JP5132775B2 - 回転パーツの位置及び変化を見出す方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、位置及び変化を判定するための技術的な構成及び方法の分野に関し、より詳細には、機械加工動作又は機械制御活動中に生じた位置偏差及び変化を判定するための、請求項１のプリアンブルで定義される装置、及び請求項４１のプリアンブルで定義される方法に関する。

さらに、本発明は、請求項６６のプリアンブルで定義される、タッチ・プローブの形態の品質管理ツールの位置を回転パーツの位置に関連付けることを可能にする品質管理タッチ・プロービング方法に関する。

機械式品質管理用システムとすることができる、典型的な機械システムに関連する重要なパーツを一意に識別することによってこの開示を単純にするために、以下でいくつかの一般用語の使用を説明する。

「機械」という用語は、切削、穿孔、旋削、研削、研磨、切断、曲げ加工、成形などのためのマシニング・センタ、ＥＤＭ（放電加工機）、ＣＭＭ（座標測定機）、タッチ・プローブ及びスタイラス位置検知機械、コンピュータ・ビジョン・システム、さらに単純な機械式のサポート構造、又は類似物など、任意の生産又は品質管理機械を指す。

「ワーク・ピース」は、機械加工しようとするか又は品質管理にかけようとするパーツを指す。機械加工されたか、又は品質管理を受けたワーク・ピース上の実際の領域は、「ワーク・エリア」と示される。

ワーク・エリアの実際の機械加工又は品質管理を実施するパーツ又はデバイスは、「ワーク・ツール」と示される。ワーク・ツールは、（切削、旋削、穿孔などのための）マシニング・ツール、放電加工ツール（ＥＤＭツール）、タッチ・プローブ又はスタイラス位置センサ、光学イメージング・センサ、電磁センサ、或いは類似物とすることができる。

本発明の装置の様々なサポート構造、ワーク・ピース、ワーク・ツール、ワーク・ホルダ、及びパーツを含む機械の全ての機械式のパーツを「機械パーツ」と呼ぶ。

機械などのワーク・ツール又は他の様々なパーツの「位置」などは、別段の記述がない限り、本書では、典型的には、他のパーツに対する位置、向き、又は前述のものの両方を意味するものとする。

「汚染物質」という用語は、この文脈では、機械パーツ上に残っている永久的ではない物質を表し、これらの物質は、油、水、切粉残渣、及び同様の特性を有する他の物質のうち１つ又は複数である。

「ビルドアップ」という用語は、より永久的にパーツに付着する物質として定義する。

「磨耗」という用語は、使用による機械パーツの寸法変化に関連する。

位置を見出すか、又は説明不能な位置及び幾何形状の変化が発生する可能性を打ち消すために、機械式タッチ・プローブ及びスタイラス検知、マクロスコープ及び顕微鏡による視検、レーザ・ビーム妨害検知、並びに圧力トランスデューサ検知など、いくつかの技術が一般的に使用されている。非特許文献１及び非特許文献２参照。

多くの場合、位置を静止したか又はほぼ静止した状況に制御するために、機械パーツの回転を遅くする時間はない。レーザ・ビーム妨害を除き、言及した技術は、高速で回転しているツールを制御する能力、及び十分な時間的解決策を有しない。タッチ・プローブは、位置検知用スタイラス先端部の使用によって静止したワーク・ピースの位置を判定する。ただし、マシニング・ツールが反対方向にゆっくり回転するようにされている場合に、様々なタッチ・プローブ手法を用いることができる。その場合は、タッチ・プローブ「先端部」は平坦な表面であり、それに接してマシニング・ツールが回転している。

最高速度で走る、回転しているワーク・ツールの非接触の位置制御のために、ワーク・ツールを、集束レーザ・ビームに近づけ、ビーム妨害の程度を読み取る手段を適用するようにすることができる。回転している機械パーツ、具体的にはワーク・ツール先端部の幾何形状を見出すためには、レーザ・ビーム妨害の繰返しの記録は十分には信頼できない。理論上は、レーザ妨害装置は働くことができるかもしれない。しかし、こうした技術は、時間を浪費することになり、パーツの汚染物質、磨耗、ビルドアップ間の区別が難しくなり、それにより信頼できない位置データを作成してしまうことになる。

本発明の発明者の１人は、特許文献１に、いわゆる基準パターンを光学技術と組み合わせて機械パーツの位置を互いに正確に関連付ける手法を記載している。その発明は、高速で回転している機械パーツの位置制御について説明していない。

国際特許出願番号ＰＣＴ／２００５／０００３３６号

「Ｍｏｄｅｒｎ ｍａｃｈｉｎｅ Ｓｈｏｐ’ｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｍｅｔａｌｗｏｒｋｉｎｇ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ」、Ｗｏｏｄｒｏｗ Ｃｈａｐｍａｎ編、ＩＳＢＮ：１−５６９９０−３４５−Ｘ、２００２、２３６８ページ、（Ｈａｎｓｅｒ Ｇａｒｄｎｅｒ出版） 「Ｍｏｄｅｒｎ ｍａｃｈｉｎｅ Ｓｈｏｐｓ Ｇｕｉｄｅ ｔｏ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ」、Ｗｏｏｄｒｏｗ Ｃｈａｐｍａｎ編、ＩＳＢＮ：１−５６９９０−３５７−３、２００４、９６８ページ（Ｈａｎｓｅｒ Ｇａｒｄｎｅｒ出版）

本発明の目的は、全体的な位置の読取りの正確さ及び速度、並びに機械の機械パーツ取扱いの信頼性を改善することによって、前述の制限及び欠点の全て又は一部を克服することである。したがって、本発明は、ワーク・ツール及び様々な機械パーツの位置を見出すことによって任意の機械の機械加工及び品質管理位置精度を改善し、汚染の影響を取り除き、ツール上のビルドアップ、磨耗、及び裂断の特徴を描写するために使用されるものである。具体的には、本発明の装置は、回転しているワーク・ツール上で適用するのに有用である。

本発明は、機械式及び光学機械式機械加工及び品質管理システムのパーツのパーツ位置関係を見出し、回転パーツ上の汚染物質の影響を取り除き、回転パーツの機械パーツの磨耗及び裂断、並びに機械加工材料のビルドアップの特徴を描写するための装置を提供し、この装置は、主に添付の独立請求項１に記載の特徴を有する。

本発明は、添付の独立請求項４１記載の特徴を有する、機械パーツ、すなわち本発明に従って作られた装置のパーツの位置関係及び幾何形状変化を見出し、汚染物質の影響を取り除くための方法を提供する。

請求項１の装置及び請求項４１の方法のさらなる有利な特徴は、それぞれ添付の従属請求項２〜４０及び４２〜６５に記載されている。

品質管理用タッチ・プロービング方法の本発明の特徴は、添付の請求項６６で定義され、そのさらなる実施例は、それぞれ請求項６７〜７０に記載されている。

本発明は、光学的非接触検知技術に依拠しており、外部の品質管理及び較正手段に依拠する必要なしに、鍵となる回転機械パーツに関する位置情報の更新を定期的且つ自動的に行うことができるプロセス内品質管理技術を提供することを目指している。

本発明は、パーツが油、水、機械加工切粉などの残渣によって汚染されているときでも、高速で回転しているパーツの位置及びサイズを判定する。特に、本発明は、基準パターンと呼ばれるパーツ細部の位置及びサイズを判定する。基準パターン・モデルを適用することによって、汚染物質の影響を取り除き、回転パーツの幾何形状変化を判定することも可能である。これは、基準パターン・モデルと基準パターン画像モデルとを注意深く区別することによって位置精度を確実に高める。

図面は必ずしも縮尺が正確ではなく、それらの図面では、同様の数字はいくつかの図を通して実質上同様の構成要素について述べている。接尾語が異なる同様の数字は、実質上同様の構成要素の異なる例を表す。図面は、限定の意図なしに例示によって、本開示で検討する様々な実施例を概略的に示す。

動作中の回転パーツを有する機械で用いる本発明の装置の第１の実例を全体的に示す。 動作中の回転パーツを有する機械で用いる本発明の装置の第１の実例を示す。 動作中の回転パーツを有する機械で用いる本発明の装置の第１の実例を示す。 動作中の回転パーツを有する機械で用いる本発明の装置の第２の実例を全体的に示す。 動作中の回転パーツを有する機械で用いる本発明の装置の第２の実例を示す。 動作中の回転パーツを有する機械で用いる本発明の装置の第２の実例を示す。 動作中の回転パーツを有する機械で用いる本発明の装置の第３の実例を全体的に示す。 動作中の回転パーツを有する機械で用いる本発明の装置の第３の実例を示す。 動作中の回転パーツを有する機械で用いる本発明の装置の第３の実例を示す。 動作中の回転パーツを有する機械で用いる本発明の装置の第４の実例を全体的に示す。 動作中の回転パーツを有する機械で用いる本発明の装置の第４の実例を示す。 動作中の回転パーツを有する機械で用いる本発明の装置の第４の実例を示す。 ２対の照明器及び光学式検出器を有する、動作中の回転パーツを有する機械で用いる本発明の装置の第５の実例を全体的に示す。 ２対の照明器及び光学式検出器を有する、動作中の回転パーツを有する機械で用いる本発明の装置の第５の実例を示す。 回転しているワーク・ツールを制御するために用いられる同じ構成が、この図のロードしていないタッチ・プローブのような、静止したワーク・ツールを考察するように簡単に適合することができることを示す。 回転しているワーク・ツールを制御するために用いられる同じ構成が、この図のロードしていないタッチ・プローブのような、静止したワーク・ツールを考察するように簡単に適合することができることを示す。 回転しているワーク・ツールを制御するために用いられる同じ構成が、この図のロードしていないタッチ・プローブのような、静止したワーク・ツールを考察するように簡単に適合することができることを示す。 回転しているワーク・ツールを制御するために用いられる同じ構成が、この図のタッチ・プローブの起動位置制御のような、ほぼ静止したワーク・ツールを考察するように簡単に適合することができることを示す。 回転しているワーク・ツールを制御するために用いられる同じ構成が、この図のタッチ・プローブの起動位置制御のような、ほぼ静止したワーク・ツールを考察するように簡単に適合することができることを示す。

次に最初に、図１を参照して本発明を説明する。図１〜図５は、本発明によって包含される機械を概略的に例示し、これらの機械内の回転パーツに組み込まれた基準パターンを３４に例示する。これらの基準パターン３４は、幾何学的なパーツ細部又はパーツ表面構造とすることができる。

図１に、本発明の鍵となる概念を示す機能上のダイヤグラムを示す。光学式検出器２４及び照明器４２は、機械パーツ１６に固定される。照明器４２は、回転している機械パーツ２２を光路５６Ａに沿って照明し、光学式検出器２４は、同じ機械パーツを光路５６Ｂに沿って観察する。回転している機械パーツ２２の基準パターン・モデル３６又は基準パターン画像モデル５２の参照を含む、パーツ位置測定器４４への要求５０に基づいて、パーツ位置測定器４４は照明器４２の制御５４を定義する。照明器４２は、回転している機械パーツ２２にパルス照明を与えて、回転ぶれを光学的に低減し画像照射タイミングの再構築を可能にする。光学式検出器２４からの画像はタイマ３８によって制御され、照明器４２からの光パルスはタイマ４０によって制御され、性能を改善するためにそれらのタイマは同期７６される。機械パーツ２２の一部を成す基準パターン３４の画像は、光学式検出器２４によって検出され、基準パターン画像５８に変換され、パーツ位置測定器４４によって記録される。パーツ変化制約６８に基づいて、パーツ位置測定器４４は、基準パターン画像モデル５２に対する基準パターン画像５８の変化から計算される機械パーツの変化７２を判定する。機械パーツ変化７２を導くために、パーツ位置測定器４４は、機械位置データ６０を考慮したパーツ幾何形状関係７０についての知識を適用する。

図１ａは、フライス盤、旋盤、ボール盤、型彫りＥＤＭ（放電加工機）、ＣＭＭなどの機械を表す、機械の一例を全体的に示す概略図面である。明確にするために光学アセンブリ２６はｚ軸周りを９０度回転しており、すなわちワーク・ツール２２はむしろ、光学アセンブリ２６の開放した隙間、すなわち検出ゾーン７８を通って並進すべきであることに留意されたい。この図は、最高速度で回転している切削ツール２２の位置制御を示す。図１ｃの拡大したワーク・ツール先端部は、油、水及び機械加工切粉残渣などの汚染物質６２を含むことができる切削ツールを示す。ツールは、確実に特徴を描写する必要がある磨耗６６及びビルドアップ６４によって影響を受けることもある。

図２ａは、フライス盤、旋盤、ボール盤、型彫りＥＤＭ（放電加工機）、ＣＭＭ、較正ジグなどの機械を表す、機械の一例を全体的に示す概略図面である。この図は、回転している較正ピン２２の位置制御が、機械に対する光学式検出器２４及び光学アセンブリ２６の位置合わせ及び制御の較正を助けることができる手法を示す。

図３ａは、フライス盤、旋盤、ボール盤、型彫りＥＤＭ（放電加工機）、ＣＭＭなどの機械を表す、機械の一例を全体的に示す概略図面である。この図は、回転しているワーク・ツール２２の位置制御を示す。図３ｂ〜図３ｃの拡大図にバー形状のＥＤＭダイ２２を示す。破線は基準パターン・モデル３６を示し、実線は磨耗したダイの輪郭を示す。基準パターン３４Ａ、３４Ｂの画像は、１回転のスキャンで記録され、基準パターン３４Ｅ、３４Ｆの画像はもう１回転のスキャンで記録される。図３ｂ〜図３ｃでは、視野７４のサイズが矩形で示される。

図４ａは、フライス盤、旋盤、ボール盤、型彫りＥＤＭ（放電加工機）、ＣＭＭなどの機械を表す、機械の一例を全体的に示す概略図面である。この図は、表面からの反射光によってツールが観察される回転ワーク・ツール２２の位置制御を示す。単純にするために、図４ｂ〜図４ｃの拡大図にバー形状のＥＤＭダイ２２を示す。基準パターン３４Ａ、３４Ｂの画像は１回転のスキャンで記録され、基準パターン３４Ｅ、３４Ｆの画像はもう１回転のスキャンで記録される。基準パターンは、ダイの表面構造３４である。図４ｂ〜図４ｃでは、視野７４のサイズは矩形で示される。

図５ａおよび５ｂに、他で示したものと同様の２つの照明器４２／光学式検出器２４の構成の組合せを示す。照明器４２Ａと光学式検出器２４Ａとの間、及び照明器４２Ｂと光学式検出器２４Ｂとの間の光路の組合せは、回転ワーク・ツール２２についての完全な３Ｄデータを三角法で測定するのを助ける。照明器／検出器の組合せは、図示のような１つの光学アセンブリ２６中に配置する必要はない。空間要件に応じて、機械内部で別々に置くことができる。

図６ａ〜６ｃは、回転しているワーク・ツール２２を制御するために用いられる同じ構成を、この図のロードしていないタッチ・プローブ２２のような、静止したワーク・ツールの位置を見出すように簡単に適合させることができることを示す。すなわち、機械ツール及び品質管理ツールに正確に空間中の同じ位置を参照させることができる。

図７は、回転しているワーク・ツール２２を制御するために用いられる同じ構造を、この図のタッチ・プローブ２２の起動位置制御のような、ほぼ静止したワーク・ツールの位置を簡単に見出すようにすることができることを示す。この図は、タッチ・プローブがそれに接して起動することができるガラス・キューブ１００を空気によって視野に導入することによって、起動位置を見出すことができることを示す。この起動位置を見出すために、透明のすりガラス・シート３４がガラス・キューブ１００に貼り付けられる。機械ツールのための空間を設けるために、ガラス・キューブは、空気制御によって検出ゾーンから引き出される。

以下の詳細な説明で、特有の図によって開示するが単に本発明を実施できる手法の実施例を拡大する、本明細書の一部を成す添付の図面を参照する。これらの実施例を、当業者が本発明を実施できるように十分に詳細に説明し、本発明の概念から逸脱することなく、２つ以上の実施例を組み合わせることができるか、又は他の実施例に到達できるように構造的に、論理的に、且つ電気的に変更することができることを理解されたい。したがって、以下の詳細な説明を限定的にとらえるべきではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びそれらの技術的な等価物によって定義される。

機械パーツの「基準パターン」という用語は、そのパーツの表面構造自体を含む幾何形状の特徴である。「基準パターン画像」は、光学式検出器によって与えられるその基準パターンの画像である。「基準パターン画像モデル」は、画像の歪みなどを含む光学式検出器の２Ｄ画像投影で見るときに、基準パターン画像の幾何形状の特徴を説明する数学的モデルである。「基準パターン・モデル」は、それが空間中に与えられるか、又は逆方向の投影によって与えられるように見るときに、基準パターンの２Ｄ及び３Ｄの幾何形状を説明する数学的モデルである。すなわち、基準パターン・モデルは、数学的な画像の説明によって基準パターン画像モデルに幾何学的にマップされる数学的モデルである。

以下の実例では、参照座標フレーム位置、又は単にフレームは、構成要素又はより大きい構造の一部の、他の構成要素又はより大きい構造の一部に対する向きを含む位置を表す。フレーム位置の仕様は、公称位置と測定位置の両方を表すことができる。「フレーム関係」という用語は、フレーム位置を表し、また、構成要素又はパーツが機械的又は光学的に接続されること、或いはより大きい構造のパーツが機械的に連結されることを表す。最も単純な形態の１つでは、フレーム関係は、例えば、機械サポート構造、機械内部の移動パーツ、その移動パーツに固定されたパーツ、及びサポート構造に固定された光学式検出器を表す、４つのフレームについてのみ説明することができる。次いで、移動パーツに固定されたパーツの位置を、光学式検出器によって提供されるデータから判定することができる。他の場合には、参照フレーム関係は、より複雑な機械的構造を表すことができる。本書によってカバーされる適用例内のフレーム適用の基本的な原理は、特許文献１に記載されている。

「実例１」
図１ａは、フライス盤、ボール盤、旋盤、型彫りＥＤＭ、ワイヤＥＤＭ、ＣＭＭ、又は類似物などの機械を表すことができる機械を例示によって示す概略図面である。これらの機械は、ある範囲の異なる機械的構成を備えることができるが、全て本発明による装置を備えることができる。これらの機械の鍵となるいくつかの要素を、（直行する２つの並進ｘ、ｙ及び同じ軸周りの回転のような移動を行う）ワーク・ピース・キャリア２８、（この実例ではｘ及びｚ方向２つの並進を行う）ワーク・ツール・キャリア１０、ワーク・ツール・チャック１２、位置エンコーダ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、並びにサポート構造として示す。このサポート構造は、この実例では、ベース・サポート１６、機械サポート・リンク１８、及びワーク・ツール・サポート２０を含むように示される。この機械の構成及び実例の目的は、光学式検出器２４の位置に対するワーク・ツール２２のカッタ縁部の位置を見出すことである。光学式検出器２４は、光学アセンブリ２６を介してベース・サポート１６に固定される。この実例では、ワーク・ツール２２は、ワーク・ツール・チャック１２に固定され、ワーク・ツール２２は、回転周に沿って均等に分配された４つのカッタを有する切削ツールである。ワーク・ツール・キャリア１０、ワーク・ツール・サポート２０、及びワーク・ピース・キャリア２８によって、光学アセンブリ２６及びベース・サポート１６に対して切削ツール２２を移動させると、位置及び幾何形状の測定を行うのに必要な変位が実行される。プロセス中に、これらのキャリアの位置は、位置エンコーダ１４Ａ、１４Ｂ、及び１４Ｃの配置で読み取られる。図示を簡単にするために、光学アセンブリ２６はｚ軸の周りを９０度回転していることに留意されたい。

図１ａ〜図１ｃに、ワーク・ピース３０の機械加工のための生産ツールである切削ツール２２を示す。その切削ツール２２の先端部には、実際に機械加工／切断動作を行うカッタ３２がある。本実例は、小径の切削ツール２２が高速で、例えば２７０００ｒｐｍ（１分当たりの回転）で回転している間の、他の機械パーツに対するカッタ縁部位置の見出し方を示す。切削ツール２２が新しく、４つのきれいなカッタ縁部３４を有し、パラメトリック基準パターン・モデル３６が用いられると仮定する。さらに、光学式検出器２４のタイマ３８及び照明器４２のタイマ４０は同期信号７６を交換しないと仮定する。本実例では、各カッタ縁部３４のラジアル距離及び長さを個別に見出すものとする。ツールを測定するときは、位置エンコーダ１４Ｂ、及び１４Ｃの位置も読み取られる。これらの位置は、機械の位置６０を表す。

本実例を図１ａ〜図１ｃに示す。コンピュータ、パーソナル・コンピュータ、専用プロセッサ、又は類似物内のプロセスとして、パーツ位置測定器４４を実施することができる。この実例では、パーツ位置測定器４４のプロセスは、２つのコンピュータ、すなわち光学アセンブリ２６の制御及び監視専用の追加のコンピュータ４８と共に機械ＮＣ（数値制御）コンピュータ４６によって実行されると仮定する。

機械パーツは回転している切削ツール２２であるという他のコンピュータ（図１ａ〜図１ｃには図示せず）から、要求５０が入力される。その要求５０は、切削ツール２２のタイプ（例えばブル・ノーズ、平坦な端部、カッタ先端部を有する切削ヘッドなど）、カッタ数、公称寸法をパラメータで定義し、こうした情報に基づいて公称内部基準パターン・モデル３６を構築し適用すべきである。このＮＣコンピュータ４６は、その要求５０に、回転速度が例えば２７０００ｒｐｍであることを追加する。基準パターン・モデル３６と基準パターン画像モデル５２は区別されることに留意されたい。基準パターン・モデル３６は、空間中の２Ｄ／３Ｄモデル特性の説明である。基準パターン画像モデル５２は、画像の歪みなどを含む、そのモデルの２Ｄ投影画像である。パーツ位置測定器４４は、あるモデルの幾何形状データを他のモデルから導くことができる。要求５０は、必要とされる測定の質を定義することもできる。照明器４２が、基準パターン３４のパルス照明を光路５６Ａに沿って作り出すために必要な制御データ５４をコンピュータ４８から受け取る。

予測可能な光学式検出器２４の照射タイミングを作り出し、回転運動を光学的に静止させるために、照明器４２は、本実例では、例えば１マイクロ秒の繰返し率で、内部タイマ４０で走る専用の電子回路を含む。光学式検出器２４は、１秒当たり６０画像の割合でタイマ３８の割合で自走する。切削ツールが２７０００ｒｐｍの速度で回転する間に、光路５６Ｂに沿ってカッタ縁部の基準パターン３４の基準パターン画像５８を記録する。それらの画像はコンピュータ４８に中継される。切削ツール２２及びそのカッタ縁部３４の拡大回転図を図１ｂおよび図１ｃに示す。図１ａおよび図１ｂの座標軸は異なる図の向きを示す。カッタ縁部３４は照明器４２によって後方から照明され、基準パターン画像５８は、異なる角度方向でのカッタ縁部３４の影の画像である。ＮＣコンピュータ４６からの入力した要求５０に基づいて、コンピュータ４８は、記録する基準パターン画像５８の最適な数を計算する。コンピュータ４８は、照明の計算を、経験からうまくいくと分かっている画像の標準の数に基づかせることもある。この数が１００画像であると仮定する。画像を円周に沿って均等に分配すると、１００画像は、３６０／１００＝３．６度当たり１画像になる。

次いで、コンピュータ４８は、１００画像がほぼ均等に間隔を空けて配置された状態で、照明器４２がカッタ縁部３４の全周を照明できるようになるパルス幅及び繰返し率を計算する。２７０００ｒｐｍは、１秒当たり４５０回転に等しい。１．６６秒（１秒当たり６０画像の割合で１００画像）で全周をカバーするためには、これは、照明パルス割合が４５０（１００／１０１）＝１秒当たり４４５．５パルスを与えることになる。回転運動を光学的に静止させるには、パルス幅は、回転サイクルの通過時間の１００分の１、すなわち１／（４５０×１００）＝０．００００２２２秒（２２．２マイクロ秒）より小さくすべきである。これらの照明パラメータは、コンピュータ４８から照明器４２に制御５４信号として伝達される。照明器４２は専用の電子回路を含み、その電子回路は、制御５４に基づいて、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）によって、計算した照明パルスを生み出すことができる。

基準パターン画像５８は、周知の手段によって、変換／デジタル化され、コンピュータ４８の動作のために利用可能である。コンピュータ４８は、１．６６秒でこれらの１００画像を保存する。エンコーダ１４Ｂ及び１４Ｃの位置によって表される切削ツール２２の機械位置６０は、ＮＣコンピュータ４６によって遅れることなく記録される。光学式検出器２４は２Ｄ（２次元）配列カメラである。照明器４２も光学式検出器２４も、光学アセンブリ２６によってベース・サポート１６に固定される。

それらの連続した画像は、回転サイクルの任意の角度開始位置で記録されるので、コンピュータ４８は最初に、各基準パターン画像５８にそれらの正確な角度位置を参照させなければならない。そのようにするには、それらの画像の極度に＋ｙのカッタ縁部位置の関数を画像数の関数として作り出す。この関数から、それらの画像に対する最大の角度位置を計算する。これは、４つのカッタ縁部について、４つの関数の最大値を作る。それらの４つの最大値のそれぞれに最も近くに隣接する画像もある。これらの画像は、カッタ縁部３４の第１基準画像５８としてマークされる。回転軸が画像の中心の近くに位置し、切削ツールの直径が光学式検出器２４の視野の幅より小さいと仮定する。これは、コンピュータ４８が上記の計算を−ｙ方向でも繰り返して、カッタ１つ当たり事実上２つの第１基準画像５８を作り出すことができることを意味する。

基準パターン・モデル３６は、図１ｃでは破線で示される。明確にするために、カッタ縁部３４の１つの影の輪郭を表す実線に比べてわずかに右にシフトしている。本実例はカッタ縁部３４が新しくきれいであると仮定され、すなわち汚染物質６２が小さく、縁部にビルドアップ６４が蓄積されていないか又は磨耗６６が始まっていないと仮定され、すなわち、この実例では、影の画像が図１ｂの拡大図により似ている。本実例では、パーツ変化制約６８は、ｙ及びｚ方向でシフト可能なカッタ縁部位置によって定義される。パーツ変化制約６８は、予め定義されコンピュータ４８に格納される。このシフトは、チャック１２の内側への切削ツール２２の位置決めによるか、又はカッタ縁部３４の位置が公称モデル３６の位置とはわずかに異なるように製造されることによるかもしれない。

ＮＣコンピュータ４６は機械位置６０を扱う。本実例では、それらは、機械位置６０を含むフレーム・ループ評価のためにコンピュータ４８に中継される。位置エンコーダ１４Ｂのデータは、ワーク・ツール・サポート２０に対するワーク・ツール・キャリア１０の位置を表すフレーム位置１０に追加される。位置エンコーダ１４Ｃのデータは、機械サポート・リンク１８に対するフレーム位置２０を表すフレーム２０の位置に追加される。

パーツ位置測定器４４の初期の状況は、パーツ幾何形状関係７０によって定義され、そのパーツ幾何形状関係７０は、より早く較正されパーツ位置測定器４４のコンピュータ４８に格納される。光学アセンブリ２６の位置合わせ及び較正時には、光学アセンブリ２６に関連するパーツ幾何形状関係７０が作られている。例えば実例４参照。これにより、光学式検出器２４が基準パーツ画像モデル５２を含み切削ツール２２が基準パターン・モデル３６を含む、初期のパーツ幾何形状関係７０は確実に互いに一致し、すなわち例えば全ての座標フレームが幾何形状内の空間位置を正確に再生し、特に、図１ａのパーツ幾何形状関係７０の閉ループを通した位置の計算が自己再現する。パーツ位置測定器４４は、対応する回転参照パーツに関連する少なくとも１つの予め作製された基準パターン・モデル３６又は基準パターン画像モデル５２を作り出し、受け取り、格納し、それによりこうした回転参照パーツの少なくとも１つの基準パターン・モデルを確立する手段を有している。

カッタ縁部３４の第１基準パターン画像５８、上記で言及した最大位置からのそれらの画像の角度距離、及び対応する機械位置データ６０は、コンピュータ４８のパーツ幾何形状関係７０を更新することによって対処される（最も単純な場合では、機械位置データ６０をＮＣコンピュータ４６からコンピュータ４８に転送する必要がない。コンピュータ４８は、固定した組の機械位置データ６０を仮定することができ、ＮＣコンピュータ４６がパーツ変化データ７２を受け取るときに、機械位置データ６０を考慮に入れる）。コンピュータ４８は最初に、生データのバージョンの基準パターン画像５８を計算し、次いで、最大の位置にそれらのデータを回転させる。その生データは、従来の画像処理の縁部を見出すルーチンによって見出される。任意選択で、コンピュータ４８は、（スプラインを反復して変形し、スプラインと生データとの間の距離の最小二乗和の最小値を見出すことによって）数学的なスプラインを最小二乗法でそれらのデータに適合させる。こうしたスプラインは、適合基準パターン画像モデル５２Ａと呼ぶものとする。

コンピュータ４８は、上記で計算した回転させた生データ位置に最も良くフィットする、基準パターン画像モデル５２のｙ及びｚ変位を計算する。コンピュータ４８は最初に、基準パターン画像モデル５２を説明する数学的なスプライン関数を生み出す。次いで、回転させた生データに最も良くフィットするように、この画像モデルをｙ及びｚ方向で反復して変位させる。ここでｙ位置は回転中心部からのラジアル距離を表し、ｚ位置はツール・カッタの長さを表す。ｙ及びｚ方向に画像モデル・スプラインを反復して並進させ、スプラインと生データとの間の距離の最小二乗和の最小値を見出すことによって、スプライン変位を計算する。或いは、適合基準パターン画像モデル５２Ａ及び基準パターン画像モデル５２それぞれのｙ及びｚ極値を見出し、互いからそれらの値を引くことによって、これらの変位を見出すことができる。上記の計算は、４つ全てのカッタ縁部３４に関して繰り返される。

回転させたカッタ縁部画像５８を説明する、適合スプライン関数５２Ａを、この識別したカッタ縁部の幾何形状を具体的に表す新しい基準パターン画像モデル５２に変換できることに留意されたい。この新しいモデルにより、現在の状況に対するこの特有のカッタ縁部の磨耗及びビルドアップを後でチェックすることが可能になる。

図１ａに示すように、カッタ縁部３４は、カッタ３２、切削ツール２２、ワーク・ツール・チャック１２、ワーク・ツール・キャリア１０、ワーク・ツール・サポート２０、機械サポート・リンク１８、及び光学アセンブリ２６を介して光学式検出器２４に機械的に連結される。カッタ縁部３４は、光学式検出器２４に光学的にも接続される。これで、フレーム・ループ（２４−３２−２２−１２−１０−２０−１８−２６−２４）と呼ぶものが作り出される。パーツ位置測定器４４は、カッタ縁部半径（ｙ）及び長さ（ｚ）位置を見出すために要求５０を受け取る。コンピュータ４８は、このループの全てのフレーム位置が互いに一致するようになるように基準パターン・モデル３６をｙ及びｚ方向に並進させることによってカッタ縁部位置を見出す。所与の位置で開始し、閉ループを通してマップされた位置を計算することにより、同じ位置に戻るはずであると分かる。すなわち、本発明のパーツ位置測定器４４の鍵となる一目的は、位置がループ全体にわたってマップされたときに、所与の閉ループのメンバである全ての位置がそれらの自体に戻って確実にマップされることである。次に、カッタ縁部が初期の基準パターン・モデル３６に対して他の位置にあるときは、ループ（２４−３２−２２−１２−１０−２０−１８−２６−２４）のフレーム位置は、もはや互いに一致しない。次いで、パーツ位置測定器４４は、基準パターン・モデル３６を表すフレームのみがｙ及びｚ方向で並進できるパーツ変化制約６８を適用する。機械位置６０によって対処されるキャリア１４Ｂ及び１４Ｃの変位を除き、他のフレームが全て互いに対して移動していないと仮定される。

特許文献１には、ループの不一致を解くために使用できる、ある範囲の数学的方法が記載されている。ここで、一貫性を復元する数学的問題は、異なるフレーム間の変換を説明する１組の一次方程式を解くことによって得られると仮定する。これは、３Ｄ（いわゆる同次座標による３次元の並進及び回転）を説明する４×４行列の使用によって実現することができる。本実例では、元の基準パターン画像モデル５２位置と新しい位置との間のｙ−ｚ並進は、（上記のスプライン最小二乗計算によって見出される）２つの周知の値であり、基準パターン・モデル３６および探索されたパーツ変化７２のｙ−ｚ並進は、２つの未知の値である。このようにして、パーツ位置測定器４４は、基準パターン・モデル３６の並進を計算し、それによりカッタ縁部位置も計算する。

基準パターン画像モデル５２がシフトする場合は、光学式検出器２４のサイズの大部分、光学的歪みが精度に影響を及ぼすことがある。その場合は、基準パターン画像５８との基準パターン画像モデル５２の比較は、非線形の数学的方法によって見出さなければならないことがある。このような手法の１つは、初期の基準パターン画像モデル５２中で基準パターン・モデル３６のカウンターパートに位置をマップし、次いで基準パターン・モデル３６の位置を変化させ、最後に基準パターン・モデル３６から戻って基準パターン画像モデル５２に位置をマップすることである。このプロセスは、必ずしもそうではないが、反復して繰り返さなければならないことがある。最後のステップは、上記で説明した線形の手法に基づくことができる。この手法によって、基準パターン画像モデル５２がシフトするにつれて、光学的歪みを補償するように形状も変化し、基準パターン画像５９との比較がより正確になる。こうした（反復）マップ手法の最終的な結果は、基準パターン画像モデル５２の新しい探索位置及び形状と、基準パターン・モデル３６の新しい位置との両方になる。この探索したパーツ変化７２は、この基準パターン・モデル３６の位置変化によって与えられる。

先に、記録した幾何形状に数学的関数、スプラインを適合することによる新しい基準パターン画像モデル５２Ａの作り方を見た。或いは、各カッタ縁部３４がこの切削ツール２２に最も良くフィットする代替の適合を表すように、シフトした基準パターン・モデル３６をとることができる。ツールがきれいであると仮定する。したがって、この新しいモデルは、そのＩＤでこうした特定の切削ツール２２を説明する新しい基準パターン・モデル３６として保存することもでき、後でこの初期状態からの磨耗及びビルドアップをチェックすることが可能になる。

「実例２」
この実例は、実例１と同様であるが、切削ツール２２の直径がより大きく、低速で、例えば７２００ｒｐｍ（１分当たりの回転数）で回転している。照明器のパルスは光学式検出器の画像タイミングと同期７６される。縁部３４は、本実例では、油、水、機械加工切粉などの残渣によって汚染されているかもしれない。切削ツール２２は、ＩＤ（識別番号）を有するツールである。こうした識別したツールのために特別に作られた基準パターン画像モデル５２が適用される。実例１は、こうしたモデルを作製できる手法を示す。

本実例を図１ａ〜図１ｃに示す。コンピュータ、パーソナル・コンピュータ、専用プロセッサ、又は類似物内のプロセスとして、パーツ位置測定器４４を実施することができる。この実例では、パーツ位置測定器４４のプロセスは、光学アセンブリ２６の制御及び監視専用のプロセスと機械ＮＣ（数値制御）の両方に対処するコンピュータによって実行されると仮定する。機械パーツが、例えば７２００ｒｐｍの速度で回転している回転切削ツール２２であるという要求５０がキーボードから入力される。要求５０は、切削ツール２２のＩＤを特定し、以前に作った基準パターン画像モデル５２を用いるべきであることを特定する。その要求は、例えば３．６度の角度回転分解能から見て必要な測定の質を定義することもできる。照明器４２が、基準パターン３４のパルス照明を光路５６Ａに沿って作り出すために制御５４を位置測定器４４から受け取る。

回転運動を光学的に静止させ、予測可能な基準パターン画像５８の照射及び照射タイミングを獲得するために、照明器４２は、本実例では、例えば０．１マイクロ秒の繰返し率で、内部タイマ４０で走る専用の電子回路である。光学式検出器２４が、タイマ３８によって提供される１秒当たり４５画像のタイミングの割合で自走する。切削ツールが７２００ｒｐｍの速度で回転する間に、光路５８Ｂに沿ってカッタ縁部の基準パターン３４の基準パターン画像５８を記録する。それらの画像はパーツ位置測定器４４に中継される。

切削ツール２２及びそのカッタ縁部３４の拡大回転図を図１ｂ〜図１ｃの拡大図に示す。図１ａ〜図１ｂの座標軸は異なる図の向きを示す。図１ｃに、油、水、及び機械加工切粉残渣による汚染物質６２を示す。本実例では、カッタ縁部がビルドアップ６４又は磨耗６６を含むと仮定しない。カッタ縁部３４は照明器４２によって後方から照明され、基準パターン画像５８は、異なる角度方向でのカッタ縁部３４の影の画像である。

切削ツールが７２００／６０＝１秒当たり１２０回転の速度で回転し、光学式検出器２４が１秒当たり４５画像で動作するときに、１画像当たり通過する縁部の数が非整数になる。すなわち、照明パルスが、均等に間隔を空けて配置された連続パルスとして作られた場合は、基準パターン画像５８は、輝度がちらつき、照射の中心時間はわずかに予測不能な形で変動することになる。その問題に取り組むために、本実例では、照明器のパルス・タイミングが、照明器タイマ４０の０．１マイクロ秒以内の精度で光学式検出器のタイミング３８に同期７６されると仮定する。パーツ位置測定器４４は、１画像当たりのパルスの数を同じにする照明パルス列を計算し、ここで、それらのパルスの正確な照射中心時間により、切削ツールの円周に沿った角度間隔記録が予測可能であるがわずかに不均一になる。本実例では、１画像当たりのパルスの数は切り捨てられて２である。７２００ｒｐｍのツール回転速度、及び入力要求３．６度の角度回転分解能を定義することに基づいて、パーツ位置測定器４４は、各画像内のパルス幅及びパルス距離を計算する。７２００ｒｐｍは、１秒当たり１２０回転に等しい。２．２２秒（１秒当たり４５画像の割合で３６０／３．６＝１００画像）で全周をカバーするためには、これは、各画像内で、照明パルス距離を１／１２０秒に等しくすることになる。回転運動を光学的に静止させるためには、パルス幅は、角度分解能幅の通過時間、すなわち（１／１２０）×（３．６／３６０）＝０．００００８３（８３マイクロ秒）より小さくすべきである。

これらの照明パラメータは、パーツ位置測定器４４から照明器４２に制御５４信号として与えられる。パーツ位置測定器４４の内部パルス計算により、画像シフト付近（「ブランキング」期間）では確実にパルスが作られない。ツールの全周は１００角度位置（１００画像）に分割される。パーツ位置測定器４４は、１００の位置全てがほぼ均等に間隔を空けて配置された記録でカバーされるまで、各画像のパルス列のタイミングが同じ角度位置を参照し、次の画像がツールの円周に沿って他の角度位置を参照することも確実にする。回転速度が画像の割合より遅い場合は、この計算は、各画像間の角度位置の、１００より小さい素数をとばすことに依拠することができる。基準パターン画像５８は、周知の手段によって、変換／デジタル化され、パーツ位置測定器４４の動作のために利用可能である。パーツ位置測定器４４は、所与の２．２２秒でこれらの１００画像を保存する。エンコーダ１４Ｂ及び１４Ｃの位置によって表される切削ツール２２位置、すなわち機械位置６０は、パーツ位置測定器４４によって遅れることなく記録される。

本発明の概念は、光学式検出器２４のタイマ３８及び／又は照明器４２のタイマ４０がツール２２の回転に同期される必要がない、すなわち回転計の読取りの必要がないことである。それらの連続した画像は、回転サイクルの任意の角度開始位置で記録されるので、パーツ位置測定器４４は最初に、各基準パターン画像５８に識別した角度位置を参照させなければならない。そのようにするには、パーツ位置測定器４４は、全ての画像の極度に＋ｙのカッタ縁部位置の関数を画像数の関数として作り出す。この関数から、それらの画像に対する最大の角度位置を計算する。これは、４つのカッタ縁部について、４つの関数の最大値を作る。それらの４つの最大値のそれぞれに最も近くに隣接する画像もある。これらの画像は、カッタ縁部３４の第１基準パターン画像５８としてマークされる。ツールの直径が大きいので回転軸が光学式検出器２４の視野の外側に位置し、カッタ縁部の極度に＋ｙの位置が画像の中心の近くに置かれると仮定する。この位置にツールがある状態で、４つの第１縁部画像が記録される。

次いで、もう一方の面でそれらの４つの画像を記録するために、他の連続した画像が記録及び分析される前に、機械は、切削ツールをそれ自体の直径だけｙ方向に移動させることになる。これらの片側のラジアル位置測定の場合は、回転軸の位置を知る必要がある。回転軸の位置は、より早くパーツ位置測定器４４中に較正されると仮定し、そうでない場合はとりわけその種の較正の一例を説明する実例４を参照されたい。基準パターン・モデル３６は、図１ｃでは破線で示される。明確にするために、第１基準パターン画像５８の１つを表す実線に比べてわずかに右にずらしている。本実例は、カッタ縁部３４が汚染物質６２含むと仮定している。本実例では、パーツ変化制約６８は、ｙ及びｚ方向で径方向にシフトすることが可能なカッタ縁部位置によって定義される。このシフトは、チャック１２の内側への切削ツール２２の位置決め、又はカッタ縁部３４の位置が公称モデルの位置とはわずかに異なるように製造されることによるかもしれない。

先に説明したように、機械位置データ６０は、対応するフレーム位置に追加される。パーツ位置測定器４４の初期の状況は、パーツ幾何形状関係７０によって定義され、そのパーツ幾何形状関係７０は、より早くパーツ位置測定器４４中に較正される。光学アセンブリ２６の位置合わせ及び較正時に、光学アセンブリ２６のパーツ幾何形状関係７０が作られる。例えば実例４参照。これにより、光学式検出器２４が基準のパーツ画像モデル５２を含み、切削ツール２２が基準パターン・モデル３６を含む、図１ａの初期のパーツ幾何形状関係７０が確実に互いに一致する。この実例では、基準パターン画像モデル５２は、視野の中心に置かれ、全ての座標フレームが幾何形状内の空間位置を正確に再生するように作られ、特に、図１ａのパーツ幾何形状関係７０の閉ループを通した位置の計算が自己再現することを保証する。

カッタ縁部３４の第１基準パターン画像５８、上記で言及した最大位置からのそれらの画像の角度距離、及び対応する機械位置データ６０は、パーツ位置測定器４４のパーツ幾何形状関係７０中に供給される。パーツ位置測定器４４は最初に、生データのバージョンの第１基準パターン画像５８を計算し、最大の位置にそれらのデータを回転させる。その生データは、従来の画像処理の縁部を見出すルーチンによって見出される。次いで、パーツ位置測定器４４は、上記で計算した回転させた生データ位置に最も良くフィットする、基準パターン画像モデル５２のｙ及びｚ変位を計算する。パーツ位置測定器４４は、基準パターン画像モデル５２を説明する数学的スプライン関数を生み出す。次いで、回転させた生データに最も良くフィットするように、この画像モデルをｙ及びｚ方向で反復して変位させる。ｙ及びｚ方向にモデル・スプラインを反復して並進させ、スプラインと生データとの間の距離の最小二乗和の最小値を見出すことによって、スプライン変位を計算する。

次いで、汚染物質６２の影響を取り除くには、パーツ位置測定器４４は、両方ともスプラインに沿った特定の長さより小さく画像モデル５２からの特定の閾値距離の外側にある全ての生データを取り除く。精度を改善するためには、こうした取り除くプロセスを数回繰り返すことができる。最終結果は、わずかに変位した基準パターン画像モデル５２である。

任意選択で、パーツ位置測定器４４は、スプラインを反復して変形し、スプラインと生データとの間の距離の最小二乗和の最小値を見出すことによって、最小二乗法で数学的なスプラインを残りの生データに適合させる。こうしたスプラインを適合基準パターン画像モデル５２Ａと呼ぶものとする。或いは、次いで、適合基準パターン画像モデル５２Ａ及び基準パターン画像モデル５２スプラインそれぞれのｙ及びｚ極値を見出し、それらの値を互いから引くことによって、変位を見出すことができる。４つ全てのカッタ縁部に関して上記の計算を繰り返す。回転カッタ縁部画像５８を説明し汚染物質６２の影響を取り除いた、適合基準パターン画像スプライン関数５２Ａは、特に、識別したカッタ縁部の幾何形状を表す新しい基準パターン画像モデル５２に変換できることに留意されたい。この新しいモデルにより、こうした特定のカッタ縁部の磨耗及びビルドアップを後でチェックすることが可能になる。本実例の全てのスプライン計算の代わりに、他のいくつかの平滑適合関数が働くこともできることに留意されたい。

図１ａに示すように、カッタ縁部３４は、カッタ３２、切削ツール２２、ワーク・ツール・チャック１２、ワーク・ツール・キャリア１０、ワーク・ツール・サポート２０、機械サポート・リンク１８、及び光学アセンブリ２６を介して光学式検出器２４に機械的に連結される。基準パターン３４は、光学式検出器２４に光学的にも接続される。これで、フレーム・ループ（２４−３２−２２−１２−１０−２０−１８−２６−２４）と呼ぶものが作り出される。パーツ位置測定器４４は、カッタ縁部半径（ｙ）及び長さ（ｚ）位置を見出すために要求５０を受け取るか又は発行する。基準パターン画像モデル５２の画像変位の結果、パーツ位置測定器４４は、基準パターン・モデル３６をｙ及びｚ方向に並進させることによって、またこのループの全てのフレーム位置を再度確実に互いに一致させことによってカッタ縁部位置３４を見出す。カッタ縁部が初期の基準パターン画像モデル５２に対して並進する場合は、ループ（２４−３２−２２−１２−１０−２０−１８−２６−２４）のフレーム位置は、もはや互いに一致しない。次いで、パーツ位置測定器４４は、基準パターン・モデル３６を表すフレームのみがｙ及びｚ方向で並進できるパーツ変化制約６８を適用する。機械位置６０によって対処されるキャリア変位１４Ｂ及び１４Ｃを除き、他のフレームが全て互いに対して移動していないと仮定される。

いわゆる同次座標によって３次元の並進及び回転を説明する先の４×４行列を適用する。本実例では、基準パターン画像モデル５２を基準パターン画像５８にフィットさせるｙ−ｚ並進は、（上記のスプライン最小二乗計算によって見出される）周知の２つの値であり、基準パターン・モデル３６のｙ−ｚ並進、探索されたパーツ変化７２は、２つの未知の値である。このようにして、パーツ位置測定器４４は、基準パターン・モデル３６の並進を計算し、それによりカッタ縁部位置も計算する。

先に、数学的関数、すなわちスプラインの幾何形状を適合させることによって新しい基準パターン画像モデル５２の作り方を説明した。或いは、識別した切削ツール２２に最も良くフィットする代替の適合を表すように、各カッタ縁部３４に関するシフトした基準パターン・モデル３６をとることができる。汚染物質６２の影響は取り除かれている。したがって、この新しいモデルは、汚染物質を運んでいてもよい、こうした特定の切削ツール２２を説明するが、なお、後でツールの磨耗及びビルドアップをチェックできる基準パターン・モデル３６として保存することができる。

「実例３」
この実例は、実例１及び２と同様であるが、光学式検出器２４のタイミングが照明器４２によって同期７６され、切削ツール２２は、７つのカッタ３２を有する使用ツールである。すなわち、油、水、機械加工の切粉などの残渣によってカッタ縁部が汚染されている可能性に加えて、カッタ縁部の幾何形状は、ビルドアップ６４及び磨耗６６によって歪んでいる可能性がある。本実例はまた、前のステージの同じツールの幾何形状から適合された基準パターン画像モデル５２がこの使用ツールの特徴の描写を助ける手法も示す。

本実例を図１ａ〜図１ｃに示す。コンピュータ、パーソナル・コンピュータ、専用プロセッサ、又は類似物内のプロセスとして、パーツ位置測定器４４を実施することができる。この実例では、パーツ位置測定器４４のプロセスは、メッセージを交換する２つのコンピュータによって実行されると仮定し、その際一方のコンピュータは機械ＮＣ（数値制御）４６に対処し、他方４８は、光学アセンブリ２６の制御及び監視専用のプロセスを制御する。機械パーツが回転している切削ツール２２であるという要求５０が、キーボードから入力される。ＮＣコンピュータは、回転速度を例えば５０００ｒｐｍに制御する。要求５０は、切削ツール２２をＩＤで識別し、先に定義したＩＤ基準パターン画像モデル５２を使うべきである。先に定義したモデルは、元々、ＣＡＤ図面又は例えば実例１及び２によって輪郭を描かれたものと同様の測定値から来ている可能性がある。要求は、例えば１．８度の角度回転分解能から見て必要な測定の質を定義することができ、そうでなければパーツ位置測定器の内部パラメータが使用される。

照明器４２が、基準パターン３４のパルス照明を光路５６Ａに沿って作るために位置測定器４４から制御５４を受け取る。回転運動を光学的に静止させ、正確な画像照射タイミングを獲得するために、照明器４２は、本実例では、例えば１．６マイクロ秒の繰返し率で、内部タイマ４０で走る専用の電子回路である。本実例では、光学式検出器２４は、１秒当たり５０画像を作るためにタイマ３８を照明器内部タイマ４０のダウン変換に同期する入力を有する。切削ツールが５０００ｒｐｍの速度で回転する間に、光学式検出器２４は、光路５６Ｂに沿ってカッタ縁部の基準パターン３４の基準パターン画像５８を記録する。それらの画像はパーツ位置測定器４４に中継される。切削ツール２２及びそのカッタ縁部３４の拡大回転図を図１ｃに示す。図１ａ〜図１ｂの座標軸は異なる図の向きを示す。図１ｃに、油、水、及び機械加工切粉残渣による汚染物質６２を示す。同じ図で、ビルドアップ６４及び磨耗６６を概略的に示す。カッタ縁部３４は照明器４２によって後方から照明され、基準パターン画像５８は、異なる角度方向でのカッタ縁部３４の影の画像である。

切削ツールが５０００／６０＝１秒当たり８３．３３回転の速度で回転し、光学式検出器２４が１秒当たり５０画像で動作するときに、１画像当たり通過する縁部の数が非整数になる。すなわち、照明パルスが、均等に間隔を空けて配置された連続パルスとして作られた場合は、検出器２２の画像は、輝度がちらつき、照射の平均時間は予測不能な形で変動することになる。その問題に取り組むために、本実例では、光学式検出器タイマ３８が、照明器タイマ４０に同期７６されると仮定する。次いで、パーツ位置測定器４４は、１画像当たりのパルスの数を同じにする照明パルス列を計算し、それらのパルスの正確な平均照射により、切削ツールの円周に沿った角度間隔に対して予測可能であるがわずかに不均一な画像参照になる。しかし、このようなわずかな変動は、パーツ位置測定器４４によって制御及び考慮される。本実例では、１画像当たりのパルス数は切り捨てられて１である。５０００ｒｐｍのツール回転速度及び１．８度の角度回転分解能を定義する入力要求に基づいて、パーツ位置測定器４４は、各画像内のパルス幅及びパルス位置を計算する。５０００ｒｐｍは、１秒当たり８３．３３回転に等しい。４秒（１秒当たり５０画像の割合で３６０／１．８＝２００画像）で全周をカバーするためには、これは、照明パルスの割合を１秒当たり８３．３３パルスに近づけることになる。回転運動を光学的に静止させるためには、パルス幅は、典型的には、１回転サイクルの一部（１．８／３６０）に対応する通過時間より小さく、すなわち（１／８８．３３）×（１．８／３６０）＝０．００００５６（５６マイクロ秒）より小さくすべきである。

これらの照明パラメータは、パーツ位置測定器４４から照明器４２に制御５４信号として与えられる。パーツ位置測定器４４の内部パルス計算により、画像シフト付近（「ブランキング」期間）では確実にパルスが作られない。ツールの全周は２００角度位置（２００画像）に分割される。パーツ位置測定器４４は、２００の位置全てがカバーされるまで、次の画像がツールの円周に沿って次の角度位置を参照することも確実にする。回転速度が画像割合より遅い場合は、この計算は、各画像間の角度位置の、２００より小さい素数をとばすことに依拠することができる。基準パターン画像５８は、周知の手段によって、変換／デジタル化され、パーツ位置測定器４４の動作のために利用可能である。パーツ位置測定器は、これらの２００画像を４秒で格納する。エンコーダ１４Ｂ及び１４Ｃの位置によって表される切削ツール２２の機械位置６０は、パーツ位置測定器４４によって遅れることなく記録される。

それらの連続した画像は、回転サイクルの任意の角度開始位置で記録されるので、パーツ位置測定器４４は最初に、各基準パターン画像５８に識別した角度位置を参照させなければならない。そのようにするには、パーツ位置測定器４４は、それらの画像の極度に＋ｙのカッタ縁部位置の関数を画像数の関数として作り出す。この関数から、それらの画像に対する最大の角度位置を計算する。これは、７つのカッタ縁部について、７つの関数の最大値を作る。それらの７つの最大値のそれぞれに最も近くに隣接する画像もある。しかし、これらのデータが汚染物質６２及びビルドアップ６４の影響を含むことがあるので、パーツ位置測定器４４は最初に、生データのバージョンの基準パターン画像５８を計算する（その生データは、従来の縁部を見出すルーチンによって計算することができる）。画像縁部投影の信頼できる最大位置を見出すために、全ての画像に関して、画像周囲に沿った局部的な突出を探索することによって、汚染物質６２及びビルドアップ６４の影響を取り除く。このプロセスを助けるために、最小二乗距離でそれ自体を周辺の生データに適合する平滑数学的スプライン関数も作り、実例２で説明したプロセスのように、スプラインの特定の閾値距離の外側に突出するそれらの生データを取り除く。次いで、極度に＋ｙのカッタ縁部位置を見出すことができる。見出された最大値に最も近いそれらの画像は、カッタ縁部３４の第１基準画像５８としてマークされる。

ツールの直径が大きいので回転軸が光学式検出器２４の視野の外側に位置し、カッタ縁部の極度に＋ｙの位置が画像の中心の近くに置かれると仮定する。この位置にツールがある状態で、７つの第１縁部画像が記録される。次いで、もう一方の面でそれらの７つの画像を記録するために、他の連続した画像が記録及び分析される前に、機械は、切削ツールをそれ自体の直径だけｙ方向に移動させることになる。これらの片側のラジアル位置測定の場合は、回転軸の位置を知る必要がある。この実例では、回転軸の位置は、先にパーツ位置測定器４４中に較正されているか、又はこれらの２つの面による測定から計算されている。実例４は、その種の較正の一例を説明する。基準パターン・モデル３６は、図１ｃでは破線で示される。明確にするために、第１基準パターン画像５８の１つを表す実線に比べてわずかに右にシフトしている。本実例は、カッタ縁部３４が場合によっては、汚染物質６２、ビルドアップ６４、及び磨耗６６を含むと仮定する。本実例では、パーツ変化制約６８は、ｙ及びｚ方向でシフト可能なカッタ縁部位置によって定義される。このシフトは、チャック１２の内側への切削ツール２２の位置決め、カッタ縁部の位置がそのモデルとはわずかに異なるように製造されること、又は可能性のある他の原因によるかもしれない。

先に説明したように、機械位置６０は、対応するフレーム位置に追加される。正確な歪みの較正に基づいて、基準パターン画像モデル５２及び基準パターン・モデル３６は互いにマップするようにされる。単純にするために、基準パターン画像モデル５２は視野の中心に置かれる。これにより、光学式検出器２４が基準のパーツ画像モデル５２を含み切削ツール２２が基準のパーツ・モデル３６を含む、初期のパーツ幾何形状関係７０が互いに一致し、特に、パーツ幾何形状関係７０の閉ループを通した位置の計算が自己再現することが保証される。

基準パターン画像のシフトを見出すために、計算は例えば実例２とほとんど同じ手順に従う。最終結果は、変位したＩＤ基準パターン画像モデル５２である。このモデルは、今や、ビルドアップ６４及び磨耗６６の特徴を描写するために使用される。画像モデルの外側に突出するそれらの生データは、可能性のあるビルドアップ６４として識別され、位置測定器４４は、突出の数、突出の位置、モデルからの最大突出距離、突出の面積、突出の長さなどのような測定値によってそれらの特徴を描写する。モデルの内側に行くそれらの生データは、可能性のある磨耗６６として識別され、位置測定器４４は、磨耗の数、磨耗の位置、モデルからの最大磨耗距離、磨耗の面積、磨耗の長さなどのような測定値によってそれらの特徴を描写する。前述のように、本実例の全てのスプライン計算の代わりに、いくつかの平滑適合関数が同様に良好に働くこともできることに留意されたい。

基準パターン画像のシフトに対応する基準パターン・モデルのシフトを見出すために、本実例の計算は例えば実例２とほとんど同じ手順に従う。フレーム・ループが識別され、パーツ変化制約６８が適用され、先に見出された画像のシフトを作るそれらの基準パターン・モデル３６のシフトが計算される。こうした手段によって、パーツ位置測定器４４は、基準パターン・モデル３６の並進を計算し、それによりカッタ縁部位置も計算する。さらに、イメージングを反対にすることによって、パーツ位置測定器４４は、可能なビルドアップ６４及び磨耗６６の寸法を計算し、その情報をパーツ変化７２データに追加する。

「実例４」
図２ａ〜図２ｃは、フライス盤、ボール盤、旋盤、型彫りＥＤＭ、ワイヤＥＤＭ、ＣＭＭ、又は単純に固定した位置合わせ／較正ジグなどの機械を表すことができる機械を、一例として示す概略図面である。この機械の構成及び実例の目的は、光学式検出器２４の位置及び光路５６Ｂの位置（方向軸）を機械の位置に対して位置合わせし、且つ／又は初期化／較正するのを助けることである。この実例では、ワーク・ツール２２は較正ピンである。本実例は、設置、再較正、又は修理時に、機械の位置に対する光学アセンブリ２６のｙ及びｚ位置での制御法、ｘ及びｙ軸の周りでの傾斜法を示す。これは、長さが予め較正された較正ピン２２を用いて行われる。この実例は、形状がより複雑な回転しているワーク・ツールの位置及び幾何形状の制御できる手法も示す。図２ｂ〜図２ｃに示すように、ピンの先端部は、ｚ軸周りの傾斜の較正を含むのを助けるために非対称にされている。このピンは、ある範囲の様々な形状を有することもできるが、本実例では、光学的視野の深さに近いある距離だけ離れた基本的に２つのブレード２２’及び２２’’から構成される。これを図２ｂ〜図２ｃの２つの突起物の図で示す。ブレードの縁部は、平行であり、基本的にピンのステム２２’’’に対して同じ長さを有する。それらの長さは、高い精度まで測定される（予め較正される）。較正ピン２２は、ツール・チャック１２に取り付けられ、チャック及びピンのベース上のなんらかの機械的位置決め点の使用によって、又はフランジ間の機械的接触によって、ｚ方向にそれ自体を配置するようになされている。ピンは、所与の速度３６１０ｒｐｍで回転するようになされている。較正が較正装置、ＥＤＭ、又はＣＭＭ機械で行われる場合は、回転速度はずっと遅く、例えば６０ｒｐｍの範囲であることがある。

本実例を図２ａ〜図２ｃに示す。コンピュータ、パーソナル・コンピュータ、専用プロセッサ、又は類似物内のプロセスとして、パーツ位置測定器４４を実施することができる。この実例では、パーツ位置測定器４４のプロセスは、機械ＮＣ（数値制御）４６から制御を受け取る１つのコンピュータ４８によって実行され、そのコンピュータは、光学アセンブリ２６を制御及び監視する。これらの２つのコンピュータは、ローカル・ネットワークを介して接続される。こうした接続は要求５０を扱う。或いは、要求５０をキーボードによってパーツ位置測定器４４入力することができる。パーツ幾何形状関係７０及びパーツ変化制約６８は、前のステージでパーツ位置測定器４４にロードされている。要求５０は、較正ピン２２を識別し、（ｚ軸周りの）例えば３６１０ｒｐｍの回転速度を指定する。３Ｄ（３次元の）ピンの先端部の幾何形状を説明する、予め較正された内部基準パターン画像モデル５２が、パーツ位置測定器４４で先に較正され保存されると仮定する。較正ピン２２の位置は、基準パターン３４、この場合は回転ピンの先端部の幾何形状の３６０画像を記録することによって見出される。照明器４２が、基準パターン３４のパルス照明を光路５６Ａに沿って作るために位置測定器４４から制御５４を受け取る。

鮮明な画像を作り、運動を光学的に静止させるためには、照明器４２のパルス生成は、この場合は、基準パターン画像５８を監視する同じコンピュータ４８の内側のリアル・タイム・カーネルである。光学式検出器２４は、タイマ３８によってもたらされる１秒当たり６０画像の割合のタイマで自走する。ピンが３６１０ｒｐｍの速度で回転する間に、光路５６Ｂに沿って較正ピン先端部の基準パターン３４の基準パターン画像５８を記録する。それらの画像はパーツ位置測定器４４に中継される。ピンの先端部３４は、照明器の光源８０、例えばＬＥＤによって後方から照射され、基準パターン画像５８は、異なる角度方向でピンの先端部３４の影の画像を表す（図面、図２ａを簡単にするために、光源８０は、照明器４２の一部であっても照明器４２の外側に描く）。

較正ピン２２が３６１０／６０＝１秒当たり６０．１６６７回転の速度で回転しカメラが１秒当たり６０画像で動作するときは、記録位置は、１画像当たり円周の１／３６０だけシフトする。照明器４２のパルスが光学式検出器タイマ３８に同期されると仮定するために、パーツ位置測定器のリアル・タイム・カーネルが照明器４２のパルスを、受け取った基準パターン画像５８に同期させると仮定する。３６１０ｒｐｍのツール回転速度、及び３６０／３６０＝１度の角度回転分解能を定義する入力要求に基づいて、パーツ位置測定器４４は各画像内のパルス幅及びパルス距離を計算する。３６１０ｒｐｍは、１秒当たり６０．１６６７回転に等しい。６秒（１秒当たり６０画像の割合で３６０画像）で全周をカバーする。回転運動を光学的に静止させるには、パルス幅は、角度分解能距離の通過時間より小さく、すなわち（１／６０）×（１／３６０）＝０．００００４６（４６マイクロ秒）より小さくすべきである。これらの照明パラメータは、パーツ位置測定器４４から照明器４２に制御５４信号として与えられる（図１ａには図示せず）。パーツ位置測定器４４の内部パルス計算により、画像シフト付近（「ブランキング」期間）では確実にパルスが作られない。ツールの全周は３６０（３６０画像）の均等に間隔を空けて配置された角度位置に分割される。

基準パターン３４の２つの拡大図を図２ｂ〜図２ｃに示す。図２ａ〜図２ｃの座標軸は異なる図の向きを示す。ほとんどの場合は、例えば、較正ピン２２がツール交換器からツール・チャック１２に固定される場合は、ｚ軸周りのその初期の向きは未知である。回転により、連続した画像を記録し後で最適なものを選択することが可能になる。図２ｂ〜図２ｃの２つの図は、最も関心のある向きを示す。観察路５６Ｂの光学軸がｙ軸周りで偏心して傾斜するように取り付けられる場合に、基準パターン画像５８は図２ｃの図によって示すようにｚ高さが異なる２つの縁部を示す。同じ図では、２２’及び２２’’縁部の平均ｚ位置がｚ位置をもたらす。全ての回転角度からデータを収集することによって、ｘ軸の周りのスピンドル軸の向き、及びその心振れを、較正ピン・ステム２２’’’の向きから見出すことができる。ステム２２’’’は円筒形である。

それらの連続した画像を回転サイクルの任意の角度開始位置で記録することができるので、パーツ位置測定器４４は最初に、各基準パターン画像５８を、識別した角度位置に参照させなければならない。そのようにするには、パーツ位置測定器４４は２２’ブレードと２２’’ブレードとの間のｙ距離の関数を作る。この関数から、その距離が図２ｂ〜図２ｃの拡大図の、図の方向に対応する予め較正した値に等しいときに角度位置を計算する。これらの位置に最も近くに隣接する画像が２つある。これらの画像は、ピンの先端部３４の第１基準パターン画像５８としてマークされる。

ピンの直径が小さいので光学式検出器２４の視野の内側にフィットすると仮定する。本実例では、パーツ変化制約６８は、ｙ及びｚ方向でシフトしｘ及びｙ軸の周りを回転可能なピンの先端部の位置によって定義される。こうしたシフトは、視野内側の較正ピン２２のｙ及びｚの位置決めによるものである。回転は、ｘ軸周りの光学式検出器２４の向き、及び観察路５６Ｂのｙ軸周りでの機械に対する傾斜が、完全には位置合わせされないことによるものである。

初期化により、フレーム・ループの一貫性が先に説明した全体の輪郭に確実に従うようになる。ピンの先端部３４の第１基準パターン画像５８、上記で説明した所与の２２’〜２２’’ブレードのｙ距離からの画像角度距離、及び対応する機械位置データ６０は、パーツ位置測定器４４のパーツ幾何形状関係７０に供給される。パーツ位置測定器４４は最初に、生データのバージョンの第１基準パターン画像５８を計算し、所与の位置の向きにそれらのデータを回転させる。次いで、パーツ位置測定器４４は、ｙ及びｚ変位、ブレード２２’及び２２’’のｚ位置の平均及び差、並びに上記で計算した回転した生データ位置に最も良くフィットする基準パターン画像モデル５２のピン・ステム２２’’’の角度方向を計算する。パーツ位置測定器４４は、別々の３つの副次的要素を含む基準パターン画像モデル５２を説明する数学的スプライン関数を作る。生データを最も良くフィットさせるためには、最初に、画像モデル全体をｙ及びｚ方向並びにｘ軸周りで反復して変位させる。次いで、それぞれに関して反復プロセスを繰り返すことによって副次的要素の位置を微調整する。モデル・スプラインをｙ及びｚ方向で反復して並進させ、ｘ軸周りを回転させ、スプラインと生データとの間の距離の最小二乗和の最小値を見出すことによって、スプライン変位が計算される。このプロセスは、ｚ軸周りの１８０度の回転で分けられる、２つの第１基準パターン画像それぞれについて繰り返される。

代替形態では、実例１の最後で説明したモデル間の位置をマップすることによって反復的手法を用いることができる。次いで、副次的要素は個別にではなくグループとしてシフトされる。

図２ａに示すように、較正ピン２２は、ワーク・ツール・チャック１２、ワーク・ツール・キャリア１０、ワーク・ツール・サポート２０、機械サポート・リンク１８、及び光学アセンブリ２６を介して光学式検出器２４に機械的に連結される。基準パターン３４は、光学式検出器２４に光学的にも接続される。これで、ループ（２４−２２−１２−１０−２０−１８−２６−２４）と呼ぶものが作り出される。パーツ位置測定器４４は、較正ピン２２のｙ及びｚ変位、並びにｘ及びｙ回転を見出すために要求５０を受け取る。基準パターン画像モデル５２の副次的要素は、その初期状況の位置から変位する。パーツ位置測定器４４は、このループ中の全てのフレーム位置が再度互いに一致するようになることを獲得するために、（副次的要素を別々にではなく）集合させた基準パターン・モデル３６をｙ及びｚ方向で３Ｄにシフトし、ｘ及びｙ軸周りを回転させることによって、較正ピン２２の新しい位置を見出す。所与の位置で開始し、特定の閉ループを通してマップした位置を計算することによって、同じ位置に戻るべきであることが分かる。すなわち、本発明のパーツ位置測定器４４により、ループ全体を通して位置がマップされるときに、所与の閉ループのメンバである全ての位置をそれ自体に戻って確実にマップすべきである。基準パターン画像５８が初期の基準パターン画像モデル５２に対して並進、回転、及び歪曲される場合は、ループ（２４−２２−１２−１０−２０−１８−２６−２４）のフレーム位置は、もはや互いに一致しない。次いで、パーツ位置測定器４４は、基準パターン・モデル３６を表すフレームのみがｙ及びｚ方向で並進し、ｘ及びｙ軸周りを回転可能なパーツ変化制約６８を適用する。機械位置６０によって対処されるキャリア１４Ｂ及び１４Ｃの変位を除き、他のフレームが全て互いに対して移動していないと仮定される。

ループの一貫性を復元する数学的問題は、異なるフレーム間の変換を説明する１組の一次方程式を解くことによって得られる。これは、いわゆる同次座標によって３次元並進及び回転を説明する４×４行列の使用によって実現することができる。本実例では、基準パターン画像モデル５２と基準パターン画像５８との間のステム２２’’’副次的要素のｙ並進及びｘ回転、ブレード２２’副次的要素のｚシフト、並びにブレード２２’’副次的要素のｚシフトは、（上記のスプライン最小二乗計算によって見出される）４つの周知の値である。基準パターン・モデル３６及び探索したパーツ変化７２の３Ｄ（次元の）ｙ及びｚ並進、並びにｘ及びｙ回転は、４つの未知の値である。こうした手段によって、パーツ位置測定器４４は、基準パターン・モデル３６の変位を計算し、それにより較正ピン２２位置も計算する。上記のプロセスは、２つの第１基準パターン画像５８から発生する両方のデータ・セットに関して完了する。見出された値から、平均ｘ回転は回転軸の角度を表し、平均ｙ並進は回転軸ｙの位置を表し、平均ｚ並進は較正ピン３４の長さを表す。平均ｙ回転角度は、機械に対する光学軸の回転を表す。パーツ位置測定器４４は、これらのデータ全てをパーツ変化７２として、光学アセンブリ２６の生産、位置合わせ、又は修理の位置合わせで働くオペレータへのフィードバックとして例えばモニタに出力する。最終的なデータは、パーツ幾何形状関係７０の一部として保存される。この較正ピン２２の基準パターン・モデル３６の新しい位置を、後からの参照、位置合わせ、較正、及び制御のために保存することもできる。

「実例５」
この実例は、残渣で汚染されている可能性があるＥＤＭダイ２２の位置及び磨耗の制御法を説明する。カッタ・ツール及びタッチ・プローブ先端部と比較して、ＥＤＭダイは、ラジアル位置が画定されていない複雑な形状を有する。図３ｂ〜図３ｃの図は、２つの所与の回転角度の単純なダイ２２の影の画像を示す。図示のために、多くの中から２つの回転位置を選択しており、それらの回転位置は、１回転のスキャンのダイ２２制御の一部である２つの基準パターン３４Ａ及び３４Ｂと、もう１回転のスキャンのダイ制御の一部である他の２つの基準パターン３４Ｅ及び３４Ｆとを示す。実線は磨耗したダイ２２を示し、破線は基準パターン・モデル３６の幾何形状を示す。基準パターン・モデル３６は、ＣＡＤ図面又は磨耗していない同じダイの以前の記録から来ることがある。ダイは、例えば７０ｒｐｍの速度で回転する。

本実例を図３ａ〜図３ｃに示す。コンピュータ、パーソナル・コンピュータ、専用プロセッサ、又は類似物内のプロセスとして、パーツ位置測定器４４を実施することができる。この実例では、パーツ位置測定器４４のプロセスは、２つのコンピュータ、すなわち機械ＮＣコンピュータ４６、及び光学アセンブリ２６を制御及び監視するコンピュータ４８によって実行されると仮定する。これらの２つのコンピュータはローカル・ネットワークを介して接続される。この接続は要求５０及び結果として得られるパーツ変化７２データを扱う。パーツ幾何形状関係７０は、前のステージでパーツ位置測定器４４にロードされている。要求５０はダイ２２を識別し、例えば７０ｒｐｍの（ｚ軸周りの）回転速度を指定する。３Ｄ（次元の）のダイの幾何形状を現す基準パターン・モデル３６が要求５０の一部としてコンピュータ４８にロードされる（基準パターン・モデル３６からパーツ位置測定器４４が基準パターン画像モデル５２を導く）と仮定する。

単純な用語で制御の原理を説明するために、本実例では、角柱形状のダイ２２とのｘ−ｙ平面断面が四角形を作り、回転の中心からのラジアル距離が等しい４つの角を表す、外周に沿った４つの基準パターン３４を考察する。

図３ｂ及び図３ｃでは、パターン３４Ａ及び３４Ｂは、それらの４つのパターン３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、及び３４Ｄのうち２つを示す。ダイ２２がｚ軸の周りを回転するので、全ての基準パターンは、３４Ａ及び３４Ｂに示すように同じｚ高さを基準とする。視野７４のサイズを図３ｂ〜図３ｃの小さい矩形で示す。ダイ２２が円筒形であり、すなわち断面が円形の場合は、例えば円に沿った３６０パターンのような、円周全体のパターン考察することもできる。照明器４２が、基準パターン３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、及び３４Ｄのパルス照明を光路５６Ａに沿って作るために位置測定器４４から制御５４を受け取る。鮮明な画像を作るには、運動を光学的に静止するために、照明器４２はこの場合は光源を調整する電子回路である。光学式検出器２４が、タイマ３８によってもたらされる１秒当たり６０画像の割合で自走する。ダイが７０ｒｐｍの速度で回転する間に、光路５６Ｂに沿ってダイ２２の角の基準パターン３４の基準パターン画像５８を記録する。３６０画像が記録される。

それらの画像はパーツ位置測定器４４に中継される。ダイ２２は照明器４２によって後方から照明され、基準パターン画像５８は異なる角度方向のダイの影の画像を表す。ダイ２２が７０／６０＝１秒当たり１．１６６７回転の速度で回転し、光学式検出器が１秒当たり６０画像で動作すると、記録位置は、１画像当たり円周の７／３６０だけシフトする。連続した画像で円周全体を満たすには、この分数の分子は、この実例での７のように常に素数になるべきであり、この素数で画像の総数を割ったものは整数になるべきではない。照明器４２のパルスは、光学式検出器タイマ３８で番号７６によって示されるように同期される。７０ｒｐｍのツール回転速度、及び３６０／３６０＝１度の角度回転分解能を定義する入力要求に基づいて、パーツ位置測定器４４はパルス幅及びパルス距離を計算する。６０ｒｐｍは１秒当たり１．１６６７回転に等しい。６秒（１秒当たり６０画像の割合で３６０画像）で全周をカバーする。回転運動を光学的に静止するために、パルス幅は、角度分解能距離の通過時間より小さく、すなわち（１／６０）×（１／３６０）＝０．００００４６（４６マイクロ秒）より小さくすべきである。

これらの照明パラメータは、パーツ位置測定器４４からの制御５４信号として照明器４２に与えられる。パーツ位置測定器４４の内部パルス計算により、画像シフト付近（「ブランキング」期間）では確実にパルスが作られない。ツールの全周は均等に間隔を空けて配置された３６０の角度位置（３６０画像）に分割される。基準パターン画像５８は、周知の手段によって、変換／デジタル化され、パーツ位置測定器４４の動作のために利用可能である。パーツ位置測定器は、６秒でこれらの３６０画像を保存する。ダイ２２の機械位置６０は、パーツ位置測定器４４によって遅れることなく記録される。

基準パターン３４の２つの図を図３ｂ〜図３ｃに示す。図３ａ〜図３ｃの座標軸は異なる図の向きを示す。図３ａ及び図３ｂの図は記録された３６０画像を２つ示す。回転により、連続した画像を記録し後で最も関心のある画像を選択することが可能になる。図３ｂ及び図３ｃの２つの図は、基準パターン３４Ａ及び３４Ｂの角の検出に関して選択した向きを示す。他の２つの角の向きを表す３４Ｃ及び３４Ｄは示さない。それらの連続した画像を回転サイクルの任意の角度開始位置で記録することができるので、パーツ位置測定器４４は最初に、各基準パターン画像５８の正しい角度位置を見出さなければならない。そのようにするには、パーツ位置測定器４４は、極度に＋ｙの影の距離の切捨て関数（ｔｒｕｎｃａｔｅｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を作り出す。３Ｄ基準パターン・モデル３６から適切な切捨てを計算することができる。次いで、基準パターン画像５８から同様の＋ｙ距離を計算する。これらの関数は、最良の共通点を見出すようにシフトされる。見出されたシフトの使用によって、パーツ位置測定器４４は、記録した画像５８の角度方向を計算する。シフトは、画像と同時に起きないかもしれないが、４つの角の位置のそれぞれに最も近くに隣接する画像、及びそれらの角の位置からの対応する角度距離がある。これらの４つの画像は、パターン３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、及び３４Ｄの第１基準パターン画像５８としてマークされる。本実例では、パーツ変化制約６８は、ｙ及びｚ方向で径方向にシフト可能なダイの角のモデル３６の位置のそれぞれによって定義される。このシフトは、ｙ及びｚダイ磨耗６６によるものである。

先に説明したように、機械位置データ６０は、対応するフレーム位置に追加される。正確な歪みの較正に基づいて、基準パターン画像モデル５２及び基準パターン・モデル３６は互いにマップするようにされる。単純にするために、基準パターン画像モデル５２は視野の中心に置かれる。これにより、光学式検出器２４が基準のパーツ画像モデル５２を含みダイ２２が基準のパーツ・モデル３６を含む、初期のパーツ幾何形状関係７０が互いに一致し、特に、図２ａのパーツ幾何形状関係７０の閉ループを通した位置の計算が自己再現することが保証される。

角の第１基準パターン画像５８、上記で言及した理想的な向きからの距離の角度距離、及び対応する機械エンコーダ位置６０は、パーツ位置測定器４４のパーツ幾何形状関係７０に供給される。パーツ位置測定器４４は最初に、生データのバージョンの第１基準パターン画像５８を計算し、それらのデータを理想の位置の角度方向に回転する。それらの生データは、従来の画像処理の縁部を見出すルーチンによって見出される。次いで、パーツ位置測定器４４は、上記で計算した回転させた生データ位置に最も良くフィットする、基準パターン画像モデル５２の角要素の個々のｙ及びｚ変位を計算する。パーツ位置測定器４４は、別々の４つの副次的要素を含む基準パターン画像モデル５２を説明する数学的スプライン関数を生み出す。次いで、それぞれに関して反復的プロセスを繰り返すことによって副次的要素の位置を微調整する。モデル・スプラインをｙ及びｚ方向で反復して並進させ、スプラインと生データとの間の距離の最小二乗和の最小値を見出すことによって、スプライン変位が計算される。このプロセスは、第１基準パターン画像５８のそれぞれについて繰り返される。

図３ａに示すように、ダイ２２は、ワーク・ツール・チャック２１、ワーク・ツール・キャリア１０、ワーク・ツール・サポート２０、機械サポート・リンク１８、及び光学アセンブリ２６を介して光学式検出器２４に機械的に連結される。基準パターン３４は、光学式検出器２４に光学的にも接続される。これで、フレーム・ループ（２４−２２−２１−１０−２０−１８−２６−２４）と呼ぶものが作り出される。パーツ位置測定器４４は、ダイの角３４のｙ及びｚ磨耗を見出すために要求５０を受け取る。基準パターン画像モデル５２の副次的要素は変位する。パーツ位置測定器４４は、個々の基準パターン・モデル３６の３Ｄの角位置を、法線が観察方向に平行な平面でシフトし、このループ中の全てのフレーム位置を再度互いに確実に一致させることによって、角３４の新しい位置を見出す。所与の位置で開始し、図３ａ特定の閉ループを通してマップした位置を計算することによって、同じ位置に戻るべきであることが分かる。すなわち、本発明のパーツ位置測定器４４の一目的は、ループ全体を通して位置がマップされるときに、所与の閉ループのメンバである全ての位置をそれ自体に戻って確実にマップすべきことである。基準パターン画像５８が初期の基準パターン画像モデル５２に対して並進される場合は、フレーム・ループ（２４−２２−２１−１０−２０−１８−２６−２４）のフレーム位置は、もはや互いに一致しない。次いで、パーツ位置測定器４４は、基準パターン・モデル３６の個々の角を表すフレームのみがｙ及びｚ方向で並進できるパーツ変化制約７２を適用する。

ループの一貫性を復元する数学的問題は、異なるフレーム間の変換を説明する１組の一次方程式を解くことによって得られる。これは、いわゆる同次座標によって３Ｄ（３次元の）並進及び回転を説明する４×４行列の使用によって実現することができる。本実例では、基準パターン画像モデル５２の副次的要素と基準パターン画像５８との間の各角の副次的要素のｙ−ｚ並進は、（上記のスプライン最小二乗計算によって見出された）４対の周知の値である。４対の基準パターン・モデル３６の副次的要素、探索したパーツ変化７２の事実上の２Ｄ並進は、４対の未知の値である。こうした手段によって、パーツ位置測定器４４は、基準パターン・モデル３６の副次的要素の変位を計算し、それによりダイ２２の磨耗も計算する。コンピュータ４８は、磨耗が許容可能か否かをＮＣコンピュータが判定できるように、これらのデータ全てをパーツ変化７２としてＮＣコンピュータ４６に出力する。パーツ変化７２は、パーツ幾何形状関係７０の一部として保存される。このダイ２２の基準パターン・モデル３６の新しい位置を、後からの参照のために格納することもできる。

本実例は、基準パターン３４Ａ〜Ｄの記録を説明する。ダイ２２をｚ方向に移動させ、回転軸位置をｙ方向にシフトさせ、回転プロセスを繰り返すことによって、図３ａに基準パターン３４Ｅ〜Ｆによって示すように他の基準パターンを記録することができる。必要な場合は、こうした回転プロセスをダイ２２全体にわたって何度も繰り返すことができる。

「実例６」
この実例を図４ａ〜図４ｃに示す。目的は、機械から取り出した後、及び元に戻した後で、ダイの位置を制御することである。記録の点から、この実例は、他の場合には実例５と同様であるが、ここでは、実例５の影の構成ではなく、ＥＤＭダイ２２が反射の幾何形状で照明及び観察される。基準パターン３４Ａ〜Ｄは、ダイ自体の表面構造である。基準パターン画像モデル５２は、実際に、ダイ２２が取り出される前の表面構造３４Ａ〜Ｄの画像である。次いで、基準パターン画像５８は、ダイが戻された後で記録される。例えば５２のシフトなど、基準パターン画像モデルのシフトを見出す技術は、特許文献１に記載されている。モデルの副次的要素が独立に移動可能である実例５と比較すると、ダイの位置の新しい自由度６を見出すために、この場合は、基準パターン・モデル３６を全体として３Ｄで並進及び回転させる。

実例５でも６でも、ＥＤＭダイの回転速度は、回転している切削ツールに関してより小さい。これにより、ダイを回転させ基準パターン画像５８をステップ・アンド・リピート式に記録することが可能になる。ｚ回転角度を正確に定義するダイがチャックに位置する場合は、基準パターン画像５８を正しいｚ角度回転位置に参照させる手法の上記の説明をより単純にする。

「実例７」
実例１〜６は、基本的に１つの照明器４２及び１つの光学式検出器２４が使用される、本発明による構成を説明する。完全な３Ｄ制御を獲得するためには、画像のｙ−ｚ位置のみを記録する必要があるだけではない。これを図５に示し、図５では２つの照明器４２−光学式検出器２４の組合せ構成が、照明器４２Ａ−光学式検出器２４Ａ及び照明器４２Ｂ−光学式検出器２４Ｂとして示される。照明器−検出器の組合せは、図示のように１つの光学アセンブリ２６中に配置する必要はない。空間要件に応じて、それらを別々に置くことができる。図５ｂに、添付の座標軸によって示すように、図５ａの光学的構成を図の異なる方向から示す。５４Ａ及び５４Ｂは、検出器２４Ａ及び２４Ｂそれぞれとパーツ位置測定器４４との間のリンクを指す。５８Ａ及び５８Ｂは、パーツ位置測定器４４と検出器２４Ａ及び２４Ｂそれぞれとの間のリンクを指す。

回転しているツールの位置に対する品質管理ツールの位置
品質管理を行うために、タッチ・プローブが機械の内側で適切に使用される。特許文献１の発明を本発明と組み合わせることによって、品質管理ツールの位置を回転している機械加工ツールの位置に関連付けることができる。位置制御中に、タッチ・プローブ２２は、ツール・チャック１２によって静止した姿勢で保持される。図６に、図１の切削ツール２２をタッチ・プローブ２２と交換した実例を示す。タッチ・プローブ２２は、内部プロセスが特定の接触状態の獲得を起動し、次いで機械の移動が止まるまで、ワーク・ピース３０の表面を特定の力で触ることによって、ワーク・ピース３０上の位置を見出す。タッチ・プローブの先端部は、球体の硬質材料、例えばルビーである。起動時に、位置エンコーダ１４Ｂ及び１４Ｃの位置が読み取られる。それらの位置は、タッチ・プローブ先端部３４の位置を表す。タッチ・プローブ３４先端部のロードしていない位置は、起動時の位置とは異なる。図７は、前記特許文献１に記載されておりタッチ・プローブのロードしていない位置を見出すために使用可能であるような構成の修正形態を示す。

図７に、タッチ・プローブの起動位置の見出し方を示す。タッチ・プローブ２２の起動位置を試験するために、空気ロッド１０２が、基準パターン３４Ａが取り付けられているガラス・キューブ１００を光学式検出器２４の視野に運ぶ。タッチ・プローブは、起動し次いで止まるまでガラス・キューブに接して移動する。次いで、例えば前記特許文献１に記載されているようにして、ガラス・キューブ１００の位置を見出すことができる。

タッチ・プローブ２２のロードしていない位置と起動位置との間の距離が、時間が経っても変化しないと仮定する場合は、タッチ・プローブを使用する度に図７の起動タッチ・プローブの較正を繰り返す必要はない。今や起動している間にタッチ・プローブ２２の位置を較正することができ、その位置に光学式検出器２４の位置を確実に参照させることができるので、後でタッチ・プローブ２２の位置の較正を単純にすることができる。タッチ・プローブ較正を全て完了するためには、タッチ・プローブ先端部の画像５８を記録し、画像処理によって光学式検出器２４に対する位置を計算する必要があるだけである。そのようにするためには、ガラス・キューブ１００及び基準パターン３４Ａが光学式検出器２４の視野の外になるように空気ロッド１０２を引き戻す。機械の使用によって、図６によって示されるように、ロードしていないタッチ・プローブ２２を視野に運ぶ。後で、タッチ・プローブ２２を他のものと交換しないか、又は較正がずれない場合は、ロードしていないタッチ・プローブ２２の位置を読み取り、起動時の偏心を加え、タッチ・プローブ位置較正に関するそれらのデータを使用することができる。タッチ・プロービング方法では、起動位置を見出すことは、ガラス・キューブに取り付けられた透明な艶消しガラス・プレート、及びガラス・キューブ自体を艶消しにすることの一方を用いることを含むことに留意されたい。

送風することによって、又は洗剤を送った後で送風することによって、回転パーツの基準パターンを洗浄する基準パターン洗浄デバイスによって支持されるように、本発明の装置を適合することが考えられる。さらに、パーツ位置測定器４４、パーツ変化制約６８、パーツ幾何形状関係７０、及び要求５０の入力は、コンピュータ、電子プロセッサ、埋込み式プロセッサ、及びハード・ワイヤード電子装置の群から選択された様々なユニットの装備に分配されることが考えられ、前記ユニットは、パーツ変化７２を見出すためにデータを交換することができる。

Claims (21)

1. 機械に取り付けられる少なくとも１つの回転パーツの位置関係及び幾何形状変化を、前記パーツが回転モードのときに見出して、前記回転パーツ上の汚染物質を呈する位置を判定し、続いて、前記回転パーツ上に存在するこうした汚染物質の影響を取り除くか又は補償するように構成された装置であって、前記パーツの前記変化が、生産及び使用の状態によって引き起こされ、
   装置が、
   前記回転パーツ（２２）が位置すべき検出ゾーン（７８）と、
   前記検出ゾーン（７８）に面した少なくとも１対の光学式検出器（２４）及び照明器（４２）と、
   前記光学式検出器（２４）に動作可能に接続された第１のタイマ（３８）と、
   前記照明器（４２）に動作可能に接続された第２のタイマ（４０）と、
   前記照明器（４２）の光変調の特徴を定義し制御（５４）を発行する手段を有するパーツ位置測定器（４４）とを備え、
   前記照明器（４２）が、前記制御（５４）を解釈し、その解釈から前記回転パーツ（２２）の調整した照明を生成するように構成され、
   前記パーツ位置測定器（４４）が、対応する回転参照パーツに関連する少なくとも１つの予め作製された基準パターン・モデル（３６）又は基準パターン画像モデル（５２）を作り出し、受け取り、格納し、それによりこうした回転参照パーツの少なくとも１つの基準パターン・モデルを確立する手段を有し、
   装置がさらに、
   前記少なくとも１対の照明器（４２）及び光学式検出器（２４）が取り付けられた共通のサポート（１６）機械パーツを備え、
   前記光学式検出器（２４）が、前記照明された回転パーツの少なくとも１つの基準パターン（３４）の１組の画像（５８）を作り出すように構成され、
   前記パーツ位置測定器（４４）が、
   基準パターン画像モデル（５２）から基準パターン・モデル（３６）を、前記２つのモデル間の位置をマップすることによって作り出し、逆も同様であることが可能であるように、前記検出ゾーン（７８）と前記検出器（２４）との間の光学式イメージングの特徴を数学的に描写し、
   前記光学式検出器（２４）から、前記照明された回転パーツ（２２）の少なくとも１つの基準パターン（３４）の前記の組の画像（５８）を受け取り、
   前記の組の画像（５８）に関連した基準パターン画像モデル（５２）を作り出し、
   前記回転パーツ（２２）、前記機械パーツ、前記照明器（４２）及び前記検出器（２４）の幾何形状の位置相互関係（７０）を適用し、
   前記回転パーツ（２２）、前記機械パーツ、前記照明器（４２）並びに前記検出器（２４）に関係する変化制約（６８）を定義及び適用し、
   前記回転パーツ（２２）の回転の状態を定義する要求（５０）、及び前記基準パターン・モデル（３６）又は基準パターン画像モデル（５２）のいずれかについての適用すべき情報を受け取り解釈するように構成され、
   前記パーツ位置測定器（４４）がさらに、
   前記基準パターン画像（５８）に関連する前記汚染物質（６２）の影響を取り除いて、汚染物質（６２）によって影響を受けにくい基準パターン画像の表現を作り出し、
   前記回転パーツ（２２）の変化制約（６８）、前記幾何形状の位置相互関係（７０）のうち少なくとも１つに従って修正することによって、前記回転パーツの前記基準パターン画像の表現と前記基準パターン画像モデル（５２）との間の差及び変位を判定し、
   前記基準パターン画像モデル（５２）に対する前記基準パターン画像の差及び変位を生み出す機械パーツの変化（７２）を判定し、
   機械又は機械のオペレータに前記機械パーツ変化（７２）を考慮に入れさせ、
   前記パーツ位置測定器（４４）が、基準パターン画像モデル（５２）から特定の閾値距離の外側にある基準パターン画像データを取り除くことによって前記汚染物質の影響を取り除くように構成されることを特徴とする装置。
2. 前記タイマ（３８、４０）が、同期（７６）動作のために互いに接続されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記パーツ位置測定器（４４）が、機械位置（６０）を前記パーツ幾何形状関係（７０）に追加するために入力を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. ある範囲の基準パターン（３４）が、前記回転パーツの表面全体にわたって規則的に又は不規則に分配されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記パーツ位置測定器（４４）が、キーボード、キーパッド・ユニット、機械コンピュータ数値制御ユニット、プロセッサ及びコンピュータのうち１つから前記要求（５０）を受け取るための入力を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記パーツ位置測定器（４４）が、キーボード、キーパッド・ユニット、コンピュータ数値制御ユニット、プロセッサ及びコンピュータのうち１つから前記機械位置（６０）を受け取るための入力を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記パーツ位置測定器（４４）が、モニタ、コンピュータ数値制御ユニット、プロセッサ及びコンピュータのうち１つに前記パーツ変化（７２）を出力するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記基準パターン・モデル（３６、５２）が、順序付き離散的位置データ、数学的パラメトリック曲線、数学的パラメトリック曲面、画像、２Ｄ ＣＡＤ図面、３Ｄ ＣＡＤ図面、及びアルゴリズムのうち１つによって表されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記パーツ位置測定器（４４）が、基準パターン画像（５８）又は数学的なパラメータの記述から基準パターン画像モデル（５２）を作り出すように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 前記パーツ位置測定器（４４）が、前記基準パターン画像モデル（５２）の外側に突出する細部の基準パターン画像の距離及び面積を計算することによって、前記パーツ変化（７２）のビルドアップ（６４）部分の特徴を描写するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 前記パーツ位置測定器（４４）が、前記基準パターン画像モデル（５２）の内側に延びる細部の基準パターン画像（５８）の距離及び面積を計算することによって、前記パーツ変化（７２）の磨耗（６６）部分の特徴を描写するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 前記パーツ位置測定器（４４）が、汚染物質の影響を取り除くことにより、決定した機械パーツ変化（７２）を補償するために必要な変化を、選択した機械パーツにもたらすように更に構成されたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
13. 機械に取り付けられるか又は前記機械の一部を成す少なくとも１つの回転パーツの位置関係及び幾何形状変化を、前記パーツが回転モードのときに見出し、前記回転パーツ上の不具合又は汚染物質を呈する位置を判定し、続いて、前記回転パーツ上に存在するこうした汚染物質の影響を取り除く方法であって、前記パーツの前記変化が、生産及び使用の状態によって引き起こされ、
    方法が、
    ａ）回転参照パーツの予め作製された組の基準パターン・モデル又は基準パターン画像モデルを、パーツ位置測定器中に作り出し格納して、前記回転参照パーツの基準パターン・モデルを内部に確立するステップと、
    ｂ）共通のサポート機械パーツに取り付けられた少なくとも１対の照明器及び光学式検出器を有する検出領域に、前記回転パーツを配置するステップと、
    ｃ）前記照明器が時間制御ライトで前記回転パーツを照明するステップと、
    ｄ）前記光学式検出器に、前記照明された回転パーツの１組の基準パターン画像を作らせるステップであって、前記光学式検出器が時間制御して前記画像を出力する、ステップと、
    ｅ）前記回転パーツの前記の組の画像を前記パーツ位置測定器に格納するステップと、
    ｆ）前記パーツ位置測定器によって、前記の組の画像に関連する基準パターン・モデル及び基準パターン画像モデルを提供するステップと、
    ｇ）前記パーツ位置測定器によって、前記回転パーツ、及び前記機械パーツ、前記照明器並びに前記検出器の、幾何形状及び位置相互関係を適用するステップと、
    ｈ）前記パーツ位置測定器によって、前記回転パーツ、及び前記機械パーツ、前記照明器並びに前記検出器に関連する、変化制約を定義し適用するステップと、
    ｉ）前記パーツ位置測定器に、前記回転パーツの回転の状態、及び前記回転パーツに関連する前記基準パターン・モデル又は画像モデルについての情報を定義する要求を入力するステップと、
    ｊ）前記パーツ位置測定器によって、前記回転パーツ上の関連する汚染物質を取り除くことを含む、前記回転パーツの前記基準パターン画像モデルと基準パターン画像との間の幾何形状の変位及び差を判定するステップと、
    ｋ）前記基準パターン画像の差及び変位を生み出すことができる少なくとも１つの機械パーツ変化を判定するために、前記変化制約による前記パーツ位置測定器によって、前記幾何形状及び位置相互関係のうち少なくとも一方を修正するステップと、を含み、
    汚染物質の影響が、基準パターン画像モデルから特定の閾値距離の外側にある基準パターン画像のデータを取り除くことによって取り除かれることを特徴とする方法。
14. 前記照明器及び前記光学式検出器のタイマの動作が同期されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 機械位置が、前記パーツ幾何形状関係に前記パーツ位置測定器によって追加されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 前記基準パターン・モデル（３６、５２）が、順序付き離散的位置データ、数学的パラメトリック曲線、数学的パラメトリック曲面、画像、２Ｄ ＣＡＤ図面、３Ｄ ＣＡＤ図面、及びアルゴリズムのうち１つによって表されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
17. 前記パーツ変化のビルドアップ部分が、前記基準パターン画像モデルの外側に突出する細部の基準パターン画像の距離及び面積を計算することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
18. 前記パーツ変化の磨耗部分が、前記基準パターン画像モデルの内側に延びる細部の基準パターン画像の距離及び面積を計算することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
19. 前記基準パターンの輪郭を見出すためにアルゴリズムが用いられ、この輪郭から基準パターン画像モデル（５２）及びその初期位置を計算し、この初期基準パターン画像モデル（５２）と前記基準パターン画像（５８）との間の差及び変位を判定することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
20. 初期の基準パターン・モデル（３６）が、前記初期の基準パターン画像モデル（５２）から、前記初期の基準パターン画像モデル（５２）に対する前記基準パターン画像（５８）の差及び変位を生み出す前記パーツ変化（７２）を判定するための基盤として作り出されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 汚染物質の影響を取り除くことにより、判定した機械パーツ変化（７２）を補償するために、選択した機械パーツに必要な変化を有効にする段階を更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。

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