TWI510760B - 三次元測針補償及空間誤差測定系統及方法 - Google Patents

三次元測針補償及空間誤差測定系統及方法 Download PDF

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Description

三次元測針補償及空間誤差測定系統及方法
本發明涉及一種三次元量測系統及方法，尤其涉及一種三次元測針補償及空間誤差測定系統及方法。
三次元機台的硬體精度主要包含：測針系統的精度、光學尺的精度、機器本體架構（Frame）的精度。其中，測針系統（包含旋轉部件、感應部件、測桿、測頭等）的精度最為重要，其直接關係到量測點的精度。然而，在製造與日益使用過程中，測針系統會因為磨損造成精度的丟失，因此，需要對測針系統的精度進行補償。
鑒於以上內容，有必要提供一種三次元測針補償及空間誤差測定系統及方法，其透過對一個標準球的分層取點與計算，來避開量測時容易撞針的部位，並透過兩次量測來提高測針的補償精度和效率。
一種三次元測針補償及空間誤差測定系統，運行於電子裝置中，所述測針包括測頭及與三次元機台連接的測桿。該系統包括：導入模組用於提供一個帶有支撐桿的標準球，導入該標準球的半徑R1、該支撐桿的半徑R2、該標準球頂部任意點的座標PT及測桿的法向N1；表面點計算模組用於按照比例將該標準球分成多層，並根據該標準球的半徑R1、所述頂部任意點的座標PT及在所述標準球上點取的表面點的個數Num，計算出所述點取的各表面點的座標及向量，得到座標集PTS；旋轉模組用於將所述測桿的法向N1、標準球的法向N2進行差乘得到旋轉法向N3，將所述標準球繞該旋轉法向N3旋轉一個預設角度得到旋轉矩陣mat；表面點更新模組用於將該旋轉矩陣mat與所述各表面點的座標相乘，計算得到所述各表面點的新座標，並利用各表面點的新座標更新所述座標集PTS；實際量測模組用於根據上述座標集PTS生成量測程式，將該量測程式傳送給三次元機台以控制所述測針實際量測工件兩次，分別得到實際量測的點集Refs和Meas；及補償與誤差測定模組用於根據實際量測的點集Refs和Meas、標準球的半徑R1及測頭的半徑R3計算該測針的補償值，利用該補償值補償該測針，並根據實際量測的點集Refs和Meas計算該測針的空間誤差。
一種三次元測針補償及空間誤差測定方法，應用於電子裝置中，其中，所述測針包括測頭及與三次元量測機台連接的測桿，該方法包括：提供一個帶有支撐桿的標準球，導入該標準球的半徑R1、該支撐桿的半徑R2、該標準球頂部任意點的座標PT及測桿的法向N1；按照比例將該標準球分成多層，並根據該標準球的半徑R1、所述頂部任意點的座標PT及在所述標準球上點取的表面點的個數Num，計算出所述點取的各表面點的座標及向量，得到座標集PTS；將所述測桿的法向N1、標準球的法向N2進行差乘得到旋轉法向N3，將所述標準球繞該旋轉法向N3旋轉一個預設角度得到旋轉矩陣mat；將該旋轉矩陣mat與所述各表面點的座標相乘，計算得到所述各表面點的新座標，並利用各表面點的新座標更新所述座標集PTS；根據上述座標集PTS生成量測程式，將該量測程式傳送給三次元機台以控制所述測針實際量測工件兩次，分別得到實際量測的點集Refs和Meas；及根據實際量測的點集Refs和Meas、標準球的半徑R1及測頭的半徑R3計算該測針的補償值，利用該補償值補償該測針，並根據實際量測的點集Refs和Meas計算該測針的空間誤差。
相較於習知技術，所述的三次元測針補償及空間誤差測定系統及方法，透過對高精度陶瓷標準球的分層取點及按照演算法的自定比例取點，使測頭各部位區域基本能接觸到，能反應測頭真實使用情況。
如圖1所示，係本發明較佳實施例中的三次元測針補償及空間誤差測定系統之運行環境示意圖。該三次元測針補償及空間誤差測定系統10（以下簡稱為“系統10”）運行於一台電子裝置1中，該電子裝置1用於控制一個三次元機台（圖中未示出）的測針2量測工件。其中，測針2包括測頭20、測桿22、轉部件（圖中未示出）和感應部件（圖中未示出）。
為了減少測針2量測工件時的撞針，本實施例透過對一個帶有支撐桿32的標準球30進行分層取點與計算，來生成量測程式。系統10利用該量測程式控制測針2兩次實際量測工件，並根據量測的資料對所述測針2進行補償及測定該測針2所在的空間誤差。如圖8所示，所述標準球30與支撐桿32相連。另外，透過對所述標準球30的分層取點與計算，還可以避開量測時容易撞針的部位，及透過所述兩次量測可以提高測針2的補償精度和效率。
在本實施例中，所述標準球30是一個由高精度陶瓷支撐的球體，該標準球30的半徑比測頭20的半徑大，且比支撐桿32的半徑大。
如圖2所示，係圖1中電子裝置1的結構示意圖。在該示意圖中，電子裝置1除了包括所述系統10外，還包括儲存設備12和至少一個處理器14。在本實施例中，所述系統10以軟體程式或指令的形式安裝在該儲存設備12中，並由處理器14執行。該系統10包括導入模組100、表面點計算模組102、旋轉模組104、表面點更新模組106、實際量測模組108及補償與誤差測定模組110。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在電腦中的執行過程，因此在本發明以下對軟體描述都以模組描述。
所述導入模組100用於從儲存設備12中導入所述標準球的半徑R1、支撐桿的半徑R2、該標準球30頂部任意點的座標PT及所述測桿22的法向N1。
所述表面點計算模組102用於按照比例將該標準球30分成多層，並根據該標準球30的半徑R1、所述頂部任意點的座標PT及在所述標準球30上點取的表面點（即在標準球30上取點）的個數Num，計算出所述點取的各表面點的座標及向量，得到座標集PTS。本實施例中，在所述標準球30上取點的個數Num可預先設定，標準取點個數為二十五個或二十五個以上。
例如，表面點計算模組102根據標準球30的半徑R1、所述頂部任意點的座標PT及在所述標準球30上取點的個數為Num，按照比例把該標準球30分成多層。由於量測時，標準球30的下半部分不會與工件接觸，因此，本實施例將該標準球30的上半部分進行等比例劃分，如圖4所示，以22.5度的夾角將該標準球30的上半部分進行等比例劃分後共得到五層，每層上的表面點的個數可以由公式大致計算得出。如第一層的表面點個數=(Num-1)*33.3%，第二層的表面點個數=(Num-1)*16.7%，第三層的表面點個數=(Num-1)*33.3%，第四層的表面點個數=(Num-1)*16.7%，第五層的表面點個數=1。其中，第一層即所述標準球30的球心所在的層，第五層即所述標準球30頂點所在的層。
其中，該標準球30的球心座標ptCenter=PT-R1。具體地，該球心座標中的x值ptCenter.x等於所述頂部任意點的座標PT在x軸上的值，該球心座標中的y值ptCenter.y等於所述座標PT在y軸上的值，及該球心座標中的z值ptCenter.z等於所述座標PT在z軸上的值與標準球30的半徑R1間的差值。
而每層的圓心座標pt=ptStepCenter+sin(22.5)*R1。具體地，圓心座標中的x值ptStepCenter.x=ptCenter.x，圓心座標中的y值ptStepCenter.y=ptCenter.y，圓心座標中的z值ptStepCenter.z=ptCenter.z+sin(22.5°)*R1。
如圖5所示，假設每層上每兩個表面點間的夾角為a，則a=360/每層表面點的個數，其中，第一個表面點（簡稱“第一點”）的座標=ptStepCenter.x+R1，第n點的座標=第一點繞軸(0,0,1)旋轉角度(a*n)後的座標，所述表面點計算模組102由每個表面點的座標指向標準球30的球心得到每個表面點的向量。所述表面點計算模組102由上述計算出的各表面點的座標及向量得到所述座標集PTS。
所述旋轉模組104用於將如圖6所示的測桿22的法向N1、標準球30的法向N2進行差乘得到旋轉法向N3，將所述標準球30繞該旋轉法向N3旋轉一個預設角度得到旋轉矩陣mat。其中，該預設角度等於所述測桿22的法向N1與標準球30的法向N2間的夾角。
所述表面點更新模組106用於將該旋轉矩陣mat與所述各表面點的座標相乘，計算得到所述各表面點的新座標，並利用各表面點的新座標更新所述座標集PTS。
為了提高補償精度，本實施例需要避開量測時容易撞針的部位，因此，需要對所述各表面點的新座標進行再次更新。具體而言，所述表面點更新模組106將所述支撐桿32和標準球30的交點的座標與上述每層中各表面點的新座標進行比對。當某個新座標的Z值小於所述交點的Z值時，重新計算該新座標所在層上各表面點的座標值，並利用該重新計算出的座標值更新所述座標集PTS。經過旋轉後的表面點的座標可能會比支撐桿32和標準球30的球面的交點的位置還小，因此要避開如圖7所示的該支撐桿32和標準球30的所有交點，透過下述公式重新計算所述各表面點的座標：第n點座標=第一點繞軸(0,0,1)旋轉角度((360-a1)*n)後的座標。所述表面點更新模組106利用該重新計算出的座標更新所述座標集PTS。
所述實際量測模組108用於根據上述更新後的座標集PTS生成量測程式，並將該量測程式傳送給三次元機台，以控制所述測針2實際量測工件。本實施例中，為了提高補償精度，會控制測針2實際量測工件兩次，並由此得到實際量測點集Refs和Meas。
本實施例中，所述量測程式為I++量測程式。I++是三次元業界中的通用格式，適合大部分量測機台。例如，所述量測程式中各表面點的座標與向量格式為：
C0001 PtMeas(IJK(-0.00000, -0.00000, 1.00000), X(0.00000), Y(0.00000), Z(0.00000))
C0002
PtMeas(X(9.23879533),Y(-3.82683432),Z(-12.00000000),IJK(0.92387953, -0.38268343, 0.00000000))
C0003
PtMeas(X(3.82683432),Y(-9.23879533),Z(-12.00000000),IJK(0.38268343, -0.92387953, 0.00000000))。
所述補償與誤差測定模組110用於根據實際量測的點集Refs和Meas、標準球的半徑R1及測頭20的半徑R3計算出該測針2的補償值，利用該補償值補償該測針2，並根據實際量測點集Refs和Meas計算測針2的空間誤差。本實施例中，所述補償值包括測頭20的半徑補償值和球心補償值。
具體地，所述補償與誤差測定模組110根據上述實際量測的點集Refs擬合第一參考球，得到球心ptRef及該第一參考球的半徑rRef；根據所述實際量測點集Meas擬合第二參考球，得到球心ptMeas及該第二參考球的半徑rMeas；根據所述測桿22的出廠標準長度得到所述標準球的球心座標ptMorminal，該標準球的球心座標ptMorminal等於（0，0，–標準長度）；利用公式計算出所述測頭20的半徑補償值，該半徑補償值rOffset=rMeas–R1+stdProbeR，其中，stdProbeR為所述測頭20的出廠標準半徑；及利用公式計算出所述測頭20的球心補償值，該球心補償值ptOffset=ptMeas+ptNorminal–ptRef。
另外，所述補償與誤差測定模組110利用公式計算出所述測針2的空間誤差，該測針2的空間誤差等於maxR–minR，其中，maxR為所述實際量測點集Meas中的表面點與所述第二參考球的球心間的最大距離，minR為所述實際量測點集Meas中的表面點與所述第二參考球的球心間的最小距離。
如圖3所示，係本發明較佳實施例中的三次元測針補償及空間誤差測定方法之作業流程圖。
步驟S300，提供一個帶有支撐桿32的標準球30，導入模組100從儲存設備12中導入所述標準球的半徑R1、支撐桿的半徑R2、該標準球30頂部任意點的座標PT及所述測桿22的法向N1。
步驟S302，表面點計算模組102按照比例將該標準球30分成多層，並根據該標準球30的半徑R1、所述頂部任意點的座標PT及在所述標準球30上點取的表面點（即在標準球30上取點）的個數Num，計算出所述點取的各表面點的座標及向量，得到座標集PTS。
本實施例中，在所述標準球30上點取的表面點的個數Num一般為二十五個以上，所述標準球30可以被劃分成五層。第一層為所述標準球30的球心所在的層，第五層為所述標準球30頂點所在的層。每層上的表面點的個數可以由公式大致計算得出。如第一層的表面點個數=(Num-1)*33.3%，第二層的表面點個數=(Num-1)*16.7%，第三層的表面點個數=(Num-1)*33.3%，第四層的表面點個數=(Num-1)*16.7%，第五層的表面點個數=1。所述各表面點的座標與向量計算方法可如圖2、圖4至圖5中的描述。
步驟S304，旋轉模組104將測桿22的法向N1、標準球30的法向N2進行差乘得到旋轉法向N3（如圖6所示），將所述標準球30繞該旋轉法向N3旋轉一個預設角度得到旋轉矩陣mat。其中，該預設角度等於所述測桿22的法向N1與標準球30的法向N2間的夾角。
步驟S306，所述表面點更新模組106將該旋轉矩陣mat與所述各表面點的座標相乘，計算得到所述各表面點的新座標，並利用各表面點的新座標更新所述座標集PTS。
步驟S308，所述表面點更新模組106將所述支撐桿32和標準球30的交點的座標與上述每層中各表面點的新座標進行比對，當某個新座標的Z值小於所述交點的Z值時，利用公式重新計算該新座標所在層上各表面點的座標值，並利用該重新計算出的座標值更新所述座標集PTS。在本實施例中，所述公式為：第n點座標=第一點繞軸(0,0,1)旋轉角度((360-a1)*n)後的座標。
步驟S310，實際量測模組108根據上述更新後的座標集PTS生成量測程式，並將該量測程式傳送給三次元機台，以控制所述測針2實際量測工件。本實施例中，為了提高補償精度，會控制測針2實際量測工件兩次，並由此得到實際量測點集Refs和Meas。
步驟S312，補償與誤差測定模組110根據實際量測的點集Refs和Meas、標準球的半徑R1及測頭20的半徑R3計算出該測針2的補償值，利用該補償值補償該測針2，並根據實際量測點集Refs和Meas計算測針2的空間誤差。本實施例中，所述補償值包括測頭20的半徑補償值和球心補償值。
具體地，所述補償與誤差測定模組110根據上述實際量測的點集Refs擬合第一參考球，得到球心ptRef及該第一參考球的半徑rRef；根據所述實際量測點集Meas擬合第二參考球，得到球心ptMeas及該第二參考球的半徑rMeas；根據所述測桿22的出廠標準長度得到所述標準球的球心座標ptMorminal，該標準球的球心座標ptMorminal等於（0，0，–標準長度）；利用公式計算出所述測頭20的半徑補償值，該半徑補償值rOffset=rMeas–R1+stdProbeR，其中，stdProbeR為所述測頭20的出廠標準半徑；及利用公式計算出所述測頭20的球心補償值，該球心補償值ptOffset=ptMeas+ptNorminal–ptRef。所述補償與誤差測定模組110利用公式計算出所述測針2的空間誤差，該測針2的空間誤差等於maxR–minR，其中，maxR為所述實際量測點集Meas中的表面點與所述第二參考球的球心間的最大距離，minR為所述實際量測點集Meas中的表面點與所述第二參考球的球心間的最小距離。
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。
1．．．電子裝置
2．．．測針
20．．．測頭
22．．．測桿
30．．．標準球
32．．．支撐桿
10．．．三次元測針補償及空間誤差測定系統
12．．．儲存設備
14．．．處理器
100．．．導入模組
102．．．表面點計算模組
104．．．旋轉模組
106．．．表面點更新模組
108．．．實際量測模組
110．．．補償與誤差測定模組
圖1係本發明較佳實施例中的三次元測針補償及空間誤差測定系統之運行環境示意圖。
圖2係圖1中電子裝置的結構示意圖。
圖3係本發明較佳實施例中的三次元測針補償及空間誤差測定方法之作業流程圖。
圖4係圖3步驟S202中按照比例將標準球劃分為五層的示意圖。
圖5係圖3步驟S202中計算每個表面點的座標的示意圖。
圖6係圖3步驟S204中計算旋轉法向N3的示意圖。
圖7和圖8係圖3步驟S208中重新計算標準球的表面點的座標的示意圖。
1．．．電子裝置
10．．．三次元測針補償及空間誤差測定系統
12．．．儲存設備
14．．．處理器
100．．．導入模組
102．．．表面點計算模組
104．．．旋轉模組
106．．．表面點更新模組
108．．．實際量測模組
110．．．補償與誤差測定模組

Claims (10)

  1. 一種三次元測針補償及空間誤差測定方法，應用於電子裝置中，其中，所述測針包括測頭及與三次元量測機台連接的測桿，該方法包括：
    導入步驟，提供一個帶有支撐桿的標準球，導入該標準球的半徑R1、該支撐桿的半徑R2、該標準球頂部任意點的座標PT及測桿的法向N1；
    表面點計算步驟，按照比例將該標準球分成多層，並根據該標準球的半徑R1、所述頂部任意點的座標PT及在所述標準球上點取的表面點的個數Num，計算出所述點取的各表面點的座標及向量，得到座標集PTS；
    旋轉步驟，將所述測桿的法向N1、標準球的法向N2進行差乘得到旋轉法向N3，將所述標準球繞該旋轉法向N3旋轉一個預設角度得到旋轉矩陣mat；
    表面點更新步驟，將該旋轉矩陣mat與所述各表面點的座標相乘，計算得到所述各表面點的新座標，並利用各表面點的新座標更新所述座標集PTS；
    實際量測步驟，根據上述座標集PTS生成量測程式，將該量測程式傳送給三次元機台以控制所述測針實際量測工件兩次，分別得到實際量測的點集Refs和Meas；及
    補償與誤差測定步驟，根據實際量測的點集Refs和Meas、標準球的半徑R1及測頭的半徑R3計算該測針的補償值，利用該補償值補償該測針，並根據實際量測的點集Refs和Meas計算該測針的空間誤差。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之三次元測針補償及空間誤差測定方法，其中所述預設角度等於所述測桿的法向N1與標準球的法向N2間的夾角。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之三次元測針補償及空間誤差測定方法，其中所述表面點更新步驟還包括：
    將所述支撐桿和標準球的交點的座標與上述每層中各表面點的新座標進行比對；及
    當某個新座標的Z值小於所述交點的Z值時，重新計算該新座標所在層上各表面點的座標值，並利用該重新計算出的座標值更新所述座標集PTS。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之三次元測針補償及空間誤差測定方法，其中所述補償與誤差測定步驟中計算測針的補償值的步驟包括：
    根據所述實際量測點集Refs擬合第一參考球，得到球心ptRef及該第一參考球的半徑rRef；
    根據所述實際量測點集Meas擬合第二參考球，得到球心ptMeas及該第二參考球的半徑rMeas；
    根據所述測桿的出廠標準長度得到所述標準球的球心座標ptMorminal，該標準球的球心座標ptMorminal等於（0，0，–標準長度）；
    利用公式計算出所述測頭的半徑補償值，該半徑補償值rOffset=rMeas–R1+stdProbeR，其中，stdProbeR為所述測頭的出廠標準半徑；及
    利用公式計算出所述測頭的球心補償值，該球心補償值ptOffset=ptMeas+ptNorminal–ptRef。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之三次元測針補償及空間誤差測定方法，其中所述補償與誤差測定步驟中計算測針的空間誤差的步驟包括：
    利用公式計算出所述測針的空間誤差，該測針的空間誤差等於maxR–minR，其中，maxR為所述實際量測點集Meas中的表面點與所述第二參考球的球心間的最大距離，minR為所述實際量測點集Meas中的表面點與所述第二參考球的球心間的最小距離。
  6. 一種三次元測針補償及空間誤差測定系統，運行於電子裝置中，所述測針包括測頭及與三次元機台連接的測桿，該系統包括：
    導入模組，用於提供一個帶有支撐桿的標準球，導入該標準球的半徑R1、該支撐桿的半徑R2、該標準球頂部任意點的座標PT及測桿的法向N1；
    表面點計算模組，用於按照比例將該標準球分成多層，並根據該標準球的半徑R1、所述頂部任意點的座標PT及在所述標準球上點取的表面點的個數Num，計算出所述點取的各表面點的座標及向量，得到座標集PTS；
    旋轉模組，用於將所述測桿的法向N1、標準球的法向N2進行差乘得到旋轉法向N3，將所述標準球繞該旋轉法向N3旋轉一個預設角度得到旋轉矩陣mat；
    表面點更新模組，用於將該旋轉矩陣mat與所述各表面點的座標相乘，計算得到所述各表面點的新座標，並利用各表面點的新座標更新所述座標集PTS；
    實際量測模組，用於根據上述座標集PTS生成量測程式，將該量測程式傳送給三次元機台以控制所述測針實際量測工件兩次，分別得到實際量測的點集Refs和Meas；及
    補償與誤差測定模組，用於根據實際量測的點集Refs和Meas、標準球的半徑R1及測頭的半徑R3計算該測針的補償值，利用該補償值補償該測針，並根據實際量測的點集Refs和Meas計算該測針的空間誤差。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之三次元測針補償及空間誤差測定系統，其中所述預設角度等於所述測桿的法向N1與標準球的法向N2間的夾角。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之三次元測針補償及空間誤差測定系統，其中所述表面點更新模組還用於：
    將所述支撐桿和標準球的交點的座標與上述每層中各表面點的新座標進行比對；及
    當某個新座標的Z值小於所述交點的Z值時，重新計算該新座標所在層上各表面點的座標值，並利用該重新計算出的座標值更新所述座標集PTS。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之三次元測針補償及空間誤差測定系統，其中所述補償與誤差測定模組透過以下步驟計算測針的補償值：
    根據所述實際量測點集Refs擬合第一參考球，得到球心ptRef及該第一參考球的半徑rRef；
    根據所述實際量測點集Meas擬合第二參考球，得到球心ptMeas及該第二參考球的半徑rMeas；
    根據所述測桿的出廠標準長度得到所述標準球的球心座標ptMorminal，該標準球的球心座標ptMorminal等於（0，0，–標準長度）；
    利用公式計算出所述測頭的半徑補償值，該半徑補償值rOffset=rMeas–R1+stdProbeR，其中，stdProbeR為所述測頭的出廠標準半徑；及
    利用公式計算出所述測頭的球心補償值，該球心補償值ptOffset=ptMeas+ptNorminal–ptRef。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之三次元測針補償及空間誤差測定系統，其中所述補償與誤差測定模組透過以下步驟計算測針的空間誤差：
    利用公式計算出所述測針的空間誤差，該測針的空間誤差等於maxR–minR，其中，maxR為所述實際量測點集Meas中的表面點與所述第二參考球的球心間的最大距離，minR為所述實際量測點集Meas中的表面點與所述第二參考球的球心間的最小距離。
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