JP2000502176A - インテリジェント製造プロセスの測定および制御のための動的に剛性ある広バンド幅計測システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光学的ステアリング要素のリアルタイムの制御を行う装置は、１対の安定化レーザービーム導波器（５２）を含む。各ＳＬＢＤ（５２）は、ベースと、このベース（１０）に機械的に結合されたビームポインティング、および安定化装置と、ベース（１０）に取り付けられた３つの基準ビームレーザー（１３）および安定化ビームレーザーを含む。各ビームポインティングおよび安定化装置は、光学的なステアリング要素および軸傾斜検出器を含む。光学的ステアリング要素は、安定化ビームレーザーに光学的に結合され、安定化されたビームレーザー（５６）をステアリングする。基準サブシステムは、加工品に対して固定した状態に設けられた３つの基準検出器（５８）を含み、局部的に剛性な加工品の座標系を提供する。３つの基準検出器（５８）は、それぞれ３つの基準ビームレーザー（１３）と光通信する。基準検出器の出力信号および工具センサの検出器の出力信号をプロセッサが受信し、これら出力信号の座標変換を行い、剛性加工品座標系に対する工具の位置をトラッキングする。

Description

【発明の詳細な説明】 インテリジェント製造プロセスの測定および 制御のための動的に剛性ある広バンド幅計測システム発明の背景 発明の分野 本明細書は、工業プロセスの測定および制御のための動的に剛性ある広バンド 幅計測システム（ＤＲＭＳ）を開示するものである。「動的に剛性あるシステム 」なる用語は、剛性を維持するために、大きく強固な構造体を必要とすることな く、機能的観点から加工品に剛的に取り付けられた、固定された座標系を空間内 に確立するシステムを意味するものである。この座標系は、光学的手段によって 確立され、このシステムで使用される光学装置は、計測システムと加工品との間 の振動、および相対的運動の作用に対して反作用するように、十分なバンド幅を 有する。動的に安定化されたレーザービームと加工品との間の空間内に、固定さ れた関係を維持することにより、剛性の機能的等価物が得られる。 本発明の主な特徴は、製造業者によってこれまで考えられていない革新的な方 法で、在庫の工業部品を利用することによって、経済的に極めて高い精度が得ら れることにある。従って、高性能を得るためのコストは、現在の技術レベルでの コストの実質的に数％以下に低減される。 あるケースでは、ある所定のクラスの工業部品について、比較的大きい誤差が あり、この誤差は、コストをかけても、許容可能な公差まで低減させることはで きない。本発明を使用する環境では、位置決めの誤差も生じるので、このような 誤差を測定しなければならない。 本発明の不可欠な部分は、これらの誤差を測定し、それを補正する手段にある 。リアルタイムで補正量を計算するのに使用される高速の数学的演算を実行する のに、ワークステーションまたはハイエンドのパソコンによって得られるような 、かなりの計算能力が必要である。また、低ノイズ光学的センサおよび改善され た光源によって、低コストの高精度の検出およびトラッキングが可能となってい る。 関連技術の説明 競合する方法 計測方法は、直接方法と間接方法に分類できる。直接測定は、例えば巻き尺を 用いて、ある基準点に対するある点の位置を測定することによって行われる。間 接的な測定方法の一例としては、立体視システムが挙げられる。これによると、 三角測量により距離の測定を行う。実際に測定される量は、合焦平面における像 が一致した時の２つのカメラ間の距離である。本発明の動的に剛性ある計測シス テム（ＤＲＭＳ）は、間接的な測定方法であり、表Ｉは、ＤＲＭＳと競合する技 術を示す。 直接位置測定−干渉計 長さを測定する極めて高精度の市販されている直接的方法としては、レーザー 干渉計を用いたものがあり、この干渉計のビームに沿った距離測定精度は、ＤＲ ＭＳの能力の何千倍もの精度となっている。固定規格および技術研究所（ＮＩＳ Ｔ）は、レーザー干渉システムを使用すると、ロボットのエンドエフェクタの位 置を、動的にトラッキングできることをこれまでに報告している。レーザービー ムの他に、このシステムは、ロボットへのビームをトラッキングし、ビームを干 渉計に反射して戻すのに回転ミラーを使用している。このように、距離と２つの 角度により測定装置に取り付けられた座標系に対する１つの点の球面座標が得ら れる。このシステムは、研究所段階のシステムであり、報告されている精度は、 ミラーで生じた誤差の結果、３立法メートル当たり約０．０１３ｍｍ（０．００ ０５）インチである。 表Ｉ．方法の比較 精度 大容積 広バンド幅 直接方法 干渉計 × ＮＩＳＴの装置 × × 間接方法 セオドライト × × 光学的撮像 × × ＤＲＭＳ × × × 干渉システムは、多くの限界を有する。このシステムで使用されるミラーは、 ガルバノメータで駆動されるミラーであり、ベアリングに公差があるため、回転 軸線はミラーが回転する際に揺動する。このような揺動成分は、５マイクロラジ アン（約１アーク秒）の大きさであり、その結果、測定容積が増加するにつれ、 誤差も驚くほど大きくなる。バンド幅を広くするには、ミラーを比較的小さく（ 約２ｃｍ径）にしなければならず、そのため長距離にわたって高分解能を得るの に必要な大きな径のビームを使用することができなくなる。 回転ミラーの機械的問題の他に、干渉計は、距離の変化から生じる干渉縞をカ ウントすることにより、距離の変化を測定できるにすぎない。従って、ビームが 遮断されると、この干渉縞のカウント数が失われるので、一旦ビームが遮断され ると、基準点を再設定しなければならない。物体が干渉計のビーム方向に沿って 移動できる最大速度成分は、市販されている干渉計の場合、毎秒７１．１ｃｍ（ ２８インチ）に制限されている。このような速度は、多くの装置が移動する速度 よりもかなり低速である。 干渉計に基づくシステムは、かなり大きい容積内で高精度であり、機能するた めには、全体的に剛性であることが必要であり、速度トラッキング能力が限られ ている。しかし、ビーム遮断問題により、その主な用途は、製造環境内で使用さ れる他の計測システムに対する較正装置として使用されるか、または研究所内で の用途に限られる。 直接位置測定−セオドライト（経緯儀） 市販されている直接位置測定−セオドライト測定器（例えばソッキア・セット ビー社（Sokkia SETBii）の電子トータルステーション）は、先に説明した装置 と類似する原理で作動する。かかる測定器は、基本的には、レーザーレンジファ インダー（距離計）が取り付けられたセオドライトから成っている。このセオド ライトは、２つの回転角方向の座標を発生し、レーザーは距離座標を発生する。 この測定器は、ＮＩＳＴ装置よりもかなり低速であり、レーザーレンジファイン ダーのために、精度がかなり低くなっている。 レーザーレンジファインダーは０．１６５ｍｍ（０．００６５インチ）の分解 能を有し、この分解能は、１０^-11秒の時間分解能を有している。これと対照的 に、ＮＩＳＴ装置の距離分解能を得るには、４×１０^-14秒の時間分解能が必要 であるが、この分解能は、所定の研究所での条件でしか得られない。 間接位置測定−セオドライト 位置を測定するプロトタイプの間接的方法として、三角法による測量がある。 他のすべての間接方法は、同じ要素を含んでいるはずであり、測量と類似の方法 により、ＤＲＭＳの理解に役立つ。測量上では、三角法は、基線としての注意深 く測定された距離、および基線と重力ベクトルによって設定されたローカル垂直 線の交点によって決定された基本平面を必要とする。基本平面に垂直なベクトル と、ローカル垂直線および基線は、３つの座標軸を設定し、これら座標軸から、 測定を行うことができる。基線の各端部から、当該点への方位角および仰角を測 定するのにセオドライトが使用される。この情報は、三角形の他の辺および角度 のみならず、その向きを解くのに充分である。測量問題では、標準的な座標、例 えば緯度および経度に変換するのに数式が使用される。 測量用セオドライトは、ロボットおよびエフェクタの位置を統計学的に較正す るのに、これまで使用されている。この方法は、測定を行う、より正確な間接的 方法のうちの１つであるが、手動操作と読み取りを繰り返さなければならないの で、極めて低速である。 間接的位置測定法−光学的撮像法 ２つ（またはそれ以上）の固定されたビデオカメラを含む立体視システムは、 画像を処理し、各焦点平面内のどこに、観察シーンのうちの固定された特徴が位 置するかを判断することにより、より高速で、同じ測定を行うことができる。か かるシステムは、加工品と工具の双方を同一時刻に見ることができるという点で 有利である。このタイプのシステムのバンド幅は、毎秒３０フレームのビデオフ レームレートによって制限され、このフレームレートにより、ナイキスト周波数 は１５Ｈｚに設定される。計算上集中される画像処理時間を考慮すると、バンド 幅は更に狭くなり、現実的なバンド幅は５Ｈｚ以下まで低くなる。 立体視システムと等価的な機能を実行する市販されているシステムは、「オプ トトラック(Optorak)」と称されており、この市販システムは、位置を測定すべ き物体に取り付けられた点光源（発光ダイオード）を使用することにより、画像 処理時間の欠点を解消している。これらの光源は、１.１ｍのセンサーバーに強 固に取り付けられた３つのリニア電荷結合デバイス（ＣＣＤ）アレイによって観 察される。各光源は、ＣＣＤが一度に１つの光源を観測するように逐次オンにさ れる。このようにして、空間内のポイントを識別するための処理が不要となる。 メーカーは、このシステムに対し６００Ｈｚまでの１データレートを要求して おり、そのため、ナイキスト周波数は、３００Ｈｚになっている。最良の場合、 このシステムは、閉ループ制御バンド幅を１５〜３０Ｈｚにできる。センサーバ ーから６ｍ（１９．７フィート）の距離にあるシステムの要求精度は、各座標方 向における個々の誤差の２乗の合計の平方根を考慮することに基づき、約０．９ ９ｍｍ（０.０３９インチ）となっている。この距離での視野は、２.６０×３． ５４ｍ（８．５３×１１．３２フィート）であり、この値は、先に述べたＮＩＳ Ｔシステムが０．０１３ｍｍ（０．０００５インチ）の精度で測定する立方体の １つの面に相当する。１．３４×１．２６ｍ（４．４×４．２フィート）の限ら れた視野におけるわずか２．２５ｍ（７．３８フィート）のより短い距離でも、 誤差は約０．２ｍｍ（０．００８インチ）である。 光学的撮像システムの基本的限界 すべての間接的な光学的計測システムが直面しなければならず、かつ実際に使 用する際に考慮しなければならない基本的な限界は、回折現象によるビームの広 がり効果であ。あるターゲットに対するビームの投影および合焦を考えるか、ま たは観察システムによって分解できる最小要素を検討するかのいずれにおいても 、これらの方法のいずれも、回折の法則によって制限される。 基本的には、光学系によって分解できる最小スポッとの直径ｄは、距離Ｒと光 の波長λの積をビーム投影レンズの直径ｄで割った値の約２倍で示される。すな わち 例えば、ヘリウム−ネオンレーザーの赤色光（０．６３μｍ）で物体を見た場 合、１ｍ離れた物体に合焦される２インチ径のレンズは、０．０２５ｍｍ （０．００１インチ）を分解できるにすぎない。 回折により制限されるスポット径によって決定される分解要素（式１．１）と 、ＣＣＤアレイ内のピクセルによって決定される分解要素との間で微分を行うこ とができる。回折スポットが１つのピクセルよりも小さい場合、ピクセル径が分 解能を決定する。回折スポットが数個のピクセルをカバーする場合、高コントラ ストの物体の位置を、回折スポット径よりも小さい位置に決定できるようにする 画像処理技術がある。 特定の分解能では、光学的の視界は焦点平面検出器で利用できるピクセルの総 数によって制限されることは、理解しうると思う。例えばＣＣＤアレイは、回折 ピクセルが基板に取り付けられた個々の検出器となっているディスクリートデバ イスである。一方向に沿ったピクセルの総数は、数百〜２０００個になる。最終 的に、（１）高分解能で大きな光学系を用いた限られた視界と、（２）分解能が 低く、小さい光学系を用いた大きな視界との間で妥協を行う。 高分解能と大きな視野の組み合わせが望ましい場合、回折効果によって生じる 制限により、光学系を機械的に移動させなければならない。しかし、相当に大き い光学系を移動させると、相反する条件を生じさせるような新しい問題が生じる 。例えば、高速で比較的主に組の部品を移動させることと、これらをマイクロラ ジアンの精度に位置決めすることとは、相反することである。負荷を支持するの に必要な大きなベアリングにより、大きな回転軸の揺動等が生じるからである。 利用できる現在のシステムおよび部品を検討すると、これらシステムの設計者 は、既にシステムの性能を物理的および製造の限界点近くまで近づけるような、 かなりの改善を既に行っている。改良を行うことができるが、現在の方法により 、性能を大幅に高めるというようなことはできそうにない。 ほとんどの製造時において、加工品に対する工具の位置は、間接的に決定され ている。例えばフライス装置を使用する場合、テーブルに加工品を取り付ける。 テーブルは、種々の方法でサドルに取り付けられ、サドルは、フライス装置の膝 部およびコラムに取り付けられる。このコラムからオーバーアームが延び、この オーバーアームは、工具（カッター）を支持する。このような状況では、設定時 間は、工具に対する加工品の位置決めと関連しており、機械作業では、ベッドが 加工品を移動し、ベッドの位置を測定している。望む情報は、加工品に対する工 具の位置であり、このような間接的な方法を実行するには、装置を極めて高い剛 性を有するようにしなければならない。このような加工品に対する工具の位置を 決定するための間接的方法は、開ループ制御系として知られている。 これと対照的に、人体の構造は、極めてフレキシブルであるが、人は、針に糸 を通すことができる。人が使用する制御系のタイプには違いがある。人の視力は 、針（加工品）の位置と糸（工具）の位置を決定できる。このような２つの位置 の差異により、最終的に針に糸を通すのに腕を制御するための必要な情報が得ら れる。目を閉じていれば、針に糸を通すことはできない。このことは、一般的に 閉ループ制御系を使用する利点を示している。 動的な剛性の概念は、次の例によって示される。視野を組み込んでフィードバ ックを行うことにより、針を保持する手の定常的でない動きは、針と糸との間の 固定した関係を維持しようとする他方の手を移動することによって補償できる。 数学的な条件では、座標系は加工品に対して固定されており、この座標系内の工 具に対する固定された位置は、動的に維持される。すなわち、閉ループ系を動的 に剛性な系にすることができる。 閉ループ制御系によって得られる大きな利点は周知であり、撮像システムおよ びその他のフィードバックを行う手段を開発する上で、これまでかなりの研究が なされている。撮像システムの主な欠点は、これらシステムでは計算が集中し、 極めて低速であることである。かかるシステムの最大閉ループバンド幅は、一般 に２Ｈｚよりも低い。 大規模な製造プロセスのための閉ループ制御で固有な前提条件を満たすには、 計測システムは、（１）高速度、（２）高精度および（３）大作動容積を同時に 満たすことができなければならない。現在利用できるシステムは、これら３つの 条件のうちの１つ、せいぜい２つしか満たせない。現在の技術レベルでは、これ ら３つの条件すべてを満たすことができるものはない。 本発明の目的は、これら３つのすべての条件を満たし、もって、フレキシブル な構造の制御、およびインテリジェントな製造プロセスのような工業プロセスの ための新しい可能な技術を提供することにある。本発明のＤＲＭＳは、現在の技 術を使用する工業システムよりも２０〜１５０倍高速であり、３００Ｈｚ以上の 閉ループ制御バンド幅が得られる。 本発明における「大きい作動容積」なる用語は、約４.６立方ｍ（１５立方フ ィート）を意味し、「高精度」なる用語は、容積内で各点を２５．４μｍ（０． ００１インチ）の精度に指定できることを意味すると定義する。 約３０立方メートル（１００立方フィート）のような大容積では、用途および バンド幅条件に基づき、精度は０．０５１〜０．５０８ｍｍ（０．００２から０ ．０２０インチ）まで低下する。このシステムは、毎秒７．５ｍ（２５フィート ）を越える速度で移動しながら、工具をトラッキングおよび制御できる。 空間内の１つの点の位置を測定するには、まず１つの座標系を設定しなければ ならない。従来は、この座標系に３つの要素（加工品、工具および測定装置）を 剛性状態に取り付けていた。一般に、外部のソースから加えられる運動から分離 され、３つの要素の相対的位置を固定するように、極めて強固で、多くの場合、 大きい構造体を用いることによって剛性を得ている。このような方法を、以下、 「グローバルな剛性」の設定と呼ぶ。 ほとんどすべての工具の位置決めおよび計測方法は、このようなグローバルな 剛性に依存している。 例えば、ロボット上のリンクおよびロボットの脚を加工品に接続するフロアは 、グローバルな剛性系を構成する要素となっている。加工品を、フレームに対し 剛性状態に保持する大きな座標測定装置も別の例である。１つのポイントの座標 を測定するための方法は、例えば、巻き尺を使うような直接的なものでもよいし 、測量で使用する三角法のような間接的な方法でもよい。 加工品の容積が大きくなるにつれ、グローバルな剛性を維持することも、機械 的手段によって剛性をもはや維持できなくなるような点に達するまで、次第に困 難となる。 極めて大きい構造体の剛性が欠如するのには、いくつかの要素が寄与している 。 その第１の要素は、スケールに関するものであり、材料の弾性から生じる短い 距離にわたる屈曲は、認識できないことが多い。構造のスケールが増すにつれ、 絶対的なスケールでの屈曲も、同じだけ比例して大きくなり、許容可能な限度を 越える。第２の問題は、スケールが大きくなるにつれ、構造体の質量を処理しな ければならないことである。容積の増加、すなわち質量は、スケール変化の３乗 に比例するが、断面積は２乗で変化する。最終的に構造体自ら支持できないよう な点に達する。 従って、本発明の課題は、工業用工作機械の高速の閉ループ制御、およびその 他のプロセスを実現できる加工品に対して、剛性的に取り付けられた座標系を空 間内に提供することにある。例えば、航空機の翼部分のような極めて大きい物品 を機械加工するのに、構造上の剛性を維持するには、大きな工作機械が必要であ る。この工作機械は、大きさがプール程の大きなコンクリートパッドのような安 定したベースに係止しなければならない。そのため、設定および運搬に時間を費 やして、工作機械に加工品を取り付けなければならない。 本ＤＲＭＳによって可能となる閉ループ制御を用いれば、軽量の工作機械を加 工品まで移動させ、即座に加工品の座標系内に工作機械を設定するように、加工 品を固定したままにすることができる。本ＤＲＭＳによって得られるこのような フレキシブルな方法は、工学的な改良または製品の変更によりもたらされる製造 プロセスの急激な変化に適応できる。 閉ループフィードバックは、ロボットの利用法を劇的に変えるものである。現 在のところ、ロボットは、大きな構造体を使用することにより、その精度を維持 しており、現在の技術では、ロボットが運ばなければならない荷物の約２５〜４ ０倍、ロボットの重量を大きくしなければならない。閉ループ制御を使用するこ とにより、荷物に対するロボットの重量の比は、２〜１までの小さい値となるよ うに、大幅に小さくできる。このような能力の結果、製造ラインをより効率的に することができ、このような効率的な製造ラインは、新しい製品に対して迅速に 変えることができ、ソフトウェアによって直接制御することが可能である。 ＤＲＭＳにより、更に次のような目標および課題が得られる。 （１）高精度で大きな容積の空間内に加工品が固定された座標系を設定する。 このような座標系は、処理中の物体（加工品）を基準としなければならない。本 ＤＲＭＳ発明では、１つの限界として、４．６立方メートル（１５立方フィート ）として大きな容積を定義し、ここでは、容積内の各点を０．０２５ｍｍ （０.００１インチ）の精度に指定する。 （２）作業空間内で、いくつかの工具またはロボットをシーケンシャルに制御 するための大きな視界を提供する。 （３）工具を制御し、かつ作業場所における振動の作用をなくすように、極め て広いバンド幅に合わせる。これに関連し、３００Ｈｚの閉ループの制御バンド 幅を指定する。このバンド幅は、５ＫＨｚのデータチャンネルサンプリングレー トを有する。このような高いバンド幅は、軽量の高速移動工作機械を制御し、か つ環境から振動を分離するという２つの目的のために必要である。 （４）ポータブルであり、工作機械と加工品との間の剛性の構造体を不要にす る。 （５）取得コストを許容できるものにし、寿命サイクルコストを低くする。 ＤＲＭＳにおいて具現化される高速と高精度と大容積能力の組み合わせにより 、広範な製造時の改善が容易となり、更に、新しいクラスの工作機械およびロボ ットを開発することが可能となる。発明の概要 本発明の図示された特定の実施例によれば、広バンド幅の動的に剛性な計測シ ステムにおける光学的ステアリング要素のための制御システムは、各々が安定化 レーザービーム導波器（ＳＬＢＤ）の座標系内に設けられた１対の安定化された レーザービーム導波器（ＳＬＢＤ）と、局部的に剛性な加工品の座標系を提供す る基準サブシステムと、プロセッサとを含んでいる。 ＳＬＢＤは、光学的ステアリング要素および軸傾斜検出器を含む。各光学的ス テアリング要素は、入力信号に応答して、安定化ビームレーザーをステアリング する。各ＳＬＢＤの光学的ステアリング要素は、回転軸を含み、局部的に剛性な ＳＬＢＤ座標系に対する光学的ステアリング要素の位置および配向に関連した誤 差信号を出力する。各ＳＬＢＤの軸傾斜検出器は、回転軸の初期位置に対する回 転軸の傾斜角度および向きを示す信号を発生する。基準サブシステムは、基準サ ブシステムに対するＳＬＢＤの位置を表示する信号を出力する。 プロセッサは、基準サブシステムからの信号を処理し、局部的に剛性なＳＬＢ Ｄの座標系を、互いに、かつ局部的に剛性な加工品の座標系に関連づける。この プロセッサは、更に光学的ステアリング要素からの誤差信号および傾斜角度なら びに方向信号を処理し、安定化ビームレーザーをリアルタイムでステアリングす るための入力信号を発生する。 本発明の別の特徴によれば、光学的ステアリング要素をリアルタイムで制御す るための広バンド幅の動的に剛性な計測システムは、１対の安定化レーザービー ム導波器（ＳＬＢＤ）と、基準サブシステムと、工具センササブシステムと、少 なくとも１つのプロセッサとを含んでいる。 各ＳＬＢＤは、ベースと、このベースに機械的に結合されたビームポインティ ングおよび安定化装置と、ベースに取り付けられた３つの基準ビームレーザーと 、１つの安定化ビームレーザーと、ＳＬＢＤに機械的に結合され、局部的に剛性 なＳＬＢＤ座標系を提供する計測構造体とを含んでいる。各ビームポインティン グおよび安定化装置は、光学的ステアリング要素と軸傾斜検出器とを含む。光学 的ステアリング要素は、安定化ビームレーザーに光学的に結合されており、入力 信号に応答して、安定化ビームレーザーをステアリングする。 光学的ステアリング要素は、局部的に剛性なＳＬＢＤ座標系に対する光学的ス テアリング要素の位置および配向に関連した誤差信号を発生する。この光学的ス テアリング要素は、回転軸を含む。軸傾斜検出器は、回転軸の初期位置に対する 回転軸の傾斜角および向きを表示する信号を発生する。基準サブシステムは、加 工品に対して固定された状態に設けられた３つの基準検出器を含み、局部的に剛 性な加工品座標系を提供する。３つの基準検出器は、それぞれＳＬＢＤの各々の ３つの基準ビームレーザーと光通信するようになっており、これら基準検出器は 、基準ビームレーザーに応答して基準検出器出力信号を発生する。 工具センササブシステムは工具上に設けられ、安定化ビームレーザーと光通信 する少なくとも１つの工具センサ検出器を含む。少なくとも１つの工具センサ検 出器は、安定化ビームレーザーに応答して、工具センサ検出器出力信号を発生す る。少なくとも１つのプロセッサは、基準検出器出力信号および工具センサ検出 器の出力信号を受け、この信号に対して座標変換を行い、局部的に剛性な加工品 の座標系に対する工具の位置をトラッキングする。この少なくとも１つのプロセ ッサは、更に軸傾斜検出器からの傾斜角および方向信号、ならびに光学的ステア リング要素からの誤差信号を受信し、これらを処理して入力信号を発生し、光学 的ステアリング要素のリアルタイムの制御を行う。ＤＲＭＳ方法 位置の間接的位置測定方法に基づく計測システムの上の説明は、物理学の法則 および光学的／機械的部品の制限が、いかにかかるシステムの性能を制約してい るかを示している。マイクロラジアンクラスの位置を維持し、ルーム内で数メー トルしか離間していない２つの物体の間の整合を行うことは、ほとんどの環境の フレキシビリティを考えられば、手間のかかる作業である。 ある実験では、コンクリートフロアの地下室の研究室を横断する固定されたビ ームの１マイクロラジアンの整合を維持する試みは不成功であった。このビーム は、部屋内の異なる位置に研究室の作業員が立つだけで整合がずれた。この問題 は、測定中に人が立っているフロア上の各位置にマークをつけることによって解 決された大きな製造ラインの装置ではプールほど大きい孔を掘削し、必要な剛性 を得るために、そこにコンクリートを打ち込む必要が生じる場合もある。このよ うな剛性ベースを構築するコストは、製造機械のコストと同じぐらい大きくなる ことが多い。機械的な剛性が必要なことも、非効率的な長期のコストとなる。製 造上のニーズが変わっても、製造プロセスを最適にするために装置を移動するこ とはできない。 次に、本発明の基本的な原理について説明する。「加工品」なる用語は、製造 中の物品および製造中の物品を支持するのに使用されるクレードルまたはジグ（ 治具）を含むものである。 （１）長い距離にわたって、グローバルな剛性を得ることは不可能であるので 、グローバルな剛性が必要とならないようにシステムを設計することが好ましい 。 （２）加工品は座標系を設定し、これにより、加工品に関連した局部的な剛性 の概念が得られる。 （３）システムの他のすべての部品が加工品をトラッキングし、他のシステム の部品の変位量／回転量を加工品がベースとする、局部的に剛性な座標系からの ずれと見なす。 （４）理想値からの局部的な偏差を検出し、アクティブに訂正するようにシス テム内に適当な局部的な基準を組み込む。 （５）単一のサブシステムはフル周波数バンドにわたって作動するように設計 してはならないが、可能な場合には、そのように設計してもよい。例えば大きな 動きは通常、低周波数であり、高周波の動きは大加速度を必要とするが、振幅は 小さい。 （６）可能な場合には、メーカーが意図しないような方法で部品を使用して、 大量生産の部品からシステムを組み立てる。動的に剛性な計測システムの原理 図１は、加工品と、作業容積外に位置する２つの安定化されたレーザービーム 検出器（ＳＬＢＤ）と、ロボットとを示す。ロボットを制御するＤＲＭＳは、通 常、２つのＳＬＢＤと、３つ以上の基準検出器アセンブリと、工具センサーと、 較正および設定工具と、関連するソフトウェアとから成っている。本明細書で使 用する「加工品」なる用語は、製造中の物品および製造中の物品を支持するため に使用されるクレードルまたはジグを含む。 加工品上には、Ａ、ＢおよびＣと表示された３つの基準検出器アセンブリが設 けられている。２つのベクトル（１つはＡからＢへのベクトル、および他方のベ クトルはＡからＣへのベクトル）は、この座標系のための基本ベクトルのうちの ２つを定めるものである。第３ベクトルは、先の２つのベクトルによって定めら れる平面に垂直なベクトルによって決定される。必要な機械的な剛性は、加工品 に関連する剛性に限られる。２本の独立した基線は、加工品に関連付けるべき座 標系に対する測定基準、および加工品に対する配向を設定している。配向は、重 心ベクトルと関連していないので、空間内の計測に対して、同じ座標系を使用で きる。 各ＳＬＢＤは、４本のレーザービームを発射する。これらビームのうちの３本 の基準ビームと称されるビームは、ＳＬＢＤの本体に対して固定されており、基 準検出器アセンブリに向けて発射される。安定化ビームと称される第４のビーム は、空間内の所望する点を通過する視線を設定するように、方位角および仰角内 で向けることができる。 各基準検出器アセンブリは、１つ以上の光検出器から成り、この検出器は、 ２．５４×１０^-4（１０μインチ）の精度まで、検出器の表面上の基準ビームの 位置を測定できる。基準検出器上の３本の固定されたビームの位置は、加工品に 対するＳＬＢＤの位置および配置に関する情報を提供する。ＳＬＢＤと加工品と の間の並進、および回転時の双方の相対的動きは、連続的に測定され、安定化さ れたビームに対するリアルタイムの方位角および仰角の訂正値が提供され、加工 品の座標系における指定されたポイントを通過する視線が維持される。 加工品に対するＳＬＢＤの位置、および配向を連続的に測定していることによ り、グローバルな剛性が不要となっている。従って、ＳＬＢＤ間に仮想的基線を 設定することにより第１の基準が満足され、加工品上の３つの基準検出器アセン ブリは座標系を設定しているので、局部的剛性の第２の基準が満たされる。 最後に、加工品に対する交点を連続的に設定するように、加工品からの安定化 されたビームを動的にずらすことにより、第３の基準が満たされる。 ＳＬＢＤの詳細な実施例を説明するために、第４〜第６の基準について説明す る。 各回転軸線に対する２つのジンバルの等価物を用いることにより、大きい低周 波数の回転角変化と、小さい高周波の回転角方向の偏差とを分離する。大きな視 界を発生するジンバルを大角度ドライバと称し、第２のジンバルの等価物を高速 ビーム偏向器と称し、この偏向器は、安定化レーザービームの広バンド幅の視界 が限られた回転角方向の偏向を発生する。大角度ドライバは、高速ビーム偏向器 の視界内に、空間内の所望する点を入れるよう、機械的に回転する。大角度ドラ イバがどこをポイントしているかを正確に決定するために、インクリメント式光 学的エンコーダが使用される。 一部のエンコーダのメーカーは、インクリメント式エンコーダディスクと、大 絶対回転角方向エンコーダの双方に同じ製造プロセスを使用している。従って、 インクリメント式エンコーダにおける各ステップのエッジ変化点はサブミクロラ ジアンの精度となっている。サイン波のゼロクロス点がエッジ変化に正確に対応 するようなサイン波状の電気信号を、エンコーダから得ることも可能である。 大角度ドライバを作動する際に、機械的アセンブリを指定するゼロクロス点に 位置決めするのに、ＤＣサーボモータを使用する。位置決めには、所定の誤差が 生じ、サーボシステムは、このゼロクロス点を中心に連続的にハンチングする。 エッジ変化点に近い角度では、エンコーダの電気的出力は角度のリニア関数とな っている。このように高速ビーム偏向器を駆動し、大角度ドライバのランダム運 動を訂正するのに使用できる誤差信号が発生される。市販されているインクリメ ント式エンコーダは、１つの円をサブマイクロラジアンの精度で、６１８．４マ イクロラジアンのステップに分割できる。 高速ビーム偏向器は、２つのブラッグセル（音響−光偏向器）から構成されて おり、各回転軸に対して１つずつセルが設けられている。好ましいブラッグセル は、５．２３１ミリラジアンの範囲にわたってビームを偏向でき、可動部品を含 んでいない。ブラッグセルの周波数応答は、メガヘルツの範囲内にあり、起こり 得る機械的な動きを容易に補償できる。セルを通過するビームの偏向は、透明固 体内を伝搬する超音波の周波数によって制御される。音響波は固体内で回折格子 を発生し、ビーム偏向角は光ビームの波長および音響波によって設定された格子 間隔の関数でもある。よって、音響波の周波数を変えることにより、ビームの偏 向角を変えることができる。 ブラッグセルを使用することにより、困難な角度の機械的測定値をより簡単な 周波数の測定値に変換できる。ブラッグセルは、レーザー変調器およびレーザー ビーム偏向器（アイソメット（Isomet）社モデル１２０５Ｃ−２）のような広範 な用途で使用される市販のものである。 本発明のキーとなる主な有利な特徴は、低精度の工業グレードの部品から誤差 を正確に測定し、計算および安定化されたビームの制御により、これらの誤差を 訂正できることである。先に述べたように、誤差の原因の１つは、ベアリング上 で回転する機械システムの回転軸線の揺動にある。空気ベアリングは、この軸の 揺動問題を直接解決するが、このベアリングによる方法は、すべての用途におい て、低コストまたは容易に実施できる解決案ではない。 本発明によれば、回転が生じる際の軸の傾斜を測定するための手段が設けられ 、測定された傾斜情報を用いて、２つのブラッグセルを駆動する周波数を制御し 、もって軸の傾斜を修正するよう、安定化されたビームの方位角および仰角を変 えるようになっている。 ＡＢＥＣクラス９（利用できる最も精密なクラス）の機械式ベアリングを使用 しても、この用途では、２５マイクロラジアンの揺動が生じる。従って、ＡＢＥ Ｃクラス５のような容易に入手できる低精度のベアリングを使用することによっ て、コストの節約を図ることができる。軸の傾斜の測定を行い、内部ジンバルに この誤差信号を送ることによって訂正を行う。 図５に示すように、リアルタイムで傾斜を測定するのに、基準平面として光学 的フラットを使用できる。このフラットの表面には、アルミニウムがコーティン グされている。かかる物品は、通常ミラーとして販売されている。このミラーの 正面は、光の波長の２０分の１（３２マイクロｍｍ、１．２５マイクロインチ） まで平らであり、極めて正確な基準平面を構成する。 このシステムの回転部品には、直径が約１２．７ｍｍ（０．５インチ）の３つ の導電性プローブが取り付けられている。このプローブは、ミラー表面から数千 分の２５．４ｍｍ（１インチ）離間しており、これら３つのプローブは、外側の ジンボールの回転部品に固定された平面を構成している。ミラーは、電気コンデ ンサの一方のプレートとなっており、各プローブは他方のプレートとなっている 。各プローブとミラー表面との間の距離は、プローブとミラーとの間の容量を測 定することによって決定できる。図面の説明 添付図面を参照して、次の詳細な説明を読めば、本発明の上記以外の課題、特 徴および利点が容易に明らかとなると思う。同一の符号は、異なる図面にわたっ て同一の部品を示す。 図１は、ＤＲＭＳおよび加工品の斜視図である。 図２は、ＤＲＭＳの方位角および仰角のドライブおよび支持部品部分の分解図 である。 図３は、ＤＲＭＳのシステムアーキテクチャを示す。 図４は、本発明の安定化されたビーム導波器の単一軸線の制御の詳細を示す。 図５は、ＤＲＭＳの基準平面の斜視図である。 図６は、電極とミラー表面との間の距離を測定するための回路の電気略図であ る。 図７は、音響光−偏向器、ビーム拡大器および合焦レンズを示す側横断面図で ある。 図８は、較正サブシステムの四面体のベクトルアナログを示す。好ましい実施例の詳細な説明 サブシステム ＤＲＭＳの好ましい実施例は、次の５つの主なサブシステムから成っている。 １．安定化されたレーザービーム導波器（ＳＬＢＤ） ２．加工品基準サブシステム ３．工具センサーサブシステム ４．較正サブシステム ５．計算サブシステム ＤＲＭＳの実施例は、特定の用途のものである。この明細書に示された実施例 は、大容積、高速、精密計測を必要とする多数の用途を満たし、ほとんどの工業 的環境における閉ループ制御用途のための制御バンド幅を提供するものである。 当業者であれば、特定用途のためのシステム全体を容易に最適にできるように、 本明細書の範囲内で性能上の妥協を図ることができる。 本明細書に記載した好ましい実施例は、加工品に対し、５マイクロラジアンの 回転角方向の精度になるよう、２本のレーザービームをポイントし、安定化する ための設計条件に基づくものである。このようなレベルの回転角方向の精度によ り、限界において４２×１０^-2（１５立方フィート）内の任意の点を、約０.０ ２５ｍｍ（０．００１インチ）の精度まで指定することが可能となっている。 まず、各主要なサブシステムの機能について，一般的に説明し、その後、詳細 な説明を行う。 安定化されたレーザービーム導波器 ＤＲＭＳ５０のキーとなるサブシステムは，安定化レーザービーム導波器（Ｓ ＬＢＤ）５２であり、図１には、この導波器の使用例が示されている。このＳＬ ＢＤ５２は、３本の基準ビーム５４と１本の安定化されたビーム５６から成る少 なくとも４本のレーザービームを発生する。システムが一旦設定されると、 ３本の基準ビーム５４は固定されたままになり、安定化ビーム５６は、おおむね 時間と共に変化する空間内の点に向けられる。ＳＬＢＤ５２自身は、数個の主要 な機能ユニットから成る。これらのユニットは、次のものからなっている。 １．ビームポインティングおよび安定化手段 ２．ベース ３．計測構造体 ４．方位角テーブル ビームポインティングおよび安定化手段 このビームポインティングおよび安定化手段は、（１）大きな角度ドライブと 、（２）高速ビーム偏向器と、（３）軸傾斜検出器とによって具現化される３つ の機能を含む。これらの機能は、必要なポインティング方向およびビームの安定 化を生じるように、計算サブシステムによって制御される。 大角度ドライバ この大角度ドライバによって、完全な３６０度の円を含む大きな視野にわたっ て高速で精密な旋回が可能となる。１００°／秒の旋回レート、および１００° ／秒²の加速度が容易に得られ、高速トルクＤＣサーボモータを使用するだけで 、これら値を越えることができる。 従来の技術レベルの装置としては、約３μラジアンの回転角分解能、および± １００μラジアンの絶対制動を有するニューポート（Ｎｅｗｐｏｒｔ）社のモデ ルＰＭ５００−３６０Ｒ 超精密回転ステージがある。これと比較すれば、ＤＲ ＭＳの大角度ドライバは、１０００〜１００００倍大きい精度が得られ、ビーム 安定化システム全体では、１００倍の分解能が得られる。 高速ビーム偏向器 この高速ビーム偏向器は約５００ミリラジアン（２．８７゜）の大きな回転角 レンジを有するものとすることができる。この偏向器は、音響−光偏向器（ブラ ッグセル）から成るので、可動部品を有しておらず、メガヘルツの範囲の周波数 バンド幅を有する。ＤＲＭＳ用途では、この偏向器は、１０，０００゜／秒を越 える回転角レートおよび０．０１μラジアンのビーム偏向精度を発生できる。軸傾き検出器 回転軸線が揺動しない機械式の回転システムを組み立てることは、極めて困難 である。精密な回転テーブルは、一般に約５μラジアン〜２０μラジアンまでの 範囲の軸の揺動を有する。この装置のコストの大部分は、軸の揺動を上記許容差 まで低減するために、必要な機械的精度を得ることに関連している。本明細書で 使用する方法は、揺動を数マイクロラジアンよりも少ない値まで低減するのに、 高精度の機械部品を必要としない。その理由は、すべての傾斜は、容易に入手で き、比較的低コストの高精度光学的部品を基準とするからである。 ベース ベースの主な機能は、ＳＬＢＤのための必要な機械的支持体を提供し、ＳＬＢ Ｄを所望する位置に取り付けるための手段となることである。このベースは、計 測作業用の計測構造体を軽減するよう、より重い部品に対する機械的な支持体と なり、更にＳＬＢＤのよりクリチカルな部品から主な熱源を離間するための手段 とも成る。主な熱源としては、方位角用の大角度ドライブサーボモータ、および 安定化ビームおよび３つの基準ビームに使用される４つのレーザーがある。 計測構造体 この計測構造体の主な目的は、基準ビームプロジェクタ、方位角軸傾斜基準平 面のための剛性の温度に不感な機械式支持体、および方位角テーブルのための支 持体を提供することである。この計測構造体は、ＳＬＢＤのための局部的剛性を 提供し、基準ビームと安定化ビームとを結合する。 方位角テーブル この方位角テーブルは、方位サーボモータによって直接駆動されるＳＬＢＤの 一部である。方位角テーブルには、仰角内の大角のドライバ、および光学的ベン チが取り付けられている。光学的ベンチには、方位角および仰角のための高速ビ ーム偏向器が取り付けられ、この偏向器は、安定化ビームを作業スペース内に発 射する光学系の一部を形成している。 基準サブシステム この基準サブシステムは、加工品における局部的剛性を提供する。例えばこの 基準サブシステムは、三角形の頂点に取り付けられた３つの光検出器から構成で きる。加工品が充分剛性であることを条件に、光検出器は、加工品自身に設けて もよい。そうでない場合、光検出器は、加工品を保持するジグに取り付けられる 。 物体を極めて正確に測定したい場合は、得ようとする測定値が少なくとも正確 となり、安定した寸法を維持するように、物体自身を充分剛性にしなければなら ない。商品名ジェロ−Ｏ（Ｊｅｌｌ−Ｏ）で知られている食品のようなゼラチン デザートの立方体の寸法は、０．０２５ｍｍ（０．００１インチ）までしか測定 できない。 選択される基準光検出器が，基準ビームの極めて小さい動きを分解できなけれ ばならず、基本的には，ドリフトがあってはならず、高周波数応答を有するべき である。ドリフトを最小にするか、または皆無にするように、特別な注意を払う べきである。このことを行うための方法を後で説明する。 工具センササブシステム 工具センサの特殊構造は、用途に大いに依存している。容易に理解できるよう に、このセンサの用途は、ロボット制御にロボットセンサを使用するような、図 １に示された用途から、大きな運送カテゴリーに入る航空機における翼の桁の機 械加工のような極めて大きい製造プロセスで使用されるような工作工具の直接制 御まで変わる。他の計測用途としては、下記の用途を含むが、これらのみに限定 されるものではない （１）高いコストおよび大きな構造体を必要とすることなく、座標測定装 置に対して使用するのと同様に、製品の製造時の形状を測定するために、プロー ブに対し工具センサを取り付けること。 （２）大きなレーダーアンテナを較正するべく電界プローブの位置を決定 するために工具センサを使用すること。 （３）船体の断面の製造時の形状を測定し、船内のパイプ取り付けのため の仮想的テンプレートを提供すること。 （４）テンプレートを不要にすること。 従って、本発明の範囲内では、本明細書に開示した設計原理の種々の用途が可 能である。較正サブシステム ＤＲＭＳの初期設定時には、この較正サブシステムが使用される。この較正サ ブシステムは、各頂点に感光性検出器が１つずつ設けられた四面体と、ＤＲＭＳ システムの他の部分とインターフェースするための必要な通信手段とから成って いる。四面体を使用することにより、ＤＲＭＳは、国立規格および技術研究所の 長さ基準までトレースできるようにされている。較正サブシステムで使用される 技術は、タコメータのように、測量専門技術者に知られているプロセスに基づく ものであり、各ＳＬＢＤの正確な配向およびＳＬＢＤの間の仮想的基線の長さを 測定するのに使用される。計算サブシステム ＤＲＭＳ内の計算作業の負担の多くは、高速信号処理座標変換および誤差訂正 ルーチンから成っている。このタイプの計算の多くは、特殊なデジタル信号処理 ハードウェア、例えばモトローラ（Motorola）社のＤＳＰ５６０００シリーズを 使用する分散処理によって達成できる。 特殊プロセッサを使用することにより、ＤＲＭＳシステム全体の実行制御、お よびユーザーインターフェースのために、汎用コンピュータ、例えばパソコンお よびワークステーションを使用することが可能となっている。分散処理を施すこ とができるこのタイプの計算の一例として、ＳＬＢＤ内の軸の揺動を測定するの に使用される軸の傾斜の訂正がある。更に、計算の性質から、階層的制御構造が 可能となり、この制御構造により、標準的なアーキテクチャ、例えばテレロボッ ト制御システムアーキテクチャのためのＮＡＳＡ／ＮＢＳ規格基準モデル（ＮＡ ＳＲＥＭ）のような標準的アーキテクチャとなるように容易に実現できる。 安定化されたレーザービーム導波器 図２を参照し、ＳＬＢＤ５２について更に詳細に説明する。ベース１０は計測 構造体２０を直接支持しており、方位角テーブル３０は、仰角シリンダサポート ４０および仰角傾斜基準／仰角エンコーダサポート３６を保持する。 ベース ベース１０内には、方位角ドライブＤＣサーボモータ１１と、インクリメント 式エンコーダ１２と、基準および安定化ビーム５４、５６のためのレーザー１３ が設けられている。このベース１０自体は、レーザー１３、ＤＣサーボモータ１ １およびエンコーダ電子回路から離間させる手段となるように、アルミニウムで 製造しなければならない。 最大慣性モーメントは、方位角軸を中心とする回転に関連しているので、図２ に示すように、方位角テーブル３０に対する直接ドライブシャフト１４を使用し て'．ＤＣサーボモータからのトルクを変換している。この同じドライブシャフ トは、エンコーダ１２に直接接続されており、バックラッシュおよび他の誤差源 を解消している。 インランド（Inland）・モータ・コーポレーション社のみならず、他のメーカ ーによって、広範な種類のＤＣサーボモータ（例えばモデルＢＭＨＳ−３５０１ ）、およびそれらのコントローラが制御されている。このコントローラは、ＩＢ Ｍパソコンのバスだけでなく、アップルコンピュータのバス、およびワークステ ーションで使用されるＶＭＥバスとコンパチブルなものと購入しうる。 このコントローラは、コンピュータからの直接命令を取り込み、エンコーダの 入力だけでなくエンコーダの誤差信号、および速度フィードバック信号を取り込 み、サーボアンプの電流ドライブ能力、およびモータのトルク発生能力の範囲内 の、コンピュータによって指令される加速度プロフィルを適用する。 上記直接結合されたドライブの他に減速装置を使用して、モータと機構のうち の他の部品とを結合できる。サブミクロンラジアンの精度が求められているこの ような用途では、通常、減速機は使用できなかった。減速機で通常生じるバック ラッシュおよび噛合は、許容できないものとなり、制御システムの不安定性を生 じさせていた。しかし、トルクの伝達が、平滑かつバックラッシュを伴わないこ の用途で使用できる特許製品がある。この製品は、「ロトロック(Rotolok)」と 呼ばれており、米国ニューメキシコ州のアルバカーキのサゲブラッシュテクノロ ジー社によって製造されている。 Ｎ分の１に回転速度を減速する装置は、低速シャフトに取り付けられた動的慣 性モーメントもＮ²分の１に低減する。本発明は、方位角テーブル３０に取り付 けられている仰角ドライブモータ３１の寸法を縮小するのに、この事実を使用し ており、このシステムにおける最も大きい要素は、ＤＣサーボモータであるので 、 そのモータのサイズを小さくすることによって、慣性モーメントを大幅に小さく できる。 ある用途では、他の基準を有することがあり、双方のドライブに対して、ロト ロックおよびより小さいサーボモータを利用することは、コストよりも重要であ る。しかし、低コストが重要な要素である場合には、方位角ドライブモータ１１ と共にロトロックを使用すべきではない。レーザーおよび内部ビーム移動 図２に略示されているレーザー１３は、適当な波長とすることができる。好ま しい実施例では、レーザー１３は、可視波長および近赤外線波長の双方に利用で きる固体ダイオードレーザーを含む。このレーザー１３は、便宜的にＳＬＢＤ５ ２の本体に内側に取り付けられているが、実際には、外部に取り付けてもよい。 更に、異なるタイプのレーザー、例えばヘリウム−ネオンレーザーを使用でき る。レーザーの光モードを制御することは、クリチカルであることが観察されて いる。より詳細には、レーザーモードは、選択するレーザーのタイプとは関係な く、単一モードおよびＴＥＭモードで作動すべきであり、レーザーの光モードを 制御しない場合、モードホッピングにより大きな制御されない誤差が生じる。こ れら誤差は、光軸の角度変化およびビーム強度プロフィルおよびビームを合焦す る能力の一時的変化によって生じるものである。 シングルモードレーザーは市販されており、好ましいシングルモードのダイオ ードレーザーとしては、メレス・グリオット（Melles Griot）社のモデル０６ ＤＬＬ１０７レーザーヘッドがある、このレーザーヘッドはシングルモードダイ オードレーザーを含むだけでなく、円形およびコリメートされた双方の出力ビー ムを発生するのに必要な内蔵光学系も含む。 レーザービームを、安定化ビームまたは基準ビームプロジェクタまで運ぶ好ま しい手段は、単一モードの光ファイバーである。光ファイバーを使用することに より、干渉を生じることなく、システムの機械部品を通過するようにビームのル ートを決定できる。単一モードファイバーの特性は、伝搬ビームのモードを変え ないことであり、ビームが曲げられ、障害物の周りを通過する際に、規則的な光 ファイバーを用いていても、このようにビームのモードが変わることが多い。こ の用途のための好ましい市販されている単一モードの光ファイバーとしては、ス ペクトラン（Spectran）社のタイプＳＭＣ−Ａ０８２０Ｂがある。 図１に示すように、各ビームが単一モードの光ファイバーを離れた後に、これ らのビームは、最終的に基準検出器５８または工具センサ６０に入射される。こ れらのビームがＳＬＢＤ５２を離間できる前に、センサでの焦点スポッとを充分 小さくするのに、最終投射光学系で必要な１ｃｍ以上の直径となるように、ＳＬ ＢＤの内部で使用される０．１ｍｍ未満の直径から、これらを拡大しなければな らない。このビームの拡大は、長い内部の伝搬通路にわたって、ビームを正常の 解析による広がりを可能にするか、またはＦナンバーの大きいレンズを使用して 、ビームを投射するかのいずれかによって行うことができる。 これとは異なり、図７に示すように、基本的には、負のレンズ７２と、その後 に続く正のレンズ７４から成るビーム拡大器を使用してもよい。このビーム拡大 器は、多数の光学機器の販売者から入手できる標準的な物品である。一般に、基 準ビームプロジェクタと共に使用するには、業務用のビーム拡大器が適当である が、その使用は、安定化ビーム５６の投射中には注意深く検討する必要がある。 次に、高速ビーム偏向器に関し、これら２つのビーム拡大方法の妥協について 更に説明する。３つの基準ビームおよび安定化ビームに共通するビーム伝搬問題 の更なる説明は、光学的な伝搬に関する後の個所に先送りする。 計測構造体 この計測構造体２０は、基準ビーム５４および安定化ビーム５６を同一の局部 的座標系に移動させるのに必要な局部的剛性を提供するという点で、ＬＳＢＤ５ ２のキーとなる要素を組み込んでいる。計測構造体２０の局部的剛性、基準サブ システムにおける局部的剛性、および局部的剛性の座標系の間の光学的結合によ り、加工品に取り付けられたグローバル座標系が設定される。この計測構造体２ ０およびその主要部品の細部については、後に図２を参照して説明する。 計測支持構造体２０の主な目的は、方位角傾斜基準平面２０と基準ビーム投影 光学系２１との間に、相対的な動きがないように保証することである。計測支持 構造体２０および方位角傾斜基準平面２０は、熱膨張係数がゼロの材料から製造 することが好ましい。例えば、計測支持構造体２０は熱変化による寸法変化を防 止するように配向された、各層内に設けられたカーボンファイバーとのカーボン −エポキシ複合体から製造できる。 このカーボン−エポキシ複合体の別の利点としては、極めて軽量であるが、鋼 鉄よりもヤング弾性率が大きいことである。ある環境下ではこのカーボン−エポ キシ複合材料の代わりに、インバール（Invar）を使用することが、より好まし い場合もある。インバールとは、熱変化による熱膨張がゼロの鋼鉄合金である。 ミラー基板２２は、セルビットまたはガラスでない溶融シリカから製造すること が好ましい。基準ビーム拡大器２１およびその取り付け用ジンボール（図示せず ）は、容易に入手できる業務用物品であり、一旦取り付けると固定された位置に 留まるので、極めて高い精度は必要としない。 軽量構造体２０は、方位角テーブル３０のための機械的支持体も提供し、この 支持体は、方位角サーボモータドライブシャフト１４を介し、方位角サーボモー タ１１によって駆動される。方位角テーブル３０は、仰角ドライブシステムのた めの直接の機械的支持体を提供し、安定化ビーム５６のための方位角の大きい回 転角方向のカバーを行う。 角度、並進、傾斜に関する方位角テーブル３０の位置は、システム全体に必要 な精度と同じレベルとなるように制御されない。むしろ、計測構造体に対する方 位角テーブルの位置および配向に関連する誤差は、極端に正確に測定され、計算 サブシステムによる必要な訂正が行われ、安定化ビーム５６の光軸が空間内の任 意の点を通過するように、この安定化ビーム５６の角度を訂正する。 方位角テーブル３０は、直接方位角テーブルドライブ固定装置２４に直接取り 付けられており、ドライブ固定装置は多数の目的を果たす環状構造体となってい る。まず、方位角テーブル駆動固定装置２４は、直接方位角テーブルを支持する 。そのテーブルの下方の外側エッジは、直接方位角テーブル支持ベアリング２６ の内側レースと一致し、下方表面は、直接方位角せん断ウェブ２５に取り付けら れている。 最後に、図２に示す実施例は、プローブ２３の端部と基準表面２２とのＩ談間 隔が約０．０５１ｍｍ（０．００２インチ）となるように、方位角テーブル駆動 固定装置２４に取り付けられた４つのコンデンサプローブ２３を含む。容易に理 解 できるように、コンデンサプローブ２３の数は変えてもよい。例えば、４つの代 わりに、６つのコンデンサプローブ２３を使用し、測定値の統計的精度を高めて もよい。しかし、最低３つのコンデンサプローブ２３を使用しなければならない 。 方位角テーブル支持ベアリング２６は、ＡＢＥＣクラス５のボールベアリング であることが好ましい。このベアリングの内径は、直径が約１００ｍｍ（４イン チ）の方位角テーブル駆動固定装置２４に対して必要な間隙を提供するように、 内径は１１４ｍｍ（４．５インチ）となっている。これらの寸法は、直径が公称 １００ｍｍ（４インチ）の基準平面２２によって設定される。 方位角せん断ウェブ結合曲げ部材２５は、固定装置２４と駆動シャフト１４と の間が不整合となる結果、方位角テーブル３０の結束、およびひずみを生じさせ るような側方の力、およびねじりトルクを最小にするようになっている。 曲げ部材２５は、３つの主要部品、すなわちせん断ウェブと、２つのセンター クランピングハブ（図示せず）とから成っている。せん断ウェブは０．１２７ｍ ｍ（０．００５インチ）厚のステンレススチールのシムから製造されており、こ のせん断ウェブの周辺に設けられた小孔は、このせん断ウェブを駆動固定装置２ ４に締結するボルトのための間隙孔となっている。 コンデンサプローブ２３のための間隙孔として、より大きい孔が設けられてい る。ハブは、これらハブの間にせん断ウェブの中心をクランプし、駆動シャフト １４は底部ハブに直接結合している。ハブとせん断ウェブが駆動固定装置２４に クランプされている周辺との間の間隙のために、曲げ部材２５は、回転角方向の 不整合に対して極めて柔軟であるが、回転軸線を中心とするトルクに対して極め て強固となっている。 一般に２つのシャフトの間にベローズを利用することにより、不整合を考慮し ている。このベローズは、通常結合されているシャフトよりも直径がわずかに大 きいので、回転時に適当に剛性にすべき場合には、曲げ時に必ず剛性となってい なければならない。 本発明の計測システムが、せん断ウェブの概念を利用してトルクに対する剛性 は、半径の４乗に従って増加するという事実を活用している。このように、せん 断ウェブの大きな直径により、回転力に対する極めて大きい剛性が得られるが、 曲げに対する屈曲は全体に柔軟であるので、望んでいない側方の力およびトルク が発生する。ＳＬＢＤ５２の仰角ドライブ部分には、更に２つのせん団ウェブ３ ３、３４が連動しており、これらウェブは安全原理に作用する。 基準平面の詳細な説明については、ビームポインティングおよび安定化に関す る個所まで先送りする。 方位角テーブルおよび仰角ドライブ 方位角テーブル３０は、計測構造体２０を直接基準とする部品であり、システ ムの他の部分に対する中間基準となっている。この基準は、剛性仰角シリンダ支 持体４０および仰角傾斜基準／仰角エンコーダ支持体３６を介して変換される。 仰角軸内の回転は、仰角シリンダ４１によって行われる。仰角シリンダ４１は、 支持体４０の各々に取り付けられた３つの仰角シリンダ支持体ベアリング４３上 で回転する。各サポート４０における頂部ベアリングは、他の２つのベアリング に対する予備的負荷を発生するように、スプリングの負荷がかけられている。ベ アリングの内側ボアが２５．４ｍｍ（１インチ）以下である場合、仰角シリンダ ４１の変換誤差は、ＡＢＥＣクラス５のベアリングを用いた場合、０．００５ｍ ｍ（０．０００２インチ）未満に維持できる。 仰角シリンダ４１は、内部に光学的ベンチおよびビーム投射光学系（図示せず ）だけでなく、方位角および仰角ブラッグセル４２も収容している。仰角シリン ダの円筒形状は、剛性と軽量とを組み合わせるので、このような形状が選択され ている。仰角シリンダ４１は、仰角サーボモータ３１によって回転される。仰角 シリンダ４１は、仰角サーボモータ３１によって回転される。このモータからの トルクは、ロトロック３２および仰角サーボドライブシェアウェブ結合固定装置 ３３を介して、仰角シリンダ４１に伝達される。 せん断ウェブ結合固定装置３３、３４は、直接仰角シリンダ４１に締結されて いる。ロトロック３２を使用することにより、より小型のサーボモータ３１を使 用できる。このモータの質量は、実質的に低減され、更に方位角軸を中心とする 慣性モーメントを最小にするよう、仰角シリンダ４１の下にモータを設置できる 。このようにするため、方位角ドライブモータ１１の寸法は縮小され、方位角駆 動システム全体の機械的応答性が高められている。 仰角傾斜基準／仰角エンコーダ支持体３６には、仰角エンコーダ３５が取り付 けられており、このエンコーダは、仰角エンコーダのせん断ウェブ結合固定装置 ３４を介して、仰角駆動シリンダ４１に結合されている。このような特殊な構造 は、仰角傾斜基準平面３７を貫通する孔を必要とする。 サーボ駆動モータ３１のシャフトに、直接エンコーダ３５を取り付けるのに、 別の形状としてもよい。しかし、この別の形状を選択する場合、ロトロック３２ を介した構造は、効果的に完全となるとみなすことができる。 仰角傾斜基準／仰角エンコーダ支持体３６には、直接仰角傾斜基準平面３７が 取り付けられている。この平面は、対応する方位角基準平面２２と同一である。 仰角シリンダには直接６つのコンデンサプローブ３８が取り付けられており、こ れらプローブは、仰角傾斜基準平面３７の表面に対して、約０．０５ｍｍ（０． ００２インチ）のギャップを生じるように調整するべきである。 ビームポインティングおよび安定化 ビームポインティングおよび安定化のために必要な要素は、方位角軸および仰 角軸の双方で同じである。従って、次の説明では、２つの軸を区別しないが、各 軸の実施例は、わずかな細部で異なっていることがある。 大きな視界にわたってビームをポイントするためのほぼ完全な、機械的に回転 する装置を製造することが困難であり、高価である場合には、かかる装置は、Ｄ ＲＭＳ条件を満たすのに必要なバンド幅を有しなくなる。空気ベアリングは、そ の程度の完全性に近づくが、高速の制御および振動除去を行うことはできない。 ビームポインティングおよび安定化機構を説明する際に、基準サブシステムに より必要な測定を行い、計算サブシステムによって数学的変換を行い、安定化レ ーザービームがＳＬＢＤ５２を離間する際の精密な角度を決定したことを思い出 していただきたい。これを行うための手段について、次の個所で説明する。 ビームポインティングおよび安定化を行う３つの要素は、（１）大角度ドライ バ、（２）高速ビーム偏向器および（３）軸傾斜検出器である。 大角度ドライバ 大角度ドライバは、ＤＣサーボモータ１１と、インクリメント式エンコーダ１ ２と、方位角テーブル／仰角シリンダとの組み合わせに関連している。インク リメント式エンコーダは、通常、エンコーダディスクの絶対的回転角配向に関す る情報を提供しないことに留意するべきである。むしろ、ホームポジションが定 められており、エンコーダの指定された電気信号出力に応じて、ゼロクロス点ま たはパルスのカウントを、このホームポジションから開始するようになっている 。 この実施例では、サイン状の電気出力が使用され、ゼロクロス点のカウントが なされる。従って、実際には、システムがスタートされると、大角度ドライバは 、絶対的な配向を設定するためにホームポジションに戻るように命令され、次に 、ホームポジションからの回転角方向の変位量を決定するように、ゼロクロス点 がカウントされる。このサーボモータコントローラは、実際には角度ではなく、 ゼロクロス点の所定の数だけ、モータを移動させるように命令される。 コントローラは、ホームポジションから変位したパルスの現在の数も記憶して いるので、新しい回転角位置を望むたびに、ホームポジションに戻る必要はない 。従って、一旦、所望の角度が決定されると（このことは毎秒数千回生じ得る） 、サーボモータは、所定の数のクロス点だけ回転し、高速ビーム偏向器のブラッ グセル４２の回転角方向の範囲内のポイントまでアセンブリ全体を機械的に移動 させるように命令される。 好ましいエンコーダとしては、サイン状の直交出力を備えるＤＥＩ社のモデル Ｌ２５インクリメント式エンコーダがある。このエンコーダは、１μラジアンの 何分の１かの精度が得られるように、円を１０，１６０個のインクリメント分に 分割できる。したがって、各ゼロクロス点の間の回転角距離は、６１８．４μラ ジアンである。ブラッグセル４２が、５〜５０ミリラジアン（モデルごとに変わ る）の回転角範囲にわたって安定化レーザービーム５６を偏向できるので、ブラ ッグセル４２のレンジとエンコーダのステップとの間に、充分なオーバーラップ がある。 所望のゼロクロス点が決定され、モータがその位置に移動されると、コントロ ーラは、大角度ドライバ機械式アセンブリをその位置に維持しようとする。実際 には、正確な位置を維持できるサーボシステムはなく、サーボ機構は、制御シス テムが所望の位置に対してパンチングするように、ゼロクロス点を中心に常に振 動することとなる。 エンコーダの出力は、サイン波状であるので、サイン関数のテーラー級数展開 により、エンコーダの電気出力がある範囲の角度振動に対し、回転角方向の誤差 の線形関数となることを実証できる。簡単な計算を行えば、±１５μラジアンの 回転角方向の振動に対し、出力が角度に対し線形であると仮定することにより生 じる誤差は、０．０７５μラジアン未満となることが判る。従って、この誤差信 号を使って、ブラッグセル４２を駆動し、機械的なポインティング誤差を訂正で きる。 ２つの直交出力は、正確には９０度離間していないという事実から、エンコー ダからの最大誤差が生じる。しかし、この誤差は、測定し、計算により除くこと ができる固定されたバイアスである。要約すれば、大角度ドライバーは、高速ビ ーム偏向器の回転角範囲内に機械式アセンブリを位置決めし、時間可変回転角誤 差信号を発生し、大角度ドライバーの動きに対して安定化ビームの位置を訂正で きる。 軸傾斜検出器 図５には、軸傾斜検出器の原理が示されている。予備的なこととして、光学平 面８０は、一般に光の波長の１０分の１から２０分の１の平坦度となるように研 磨されていることに留意すべきである。可視光で使用するために、基準波長とし て通常、ヘリウム−ネオンレーザーからの０．６３μｍラインが使用される。こ の用途に対しては、１００ｍｍ（４インチ）径の光学的平面が適当であり、かか る光学的平面は、カタログ商品として容易に入手できる。このような平面度の仕 様は、通常、エッジ近くの領域には適用されないので、プローブはエッジのごく 近くには設置すべきでない。一般に中心から半径１．７５内の表面は、このよう な平面度の仕様を満たす。光学的平面８０がアルミの薄膜８２でコーティングさ れている場合、この平面は、コンデンサの一方のＰＬＡＹととして仕様できる導 電性皮膜を有する。このように、平面をコーティングした場合、通常は、ミラー として販売される。 図５は、３つの電極８４を示しており、一定の点として、各電極の底部表面の 中心を検討する場合、３つの点は、２本の交差する直線、すなわちベクトルａと ｂとを定める。これらベクトルは、次に電極の平面を定める。ミラーの表面から の各電極８４の距離を知ることにより、ミラー表面からの電極平面の変位量、お よびミラーに対する電極平面の精密な配列を決定できる。電極平面の配列は、軸 の傾斜の直接的な測定値となる。図２に示す実施例では、３つではなく、６つの 電極８４が使用されている。このように電極を増やしたのは、個々の測定値の数 を増すことにより、測定の統計的精度を高めるためである。 各電極８４の表面は、導電性表面であるので、電極表面とミラー表面とは、共 に電気的なコンデンサを形成する。電極とミラーとの間の距離は、ミラー８２と 電極８４との間の電気的な容量を測定することによって決定できる。２つの導電 性表面の間の容量は、次の式によって示される。 ここで、Ｓ．Ｉ．単位が使用されており、ε_oは自由空間の透過性であり、８ ．８５４×１０^-12ファラッド／ｍに等しく、Ａは、プローブ電極の面積であり 、ｘは、電極表面とミラー表面との間の距離である。 図６には、好ましい電気回路が示されている。オペアンプのフィードバックル ープ内にコンデンサ９０が設けられている理由は、この回路構造では、アンプの 出力が電極８４とミラー８２との間の間隔の線形関数となるからである。この回 路の欠点は、コンデンサのいずれのターミナルもアースできないことである。従 って、無用な電気ノイズを防止するためには、製造時に注意を払わなければなら ない。 次の回路パラメータが好ましい。電極８４とミラー表面８２との間の初期間隔 が０.０５ｍｍ（０．００２インチ）の１ｃｍ直径の電極を使用すべきである。 抵抗値Ｒの値が１ｋΩであり、入力電圧の周波数が１ボルトの５０ｋＨｚである 場合、この回路は、傾斜角度の０．１μラジアンに対し、出力は約４０ミリボル ト変化する。 式の誘導 ３つのプローブは、１つの平面を形成している。１つのプローブは、原点にあ り、この原点から、他の２つのプローブに２つの基本ベクトルが向けられている 。 傾斜すなわち揺動を測定するには、まず、２つの基本ベクトルの平面に垂直なベ クトルを設定する。これと同時に、プローブと基準平面との間の距離を測定する 。基準平面から５０μｍの大きさであるこれら初期距離は、基準平面に対する初 期傾斜角度を設定する。ベアリングの揺動に起因するその後のすべての傾斜角は 、この初期傾斜ベクトルを基準とする。 各プローブの中心の直下の３つの点は、基準平面内の基本ベクトルを設定する 基準平面内の３つのポイントとして指定され、基準平面内の基本ベクトルは、ベ クトル量を示す太文字でａおよびｂと示されている。ａおよびｂのスカラー成分 は、それぞれ［ａ₁、ａ₂、０］および［b₁、ｂ₂、０］である。傾斜角度および その向きを決定するのに、ベクトル演算しか使用しない。その結果、座標系は独 立したものとなる。基本ベクトルを互いに直交させる必要はない。 ａとｂとのクロス乗積を求めることにより、ａおよびｂと直交するベクトルｃ が設定される。ｃは、次のようになる。 ｃ＝ａｘｂ＝ ［ａ₂ｂ₃−ａ₃ｂ₂，ａ₃ｂ₁−ａ₁ｂ₃，ａ₁ｂ₂−ａ₂ｂ₁］ （２．２） ａおよびｂは基準平面内にあるので、これらのベクトルは、３−方向に成分を 有せず、ａ₃＝ｂ₃＝０であり、次のようになる。 ｃ＝［０，０，ａ₁ｂ₂−ａ₂ｂ₁］ （２．３） δａ＝［０、０、δａ］およびδｂ＝［０、０、δｂ］とすると、新しい傾斜 した基本ベクトルは、次のようになる。 ａ′＝ａ ＋ δａ ａｎｄ ｂ′＝ｂ ＋ δb. （２．４） これにより、下記の式によって示される新しい垂直ベクトルｃ’が決まる。 ｃ′＝（ａ ＋ δa)ｘ（ｂ ＋ δｂ）＝ ａｘｂ＋ａｘδｂ＋δａｘｂ＋δａＸδｂ （２．５） δａおよびδｂは平行であるので、これらのクロス乗積は０であり、よって次 のようになる。 ｃ′ ＝ （ａ＋δａ）ｘ（ｂ＋δｂ）＝ｃ＋ａｘδｂ＋δａｘｂ （２．６） δａおよびδｂは、基準平面に対して垂直であるので、ｃ’は、ベクトルｃお よび基準平面内にある２つの成分と等しいことを、式（２．５）は示している。 これら他の２つの成分は、ｃを傾斜することによって生じた基準平面へのベクト ルｃの射影である。 ａおよびｂは２５．４ｍｍ（１インチ）の大きさであり、δａおよびδｂは、 ０．００２５ｍｍ（０．０００１インチ）以下の大きさであるので、ｃ’はほぼ ｃに等しい。ベクトルａ×δｂおよびδａ×ｂは、傾斜の向きを示す基準平面内 のベクトルの成分であり、この傾斜角は，（ａ×δｂ＋δａ×ｂ）の大きさを求 め、ｃの大きさで割ることにより、この傾斜角を得ることができる。 上記説明の証明は，次のとおりである。ｃとｃ’とのクロス乗積は次のとおり である。 ｃ′ｘｃ＝(ｃ＋ａｘδｂ＋δａｘｂ)ｘｃ＝(ａｘδｂ)ｘｃ−(ｂｘδａ)ｘｃ ＝(ａ・ｃ)δｂ−(δｂ・ｃ)ａ-(ｂ・ｃ)δａ＋(δａ・Ｃ)ｂ（２．７ ） しかし、ｃは、ａおよびｂの双方に直角であり、δａ＝［０、０、δａ₃]、δ ｂ＝［０、０、δｂ₃］であるので、次のようになる。 ｃ′ｘｃ＝(δａ・ｃ)ｂ−(δｂ・Ｃ)ａ （２．８） 所定の代数演算を行うと、クロス乗積の成分は、次のようになされる。 ｃ′ｘｃ＝ (ａ₁ｂ₂−ａ₂ｂ₁)[δａ₃ｂ₁−δｂ₃ａ₁，δａ₃ｂ₂−δｂ₃ａ₂（２．９） 式（２．９）によって示されるベクトルは、傾斜の向き対して直角であるので 、次の式を利用することによって傾斜角が得られる。 ｜ｃ′ｘｃ｜＝｜ｃ′｜｜ｃ｜ｓｉｎΘ （２．１０） 高速ビーム偏向器 高速ビーム偏向器は、１対の音響−光ビーム偏向器（ブラッグセル）４２から 成り、各回転軸に対して、１つずつ偏向器が設けられている。この用途に対する ブラッグセル４２を選択する上で、ブラッグセル４２によって生じる偏向レンジ は、大角度ドライバで使用されるエンコーダのゼロクロス点の間の回転角方向の 増分量を越える。 本例で検討しているブラッグセル４２（アイソメット １２０５Ｃ２）に対し て、このブラッグセルに進入する安定化ビームの直径は、約１ｍｍとすることが できる。光源が０．８５μｍの波長のレーザーダイオードであり、このビームを 、８ｍ離れた点（１５立方フィートの遠い方のエッジに達するための射影距離で ある）に合焦すると仮定した場合、合焦スポットの直径は、ほぼ１７ｍｍとなる 。この寸法のスポットは、工具センササブシステムの上の光検出器の大きさより も大きくなる。光検出器上で充分小さいスポットを得るには、安定化ビームは、 工具センサ光検出器に合焦される前に、５ｍｍの直径まで拡大しなければならな い。その結果、検出器表面上の直径は、わずか３ｍｍのスポットとなる。 工具センサ６０で小さい焦点スポットを得るには、ビームの拡大が必要である ので、システム設計に対するビーム拡大器の別の作用を検討しなければならない 。図７には、音響−光学的検出器を離間し、ビーム拡大器および合焦レンズを通 過するように伝搬する安定化ビームが略示されている。安定化ビームは、中心ラ インから所定の角度でブラッグセルを離間している。ビーム拡大器を通過した後 に、偏向角は小さくなる。この偏向角は、ビームが拡大された値だけ減少する。 このシステムの効果は、次のとおりである。 ビームを拡大できる最大量には限界がある。この限界は、エンコーダの変化量 Δθと、安定化ビーム５６の総偏向角との間の回転角方向の距離によって決まる 。 入力空間角度θ_iおよび出力空間角度θ_Oなる条件は、ビーム拡大器および大角度 ドライバを基準とする。出力空間は加工品が固定された座標系内で測定された角 度に関連し、大角度ドライバおよびビーム拡大器を離間するビームによって生じ た回転角方向の変化は、出力空間内にある。ブラッグセル４２の出力によって生 じた回転角方向の変化は、入力空間内にある。 Δθ_iが入力空間内の回転角方向の変化であり、Δθ_oが出力空間内の回転角方 向の変化である場合、Δθ_i／Δθ_oは、ビーム拡大比ＢＲに等しい。Δθ_oは、 Δθ_eよりも常に大きくしなければならず、Δθ_oは、ブラッグセル４２の設計に よって固定されるので、ＢＲをどれだけ大きくできるかには限界がある。 ブラッグセルが作動する周波数レンジは、６５メガヘルツ〜９５メガヘルツで ある。所定の回転角方向の精度Δθを維持するには、所定の周波数精度Δｆを維 持する必要がある。これら２つの関係は、次のとおりである。 ここで、λは、ブラッグセルに入射する光ビームの波長（０．８５μｍ）であ り、ｖは、ブラッグセル媒体における音の速度（３６３０ｍ／秒）である。式（ ２．１１）は、角度の精度を０．１μラジアンに制御するべき場合、周波数は、 ４２７Ｈｚの範囲内に制御しなければならないことを示している。このようなほ ぼ１００ＭＨｚの周波数での精密な制御が可能であるが、これにより、制御バン ド幅も狭くなる。Δｆは、比ＢＲによって増加できるので、ビームを拡大するこ とにより、必要なバンド幅を得ることが容易となる。 図４は、ＳＬＢＤ５２の部品と電気信号とのシステムの相互関係を示している 。仰角制御システムは類似しているので、方位角制御装置しか示されていない。 角度θ_imputは、計算サブシステムによって発生され、基準サブシステムから誘 導される信号、およびＣＡＤ作図またはダイレクトコマンドのようなユーザー入 力によって計算される。θ_imputの他に、インクリメント式エンコーダからカウ ント数が低下していないかどうかを確認するため、フィードバックとして、粗い 絶対値エンコーダの出力も発生できる。本発明を機能させる上では、このループ は 必要でないが、良好なエラーチェックとなる。 ライン１００におけるエンコーダエラー信号は、サーボコントローラ基板１０ ２および変換マトリックスプロセッサ１０４の双方へ送り戻される。変換マトリ ックスプロセッサ１０４は、例えばモトローラ社のＤＳＰ５６０００のような信 号プロセッサの適当にプログラムされたワークステーションとすることができる 。安定した制御ループを設けるには、サーボコントローラに速度フィードバック を行うことも可能である。システムにタコメータを追加するか、またはエンコー ダ誤差信号を数学的に微分することによって、ライン１０６における速度信号を 発生できる。 エンコーダ誤差信号の他に、仰角軸傾斜測定値および方位角軸傾斜測定値のみ ならず、傾斜検出器からの変位測定値を変換マトリックスに送り、最終的にエン コーダの変化する間に、ビームを位置決めする入力空間補間角度も提供しなけれ ばならない。 変換マトリックス１０４の出力は、位相ロックループ式周波数シンセサイザ１ ０８へのデジタル周波数命令であることが好ましい。デジタル入力から必要な周 波数を発生するための市販の装置としては、フィリップス社のＴＳＡ６０５７周 波数シンセサイザがある。このシンセサイザは、基準周波数入力も必要とし、ブ ラッグセル４２の必要な回転角方向の精度への偏向を保証するのに必要な周波数 の安定度は１００万分の１である。このレベルの安定度を発生できる周波数ソー ス１１０としては、ヒューレットパッカード社のＨＰ１０８１１発振器がある。 この発振器は、ＤＲＬＳシステム全体に対するタイミング基準器としても働く。 この周波数シンセサイザ１０８の出力は、無線周波数パワー増幅器１１２によっ て増幅され、ブラッグセル４２の５０Ω負荷をドライブするために、１ワットの パワーレベルにされる。 加工品基準サブシステム この加工品基準サブシステムは、加工品または加工品保持ジグに強固に取り付 けられた最小３つの基準検出器のアセンブリから成っている。この基準検出器ア センブリの目的は、加工品上の局部的に剛性な基準平面を設定し、加工品に対す るＳＬＢＤの相対運動を測定することにある。基準検出器の正確な位置決めは、 （１）直接測定、（２）加工品またはジグ内に組み込まれた基準により、または （３）較正サブシステムを利用することにより決定できる。 各基準検出器アセンブリは、数十μｍｍ（数１０μインチ）の精度に基準ビー ムの中心の位置を測定できる１つ以上の光検出器を含む。一般に各基準検出器ア センブリには、１つの光検出器が適当である。この場合、各基準ビーム５４は、 各レーザーのオンオフ時間を制御することにより、基準検出器５８の使用をタイ ムシェアする。しかし、加工品の性質によって生じる幾何学的制約により、アセ ンブリごとに２つ以上の光検出器を使用しなければならないことがある。容易に 理解できるように、基準検出器アセンブリの詳細な機械的構造は、加工品の特定 の形状に大きく依存し、従って変わり得る。 ビーム位置を測定するのに使用できる光検出器には、いくつかのタイプがある 。ＣＣＤアレイおよび正方形セルは、限られた状況で使用できるが、一般的には 推奨されない２つの共用される光検出器である。光検出器の好ましいタイプは、 １３ｍｍ×１３ｍｍの正方形にわたって光ビームの中心位置を、３００μｍｍ（ １２μインチ）の分解能まで連続的に測定できるラテラルエフェクト光ダイオー ドである。このラテラルエフェクト光ダイオードは、１００ｋＨｚよりも広い周 波数バンド幅を有する。この値は、この用途では適当である。推奨される光検出 器としては、浜松フォトニクス社のＳ１３００デュオラテラル位置検出器がある 。 ビーム位置測定 ラテラルエフェクトフォトダイオードに関連する電気回路および数学的演算は 容易に利用でき、メーカーによって提供される文献に詳しく記載されている。 工具センササブシステム 工具センササブシステムは、概念上、基準検出器アセンブリと類似する。実際 これらの間には、機械的または電気的な違いはほとんどない。多くの用途では、 センサアセンブリに２つの検出器が必要となる。これにより、２つのレーザービ ームで基準平面を設定でき、この基準平面から工具の配列も測定できる。 工具センサの機能は、センサ上の安定化レーザービームの位置を特定し、この 情報を、２つの方法のうちの１つで使用することである。第１の方法は、１誤差 測定装置として使用する方法であり、このモードでは、ＳＬＢＤビームが空間内 の所望するポイントを設定し、工具センサ６０がこの位置からのずれを測定する 。この誤差は、誤差を訂正するための工具への命令のベースとして使用される。 工具センサ６０を使用できる第２の方法は、ＳＬＢＤ５２に誤差信号を与える ことである。これによって、ＳＬＢＤ５２はセンサをトラッキングすることが可 能となり、このようにして、常時センサの位置を測定できる。このモードでは、 ワークピースの製造時の形状を測定するのにＤＲＭＳ５０を使用できる。 較正サブシステム この較正サブシステムは、ＤＲＭＳシステムを作業場所に最初に設定し、周期 的にシステムの可動をチェックし、国立規格および技術研究所の精度で、ＤＲＭ Ｓ計測方法のトレースを可能にする。この較正サブシステムは、関連する検出器 および電子回路を備えた、特別に製造された較正固定装置から成っている。 この較正固定装置は、機械的に剛性であり、熱的に安定な材料、例えばインバ ールまたはカーボン−エポキシ複合体から製造された四面体から成っている。こ の四面体は、空間内の単なる幾何学的に剛性な形状であり、このような理由から 選択される。四面体の各頂点には、基準検出器と同じ光検出器が置かれる。これ ら光検出器の位置は、極めて正確に測定され、この測定は、ＮＩＳＴの規格に従 うように、トレース可能である。四面体の各エッジの長さは、ほとんどの用途で は１ｍ〜２ｍの間にするべきである。 四面体上で測定される距離は、頂点に設置された４つの光検出器の光学的中心 の間の距離であり、各光検出器の表面上の光学的中心を定める点は、四面体の頂 点として定義される。これら測定値に関連する誤差は、０．５μｍ（２０μイン チ）未満に維持すべきである。このレベルの精度は、市販されている装置、例え ばヒューレットパッカード社のモデル５５２７Ｂレーザー干渉計位置測定装置お よびその付属品を用いることによって得られる。ここで、四面体の組立体は、こ のレベルの精度は不要である。その理由は、組み立て後に、光検出器の光学的中 止の実際の位置を測定するからである。検出器を保持する構造体は、寸法上極め て安定であることが必要である。 ここで、頂点を接続するラインは、機械的な構造と必ずしも一致しないことに 留意すべきである。 四面体は、図８ではベクトルアナログとして示されている。すなわち、頂点の 間の向きの定められたライン、頂点と図中のＢＤで示されたビーム導波器のうち の１つとの間の、向きの定められたラインとして示されている。較正用四面体の 辺は、０、１、２および３と表示された頂点の間のラインとして示され、四面体 の６つの辺は、ｘ、ｙ、ｚおよびｕ、ｖ、ｗと表示されている。これら辺と一致 するベクトルは、次のとおりである。 ベクトルｘは、０から１に向いている。 ベクトルｙは、０から２に向いている。 ベクトルｚは、０から３に向いている。 ベクトルｕは、２から１に向いている。 ベクトルｖは、３から２に向いている。 ベクトルｗは、１から３に向いている。 頂点からビーム導波器へのベクトルは、ｐ、ａ、ｂおよびｃと示されている。 四面体の４つの表面は、１２個の内角を備えた４つの三角形から成っている。 ４つの三角を構成する辺の６つの辺はすべて公知であるので、１２個の内角を計 算できる（参考文献Ｒ・Ｓ・バーリントン著「数学的表および公式のハンドブッ ク(Handbook of Mathematical Table and Formulas)、第３版」、パラグラ フ６５、ハンドブックパブリッシャーインコーポレーション、サンダスキー(San dusky)、オハイオ)。 ３つのベクトルｘ、ｙおよびｚを使って、三次元座標系の基本ベクトルを形成 できる。これら３つのベクトルは互いに直交している必要はないので、これらの ベクトルは、斜め座標系を形成してもよい。この場合、ベクトルの共変成分と反 変成分とを区別しなければならない（参考文献、イー・エイ・ギルミン（Guille min）著「回路解析の数学(The Mathematics of Circuit Analysis)」第３章 、ジョン・ウィリー・アンド・サンズ(Joｈｎ Wiley and Sons)、ニューヨー ク)。頂点ＢＤでは、頂点０、１、２および３に安定化ビームを向けることによ り、４つのベクトルｐ、ａ、ｂおよびｃの間の６つの角度を測定できる。このこ とは、ｘ、ｙおよびｚ軸に沿ったベクトルｐの長さおよびその成分を計算する のに充分である。 誘導するべき式を座標系と独立させるには、まずこれらの式を、ベクトルフォ ームで記載しなければならない。四面体において次の関係が得られる。 ｕ＝ｘ−ｙ （２．１２） ｖ＝ｙ−ｚ （２．１３） ｗ＝ｚ −ｘ （２．１４） 更に ｘ＝ｐ−ａ （２．１５） ｙ＝ｐ−ｂ （２．１６） ｚ＝ｐ−ｃ （２．１７） ｕ＝ｂ−ａ （２．１８） ｖ＝ｃ−ｂ （２．１９） ｗ＝ａ−ｃ （２．２０） 式２．１５から２．２０までの左辺の、ベクトルは、すべて既知である。４つ の未知のベクトルに対して解くには、上記式のうちの４つだけを選択すればよい 。説明のため、式２．１５から２．１８を選択する。２つのベクトルの間の角度 、例えばベクトルｐとｃとの間の角度を、∠ｐｃとする。次に、各式でドット積 のベクトル演算を行う。ドット積（スカラー積および内積とも称される）をとる ことにより、その結果は、座標系の性質と無関係になる。この結果得られる式は 、次のとおりである。 ｘ・ｘ＝ (ｐ−ａ)・(ｐ−ａ)＝ｐ・ｐ＋ａ・ａ−２ａ・ｐ(２．２１) ｙ・ｙ＝ (Ｐ−ｂ)・(Ｐ−ｂ)＝ｐ・ｐ＋ｂ・ｂ−２ｂ．ｐ(２．２２) ｚ・ｚ＝ (ｐ−ｃ)・(Ｐ−Ｃ)＝ｐ・ｐ＋ｃ・ｃ−２Ｃ・ｐ(２．２３) ｕ・ｕ＝ (ｂ−ａ)・(ｂ−ａ)＝ａ・ａ＋ｂ・ｂ−２ａ．ｂ(２．２４) ここで、式２．２１〜２．２４内の値は、ドット積の数学的演算により、スカ ラーとなっている。ベクトルの大きさは、イタリックス、すなわちｘ＝｜ｘ｜で 表示される。従って、式２．２１〜２．２４は、次のように対応するスカラー量 で表示される。 ｘ²＝ｐ²＋ａ²−２ａｐ ｃｏｓ(∠ａｐ) （２．２１ａ） ｙ²＝ｐ²＋ｂ²−２ｂｐ ｃｏｓ(∠ｂＰ) （２．２２ａ） ｚ²＝ｐ²＋Ｃ²−２ｃｐ ｃｏｓ(∠ＣＰ) （２．２３ａ） ｕ²＝ａ²＋ｂ²−２ａｂ ｃｏｓ(∠ａｂ) （２．２４ａ） これら式の左側の辺のみならず、角度も測定された値である。式２．２１ａ〜 ２．２４ａは、４つの未知数で表示された４つの非線形の式の組を構成する。こ れらの式は、ニュートン−レイフソン方法に基づくアルゴリズムを利用して、解 くことができる（参考文献、ダブリュー・エイチ・プレス(Press)、ビー・ピー ・フランネリ(Flannery)、エス・エイ・テューコルスキー（Teukolsky）および ダブリュー・テイー・ベッターリング（Vetter1ing）共著、「数値レシピ、科学 的計算技術(Numerical Recipes，The Art of Scientific Compoting)」第 ９章、ケンブリッジ・ユニバーシティプレス、１９８６年)。この文献に記載さ れているように、非線形の式には、２組以上の解答があるので、本応用例におい て正しい解答への収束を保証するのに注意が必要である。 次に、平面トリゴノメトリの公式を使用して、ベクトルｘ、ｙおよびｚに沿っ たｐの成分を計算できる。同様にして、第２ビーム導波器へのベクトルｐ’を決 定できる。次に、ベクトルｐ−ｐ’により２つのビーム導波器の間の基線を示す ことができる。このように、既知の基線を用いて、空間内の他の任意の位置を決 定できる。 各ＳＬＢＤ５２の安定化ビーム５６を逐次光検出器に入射することにより、タ コメータとして知られているような測量方法により、ＳＬＢＤ５２の正確な位置 および配列を測定できる。ＳＬＢＤ５２の位置のみならず、基準検出器５４に対 するそれらの位置が判ると、このシステムは、すぐに計測機能を果たすことがで きる。計算サブシステム ＤＲＭＳ５０の広バンド幅条件により、システムは、計算を集中できるように なっている。外部測定値および内部補正値の双方から成る多数の信号は、必要な 計算を実行するのに強力なワークステーションを必要とする。 別の方法としては、デジタル信号プロセッサのような特殊用途部品を使用する 分散計算システムを活用することである。かかるプロセッサを、個々のサブシス テムに組み込み、実行用中心プロセッサへの通信を光ファイバーリンクを通して デジタル式に行うことができる。このような方法によって、工場のフロアで生じ やすい、厳しい電気的ノイズソースから影響を受けないようにすることができる 。 分散型計算システムでは、実行中心プロセッサをハイエンドなパソコンとして もよい。最も難難な数学的演算は、すべての測定値を、ワークステーションの座 標系に入力するのに必要な座標変換である。これらの変換ソフトウェアは、例え ばビジュアルニューメリックス（Visual Numerics）インコーポレーション社に より、ＰＶ−ウェーブのような市販されているパッケージソフトウェアとして入 手できる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光学的ステアリング要素をリアルタイムで制御するための広バンド幅の動 的に剛性な計測システムにおいて、 ベースと、前記ベースに機械的に結合されたビームポインティングおよび安定 化装置と、前記ベースに取り付けられた３つの基本ビームレーザーおよび安定化 ビームレーザーと、安定化レーザービーム導波器（ＳＬＢＤ）に機械的に結合さ れ、局部的に剛性なＳＬＢＤ座標系を提供する計測構造体とを備える、一対の安 定化レーザービーム導波器（ＳＬＢＤ）とを含み、各ビームポインティングおよ び安定化装置が、光学的なステアリング要素および軸傾斜検出器を含み、前記光 学的ステアリング要素が、前記安定化ビームレーザーに光学的に結合され、入力 信号に応答して、前記安定化ビームレーザーをステアリングし、前記光学的ステ アリング要素が、前記局部的に剛性なＳＬＢＤ座標系に対する前記光学的ステア リング要素の位置および配列に関連する誤差信号を発生し、前記光学的ステアリ ング要素が、更に回転軸を含み、前記軸傾斜検出器が、前記回転軸の初期位置に 対する前記回転軸の傾斜角および向きを示すようになっており、 更に、局部的に剛性な加工品の座標系を提供するように、加工品に対して固定 された状態で設けられた３つの基準検出器を含む基準サブシステムを備え、前記 ３つの基準検出器が、それぞれ、前記各ＳＬＢＤの前記３つの基準ビームレーザ ーに光学的に通信でき、前記基準検出器が、前記基準ビームレーザーに応答して 、基準検出器出力信号を発生するようになっており、 工具上に設けられ、前記安定化ビームレーザーと光学的に通信する少なくとも １つの工具センサ検出器を含む工具センササブシステムを備え、前記少なくとも １つの工具センサ検出器は前記安定化ビームレーザーに応答して工具センサ検出 器出力信号を発生し、 基準検出器出力信号および工具センサ検出器出力信号を受け、これら信号の座 標変換を実行し、局部的に剛性な加工品の座標系に対する工具の位置をトラッキ ングする少なくとも１つのプロセッサとを備え、この少なくとも１つのプロセッ サが、前記軸傾斜検出器からの傾斜角および向き信号、および前記光学的ステア リング要素からの誤差信号を受けて、これらを処理し、前記入力信号を発生し、 よって、前記光学的ステアリング要素のリアルタイムの制御を行うようになって いる、広バンド幅の動的に剛性が計測システム。 ２．前記安定化ビームレーザーは、単一モードレーザーを含む、請求項１記載 の、広バンド幅の動的に剛性な計測システム。 ３．前記光学的ステアリング要素が、 前記ベースに対する前記ビームポインティング、および安定化装置の配列を制 御し、誤差信号を発生する大角度ドライバと、 前記安定化ビームレーザーに光学的に結合され、入力信号に応答して、前記安 定化ビームレーザーをステアリングする高速度ビーム偏向器とを備える、請求項 １記載の広バンドの動的に剛性な計測システム。 ４．前記大角度ドライバが、誤差信号を発生する少なくとも１つのエンコーダ を含む、請求項３記載の広バンドの動的に剛性な計測システム。 ５．前記高速ビーム偏向器が、 前記安定化ビームレーザーに光学的に結合された音響−光ビーム偏向器を備え 、入力信号に応答して、前記安定化ビームレーザーをステアリングする、請求項 ３記載の広バンドの動的に剛性な計測システム。 ６．前記高速ビーム偏向器が、 前記安定化ビームレーザーに光学的に結合され、拡大された安定化ビームを出 力するビーム拡大器と、 拡大された安定化ビームを受け、入力信号に応答して、この拡大された安定化 ビームをステアリングする音響−光ビーム偏向器とを備える、請求項３記載の広 バンドの動的に剛性な計測システム。 ７．前記軸傾斜検出器が、 前記ビームポインティングおよび安定化装置の基準平面に対して固定された状 態に設けられた、ほぼ平面状の導電性表面と、 前記回転軸に対して固定された状態に設けられた少なくとも３つの電極とを備 え、前記導電性表面と前記少なくとも３つの電極との間の容量が、傾斜角度およ び向き信号の測定を容易にする電極平面とを備える、請求項１記載の広バンドの 動的に剛性な計測システム。 ８．前記導電性表面が、光学的な平面を備える、請求項７記載の広バンドの動 的に剛性な計測システム。 ９．広バンドの動的に剛性な計測システムにおける光学的ステアリング要素の ための制御システムにおいて、 局部的に剛性な安定化レーザービーム導波器の座標系内に位置する１対の安定 化レーザービーム導波器（ＳＬＢＤ）を備え、前記ＳＬＢＤの各々が、光学的ス テアリング要素および軸傾斜検出器を含み、前記光学的ステアリング要素の各々 が、入力信号に応答して安定化ビームレーザーをステアリングし、各ＳＬＢＤの 前記光学的ステアリング要素が、回転軸を含むと共に、前記局部的に剛性なＳＬ ＢＤの座標系に対する前記光学的ステアリング要素の位置および配列に関連した 誤差信号を出力し、前記ＳＬＢＤの前記軸傾斜検出器が、前記回転軸の初期位置 に対する前記回転軸の傾斜角および向きを示す信号を発生するようになっており 、 局部的に剛性な加工品の座標系を提供し、前記基準サブシステムに対する前記 ＳＬＢＤの位置を表示する信号を出力する基準サブシステムと、 前記基準サブシステムからの信号を処理し、前記局部的に剛性なＳＬＢＤ座標 系を互いに、かつ前記局部的に剛性な加工品の座標系に関連づけし、誤差信号お よび傾斜角度および向き信号を処理して、安定化ビームレーザーをリアルタイム でステアリングするよう、入力信号を発生するためのプロセッサとを備える、光 学的なステアリング要素のための制御システム。 １０．前記安定化ビームレーザーが、円形のコリメートされた出力ビームを発 生するようになっている、請求項９記載の広バンド幅の動的に剛性な計測システ ム。 １１．前記光学的ステアリング要素が、 前記光学的ステアリング要素の粗い運動を制御し、誤差信号を発生する大角度 ドライバと、 前記安定化ビームレーザーに光学的に結合され、入力信号に応答して、前記安 定化ビームレーザーの精密なステアリングを制御する高速度ビーム偏向器とを備 える、請求項９記載の広バンドの動的に剛性な計測システム。 １２．前記大角度ドライバが、誤差信号を発生する２つのエンコーダを含む、 請求項１１記載の広バンドの動的に剛性な計測システム。 １３．前記高速ビーム偏向器が、 前記安定化ビームレーザーに光学的に結合され、入力信号に応答して、前記安 定化ビームレーザーをステアリングするブラッグセルを含む、請求項１１記載の 広バンドの動的に剛性な計測システム。 １４．前記高速ビーム偏向器が、 前記安定化ビームレーザーに光学的に結合され、拡大された安定化ビームを出 力するビーム拡大器と、 拡大された安定化ビームを受け、入力信号に応答して、この拡大された安定化 ビームをステアリングするブラッグセルとを備える、請求項１１記載の広バンド の動的に剛性な計測システム。 １５．前記軸傾斜検出器が、 前記ＳＬＢＤの基準平面に対して固定された状態に設けられた、ほぼ平面状の 導電性表面と、 前記回転軸に対して固定された状態に設けられ、前記導電性表面と少なくとも ３つの電極平面との間の容量が、傾斜角度および向き信号の測定を容易にする少 なくとも３つの電極とを備える、請求項９記載の広バンドの動的に剛性な計測シ ステム。 １６．前記導電性表面が、光学的な平面を備えた、請求項１５記載の広バンド の動的に剛性な計測システム。 １７．加工品およびこの加工品に固定した状態に取り付けられた少なくとも３ つの固定された広い面積のレーザービームセンサを含む加工品基準サブシステム と、 加工品とのインターフェースを行う制御された工具と、制御された工具の位置 を制御するための機構と、工具と加工品との相互作用点に隣接して、工具に取り 付けられた広い面積のレーザービームセンサを含む、工具センサ基準サブシステ ムと、 固定された広い面積のレーザービームセンサの各々にレーザービームを向け、 更に工具上の広い面積のレーザービームセンサに、トラッキングレーザービーム を向ける２つの離間した安定化レーザービーム導波器（ＳＬＢＤ）と、 計算サブシステムとを備え、 前記加工品基準システムが固定された広い面積のレーザービームセンサの各々 で、レーザービームを使用して加工品に対するＳＬＢＤの動きを測定するように なっており、 前記計算サブシステムが、加工品に対するＳＬＢＤの動きを示すデータを使用 して、加工品における局部的な剛性の基準サイトとＳＬＢＤにおける局部的に剛 性な基準サイトとの間のグローバルに剛性なシステムの機能的な等価物を提供す るようになっている、動的に剛性な計測システム。 １８．前記工具基準サブシステムが、更に工具上のセンサへのトラッキングレ ーザーの位置を測定し、誤差信号を発生するようになっている、請求項１７記載 のシステム。 １９.前記各ＳＬＢＤが、前記トラッキングレーザービームの配列をシフトし 、工具の移動をトラッキングするようになっている高速レーザービーム導波器を 含む、請求項１７記載のシステム。 ２０．前記固定された前記広い面積のトラッキングレーザービームセンサから 受信される信号に従って、前記工具の位置を制御するための回路を更に含む、請 求項１７記載のシステム。