CN1678881A - 扫描方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种扫描物体的方法，其包括以下步骤：提供扫描设备，其具有探测器和样品支架，由此样品支架相对于探测器是可转动的；提供用于表示扫描起始和/或结束的第一特征；和识别该第一特征，由此在该第一特征得到识别时，扫描设备准备开始或者结束扫描。扫描设备可以具有固定停顿处，其包括第一特征，可替换地，在扫描设备或者物体上提供该第一特征。可以提供例如位于扫描设备或者物体上的第二特征，其中第一特征表示扫描起始，而第二特征表示扫描结束。还公开了一种用于扫描物体的装置。

Description

扫描方法

本发明涉及一种扫描物体的方法。

一种方法，其可以与环形或者螺旋扫描一同使用，用于在人工确定的位置开始扫描，并且在到达物体的远端时结束扫描，也可能在到达转动轴时进行确定。有关该方法的问题在于，其可能需要复杂的结构以确保整个物体表面得到扫描，而其是耗时的。

根据本发明的第一方面，提供了一种扫描物体的方法，其包括以下步骤：

提供扫描设备，其具有探测器和样品支架，由此样品支架相对于探测器是可转动的；

提供用于表示扫描起始和/或结束的第一特征；和

识别该第一特征，由此在该第一特征得到识别时，扫描设备准备开始或者结束扫描。

由在该扫描设备中提供的或者与之连接的控制设备识别该第一特征。

在优选实施例中，该扫描设备具有固定停顿处，其定义了探测器和样品支架之间的已知关系或者此两者的相对位置。优选地，该固定停顿处包括该第一特征。因此，当扫描设备位于固定停顿处时，第一特征得到识别，即，该固定停顿处构成了扫描的起始或结束。

在一个实施例中，在完成扫描之后，或者在开启扫描设备时返回该固定停顿处，由此该固定停顿处表示扫描的起始。在该实施例中，当样品位于样品支架上时，为了识别第一特征，仅需要验证扫描设备的部件处于该固定停顿处。

当第一特征表示扫描起始时，并且基于对第一特征的识别，扫描设备准备开始扫描，该方法优选地进一步包括以下步骤：提供第二特征，用于表示扫描的结束；和识别该第二特征，由此在第二特征得到识别时，扫描设备准备结束扫描。

根据本发明的方法允许自动地确定扫描的起始和/或结束，并且因此能够进行半人工控制或者无人工的操作，并且潜在地能够自动地启动/关闭扫描过程中使用的电动机驱动。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于扫描物体的装置，包括：

扫描设备，其具有探测器和样品支架，由此样品支架相对于探测器是可转动的；和

控制设备，用于控制探测器和样品支架之间的相对运动，并且用于识别第一特征，由此该控制设备基于对第一特征的识别开始和/或结束扫描。

优选地，控制设备包括识别第一特征的计算机程序。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于与扫描设备一起使用的计算机程序，该扫描设备具有探测器和样品支架，由此样品支架相对于探测器是可转动的，并且由此该计算机程序包括表示第一特征的识别信息，由此该计算机程序将来白扫描过程的数据同该识别信息进行比较，并且当该数据与该识别信息基本一致时，该程序用信号通知扫描的起始或者结束。

该识别信息可以简单地是：在探测器尖端和特定平面中的表面之间发生的接触；或者探测器尖端到达定义的坐标；或者探测器尖端的移动描绘了特定的轮廓。

通过参考附图，现将借助于示例描述本发明，在附图中：

图1示出了适于与本发明的方法一起使用的扫描设备；

图2是示出了根据本发明的实施例的不同步骤的流程图；

图3示出了适于根据本发明进行扫描的物体的剖面；且

图4概略地示出了如何选择来自扫描的数据。

图1示出了扫描设备21，其具有基座22和背部部分23，该背部部分23具有附装于其上的LVDT探测器24。该探测器具有扫描尖端25，其可以沿字母a标出的轴移动，在该情况中，轴a与垂直轴z呈45°。样品支架26安装在基座22上，在其上面可以安置用于扫描的物体27。物体28在安装在样品支架26上之前，可以置于夹具29中。探测器24和样品支架26是可以沿轴z相对移动的，并且样品支架26可绕轴z转动。扫描设备21包括控制设备10，其用于控制探测器24和样品支架26的相对移动。

在一个实施例中，起始(或者第一)特征由样品支架提供或者在该样品支架上提供该特征，例如，其可由样品支架26的侧表面26A提供。如果使用了夹具29，则侧面29A或者上表面29B可以提供该第一特征。在这些情况中，有利的是，如果样品支架26和夹具29在剖面上是环形的，则可以确定该特定特征在沿z轴和a轴的方向上所处的位置。因此这接下来使得探测器尖端25可以迅速地向第一特征移动，然后，基于预期坐标处探测器尖端的偏移，识别起始特征并且暂停或改变探测器的移动，以能够根据预定扫描路线进行运动。暂停运动使得操作员可以再次检查已找到该特征，或者允许稳定外部影响，诸如热条件。

有利地，设计扫描设备使得当其处于固定停顿处时，探测器自动地遇到起始特征。对该设备进行编程使其在扫描结束时返回固定停顿处，并且操纵该固定停顿处处的探测器尖端和样品支架之间的相对位置，使得当夹具或者样品置于样品支架上时，探测器尖端位于准备开始扫描的第一特征处或者在其上面。为了协助在样品支架上样品或者夹具的定位，探测器回缩远离样品支架，或者样品滑动进入样品支架上的位置。当开始扫描时，设备的可垂直移动的部件的位置连同探测器尖端的读数一起得到确认。如果这两个读数指出探测器尖端与第一特征接触，则设备准备开始扫描物体。

一旦扫描开始，样品支架和探测器沿z轴相对移动。探测器采用沿样品表面的螺旋状或螺旋形的路径，直至样品被扫描。在此情况中，在其未遇到阻碍时，探测器尖端朝向样品支架的转动轴移动。因此，可以将第二特征定义为探测器到达样品支架的转动轴(z)。

可替换地，可以由样品提供起始特征。现参考图4，样品30是实心的，即其不具有中空的中心部分。在该情况中，起始特征32由远离样品支架或者夹具(未示出)的样品表面提供。便利的是，该样品位于样品支架的转动轴上的接近于中心处。探测器尖端简单地位于样品支架上面的设定高度处的转动轴上。使探测器尖端和/或样品支架相向移动，直至尖端接触样品。该接触引起了样品支架转动轴上的探测器尖端的偏移，其指出了第一特征，因此，识别了起始特征并且探测器准备开始扫描。

在另外的实施例中，在样品支架上面的设定高度(或者坐标)处提供起始特征。在该实施例中，在样品和探测器尖端之间接触前开始扫描，其允许探测器和样品支架的快速相对移动到达接近接触点的位置(设定高度)，并且保护探测器不受伤害，在快速移动时如果它接触表面可能发生该伤害。

表示扫描结束的第二特征可由样品支架、夹具或者样品提供。在通过到达特定坐标或者探测器尖端描绘了特定的特性形状而识别了第二特征时，探测器快速地移向待机位置以等待进一步的指令。

当扫描起始于样品顶部或者接近样品顶部时，探测器尖端在扫描过程中向样品支架移动。如果样品、夹具或者样品支架具有特定的特性轮廓，则这可以用作第二特征(对于更详细的解释，参看图2)。

例如，如果样品支架具有已知的直径，则第二特征可以是到达与该直径相关的a轴坐标。还可以提供实际的物理特征，诸如样品支架或者夹具的边缘，这产生了更加复杂的第一特征，其提供了识别该特征的更大的把握性。

可替换地，基准停顿处可用于第二特征。在开始扫描前，在z方向上确认扫描结束时的探测器和物体的相对位置。此后，使探测器返回起始位置(如果其在此之前已得到识别)，或者指示探测器寻找扫描的起始，然后扫描物体，直至到达扫描结束时的z轴位置，在该点完成扫描。

如果使用了夹具，则重要的是，样品位于充分凸出于夹具，由此可以扫描全部所需的样品表面。

图2示出了详细描述本发明的实施例的不同步骤的流程图。

如前文参考图1所述定位扫描过程100的起始。

开始扫描200，并且使探测器和物体沿扫描线相对移动。选择来自扫描的数据300，并且可选地，将其存储起来400。然后，分析所选择的数据500，并且将其同标准进行比较600，或者将其同确定扫描何时结束的识别信息进行比较700。直到满足标准为止，继续扫描和数据收集800。当满足标准时，控制设备识别第二特征，并且准备结束扫描。在扫描设备中或者在分立的控制器中执行这些步骤。

将针对远离样品支架的样品表面作为第一特征的情况来讨论本实施例，因此该起始被定义为位于样品支架26的转动中心。本领域的技术人员应意识到，所讨论的其他的起始位置是作为替换方案的。

由于探测器具有这样一个区域，即在该区域中当趋向于远离其运动边界时是最精确的，因此物体27应以适当的精确度在转动中心上对准；将来自扫描的数据点转换为三维模型的处理装置常常使用转动轴作为参考，由此简化了所选数据的分析；并且增加了样品支架上的物体的稳定性。一定量的失准(例如，如果物体是通过眼睛而被置于中心的)事实上将不会影响结果的准确性，然而，物体也可以置于接近样品支架的周线或者边缘，而这不是所需的。

对于一个用于确定扫描结束的实施例而言，沿转动轴的绝对位置不是重要的，然而，如下文将描述的，在该轴上的不同数据片段的关系是重要的。

接下来，开始物体27的扫描。基于预定的要求选择在扫描过程中捕获的多个数据点300并进行分析。可以暂时地存储所选择的数据300，直至完成扫描。如果将起始点考虑为位于垂直于z轴的平面中的圆周中心，则例如，可以选择绕该圆周的每10°转动的一个数据点，然而，如果需要，这可以增加到每度一个数据点或者每度两个数据点。在理论上可以选择在扫描过程中捕获的所有数据，但是这可能增加用于确定是否已达到扫描结束的处理时间。

随着扫描的继续，相互关联地存储来自相同取向方向的数据点，由此维持了它们沿z轴的相对位置。例如，这可以是一个表，其具有沿一侧的取向方向和沿另一侧的数据捕获顺序。这样，创建了多个数据样条。

分析所存储的数据点500，并且将其同集合中的先前的数据进行比较，用以确定是否已满足标准600。这在扫描过程中发生，使得能够自动地确定扫描的结束而不需要对数据进行后处理。由于集合中的数据点均位于取向方向上，因此该数据点的(x，y)坐标可以转化为在该方向上离开原点的距离(径向距离)。该距离读数中的变化或者即使是该距离变为恒定的时间都被用于设定关于是否已到达扫描结束的标准。

参考图1，如果扫描开始于物体27的底部，即，开始于样品支架26的表面(或者，如果使用了夹具29，则开始于夹具29的表面)，关于扫描结束的标准将是对于每个集合中的两个数据点来说距离保持恒定的时间，即，当探测器尖端5到达点28时。在扫描的初期该距离减小并随后增加的事实对于确定扫描结束不是重要的。

如果扫描开始于物体27的顶部，则适当的标准将是在获得离开原点的最小距离之后数据集在两周连续的转动上增加的时间。

用于确定扫描结束的标准可被设定为位于与z轴垂直的平面中的任何已完成圆周数目，这实现了所需的变化或者实现了离开原点距离的一致性。显然，为了使表面偏移不会引起过早的扫描停止，建议至少维持两周。而且，由于某些物体的不对称性，优选的是设定这样的标准，其包括要求一定数目的数据与距离标准的一致性。例如，在95％的数据集满足距离标准时，因为否则扫描可能无限期地继续，并且需要人工终止。

一旦标准得到了满足，则完成扫描700。到达扫描结束可用于触发，返回到关于探测器和样品支架的待机位置，然后关闭控制扫描过程中的相对运动的电动机。显然，对于图1的设备21，扫描可由单一的电动机进行控制，在该情况中，样品支架在扫描过程中将描绘一个螺旋形的路径。可替换地，探测器保持在完成位置，用于使操作员验证扫描完成。

作为确定关于每个取向方向离开原点的数据距离中的变化或一致性，或者确定该距离的方向发生变化时间的替换方案，信息可用于确定每个样条的斜率梯度中的变化，本领域的技术人员将认识到，还存在可供使用的其他技术。

图3示出了通过涡轮叶片30的剖面，其将经历根据本发明的扫描过程。随着对涡轮叶片30进行扫描(未示出)，从扫描过程中捕获的全部数据中，选择来自离开所定义的扫描原点的某些预定取向方向的数据点。参考图4，将这些数据样条图形化为球面上的经线31，其具有位于极点处的扫描起始位置。

数据分析产生了离开原点或者起始处的距离测量结果，其与该数据集合中的先前测量结果以及扫描结束的标准进行比较，用以确定是否已到达该结束处。

对于某些具有不规则形状的物体，难于以这样的方式将该物体安装在样品支架上，即物体表面的所有部分在扫描过程中是易于接近的。这由切口34所说明，由于阻碍了尖端36通过悬垂方式触及该表面，因此不允许探测器尖端36准确地扫描叶片30的此部分。

在样品具有凹入点的情况中也遇到了这一问题，例如，其中在表面上存在凹陷的情况。该凹入或者凹陷可能未被检测到，导致了不完整的扫描。这将意味着，基于扫描制造的物品将是不准确的且可能是不能用的。然后，如果在扫描过程中，例如，通过转换为沿样条的离开原点的距离(参看图4的参考数字31)来收集和分析所选的数据点，则在扫描过程中可以识别具有显著尺寸的(大于探测器尖端的尺寸)凹入点或者凹陷，使得可以立刻实现物体的重新调整。这是因为，凹入区域将呈现为离开原点的距离的减少，并且对于多个所选数据点，以及对于样品支架的多次转动，这也可能发生。因此，在与其他同该区域接近的数据进行比较时，将存在不一致性。不太可能的是，该凹入将使扫描停止，这是因为有低于所需要的数据集比例满足该标准，但是其可以作为一个潜在的问题而提示给操作员。实现这一点的一种方法是，在监视器上使数据样条图形化，当检测到距离方向中的变化时可以改变颜色。

如果检测到该凹入点，则可以停止扫描，用于重新调整物体，或者，如果其未被发现直至扫描结束，则操作员可以通过快速检查结果来确认凹入点确实出现并重新进行扫描，由此避免了不准确的部件的制造。

现在参考图3，由这样的标准定义开始于叶片顶部或者开始于接近于叶片顶部的扫描的结束，即90％或95％的数据集合将经历离开原点的径向距离的最大值，然后减少到恒定的距离，也就是，对于样品支架的多个转动周数，数据点的距离逐渐增加然后减小，并最终保持稳定。在该点处，扫描到达叶片的底部部分。

本发明可以应用于任何物体的扫描，用于制造复制品或者产生其数据表述的目的，示例包括用于航天、运输、医药应用的物体，诸如替代关节和牙具(例如，牙套(coping))、家具、容器(诸如瓶子)以及娱乐器材。

尽管使用接触式扫描设备描述了示例，但是本发明同样适于与非接触式设备一起使用，诸如激光探测器。在该情况中，除了上文描述的特征以外，可以使用针对环境材料具有不同光学属性的标志。

如前文所述的特征的使用实现了扫描程序的自动启动，以及可选地，扫描程序的自动终止，且不需要耗时的和困难的机械结构。

Claims (15)

1.一种扫描物体的方法，其包括以下步骤：

提供扫描设备(21)，其具有探测器(24)和样品支架(29)，由此样品支架相对于探测器是可转动的；

提供用于表示扫描起始和/或结束的第一特征；和

识别该第一特征，由此在该第一特征得到识别时，扫描设备(21)准备开始或者结束扫描。

2.权利要求1的方法，其中扫描设备(21)具有固定停顿处，其定义了探测器(24)和样品支架(26)之间的已知关系。

3.权利要求2的方法，其中固定停顿处包括第一特征。

4.权利要求3的方法，其中固定停顿处表示扫描的起始。

5.权利要求1或2的方法，其中在扫描设备(21)上提供第一特征。

6.权利要求5的方法，其中扫描设备进一步包括夹具(29)，用于至少部分地安放物体。

7.权利要求1或2的方法，其中在物体(27、30)上提供第一特征。

8.权利要求1或2的方法，其中第一特征表示扫描的起始，并且基于对第一特征的识别，扫描设备(21)准备开始扫描，并且该方法进一步包括以下步骤：

提供第二特征，用于表示扫描的结束；和

识别该第二特征，由此在该第二特征得到识别时，扫描设备(21)准备结束扫描。

9.权利要求8的方法，其中在扫描设备(21)上提供第二特征。

10.权利要求9的方法，其中扫描设备(21)进一步包括夹具(29)，用于至少部分地安放物体。

11.权利要求8的方法，其中在物体上提供第二特征。

12.权利要求8的方法，其中第二特征包括基准停顿处。

13.权利要求1的方法，其中当扫描设备识别到第一特征时，扫描自动地开始或者结束。

14.权利要求8～12中任何一个的方法，其中当扫描设备识别到第二特征时，扫描自动地结束。

15.一种用于扫描物体的装置，包括：

扫描设备(21)，其具有探测器(24)和样品支架(26)，由此样品支架相对于探测器是可转动的；和

控制设备(10)，用于控制探测器和样品支架之间的相对运动，并且用于识别第一特征，由此该控制设备基于对第一特征的识别开始和/或结束扫描。

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