JP4854267B2 - 第一の物体の第二の物体に対する空間的な位置の測定装置及び方法 - Google Patents

Description

この発明は、請求項１にもとづく第一の物体の第二の物体に対する空間的な位置を測定するための方法及びこの方法を実施するための請求項１０にもとづく装置に関する。

特許文献１により、協力して動作する、互いに相対的に移動可能な機械ユニットの位置と向きの両方又は一方を測定するための方法及び装置が周知であり、その際各機械ユニットにおいて、間隔、空間角、向きの値の中の少なくとも二つ又はそれらに対応する変化値の中の一つを測定するセンサーを用いて、同時に連続的に、或いは短く規則的な間隔で、機械ユニットの駆動軸とは独立して、かつセンサー又は機械ユニットを特別な測定位置に置くことなく、機械ユニット相互間の、又は機械ユニットの共通の基準系に対する、又は機械ユニットの異なる基準系に対する空間的な位置と向きの両方又は一方を測定するものである。
欧州特許明細書第１０３４４６２Ｂ１号 ドイツ特許明細書第２９３８３１８Ａ１号 国際特許明細書第ＷＯ０３／０３６２２６Ａ１号 国際特許明細書第ＷＯ０１／３８８２８Ａ１号 国際特許明細書第ＷＯ９１／０３１４５Ａ１号

以上のことを出発点として、この発明の課題は、二つの互いに動く物体の空間的な位置の測定を改善することである。

この課題は、この発明にもとづき、請求項１の特徴を持つ方法と請求項１０の特徴を持つ装置によって解決される。

この発明にもとづく方法では、（両方の物体が互いに動くことによって変化可能な）第一の物体の第二の物体に対する位置を、インクリメンタル測定装置を用いて測定し、これらの装置は、少なくとも二つの基準とする測定方向に沿った第一の物体の第二の物体に対する位置の相対的な変化を検出するとともに、対応するインクリメンタル測定値を出力信号として生成するものである。各インクリメンタル測定装置を用いて、それに沿った第一の物体の位置を測定する測定方向を、一方では直線的な空間方向として、このインクリメンタル測定装置を走査測定装置とするか、或いは回転方向として、このインクリメンタル測定装置を角度測定システム又はロータリーエンコーダーで構成することができる。

この場合、「測定装置」という用語を複数形で使用することは、これらの方向が、複数の空間方向に沿った、即ち少なくとも二つの空間方向に沿った第一の物体の第二の物体に対する位置の変化を求めるのに適していることを表すものである。しかし、これらは、空間的に離れた別々の測定装置、即ち、例えばちょうど一つの基準とする測定方向に沿った第一の物体の第二の物体に対する位置の相対的な変化をそれぞれ検出する少なくとも二つの独立した測定装置であってはならない。むしろ、これらの両方の物体の互いの位置の相対的な変化を測定するための測定装置は、例えば二つの独立した直線的な空間方向により構成される面（格子構造）内における位置の変化を測定する、一つのまとまった装置に統合することもできる。

更に、出力信号として絶対的な測定値を生成する、少なくとも一つの絶対位置測定装置を用いて、別の測定方向に沿った第一の物体の第二の物体に対する絶対的な位置も測定する。この場合、この絶対位置測定装置のその測定方向に沿った測定精度は、インクリメンタル測定装置の各測定方向に沿った測定精度よりも低い。

この場合、インクリメンタル位置測定装置とは、その（周期的な）出力信号にもとづき、第一の物体の空間的な位置の第二の物体の空間的な位置に対する相対的な変化に関する測定値だけを検出することができる位置測定装置であると解釈する。

それに対して、絶対位置測定装置とは、その出力信号により、第二の物体の位置に対する第一の物体の絶対的な位置を直接検出することができる位置測定装置であると解釈する。

より高精度な複数のインクリメンタル測定装置を少なくとも一つの絶対位置測定装置と組み合わせることによって、インクリメンタル測定システムの利点、即ち比較的簡単で、安価な構造と短い応答時間を、絶対測定システムの利点、即ち測定システムの始動後における照合動作が不要であること及び電流断後直ぐに測定を続けることができる能力と結合させることができる。一つの絶対位置測定装置又は複数の絶対位置測定装置を用いて、何れにせよ各絶対位置測定装置に対応する別の測定方向に沿った第一の物体の位置を、比較的低い精度で検出することができる。そして、それを元にして、高精度なインクリメンタル位置測定装置によって、別のより精密な位置情報を得ることができる。この場合、絶対位置測定装置によって、インクリメンタル位置測定装置に対して、インクリメンタル位置測定装置の測定値に関連付けることができる基準点を提供することができるということが決定的に重要である。こうすることによって、インクリメンタル位置測定装置の使用開始時又は電流断後に、先ずは新たな照合動作によって、インクリメンタル位置測定装置の測定値に関連付ける参照点を見い出す必要がなくなる。即ち、少なくとも一つの絶対位置測定装置によって、インクリメンタル位置測定装置の測定値と結合することができる測定値を提供して、測定精度を向上させることができる。

このためには、基本的に二つの原理にもとづく絶対的測定と相対的測定の組み合わせが可能である、即ち、一方で、絶対位置測定装置によるインクリメンタル位置測定装置の実際の周期の連続的な検知とインクリメンタル測定の補間値（瞬間的な周期を分割した部分）による絶対測定値の補完であり、或いは他方で、絶対位置測定によるインクリメンタル測定の実際の周期の検知とインクリメンタル測定（相対測定）の情報（即ち、カウンター状態）が喪失される中断後、例えば電流断後のみにおける絶対値によるカウンターの設定であり、その後インクリメンタル測定だけ、即ち周期の更なる計数と補間値による実際のカウンター状態の補完を行うものである。前述した第二の原理では、決まった時間間隔での絶対位置測定によって、進行中のインクリメンタル測定（周期のカウンター状態）を検査することができ、その際これに関して、測定の冗長性を利用している。

更に、それぞれ決まった測定方向に対して関連付けられたインクリメンタル位置測定装置のインクリメンタル測定値と、（前述した決まった測定方向の中の一つと平行ではない）少なくとも一つの基準とする、更なる（別の）測定方向に対して関連付けた絶対位置測定装置の絶対測定値の両方又は一方に関して座標変換を実施して、その結果これらの少なくとも一つの絶対位置測定装置の測定値とインクリメンタル位置測定装置の測定値を、それぞれ同じ測定方向に対して関連付けている。そして次に、同じ測定方向に対して関連付けた絶対及びインクリメンタル測定値にもとづいて、即ち、各共通の測定方向に沿ったインクリメンタル測定値と絶対測定値を結合することによって、第一の物体の第二の物体に対する空間的な位置を求める。

この場合、特に有利には、絶対位置測定装置の測定値を、座標変換により変換した測定値に転換して、インクリメンタル位置測定装置の測定方向に対して関連付ける。そして、インクリメンタル位置測定装置によって与えられる、基準とする測定方向に沿った第一の物体の位置の測定を行い、その際高精度な位置測定のために、各測定方向に沿って、変換された絶対測定値を、各インクリメンタル測定値と結合する。

この発明による解決法は、それにより、一方におけるインクリメンタル位置測定装置と他方における絶対位置装置の柔軟で独立した配置が可能となるという利点を有する。何故ならば、絶対及びインクリメンタル位置測定装置が、それぞれ一つの同じ測定方向に沿った測定値を検出する必要がなくなるためである。即ち、一方における絶対位置測定装置と他方におけるインクリメンタル位置測定装置の異なる測定方向に沿って検出した測定値を変換して、変換後に、それらを、一つの同じ方向に対して関連付けるようにしている。

このことは、絶対位置測定装置の測定方向が、インクリメンタル測定装置の測定方向のどれとも平行に推移しないために、絶対測定システムの測定方向に沿った第一の物体の位置の変化が、複数の測定方向に沿ったインクリメンタル測定装置の測定値の同時変化に対応する測定システム配列において、この発明にもとづく方法を使用することを可能としている。

従って、この発明では、絶対位置測定装置とインクリメンタル位置測定装置間のコード結合は、一つの又は別の測定値の座標変換後に初めて行う。有利には、この変換は、絶対位置測定装置の測定値、即ち絶対測定装置の測定方向に沿った絶対位置情報を、インクリメンタル測定システムの測定方向に沿った、対応する絶対測定値／位置情報に変換する形で行う。

結局のところ、第一の物体の第二の物体に対する空間的な位置の出来る限り高精度な測定を実現するためには、より正確なインクリメンタル測定値が、より精度の低い絶対測定値を補正する機能を果たすものである。このようにして、この発明による方法は、第一の物体の第二の物体に対する位置の絶対位置測定を可能としており、その際絶対測定値を高精度なインクリメンタル測定値と結合することによって、位置測定における特別な精度を達成しており、しかも絶対及びインクリメンタル位置測定装置の測定方向を一致させる必要はない。

コード結合において、絶対位置測定装置の測定値によって、一つの測定方向に沿ったインクリメンタル測定装置の実際の経路増分の各々（即ち、各測定方向に沿ったインクリメンタル位置測定装置の実際の周期の場所）を一義的に識別して、この経路増分又はこの周期に、インクリメンタル測定の補間値（即ち、周期の長さを分割した部分）によって更に細かく計測した絶対測定値を割り当てている。

この場合、インクリメンタル測定値を絶対測定値と結合するためには、周知のコード結合方法が適しており、この方法によって、これらの測定値を、この発明にもとづく座標変換の実施後に、それぞれ一つの同じ測定方向に対して関連付けたインクリメンタル及び絶対測定値と結合することができる。これに使用することができるコード結合方法の例としては、特許文献２に記載された方法を参照されたい。

これらのインクリメンタル測定値は、通常第一の物体の第二の物体に対する位置を測定するために使用されるインクリメンタル位置測定装置の周期的な出力信号から得られるものである。

インクリメンタル測定値を各測定方向に沿った絶対測定値に一義的にコード結合するためには、インクリメンタル位置測定装置と絶対位置測定装置を互いに調節して、インクリメンタル測定値を絶対測定値に結合すべき各測定方向に沿ったインクリメンタル位置と絶対位置の測定精度が、常にインクリメンタル位置の周期を一義的に決定する、即ち計数又は識別することができる程度に高いことだけが必要である。そのために、絶対測定値とインクリメンタル測定値の測定精度の合計を、対応する測定方向に沿ったインクリメンタル測定値を提供する各インクリメンタル位置測定装置の周期的な出力信号の局所的な周期の半分より小さくする。こうすることによって、第二の物体の第一の物体に対する実際の位置に対応する、それぞれ正しい信号周期を持つインクリメンタル測定値が、絶対位置測定装置の絶対測定値に結合されることを保証している。

この場合、「インクリメンタル又は絶対測定値の不正確度」という表記は、それが、各インクリメンタル又は絶対位置測定装置を使用する際に（最大限）起こる可能性の有る測定誤差の大きさを示すものとそれぞれ解釈する。即ち、各インクリメンタル又は絶対位置測定装置の測定精度の通常の指標である。

この発明による方法の有利な実施構成では、インクリメンタル及び絶対位置測定装置を互いに調節して、前に規定した測定精度が、インクリメンタル位置測定装置の出力信号の局所的な信号周期の半分より小さくなるようにする。この場合、コード結合時のエラーも検出することができる。

有利には、使用するインクリメンタル位置測定装置の数は、第一の物体の第二の物体に対する可能な動きの自由度の数よりも多いか、又は等しい。基本的には、インクリメンタル位置測定装置の数を、少なくとも第一の物体の第二の物体に対する動きの高精度に測定すべき自由度の数と同じにすることで十分である。

この場合、個々のインクリメンタル位置測定装置を、それぞれ走査測定装置又は角度測定装置とすることができる。

インクリメンタル位置測定装置としては、特に所謂非接触式走査位置測定装置を使用することができ、これらの装置は、基準尺（走査測定装置の場合）無しで、又は目盛円板（角度測定装置の場合）無しで動作するものであり、それらが無い代わりに、第一の物体の第二の物体に対する位置を検出するために、両方の互いに動く物体の中の一方に取り付けた、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）の形の放射源（光源）が、両方の物体の中の他方に配置した検出器（特に光検出器）と協力して動作するものであり、その際放射源と検出器間の放射ビーム路には、格子が配置されている。このような位置測定装置は、例えば特許文献３と４により周知である。そこでは、放射源により格子を照射することによって、強度の縞模様を生成しており、その検出器に対する相対的な位置が、第一の物体の第二の物体に対する位置、特に角度位置に関する尺度となっている。この場合、各インクリメンタル測定システムの測定方向は、例えば付属する放射源を用いて、対応する検出器に向けて、各電磁放射を照射する方向に対して交差する。

同様に、絶対位置測定装置の数は、第一の物体の第二の物体に対する検出すべき動きの自由度の数と一致させることができるが、異なる測定方向に対して使用するリニア位置測定装置の数が、第一の物体の第二の物体に対する動きの自由度の数よりも多い場合、この自由度の数よりも少なくすることも可能である。

通常は、より多くの数のインクリメンタル位置測定装置を使用することは、測定配列の調節によって、測定配列の精度と動作の安定性を向上させる機能を果たすこととなる（冗長性）。

互いの動きを検出すべき第一と第二の物体として、特に工作機械の二つの互いに動く機械部分を規定することができ、その際機械軸の数は、両方の物体（機械部分）の互いの動きの自由度の数を決める。

従って、例えば特許文献５に記載されているような、二つの機械部分を互いに動かすために六つの機械軸を備えた、所謂六脚機械（スチュワート・プラットフォーム）では、第一の物体の第二の物体に対する動きに関して、六つの自由度が使用可能である。

この場合、有利には、絶対位置測定装置は、特に各機械軸に沿って延びる駆動スピンドルの、機械軸における回転運動を検出する機能を果たす。この場合、スピンドルの展開方向は、各絶対位置測定装置の測定方向を規定する。

それに対して、（非接触式）インクリメンタル位置測定装置の測定方向は、別の任意の測定方向に沿って延びることが可能であり、その際これらの測定方向が異なるようにして、すべての測定方向に沿った測定値の評価によって、第一の物体の第二の物体に対する位置を一義的に決定することが可能であることを保証するだけである。

更に、角度測定装置又はロータリーエンコーダーの形式の絶対位置測定装置は、同時に駆動スピンドルの回転速度を測定する機能を果たすことができ、これらの速度は、対応する工作機械の動作を制御するための数値としても使用される。

第一の物体の第二の物体に対する空間的な位置を測定するための、即ち、特にこの発明による方法を実施するための装置は、請求項１０の特徴により特徴付けられる。

この装置は、次の装置を有し、それらは、ａ）複数の測定方向に沿った、第一の物体の第二の物体に対する空間的な位置の相対的な変化を測定するためのインクリメンタル位置測定装置、ｂ）少なくとも一つの別の測定方向に沿った、第一の物体の第二の物体に対する絶対位置を測定するための少なくとも一つの絶対位置測定装置、その際これらのインクリメンタル位置測定装置は、この少なくとも一つの絶対位置測定装置よりも高い測定精度を有する、ｃ）当該の測定方向に沿った絶対位置測定装置の絶対測定値と、当該の測定方向に沿ったインクリメンタル位置測定装置のインクリメンタル測定値の両方又は一方を新しい方向に対して変換するための変換装置、その結果この変換の実施後、絶対測定値とインクリメンタル測定値は、それぞれ共通の測定方向に対して関連付けられる、ｄ）絶対測定値をインクリメンタル測定値とそれぞれ結合させるための結合装置を有する評価装置、その際これらの測定値は、共通の測定方向に対して関連付けられるとともに、この絶対測定値によって、各インクリメンタル測定値の実際の経路増分、即ち実際の周期を求めることができるものである。

両方の物体は、特に機械（例えば、工作機械）内において、付属する機械運動系を用いて、互いに動かすことが可能であり、その際インクリメンタル位置測定装置は、この機械運動系を回避した形で配置されており、この測定装置を用いて、第一の物体の第二の物体に対する空間的な位置の相対的な変化を直接的に、非接触方式で測定可能である一方、少なくとも一つの絶対位置測定装置の測定方向は、この機械運動系によって決まるものである。特に、各絶対位置測定装置の測定方向は、機械のガイド方向と一致する、即ち、例えばガイドスライダー上の基準尺とガイドレール上の走査ヘッドを用いた工作機械の直線的なガイドのように、機械運動系の動作軸に沿って延び、その際駆動部をリニアモーター又はスピンドルモーターとすることができるものである。

この発明の更なる詳細と利点は、以下における図面にもとづく実施例の記述によって明らかとなる。

図１には、第一の機械部分１とこれに対して動く第二の機械部分２を有する工作機械が図示されており、その第一の機械部分１には工具１０が配置されている。

第二の機械部分２には、この部分を異なる空間方向に動かすことができるように、複数の駆動装置が付属しており、その結果第一の機械部分１の位置は、それぞれ各駆動装置に対応する機械軸によって表される複数の空間方向に沿って変化することが可能である。

図１には、これらの駆動装置の中の一つの駆動装置２０が模式的に図示されており、この装置は、駆動モーター２１、駆動モーター２１により駆動され、第一の機械軸Ａ１に沿って延びる駆動スピンドル２２、駆動スピンドル２２に長手方向に移動可能な形で軸支され、第二の機械部分２と固く結合されたスピンドルナット２３を有する。駆動モーター２１によって作動される、駆動スピンドル２２の回転運動により、回転しないスピンドルナット２３は、スピンドル２２の展開方向に、即ち、スピンドル上を第一の機械軸Ａ１に沿って動き、それにより第二の機械部分２は、その方向に追随して行く。相応の方法により、別の駆動装置を配備して、その装置を用いて、第二の機械部分２を別の機械軸に沿って動かすことができる。そのようにして、例えば三つの互いに垂直な機械軸に沿って機械部分を動かすことができる三軸の工作機械及び六つの異なる軸に沿って工具部分を動かすことができる六軸の工作機械（六脚機械）が得られる。第一に挙げたケースでは、両方の機械部分の互いに可能な動きは、三つの運動の自由度を、第二に挙げたケースでは、六つの自由度、即ち、三つの並進運動の自由度と三つの回転運動の自由度を有する。

各機械軸Ａ１等に沿った第二の機械部分２の動きを検出するために、各駆動装置２０には、ロータリーエンコーダー形式の絶対位置測定装置２５を組み込んでおり、これを用いて、各駆動スピンドル２２の回転を検出することができ、その回転から、又もやスピンドルナット２３の、そしてそれにより各機械軸Ａ１に沿った第二の機械部分２の動きを一義的に検出することができる。

有利には、このような絶対位置測定装置２５を、角度測定装置又はロータリーエンコーダーの形で、機械軸の各々に取り付ける。このケースでは、即ち、すべての機械軸に沿った第一の機械部分１の第二の機械部分２に対する位置の変化は、それぞれ一つの絶対位置測定装置２５によって検出することができる。これらの絶対位置測定装置２５は、同時に各駆動スピンドル２２の回転速度を検出するとともに、それにより機械駆動部を操作又は制御する機能を果たすことができる。

この工作機械は、更に非接触式インクリメンタル位置測定装置を有し、その中の二つの位置測定装置３０ａ，３０ｂを図１に図示している。インクリメンタル位置測定装置３０ａ，３０ｂ等の数は、少なくとも第一の機械部分１の第二の機械部分２に対する動きの自由度の数と同じにする。インクリメンタル位置測定装置３０ａ，３０ｂは、それぞれ第二の機械部分２に配置された光源３１ａ，３１ｂ（ＬＥＤ）形式の放射源と、第一の機械部分に配置された検出器配列３２を有する。各光源３１ａ，３１ｂから検出器配列３２への放射ビーム路Ｓ内には、特許文献３により周知の通り、格子が配置されており、図１で模式的に図示されているような、非接触式インクリメンタル位置測定装置の構造に関する更なる詳細に関しては、この文献を参照されたい。

インクリメンタル位置測定装置３０ａ，３０ｂ等は、それぞれ別の測定方向Ｒ１，Ｒ２等を規定しており、これらの方向は、例えば各光源３１ａから検出器配列３２への電磁放射が進行する（両方の機械部分Ｍ１，Ｍ２を走査測定する場合）、或いは円形トラックに沿って曲がって進行する（両方の機械部分１，２の位置を角度測定する場合）方向に対して交差して延びる。インクリメンタル位置測定装置３０ａ，３０ｂ等のこれらの測定方向Ｒ１，Ｒ２は、図１により明らかな通り、第一の機械部分１の第二の機械部分２に対する位置の変化により、同様に変化する局所的で瞬間的な測定方向である。

インクリメンタル位置測定装置３０ａ，３０ｂが、絶対位置測定装置２５より高い測定精度を有することが重要であり、そのために、インクリメンタル位置測定装置３０ａ，３０ｂの周期的な出力信号を用いて検出したインクリメンタル測定値を、絶対位置測定装置２５の測定値とコード結合することによって、測定システム配列の精度を向上するのに利用している。

この場合、各機械軸Ａ１に沿った両方の機械部分１，２の互いの位置の変化が有ると、対応する測定方向Ｒ１，Ｒ２の中の複数の方向に沿ったインクリメンタル位置測定装置の測定値の変化が生じるということを考慮すべきである。これは、測定方向Ｒ１，Ｒ２が、機械軸Ａ１等に平行に延びるのではなく、これらに対して傾斜した方向を向いているためである。

以下において、例として前に説明した図１に関連させて、しかも機械軸Ａ１に沿った第一の機械部分１の第二の機械部分２に対する位置の変化が、同時に各測定方向Ｒ１，Ｒ２に沿った複数のインクリメンタル位置測定装置３０ａ，３０ｂの測定値の変化を引き起こす測定システム配列に関する、この発明による方法の例を述べる。

そのために、それぞれ駆動スピンドル２５を有し、その回転を各ロータリーエンコーダー２５によって検出される、所定の数ｎの駆動装置又はアクチュエーター２０を備えた工作機械を出発点とする。これらの絶対ロータリーエンコーダーは、その精度が位置制御系において第一の機械部分１の第二の機械部分２に対する位置を十分正確に測定するには不十分であるため、先ず第一に速度制御のために使用される。

従って、第一の機械部分１の第二の機械部分２に対する位置を正確に測定するためには、別の高精度な測定システムが必要となる。このために、例えば、各機械軸Ａ１等に対応するアクチュエーター２０に統合されたリニア位置測定装置を使用することができる。

しかし、例えば、六つの機械軸とそれに対応して六つの駆動装置（ｎ＝６）を持つ六脚工作機械の場合などの幾つかの使用ケースでは、このようなリニア測定システムを使用する際に、それぞれ駆動スピンドルを有するアクチュエーターの終端でのジョイントの誤った影響を検出することができないという問題が発生する。そのような場合、有利には、前に例として図１で述べた通り、より正確な位置測定のためには、所謂非接触式測定システムを使用する。これらの非接触式位置測定装置３０ａ，３０ｂは、走査測定装置又は角度測定装置とすることができる。これらは、工作機械の位置制御系における位置測定システムとして直接使用することが可能であり、或いは位置制御系におけるロータリーエンコーダー２５の絶対位置に関する持続的な補正値を検出するために、高精度な拠点測定を提供するものである。

非接触式位置測定装置３０ａ，３０ｂは、有利にはインクリメンタル位置測定装置として構成され、それは、それによって簡単で、安価な構造と同時に短い応答時間で、特に高い測定精度を達成することができるからである。

しかし、他方において、絶対測定システムの重要な利点も得られ、その利点は、インクリメンタル測定システムでは、同じように達成することはできない、即ち、絶対位置測定システムでは、始動後に照合動作が不要であり、電流中断後に、相応の工作機械の動作を直ぐに続けることができる。更に、冗長性と妥当性の検査によって、動作の安定性向上を達成することができる。

インクリメンタル位置測定装置の利点と絶対位置測定装置の利点を結合させることができるためには、第一の機械部分１の工具中心点（ＴＣＰ）の正確な絶対位置ｐ_TCP を検出することができるように、Ｎ個（Ｎ≧ｎ）の非接触式位置測定装置３０ａ，３０ｂ，... の高精度なインクリメンタル測定値を、ロータリーエンコーダー形式のｎ個の絶対位置測定装置２５のより低い精度の絶対測定値と結合する（図１と比較）。この絶対位置ｐ_TCP は、一般的に平行座標系の三つの平行座標Ｘ，Ｙ，Ｚと三つの角度座標によって求められる。第一の機械部分１の第二の機械部分２に対する動きに関して六つの自由度を持つ工作機械の一般的なケース、例えば六脚工作機械では、第一の機械部分１の第二の機械部分２に対する動きにもとづくＴＣＰの全部で六つの座標は、変化可能である。機械部分の互いの動きに関して、より少ない自由度を持つ工作機械、例えば三軸工作機械の場合、それに応じて、必要な座標数は、より少なくなる。

絶対位置測定装置の測定方向Ａ１等とインクリメンタル位置測定装置の測定方向Ｒ１，Ｒ２等の空間的な向きが異なっていることから、インクリメンタル測定値を絶対測定値と結合するために、先ずは各絶対位置測定装置の測定方向に沿った絶対位置の測定値ｐａ_k を、インクリメンタル位置測定装置の測定方向に沿った絶対測定値ｐｇ_j に変換する。この場合、指数ｋは、異なる機械軸Ａ１，_... を表しており、これらの軸に沿って、それぞれ一つの絶対位置測定装置２５を用いて、絶対測定値を検出する。従って、ｎ個の機械軸を持つ工作機械に関して、ｋは、１からｎまでの値をとる。それに対して、指数ｊは、１〜Ｎの間の値をとることができ、その際Ｎは、異なる測定方向Ｒ１，Ｒ２，_... を持つインクリメンタル位置測定装置の数を表す。

絶対測定値ｐａ_k のインクリメンタル位置測定装置の測定方向Ｒ１，Ｒ２，_... に沿った変換測定値ｐｇ_j への変換は、以下の通り記述することができる。

この場合、Ｔ_a->gは、対応する変換関数を表す。これは、各工作機械の運動と絶対及びインクリメンタル位置測定装置の幾何学的な配置から求めることができる。以下の式が成り立つ。

この場合、Ｔ_a->TCPは、絶対測定値ｐａ_k を三つまでの平行座標と三つまでの角度によって決まる工具中心点の位置ｐ_TCP に変換するための変換関数を意味し、Ｔ_g->TCP ^-1は、ＴＣＰ位置ｐ_TCP のインクリメンタル位置測定装置の測定方向Ｒ１，Ｒ２，_... に沿った位置の値ｐｇ_j への変換関数を示す。位置の値ｐｇ_j は絶対値である、即ち、絶対位置測定装置２５の測定方向Ｒ１，Ｒ２，_... に対して変換された絶対測定値であることに注意されたい。

ここで、インクリメンタル位置測定装置の測定方向Ｒ１，Ｒ２，_... に沿って変換された絶対測定値ｐｇ_j は、周知の方法の中の一つにもとづきインクリメンタル測定値ｐｉ_j （ｊ＝１，_... ，Ｎ）を絶対測定値に結合するために使用することができる。これに関しては、例えば特許文献２に記載されたコード結合方法を参照されたい。

このコード結合によって、変換した絶対測定値ｐｇ_j と高精度なインクリメンタル測定値ｐｉ_j から、インクリメンタル位置測定装置の測定方向Ｒ１，Ｒ２，_... に沿った高精度な絶対測定値を求めることができる。

具体的には、コード結合に関して、例えば、以下の規定を設けることができる。

この場合、

の通りであり、この場合、Ｓ_pjは、対応する（ｊ番目の）インクリメンタル測定装置の信号周期を表す。

各変換された絶対測定値から、インクリメンタル測定値の周期の瞬間的な場所が一義的に決まる、或いは識別される、即ち、インクリメンタル測定値の実際の周期の場所に対して、絶対値が割り当てられる。インクリメンタル測定値の補間（即ち、周期を分割した値）によって、この位置の値は、更に細かく計測、補足される。

ここで、インクリメンタル位置測定装置の測定方向Ｒ１，Ｒ２，_... に沿った高精度な絶対測定値ｐｇ_j ' を用いて、第一の機械部分における工具中心点の高精度な絶対ＴＣＰ位置を算出することができる。

この方法により、高精度な非接触式インクリメンタル測定装置を使用して、絶対位置測定システムの利点を同時に達成することができる。

この場合、インクリメンタル測定値ｐｉ_j をインクリメンタル位置測定装置の各測定方向Ｒ_j に沿って変換された絶対測定値ｐｇ_j と高精度に結合することに関して、各ｊ、即ち、各測定方向Ｒ_j に対して、両方の機械部分１，２の互いの各位置に関する絶対測定値ｐａ_k から算出された絶対測定値ｐｇ_j の（測定精度の）誤差と高精度なインクリメンタル測定値ｐｉ_j の誤差の合計が、対応する測定方向Ｒ_j に属するインクリメンタル位置測定装置の出力信号の局所的な信号周期の半分より小さいことを前提としている。

このことは、以下の通り理解することができる。インクリメンタル測定値の変換された絶対測定値への一義的なコード結合に関しては、インクリメンタル測定値から算出される各インクリメンタル位置測定装置の周期的な出力信号のどの周期を、実際の変換された絶対測定値に割り当てるかが、それぞれ一義的に決めることができることが重要である。

例えば、任意のインクリメンタル測定値をｙ＝Ｉ＊Ｓ_pj＋ｙ_i と記述した場合、ここで、Ｓ_pjは、対応する（ｊ番目の）インクリメンタル測定装置の信号周期を表し、Ｉは、自然数であり、ｙ_i は、周期的な信号の補間によって生成された信号周期内における実際の測定値を示し、そのようにして、Ｉは、対応する測定方向に沿って測定された絶対位置の値ｘと値ｙ_i 及びＳ_pjから、以下の通り計算することができる。

このＩに関して計算した値は、ｘとｙ_i に関する測定誤差による偏差が見込まれるので、一般的に自然数とはならない。しかし、この測定誤差に関係する偏差は、信号周期Ｓ_pjの半分より小さい限り、実際の測定値ｘ，ｙ_i から計算したＩに関する値を簡単に丸めることによって、それぞれ実際の信号周期を正しく示す一義的な自然数を求めることができる。

この誤差の合計が、各測定方向に対応するインクリメンタル測定装置の局所的な信号周期の四分の一より小さい場合、更にコード結合に関するエラーも検出することが可能となる。

図２は、互いに垂直な三つの空間方向Ｘ，Ｙ，Ｚに沿って延びる複数の機械軸Ａ１，Ａ２，Ａ３を持つ工作機械を図示しており、その際これらの機械軸Ａ１，Ａ２，Ａ３の各々は、直線的なガイドに対応しており、これらを用いて、工作機械１，２の基盤の形の第二の機械部分２に対して、移動可能な形で軸支された第一の機械部分１のＴＣＰを、各機械軸Ａ１，Ａ２，Ａ３に沿って動かすことができる。この場合、第三の機械軸Ａ３に沿って延びるｚガイドを、第一の機械軸Ａ１に沿って延びるＸガイド上に、そして、第二の機械軸Ａ２に沿って延びるＹガイドを、更にＺガイド上に構築している。これらの三つの直線ガイドの各々は、基準尺及び付属する走査ヘッドから構成される長さ測定装置の形の絶対位置測定装置２５ａ，２５ｂ，２５ｃに取り付けられている。これらの絶対位置測定装置２５ａ，２５ｂ，２５ｃを用いて、前に図１にもとづき、機械軸Ａ１を例として述べたのと同じ方法で、各機械軸Ａ１，Ａ２，Ａ３に沿った第一の機械部分１の第二の機械部分２に対する動きに関する絶対測定値を得ることができる。この場合、絶対位置測定装置２５ａ，２５ｂ，２５ｃの測定方向は、機械軸Ａ１，Ａ２，Ａ３と一致する、即ち、工作機械１，２の機械運動系によって決まる。

更に、それぞれ第一の機械部分１の第二の機械部分２に対する位置の空間的な変化を非接触方式により、直接的に、即ち、工作機械１，２の機械運動系を回避して測定する非接触式インクリメンタル位置測定装置３０ａ，３０ｂ，３０ｃを配備している。このために、第二の機械部分２には、三つの放射源が、それぞれ一つの光源３１ａ，３１ｂ，３１ｃの形で、第一の機械部分１には、それぞれ対応する検出器３２ａ，３２ｂ，３２ｃが、配置されている。各光源３１ａ，３１ｂ，３１ｃから対応する検出器３２ａ，３２ｂ，３２ｃへの光ビーム路Ｓ内には、前に図１にもとづき述べた通り、それぞれ一つの格子が配置されている。各光ビームが、光線の進行方向に対して交差して取り付けられた格子で変調されるために、光ビーム路Ｓと交差して延びる強度縞模様が形成され、その結果図１の場合のように、インクリメンタル位置測定装置３０ａ，３０ｂ，３０ｃの各測定方向Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は、対応する光ビーム路Ｓに対して垂直に延びる。三つのインクリメンタル位置測定装置３０ａ，３０ｂ，３０ｃの光ビーム路Ｓを、それらの各空間方向に関して、直線的で、互いに独立させることによって、これらに対して、それぞれ垂直に延びる測定方向Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に対しても、このことが言え、その結果三つのインクリメンタル位置測定装置３０ａ，３０ｂ，３０ｃを用いて、すべての空間方向に沿った第一の機械部分１の第二の機械部分２に対する位置の変化を検出することができる。

第一の機械部分１のＴＣＰの第二の機械部分２に対する位置の正確な測定値を検出するために、図１にもとづき特定の機械軸に関して述べた通り、絶対位置測定装置２５ａ，２５ｂ，２５ｃの絶対測定値とインクリメンタル位置測定装置３０ａ，３０ｂ，３０ｃのインクリメンタル測定値を互いに結合する。このことは、図１にもとづき述べた通り、先ずは絶対位置測定装置２５ａ，２５ｂ，２５ｃの絶対測定値を、非接触式インクリメンタル位置測定装置３０ａ，３０ｂ，３０ｃの測定方向Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に対して変換し、次にコード結合を実施する方法で行う。

二つの互いに動く機械部分を持つ工作機械とこれらの両方の機械部分の互いの位置を検出するための測定システム配列の模式図 図１による測定システム配列が使用可能である、複数の機械軸を持つ工作機械の斜視・模式図

符号の説明

１ 第一の物体（機械部分）
２ 第二の物体（機械部分）
１０ 工具
２０ 駆動装置（アクチュエーター）
２１ 駆動モーター
２２ 駆動スピンドル
２３ スピンドルナット
２５，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ 絶対位置測定装置
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ インクリメンタル位置測定装置
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ 放射源（光源）
３２，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ 検出器（検出器配列）
Ａ１，Ａ２，Ａ３ 機械軸
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 測定方向
Ｓ 放射（光）ビーム路
ＴＣＰ 工具中心点
Ｘ，Ｙ，Ｚ 平行座標（空間方向）

Claims (13)

1. 第一の物体の第二の物体に対する空間的な位置を測定するための方法であって、その際、
   ａ）少なくとも二つの測定方向（Ｒ１，Ｒ２）に沿って、第一の物体（１）の第二の物体（２）に対する位置の相対的な変化を検出するインクリメンタル位置測定装置（３０ａ，３０ｂ）を用いて、第一の物体（１）の位置を測定し、
   ｂ）更に、絶対位置測定装置（２５）を用いて、少なくとも一つの別の測定方向（Ａ１）に沿った、第一の物体（１）の第二の物体（２）に対する絶対位置を測定し、
   ｃ）インクリメンタル位置測定装置（３０ａ，３０ｂ）は、少なくとも一つの絶対位置測定装置（２５）より高い測定精度を有する方法において、
   当該の別の測定方向（Ａ１）に沿った絶対位置測定装置（２５）の絶対測定値と当該の少なくとも二つの測定方向（Ｒ１，Ｒ２）に沿ったインクリメンタル位置測定装置（３０ａ，３０ｂ）のインクリメンタル測定値の両方又は一方に関して、インクリメンタル位置測定装置（３０ａ，３０ｂ）と絶対位置測定装置（２５）の幾何学的な配置から決まる座標変換（Ｔ）を実施して、その結果この変換の実施後に、絶対測定値とインクリメンタル測定値が、それぞれ共通の測定方向（Ｒ１，Ｒ２）に関連付けられるとともに、この変換後に得られる絶対測定値とインクリメンタル測定値から、第一の物体（Ｍ１）の第二の物体（Ｍ２）に対する空間的な位置が求められる方法。
2. 当該のインクリメンタル測定値は、コード結合方法を用いて、各測定方向（Ｒ１，Ｒ２）に沿ったインクリメンタル測定値を絶対測定値に結合することによって、絶対測定値を補正して、第一の物体（１）の第二の物体（２）に対する空間的な位置の測定精度を改善する機能を果たすことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 当該の少なくとも一つの絶対位置測定装置（２５）の絶対測定値によるコード結合によって、インクリメンタル位置測定装置（３０ａ，３０ｂ）の実際の信号周期に関連付けられた第一の物体（１）の第二の物体（２）に対する空間的な絶対位置が求められることと、これらの絶対測定値が、インクリメンタル位置測定装置（３０ａ，３０ｂ）の周期的な出力信号の補間によって、更に細かく計測されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 各インクリメンタル位置測定装置（３０ａ，３０ｂ）が、送信部としての光源（３１ａ，３１ｂ）と、光の形の電磁放射を受信するための検出器配列（３２）とを有し、これらは、それぞれ両方の物体（１，２）の中の一つに配置されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の方法。
5. 少なくとも一つの絶対位置測定装置（２５）に対応する別の測定方向（Ａ１）は、インクリメンタル位置測定装置（３０ａ，３０ｂ）の測定方向（Ｒ１，Ｒ２）に対して、この別の測定方向（Ａ１）に沿った第一の物体（１）の第二の物体（２）に対する位置の変化が、インクリメンタル位置測定装置（３０ａ，３０ｂ）の少なくとも二つの測定方向（Ｒ１，Ｒ２）に沿った第一の物体（１）の第二の物体（２）に対する位置の変化に対応する方向を向いていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法。
6. 第一の物体（１）と第二の物体（２）として、工作機械の二つの互いに動く機械部分を使用することと、第一の物体（１）の第二の物体（２）に対する動きが、複数の機械軸（Ａ１）に沿って起こることと、これらの機械軸（Ａ１）の中の少なくとも一部は、それぞれ絶対位置測定装置（２５）に属しており、その際各絶対位置測定装置は、それぞれ機械軸（Ａ１）に沿った第一の物体（１）の第二の物体（２）に対する動きを検出することとを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の方法。
7. インクリメンタル位置測定装置（３０ａ，３０ｂ）に対応する測定方向（Ｒ１，Ｒ２）は、機械軸（Ａ１）に対して平行に延びないことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 機械軸（Ａ１）は、それぞれ回転可能な、又は長手方向の動きを起こす駆動部品（２２）によって形成されることを特徴とする請求項６又は７に記載の方法。
9. 絶対位置測定装置（２５）として、ロータリーエンコーダーを使用することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 第一の物体の第二の物体に対する空間的な位置を測定するための装置であって、
    ａ）少なくとも二つの測定方向（Ｒ１，Ｒ２）に沿って、第一の物体（１）の第二の物体（２）に対する位置の相対的な変化を測定するためのインクリメンタル位置測定装置（３０ａ，３０ｂ）と、
    ｂ）少なくとも一つの別の測定方向（Ａ１）に沿った、第一の物体（１）の第二の物体（２）に対する絶対位置を測定するための絶対位置測定装置（２５）であって、インクリメンタル位置測定装置（３０ａ，３０ｂ）より低い測定精度を有する、少なくとも一つの絶対位置測定装置（２５）と、
    ｃ）当該の別の測定方向（Ａ１）に沿った絶対位置測定装置（２５）の絶対測定値と当該の少なくとも二つの測定方向（Ｒ１，Ｒ２）に沿ったインクリメンタル位置測定装置（３０ａ，３０ｂ）のインクリメンタル測定値の両方又は一方のインクリメンタル位置測定装置（３０ａ，３０ｂ）と絶対位置測定装置（２５）の幾何学的な配置から決まる座標変換を実施して、この座標変換の実施後に、絶対測定値とインクリメンタル測定値を、それぞれ共通の測定方向（Ｒ１，Ｒ２）に関連付ける変換装置と、
    ｄ）絶対測定値とインクリメンタル測定値をそれぞれ共通の測定方向（Ｒ１，Ｒ２）に関連付けて結合することによって、この変換後に得られる絶対測定値とインクリメンタル測定値とから、第一の物体（１）の第二の物体（２）に対する空間的な位置を求めるための評価装置と、
    を有する装置。
11. 第一の物体（１）は、第二の物体（２）に対して、機械運動系を用いて動かすことが可能であることと、インクリメンタル位置測定装置（３０ａ，３０ｂ）は、それらが、この機械運動系とは独立して、直接的に、非接触方式により、第一の物体（１）の第二の物体（２）に対する空間的な位置の相対的な変化を測定するように配置されていることとを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 少なくとも一つの絶対位置測定装置（２５）の測定方向（Ａ）が、当該の機械運動系によって規定される第一の物体（１）の第二の物体（２）に対する可能な運動方向と一致することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の装置。
13. 少なくとも一つの絶対位置測定装置（２５）の測定方向（Ａ）が、当該の機械運動系の運動軸に沿って延びることを特徴とする請求項１２に記載の装置。

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