專利名稱：非接觸位置檢測設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及非接觸型位置檢測設備，更確切地說，涉及適用于非接觸型三維測量儀的非接觸型位置檢測設備，它能對被測對象外部輪廓的各部分的坐標完成可靠和精密測量。
用于檢測三維形狀如三維坐標數(shù)據(jù)的三維測量儀，已經(jīng)公開在例如美國專利No.3，722，842，No.4，102，051，No.4，149，317以及No.4，282，654中。
該三維測量儀包括一個可在空間直角坐標系各坐標軸即互相垂直的X，Y和Z軸方向上運動的主體(懸臂)，以及裝有此可動主體上的一個探針。此探針同被測對象外部輪廓上的檢測點接觸，檢測此可動主體的三維坐標，根據(jù)這種接觸來測量三維輪廓。
然而對于這種接觸型三維測量儀來說，在被測對象是由軟材料如粘土壓制的場合下，當探針的端部同被測對象的檢測點接觸時，此端部易于鉆入被測對象，以致在所檢測的被測對象坐標中產(chǎn)生誤差。在被測對象的外部輪廓上面可以作的凹面和凸面測量，存在著這種可能性。
為了消除這種缺陷，該三維測量儀應當具有非接觸類型，例如，其中的激光光源和用來接收被反射的激光束的光接收元件，測出被測對象和激光光源間的距離，當在一點處恰好該距離達到予定值時，被測對象上該檢測點的坐標被測量出來。
對于接觸型三維測量儀器來說，當探針垂直指點在被測對象表面上予定位置時，此位置的坐標可被精確測得。因此，在前面描述的這種非接觸型三維測量儀器中，采用這種通常的技術，也能夠完成坐標的檢測。
以上介紹的坐標檢測技術，將參照圖7(a)和7(b)加以描述。參見圖7(a)和7(b)，Y軸沿著垂直于圖面的方向配置。在激光單元10附近提供一個被測物體100，且激光單元10中配備有激光光源和接收激光束的光接收元件，以便在非接觸條件下檢測至被測對象100的距離。
激光單元10的結構，表示在

圖12中。由光發(fā)射元件(半導體激光器)12發(fā)出的激光，被射在測量對象100上面。當此測量對象位于參考點Lref處(例如沿激光照射方向距激光單元10發(fā)光位置為50mm處)，由測量對象100上檢測點隨機反射出去的激光，被光接收元件15中央位置上的部分所接收。進一步說來，當被測對象100的位置靠近(100A)或者遠離(100B)該參考點Lref時，激光位置檢測元件15上面接收到激光的位置，將沿箭頭標志A或B移動。此位置檢測元件15的輸出信號，被輸出給如圖6所示的第一信號處理電路50。
如圖7(a)所示，當使用這樣的激光單元10進行測量時，應將激光單元10的安裝位置設置為，使其射出的激光10A基本上能垂直射在被測對象100上其坐標被檢測的檢測點位置;隨后再沿X及Z方向同時進給，以使激光單元10能沿著激光的射出方向(即箭頭標志L的方向)移動。如圖7(b)所示，當激光單元10移動到接近被測對象100時，從被測對象100反射回來的激光10B，將由透鏡系統(tǒng)檢測。當由于激光單元10到達距其予定距離處而檢測到光時，激光單元10或者支承該激光單元10的懸臂(未表示)的坐標數(shù)據(jù)隨后被采集，作為與該測量對象100上的激光照射位置(檢測點)對應的坐標數(shù)據(jù)。
如圖19(a)至19(c)所示，光發(fā)射部分101A及光接收部分101B是作為激光來提供的。如圖19(a)所示，激光單元101的安裝位置被設置為，使由激光單元101的光發(fā)射部分101A射出的激光，基本上能垂直射在測量對象100上要被測出座標的部分上。然后，激光單元101同時沿著X及Z方向進給，以使此激光單元101能夠沿著激光的照射方向(即箭頭標志L的方向)移動。如圖19(b)所示，當激光單元101移動到靠近被測對象100時，從被測對象100反射回來的激光，將由光接收部分101B上配備的透鏡系統(tǒng)所檢測。當由于激光單元101到達距其予定距離處而檢測到光時，激光單元101或者支承該激光單元101的懸臂(未表示)的坐標數(shù)據(jù)，被采集來作為與被測對象100的激光照射位置對應的坐標數(shù)據(jù)。
對于上述結構的非接觸型三維測量儀來說，由于它并不包括如與接觸型三維測量儀的探針對應的用來指示所需檢測點的裝置，故其難以迅速和準確地指明所要求的檢測點。因此，當試圖連續(xù)地測出譬如具有曲線輪廓的測量對象的曲線上面許多檢測點時，所存在的問題是，與接觸型三維測量儀相比，其操作性能是非常差的。
本發(fā)明的目的在于使用非接觸型位置檢測設備，使得迅速和準確地指出所要求的檢測點成為可能，以解決前面敘述的現(xiàn)有技術的問題。
為了達到本發(fā)明的目的，一種非接觸型位置檢測設備，包括帶有光發(fā)射部分及光接收部分的激光單元，以便將激光照射在被測對象的檢測點并接收由該檢測點反射的激光，以判明至該檢測點的距離，其特征在于該激光單元包括類似探針的指示裝置，當檢測點和激光單元達到予定的位置關系時，用來指明由光發(fā)射部分發(fā)出的激光光軸的延長線和由光接收部分接收的激光光軸的延長線之間的交點。
由于前面描述的類似探針的裝置是安裝在激光單元上面的，所以如果移動該激光單元使此類似探針的指示裝置能夠指明檢測點，那么此檢測點和激光單元間的位置關系就能達成予定的關系，因此，所要求的檢測點就能迅速而準確地指明。
在激光的照射方向L是垂直射向被測對象外部輪廓的予定表面上且激光單元能沿上述照射方向移動的系統(tǒng)中，該激光單元101必須是能沿兩條軸線方向[圖19(a)至19(c)的實例中是指X軸和Z軸]或沿三條軸線方向同步運動的。簡而言之，為使激光單元101從圖19(a)的條件運動到圖19(b)的條件，必須如圖19(c)所示，需讓此激光單元101能同時沿X方向進給Xf及沿Z方向進給Yf。沿許多軸線方向的這種激光單元101的同步進給，不僅會使此機器更加復雜，而且會降低其操作性能。
其間包含使上述同步進給分開進行(例如首先沿X方向完成Xf進給，然后沿Z方向完成Yf進給)的方法，或者沿X方向的進給和沿Y方向的進給一點一點交替完成的另一種方法。存在這樣的可能性，當激光單元101恰好在某點到達距測量對象100予定距離(即當坐標恰好在一點被檢測)時，激光的照射位置可以是與被瞄準進行檢測位置不同的位置。在這種場合下，被瞄準位置的坐標就無法檢測。本發(fā)明的目的在于提供一種非接觸型三維測量儀，能夠不費力地對測量對象所要求的(瞄準)位置的坐標進行檢測。
為了解決上述問題，非接觸型三維測量儀采用的結構是一條主旋轉(zhuǎn)軸安裝在測繪縮放儀(Layoutmachine)的懸臂上，使其中心軸的方向沿著空間直角坐標系的一條坐標軸方向伸展;安裝有第一條輔助臂，可在該主軸面轉(zhuǎn)動;一條輔助軸，其與該軸成45°角安裝在第一條輔助臂上;安裝有第二條輔助臂，以在該輔助軸上面轉(zhuǎn)動;以及激光單元安裝機構，用以將該激光單元裝在第二條輔助臂上，使其射出的激光方向能同該輔助軸成45°。
該非接觸型三維測量儀包括有激光單元安裝機構，其結構是使某點(隨后稱之為參考點)處在激光照射方向上距該激光單元為予定距離處，其定位是使參考點可被定位在主軸和輔助軸之間的交點處，以采集坐標信號。
該非接觸型三維測量儀包括有激光單元，其結構是由非中央部位提供發(fā)射的激光，且激光單元安裝機構的結構是使其能將激光單元以其前后側逆向安裝。
該非接觸型三維測量儀，包括帶有由環(huán)氧樹脂蜂窩構件制成的芯件的第一條輔助臂、安裝在此芯件相對兩端的一對軸承，以及繞在此芯件和軸承表面上的碳纖維。
對于本發(fā)明的非接觸型三維測量儀來說，通過調(diào)整第一條輔助臂相對于主軸以及第二條輔助臂相對輔助軸的轉(zhuǎn)角，可使激光照射方向指向構成該坐標系的三條軸的所有方向上。
對于本發(fā)明的非接觸型三維測量儀來說，如果測繪縮放儀的臂的位置不發(fā)生變化，則參考點的坐標就不會變化，即便第一條輔助臂和/或第二條輔助臂轉(zhuǎn)動而改變了激光的照射方向。
對于本發(fā)明的非接觸型三維測量儀來說，如果將激光單元逆向安裝使其前側定位在后側，那么就能夠在被測對象表面上的凹進部位的內(nèi)側面附近進行坐標測量。
對于本發(fā)明的非接觸型三維測量儀來說，第一條輔助臂可以做成輕而牢固的。
進一步說來，從隨后所作的詳細敘述中，本發(fā)明的適用性范圍將變得明顯。然而應當理解，這種詳細描述和特例雖然也表示本發(fā)明的最佳實施例，但只是為了說明給出的，因為對于本領域的技術人員來說，很明顯就能從這種詳細敘述中在本發(fā)明的精神和范圍中作出各種改變和變更。
從以下所作詳細敘述和附圖中，將能更充分地理解本發(fā)明;這些敘述和附圖只是為了說明給出的，因而并不限定本發(fā)明，其中圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的激光單元10的示意圖;
圖(2a)為圖1中主要部分的放大圖，圖2(b)為沿圖2(a)中2-2線所取剖面圖;
圖3為按照本發(fā)明第二實施例構成的激光單元透視圖;
圖4為探針302端部放大圖;
圖5為圖6的局部放大圖;
圖6為按照本發(fā)明實施例的非接觸型測量儀的示意圖;
圖7(a)及7(b)為說明檢測坐標用的現(xiàn)有技術的視圖;
圖8為翼狀臂20的前正視圖;
圖9為沿圖8中9-9線所取剖視圖;
圖10(a)、10(b)及10(c)為表示輔助臂30和翼狀臂20的轉(zhuǎn)動位置和激光照射方向L間關系的示意圖;
圖11(a)、11(b)和11(c)為表示根據(jù)本發(fā)明檢測凹進部位坐標所用方法的視圖;
圖12為表示常規(guī)的非接觸坐標檢測方法的視圖;
圖13為圖6的局部放大圖;
圖14為本發(fā)明實施例的基本部分的前正視圖;
圖15為根據(jù)本發(fā)明實施例的透視圖;
圖16為表示激光單元結構的示意圖;
圖17為水平臂以及安裝在水平臂上面的輔助臂、翼狀臂和激光單元的前正視圖;
圖18(a)、18(b)和18(c)為說明如何根據(jù)本發(fā)明實施例調(diào)整激光單元和被測對象之間距離所用技術的視圖;
圖19(a)和19(b)為說明檢測坐標的現(xiàn)有技術并表示激光單元和被測對象間位置關系的視圖;
圖19(c)為表示當激光單元從圖19(a)的狀態(tài)運動到圖19(b)的狀態(tài)時，坐標變化的圖解;
圖20(a)為構成輔助臂的一對環(huán)氧樹脂蜂窩構件的前正視圖，圖20(b)為其沿圖20(a)中20-20線所取剖視圖;
圖21(a)為說明碳纖維如何粘附在這對環(huán)氧樹脂蜂窩構件上的方式的視圖，圖21(b)為沿圖21(a)中線21-21所取剖視圖;
圖22為類似于圖21(b)說明碳纖維被粘附在這對環(huán)氧樹脂蜂窩構件上的視圖;
圖23為根據(jù)本發(fā)明的夾緊機構的前正視圖;
圖24為說明安裝在該夾緊機構上的軸承如何定位的視圖;
圖25表示軸承如何安裝在其上粘附有碳纖維的一對環(huán)氧樹脂蜂窩構件一端;
圖26表示其上粘附有碳纖維的軸承和一對環(huán)氧樹脂蜂窩構件，其中該軸承被安裝在夾緊機構上面;
圖27為表示由第一信號處理電路輸出的模擬信號實例圖解;
圖28為表示由第一信號處理電路輸出的數(shù)字信號實例圖解;
圖29為一付激光防護鏡的透視圖;
圖30(a)、30(b)和30(c)為說明使用激光防護鏡測量坐標技術的視圖;
圖31為本發(fā)明的實施例的功能塊方框圖;
圖32為說明如何進行處理以防止坐標數(shù)據(jù)的雙重檢測的流程圖;
圖33為本發(fā)明另一實施例的功能塊方框圖;
圖34為表示激光單元另一實例的示意圖;
圖35(a)、35(b)和35(c)為說明當激光單元朝向測量對象運動時的位置關系以及激光斑和射在測量對象上面的輔助光斑之間關系的視圖;
圖36為參考立方體的透視圖;
圖37為說明使用參考立方體來調(diào)整原點的技術，以及使用該技術來測量被測對象坐標的技術的流程圖;
圖38為說明輔助光源裝置產(chǎn)生干擾方式的視圖;
圖39(a)為說明輔助光源裝置垂直安裝以讓該輔助光射在參考點L1上的場合下的視圖39(b)為圖39(a)的底平面圖;
圖40(a)為輔助光源裝置折疊起來的視圖，圖40(b)為圖40(a)的底平面圖。
在下面，將參照附圖對本發(fā)明進行詳細描述。圖1表示本發(fā)明應用的激光單元10的基本部分的結構。類似探針的指示裝置300，被配備用來指示所要求的檢測點是否處在被測對象100上面。
圖2(a)為詳細表示類似探針的指示裝置300的結構放大圖，圖2(b)為沿圖2(a)中的線2-2所取剖視圖。此類似探針的指示裝置300，包括牢固地安裝在例如激光單元10上的基板303、帶有內(nèi)螺紋孔301a的支承部301，以及由其后端擰緊在該支承部301的內(nèi)螺紋孔301a中且具有錐形斷面端的探針302。
基板303和支承部301是靠微弱的約束力將其相互緊固在一起的，以使當探針302觸及被測對象100時彼此很容易就能分開，避免損傷被測對象100?？窟@種微弱的約束力進行緊固，例如可以由諸如磁鐵MG之類的磁力來完成。如圖1及4中表示的那樣，探針302的頂端302a被加工成尖的。
圖6表示裝有上述激光單元10的非接觸型三維測量儀，而且與上述相同的標號表明相同或者等效的部分。在下面，將對本發(fā)明用作非接觸型三維測量儀進行描述，然而本發(fā)明并不局限于此，它同樣能用作一維測量儀，以便按非接觸條件在一維方向上測量被測對象100的長度;或者用作二維測量儀，以便按非接觸條件在二維方向上測量長度。
參見圖6，測繪縮放儀1被安裝在平臺200上，且其導軌2也被固緊在該平臺200上。測繪縮放儀1的底座3能在Y方向上沿導軌2滑動，而且滑動機架5能在Z方向上沿著豎直支承在底座3上的垂直臂4滑動。此外，水平臂6能在X方向上沿著滑動機架5滑動。
激光單元10借助于輔助臂(第一條輔助臂)30和翼狀臂(第二條輔助臂)20安裝在水平臂6的一端。翼狀臂20和激光單元10的安裝，例如可以通過螺釘擰緊。
因此，通過底座3、滑動機架5和水平臂6在上述相應方向上的滑動，可使激光單元10在平臺200上方的三維空間內(nèi)移動到適當位置。激光單元10的移動，即底座3、滑動機架5和水平臂6在上述相應方向上的滑動，可以采用適當?shù)囊阎夹g借助馬達或者通過手動操作之類來完成。
與激光單元10相連的電纜99，接在上述第一信號處理電路50上面。第一信號處理電路50則根據(jù)激光在光位置檢測元件15之上光接收位置的不同，輸出一個與激光單元10和被測量對象100之間的距離相對應的模擬信號。作為激光單元10和第一信號處理電路50，例如可以使用KeyenceKabushikiKaisha制造的激光位移門電路(LC-2320)和控制器(LC-2100)。
第一信號處理電路50接在PC機70上。第二信號處理電路60包括時間常數(shù)電路，用于將輸出延時處理加在第一信號處理電路50的輸出信號(例如激光單元10和被測對象間距離的信號)上，以防止自激震動現(xiàn)象(Chattering);倒相器電路等等。應當指出的是，第二信號處理電路60可以根據(jù)第一信號處理電路50輸出信號的響應條件、極性或諸如此類因素略去。
測繪縮放儀1包括坐標檢測機構1A，用于檢測水平臂6的坐標(換而言之即參考點L1的坐標)，其輸出信號被輸出給PC機70。當被測對象100到達參考點L1時，PC機70利用第二信號處理電路60(或者第一信號處理電路50)的輸出信號，自動采集參考點L1的坐標(即坐標檢測機構1A及時在某一點的輸出信號)，并根據(jù)需要，利用所采集的坐標信息，在陰極射線管上再現(xiàn)被測對象的輪廓形狀。這種自動采集坐標方法將在下文描述。
圖13為水平臂6以及安裝在該水平臂6上的輔助臂30、翼狀臂20和激光單元10的前正視圖。一對軸承32及34被牢固地安裝在輔助臂30的相對的兩端，而且主軸31和輔助軸33插在該軸承32和34中以便轉(zhuǎn)動。主軸31被固定在安裝于水平臂6一端的轉(zhuǎn)軸6A上以便轉(zhuǎn)動，而輔助軸33則固定在翼狀臂20上。
因此，比主軸31更后一些的端部和輔助臂30，能夠沿箭頭標志P指示的方向圍繞轉(zhuǎn)軸6A旋轉(zhuǎn)。比輔助臂30更后的端部，可以沿箭頭標志Q指示的方向圍繞主軸31轉(zhuǎn)動。此外，比翼狀臂20更后的端部，可以沿箭頭標志R指示的方向圍繞輔助軸33轉(zhuǎn)動。這些轉(zhuǎn)動部分是根據(jù)本非接觸型三維測量儀進行的坐標測量，采用已知的適合技術進行安裝的。
于是如圖5中所示，主軸31和配置在輔助臂30上的輔助軸33的安裝，是使其兩中心軸線延長線間構成的角度能為45°。當被檢測點處在參考點Lref處時，探針302被配置在由光發(fā)射部分發(fā)出的激光光軸LO的延長線和由光接收部分接收的激光光軸L1延長線之間限定的區(qū)域內(nèi)。
由于原來該區(qū)域是保證作為空著的空間的區(qū)域，不容許有電纜之類進入，以使激光肯定可以射在被測對象上，而由被測對象反射的激光肯定可被接收，所以，如果探針302配備在該區(qū)域內(nèi)，則此探針302將不會與電纜之類連上。
同時，激光單元10被安裝在翼狀臂20上，以使沿箭頭標志方向由激光單元10中射出的激光L，能與輔助軸33的中心軸線構成45°角。
因此，如圖6所示假定水平臂6是沿X方向取向的，那么，如果主軸31的中心線的取向沿X軸方向以便平行于水平臂6的中心線(圖13中的虛線表示)，則通過改變輔助臂30相對主軸31的轉(zhuǎn)動位置以及翼狀臂20相對輔助軸33的轉(zhuǎn)動位置，總可以讓由激光單元10射出的激光的照射方向L與X、Y、Z方向中的任一方向重合，如圖10(a)至10(c)所示。
此外，根據(jù)本實施例，通過讓輔助臂30沿箭頭標志P方向相對轉(zhuǎn)軸6A旋轉(zhuǎn)(圖13)，還可讓激光的照射方向射向不同于上述三條軸線的其它方向。
激光單元10的結構是使其并不從其中心部位射出激光，而從其靠近其側面的部位射出激光。當如圖11(a)所示在測量對象100表面上形成有凹進部位100c時，有可能逼近凹進部位100c內(nèi)側面的延緩角完成坐標檢測。此外，如上所述，由于激光單元10安裝在翼狀臂20上的手段可以通過螺釘，所以，如果激光單元10以其前側朝后安裝在翼狀臂20上面，那么即便凹進的部位100D是在與圖11(a)相反的方向上形成[如圖11(b)所示]的，仍有可能在許多位置上逼近凹進部位100D的內(nèi)側面完成坐標檢測。
應當指出的是，當激光單元10反方向安裝時，如圖11(b)所示，參考點Lref并不在主軸31和輔助軸33之間的交點上;但當翼狀臂20處在圖11(b)的條件下，假如此翼狀臂20被加工成能沿主軸31的中心軸線方向伸展[參見圖11(c)]，那么即便激光單元10以其前側朝后指向，仍能將激光單元10安裝成使參考點Lref可以處在主軸31和輔助軸33之間交點的位置上。
反回來參見圖13，供給能源及由激光單元10中引出輸出數(shù)據(jù)用的電纜99，經(jīng)過中空結構的輔助軸33和水平臂6的內(nèi)側伸出。此電纜是從水平臂6的后端伸出來的。由于該電纜99是以這種方式在水平臂6中提供的，故電纜99并不干擾測量操作，并可實現(xiàn)對該電纜99的保護。此外，還可減少捆扎外部電纜以將其固定所需要的導管(如絕緣帶)的數(shù)量，而且外觀也不會損壞。應當指出的是，還可使輔助臂30、主軸31等等也具有中空結構，以讓該電纜99也能伸過此中空結構的內(nèi)側。
安裝在水平臂6端部的輔助臂30、翼狀臂20和激光單元10(圖6)，必須具有重量輕的結構，以提高三維測量的精度。為此目的，其上安裝有激光單元10的翼狀臂20，具有如圖8中所示的這種框架結構。在翼狀臂20的適當位置處，鉆出供插入輔助軸33的軸孔21以及激光單元10安裝其中用的安裝孔22。此外，在正面和背面沖出長條形的凹進部分23以形成上述框架結構，為的是減小翼狀臂20的重量(參見圖9)。
由于采用這種結構，可以得到重量輕且剛性強的翼狀臂20。此外，為了實現(xiàn)進一步減輕重量和提高尺寸精度，該翼狀臂20可由金屬鎂制做。
應當指出的是，在上述實施例中，當檢測點相對于激光單元10處在參考點Lref處時，盡管該探針302被描述為配置在由光發(fā)射部分發(fā)出的激光的光軸LO和由光接收部分接收的激光的光軸L1之間限定的區(qū)域內(nèi)(與光軸LO和L1平行)，然而本發(fā)明并不局限于這種結構。此探針302也可按這樣一種方式配置，如圖3所示，僅當其能夠指示光軸LO和L1之間的交點時。
如由前所述能夠明顯地看到的那樣，根據(jù)本發(fā)明，能夠取得以下效果(1)由于探針302是配備在激光單元10上的，而且當激光單元10移動以使探針302的端部能夠指示檢測點時，檢測點和激光單元間的位置關系能夠達到予定的關系，故所要求的檢測點能夠迅速而準確地指明。
(2)如果固定在激光單元10上的探針302處于易于移動狀態(tài)，那么當該探針302接觸到被測對象時就會移動，而且將不會損傷測量對象;
(3)如果探針302以其后端部固緊在支承部301的內(nèi)螺紋孔中，則其端部的定位會非常容易;
(4)如果其上固定有探針302的支承部301和固定在激光單元10上的基板303之間是靠磁性力相互固定在一起，那么采用一種簡單的結構就能使探針302的固定處于易于移動狀態(tài);
(5)如果探針302的配置是使激光能夠射在其端部，那么很容易就能指示出檢測點。
(6)如果探針302是一個透明件，那么就能防止隨機反射光進入光接收部分;
(7)如果在探針302的端部進行弄縐(craping)，那么由于激光在此端部的反射是隨機的，故其很容易就能被肉眼觀察到;
(8)如果探針302是配置在由光發(fā)射部分發(fā)出的激光的光軸延長線和由光接收部分接收的激光的光軸延長線所限定的區(qū)域內(nèi)，則當檢測點和激光單元10之間處在予定的位置關系時，探針302不會與電纜之類接觸。
圖15為本發(fā)明實施例的透視圖。參見圖15，測繪縮放儀1000安裝在平臺2000上，而且其導軌2002被固定在該平臺2000上。測繪縮放儀1000的底座2003能在Y方向上沿導軌2002滑動，而且滑動機架2005能在Z方向上沿著豎直支承在底座2003上的垂直臂2004滑動。此外，水平臂2006能在X方向上沿滑動機架2005滑動。激光單元1010是靠輔助臂(第一輔助臂)2030和翼狀臂(第二輔助臂)2020安裝在水平臂2006的一端。翼狀臂2020與激光單元1010，可由螺釘固定在一起。
因此，通過底座2003、滑動機架2005和水平臂2006在上述對應方向上的滑動，可使激光單元1010在平臺2000上方的三維空間內(nèi)運動到適當位置。激光單元1010的運動，即底座2003、滑動機架2005和水平臂2006在上述對應方向上的滑動，可以通過相應的已知技術借助電機或手工操作來實現(xiàn)。
激光單元1010的結構，表示在圖16中。本導體激光器1012是靠半導體激光器激勵電路1011激勵發(fā)出激光的。通過光投影透鏡1013將此激光照射在被測對象1100上面。當被測對象1100位于參考點L1時，例如在激光照射方向上距激光單元1010的激光發(fā)光位置50mm處，由被測對象1100隨機反射的激光，借助光接收透鏡1014在光照位置檢測元件1015的中心部位被接收。此外，當被測對象1100靠近或者遠離參考點時，如編號1100A和1100B所示，光照位置檢測元件1015上激光的接收位置，將沿箭頭A或B的方向移動。光照位置檢測元件1015的輸出信號，通過放大器1016及1017輸出給圖15中的第一信號處理電路1050。
反回來參見圖15，接在放大器1016和1017以及激光單元1010的半導體激光器激勵電路1011上的電纜1099，被接在上述第一信號處理電路1050上。該第一信號處理電路1050被用作半導體激光器激勵電路1011的電源，并且具有輸出功能，根據(jù)激光在光位置檢測元件1015上光接收位置的不同，輸出一個激光單元1010和被測對象1100之間距離對應的模擬信號。當激光單元1010和被測對象1100之間距離變成比予置距離小或者大時，輸出數(shù)字信號來表示距離。例如由KeyenceKasushikiKaisha制造的激光位移門電路LC2320和控制器LC-2100，可被用作激光單元1010和第一信號處理電路1050。
第一信號處理電路1050通過第二信號處理電路1060接在PC機1070上。第二信號處理電路1060包括一個時間常數(shù)電路，用于將輸出延時處理加在第一信號處理電路1050的輸出信號(例如激光單元1010和被測對象間距離的信號)上，以防止自激振動現(xiàn)象;倒相器電路等等。應當指出的是，第二信號處理電路1060可以根據(jù)第一信號處理電路1050輸出信號的響應條件、極性或諸如此類因素予以省略。
測繪縮放儀1000包括坐標檢測機構1001A，用于檢測水平臂2006的坐標(換而言之即參考點L1的坐標)，而且其輸出信號被輸出給PC機1070。當被測對象1100到達參考點L1時，PC機1070利用第二信號處理電路1060(或者第一信號處理電路1050)的輸出信號，自動采集參考點L1的坐標(即坐標檢測機構1001A此時在某一點的輸出信號)，并根據(jù)需要，利用所采集的坐標信息，將被測對象的輪廓形狀再現(xiàn)在陰極射線管上。這種自動采集坐標的方法，將在下文描述。
激光防護鏡1090的配備，是為了保護測量人員的眼睛免受來自激光單元1010的激光輻射;而且蘭發(fā)光二極管1091和紅發(fā)光二極管1092被安裝在激光防護鏡1090的上部，以使其能被收容在測量人員的視場內(nèi)。激光防護鏡1090的放大視圖被表示在圖29中。蘭發(fā)光二極管1091和紅發(fā)光二極管1092，被接在第二信號處理電路1060或者第一信號處理電路1050上。而且蘭發(fā)光二極管1091和紅發(fā)光二極管1092的使用方式，將在下文敘述。
被測對象(未表示)是放在平臺2000上的，而且參考立方體1080是放在安裝于平臺2000上的平板1300上的。參考立方體1080的結構和使用方式，將在下文敘述。
圖17為水平臂2006以及安裝在該水平臂2006上面的輔助臂2030、翼狀臂2020和激光單元1010的正面視圖，全都已在圖15中表示。在圖17中，與圖15中相同的標號表示相同或等效的部分。首先，一對軸承2032和2034被緊固安裝在輔助臂2030的相對兩端，而且主軸2031和輔助軸2033分別插在軸承2032和2034中以供旋轉(zhuǎn)。主軸2031被固定在安裝于水平臂2006一端以供旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸2006A上，而輔助軸2033則固定在翼狀臂2020上。因此，比主軸2031更后一些的端部和輔助臂2030，能夠沿箭頭P指示的方向繞轉(zhuǎn)軸2006A旋轉(zhuǎn)。比輔助臂2030更后的端部，能夠沿箭頭Q指示的方向繞主軸2031旋轉(zhuǎn)。比翼狀臂2020更后的端部，能夠沿箭頭R指示的方向繞輔助軸2033旋轉(zhuǎn)。這些轉(zhuǎn)動部分是根據(jù)此非接觸型三維測量儀進行坐標測量的情況，采用相應的已知技術進行安裝的。
于是如圖14所示，主軸2031和配置在輔助臂2030上的輔助軸2033的安裝，是使其兩中心軸線延長線間構成的角度能為45°。同時，激光單元1010被安裝在翼狀臂2020上，以使沿箭頭標志L方向由激光單元1010射出的激光，能夠與輔助軸2033的中心軸線構成45°角。
如圖15中所示，假定水平臂2006是沿X方向取向的，那么，如果主軸2031的中心線的取向也沿X軸方向以便平行于水平臂2006的中心線(圖17中的虛線表示)，則通過改變輔助臂2030相對主軸2031的轉(zhuǎn)動位置以及翼狀臂2020相對輔助軸2033的轉(zhuǎn)動位置，總可以讓由激光單元1010射出的激光的照射方向L與X、Y、Z方向中的任一方向重合，如圖11(a)至11(c)所示。
在本發(fā)明的實施例中，如圖18(a)和18(b)所示，當激光沿X方向射出時，通過讓激光單元1010只在同一方向上進給而不改變激光的照射位置，就能調(diào)整至測量對象1100的距離。因此，對被測對象1100外部輪廓坐標的檢測，很容易就能由該非接觸型三維測量儀來完成。自然，盡管使用了這樣的坐標檢測方法，激光也不會垂直射在測量對象1100的被檢測坐標的位置上;由于此坐標檢測方法具備采用激光的非接觸型，故不會發(fā)生坐標位置檢測精度降低的情況。
此外，通過讓輔助臂2030沿箭頭標志P方向相對轉(zhuǎn)軸2006A旋轉(zhuǎn)(圖17)，還可讓激光的照射方向射向不同于上述三條軸線的其它方向。
此外，由于激光單元1010的結構是使其并不從其中心中位射出激光，但從靠近其側面的部位射出激光，并且當如圖11(a)所示在測量對象100的表面上形成有凹進的部位100c時，仍可能逼近此凹進部位100C內(nèi)側面的延緩角完成坐標檢測。此外，如上所述，由于將激光單元1010采用螺釘安裝在翼狀臂2020上，所以，如果激光單元1010以其前側朝后安裝在翼狀臂2020上面，那么即使凹進的部位100D是在與圖11(a)相反的方向上形成[如圖11(b)所示]的，仍有可能在許多位置上逼近100D的內(nèi)側面完成坐標檢測。
應當指出的是，當激光單元1010反方向安裝時，如圖11(b)所示，參考點L1并不在主軸2031和輔助軸2033之間的交點上;但當翼狀臂2020處在圖11(b)的條件下，假如此翼狀臂2020被加工成能沿主軸2031的中心軸線方向伸展[參見圖11(c)]，那么即便激光單元1010以其前側朝后指向，仍能將激光單元1010安裝成使參考點L1可以定位在主軸2031和輔助軸2033之間的交點上。
按照這種方式，在本實施例中，能夠迅速地且以高精度進行凹進部位內(nèi)側的測量。換而言之，干擾是小的，而且測量范圍是寬的。
此外，在本實施例中，如圖14及17所示，由于激光單元1010被安裝在翼狀臂2020上面以使參考點L1被定位在主軸2031和輔助軸2033兩中心軸線間的交點處，例如在圖10(a)至10(c)的若干視圖所示，即便翼狀臂2020和/或輔助臂2030被轉(zhuǎn)動而改變了激光的照射方向，參考點L1的位置仍不會改變。
因此，即便懸臂2020和2030中任一個發(fā)生了轉(zhuǎn)動，也不需要每次都調(diào)整測繪縮放儀1000的原點。
反回來參見圖17，供給能源及由激光單元1010中引出輸出數(shù)據(jù)用的電纜1099，經(jīng)過中空結構的輔助軸2033和水平臂2006的內(nèi)側伸出，而且是從水平臂2006的后端引出的。由于該電纜1099是以這種方式在水平臂2006中提供的，故此電纜1099并不干擾測量操作，并可實現(xiàn)對該電纜1099的保護。此外，還可減少捆扎外部電纜以將其固定所需要的導管(如絕緣帶)的數(shù)量，而且外觀也不會損壞。應當指出的是，還可使輔助臂2030、主軸2031等等也具有中空結構，以讓該電纜1099也能伸過這些轉(zhuǎn)軸的內(nèi)部。
安裝在水平臂2006端部的輔助臂2030、翼狀臂2020和激光單元1010(圖15)，必須具有輕重量的結構，以提高三維測量的精度。為此目的，用于安裝激光單元1010的翼狀臂2020，具有前述如圖8所示的這種框架結構。
其上安裝有翼狀臂2020的輔助臂2030，是由將碳纖維纏繞在作為芯體件的環(huán)氧樹脂蜂窩構件外表面制成的，并且利用夾緊裝置將軸承2032和2034緊固地安裝在此環(huán)氧樹脂蜂窩構件相對兩端上。接下去，此輔助臂2030的結構和制造過程，將參照圖20(a)、20(b)、20(a)、21(a)、22、23、24、25和26加以說明。應當指出的是，圖20(b)、21(b)和22中的剖面線被省略了。
首先，如圖20(a)和20(b)所示，將作為輔助臂3030的芯體件且具有環(huán)形的結構部分的一對環(huán)氧樹脂蜂窩構件3035，按彼此相對的關系粘附在一起。然后，如圖21(a)及21(b)所示，將碳纖維3037粘在環(huán)氧樹脂蜂窩構件3035表面上，而且碳纖維3037也被粘在環(huán)氧樹脂蜂窩構件3036的表面上。進行碳纖維粘附，例如可以通過予先將碳纖維3037配置在斷面形狀與環(huán)氧樹脂蜂窩構件3035或3036相似的陰模中，并將環(huán)氧樹脂蜂窩構件3035或3036插進陰模來完成。應當指出的是，碳纖維3037的粘附，也可在環(huán)氧樹脂蜂窩構件3035和3036彼此粘附之前完成。此后，再一次繞上碳纖維3038，并粘附在碳纖維3037上。
應當指出的是，由于碳纖維比環(huán)氧樹脂蜂窩構件3035和3036長，所以安裝軸承3032和3034用的凹進部分3039(隨后將進行描述)，將通過粘附碳纖維而形成在環(huán)氧樹脂蜂窩構件3035和3036的相對的兩端上。
在按此方式粘附碳纖維結束之后，使用如圖23表示的這種夾緊機構3110，對例如由鋁制造的軸承(滑動軸承)3032和3034進行安裝。參見圖23，首先，在第一安裝夾緊裝置3112上加工出圓柱部分3112B，以使垂直于第一安裝夾緊裝置3112中心軸的安裝面3112A能夠形成，并且在圓柱部分3112B的端部加工出陽螺紋3112C。此外，與陽螺紋3112C相對的一端加工出另一個陽螺紋3112D，而且第一安裝夾緊裝置3112就是通過將螺母3115擰緊在陽螺紋3112D上而安裝在夾緊板3111上面的。
第二安裝夾緊裝置3113被安裝在夾緊板3111上面，以使其安裝面3113A能與安裝面3112A構成45°角。此外，在安裝面3113A上，打一個垂直于安裝面3113A的孔3113B。
第三安裝夾緊裝置3114，是由圓柱部分3114A、直徑比該圓柱部分3114A小的立柱部分3114B以及加工在該立柱部分3114B一端的陽螺紋3114C構成的。在圖23中，第三安裝夾緊裝置3114是安裝在第二安裝夾緊裝置3113上的，即通過將立柱部分3114B插進孔3113B中將陽螺紋3114C與螺母3116擰緊;但在輔助臂3030被定位之前，第三安裝夾緊裝置3114是處在被卸下狀態(tài)。
為了使用這樣的夾緊機構3110來生產(chǎn)輔助臂3030，首先應如圖24所示將軸承3032裝配到夾緊機構3110的圓柱部3112B上，且在插入之后在軸承3032與安裝面3112A緊密地接觸情況下，在軸承3032上加上墊圈3117并將螺母3118擰緊在陽螺紋3112C上。
接下去，如圖25所示將軸承3034的突出部分3034A插在環(huán)氧樹脂蜂窩構件3035和3036的凹進部3039之一中[如上參照圖20(a)、20(b)、21(a)、21(b)及22所述，環(huán)氧樹脂蜂窩構件3035和3036周轉(zhuǎn)繞有碳纖維]，而且在這種情況下將軸承3034固緊在安裝面3113A上，使得固緊在第一安裝夾緊裝置3112上的軸承3032的突出部3032A能夠插入另一凹部3039中，如圖26所示。如圖26中表示的那樣，輔助臂的固定，是通過將第三安裝夾緊裝置3114的圓柱部分3114A插在軸承3034中實現(xiàn)的。其后，立柱部分3114B被插入孔部3113B中，然后將螺母3116擰緊到陽螺紋3114C上。因此，軸承3034與安裝面3113A緊密地接觸。
軸承3032及3034中制做的軸孔，是垂直于靠在安裝面3112A及3113A上的端面加工出來的。因此，當軸承3032及3034與相互間以45°角配置的安裝面3112A及3113A緊接觸時，軸承3032及3034中加工出來的軸孔之間最后也成45°角。應當指出的是，當軸承3032及3034的突出部3032A及3034A被插進凹進部3039中時，其間放入粘合劑。
在圖26表示的狀態(tài)建立之后，使用粘合劑將碳纖維纏繞在軸承3032及3034的外圍，使其能夠相互固定。通過纏繞，軸承3032及3034被固定到環(huán)氧樹脂構件3035及3036和碳纖維3037及3038上面，從而使輔助臂3030竣工。在輔助臂3030完工之后，將螺母3116及3118取下，并將此輔助臂3030由夾緊機構3110上取下。
當由KeyenceKabushikiKaisha制造的激光位移門電路(LC-2320)和控制器(LC-2100)如上所述被用作激光單元1010和第一信號處理電路1050時(圖15)，利用第一信號處理電路1050的功能，在測量對象到達參考點L1時，此時在某一點由坐標檢測機構1A(圖15)輸出的參考點L1的坐標，能夠被自動采集。接下去，將對由本非接觸型三維測量儀進行自動坐標采集的技術進行說明。首先，第一信號處理電路1050將輸出這樣一個例如圖27中表示的模擬信號。參見圖27，距離0指明測量對象已經(jīng)到達參考點L1，而且就上述型號的激光單元1010而論，此距離0對應于離激光單元1010為50mm的位置。此外，距離的正/負表示測量對象被定位在參考點L1以遠或者以近。如從圖27中明顯看到的那樣，激光單元1010的測距范圍是在參考點+/-約9mm，而且在參考點上的模擬信號是O[Ⅴ]，在相對參考點為負或者正的一側為負電壓或者正電壓。
安裝在激光防護鏡1090(圖29)上的紅發(fā)光二極管92，通過第二信號處理電路1060與第一信號處理電路1050相連，以使其當輸出負的模擬信號時能夠發(fā)光。從發(fā)光二極管的常見特性來看，紅發(fā)光二極管1092將在被測對象距參考點約為-3mm的位置至負側距離測量極限位置(即約-9mm的位置)的范圍內(nèi)發(fā)光。
第一信號處理電路1050具有輸出功能，當激光單元10和被測對象間的距離變?yōu)樾∮诨蛘叽笥谏鲜鲇柚镁嚯x時，輸出一個數(shù)字信號(接通/斷開信號)來表示所產(chǎn)生的事實。在本實施例中，如圖28所示，當被測對象定位在距參考點為1mm的位置至正側的距離測量極限位置(即約9mm位置)范圍內(nèi)時，第一信號處理電路1050發(fā)出一個信號以打開蘭發(fā)光二極管1091;但當被測對象已經(jīng)進入由參考點至負側距離測量極限位置的范圍時，將輸出另一個信號(隨后稱之為坐標數(shù)據(jù)采集信號)以采集坐標檢測機構1A(圖15)的坐標數(shù)據(jù)。
因此，假如激光單元1010向被測對象1100逼近直至被測對象1100進入相對于正側距離測量極限位置的內(nèi)側(負方向)時，蘭發(fā)光二極管1091首先被點亮[參見圖30(a)。當此激光單元1010進一步逼近直到被測對象1100進入相對于距參考點L1為1mm位置的內(nèi)側時，蘭發(fā)光二極管1091熄滅[圖30(b)];然后當被測對象1100進一步進入相對參考點L1更內(nèi)側時，將輸出一個坐標數(shù)據(jù)采集信號，且當被測對象1100到達參考點時取坐標數(shù)據(jù)。
當激光單元1010進一步逼近以使被測對象1100進入相對于約距參考點L1為-3mm位置的進一步內(nèi)側時，紅發(fā)光二極管1092點亮[圖30(C)]。當激光裝置1010進入相對于負側距離測量極限位置更內(nèi)側時，如從圖28中明顯看到的那樣，參考點L1便移出坐標數(shù)據(jù)采集區(qū)，并且坐標數(shù)據(jù)采集區(qū)，并且坐標數(shù)據(jù)采集信號消失。因此，當激光單元1010隨后再沿正方向移動而遠離該負側距離測量極限位置時，再一次產(chǎn)生坐標數(shù)據(jù)采集信號，而且在負側距離測量極限位置處的坐標數(shù)據(jù)被采集到。其結果是使具有誤差約9mm的信號被輸入了，因此，為了避免這種狀況，當被測對象1100逼近參考點L1近處時，讓紅發(fā)光二極管1092及時在某一點發(fā)光，以便向此非接觸型三維測量儀的操作人員發(fā)出警告。具體說來，當紅發(fā)光二極管1092被點亮時，如果立刻操作測繪縮放儀1000(圖15)以使激光裝置1010離開，那么就可防止對坐標數(shù)據(jù)的雙重檢測。
應當指出的是，假如第一信號處理電路1050具有這樣一種功能-即使激光單元1010和被測對象1100之間距離變?yōu)樾∮诨蛘叽笥谟柚貌顣r，指示這種情況的數(shù)字信號不會立即輸出;但當上述距離維持在約1秒之后時，則輸出一個信號，于是，如果將此功能應用在被測對象1100沿負方向進入而遠離負側距離測量極限位置的情況下，那么即便此激光單元1010過度逼近被測對象1100直到紅發(fā)光二極管1092瞬間熄滅，通過讓激光單元1010在約1秒間隔之前離開被測對象1100，就可以防止對坐標數(shù)據(jù)的雙重檢測。
圖31為本發(fā)明實施例的功能方框圖。參見圖31，與圖15中相同的標號表示相同或等效的部分。作為激光單元1010輸出數(shù)據(jù)的距離信號，被輸入蘭光區(qū)識別裝置3301和紅光區(qū)識別裝置3302。蘭發(fā)光區(qū)識別裝置3301，能夠識別被測對象的位置是否定位在從距參考點為1mm的位置到正側距離測量極限位置的范圍內(nèi)，并在作出肯定性判斷的情況下。蘭發(fā)光二極管1091被激勵和點亮。同時，紅發(fā)光區(qū)識別裝置3302，能夠識別被測對象是否定位在從距參考點約為-3mm的位置到負側距離測量極限位置的范圍內(nèi)，并且在作出肯定性判斷的情況下，紅發(fā)光二極管1092被激勵和點亮。
當被測對象更接近地逼近參考點時，倒相器3305產(chǎn)生一個輸出信號。門電路3307受該倒相器3305輸出信號的觸發(fā)，于是將由坐標檢測裝置3308(坐標檢測機構1A)輸出的坐標數(shù)據(jù)(X、Y、Z坐標數(shù)據(jù))輸出給坐標存儲器3309。圖象再現(xiàn)裝置3310使用存儲在該坐標存儲器3309中的坐標數(shù)據(jù)，利用相應的已知技術再現(xiàn)該輪廓。其結果是產(chǎn)生一個輸出信號給顯示器3311，并在上面進行顯示。門電路3307、坐標存儲器3309、圖象再現(xiàn)裝置3310以及顯示器3311，都是PC機1070(圖15)具有的功能。
使用上述結構，盡管當紅發(fā)光二極管1092點亮時激光單元1010必須立即離開被測對象，但是通過執(zhí)行圖32所示處理程序，就可防止坐標數(shù)據(jù)的雙重檢測。該程序可由PC機1070執(zhí)行。
參見圖32，首先在步驟S1，將識別標志復位到“0”。在步驟S2，將距離數(shù)據(jù)D即激光單元1010的輸出數(shù)據(jù)(至被測對象距離的數(shù)據(jù))輸入。在步驟S3，識別距離D是否在從距參考為為1mm到正側距離測量極限的范圍之內(nèi)。在作肯定性判斷情況下，在步驟S4，蘭發(fā)光二極管1091被點亮;但在作否定性判斷的情況下，在步驟S5，蘭發(fā)光二極管1091被熄滅。
在步驟S6，識別距離D是否在從距參考點為-3mm到負側距離測量極限的范圍之內(nèi)。在作肯定性判斷的情況下，在步驟S7，紅發(fā)光二極管1092被點亮;但在作否定性判斷的情況下，在步驟S8，紅發(fā)光二極管1092被熄滅。
在步驟S9，識別距離D是否具有正值，即距離D是否在從0mm到正側距離測量極限的范圍之內(nèi)。在作肯定性判斷的情況下，在步驟S10，識別標志F被置“1”。
在步驟S11，斷定識別標志F是否為“1”，而且如果識別標志F為“1”，那么在步驟S12，識別距離D是否已變?yōu)樨?。如果距離D為負的數(shù)據(jù)，那么在步驟S13，參考點L1的坐標數(shù)據(jù)被取下，而且隨后在步驟S14，識別標志F被復位到“0”。其后，程序返回到步驟S2。如果在上述步驟S11或S12中作出的是否定性判斷，那么程序也返回到步驟S2。
執(zhí)行這種程序的本發(fā)明的另一實施例的功能方框圖，表示在圖33中。參見圖33，與圖31中相同的標號表示相同或等效的部分，因而對其描述在此省略。正區(qū)域識別裝置3303，利用激光單元1010的輸出數(shù)據(jù)，識別被測對象的位置是否在從參考點到正側距離測量極限的范圍之內(nèi)。在作肯定性判斷的情況下，正區(qū)域識別裝置3303激發(fā)識別標志發(fā)生器3304將識別標志F設置為“1”(即產(chǎn)生識別標志)?！芭c”門3306由所產(chǎn)生的識別標志打開。
當被測對象更近地逼近參考點時，倒相器3305產(chǎn)生一個輸出信號。因此，當被測對象是在產(chǎn)生識別標志之后更近地逼近參考點時，由“與”門3306中產(chǎn)生一個輸出信號，以使門電路3307被打開，因而由坐標檢測裝置3308輸出的坐標數(shù)據(jù)，將被輸出給坐標存儲器3309。在坐標數(shù)據(jù)被存儲之后，坐標存儲器3309將識別標志發(fā)生器3304斷開阻止識別標志的產(chǎn)生。
按照這種方式，在本例中，由于坐標數(shù)據(jù)的雙重檢測可以通過過量逼近被測對象來防止，所以紅發(fā)光二極管1092不需要特別進行點亮。此外，盡管如上所述蘭發(fā)光二極管1091和紅發(fā)光二極管1092是裝在激光防護鏡1090上的，然而也可以裝有任何部位，只是當由激光單元1010射在被測對象上的激光被看到時，它們也能同時被用肉眼觀察到。具體說來，例如可將它們裝有被測對象附近。
雖然測量人員通過肉眼觀察蘭發(fā)光二極管1091和紅發(fā)光二極管1092發(fā)光時的照明狀況就能簡單地控制激光單元1010的位置，然而測量人員總是需要用肉眼觀察既由激光單元1010射在被測對象上面的激光，又來自蘭發(fā)光二極管1091和紅發(fā)光二極管1092的光。
另一方面，在下述實例中，對于激光單元1010位置進行控制，只要通過簡單地用肉眼觀察僅在被測對象坐標測量位置附近的局部就能完成。圖34為表示另一例激光單元的示意圖。參見圖34，與圖16中相同的標號表示相同或者等效的部分。如從圖34中明顯看到的那樣，在本激光單元1010A中配備有輔助光源裝置1018。該輔助光源裝置1018包括輔助光源(例如高亮度的發(fā)光二極管)1018A、光纖1018B和透鏡1018C。安裝透鏡1018C是為了不對激光射入光位置檢測元件1015的光路造成干擾，而且透鏡的結構和安裝位置是使其能將輔助光源1018A射出的光S變成類似于半導體激光器1012發(fā)出的激光L的大體平行光，而且光S是射在參考點L1上的。
當激光單元1010A朝被測對象1100移動時，激光單元1010A和被測對象1100間的位置關系，以及照射在被測對象1100上的激光光斑和輔助光光斑間的關系，表示在圖35(a)、35(b)和35(c)中。應當指出的是，照射在被測對象1100上的激光光斑和輔助光光斑的直徑，分別為0.4mm和4mm。
首先如圖35(a)所示，當參考點L1遠離被測對象1100且留有空間時，輔助光的光斑SP和激光光斑LP處在不同的位置。假如激光單元1010A由此位置逐漸向被測對象1100移動，那么光斑SP就會向光斑LP靠近。
當參考點L1到達被測對象1100表面時，輔助光的光斑SP移動到光斑LP位置(即變成與其同心)，使其中心能同激光光斑LP的中心重合[如圖35(b)所示]。假如激光單元1010A由該狀態(tài)進一步朝著被測對象1100移動，那么如圖35(c)所示，此光斑SP將移向與圖35(a)中相反的一側。
根據(jù)這種方式，假如所使用的激光單元1010A上配備有輔助光源1018，那么不采取激光防護鏡1090上的蘭發(fā)光二極管1091和紅發(fā)光二極管1092措施也能很快地完成被測對象1100的坐標測量。當然，根據(jù)這種測量方法，采用蘭發(fā)光二極管1091及紅發(fā)光二極管1092進行激光單元位置識別的方法，可以另外提供。
如圖38所示，當輔助光S相對被測對象1100的照射角減小使得輔助光源裝置1018到達恰好觸及被測對象1100之前的狀態(tài)(隨后稱之為“抵觸”)時，那么就不可能再讓激光單元1010進一步朝被測對象1100移動以進行坐標檢測。然而，假如輔助光源裝置1018被做成能折疊的以減小它從激光單元1010向外突出的量，那么就有可能讓激光單元1010進一步趨近被測對象1100進行測量。自然，在這種情況下，靠使用輔助光進行定位是不能實現(xiàn)的。
圖39(a)、39(b)、40(a)和40(b)為表示配備有能折疊的輔助光源裝置1018的激光單元1010A的視圖。圖39(a)為表示輔助光源裝置1018直立而將輔助光S射向參考點L1的狀況，圖39(b)為圖39(a)的底平面圖。圖40(a)為表示輔助光源裝置1018被折疊狀態(tài)的視圖，圖40(b)為圖40(a)的底平面圖。
如從圖39(a)、39(b)、40(a)及40(b)中明顯看到的那樣，框架1018D被緊固地安裝在激光單元1010A的外殼上，其上裝有發(fā)射輔助光S用的透鏡1018C的臂1018E的安裝，是讓其在框架1018D上能夠轉(zhuǎn)動。該框架1018D將轉(zhuǎn)動臂1018E支承住，是為了讓此臂1018E能在不同于包含激光照射方向L和激光反射方向的平面的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。
因此，根據(jù)輔助光源裝置1018發(fā)生抵觸的事實，如將臂1018E轉(zhuǎn)向激光單元1010A一側，則其從激光單元1010A中向外突出的量可以減少而不會干擾激光的光路，并且可能讓激光單元1010A進一步趨近被測對象以進行坐標檢測。
應當指出的是，在涉及圖34的敘述中，雖然輔助光源1018A是裝在激光單元1010A內(nèi)側的，當然，輔助光源1018A也可以裝在激光單元1010A的外側。
在圖15中，假如被測對象的所有坐標在不需改變激光單元1010在水平臂2006上安裝位置的情況下全都可以測量，那么被測對象的輪廓形狀只能從被測對象上面各點坐標的相互位置關系中進行識別;但由于被測對象具有三維形狀，所以，如果激光是按確定的方向照在被測對象上譬如在其前表面一側進行坐標測量的，那么就必須將激光的照射方向改變到譬如相反的方向在被測對象的后表面一側進行坐標測量。當試圖以更高的精度對被測對象進行坐標測量時，必須將激光的照射方向改變?nèi)位蛘吒啻巍?br> 在這里，如上參照圖14所述，如果激光單元1010安裝在翼狀臂2020上以使參考點L1能被定位在主軸2031和輔助軸2033兩中心軸線的交點上，那么即便翼狀臂2020和/或輔助臂2030轉(zhuǎn)動以改變激光的照射方向，參考點L1的位置也不會變化。因此，即使轉(zhuǎn)動臂2020和2030，也不需要每次都對測繪縮放儀1000的原點進行調(diào)整。
然而當兩臂2020及2030并不具有上述結構時，如果激光單元1010的安裝位置改變，那么參考點L1的位置將因這種改變而發(fā)生位移，因此，已經(jīng)成為普通慣例的是，每次改變激光單元1010安裝位置時都要進行下述這樣的原點調(diào)整。
具體說來，對原點進行調(diào)整，是在使用三維測量儀進行坐標測量之前讓激光單元的參考點與被測對象予定位置處標志出來的點重合，然后將由測繪縮放儀輸出的坐標(X，Y，Z坐標)設置作為原點。于是，每次當激光單元1010在測繪縮入儀I上的安裝位置改變時，都必須進行原點調(diào)整。
根據(jù)原點的調(diào)整，假如使位于激光輻射方向上的參考點L1同瞄準的標志點重合，那么該參考點L1的X、Y、Z坐標同時也就被確定。在這里，即使當參考點L1的位置由于激光照射方向改變而發(fā)生變化時，如果激光的照射方向是沿X、Y、Z軸中任一軸線的方向取向的，那么就能很容易地讓參考點同前述予定點重合(參見圖14至17)，因此原點調(diào)整也容易。
然而，當激光照射方向不是指向X、Y、Z軸方向中任一方向時，為了讓參考點L1能同該標志點重合，激光單元必須沿三條軸的方向同時移動，因而其定位是麻煩的。此外，對于采用激光的非接觸型三維測量儀來說，由于坐標檢測可以高精度進行，所以上述定位也必須精確進行，是不方便的。
此外，當被測對象是由粘土制成的，而且標志是靠刻線加到被測對象表面上的，由于在刻線部分會形成凹進和凸起，所以精確的原點調(diào)整是困難的。
接下去將介紹一種原點調(diào)整方法，其中原點的X、Y、Z坐標是依次確定的。在具有某種結構的三維測量儀中，當激光的照射方向改變時，參考點L1的位置發(fā)生移動，可以通過將參考點不是調(diào)整在一點而是調(diào)整在一予定平面上，以便克服上述缺陷。應當指出的是，本原點調(diào)整方法可被應用的情況是，由激光單元1010射出的激光的照射方向L并不同圖10(a)至10(c)表示的X、Y、Z方向中的任一方向重合。因此，與水平臂2006(圖15)相連的翼狀臂2020和輔助臂2030的部分以及激光單元1010，不需具有圖14那樣的結構。
圖36為供上述原點調(diào)整方法使用的參考立方體1080的透視圖。參見圖36，支承桿1083是插在座1082上的，而且立方體1081是放在支承桿1083上的。該立方體1081是一個平行六面體，其中除底面外的五個面之間平面度、平行度和垂直度都是精確設定的。此外，立方體1081的頂面被設置為平行于座1082的底面。該參考立方體1080被放在平臺2000上，如圖15所示。應當指出的是，當測繪縮放儀1000不能比激光單元1010的參考點低很多時，要配備上述支承桿1083。因此，當參考點可以降低到貼近平臺2000的位置時，特別是即使把立方體1081直接放在平臺2000上面時，如果參考點L1能夠相對立方體1081除底面外的五個面運動，那么支承桿1083和座1082就不需要。
圖37為說明利用參考立方體1080進行原點調(diào)整的技術，以及利用該技術測量被測對象坐標技術的流程圖。首先在步驟S51，參考立方體1080相對于由測繪縮放儀1000(圖15)限定的坐標系精確定位。具體說來，將參考立方體1080在其不會對被測對象(未表示)的坐標測量造成干擾的位置處放到平臺2000上，使立方體1081除底面外的五個面單獨平行于由測繪縮放儀1000(圖15)所限定的X-Y平面、X-Z平面和Y-Z平面。立方體1081的八個隅角之一的頂點，成為原點。
在步驟S52，通過適當?shù)姆椒ǎ瑴y量靠刻線或諸如此類手段予先在被測對象上面標志的點(隨后稱之為“標志點”)和原點之間的位置關系。
在步驟S53，進行激光單元1010的角度調(diào)整，使激光的照射方向L可沿著不同于X、Y、Z軸方向的方向射出。通過這種調(diào)整，可能將激光照射到參考立方體1080除底面外的三個相鄰面(即X-Y平面、X-Z平面和Y-Z平面)上。
在步驟S54，激光被射在X-Y平面上以將參考點L1調(diào)整到該平面上。在步驟S55，由測繪縮放儀1000輸出的Z坐標隨后被取出。與此相似，在步驟S56和S57以及S58和S59，參考點L1被調(diào)整到X-Z平面和Y-Z平面，由測繪縮放儀1000輸出的Y坐標和X坐標隨后被采集。利用在S54至S59這些步驟中通過處理得到的X、Y、Z坐標以及在必要場合下還有立方體1081的邊長，就可確定原點的坐標。
在步驟S60，執(zhí)行被測對象的坐標測量。于是被測量坐標通過利用步驟S54至S59中檢測到的原點坐標進行修正。在步驟S61，判斷是否需要對激光單元1010的角度進行調(diào)整。假如需要進行角度調(diào)整，則該程序返回到步驟S53。然而如果不需要進行角度調(diào)整，那么該程序就到達終端。
由于原點的坐標只是通過將激光的參考點L1調(diào)整到參考立方體1080的三個相鄰面上進行檢測，所以，即使激光的照射方向并不沿這些坐標軸中任一坐標軸射出時，對原點進行調(diào)整也是容易的。特別是由于只需使參考點L1與立方體81的一個面重合，故即使激光并不射在三條軸線方向中任一方向上，通過讓激光單元1010沿坐標軸方向之一移動，就能將參考點L1定位到被瞄準的面上。因此，同使參考點與標志點重合的通常技術相比，此原點調(diào)整很容易就能進行。
應當指出的是，上述步驟S52的程序可以省略。此外，盡管前面提到立方體1081除底面外的五個面可被利用，但是假如激光可以向上照射，那么原點的坐標當然可以利用該立方體1081的底面來檢測。
對于根據(jù)本發(fā)明相應的非接觸型三維測量儀來說，由于激光的照射方向可以射向構成坐標系的三條軸的所有方向，所以，如果激光予先射在測量對象所予定的位置，那么只需沿激光照射方向移動激光單元，就能將參考點移動到所予定的位置。因此，對于被測對象被瞄準位置坐標的檢測，很容易就能進行。
對于根據(jù)本發(fā)明相應的非接觸型三維測量儀來說，由于參考點的位置即便激光照射方向改變時也不發(fā)生變化，所以每次在照射方向改變時并不需要對原點進行調(diào)整。因此，由此非接觸型三維測量儀進行坐標測量是容易的。
對于根據(jù)本發(fā)明相應的非接觸型三維測量儀來說，由于坐標測量可以在被測對象表面上凹進部位的內(nèi)側面附近進行，所以很容易并以高精度進行凹進部位內(nèi)側的測量。換而言之，甚至在凹進部位處進行測量，干擾也是小的，而且可進行測量的范圍是寬的。
對于根據(jù)本發(fā)明相應的非接觸型三維測量儀來說，由于第一輔助臂可以做成重量輕而且堅固的，所以上面安裝有第一輔助臂、激光單元和其它零件的測繪縮放儀的結構不需要做成特別堅固。該非接觸三維測量設備的構成，可以利用被應用在使用探針的接觸型三維測量儀上的現(xiàn)有制成的測繪縮放儀。
權利要求
1.一種非接觸型位置檢測設備，其特征在于包括帶有光發(fā)射部分和光接收部分的激光單元，用于將激光照射到被測對象的檢測點并接收由該檢測點反射的激光，以判明至該檢測點的距離；一條能使上述激光單元至少在直角坐標系的一條軸線方向上移動的臂，以及用于檢測上述臂的坐標的坐標檢測機構，其中當該檢測點和上述激光單元間的位置關系達到予定關系時，該檢測點的坐標根據(jù)上述臂的坐標判定；上述激光單元包括類似探針的指示裝置，當該檢測點和上述激光單元達到予定的位置關系時，指示裝置用于指示由上述激光發(fā)射部分射出的激光光軸延長線和由上述光接收部分接收的激光光軸延長線之間的交點。
2.根據(jù)權利要求1的非接觸型位置檢測設備，其特征在于所述的類似探針的指示裝置是易于移動地固定到上述激光單元上的。
3.根據(jù)權利要求1的非接觸型位置檢測設備，其特征在于所述的類似探針的指示裝置，包括固定在上述激光單元上的基板，帶有內(nèi)螺紋孔并以比較微弱的吸持力固定在上述基板上的支承部，以及擰緊在該支承部的上述內(nèi)螺紋孔中的探針。
4.根據(jù)權利要求2的非接觸型位置檢測設備，其特征在于所述的類似探針的指示裝置，包括固定在上述激光單元上的基板，帶有內(nèi)螺紋孔并以比較微弱的吸持力固定在上述基板上的支承部，以及擰緊在該支承部的上述內(nèi)螺紋孔中的探針。
5.根據(jù)權利要求3的非接觸型位置檢測設備，其特征在于所述的基板和支承部，是靠磁性力將其彼此固定的。
6.根據(jù)權利要求1的非接觸型位置檢測設備，其特征在于所述的類似探針的指示裝置的配置，是使激光能被照射在其端部。
7.根據(jù)權利要求1的非接觸型位置檢測設備，其特征在于所述的類似探針的指示裝置，是由透明材料構成的。
8.根據(jù)權利要求7的非接觸型位置檢測設備，其特征在于所述的類似探針的指示裝置的端部被加工成折縐的。
9.根據(jù)權利要求1的非接觸型位置檢測設備，其特征在于所述的類似探針的指示裝置，當該檢測點和上述激光單元處在予定的位置關系時，是裝插在由上述光發(fā)射部分射出的激光光軸延長線和由上述光接收部分所接收的激光光軸延長線之間限定的區(qū)域中的。
10.一種非接觸型三維測量儀，包括一條能沿直角坐標系的坐標軸方向移動的臂、安裝在上述臂一端以檢測至被測量對象距離的激光單元，以及用來檢測上述臂坐標的坐標檢測機構，其特征在于進一步包括一條安裝在上述臂上面的主軸，使其中心軸線的方向沿坐標軸之一的方向定向;配備有第一輔助臂，以在上述主軸上面轉(zhuǎn)動;安裝在上述第一輔助臂上的輔助軸，使其相對上述主軸構成45°角;配備有在上述輔助軸上面轉(zhuǎn)動的第二輔助臂，以及激光單元安裝機構，為將上述激光單元安裝在上述第二輔助臂上面，以將從上述激光單元射出的激光的方向定位為相對上述輔助軸大致構成45°角。
11.根據(jù)權利要求10的非接觸型三維測量儀，其特征在于所述的激光單元安裝機構，將上述激光單元安裝在上述第二輔助臂上，使得處在激光照射方向上予定距離的參考點，能被定位在上述主軸和上述輔助軸之間的交點上。
12.根據(jù)權利要求10的非接觸型三維測量儀，其特征在于所述激光單元的結構，是使由其并非中心位置的位置射出激光，而且上述激光單元安裝機構能將上述激光單元相對其前后側逆向安裝。
13.根據(jù)權利要求10的非接觸型三維測量儀，其特征在于所述的第一輔助臂，包括由環(huán)氧樹脂蜂窩構件制成的芯件、一對安裝在上述芯件相對兩端的軸承，以及繞在上述芯件和上述軸承表面上的碳纖維。
全文摘要
非接觸型位置檢測設備，包括帶有光發(fā)射部分和光接收部分的激光單元，用于將激光照射到被測對象的檢測點并接收由該檢測點反射的激光，以判明至該檢測點的距離。一條能使激光單元至少在直角坐標系的一條軸線方向上移動的臂。坐標檢測機構，用于檢測此臂的坐標。當該檢測點和激光單元間的位置關系達到預定關系時，依此臂的的坐標判定該檢測點的坐標。激光單元含類似探針的指示件，用以指示由光發(fā)射部分發(fā)出的激光光軸延長線和由光接收部分接收的激光光軸延長線間的交點。
文檔編號G01B11/00GK1078550SQ9310298
公開日1993年11月17日 申請日期1993年3月24日 優(yōu)先權日1992年4月7日
發(fā)明者高木清, 栗原敏雄, 桑畑正市, 大森和夫, 遠山敦實, 大庭威 申請人:本田技研工業(yè)株式會社