TW201344152A - 探針校準路徑類比系統及方法 - Google Patents

Abstract

一種探針校準路徑類比系統及方法，應用於電腦中，該電腦包括儲存設備及顯示設備。該方法包括步驟：根據標準球及探針之曲面結點數據及控制點資料繪製出標準球及探針之三維模型；在標準球之每層圓上選取測量點並計算每一測量點之座標，將每一測量點之座標放入一個自定義陣列中；計算探針在球面上移動之移動點座標，並將移動點插入到兩個相鄰測量點之間；根據測量點與移動點模擬出探針之移動路徑，並在移動路徑上之每一個點處進行探針碰撞檢測；當探針與標準球不發生碰撞時將移動路徑轉化成探針校準程式。

Description

探針校準路徑類比系統及方法

本發明涉及一種三次元測量系統及方法，尤其係關於一種探針校準路徑類比系統及方法。

通常，在三次元測量之前需要用通過對探針進行校準之步驟來計算三次元量測機器之精度。所謂對探針進行校準之步驟就是在標準球上選取一些點，用選取之點來計算出標準球之直徑。若計算出之標準球之直徑及實際直徑在允許之誤差（例如0.007mm）內，則表示量測機器之當前配置符合標準。然而，在探針校準過程中，由於探針無法類比出測量路徑，因此不能及時反應探針之運行情況，只有當探針碰撞到標準球表面之後才被發現。然而，探針碰撞到標準球則會導致計算出標準球之直徑產生誤差，從而影響後續三次元測量結果之準確性。

鑒於以上內容，有必要提供一種探針校準路徑類比系統及方法，通過類比探針在標準球面上之動態移動路徑，能夠及時準確的反應探針之運行情況，避免了探針與標準球發生碰撞之可能性。

所述之探針校準路徑類比系統，該系統運行於電腦中，該電腦包括儲存設備及顯示設備。所述之系統包括：模型繪製模組，用於從儲存設備中導入標準球之三維模型檔案及探針之三維模型檔案，從標準球之三維模型檔案解析出標準球之曲面結點數據及控制點資料，從標探針之三維模型檔案解析出探針之曲面結點數據及控制點資料，將標準球之曲面結點數據及控制點資料進行曲面三角網格化處理得到標準球三維模型，及將探針之曲面結點數據及控制點資料進行曲面三角網格化處理得到探針三維模型；點集計算模組，用於根據用戶輸入之取點個數在標準球之每層圓上選取測量點，根據標準球之半徑及探針之法向量計算每一測量點之座標，並將每一測量點之座標放入一個自定義陣列中，根據陣列中相鄰兩個測量點之座標及其法向量及探針之回彈距離計算出探針在球面上移動之移動點座標，將計算出之移動點插入到兩個相鄰測量點之間，及輸出陣列中所有測量點與移動點；路徑類比模組，用於根據輸出之測量點與移動點類比出探針之動態移動路徑，並在該動態移動路徑上之每一個點處進行探針碰撞檢測，根據碰撞檢測結果判斷探針是否與標準球產生碰撞；程式產生模組，用於當探針與標準球不發生碰撞時將探針之移動路徑轉化成探針校準程式，並將探針校準程式輸出並保存至儲存設備中，以供三次元量測機器在測量待測工件時控制探針之移動路徑。

所述之探針校準路徑類比方法應用於電腦中，該電腦包括儲存設備及顯示設備。該方法包括步驟：從儲存設備中導入標準球之三維模型檔案及探針之三維模型檔案，從標準球之三維模型檔案解析出標準球之曲面結點數據及控制點資料，從標探針之三維模型檔案解析出探針之曲面結點數據及控制點數據；將標準球之曲面結點數據及控制點資料進行曲面三角網格化處理得到標準球三維模型，將探針之曲面結點數據及控制點資料進行曲面三角網格化處理得到探針三維模型；根據用戶輸入之取點個數在標準球之每層圓上選取測量點，並根據標準球之半徑及探針之法向量計算每一測量點之座標，將每一測量點之座標放入一個自定義陣列中；根據陣列中相鄰兩個測量點之座標及其法向量及探針之回彈距離計算出探針在球面上移動之移動點座標，將計算出之移動點插入到兩個相鄰測量點之間，及輸出陣列中所有測量點與移動點；根據輸出之測量點與移動點類比出探針之動態移動路徑，並在該動態移動路徑上之每一個點處進行探針碰撞檢測；根據碰撞檢測結果判斷探針是否與標準球產生碰撞；當探針與標準球不發生碰撞時將探針之移動路徑轉化成探針校準程式，並將探針校準程式輸出並保存至儲存設備中，以供三次元量測機器在測量待測工件時控制探針之移動路徑。

相較於習知技術，本發明所述之探針校準路徑類比系統及方法藉由類比探針在標準球面上之動態移動路徑，能夠及時準確的反應探針之運行情況，避免了探針與標準球發生碰撞之可能性，同時產生將探針校準程式以供三次元量測機器在測量待測工件時控制探針之移動路徑。

如圖1所示，係本發明探針校準路徑類比系統10較佳實施例之架構圖。於本實施例中，所述之探針校準路徑類比系統10安裝並運行於電腦1中，該電腦1係為一種具有圖形資料處理能力之桌上型電腦或者伺服器等。所述之電腦1還包括儲存設備11、處理器12及顯示設備13。所述之儲存設備11係為一種硬碟、Flash記憶體、或者為一種外部儲存介質，其用於儲存標準球2及探針3之三維模型檔案，該三維模型檔案包括結點佇列及控制點佇列。該結點佇列儲存有標準球2及探針3之曲面結點數據，該控制點佇列儲存有控制標準球2及探針3曲面形狀之曲面控制點數據。所述之曲面結點數據及曲面控制點資料均用於描述標準球2及探針3之球面形狀。

於本實施例中，所述之探針校準路徑類比系統10包括模型繪製模組101、點集計算模組102、路徑類比模組103及程式產生模組104。本發明所稱之模組是指一種能夠被處理器12所執行並且能夠完成固定功能之一系列電腦程式段，其儲存在儲存設備11中。於本實施例中，關於各模組之功能將在圖2之流程圖中具體描述。

如圖2所示，係本發明探針校準路徑類比方法較佳實施例之流程圖。於本實施例中，本發明所述之方法能夠根據標準球及探針之三維模型檔案類比出探針3在標準球2上之移動路徑，並檢測探針3在該移動路徑上移動時是否與標準球2發生碰撞，從而達到及時準確的反應探針3在標準球2上之運行情況及校正探針3之目的。

步驟S21，模型繪製模組101從儲存設備11中導入標準球2及探針3之三維模型檔案，對該三維模型檔案進行解析得到標準球2及探針3之結點佇列及控制點佇列。於本實施例中，該結點佇列儲存有標準球2及探針3之曲面結點數據，該控制點佇列儲存有控制標準球2及探針3曲面形狀之曲面控制點數據。

步驟S22，模型繪製模組101將所述之結點佇列中之曲面結點數據及控制點佇列中之曲面控制點資料進行曲面三角網格化處理得到標準球三維模型及探針三維模型。於本實施例中，所述之三角形網格化通常用於電腦輔助設計（computer aided design，CAD）系統或電腦輔助製造（computer aided manufacturing，CAM）系統中進行圖形曲面繪製。參考圖6所示，模型繪製模組101繪製出之標準球三維模型為標準球2，及繪製出之探針三維模型為標探針3。

步驟S23，點集計算模組102根據用戶輸入之取點個數在標準球2之每層圓上選取測量點。於本實施例中，所述點集計算模組102將標準球2之每一層圓上之球面頂點Pt作為第一個測量點。

步驟S24，點集計算模組102根據標準球2之半徑及探針3之法向量計算出每一測量點之座標，並將每一測量點之座標放入一個自定義陣列中。於本實施例中，點集計算模組102根據每層圓之第一個測量點Pt及標準球2之半徑R計算出標準球2之球心p，在根據球面層數計算相鄰兩層之夾角A=90度/層數，一般標準球2之球面層數為5層。點集計算模組102根據夾角A求出每層圓之圓心p1，假如球心p（x1,y1,z1），每層圓心p1之求法為：P1.x=x1+nor.x*sinA*R，P1.y=y1+nor.x*sinA*R，P1.z=z1+nor.x*sinA*R，其中nor為探針3之法向。點集計算模組102在每層圓上選取測量點包括步驟：（a）以法向量nor（0,0,1）及每層圓心分別構造一個圓，在構造之圓上取一測量點pt2（x2,y2,z2），其中x2=p1.x+r，y2=p1.y，z2=p1.z，其中r為每層圓之半徑r=R*cosA；（b）將測量點pt2旋轉到法向量nor（0,0,1）上，以每層圓心及半徑r畫一個圓，並在該圓上得到測量點pt3；（c）在每一層圓上確定一個不會撞針之安全角度A1，根據該安全角度A1及每層圓之圓心求出旋轉矩陣，再將測量點p3乘以旋轉矩陣得下一個測量點pt4，依次可求出標準球2之球面上每一個測量點之座標。

步驟S25，點集計算模組102根據陣列中相鄰測量點之座標及其法向量及探針3之回彈距離計算出探針3在球面上移動之移動點座標，並將計算出之移動點插入到兩個相鄰測量點之間，輸出陣列中所有測量點與移動點。如圖5所示，是探針3在標準球2球面上之部分移動點之示意圖，其包括移動點P1、P2、P3等。於本實施例中，點集計算模組102計算移動點座標包括如下步驟：（a）根據移動點p1之座標及法向量nor（0,0,1）乘以回彈距離d得到移動點P2點；（b）計算弧L之長度=R1*夾角A1，其中，R1為球之半徑R加上d，A1為相鄰移動點間之夾角；（c）計算相鄰移動點間之夾角A1：用L除以半徑R/10得到N，再用A除以N就得到夾角A1；（d）計算旋轉矩陣M：以球心為旋轉點，以球上兩點及球心構成面之法向量為旋轉軸，得到夾角A1為旋轉角度之矩陣，用P2乘以旋轉矩陣M得到下個移動點，依次可求出所有移動點Pn。

步驟S26，路徑類比模組103根據輸出之測量點與移動點模擬出探針3之動態移動路徑（如圖6所示之探針3之移動路徑），並在該動態移動路徑上之每一個點處進行探針碰撞檢測。於本實施例中，所述之碰撞檢測就是判斷探針3之球心到標準球2之球心之距離是否小於標準球2之半徑加探針3之半徑。

步驟S27，路徑類比模組103根據碰撞檢測結果判斷探針3是否與標準球2產生碰撞。若探針3與標準球2不會產生碰撞，則執行步驟S28；若探針3與標準球2產生碰撞，則執行步驟S29。

步驟S28，程式產生模組104將探針之移動路徑轉化成校準程式（又稱I++程式），將該校準程式輸出並保存至儲存設備11中，以便供三次元量測機器在測量待測工件時使用。於本實施例中，程式產生模組104生成I++程式之具體做法如下：取出陣列中之每一個點，例如PtMeas（C0001，…，C0025），若取出之點座標值ijk不為(0,0,0)，則用PtMeas(IJK(x,y,z)， X(value)，Y(value)，Z(value))來生成I++程式，IJK中之x,y,z之值用移動點之法向量來替換，value分別用移動點之x,y,z值來替換；若若取出之點座標值ijk為(0,0,0)，則用number PtMeas(X(value)，Y(value)，Z(value))替換，其中每行之number值為在陣列中之位置，若是第一個點則為C0001。

步驟S29，程式產生模組104產生探針3與標準球2發生碰撞之提示資訊，並將該碰撞提示資訊顯示在顯示設備13上，以提示使用者需要重新配置三次元量測機器之量測參數。

如圖3所示，係圖2之步驟S22中之細化流程圖。步驟S221，模型繪製模組101從所述之結點佇列中讀取標準球2之曲面結點數據及從控制點佇列中讀取標準球2之曲面控制點資料，並將讀取之曲面結點數據及曲面控制點資料轉換為B樣條曲面。如圖4所示，是標準球2之一個B樣條曲面。

步驟S222，模型繪製模組101在UV參數平面獲取B樣條曲面之邊界線，並在U方向及V方向上做等距切分線得到複數邊界線之交點及UV小方格。參考圖4所示，所述之UV參數平面包括複數小方格，每個小方格包括四個頂點。

步驟S223，對於沒有交點之UV小方格，模型繪製模組101將四個方格點按照逆時針原則直接連接成兩個三角形。步驟S224，對於有交點之UV小方格，模型繪製模組101將每個方格通過之邊界點、交點及方格點加入二維點佇列Q中。

步驟S225，模型繪製模組101在二維點佇列Q中查找之第一點q1與點q1最近之點q2，由q1、q2組成三角形之一條邊，找出與該邊形成對角最大之點q3，依據點q1、q2及q3構成三角形之連接。其中，第三點q3之查找原則是邊q1q2對應之內角在三角形A之內角中最大，且三角形之外接圓內沒有佇列Q中之點，並使得三角形接近於等邊三角形。

步驟S226，模型繪製模組101根據上述查找原則在佇列Q中依次查找其他點組成之三角形得到一個三角形佇列T。

步驟S227，模型繪製模組101根據三角形佇列T繪製出標準球三維模型，並將標準球三維模型顯示在顯示設備13上，如圖6所示之標準球2。

於本實施例中，模型繪製模組101創建探針三維模型之流程方法及創建標準球三維模型之流程方法相同，僅將步驟S221中標準球2之曲面結點數據及控制點資料代替為探針3之曲面結點數據及控制點數據。亦即，模型繪製模組101將探針3之曲面結點數據及控制點資料轉換為B樣條曲面，依據該B樣條曲面創建探針三維模型，將標準球三維模型顯示在顯示設備13上，如圖6所示之探針3。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，且已達廣泛之使用功效，凡其他未脫離本發明所揭示之精神下所完成之均等變化或修飾，均應包含於下述之申請專利範圍內。

1．．．電腦

10．．．探針校準路徑類比系統

101．．．模型繪製模組

102．．．點集計算模組

103．．．路徑類比模組

104．．．程式產生模組

11．．．儲存設備

12．．．處理器

13．．．顯示設備

2．．．標準球

3．．．探針

圖1係本發明探針校準路徑類比系統較佳實施例之架構圖。

圖2係本發明探針校準路徑類比方法較佳實施例之流程圖。

圖3係圖2之步驟S22中之細化流程圖。

圖4係利用曲面三角網格化處理標準球之曲面結點數據及控制點資料之示意圖。

圖5係探針在標準球球面上之部分移動點之示意圖。

圖6係探針在標準球之球面上動態移動路徑之類比示意圖。

1．．．電腦

10．．．探針校準路徑類比系統

101．．．模型繪製模組

102．．．點集計算模組

103．．．路徑類比模組

104．．．程式產生模組

11．．．儲存設備

12．．．處理器

13．．．顯示設備

Claims (10)

1. 一種探針校準路徑類比系統，該系統運行於電腦中，該電腦包括儲存設備及顯示設備，該系統包括：
   模型繪製模組，用於從儲存設備中導入標準球之三維模型檔案及探針之三維模型檔案，從標準球之三維模型檔案解析出標準球之曲面結點數據及控制點資料，從探針之三維模型檔案解析出探針之曲面結點數據及控制點資料，將標準球之曲面結點數據及控制點資料進行曲面三角網格化處理得到標準球三維模型，及將探針之曲面結點數據及控制點資料進行曲面三角網格化處理得到探針三維模型；
   點集計算模組，用於根據用戶輸入之取點個數在標準球之每層圓上選取測量點，根據標準球之半徑及探針之法向量計算每一測量點之座標，並將每一測量點之座標放入一個自定義陣列中，根據陣列中相鄰兩個測量點之座標及其法向量及探針之回彈距離計算出探針在球面上移動之移動點座標，將計算出之移動點插入到兩個相鄰測量點之間，及輸出陣列中所有測量點與移動點；
   路徑類比模組，用於根據輸出之測量點與移動點類比出探針之動態移動路徑，並在該動態移動路徑上之每一個點處進行探針碰撞檢測，及根據碰撞檢測結果判斷探針是否與標準球產生碰撞；及
   程式產生模組，用於當探針與標準球不發生碰撞時將探針之移動路徑轉化成探針校準程式，並將探針校準程式輸出並保存至儲存設備中，以供三次元量測機器在測量待測工件時控制探針之移動路徑。
2. 如申請專利範圍第1項所述之探針校準路徑類比系統，其中，所述之程式產生模組還用於當探針與標準球發生碰撞時產生探針與標準球發生碰撞之提示資訊，並將該碰撞提示資訊顯示在顯示設備上，以提示使用者重新配置三次元量測機器之量測參數。
3. 如申請專利範圍第1項所述之探針校準路徑類比系統，其中，所述之模型繪製模組將標準球之曲面結點數據及控制點資料進行曲面三角網格化處理得到標準球三維模型包括步驟：
   將標準球之曲面結點數據及控制點資料轉換為B樣條曲面得到該B樣條曲面在一個UV參數平面內之封閉邊界線，並對該封閉邊界線以U直線及V直線進行等距切分線得到複數邊界線之交點及UV小方格；
   對於沒有交點之UV小方格，將四個方格點按照逆時針原則直接連接成兩個三角形；
   對於有交點之UV小方格，將每一方格通過之邊界點、交點及方格點加入二維點佇列中；
   讀取二維點佇列中之第一點及與第一點最近之點來組成三角形之一條邊，並在二維點佇列中查找該三角形之第三點；
   根據上述查找原則在二維點佇列中依次查找其他點組成之三角形得到一個三角形佇列；及
   根據所述三角形佇列繪製出標準球三維模型，並將繪製出之標準球三維模型在顯示設備上。
4. 如申請專利範圍第1項所述之探針校準路徑類比系統，其中，所述之點集計算模組計算每一測量點之座標包括步驟：
   將每層圓之頂點之作為第一個量測點，根據第一個量測點及標準球之半徑計算出標準球之球心；
   根據球面層數計算相鄰兩層圓之夾角，根據夾角求出每層圓之圓心；
   以探針之法向量及每層圓心構造一個圓，在構造之圓上選取第二個測量點；
   將第二個測量點旋轉到探針之法向量上，以每層圓心及其半徑畫一個圓，並在該圓上選取第三個測量點；
   在每一層圓上確定一個不會撞針之安全角度，根據該安全角度及每層圓之圓心求出旋轉矩陣；及
   將第三個測量點乘以旋轉矩陣得到下一個測量點之座標，依次求出標準球之球面上每一個測量點之座標。
5. 如申請專利範圍第1項所述之探針校準路徑類比系統，其中，所述之點集計算模組計算移動點之座標包括步驟：
   根據第一個移動點之座標及探針法向量乘以探針之回彈距離得到第二個移動點之座標；
   計算第一個移動點與第二個移動點之間之夾角，根據該夾角計算第一個移動點與第二個移動點之間形成之弧長；
   以標準球之球心為旋轉點，以第一個移動點與第二個移動點及球心構成面之法向量為旋轉軸，根據夾角及其弧長計算出一個旋轉矩陣；
   用第二個移動點之座標乘以旋轉矩陣得到下一個移動點，依次求出所有移動點之座標。
6. 一種探針校準路徑類比方法，應用於電腦中，該電腦包括儲存設備及顯示設備，該方法包括步驟：
   從儲存設備中導入標準球之三維模型檔案及探針之三維模型檔案，從標準球之三維模型檔案解析出標準球之曲面結點數據及控制點資料，及從探針之三維模型檔案解析出探針之曲面結點數據及控制點數據；
   將標準球之曲面結點數據及控制點資料進行曲面三角網格化處理得到標準球三維模型，及將探針之曲面結點數據及控制點資料進行曲面三角網格化處理得到探針三維模型；
   根據用戶輸入之取點個數在標準球之每層圓上選取測量點，並根據標準球之半徑及探針之法向量計算每一測量點之座標，將每一測量點之座標放入一個自定義陣列中；
   根據陣列中相鄰兩個測量點之座標及其法向量及探針之回彈距離計算出探針在球面上移動之移動點座標，將計算出之移動點插入到兩個相鄰測量點之間，及輸出陣列中所有測量點與移動點；
   根據輸出之測量點與移動點類比出探針之動態移動路徑，並在該動態移動路徑上之每一個點處進行探針碰撞檢測；
   根據碰撞檢測結果判斷探針是否與標準球產生碰撞；
   若探針與標準球不發生碰撞，則將探針之移動路徑轉化成探針校準程式，並將探針校準程式輸出並保存至儲存設備中，以供三次元量測機器在測量待測工件時控制探針之移動路徑。
7. 如申請專利範圍第6項所述之探針校準路徑類比方法，該方法還包括步驟：
   若探針與標準球發生碰撞，則產生探針與標準球發生碰撞之提示資訊，並將該碰撞提示資訊顯示在顯示設備上，以提示使用者重新配置三次元量測機器之量測參數。
8. 如申請專利範圍第6項所述之探針校準路徑類比方法，其中，所述之將標準球之曲面結點數據及控制點資料進行曲面三角網格化處理得到標準球三維模型包括步驟：
   將標準球之曲面結點數據及控制點資料轉換為B樣條曲面得到該B樣條曲面在一個UV參數平面內之封閉邊界線，並對該封閉邊界線以U直線及V直線進行等距切分線得到複數邊界線之交點及UV小方格；
   對於沒有交點之UV小方格，將四個方格點按照逆時針原則直接連接成兩個三角形；
   對於有交點之UV小方格，將每個方格通過之邊界點、交點及方格點加入二維點佇列中；
   讀取二維點佇列中之第一點及與第一點最近之點來組成三角形之一條邊，並在二維點佇列中查找該三角形之第三點；
   根據上述查找原則在二維點佇列中依次查找其他點組成之三角形得到一個三角形佇列；及
   根據所述三角形佇列繪製出標準球三維模型，並將繪製出之標準球三維模型在顯示設備上。
9. 如申請專利範圍第6項所述之探針校準路徑類比方法，其中，所述之計算每一測量點之座標包括步驟：
   將每層圓之頂點之作為第一個量測點，根據第一個量測點及標準球之半徑計算出標準球之球心；
   根據球面層數計算相鄰兩層圓之夾角，根據夾角求出每層圓之圓心；
   以探針之法向量及每層圓心構造一個圓，在構造之圓上選取第二個測量點；
   將第二個測量點旋轉到探針之法向量上，以每層圓心及其半徑畫一個圓，並在該圓上選取第三個測量點；
   在每一層圓上確定一個不會撞針之安全角度，根據該安全角度及每層圓之圓心求出旋轉矩陣；及
   將第三個測量點乘以旋轉矩陣得到下一個測量點之座標，依次求出標準球之球面上每一個測量點之座標。
10. 如申請專利範圍第6項所述之探針校準路徑類比方法，其中，所述之計算移動點之座標包括步驟：
    根據第一個移動點之座標及探針法向量乘以探針之回彈距離得到第二個移動點之座標；
    計算第一個移動點與第二個移動點之間之夾角，根據該夾角計算第一個移動點與第二個移動點之間形成之弧長；
    以標準球之球心為旋轉點，以第一個移動點與第二個移動點及球心構成面之法向量為旋轉軸，根據夾角及其弧長計算出一個旋轉矩陣；
    用第二個移動點之座標乘以旋轉矩陣得到下一個移動點，依次求出所有移動點之座標。