唯一识别与典型机械系统(可以是用于机械质量控制的系统)相关的重要部件来简化本公开，将在下文解释一些常用术语的使用。术语“机械/机器”表示任何生产或质量控制机器，如用于铣、钻孔、车削等的加工中心、EDM(放电加工机)、CMM(坐标测量机)、接触探头及探针位置探测机、计算机视觉系统甚至是简单的机械支撑结构或类似物。“工件”表示要被机加工或要接受质量控制的部件。工件上已经被机加工过或进行过质量控制的实际区域称作“工作区”。对工作区进行实际机加工或质量控制的部件或设备称作“作业工具”。作业工具可以是机床(用于铣、车削、钻孔等)、电火花腐蚀工具(EDM工具)、接触探头或探针位置传感器、光学成像传感器、电磁传感器或类似物。一般使用“工件夹具”将工件固定到机器上。我们用“工件夹具支座”、“工件夹钳”和“工件定位器”来表示工件夹具的三个不同部件。在一些情况下，可以把工件夹具或其一些部件认为是机器的主要部分。 
工件定位器对于现代机械参考系统的定义起着重要作用。工件放置的机械位置限定工件定位器，并从而相对机器和工件工具限定工件位置。我们将包括不同支撑结构、工件、作业工具和工件夹具的一台机器的所有机械部件称作机器部件。 
工件或机器的不同部件等的位置除非另有说明，在本文中一般指相对于另一个部件的位置、方位或这两者。作业工具和工件之间的会合位置称作“工作位置”。 
目前没有正在机加工或进行质量控制时直接读取工作位置的可行技术。在许多情况下，机器相对于工件定位器的位置精度是通过下列方法之一获得的：从例如玻璃尺自动读取确切位置；指示相应的平移台的位置；依赖马达位置控制器和编码器；或只使用固定架。为了定位工件，工件夹具可以只将工件夹在或多或少的一些准备好的定位器表面，或者将工件夹在准备好的机械定位器销上。然后，使用位置传感器找到工件位置。在有些情况下，工件夹具本身也包含位置传感器。然而，最终需要准确知道相对于工作区位置(一个或多个)的作业工具位置(一个或多个)。这些位置还不能直接读出，原因是位置读出器与工作区、作业工具位置有偏移。这意味着读出位置和工作位置之间的剩余角偏移或平移偏移常常不能被适当处理。此外，实际的工件夹紧、作业工具的更换、工件从一台机器到另一台机器的移动以及机械传动误差都会导致作业工具位置和工作区位置之间不可计量(accountable)的偏移。最后，在机加工或质量控制传感器读出过程中也会出现不可计量的位移误差，当热应力或机械应力正在作用或作业工具被改变、位置改变、磨损或被更换时会出现这种情况。通常，依赖于制造或使用具有适当设置的工件定位器和夹持力的工件夹具的良好技术，可以处理这些误差。可参见“Fundamentals of tool design”；JohnG.NEE，ISBN：0-87263-490-6，1998，769pp(出版商：Society ofManufacturing Engineers，Dearborn，MI48121)。然而，在工作过程中用正确的位置值对机器的定期更新是很少能承担的繁重任务，并且在进行更新时，重要的参考数据可能不够准确，或者缺少全部重要的参考数据。一个恰当的例子是为了从机加工程序变换到位置质量控制程序，然后从位置质量控制程序变换回到机加工程序，用卡盘安装的探针传感器代替卡盘安装的铣刀的情况。这可能会在机加工及位置控制工具之间引入未知位置偏移，使得不可能正确地处理偏移位置误差。 
为了提高准确度，或者抵制可能出现不可计量的位移，通常使用诸如下列的几种技术：机械接触探头及探针探测，放大镜和显微镜观察、激光束阻碍探测(laser beam obstruction sensing)及压力传感器探测，参见“Modern Machine Shop’s Handbook for the MetalworkingIndustries”；Editor Woodrow Chapman，ISBN：1-56990-345-X；2002，2368 页(出版商：Hanser Gardner)和“Modern Machine Shops Guide toMachining Operations”；Woodrow Chapman；ISBN：1-56990-345-3，2004，968页(出版商：Hanser Gardner)。接触探头通过使用位置探测探针尖端确定工件的位置。该接触探头可安装在作业工具架上、作业工具卡盘中或也可能安装在工件托架上。为了能正常工作，每次接触探头被使用、被永久固定或被再次安装在机械固定件或卡盘时必须对其校准。在机加工过程中，接触探头必须被移除，否则它可能与工件夹具或工件相撞。为了准确地查找2维或3维位置，或角位移，必须在不同方向上进行几次有点耗时的读数操作。可替代地，通过显微镜观察和显微镜位置控制的结合，也可找到或校准工件和工作区的关键相对位置。但由于涉及人眼观察，所以该技术不具备完全自动化的前景，并且在寻找工件夹具定位器的位置时也有困难。不过其它的技术通过读出激光束的阻碍度、或者使用压力传感器读出作业工具尖端压力有助于确定作业工具尖端的位置。在磨损过程中，该位置可被更新。但这些技术没有确定工件放置的位置。 
与手动、半自动或自动照相机观察相关的技术如同显微镜观察一样，应该可用于寻找工件或工作区上的相对位置或校准位置。专利号为US 6,782,596B2的专利公开了另一种方法，在这种方法中当工件被放置到机器之前，先设置多个数据并相对于工件进行校准。然而，根据本发明的发明者的知识，目前已知技术的共同问题是进行机加工或质量控制的同时不具备进行定期位置探测的能力，和/或已知技术依靠机器本身外部的校准和位置探测。它们也不具备适当处理实际被加工或被控制的部件之外的其它部件的位置误差的整体方法。在工作过程中，它们在各自操作中相对耗时，并且在一些情况下它们自身可能引入不可计量的位置误差。 
发明目的 
本发明的目的是通过对整个位置读数精度和速度及对处理机器的可靠性的部件进行改进来克服上文提到的所有或部分局限性和不足。本发明通过确定工件、作业工具及不同的机器部件的位置，可用来提高任何机器的机加工和质量控制位置的准确性。本发明还可以用来在工件从一台机器移动到另一台机器时相对于不同的机器保持工件位置的准确性。本发明还可以用来识别和辨认基准图案，从而识别并辨认工件、工件夹具、工 作工具、测量工具和机器等。 
发明内容
本发明提供一种用于确定机械及光学-机械加工和质量控制系统的各部件之间的部件位置关系并辨认这些部件的装置，该装置包括：光探测器，其适于被固定到第一机器部件，所述光探测器适于产生第二机器部件的一个基准图案的第一基准图案图像和第二基准图案图像，或者其适于产生第二机器部件的多个基准图案的第一基准图案图像和第二基准图案图像；部件测位仪，其具有适于连接到所述光探测器以从所述光探测器接收所述第一和第二基准图案图像的第一输入端，所述部件测位仪具有适于接收部件几何关系的第二输入端，所述部件几何关系描述所述第一机器部件、所述第二机器部件、所述基准图案和第三机器部件之间的位置关系，以及所述第一、第二和第三机器部件和所述光探测器之间的位置关系，所述部件测位仪具有适于接收部件位移约束条件的第三输入端，所述部件位移约束条件描述所述第一、第二和第三机器部件和所述光探测器中至少一个的允许位移自由度，所述部件测位仪适于确定第一基准图案图像和第二基准图案图像之间，或第一基准图案图像和基准图案图像模型之间的基准图案图像位移，并且所述部件测位仪适于根据所述部件位移约束条件修改所述部件几何关系中的至少一个关系以确定产生对应于已确定的基准图案图像位移的所述基准图案图像位移的机器部件位移。 
用于确定机械及光学-机械加工和质量控制系统的各部件之间的部件位置关系的装置的其它有利特征在下文中描述：例如：所述部件位移是所述第一、第二或第三机器部件中一个的位移，或者是所述光探测器的位移；所述基准图案由在一个表面上规则或不规则分布的一系列基准图案表示；以所述基准图案的中心表示所述作业工具的主轴中心。 
本发明提供一种用于确定机械及光学-机械加工和质量控制系统的各部件之间的部件位置关系并辨认这些部件的方法，该方法包括：使用光探测器产生第二机器部件的基准图案的第一基准图案图像和第二基准图案图像，或者产生第二机器部件的多个基准图案的第一基准图案图像和第二基准图案图像， 从所述光探测器接收所述第一和第二基准图案图像到部件测位仪中，接收部件几何关系到所述部件测位仪中，所述部件几何关系描述所述第一机器部件、所述第二机器部件、所述基准图案和第三机器部件之间的位置关系，以及所述第一、第二和第三机器部件和所述光探测器之间的位置关系，接收部件位移约束条件到所述部件测位仪中，所述部件位移约束条件描述所述第一、第二和第三机器部件和所述光探测器中至少一个的允许位移自由度，使用所述部件测位仪确定第一基准图案图像和第二基准图案图像之间或第一基准图案图像和基准图案图像模型之间的基准图案图像位移，以及使用所述部件测位仪根据所述部件位移约束条件修改所述部件几何关系中的至少一个关系以确定产生对应于已确定的基准图案图像位移的基准图案图像位移的新的机器部件位移。 
用于确定机械及光学-机械加工和质量控制系统的各部件之间的部件位置关系的装置和方法的其它有利特征在下文中描述：例如：所述部件位移是所述第一、第二或第三机器部件中的一个的位移，或者是所述光探测器的位移；其中所述基准图案由在一个表面上规则或不规则分布的一系列基准图案表示；进一步包括以所述基准图案的中心表示所述作业工具的主轴中。 
本发明提供一种包括计算机可读介质的计算机程序产品，所述计算机可读介质上具有被设计成适于使计算机装置执行所述方法的计算机可读及计算机可执行的代码。 
本发明依赖于非接触式光学探测技术，并有希望成为一种过程中质量控制技术，该过程中质量控制技术能定期自动提供关键机器部件位置的更新信息，而不必依赖于外部的质量控制及校准装置。记录光学基准图案能够不进行物理接触就读出靠近工作位置处的位置，部件测位仪策略通过计算其它相关部件的位置(包括实际的工作位置本身)完成该作业。 
本发明通过将基准图案与关键部件相关联或机械结合，并用光学方法探测这些图案的图像来确定机器的部件位置。图2和图4示意性地说明了本发明涵盖的机器，其中1A-F示例性地表示与这些机器内的部件结合的基准图案。这些基准图案1可以是部件的几何学方面的部件细节、加到部件上的图案化标签或部件表面的微观结构。本发明根据给定的部件测位仪6策略确定部件位置和位移，甚至是不包含基准图案的那些部件的 位置。如图1所示，通过将基准图案图像14和机器位置数据17结合到部件(该部件是部件几何关系15的组成部分)中，并在部件位移约束条件16下确定特定的部件位置或位移18。图3用坐标框架/坐标系的层次结构示例性地示出了部件几何关系15，其中1A-F表示基准图案的局部位置，2A-D表示定位器的局部位置。本发明还识别并辨认基准图案，从而一般地识别并辨认工件、工件夹具、作业工具、测量工具及机器部件。 
附图说明
在附图(不一定是按比例绘制的)中的几个视图中，相同的标号描述基本相似的部件。具有不同字母后缀的相同标号表示基本相似的部件的不同实例。附图以举例方式并通过本公开中所讨论的各个实施例对本发明进行一般性的说明。 
图1示出了说明本发明主要思想的功能图。在该图中，带箭头的线表示数据传送。完全绘出的线/实线和虚线表示机械互连。虚线表示可替代的机械互连。基准图案1的图像通过光探测器3探测，并被转换成基准图案图像14。在知道部件几何关系15的基础上，部件测位仪6将基准图案图像14和相应的机器位置数据17与指定的部件关联起来。通过使用部件位移约束条件16(其定义允许哪些部件(多个)的位置位移)，部件测位仪6确定导致记录的基准图案图像14的位移或位置的那些部件(一个或多个)的位移18或位置， 
图2是总体地说明机器的一个例子的示意图，所述机器表示任何一种机器，如铣床、钻床、刻模EDM(放电加工机床)、线切割EDM或类似机器，该图还总体说明了机器的一个示例，所述机器表示任何一种质量控制机器，这里作业工具9可以例如是CMM(坐标测量机)中的接触探头，或者是光视觉传感器或类似物， 
图3是用坐标参考框架表示从图2所示机器挑选出的若干部件，而线表示机械互连(实线)及光学互连(虚线)的示意图。在该图中，矩形框表示坐标参考框架。各个框之间的实线表示机械互连，虚线表示光学互连/路径。小圆圈表示基准图案1A-F或机械定位器2A-C。包括光探测器3和基准图案1有助于创建我们所称的参考框架的闭环，使得能够确定 与某些环相关的部件的位置， 
图4是总体说明机器的一个示例的示意图，这里所述机器表示任何一种机器，如铣床、钻床、刻模EDM(放电加工机床)或类似机器，该图也说明了该示例如何通过测量工具19经由基准图案1A将局部作业工具9的尖端位置引导到(refer to)光探测器3的位置，和 
图5是用坐标参考框架表示从图4所示机器挑选出的若干部件，而线表示机械互连(实线)及光学互连(虚线)的示意图。在该图中，矩形框表示坐标参考框架。各个框之间的实线表示机械互连，虚线表示光学互连/路径。小圆圈表示测量工具19上较大的基准图案1A区域。包括光探测器3和基准图案1A有助于创建我们所称的参考框架的闭环，使得能够确定与某些环相关的部件的位置。 
具体实施方式
下面的详细描述参考形成本说明书一部分的附图，并且附图是通过图解说明可以实施本发明的具体实施例示出的。详细地对这些实施例进行描述，以足以使本领域技术人员能实践本发明，应该理解这些实施例可被合并，并且可以对其它实施例进行结构、逻辑及电学方面的改动，而仍表示本发明。因此，下面的详细描述不是在限制意义上进行的，本发明的总体范围由所附的权利要求及其等同物限定。 
在下面的例子中，参考坐标框架/坐标系位置或框架(简单来说)表示一个元件或一较大结构部件相对于另一元件或另一较大结构部件的位置(包括方位)。框架位置的规格可以既表示标准位置又表示测量位置。也对所称的框架关系进行描述。这些关系代表框架位置和各元件或部件机械或光学互连，或者较大结构的部件之间机械互连的事实。在一种最简单的形式中，框架关系可以仅描述四个框架，例如它们分别表示机器支撑结构、机器内的移动部件、固定到移动部件上的部件和固定到移动部件上的光探测器。然后固定到移动部件上的部件的位置可以从光探测器提供的数据确定。在其它情况下，参考框架关系可以表示更为复杂的机械结构。 
下面，将通过几个例子描述本发明。 
示例1 
图2的示意图以举例方式说明一台机器，所述机器可表示任何一种机器，如铣床、钻床、刻模EDM(放电加工机床)、线切割EDM或类似机器。该示意图还以举例方式总体地说明机器的一个例子，所述机器表示任何一种质量控制机器，这里作业工具9可以例如CMM(坐标测量机)内的接触探头，或者是光视觉传感器或类似物。这些机器可以配备一系列不同的机械配置，但所有机器都可配备根据本发明的装置。这些机器的一些关键单元表示为工件托架100(work piece carrier)(一般进行两次垂直平移x和y)、作业工具托架101(work tool carrier)(一般在z方向上进行一次平移，但有时也进行一次或几次额外旋转)、作业工具卡盘(102)、位置编码器103A，103B和支撑结构。在此例子中所指的支撑结构包括工件支座104(work piece support)、机器支撑连接件105(machine supportlink)和作业工具支座106(work tool support)。该机器的目的是通过作业工具9对工件8进行机加工或质量控制。在此例子中，作业工具9被固定到作业工作卡盘102上。作业工具9可以是机加工工具、电火花腐蚀工具、机械传感器、位置探针传感器、光学成像传感器、显微镜或类似物。工件8中要被机加工或被质量控制的区域称为工作区10。通过作业工具托架101和工件托架100相对于工件8移动作业工具9实现进行机加工或质量控制工艺必需的位移。在此工艺中，这些托架的位置是在位置编码器103A，103B所处位置处读出的。为了相对于作业工具9定位工件8，并从而定位工作区10，需将工件8放置在工件夹具11上。一般，工件夹具11是牢固地固定到工件托架100上的。工件夹具11一般可以由工件夹具支座12、工件夹具钳13和工件定位器2A，2B，2C构成。将工件8放置在工件定位器2A，2B，2C上，并用工件夹具钳13将其夹紧，工件8就被牢固地固定到工件夹具11上。 
在这个例子中，要解决的问题可以陈述如下。不过，对于上文所描述的，一个关键问题是位置编码器103A和103B被安装在离工作区10及工作工具9的尖端的位置有一定距离，因此，例如由于一些未知的角误差，位置编码器103A和103B可能不能读出作业工具9或工件区10的正确位置。结果，在进行机加工或质量控制操作中，夹紧工艺和热应力、机械应力可能使工件8的定位相对于作业工具9的位置定位有稍微变化或 改动。在本示例中，我们假设工件8可在x和y方向上相对于工件夹具支座12水平地平移。 
因此，应当提供关于第一机器部件20、第二机器部件21、基准图案1、光探测器3、基准图案图像14和机器位置17的细节。通过记录基准图案的光学图像，可以减小位置误差，如图2中说明的，光探测器3记录基准图案1A的基准图案图像14，并将其发送到部件测位仪6。光探测器是一个2维阵列照相机。光探测器3经由光学组件4和托座(bracket)107固定到作业工具托架101上。部件测位仪6可以具体化为计算机、个人计算机、专用处理器及类似物中的程序。基准图案图像14由已知方法转换/数字化，并可用于计算机位置计算。举例来说，图2中基准图案1A是工件8的给定表面结构，或可以是施加到表面的图案化的标记。通过光学路径5A，基准图案1A被光学成像到光探测器3。同样的基准图案1A也经由工件8及定位器2A，2B，2C与机器的其它部件机械互连。为了改善机器性能，记录基准图案1A的两个基准图案图像14。记录的第一基准图案图像23表示参考状态。在机器已经使用一段时间之后，记录第二基准图案图像24。可替代地，工件8被取出以在其它地方机加工，并在记录第二基准图案图像24之前放回原位。在分别记录基准图案图像23和24的同时，部件测位仪6记录相应的机器位置数据17。机器位置数据17是机器位置编码器103A和103B的位置。部件测位仪6的目的是推导出重要机器部件的位置或位置位移。出于此目的，部件测位仪6将考虑部件几何关系15和部件位移约束条件16。 
因此，应当提供关于部件几何关系15和部件位移约束条件16的细节。部件几何关系15通过键盘输入到部件测位仪6。图3中的图表显示了用两个坐标框架(矩形框)之间的机械互连(完全绘出的线/实线)和光学互连(虚线)表示的部件几何关系15。图3的图表是图2的物理排列的一种表示，其中考虑适当选择的几个部件。坐标框架表示一个部件相对于另一个部件的位置(包括方位)。部件位移约束条件16也通过键盘输入到测位仪6中。部件位移约束条件16定义在确定新的部件位置时允许的部件位移自由度(包括其最大量/幅度)。通过考虑部件位移约束条件16，部件测位仪6以最小的位置读出工作量(reading effort)确定各部件 的位置位移。在本示例中，假设工件夹具12与工件8之间的相对位置由于这样或那样的原因在变化。在本例中，假设记录基准图案1A的第一、第二基准图案图像23和24的x-y位置(在水平面内)。然后根据我们的假设，一种简单的部件位移约束条件16就是工件8是唯一允许移动的部件，并且允许的唯一位移自由度是工件8的x平移和y平移。以此信息，部件测位仪6可只在基准图案1A的一个第二记录的基础上确定工件8的新位置。 
现在阐明部件测位仪初始状态；组合14，15，16，17以及确保环的一致性。作为计算部件位移18(即，工件8相对于工件夹具支座12的新位置)的起始点，部位测位仪6确保部件几何关系的所有相关初始状态是彼此一致的。这是通过以下步骤完成的：将基准图案1A的第一基准图案图像23和相应的机器位置数据17记录到部件几何关系15的适当参考框架。即，位置编码器103A的数据被添加到工件参考框架100(图3)的位置，表示工件托架100相对于工件支座104的位置。同样，位置编码器103B的数据被添加到框架101(图3)的位置，表示作业工具托架101相对于作业工具支座106的位置。最后，基准图案1A的基准图案图像23被添加到光探测器3框架(参见图3)。这确保初始部件几何关系15彼此一致，也就是说例如所有的坐标框架正确地再现该几何结构中的任何空间位置，并且还特别确保通过部件几何关系15的任何闭环进行的位置计算能够自我重复。当机器状态变化的同时，基准图案1A的第二基准图案图像24及对应的新的机器位置数据17以与上述相同的方式被发送到部件测位仪6的部件几何关系15中。 
现在阐明基准图案图像位移。部件测位仪6计算基准图案1A的第一基准图案图像23和第二基准图案图像24之间的x-y位移。在此示例中，假设位移计算是通过数学相关性方法进行的。即，部件测位仪6在x和y方向上相对于一个图像逐步重复平移另一个图像、计算相关性并确定相关性为最大值的平移。相关性是这样计算的：将相应的各图像像素位置的各灰度级数相乘，然后通过图像重叠计算所述各乘积的和。 
接下来描述如何确定部件位移18及环计算。基准图案1A经由工件8通过工件夹具12、工件托架100、工件支座104、机器支撑连接件 105、作业工具支座106、作业工具托架101、托座107及光学组件4机械互连到光探测器3。基准图案1A经由光学路径5也与光探测器3光学互连。这产生我们所称的环(3-8-12-100-104-105-106-101-107-4-3)。部件测位仪6通过确保此环内所有的框架位置彼此一致来确定工件8的x-y平移。通过从指定位置开始并计算通过图3的图表的某一闭环映射的位置，我们知道应该回到相同位置。即，本发明的部件测位仪6的一个关键目的是确保当给定闭环组成部分的所有位置通过整个环映射时，它们应该映射回到自身。如果工件8已经在第一基准图案图像23和第二基准图案图像24的记录时间之间发生平移，则环(3-8-12-100-104-105-106-101-107-4-3)的框架位置将不再彼此一致。然后，部件测位仪6应用部件位移约束条件16，该约束条件是只允许表示工件8的框架在水平面内平移(即，x和y方向)。除了由机器位置数据17考虑的托架103A和103B位移之外，所有其它框架被认为没有移动。 
因此，开发一种环计算的数学解法。恢复一致性的数学问题是通过求解描述不同框架之间的变换的一组线性方程得到的。这可以通过借助所称的齐次坐标描述3维平移和旋转的4×4阶矩阵实现。在本示例中，基准图案图像23和24之间的x-y平移是已知值，工件8的x-y平移，部件位移18是未知值。通过这种方法，部件测位仪6计算工件8的平移，从而计算工件8的新位置。 
示例2 
图2是通过举例方式说明一台机器的示意图，所述机器可表示任何一种机器，如铣床、钻床、刻模EDM(放电加工机床)、线切割EDM或类似机器。该示意图还通过示例方式总体地说明机器的一个例子，所述机器表示任何一种质量控制机器，这里作业工具9可以例如是CMM(坐标测量机)内的接触探头，或者是光视觉传感器或类似物。这些机器可以配备一系列不同的机械配置，但所有机器都可配备根据本发明的装置。这些机器的一些关键单元被表示为工件托架100(一般进行两次垂直平移x和y)、作业工具托架101(一般在z方向上进行一次平移，但有时也进行一次或几次额外旋转)、作业工具卡盘(102)、位置编码器103A，103B和支撑结构。在此例子中，所指的支撑结构包括工件支座104、机器支撑 连接件105和作业工具支座106。该机器的目的是通过作业工具9对工件8进行机加工或质量控制。在此例子中，作业工具9被固定到作业工作卡盘102上。作业工具9可以是机加工工具、电火花腐蚀工具、机械传感器、位置探针传感器、光学成像传感器、显微镜或类似物。工件8要被机加工或被质量控制的区域称为工作区10。通过作业工具托架101和工件托架100相对于工件8移动作业工具9实现进行机加工或质量控制工艺必需的位移。在机加工过程中，这些托架的位置是在位置编码器103A，103B所处位置处读出的。为了相对于作业工具9定位工件8，并从而定位工作区10，需将工件8放置在工件夹具11上。一般，工件夹具11是牢固地固定到工件托架100上的。工件夹具11一般可以由工件夹具支座12、工件夹具钳13和工件定位器2A，2B，2C构成。将工件8放置在工件定位器2A，2B，2C上，并用工件夹具钳13将其夹紧，工件8就被牢固地固定到工件夹具11上。 
在这个例子中，要解决的问题可以陈述如下。不过，对于上文所描述的内容，一个关键问题是位置编码器103A和103B被安装在离工作区10及工作工具9的尖端的位置有一个距离，因此，例如由于一些未知角误差，位置编码器103A和103B可能不能读出作业工具9或工件区10的正确位置。结果，在进行机加工或质量控制操作中，夹紧工艺和热应力、机械应力可能使工件8的定位相对于作业工具9的位置定位有稍微变化或改动。在本示例中，我们假设工件8可能相对于工件夹具支座12平移。 
因此，应当提供关于第一机器部件20、第二机器部件21、基准图案1、光探测器3、基准图案图像14和机器位置17的细节。通过记录基准图案的光学图像，可以减小位置误差，如图2中说明的，光探测器3记录基准图案1B的基准图案图像14，并将其发送到部件测位仪6。光探测器是一个2维阵列照相机。光探测器3经由光学组件4和托座107固定到作业工具托架101上。部件测位仪6可以具体化为计算机、个人计算机、专用处理器及类似物中的程序。基准图案图像14由已知方法转换/数字化，并可用于计算机位置计算。举例来说，图2中基准图案1B是工件8表面的机加工细节，如钻孔或铣加工细节。通过光学路径5B(图2中未示出)， 基准图案1B被光学成像到光探测器3。同样的基准图案1B也经由工件8及定位器2A，2B，2C机械互连到机器的其它部件。为了改善机器性能，记录基准图案1B的两个基准图案图像14。记录的第一基准图案图像23表示参考状态。在机器已经使用一段时间之后，记录第二基准图案图像24。可替代地，工件8被取出以在其它地方加工，并在记录第二基准图案图像24之前放回原位。在分别记录基准图案图像23和24的同时，部件测位仪6记录相应的机器位置数据17。机器位置数据17是机器位置编码器103A和103B的位置。部件测位仪6的目的是推导出重要机器部件的位置或位置位移。出于此目的，部件测位仪6将考虑部件几何关系15和部件位移约束条件16。 
因此，应当提供关于部件几何关系15和部件位移约束条件16的细节。部件几何关系15通过键盘输入到部件测位仪6。图3中的图表显示了用两个坐标框架(矩形框)之间的机械互连(完全绘制的线/实线)和光学互连(虚线)表示的部件几何关系15。图3的图表是图2的物理排列的一种表示，其中考虑适当选择的几个部件。坐标框架表示一个部件相对于另一个部件的位置(包括方位)。部件位移约束条件16也通过键盘输入到测位仪6中。部件位移约束条件16定义在确定新的部件位置时允许的部件位移自由度(包括其最大量/幅度)。通过考虑部件位移约束条件16，部件测位仪6以最小的位置读出工作量确定各部件的位置位移。在本示例中，假设工件夹具12与工件8之间的相对位置由于这样或那样的原因在变化。在本例中，假设记录基准图案1B的第一、第二基准图案图像23和24的x-y位置(在水平面内)。然后根据我们的假设，一种简单的部件位移约束条件16就是工件8是唯一允许移动的部件，并且允许的唯一位移自由度是工件8的x平移和y平移。以此信息，部件测位仪6可只在基准图案1B的一个第二记录的基础上确定工件8的新位置。 
现在阐明部件测位仪初始状态；组合14，15，16，17以及确保环的一致性。作为计算部件位移18(即，工件8相对于工件夹具支座12的新位置)的起始点，部位测位仪6确保部件几何关系的所有相关初始状态是彼此一致的。这是通过以下步骤完成的：将基准图案1B的第一基准图案图像23以及相应的机器位置数据17记录到部件几何关系15的适当 参考框架。即，位置编码器103A的数据被添加到工件参考框架100(图3)的位置，表示工件托架100相对于工件支座104的位置。同样，位置编码器103B的数据被添加到框架101(图3)的位置，表示作业工具托架101相对于作业工具支座106的位置。最后，基准图案1B的基准图案图像23被添加到光探测器3框架(参见图3)。这确保初始部件几何关系15彼此一致，也就是说例如所有的坐标框架正确地再现该几何结构中的任何空间位置，并且还特别确保通过部件几何关系15的任何闭环进行的位置计算能够自我重复。当机器状态变化的同时，基准图案1B的第二基准图案图像24及对应的新的机器位置数据17以与上述相同的方式被发送到部件测位仪6的部件几何关系15中。 
现在阐明基准图案图像位移。部件测位仪6计算基准图案1B的第一基准图案图像23和第二基准图案图像24之间的x-y位移。在此示例中，假设基准图案1B是孔，平移计算是通过计算两个图像的孔心并计算中心平移进行的。为了确定孔心，采用已知的图像处理技术确定孔边缘的灰度级阈值并计算这些阈值位置的中心。 
接下来描述如何确定部件位移18及环计算。基准图案1B经由工件8通过工件夹具12、工件托架100、工件支座104、机器支撑连接件105、作业工具支座106、作业工具托架101、托座107及光学组件4机械互连到光探测器3。基准图案1B也通过光学路径5B光学互联到光探测器3。这产生我们所称的环(3-8-12-100-104-105-106-101-107-4-3)。部件测位仪6通过确保此环内所有的框架位置彼此一致来确定工件8的位移。通过从指定位置开始并计算通过图3的图表的某一闭环映射的位置，我们知道应该回到相同位置。即，本发明的部件测位仪6的一个关键目的是确保当给定闭环组成部分的所有位置通过整个环映射时，它们应该映射回到自身。如果工件8已经在第一基准图案图像23和第二基准图案图像24的记录时间之间发生平移，则环(3-8-12-100-104-105-106-101-107-4-3)的框架位置将不再彼此一致。然后，部件测位仪6应用部件位移约束条件16，该约束条件是只允许表示工件8的框架在水平面内平移(即，x和y方向)。除了由机器位置数据17考虑的托架103A和103B位移之外，所有其它框架被认为没有移动。 
因此，开发一种环计算的数学解法。确保一致性的数学问题是通过求解描述不同框架之间的变换的一组线性方程得到的。这可以通过借助齐次坐标描述3维平移和旋转的4×4阶矩阵实现。在本示例中，基准图案图像23和24之间的x-y平移是已知值，工件8的x-y平移、部件位移18是未知值。通过这种方法，部件测位仪6计算工件8的平移，从而计算工件8的新位置。 
示例3 
图2是通过举例方式说明一台机器的示意图，所述机器可表示任何一种机器，如铣床、钻床、刻模EDM(放电加工机床)、线切割EDM或类似机器。该示意图还通过示例方式总体地说明机器的一个例子，所述机器表示任何一种质量控制机器，这里作业工具9例如可以是CMM(坐标测量机)内的接触探头，或者是光视觉传感器或类似物。这些机器可以配备一系列不同的机械配置，但所有机器都可配备根据本发明的装置。这些机器的一些关键单元被表示为工件托架100(一般进行两次垂直平移x和y)、作业工具托架101(一般在z方向上进行一次平移，但有时也进行一次或几次额外旋转)、作业工具卡盘(102)、位置编码器103A，103B和支撑结构。在此例子中，所指的支撑结构包括工件支座104、机器支撑连接件105和作业工具支座106。该机器的目的是通过作业工具9对工件8进行机加工或质量控制。在此例子中，作业工具9被固定到作业工作卡盘102上。作业工具9可以是机加工工具、电火花腐蚀工具、机械传感器、位置探针传感器、光学成像传感器、显微镜或类似物。工件8要被机加工或被质量控制的区域称为工作区10。通过作业工具托架101和工件托架100相对于工件8移动作业工具9实现进行机加工或质量控制工艺必需的位移。在所述工艺中，这些托架的位置是在位置编码器103A，103B所处位置处读出的。为了相对于作业工具9定位工件8，并从而定位工作区10，需将工件8放置在工件夹具11上。一般，工件夹具11是牢固地固定到工件托架100上的。工件夹具11一般可以由工件夹具支座12、工件夹具钳13和工件定位器2A，2B，2C构成。将工件8放置在工件定位器2A，2B，2C上，并用工件夹具钳13将其夹紧，工件8就被牢固地固定到工件夹具11上。 
在此示例中，要解决的问题可以陈述如下。当不同机器部件的位置改变一未知量时，根据本公开的新发明可以提供帮助。然而，在一些高准确性应用中，由于诸如热漂移的原因，甚至光探测器3的位置也会变化。安装在靠近光探测器3但相对于作业工具托架101位置固定不变的基准图案1F可有助于补偿这种误差。在本示例中，假设光探测器3的位置在水平x和y方向上平移。 
因此，应当提供关于第一机器部件20、第二机器部件21、基准图案1、光探测器3、基准图案图像14和机器位置17的细节。通过记录基准图案的光学图像，可以减小位置误差，如图2中说明的，光探测器3记录基准图案1F的基准图案图像14，并将其发送到部件测位仪6。光探测器是一个2维阵列照相机。光探测器3经由光学组件4和托座107固定到作业工具托架101上。部件测位仪6可以具体化为计算机、个人计算机、专用处理器及类似物中的程序。基准图案图像14由已知方法转换/数字化，并可用于计算机位置计算。举例来说，图2中基准图案1F是有预定高对比度图案的玻璃板，图案是通过升华沉积(evaporate)到玻璃板表面上的。假设基准图案1F是透光的。通过光学路径5F，基准图案1F被光学成像到光探测器3。同样的基准图案1F也经由光学组件4和托座107机械互连到作业工具托架101。为了补偿光探测器3的位移，只需要记录基准图案1F的一个基准图案图像14。每次当第一基准图案图像23已经被记录后，部件测位仪6将该图像的位置和基准图案图像模型25(图2中未示出)进行比较。部件测位仪6的目的是推导光探测器3的位置平移。出于此目的，部件测位仪6将考虑部件几何关系15和部件位移约束条件16。 
因此，应当提供关于部件几何关系15和部件位移约束条件16的细节。部件几何关系15通过键盘输入到部件测位仪6。图3中的图表显示了用两个坐标框架(矩形框)之间的机械互连(完全绘制的线/实线)和光学互连(虚线)表示的部件几何关系15。图3的图表是图2的物理排列的一种表示，其中考虑适当选择的几个部件。坐标框架表示一个部件相对于另一个部件的位置(包括方位)。部件位移约束条件16也通过键盘输入到测位仪6中。部件位移约束条件16定义在确定新的部件位置时允 许的部件位移自由度(包括其最大量/幅度)。通过考虑部件位移约束条件16，部件测位仪6以最小的位置读出工作量确定各部件的位置位移。在本例中，假设光探测器3和光学组件4之间的相对位置由于这样或那样的原因在变化。在本示例中，假设记录基准图案1F的第一基准图案图像23的x-y位置(在水平面内)。然后根据我们的假设，一种简单的部件位移约束条件16就是光探测器3是唯一允许移动的部件，并且允许的唯一位移自由度是光探测器3的x平移和y平移。以此信息，部件测位仪6可以根据第一基准图案图像23相对于基准图案模型25的位置，确定光探测器3的位置。 
现在阐明部件测位仪的初始状态；组合14，15，16，17并确保环的一致性。作为计算部件位移18(即，光探测器3相对于光学组件4的新位置)的起始点，部位测位仪6确保部件几何关系的所有相关初始状态是彼此一致的。这是通过将基准图案1F的基准图案模型25放置到光探测器3框架(参见图3)内的参考位置完成的。这确保初始部件几何关系15在此初始基准图案模型25的参考位置方面彼此一致，即，例如所有坐标框架正确地再现该几何学结构内的任何空间位置，特别是确保通过部件几何关系15的任何闭环计算的位置能自我重复。当机器状态变化的同时，基准图案1F的第一基准图案图像23被发送到部件测位仪6的部件几何关系15中，即被发送到光探测器框架3中。 
现在阐明基准图案图像位移。部件测位仪6计算基准图案1F的基准图案模型25和第一基准图案图像23之间的x-y位移。在此示例中，假设基准图案1F是用许多位置细节(如同孔图案的矩阵(matrix of holepatterns))确定的图案，并假设位移计算是通过先计算基准图案图像模型25和基准图案图像23各自的质心，然后再计算质心位移进行的。为了确定图案质心，可用已知的图像处理技术确定每个矩阵孔(matrix hole)的孔边缘灰度级阈值位置，然后计算这些阈值位置的中心，最后确定这些孔心的质心。 
接下来描述如何确定部件位移18及环计算。基准图案1F经由光学组件4机械互连到光探测器3。基准图案1F经由光学路径5F也光学互连到光探测器3。这产生我们所称的环(3-4-3)。部件测位仪6通过确 保此环内的框架位置彼此一致来确定光探测器3的位移。通过从指定位置开始并计算通过图3的图表的某一闭环映射的位置，我们知道应该回到相同位置。即，本发明的部件测位仪6的一个关键目的是确保当给定闭环组成部分的所有位置通过整个环映射时，它们应该映射回到自身。如果光探测器已经移动，则环(3-4-3)的第一基准图案图像23不再与基准图案模型25的位置一致。然后，部件测位仪6应用部件位移约束条件16，该约束条件是只允许表示光探测器3的框架在水平面(即，x和y方向)内平移。 
因此，开发一种环计算的数学解法。确保一致性的数学问题是通过求解描述不同框架之间的变换的一组线性方程得到的。这可以通过借助所称的齐次坐标描述3维平移和旋转的4×4阶矩阵实现。在本示例中，基准图案图像23和基准图案图像模型25之间的x-y平移是已知值，光探测器3的x-y平移，部件位移18是未知值。通过这种方法，部件测位仪6计算光探测器3的平移，从而计算光探测器3的新位置。光探测器3的这个位移是可用来补偿如部件位移8(如在示例1和示例2中描述的)的误差。 
示例4 
图2是通过举例方式说明一台机器的示意图，所述机器可表示任何一种机器，如铣床、钻床、刻模EDM(放电加工机床)、线切割EDM或类似机器。该示意图还通过示例方式总体地说明机器的一个例子，所述机器表示任何一种质量控制机器，这里作业工具9可以是，例如CMM(坐标测量机)内的接触探头，或者是光视觉传感器或类似物。这些机器可以配备一系列不同的机械配置，但所有机器都可配备根据本发明的装置。这些机器的一些关键单元被表示为工件托架100(一般进行两次垂直平移x和y)、作业工具托架101(一般在z方向上进行一次平移，但有时也进行一次或几次额外旋转)、作业工具卡盘(102)、位置编码器103A，103B和支撑结构。在此例子中，所指的支撑结构包括工件支座104、机器支撑连接件105和作业工具支座106。该机器的目的是通过作业工具9对工件8进行机加工或质量控制。在此例子中，作业工具9被固定到作业工作卡盘102上。作业工具9可以是机加工工具、电火花腐蚀工具、机械传感器、 位置探针传感器、光学成像传感器、显微镜或类似物。工件8要被机加工或被质量控制的区域称为工作区10。通过作业工具托架101和工件托架100相对于工件8移动作业工具9实现进行机加工或质量控制工艺必需的位移。在所述工艺中，这些托架的位置是在位置编码器103A，103B所处位置处读出的。为了相对于作业工具9定位工件8，并从而定位工作区10，需将工件8放置在工件夹具11上。一般，工件夹具11是牢固地固定到工件托架100上的。工件夹具11一般可以由工件夹具支座12、工件夹具钳13和工件定位器2A，2B，2C构成。将工件8放置在工件定位器2A，2B，2C上，并用工件夹具钳13将其夹紧，工件8就被牢固地固定到工件夹具11上。 
在此示例中，要解决的问题可以陈述如下。不过，对于上文所描述的内容，一个关键问题是位置编码器103A和103B被安装在离工作区10及作来工具9的尖端的位置有一个距离，因此，例如由于一些未知角误差，位置编码器103A和103B可能不能读出作业工具9或工件区10的正确位置。结果，在进行机加工或质量控制作业中，热应力和机械应力都可能使机器支撑连接件105的位置有稍微变化或改动。在本示例中，我们假设机器支撑连接件105可能相对于工件夹具支座104移动。 
因此，应当提供关于第一机器部件20、第二机器部件21、基准图案1、光探测器3、基准图案图像14和机器位置17的细节。通过记录基准图案的光学图像，可以减小位置误差，如图2中说明的，光探测器3记录3个基准图案1E的基准图案图像14，并将它们发送到部件测位仪6。光探测器是一个2维阵列照相机。光探测器3经由光学组件4和托座107固定到作业工具托架101上。部件测位仪6可以具体化为计算机、个人计算机、专用处理器及类似物中的程序。基准图案图像14由已知方法转换/数字化，并可用于计算机位置计算。举例来说，图2中三个基准图案1E通常分布在三个不同机器部件(工件托架100、工件夹具支座12和工件夹具钳13)的给定表面结构上，或者可替代地，三个图案化的标记被施加到三个不同表面上。基准图案1E通过光学路径5E(图2中未示出，但类似于显示的光学路径5A的三个变换形式)被光学成像到光探测器3。相同的基准图案1E也通过工件支座104机械互连到机器的其它部件。为 了改善机器性能，记录基准图案1E中每一个的两个基准图案图像14。记录的基准图案1E中每一个的第一基准图案图像23表示三个参考状态。在机器已经使用一段时间之后，记录基准图案1E中每一个的第二基准图案图像24。在分别记录基准图案图像23和24的同时，部件测位仪6记录相应的机器位置数据17。机器位置数据17是机器位置编码器103A和103B的位置。部件测位仪6的目的是推导出重要机器部件的位置或位置位移。出于此目的，部件测位仪6将考虑部件几何关系15和部件位移约束条件16。 
因此，应当提供关于部件几何关系15和部件位移约束条件16的细节。部件几何关系15通过键盘输入到部件测位仪6。图3中的图表显示了用两个坐标框架(矩形框)之间的机械互连(完全绘制的线/实线)和光学互连(虚线)表示的部件几何关系15。图3的图表是图2的物理排列的一种表示，其中考虑了适当选择的几个部件。坐标框架表示一个部件相对于另一个部件的位置(包括方位)。部件位移约束条件16也通过键盘输入到测位仪6中。部件位移约束条件16定义在确定新的部件位置时允许的部件位移自由度(包括其最大量/幅度)。通过考虑部件位移约束条件16，部件测位仪6以最小的位置读出工作量确定各部件的位置位移。在本示例中，假设机器支撑连接件105与工件支座104之间的相对位置由于这样或那样的原因在变化。在本例中，假设记录基准图案1E的第一、第二基准图案图像23和24的x-y位置(在水平面内)。然后根据我们的假设，一种简单的部件位移约束条件16就是机器支撑连接件105是唯一允许移动的部件，并且允许的唯一位移自由度是机器支撑连接件105的y平移和绕该y轴的旋转。以此信息，部件测位仪6可仅在三个基准图案1E的一个第二图像24记录的基础上确定机器支撑连接件105的新位置。 
现在阐明部件测位仪初始状态；组合14，15，16，17以及确保环的一致性。作为计算部件位移18(即，机器支撑连接件105相对于工件支座104的新位置)的起始点，部位测位仪6确保部件几何关系的所有相关初始状态是彼此一致的。这是通过记录基准图案1E的第一基准图案图像23完成的。这些第一基准图案图像23和相应的机器位置数据17被记录到部件几何关系15的适当参考框架中。即，位置编码器103A的数 据被添加到工件参考框架100(图3)的位置，表示工件托架100相对于工件支座104的位置。同样，位置编码器103B的数据被添加到框架101(图3)的位置，表示作业工具托架101相对于作业工具支座106的位置。最后，基准图案1E的三个不同的第一基准图案图像23被添加到光探测器3框架(参见图3)中。这确保对三个不同的托架位置而言，初始部件几何关系15彼此一致，也就是说例如对这三个位置而言，所有的坐标框架正确地再现该几何结构中的任何空间位置，并且还特别确保通过部件几何关系15的任何闭环进行的位置计算能够自我重复。当机器状态变化时，基准图案1E的不同第二基准图案图像24及对应的机器新位置数据17以与上述相同的方式被发送到部件测位仪6的部件几何关系15中。 
现在阐明基准图案图像位移。对于三个不同的基准图案1E，部件测位仪6计算第一基准图案图像23和相应的第二基准图案图像24之间的x-y平移。在此示例中，假设平移计算是通过数学相关性方法进行的。即，部件测位仪6在x和y方向上相对于第二图像24逐步重复平移相应的第一图像23、计算相关性并确定相关性为最大值的平移。相关性是这样计算的：将相应的各图像像素位置的灰度级数相乘，然后通过图像重叠计算所述各乘积的和。 
接下来描述如何确定部件位移18及环计算。基准图案1E经由工件托架100机械互连到工件支座104、机器支撑连接件105、作业工具支座106、作业工具托架101、托座107及光学组件4。基准图案1E经由三个不同的光学路径5E(图2中未示出)也光学互连到光探测器3。因为在本示例中，工件夹具钳13、工件夹具支座12和工件托架100假设为不变化，所以我们称三个基准图案1E为工件托架100坐标框架。这产生我们称之为环(3-100-104-105-106-101-107-4-3)的三种形式。部件测位仪6通过确保此三个环内所有的框架位置分别彼此一致来确定机器支撑连接件105的位移。通过从指定位置开始并计算通过图3的图表的某一闭环映射的位置，我们知道应该回到相同位置。即，本发明的部件测位仪6的一个关键目的是确保当给定闭环组成部分的所有位置通过整个环映射时，它们应该映射回到自身。如果机器支撑连接件105已经在第一基准图案图像23和第二基准图案图像24的记录时间之间移动，则三个环 (3-100-104-105-106-101-107-4-3)中每一个的框架位置将不再彼此一致。然后，部件测位仪6应用部件位移约束条件16，该约束条件是只允许表示机器支撑连接件105的框架在水平面内(即，y方向)移动并绕相同的y轴旋转。除了由机器位置数据17考虑的托架103A和103B位移之外，所有其它框架被认为没有移动。 
因此，开发一种环计算的数学解法。在本示例中，三对基准图案图像23和24之间的x-y位移是已知位移，机器支撑连接件105的y平移移动和y-旋转、部件位移18是未知位移。通过这种方法，部件测位仪6计算机器支撑连接件105的位移，从而计算机器支撑连接件105的新位置。 
确保一致性的数学问题是通过下列步骤求解的：小量地迭代改变未知部件位移；检查第二基准图案图像24的位置是否接近相应的已找到的平移位置或是否远离该位置；然后在减小基准图案图像24位置偏移的方向上重复改变未知位移，直到该偏移被降低到最小值或低于一个小阈限值。最后一种方法的高级形式是众所周知的大多数透镜设计程序所用的迭代方法。这里在像平面中的光线位置偏移值集合，即价值函数(meritfunction)通过重复改变透镜表面曲率、距离等被迭代地减小，直到光线位置偏移值的集合被降低到最小值或降低到低于一个小阈限值。例如，参见Warren J.Smith写的书“Modern Lens Design”(出版商：McGraw-HillProfessional Engineering，Two Penn Plaza；New York；ISBN0-07-143830-0)。以此类推，我们在本示例中用光线位置偏移值识别图像偏移值，并创建一个价值函数，该价值函数是基准图案图像24偏移值的平方和。同样，我们还用透镜表面曲率、距离等识别未知机器支撑连接件105的y平移和y旋转。结果，我们找到机器支撑连接件105的新位置，该位置最符合所观察到的第二基准图案图像24相对于对应的基准图案23位置的平移。 
结果，我们用更新的机器支撑连接件105的新位置改进了部件几何关系15。特别是通过使用用图3所示的相应的框架关系表示的新的经修改的部件几何关系15，机器支撑连接件105的新位置被自动考虑以改进对工作区位置10的确定方法。机器支撑连接件105的新位置也被自 动考虑以改进互连到该环(3-100-104-105-106-101-107-4-3)的所有其它框架的位置确定方法。从图3我们注意到在本示例中，表示作业工具9的框架的位置确定方法得以改进，虽然作业工具9不是环(3-100-104-105-106-101-107-4-3)的组成部分。 
示例5 
图2是通过举例方式说明一台机器的示意图，所述机器可表示任何一种机器，如铣床、钻床、刻模EDM(放电加工机床)、线切割EDM或类似机器。该示意图还通过示例方式总体地说明机器的一个例子，所述机器表示任何一种质量控制机器，这里作业工具9可以例如是CMM(坐标测量机)内的接触探头，或者是光视觉传感器或类似物。这些机器可以配备一系列不同的机械配置，但所有机器都可配备根据本发明的装置。这些机器的一些关键单元被表示为工件托架100(一般进行两次垂直平移x和y)、作业工具托架101(一般在z方向上进行一次平移，但有时也进行一次或几次额外旋转)、作业工具卡盘(102)、位置编码器103A，103B和支撑结构。在此例子中，所指的支撑结构包括工件支座104、机器支撑连接件105和作业工具支座106。该机器的目的是通过作业工具9对工件8进行机加工或质量控制。在此例子中，作业工具9被固定到作业工作卡盘102上。作业工具9可以是机加工工具、电火花腐蚀工具、机械传感器、位置探针传感器、光学成像传感器、显微镜或类似物。工件8要被机加工或被质量控制的区域称为工作区10。通过作业工具托架101和工件托架100相对于工件8移动作业工具9实现进行机加工或质量控制工艺必需的位移。在所述工艺中，这些托架的位置是在位置编码器103A，103B所处位置处读出的。为了相对于作业工具9定位工件8，并从而定位工作区10，需将工件8放置在工件夹具11上。一般，工件夹具11是牢固地固定到工件托架100上的。工件夹具11一般可以由工件夹具支座12、工件夹具钳13和工件定位器2A，2B，2C构成。将工件8放置在工件定位器2A，2B，2C上，并用工件夹具钳13将其夹紧，工件8就被牢固地固定到工件夹具11上。 
在这个例子中，要解决的问题可以陈述如下。不过，对于上文所描述的内容，一个关键问题是位置编码器103A和103B被安装在离工 作区10及工作工具9的尖端的位置有一个距离，因此，例如由于一些未知角误差，位置编码器103A和103B可能不能读出作业工具9或工件区10的正确位置。结果，在进行机加工或质量控制作业中，夹紧工艺和热应力、机械应力可能使工件8的定位相对于作业工具9的位置定位有稍微变化或改动。在本示例中，我们假设一个组合位移，其中工件8相对于工件夹具支座12在垂直(x-y方向)于探测器3观察方向可能平移，且机器支撑连接件105可能绕y轴旋转并平行于y方向平移以局部地使探测器3平行(z方向)并垂直(y方向)于探测器3的观察方向移动。 
因此，应当提供关于第一机器部件20、第二机器部件21、基准图案1、光探测器3、基准图案图像14和机器位置17的细节。通过记录基准图案的光学图像，可以减小位置误差，如图2中说明的，光探测器3记录基准图案1A的基准图案图像14，并将其发送到部件测位仪6。光探测器是一个2维阵列照相机。光探测器3经由光学组件4和托座107固定到作业工具托架101上。部件测位仪6可以具体化为计算机、个人计算机、专用处理器及类似物中的程序。基准图案图像14由已知方法转换/数字化，并可用于计算机位置计算。举例来说，图2中基准图案1A是工件8的给定表面结构，或可以是施加到表面的图案化的标记。通过光学路径5A，基准图案1A被光学成像到光探测器3。同样的基准图案1A也经由工件8及定位器2A，2B，2C机械互连到机器的其它部件。为了改善机器性能，记录在光学组件4的第一光学结构中的基准图案1A的两个基准图案图像14，并记录在光学组件4的第二光学结构中的另外两个基准图案图像14。第一光学组件4的结构被设置成对垂直于光探测器3的观察方向的位移敏感。第二光学组件4的结构被设置成对平行于光探测器3的观察方向的位移敏感。一开始，记录第一光学组件4的结构中的第一基准图案图像23和第二光学组件4的结构中的第一基准图案图像23以表示两种参考状态。在机器已经使用一段时间之后，记录两个光学结构中的第二基准图案图像24。在分别记录基准图案图像23和24的同时，部件测位仪6记录相应的机器位置数据17。机器位置数据17是机器位置编码器103A和103B的位置。部件测位仪6的目的是推导出重要机器部件的位置或位置位移。出于此目的，部件测位仪6将考虑部件几何关系15和部件位移约束条件16。 
因此，应当提供关于部件几何关系15和部件位移约束条件16的细节。部件几何关系15从另一台计算机或处理器(例如机器的计算机数控(CNC)单元)输入到部件测位仪6。图3中的图表显示了用两个坐标框架(矩形框)之间的机械互连(完全绘制的线/实线)和光学互连(虚线)表示的部件几何关系15。图3的图表是图2的物理排列的一种表示，其中考虑了适当选择的几个部件。坐标框架表示一个部件相对于另一个部件的位置(包括方位)。部件位移约束条件16也从另一台计算机或处理器(例如机器的计算机数控(CNC)单元)输入到测位仪6中。部件位移约束条件16定义在确定部件新位置时允许的部件位移自由度(包括其最大量/幅度)。通过考虑部件位移约束条件16，部件测位仪6以最小的位置读出工作量确定各部件的位置位移。在本示例中，假设工件夹具12与工件8之间、机器支撑连接件105和工件支座104之间的相对位置由于这样或那样的原因在变化。在本例中，假设基准图案1A的第一、第二基准图案图像23和24被记录在第一、第二光学组件4的结构中。然后根据我们的假设，部件位移约束条件16就是工件8和机器支撑连接件105是允许移动的部件，并且允许的唯一位移自由度是垂直于光探测器3的观察方向的工件8的x平移和y平移及机器支撑连接件105的y旋转和y平移。为了使该示例更加实际，还假设先前我们已经通过仿真或测量发现机器支撑连接件105的y旋转和y平移之间存在(coupling proportionality)。该耦合比例也包括在部件位移约束条件16中。以此信息，部件测位仪6可确定工件8和机器支撑连接件105的新位置。 
现在阐明部件测位仪初始状态；组合14，15，16，17以及确保环的一致性。作为计算部件位移18(即，工件8相对于工件夹具支座12的新位置、机器支撑连接件105相对于工件支座104的新位置)的起始点，部位测位仪6确保部件几何关系的所有相关初始状态是彼此一致的。这是通过对两个不同的光学组件4的结构记录基准图案1A的两个不同的第一基准图案图像23实现的，其中第一基准图案图像23的第一个是通过均匀照射的基准图案1A的第一光学组件4的结构产生的，第一基准图案图像23的另一个光学组件4的结构是通过用与观察方向成一角度的结构光照射基准图案1A产生的。后一种结构产生了平行于观察方向的光探测器3 的位置敏感度。这些第一基准图案图像23及相应的机器位置数据17被发送到部件几何关系15的适当参考框架中。即，位置编码器103A的数据被添加到工件参考框架100(图3)的位置，表示工件托架100相对于工件支座104的位置。同样，位置编码器103B的数据被添加到框架101(图3)的位置，表示作业工具托架101相对于作业工具支座106的位置。最后，基准图案1A的两个不同的第一基准图案图像23被添加到光探测器3框架(参见图3)。这确保对两个不同的光学结构而言，初始部件几何关系15彼此一致，也就是说例如所有的坐标框架正确地再现该几何结构中的任何空间位置，并且还特别确保通过部件几何关系15的任何闭环进行的位置计算能够自我重复。当机器状态变化时，基准图案1A的不同的第二基准图案图像24(对应于两个不同的光学组件4结构)及对应的新的机器位置数据17以与上述相同的方式被发送到部件测位仪6的部件几何关系15中。 
现在阐明基准图案图像位移。对于两个不同的光学结构，部件测位仪6计算基准图案1A的对应的第一基准图案图像23和第二基准图案图像24之间的x-y平移。在此示例中，假设位移计算是通过数学相关性方法进行的。即，部件测位仪6在x和y方向上相对于第二图像24逐步重复平移相应的第一图像23、计算相关性并确定相关性为最大值的平移。相关性是这样计算的：将相应的各图像像素位置的灰度级数相乘，然后通过图像重叠计算所述各乘积的和。对于以第二光学组件4结构记录的图像，从基准图案1A反射的结构光照射分布的x-y平移被观测为第一基准图案图像23和第二基准图案图像24之间的图像平移。通过已知的光学三角测量技术，该x-y平移是通过从图像平面内(x-y-)平移转换到沿观察方向(z-)平移计算的。 
接下来描述如何确定部件位移18及环计算。工件8的基准图案1A经由工件夹具支座12机械互连到工件托架100、工件支座104、机器支撑连接件105、作业工具支座106、作业工具托架101、托座107及光学组件4。基准图案1A经由光学路径5A也光学互连到光探测器3。这产生我们所称的环(3-8-12-100-104-105-106-101-107-4-3)。部件测位仪6通过确保此环内所有的框架位置彼此一致来确定工件8的位移和机器支撑 连接件105的位移。通过从指定位置开始并计算通过图3的图表的某一闭环映射的位置，我们知道应该回到相同位置。即，本发明的部件测位仪6的一个关键目的是确保当给定闭环组成部分的所有位置通过整个环映射时，它们应该映射回到自身。如果机器支撑连接件105已经在第一基准图案图像23和第二基准图案图像24的记录时间之间移动，则环(3-8-12-100-104-105-106-101-107-4-3)的框架位置将不再彼此一致。然后，部件测位仪6应用部件位移约束条件16，该约束条件是只允许表示工件8的框架在水平面内x和y方向上平移，表示机器支撑连接件105的框架只允许在水平面内(即y方向上)平移并绕相同的y轴旋转。除了由机器位置数据17考虑的托架103A和103B位移之外，所有其它框架被认为没有移动。 
因此，开发一种环计算的数学解法。在本示例中，在第一光学组件4结构中记录的基准图案图像23和24之间的x-y位移和在第二光学组件4结构中记录的z位移是已知位移。工件8的x和y平移以及机器支撑连接件105结合的y平移和y旋转是未知的部件位移8。 
确保一致性的数学问题是通过下列步骤实现的：以小量迭代地改变未知部件位移；检查第二基准图案图像24的位置是否接近相应的已找到的位移位置或是否远离该位置；然后在减小基准图案图像24位置偏移的方向上重复改变未知位移，直到该偏移被降低到最小值或低于一个小阈限值。最后一种方法的高级形式是众所周知的大多数透镜设计程序所用的迭代方法。这里在像平面中的光线位置偏移值的集合，即价值函数通过重复改变透镜表面曲率、距离等被迭代地减小，直到光线位置偏移值的集合被降低到最小值或降低到低于一个小阈限值。例如，参见WarrenJ.Smith写的书“Modern Lens Design”(出版商：McGraw-Hill ProfessionalEngineering，Two Penn Plaza；New York；ISBN 0-07-143830-0)。以此类推，我们在本示例中用光线位置偏移值识别图像x-y和z偏移值，并创建一个价值函数，该价值函数是基准图案图像24偏移值的平方和。同样，我们还用透镜表面曲率、距离等识别未知工件8的x-y平移和机器支撑连接件105的y平移和y旋转。结果，我们找到工件8、机器支撑连接件105的新位置，这两个位置最符合相对于对应的基准图案23的位置观察的第 二基准图案图像24的位移。 
示例6 
图4是通过举例方式说明一台机器的示意图，所述机器可表示任何一种机器，如铣床、钻床、刻模EDM(放电加工机床)、线切割EDM或类似机器。这些机器可配备以一系列不同的机械配置，但所有机器都可配备根据本发明的装置。这些机器的一些关键单元被为工件托架100(一般进行两次垂直平移x和y)、作业工具托架101(一般在z方向上进行一次平移，但有时也进行一次或几次额外旋转)、作业工具卡盘(102)、位置编码器103A，103B和支撑结构。在此例子中，所指的支撑结构包括工件支座104、机器支撑连接件105和作业工具支座106。该机器的目的是通过作业工具9对工件8进行机加工或质量控制。在此例子中，作业工具9被固定到作业工作卡盘102上。作业工具9是加工工具。工件8要被加工的区域称为工作区10。通过作业工具托架101和工件托架100相对于工件8移动作业工具9实现进行机加工必需的位移。在加工过程中，这些托架的位置是在位置编码器103A，103B所处位置处读出的。为了相对于作业工具9定位工件8，并从而定位工作区10，需将工件8放置在工件夹具11上。一般，工件夹具11是牢固地固定到工件托架100上的。工件夹具11一般可以由工件夹具支座12、工件夹具钳13和工件定位器2A，2B，2C构成。将工件8放置在工件定位器2A，2B，2C上，并用工件夹具钳13将其夹紧，工件8就被牢固地固定到工件夹具11上。 
在这个例子中，要解决的问题可以陈述如下。本示例说明了如何借助测量工具19将作业工具9的尖端位置引导到光探测器3的位置，从而确定作业工具9尖端的确切位置。这里，测量工具19可永久地存在于机器内部，但在工作区以外，或者出于工具9位置控制的目的，测量工具19可以暂时地被放置在机器中。一个关键问题是制造作业工具9的尖端时存在公差差异，并且在加工过程中尖端会磨损。这会导致机加工误差。在本示例中，我们假设测量工具19是安装放置的，从而允许测量工具19能在+/-x方向和+/-y方向上稍微平移，这是通过例如在这些方向上用弹簧加载而实现的。使用机器平移自由度(例如，x，y和z)，作业工具9(如铣床或钻床)可以被平移以使工具的尖端接触测量工具19内部的垂直面。 如果使测量工具19稍微朝弹簧移动，则在尖端接触点和基准图案1A之间产生一给定的距离。当测量工具19不受弹簧加载时，它将靠在一定义好的位置挡块上。 
因此，应当提供关于第一机器部件20、第二机器部件21、基准图案1、光探测器3、基准图案图像14和机器位置17的细节。通过记录基准图案的光学图像，可以减小作业工具9尖端的位置误差，如图4中说明的，光探测器3记录基准图案1A的基准图案图像14，并将其发送到部件测位仪6。光探测器是一个1维阵列照相机。光探测器3经由光学组件4和托座107固定到作业工具托架101上。部件测位仪6是电学硬连线的以执行部件测位仪6的操作。基准图案图像14由已知方法转换/数字化，并可用于部件测位仪6操作。举例来说，图2中基准图案1A是测量工具19的给定表面结构，或可以是施加到其表面的扩展的图案化标记。基准图案1A通过光学路径5A被光学成像到光探测器3。同样的基准图案1A也经由测量工具19机械互连到机器的其它部件。为了改善机器性能，记录基准图案1A的两个基准图案图像14。当作业工具9的尖端靠近但不接触测量工具19的表面时，记录第一基准图案图像23，表示参考状态。在工件托架100平移之后，为使作业工具尖端稍微平移测量工具19，记录第二基准图案图像24。在分别记录基准图案图像23和24的同时，部件测位仪6记录相应的机器位置数据17。机器位置数据17是机器位置编码器103A和103B的位置。部件测位仪6的目的是推导出作业工具9的尖端的位置或位置位移。出于此目的，部件测位仪6将考虑部件几何关系15和部件位移约束条件16。 
因此，应当提供关于部件几何关系15和部件位移约束条件16的细节。部件几何关系15先前已经硬连线到部件测位仪6电子设备上。图5中的图表显示了用两个坐标框架(矩形框)之间的机械互连(完全绘制的线/实线)和光学互连(虚线)表示的部件几何关系15。图5的图表是图4的物理排列的一种表示，其中考虑了适当选择的几个部件。坐标框架表示一个部件相对于另一个部件的位置(包括方位)。部件位移约束条件16先前也已经硬连线到部件测位仪6电子设备上。部件位移约束条件16定义在确定新的部件位置时允许的部件位移自由度(包括其最大量/幅 度)。通过考虑部件位移约束条件16，部件测位仪6以最小的位置读出工作量确定各部件的位置位移。在本示例中，假设测量工具19与作业工具9的尖端之间的相对位置被有意改变。在本示例中，假设记录基准图案1A的第一、第二基准图案图像23和24的x位置(在水平面和纸平面的方向上)。然后根据我们的假设，一种简单的部件位移约束条件16就是测量工具19是唯一允许移动的部件，并且允许的唯一位移自由度是测量工具19的x平移。以此信息，部件测位仪6可只在基准图案1A的一个第二记录的基础上确定测量工具19的新位置。通过使用校准的距离(将在下文描述)，作业工具9的尖端位置可被推断出。 
现在阐明部件测位仪初始状态；组合14，15，16，17以及确保环的一致性。作为计算部件位移18(即，测量工具19相对于工件托架100的新位置)的起始点，部位测位仪6确保部件几何关系的所有相关初始状态是彼此一致的。这是通过以下步骤完成的：将基准图案1A的第一基准图案图像23以及相应的机器位置数据17记录到部件测位仪6的存储位置的部件几何关系15的适当参考框架。此外，基准图案1A到测量工具19表面的确切距离(在此处作业工具尖端接触测量工具19)被独立地校准并被记录到相应的框架。该校准距离是由校准机器记录的。实践中，一系列第一基准图案图像23和到相应的基准图案1A的相应校准距离之前就被记录到部件测位仪6的硬连线形式的存储位置。此外，位置编码器103A的数据被添加到工件参考框架100(图3)的位置，表示工件托架100相对于工件支座104的位置。同样，位置编码器103B的数据被添加到框架101(图3)的位置，表示作业工具托架101相对于作业工具支座106的位置。最后，基准图案1A的基准图案图像23被添加到光探测器3框架(参见图3)。这确保初始部件几何关系15彼此一致，也就是说例如所有的坐标框架正确地再现该几何结构中的任何空间位置，并且还特别确保通过部件几何关系15的任何闭环进行的位置计算能够自我重复。当机器状态变化时，基准图案1A的第二基准图案图像24及对应的新的机器位置数据17以与上述相同的方式被发送到部件测位仪6的部件几何关系15中。 
现在阐明基准图案图像位移。部件测位仪6计算基准图案1A 的第一基准图案图像23和第二基准图案图像24之间的x位移。在此示例中，假设位移计算是硬连线的以实施数学相关性方法。即，部件测位仪6是硬连线的，以在x方向上相对于一个图像逐步重复平移另一个图像、计算相关性并确定相关性为最大值的平移。相关性是这样计算的：将相应的各图像像素位置的灰度级数相乘，然后通过图像重叠计算所述各乘积的和。 
接下来描述如何确定部件位移18及环计算。当第一基准图案图像23被记录时，基准图案1A经由测量工具19通过工件托架100(由弹簧挡块位置限定)、工件支座104、机器支撑连接件105、作业工具支座106、作业工具托架101、托座107及光学组件4机械互连到光探测器3。基准图案1A通过光学路径5A也光学互连到光探测器3。这产生我们所称的环(3-19-100-104-105-106-101-107-4-3)。当第二基准图案图像24被记录时，部件测位仪6通过确保新环(3-19-9-102-101-107-4-3)内所有的框架位置彼此一致来确定测量工具19的位移。即通过作业工具9使测量工具19的平移产生新环。通过从指定位置开始并计算通过图3的图表的某一闭环映射的位置，我们知道应该回到相同位置。即，本发明的部件测位仪6的一个关键目的是确保当给定闭环组成部分的所有位置通过整个环映射时，它们应该映射回到自身。如果测量工具19已经在第一基准图案图像23和第二基准图案图像24的记录时间之间移动，则环(3-19-9-102-101-107-4-3)的框架位置将不再彼此一致。然后，部件测位仪6应用部件位移约束条件16，该约束条件是只允许表示工件8的框架在水平面内(即，在x方向上)移动。除了由机器位置数据17考虑的托架103A和103B位移之外，所有其它框架被认为没有移动。 
因此，开发一种环计算的数学解法。确保一致性的数学问题是通过求解描述不同框架之间的变换的一组线性方程得到的。这可以通过借助所称的齐次坐标描述3维平移和旋转的4×4阶矩阵实现。在本示例中，基准图案图像23和24之间的x平移是已知值，作业工具9尖端位置的x偏移、部件位移18是未知值。通过这种方法，部件测位仪6计算作业工具9的尖端偏移，从而计算作业工具9尖端的新位置。 

Claims (83)

1.一种用于确定机器的各个部件之间的位置关系的装置，所述装置包括：
光探测器(3)，其适于被固定到第一机器部件(20)，所述光探测器(3)适于产生第二机器部件(21)的一个基准图案(1)的第一基准图案图像(23)和第二基准图案图像(24)，或者其适于产生第二机器部件(21)的多个基准图案(1)的第一基准图案图像(23)和第二基准图案图像(24)；
部件测位仪(6)，其具有适于连接到所述光探测器(3)以从所述光探测器(3)接收所述第一和第二基准图案图像(23；24)的第一输入端，所述部件测位仪(6)具有适于接收部件几何关系(15)的第二输入端，所述部件几何关系(15)描述所述第一机器部件(20)、所述第二机器部件(21)、所述基准图案(1)和第三机器部件(22)之间的位置关系，以及所述第一、第二和第三机器部件和所述光探测器(3)之间的位置关系，
所述部件测位仪(6)具有适于接收部件位移约束条件(16)的第三输入端，所述部件位移约束条件(16)描述所述第一、第二和第三机器部件和所述光探测器(3)中至少一个的允许位移自由度，
所述部件测位仪(6)适于确定第一基准图案图像(23)和第二基准图案图像(24)之间，或第一基准图案图像(23)和基准图案图像模型(25)之间的基准图案图像位移，并且
所述部件测位仪(6)适于根据所述部件位移约束条件修改所述部件几何关系(15)中的至少一个关系以确定产生对应于已确定的基准图案图像位移的所述基准图案图像位移的机器部件位移(18)。
2.根据权利要求1的装置，其中所述部件位移(18)是所述第一、第二或第三机器部件中一个的位移，或者是所述光探测器(3)的位移。
3.根据权利要求1的装置，其中所述光探测器(3)适于被固定到作业工具托架上。
4.根据权利要求1的装置，其中所述光探测器(3)适于被固定到工件托架上。
5.根据权利要求1的装置，其中所述光探测器(3)与成像光学结合 从光学上解析所述第二机器部件(21)表面机加工的或铸造的精细结构。
6.根据权利要求1的装置，其中所述基准图案(1)和所述光探测器(3)之间的光学路径被限制在光学组件内。
7.根据权利要求1的装置，其中所述基准图案(1)和所述光探测器(3)之间的光学路径被限制在光学组件内，并且所述基准图案(1)和所述光探测器之间的另一个光学路径部分在光学组件外，部分在光学组件内。
8.根据权利要求1的装置，其中包含所述光探测器(3)的光学组件在所述基准图案(1)侧是远心的。
9.根据权利要求1的装置，其中所述基准图案(1)用与观察方向成一角度的结构光照射，以产生所述观察方向上的三角测量敏感度。
10.根据权利要求1的装置，适于由基准图案(1)清洁设备支撑，该清洁设备通过鼓风或吹入清洁介质之后再鼓风来清洁所述基准图案。
11.根据权利要求1的装置，包括多个所述光探测器(3)，以产生基准图案(1)的第一基准图案图像(23)和第二基准图案图像(24)的不同三角测量对。
12.根据权利要求1的装置，其中所述光探测器(3)适于从一个位置移动到另一个位置以产生所述基准图案(1)的所述第一基准图案图像(23)和所述第二基准图案图像(24)的不同三角测量对。
13.根据权利要求1的装置，其中所述部件测位仪(6)是计算机、电子处理器、嵌入式处理器或硬连线电子设备。
14.根据权利要求1的装置，其中所述部件测位仪(6)的所述第一、第二和第三输入端分布在不同的计算机、电子处理器、嵌入式处理器或硬连线电子设备上，并且其中所述计算机、电子处理器、嵌入式处理器或硬连线电子设备适于交换数据以确定所述部件位移(18)。
15.根据权利要求1的装置，其中所述第二基准图案图像(24)相对于所述第一基准图案图像(23)的位移是通过计算关联度为最大的位移得到的。
16.根据权利要求1的装置，其中所述第二基准图案图像(24)相对于所述第一基准图案图像(23)的位移是通过计算两个图像中的几何形心 的位置并从该形心位移推出所述图像位移得到的。
17.根据权利要求1的装置，其中所述部件测位仪(6)适于通过以下步骤辨认机器部件：a)记录假定是相同部件的所述基准图案(1)的所述第二基准图案图像(24)，b)计算与该部件的所述第一基准图案图像(23)的最大关联度，然后c)将超过某一阈值的关联度认为是辨认出机器部件。
18.根据权利要求1的装置，其中所述部件测位仪(6)适于通过下述步骤在一组几个其它部件中辨认机器部件：a)记录该部件的所述基准图案(1)的所述第二基准图案图像(24)，b)计算此第二基准图案图像(24)和所述其它部件中的每个第一基准图案图像(23)之间的各个最大关联度，然后c)将得到所述最大关联度的那个部件认为是被辨认出的那个部件。
19.根据权利要求1的装置，其中所述基准图案(1)是机器支撑结构、工件、作业工具、测量工具、工件夹具、光探测器或光学组件中至少一个的加工表面。
20.根据权利要求1的装置，其中所述基准图案(1)是通过适于携带高对比度图案的标签或标记设备提供的，所述标签或标记设备被固定到机器支撑结构、工件、作业工具、测量工具、工件夹具、光探测器或光学组件上。
21.根据权利要求1的装置，其中所述基准图案(1)由在一个表面上规则或不规则分布的一系列基准图案表示。
22.根据权利要求1的装置，其中所述基准图案(1)由通过所述机器作业工具产生的基准图案表示。
23.根据权利要求1或22的装置，其中以所述基准图案(1)的中心表示所述作业工具的主轴中心。
24.根据权利要求1的装置，其中所述部件测位仪(6)具有适于接收机器位置数据(17)的第四输入端。
25.根据权利要求24的装置，其中所述部件测位仪(6)适于从机器的计算机数控(CNC)单元接收所述机器位置数据(17)。
26.根据权利要求24的装置，其中所述部件测位仪(6)适于通过将 所述机器位置数据(17)输入到所述机器的计算机数控单元来控制所述机器位置。
27.根据权利要求24的装置，其中所述部件测位仪(6)具有从键盘或小键盘单元接收所述机器位置数据(17)的输入端。
28.根据权利要求1的装置，其中所述光探测器(3)被固定到所述机器的工具夹具、工件夹具上或者支撑结构上。
29.根据权利要求1的装置，其中所述部件几何关系(15)是通过键盘或小键盘输入的。
30.根据权利要求13的装置，其中所述部件几何关系(15)被预编程到所述计算机、电子处理器、嵌入式处理器或硬连线电子设备中。
31.根据权利要求1的装置，其中所述部件几何关系(15)是从外部计算机或处理器输入。
32.根据权利要求31的装置，其中所述部件几何关系(15)是从所述机器的计算机或处理器输入的。
33.根据权利要求1的装置，其中所述部件几何关系(15)被硬连线到该部件测位仪(6)的电子设备。
34.根据权利要求1的装置，其中所述部件位移约束条件(16)是通过键盘或小键盘输入的。
35.根据权利要求13的装置，其中所述部件位移约束条件(16)被预编程到所述计算机、电子处理器、嵌入式处理器或硬连线电子设备中。
36.根据权利要求1的装置，其中所述部件位移约束条件(16)是从外部计算机或处理器输入。
37.根据权利要求36的装置，其中所述部件位移约束条件(16)是从所述机器的计算机或处理器输入的。
38.根据权利要求1的装置，其中所述部件位移约束条件(16)被硬连线到该部件测位仪(6)的电子设备。
39.根据权利要求1的装置，其中所述几何关系(15)包含预先校准的机器部件及基准图案(1)的位置。
40.根据权利要求1的装置，其中所述部件测位仪(6)接收由一个第二光探测器记录的第一基准图案图像(23)。 
41.根据权利要求1的装置，其中所述部件测位仪(6)将来自几个基准图案(1)的所述第一基准图案图像(23)和第二基准图案图像(24)之间的位移合并到总位移偏移价值函数中以迭代地确定将该价值函数降低到最小值的所述部件位移(18)的集合。
42.一种用于确定机器的各个部件之间的位置关系的方法，所述方法包括：
使用光探测器(3)产生第二机器部件(21)的基准图案(1)的第一基准图案图像(23)和第二基准图案图像(24)，或者产生第二机器部件(21)的多个基准图案(1)的第一基准图案图像(23)和第二基准图案图像(24)，
从所述光探测器(3)接收所述第一和第二基准图案图像(23，24)到部件测位仪(6)中，
接收部件几何关系(15)到所述部件测位仪(6)中，所述部件几何关系(15)描述所述第一机器部件(20)、所述第二机器部件(21)、所述基准图案(1)和第三机器部件(22)之间的位置关系，以及所述第一、第二和第三机器部件和所述光探测器(3)之间的位置关系，
接收部件位移约束条件(16)到所述部件测位仪(6)中，所述部件位移约束条件(16)描述所述第一、第二和第三机器部件和所述光探测器(3)中至少一个的允许位移自由度，
使用所述部件测位仪(6)确定第一基准图案图像(23)和第二基准图案图像(24)之间或第一基准图案图像(23)和基准图案图像模型(25)之间的基准图案图像位移，以及
使用所述部件测位仪(6)根据所述部件位移约束条件修改所述部件几何关系(15)中的至少一个关系以确定产生对应于已确定的基准图案图像位移的基准图案图像位移的新的机器部件位移(18)。
43.根据权利要求42的方法，其中所述部件位移(18)是所述第一、第二或第三机器部件中的一个的位移，或者是所述光探测器(3)的位移。
44.根据权利要求42的方法，进一步包括使所述光探测器(3)适于被固定到作业工具架上。
45.根据权利要求42的方法，进一步包括使所述光探测器(3)适于 被固定到工件托架上。
46.根据权利要求42的方法，进一步包括为所述光探测器(3)提供成像光学，其适于从光学上解析所述第二机器部件(21)表面机加工的或铸造的精细结构。
47.根据权利要求42的方法，其中所述基准图案(1)和所述光探测器(3)之间的光学路径被限制在光学组件内。
48.根据权利要求42的方法，其中所述基准图案(1)和所述光探测器(3)之间的光学路径被限制在光学组件内，并且所述基准图案(1)和所述光探测器(3)之间的另一个光学路径部分在光学组件外，部分在光学组件内。
49.根据权利要求42的方法，其中包含所述光探测器(3)的光学组件在所述基准图案(1)侧是远心的。
50.根据权利要求42的方法，进一步包括用与观察方向成一角度的结构光照射所述基准图案(1)以产生所述观察方向上的三角测量敏感度。
51.根据权利要求42的方法，进一步包括使用基准图案(1)清洁设备通过鼓风或吹入清洁介质之后再鼓风来清洁所述基准图案(1)。
52.根据权利要求42的方法，进一步包括提供多个所述光探测器(3)，并使用所述多个光探测器(3)来产生基准图案(1)的所述第一基准图案图像(23)和第二基准图案图像(24)的不同三角测量对。
53.根据权利要求42的方法，进一步包括将所述光探测器(3)从一个位置移动到另一个位置，并产生所述基准图案(1)的所述第一基准图案图像(23)和所述第二基准图案图像(24)的不同三角测量对。
54.根据权利要求42的方法，其中所述部件测位仪(6)包括计算机、电子处理器、嵌入式处理器或硬连线电子设备。
55.根据权利要求42的方法，其中所述部件测位仪(6)包括用于从所述光探测器(3)接收所述第一和第二基准图案图像(23，24)的第一输入端、用于接收所述部件几何关系(15)的第二输入端和用于接收所述部件位移约束条件(16)的第三输入端，所述第一、第二和第三输入端分布在不同的计算机、电子处理器、嵌入式处理器或硬连线电子设备上，并且其中在确定所述部件位移(18)时，所述计算机、电子处理器、嵌入式 处理器或硬连线电子设备适于交换数据。
56.根据权利要求42的方法，进一步包括通过计算关联度为最大的位移，确定所述第二基准图案图像(24)相对于所述第一基准图案图像(23)的所述位移。
57.根据权利要求42的方法，进一步包括通过计算两个图像中的几何形心的位置并从所述形心位移中推出所述图像位移，确定所述第二基准图案图像(24)相对于所述第一基准图案图像(23)的位移。
58.根据权利要求42的方法，进一步包括使用所述部件测位仪(6)通过以下步骤来辨认机器部件：记录假定是相同部件的所述基准图案(1)的所述第二基准图案图像(24)，并计算与该部件的所述第一基准图案图像(23)的最大关联度，然后将超过某一阈值的关联度认为是辨认出机器部件。
59.根据权利要求42的方法，进一步包括使用所述部件测位仪(6)通过下述步骤在一组几个其它部件中辨认机器部件：a)记录该部件的所述基准图案(1)的所述第二基准图案图像(24)，b)计算此第二基准图案图像(24)和所述其它部件中的每个第一基准图案图像(23)之间的各个最大关联度，然后c)将得到所述最大关联度的那个部件认为是被辨认的那个部件。
60.根据权利要求42的方法，其中所述基准图案(1)是机器支撑结构、工件、作业工具、测量工具、工件夹具、光探测器或光学组件中至少一个的加工表面。
61.根据权利要求42的方法，进一步包括用适于携带高对比度图案的标签或标记设备提供所述基准图案(1)，所述标签或标记设备被固定到机器支撑结构、工件、作业工具、测量工具、工件夹具、光探测器或光学组件上。
62.根据权利要求42的方法，其中所述基准图案(1)由在一个表面上规则或不规则分布的一系列基准图案表示。
63.根据权利要求42的方法，其中所述基准图案(1)由通过所述机器作业工具产生的基准图案表示。
64.根据权利要求42或63的方法，进一步包括以所述基准图案(1) 的中心表示所述作业工具的主轴中心。
65.根据权利要求42的方法，进一步包括通过第四输入端接收机器位置数据(17)到所述部件测位仪(6)中。
66.根据权利要求42的方法，进一步包括从机器的计算机数控(CNC)单元接收机器位置数据(17)到所述部件测位仪(6)中。
67.根据权利要求65的方法，其中所述部件测位仪(6)适于通过将所述机器位置数据(17)输入到一个机器的计算机数控单元来控制所述机器位置。
68.根据权利要求65的方法，其中所述部件测位仪(6)具有从键盘或小键盘单元接收所述机器位置数据(17)的输入端。
69.根据权利要求42的方法，进一步包括将所述光探测器(3)固定到所述机器的工具夹具、工件夹具或者支撑结构上。
70.根据权利要求42的方法，进一步包括通过键盘或小键盘输入所述部件几何关系(15)。
71.根据权利要求54的方法，进一步包括将所述部件几何关系(15)预编程到所述计算机、电子处理器、嵌入式处理器或硬连线电子设备中。
72.根据权利要求42的方法，进一步包括从外部计算机或处理器输入所述部件几何关系(15)。
73.根据权利要求72的方法，进一步包括从所述机器的计算机或处理器输入所述部件几何关系(15)。
74.根据权利要求42的方法，其中所述部件几何关系(15)被硬连线到该部件测位仪(6)的电子设备。
75.根据权利要求42的方法，进一步包括通过键盘或小键盘输入所述部件位移约束条件(16)。
76.根据权利要求54的方法，进一步包括将所述部件位移约束条件(16)预编程到所述计算机、电子处理器、嵌入式处理器或硬连线电子设备中。
77.根据权利要求42的方法，进一步包括从外部计算机或处理器输入所述部件位移约束条件(16)。
78.根据权利要求77的方法，进一步包括从所述机器的计算机或处 理器输入所述部件位移约束条件(16)。
79.根据权利要求42的方法，进一步包括将所述部件位移约束条件(16)硬连线到该部件测位仪(6)的电子设备中。
80.根据权利要求42的方法，进一步包括使所述部件几何关系(15)包含预先校准的机器部件及所述基准图案(1)的位置。
81.根据权利要求42的方法，进一步包括接收由一个第二光探测器记录的第一基准图案图像(23)到所述部件测位仪(6)中。
82.根据权利要求42的方法，进一步包括使用所述部件测位仪(6)将来自几个基准图案(1)的所述第一基准图案图像(23)和所述第二基准图案图像(24)之间的位移合并到总位移偏移价值函数中以迭代地确定将该价值函数降低到最小值的所述部件位移(18)的集合。
83.根据权利要求42-82中的任何一项权利要求所述的方法，其由计算机可读介质上的计算机可读和计算机可执行代码所执行。
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