CN1218177A - 用于大型零件的便携式激光数字化系统 - Google Patents

Abstract

一种用于产生大型及/或复杂零件的高精度面扫描的系统,采用一诸如用于铣削零件的机床的主机、一与主机连接的数字化头及一跟踪与数字化头连接的立体反射镜位置的远程激光跟踪系统。

Description

用于大型零件的便携式激光数字化系统

本发明涉及用于产生大型零件或具有复杂几何形状的零件的高精度表面扫描的便携式激光数字化系统。

诸如飞机这样的大的产品自主模型开始构造。当今，产品的零件是在计算机上进行设计的，而主模型通过描述产品表面的由计算机处理的数据组构成。

但是，在计算机得到广泛应用之前，这些主模型通常是手工制作的石膏和胶合板模型。例如，本发明的受让方波音公司拥有许多存于遍布全国的不同仓库中的用于飞机机翼和其它大型零件的大型石膏主模型，由此导致高昂的储存和维护费用。由于它们中的大部分或全部是由手工制作的主模型，因此没有针对零件的数据组，要使主模型计算机化必须进行零件的反求设计，从而要确保防止主模型的丢失或损坏。所以需要一种便携式、高精度、数字化的系统，可在现场产生这些手工制作的主模型的表面图，因此免除了把大型的、无可替代的零件运输到扫描现场时的危险和费用。当产生并得到数据组后，就不再需要主模型了，可以将其毁掉，从而减少存放费用。

除了用于反求法设计零件，数字化系统也用于检测制造完成的零件以保证其在所要求的公差范围内制造，还用于产品设计和刀具开发。

有许多可进行表面扫描的装置，其可以是接触式的也可以是非接触式的系统。接触式系统采用可直接测量零件的接触探头或采用使用激光器检测被放置成和所测零件表面接触的目标物之间的距离的方法。虽然接触式系统非常精确，但是其分辨率被探头(通常为3毫米(1/8英寸)的球体)或目标物(如38毫米(1.5英寸)的反射镜)的尺寸所限制。此外，采用接触式系统测量具有柔性或非刚性表面的零件时会带来使所测表面发生变化或使其变形的危险。接触式系统的例子包括坐标测量机(CMM)、计算机辅助经纬仪(CAT)及激光跟踪系统。

非接触式系统通常采用诸如在激光数字化头中的激光器或其它光学装置，并且不与所测零件的表面接触。

虽然有许多尺寸检测装置，但它们很少能够以高分辨率精确地处理大型零件或具有复杂几何形状的零件。为得到最大分辨率，处理大型零件的装置需要高昂的温度和湿度控制设施。

坐标测量机(CMM)，例如由Brown&Sharpe of North Kingstown,RI制造的Chameleon及Xcel型号、意大利DEA-Brown&Sharpe SpA ofTorino制造的Delta、Bravo及Lambda型号和Mitutoyo U.S. of Aurora,IL制造的Bright系列，普遍在航天工业中用于尺寸检测。它们一般包括大型花岗石块基座和精密三轴运动驱动器。为保证其精确性，它们通常工作于恒温室内并安装在可隔振的底座上。CMM采用已知长度和直径的与零件接触的接触探头，而X、Y和Z轴位置被记录下来以备将来检查。除不能便携外，CMM的问题还包括高昂的设备和维护费用、机械限制以及对于大型零件不能确保其精确性，因为温度或湿度的轻微变化会累加于CMM的工作外壳上。

三轴和五轴铣床也可用于测绘零件的表面。相同类型的用于CMM的接触探头可用于铣床进行测量。当采用铣床测量零件时，由操作员操纵铣床控制器使接触探头在零件表面上运动。Z向偏移数据由接触探头采集，而X、Y和Z轴位置通过铣床的内部机械位置传感器得到(例如马达旋转的若干圈数等于运动的已知距离)。这一系统同样包括CMM所具有的缺少便携性和热不精确性的问题，此外，如果加工零件的同一机床后来又用于测量，则若机床和所测零件位于同一的相对位置时，铣床的不精确性将无法从测量结果中发现。如果机床和所测零件不在同一的相对位置，或者采用与加工所用机床不同的机床进行测量，则铣床的不精确性将使误差过大或记录下并不存在的误差。无论如何，它们不能保证精确地测量和记录零件的尺寸特性。

摄影测绘系统、经纬仪和计算机辅助经纬仪(CAT)均采用具有已知关系的光学装置对放置于所测零件上的目标物的X、Y及Z向位置进行三角测量，摄影测绘系统，例如有由瑞士Leica AG of Heerbrugg制造的样品SD2000和SD3000，以及由Vexcel of Boulder，CO制造的FotoG-FMS；经纬仪，例如有由瑞士Leica AG of Heerbrugg制造的样品NA820、NA824和NA828以及由Nikon,USAof Melville,NY制造的样品NT-4D；计算机辅助经纬仪，例如有由瑞士Leica AG of Heerbrugg制造的样品T460、由日本Topconof Tokyo制造的样品GTS-500和GTS-700以及由Nikon USA ofMelville,NY制造的样品DTM-400。这三种系统都是能够精确测量大型和复杂零件的便携系统，但由于需要在零件上布设大量目标物并且需花费时间把数据转换为可用格式，因此它们既费时又费力。例如，对于具有三十平方英尺表面的零件，一般需要三天时间以六英寸网格布局和测量零件并返回X、Y、Z向数据。更大的零件和/或更小的网格将耗费更多的时间。

由加拿大Hymarc Ltd.,of Ottawa,Ontario制造的Hyscan激光数字化头是一种非接触式系统，其设计为可安装于CMM或诸如铣床的其它传动装置上。由Hyscan数字化头代替接触探头进行测量。Hyscan并非采用接触探头机械地测量至所测零件表面上某点的距离，而是采用光栅激光束和局部三角测量计算至所测零件表面的偏移值。Hyscan激光扫描器以0.025毫米(0.001英寸)的精度在每秒6144点的连续速率下采集表面数据。采用以摆锤式运动前后扫描并高精度地快速“绘”出表面特征的摆动激光束逐点得到数据。采用同步运动镜面系统和精确三角测量技术计算每一点。运动镜面扫描穿过零件的激光束。光束通过一系列镜面和一透镜从零件表面反射到电荷耦合器件(CCD)阵列上。CCD阵列上被反射的激光束射中的位置被转化成与主机的内部X、Y和Z坐标合成的偏移值以产生数据组。虽然Hyscan数字化头以高分辨率采集高精度的偏移数据，但其总体精度和测量范围却依赖于CMM或其它的传动装置。

组约Hauppange的Robotic Vision系统公司(RVSI)制造了一种具有非接触式分离束激光数字化头的三轴台架。该数字化头设置了加到台架内部的X、Y和Z向位置上的Z向偏移值。类似于CMM，由于热不精确性，其设备和维护费用高昂，并且类似于Hyscan,RVSI系统精度依赖于台架的内部、机械装置、位置传感器。

除了专用的扫描系统，诸如瑞士Heerbrugg的Leica AG制造的Smart 310的3-D激光跟踪系统已用于扫描零件。激光跟踪系统是高精度、低分辨率的接触式系统，其采用便携柱式安装的激光器跟踪并返回置于被扫描面上的反射镜的位置数据。由于采用人工沿被测面移动反射镜测量表面，因此可能产生人工定位误差而降低精度。反射镜的运动由从激光头向反射镜投射激光束进行跟踪。只要反射镜不动，激光束就几乎直接沿着其发射轨迹反射回激光头。当反射镜移动时，激光束就不再射中反射镜的光心。反射镜使反射光束沿平行轨迹返回激光头。发射和返回激光束之间的平行偏移用于确定反射镜移动的距离和方向。平行偏移由位置传感器确定，位置传感器是测量头内部的一种二维位置灵敏光电二极管。平行偏移信息也为激光跟踪系统所用以使激光束返回指向反射镜的中心。Smart 310每秒钟能够进行1000次这样的更新，因此允许连续跟踪反射镜运动的任何轨迹。

在激光跟踪系统中采用干涉仪进行面扫描测量。利用各种干涉仪都不能得到绝对距离。由于通过条纹计数进行测量，因此仅可能确定距离的变化。所以，为采用具有干涉仪的激光跟踪系统测量绝对距离，测量必须始终以将反射镜置于绝对距离已知的点上开始。然后将干涉仪条纹计数脉冲加到这一初始距离或从初始距离将其减去以得到实际距离的测量结果。由于激光跟踪系统为达到精度的要求需采用反射镜，而反射镜的尺寸，通常直径为38毫米(1.5英寸)或更大，限制了可被检测的表面细部的尺寸，也就是说，不能测出小于反射镜的表面细部的变化，因为反射镜不能与表面细部相适应。

现有的尺寸检测装置都不能同时具备低成本、便携、高分辨率、高精度并可处理大型零件或具复杂几何形状的零件的能力。因此，需要一种尺寸检测装置，其可便携并且不必费时费力地安装，而且能以高精度和高分辨率处理大型零件及/或具有复杂几何形状的零件。

本发明提供了对极大零件及/或具有复杂几何形状的零件的高分辨率、高精度的表面扫描，却不必借助于恒温室或是大量且费时的安装及校准过程，而是通过向主机连接一便携数字化头以高分辨率扫描零件表面，当数字化头沿零件表面移动时采用便携式激光跟踪系统精确地跟踪数字化头的位置。从激光跟踪系统得到的表示数字化头位置的高精度数据与从数字化头得到的高分辨率面扫描数据组合，从而形成高分辨率、高精度的零件表面扫描。

通过联系附图参考下面的详细描述，将会更加清楚地明白本发明的前述方面和许多附带的优点，其中：

图1是本发明一装置的示意图；

图2是本发明表面扫描过程的流程图；

图3是用于本发明优选实施例的数字化头的示意图；

图4是图3中数字化头沿零件表面扫描的局部顶透视图；

图5是用于本发明优选实施例的激光跟踪系统的示意图。

参照图1，本发明采用主机10在被扫描零件30的表面上方移动数字化头20。与数字化头20连接的是反射镜40。激光跟踪系统50采用由激光跟踪系统50发射并由反射镜40反射回的激光束跟踪数字化头20的位置。从激光跟踪系统50得到的极位数据被送至数据格式转换器60，数据格式转换器60先把极化数据转换成笛卡尔形式，然后再转换成编码数据格式以便数字化头控制器25使用。从数字化头20得到的表面扫描数据被送至数字化头控制器25，与从数据格式转换器60转换的位置数据“组合”，从而产生所扫描零件30的高分辨率和高精度的表面图。

在优选实施例中，主机10是由IL，ROCKORN的Ingersoll铣床公司制造的95英尺的五轴特形铣，但也可以是任何能用来定位数字化头20的装置，并且其尺寸范围可从有轨电车安装平台或更大的尺寸一直到便携机械手那样的小尺寸；优选实施例的主机具有X和Y轴导架，用于定位数字化头20的垂直Z轴支承柱13。优选的数字化头20是加拿大Ottawa,Ontario的Hymarc公司供应的Model 25 Hyscan扫描器；激光跟踪系统50是瑞士Heerbrugg的Leica公司制造的Smart 310。

图2描述了典型表面的扫描顺序。步骤100中，扫描零件被置于工作区70中，并且数字化头20连接到主机10上，工作区70是主机10可在其中定位数字化头20的空间容积。

步骤110中，通过用数字化头20扫描位于工作范围70中的参考目标80(优选实施例中为三英寸直径的理想球体)为系统建立了公共坐标基准。实际上，球体只有一部分被扫描到，球体的其余部分由内插法确定中心，该中心用于建立0,0,0参考点或定域起始点。此外，表示X、Y和Z轴位置的信息被输入数字化头控制器25，从而为本发明的激光数字化系统建立了坐标系。或者，水平和垂直参考目标82和84(图1)可分别被扫描，以分别向数字化头控制器25提供水平和垂直参考面。所有送向数字化头控制器的位置信息均自动地参考该公共坐标基准。

同样在步骤110，通过从激光跟踪系统的激光发射器把反射镜40放置在参考位置55处并通过如图5所示从激光发射器51向反射镜40发射激光束和在激光跟踪系统50中的干涉仪52中接收反射束建立第一距离参考而预置激光跟踪系统50。预置后，反射镜40与数字化头20连接，数字化头20的运动由干涉仪和编码器跟踪，干涉仪和编码器测量反射镜移向或远离参考位置55的距离和角度。本领域的技术人员将会明白，在不脱离本发明精神的情况下可用于接收反射激光束的是距离确定装置而不是干涉仪。

回到图2，在步骤120中，操作员通过用控制杆或其它定位装置操纵主机10把数字化头20定位在零件30的表面上方而控制零件的扫描。如图3和4所示，数字化头20包括一激光扫描器21，当数字化头20沿零件30的表面移动时，激光扫描器21以摆锤式运动前后摆动激光束而连续扫描70毫米(2.8英寸)宽的路径32。激光束从零件30表面反射到数字化头20内的电荷耦合器件(CCD)阵列22上。CCD阵列上被反射激光束射中的位置被校准为表示零件至数字化头的距离。偏移信息被从数字化头20送至数字化头控制器25。

在步骤130至132，与步骤120同步，激光跟踪系统50通过从激光发射器51向反射镜40的中心发射激光束、接收从反射镜40返回的反射束、通过比较发射和接收的激光束确定反射镜位置的变化以及修正激光发射器51的方向(高度和方位)以保持发射激光束的准直线在反射镜的中心上以跟踪与数字化头20相连的反射镜40的位置。当在步骤131中激光跟踪系统50跟踪反射镜40的运动时，激光跟踪系统50的干涉仪52同时测量反射镜40移向或远离激光发射器51的距离，并在步骤132把高度、方位和距离数据转换成表示反射镜40位置的极位数据。激光跟踪控制器53利用编码器确定激光发射器的高度和方位。至数字化头20的距离被编码成干涉仪可读的数据。激光跟踪控制器53采用任一通用转换方法把高度、方位和距离信息转换成三维极坐标。本优选实施例的激光跟踪控制器53是对激光束的高度和方位以及干涉仪的距离信息进行编码的在个人计算机上运行的软件，并以极坐标形式输出高度、方位和距离信息。个人计算机配置有联接器以从激光跟踪系统50接收数据并向数据格式转换器60输出数据。本领域的技术人员将会明白，在不脱离本发明精神的情况下可使用专用的黑匣子或任一其它装置执行激光跟踪控制器的所需功能。

在步骤133，从激光跟踪控制器53把极位数据送至数据格式转换器60，在此被转换成适于数字化头控制器25的编码格式。在优选实施例中，数据格式转换器补充作为个人计算机的一块插件板，其具有连接器以接纳从激光跟踪控制器引出的电缆并向数字化头控制器25输出数据，并且具有硬件电路以把极坐标数据转换成笛卡尔坐标数据，然后转换成适于数字化头控制器的编码格式。但是应该注意，在不脱离本发明精神的情况下，数据格式转换器60也可是专用的黑匣子，其包括必要的连接器和硬件或具有带有必要的连接器和固件或软件的单板机以执行必要的转换，或完全以软件形式运行于配置了必要连接器的个人计算机上，或者是作为任何其它从激光跟踪控制器52接收数据、执行必要的转换并向数字化头控制器25输出数据的装置。

极位数据从激光跟踪控制器52送至数据格式转换器60，数据格式转换器60采用任一通用转换方法把极位数据实时转换成笛卡尔坐标，然后转换成适于数字化头控制器25的编码数据格式，在此编码数据更新数字化头控制器25中的X、Y和Z信息。

在步骤140，数据格式转换器60的编码数据连续地更新数字化头控制器25中的X、Y和Z信息以示反射镜40的当前位置。在更新数字化头控制器25中的X、Y和Z信息的同时，数字化头20向数字化头控制器25发送有关正被测量零件30的表面的偏移数据。数字化头控制器25既接收零件30表面的偏置数据，也接收有关摆动激光束的位置的偏移信息。由于数字化头20中的激光扫描器以摆锤式运动前后摆动激光束进行扫描，位于扫描窗口端部附近的点从窗口中心附近的点偏移。因此，如果数字化头沿单一轴运动，则需要对垂直于运动轴的轴进行偏移。若数字化头斜向运动，则两个轴都需要偏移。数字化头控制器25采用通用数学算法自动校准这些偏移。例如，若数字化头20沿X轴扫描，数字化头控制器25就会自动提供Y和Z偏移的校正。为说明这一校正的必要性，假设数字化头20沿一半圆管路的中心线扫描，因为管路的所有点均等距于数字化头的光束发射点，半圆管路可能被看作为平面。

当从数字化头20接收到每一组偏移数据时，数字化头控制器25中的X、Y和Z信息被识读并与输入的偏移数据组合形成零件30的表面图的单元。在步骤150，表面图数据输出至表面图文件90。当扫描完零件30后，相应的表面图文件90可显示于图形工作站上，或用于产品开发、刀具设计、质量确认或任何其它应用表面图的用途。由于反射镜40和数字化头20始终处于同一相对位置，代表反射镜40位置的信息也代表数字化头20的位置。

在优选实施例中，数字化头控制器25补充作为带有用于从数据格式转换器60接收编码格式数据的连接器和用于从数字化头20接收偏置信息的连接器的图形工作站。此外，数字化头控制器25包括一算法的软件程序，以组合数字化头20的偏移信息和数据格式转换器60的X、Y及Z向位置数据。本领域的技术人员应该明白，在不脱离本发明精神的情况下，可采用个人计算机或任何其它设备把从数据格式转换器60和数字化头20得到的数据组合成为表面图文件。

虽然已说明并描述了本发明的优选实施例，但应明白，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改进。

Claims (19)

1．一种用于产生大型或复杂零件的高精度表面扫描的便携式数字化系统，该数字化系统包括：

一主机，具有多个运动轴，多个运动轴限定一工作区；

一数字化头，用于扫描零件表面并采集有关扫描面的数据，其中数字化头连接到主机上并可沿主机的多个轴运动；

一位置传感器，用于跟踪数字化头的运动，位置传感器还用于采集有关数字化头的位置信息；及

一控制器，用于合成从数字化头得到的数据和从位置传感器得到的数据，以产生所扫描零件的高精度的面扫描。

2．如权利要求1所述的系统，其中数字化头还包括一激光扫描器，用于在各数字化头位置从一个或多个表面位置采集Z向偏移信息。

3．如权利要求1所述的系统，其中位置传感器还包括一具有位于工作区外部的激光发射器和接收器装置的激光跟踪系统，及一与数字化头连接的反射镜。

4．如权利要求3所述的系统，其中激光发射器和接收器装置是带有干涉仪的便携柱式安装的激光器。

5．如权利要求3所述的系统，其中激光跟踪系统利用从激光发射器发射、从反射镜反射回激光接收器的激光束跟踪数字化头的运动。

6．如权利要求5所述的系统，其中激光接收器是一干涉仪。

7．如权利要求5所述的系统，其中位置传感器采集代表反射镜相对于激光发射器和接收器装置的位置的数据。

8．如权利要求7所述的系统，其中数字化头还包括一激光扫描器。

9．如权利要求8所述的系统，其中激光扫描器采用激光束使其沿一预定窗口扫过扫描表面。

10．如权利要求9所述的系统，其中激光扫描器采集Z向偏移数据流，Z向偏移数据流表示表面的扫描窗口上的点至数字化头的激光扫描器的距离。

11．如权利要求10所述的系统，其中控制器将从激光扫描器得到的Z向偏移数据和从激光跟踪系统得到的位置信息合成。

12．如权利要求1所述的系统，其中激光跟踪系统的位置信息为偏移量，以计算反射镜对于激光扫描器的相对位置。

13．如权利要求1所述的系统，其中数字化头还包括一激光扫描器。

14．如权利要求13所述的系统，其中激光扫描器采用激光束沿一预定窗口扫过扫描表面。

15．如权利要求14所述的系统，其中激光扫描器采集Z向偏移数据流，Z向偏移数据流表示表面的扫描窗口上的点至数字化头上的激光扫描器的距离。

16．一种通过从使用与主机连接的数字化头采集到的数据产生大型或复杂零件的高精度面扫描的方法，主机具有多个用于限定工作区的运动轴，数字化头可在该区域中运动，所述方法包括下述步骤：

把被扫描零件放置于所述工作区域中；

通过沿扫描面随主机移动数字化头扫描零件，以采集表示零件表面至数字化头的距离的Z向偏移数据；

当数字化头在工作区内运动时，采用位于工作区外的位置传感器跟踪数字化头并采集表示数字化头位置的数据；及

通过合成从数字化头得到的Z向偏移数据和从位置传感器得到的位置数据产生零件的高精度的面扫描。

17．如权利要求16所述的方法，其中位置传感器是激光跟踪系统，所述方法还包括把反射镜连接到数字化头上的步骤。

18．如权利要求17所述的方法，其中跟踪并采集表示数字化头位置的数据的步骤还包括下述步骤：

从激光跟踪系统的激光发射器向与数字化头连接的反射镜发射激光束；

由激光跟踪系统的激光接收器接收反射镜的反射光束；

比较接收的激光束和发射的激光束以确定数字化头运动的位置和方向；及

在反射镜基于运动信息所确定方向与数字化头一起运动时，调整发射激光束的方向以跟踪反射镜。

19．如权利要求17所述的方法，其中数字化头还包括一激光扫描器，并且扫描零件以采集Z向偏移数据的步骤还包括对于数字化头的每一位置均至少对扫描面的一个位置进行扫描的步骤。

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