坐标测量系统的制作方法

专利名称:坐标测量系统的制作方法
长期以来，测量坐标用的器械只不过是一组直尺，放在适当的相对位置上，在有限制的自由度中相对活动。有些情况下用电子器械测量，但是为取得精确读数必需用非常精确而昂贵的构造，这些构造需要有非常严格细心的保养。
本发明的一种广义形式，是提出一种坐标测量系统，包括一种器械，其中有若干刚性元件互相连接，形成一个机械连杆系，连杆系有一个基座端，用于和待测量的物件相对固定，有一个测量端围绕基座端作三向的活动，测量信号装置产生表示各成对连接的刚性元件的相对位置或定向的电信号，处理装置接受该信号，根据信号计算出测量端相对于基准轴线各位置的三维坐标输出，基准线相对于基座端固定，处理装置在器械组装后加校正程序，从而在计算该坐标输出时，用电子装置校正具体器械的误差。
最好在若干刚性臂中设第一及第二臂，互相用铰链连接，围绕第一旋转轴线，第三臂在第二臂自由端上固定，沿大致平行于第一旋转轴线的第三轴线作相对于第二臂的平移，第一臂围绕第二旋转轴线，相对于基座端旋转，第二旋转轴线大致和第一旋转轴线平行，当计算出坐标输出中，第一，第二及第三轴线失调时，具体的误差由处理装置校正。
最好每一个信号装置是一个旋转编码器，产生编码器单位转角的脉冲，处理装置为每一编码器的脉冲求代数和，保持一组脉冲和数值;表示第一臂和基础，第二臂和第一臂的相对角位移的现行脉冲和数集;和表示第三臂及第二臂相对平行的现行脉冲和数集;在操作者的要求下，用处理装置作数学运算，对脉冲和数作电子处理，从而将角度和平移数值转变为测定的笛卡儿坐标，数学运算包括以预定尺寸的器械为基础的数学转换，组装后用编入处理装置程序的一组现行纠错项，对精确的组装作修正，以纠正器械的具体误差。
最好处理装置有一个微处理器，安装在系统内，和一台计算机连接，和计算机交换信息，微处理器保持编码器的有控制的运转，接受编码器脉冲，并保持脉冲和数集，在计算机要求时，提供现行脉冲和数集数值。
最如由计算机保持现行误差修正项，将数学运算应用于将脉冲和数变换为测定的坐标。
最好系统用计算机助纠错过程作校正程序，从该处理装置接受一组通过测量各点位置取得的各该测得的坐标，各该测得的坐标属于一个组，组中至少有两个该测得坐标，这测得坐标在组中有各点间的相应的已知位置关系，至少一个位置关系中，有已知的有限距离;将该纠错项最佳化，最大程度减小每组已知位置关系，和相应组的测得坐标通过计算求得的关系之间的旧纳起来的误差，直至旧纳的误差达到预计的容许水平。
最好各该组中的一个，有同一点的测得坐标，因而相应已知位置关系，是该组中全部点间有零距离，该组中的各测得坐标，为当该器械的该臂在各不同构形中时，通过测量该同一点的位置取得。
最好处理装置对应于以前的测定外推工具上的已知位置的测定坐标，外推为为该处推工具上的，或与该外推工具相对固定的预定点的坐标位置。
并且，对本发明广义方面可认为提出了一种测量三维物体上、相对于基准轴线集的坐标定位点的方法，方法包括操作一个坐标测量装置，以取得表示器械测量端位置的电信号，按以器械的设计结构为基础的程序将信号转换，并在系统组装后，将一组误差修正项编入程序，用电子器件校正器械中的具体误差，以产生精确的测定坐标。
现对本发明的一个举例实施方案，参照附图叙述，附图内容如下图1为本发明的机械联杆系的坐标测定系统概略图;
图2示将图1中的器械用于检查摩托车架的调直;
图3示图1中系统，对原有的误差按本发明的理想特点修正;
图4至7示用本发明一个实施方案产生的输出，指示假设摩托车架的各种量度，车架按参照图2所作叙述测量;
图4为摩托车的侧视图，其中轴矩＝1171.4mm倾斜度＝27.3°主销纵倾移距＝190.6mm基准与前轴距离＝797.0mm基准与后轴距离＝380.4mm基准离地高度＝88.3mm图5为摩托车的俯视图，其中中线由后轮轴中点确定前轮向中线右侧偏移60°后轮向中线扭转4.3°旋臂框轴中点向左离中线9.5mm后轮圈向轴线调直时需作的调节＝6.9mm向右后轮圈向前轮调直需作的调节＝1.1mm向左传动链上测定点间的侧向偏移＝8.7mm向右车叉在前轴上方650.0mm处的扭曲为5.1°图6为摩托车的前视图，其中导向头从中线向右扭2.1°前轮从中线向右偏1.5°前轮直径是487.2mm
前轮圈宽度是51.4mm图7为摩挚车的后视图，其中后轮向右偏3.3°后轮在地面高度上向左偏离中线19.4mm后轮直径是483.9mm后轮圈宽54.5mm图8为运合配合图1所示器机使用的物件，用于测量难接触到的点的坐标;
图9为表示举例实施方案纠错过程逻辑步骤的流程图;
图10为用于修理失事中受损摩托车的另一实施方案中各部件的透视。
图1的举例设备中，有一个基座1和一组臂杆2及3，如图中所示臂杆2及3通过围绕大致平行的轴线A及B的精密轴承5，6作枢轴联接，基本在X-Z平面中运动。臂4位于臂3的自由端，在套管7内，沿大致与轴线A及B平行的方向Y上滑动，也用精密轴承支承。有高分辨率的编码器位于轴线A及B上，分别测量基座，相对于臂2，和臂2相对于臂3的旋转运动。另一旋转编码器由与臂3表面摩擦接触的轮传动，从而其脉冲输出和套管7中的臂3的滑动量成正比。
基座1还有一个夹具组合件9，使联杆系的这一端，可和待测量的物体的可方便接触的部分刚性固定，待测量物体有如摩托车架，或汽车车身和底盘，定位可供臂2及3在X-Z平面中作大幅度活动。臂4的一端有一探测器尖10，适于精确地安置在其坐标将被测量的点上。
系统中有一个微处理器板(图未示)，它很容易地安装在基座1内。微处理器板接受每一旋转编码器旋转时发出的脉冲。编码器发出的每一脉冲表示一个给定的角运动。适合本发明的高精度实施的典型编码器，每转周产生10个脉冲。
微处理器保持相应编码器发出的脉冲和数，在计算机19的要求下，将脉冲和数向主计算机19传输。微处理器除有接受编码器脉冲和保持脉冲和数集的任务外，还为测量器械的电子元件，诸如为旋转编码器提供需要的服务。微处理器还作主计算机19，测量器械使用人，和各臂2-4及基座1中电子硬件等之间中介。
举例的实施方案使用AppleⅡe型计算机，但也可用其他有类似计算效率的机器，可编制程序作此用途。
举例的实施方案有程序，检查摩托车的车架和悬挂结构，测定是否有角误差或调直误差，以保证进行修正和车辆的正确安全运转。虽然这种检查在事故发生后特别重要，但在原始生产中，或在生产完成时作检查也有利。
将探测器尖10引导在全部摩托车表面上通过，取得这系统有关点的坐标，包括转臂20，前后轴21及22，导向头23和前后轮圈24及25上的各有关点的坐标。有许多点在各种状态下测量，例如车轮旋转状态中的轮圈上的各点。通过测量围绕轴线旋转的一点，例如前轴21的一端上的一点，便可从若干(至少三个)方向中，准确测得诸如导向头23轴线之类的旋转轴线的坐标和定向。通过数字计算，计算机19便可求得旋转点的中心，从而求得导向头23的轴线。
在先有技艺领域中的主要调直，是车轮在一个平面内，摩托车的中线朝前进的正前方，同样非常重要的是后轴22和旋臂20的轴线平行，导向头23的轴线在摩托车的垂直平面中和倾斜度有正确的夹角，前叉直伸，和导向头23平行调直(仅在有些摩托车中有偏置的三叉夹具)，前轴22正确处在前叉28中，轮圈形状正确。对全部这些调直作检查，并作图4至7中的报告。
还可取得盘式制动器制动盘的精度。此外，如从图5可见，系统表示出要求的线性修正，以修正后轮的角误调。
这系统用电子器件校正实际测量器D的误差，以取得要求的高精度，从而考虑调直误差和组装误差，这些误差在制造中必然会发生。假如组装完善，轴线A，B及C完全准确平行，其间距可准确了角，并在任何温度下恒定，结构非常牢固。这种完善程度当然无法取得，并且器械在使用后也可能有损坏。
为修正这些可能有的误差，在测量器械D组装完成后，在主计算机19中编入程序，在计算机19中储存一组误差项。任何时候当计算机19，将用脉冲和数表示的一个特定点的旋转项和偏移项，转换为笛卡儿坐标时，便将误差项使用，修改转换时所用的数字运算。误差项可按下述取得，在图9的流程图中列示。
刚性杆38和测量器械D的基础1有固定关系。杆上有若干预定的测试点39，预先对各点39间的距离作精确测量。将各预定测试点39之间的距离的数值，向以纠错过程(ECP)作程序的计算机输入，计算机可根据容量采用主计算机19或另一分别的计算机。然后将探测器10顺序放在各测试点39上，和另外一些在空间中便于重定位置的点40(例如附近表面上的任何随意标定的点)上。当将探测器10放在每一个点39及40上时，主计算机19取得三个编码器的现行脉冲和数值，按通常方法转换为笛卡儿坐标。每一点39及40测量两次，一次用臂2及3在“向上”的位置上(阴影部分)，又一次在“向下”的位置上(实线)测量，见图3。
于是取得一组测得的坐标，这些测得坐标的相应点之间，有已知的位置关系。组中有若干成对的测得坐标，每对中的两测得坐标表示同一点，其相对于同对中另一点的已知位置关系为有零距离。此外，有些成对测得坐标(相当于点39)表示与另一坐标对有已知距离的点，并且其已知位置关系中，包括相应点39和其他已知点39之间的距离。于是ECP将每一对测得坐标和已知的位置关系比较，对于全部坐标对，是通过计算一对测得坐标之间的误差数值进行，在理想状况中，这误差应为零，因为相应点间的位置关系为有零距离。在一对相当于点39的坐标中，位置关系中包括离开相当于其他点39的的距离，因此，计算出的两对测得的坐标间的差异，和在杆38上的相应已知距离之间的误差可算出。然后用ECP将计算机19中现行俾用的误差项最佳化，从而尽量减小测得坐标中的旧纳的误差，和已知的位置关系比较，可在预定的容许精度水平内。
虽然对图9中提及的数学运算没有详细叙述，但有经验的数学工作者了解，例如可参阅塞得勒(B.R.Sadler)《非线性回旧数字处理法》文中关于“线性近似法”的叙述，该文1975年由Old大学出版社出版。
如果是汽车的前悬挂装置和导向系统，则可用本发明求得全部主要组件的旋转轴线，从而在任何悬挂/导向状态下，在动态下作车轮的调直，而不是在一个非常窄的范围内在静态下进行。因此，例如对事故造成的车辆损坏，可作任何需要的校正，对一切的导向/悬挂状态，可产生正确的调直。
除可对汽车的导向系统作调直外，还可将这坐标测量系统用于测量车辆上预定点的坐标，举例而言，作事故损坏程度的测定。在将事故中损坏的汽车作调直时，可按照一个预定点及其与车上基准点相对的坐标的次序表进行，这次序表由原制造厂提供，或根据同型号的未损坏车辆编制，将各点的实际坐标和这表进行比较。将汽车放在车底盘调直器32上，调查器为本领域中所熟知的，有框形的支架，可将其调节，夹紧车辆的一些部分，将车辆的各部按要求推、拉和扭曲，从而将车身/底盘正确调直。
通过测定预定点与其正确位置偏离的大小，便可决定需要进行的推/拉/扭曲，进行推/拉/扭曲，然后检查结果。
预定点包括汽车两侧上的点，可以用两个器械D，在底盘/车身(或底盘调直器)的两侧上夹定，或可用一个器械D，在一侧上完成测量后，转移到另侧上。如果将器械D从一侧转向另侧，那么便使夹具9可以通过插接头36之类，迅速准确地在刚性梁35的任一端33，34上固定。刚性梁用(热)膨胀系数非常低的材料制造，例如用碳纤维增强塑料等。计算机19有程序，使器件D在两端33及34上有对应的位置，从而在换到另一侧时不需重行校准。
当测量一个不能由探测器10直接接触的点时，可使用外推量具29，见图8。工具29属刚性，有测量尖30和至少三个(有时是两个)外推尖部31。首先测量尖30及31的相对位置(坐标)，用测量器D很方便，然后将量具29的尖部30和待测的点刚性固定，最后测量尖31相对于需要的基准轴的坐标，无法接触的点的要求的坐标用计算器19计算求出。
虽然上述是为测量摩托车车架和悬挂装置调直的特定实施方案，这种系统很适合许多调直测量任务，诸如双导向器重型车辆和轨行车辆的车轮，并可用于有程序执行这任务的实施方案，本发明可准确测量机械手的位置，因而很适合用于现代自动化生产线，以及一般的坐标测量任务。
权利要求
1.坐标测量系统中有一个器械，其特征在于有若干刚性元件互相连接，形成一个机械连杆系，连杆系有一个基座端，和待测物件相对固定，测量端可围绕基座端作三维活动，测量信号装置产生电信号，表示刚性元件各连接对的相对位置和定向，有处理装置接收该信号，将信号计算出对应于测量端各相对于基准轴线的位置的三维坐标输出，基准轴线和基础端相对固定，测量系统的处理装置，在器械组装后编入修正程序，在计算该坐标输出时，用电子器件修正器械实体的误差。
2.如权利要求
1所所述的坐标测量系统，其特征为若干刚性臂中有第一及第二臂，用铰链连接，围绕第一旋转轴线，第三臂在第二臂的自由端上固定，沿第三轴线作相对于第二臂的平移，第三轴线大致和第一旋转轴线平行，第一臂在基础端上围绕大致与第一旋转轴线平行的第二旋转轴线旋转，当计算出的坐标输出中有第一，第二及第三轴线中有调直误差时，由处理装置修正具体误差。
3.如权利要求
2中所述的坐标测量系统，其特征为每一信号装置为一旋转编码器，该编码器产生一个为作角转运动的脉冲，通过角转运动，编码器运转，处理装置为各编码器的脉冲求代数和，保持一组脉冲和数，现行脉冲和数集表示第一臂和基座间及第一二臂之间的相对位移，以及第三及第二臂之间的相对平移，当系统使用人要求时，用处理装置通过数字运算，将脉冲和数集作电子器械处理，从而将角度和位移数值转换为测定的笛卡儿坐标，数学运算包括以预定尺寸的器械为基础的数学变换，组装后用编入处理装置的程序中的现行修正项集，对总成作精确修正，校正实体器械的误差。
4.如权利要求
3中所述的坐标测量系统，其特征为处理装置中有一个固定在器械板上的微处理机，有一个计算机与之连接，与之交流信息，微处理器保持编码器的可控运转，接收编码器的脉冲，并保持脉冲和数集，当计算机要求时，提供现行的脉冲和数集。
5.如权利要求
4中所述的坐标测量系统，其特征为计算机保持现行误差修正项，并应用数字运算将脉冲和数集转换为测定的坐标。
6.如权利要求
1中界定之坐标系统，其特征如下
这系统用计算机助纠错过程作校正程序，即从该处理装置接受一组通过测量各点位置取得的各该测得的坐标，各该测得的坐标属于一个组，组中至少有两个该测得坐标，这测得坐标在组中有各点间的相应的已知位置关系，至少一个已知位置关系中有已知的有限距离;将该纠错项最佳化，最大程序减小每组已知位置关系，和相应组的测得坐标的计算求得的关系之间的旧纳的误差，直至旧纳的误差达到预计的容许水平。
7.如权利要求
6中定的坐标测量系统，其特征为至少各该组中的一个有同一点的测量坐标，从而相应已知位置关系，是该组中全部点间的距离为零，该组中的各测得坐标，为当该器械的该臂在各不同构形中时，通过测量该同一点的位置取得。
8.如权利要求
1中所述之坐标测量系统，其特征为处理装置可将与原已测定的外推工具上已知位置相对的测定坐标，外推为该外推工具上的，或和该外推工具相对固定的坐标位置。
9.一种三维坐标测定系统中有一个关节连接装置，其特征在于有一个基座件，用于和一个物体固定，或相对于该物体固定，相对于物体的坐标有待测定，一个第一臂围绕第一轴线相对于基座旋转，一个第二臂围绕第二轴线相对于第一臂旋转，第三臂和该第二臂作沿第三轴线的滑动连接，该第一，第二及第三轴线大致平行，有产生电脉冲的旋转编码器，两个编码器分别测量第一臂围绕基础的旋转位移，第二臂围绕第一臂，第三编码器由与第三臂摩擦接触的轮驱动，编码器在第二臂中固定，从而测量量第三臂相对于第二臂的相对平移，有一个在基础中固定的微处理器，其程序为收集并保存一组脉冲和数，这和数是三个旋转编码器自上次触发以来，所触发的脉冲的代数和，系统还有一个主计算机，和微处理器接通，当主计算机在系统使用人作动下有要求时，从微处理器取得现行脉冲和数集，对脉冲和数集进行数学变换，在要求供给脉冲和数集时，产生一个输出，输出为第三臂探测端的笛卡儿坐标，脉冲和的数学变换，包括以预定精确尺寸和调直的关节装置，和一组误差项为基础的总变换，以产生笛卡儿坐标输出，为修正关节装置不精确造成的误差，使用电子元件作纠正。
10.如权利要求
9中所述的坐标测量系统，其特征为在关节装置的组装完成以后，将纠错项编入计算机程序，并用计算机助生产，将测试陈列上点组的测定坐标，和这些点的相对已知坐标比较。
11.指示机械手位置的一种系统，其特征在于有坐标测量系统，如权利要求
1中所界定。
12.一种车轮调直装置其特征在于有如权利要求
1中界定的坐标测量系统。
13.如权利要求
1中所述的有坐标测量系统的摩托车调直系统，其特征在于调直系统可取得轮轴，旋臂枢轴和导向头轴线的相对坐标和定向。
14.如权利要求
3中所界定的坐标测量系统，其特征在于另有一个刚性长梁，该梁和待测物体相对刚性固定，从而至少在一个方向上，梁的各端伸到物体相应端的外面或附近，另外有定位装置，在梁的端部各有一个，和器械的基础配合，从而在梁的两端上的可准确回复的位置上，将基础作可拆除的固定，处理装置有基座在两个相对位置上的程序，从而可使系统用于将基座放在任一位置上，而不需将系统重调直或校准。
15.一种测量三维物体上，相对于基碳轴线集的坐标定位点的方法，其特征在于包括操作一个坐标测量装置，以取得表示器械测量端位置的电信号，按器械的设计结构为基础的程序将信号转换，并在系统组装后，将一组误差修正项编入程序，用电子器件校正器械中的具体误差，以产生精确的测定坐标。
16.一种调直车轮的方法，其特征在于按权利要求
14的方法，测量车辆导向系统旋转轴线的坐标，并调节轴线在车辆上的位置，直到其坐标与预定要求的坐标一致。
专利摘要
坐标测量系统有器械和主计算机。器械包括与 待测物刚性固定的基件1，绕轴线A旋转的臂2，在 轴线B上旋转的臂3，沿轴线C滑动的臂4。轴A， B，C平行。在枢轴5，6和套管7处有旋转编码器。 套管7的编码器装在臂3内，由与臂4摩擦接触的 轮驱动。编码器提供表示臂2和3在轴线A，B上相 对于基件1及臂2的角位移信息和臂4沿轴线C相 对于臂3的线位移。在器械组装后，有一组误差项编 入计算机的程序，以产生精确的坐标。
文档编号G01D3/02GK87107430SQ87107430
公开日1988年6月22日 申请日期1987年12月10日
发明者格雷戈里·詹姆斯·麦克唐纳 申请人:格雷戈里·詹姆斯·麦克唐纳