[发明专利]三维坐标测量设备

说明书

背景技术

有一类用于在几十米的范围内精确测量三维坐标的便携式设备。这类设备通常被称为便携式大尺寸坐标测量机(CMM)。一种便携式CMM是激光跟踪器。它发送激光束到后向反射器靶，该靶可以是球形安装的后向反射器(SMR)，其包括在关注表面上移动的球体内居中放置的立方角后向反射器。作为选择，该靶可以是向后探针，其包括定位在反射镜的附近以形成探针尖端的虚像的立方角后向反射器(美国专利号5,530,549)。

第二种便携式CMM是照相机和多光探针(美国专利号5,440,392)。该设备包括包含探针尖端和至少三个点光源的探针以及观察该点光源的一个或多个照相机。照相机上的图像模式被用于确定探针尖端在空间上的位置。

第三种便携式CMM是具有单独但邻近的照相机的激光跟踪器(美国专利号5,973,788)。该设备包括激光跟踪器、靠近该激光跟踪器安装的照相机、探针。该探针包括探针尖端、至少三个点光源以及后向反射器。来自激光跟踪器的激光束测量后向反射器的三维坐标。同时，照相机测量探针上光源的三维坐标。来自这些测量的信息可以确定探针尖端在空间中的坐标。相关的思想(美国专利5,973,788)将照相机嵌入在还包含绝对距离测量仪的激光跟踪器中。

希望便携式CMM具有四种特性：(1)低价格，(2)高精度，(3)快速的数据采集，(4)容易使用。现今最便宜的这些设备需要大约100,000美元。有些设备采集数据太慢以至于不能被用于有效确定三维轮廓的坐标。另一些设备具有相对低的精度。如今需要一种新型的快速、精确、比当前的便携式CMM便宜得多的设备。

本文讨论了本发明三维坐标测量设备与现有技术相比较的一些优点，然而，这并不意味着是限定性的或穷尽性的优点说明。有几个生产基于照相机的测量系统的公司。最高精度的Metronor系统之一使用两个照相机，它们例如可以安放在工作场地。在这方面，Metronor系统与本设备相像。然而，Metronor系统是以带有未被照亮的尖端的探针为基础的。为了得到尖端的位置，Metronor系统必须能够根据位于探针上的多个LED的照相机图像来精确确定探针的倾角、旋角以及偏角。为了能够实现所需的精度，Metronor使它们的探针大到足以覆盖照相机视野的相对大的部分。这种大探针不便于管理。此外，需要这些探针是硬的并且在不同温度条件下均长度固定，这意味着使用昂贵的复合材料。

在大多数情况下，不同类型探针如当前没有被任何基于照相机的系统所使用的下述实施例，将会比诸如Metronor的伸长的探针更有用、更方便且更便宜。最简单的这种设备-在其中心处安放具有光源的球体-具有这样的优点：从球体的中心到边缘的距离为常数。因此，球体充当要测量的物体与光源之间的已知尺寸的隔离物。此外，球体可以在任意方向上转动。因此，球形安装的光源可被用于测量几乎任何物体的轮廓。在某些情况下，手柄也是方便的。来自对称性的类似思想导致基准靶，典型地将靶放入预先建立的工具孔中。在此情况下，光源位于靶的旋转对称轴上。通过测量该靶，可以由此确定所述孔在工具上的三维坐标。

所有这些靶-球形靶、安装有探针的靶、基准靶、广角靶或者向后探针靶-共同点在于它们都从空间上的一个点在广角上发射光。所有现有技术的、基于照相机的探针都使用多个光点。因此，以单个光点为基础设计这种有用的且精确的探针对于本领域的技术人员来说不是显而易见的。这一事实的证据是人们已经制造基于照相机的测量系统很多年了，但是还没有人实现这种更便宜并且具有相同或更高精度的系统。

发明内容

一种用在要测量的物体上的光学照相机三维坐标测量系统可包括：紧凑的、容易移动的并且可转动的、尺寸已知的靶，该靶包括沿着所述要测量的物体在不同的点处与所述要测量的物体相接触地放置的球形表面，由此消除了使用从所述靶延伸到所述要测量的物体的较大伸长的探针接触尖端的必要性；位于所述靶中已知位置处的至少一个或更多个光发射源，其中所述光发射源位于所述具有球形表面的靶的球心处；至少两个位于不同的且已知的坐标位置处的照相机，所述照相机用于从不同的光透视接收来自所述光发射源的光；以及处理器，其用于根据所述照相机上所述光发射源的图像、所述照相机的所述已知位置、所述靶的所述已知尺寸以及所述靶中所述光发射源的所述已知位置来计算所述要测量的物体的三维坐标位置。