專利名稱：自載入空間參考點陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間測量裝置和與某種類型的空間測量相聯(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)測量臂相聯(lián)系的參考點陣列，這種類型的旋轉(zhuǎn)、坐標(biāo)測量臂披露于我的美國專利號5,829,148中，該專利在1998年11月3日發(fā)表，在本說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)測量臂在任何方向上具有1,500mm的可達(dá)到范圍。當(dāng)對汽車等大工件進(jìn)行測量時，必須將臂移動到多個位置。這些位置必須相對具有單一原點的大體積坐標(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現(xiàn)整體測量的一種最普遍也是最實用的方法是相對于附近參考網(wǎng)格或陣列中的三個已知點確定臂的位置。在網(wǎng)格或陣列中的每個參考點都帶有獨特的識別標(biāo)記。每次操作者移動臂到新的位置時，臂探測器的尖端依次定位在網(wǎng)格或陣列上三個可識別的點上，每次操作者都人工將每個參考點的特定標(biāo)識輸入相關(guān)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)利用這三個測量計算臂中的精確位置。然后在相對于整體坐標(biāo)系確定以后的測量結(jié)果時計入這些坐標(biāo)位置。操作者人工對三個參考點標(biāo)識的輸入不僅耗時而且容易出錯。實際上在工作環(huán)境中，由于光線不好以及塵?；蛩樾嫉恼趽酰瑯?biāo)記參考點標(biāo)識可能比較困難。在操作中，鍵盤輸入時一個數(shù)字的錯誤會導(dǎo)致不正確的測量。
本發(fā)明試圖消除在對大工件使用旋轉(zhuǎn)空間坐標(biāo)測量臂或其它類似空間測量裝置時上面提到的不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的首要和次要目的是當(dāng)對大工件進(jìn)行測量需要對測量設(shè)備重新定位時，優(yōu)化旋轉(zhuǎn)空間坐標(biāo)測量臂或其它類似空間測量裝置的使用，這種裝置具有有限的范圍，為實現(xiàn)上述目的，提供參考網(wǎng)格或陣列式樣，從而測量裝置的移動或重新定位可以通過簡單操作自動載入到相關(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量中。
這些或其它有價值的目標(biāo)通過在整個工作間上排放具有錯位式樣的參考點實現(xiàn)，這些錯位式樣具有行和列，通過連接三個相互靠近的參考點所形成的任何三角形與整個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量裝置的確切位置，測量三個非?？拷膮⒖键c的位置就足夠了。通過這三個測量的結(jié)果，相關(guān)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能夠很容易計算測量裝置在整體坐標(biāo)系中的精確位置并且由此偏移所有的測量。
附圖的簡要說明

圖1是工作地點的透視圖，該工作地點配備了根據(jù)本發(fā)明的自載入?yún)⒖际綐?；圖2是參考點布局的截面圖；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)建參考式樣的計算機(jī)程序的流程圖；和圖10是應(yīng)用自載入式樣的計算機(jī)程序的流程圖。
本發(fā)明優(yōu)選實施例的描述參考附圖，在圖1中示出了示例性的工作場地。在這個例子中，以汽車車體作為將要被測量的三維工件3。在圖中示出了用來執(zhí)行測量的旋轉(zhuǎn)、空間坐標(biāo)測量臂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)有參考點或基準(zhǔn)點4的坐標(biāo)式樣。參考點的分布以及它們彼此分開的形式使得不論測量臂1位于什么位置，在臂所能達(dá)到的范圍內(nèi)總是有三個參考點。在地板、頂板或每個壁上，參考點以行和列的形式排列，但是它們的排列并不象圖中點線示出的那樣是純粹的直線坐標(biāo)線和對稱坐標(biāo)線。與之相反，參考點以錯位形式排列，如下面所解釋的，這種排列具有一些很重要的優(yōu)點。
如圖2所示，每個基準(zhǔn)點4包括一個永久嵌入地板、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錐形腔13，錐形腔13的尺寸使得安裝在壁探測器尖端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，球的中心16位于腔軸線19的參考點上。很明顯，存在與這種參考點等價的其它形式，例如使用球形或半球形基準(zhǔn)點并且使之與凹入的錐形探測器尖端接觸。
參考點的分布滿足一定條件，即如果有三個都處于限定臨近區(qū)域內(nèi)的點4A、4B和4C，這三個所述的點構(gòu)成了第一組點，它們限定了三角形17，同時第二組所述的三個點限定了任何另一個三角形18，只要第一組和第二組點的共同參考點不超過兩個，那么三角形17和三角形18就不同。所以，從工作空間內(nèi)測量儀器所處的任何位置到限定第一個三角形17的第一組點的距離和方向與所述的位置到限定第二個三角形18的另一組點的距離和方向不同，第二個三角形可以是整個坐標(biāo)式樣中的任何一個三角形。從而，通過測量都處于限定臨近區(qū)域內(nèi)的任何三個參考點的位置就可以精確地導(dǎo)出所述位置的精確坐標(biāo)。這個限定臨近區(qū)域可以由限定2×2子陣列的參考點構(gòu)成，但最好是由限定了3×3子陣列的參考點構(gòu)成。如上面例子所描述的，當(dāng)使用不同平面層的參考點網(wǎng)格時，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，形成三角形的參考點的所需臨近區(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)，這些三角形通過連接位于那些子陣列中的參考點形成。在2×2子陣列中可以形成4個三角形結(jié)構(gòu)21。
當(dāng)子陣列擴(kuò)充到2×3形式時，三角形結(jié)構(gòu)的數(shù)目不僅僅是翻倍，還有另外6個三角形結(jié)構(gòu)22和23，所以一共有14個三角形結(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個三角形結(jié)構(gòu)24，這樣就有4乘以4共16個三角形結(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個三角形結(jié)構(gòu)。
最后，還有12個三角形結(jié)構(gòu)25和26，它們跨過了不只一個2×3子陣列。這樣，在3×3子陣列中，一共可以找到84個三角形結(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個三角形結(jié)構(gòu)。當(dāng)要求測量四個彼此分開很近距離的參考點時，即那樣的四個點限定了棱椎而不是三角形，必須唯一實現(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，一個三角形的任何兩個點可以處于相同或不同的高度上。實際上，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)避免選擇那些具有非常尖銳角度構(gòu)形的三個參考點是方便的。使用這種尖角三角形會影響測量的精度。例如，在占據(jù)不止一個2×3子陣列的8個三角形結(jié)構(gòu)26中，通過連接下面的各組點會構(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，這不會對參考式樣的應(yīng)用造成什么影響。
還應(yīng)該指出盡管在單獨一個平面上，優(yōu)選以二維的形式實現(xiàn)網(wǎng)格式樣的錯位，但是在常規(guī)的坐標(biāo)網(wǎng)格上，如果需要，任何參考點對其位置的偏離可以在三維空間的任何方向上。
用反復(fù)試驗的方法通過連續(xù)計算施加給第四個以及隨后參考點的錯位量可以實現(xiàn)對錯位坐標(biāo)參考點陣列的構(gòu)造。通過選擇任意的錯位量，然后檢測所有由這個參考點形成的三角形與已經(jīng)賦予偏移量的陣列中任何三個點所形成的其它三角形的對稱性。如下面的例子所示出的，可以很方便地利用相對簡單的計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)這個確定過程。
假設(shè)根據(jù)本發(fā)明要對一個常規(guī)坐標(biāo)網(wǎng)格式樣27實現(xiàn)錯位，這個常規(guī)坐標(biāo)網(wǎng)格式樣27一共有42個參考點網(wǎng)格數(shù)(GC)，如圖4所示，它們的排列使得具有7個網(wǎng)格行數(shù)(GRC)和6個網(wǎng)格列數(shù)(GCC)。進(jìn)一步假設(shè)每個點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，這個平面變化陣列具有5個變化行數(shù)(VRC)和5個變化列數(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的流程圖用計算機(jī)程序得到所有參考點的錯位位置，其中TOL代表安裝每個參考點小板的公差，RN代表隨機(jī)數(shù)，TC1，TC2，TC3...對應(yīng)嘗試計數(shù)1，2，3 etc...
如果要在立方體子陣列或排列30內(nèi)得到參考點變化，需要利用另外一個參數(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。然后賦予除了原點以外的每個點一個隨機(jī)量的偏移。將包括這個點的所有可能三角形與前面所有儲存的三角形做比較，以確保沒有任何兩個三角形是對稱的。每當(dāng)有必要形成與整個網(wǎng)格都不匹配的獨特三角形時就重復(fù)這個步驟。
圖6-9利用一個平面變化子陣列給出了在偏移網(wǎng)格中一個參考點后，所有可能三角形的每個點的構(gòu)造、驗證和儲存。
只對限定臨近區(qū)域內(nèi)(即在包括這個特定點的子陣列內(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)行驗證。
一旦配備完這些錯位坐標(biāo)參考點后，就利用圖10流程圖所示的計算機(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配備，其中由三個都處于限定臨近區(qū)域內(nèi)的第一組點所限定的三角形與三個都處于所述限定臨近區(qū)域內(nèi)的第二組點所限定的另一個三角形不同。
2.如權(quán)利要求1所述的配備，它包括由沿著具有錯位網(wǎng)格式樣的行和列分布的所述點構(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，由所述的點沿著正交層的分布構(gòu)成，這些層具有錯位網(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子陣列的參考點構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求2所述的配備，其中所述的參考點包括定位在支撐表面上的基準(zhǔn)點。
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所述的配備與一個位于某處的旋轉(zhuǎn)空間坐標(biāo)測量臂相組合，其中所述的臂具有給定的范圍，并且包括探測器尖端。
7.如權(quán)利要求6所述的組合，其中所述的基準(zhǔn)點包括凸錐形腔，它的形狀和尺寸可以容納所述的探測器尖端，并且具有限定所述參考點的軸線。
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在所述的臂范圍內(nèi)的子陣列，每個在所述的子陣列中的參考點由一個所述的腔限定。
9.如權(quán)利要求8所述的組合，進(jìn)一步包括當(dāng)所述的探測器尖端連續(xù)插入所述的腔中時自動計算所述的子陣列中參考點坐標(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參考點坐標(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)的一個位置到所述第一組點的距離和方向與從所述位置到所述第二組點的距離和方向不同；因此所述位置坐標(biāo)可以通過它到都位于所述臨近區(qū)域內(nèi)的任何三個所述點的距離和方向?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位網(wǎng)格式樣的行和列分布的所述點構(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，由所述的點沿著正交層的分布構(gòu)成，這些層具有錯位網(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子陣列的參考點構(gòu)成。
14.如權(quán)利要求12所述的配備，其中所述的參考點包括定位在支撐表面上的基準(zhǔn)點。
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所述的配備與一個位于所述位置的旋轉(zhuǎn)空間坐標(biāo)測量臂相組合，其中所述的臂具有給定的范圍，并且包括探測器尖端。
17.如權(quán)利要求16所述的組合，其中所述的基準(zhǔn)點包括凸錐形腔，它的形狀和尺寸可以容納所述的探測器尖端，并且具有限定所述參考點的軸線。
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在所述的臂范圍內(nèi)的子陣列，每個在所述的子陣列中的參考點由一個所述的腔限定。
19.如權(quán)利要求18所述的組合，進(jìn)一步包括當(dāng)所述的探測器尖端連續(xù)插入所述的腔中時自動計算所述的子陣列中參考點坐標(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參考點坐標(biāo)導(dǎo)出所述的位置坐標(biāo)的裝置。
21.在計算機(jī)化空間測量系統(tǒng)中，相對固定參考點的整體坐標(biāo)式樣使用可移動測量儀器，其中在每次移動所述的儀器后，儀器的位置必須輸入相關(guān)的數(shù)據(jù)處理器，改進(jìn)包括沿錯位網(wǎng)格線分布所述的參考點，從而通過測量三個所述的可以連接在一起形成三角形的參考點的位置，使所述的位置自動進(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，即由三個都處于限定臨近區(qū)域內(nèi)的第一組所述點所限定的三角形與三個都處于所述限定臨近區(qū)域內(nèi)的第二組所述點所限定的另一個三角形對稱。
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)移動至少一個所述的點。
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)移動至少一個所述的點。
全文摘要
一種參考點(4)的配備，這些參考點布置在平面上由行和列構(gòu)成的錯位式樣上，通過確定一個位置相對于三個參考點(4A，4B，4C)的位置，用來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量三維工件(3)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)測量臂(1)或其它這種空間測量裝置的參考位置?？梢酝ㄟ^將類似分布的由參考點構(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。將測量裝置的探測器(15)放置在三個靠近的參考點上就足以將測量裝置位置的精確坐標(biāo)自動載入相關(guān)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。
文檔編號G01B5/20GK1554011SQ02808404
公開日2004年12月8日 申請日期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 申請人:霍姆·L·伊頓, 霍姆 L 伊頓