JP5710965B2 - 加工対象物の測定および加工対象物の加工のための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、独立請求項の前提部に従う加工対象物の測定および加工対象物の加工のための方法および装置に関する。このような方法は、ＵＳ第６６１１７３１号から公知である。

レーザアブレーション機などの極めて精密に数値制御される加工装置においては、数マイクロメートルという微小な製作精度を実現することが可能である。しかし、通常、そのように精密な加工は、加工対象物が少なくとも同等または類似の精度のときのみに有用である。なぜならば、その場合は、理想の配置（mount）についての加工データに従う非常に精密な加工は、その理想の配置に対する並進または回転のずれを含み得る実際の配置による危険にさらされないからである。

しかし、可能な加工精度に鑑みて許容可能な配置誤差のみが生じるように正確に加工対象物を配置し得ないことが、しばしばある。特に、回転のずれが大きな影響をもつ。配置における加工対象物の０．０１゜というごく僅かなねじれは、配置部位から２００ｍｍ離れた部分を有する加工対象物においては、その部分に理想位置からの約３５μｍのずれをもたらすが、これは許容できるものではない。

この理由により、ある方法では、加工対象物を可能な限り精密に配置して、その配置おける加工対象物を測定し、理想の配置と比べた実際の配置での加工対象物の並進および／または回転の変位／ずれを検出する。次いで、検出されたずれに応じて、理想の配置についての加工データが、実際の位置に向けて数値変換される。その後、配置を変化させることなく、変換データに従った加工対象物の加工が行われる。よって、最終的には、実際の加工対象物を理想のデータに向わせない。むしろ、逆に、理想のデータが実際の加工対象物に向けて変換される。こうして、配置誤差がある程度排除される。

図１ａは、機械座標系ｘ−ｙにおける２次元切断の状況を模式的に表している。物体９（たとえばタービン翼）に、精密な位置合わせを必要とする孔８（たとえば冷却流体用）が設けられる場合を想定する。符号１は、理想の配置における物体の表面であり、符号８−１は、理想どおりに配置された位置における（将来の）孔である。符号２は、実際の配置における表面であり、（実際の）孔８−２は変位した位置に存在する。並進変位は、たとえば、左下隅の矢印３ａで表され、この矢印は、Ｘ−およびＹ−成分を有する変位ベクトルで構成される。回転変位は、角３ｂで示される。

３次元空間においても、関係は定性的には同じである。ただし、変位ベクトルは３次元の量であり、角変位について３つの自由度を有するので、決定すべき量は全部で６つである。

図１ｂは、理想の座標系と実際の座標系の相互関係を表している。系ｘｉ−ｙｉ−ｚｉは、たとえば機械座標系である理想の座標系を表している。系ｘｒ−ｙｒ−ｚｒは実際の座標系を表している。後者は、前者に対して、並進によって変位ベクトルｖｖ＝（ｘｖ，ｙｖ，ｚｖ）だけ変位しており、かつ、複数の軸の周りに角λｖ，βｖ，φｖで回転変位している。理想の座標系における点／ベクトルｖｉと実際の座標系における点／ベクトルｖｒとの関係は、数学的には次のように表現される。
ｖｒ ＝ ｋ × Ｄ（λｖ，βｖ，φｖ） × ｖｉ ＋ ｖｖ
ここで、３次元計算におけるＤ（λｖ，βｖ，φｖ）は、前記回転を生じさせる３×３マトリックスであり、ｋは倍率である。ｘｖ，ｙｖ，ｚｖ，λｖ，βｖおよびφｖが既知のとき、前記式によって、理想の座標系における座標点は、実際の座標系における点に変換され得る。有利なことに、量ｘｖ，ｙｖ，ｚｖ，λｖ，βｖおよびφｖは、理想の座標系（機械座標系）について定義される。なぜなら、これははじめから判っているからである。これに関連して、実際および理想の座標系間の変換について、特に他の並進および回転軸での、複数の記述方法が存在することを指摘しておく。これらは、変換が前述の６つのパラメータ（３つの並進（ｘｖ，ｙｖ，ｚｖ）および３つの回転（λｖ，βｖ，φｖ）））よりも少ないパラメータを必要とするように、選択してもよい。しかし、その場合、計算の仕事量が変化するだけで低下しないように、これらの軸を決定し、表現しなければならない。ただし、加工対象物において、または行うべき加工において、ある種の対称があるとき（円形の孔など）は、変換を表現するための少数のパラメータで充分かもしれない。

並進変位３ａおよび回転変位３ｂの決定は、実際の配置における物体の複数の基準点２−１，２−２，２−３の実際の位置が測定されるように、行うことができる。測定された値は、理想の配置に従う基準点１−１，１−２，１−３の予想される理想の値と比較される。こうして、物体の実際の位置および姿勢を決定することができる。次いで、既知の理想の位置および姿勢を参照して、並進および回転の変位を決定することができ、それは加工データに適用することができる。先に引用した米国特許は、このような方法を記載している。

上記の方法には２つの不都合がある。
一方では、基準点の測定において、精度よく基準点に的中することはほとんどできないであろう。なぜなら、通常、基準点には印が付けられていないので、測定用プローブは（実際の座標は不明であるから）基準点の理想の座標においてのみ基準点に近づき得て、したがって、検出誤差が、少なくとも部分的には、変位した配置によって生じるのではなく、正確に的中しない基準点を測定することによって生じるからである。この問題は、適切に基準点および基準点の接近方向を選択し、かつ、適切にアルゴリズム（大きな偏差が検出されたときの反復法など）を設計することで、ある程度克服することができる。しかし、これは方法を複雑にし、個々の加工対象物ごとに個別に方法を調節しなければならなくなる。

他方では、基準点が、現実には、もはや存在しなくなっていることがあり得る。これは、特に、加工対象物が、何時間もの稼動時間の後に修理されるとき、つまり保守中（タービン翼など）に生じる。加工対象物は、磨耗または粗雑な機械的衝撃（バードストライクなど）を示すかも知れず、したがって、大なり小なりの表面欠陥によって、基準点が消失している可能性がある。表面欠陥は、変形した材料または何らかの凝集による材料凝集であることもある。図１ａは、２ａにおいて表面にへこみを示し、したがって、基準点２−３は「定まらず」、測定することができない。それにもかかわらず、この基準点の代わりに何かが測定されるならば（たとえば、へこみの底２ａ）、誤ったものが測定されることになり、したがって、それから得られる値は誤ったものとなる。
さらなる関連先行技術に、ＤＥ１９６３１６２０号およびＤＥ３１１９５６号がある。

本発明の目的は、加工対象物を測定するための信頼性の高い方法および装置であって、大きく誤差のある配置の下でも、また理想的な形状ではない加工対象物に対しても、確実に動作する方法および装置を提供することにある。

この目的は、独立請求項の特徴によって達成される。
加工対象物を測定する方法において、理想の表面データを機械座標系に関して並進変動および回転変動させて、変動させたデータを、実際の配置における加工対象物の複数の表面点の測定データとそれぞれ比較する。適切に決定された総合誤差（偏差量）が最小になる変動を、理想の配置と比べた実際の配置における加工対象物の並進および回転のずれの開始点とすることができる。しかし、逆であってもよく、実際の配置における加工対象物の表面の測定データを、並進変動および／または回転変動させ、こうして生成された候補データを理想の加工対象物の表面データと比較してもよい。

加工対象物を測定する方法は、加工機械に加工対象物を配置する工程と、その配置における加工対象物を測定する工程と、測定結果と、第１の初期データセットを成す理想の配置についての加工対象物データとから、理想の配置と比べた実際の加工対象物の配置の並進ずれｘｖ，ｙｖ，ｚｖおよび回転ずれλｖ，βｖ，φｖを決定する工程と含み、第２の初期データセットを得るために、配置された加工対象物の複数の表面点の空間内での位置ｘｎ，ｙｎ，ｚｎを測定する工程と、複数の変動させたデータセットを得るために、第１および第２の初期データセットのうちの一方の初期データセットのデータを、複数の並進変位および回転変位に従って、複数回変動させる工程と、変動させたデータセットおよびそれらの基礎としたデータセットから、第１および第２の初期データセットのうちの他方の初期データセットによって表される表面との比較における、最小の偏差量を有する表面を表す１つのデータセットを決定する工程と、決定したデータセットの並進変位および回転変位から、並進ずれｘｖ，ｙｖ，ｚｖおよび回転ずれλｖ，βｖ，φｖを決定する工程とを含む。

上記のように前記一方の初期データセットを変動させることは、候補データセットを生成して、他方の初期データセットを参照してそれらを判断する「最良適合」法によってなされてよい。

加工対象物の配置の測定は、並進および回転のずれを決定するために必要な最小のデータ量に比べて冗長になされる。冗長度は、たとえば１０または１００と、高くてよい。そうすると、実際の物体の実際の表面についても良好な結果が得られる。実際の配置における加工対象物の測定は、光学的に、特に立体的に、特にライン照明などの特定の照明の下でなされてよく、好ましくは走査レーザによってなされる。

好ましくない影響が含まれる従来技術を示す図である。 好ましくない影響が含まれる従来技術を示す図である。 本発明に従う処理を示す図である。 誤差決定の可能な第１の実施形態を示す図である。 誤差決定の可能な特定の実施形態を示す図である。 誤差決定の可能な特定の実施形態を示す図である。 本発明に従う装置を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
一般に、本明細書においては、同一の参照符号は同一の要素を指す。ここに記載する特徴は、互いに排除するものでない限り、組み合わせることが可能であると考えるべきである。

図２において、ｘ−ｙ軸は機械についての固定座標系を示す。この座標系を参照して、機械が加工対象物に作用を及ぼす。加工データは、この座標系を参照するものでもよく、これに明確に関連する座標系を参照するものでもよい。図面は２次元のみを示す。ただし、本発明は、３次元空間においても適用可能であると理解すべきである。特に、３つの回転自由度（λ，φ，β）と共に、３つの並進自由度（ｘ，ｙ，ｚ）に沿った加工対象物の並進が考えられてよい。

図２において、参照符号２１ａ−２１ｉは、１つの初期データセットの異なる変動を表しており、この初期データセットは、示した例においては、加工対象物表面を表すデータセットである。変動は、並進および／または回転の自由度についてなされてよい。変動は、１つの自由度たとえばｘ−軸に関して、または、複数の自由度に関してなされ得る。個々の変動は、加工対象物表面を表す１つのデータセットを、それぞれ変動後の位置に置く。

こうして生成される変動後の位置は（および初期データセットも）、それぞれ、個別に加工対象物の測定位置と比較され、総誤差量（偏差量）が形成される。

この比較に表面全体が含まれなければならないのではない。その区画で充分であろう。考慮する区画は、通常、検出すべきあらゆる生じ得る位置誤差がその中に充分に明確に反映されるように、選択される。特に、測定される区画は、配置部位から比較的離れた（加工対象物の可能な最長距離の７０％以上または８０％以上または９０％）区画であるか、そのような区画を含む。これで、特に回転誤差（配置部位における角変位）が、充分に明確に反映される。

誤差決定は、たとえば、図３に示されるように、変動後の表面上の点の測定表面からの距離を決定することによって、なされてよい。全ての点の大きさまたは距離の平方が合計されて、１つの変動についての誤差量つまり偏差量を成す。距離決定は、算術的に容易な方法でなされてよく、点、表面およびそれに関する垂線のベクトル表記によって、およびそれで現れる等式を解くことによってなされる。

各データセット内の複数の点、具体的には、考慮する表面区画の全体にわたって分布するｎ点以上、ｎ＝１０，５０，１００，２００，１０００または５０００、が上記のように評価され得る。そうすると、１つの変動についてｎ個の個別の誤差が現れることになり、これらの誤差が上述のように処理されて個々の変動の総誤差とされる。こうして、各々が既知の並進変位および回転変位に由来し個別の誤差量を有する、異なる変動が現れる。

次いで、最小の誤差量を示す誤差変動が選択される。初期位置からのこの変動の並進変位および回転変位は、理想の位置および姿勢と比べた実際の配置における加工対象物の実際の並進変位および回転変位に最もよく対応し、これは誤差量が最小であることから判る。こうして、誤差量が最小の並進変位および回転変位に従って、実際の配置における加工対象物の並進および回転のずれを決定することができる。単純な場合、誤差量が最小の並進変位および回転変位が、直接、加工対象物の並進および回転のずれとされるかもしれない（測定表面を変動させて理想の表面と比較するときには、符号修正の可能性がある）。ただし、反復法を使用してもよい。これについて、以下に説明する。

並進および回転の変動は、制御された非無秩序の態様で、たとえば、誤差（総誤差、偏差量）に及ぼすそれらの影響を評価し、それを他の変動の決定に利用することによって、なされてよい。パラメータを変動させることによって誤差が小さくなるときは、そのパラメータは同じ方向に変動させられ、そうでないときは、他の方向に変動させられる。誤差の最小を通り過ぎたときは、それまでの最小の誤差を採用し、そこから開始して、それまでに変動させられていない他のパラメータが、特に上述のように変動させられる。このようにして複数のまたは全てのパラメータすなわち自由度（ｘ，ｙ，ｚ，λ，β，φ）が変動させられたときは、パラメータの変動の別のパスが、おそらくはより小さなステップ幅で、なされてもよい。

終了基準（所定回数の変動／反復、所定量よりも小さい誤差など）が満たされたときには、誤差量が最小の変動の並進変位および回転変位が変位の決定に用いられてよい。

一般に、表面欠陥を有する測定加工対象物表面の表面区画上の点は、上述の誤差決定から除外される。その理由は、欠陥が、図４ａ，図４ｂを参照して説明するように、正しいと推測される近似を系統的に間違った方向に「引っ張る」大きくて補償不可能な誤差を、招き得るからである。図４ａにおいて、曲線は欠陥（へこみ）のある表面区画を表しており、直線は、選択された誤差決定に基づき最小の誤差量を示すので、良好に近似されたと推測される表面を表している。

図４ｂによれば、欠陥表面区画（その上の点）は誤差決定から除外されており、変動後の表面（表面区画）と初期表面との比較は、除外区画の点を含まずになされる。欠陥表面部位は、種々の方法で認識することが可能であり、特に手動入力によって、光学的な自動認識によって、または、測定データを評価することによって、認識される。さらなる可能性は、並進変位および回転変位をまず行い、これに基づいて測定表面を理想の表面と比較し、特定の絶対距離または（他の区画との比較における）相対距離などの特定の基準を満たす測定表面の区画を除外することである。縮小された表面区画に基づいて、変動および比較が反復法におけるように繰り返される。

このようにして、間違った方向に系統的に引っ張られた並進変位および回転変位を正しく見せかけるであろう区画が、考慮されずに済む。

表面欠陥が上述のように認識されたときは、それに従って、表示または警告が出力され、および／または、加工データが変更される。加工データの変更は、たとえば表面の加工部位の姿勢を調整するために、加工対象物表面の加工スポットの変位が計算上考慮に入れられるような、変位を含んでよい。ただし、この変更は、行うべき加工の完全に新たな計算にまで達するかもしれない。

図５は、加工対象物の測定および加工対象物の加工のための装置を示している。符号５２は、機械たとえばレーザアブレーション装置であり、加工対象物９を、加工データに従って、特にドリリングまたは層別アブレーションによって、加工する。加工対象物自体は搭載台５１に配置される。

符号５５は測定手段を表している。これは、光学的に動作するものでよく、適当な解像度を有するカメラなどの光ピックアップを有してよい。また、立体的に動作するものでよく、異なる視点から加工対象物を捉える２以上のピックアップ５５ａ，５５ｂを有してよい。特殊な照明手段５６、特に、加工対象物を注目する区画においても走査する、たとえばレーザなどのライン照明が備えられてもよい。光学的測定手段の全体は、同一の表面区画を異なる視点から捉えて測定するために、移動可能であるとよい。最終的に得られる加工対象物表面の測定点の数は、ある程度、選択可能つまり調節可能である。厳格でない上限が、光ピックアップに関してその解像力によって生じ、おそらく計算時間の考察によっても生じる。光ピックアップに代えて、所望の数の位置で表面を連続して走査する１以上の機械的点センサなどの、他のピックアップも可能である。

符号５４は、加工対象物表面の測定値を決定し、必要な場合はそれらを適切な形式にする、制御部またはフィードバック制御部である。制御部は、光学的測定においては、所定のアルゴリズムに従って、所望の形式の画像データから表面データを抽出し、それらを評価制御部５３に供給する。評価制御部５３は、複数の目的を、したがって複数の手段を有しており、前述の変動を制御し、誤差判定を行い、おそらく反復法などによって、理想の配置と比べた実際の配置の加工対象物の変位を決定し、決定された並進および回転のずれに従って加工データを変更し、決定されたずれに従って加工対象物の加工を制御する。

Claims (15)

1. 加工機械に加工対象物を配置する工程と、
   搭載台に固定して配置された加工対象物の位置を測定する測定工程と、
   前記測定の結果と、理想の配置における理想の加工対象物データが理想の配置についての第１の初期データセットを成す、理想の加工対象物データとから、理想の配置と比べた実際の加工対象物の配置の並進ずれ（ｘｖ，ｙｖ，ｚｖ）および回転ずれ（λｖ，βｖ，φｖ）を決定する決定工程とを含む、加工対象物を測定する方法であって、
   前記測定工程において、
   （ａ）固定して配置された加工対象物の１０以上の表面点の空間内での位置（ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ）が測定されて、第２の初期データセットが得られ、
   前記決定工程において、
   （ｂ）前記第１および第２の初期データセットのうちの一方の初期データセットのデータが、複数の並進変位および回転変位を記述する複数のコンピュータ演算によって、複数回計算によって変動させられて、複数の計算によって変動させたデータセットが得られ、
   （ｃ）計算によって変動させた各データセットおよびそれらの基礎とした前記第１および第２の初期データセットのうちの一方の初期データセットについて、それらによって表される個々の表面についての偏差量が、前記第１および第２の初期データセットのうちの他方の初期データセットによって表される表面と比較して決定され、
   （ｄ）種々の偏差量から最小の偏差量が決定され、
   （ｅ）決定した最小の偏差量を有する並進変位および回転変位から、並進ずれ（ｘｖ，ｙｖ，ｚｖ）および回転ずれ（λｖ，βｖ，φｖ）が決定されることを特徴とする方法。
2. 決定したデータセットの並進変位および回転変位を、並進ずれ（ｘｖ，ｙｖ，ｚｖ）および回転ずれ（λｖ，βｖ，φｖ）とすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 決定したデータセットにおける、加工対象物データによって与えられる表面から所定値を超えて離れた点を、決定して除去し、
   他のデータセットにおける、除去した点に対応する点を、同様に除去し、
   そのようにして生成したデータセットを用いて工程（ｃ），（ｄ）および（ｅ）を反復することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 工程（ａ）において、光学的測定を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 少なくとも１０の、好ましくは少なくとも３０の、表面点を測定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 新たなデータセットを決定するための変動を、既に決定した１以上の偏差量に従って行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記一方の初期データセットは、理想の配置についての加工対象物のデータセットであり、前記他方の初期データセットは、加工対象物の測定に基づく加工対象物のデータセットであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記一方の初期データセットは、加工対象物の測定に基づく加工対象物のデータセットであり、前記他方の初期データセットは、理想の配置についての加工対象物のデータセットであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
9. 表面欠陥を認識し、これに応じて表示または警告を出力し、および／または加工データを変更することを特徴とする請求項３に記載の方法。
10. 加工対象物を加工する方法において、
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法で加工対象物を測定し、
    決定した並進ずれ（ｘｖ，ｙｖ，ｚｖ）および回転ずれ（λｖ，βｖ，φｖ）に従って、理想の配置についての加工対象物データを変更し、
    変更した加工対象物データに従って加工対象物を加工することを特徴とする方法。
11. 加工対象物を測定する装置であって、特に請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法を実施し、
    加工機械（５０）内の加工対象物用の搭載台（５１）と、
    搭載台に固定して配置された加工対象物の位置を測定する測定手段（５４〜５６）と、
    前記測定の結果と、理想の配置における理想の加工対象物データが理想の配置についての第１の初期データセットを成す、理想の加工対象物データとから、理想の配置と比較した実際の加工対象物の配置における並進ずれ（ｘｖ，ｙｖ，ｚｖ）および回転ずれ（λｖ，βｖ，φｖ）を決定する決定手段（５３）とを備える装置において、
    （ａ）測定手段は、第２の初期データセットを得るために、固定して配置された加工対象物の１０以上の表面点の空間内での位置（ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ）を測定し、
    （ｂ）決定手段は、前記第１および第２の初期データセットのうちの一方の初期データセットのデータを、複数の並進変位および回転変位を記述する複数のコンピュータ演算によって、複数回計算によって変動させる変動手段を含み、
    （ｃ）決定手段は、計算によって変動させた各データセットおよびそれらの基礎とした前記第１および第２の初期データセットのうちの一方の初期データセットについて、それらによって表される個々の表面についての偏差量を、前記第１および第２の初期データセットのうちの他方の初期データセットによって表される表面と比較して決定する偏差決定手段を含み、
    （ｄ）決定手段は、決定した偏差量から最小の偏差量を決定する選択手段を含み、
    （ｅ）決定手段は、最小の偏差量を有する並進変位および回転変位から、並進ずれ（ｘｖ，ｙｖ，ｚｖ）および回転ずれ（λｖ，βｖ，φｖ）を決定するずれ決定手段を含むことを特徴とする装置。
12. 測定手段は、光ピックアップ（５５ａ，５５ｂ）を備えることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 測定手段は、異なる位置に配置された、可動であってもよい複数の光ピックアップを備えることを特徴とする請求項１１または１２に記載の装置。
14. 加工対象物を加工する装置において、
    請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の加工対象物を測定する装置と、
    決定した並進ずれ（ｘｖ，ｙｖ，ｚｖ）および回転ずれ（λｖ，βｖ，φｖ）に従って、理想の加工データ（８−１）を実際の加工データ（８−２）に変換する加工対象物データ変更手段と、
    実際の加工データに従って加工対象物を加工する加工手段とを備えることを特徴とする装置。
15. 加工手段は、レーザ加工手段であることを特徴とする請求項１４に記載の装置。

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