Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области обрабатывающих станков. Настоящее изобретение также относится к области оптических измерений взаимного расположения первого объекта и второго объекта, а в частности, расположения держателя инструмента относительно держателя детали в обрабатывающем станке.
В области обрабатывающих станков, выполняющих помимо прочего обработку посредством удаления материала, существует необходимость точного знания положения держателя инструмента относительного держателя детали, чтобы обеспечить диапазон обработки, соответствующий плану механической обработки, разработанному во время настройки станка.
Изготовление деталей посредством обрабатывающих модулей (обрабатывающих станков), в частности, прутковых автоматов, токарных автоматов, токарно-фрезерных центров, фрезерных станков, обрабатывающих центров и станков поточной линии обычно содержит три отдельных этапа.
На первом этапе настройки (или предустановок) оператор (например, оператор пруткового автомата) определяет и проверяет на обрабатывающем модуле план обработки, то есть последовательность операций и перемещений осей, которые необходимы для получения требуемой обрабатываемой детали. Оператор действует внимательно, чтобы получить наиболее эффективный план обработки, т.е. план, который дает возможность обработать данную деталь посредством минимума операций, и при этом избежать конфликтов между инструментами или конфликтов с деталью. Оператор выбирает инструмент, который должен быть использован, и проверяет качество полученной детали, например, качество поверхностей, соответствие допускам и т.п.
На втором этапе изготовления на предварительно настроенном обрабатывающем модуле изготовляют серию деталей с параметрами, которые были определены во время настройки. Данный этап является единственным этапом изготовления; его часто выполняют в течение 24 часов в сутки; при этом в обрабатывающий модуль подают необработанный материал посредством заряжающего устройства или посредством загрузчика заготовок (необработанных деталей).
Может быть так, что изготовление серии деталей прерывается, например, для замены изношенных инструментов, для изготовления деталей другого типа на том же самом обрабатывающем модуле, для технического обслуживания станка и т.п., а затем изготовление возобновляется. В этом случае необходим этап подготовки, чтобы применить параметры, которые были определены ранее во время настройки. Этот этап подготовки проходит быстрее, чем настройка.
Во время данной подготовки часто бывает необходимо произвести замену установленных на станке инструментов другим набором инструментов, который пригоден для предстоящей обработки. Точность позиционирования этих инструментов определяет качество обработки, но это позиционирование трудно воспроизводить на очередных этапах подготовки.
Кроме того, на этапе изготовления, в ходе обработки новых деталей, особенно на длительных промежутках времени вполне возможен уход положения держателя инструмента относительно держателя детали, в частности, вызванный тепловым расширением в станках.
Уровень техники
Поэтому в станках существующего уровня техники предлагались и предлагаются различные технические решения с целью гарантировать правильное положение держателя инструмента относительно держателя детали на этапе изготовления и на этапе подготовки, то есть правильное взаимное положение, которое соответствует взаимному положению держателя инструмента и держателя детали, которое было на этапе настройки.
Множество методов измерений in situ, применяемых в станках, предназначены для измерения взаимного положения детали или держателя детали и самого инструмента. Однако в данном случае на измерение положения детали или держателя детали относительно инструмента оказывает влияние износ инструмента и тепловой дрейф в станке во время его работы.
Кроме того, данный тип измерения взаимного положения как правило осуществляется в двух измерениях (по двум координатам), т.е. в двух направлениях, как в документе DE 202016004237 U.
Поскольку такое определение взаимного положения детали или держателя детали и инструмента ограничено двумя измерениями (например, Y и X - соответственно, для бокового и вертикального направлений), оно не обладает достаточной полнотой, чтобы гарантировать правильное взаимное положение, так что приходится использовать другие средства для измерения третьей координаты (например, Z - в направлении подачи/обратного втягивания держателя детали, также называемом «направлением материала»). В данной ситуации увеличивается не только стоимость измерительного оборудования, но также затраты времени на реализацию, что также добавляет ошибку за счет использования двух серий измерения одновременно.
В документе US 2014362387 АА раскрыто оптическое измерительное устройство, помещенное на держатель инструмента, которое дает возможность проверять, что целевой объект не мешает держателю инструмента. В данном оптическом измерительном устройстве используется измерительный элемент с несколькими наклонными частями для определения геометрических параметров лазерного измерительного устройства, в частности, координаты между датчиком отраженного пучка и излучателем падающего пучка. Данный измерительный элемент не вовлечен в измерение положения держателя инструмента относительно целевого объекта, которым может служить деталь, подлежащая обработке.
В документе US 2010111630 АА раскрыта система изменения положения инструмента для обрабатывающего станка, содержащая мишени неправильной формы, расположенные на инструменте, которая позволяет выполнять прецизионное оптическое определение положения инструмента посредством оптических измерительных элементов, положение которых не задано.
В документе US 5831734 описано техническое решение, в котором оптический датчик закреплен на держателе инструмента, и осуществляет определение положения данного держателя инструмента относительно детали, которая подлежит обработке и оснащена отличимой меткой (канавкой).
В документе JP 07246547 предложен станок, который оснащен отражателем, установленным на валу, на котором установлен инструмент, и измерительным устройством с несколькими лазерными интерферометрами, которое может определять положение рефлектора.
Однако указанные технические решения не позволяют определять взаимное положение подлежащей обработке детали и инструмента за один этап съемки, чтобы этот один этап съемки давал информацию, которая дает возможность определить данное взаимное положение в трехмерном пространстве.
Также указанные технические решения не позволяют обеспечить независимость параметров, которые изменяются в реальном времени во время обработки, в частности, износ инструмента и температурные изменения инструмента и/или рабочее пространство станка, которое принимает обрабатываемую деталь.
Раскрытие сущности изобретения
Одна задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить технологию, которая дает возможность выполнять измерение положения держателя инструмента относительно держателя детали, и которая свободна от ограничений известных методов измерения.
Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить технологию, которая дает возможность выполнять измерение положения держателя инструмента относительно держателя детали, и которая за один этап съемки обеспечивает трехмерное определение взаимного расположения первого объекта и второго объекта.
Согласно изобретению, указанная задача решена, в частности, посредством обрабатывающего станка, содержащего обрабатывающий модуль, оснащенный держателем инструмента и держателем детали, а также оптическое измерительное устройство для трехмерного измерения положения держателя инструмента относительно держателя детали, причем указанное оптическое измерительное устройство содержит оптическую систему с системой получения изображений, установленную на держателе детали, и мишень, установленную на держателе инструмента и содержащую рабочую грань, образующую базу для позиционирования, которая может быть расположена на оптической оси оптической системы.
В соответствии с изобретением оптическое измерительное устройство выполнено с возможностью трехмерного определения (за один этап съемки мишени посредством оптической системы) положения держателя обрабатываемой детали относительно держателя инструмента. Таким образом, есть возможность получать путем съемки мишени, выполняемой оптической системой, точные данные взаимного расположения держателя инструмента и держателя детали. Съемка соответствует получению изображения (изображений) мишени посредством оптической системы, а именно приему, захвату и записи одного или более изображений мишени. В частности, согласно одному возможному варианту, оптическая система может одновременно регистрировать первое изображение и второе изображение мишени. Указанные два изображения (пара изображений) содержат информацию о взаимном расположении мишени и оптической системы, причем данная информация позволяет получить данные взаимного расположения мишени и оптической системы в трех направлениях в пространстве (в частности, по X, Y и Z). Согласно одному варианту, оптическая система выполнена с возможностью регистрации последовательности пар изображений мишени.
В частности, мишень расположена так, чтобы задняя фокальная плоскость оптической системы могла быть совмещена с рабочей гранью мишени.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, указанная мишень является трехмерной, и содержит на своей рабочей грани:
* первую структуру, образующую плоскую базовую грань, и
* вторую структуру, содержащую грань, наклоненную относительно указанной плоской базовой грани,
при этом оптическая система содержит первую съемочную систему и вторую съемочную систему, причем разность между фокусным расстоянием второй съемочной системы и фокусным расстоянием первой съемочной системы лежит в интервале между минимальным расстоянием и максимальным расстоянием, отделяющим базовую грань от наклонной грани.
Таким образом, оптическая система может одновременно определять свое положение, с одной стороны, относительно базовой грани (или первой базовой грани) посредством изображения, сформированного первой съемочной системой, и, с другой стороны, относительно по меньшей мере одной зоны наклонной грани (или второй базовой грани), которая распознана посредством изображения, сформированного второй съемочной системой, и положение которой на мишени относительно базовой грани известно.
Указанная мишень также может соответствовать одному или другому или нескольким из следующих условий:
- плоская базовая грань разделена по меньшей мере на первый участок, поверхность которого является отражающей в соответствии с первыми параметрами отражения, и второй участок, поверхность которого является отражающей в соответствии со вторыми параметрами отражения, которые отличаются от первых параметров отражения;
- поверхность первого участка является отражающей в соответствии с диффузным отражением, а поверхность второго участка является отражающей в соответствии с зеркальным отражением;
- второй участок разделен в соответствии с наборами локальных зон, расположенных на первом участке;
- поверхность указанной наклонной грани содержит элементы рельефа или зеркальные элементы, которые равномерно распределены;
- указанные локальные зоны вместе образуют геометрическую фигуру, которая является одной из следующих фигур: четырехугольник, параллелограмм, прямоугольник, квадрат, ромб, правильный многоугольник и окружность;
- указанные локальные зоны второго участка образованы островками или сегментами, распределенными на первом участке;
- указанные локальные зоны выполнены из хрома;
- первая структура и вторая структура расположены на рабочей грани концентрично друг другу, в частности, первая структура окружает вторую структуру;
- локальные зоны второго участка первой структуры образуют квадрат, который окружает вторую структуру;
- первая структура ограничивает окно для корпуса, вмещающего указанную вторую структуру;
- вторая структура расположена в указанном корпусе с наклонной гранью, отстоящей назад от базовой грани первой структуры, в частности, расположена позади плоскости, ограниченной базовой гранью;
- поверхность наклонной грани второй структуры имеет полосчатую структуру, в частности, наклонная грань второй структуры покрыта одним из следующих элементов: сеткой травления, структурированной решеткой или сеткой зеркальных линий.
В соответствии с одним вариантом осуществления, поверхность наклонной грани содержит равномерно распределенные элементы рельефа. В соответствии с другим вариантом осуществления, поверхность указанной наклонной грани содержит равномерно распределенные зеркальные элементы. В обоих случаях идея в том, чтобы иметь возможность определять положение наклонной грани, которая в грубом приближении является плоской, в направлении Z, ортогональном базовой грани. Чтобы выполнить это, в одном случае элементы рельефа образуют неоднородности поверхности или небольшие шероховатости; при этом поверхность наклонной грани, будучи шероховатой, обеспечивает диффузное отражение, которое позволяет оптической системе, которая смотрит на мишень, четко видеть часть наклонной грани: в частности, указанные элементы рельефа имеют размер более 700 нм, в частности более 1 мкм, а именно, имеют размер, который больше длины волны падающего света, в данном случае, видимого света. В ином случае, зеркальные элементы наклонной плоскости, расположенные согласно геометрической схеме, например, взаимно параллельные линии, находящиеся в направлении Z в разных положениях, являются визуально отличимыми от остальной поверхности наклонной грани (которая предпочтительно демонстрирует диффузное отражение). Следовательно, оптическая система, которая смотрит на мишень, имеет возможность четко видеть участок наклонной грани с одним или более зеркальными элементами.
Данная трехмерная мишень содержит на своей рабочей грани двойную структуру, соответственно образующую первую плоскую базовую грань и вторую базовую грань, определяющую плоскость, наклоненную относительно первой базовой грани. Такая пространственная (трехмерная) геометрия мишени, наряду с особыми и различными оптическими характеристиками поверхностей, которые соответственно образуют первую базовую грань и вторую базовую грань, позволяет осуществлять оптическое определение положения данной мишени относительно используемой оптической системы в пространстве трех координат X, Y и Z. Согласно одному варианту осуществления, используемая оптическая система дает возможность осуществлять оптическое определение положения, которое фактически завершается измерением взаимного расположения посредством одного единственного этапа съемки как первой плоской базовой грани, так и второй наклонной базовой грани: таким образом, измерение заключается в одновременной съемке изображения первой плоской базовой грани и второй наклонной базовой грани. Такая одновременная съемка может быть произведена за две, три или более итераций, даже за n съемок (где n - целое число большее единицы, например, число в интервале от двух до пятнадцати). Таким образом, можно располагать несколькими изображениями (серией изображений), как первой плоской базовой грани, так и второй наклонной базовой грани, что дает возможность выполнять обработку посредством вычислительных алгоритмов не одного изображения первой плоской базовой грани и второй наклонной базовой грани, а серии таких изображений, и таким образом, уменьшать погрешность измерения.
В частности, в соответствии с одним возможным вариантом осуществления, такое формирование изображения (изображений) первой плоской базовой грани и второй наклонной базовой грани выполняется посредством оптической системы, которая используется без необходимости ее регулировки, что будет объяснено ниже. В данном случае отсутствует какая-либо особая настройка, которую необходимо выполнять в оптической системе, что обеспечивает значительную экономию времени при выполнении измерения относительного положения трехмерной мишени. Данное техническое решение дает заметное преимущество по сравнению с существующими техническими решениями, состоящее в том, что не требуется ни выполнение нескольких этапов измерения, ни изменения настройки, в частности, фокусного расстояния оптической системы, которая смотрит на мишень
Также, когда данная мишень используется для измерения положения держателя инструмента относительно держателя детали, становится возможным обеспечить независимость от износа инструмента и изменений температуры инструмента и/или рабочего пространства станка, в котором размещают деталь, подлежащую обработке, путем установки мишени на держателе инструмента.
Согласно одному варианту осуществления, оптическая система содержит первую съемочную систему и вторую съемочную систему, при этом:
- глубина резкости первой съемочной системы по меньшей мере в десять раз больше, чем глубина резкости второй съемочной системы, и
- оптическая система выполнена таким образом, что оптический тракт первой съемочной системы и оптический тракт второй съемочной системы имеют общий участок, расположенный на оптической оси оптической системы и содержащий заднюю фокальную плоскость первой съемочной системы и заднюю фокальную плоскость второй съемочной системы.
Такая оптическая система может быть помещена на один из двух рассматриваемых объектов (второй объект, который образован держателем детали), и дает возможность посредством двух съемочных систем выполнять одновременную съемку двух резких изображений в двух близко расположенных местах на другом из указанных двух объектов (первом объекте, который образован держателем инструмента), при этом указанные два места на первом объекте расположены на слегка разных расстояниях от второго объекта. Такая оптическая система дает возможность, о чем подробнее будет сказано ниже, посредством двух изображений осуществлять трехмерное определение (т.е. по трем координатам) положения первого объекта относительно второго объекта, который несет на себе оптическую систему.
В соответствии с одним возможным вариантом осуществления, оптическая система выполнена таким образом, что оптический тракт от объекта (первого объекта) проходит по меньшей мере через часть одной из первой или второй съемочной системы прежде чем достигает другой из указанных съемочных систем. Таким образом, можно иметь участок оптического тракта в качестве входа/выхода оптической системы, который является общим или очень близким к первой и второй съемочным системам. Таким образом можно не только сочетать первую и вторую съемочные системы в одной и той же оптической системе, но также иметь возможность осуществлять регистрацию изображений двух близкорасположенных мест на первом объекте, которые находятся друг от друга на расстоянии нескольких десятков миллиметров, даже нескольких миллиметров, или на расстоянии меньше одного миллиметра.
Согласно одному варианту осуществления, первая и вторая съемочные системы расположены параллельно друг другу, причем оптическая система также содержит оптический модуль, расположенный между первой и второй съемочными системами, и выполненный с возможностью отклонения части световых лучей, проходящих по меньшей мере через часть одной из съемочных систем - первой или второй системы - к другой из указанных съемочных систем. Согласно возможному варианту, данный оптический модуль представляет собой или включает в себя катоптрическую (отражающую) оптическую систему, например, зеркало.
Данная оптическая система также может соответствовать одному или другому или нескольким из следующих условий:
- фокусное расстояние второй съемочной системы больше, чем фокусное расстояние первой съемочной системы;
- увеличение первой съемочной системы меньше или равно увеличению второй съемочной системы;
- глубина резкости (DOF1) первой съемочной системы больше или равна 0,8 мм;
- глубина резкости (DOF2) второй съемочной системы меньше или равна 0,1 мм;
- первая съемочная система является телецентрической, и вторая съемочная система является телецентрической;
- первая съемочная система имеет такую конфигурацию, что ее задняя фокальная плоскость может совпадать с базовой гранью первой структуры;
- вторая съемочная система имеет такую конфигурацию, что ее задняя фокальная плоскость может пересекать наклонную грань трехмерной мишени;
- оптическое устройство также содержит третью съемочную систему, расположенную на держателе инструмента, и выполненную с возможностью определения ориентации рабочей грани мишени и/или угловой ориентации держателя инструмента.
Настоящее изобретение также относится к способу трехмерного оптического измерения соответственно в трех ортогональных направлениях X, Y и Z в трехмерном пространстве обрабатывающего станка положения держателя инструмента относительно держателя детали, которые находятся на одной линии и удалены друг от друга в главном направлении Z, содержащему этапы, на которых:
- обеспечивают оптическую систему с системой получения изображений,
- указанную оптическую систему устанавливают на держатель детали,
- обеспечивают мишень, содержащую рабочую грань и образующую базу для позиционирования,
- указанную мишень устанавливают на держатель инструмента,
- держатель инструмента и держатель детали располагают так, чтобы мишень можно было расположить на оптической оси оптической системы,
- выполняют один этап съемки мишени, при этом оптическую систему располагают так, чтобы взаимодействовать с мишенью, посредством чего определяют в трехмерном пространстве положение держателя обрабатываемой детали относительно держателя инструмента.
Согласно варианту осуществления данного способа, во время этапа съемки оптическую систему и мишень располагают так, чтобы задняя фокальная плоскость оптической системы могла быть совмещена с рабочей гранью мишени.
Согласно данному способу, может быть предусмотрено выполнение одного или другого или нескольких из следующих условий:
- указанная мишень является трехмерной, и содержит на своей рабочей грани:
* первую структуру, образующую плоскую базовую грань, разделенную по меньшей мере на:
- первый участок, поверхность которого является отражающей в соответствии с диффузным отражением, и
- второй участок, поверхность которого является отражающей в соответствии с зеркальным отражением, и
* вторую структуру, содержащую грань, наклоненную относительно указанной плоской базовой грани,
- указанная оптическая система содержит первую съемочную систему и вторую съемочную систему, в которой:
- глубина резкости первой съемочной системы по меньшей мере в десять раз больше, чем глубина резкости второй съемочной системы, при этом
- указанная оптическая система, с одной стороны, выполнена таким образом, что оптический тракт первой съемочной системы и оптический тракт второй съемочной системы имеют общий участок, содержащий заднюю фокальную плоскость первой съемочной системы и заднюю фокальную плоскость второй съемочной системы, а, с другой стороны, таким образом, что разность между фокусным расстоянием второй съемочной системы и фокусным расстоянием первой съемочной системы лежит в интервале между минимальным расстоянием и максимальным расстоянием, отделяющим базовую грань от наклонной грани,
- держатель инструмента и держатель детали расположены таким образом, что, с одной стороны, фокусное расстояние первой съемочной системы позволяет разместить задний фокус первой съемочной системы на первой структуре мишени, а, с другой стороны, фокусное расстояние второй съемочной системы позволяет разместить задний фокус второй съемочной системы на второй структуре мишени,
- на этапе съемки посредством оптической системы выполняют по меньшей мере один этап одновременной съемки посредством первой съемочной системы оптической системы и посредством второй съемочной системы оптической системы, тем самым для каждого этапа съемки посредством оптической системы, с одной стороны, первая съемочная система формирует первое изображение мишени, обеспечивая возможность определения на базовой грани положения второго участка относительно первого участка, что дает, во-первых, первую часть информации о взаимном расположении мишени и первой съемочной системы в направлении X, и, во-вторых, вторую часть информации о взаимном расположении мишени и первой съемочной системы в направлении Y, а также, с другой стороны, вторая съемочная система формирует второе изображение мишени, содержащее резкий участок, соответствующий расположению наклонной грани второй структуры, что дает третью часть информации о расстоянии между мишенью и второй съемочной системой в направлении Z.
Согласно еще одному возможному варианту осуществления, второй участок плоской базовой грани разделяют на ряд локальных зон, расположенных на первом участке, при этом, когда первая съемочная система формирует первое изображение мишени, определяют положение локальных зон второго участка на базовой грани, что дает часть информации о взаимном расположении указанных локальных зон и первой съемочной системы, что дает возможность получить результат измерения взаимного расположения в направлении Y и в направлении X.
Краткое описание чертежей
Примеры реализации изобретения указаны в нижеследующем описании, иллюстрированном прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 изображает устройство трехмерного измерения, которое содержит соответствующую изобретению трехмерную мишень и оптическую систему;
фиг. 2А иллюстрирует использование устройства трехмерного измерения с фиг. 1 в станке согласно изобретению для измерения в пространстве положения держателя инструмента относительно держателя детали (который также называют шпинделем для материала);
фиг. 2В изображает часть фиг. 2А, соответствующую держателю инструмента с трехмерной мишенью, если смотреть в направлении IIB фиг. 2А, т.е. в направлении Z так, как это «видит» оптическая система, когда мишень направлена в сторону оптической системы;
фиг. 3А, 3В и 3С представляют собой три вида, иллюстрирующие конструкцию трехмерной мишени, соответствующей изобретению, соответственно, вид спереди, вид в аксонометрии и вид в разрезе; а фиг. 3D и 3Е в аксонометрии изображают вторую структуру мишени, соответствующей фиг. 3А, 3В и 3С согласно варианту осуществления;
фиг. 4А и 4В иллюстрируют обработку изображения, сформированного второй съемочной системой оптической системы;
фиг. 5 изображает в аксонометрии и с пространственным разделением деталей держатель инструмента, оснащенный трехмерной мишенью, соответствующей изобретению;
фиг. 6 иллюстрирует установку устройства трехмерного оптического измерения на держателе инструмента согласно изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 изображено оптическое устройство 10, содержащее оптическую систему 100 и трехмерную мишень 200, которые могут взаимодействовать друг с другом в целях выполнения трехмерного измерения взаимного положения мишени 200 и оптической системы 100. Фактически, в данном положении измерения мишень 200 ориентирована в направлении оптической системы 100 параллельно основной оси, образующей главное горизонтальное направление Z. С этой целью на выходе оптической системы 100 оптический тракт О ортогонален рабочей грани 202 мишени 200.
Мишень 200 будет далее описана согласно фиг. 1, 3А, 3В и 3С. Мишень 200 имеет вид таблетки цилиндрической формы с круглым поперечным сечением (мишень может иметь квадратное или иное сечение), у которой одна сторона образует рабочую грань 202 для выполнения измерений. Следовательно, для осуществления измерений данную рабочую грань 202 поворачивают в направлении оптической системы 100, в частности, в направлении входной грани 102 оптической системы 100, при этом ось Z, соответствующая главному направлению (на фигурах горизонтальному направлению), отделяет рабочую грань 202 от входной грани 102 оптической системы 100.
Поверхность рабочей грани 202 мишени 200 разделена на первую структуру 210 и вторую структуру 220. Первая структура 210 содержит плоскую базовую грань 212, которая является гладкой и разделена на первый участок 214, который является отражающим в соответствии с диффузным отражением, и второй участок 216, который является отражающим в соответствии с зеркальным отражением. Согласно одному варианту осуществления, первый участок 214 покрыт диффузно отражающим слоем, например, сульфатом бария BaSO4, а второй участок 216 сформирован зеркально отражающим слоем, например, слоем хрома. Согласно изображенному варианту осуществления, второй участок 216 выполнен в виде нескольких локальных зон 217 в форме кругов, образующих «островки», расположенные внутри первого участка 214, который является сплошным. Указанные локальные зоны 217 могут быть другого вида, например, могут иметь вид сегментов или «островков» другой формы нежели круговой. Указанные локальные зоны 217 вместе образуют геометрическую фигуру - одну из следующего перечня: четырехугольник, параллелограмм, прямоугольник, квадрат, ромб, правильный многоугольник и окружность. Данная геометрическая фигура может быть фигурой с центральной симметрией. На фиг. 3А и 3В двадцать четыре круглые локальные зоны 217 расположены в виде квадрата. Назначение первой структуры 210 заключается в точном распознавании центра С3 с использованием стандартных видеоинструментов. В случае фигуры типа «квадрат» две диагонали С1 и С2 указанного квадрата пересекаются в его центре. Следует отметить, что при измерении положения, как представлено на фиг. 1-3 и 5, базовая грань 212 расположена параллельно направлениям X и Y, соответственно формируя вертикальное направление (ось) и поперечное горизонтальное направление (ось) в случае такого расположения, какое показано.
Вторая структура 220 содержит грань 222, наклоненную относительно базовой грани 212; при этом данная наклонная грань 222 является практически плоской, причем срединная плоскость данной наклонной грани образует относительно базовой грани 212 острый угол а, лежащий в диапазоне 10°-80°, например, угол 20°-30°, а предпочтительно угол порядка 25° (см. фиг. 3С).
Согласно одному варианту осуществления, поверхность данной наклонной грани 222 не является гладкой, а содержит элементы 224 рельефа, которые создают неровности поверхности, которые являются либо случайными, либо обладают заданной геометрией, например, вместе образуют решетку или сетку линий, таким образом составляют структурированную решетку (не показана) или структурированную сетку линий (см. фиг. 3D).
Такие элементы 224 рельефа могут быть в виде выступов или в виде углублений, т.е. могут отстоять назад от срединной плоскости наклонной грани 222, в частности, в форме небольшой шероховатости или любой другой неоднородности поверхности. Такие элементы 224 рельефа могут присутствовать на всей поверхности наклонной грани 222. Такие элементы рельефа могут быть равномерно распределены по всей поверхности наклонной грани 222. Например, указанные элементы 224 рельефа могут образовывать линию, которая ограничивает рисунок решетки или сетки, или, в более общем случае, структурированную поверхность или шероховатую поверхность, которая делает возможным получение достаточного рассеяния света, отраженного от наклонной грани 222. Поверхность наклонной грани 222 второй структуры 220, к примеру, покрыта одним из следующих элементов: сеткой травления или структурированной решеткой, у которой расстояние (шаг) между элементами лежит в интервале 5-100 мкм, в частности в интервале 5-50 мкм, в том числе 8-15 мкм, например, имеет порядок 10 мкм.
Например, данная наклонная грань 222 выполнена из неполированного кремния или из керамики, или из неполированного металла или стекла, или из любого другого материала, который позволяет получать структуру, при этом элементы 224 рельефа получены посредством фотолитографии, путем обработки со снятием стружки, путем непосредственного формирования рисунка (надписания), или любым другим способом, который позволяет сформировать структуру. Указанные элементы 224 рельефа образуют, к примеру, углубления и/или выступы, которые соответственно отстоят назад от срединной плоскости и/или выступают за пределы срединной плоскости на несколько микрон или на несколько десятков микрон, в частности, на 0,5-50 мкм.
Согласно другому варианту осуществления, как показано на фиг. 3Е, поверхность данной наклонной грани 222 является гладкой и содержит сетку линий хрома или иного материала, обеспечивающего зеркальное отражение указанным линиям хрома, которые образуют зеркальные элементы 225. Указанные зеркальные элементы 225 в форме линий расположены параллельно друг другу. В измерительном положении указанные зеркальные элементы 225 в форме линий или полосок расположены параллельно плоскости Y, Z, так что вдоль наклонной грани в направлении Z указанные линии встречаются одна за другой (то же самое наблюдается, если двигаться в направлении X). Подложка, образующая пластину второй структуры 220, может быть выполнена из различных материалов, включая стекло или кремний, с диффузно отражающим слоем на наклонной грани 222, выполненным, например, из сульфата бария BaSO4, который чередуется с зеркальными элементами 225, или который покрывает всю поверхность наклонной грани, а зеркальные элементы 225 при этом расположены поверх данного диффузно отражающего слоя. Согласно примеру варианта осуществления, указанные зеркальные элементы 225 в форме линий образуют сетку с шагом 25 мкм. При этом данные линии (в частности, из хрома) имеют ширину 12,5 мкм равную ширине промежутков между линиями или участков диффузного отражения, которые также имеют форму линий или полос шириной 12,5 мкм. В соответствии с другим вариантом осуществления, используется шаг 10 мкм или, более обще, шаг в диапазоне 5-50 мкм. Следует отметить, что зеркальные элементы 225, которые чередуются с остальной поверхностью, обеспечивающей диффузное отражение, могут иметь форму иную, нежели сплошные линии или сегменты, образующие полосы; в частности это могут быть прерывистые линии, фигуры типа пунктирных границ, кругов, треугольников или любых других геометрических форм.
Согласно варианту осуществления, который не представлен на чертежах, наклонная грань 222 второй структуры 220 несет на себе область, которая выпячивает вперед элементы 224 рельефа в форме небольших гребней или клиньев, распределенных в виде взаимно параллельных рядов, при этом элементы 224 рельефа взаимно смещены от одного ряда к другому, чтобы получилась ступенчатая фигура. Согласно другому варианту осуществления, который не представлен на чертежах, наклонная грань 222 второй структуры 220 несет на себе выступающие элементы 224 рельефа в форме сегментов, которые являются параллельными друг другу и равноудаленными и соответствуют двум сериям, пересекающимся под углом 90° друг к другу. Такой набор элементов 224 рельефа образует решетчатый рисунок. Следует отметить, что данная решетка может быть сформирована двумя сериями взаимно параллельных сегментов, которые пересекаются друг с другом под углом, отличающимся от 90°. На фиг. 3А, 3В, 3С и 3D наклонная грань 222 второй структуры 220 несет элементы 224 рельефа, которые утоплены в виде серии сегментов, которые параллельны друг другу и расположены друг от друга на равных расстояниях в направлении X: данные элементы 224 рельефа образуют в этом случае канавки. Следовательно, направление X ортогонально направлению сегментов, образующих элементы 224 рельефа.
Следовательно, в варианте осуществления, показанном на фиг. 3Е, поверхность наклонной грани 222 второй структуры 220 покрыта сеткой зеркальных линий 225, а именно, взаимно параллельных сплошных полос, поверхность которых обладает свойством зеркального отражения.
Таким образом, в некоторых из вышеупомянутых случаев, и, в частности, представленных на фиг. 3D и 3Е, поверхность наклонной грани 222 второй структуры 220 имеет полосчатую структуру.
В соответствии с вариантами осуществления, представленными для мишени 200, таблетка, ограничивающая мишень 200, содержит на своей рабочей грани 202 первую структуру 210, которая занимает большую часть поверхности рабочей грани 202, а внутри первой структуры 210 - зону, занимаемую второй структурой 220. В этой ситуации первая структура 210 окружает вторую структуру 220. Точнее, локальные зоны 217 второго участка 216 первой структуры 210 образуют квадрат, который окружает вторую структуру 220. В соответствии с одним возможным условием, и в случае вариантов осуществления мишени 200, представленных на чертежах, первая структура 210 и вторая структура 220 расположены на рабочей грани 202 концентрично друг другу. Более того, как в представленных вариантах, первая структура 210 ограничивает окно 218 для корпуса 219, вмещающего в себя вторую структуру 220, которая, к примеру, размещена на пластине, у которой имеется наклонная грань 222. Когда пластина помещена в корпус 219 первой структуры 210, ее наклонная грань 222 повернута в направлении наружу из корпуса 219, в сторону окна 218. В данном конкретном случае вторая структура 220 расположена в корпусе 219 так, что наклонная грань 222 отстоит назад от базовой грани первой структуры 210: это означает, что наклонная грань 222, а, следовательно, и вторая структура 220 расположены сзади, позади плоскости, ограниченной базовой гранью 212 (относительно главного направления Z, см. фиг. 3В) в корпусе 219, и отстоят назад, например, на 0,05-2 мм или приблизительно на 0,15 мм. Согласно другому возможному варианту, который не представлен на чертежах, вторую структуру 220 располагают впереди - спереди от плоскости, ограниченной базовой гранью 212. Согласно еще одному возможному варианту, который также не представлен на чертежах, вторую структуру 220 располагают с каждой стороны плоскости, ограниченной базовой гранью 212, а именно, часть наклонной грани 222 располагают позади, а другую часть наклонной грани 222 располагают спереди относительно базовой грани 212.
В целях защиты первой структуры 210 и второй структуры 220 от окружающей среды (пыли, масла, ударов и т.п.), как можно видеть на фиг. 3С, мишень 200 содержит защитную пластину 230 из прозрачного материала, в частности стекла, покрывающую первую структуру 210 и вторую структуру 220 со стороны рабочей грани 202. В соответствии с одним возможным вариантом осуществления, как показано на фиг. 3С, мишень 200 содержит в виде пакета следующие элементы. Нижнюю стенку 231, поверх которой установлена верхняя пластина 232, в центре которой выполнен вырез, ограничивающий корпус 219, ограниченный со стороны рабочей грани 202 окном 218. Сверху верхняя пластина 232 покрыта защитной пластиной 230, которая закрывает корпус 219. Все указанные элементы вместе окружены цилиндрической стенкой 234, которая удерживает всю мишень 200. Вторая структура 220 представляет собой, например, заключенную в корпус 219 кремниевую пластину с наклонной гранью 222 (которая несет на себе элементы 224 рельефа или зеркальные элементы 225), повернутую в направлении рабочей грани 202. Сторона верхней пластины 232, обращенная в сторону рабочей грани 202, содержит отражающий слой 233 в виде двух зон, как это было рассмотрено выше в отношении первого участка 214 (отражающая поверхность в соответствии с диффузным отражением) и второго участка 216 (отражающая поверхность в соответствии с зеркальным отражением), в частности в виде локальных элементов 217).
Кроме того, мишень 200 может быть оснащена средствами радиочастотной идентификации РЧИД (RFID, Radio Frequency identification) (не показаны), чтобы обеспечить возможность сохранения и считывания уникального идентификатора, и данных, касающихся мишени 200, и относящихся к первому объекту, на котором предположительно должна быть установлена мишень 200, в частности, держателя 310 инструмента (см. фиг. 5 и 6): например, справочной информации по держателю 310 инструмента и другой информации, связанной с использованием данного держателя инструмента (к примеру, его серийного номера, типа, его установки относительно центра материала держателя обрабатываемой детали, числа раз использования держателя инструмента и т.п.).
Далее, согласно фиг. 1, будет рассмотрена оптическая система 100, связанная с только что описанной мишенью 200, которые вместе образуют оптическое измерительное устройство 10, которое позволяет проводить измерение взаимного положения двух объектов в трех пространственных направлениях. В частности, ортогональное пространство рассматривается в декартовой системе координат X, Y и Z, которая указана на чертежах. Данная оптическая система 100 предназначена для одновременной регистрации, за одну и ту же последовательность съемок как изображения первой структуры 210 мишени 200, так и изображения второй структуры 220 мишени 200. Согласно настоящему описанию, данная одновременная съемка двух изображений осуществляется без настройки, что дает высокую скорость выполнения такой съемки. Другие свойства, связанные, в частности, с особой конструкцией мишени 200, которая была рассмотрена выше, также позволяют добиться максимальной точности. Устройство 10 трехмерного оптического измерения, соответствующее настоящему изобретению, за % секунды или быстрее способно выполнять воспроизводимое измерение взаимного положения объектов с погрешностью 1 мкм или менее.
Эта оптическая система 100 содержит первую съемочную систему 110 и вторую съемочную систему 120. Согласно одному варианту осуществления, указанная оптическая система 100 выполнена таким образом, что разность между фокусным расстоянием второй съемочной системы 120 и фокусным расстоянием первой съемочной системы 110 лежит в интервале между минимальным расстоянием и максимальным расстоянием, отделяющим базовую грань 212 от наклонной грани 222. Согласно другому варианту осуществления, глубина резкости (DOF1) первой съемочной системы 110 гораздо больше, в частности, по меньшей мере в десять раз больше глубины резкости (DOF2) второй съемочной системы 120. Например, превышение глубины резкости DOF1 первой съемочной системы 110 над глубиной резкости DOF2 второй съемочной системы 120 составляет 10-10000 раз, или 100-5000 раз. Среди разных возможных характеристик: глубина резкости DOF1 первой съемочной системы 110 больше или равна 0,8 мм, или находится в интервале 0,5-5 мм, или в интервале 0,8-3 мм, или в интервале 1-2 мм. Также среди других возможных характеристик: глубина резкости DOF2 второй съемочной системы 120 меньше или равна 0,1 мм, или находится в интервале 5-50 мкм, или в интервале 8-30 мкм, или в интервале 10-20 мкм.
Это позволяет первой съемочной системе 110 естественным образом и без иных настроек фокусироваться на всей базовой грани 212 первой структуры 210 в интервале расстояний между мишенью 200 и первой съемочной системой 110, которое может варьироваться в пределах нескольких миллиметров. Параллельно этому вторая съемочная система 120 может естественным образом и без иных настроек фокусироваться на участке наклонной грани 222 второй структуры 210, который находится на расстоянии от второй съемочной системы 120, которое соответствует фокусному расстоянию второй съемочной системы 120. Согласно одному возможному варианту, увеличение первой съемочной системы 210 меньше увеличения второй съемочной системы 220.
Каждая съемочная система, соответствующая настоящему описанию (первая съемочная система 210 и вторая съемочная система 220) соответствует оптической системе, в частности, центрированной оптической системе, содержащей набор оптических элементов, и систему получения изображений. Такая система получения изображений делает возможным получение фотографий и/или видео, и представляет собой, например, камеру или фотографический аппарат, в частности, цифровой фотоаппарат. Согласно одному возможному варианту осуществления, первая система 112 получения изображений первой съемочной системы 110 и вторая система 122 получения изображений второй съемочной системы 120 синхронизированы с целью одновременной регистрации первого изображения посредством первой съемочной системы 110, и второго изображения посредством второй съемочной системы 120.
Чтобы первая съемочная система 210 и вторая съемочная система 220 могли одновременно видеть мишень 200, у указанных систем имеется общий участок оптического тракта, который направлен вперед и берет начало от объекта, за которым ведет наблюдение оптическая система 100; в данном случае мишень 200 (см. фиг. 1 и 2) установлена на первом объекте, а оптическая система 100 установлена на втором объекте. С этой целью в положении выполнения измерений первая съемочная система 210 повернута в направлении рабочей грани 202 мишени 200, и образует съемочную систему, выровненную с мишенью 200, при этом вторая съемочная система 120 имеет оптический тракт 126, который встречается с оптическим трактом 116 первой съемочной системы 110, выровненной с мишенью 200, и образует съемочную систему, которая смещена относительно мишени 200 относительно оптической оси О оптической системы 100, и относительно общего участка оптических трактов 116 и 126 (выровненного с мишенью). Другими словами, оптический тракт съемочной системы, выровненный с мишенью 200, по существу перпендикулярен к базовой грани 212. Оптическая ось О совмещена со срединным лучом общего участка первого оптического тракта 116 и второго оптического тракта 126. На данном общем участке сегменты первого оптического тракта 116 и второго оптического тракта 126 взаимно параллельны, но не обязательно совмещены друг с другом.
В частности, как показано на фиг. 1 и 2, первая съемочная система 210 повернута в направлении рабочей грани 202 мишени 200, другими словами, ориентирована перпендикулярно к рабочей грани 202 мишени 200. Это означает, что оптическая ось О и общий участок оптических трактов 116 и 126 выровнены с мишенью 200 и расположены под прямыми углами к рабочей грани 202 (а, следовательно, к базовой грани 212) мишени 200. При такой конфигурации, как можно видеть на фиг. 1 и 2, оптическая ось О и общий участок оптических трактов 116 и 126 параллельны главному направлению Z и ортогональны к поперечным направлениям X и Y и плоскости X, Y.
На общем участке оптических трактов 116 и 126 оптические лучи по меньшей мере частично сливаются друг с другом, или просто параллельны друг другу. У второй съемочной системы 120, которая является смещенной, имеется участок оптического тракта 126 (внутри второй съемочной системы 120), который в предпочтительном случае параллелен оптической оси О. Данный внутренний участок оптического тракта 126 связан, или, точнее, встречается с оптическим трактом 116 первой съемочной системы 110, выровненным посредством специализированного оптического модуля 128, содержащего катоптрическую (отражательную) оптическую систему, такую как зеркало 129. Таким образом, вход смещенной съемочной системы (в данном случае второй съемочной системы 120) связан с траекторией оптического тракта выровненной оптической съемочной системы (в данном случае первой съемочной системы 110).
Более обобщенно можно сказать, что одна из первой съемочной системы 110 и второй съемочной системы 120 повернута в направлении рабочей грани 202 мишени 200, и образует съемочную систему, выровненную с мишенью 200, а у другой съемочной системы из первой съемочной системы 110 и второй съемочной системы 120 имеется оптический тракт 126, который встречается с оптическим трактом 116 съемочной системы 110, выровненной с мишенью 200, и образует смещенную съемочную систему. Это означает, что указанная другая съемочная система имеет оптическую ось, которая проходит через наклонную грань 222, т.е. через вторую структуру 220 мишени 200. Также, первая съемочная система 110 и вторая съемочная система 120 расположены параллельно друг другу. Кроме того оптическая система также содержит оптический модуль 128 (например, с катоптрической оптической системой, такой как зеркало), расположенный между первой съемочной системой 110 и второй съемочной системой 120, и выполненный с возможностью отклонения части световых лучей, проходящих по меньшей мере через часть одной из первой и второй съемочных систем в направлении другой из первой или второй съемочных систем. И наоборот, оптическая система 100 выполнена таким образом, что оптический путь от наблюдаемого объекта (мишени 200 на фиг. 1 и 2) за счет оптической системы 100 проходит по меньшей мере через часть одной из первой съемочной системы 110 и второй съемочной системы 120 (первой съемочной системы 110 на фиг. 1 и 2), прежде чем достичь другой из первой съемочной системы 110 и второй съемочной системы 120 (второй съемочной системы 120 на фиг. 1 и 2).
Согласно одному варианту осуществления, фокусное расстояние второй съемочной системы 120 больше фокусного расстояния первой съемочной системы 110. Например, разность фокусных расстояний второй съемочной системы 120 и первой съемочной системы 110 находится в интервале от 0.5 мм до 5 мм.
Согласно одному варианту осуществления, увеличение первой съемочной системы 110 меньше или равно увеличению второй съемочной системы 120. Например, увеличение первой съемочной системы 110 составляет 0,2-1 увеличения второй съемочной системы 120. К примеру, увеличение первой съемочной системы 110 лежит в интервале 0,3-0,8 или 0,4-0,6 увеличения второй съемочной системы 120, а предпочтительно составляет около 0,5 увеличения второй съемочной системы 120.
В варианте осуществления, изображенном на фиг. 1 и 2, оптическая система 100 также содержит источник 140 света, ориентированный в направлении трехмерной мишени 200. Источник 140 света расположен так, чтобы обеспечить боковую подсветку мишени 200. С этой целью данный источник 140 света расположен со смещением от центра, и наклонен относительно оптического тракта 116+126 оптической системы 100. В частности, световые лучи от источника 140 света образуют с базовой гранью 212 мишени угол, так что их зеркальное отражение от отражающих поверхностей мишени, и в частности, локальных зон 217, формирует отраженные световые лучи, которые не попадают в оптическую систему 100. Аналогично, когда наклонная грань 222 содержит зеркальные элементы 225, отражение световых лучей, приходящих от источника 140 света, от указанных зеркальных элементов 225 не попадает в оптическую систему 100.
Согласно одному варианту осуществления, первая используемая съемочная система 210 и вторая используемая съемочная система 220 являются телецентрическими. В качестве напоминания, телецентричность это характеристика оптической системы, согласно которой все основные лучи (центральный луч каждого пучка), которые проходят через систему, являются практически коллимированными и параллельными оптической оси. В случае телецентрической оптики понятие глубины резкости заменяется понятием рабочего расстояния. Согласно другому варианту осуществления, первая используемая съемочная система 210 и вторая используемая съемочная система 220 не являются телецентрическими или обе не являются телецентрическими. В случае, когда обе системы являются телецентрическими, они также могут быть использованы для измерения геометрических характеристик инструментов, расположенных на держателе 310 инструмента.
Далее, согласно фиг. 2А-6, будет рассмотрен способ трехмерного оптического измерения расстояний между мишенью 200 и оптической системой 100 в случае обрабатывающего станка, у которого обрабатывающий модуль 300 содержит оптическое устройство 10. Базовыми направлениями X, Y и Z являются базовые направления обрабатывающего модуля, в частности система координат обрабатывающего модуля, которая дает вертикальное направление X (или первую поперечную ось), главное горизонтальное направление Z (или главную ось) и поперечное горизонтальное направление Y (или вторую поперечную ось). Мишень 200 помещена на держатель 310 инструмента, который служит в качестве первого объекта (см. фиг. 5): держатель 310 инструмента проходит в главном горизонтальном направлении, которое соответствует оси X, с возможностью вращения вокруг оси X. С этой целью часть держателя 310 инструмента, например, зажим, содержит углубления на своей периферической поверхности, обычно предназначенные для установки приспособления, обеспечивающего захват/освобождение зажима, и в которые может быть помещена мишень 200, возможно связанная с микросхемой RFID, о чем говорилось ранее. Кроме того, оптическая система 100 установлена на держателе 320 детали, который служит в качестве второго объекта (см. фиг. 6) и принимает в себя деталь 322, подлежащую обработке. Держатель 320 детали проходит вдоль своего главного горизонтального направления, соответствующего оси Z, и имеет возможность вращения вокруг оси Z. Затем, перед этапом обработки, держатель 320 детали и держатель 310 инструмента ставят в близкое друг к другу положение, так чтобы инструмент 312 и подлежащая обработке деталь находились в близи друг к другу, в позиции измерения взаимного расположения. Расположение мишени 200 на держателе 310 инструмента и расположение оптической системы 100 на держателе 320 детали позволяет в данной позиции измерения взаимного расположения расположить мишень 200, а точнее базовую грань 202, на продолжении оптической оси О оптической системы 100 (следует отметить, что указанная оптическая ось О параллельна направлению Z). Таким образом, базовая грань 202 мишени 200 повернута в направлении входной грани 102 оптической системы 100.
Как представлено на фиг. 6, оптическое устройство 10 также содержит третью съемочную систему 130, расположенную на держателе 310 инструмента, и выполненную с возможностью определения ориентации рабочей грани 202 мишени 200 или угловой ориентации вращающейся части держателя 310 инструмента, в частности, относительно оси X. Предварительный дополнительный этап позиционирования мишени 200 выполняют перед этапом одновременной съемки при помощи оптической системы 100, согласно которому:
- держатель 310 инструмента и держатель 320 детали располагают так, чтобы рабочая грань 202 пространственной мишени 200 оказалась на оптической оси О оптической системы 100. В частности, третья съемочная система 130 может быть использована для определения угловой ориентации мишени 200 относительно вращающейся части держателя 310 инструмента, а следовательно относительно оси X, что делает возможным производить изменение (если необходимо) угловой ориентации вращающейся части держателя 310 инструмента (см. стрелку R на фиг. 6), и таким образом расположения мишени 200 так, чтобы рабочая грань 202 была повернута в направлении оптической системы 100. Позиция измерения взаимного расположения получается, когда мишень 200 ориентирована в направлении оптической системы 100, как было рассмотрено выше в отношении фиг 1 и 2А: в этом случае направление Z проходит между мишенью 200 и оптической системой 100.
При первом использовании оптического устройства 10 (а именно, оптической системы 100 и связанной с ней мишени 200), соответственно установленной на держателе 320 детали (или в более общем смысле - на втором объекте), и на держателе 310 инструмента (или в более общем смысле - на первом объекте), должен быть выполнен предварительный дополнительный этап пространственной привязки положения мишени 200 относительно держателя 310 инструмента (в более общем смысле - первого объекта), которая увязывает мишень 200 с тремя направлениями X, Y и Z. Следует отметить, что, очевидно, параметры оптической системы 100, а именно, первой съемочной системы 110 и второй съемочной системы 120 известны, включая их фокусные расстояния. На этой стадии можно отметить, что, когда рабочее пространство обрабатывающего модуля 300 ограниченно и поддерживается при постоянной температуре, его тепловая стабильность обуславливает стабильность размеров оптического устройства 10 и, следовательно, его параметров.
Стоит напомнить, что трехмерное измерение взаимного расположения мишени 200 и оптической системы 100 используется в случае обрабатывающего станка, чтобы конечном итоге знать в форме координат X, Y и Z пространственное взаимное расположение держателя 310 инструмента (или в более общем смысле - первого объекта) и держателя 320 детали (или в более общем смысле - второго объекта).
В данном описании три направления X, Y и Z представляют собой, например, оси обрабатывающего модуля 300 станка. Таким образом, направление Z может быть определено в качестве главной оси, а именно главного горизонтального направления, отделяющего первый объект (держатель 310 инструмента) от второго объекта (держателя 320 детали). Направление X может быть определено в качестве вертикального направления (или в более общем смысле - первой поперечной оси), а направление Y может быть определено в качестве поперечного горизонтального направления (или в более общем смысле - второй поперечной оси. Согласно одному варианту осуществления, держатель 310 инструмента вращается вокруг оси параллельной направлению X.
На данном этапе пространственной привязки положения мишени 200 в трех направлениях X, Y и Z (калибровки оптического устройства 10), например, при схеме, соответствующей фиг. 2А и 2В, приводится в действие съемка посредством оптической системы 100, которая приводит, с одной стороны, к формированию первой системой 112 получения изображений, принадлежащей первой съемочной системе 110, первого изображения всей рабочей грани 202 мишени 200 со всей базовой гранью 212, которая изображается резко, а с другой стороны - к формированию второй системой 122 получения изображений, принадлежащей второй съемочной системе 120, второго изображения всей наклонной грани 222 мишени 200 с единственной резко изображаемой зоной в форме горизонтальной полосы. Указанное первое изображение содержит изображение локальных зон 217, которые в данном случае ограничивают собой квадрат (см. фиг. 3А), так что обработка первого изображения дает диагонали С1 и С2 квадрата, и делает возможным определение центра С3 квадрата. Таким образом, поскольку положение оптической оси О на первом изображении известно, определение положения центра С3 квадрата дает возможность узнать в координатах X и координатах Y положение мишени 200 относительно оптической оси О, но также, с одной стороны, относительно точки 314 привязки в направлении X на держателе 310 инструмента, и, с другой стороны, относительно точки 316 привязки в направлении Y на держателе 310 инструмента. Фактически, как можно видеть на фиг. 2А и 2В, в качестве привязки в направлении X используется поверхность держателя 310 инструмента, которая ортогональна оси X, например, образована заплечиком на корпусе держателя 310 инструмента, который на первом изображении смотрится в виде линии, и поверхность которого образует точку 314 привязки в направлении X. Кроме того, как можно видеть на фиг. 2А и 2В, в качестве привязки в направлении Y используется габаритный размер держателя 310 инструмента вблизи мишени 200, который ортогонален оси X, и который в изображенном случае представляет собой ширину (параллельно направлению Y) держателя 310 инструмента вблизи мишени 200, например, диаметр, когда данная часть держателя 310 инструмента является цилиндрической с круговым сечением; данный размер (габарит) образует точку 316 привязки в направлении Y.
Параллельно производится обработка второго изображения, пример которого виден на фиг. 4А. Путем анализа локального контраста данного второго изображения (см. фиг. 4В, на которой представлены кривые контраста в зависимости от положения в координатах X) определяется положение Х0 резко изображаемой зоны второго изображения в вертикальном направлении X. Данный анализ выполняется посредством алгоритма, который дает возможность определить самые резко изображаемые пиксели изображения. Поскольку наклон наклонной грани 222 известен, то получают кривую соответствия между X и Z данной наклонной грани 222 конкретной для мишени 200. Благодаря данной кривой соответствия, знание положения Х0 (см. фиг. 4А и 4В) дает возможность отсюда получить положение Z0 наклонной грани 222 на оптической оси О, а, следовательно, положение по координате Z мишени 200 относительно оптической системы 100. Кроме того, положение по координате Z оптической системы 100 относительно держателя 320 детали известно из данных измерительной линейки (не показана), которая расположена вдоль оси X на держателе 320 детали, и которая поддерживает оптическую систему 100. Аналогично, положение по координате Z мишени 200 относительно точки 314 привязки держателя 310 инструмента известно.
Путем многократного выполнения данной операции, с каждым разом изменяя расстояние по координате Z держателя 320 детали относительно держателя 310 инструмента (например, путем втягивания или подачи держателя 310 инструмента) можно таким образом реконструировать трехмерное изображение наклонной грани 222 мишени 200, и получить отсчетную базу, которая в декартовых координатах отображает наклонную грань 222 мишени 200 относительно держателя 310 инструмента. В конечном счете это все касается рабочей грани 202 мишени 200 (базовой грани 212 и наклонной грани 222), которая в пространстве привязана в трех направлениях X, Y и Z относительно держателя 310 инструмента.
Затем, всякий раз, когда это необходимо при операциях использования обрабатывающего модуля 300, оснащенного мишенью 200 и оптической системой 100, может быть выполнено фактическое измерение без разборки системы между моментами измерения, чтобы сохранить точность измерения пространственной привязки, которая была объяснена выше. С этой целью, к примеру, используют схему фиг. 2А. Если необходимо, то выполняют поворот держателя 310 инструмента вокруг его оси вращения, которая параллельна оси X (см. стрелку R на фиг. 6), чтобы выровнять мишень 200 с оптической системой 100. Затем запускают съемку посредством оптической системы 100, что приводит, с одной стороны, к формированию посредством первой системы 112 получения изображений первой съемочной системы 110 первого изображения всей рабочей грани 202 мишени 200 со всей базовой гранью 212, которая находится в поле резкости, а, с другой стороны, к формированию посредством второй системы 122 получения изображений второй съемочной системы 120 второго изображения всей наклонной грани 222 мишени 200 только с одной резко изображаемой зоной в форме горизонтальной полосы, соответствующей фокусному расстоянию второй съемочной системы 120. Анализ первого изображения дает возможность, как говорилось выше, определить центр С3 квадрата, образованного локальными элементами 217, и таким образом в координатах X и в координатах Y определить положение мишени 200 относительно оптической оси О, а также относительно держателя 310 инструмента. Анализ второго изображения, и, в частности, положения резко изображаемой зоны второго изображения (как на фиг. 2А) в направлении X дает возможность определить это положение в координатах Z, а следовательно расстояние мишени 200 относительно оптической системы 100. Фактически, что касается второго изображения, поскольку положение Z каждого пикселя изображения наклонной грани 222 относительно точек 314 и 316 привязки держателя 310 инструмента известно, есть возможность очень быстро измерять положение Z мишени 200 и, следовательно, держателя 310 инструмента.
Из вышеизложенного следует понимать, что указанным способом, исключительно путем анализа двух изображений, сформированных оптической системой 100, без потери времени на настройку или регулировку оптической системы 100 может быть очень быстро измерено положение мишени 200 относительно оптической системы 100 в координатах X, Y и Z, начиная от положения держателя 310 инструмента относительно держателя 320 детали. Это возможно благодаря тому, что известно положение оптической системы 100 относительно держателя 320 детали в координатах X, Y и Z.
Настоящее описание относится также к оптической системе для трехмерного измерения взаимного расположения первого объекта и второго объекта, на котором предположительно должна быть установлена указанная оптическая система, содержащая первую съемочную систему и вторую съемочную систему, у которых:
- глубина резкости первой съемочной системы по меньшей мере в 10 раз больше, чем глубина резкости второй съемочной системы, и
- оптическая система выполнена таким образом, что оптический тракт первой съемочной системы и оптический тракт второй съемочной системы имеют общий участок, содержащий заднюю фокальную плоскость первой съемочной системы и заднюю фокальную плоскость второй съемочной системы.
Настоящее описание относится также к способу трехмерного оптического измерения соответственно в трех ортогональных направлениях X, Y и Z взаимного расположения первого объекта и второго объекта, которые выровнены в одну линию и удалены друг от друга в главном направлении Z, при котором:
- обеспечивают трехмерную мишень, образующую базу для позиционирования и содержащую на рабочей грани:
* первую структуру, образующую плоскую базовую грань, разделенную по меньшей мере на:
- первый участок, поверхность которого является отражающей в соответствии с первыми параметрами отражения, и
- второй участок, поверхность которого является отражающей в соответствии со вторыми параметрами отражения, которые отличаются от первых параметров отражения, и
* вторую структуру, содержащую грань, наклоненную относительно указанной плоской базовой грани;
- обеспечивают оптическую систему, содержащую первую съемочную систему и вторую съемочную систему, в которой:
- глубина резкости первой съемочной системы по меньшей мере в 10 раз больше, чем глубина резкости второй съемочной системы, и
- оптическую систему выполняют, с одной стороны, таким образом, чтобы оптический тракт первой съемочной системы и оптический тракт второй съемочной системы имели общий участок, содержащий заднюю фокальную плоскость первой съемочной системы и заднюю фокальную плоскость второй съемочной системы, а, с другой стороны, таким образом, чтобы разность фокусных расстояний второй съемочной системы и первой съемочной системы лежала в интервале между минимальным расстоянием и максимальным расстоянием, отделяющим базовую грань от наклонной грани,
- указанную трехмерную мишень размещают на первом объекте так, чтобы, с одной стороны, фокусное расстояние первой съемочной системы позволяло разместить фокус изображения первой съемочной системы на первой структуре мишени, а, с другой стороны, фокусное расстояние второй съемочной системы позволяло разместить фокус изображения второй съемочной системы на второй структуре мишени,
- указанную оптическую систему размещают на втором объекте,
- производят по меньшей мере одну одновременную съемку посредством первой съемочной системы, принадлежащей оптической системе, и посредством второй съемочной системы, принадлежащей оптической системе, и тем самым при каждой съемке, выполняемой посредством оптической системы, с одной стороны, первая съемочная система формирует первое изображение мишени, которое дает возможность определить на базовой грани положение второго участка относительно первого участка, что дает, во-первых, первую часть информации о положении мишени относительно первой съемочной системы в направлении X, а, во-вторых, вторую часть информации о положении мишени относительно первой съемочной системы в направлении Y, а, с другой стороны, вторая съемочная система формирует второе изображение мишени, содержащее резко изображаемый участок, соответствующий местоположению наклонной грани второй структуры, что дает третью часть информации о расстоянии между мишенью и второй съемочной системой в направлении Z.
Как уже объяснялось ранее, тем самым оптическая система синхронно формирует первое изображение и второе изображение. Кроме того, оптическая система 100 формирует первое изображение и второе изображение без выполнения регулировки, что дает возможность выполнять съемку незамедлительно и без потери времени.
Настоящее описание также относится к обрабатывающему станку, содержащему вышеописанную оптическую мишень, при этом обрабатывающий станок содержит описанную выше оптическую систему. Настоящее описание также относится к обрабатывающему станку, содержащему обрабатывающий модуль, оснащенный держателем инструмента и держателем детали, а также оптическое измерительное устройство для трехмерного измерения положения держателя инструмента относительно держателя детали; при этом оптическое измерительное устройство содержит указанную оптическую систему, установленную на держателе детали, и мишень, которая установлена на держателе инструмента и содержит рабочую грань, образующую базу для позиционирования, которая может быть расположена на оптической оси оптической системы. К примеру, указанное оптическое измерительное устройство выполнено с возможностью за один этап съемки мишени посредством оптической системы определять в трехмерном пространстве взаимное расположение держателя обрабатываемой детали и держателя инструмента. Также, согласно возможному варианту осуществления, мишень располагают так, чтобы задняя фокальная плоскость оптической системы совпадала с рабочей гранью мишени.
Настоящее описание также относится к системе для трехмерного оптического измерения расположения первого объекта относительно второго объекта, содержащей:
- агрегат, содержащий первый объект и второй объект,
- оптическое измерительное устройство, рассмотренное в настоящем описании, в котором:
- первая съемочная система выполнена таким образом, что ее задняя фокальная плоскость может совпадать с базовой гранью первой структуры, а
- вторая съемочная система выполнена таким образом, что ее задняя фокальная плоскость может пересекать наклонную грань трехмерной мишени. В соответствии со вторым возможным вариантом, совместимым с рассмотренным выше первым возможным вариантом или взятым отдельно, оптическое измерительное устройство таково, что:
- фокусное расстояние первой съемочной системы позволяет разместить фокус изображения на первой структуре мишени,
- фокусное расстояние второй съемочной системы позволяет разместить фокус изображения на второй структуре мишени.
Указанным агрегатом является, к примеру, часть оборудования, станок, модуль, в частности научный или технический модуль, содержащий первый объект и второй объект, которые можно перемещать один относительно другого, и для которых необходимо осуществлять привязку их взаимного расположения в трехмерном пространстве. К примеру, агрегатом является обрабатывающий станок или обрабатывающий модуль с держателем инструмента или одним из держателей инструмента в качестве первого объекта, и с держателем детали, который несет на себе подлежащую обработке деталь (пруток, болванку и т.п.) в качестве второго объекта. В соответствии с другим примером, агрегатом является блок для монтажа электронных компонентов на печатной плате, при этом первым объектом является держатель печатной платы, а вторым объектом - зажим или иной инструмент для установки электронного компонента. В соответствии с еще одним примером, агрегатом является модуль для культивирования клеток для засеивания ряда лунок на микропланшетах, при этом первым объектом является держатель микропланшета, а вторым объектом - держатель устройства для инжекции клеток, подлежащих культивированию.
Настоящее изобретение относится также к способу трехмерного оптического измерения соответственно в трех ортогональных направлениях X, Y и Z положения первого объекта относительно второго объекта, которые выровнены в одну линию и удалены друг от друга в главном направлении Z, содержащему этапы, на которых:
- обеспечивают трехмерную мишень, образующую базу для позиционирования и содержащую на рабочей грани:
* первую структуру, образующую плоскую базовую грань, разделенную по меньшей мере на:
- первый участок, поверхность которого является отражающей в соответствии с первыми параметрами отражения, и
- второй участок, поверхность которого является отражающей в соответствии со вторыми параметрами отражения, которые отличны от первых параметров отражения, и
* вторую структуру, содержащую грань, наклоненную относительно указанной плоской базовой грани,
- обеспечивают оптическую систему, содержащую первую съемочную систему и вторую съемочную систему, причем
- указанную трехмерную мишень размещают на первом объекте таким образом, чтобы с одной стороны, фокусное расстояние первой съемочной системы позволяло разместить фокус изображения первой съемочной системы на первой структуре мишени, а, с другой стороны, фокусное расстояние второй съемочной системы позволяло разместить фокус изображения второй съемочной системы на второй структуре мишени,
- указанную оптическую систему размещают на втором объекте,
- производят по меньшей мере одну одновременную съемку посредством первой съемочной системы, принадлежащей оптической системе, и посредством второй съемочной системы, принадлежащей оптической системе, и тем самым при каждой съемке, выполняемой посредством оптической системы, с одной стороны, первая съемочная система формирует первое изображение мишени, которое дает возможность определить положение второго участка относительно первого участка (в частности положение локальных зон на базовой грани), что дает, во-первых, первую часть информации о положении мишени относительно первой съемочной системы в направлении X, а, во-вторых, вторую часть информации о положении мишени относительно первой съемочной системы в направлении Y, а, с другой стороны, вторая съемочная система формирует второе изображение мишени, содержащее резко изображаемый участок, соответствующий местоположению наклонной грани второй структуры, что дает третью часть информации о расстоянии между мишенью и второй съемочной системой в направлении Z.
Для этого, в соответствии с одним возможным вариантом осуществления, глубина резкости (DOF1) первой съемочной системы по меньшей мере в десять раз больше, чем глубина резкости (DOF2) второй съемочной системы. Кроме того, в соответствии с другим возможным вариантом осуществления, взятым отдельно или в сочетании с предшествующим возможным вариантом, указанную оптическую систему выполняют таким образом, чтобы оптический тракт первой съемочной системы и оптический тракт второй съемочной системы имели общий участок, включающий в себя заднюю фокальную плоскость первой съемочной системы и заднюю фокальную плоскость второй съемочной системы. Кроме того, в соответствии с еще одним возможным вариантом осуществления, взятым отдельно или в сочетании с одним или обоими предшествующими возможными вариантами, указанную оптическую систему выполняют таким образом, чтобы разность между фокусным расстоянием второй съемочной системы и фокусным расстоянием первой съемочной системы находилась в интервале между минимальным расстоянием и максимальным расстоянием, отделяющим базовую грань от наклонной грани.
Посредством данного способа можно получать пространственную геометрическую информацию, связанную с (первой) базовой гранью и с наклонной гранью (или второй базовой гранью) трехмерной мишени, что дает возможность на основе указанной информации сделать вывод о положении в трех пространственных направлениях X, Y и Z первого объекта относительно второго объекта. До этого будет выполнена трехмерная привязка положения мишени по отношению к первому объекту, и трехмерная привязка положения оптической системы по отношению ко второму объекту.
Важно отметить, что, согласно одному варианту осуществления, съемка или формирование изображения каждой съемочной системой оптической системы выполняется без регулировки соответствующей съемочной системы. Действительно, именно положение (в трех направлениях X, Y, Z) съемочной системы относительно объекта, на который съемочная система смотрит (а, следовательно, как положение первой съемочной системы относительно базовой грани, так и положение второй съемочной системы относительно наклонной грани мишени) и оптические свойства, а, в частности, сильно различающаяся глубина резкости съемочных систем, принадлежащих оптической системе, делает возможным одновременное формирование двух изображений: соответственно, базовой грани и наклонной грани. Анализ этих двух изображений (даже двух серий изображений) дает возможность получить информацию о положении мишени относительно оптической системы по координате X (данное направление X соответствует, например, высоте), по координате Y (данное направление Y соответствует, например, горизонтальному боковому смещению) и по координате Z (данное направление Z соответствует, например, главному горизонтальному расстоянию), а следовательно информацию о взаимном расположении в трехмерном пространстве первого объекта, который несет на себе трехмерную мишень, и второго объекта, который несет на себе оптическую систему.
Согласно одному варианту осуществления способа, после размещения трехмерной мишени на первом объекте и размещения оптической системы на втором объекте выполняют дополнительный этап определения пространственного положения мишени в координатах X, Y и Z относительно первого объекта посредством оптической системы.
Согласно одному возможному варианту осуществления способа, второй участок плоской базовой грани разделяют на ряд локальных зон, размещенных на первом участке, при этом первое изображение, сформированное первой съемочной системой, дает возможность определять положение локальных зон второго участка на базовой грани, что дает информацию об относительном расположении указанных локальных зон и первой съемочной системы, обеспечивая возможность выполнения относительного измерения в направлении Y и направлении X.
Перечень ссылочных обозначений
X - Вертикальное направление (первая поперечная ось)
Y - Боковое горизонтальное направление (вторая поперечная ось)
Z - Главное горизонтальное направление, отделяющее первый объект от второго объекта (главная ось)
С1 - Диагональ
С2 - Диагональ
С3 - Центр
α - Угол ориентации наклонной грани
R - Стрелка, показывающая вращение держателя инструмента и мишени
10 - Оптическая система
200 - Трехмерная мишень
202 - Рабочая грань
210 - Первая структура
212 - Базовая грань
214 - Первый участок (с поверхностью диффузного отражения)
216 - Второй участок (с поверхностью зеркального отражения)
217 - Локальные зоны
218 - Окно
219 - Корпус
220 - Вторая структура
222 - Наклонная грань
224 - Элементы рельефа
225 - Зеркальные элементы
230 - Прозрачная защитная пластина
231 - Нижняя стенка
232 - Верхняя пластина
233 - Отражающий слой
234 - Цилиндрическая стенка 100 Оптическая система
О - Оптическая ось
102 - Входная грань оптической системы
110 - Первая съемочная система
DOF1 - Глубина резкости первой съемочной системы
F1 - Задняя фокальная плоскость первой съемочной системы
112 - Первая система получения изображения
120 - Вторая съемочная система
F2 - Задняя фокальная плоскость второй съемочной системы
DOF2 - Глубина резкости второй съемочной системы
122 - Вторая система получения изображения
126 - Оптический тракт второй съемочной системы
128 - Оптический модуль с катоптрической оптической системой
129 - Зеркало
130 - Третья съемочная система
140 - Источник света (боковой подсветки)
300 - Обрабатывающий модуль
310 - Держатель инструмента (первый объект)
312 - Инструмент
314 - Точка привязки держателя инструмента по координате X
316 - Точка привязки держателя инструмента по координате Y
320 - Держатель детали или шпиндель для материала (второй объект)
322 - Обрабатываемая деталь (материал).
Изобретение относится к области обрабатывающих станков. Обрабатывающий станок содержит обрабатывающий модуль, оснащенный держателем инструмента и держателем детали, а также оптическое измерительное устройство для трехмерного измерения положения держателя инструмента относительно держателя детали, где оптическое измерительное устройство содержит оптическую систему с системой получения изображений, установленную на держателе детали, и трехмерную мишень, установленную на держателе инструмента и содержащую рабочую грань, образующую базу для позиционирования, которая может быть расположена на оптической оси (О) оптической системы. Рабочая грань содержит первую структуру, образующую плоскую базовую грань, которая разделена по меньшей мере на первый участок, поверхность которого является отражающей в соответствии с первыми параметрами отражения, и второй участок, поверхность которого является отражающей в соответствии со вторыми параметрами отражения, которые отличаются от первых параметров отражения, и вторую структуру, содержащую грань, наклоненную относительно указанной плоской базовой грани. Указанная оптическая система содержит первую съемочную систему и вторую съемочную систему, причем разность между фокусным расстоянием второй съемочной системы и фокусным расстоянием первой съемочной системы лежит в интервале между минимальным расстоянием и максимальным расстоянием, отделяющим базовую грань от наклонной грани, и при этом оптическое измерительное устройство выполнено с возможностью определения, за один этап съемки мишени посредством оптической системы, положения в трехмерном пространстве держателя обрабатываемой детали относительно держателя инструмента. Изобретение обеспечивает возможность трехмерного определения взаимного расположения объектов за один этап съемки. 2 н. и 25 з.п. ф-лы, 12 ил.
1. Обрабатывающий станок, содержащий обрабатывающий модуль, оснащенный держателем инструмента и держателем детали, а также оптическое измерительное устройство для трехмерного измерения положения держателя инструмента относительно держателя детали, причем указанное оптическое измерительное устройство содержит оптическую систему с системой получения изображений, установленную на держателе детали, и трехмерную мишень, установленную на держателе инструмента и содержащую рабочую грань, образующую базу для позиционирования, которая может быть расположена на оптической оси (О) оптической системы, причем рабочая грань содержит первую структуру, образующую плоскую базовую грань, которая разделена по меньшей мере на первый участок, поверхность которого является отражающей в соответствии с первыми параметрами отражения, и второй участок, поверхность которого является отражающей в соответствии со вторыми параметрами отражения, которые отличаются от первых параметров отражения, и вторую структуру, содержащую грань, наклоненную относительно указанной плоской базовой грани, при этом указанная оптическая система содержит первую съемочную систему и вторую съемочную систему, причем разность между фокусным расстоянием второй съемочной системы и фокусным расстоянием первой съемочной системы лежит в интервале между минимальным расстоянием и максимальным расстоянием, отделяющим базовую грань от наклонной грани, и при этом оптическое измерительное устройство выполнено с возможностью определения, за один этап съемки мишени посредством оптической системы, положения в трехмерном пространстве держателя обрабатываемой детали относительно держателя инструмента.
2. Обрабатывающий станок по п. 1, в котором поверхность указанного первого участка является отражающей в соответствии с диффузным отражением, а поверхность указанного второго участка является отражающей в соответствии с зеркальным отражением.
3. Обрабатывающий станок по п. 1, в котором второй участок разделен в соответствии с наборами локальных зон, расположенных на первом участке.
4. Обрабатывающий станок по п. 1, в котором поверхность наклонной грани содержит элементы рельефа или зеркальные элементы, которые распределены равномерно.
5. Обрабатывающий станок по п. 3, в котором указанные локальные зоны вместе образуют геометрическую фигуру, которая является одной из следующих фигур: четырехугольник, параллелограмм, прямоугольник, квадрат, ромб, правильный многоугольник и окружность.
6. Обрабатывающий станок по п. 3, в котором локальные зоны указанного второго участка образованы островками или сегментами, распределенными на первом участке.
7. Обрабатывающий станок по п. 1, в котором первая структура и вторая структура расположены на рабочей грани концентрично друг другу.
8. Обрабатывающий станок по п. 1, в котором первая структура окружает вторую структуру.
9. Обрабатывающий станок по п. 3, в котором локальные зоны второго участка первой структуры образуют квадрат, который окружает вторую структуру.
10. Обрабатывающий станок по п. 1, в котором первая структура ограничивает окно для корпуса, вмещающего указанную вторую структуру.
11. Обрабатывающий станок по п. 10, в котором вторая структура расположена в указанном корпусе с наклонной гранью, отстоящей назад от базовой грани первой структуры.
12. Обрабатывающий станок по п. 1, в котором поверхность наклонной грани второй структуры является полосчатой, в частности, поверхность наклонной грани второй структуры покрыта одним из следующих элементов: сеткой травления, структурированной решеткой или сеткой зеркальных линий.
13. Обрабатывающий станок по п. 1, в котором мишень также содержит пластину из прозрачного материала, в частности стекла, покрывающую первую структуру и вторую структуру со стороны рабочей грани.
14. Обрабатывающий станок по п. 1, в котором оптическое измерительное устройство также содержит источник света, ориентированный в направлении трехмерной мишени, причем указанный источник света расположен так, чтобы обеспечить боковую подсветку трехмерной мишени.
15. Обрабатывающий станок по п. 1, в котором оптическая система содержит первую съемочную систему и вторую съемочную систему, при этом:
- глубина резкости первой съемочной системы по меньшей мере в десять раз больше, чем глубина резкости второй съемочной системы, и
- оптическая система выполнена таким образом, что оптический тракт первой съемочной системы и оптический тракт второй съемочной системы имеют общий участок, расположенный на оптической оси (О) оптической системы и содержащий заднюю фокальную плоскость первой съемочной системы и заднюю фокальную плоскость второй съемочной системы.
16. Обрабатывающий станок по п. 15, в котором оптическая система выполнена таким образом, что оптический тракт от объекта проходит по меньшей мере через часть одной из первой и второй съемочных систем прежде чем достичь другой из указанных первой и второй съемочных систем.
17. Обрабатывающий станок по п. 15, в котором первая и вторая съемочные системы расположены параллельно друг другу, причем оптическая система также содержит оптический модуль, расположенный между первой и второй съемочными системами, и выполненный с возможностью отклонения части световых лучей, проходящих по меньшей мере через часть одной из первой и второй съемочных систем к другой из указанных первой и второй съемочных систем.
18. Обрабатывающий станок по п. 15, в котором фокусное расстояние второй съемочной системы больше, чем фокусное расстояние первой съемочной системы.
19. Обрабатывающий станок по п. 15, в котором увеличение первой съемочной системы меньше, чем увеличение второй съемочной системы.
20. Обрабатывающий станок по п. 15, в котором глубина резкости (DOF1) первой съемочной системы больше или равна 0,8 мм.
21. Обрабатывающий станок по п. 15, в котором глубина резкости (DOF2) второй съемочной системы меньше или равна 0,1 мм.
22. Обрабатывающий станок по п. 15, в котором первая съемочная система является телецентрической, и вторая съемочная система является телецентрической.
23. Обрабатывающий станок по п. 1, в котором оптическая система содержит первую съемочную систему и вторую съемочную систему, при этом:
- глубина резкости первой съемочной системы по меньшей мере в десять раз больше, чем глубина резкости второй съемочной системы, и
- оптическая система выполнена таким образом, что оптический тракт первой съемочной системы и оптический тракт второй съемочной системы имеют общий участок, расположенный на оптической оси (O) оптической системы и содержащий заднюю фокальную плоскость первой съемочной системы и заднюю фокальную плоскость второй съемочной системы, и при этом:
- первая съемочная система выполнена таким образом, чтобы ее задняя фокальная плоскость могла соответствовать базовой грани первой структуры, и
- вторая съемочная система выполнена таким образом, чтобы ее задняя фокальная плоскость могла пересекать наклонную грань трехмерной мишени.
24. Обрабатывающий станок по п. 15, в котором оптическое устройство также содержит третью съемочную систему, расположенную на держателе инструмента, и выполненную с возможностью определения ориентации рабочей грани мишени и/или угловой ориентации держателя инструмента.
25. Способ трехмерного оптического измерения, соответственно в трех ортогональных направлениях X, Y и Z в трехмерном пространстве обрабатывающего станка, положения держателя инструмента относительно держателя детали, которые выровнены и удалены друг от друга в главном направлении Z, содержащий этапы, на которых:
- обеспечивают оптическую систему с системой получения изображений, при этом указанная оптическая система содержит первую съемочную систему и вторую съемочную систему,
- указанную оптическую систему устанавливают на держатель детали,
- обеспечивают трехмерную мишень, содержащую рабочую грань, образующую базу для позиционирования, причем указанная рабочая грань содержит
* первую структуру, образующую плоскую базовую грань, разделенную по меньшей мере на:
- первый участок, поверхность которого является отражающей в соответствии с первыми параметрами отражения, и
- второй участок, поверхность которого является отражающей в соответствии со вторыми параметрами отражения, которые отличаются от первых параметров отражения, и
* вторую структуру, содержащую грань, наклоненную относительно указанной плоской базовой грани, причем разность между фокусным расстоянием второй съемочной системы и фокусным расстоянием первой съемочной системы лежит в интервале между минимальным расстоянием и максимальным расстоянием, отделяющим базовую грань от наклонной грани,
- указанную мишень устанавливают на держатель инструмента,
- держатель инструмента и держатель детали располагают так, чтобы мишень можно было расположить на оптической оси (О) оптической системы, и так, что, с одной стороны, фокусное расстояние первой съемочной системы позволяет разместить задний фокус первой съемочной системы на первой структуре мишени, а, с другой стороны, фокусное расстояние второй съемочной системы позволяет разместить задний фокус второй съемочной системы на второй структуре мишени,
- выполняют один этап съемки мишени с помощью оптической системы, расположенной так, чтобы она могла взаимодействовать с мишенью, посредством чего определяют в трехмерном пространстве положение держателя детали, подлежащей обработке, относительно держателя инструмента, причем на указанном этапе съемки посредством оптической системы выполняют по меньшей мере одну одновременную съемку посредством первой съемочной системы оптической системы и посредством второй съемочной системы оптической системы, тем самым для каждой съемки посредством оптической системы, с одной стороны, первая съемочная система формирует первое изображение мишени, обеспечивая возможность определения на базовой грани положения второго участка относительно первого участка, что дает, во-первых, первую часть информации о взаимном расположении мишени и первой съемочной системы в направлении Х, и, во-вторых, вторую часть информации о взаимном расположении мишени и первой съемочной системы в направлении Y, а также, с другой стороны, вторая съемочная система формирует второе изображение мишени, содержащее резкий участок, соответствующий расположению наклонной грани второй структуры, что дает третью часть информации о расстоянии между мишенью и второй съемочной системой в направлении Z.
26. Способ по п. 25, в котором:
- указанная поверхность первого участка является отражающей в соответствии с диффузным отражением, и
- указанная поверхность второго участка является отражающей в соответствии с зеркальным отражением,
- причем в указанной оптической системе глубина резкости первой съемочной системы по меньшей мере в десять раз больше, чем глубина резкости второй съемочной системы, при этом
- указанная оптическая система выполнена таким образом, что оптический тракт первой съемочной системы и оптический тракт второй съемочной системы имеют общий участок, содержащий заднюю фокальную плоскость первой съемочной системы и заднюю фокальную плоскость второй съемочной системы.
27. Способ по п. 25, в котором второй участок плоской базовой грани разделяют на ряд локальных зон, расположенных на первом участке, при этом, когда первая съемочная система формирует первое изображение мишени, определяют положение локальных зон второго участка на базовой грани, что дает часть информации о взаимном расположении указанных локальных зон и первой съемочной системы, что дает возможность получить результат измерения взаимного расположения в направлении Y и в направлении Х.
| JPH 07246547 A, 26.09.1995 | |||
| US 5825666 A, 20.10.1998 | |||
| CN 104384936 A, 04.03.2015. |
