TWI492080B - 三次元安全面建立系統及方法 - Google Patents

Description

三次元安全面建立系統及方法

本發明涉及一種三坐標量測系統及方法，尤其涉及一種三次元安全面建立系統及方法。

進入上世紀80年代以來，工業生產有了很大的發展，特別是機械、汽車、電子、航空航太工業興起後，各種複雜零件的研製和生產需要先進的檢測技術與儀器的支援。三坐標測量機(即三次元)是目前使用最廣泛的通用檢測儀器之一，它不僅精度高且適用面廣，主要用於零件和部件尺寸誤差和形位誤差的測量，對保證產品品質起著重要的作用，對產品研發、工程試模、量產製造等整個設計生產過程均至關重要。

三次元安全面的作用為：安全保護平面，可避免測針移動過程中碰撞到產品，三次元測針的任何移動，均需先從當前點移動到安全面上，然後從安全面上滑行到需要移動的點正上方。目前已上市的三次元軟體僅有極少部分有安全面設定，且該安全面設定全部由人工手動進行，手動設定的曲線為：1.手動設定效率不高，測針移動過程中不管有沒有障礙物均會先移動到安全面，再滑行，浪費時間；2.容易出錯且不能精確設計安全平面，操作用戶均是憑經驗進行設定。

鑒於以上內容，有必要提供一種三次元安全面建立系統及方法，其可精確、自動設定安全面，避免人為設定的缺陷。

一種三次元安全面建立系統，該系統包括：三角網格化模組用於將產品與三次元測針進行曲面三角網格化，輸出三角形佇列；包圍盒計算模組用於計算測針的空間最大包圍盒，根據產品上的當前量測點PT1和目標量測點PT2的坐標計算測針的空間最大包圍盒移動到該目標量測點PT2的路徑中的最大空間包圍盒；判斷模組用於藉由偵測所述三角形佇列中是否有組成該產品的三角形落入所述最大空間包圍盒中，來判斷該產品是否與該最大空間包圍盒相交；最遠點計算模組用於當該產品與所述最大空間包圍盒相交時，根據該產品於該最大空間包圍盒中的每片三角形的坐標，計算三角形頂點與該最大空間包圍盒的底平面間的垂直距離最遠的點M；安全面建立模組用於利用預設的安全面公差修正該最遠的點M所在的平面得到安全面。

一種三次元安全面建立方法，該方法包括：將產品與三次元測針進行曲面三角網格化，輸出三角形佇列；計算測針的空間最大包圍盒，根據產品上的當前量測點PT1和目標量測點PT2的坐標計算測針的空間最大包圍盒移動到該目標量測點PT2的路徑中的最大空間包圍盒；藉由偵測所述三角形佇列中是否有組成該產品的三角形落入所述最大空間包圍盒中，來判斷該產品是否與該最大空間包圍盒相交；當該產品與所述最大空間包圍盒相交時，根據該產品於該最大空間包圍盒中的每片三角形的坐標，計算三角形頂點與該最大空間包圍盒的底平面間的垂直距離最遠的點M；利用 預設的安全面公差修正該最遠的點M所在的平面得到安全面。

相較於習知技術，所述之三次元安全面建立系統及方法，可先判斷三次元測針移動過程中是否遇到障礙物，如遇到障礙物，計算出一個最佳化安全平面，使得測針從當前量測點移動到該安全平面上後再從安全面滑行到目標量測點的正上方，避免了安全事故，若三次元測針於移動過程中沒有遇到障礙物，測針則會從當前量測點直接移動到目標量測點上，提高了量測效率。

100‧‧‧電腦

1‧‧‧安全面建立系統

2‧‧‧儲存設備

3‧‧‧處理器

4‧‧‧顯示設備

10‧‧‧三角網格化模組

12‧‧‧包圍盒計算模組

14‧‧‧判斷模組

16‧‧‧最遠點計算模組

18‧‧‧安全面建立模組

20‧‧‧路徑類比模組

22‧‧‧輸出模組

圖1是本發明三次元安全面的示意圖。

圖2是本發明較佳實施例中的三次元安全面建立系統的運行環境示意圖。

圖3是本發明較佳實施例中的三次元安全面建立方法的作業流程圖。

圖4舉例說明本發明中的安全面建立示意圖。

圖5是圖3中步驟S300的具體作業流程圖。

圖6是本發明三角網格化的示意圖。

圖7是圖3中步驟S302的具體作業流程圖。

圖8是本發明中測針的空間最大包圍盒的示意圖。

圖9是本發明中獲取移動路徑中的最大空間包圍盒的示意圖。

圖10是圖3中步驟S304的具體作業流程圖。

如圖2所示，是本發明較佳實施例中的三次元安全面建立系統的運行環境示意圖。該安全面建立系統1運行於一台電腦100中，該電腦100包括儲存設備2、至少一個處理器3和一台顯示設備4。

於本實施例中，所述安全面建立系統1以軟體程式或指令的形式安裝於儲存設備2中，並由處理器3執行。該安全面建立系統1用於產品量測過程中的安全面建立，並類比測針的量測路徑，該安全面如圖1中所示。於其他實施例中，所述儲存設備2可以為電腦100外接的記憶體。所述顯示設備4用於顯示安全面建立過程中的圖形及顯示量測路徑。

其中，所述安全面建立系統1包括三角網格化模組10、包圍盒計算模組12、判斷模組14、最遠點計算模組16、安全面建立模組18、路徑類比模組20及輸出模組22。本發明所稱的模組是完成一特定功能的電腦程式段，比程式更適合於描述軟體於電腦中的執行過程，因此於本發明以下對軟體描述均以模組描述。該安全面建立系統1中各模組的功能將於圖3至圖10中進行詳細描述。

如圖3所示，是本發明較佳實施例中的三次元安全面建立方法的作業流程圖。

步驟S300，三角網格化模組10將產品與三次元測針進行曲面三角網格化，並輸出三角形佇列。具體三角網格化方法將於圖5中進行詳細描述。

步驟S302，包圍盒計算模組12計算測針的空間最大包圍盒，根據產品上的當前量測點PT1和目標量測點PT2的坐標計算測針的空間最大包圍盒移動到該目標量測點PT2的路徑中的最大空間包圍盒 。所述包圍盒計算方法將於圖7至圖9中進行詳細描述。

步驟S304，判斷模組14藉由偵測所述三角形佇列中是否有組成該產品的三角形落入所述最大空間包圍盒中，來判斷該產品是否與該最大空間包圍盒相交。具體相交判斷方法於圖10中進行詳細描述。

若上述判斷結果為該產品與所述最大空間包圍盒不相交，則流程直接結束。

若上述判斷結果為該產品與所述最大空間包圍盒相交，則於步驟S306，最遠點計算模組16根據該產品於該最大空間包圍盒中的每片三角形的坐標，計算三角形頂點與該最大空間包圍盒的底平面間的垂直距離最遠的點M，該點M如圖4中所示。

步驟S308，安全面建立模組18根據該最遠的點M可以得出產品的曲面安全面S1，該曲面安全面S1是一個平面。為了確保安全，本實施例需要利用一個預設的安全面公差Tol修正該曲面安全面S1，即建立最終的安全面S，如圖4中所示。

步驟S310，路徑類比模組20將所述當前量測點PT1和目標量測點PT2投影到該安全面S上得到點PT3和PT4(如圖4所示)，路徑類比模組20根據該當前量測點PT1、目標量測點PT2、點PT3和PT4可以類比測針的量測路徑。該量測路徑包括三條路徑：當前量測點PT1至點PT3間的路徑，點PT3至點PT4間的路徑，及點PT4至目標量測點PT2間的路徑。

步驟S310，輸出模組22輸出並顯示該量測路徑。

如圖5所示，是圖3中步驟S300的具體作業流程圖。本實施例中， 對測針三角網格化和對產品三角網格化可以分開實現。下述以對測針的三角網格化為例進行說明。

步驟S500，所述三角網格化模組10從電腦100中讀取測針的三維圖形。本實施例中，該電腦100中儲存有所述產品和測針的三維圖形。

步驟S502，所述三角網格化模組10判斷該三維圖形是否由三角面片組成。若判斷結果為該三維圖形由三角面片組成，則流程直接進入步驟S512。若判斷結果為該三維圖形不是由三角面片組成，則流程進入步驟S504。

步驟S504，所述三角網格化模組10將該三維圖形轉換成B樣條曲面，得到該B樣條曲面參數平面的邊界線，並用複數條水平直線和複數條垂直直線將該B樣條曲面參數平面做等距切分得到複數個包圍盒。圖6以一個圓球為例表示所述測針的三維圖形，三角網格化模組10用多條水平直線和垂直直線作為切分線(以下簡稱為“等距切分線”)，於U方向和V方向做等距切分，得到圖6所示的多個UV方格及等距切分線與邊界線相交所形成的三角形。

步驟S506，所述三角網格化模組10將所述與邊界線沒有交點的UV方格(如圖6中框線A和C所圈住的UV方格)的四個頂點按照逆時針原則連接成兩個三角形，先將一個小包圍盒的四個定點按照逆時針原則連接成兩個三角形後，再按照逆時針原則將由四個小包圍盒組成的大包圍盒中的八個三角形合併成兩個三角形。於其他實施例中，所述三角網格化模組10於連接三角形時還可以按照順時針原則連接。

步驟S508，所述三角網格化模組10將所述等距切分線與邊界線的交點(如圖6中框線B所圈住的點)、邊界線上的邊界點及所有UV方格的頂點加入一個2D佇列中。

步驟S510，所述三角網格化模組10於該2D佇列中查找與點P1最近的點P2，及構成邊P1P2的最大邊對角的點P3，依據點P1、P2、P3構成的三角形的外接圓內沒有點的原則，連接該點P1、P2和P3，構成三角形，並依此方法完成三維圖形中的所有三角形連接。

步驟S512，所述三角網格化模組10根據上述構成的所有三角形，輸出一個三角形佇列T。

如圖7所示，是圖3中步驟S302的具體作業流程圖。

步驟S700，包圍盒計算模組12根據三角形佇列T中組成測針的每片三角形的坐標，計算能包圍住測針的最小坐標點和最大坐標點，得到測針的空間最大包圍盒，其中，該測針的空間最大包圍盒由八個點組成。

如圖8所示，該測針的空間最大包圍盒的上底面有四點，下底面有四點，由這八個點組成的包圍盒為測針的空間最大包圍盒。其中，上底面四點的坐標分別為(ptMin.x,ptMin.y,ptMax.z)、(ptMin.x,ptMax.y,ptMax.z)、(ptMax.x,ptMax.y,ptMax.z)和(ptMax.x,ptMin.y,ptMax.z)，所述下底面四點的坐標分別為(ptMin.x,ptMin.y,ptMin.z)、(ptMin.x,ptMax.y,ptMin.z)、(ptMax.x,ptMax.y,ptMin.z)和(ptMax.x,ptMin.y,ptMin.z)。

步驟S702，以當前量測點PT1為原點，以當前量測點PT1與目標量 測點PT2間的連線為移動長度，以X軸為移動方向，移動該測針的空間最大包圍盒得到移動後的該八個點的坐標。如圖9所示，先以當前量測點PT1與目標量測點PT2間的連線為移動長度，將目標量測點移動到X軸方向，然後，將測針的空間最大包圍盒移動到X軸上的目標量測點處，得到移動後的該八個點的坐標。

步驟S704，根據移動前八個點的坐標和移動後該八個點的坐標計算移動路徑中的最大空間包圍盒，該最大空間包圍盒如圖9中的示意圖所示。

如圖10所示，是圖3中步驟S304的具體作業流程圖。

步驟S1000，判斷模組14以當前量測點PT1為原點，以測針的法線向量為旋轉軸，及以當前量測點PT1到目標量測點PT2間的連線與X軸間的夾角為旋轉角度，旋轉組成產品的三角形到所述最大空間包圍盒的坐標系內。

步驟S1002，判斷模組14判斷組成該產品的三角形中是否有三角形的坐標值落入組成所述最大空間包圍盒的最小坐標點與最大坐標點之間。具體而言，判斷該產品的三角形的坐標值是否大於所述最小坐標點而小於所述最大坐標點，例如，判斷三角形各頂點的X軸坐標值是否大於ptMin.x且小於ptMax.x。

若該產品有三角形的坐標值落入所述最小坐標點與最大坐標之間，則於步驟S1004，判定該產品與所述最大空間包圍盒相交。

若該產品沒有三角形的坐標值落入所述最小坐標點與最大坐標之間，則於步驟S1006，判定該產品與所述最大空間包圍盒未相交。

最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照以上較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。

100‧‧‧電腦

1‧‧‧安全面建立系統

2‧‧‧儲存設備

3‧‧‧處理器

4‧‧‧顯示設備

10‧‧‧三角網格化模組

12‧‧‧包圍盒計算模組

14‧‧‧判斷模組

16‧‧‧最遠點計算模組

18‧‧‧安全面建立模組

20‧‧‧路徑類比模組

22‧‧‧輸出模組

Claims (10)

1. 一種三次元安全面建立方法，該方法包括：三角網格化步驟，將產品與三次元測針進行曲面三角網格化，輸出三角形佇列；包圍盒計算步驟，計算測針的空間最大包圍盒，根據產品上的當前量測點PT1和目標量測點PT2的坐標計算測針的空間最大包圍盒移動到該目標量測點PT2的路徑中的最大空間包圍盒；判斷步驟，藉由偵測所述三角形佇列中是否有組成該產品的三角形落入所述最大空間包圍盒中，來判斷該產品是否與該最大空間包圍盒相交；最遠點計算步驟，當該產品與所述最大空間包圍盒相交時，根據該產品於該最大空間包圍盒中的每片三角形的坐標，計算三角形頂點與該最大空間包圍盒的底平面間的垂直距離最遠的點M；安全面建立步驟，利用預設的安全面公差修正該最遠的點M所在的平面得到安全面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之三次元安全面建立方法，該方法還包括：路徑類比步驟，將所述當前量測點PT1和目標量測點PT2投影到該安全面上得到點PT3和PT4，由該當前量測點PT1、目標量測點PT2、點PT3和PT4類比測針的量測路徑；及輸出步驟，輸出並顯示該量測路徑。
3. 如申請專利範圍第2項所述之三次元安全面建立方法，所述量測路徑包括三條路徑：當前量測點PT1至點PT3間的路徑，點PT3至點PT4間的路徑，及點PT4至目標量測點PT2間的路徑。
4. 如申請專利範圍第1項所述之三次元安全面建立方法，所述包圍盒計算步 驟包括：根據三角形佇列中組成測針的每片三角形的坐標，計算能包圍測針的最小坐標點和最大坐標點，得到測針的空間最大包圍盒，其中，該測針的空間最大包圍盒由八個點組成；以當前量測點PT1為原點，以當前量測點PT1與目標量測點PT2間的連線為移動長度，以X軸為移動方向，移動該測針的空間最大包圍盒得到移動後的該八個點的坐標；及根據移動前八個點的坐標和移動後該八個點的坐標計算移動路徑中的最大空間包圍盒。
5. 如申請專利範圍第4項所述之三次元安全面建立方法，所述判斷步驟包括：以當前量測點PT1為原點，以測針的法線向量為旋轉軸，及以當前量測點PT1到目標量測點PT2間的連線與X軸間的夾角為旋轉角度，旋轉組成產品的三角形到所述最大空間包圍盒的坐標系內；判斷組成該產品的三角形中是否有三角形的坐標值落入組成所述最大空間包圍盒的最小坐標點與最大坐標點之間；若該產品有三角形的坐標值落入所述最小坐標點與最大坐標之間，則判定該產品與所述最大空間包圍盒相交；或若該產品沒有三角形的坐標值落入所述最小坐標點與最大坐標之間，則判定該產品與所述最大空間包圍盒未相交。
6. 一種三次元安全面建立系統，該系統包括：三角網格化模組，用於將產品與三次元測針進行曲面三角網格化，輸出三角形佇列；包圍盒計算模組，用於計算測針的空間最大包圍盒，根據產品上的當前量測點PT1和目標量測點PT2的坐標計算測針的空間最大包圍盒移動到該 目標量測點PT2的路徑中的最大空間包圍盒；判斷模組，用於藉由偵測所述三角形佇列中是否有組成該產品的三角形落入所述最大空間包圍盒中，來判斷該產品是否與該最大空間包圍盒相交；最遠點計算模組，當該產品與所述最大空間包圍盒相交時，根據該產品於該最大空間包圍盒中的每片三角形的坐標，計算三角形頂點與該最大空間包圍盒的底平面間的垂直距離最遠的點M；安全面建立模組，利用預設的安全面公差修正該最遠的點M所在的平面得到安全面。
7. 如申請專利範圍第6項所述之三次元安全面建立系統，該系統還包括：路徑類比模組，用於將所述當前量測點PT1和目標量測點PT2投影到該安全面上得到點PT3和PT4，由該當前量測點PT1、目標量測點PT2、點PT3和PT4類比測針的量測路徑。
8. 如申請專利範圍第7項所述之三次元安全面建立系統，該系統還包括輸出步驟，用於輸出並顯示所述量測路徑，該量測路徑包括三條路徑：當前量測點PT1至點PT3間的路徑，點PT3至點PT4間的路徑，及點PT4至目標量測點PT2間的路徑。
9. 如申請專利範圍第6項所述之三次元安全面建立系統，所述包圍盒計算模組藉由如下步驟得到所述最大空間包圍盒：根據三角形佇列中組成測針的每片三角形的坐標，計算能包圍測針的最小坐標點和最大坐標點，得到測針的空間最大包圍盒，其中，該測針的空間最大包圍盒由八個點組成；以當前量測點PT1為原點，以當前量測點PT1與目標量測點PT2間的連線為移動長度，以X軸為移動方向，移動該測針的空間最大包圍盒得到移動後的該八個點的坐標；及 根據移動前八個點的坐標和移動後該八個點的坐標計算移動路徑中的最大空間包圍盒。
10. 如申請專利範圍第9項所述之三次元安全面建立系統，所述判斷模組藉由以下步驟判斷產品與所述最大空間包圍盒是否相交：以當前量測點PT1為原點，以測針的法線向量為旋轉軸，及以當前量測點PT1到目標量測點PT2間的連線與X軸間的夾角為旋轉角度，旋轉組成產品的三角形到所述最大空間包圍盒的坐標系內；判斷組成該產品的三角形中是否有三角形的坐標值落入組成所述最大空間包圍盒的最小坐標點與最大坐標點之間；若該產品有三角形的坐標值落入所述最小坐標點與最大坐標之間，則判定該產品與所述最大空間包圍盒相交；或若該產品沒有三角形的坐標值落入所述最小坐標點與最大坐標之間，則判定該產品與所述最大空間包圍盒未相交。