CN1934409B - 物体扫描 - Google Patents

Abstract

一种用安装在坐标定位设备(24)上的表面测量探头(26)来扫描物体(10)的方法和设备。用坐标定位仪器(24)的平移运动，沿着最小设计螺旋路径围绕着与物体(10)相交的轴(14)来移动探头。该探头(26)的伺服方向向量(16)被按设计地引导朝向最小设计螺旋路径的轴(14)。该探头的伺服方向向量(16)与所述最小设计螺旋路径的轴(14)成一角度并且与垂直于所述最小设计螺旋路径的轴的平面成一角度，这使得能够对平行或垂直于该轴的表面进行扫描而避免探头滑离物体的表面。

Description

物体扫描

本发明涉及一种用安装在坐标定位设备上的表面测量探头来扫描物体的方法和设备。例如，坐标定位设备包括坐标测量仪(CMM)、机械工具、手工坐标测量臂、扫描仪和自动检查机。

本发明的方法和设备适用于扫描牙齿及牙科部位。

用安装在坐标定位设备(如坐标测量仪)上的表面测量探头来测量物体，已被广泛了解。由此确定的物体表面的测量数据可提供该物体表面的三维映像。

第一种已知的扫描物体表面的方法包括沿单个方向(例如，x轴)移动表面测量探头，然后用探头沿着该轴在该物体表面上行进。这种扫描操作提供了沿着单个平面的测量数据。为了获得相邻平面上的测量数据，必须停下该表面测量探头然后倒退以便于在下一平面以及随后的平面上重复该扫描操作，由此提供对整个平面的光栅扫描。这种方法的缺点是，因需要在每个平面结束时停止和倒退表面测量探头而导致速度很慢。

另一种用于扫描物体表面的方法包括在xy平面上绕着物体表面移动表面测量探头，然后在z方向上平移该物体得到的相邻切片上重复这一步骤。这种方法同样速度很慢。它的另一个缺点是当探头的压力在xy平面上时，如果顶部表面是水平的，那么将无法使用相同的扫描轮廓(profile)来测量该平面，因为探头会滑动到水平平面上。为了克服这个缺点，需要为该顶部表面使用不同的扫描轮廓。

我们早期的W003/046412号国际专利申请公开了一种扫描样品的方法，其中该样品被放置在带有普通的螺旋状螺纹的托台之上，以使该托台和样品沿着螺旋状的轨道旋转。探头被放置在样品表面的一个适宜点上，以便于在托台旋转时，产生对样品的螺旋形扫描。

由于其机械性本质，这种方法有它的局限性，因为它需要特定的机械设置，例如，螺距是无法调整的。

本发明提供一种用安装在坐标定位机器上的表面测量探头来扫描物体的方法，该探头具有可定义的伺服方向向量，该方法的步骤包括：

使用坐标定位机器的平移运动，沿着至少部分设计(nominally)螺旋路径移动探头，所述至少部分设计螺旋路径围绕着与物体相交的轴；

其中该探头的伺服方向向量被按设计地引导朝向所述至少部分设计螺旋路径的轴；

并且其中该探头的伺服方向向量与所述设计螺旋路径的所述轴成一角度，并且与垂直于所述至少部分设计螺旋路径的所述轴的平面成一角度。

因为该探头的伺服方向向量和设计螺旋路径的轴以及与该轴垂直的平面都成一定角度，因此可对与该轴平行或垂直的两个表面都进行扫描，而避免探头滑离物体的表面。这对于像牙齿一类的物体尤其重要，对于这类物体同时需要顶面和侧面的信息。该伺服方向向量被按设计地引导朝向设计螺旋路径的轴以防止探头的滑动离开。

该物体可具有未知的表面轮廓。该物体可具有不规则的表面。

本方法的优点是螺旋轮廓提供了连续的快速扫描。

此外，本方法可以在任何坐标定位设备上实现，因为不需要用机械组件来组成上述螺旋扫描轮廓。

由于上述螺旋扫描轮廓不是通过机械组件来定义的，因此可以容易地调整轮廓的维度，例如螺旋的螺距和第二轴的角度等。

该表面测量探头可以包含具有偏转铁笔的接触探头。在这种情况下，该方法还包含以下步骤：沿着与探头的探头伺服方向向量的方向移动该探头，以控制探头的偏转。

表面测量探头可以包含非接触探头。该方法还可以包含以下步骤：沿着与探头的探头伺服方向向量的方向移动该探头，以控制探头的偏移。当非接触探头沿着至少部分设计螺旋路径移动时，可以旋转该探头以保持将它的视线朝向与物体相交的轴。

该方法可以包含通过在垂直于探头的伺服方向向量的方向上移动探头来把探头维持在设计螺旋路径上的步骤。

在一个实施例中，平移坐标定位机器以便绕着与物体相交的轴沿着至少部分设计螺旋路径来移动探头的操作是通过以下方式进行的：定义第二轴，探头伺服方向向量与该轴平行，所述第二轴与所述的与物体相交的轴成一角度；旋转第二轴以便绕着第一轴作至少部分的旋转，然后沿着平行于第一轴的方向平移第二轴；移动表面测量探头以把它维持在轴上。第二轴可以与被测量物体的表面相交。

探头的伺服方向向量可以与部分相交的轴成45度。

探头方向向量与相交于物体的轴之间的角度可以在扫描期间被改变。

表面测量探头可以包含一个非接触探头，例如光学探头、电容探头或者电感探头。

本发明的第二个方面提供了一种使用表面测量探头扫描物体的方法，该方法包含以下步骤：

定义物体的第一轴；

定义第二轴，所述第二轴与第一轴成一角度；

使第二轴围绕第一轴旋转作至少部分的旋转，并沿着平行于第一轴的方向平移第二轴；

移动表面测量探头以把它维持在第二轴上。

可以在第二轴的方向上伺服该探头以把该探针保持在离物体的期望距离处。可以在与第二轴垂直的方向上伺服该探头以把它保持在第二轴上。

第二轴优选地与被测量物体的表面相交。

本发明的第三个方面提供了用于扫描物体的设备，包括：

在坐标定位机器上安装的表面测量探头，所述坐标定位机器具有驱动装置，用以在几个轴上平移地驱动该探头；

控制器，用于控制所述驱动装置，用于围绕着与所述物体相交的轴沿着至少部分设计螺旋路径来移动探头；

其中该控制器控制所述驱动装置，以使得探头的伺服方向向量被按设计地引导朝向所述至少部分设计螺旋路径的所述轴的中点；

并且其中该控制器控制所述驱动装置，以使得探头的伺服方向向量与所述至少部分设计螺旋路径的所述轴成一角度，并与所述至少部分设计螺旋路径的所述轴垂直的平面成一角度。

在此将参考附图，以举例的方式来描述本发明的优选实施例，其中：

图1是被扫描物体的透视图；

图2图示出螺旋扫描轮廓；

图3图示出一系列第二轴半旋转的扫描轮廓；

图4图示出对带有底切部的表面的测量；以及

图5图示出扫描轮廓的平面图。

如图1所示，被测量的物体10(以一颗牙齿为例)，被固定在坐标定位设备的托台12之上。该坐标定位设备具有驱动装置(未被示出)，使得固定在其之上的探头24可沿着x、y和z轴进行平移运动。由仪器控制器15来控制该运动。物体的旋转轴14由用户来规定。例如，上述旋转轴可以是物体的部分坐标系统中的z轴。旋转轴14可以参照托台12由物体10来定义，即当该物体被放置于托台上时与该轴机械地对准。第二轴16被定义为与旋转轴14成φ角度，并且与物体10的表面相交。第二轴16可以与旋转轴14成任意角度(但不平行)，图1显示了成45度角的第二轴。使第二轴16围绕着旋转轴14旋转，然后与旋转轴14平行地平移，由此产生一个螺旋轮廓。图2图示出由上述第二轴绕着旋转轴的移动产生的螺旋轮廓18。如在下文将更加详细描述的，使探头沿着由第二轴的移动产生的螺旋轮廓来移动，以便沿着这一螺旋轮廓来扫描物体。图3图示出扫描轮廓20，该扫描轮廓20是当第二轴围绕着旋转轴进行部分轨道旋转并且与螺旋轴平行地进行平移时产生的。该扫描轮廓适于与具有如图所示的T形铁笔22的探头一起使用。表面测量探头24被放置在坐标定位仪器上以对托台12作相对运动。探头24具有可偏转铁笔26，该可偏转铁笔26具有表面接触尖端28。

探头24沿着由第二轴16的运动产生的螺旋轮廓行进，由此沿着该螺旋轮廓对物体10进行扫描。

沿着该第二轴来引导探头的伺服方向向量。该方向是该探头被坐标定位仪器伺服以控制探头的铁笔偏转的方向(或者在非接触探头的情况下，是被坐标定位仪器伺服以控制探头的偏移量的方向。)

探头的移动是由具有两个分量的算法来控制的。第一分量把探头保持在第二轴上。这是通过确定探头的铁笔尖端的位置、确定第二轴上离铁笔尖端最近的位置、以及沿着垂直于第二轴的方向将探头移动回到第二轴上等步骤来实现的。

该算法的第二分量对探头的偏转进行控制。在这种情况下，使探头与第二轴平行地移动，以提供期望的探头偏转量。

该算法的两个分量都是按照位置要求来计算的。

在这个例子中，第二轴有45°的角度。这对于多数应用来说都是方便的，因为它与侧面和顶面两者都相交，并且它能在单次扫描过程中完成对这两个表面的扫描。这在对顶面的测量较为重要的情况下尤其有意义，例如对于牙齿而言。在对平行和垂直于旋转轴14的平面都进行测量的情形中，第二轴必须与旋转轴及垂直于该旋转轴的平面均成一定角度。

本方法的有益之处在于，可以改变第二轴的角度。图4图示出具有底切部32的物体30。在上述实施例中，第二轴与旋转轴(通过虚线34表示)成45°角。这使得可以对等于或小于45°角的底切部进行测量。角度大于45°的底切部与角度等于45°的第二轴并不相交，因而不能用这个轮廓来扫描。然而如果改变第二轴的角度，例如改变为与旋转轴成90°，则这个新的第二轴36与底切部相交，从而可用该螺旋轮廓来扫描该底切部。可在扫描的过程中改变第二轴的角度。因此仍可在单个扫描轮廓中完成对具有尖锐底切部的物体的扫描，带来的有益效果是能够实现快速扫描。对于对具有底切的物体(如牙齿)的扫描而言，这尤其有意义。

通过用铁笔偏转数据来确定什么时候改变角度，可以自动改变第二轴的角度。例如，参照图4，可以利用水平的第二轴36从物体的底部或底部附近向上扫描物体30。当铁笔的尖端到达底切部32的拐角38，铁笔将沿着-z方向偏转；作为响应，第二轴的倾角将自动改为45°。可替代地，也可在z方向上的预定位置处改变第二轴的角度。

在此将参照图5来描述用于控制探头位置的算法。

在第一步骤中，计算下一帧(frame)所要求的旋转角度。(这可能超过2π。)

θ＝ΩT

式中θ是第二轴的旋转角度，Ω是第二轴的旋转速度，T为时间。

在下一个步骤中，创建旋转矩阵：

$\mathrm{Rotation}:=\left(\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& -\sin \left(\mathrm{\θ}\right)& 0\\ \sin \left(\mathrm{\θ}\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)$

式中″Rotation″表示旋转矩阵。

在下一步骤中，计算传感器轴方向：

$\mathrm{Direction}:=\mathrm{Rotation}\left[\begin{array}{c}\frac{1}{\sqrt{2}}\\ 0\\ \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right]|$

式中″Direction″表示传感器轴方向。

然后计算由螺距引起的在z方向上的原点平移。

$\mathrm{Origin}:=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ \frac{\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π}}\mathrm{Pitch}\end{array}\right]|$

其中″Origin″是z上的原点，而″Pitch″是螺距。

接下来计算扫描位置需求(ScanPositionDemand)。这是第二轴上离当前机器位置最近的点，其中″machine″表示在没有偏转时铁笔珠的中心位置。

$\left.\begin{array}{c}\mathrm{ScanPositionDemand}:=[(\mathrm{Machine}-\mathrm{Origin}).\mathrm{Direction}].\\ \mathrm{Direction}+\mathrm{Origin}\end{array}\right|$

探头偏转误差(Deflection error)由下式计算：

Deflection error：＝|Probe deflection|-Nominaldeflection

式中″Probe deflection″表示实际的探头偏转，而″Nominaldeflection″表示期望的探头偏转。

探头偏转误差被用于计算偏转控制向量：

ProbePositionDemand：＝DefError.Direction

式中″DefError″表示探头偏转误差，而″direction″表示平行于第二轴的方向，探头沿着该方向移动。

因此，可以根据偏转控制向量和扫描位置需求向量来确定坐标需求向量(PositioDemand)。

PositionDemand：＝ScanPositionDemand+ProbePositionDemand

于是可如下创建速度需求(VelocityDemand)：

$\mathrm{VelocityDemand}:=\frac{\mathrm{PositionDemand}-\mathrm{Machine}}{\mathrm{\δt}}|$

尽管上文描述的是接触探头的使用，该方法也适用于使用非接触探头的情况，如光探头、电容探头或者的电感探头。如果使用的是一维(1-D)非接触探头，则当探头沿着螺旋轮廓行进时，需要旋转该探头以保持将它朝向物体表面，例如将它朝向螺旋轨道的旋转轴。然而，通过使用本方法，探头所必须面对的方向是已知的。可以通过以类似于如何为接触探头调整探头偏转的方式与第二轴平行地移动探头，来调整非接触探头的偏移。

Claims (14)

1.一种用安装在坐标定位机器上的表面测量探头来扫描物体的方法，该探头具有可定义的伺服方向向量，该方法包括以下步骤：

使用坐标定位机器的平移运动，沿着至少部分设计螺旋路径移动探头，所述至少部分设计螺旋路径围绕着与物体相交的轴；

其中该探头的伺服方向向量被按设计地引导朝向与物体相交的轴；

并且其中该探头的伺服方向向量与所述与物体相交的轴成一角度，并且与垂直于所述与物体相交的轴的平面成一角度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中该物体具有未知的表面轮廓。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中该物体带有不规则的表面。

4.根据权利要求1或2所述的方法，该表面测量探头包括接触探头，该接触探头具有可偏转铁笔。

5.根据权利要求4所述的方法，其中该方法还包含以下步骤：沿着与探头的伺服方向向量的方向平行的方向移动该探头，以控制探头的偏转。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，该表面测量探头包含非接触探头。

7.根据权利要求6所述的方法，其中该方法还包含以下步骤：沿着与探头的伺服方向向量的方向平行的方向移动该探头，以控制探头的偏移。

8.根据权利要求6所述的方法，其中当探头沿着至少部分设计螺旋路径移动时，旋转该探头以保持将它的视线朝向与物体相交的轴。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中该方法包含通过在垂直于探头的伺服方向向量的方向上移动探头来把探头维持在所述至少部分设计螺旋路径上的步骤。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其中平移坐标定位机器以便绕着与物体相交的轴沿着至少部分设计螺旋路径来移动探头的操作是通过以下方式进行的：

定义第二轴，探头的伺服方向向量与所述第二轴平行，所述第二轴与所述的与物体相交的轴成一角度；

旋转第二轴以便绕着与物体相交的轴作至少部分的旋转，然后沿着平行于与物体相交的轴的方向平移第二轴；

移动表面测量探头以把它维持在第二轴上。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，第二轴与物体的表面相交。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其中探头的伺服方向向量和与物体相交的轴成45度。

13.根据权利要求1或2所述的方法，其中探头的伺服方向向量和与物体相交的轴之间的角度在扫描期间被改变。

14.一种用于扫描物体的设备，包括：

在坐标定位机器上安装的表面测量探头，所述坐标定位机器具有驱动装置，用以在几个轴上平移地驱动该探头；

控制器，用于控制所述驱动装置，用于围绕着与所述物体相交的轴沿着至少部分设计螺旋路径来移动探头；

其中该控制器控制所述驱动装置，以使得探头的伺服方向向量被按设计地引导朝向与物体相交的轴；

并且其中该控制器控制所述驱动装置，以使得探头的伺服方向向量与所述与所述物体相交的轴成一角度，并与所述与所述物体相交的轴垂直的平面成一角度。

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