通过激光跟踪仪对维度数据的自动测量的制作方法
【专利摘要】通过具有回射器目标和激光跟踪仪的系统进行测量包括存储用于三个目标以及至少一个附加点的名义坐标的列表；在跟踪仪的感光阵列上捕捉通过光束发射并反射离开三个目标的一部分光线；根据反射离开三个目标的光线，获得跟踪仪相机的感光阵列上的光点位置；确定跟踪仪感光阵列上的三个光点位置与三个目标的名义坐标之间的对应关系；至少部分地基于第一光点位置和第一目标的名义坐标，将来自跟踪仪的光束引导到三个目标；通过跟踪仪测量三个目标的三维坐标；至少部分地基于测量的三个目标的三维坐标以及至少一个附加点的名义坐标，确定至少一个附加点的三维坐标。
【专利说明】通过激光跟踪仪对维度数据的自动测量
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请要求2011年3月14日提交的美国临时专利申请N0.61/452，314的优先权，其全部内容通过参考合并于此。本申请还要求2011年12月30日提交的美国专利申请N0.13/340，730的优先权，该美国专利申请N0.13/340，730要求2011年4月20日提交的美国专利申请N0.13/090，889的优先权，该美国专利申请N0.13/090，889要求2010年4月21日提交的美国临时专利申请N0.61/326，294的优先权，这些申请的全部内容通过参考合并于此。此外本申请要求2011年4月15日提交的美国临时专利申请N0.61/475,703的优先权，其全部内容通过参考合并于此。此外本申请要求2012年I月30日提交的美国临时专利申请N0.61/592，049的优先权，其全部内容通过参考合并于此。此外本申请要求2012年2月29日提交的美国专利申请N0.13/407, 983的优先权，该美国专利申请N0.13/407, 983要求2011年3月3日提交的美国临时专利申请N0.61/448,823的优先权，这两个申请的全部内容通过参考合并于此。
【技术领域】
[0003]本公开涉及例如像激光跟踪仪这样的计量装置，尤其涉及利用一个或多个与激光跟踪仪相关联(例如，作为激光跟踪仪的部件)的定位器相机来自动识别物体上放置的多个回射器(retroreflector)目标中每个目标的激光跟踪仪。
【背景技术】
[0004]有一种称为激光跟踪仪的仪器，通过向与点接触的回射器目标发出激光束，来测量该点的坐标。该仪器通过测量到目标的距离和两个角度，确定该点的坐标。距离通过诸如绝对距离计量仪或干涉仪这样的测距装置测量。角度通过诸如角度编码器这样的测角装置测量。仪器中的万向束控机构将激光束引导到感兴趣的点。
[0005]激光跟踪仪是通过它发射的一个或多个激光束跟踪回射器目标的特殊类型的坐标测量装置。另一种称为全站仪或视距仪的仪器可测量扩散的散射面上的回射器或点。通常精度为千分之一英寸并且在某些情况下差不多为一或两个微米量级的激光跟踪仪一般比全站仪精确得多。本申请全部采用包括全站仪的激光跟踪仪的广义定义。
[0006]一般而言，激光跟踪仪向通常位于待测物体表面上的回射器目标发出激光束。普通类型的回射器目标是球面安装的回射器(SMR)，它包括嵌入金属球中的立方隅角回射器。立方隅角回射器包括三个相互垂直的镜子。顶点是三个镜子的公共交点，位于球心附近。因为球中立方隅角的这种布置，从顶点到SMR所在物体的任一表面的垂直距离都保持几乎恒定，即使在SMR旋转时。因此，当SMR在表面上移动时，激光跟踪仪可以通过跟随SMR的位置，测量该表面的3D坐标。换言之，激光跟踪仪只需要测量三个自由度(一个径向距离和两个角度)就能表现表面的3D坐标的特征。
[0007]有些激光跟踪仪具有测量六个自由度(DOF)的能力，六个自由度可包括三个平移，例如x、y和z,以及三个旋转,例如俯仰、翻滚和偏转。通过参考合并于此的授予Bridges等的美国专利N0.7，800, 758 (‘758)中描述了示例性的六-DOF激光跟踪仪系统。‘758专利公开了一种保持立方隅角回射器的探针，回射器上放有标志。放有这种标志的回射器被称为六DOF回射器。通过来自激光跟踪仪的激光束照亮立方隅角回射器，且通过激光跟踪仪中的相机捕捉立方隅角回射器上的标志。基于相机获得的图像计算三个方位自由度，例如俯仰角、翻滚角和偏转角。激光跟踪仪测量到立方隅角回射器顶点的距离和两个角度。当给出顶点的三个平移自由度的距离和两个角度与通过相机图像获得的三个方位自由度组合时，可以找到相对于立方隅角回射器的顶点布置在预定位置的探针顶端的位置。这种探针顶端例如可用于测量来自激光跟踪仪的激光束的视线之外的“隐藏”特征的坐标。
[0008]激光跟踪仪的一种通常应用是测量较大的物体，看它的实际尺寸与设计尺寸(例如，如同CAD数据给出的)相比怎么样。在特定应用中可能使用这些物体中的若干物体，并且通常希望这些物体在几何结构上相同。物体的几何结构中最初或者随时间发展的任何变形都会影响该物体作为其一部分的整个系统中的其他操作。例如，如果物体以任何方式弯曲或扭曲，都会导致制造缺陷和不良的产品质量。
[0009]已知，为了测量的目的，通常需要至少三个点来建立激光跟踪仪与物体之间的关系。如同现有技术中已知的，操作者以足够的精度手动测量这些初始点的能力是供参考的领域。
[0010]因此，需要激光跟踪仪或类似测量装置的操作者能够不必手动测量目标点(例如SMR)0作为代替，期望激光跟踪仪的操作者利用激光跟踪仪中的相机系统自动测量任何特定应用所需的所有目标点，从而显著减少测量过程中操作者误差的可能性，并且不需要专门技能和/或训练。
[0011]更一般而言，需要一种方法和系统，其中激光跟踪仪自动执行之前必须手动执行的很多功能。期望即使是不熟练的操作者执行测量，也通过激光跟踪仪快速获得一致的测量。通常的测量包括工具检查测量；例如，白车身装配线中的车箱是要检查或监测的工具的示例。工具的其他示例包括薄片金属冲压夹具，以及用于装配一部分飞机结构的装配工具。一般而言，对于汽车或航空应用中制造的几乎每个部件，都有对应的工具。因此，期望通过激光跟踪仪改善测量这些工具的处理。此外，期望将测量处理应用于完成的部件。
【发明内容】
[0012]一种用于通过系统进行测量的方法包括步骤:提供包括回射器目标的集合以及激光跟踪仪的系统，回射器目标的集合包括至少三个非共线回射器目标，至少三个非共线回射器目标包括第一目标、第二目标和第三目标，第一参考框架中的激光跟踪仪关于跟踪仪环境固定，激光跟踪仪具有结构、第一光源、绝对距离计量仪、第一角度变换器、第二角度变换器、跟踪系统、第一相机、第二光源以及处理器，结构关于第一轴和第二轴能旋转，第一光源产生与绝对距离计量仪协作的第一光束，第一角度变换器测量关于第一轴的第一旋转角度，第二角度变换器测量关于第二轴的第二旋转角度，跟踪系统被配置为将第一光束移动到回射器目标集合中的任意回射器目标的中心，第一相机包括第一透镜系统和第一感光阵列，第二光源提供第二光束，并且处理器被配置为操作激光跟踪仪；存储用于第一目标、第二目标、第三目标以及至少一个附加点的名义坐标的列表，名义坐标是第二参考框架中的三维坐标；在第一感光阵列上捕捉通过第二光束发射并反射离开第一目标、第二目标和第三目标的一部分光线；根据反射离开第一目标、第二目标和第三目标中的每个目标的一部分光线，获得感光阵列上的光点位置；分别确定第一感光阵列上的第一光点位置、第二光点位置和第三光点位置与第一目标、第二目标和第三目标的名义坐标之间的对应关系；至少部分地基于第一光点位置和第一目标的名义坐标，将第一光束引导到第一目标；利用绝对距离计量仪、第一角度变换器和第二角度变换器测量第一目标的三维坐标；至少部分地基于第二光点位置和第二目标的名义坐标，将第一光束引导到第二目标；利用绝对距离计量仪、第一角度变换器和第二角度变换器测量第二目标的三维坐标；至少部分地基于第三光点位置和第三目标的名义坐标，将第一光束引导到第三目标；利用绝对距离计量仪、第一角度变换器和第二角度变换器测量第三目标的三维坐标；至少部分地基于测量的第一目标、第二目标和第三目标的三维坐标以及至少一个附加点的名义坐标，确定第一参考框架中至少一个附加点的三维坐标；以及存储确定的至少一个附加点的三维坐标。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]下面参照附图，所示的示例性实施例不应解释为对本公开的全部范围的限制，并且其中，在若干附图中对元件类似地编号:
[0014]图1是根据实施例的激光跟踪仪、辅助单元和外部计算机的立体图；
[0015]图2是根据实施例的图1的激光跟踪仪的立体图，该激光跟踪仪具有附加的窄视场相机和关联光源；
[0016]图3示出三维矢量图的二维表示；
[0017]图4A是在图1的激光跟踪仪的刚性结构部分上设置的宽场定位器相机的正视图，其中刚性结构被旋转，以使得定位器相机能够同时观看多个回射器目标；
[0018]图4B是沿着图4A的线410-410看去、图4A的定位器相机的剖视图；
[0019]图5A是在激光跟踪仪对物体上的各种目标点自动进行测量下，关于要通过激光跟踪仪测量的物体的第一方位中、图1的激光跟踪仪的立体图；
[0020]图5B是在激光跟踪仪对物体上的各种目标点自动进行测量下，在关于要通过激光跟踪仪测量的物体的第二方位中、图1的激光跟踪仪的立体图；
[0021]图6示出根据实施例的激光跟踪仪中的电子处理器元件；
[0022]图7是示出通过根据实施例的系统测量的步骤的流程图；
[0023]图8是示出通过根据实施例的系统测量的步骤的流程图；
[0024]图9是示出通过根据实施例的系统测量的步骤的流程图；
[0025]图10是示出通过根据实施例的系统测量的步骤的流程图；
[0026]图11是示出通过根据实施例的系统测量的步骤的流程图；
[0027]图12是示出通过根据实施例的系统测量的步骤的流程图；
[0028]图13是示出通过根据实施例的系统测量的步骤的流程图；
[0029]图14是示出通过根据实施例的系统测量的步骤的流程图；以及
[0030]图15是示出通过根据实施例的系统测量的步骤的流程图。
【具体实施方式】
[0031]图1示出示例性激光跟踪仪10。激光跟踪仪10的示例性万向束控机构12包括天顶架14，天顶架14安装在方位底座16上并绕方位轴20旋转。载荷15安装在天顶架14上并绕天顶轴18旋转。在跟踪仪10内部,天顶机械旋转轴(未示出)与方位机械旋转轴(未示出)在万向点22正交,万向点22通常是用于距离测量的原点。激光束46虚拟通过万向点22并垂直指向天顶轴18。换言之，激光束46处于与天顶轴18垂直的平面。激光束46通过跟踪仪中的电机(未示出)指向期望的方向，电机绕天顶轴18和方位轴20旋转载荷15。在跟踪仪10内部，天顶和方位角度编码器(未示出)附接于天顶机械轴(未示出)和方位机械轴(未示出)，并以较高的精度指出旋转的角度。激光束46传向外部回射器26，例如上述球面安装的回射器(SMR)。通过测量万向点22与回射器26之间的径向距离以及关于天顶轴18和方位轴20的旋转角，在跟踪仪的球面坐标系中找到回射器26的位置。
[0032]激光跟踪仪10是具有装置参考框架30的装置。装置参考框架可将万向点22作为其原点。参考框架可关于方位底座16固定，方位底座16通常关于环境静止。装置参考框架可通过各种坐标系表示。一种坐标系是有三个垂直轴x、y和z的笛卡尔坐标系。另一种坐标系是球面坐标系。球面坐标30中的点74在球面坐标系中可通过一个径向距离73
(r)、第一(天顶)角72 ( Θ)以及第二 (方位)角71 (P)表示。角度Θ通过利用将点74
投射在z轴上获得。角度朽！过利用将点74投射在x-y平面上获得。激光跟踪仪10固有地在球面坐标系中进行测量，但是在球面坐标中测量的点可以容易地转换为笛卡尔坐标。
[0033]目标26可以与待测物体(object under test)61接触。待测物体61具有物体参考框架40。物体参考框架例如可以用笛卡尔坐标x、y和z来表示。物体参考框架40的X、I和z轴随着物体61移动，不一定与装置参考框架30的对应装置轴X、y和z平行。目标26可以被放置为在点63与物体表面61接触。为了找到点63的三维(3D)坐标，跟踪仪首先利用其已经测量的距离和两个角度确定目标26的中心。这也可以用于说明回射器参考点(例如，立方隅角顶点)关于目标26的球面接触表面的中心的矢量偏移。为了从目标中心移动到工件表面，中心点位置偏移一个等于球面目标表面半径的量。在实施例中，通过测量靠近接触点63的若干点，找到偏移方向，以确定点63处的表面法线。
[0034]激光束46可包括一个或多个激光波长。为了清楚和简明起见，在下面的讨论中采取图1所示类型的转向机构。但是，其他类型的转向机构也可以。例如，可以从绕着方位轴和天顶轴旋转的镜子反射激光束。作为另一个示例，可以利用诸如电流计电机这样的致动器驱动的两个转向镜来使光束转向。在后一情况下，不需要提供方位和天顶机械轴就可以使光束转向。这里所述的技术不管转向机构的类型如何都是可行的。
[0035]在示例性激光跟踪仪10中，将相机52和光源54设置在载荷15上。光源54照亮一个或多个回射器目标26。在实施例中，光源54是通过电学方式驱动以重复发射脉冲光的LED。每个相机52包括感光阵列以及放置在感光阵列前面的透镜。感光阵列例如可以是CMOS或CXD阵列。在实施例中，透镜具有较宽的视场，例如30或40度。透镜的目的是在感光阵列上形成透镜视场中物体的图像。通常，在相机52附近放置至少一个光源54，因此，来自光源54的光线反射离开每个回射器目标26到相机52上。(为了以能够在相机52上看见的方式照亮回射器目标，光源54必须靠近相机；否则反射光将以过大的角度反射并错过相机。)通过这种方式，容易将回射器图像与感光阵列上的背景相区别，因为它们的图像光点比背景物体更亮，并且是脉冲的。在实施例中，在激光束46周围放置两个相机52和两个光源54。通过以这种方式使用两个相机，可以利用三角测量原理来找到相机视场中任何SMR的三维坐标。此外，当SMR点到点移动时，可以监测SMR的三维坐标。在Bridges等的美国公开专利申请N0.2010/0128259中描述了为此目的使用两个相机，通过参考将其内容合并于此。
[0036]辅助单元50可以是激光跟踪仪10的部件。辅助单元50的目的是向激光跟踪仪本体提供电功率，在某些情况下还向系统提供计算和计时能力。通过将辅助单元50的功能转移到跟踪仪本体，可以完全去除辅助单元50。在大多数情况下，将辅助单元50附接于通用计算机60。载入通用计算机60的应用软件可以提供诸如逆向工程这样的应用能力。通过将通用计算机60的计算能力直接建立在激光跟踪仪10中，也可以完全去除通用计算机60。在这种情况下，可将可能提供键盘和鼠标功能的用户接口建立在激光跟踪仪10中。辅助单元50与计算机60之间的连接可以是无线的，也可以通过电线的线缆。计算机60可以连接到网络，辅助单元50也可以连接到网络。通过计算机60或辅助单元50，可将多个仪器(例如多个测量仪器或者致动器)连接在一起。在实施例中，省略辅助单元，并在激光跟踪仪10与计算机60之间直接进行连接。
[0037]在本发明的替代性实施例中，激光跟踪仪10可以同时利用激光跟踪仪10上的宽视场(FOV)和窄FOV相机52两者。下面描述同时使用这种相机的各种示例性方法。
[0038]在第一实施例中，图1中其中一个相机52是窄FOV相机，而另一个相机52是宽FOV相机。通过这种配置，宽FOV相机52在较宽的角度范围里识别回射器目标26。激光跟踪仪10在特别选择的回射器目标26的方向上转动光束46，直到回射器目标26在窄FOV相机52的FOV中。然后激光跟踪仪10可以执行下述方法，利用激光跟踪仪10上安装的两个相机52上的图像，找到回射器目标的位置。这样做是为了找到对回射器目标26位置的最佳估计。
[0039]在图2所示的另一实施例中，两个相机52都是宽FOV相机。此外，还有窄FOV相机58和邻近光源56。两个宽FOV相机52确定回射器目标26的三维位置，并使跟踪仪光束46转向目标26。当窄FOV相机58也看见回射器目标26时，将全部三个相机52、58提供的信息都用于计算回射器目标26的三维位置。
[0040]在另一实施例中，将图1中的两个宽FOV相机52用于确定目标的位置并使激光束转向它。与授予Bridges等的上述美国专利N0.7，800, 758 (‘758)(通过参考合并于此)的图2和图7中所示的方位相机210相类似，方位相机观看被照亮的回射器目标26周围的小区域。通过观察回射器26在方位相机210的感光阵列中的位置，激光跟踪仪10可以立即将激光束46引导到回射器26的中心。
[0041]下面描述利用图1和图2的、安装在激光跟踪仪10前面的两个相机52上的图像找到回射器目标的方法。
[0042]与激光跟踪仪10相关联的5个参考框架:绕载荷15旋转的载荷参考框架；绕天顶架14旋转的方位参考框架；关于方位底座16固定的跟踪仪世界参考框架；以及两个相机参考框架。方位底座16关于其环境静止。相机52包括透镜系统(未不出)和感光阵列(未示出)。图4A至图4B中给出包含透镜系统和感光阵列的相机的典型说明。
[0043]在实施例中，载荷参考框架的原点在万向点22,位于沿着方位轴的点；与天顶方向平行的y轴；与y轴垂直且近似平行于激光束的X轴；以及垂直于X轴和y轴的z轴。相机52关于载荷参考框架固定。[0044]在实施例中，方位参考框架的原点在万向点22 ;沿着方位方向的z轴；与天顶轴平行且垂直于z轴的y轴；以及垂直于y轴和z轴的X轴。
[0045]在实施例中，跟踪仪世界参考框架的原点在万向点22 ;沿着方位轴的z轴；在将方位轴的角度设置为零度时与z轴垂直且平行于天顶轴的I轴；以及垂直于I轴和z轴的X轴。
[0046]在实施例中，相机参考框架的X轴是相机中透镜系统的光轴。I轴和z轴垂直于X轴并相互垂直，且分别对准相机52中感光阵列的像素的行和列。
[0047]在激光跟踪仪10中，天顶角和方位角分别是关于天顶轴和方位轴旋转的角度，且分别通过天顶编码器和方位编码器测量。知道载荷参考框架中相机光轴的方程以及天顶角和方位角以后，就可将5个参考框架(载荷参考框架、方位参考框架、跟踪仪世界参考框架以及两个相机参考框架)的任何一个变换为任何其他参考框架。通常利用变换矩阵来实现这一点，变换矩阵是4X 4矩阵，包括3 X 3旋转矩阵和实现平移的缩放分量。变换矩阵的使用为本领域技术人员所公知。
[0048]相机52和光源54用于找到载荷参考框架或任何其他参考框架中一个或多个回射器目标26的位置。如果需要的话，可通过激光跟踪仪10自动获取这些目标。
[0049]下面描述在载荷参考框架中找到回射器目标的方法。方法中第一步骤是打开光源54以照亮回射器26，并在相机52上形成图像。在某些情况下，可以暂时关闭照明，并得到照亮场景与非照亮场景之间的差异。通过这种方式，可以移除背景特征，使得能够更清楚地揭示回射器目标。第二步骤是使用处理器(例如处理器50)，对相机52感光阵列上的每个回射器光点计算中心点。例如中心点可被计算为图心。第三步骤是对每个中心点建立相机参考框架中的方向。在最简单的近似下,通过在中心点与相机52的透视中心之间画线来找到方向。更复杂的分析可以在确定方向时考虑透镜系统的像差。第四步骤是将透视中心的坐标以及用于每个中心点的方向转换为载荷参考框架。第五步骤是通过解联立方程，对载荷参考框架中回射器目标26的位置找到最佳估计，如下所述。
[0050]对于每个回射器目标26，中心点形成在两个相机52的每个相机的感光阵列上，并且从这些中心点开始，可以构造指示从每个相机到回射器目标26的方向的线。在理想情况下，两条线在一个点相交，但是通常，两条线是不精确相交的偏斜线。通过确定最近路径的线段，找到对两条偏斜线的相交位置的最佳估计。最近路径的线段垂直于两条偏斜线的每一个，并且短于与两条偏斜线垂直的任何其他线段。通常，对回射器目标26位置的最佳估计是最近路径的线段的中点。
[0051]图3示出三维矢量图的二维表示。例如在从上向下观看跟踪仪和回射器目标的俯视图中可以获得这种表示。点O是载荷参考框架的原点。矢量P和R从激光跟踪仪的原点分别延伸到第一相机和第二相机。矢量U表示通过第一相机的透视中心、并具有根据上述方法中第三步骤计算的方向的线。矢量V表示通过第二相机的透视中心、并具有根据上述方法中第三步骤计算的方向的线。矢量C表示从矢量U上的第一点延伸到矢量V上的第二点的线段。矢量C垂直于矢量U和V。
[0052]找到矢量C端点的一种方式是利用方程式:
[0053]P+u U+c C=R+v V， (I)
[0054]其中包括标量量U、c和V以及矢量量P、U、C、R和V。[0055]此外，矢量C服从约束:
[0056]C=UXV, (2)
[0057]其中X是叉乘运算符。矢量方程(I)可以通过X写为第一方程，通过y写为第二方程，通过z写为第三方程。利用公知的叉乘公式，可以根据U和V的x、y和z分量写出矢量C。C的x、y和z分量被代入第一方程、第二方程和第三方程。结果是x、y和z的三个方程，其中所有矢量都是已知的，只有三个标量u、v和c留待确定。因为有三个方程和三个未知数，所以可以确定三个值。
[0058]沿着最近路径的线路连接矢量U和V的线段的三维端点坐标Q1和Q2通过以下给出:
[0059]Q^P+u U, (3)
[0060]Q2=R+v V。 (4) [0061]两条线的交点的最佳估计Q通过以下给出:
[0062]Q=(QfQ2)/^ (5)
[0063]如果需要的话，可以使用其他数学方法来找到交叉点的最佳估计Q。例如，可以使用最优化程序来找到Q1和Q2的值。
[0064]关于激光跟踪仪10描述上述方法，激光跟踪仪10具有从载荷15发射的光束46，载荷15关于天顶轴18旋转。但是，其他类型的机械转向机构也可以。例如，可以用转向镜代替载荷15。通过这种方式，从方位底座16将光束引导向上。光束到达转向镜并反射出跟踪仪外壳。附接于天顶机械轴的电机旋转转向镜，以在期望方向上瞄准光束。在本实施例中，用镜子参考框架代替载荷参考框架，但是分析相同。
[0065]也可以使用不附接于激光跟踪仪载荷的一个或多个相机。这些相机可以附接于方位架14，或者将它们全部独立于激光跟踪仪安装。找到相机与激光跟踪仪的参考框架之间关系的方法可通过与上述类似的方式找到:可通过相机并通过激光跟踪仪测量某些数量的点，并使用测量结果来建立适当的变换矩阵。
[0066]再参照图2，因为在多数情况下窄FOV相机58具有较小的被每个像素覆盖的角度范围，所以优选为窄FOV相机58的读数赋予更多的权重。做到这一点的简单方法是修改上述方程式(5)。例如，如果窄FOV相机58的FOV是宽FOV相机58的FOV的四分之一，那么代替上述方程式(5)使用的合理方程式可以是:
[0067]Q=0.20^0.8Q2 (6)
[0068]可以使用的另一种数学方法是最小平方最优化程序，以找到对于回射器目标26的最佳估计，但是相比于宽FOV相机52的读数更多地强调窄FOV相机58的读数。
[0069]参照图4A和图4B，定位器相机400允许激光跟踪仪10迅速确定激光跟踪仪10的较宽视场中多个回射器的近似位置。多个相同的光源401设置在包围透镜402的环上。或者，可以使用更少的光源甚至单个光源。各个光源发射本质上非相干光440的重叠圆锥，共同构成光锥。每个回射器将来自光锥的一部分光线反射回定位器相机400，作为光束。图4B示出光束457的其中一个。透镜402将光束457聚焦为感光阵列404表面上的光点。感光阵列404与透镜402的前主平面相距透镜的焦长f。
[0070]电线441将来自激光跟踪仪10中电源(例如辅助单元50)的电力提供给发射器401和感光阵列404。此外电线441将来自感光阵列404的像素数据传输给通用计算机60，例如用于分析。计算机60分析感光阵列404上的光线图案，以确定感光阵列404上中心点452的位置。此外计算机60进行通过回射器返回的其他光束形成的图案的这种分析。换言之，通过透镜402将反射光束聚焦为感光阵列404上的图案。计算机60分析这些图案，以确定每个图案的中心点。根据中心点的位置，可以确定到每个回射器的近似角度方向。
[0071]假定感兴趣的回射器是多个回射器中的特定回射器。如果目的是获取目标并通过激光跟踪仪测量目标位置，可以进行以下程序。启动电机，转动载荷，直到激光束瞄准特定回射器的近似方向。如果目标位置的估计足够好，则光束直接锁定目标并开始目标的跟踪。如果目标位置的估计不够好，一种可能性是启动搜索，其中通过系统的方式改变激光束的方向。例如，可以沿着螺旋图案来使激光束转向。当激光束与目标相交时，激光跟踪仪中的位置检测器感测反射光线。来自位置检测器的信号提供足够的信息，使得电机能够将载荷直接瞄准特定回射器的中心。另一种可能性是操作者直接抓取激光跟踪仪的机械机构，例如载荷，并且手动引导光束朝向感兴趣的回射器。在一个实施例中，如果操作者将光束引导到充分靠近回射器中心，则LED开始在跟踪仪前面闪光。如果光束更加靠近，则光束开始锁定回射器目标。如果光束不是很充分地靠近回射器中心以锁定目标，那么可以进行快速搜索程序，以定位回射器目标。
[0072]在激光跟踪仪10上有两个或更多个定位器相机52的情况下，通常可以通过上述的立体相机计算，直接建立回射器目标26与相机52的感光阵列上出现的目标中心之间的一一对应关系。类似地，如果将单个相机52放置在激光跟踪仪中的方式使得通过目标26反射的光线在激光跟踪仪的光轴上传向相机，则相机与相机之间的视差被消除，并且通常可以建立回射器目标与相机的感光阵列上出现的目标中心之间的 对应关系。如果使用单个相机，可以使用替代性方法来建立目标中心与回射器目标之间的一一对应关系。一种方法涉及将方位轴转动到不同的角度，并观察单个相机52的感光阵列上位置的改变。当方位角改变时，感光阵列上中心的位置将改变一个取决于从激光跟踪仪10到回射器26的距离的量。对于方位角的给定变化，当与回射器的距离增加时，在感光阵列上两个中心之间的改变减少。通过改变激光跟踪仪的天顶角而不是方位角，可以进行类似的程序。这种程序的更详细描述参照美国专利申请N0.2011/0260033 (‘033)的图18描述，通过参考将该申请合并于此。
[0073]在某些情况下，激光跟踪仪上的一个或多个相机足够准确，以将来自激光跟踪仪的光束引导到充分靠近回射器目标的中心，使得反射回到激光跟踪仪的光束被位置检测器拾取，从而导致激光束开始跟踪目标。在这种情况下，控制激光跟踪仪的软件可以自动将来自跟踪仪的光束引导到每个目标，使得激光跟踪仪距离计量仪和角度编码器的较高精度被变换为三维坐标值。在其他情况下，激光跟踪仪上的一个或多个相机不一定足够准确到立即将来自激光跟踪仪的光束引导到充分靠近回射器目标的中心，使得位置检测器能够立即检测光束并开始跟踪。在这种情况下，来自激光跟踪仪的光束可以瞄准目标，并且光束在搜索图案中被引导，以定位目标，如上所述。通过对测量体积内的每个目标重复该程序，可以对每个目标点获得比较准确的三维坐标。目标点的比较准确的三维坐标是重要的，因为它们使得控制激光跟踪仪的软件能够有效地进行目标点的自动测量，不需要进行中间目标搜索。
[0074]如同上述讨论所建议的，本发明的某些方面要求获得通过激光跟踪仪上的一个或多个相机观看到的目标点与回射器目标点的三维坐标的列表之间的一一对应关系。下面描述获得目标点的三维坐标的列表的一些方法。在某些情况下，列表具有名义三维坐标，其与实际的三维坐标差一个较大的量。在其他情况下，列表可具有较准确的三维坐标。
[0075]在一个实施例中，根据描述物体上目标位置的CAD模型获得激光跟踪仪与待测物体上目标点之间三维坐标的列表。
[0076]在另一个实施例中，通过对相机观察的每个点进行三维测量来获得目标点与三维坐标的列表之间的一一对应关系。可以在当前测量阶段之前进行这种三维测量。
[0077]在某些情况下，一个或多个相机上目标点的图像可能过于接近地分开，而不能立即确定目标点与相机图像上光点之间的一一对应关系。在这种情况下，可利用上述方法，通过激光跟踪仪来测量点。例如，激光跟踪仪可以将光束引导到目标。然后激光跟踪仪可以直接测量目标位置，或者，如果必要的话，通过搜索程序的帮助来测量目标位置。
[0078]本发明的重要方面是激光跟踪仪的参考框架与待测物体的参考框架之间关系的建立。表达相同构思的另一种方式是说，重要的是有一种将激光跟踪仪参考框架转换为待测物体参考框架或者反之的方法。
[0079]这里教导了用于建立这种关系的三种方法。在第一方法中，通过激光跟踪仪测量至少三个回射器目标点。在第二方法中，通过激光跟踪仪测量至少两个目标点，此外通过激光跟踪仪和待测目标中每一个上设置的倾角计测量至少两个倾角。在第三方法中，通过具有六DOF测量能力的激光跟踪仪测量单个六自由度(DOF)相机。通过组合根据三种方法的任意方法获得的信息，可将激光跟踪仪置于待测物体的参考框架中。同样，可将待测物体置于激光跟踪仪的参考框架中。
[0080]下面对基于上文所述测量的信息的获得，将待测物体置于跟踪仪参考框架的方法给出简单说明。对于激光跟踪仪测量三个回射器目标点的情况，通过允许三个测量点的其中一个作为待测物体的局部参考框架的原点，允许第二个测量点建立X轴，并允许第三个测量点建立y方向的分量，可以建立待测物体的局部坐标系。y轴被取为通过原点并垂直于X轴。z轴被取为通过原点并垂直于X轴和y轴，且方向根据右手定则而定，这为本领域技术人员所公知。待测物体可具有本身的参考坐标系，通过CAD制图建立。例如，CAD制图可具有建立原点、X轴、y轴和z轴的数据。为了将CAD制图置于激光跟踪仪的参考框架中，或者同样地，将激光跟踪仪置于CAD制图的参考框架中，通常获得三个变换矩阵。变换矩阵通常为4X4矩阵，包括3X3矩阵旋转矩阵以及说明参考框架相对于其他参考框架的平移的缩放分量。在上述情况下，按照特定顺序将三个变换矩阵一起相乘，以获得总变换矩阵，将测量值或CAD值变换为期望的参考框架。变换矩阵的使用为本领域技术人员所公知，这里不再描述。
[0081]对于除了激光跟踪仪和待测物体的倾斜角度之外，激光跟踪仪还测量至少两个回射器目标点的三维坐标的情况，通过允许第一回射器目标点作为待测物体的局部原点，并允许从第一目标点到第二目标点的方向建立待测物体的局部X轴，可以建立待测物体的局部坐标系。如果设置在激光跟踪仪和待测物体上的倾角仪分别测量两个垂直倾角以及重力矢量，那么就可以再次使用本领域技术人员所公知的旋转方法，旋转待测物体，以排列两个重力矢量。因为关于提供待测物体的局部X轴与通过CAD模型定义的X轴之间的适当对应关系的重力矢量，只有一种可能的旋转，所以可以消除关于重力矢量的旋转角度的不明确性。只要通过激光跟踪仪测量的两个回射器目标点的三维坐标不形成与重力矢量一致的直线，这种方法就有效。
[0082]观察参考框架之间的变换的另一种方式是考虑测量值提供的自由度的数量。例如，当激光跟踪仪测量第一回射器目标点时，就说在三个自由度上约束了待测物体的可能移动，因为对于待测物体上的点，已经建立了与X、y和Z坐标相对应的第一、第二和第三自由度。在物理上，这种约束将测量点的位置空间固定，但是允许待测物体在关于该点的任何方向上旋转。当激光跟踪仪测量第二回射器目标点时，就说在附加的两个自由度上约束了待测物体的可能移动，因为待测物体不再具有以三个方位角的任一个旋转的能力，而是被约束为关于连接第一与第二回射器目标点的直线旋转。因此三个方位自由度被降低为一个方位自由度。对于5个自由度的总体约束，第一测量点约束三个平移自由度，而第二测量点约束两个方位自由度。因为在这种情况下有一个未约束自由度，所以约束自由度和未约束自由度的总数为6。
[0083]对于激光跟踪仪和待测物体上的倾角仪分别测量相对于重力矢量的两个倾角，并且激光跟踪仪测量仅一个目标点的三维坐标的情况，没有足够的信息来完全约束待测物体。两个倾角仪约束两个角度，但是不提供关于待测物体的旋转(关于重力矢量的旋转)的信息。换言之，两个倾角仪约束两个自由度。对于5个自由度的总体约束，通过激光跟踪仪测量的单个目标的三维坐标提供三个自由度的约束。因为完全约束需要6个自由度，所以测量值不提供完全约束，并且物体自由地绕重力矢量移动。
[0084]对于激光跟踪仪和待测物体上的倾角仪分别测量相对于重力矢量的两个倾角，并且激光跟踪仪测量两个目标点的三维坐标的情况，有足够的信息来完全约束待测物体，只要两个目标点不沿着重力矢量的方向建立直线。通过进行这种测量，就说待测物体被约束在6个自由度中，只要两个目标点不沿着重力矢量的方向摆放。
[0085]对于两个矢量沿着重力矢量的方向摆放的情况，就说待测物体被5个自由度约束，因为没有足够的信息来确定待测物体关于重力矢量的方位。注意，自由度的数量不能通过简单地相加单个测量获得的自由度的数量来确定。例如，单个点的测量约束3个自由度，但是两个点的测量约束5个自由度，而不是6个自由度。此外注意，激光跟踪仪和待测物体上的倾角仪提供的两个角度自由度不加入通过两个回射器目标点的激光跟踪仪测量获得的5个自由度，以获得6个或7个自由度。这是因为通过倾角仪提供的两个自由度与这样的基本组不对应:该基本组独立于通过激光跟踪仪测量的两个目标点的基本组。换言之，单个刚体的完全约束需要三个平移自由度(例如，x、y、z)和三个方位自由度(例如，俯仰、翻滚和偏转角)的约束。在上述情况下，对于关于重力矢量的旋转(通常称为偏转角)没有约束。在本申请中，应当将术语“自由度”理解为表示独立的自由度。
[0086]应当理解，通过旋转激光跟踪仪的方位轴和天顶轴，激光跟踪仪上的相机观察到的目标可处于远离相机视场(FOV)的区域。例如，激光跟踪仪上其中一个相机的FOV在方位角方向上可以是30度。但是，跟踪仪的方位轴可以旋转360度，因此将相机的有效FOV增加到360度。
[0087]本发明的实施例允许经过测量系统的(例如，激光跟踪仪、目标加工、SMR或其他激光跟踪仪目标、计算机系统、测量系统软件以及可选择地，连接到测量软件的手持装置或者远程控制)有限训练的操作者可选择地经由计算机(例如，通用计算机60)跟随一组提示和指令来设置激光跟踪仪，可选择地将要求的加工中的SMR放置在待测量部分，以及可选择地限定待测量的感兴趣区域。然后测量系统可以自动测量目标点并产生结果。
[0088]本发明的帮助操作者实现更简单和更迅速的测量的实施例是这样一种方法:激光跟踪仪将处于期望测量位置的光束瞄准物体，提示操作者将SMR放置在期望位置的方法。例如，可以提示操作者将回射器目标放置在待测物体上的磁巢中。作为另一个示例，回射器可能被放置在错误的位置，并且可以通过来自激光跟踪仪的光束提示操作者将错放的目标移动到正确位置。提示例如可以通过将光束依次从包含错放目标的第一位置移动到待放置目标的第二位置做到这一点。
[0089]通过来自激光跟踪仪的光束给出的引导在设置阶段期间也具有优点，在设置阶段中，当激光跟踪仪测量目标位置的三维坐标时，操作者将SMR放置在指定位置。当CAD模型上给出的名义尺寸与待测物体的实际尺寸不对应时，看到这种优点。如果在设置期间确定了目标点准确的三维位置，就可以减少测量时间以及后面在处理中出现的测量误差。
[0090]通过光束的指示的操作者动作的引导可以帮助消除误差。例如，软件中对激光跟踪仪的测试方案可以指示操作者按照特定顺序来测量点。这种测量的结果可以被保存并用于获得期望的关系一例如，两个参考框架之间的关系、两条线之间的长度或者两个平面之间的角度。如果操作者按照错误的顺序测量了初始点或者测量了错误的点，则软件将不能得到期望的值，或者得到错误的答案。
[0091]在上述情况下，引导操作者将回射器目标放置在固定位置，该位置例如可以是磁巢或加工孔。但是，有另一种重要情况，其中操作者测量表面轮廓。可以测量这种表面轮廓，例如以确定表面的平面度或者球的直径，或者可以测量两个表面，以确定表面之间的角度。作为另一个示例，操作者可以测量被构造用于装配汽车或飞机的工具的一部分。可将激光跟踪仪用于测量表面轮廓，以查看表面是否在设计容差内。如果不在，可以引导操作者按照适当的方式修改工具——例如，有可能通过从一个区域磨损材料。在将SMR用于测量表面轮廓的所有这些情况下，通过指出待扫描的区域，控制激光跟踪仪的软件可以通过操作者极大地简化和加速程序。通过使得激光跟踪仪引导光束将操作者要扫描的区域划界，可以做到这一点。或者，可以跟踪操作者在扫描过程中要跟随的实际路径。
[0092]激光跟踪仪也可以用于帮助复杂结构的装配。例如，可能必须将多个组件附接于飞机的座舱。在很多情况下，实现这一点的成本有效方式是瞄准光束，指令装配者在适当位置钻孔或者进行其他操作。将组件附接之后，可以指令操作者扫描安装件的轮廓，以确认正确地进行了安装。为了帮助这种测量，可以使用一个或多个相机来识别待装配物体上的回射器。这些回射器可用于将激光跟踪仪移动到待装配物体的参考框架，这样就使得激光跟踪仪能够利用来自跟踪仪的光束，引导装配者的行动。
[0093]通过旋转方位轴或天顶轴，激光跟踪仪上的一个或多个相机具有测量大的有效FOV中所有回射器目标的能力，如上所述。如果激光跟踪仪可到达的唯一目标是那些待测物体上的目标，则激光跟踪仪可通过观察回射器目标，自动确定待测量的空间区域。另一方面，如果目标占据若干物体，并非所有物体都是当前测量所感兴趣的，那么在某些情况下，操作者必须指出待测量的区域。在一个实施例中，操作者可以通过利用回射器将感兴趣的区域划界来指出待测量的区域。操作者可以例如通过进行回射器目标的四个连续移动以指出区域的上、下、左、右范围，来实现这一点。在另一个实施例中，操作者可以手动移动激光跟踪仪的载荷(或等同结构)，以在感兴趣的区域的上、下、左、右边缘指示光束。可以指令操作者通过控制激光跟踪仪的软件进行这些移动，或者，操作者可以给出姿态，以给出该信息，而不需要通过计算机程序引导这样做。这些姿态例如可包括在指定的时间间隔里，以预定图案移动回射器目标。作为另一个示例，操作者可通过抓取载荷并将来自激光跟踪仪的光束直接向下移动，表明将区域划界的愿望。操作者可以通过移动载荷将期望的测量区域的上、下、左、右边缘划界，来跟随这种初始移动。在其他情况下，控制激光跟踪仪的软件可以进行目标匹配程序，其中，软件识别对应于CAD模型或者对应于目标的三维坐标列表的回射器目标的集合。
[0094]在上述讨论中，强调了激光跟踪仪使用光束帮助操作者进行测量的好处。下面考虑完全自动进行测量的好处。一个潜在的好处是，因为可以进行完全自动测量的速度，所以可将附加目标加入待测物体而不增加测试时间。通过在每个数据组中提供更多的点，软件可以以更少的潜在误差、更快地确定待测物体的期望几何特征。此外，在不需要用户手动移动SMR的情况下，通过测量点集，降低了测量阶段期间物体移位的可能。这样进而降低了测量误差的可能。
[0095]完全自动测量的潜在优点是，可以优化进行测量的顺序。在待测物体上有很多目标位置的情况下，操作者可以根据点的相对接近度来测量目标位置，因为这是手动测量的最快程序。另一方面，在完全自动程序中，可以产生最准确和最鲁棒测量结果的顺序来进行测量。例如，数据线上的两个点可以在大的待测物体的相对侧。自动测试程序可以逐一测量这些广泛分布的数据点，从而避免漂移并得到最准确的测量结果。
[0096]完全自动测量的另一个潜在优点是自动改装的可能性。经常希望，周期性地测量在产品制造中使用的工具的特性。这种周期性测量帮助确保工具不弯曲，目标不移动等等。如果待测物体凸起，那么在周期性测量过程中，控制激光跟踪仪的软件会注意到这一点。软件会相应地调用自动改装程序，其中重建凸起目标的新位置。此外，自动改装程序可以减少对刚性安装(以将物体刚性夹持在工具上)的要求。更低的刚性要求使得对于构造和操作非常准确、可重复使用的工具的更低的成本。
[0097]自动改装的另一个示例是用于待测物体在装配线上的情况。这种物体可能不是正好在它已经完成电路并且已经返回激光跟踪仪用于检查之后的相同位置上。激光跟踪仪可以测量参考点，以重建激光跟踪仪的参考框架与待测物体的参考框架的关系。
[0098]上述自动测量可能形成的一种能力是期望精度值的设置(可以通过用户)，以驱动指定操作以及设置阈值用于警告和警报。例如，为期望精度而设置的值可以驱动:(1)稳定性检查的频率和容差；(2)自补偿相对于全瞄准比较要求；(3)自补偿的频率和容差；(4)每个测量点的测量样本数量的阈值；(5)在补偿检查之前的环境温度变化限度；(6)对于排列和位置移动的可接受结果的容差；以及(7)漂移检查的频率和容差。
[0099]或者，可以单独设置这些值的每个值。可以基于不同的应用和操作条件来设置值的矩阵，并且可将它们保存并作为测量轮廓取回。
[0100]下面考虑设置程序包括通过操作者的合作而不是完全自动化的示例。对于期望的测量位置，激光跟踪仪10瞄准物体上期望的位置，以放置SMR。在第一实施例中，在将SMR放置在光束中时，操作者将SMR夹持在手中，从而使得光束能够锁定SMR。将SMR放置在物体上(例如，在磁巢上)之后，激光跟踪仪测量三维坐标并将光束移动到下一个目标位置。在第二实施例中，操作者将回射器就放在物体上，例如可以在磁巢上。如果光束没有立即锁定回射器，操作者例如通过在回射器目标前面移动一只手，给出信号，从而导致目标在相机的视野中闪光。跟踪仪搜索SMR并迅速测量SMR位置。然后跟踪仪前进到下一个名义点，就目标放在物体上哪个地方指引操作者。第三实施例类似于第二实施例，除了如果没有立即发现目标，激光跟踪仪不进行搜索之外。与之不同，当操作者在回射器目标前面移动一只手时，激光跟踪仪将光束引导到下一个目标位置。在初始设置过程中，例如通过将每次测量时间限制为大约0.1秒，使得所有测量比较迅速是可以接受的。
[0101]可将可能超过100个的大量回射器目标用于测量工具上的点。在某些情况下，操作者可能希望一次只放一部分回射器(例如，一次25个回射器)，以节省购买回射器的钱。测量周期被定义为将可用的回射器目标(例如，25个目标)设置在工具上并通过激光跟踪仪进行测量的周期。
[0102]如果SMR还没有附接于待测物体，操作者或者以手动方式，或者利用激光跟踪仪10提供的指引，将SMR放在物体上。然后，跟踪仪可以进行稳定性和参考系统检查。可通过测量一个或多个点来进行稳定性检查。在实施例中，跟踪仪连同体积中心最近的一个点一起，在测量体积的最边界测量两个或更多个点。激光跟踪仪10以更短或越来越长的持续时间(更多样本)自动得取一系列点，以确定样本的最佳数量来获得期望的精度(操作者在系统中设置该数量)。用于逐点样本的系统设置被设置为该值。系统将具有选择以重新检查经过一定时间周期之后的稳定性、在每个周期的开始和/或结束时测量的点的数量。经过第一次测量参考点(最小值为3)之后，在周期结束时可以重新测量它们以检查移动，或者在每个周期开始时可以重新测量它们，以将激光跟踪仪重新定向到该部件，校正在移动SMR时可能通过操作者引入的物体的任何移动。检查可能的移动的更简单和更迅速的方法是将单个点放在物体上，将第二点放在其他地方；例如放在地板上。这些位置总是将SMR包含其中，并且测量系统可以在整个测量阶段周期性地检查它们。一种方式是，除了每个周期的开始和结束之外，在测量阶段以特定的时间间隔进行检查。最小限度的执行将在每个测量阶段的开始和结束时测量这些漂移点。
[0103]测量系统逐个系统设置地自动测量所有要求的点。激光跟踪仪的用户光线可以在测量每个点之后闪现LED图案，就移动或失败点警告操作者。如果点失败，操作者可以通过在跟踪仪的FOV中的任何目标之前挥手，中止自动测量。相机系统将登记响应于闪光的光源54产生的单个目标的闪光的中断并且暂停测量。操作者可以将手保持在超差点之前，使得它可以调节。然后激光跟踪仪瞄准期望的点。数字式读出指引操作者调节工具超差的部分。在完成调节时，操作者可以给出另一个姿态(例如在SMR之前移动手)，指令激光跟踪仪重新测量点，并继续测量其余点。通过标记SMR或者在物理上移动系统的方位轴或天顶轴，就可以执行全部的测量处理，因此操作者不需要使用远程控制、鼠标或键盘。
[0104]参照图5和图6，关于要通过激光跟踪仪10测量的物体500，分别示出图1或图2的激光跟踪仪10沿第一方位和第二方位的立体图，激光跟踪仪10自动进行物体500上各种目标点(例如SMR26)的测量。物体500可以是任何类型的较大物体，例如架子，架子是汽车装配线的部件。但是，这只是示例性的；物体500可以是任何类型的加工或完成的产品。如上所述，物体500具有多个目标点26，例如SMR26，根据本发明的实施例，多个目标点放置在物体500的各种位置上。SMR也可以放在通过物体500夹持的组件上。[0105]图5A示出物体500上各种位置的多个SMR26。此外示出激光跟踪仪10将其激光束46瞄准这多个SMR26。此外，圆锥510表示当相机(多个相机)观察一部分物体500时激光跟踪仪10的一个或多个相机52、58的视场。
[0106]图5B类似于图5A，但是现在激光跟踪仪10关于物体500转变方向，此外在图5A中的特定位置的物体500上的某些SMR26已经移动到图5B中物体500上的其他位置。此夕卜，相机(多个相机)52、58的视场的圆锥关于物体500处于不同的方位。这使得相机(多个相机)52,58能够捕捉物体500上其他的附加目标点26。通过两种方式的任何一种都可以实现目标向两个不同位置的移动。在装配线上，架子可以移动一个小量，以允许激光跟踪仪透视中的变化，如图5和图6所示。对于静止工具，可以移动激光跟踪仪，以实现有可能从视野中隐藏的点的测量。
[0107]由于被测物体500的尺寸以及所期望的精度，如果不解决的话，物体500的环境温度可以变为测量误差的来源。例如，金属结构在它们变热时膨胀。此外，通常将物体的名义值(例如CAD文件)设置为受控室处于20摄氏温度或68华氏温度范围的温度。如果被测物体高于这个温度，那么它将在实际上更大。如果知道部件材料和温度，通过向测量工作应用缩放系数并将测量数据调回设计温度来调节此差异，或者通过测量参考点并在变换工作时应用缩放系数来调节此差异是常例。
[0108]在自动测量阶段(其中使用并测量参考点26)，操作者可以通过软件中的设置指示，在变换工作时总是应用缩放系数。这种实例的问题在于，如果物体的几何改变、弯曲等等，则自动缩放方法可通过改变工作的标度来减少这种误差。第二方法可以使用放置在物体上的材料传感器，并让操作者输入膨胀系数或材料类型，系统基于这些输入，就可以确定标度。但是，自动系统可以操作的优选方法是，比较这两种方法，如果任意变化超过期望的系统精度，就警告操作者。操作者可以在物体上放置一个或多个材料传感器。系统经由内部跟踪仪传感器或者外部传感器，可以检查环境温度。如果差异大到足以使得部件在测量阶段期间膨胀或者收缩，则系统警告操作者，以允许物体浸泡在环境中，并延迟测量，直到物体温度稳定。测量工作可包括材料类型和/或材料的膨胀系数。系统测量物体上的参考点，并将它们的值与名义值或期望值进行比较。
[0109]在变换处理期间，系统基于测量向名义的变换计算缩放系数，并基于材料类型和材料温度传感器计算标度。如果在两种标度计算之间有不可接受的差异，则操作者被警告，并且测量阶段停止。这种差异可以指示出现了以下情况的其中之一，并且系统不能按照期望的那样测量工作；(I)材料温度传感器(多个传感器)和/或空气温度传感器(多个传感器)可能有缺陷并产生错误的值；(2)或者更一般的原因可以是，物体几何形变到参考点26不再处于物体上的设计位置的程度。当自动缩放趋于隐藏这些误差并在整个工作中引入不确定性或误差时，这样比较难以在当前的测量阶段检测。如果参考点有误差，传统的整个工作将稍微地离开名义移位，并且这使得一些点不正确地失败。如果需要最高精度，那么在测量阶段期间，可以通过系统进行附加检查，以将部件的膨胀或收缩最小化。
[0110]相对而言，大多数自动系统可以使用激光跟踪仪10上的立体相机52来确定深度和位置，以估计SMR26的位置。在实施例中，操作者将SMR26放在物体500上并手动将它们瞄准激光跟踪仪10的方向。操作者按照软件所提示的，通过手动将跟踪仪10的方位轴和天顶轴移动到测量体积的相对极端点，来指示期望的测量体积。软件提示操作者将跟踪仪头部和激光束46移动到最右边的点；然后操作者移动跟踪仪头部。当移动稳定特定的时间量(例如2秒)之后，系统记录位置。软件提示用户将跟踪仪头部移动到期望体积的最左边、最上边和最下边。
[0111]如果指示的体积超过跟踪仪10上相机系统52的最宽视场的范围，则跟踪仪执行整个体积的编程扫视/环视，找寻SMR26或目标。如果需要的话，这种编程扫视/环视将在整个测量阶段重复，以监测SMR的状态或者找寻给系统的用户输入。利用立体相机52，激光跟踪仪10估计测量体积中每个点的XYZ位置。测量系统软件对于跟踪仪与点集之间的变换计算第一近似。然后跟踪仪瞄准期望的点。如果有任何点从测量设备看不见，跟踪仪10就通过跟踪仪前面的LED (未示出)闪现误差，然后瞄准目标26错过、误瞄或者被其他物体混淆的位置。跟踪仪可以在固定的图案中移动，以使得位置对于操作者而言更加可见。一旦该点被校正，操作者就可以标记SMR26，并且系统将知道测量位置并继续进行处理。同样是自动地，跟踪仪10瞄准并使用相机系统52或者传统的搜索系统来锁定和测量每个目标26。
[0112]如上所述，在将光束指向目标位置时，在图案中移动光束而不是以固定角度瞄准它有时候可能是好的想法。例如，考虑磁巢位置脱离待测物体顶部的情况。在这种情况下，直接指向目标位置(即，当放置在磁巢中时回射器目标的中心)的光束可以被操作者看见，因为它可以在其路径上不撞击任何东西的情况下通过物体。通过在图案中移动光束，可以使得SMR的期望位置被看见。
[0113]如果激光跟踪仪10配置一个或多个宽视场(WFOV)相机以及一个或多个窄视场(NFOV)相机，则系统可以通过WFOV相机确定SMR26的一般位置并瞄准点26。如果激光束46不碰撞目标26的中心，接近到足以使得跟踪系统锁定目标，就可以执行一个或多个以下处理。(I)跟踪仪可以根据WFOV相机再评估位置，并再次瞄准静止点。(2)跟踪仪可以切换为NFOV相机并重新计算目标的光学中心以及瞄准这个计算的中心并尝试通过跟踪系统获取目标。(3)如果跟踪仪装备有NFOV相机上的光学缩放功能，并且NFOV相机不能在从WFOV相机改变之后看见目标(WFOV位置计算导致跟踪仪瞄准具有足以使得NFOV相机(不能看见SMR的误差的位置)，NFOV相机可以缩小目标可见的点，然后计算光学中心并正确地瞄准跟踪仪。
[0114]可以重复这些处理的任意个直到重新获取目标，优点是，与使用激光束和位置传感器的传统瞄准和搜索方法相比，使用WFOV相机与NFOV相机的组合(这里称为相机系统)可以更快。
[0115]在本发明的其他实施例中，另一种测量程序可以是在软件的指引下，将测量结果与允许容差进行比较。激光跟踪仪10可将工具上的目标点之间的名义(CAD模型)尺寸与通过激光跟踪仪测量的尺寸进行比较。如果名义尺寸与测量尺寸之间的误差超过容差值，跟踪仪可以采取动作。该动作可以如同重新测量点或者用更长的时间测量点一样简单。跟踪仪也可以进行双面测量，确保没有跟踪仪精度的问题。在替代方案中，通过跟踪仪采取的动作可以是向操作者发送误差消息、发出嘟嘟声、闪光、甚至关闭生产线直到操作者检查稳定性、进行调节或者例如，替换有缺陷的目标。
[0116]双面测试的实施例如在Cramer等的美国专利N0.7，327，446 (‘446)中所述，这里通过参考将其全部内容合并于此。跟踪仪10进行一个或多个目标点26的双面测量。如果获得的双面误差超过指定值(例如，如同制造商的数据页给出的)，则下一个步骤可能是跟踪仪进行补偿程序，以提高跟踪仪性能。有两种类型的最常见地执行的补偿程序(虽然其他程序也可以)。这两种程序是‘446专利中所述的自补偿程序和指向补偿程序。指向补偿程序包括通过指向目标，进行多次双面测量，目标可以安装在地板上、基座上或者物体上。在收集来自指向补偿的数据之后，跟踪仪自动校正其内部参数，从而提高其测量精度。
[0117]另一种测量程序可以是检查测量随时间的稳定性。例如，跟踪仪可以测量地板上的目标点和工具上的另一个目标点。如果这两个目标点的相对位置随着测量的过程而改变，则跟踪仪可以向操作者发出警报。类似地，跟踪仪可以测量工具上三个点之间的距离，然后在测量结束时返回，并重新测量这三个点。如果这些点的相对位置改变，则整个测量的有效性受到怀疑，可能需要附加的测量。
[0118]虽然讨论主要是处理将一个或多个相机置于激光跟踪仪的载荷上的情况，但是本领域技术人员应当理解，也可将这些相机设置在激光跟踪仪内部(例如，与激光跟踪仪的光轴同轴)、设置在激光跟踪仪10的方位架14上、或者完全脱离激光跟踪仪。
[0119]图6是示出维度测量电子处理系统1500的方框图，系统1500包括激光跟踪仪电子处理系统1510、周围元件1582、1584、1586、计算机1590以及其他网络组件1600，这里用云表示。示例性激光跟踪仪电子处理系统1510包括主处理器1520、载荷功能电子装置1530、方位编码器电子装置1540、天顶编码器电子装置1550、显示器和用户界面(UI)电子装置1560、移动存储硬件1565、射频识别(RFID)电子装置以及天线1572。载荷功能电子1530包括多个子功能，多个子功能包括6D0F电子装置1531、相机电子装置1532、ADM电子装置1533、位置检测器(PSD)电子装置1534以及等级电子装置1535。大多数子功能有至少一个处理器单元，例如可以是数字信号处理器(DSP)或者现场可编程门阵列(FPGA)。电子单元1530、1540和1550因为它们在激光跟踪仪中的位置而分离，如图所示。在实施例中，载荷功能1530位于载荷中，而方位编码器电子装置位于方位装配中，且天顶编码器电子1550位于天顶装配中。
[0120]很多类型的外设都是可以的，但是这里示出这样三种装置:温度传感器1582、6D0F探针1584以及个人数字助理1586 (例如智能电话)。激光跟踪仪可以通过各种手段与外设通信，包括经由天线1572，通过视觉系统(例如相机)以及通过激光跟踪仪的距离和角度读数，与合作目标(例如6D0F探针1584)的无线通信。
[0121]在实施例中，独立的通信总线从主处理器1520延伸到每个电子单元1530、1540、1550、1560、1565和1570。每个通信线路例如可具有三个串行线路，包括数据线路、时钟线路以及帧线路。帧线路指示电子单元是否应当注意时钟线路。如果它指示应当给予注意，则电子单元在每个时钟信号处读取数据线路的当前值。时钟信号例如可以对应于时钟脉冲的上升沿。在实施例中，信息在数据线路上以数据分组的形式传输。在实施例中，每个数据分组包括地址、数字值、数据消息以及校验和。地址指示在电子单元中，将数据消息引导到哪里。位置例如可以对应于电子单元中的处理器子程序。数字值指示数据消息的长度。数据消息包含电子单元要执行的数据或指令。校验和是用于将经由通信线路传输的误差的可能性最小化的数字值。
[0122]在实施例中，主处理器1520将信息的分组通过总线1610发送给载荷功能电子装置1530，通过总线1611发送给方位编码器电子装置1540，通过总线1612发送给天顶编码器电子装置1550，通过总线1613发送给显示器和Π电子装置1560，通过总线1614发送给移动存储硬件1565，以及通过总线1616发送给RFID和无线电子装置1570。
[0123]在实施例中，主处理器1520还将synch (同步)脉冲通过同步总线1630同时发送给每个电子单元。同步脉冲提供一种将通过激光跟踪仪的测量功能收集的值同步的方式。例如，方位编码器电子装置1540和天顶编码器电子1550装置一收到同步脉冲就锁存它们的编码器值。类似地，载荷功能电子装置1530锁存载荷中包含的电子装置所收集的数据。当给予同步脉冲时，6D0F、ADM以及位置检测器都锁存数据。在大多数情况下，相机和倾角仪以相比同步脉冲速率更慢的速率收集数据，但是可以以多个同步脉冲周期锁存数据。
[0124]激光跟踪仪电子处理系统1510可以与外部计算机1590通信，或者它可以在激光跟踪仪中提供计算、显示以及Π功能。激光跟踪仪经由通信链路1606与计算机1590通信，通信链路1606例如可以是以太网线路或无线连接。激光跟踪仪还可以经由通信链路1602与通过云表不的其他兀件1600通信,通信链路1602可包括一个或多个电缆,例如以太网电缆，以及一个或多个无线连接。元件1600的示例是另一个三维测试仪器一一例如，可通过激光跟踪仪重置的铰接臂CMM。计算机1590与元件1600之间的通信链接1604可以是有线的(例如以太网)，也可以是无线的。位于远程计算机1590的操作者可以通过以太网或无线线路与通过云1600表示的互联网的连接，进而通过以太网或无线线路连接到主处理器1520。通过这种方式，用户可以控制远程激光跟踪仪的动作。
[0125]图7是示出用于通过系统进行测量的实施例中步骤700的流程图。步骤705是提供包括回射器目标的集合以及激光跟踪仪的系统。回射器目标的集合包括至少三个回射器目标，即第一目标、第二目标和第三目标，这些目标不排列在一条直线上。激光跟踪仪处于第一参考框架中，在图1、图5和图6中将第一参考框架示出为参考框架30。在实施例中，激光跟踪仪的参考框架的原点是激光跟踪仪的万向点22。第一参考框架的x、y和z轴关于跟踪仪的环境固定，但是通常参考跟踪仪特征(例如旋转方向)。激光跟踪仪包括结构、第一光源、绝对距离计量仪、第一角度变换器、第二角度变换器、跟踪系统、第一相机、第二光源和处理器。结构关于第一轴和第二轴可旋转。在实施例中，第一轴是方位轴，而第二轴是天顶轴。在实施例中，结构是支持光学组件的载荷。在另一个实施例中，结构是偏转光线、以在期望的方向上将光线送出激光跟踪仪的镜子。产生第一光束的第一光源可以是激光器、超级发光二极管或者其他类型的光源。绝对距离计量仪与第一光源合作，测量绝对距离。来自第一光源的光线可用于测量光线以光速通过空气传向回射器目标并返回跟踪仪所花的时间。测量飞行时间的方法可包括相位测量方法、脉冲飞行时间方法或者任何其他类型的绝对距离测量方法。在实施例中，第一角度变换器和第二角度变换器可以是测量方位角和天顶角的角度编码器。跟踪系统用于将第一光束保持为以回射器目标为中心。回射器的位置是光束反射所相关的位置。例如，在立方隅角回射器中，光线关于立方隅角的顶点对称地反射，立方隅角的顶点是三个相互垂直的表面相交所相关的点。在很多情况下，光线对称地反射所在的点是在球中心。例如，在球面安装的回射器类型中，将露天立方隅角的顶点放置在钢球的中心。在这种情况下，激光跟踪仪的跟踪系统保持第一光束以回射器目标的中心为中心。但是，回射器目标不必在球中心。更好的是，可将回射器直接附接于待测物体，而不是将其放置在球中。在这种情况下，术语“中心”是要表示第一光束对称地反射所相关的回射器的点，即使它不表示任何物体的中心。激光跟踪仪的跟踪系统可以保持一部分反射光线以激光跟踪仪中的位置检测器为中心，位置检测器例如是位置灵敏检测器或者感光阵列。激光跟踪仪包括第一相机，在实施例中第一相机安装在跟踪仪的载荷的外表面，载荷能够关于第一轴和第二轴旋转。在其他实施例中，第一相机可以设置在激光跟踪仪内部，并且可以观察激光跟踪仪外部的场景，场景以激光跟踪仪的光轴为中心。在其他实施例中，第一相机可以设置相关于激光跟踪仪上面或内部的其他位置。第一相机包括第一透镜和第一感光阵列。第一透镜在第一感光阵列上产生激光跟踪仪外部的物体的图像。第二光源发射第二光束，在大多数情况下第二光源最接近第一相机。该光线传向回射器目标，回射器目标是回射器目标的集合的一部分。一部分第二光束反射离开回射器并返回第一相机，第一相机在第一感光阵列上对反射光线成像。处理器可以设置在激光跟踪仪中、伙伴电子单元50中、外部单元60中，或者在位置的组合中。处理器可包括处理元件的组合，处理元件包括微处理器、数字处理单元、现场可编程门阵列和存储器。处理器被配置为操作激光跟踪仪。
[0126]步骤710是存储用于第一目标、第二目标、第三目标以及至少一个附加点的名义坐标的列表。名义坐标是在第二参考框架中给出的三维坐标。第二参考框架与待测物体相关联，或者与待测物体所附接的结构相关联。第二参考框架40的示例在图1、图5和图6中示出。通常，第二参考框架的X、y和z轴可关于第一参考框架的X、y和z轴旋转。
[0127]步骤715是在第一感光阵列上捕捉通过第二光束发射并反射离开第一目标、第二目标和第三目标的一部分光线。
[0128]步骤720是根据反射离开第一目标、第二目标和第三目标的一部分光线，在感光阵列上获得光点位置。光点位置例如可以是用于第一目标、第二目标和第三目标的光点的形心。
[0129]步骤725是分别确定第一感光阵列上的第一光点位置、第二光点位置和第三光点位置与第一目标、第二目标和第三目标的名义坐标的对应关系。这种对应关系可通过各种方式来获得，例如根据所附权利要求中所述的方法。一种这样的方法包括通过第一参考框架观察第二参考框架的方位的允许范围中的可能对应。另一种方法涉及通过激光跟踪仪上设置的两个(立体)相机，使用三角测量方法。另一种方法涉及使用单个跟踪仪相机，但是将跟踪仪旋转到两个不同的方位。通过这种方法，将在相机的感光阵列上获得的两个图像用于确定对应关系。也可以通过处于前准星和后准星模式下的第一相机进行测量，并将第一感光阵列上获得的图像用于确定对应关系。可以改变第一参考框架和第二参考框架的相对位置，并将第一感光阵列上得到的光点的图案用于确定对应关系。例如，第二参考框架可以与移动架相关联，如图5和图6所示，因此第一相机可以获得两个不同的图像，就像在第一参考框架和第二参考框架的不同相对位置。在实施例中，可以采取用来确定感光阵列上的第一、第二和第三光点与第一目标、第二目标和第三目标的名义坐标之间的对应的一般数学方法涉及构造变换矩阵，将坐标从参考框架2变换到参考框架I或者相反，如同上文以及所附的权利要求所述。对于通过感光阵列获得的图像，可将阵列上的点从感光阵列上的位置通过透镜的透视中心投射到目标空间。通过这种方式，可将第一感光阵列上的光点转换为角度。如果第二感光阵列可用，利用第一感光阵列与第二感光阵列之间的已知距离，通过本领域技术人员公知的方法，可以使用三角测量程序来确定三个目标中的每个目标的位置。如果只有单个相机可用，通过获得前准星和后准星图像，仍然可以应用三角测量方法，因为在从前准星转变为后准星模式时，相机的位置被翻转到跟踪仪光轴的相对侧。前准星和后准星模式中相机位置之间的距离已知，因此该程序等同于立体三角测量程序。类似地，仅仅将跟踪仪结构旋转到两个不同的角度(关于第一轴、第二轴或者两者)，可以获得两个不同的视图，并且可以使用类似于三角测量程序的方法，如上所述以及‘033中所述。其中已知第一参考框架与第二参考框架之间的近似相对方位的约束方法一般不允许用于第一目标、第二目标和第三目标的每个三维坐标的直接解决方案，但是在大多数情况下，它使得能够将位置局部化，好到足以画出三个光点与第一目标、第二目标和第三目标的名义坐标之间的对应关系。
[0130]步骤730是至少部分地基于第一光点位置和第一目标的名义坐标将第一光束引导到第一目标，以及利用绝对距离计量仪、第一角度变换器和第二角度变换器测量第一目标的三维坐标。如步骤720所述，获得对应关系的某些方法提供关于第一参考框架的三维坐标，因此将激光束引导到第一目标、第二目标和第三目标是简单直接的。在方向是基于第一参考框架与第二参考框架之间的约束的情况下，不一定高精度地了解到第一目标、第二目标和第三目标的最佳方向；但是，通过假定到目标的距离可以获得方向。得到的方向通常充分接近能够捕捉目标的最佳方向，例如通过所附权利要求所述的方法。测量的三维坐标是在第一参考框架中，第一参考框架是激光跟踪仪的参考框架。
[0131]步骤735与步骤730相同，仅应用于第二目标而不是第一目标。步骤740与步骤735相同，仅应用于第三目标而不是第一目标。
[0132]步骤745是至少部分地基于测量的第一目标、第二目标和第三目标的三维坐标以及至少一个附加点的名义坐标，确定第一参考框架中至少一个附加点的三维坐标。这是一个数学步骤，例如可以通过获得变换矩阵来执行，变换矩阵实现将任何名义坐标计算为第一参考框架(跟踪仪)中的三维坐标。利用本领域技术人员公知的方法，步骤725、730和735中获得的三维坐标足以确定变换矩阵。
[0133]步骤750是存储至少一个附加点的三维坐标。坐标例如可以存储在电子可读媒体中、计算机存储器中或者微处理器中。步骤755是具有步骤700的方法的终止。
[0134]图8是示出用于通过系统进行测量的实施例中的步骤800的流程图。步骤800跟随在图7中标记为755的点A。步骤805是将光束引导到至少一个附加点。激光跟踪仪可以自动执行该步骤。
[0135]步骤810是放置选择的回射器目标，拦截第一光束。实现这一点的一种方式是操作者将手持的选择的回射器目标移动到第一光束。实现这一点的第二方式是将选择的回射器目标放在待测物体上安装的巢上，例如磁巢。如果足够准确地知道至少一个附加点的三维坐标，就可以引导第一激光束，好到足以通过选择的回射器目标的清晰孔捕捉至少一部分光束。
[0136]步骤815是将第一光束引导到选择的回射器目标的中心。该步骤通过激光跟踪仪的跟踪系统进行。步骤820是利用绝对距离计量仪、第一角度变换器和第二角度变换器测量选择的回射器目标的三维坐标。方法800在步骤825终止。
[0137]图9是示出用于通过系统测量的实施例中的步骤900的流程图。步骤900跟随在图7中标记为755的点A。步骤905是将光束引导到至少一个附加点。
[0138]步骤910是将第一光束移动到空间中的第一图案，第一图案最接近至少一个附加点。这种第一图案通常称为搜索图案。作为示例，光束可以始于初始位置，然后以螺旋图案向外移动。
[0139]步骤915是通过激光跟踪仪的跟踪系统检测光束。当反射离开回射器的第一光束撞击位置检测器时可以出现这种情况。通过位置检测器对光线的这种检测指示，第一光束已经拦截了回射器目标的清晰孔。
[0140]步骤920是将第一光束引导到选择的回射器目标的中心。如上所述，这种背景下的中心表示相对于光束对称地反射所相关的回射器目标的位置。这种背景下术语“中心”不一定表不回射器目标的实体中心。
[0141]步骤925是利用绝对距离计量仪、第一角度变换器和第二角度变换器测量选择的回射器目标的三维坐标。方法900在步骤930终止。
[0142]图10是示出用于通过系统进行测量的实施例中的步骤1000的流程图。步骤1000跟随在图7中标记为755的点A。步骤1005是提供第三相机和第四光源，第三相机包括第三透镜系统和第三感光阵列，第三相机的视场小于第一相机的视场，第四光源提供第四光束。
[0143]步骤1010是在第三感光阵列上捕捉通过第四光源发射并反射离开第一目标、第二目标和第三目标的一部分光线。通过第一相机已经获得第一目标、第二目标和第三目标的图像。下面利用第三相机收集附加测量结果。在某些情况下，从第一相机获得的信息可用于操纵激光跟踪仪到使得第二相机能够看到第一目标、第二目标或第三目标的位置。
[0144]步骤1015是根据反射离开第一目标、第二目标和第三目标的每个目标的一部分光线，获得感光阵列上的光点位置。可以获得这种光点位置，例如作为每个光点的形心。
[0145]步骤1020是分别确定第三感光阵列上的第一光点位置、第二光点位置和第三光点位置与第一目标、第二目标和第三目标的名义坐标之间的对应关系。确定对应关系的方法与上述方法相同，但是通过视场比第一相机窄的第三相机提供相对更准确的信息。方法1000在步骤1025终止。
[0146]图11是示出用于通过系统测量的实施例中的步骤1100的流程图。步骤1100跟随在图7中标记为755的点A。步骤1105是将第一光束引导到多个附加点，多个附加点包括第一附加点，多个附加点指示操作者要采取的动作。通过这种方式，激光跟踪仪能够引导操作者的动作。
[0147]图12是示出用于通过系统进行测量的实施例中的步骤1200的流程图。步骤1200跟随在图8中标记为825的点B。步骤1205是根据检查方案进行测量。典型的检查方案可包括要测量的各种点。某些点可以在物体表面上，而其他点可以在巢中。某些点可以分离地测量，而其他点在指定表面上的扫描图案中测量。
[0148]图13是示出用于通过系统进行测量的实施例中的步骤1300的流程图。步骤1300跟随在图7中标记为755的点A。步骤1305是将第一光束引导到至少一个附加点。步骤1310是在第一光束的位置进行装配操作。装配操作可包括钻螺孔、打磨、上灰泥、碾磨或者意图修改物体或加入物体的任何其他操作。例如，第一光束可指示物体上要钻孔的位置。
[0149]图14是示出用于通过系统进行测量的实施例中的步骤1400的流程图。步骤1400跟随在图8中标记为825的点B。步骤1405是提供检查方案，通过激光跟踪仪测量检查点。步骤1410是将至少一个回射器目标附接于待测物体。这种回射器目标在效果上充当漂移桩(drift monument),实现系统的稳定性检查。步骤1415是向附接于待测物体的至少一个回射器目标的三维坐标提供最大允许移动。最大允许移动是用户基于要求的稳定性提供的数字值。步骤1020是测量附接于待测物体的至少一个回射器目标的三维坐标，测量在第一时间以及在第二时间进行。步骤1025是确定从第一时间到第二时间、至少一个回射器目标的三维坐标中的第一变化。在高度稳定的系统中,这些坐标改变一个小量。如果待测物体或者激光跟踪仪被撞击，则测量结果突然改变，从而引入误差。类似地，如果环境温度显著改变，则物体的尺寸会改变，跟踪仪的性能会下降，或者第一光束通过其传播的空气的性质会改变。这些改变中的任意改变都会降低测量的精度。步骤1030是在第一变化超过最大允许移动时采取动作。动作可包括测量待测物体上至少三个回射器，以重建检查点的三维坐标。也可包括通知操作者，第一变化已经超过最大允许移动。这样可以提示操作者，重新补偿激光跟踪仪、检查待测物体和激光跟踪仪的稳定性或者采取其他步骤。方法1400在步骤1435终止。
[0150]图15是示出用于通过系统测量的实施例中的步骤1700的流程图。步骤1700跟随在图7中标记为755的点A。步骤1705是提供最大允许偏差。这是用户提供的值。步骤1710是提供待测物体的热膨胀系数(CTE)以及参考温度。作为示例，如果材料是钢，可以提供11.5微米/米/1:的0^。参考温度可以是20°C的常用值。步骤1715是将第一参考回射器和第二参考回射器放在待测物体上，在参考温度时，第一参考回射器与第二参考回射器之间有第一距离。步骤1720是测量待测物体的温度。步骤1725是通过从待测物体的测量温度减去参考温度，计算第一温度差。步骤1730是通过将第一温度差乘以热膨胀系数，计算缩放系数。这样给出的值单位例如是微米/米。换言之，缩放因子是无量纲量。步骤1735是利用绝对距离计量仪、第一角度变换器和第二角度变换器测量第一参考回射器和第二参考回射器的3D坐标。步骤1740是计算从测量的第一参考回射器的3D坐标延伸到测量的第二参考回射器的3D坐标的第二距离。步骤1745是通过从第二距离减去第一距离，计算第三距离。步骤1 750是通过将第一距离乘以缩放系数，计算第四距离。步骤1755是通过从第四距尚减去第二距尚，计算偏差值。步骤1760是当偏差值超过最大允许偏差时米取动作，动作是发出警报，或者测量回射器目标的集合中至少一些回射器目标的坐标，以及根据这些数据，为物体重建参考框架。步骤1700的目的是检查热长度补偿的一致性，以直接测量长度差。如果长度变化不匹配，就有可能温度测量无效、CTE值没有正确给出或者有一些其他问题。通过这种问题识别，可以采取附加步骤。
[0151]如同本领域技术人员所理解的，可将本发明的方案具体实施为系统、方法或计算机程序产品。因此，本发明的方案可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、驻留软件、微代码等等)或者将软件和硬件方案组合的实施例的形式，这里可以将它们全部一般性地称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，本发明的方案可以采取在一个或多个计算机可读介质中具体实施的计算机程序的形式，计算机可读程序代码在计算机可读介质上具体实施。
[0152]可以利用一个或多个计算机可读介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统、设备或装置或者前述的任意合适组合，但是不限于此。计算机可读介质的更多具体示例(非穷举列表)可包括以下:有一个或多个电线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPR0M或闪存)、光纤、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、光存储装置、磁存储装置或者前述的任意合适组合。在本文献的背景下，计算机可读存储介质可以是任何有形介质，可以包含或存储通过指令执行系统、设备或装置使用的程序或者与指令执行系统、设备或装置有关的程序。
[0153]可以利用一个或多个计算机可读介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统、设备或装置或者前述的任意合适组合，但是不限于此。计算机可读介质的更多具体示例(非穷举列表)可包括以下:有一个或多个电线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPR0M或闪存)、光纤、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、光存储装置、磁存储装置或者前述的任意合适组合。在本文献的背景下，计算机可读存储介质可以是任何有形介质，可以包含或存储通过指令执行系统、设备或装置使用的程序或者与指令执行系统、设备或装置有关的程序。
[0154]计算机可读信号介质可包括例如在基带中或者作为载波的一部分传播的数据信号，其中具体实施计算机可读程序代码。这种传播的信号可以采取多种形式的任何一种，包括但不限于电磁、光或者它们的任何合适组合。计算机可读信号介质可以是并非计算机可读存储介质、并且可以传递、传播或传输通过指令执行系统、设备或装置使用的程序或者与指令执行系统、设备或装置有关的程序的任何计算机可读介质。
[0155]在计算机可读介质上具体实施的程序代码可以利用任何适当的介质来传输，包括但不限于无线、有线、光纤电缆、RF等等，或者前述的任意合适组合。
[0156]用于执行本发明的方案的操作的计算机程序代码可以通过一种或多种编程语言的任意组合来编写，包括面向对象的编程语言(例如Java、Smalltalk、C++、C#等等)和传统的程序式编程语言(例如“C”编程语言或者类似的编程语言)。程序代码可以完全在用户计算机上执行，可以作为单机软件包部分地在用户计算机上执行，可以部分地在用户计算机上并且部分地在远程计算机上执行，或者完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，远程计算机可以通过任何类型的网络连接到用户计算机，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，或者可以进行与外部计算机的连接(例如，通过使用互联网服务供应商的互联网)。本发明的方案参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图说明和/或方框图来描述。应当理解，流程图说明和/或方框图的每个方框以及流程图说明和/或方框图中方框的组合可以通过计算机程序指令实现。
[0157]这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器，以产生机器，使得经由计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令能够产生用于实现流程图和/或方框图或方框中指定的功能/动作的方法。这些计算机程序指令也可以存储在计算机可读介质中，计算机可读介质可以引导计算机、其他可编程数据处理设备或者其他装置以特定方式运行，因此计算机可读介质中存储的指令产生制造的条款，包括实现流程图和/或方框图或方框中指定的功能/动作的指令。
[0158]计算机程序指令也可以载入计算机、其他可编程数据处理设备或者其他装置，导致在计算机上执行一系列操作性步骤，导致其他可编程设备或其他装置产生计算机实现的处理，因此在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供处理，以实现流程图和/或方框图或方框中指定的功能/动作。
[0159]附图中的任何流程图和方框图示出根据本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的构造、功能以及可能的实施方式的操作。就此而言，流程图或方框图中的每个方框可以表示模块、片段或代码的一部分，包括用于实现指定的逻辑功能(多个功能)的一个或多个可执行指令。应当理解，在一些替代性实施方式中，方框中注明的功能可以脱离附图中注明的顺序而发生。例如，连续示出的两个方框实际上可以基本上同时执行，或者，有时候方框可以按照相反的顺序执行，这取决于涉及的功能。此外应当注意，方框图和/或流程图说明的每个方框以及方框图和/或流程图说明中方框的组合可以通过基于专用硬件的系统或者专用硬件与计算机指令的组合来实现，基于专用硬件的系统执行指定的功能或动作。
[0160]虽然已经示出并描述优选实施例，但是在不脱离本发明精神和范围的情况下可以对其进行各种修改和替代。因此，应当理解，通过说明而非限制的方式描述了本发明。
[0161]因此，当前公开的实施例在任何方面都应视作说明性而非限制性的，本发明的范围由后附权利要求书而非前面的描述指出，并且因此，落入权利要求书的等同物含义和范围的所有变化都将被涵盖其中。
【权利要求】
1.一种用于通过系统进行测量的方法，所述方法(700)包括步骤: 提供包括回射器目标(26，27，28)的集合以及激光跟踪仪(10)的系统(705)，所述回射器目标的集合包括至少三个非共线回射器目标(27)，所述至少三个非共线回射器目标包括第一目标、第二目标和第三目标，第一参考框架(30)中的所述激光跟踪仪关于跟踪仪环境固定，所述激光跟踪仪具有结构(15)、第一光源、绝对距离计量仪(1533)、第一角度变换器(1540)、第二角度变换器(1550)、跟踪系统(1534)、第一相机(52，400)、第二光源(54，401)以及处理器(1520，50，60)，所述结构能够关于第一轴(20)和第二轴(18)旋转，所述第一光源产生与所述绝对距离计量仪协作的第一光束(46)，所述第一角度变换器测量关于所述第一轴的第一旋转角度(71)，所述第二角度变换器测量关于所述第二轴的第二旋转角度(72)，所述跟踪系统被配置为将所述第一光束移动到所述回射器目标集合中的任意回射器目标的中心，所述第一相机包括第一透镜系统(402)和第一感光阵列(404)，所述第二光源提供第二光束(440)，并且所述处理器被配置为操作所述激光跟踪仪； 存储用于所述第一目标、所述第二目标和所述第三目标以及至少一个附加点(26，29)的名义坐标的列表(710)，所述名义坐标是第二参考框架(40)中的三维坐标； 在所述第一感光阵列上捕捉通过所述第二光束发射并反射离开所述第一目标、所述第二目标和所述第三目标的一部分光线(715)； 根据反射离开所述第一目标、所述第二目标和所述第三目标中的每个目标的一部分光线，获得所述感光阵列上的光点位置(720，42)； 分别确定所述第一感光阵列上的第一光点位置、第二光点位置和第三光点位置与所述第一目标、所述第二目标和所述第三目标的名义坐标之间的对应关系(725)； 至少部分地基于所述第一光点位置和所述第一目标的名义坐标，将所述第一光束引导到所述第一目标(730); 利用所述绝对距离计量仪、所述第一角度变换器和所述第二角度变换器测量所述第一目标的三维坐标(730)； 至少部分地基于所述第二光点位置和所述第二目标的名义坐标，将所述第一光束引导到所述第二目标(735); 利用所述绝对距离计量仪、所述第一角度变换器和所述第二角度变换器测量所述第二目标的三维坐标(735)； 至少部分地基于所述第三光点位置和所述第三目标的名义坐标，将所述第一光束引导到所述第三目标(740); 利用所述绝对距离计量仪、所述第一角度变换器和所述第二角度变换器测量所述第三目标的三维坐标(740)； 至少部分地基于测量的所述第一目标、所述第二目标和所述第三目标的三维坐标以及所述至少一个附加点的名义坐标，确定所述第一参考框架中至少一个附加点的三维坐标(745);以及 存储确定的所述至少一个附加点的三维坐标(750)。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤: 将所述第一光束引导到所述至少一个附加点(805)； 将选择的回射器目标放置为拦截至少一部分所述第一光束，所述选择的回射器目标选自所述回射器目标的集合中任意的回射器目标(810)； 将所述第一光束引导到所述选择的回射器目标的中心(815);以及利用所述绝对距离计量仪、所述第一角度变换器和所述第二角度变换器，测量所述选择的回射器目标的三维坐标(820 )。
3.根据权利要求2所述的方法，其中将选择的回射器目标放置为拦截至少一部分所述第一光束的步骤包括选自以下群组的一个步骤，所述群组包括: 移动所述选择的回射器目标，以拦截至少一部分所述第一光束；以及将所述选择的回射器目标放置在固定巢中，所述固定巢位于拦截至少一部分所述第一光束的位置。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤: 将所述第一光束引导到所述至少一个附加点(905)； 将所述第一光束移动到空间中的第一图案中，所述第一图案最接近所述至少一个附加点(910)； 通过所述跟踪系统检测所述第一光束的存在(915)； 将所述第一光束引导到所述选择的回射器目标的中心(920);以及利用所述绝对距离计量仪、所述第一角度变换器和所述第二角度变换器测量所述选择的回射器目标的三维坐标(925)。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤:` 提供第三相机和第四光源(1005)，所述第三相机(58)包括第三透镜系统和第三感光阵列，所述第三相机的视场小于所述第一相机的视场，所述第四光源(56)提供第四光束；在所述第三感光阵列上捕捉通过所述第四光源发射并反射离开所述第一目标、所述第二目标和所述第三目标的一部分光线(1010)； 根据反射离开所述第一目标、所述第二目标和所述第三目标中每个目标的一部分光线，获得所述感光阵列上的光点位置(1015);以及 分别确定所述第三感光阵列上的第一光点位置、第二光点位置和第三光点位置与所述第一目标、所述第二目标和所述第三目标的名义坐标之间的对应关系(1020)。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第一感光阵列上捕捉通过所述第二光束发射并反射离开所述第一目标、所述第二目标和所述第三目标的一部分光线的步骤还包括选自以下群组的一个步骤，所述群组包括: 将所述激光跟踪仪置于架子上，使得所述第一感光阵列同时获得用于所述第一目标、所述第二目标和所述第三目标的光点位置； 将所述第一相机和所述第二光源旋转至多个方位，使得对于所述第一目标、所述第二目标和所述第三目标，所述第一感光阵列在所述多个方位中的一些方位获得一些光点位置；以及 移动所述回射器的集合中的选择的回射器，以将包含所述第一目标、所述第二目标和所述第三目标的空间区域划界，所述空间区域由所述激光跟踪仪、通过跟踪所述选择的回射器目标或者通过在所述第一感光阵列上跟随所述选择的回射器目标的移动来确定。
7.根据权利要求1所述的方法，其中提供包括回射器目标的集合以及激光跟踪仪的系统的步骤还包括提供第二相机和第三光源，所述第二相机包括第二透镜系统和第二感光阵列，所述第三光源提供第三光束，所述激光跟踪仪中的所述处理器还被配置为计算所述回射器目标的集合中任意回射器目标的三维坐标，所计算的三维坐标至少部分地基于所述第一感光阵列上的第一图像以及所述第二感光阵列上的第二图像，所述第一图像和所述第二图像分别响应于所述第二光源和所述第三光源发射的光线获得，来自所述第一光源和所述第二光源的光线被所述回射器目标的集合中的回射器目标反射。
8.根据权利要求1所述的方法，其中分别确定所述第一感光阵列上的第一光点位置、第二光点位置和第三光点位置与所述第一目标、所述第二目标和所述第三目标的名义坐标之间的对应关系包括选自以下群组的一个步骤，所述群组包括: 至少部分地基于所述第一参考框架与所述第二参考框架之间的允许相对方位的范围以及所述第一目标、所述第二目标和所述第三目标的名义坐标，来确定所述对应关系； 响应于通过来自所述第二光源的光线对所述第一目标、所述第二目标和所述第三目标的照射，在第一时间收集来自所述第一感光阵列的第一组图像；改变所述第一旋转角度和所述第二旋转角度其中之一，并且响应于通过来自所述第二光源的光线对所述第一目标、所述第二目标和所述第三目标的照射，在第二时间收集来自所述第一感光阵列的第二组图像；以及确定所述第一感光阵列上的所述第一光点位置、所述第二光点位置和所述第三光点位置与所述第一目标、所述第二目标和所述第三目标的名义坐标之间的对应关系，所述确定至少部分地基于所述第一组图像和所述第二组图像；以及 响应于通过来自所述第二光源的光线对所述第一目标、所述第二目标和所述第三目标的照射，在第三时间收集来自所述第一感光阵列的第三组图像；改变所述第二参考框架相对于所述第一参考框架的位置，并且响应于通过来自所述第二光源的光线对所述第一目标、所述第二目标和所述第三目标的照明，在第四时间收集来自所述第一感光阵列的第四组图像；以及确定所述感光阵列上的所述第一光点位置、所述第二光点位置和所述第三光点位置与所述第一目标、所述第二目标和所述第三目标的名义坐标之间的对应关系，所述确定至少部分地基于所述第三组图像和所述第四组图像。`
9.根据权利要求1所述的方法，其中存储用于所述第一目标、所述第二目标和所述第三目标以及至少一个附加点的名义坐标的列表，所述名义坐标是第二参考框架中的三维坐标的步骤还包括以下步骤的其中之一: 从CAD模型中提取所述名义坐标；以及 通过3D测量仪器测量所述名义坐标。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述第一光束引导到多个附加点的步骤，所述多个附加点包括第一附加点，所述多个附加点指示操作者要采取的动作(1105)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中操作者要采取的动作包括以下至少其中之一: 拾取选择的回射器目标，所述选择的回射器目标由所述多个附加点指定； 沿所述多个附加点指示的方向移动选择的回射器目标，通过所述回射器捕捉所述第一光束，以及利用所述绝对距离计量仪、所述第一角度变换器和所述第二角度变换器，测量至少一个点的三维坐标； 观察通过所述多个附加点形成的图案，通过所述回射器捕捉所述第一光束，以及沿着所述图案测量三维点；以及 观察通过所述多个附加点形成的图案，将所述点解释为姿态命令，并采取通过所述姿态命令指示的动作。
12.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述至少一个附加点的三维坐标的步骤还包括步骤: 计算变换矩阵，所述变换矩阵用于将所述第二参考框架中的任意三维坐标变换为所述第一参考框架中的任意三维坐标，所述计算至少部分地基于所述第一目标、所述第二目标和所述第三目标的名义坐标；以及 至少部分地基于所述变换矩阵以及所述至少一个附加点的名义坐标，计算所述至少一个附加点的三维坐标。
13.根据权利要求1所述的方法，其中提供包括回射器目标的集合以及激光跟踪仪的系统的步骤包括从回射器目标的集合中提供至少一个具有立方隅角回射器的回射器目标，所述立方隅角回射器具有相互垂直的三个反射表面。
14.根据权利要求1所述的方法，其中提供包括回射器目标的集合以及激光跟踪仪的系统的步骤包括从回射器目标的集合中提供至少一个回射器目标作为球面安装的回射器，所述球面安装的回射器具有嵌入球表面中的立方隅角回射器。
15.根据权利要求1所述的方法，其中提供包括回射器目标的集合以及激光跟踪仪的系统的步骤包括从回射器目标的集合中提供至少一个回射器目标作为位于球表面中心的反射点。
16.根据权利要求2所述的方法，还包括根据检查方案进行测量的步骤(1205)。
17.根据权利要求16所 述的方法，其中根据检查方案进行测量的步骤还包括在没有操作者干涉的情况下自动进行测量的步骤。
18.根据权利要求16所述的方法，其中根据检查方案进行测量的步骤还包括以下步骤:移动所述第一光束以引导操作者移动所述选择的回射器目标，从而根据检查方案进行测量。
19.根据权利要求16所述的方法，其中根据检查方案进行测量的步骤还包括:检测何时操作者将所述回射器目标置于错误位置，并引导操作者将所述选择的回射器目标移动到正确位置，所述激光跟踪仪移动所述第一光束，以向所述操作者指示所述选择的回射器目标的正确位置。
20.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤: 将所述第一光束引导到所述至少一个附加点(1305);以及 在所述第一光束的位置进行装配操作(1310)。
21.根据权利要求20所述的方法，其中进行装配操作的步骤包括在处于所述第一光束的位置的物体中钻孔。
22.根据权利要求2所述的方法，还包括步骤: 提供通过所述激光跟踪仪测量检查点的检查方案(1405)； 将至少一个回射器目标附接于待测物体(1410)； 向附接于所述待测物体的所述至少一个回射器目标的三维坐标提供最大允许移动(1415)； 测量附接于所述待测物体的所述至少一个回射器目标的三维坐标，所述测量在第一时间以及在第二时间进行(1420)；确定从所述第一时间到所述第二时间、所述至少一个回射器目标的三维坐标的第一变化(1425);以及 当所述第一变化超过所述最大允许移动时采取动作(1430)，所述动作是以下其中之 测量所述待测物体上的至少三个回射器，以重建所述检查点的三维坐标，以及 通知操作者所述第一变化已经超过所述最大允许移动。
23.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤: 提供最大允许偏差(1705)； 向待测物体提供热膨胀系数(1710)； 提供参考温度(1710)； 将第一参考回射器和第二参考回射器置于所述待测物体上，在所述参考温度时，所述第一参考回射器与所述第二参考回射器之间为第一距离(1715); 测量所述待测物体的温度(1720)； 通过从测量的所述待测物体的温度减去所述参考温度，计算第一温度差(1725)； 通过将所述第一温度差乘以所述热膨胀系数，计算缩放系数(1730); 利用所述绝对距离计量仪、所述第一角度变换器和所述第二角度变换器，测量所述第一参考回射器的三维坐标(1735)； 利用所述绝对距离计量仪、所述第一角度变换器和所述第二角度变换器，测量所述第二参考回射器的三维坐标(1735)； 计算从测量的所述第一参考回射器的三维坐标延伸到测量的所述第二参考回射器的三维坐标的第二距离(1740)； 通过从所述第二距离减去所述第一距离，计算第三距离(1745); 通过将所述缩放系数乘以所述第一距离，计算第四距离(1750)； 通过从所述第四距离减去所述第三距离，计算偏差值(1755 );以及当所述偏差值超过所述最大允许偏差时采取动作，所述动作是发出警报，或者是测量所述回射器目标的集合中至少一些回射器目标的三维坐标，以及根据这些数据，重建用于待测物体的参考框架(1760)。
24.根据权利要求16所述的方法，其中根据检查方案进行测量的步骤包括步骤: 获得目标点的名义坐标，所述名义坐标得自计算机辅助制图(CAD)中提供的数据，所述CAD数据被变换为所述第一参考框架； 提供所述选择的回射器目标作为球面安装的回射器，所述球面安装的回射器具有嵌入球表面中的立方隅角回射器，所述球表面具有第一半径； 将所述选择的回射器目标放置在所述目标点的位置，所述回射器目标或者抵住所述目标点地保持或者被放置在代表所述目标点的磁巢上； 利用所述绝对距离计量仪、所述第一角度变换器和所述第二角度变换器，测量所述选择的回射器目标的三维坐标； 至少部分地基于测量的所述选择的回射器目标的三维坐标以及所述第一半径，计算所述测量的目标点的三维坐标； 计算测量的目标点的三维坐标与所述目标点的名义坐标之间的第一差；以及提供所述第一差的指示。
25.根据权利要求24所述的方法，其中提供所述第一差的指示的步骤包括:如果所述第一差超过第一允许差，则提供警告。
26.根据权利要求16所述的方法，其中根据检查方案进行测量的步骤包括步骤:进行双面测试以获得双面误差，并且如果所述双面误差超过最大允许双面误差值，则提供警告。
27.根据权利要求16所述的方法，其中根据检查方案测量的步骤包括步骤:测量两个目标点的三维坐标，并且如果所述两个目标点的相对位置超过最大允许目标改变值，则提供警告。`
【文档编号】G01C15/00GK103608642SQ201280013306
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2012年3月14日 优先权日:2011年3月14日
【发明者】肯尼斯·斯特菲, 尼尔斯·P·斯特芬森, 罗伯特·E·布里奇斯 申请人:法罗技术股份有限公司