專利名稱：物體掃描的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用安裝在坐標(biāo)定位設(shè)備上的表面測量探頭來掃描物體的方法和設(shè)備。例如，坐標(biāo)定位設(shè)備包括坐標(biāo)測量儀(CMM)、機械工具、手工坐標(biāo)測量臂、掃描儀和自動檢查機。
本發(fā)明的方法和設(shè)備適用于掃描牙齒及牙科部位。
用安裝在坐標(biāo)定位設(shè)備(如坐標(biāo)測量儀)上的表面測量探頭來測量物體，已被廣泛了解。由此確定的物體表面的測量數(shù)據(jù)可提供該物體表面的三維映像。
第一種已知的掃描物體表面的方法包括沿單個方向(例如，x軸)移動表面測量探頭，然后用探頭沿著該軸在該物體表面上行進。這種掃描操作提供了沿著單個平面的測量數(shù)據(jù)。為了獲得相鄰平面上的測量數(shù)據(jù)，必須停下該表面測量探頭然后倒退以便于在下一平面以及隨后的平面上重復(fù)該掃描操作，由此提供對整個平面的光柵掃描。這種方法的缺點是，因需要在每個平面結(jié)束時停止和倒退表面測量探頭而導(dǎo)致速度很慢。
另一種用于掃描物體表面的方法包括在xy平面上繞著物體表面移動表面測量探頭，然后在z方向上平移該物體得到的相鄰切片上重復(fù)這一步驟。這種方法同樣速度很慢。它的另一個缺點是當(dāng)探頭的壓力在xy平面上時，如果頂部表面是水平的，那么將無法使用相同的掃描輪廓(profile)來測量該平面，因為探頭會滑動到水平平面上。為了克服這個缺點，需要為該頂部表面使用不同的掃描輪廓。
我們早期的WO03/046412號國際專利申請公開了一種掃描樣品的方法，其中該樣品被放置在帶有普通的螺旋狀螺紋的托臺之上，以使該托臺和樣品沿著螺旋狀的軌道旋轉(zhuǎn)。探頭被放置在樣品表面的一個適宜點上，以便于在托臺旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生對樣品的螺旋形掃描。
由于其機械性本質(zhì)，這種方法有它的局限性，因為它需要特定的機械設(shè)置，例如，螺距是無法調(diào)整的。
本發(fā)明提供一種用安裝在坐標(biāo)定位機器上的表面測量探頭來掃描物體的方法，該探頭具有可定義的伺服方向向量，該方法的步驟包括使用坐標(biāo)定位機器的平移運動，沿著至少部分設(shè)計(nominally)螺旋路徑移動探頭，所述至少部分設(shè)計螺旋路徑圍繞著與物體相交的軸；其中該探頭的伺服方向向量被按設(shè)計地引導(dǎo)朝向所述至少部分設(shè)計螺旋路徑的軸；并且其中該探頭的伺服方向向量與所述設(shè)計螺旋路徑的所述軸成一角度，并且與垂直于所述至少部分設(shè)計螺旋路徑的所述軸的平面成一角度。
因為該探頭的伺服方向向量和設(shè)計螺旋路徑的軸以及與該軸垂直的平面都成一定角度，因此可對與該軸平行或垂直的兩個表面都進行掃描，而避免探頭滑離物體的表面。這對于像牙齒一類的物體尤其重要，對于這類物體同時需要頂面和側(cè)面的信息。該伺服方向向量被按設(shè)計地引導(dǎo)朝向設(shè)計螺旋路徑的軸以防止探頭的滑動離開。
該物體可具有未知的表面輪廓。該物體可具有不規(guī)則的表面。
本方法的優(yōu)點是螺旋輪廓提供了連續(xù)的快速掃描。
此外，本方法可以在任何坐標(biāo)定位設(shè)備上實現(xiàn)，因為不需要用機械組件來組成上述螺旋掃描輪廓。
由于上述螺旋掃描輪廓不是通過機械組件來定義的，因此可以容易地調(diào)整輪廓的維度，例如螺旋的螺距和第二軸的角度等。
該表面測量探頭可以包含具有偏轉(zhuǎn)鐵筆的接觸探頭。在這種情況下，該方法還包含以下步驟沿著與探頭的探頭伺服方向向量的方向移動該探頭，以控制探頭的偏轉(zhuǎn)。
表面測量探頭可以包含非接觸探頭。該方法還可以包含以下步驟沿著與探頭的探頭伺服方向向量的方向移動該探頭，以控制探頭的偏移。當(dāng)非接觸探頭沿著至少部分設(shè)計螺旋路徑移動時，可以旋轉(zhuǎn)該探頭以保持將它的視線朝向與物體相交的軸。
該方法可以包含通過在垂直于探頭的伺服方向向量的方向上移動探頭來把探頭維持在設(shè)計螺旋路徑上的步驟。
在一個實施例中，平移坐標(biāo)定位機器以便繞著與物體相交的軸沿著至少部分設(shè)計螺旋路徑來移動探頭的操作是通過以下方式進行的定義第二軸，探頭伺服方向向量與該軸平行，所述第二軸與所述的與物體相交的軸成一角度；旋轉(zhuǎn)第二軸以便繞著第一軸作至少部分的旋轉(zhuǎn)，然后沿著平行于第一軸的方向平移第二軸；移動表面測量探頭以把它維持在軸上。第二軸可以與被測量物體的表面相交。
探頭的伺服方向向量可以與部分相交的軸成45度。
探頭方向向量與相交于物體的軸之間的角度可以在掃描期間被改變。
表面測量探頭可以包含一個非接觸探頭，例如光學(xué)探頭、電容探頭或者電感探頭。
本發(fā)明的第二個方面提供了一種使用表面測量探頭掃描物體的方法，該方法包含以下步驟定義物體的第一軸；定義第二軸，所述第二軸與第一軸成一角度；使第二軸圍繞第一軸旋轉(zhuǎn)作至少部分的旋轉(zhuǎn)，并沿著平行于第一軸的方向平移第二軸；移動表面測量探頭以把它維持在第二軸上。
可以在第二軸的方向上伺服該探頭以把該探針保持在離物體的期望距離處?？梢栽谂c第二軸垂直的方向上伺服該探頭以把它保持在第二軸上。
第二軸優(yōu)選地與被測量物體的表面相交。
本發(fā)明的第三個方面提供了用于掃描物體的設(shè)備，包括在坐標(biāo)定位機器上安裝的表面測量探頭，所述坐標(biāo)定位機器具有驅(qū)動裝置，用以在幾個軸上平移地驅(qū)動該探頭；控制器，用于控制所述驅(qū)動裝置，用于圍繞著與所述物體相交的軸沿著至少部分設(shè)計螺旋路徑來移動探頭；其中該控制器控制所述驅(qū)動裝置，以使得探頭的伺服方向向量被按設(shè)計地引導(dǎo)朝向所述至少部分設(shè)計螺旋路徑的所述軸的中點；并且其中該控制器控制所述驅(qū)動裝置，以使得探頭的伺服方向向量與所述至少部分設(shè)計螺旋路徑的所述軸成一角度，并與所述至少部分設(shè)計螺旋路徑的所述軸垂直的平面成一角度。
在此將參考附圖，以舉例的方式來描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中

圖1是被掃描物體的透視圖；圖2圖示出螺旋掃描輪廓；
圖3圖示出一系列第二軸半旋轉(zhuǎn)的掃描輪廓；圖4圖示出對帶有底切部的表面的測量；以及圖5圖示出掃描輪廓的平面圖。
如圖1所示，被測量的物體10(以一顆牙齒為例)，被固定在坐標(biāo)定位設(shè)備的托臺12之上。該坐標(biāo)定位設(shè)備具有驅(qū)動裝置(未被示出)，使得固定在其之上的探頭24可沿著x、y和z軸進行平移運動。由儀器控制器15來控制該運動。物體的旋轉(zhuǎn)軸14由用戶來規(guī)定。例如，上述旋轉(zhuǎn)軸可以是物體的部分坐標(biāo)系統(tǒng)中的z軸。旋轉(zhuǎn)軸14可以參照托臺12由物體10來定義，即當(dāng)該物體被放置于托臺上時與該軸機械地對準(zhǔn)。第二軸16被定義為與旋轉(zhuǎn)軸14成φ角度，并且與物體10的表面相交。第二軸16可以與旋轉(zhuǎn)軸14成任意角度(但不平行)，圖1顯示了成45度角的第二軸。使第二軸16圍繞著旋轉(zhuǎn)軸14旋轉(zhuǎn)，然后與旋轉(zhuǎn)軸14平行地平移，由此產(chǎn)生一個螺旋輪廓。圖2圖示出由上述第二軸繞著旋轉(zhuǎn)軸的移動產(chǎn)生的螺旋輪廓18。如在下文將更加詳細描述的，使探頭沿著由第二軸的移動產(chǎn)生的螺旋輪廓來移動，以便沿著這一螺旋輪廓來掃描物體。圖3圖示出掃描輪廓20，該掃描輪廓20是當(dāng)?shù)诙S圍繞著旋轉(zhuǎn)軸進行部分軌道旋轉(zhuǎn)并且與螺旋軸平行地進行平移時產(chǎn)生的。該掃描輪廓適于與具有如圖所示的T形鐵筆22的探頭一起使用。表面測量探頭24被放置在坐標(biāo)定位儀器上以對托臺12作相對運動。探頭24具有可偏轉(zhuǎn)鐵筆26，該可偏轉(zhuǎn)鐵筆26具有表面接觸尖端28。
探頭24沿著由第二軸16的運動產(chǎn)生的螺旋輪廓行進，由此沿著該螺旋輪廓對物體10進行掃描。
沿著該第二軸來引導(dǎo)探頭的伺服方向向量。該方向是該探頭被坐標(biāo)定位儀器伺服以控制探頭的鐵筆偏轉(zhuǎn)的方向(或者在非接觸探頭的情況下，是被坐標(biāo)定位儀器伺服以控制探頭的偏移量的方向。)
探頭的移動是由具有兩個分量的算法來控制的。第一分量把探頭保持在第二軸上。這是通過確定探頭的鐵筆尖端的位置、確定第二軸上離鐵筆尖端最近的位置、以及沿著垂直于第二軸的方向?qū)⑻筋^移動回到第二軸上等步驟來實現(xiàn)的。
該算法的第二分量對探頭的偏轉(zhuǎn)進行控制。在這種情況下，使探頭與第二軸平行地移動，以提供期望的探頭偏轉(zhuǎn)量。
該算法的兩個分量都是按照位置要求來計算的。
在這個例子中，第二軸有45°的角度。這對于多數(shù)應(yīng)用來說都是方便的，因為它與側(cè)面和頂面兩者都相交，并且它能在單次掃描過程中完成對這兩個表面的掃描。這在對頂面的測量較為重要的情況下尤其有意義，例如對于牙齒而言。在對平行和垂直于旋轉(zhuǎn)軸14的平面都進行測量的情形中，第二軸必須與旋轉(zhuǎn)軸及垂直于該旋轉(zhuǎn)軸的平面均成一定角度。
本方法的有益之處在于，可以改變第二軸的角度。圖4圖示出具有底切部32的物體30。在上述實施例中，第二軸與旋轉(zhuǎn)軸(通過虛線34表示)成45°角。這使得可以對等于或小于45°角的底切部進行測量。角度大于45°的底切部與角度等于45°的第二軸并不相交，因而不能用這個輪廓來掃描。然而如果改變第二軸的角度，例如改變?yōu)榕c旋轉(zhuǎn)軸成90°，則這個新的第二軸36與底切部相交，從而可用該螺旋輪廓來掃描該底切部?？稍趻呙璧倪^程中改變第二軸的角度。因此仍可在單個掃描輪廓中完成對具有尖銳底切部的物體的掃描，帶來的有益效果是能夠?qū)崿F(xiàn)快速掃描。對于對具有底切的物體(如牙齒)的掃描而言，這尤其有意義。
通過用鐵筆偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)來確定什么時候改變角度，可以自動改變第二軸的角度。例如，參照圖4，可以利用水平的第二軸36從物體的底部或底部附近向上掃描物體30。當(dāng)鐵筆的尖端到達底切部32的拐角38，鐵筆將沿著-z方向偏轉(zhuǎn)；作為響應(yīng)，第二軸的傾角將自動改為45°?？商娲?，也可在z方向上的預(yù)定位置處改變第二軸的角度。
在此將參照圖5來描述用于控制探頭位置的算法。
在第一步驟中，計算下一幀(frame)所要求的旋轉(zhuǎn)角度。(這可能超過2π。)θ＝ΩT式中θ是第二軸的旋轉(zhuǎn)角度，Ω是第二軸的旋轉(zhuǎn)速度，T為時間。
在下一個步驟中，創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)矩陣Rotation:=cos(θ)-sin(θ)0sin(θ)cos(θ)0001]]>式中″Rotation″表示旋轉(zhuǎn)矩陣。
在下一步驟中，計算傳感器軸方向Direction:=Rotation12012|]]>式中″Direction″表示傳感器軸方向。
然后計算由螺距引起的在z方向上的原點平移。
Origin:=00θ2πPitch]]>其中″Origin″是z上的原點，而″Pitch″是螺距。
接下來計算掃描位置需求(ScanPositionDemand)。這是第二軸上離當(dāng)前機器位置最近的點，其中″machine″表示在沒有偏轉(zhuǎn)時鐵筆珠的中心位置。
ScanPositionDemand:=[(Machine-Origin).Direction].Direction+Origin]]>探頭偏轉(zhuǎn)誤差(Deflection error)由下式計算Deflection error＝|Probe deflection|-Nominaldeflection式中″Probe deflection″表示實際的探頭偏轉(zhuǎn)，而″Nominaldeflection″表示期望的探頭偏轉(zhuǎn)。
探頭偏轉(zhuǎn)誤差被用于計算偏轉(zhuǎn)控制向量ProbePositionDemand＝DefError.Direction式中″DefError″表示探頭偏轉(zhuǎn)誤差，而″direction″表示平行于第二軸的方向，探頭沿著該方向移動。
因此，可以根據(jù)偏轉(zhuǎn)控制向量和掃描位置需求向量來確定坐標(biāo)需求向量(PositioDemand)。
PositionDemand＝ScanPositionDemand+ProbePositionDemand于是可如下創(chuàng)建速度需求(VelocityDemand)VelocityDemand:=PositionDemand-Machineδt|]]>盡管上文描述的是接觸探頭的使用，該方法也適用于使用非接觸探頭的情況，如光探頭、電容探頭或者的電感探頭。如果使用的是一維(1-D)非接觸探頭，則當(dāng)探頭沿著螺旋輪廓行進時，需要旋轉(zhuǎn)該探頭以保持將它朝向物體表面，例如將它朝向螺旋軌道的旋轉(zhuǎn)軸。然而，通過使用本方法，探頭所必須面對的方向是已知的?？梢酝ㄟ^以類似于如何為接觸探頭調(diào)整探頭偏轉(zhuǎn)的方式與第二軸平行地移動探頭，來調(diào)整非接觸探頭的偏移。
權(quán)利要求
1.一種用安裝在坐標(biāo)定位機器上的表面測量探頭來掃描物體的方法，該探頭具有可定義的伺服方向向量，該方法包括以下步驟使用坐標(biāo)定位機器的平移運動，沿著至少部分設(shè)計螺旋路徑移動探頭，所述至少部分設(shè)計螺旋路徑圍繞著與物體相交的軸；其中該探頭的伺服方向向量被按設(shè)計地引導(dǎo)朝向所述至少部分設(shè)計螺旋路徑的軸；并且其中該探頭的伺服方向向量與所述設(shè)計螺旋路徑的所述軸成一角度，并且與垂直于所述至少部分設(shè)計螺旋路徑的所述軸的平面成一角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該物體具有未知的表面輪廓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中的任一項所述的方法，其中該物體帶有不規(guī)則的表面。
4.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的方法，該表面測量探頭包括接觸探頭，該接觸探頭具有可偏轉(zhuǎn)鐵筆。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中該方法還包含以下步驟沿著與探頭的探頭伺服方向向量的方向移動該探頭，以控制探頭的偏轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項權(quán)利要求所述的方法，其中，該表面測量探頭包含非接觸探頭。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中該方法還包含以下步驟沿著與探頭的探頭伺服方向向量的方向移動該探頭，以控制探頭的偏移。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7中的任一項權(quán)利要求所述的方法，其中當(dāng)探頭沿著至少部分設(shè)計螺旋路徑移動時，旋轉(zhuǎn)該探頭以保持將它的視線朝向與物體相交的軸。
9.根據(jù)先前任一項權(quán)利要求所述的方法，其中該方法包含通過在垂直于探頭的伺服方向向量的方向上移動探頭來把探頭維持在設(shè)計螺旋路徑上的步驟。
10.根據(jù)先前任一項權(quán)利要求所述的方法，其中平移坐標(biāo)定位機器以便繞著與物體相交的軸沿著至少部分設(shè)計螺旋路徑來移動探頭的操作是通過以下方式進行的定義第二軸，探頭伺服方向向量與該軸平行，所述第二軸與所述的與物體相交的軸成一角度；旋轉(zhuǎn)第二軸以便繞著第一軸作至少部分的旋轉(zhuǎn)，然后沿著平行于第一軸的方向平移第二軸；移動表面測量探頭以把它維持在軸上。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，第二軸與被測量物體的表面相交。
12.根據(jù)先前任一項權(quán)利要求所述的方法，其中探頭的伺服方向向量與部分相交的軸成45度。
13.根據(jù)先前任一項權(quán)利要求所述的方法，其中探頭方向向量與相交于物體的軸之間的角度在掃描期間被改變。
14.一種使用表面測量探頭掃描物體的方法，該方法包含以下步驟定義物體的第一軸；定義第二軸，所述第二軸與第一軸成一角度；使第二軸圍繞第一軸旋轉(zhuǎn)作至少部分的旋轉(zhuǎn)，并沿著平行于第一軸的方向平移第二軸；移動表面測量探頭以把它維持在第二軸上。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于掃描物體的方法，其中在第二軸的方向上伺服該探頭以把該探頭保持在離物體的期望距離處。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15中的任一項權(quán)利要求所述的方法，其中在與第二軸垂直的方向上伺服該探頭以把它保持在第二軸上。
17.用于掃描物體的設(shè)備包括在坐標(biāo)定位機器上安裝的表面測量探頭，所述坐標(biāo)定位機器具有驅(qū)動裝置，用以在幾個軸上平移地驅(qū)動該探頭；控制器，用于控制所述驅(qū)動裝置，用于圍繞著與所述物體相交的軸沿著至少部分設(shè)計螺旋路徑來移動探頭；其中該控制器控制所述驅(qū)動裝置，以使得探頭的伺服方向向量被按設(shè)計地引導(dǎo)朝向所述至少部分設(shè)計螺旋路徑的所述軸的中點；并且其中該控制器控制所述驅(qū)動裝置，以使得探頭的伺服方向向量與所述至少部分設(shè)計螺旋路徑的所述軸成一角度，并與所述至少部分設(shè)計螺旋路徑的所述軸垂直的平面成一角度。
全文摘要
一種用安裝在坐標(biāo)定位設(shè)備(24)上的表面測量探頭(26)來掃描物體(10)的方法和設(shè)備。用坐標(biāo)定位儀器(24)的平移運動，沿著最小設(shè)計螺旋路徑圍繞著與物體(10)相交的軸(14)來移動探頭。該探頭(26)的伺服方向向量(16)被按設(shè)計地引導(dǎo)朝向最小設(shè)計螺旋路徑的軸(14)。該探頭的伺服方向向量(16)與所述最小設(shè)計螺旋路徑的軸(14)成一角度并且與垂直于所述最小設(shè)計螺旋路徑的軸的平面成一角度，這使得能夠?qū)ζ叫谢虼怪庇谠撦S的表面進行掃描而避免探頭滑離物體的表面。
文檔編號G05B19/401GK1934409SQ200580008528
公開日2007年3月21日 申請日期2005年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月18日
發(fā)明者大衛(wèi)·格拉哈姆·波利, 奈杰爾·斯蒂芬·沃克曼 申請人:瑞尼斯豪公司