專利名稱：自載入空間參考點(diǎn)陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間測(cè)量裝置和與某種類型的空間測(cè)量相聯(lián)系的作為參考的坐標(biāo)網(wǎng)格式樣，尤其涉及與旋轉(zhuǎn)、坐標(biāo)測(cè)量臂相聯(lián)系的參考點(diǎn)陣列，這種類型的旋轉(zhuǎn)、坐標(biāo)測(cè)量臂披露于我的美國(guó)專利號(hào)5,829,148中，該專利在1998年11月3日發(fā)表，在本說(shuō)明書中將該專利引入作為參考。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)、空間坐標(biāo)測(cè)量臂在任何方向上具有1,500mm的可達(dá)到范圍。當(dāng)對(duì)汽車等大工件進(jìn)行測(cè)量時(shí)，必須將臂移動(dòng)到多個(gè)位置。這些位置必須相對(duì)具有單一原點(diǎn)的大體積坐標(biāo)系(也稱為整體坐標(biāo)系)精確確定。利用具有有限范圍的鉸接臂實(shí)現(xiàn)整體測(cè)量的一種最普遍也是最實(shí)用的方法是相對(duì)于附近參考網(wǎng)格或陣列中的三個(gè)已知點(diǎn)確定臂的位置。在網(wǎng)格或陣列中的每個(gè)參考點(diǎn)都帶有獨(dú)特的識(shí)別標(biāo)記。每次操作者移動(dòng)臂到新的位置時(shí)，臂探測(cè)器的尖端依次定位在網(wǎng)格或陣列上三個(gè)可識(shí)別的點(diǎn)上，每次操作者都人工將每個(gè)參考點(diǎn)的特定標(biāo)識(shí)輸入相關(guān)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)利用這三個(gè)測(cè)量計(jì)算臂中的精確位置。然后在相對(duì)于整體坐標(biāo)系確定以后的測(cè)量結(jié)果時(shí)計(jì)入這些坐標(biāo)位置。操作者人工對(duì)三個(gè)參考點(diǎn)標(biāo)識(shí)的輸入不僅耗時(shí)而且容易出錯(cuò)。實(shí)際上在工作環(huán)境中，由于光線不好以及塵?；蛩樾嫉恼趽?，標(biāo)記參考點(diǎn)標(biāo)識(shí)可能比較困難。在操作中，鍵盤輸入時(shí)一個(gè)數(shù)字的錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致不正確的測(cè)量。
本發(fā)明試圖消除在對(duì)大工件使用旋轉(zhuǎn)空間坐標(biāo)測(cè)量臂或其它類似空間測(cè)量裝置時(shí)上面提到的不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的首要和次要目的是當(dāng)對(duì)大工件進(jìn)行測(cè)量需要對(duì)測(cè)量設(shè)備重新定位時(shí)，優(yōu)化旋轉(zhuǎn)空間坐標(biāo)測(cè)量臂或其它類似空間測(cè)量裝置的使用，這種裝置具有有限的范圍，為實(shí)現(xiàn)上述目的，提供參考網(wǎng)格或陣列式樣，從而測(cè)量裝置的移動(dòng)或重新定位可以通過(guò)簡(jiǎn)單操作自動(dòng)載入到相關(guān)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，這種操作不需要可能引起人為錯(cuò)誤的任何人工操作；并且提供一種新型空間參考式樣以用于這些或其它類型的空間測(cè)量中。
這些或其它有價(jià)值的目標(biāo)通過(guò)在整個(gè)工作間上排放具有錯(cuò)位式樣的參考點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，這些錯(cuò)位式樣具有行和列，通過(guò)連接三個(gè)相互靠近的參考點(diǎn)所形成的任何三角形與整個(gè)式樣中其它地方的三角形都不同。因此，為了在工作空間中重新定位后能夠精確確定測(cè)量裝置的確切位置，測(cè)量三個(gè)非?？拷膮⒖键c(diǎn)的位置就足夠了。通過(guò)這三個(gè)測(cè)量的結(jié)果，相關(guān)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能夠很容易計(jì)算測(cè)量裝置在整體坐標(biāo)系中的精確位置并且由此偏移所有的測(cè)量。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是工作地點(diǎn)的透視圖，該工作地點(diǎn)配備了根據(jù)本發(fā)明的自載入?yún)⒖际綐?；圖2是參考點(diǎn)布局的截面圖；圖3是可能三角形結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4是網(wǎng)格式樣變化的示意圖；圖5-9是用于創(chuàng)建參考式樣的計(jì)算機(jī)程序的流程圖；和圖10是應(yīng)用自載入式樣的計(jì)算機(jī)程序的流程圖。
本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的描述參考附圖，在圖1中示出了示例性的工作場(chǎng)地。在這個(gè)例子中，以汽車車體作為將要被測(cè)量的三維工件3。在圖中示出了用來(lái)執(zhí)行測(cè)量的旋轉(zhuǎn)、空間坐標(biāo)測(cè)量臂1以及和它相關(guān)的數(shù)據(jù)處理器2。在工作間的地板5、頂板6和四壁7-9上永久性地設(shè)有參考點(diǎn)或基準(zhǔn)點(diǎn)4的坐標(biāo)式樣。參考點(diǎn)的分布以及它們彼此分開的形式使得不論測(cè)量臂1位于什么位置，在臂所能達(dá)到的范圍內(nèi)總是有三個(gè)參考點(diǎn)。在地板、頂板或每個(gè)壁上，參考點(diǎn)以行和列的形式排列，但是它們的排列并不象圖中點(diǎn)線示出的那樣是純粹的直線坐標(biāo)線和對(duì)稱坐標(biāo)線。與之相反，參考點(diǎn)以錯(cuò)位形式排列，如下面所解釋的，這種排列具有一些很重要的優(yōu)點(diǎn)。
如圖2所示，每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)4包括一個(gè)永久嵌入地板、四壁或頂板的表面層12中的小板11。在小板的暴露表面上形成一個(gè)錐形腔13，錐形腔13的尺寸使得安裝在壁探測(cè)器尖端15上的球14可以緊密地嵌入或納入腔中。腔的尺寸和形狀使得當(dāng)插入球14時(shí)，球的中心16位于腔軸線19的參考點(diǎn)上。很明顯，存在與這種參考點(diǎn)等價(jià)的其它形式，例如使用球形或半球形基準(zhǔn)點(diǎn)并且使之與凹入的錐形探測(cè)器尖端接觸。
參考點(diǎn)的分布滿足一定條件，即如果有三個(gè)都處于限定臨近區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)4A、4B和4C，這三個(gè)所述的點(diǎn)構(gòu)成了第一組點(diǎn)，它們限定了三角形17，同時(shí)第二組所述的三個(gè)點(diǎn)限定了任何另一個(gè)三角形18，只要第一組和第二組點(diǎn)的共同參考點(diǎn)不超過(guò)兩個(gè)，那么三角形17和三角形18就不同。所以，從工作空間內(nèi)測(cè)量?jī)x器所處的任何位置到限定第一個(gè)三角形17的第一組點(diǎn)的距離和方向與所述的位置到限定第二個(gè)三角形18的另一組點(diǎn)的距離和方向不同，第二個(gè)三角形可以是整個(gè)坐標(biāo)式樣中的任何一個(gè)三角形。從而，通過(guò)測(cè)量都處于限定臨近區(qū)域內(nèi)的任何三個(gè)參考點(diǎn)的位置就可以精確地導(dǎo)出所述位置的精確坐標(biāo)。這個(gè)限定臨近區(qū)域可以由限定2×2子陣列的參考點(diǎn)構(gòu)成，但最好是由限定了3×3子陣列的參考點(diǎn)構(gòu)成。如上面例子所描述的，當(dāng)使用不同平面層的參考點(diǎn)網(wǎng)格時(shí)，即四壁上的網(wǎng)格式樣與地板和頂板上的網(wǎng)格式樣正交時(shí)，形成三角形的參考點(diǎn)的所需臨近區(qū)域可以由三維的2×2×2或3×3×3子陣列組成。
圖3以頂視圖的形式示出了所有可能的三角形結(jié)構(gòu)，這些三角形通過(guò)連接位于那些子陣列中的參考點(diǎn)形成。在2×2子陣列中可以形成4個(gè)三角形結(jié)構(gòu)21。
當(dāng)子陣列擴(kuò)充到2×3形式時(shí)，三角形結(jié)構(gòu)的數(shù)目不僅僅是翻倍，還有另外6個(gè)三角形結(jié)構(gòu)22和23，所以一共有14個(gè)三角形結(jié)構(gòu)。
在3×3子陣列中，首先有4組可以在2×2陣列中找到的4個(gè)三角形結(jié)構(gòu)24，這樣就有4乘以4共16個(gè)三角形結(jié)構(gòu)。另外，還有4組可以在2×3陣列中找到的另外的三角形結(jié)構(gòu)，它們共有56個(gè)三角形結(jié)構(gòu)。
最后，還有12個(gè)三角形結(jié)構(gòu)25和26，它們跨過(guò)了不只一個(gè)2×3子陣列。這樣，在3×3子陣列中，一共可以找到84個(gè)三角形結(jié)構(gòu)。
在3×3×3立方體陣列中，如果不包括那些尖角結(jié)構(gòu)26的話，一共有2268個(gè)三角形結(jié)構(gòu)。當(dāng)要求測(cè)量四個(gè)彼此分開很近距離的參考點(diǎn)時(shí)，即那樣的四個(gè)點(diǎn)限定了棱椎而不是三角形，必須唯一實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)數(shù)目可以大幅度減小。應(yīng)該理解的是，在三維子陣列中，一個(gè)三角形的任何兩個(gè)點(diǎn)可以處于相同或不同的高度上。實(shí)際上，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)避免選擇那些具有非常尖銳角度構(gòu)形的三個(gè)參考點(diǎn)是方便的。使用這種尖角三角形會(huì)影響測(cè)量的精度。例如，在占據(jù)不止一個(gè)2×3子陣列的8個(gè)三角形結(jié)構(gòu)26中，通過(guò)連接下面的各組點(diǎn)會(huì)構(gòu)成尖角三角形，即RYZ，RWZ，TUX，TYX，ZST，ZUR，WT和XUT。應(yīng)該避免選擇這些三角形。由于在同樣的空間中還有很多其它很好使用的三角形，這不會(huì)對(duì)參考式樣的應(yīng)用造成什么影響。
還應(yīng)該指出盡管在單獨(dú)一個(gè)平面上，優(yōu)選以二維的形式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格式樣的錯(cuò)位，但是在常規(guī)的坐標(biāo)網(wǎng)格上，如果需要，任何參考點(diǎn)對(duì)其位置的偏離可以在三維空間的任何方向上。
用反復(fù)試驗(yàn)的方法通過(guò)連續(xù)計(jì)算施加給第四個(gè)以及隨后參考點(diǎn)的錯(cuò)位量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)錯(cuò)位坐標(biāo)參考點(diǎn)陣列的構(gòu)造。通過(guò)選擇任意的錯(cuò)位量，然后檢測(cè)所有由這個(gè)參考點(diǎn)形成的三角形與已經(jīng)賦予偏移量的陣列中任何三個(gè)點(diǎn)所形成的其它三角形的對(duì)稱性。如下面的例子所示出的，可以很方便地利用相對(duì)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)這個(gè)確定過(guò)程。
假設(shè)根據(jù)本發(fā)明要對(duì)一個(gè)常規(guī)坐標(biāo)網(wǎng)格式樣27實(shí)現(xiàn)錯(cuò)位，這個(gè)常規(guī)坐標(biāo)網(wǎng)格式樣27一共有42個(gè)參考點(diǎn)網(wǎng)格數(shù)(GC)，如圖4所示，它們的排列使得具有7個(gè)網(wǎng)格行數(shù)(GRC)和6個(gè)網(wǎng)格列數(shù)(GCC)。進(jìn)一步假設(shè)每個(gè)點(diǎn)28能夠在環(huán)繞它正常位置的平面變化陣列29中偏離其正常位置，這個(gè)平面變化陣列具有5個(gè)變化行數(shù)(VRC)和5個(gè)變化列數(shù)(VCC)。還假設(shè)正常參考網(wǎng)格的列間距或網(wǎng)格列間距(GCP)等于其行間距或網(wǎng)格行間距(GRP)。
如果給定了GCP，GRP，GCC和GRC，可以根據(jù)示于圖5-8的流程圖用計(jì)算機(jī)程序得到所有參考點(diǎn)的錯(cuò)位位置，其中TOL代表安裝每個(gè)參考點(diǎn)小板的公差，RN代表隨機(jī)數(shù)，TC1，TC2，TC3...對(duì)應(yīng)嘗試計(jì)數(shù)1，2，3 etc...
如果要在立方體子陣列或排列30內(nèi)得到參考點(diǎn)變化，需要利用另外一個(gè)參數(shù)，即變化高度間距(VLP)，并且優(yōu)選將其設(shè)置為VRP的兩倍。
在設(shè)定變化間距后，輸入給定的參數(shù)，就建立了線性的網(wǎng)格點(diǎn)。然后賦予除了原點(diǎn)以外的每個(gè)點(diǎn)一個(gè)隨機(jī)量的偏移。將包括這個(gè)點(diǎn)的所有可能三角形與前面所有儲(chǔ)存的三角形做比較，以確保沒有任何兩個(gè)三角形是對(duì)稱的。每當(dāng)有必要形成與整個(gè)網(wǎng)格都不匹配的獨(dú)特三角形時(shí)就重復(fù)這個(gè)步驟。
圖6-9利用一個(gè)平面變化子陣列給出了在偏移網(wǎng)格中一個(gè)參考點(diǎn)后，所有可能三角形的每個(gè)點(diǎn)的構(gòu)造、驗(yàn)證和儲(chǔ)存。
只對(duì)限定臨近區(qū)域內(nèi)(即在包括這個(gè)特定點(diǎn)的子陣列內(nèi)，或在最大垂直、水平或?qū)蔷€距離或范圍內(nèi))的三角形進(jìn)行驗(yàn)證。
一旦配備完這些錯(cuò)位坐標(biāo)參考點(diǎn)后，就利用圖10流程圖所示的計(jì)算機(jī)程序使用它們。
權(quán)利要求
1.一種分布在空間中的參考點(diǎn)配備，其中由三個(gè)都處于限定臨近區(qū)域內(nèi)的第一組點(diǎn)所限定的三角形與三個(gè)都處于所述限定臨近區(qū)域內(nèi)的第二組點(diǎn)所限定的另一個(gè)三角形不同。
2.如權(quán)利要求1所述的配備，它包括由沿著具有錯(cuò)位網(wǎng)格式樣的行和列分布的所述點(diǎn)構(gòu)成的陣列；并且其中所述的限定臨近區(qū)域由限定了2×2子陣列的參考點(diǎn)構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求2所述的配備，進(jìn)一步包括立方體陣列，由所述的點(diǎn)沿著正交層的分布構(gòu)成，這些層具有錯(cuò)位網(wǎng)格式樣，這些式樣由行和列構(gòu)成；并且其中所述的限定臨近區(qū)域由限定了3×3子陣列的參考點(diǎn)構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求2所述的配備，其中所述的參考點(diǎn)包括定位在支撐表面上的基準(zhǔn)點(diǎn)。
5.如權(quán)利要求4所述的配備，其中所述的支撐表面包括地板。
6.如權(quán)利要求4所述的配備與一個(gè)位于某處的旋轉(zhuǎn)空間坐標(biāo)測(cè)量臂相組合，其中所述的臂具有給定的范圍，并且包括探測(cè)器尖端。
7.如權(quán)利要求6所述的組合，其中所述的基準(zhǔn)點(diǎn)包括凸錐形腔，它的形狀和尺寸可以容納所述的探測(cè)器尖端，并且具有限定所述參考點(diǎn)的軸線。
8.如權(quán)利要求7所述的組合，其中所述的配備包括至少一個(gè)在所述的臂范圍內(nèi)的子陣列，每個(gè)在所述的子陣列中的參考點(diǎn)由一個(gè)所述的腔限定。
9.如權(quán)利要求8所述的組合，進(jìn)一步包括當(dāng)所述的探測(cè)器尖端連續(xù)插入所述的腔中時(shí)自動(dòng)計(jì)算所述的子陣列中參考點(diǎn)坐標(biāo)的裝置。
10.如權(quán)利要求9所述的組合，進(jìn)一步包括從所述的三個(gè)參考點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)出所述的位置坐標(biāo)的裝置。
11.如權(quán)利要求1所述的配備，其中從所述空間內(nèi)的一個(gè)位置到所述第一組點(diǎn)的距離和方向與從所述位置到所述第二組點(diǎn)的距離和方向不同；因此所述位置坐標(biāo)可以通過(guò)它到都位于所述臨近區(qū)域內(nèi)的任何三個(gè)所述點(diǎn)的距離和方向?qū)С觥?br> 12.如權(quán)利要求11所述的配備，它包括由沿著具有錯(cuò)位網(wǎng)格式樣的行和列分布的所述點(diǎn)構(gòu)成的陣列；并且其中所述的限定臨近區(qū)域由限定了2×2子陣列的參考點(diǎn)構(gòu)成。
13.如權(quán)利要求11所述的配備，它包括立方體陣列，由所述的點(diǎn)沿著正交層的分布構(gòu)成，這些層具有錯(cuò)位網(wǎng)格式樣，這些式樣由行和列構(gòu)成；并且其中所述的限定臨近區(qū)域由限定了3×3×3子陣列的參考點(diǎn)構(gòu)成。
14.如權(quán)利要求12所述的配備，其中所述的參考點(diǎn)包括定位在支撐表面上的基準(zhǔn)點(diǎn)。
15.如權(quán)利要求14所述的配備，其中所述的支撐表面包括地板。
16.如權(quán)利要求14所述的配備與一個(gè)位于所述位置的旋轉(zhuǎn)空間坐標(biāo)測(cè)量臂相組合，其中所述的臂具有給定的范圍，并且包括探測(cè)器尖端。
17.如權(quán)利要求16所述的組合，其中所述的基準(zhǔn)點(diǎn)包括凸錐形腔，它的形狀和尺寸可以容納所述的探測(cè)器尖端，并且具有限定所述參考點(diǎn)的軸線。
18.如權(quán)利要求17所述的組合，其中所述的配備包括至少一個(gè)在所述的臂范圍內(nèi)的子陣列，每個(gè)在所述的子陣列中的參考點(diǎn)由一個(gè)所述的腔限定。
19.如權(quán)利要求18所述的組合，進(jìn)一步包括當(dāng)所述的探測(cè)器尖端連續(xù)插入所述的腔中時(shí)自動(dòng)計(jì)算所述的子陣列中參考點(diǎn)坐標(biāo)的裝置。
20.如權(quán)利要求19所述的組合，進(jìn)一步包括從所述的三個(gè)參考點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)出所述的位置坐標(biāo)的裝置。
21.在計(jì)算機(jī)化空間測(cè)量系統(tǒng)中，相對(duì)固定參考點(diǎn)的整體坐標(biāo)式樣使用可移動(dòng)測(cè)量?jī)x器，其中在每次移動(dòng)所述的儀器后，儀器的位置必須輸入相關(guān)的數(shù)據(jù)處理器，改進(jìn)包括沿錯(cuò)位網(wǎng)格線分布所述的參考點(diǎn)，從而通過(guò)測(cè)量三個(gè)所述的可以連接在一起形成三角形的參考點(diǎn)的位置，使所述的位置自動(dòng)進(jìn)入所述的數(shù)據(jù)處理器中。
22.如權(quán)利要求21所述的改進(jìn)，其中分布的步驟包括在空間上使所述的參考點(diǎn)以一定量偏離線性網(wǎng)格式樣位置，從而足以避免下述可能性，即由三個(gè)都處于限定臨近區(qū)域內(nèi)的第一組所述點(diǎn)所限定的三角形與三個(gè)都處于所述限定臨近區(qū)域內(nèi)的第二組所述點(diǎn)所限定的另一個(gè)三角形對(duì)稱。
23.如權(quán)利要求21所述的改進(jìn)，其中所述的限定臨近區(qū)域由限定2×2子陣列的參考點(diǎn)組成。
24.如權(quán)利要求21所述的改進(jìn)，其中所述的限定臨近區(qū)域由限定3×3子陣列的參考點(diǎn)組成。
25.如權(quán)利要求21所述的改進(jìn)，其中所述的在空間上偏離步驟包括在二維變化范圍內(nèi)移動(dòng)至少一個(gè)所述的點(diǎn)。
26.如權(quán)利要求21所述的改進(jìn)，其中所述的在空間上偏離步驟包括在三維變化范圍內(nèi)移動(dòng)至少一個(gè)所述的點(diǎn)。
全文摘要
一種參考點(diǎn)(4)的配備，這些參考點(diǎn)布置在平面上由行和列構(gòu)成的錯(cuò)位式樣上，通過(guò)確定一個(gè)位置相對(duì)于三個(gè)參考點(diǎn)(4A，4B，4C)的位置，用來(lái)建立所述位置在所述平面上的坐標(biāo)。這種陣列用于確定通常測(cè)量三維工件(3)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)測(cè)量臂(1)或其它這種空間測(cè)量裝置的參考位置。可以通過(guò)將類似分布的由參考點(diǎn)構(gòu)成的陣列布置成由行和列構(gòu)成的正交層建立三維參考點(diǎn)陣列，例如在工作間中的地板(5)、頂板(6)和墻壁(7，8，9)上。將測(cè)量裝置的探測(cè)器(15)放置在三個(gè)靠近的參考點(diǎn)上就足以將測(cè)量裝置位置的精確坐標(biāo)自動(dòng)載入相關(guān)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)G01B5/20GK1554011SQ02808404
公開日2004年12月8日 申請(qǐng)日期2002年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月17日
發(fā)明者霍姆·L·伊頓, 霍姆 L 伊頓 申請(qǐng)人:霍姆·L·伊頓, 霍姆 L 伊頓