用于对结构的元件的位置进行测量的测量方法和系统的制作方法
【专利摘要】公开了一种用于对结构的元件的位置进行测量的测量方法和系统。用于对结构（10）的元件（16）的位置进行测量的方法包括下述步骤：在测量位置处将容纳设备（18）附接到元件（16）；将第一参考设备（20、20b）附接到容纳设备（18）；使用适于测量第一参考设备（20、20b）的位置的第一测量设备（22、22b）来确定第一测量点；移除第一参考设备（20、20b）；将第二参考设备（20、20a）附接到容纳设备（18）；以及使用适于测量第二参考设备（20、20a）的位置的第二测量设备（22、22a）来确定第二测量点。
【专利说明】用于对结构的元件的位置进行测量的测量方法和系统
[0001]相关申请的引用
[0002]本申请要求2012年12月20日提交的欧洲专利申请第EP12198635.0号和2012年12月20日提交的美国临时专利申请第61/739，783号的申请日的权益，此处通过引用将所述申请的公开内容并入本文中。
【技术领域】
[0003]本发明涉及用于对结构的元件的位置进行测量的方法和测量系统。
【背景技术】
[0004]当通过测量系统来支持工业过程，例如大规模结构的建造时，要在该结构的对象坐标系统上对测量点进行测量。在第一步骤中，要确定已知的参考点，在第二步骤中，可以确定附加元件的位置。
[0005]使用激光跟踪器设备，通常相继地确定测量点。在这种情况下，当结构在测量期间移动、振动或变形少许时，可能会确定错误的测量点。
[0006]另外可能的测量技术基于摄影测量和触觉位置测量，在该摄影测量中，在从不同位置拍摄的相机图像的帮助下确定测量目标的位置，在该触觉位置测量中，将作为测量目标的接触探针与参考位置接触。可以通过固定到接触探针的臂的位置和取向来确定接触探针的位置。
[0007]通常，参考位置或参考点是基于单点或双点适配器的。经由偏移或向量减缩(vector reduction),可以根据这些点来确定参考点。例如，结构的特定元件,例如孔,被用作为参考点的基础。然而，这些种类的参考点可能仅设置在特定位置处，并且可能存在下述问题:它们对齐在相对于测量设备的错误方向上。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种能够产生具有高准确度的测量值的简单、快速并且廉价的测量方法。
[0009]通过下面的实施方式的主题来实现该目的。根据进一步的实施方式和下述描述，可以得到其它的示例性实施方式。
[0010]本发明的一方面涉及用于对结构的元件的位置进行测量的方法，例如，该结构可以是飞行器的主要结构和/或次要结构。然而，该方法也可以用于例如普通交通工具(诸如船)或建筑物的结构。
[0011]根据本发明的一个实施方式，该方法包括步骤:在测量位置处将容纳设备附接到元件；将第一参考设备附接到容纳设备；使用适于测量第一参考设备的位置的第一测量设备来确定第一测量点；移除第一参考设备；将第二参考设备附接到容纳设备；使用适于测量第二参考设备的位置的第二测量设备来确定第二测量点。也可以将第二参考设备从容纳设备移除。[0012]容纳设备可以看作是用于第一参考设备和第二参考设备的“巢(nest)”。通常不是仅将一个容纳设备而是将多个容纳设备附接到结构的元件。每个容纳设备可以容纳具有不同测量目标的不同类型的参考设备。
[0013]在通过将容纳设备附接(例如通过胶合)到结构的元件而将容纳设备安装在结构中之后，使用第一测量设备来确定容纳设备的(测量)位置。将具有第一类型测量目标的第一参考设备附接到容纳设备，并使用第一测量设备来测量第一测量点(即指示测量位置的测量值)。
[0014]第一测量设备可以是非常准确的(例如激光跟踪器)。在第一测量之后，通过第一测量设备获得的数据(即第一测量点或对于多个第一参考设备的多个第一测量点)可以用作使用第二测量设备的第二测量的参考点。由于容纳设备停留在其初始位置，所以该参考数据是非常准确的。
[0015]当需要时，例如为了质量控制或为了将结构的元件移动到其目的位置，可以将第二参考设备附接到容纳设备，并且可以使用第二测量设备、第三测量设备等执行第二测量、第三测量等，该第二测量设备、第三测量设备等可以良好地适合于应用、资源规划和装配条
件(站点、蓝色、活动并行化......)，和/或可以比第一测量设备更快和更能抵抗干扰，但
是可能准确性较低。
[0016]如果由第二测量设备识别出至少三个第二参考设备(经由第二参考设备的参考目标)，那么第二测量点可以参考第一测量点。通过使用第二测量点来(根据建造规划和/或根据第一测量)调整参考数据(例如通过最适合的变换)，可以收集附加信息，例如结构的热变形、单个参考点的偏移。这样，可以缩放测量空间和/或可以检测局部变形。
[0017]该方法适合于生产环境。永久安装的容纳设备可以被容易地安装，可以长时间使用，并且由容纳设备限定的参考点或参考位置相对于容纳设备所附接到的结构的元件不移动。此外，可以以容易地达到所有测量位置的方式来附接容纳设备。
[0018]当给参考设备提供多于一个的测量目标时，可以节约成本。这种参考设备可能需要被校准到其参考点仅一次。参考设备可以直接地和/或间接地指示参考点。在第二种情况下，参考设备上的至少三个点可以限定参考点的位置(例如经由数学算法)。由于可以以降低制造要求的方式校准这种参考设备，所以可以节约成本。
[0019]第一位置测量设备和/或第二位置测量设备可以是在线测量设备，即第一位置测量设备和/或第二位置测量设备可以适于同时地或仅在短时间内获取多个参考设备的多个测量点。
[0020]使用该方法，可以通过例如对测量点和建造规划所限定的位置之间的差别进行可视化，和/或通过支持结构的元件朝向其目的地移动，来支持结构的装配过程。通过例如对安装位置进行可视化和/或测量，也可以支持质量控制。
[0021]要注意的是，可以将容纳设备永久地附接到结构，例如比参考设备可以附接到容纳设备的时间更久。例如，当在结构的建造期间使用测量方法时，在整个建造过程期间可以将容纳设备附接到结构的同一点。例如，容纳设备可以胶合到、黏附地附接到和/或螺丝连接到结构的元件。
[0022]另一方面，可以将参考设备仅暂时地附接到容纳设备。例如，可以以下述方式对其进行附接:在没有工具辅助的情况下，可以松开容纳设备和参考设备之间的连接。[0023]根据本发明的一个实施方式，容纳设备包括第一支承元件，并且第一参考设备和第二参考设备中的每个参考设备包括第二支承元件，以使得当参考设备相对于容纳设备旋转时，参考设备的参考点相对于参考设备所附接到的容纳设备不移动。参考设备可以相对于其容纳设备自由地旋转，使得由参考设备承载的测量目标可以朝向相应位置测量设备，该位置测量设备可以包括适于感测测量目标的测量传感器。
[0024]参考设备的旋转所围绕的旋转点限定了容纳设备(其相对于结构不移动)的参考点和参考设备的参考点(相对于测量目标)，在对结构的测量之前可以分别地针对每个参考设备非常精确地确定参考设备的参考点。参考设备的参考点可以用于根据附接到参考设备的测量目标的所测量位置来确定第二测量点。
[0025]根据本发明的一个实施方式，第一支承元件具有形成如截锥(truncated cone)的支承面，和/或第二支承元件具有形成如球冠(spherical cap)的支承面。例如,可以通过容纳设备的锥形功能面来容纳参考设备的球形功能面。这样，在第一支承和第二支承之间生成环形接触面，环形接触面明确地确定由球形面限定的球体中心。
[0026]第二支承元件的球体中心可以确定参考设备的参考点。当将参考设备附接到容纳设备时，球体中心可位于容纳设备的参考点处。
[0027]要注意的是，所有容纳目标的支承面可以被同等地形成，并且特别地，可以具有相同的锥角。此外，参考设备的支承面也可以被均等地形成，例如通过具有相同直径(例如约0.5英寸、1.27cm)的球体形成。
[0028]根据本发明的一个实施方式，将容纳设备与第一参考设备和/或第二参考设备用磁体暂时地附接。磁体可以是容纳设备或参考设备的一部分。这样，当使支承元件接触时，支承元件可以粘合在一起，并且当要交换参考设备时，支承元件可以容易地彼此分离。
[0029]根据本发明的一个实施方式，第一参考设备和/或第二参考设备包括板，作为用于测量目标的承载体。可以将第二支承和一个或更多个测量目标固定到该板上。
[0030]根据本发明的一个实施方式，第一参考设备和/或第二参考设备包括(金属)球体，作为要被附接到容纳设备的第一支承元件的第二支承元件。例如，参考设备可以包括球体(其可以被固定到用于一个或更多个测量目标的承载体)，其中，球体提供用于参考设备的第二支承。由于在容纳设备中参考设备的旋转没有导致参考点的移动，所以这种参考设备可以在方向上对准到第二测量设备的传感器。
[0031]根据本发明的一个实施方式，第一参考设备是激光目标，并且第一测量设备是激光跟踪器设备。例如，第一参考设备可以包括回复反射器(retro reflector)。回复反射器可以位于至少部分是球形的承载体内部，以使得回复反射器与球形承载体的中心对齐。激光跟踪器设备可以是非常准确的，但是可能对于可引起小的变形的干扰非常敏感，该干扰例如是振动或人在容纳设备的附近走动。
[0032]根据本发明的一个实施方式，第二参考设备包括用于光源(作为测量目标)的承载体，该光源例如红外发光二极管LED，并且第二测量设备是光跟踪器设备。例如，光跟踪器设备可以是适于同时地对所有参考设备的所有位置进行测量的设备。
[0033]根据本发明的一个实施方式，第二参考设备包括附接到第二参考设备的承载体的至少三个光源，例如红外LED。
[0034]通常，参考设备可以包括球形支承面和至少三个测量目标，该至少三个测量目标非单独地对齐，并且它们固定在一起。在校准过程中，可以根据测量目标的布置来确定球形支承面的球体中心的位置(并且因此确定参考点)。
[0035]此外，可以使用多于一种类型的第二参考设备。也可以使用附接到容纳设备的第三参考设备和第三位置测量设备来进行第三测量。
[0036]根据本发明的一个实施方式，第二参考设备(或第三参考设备)包括具有高对比度目标图像(作为测量目标)的承载体，并且第二测量设备(或第三测量设备)包括至少一个相机。
[0037]例如，高对比度目标图像可以包括绘在承载板上的一个或更多个圆或其他几何形状。不同的参考设备可以具有不同的目标图像，以使得可以由测量设备来识别参考设备。
[0038]第二参考设备可以是摄影测量设备。第二测量设备可以包括多于一个的相机。在这种情况下，可以在空间中定向新的参考设备(并且可以相对于结构来固定摄影测量设备)。
[0039]根据本发明的一个实施方式，第二测量设备适于通过例如使用相机检测固定到结构的参考目标，来确定第二测量设备自己在空间中的位置和/或定向。在这种情况下，第二测量设备可以仅包括一个相机。可以将第二测量设备连接到在第二测量设备的帮助下可以在空间中定向的对象，该第二测量设备用于检测固定到结构的参考设备。安装设备或夹持设备也可以包括这样的第二测量设备:该第二测量设备固定到安装设备或夹持设备，用于定向和/或定位安装设备或夹持设备。
[0040]要注意的是，可以将多于一种类型的测量目标固定到一个参考设备。例如，参考设备可以承载光源和目标图像。
[0041]根据本发明的一个实施方式，第二参考设备(或第三参考设备)是接触探针，并且第二测量设备(或第三测量设备)是触觉位置测量设备。例如，接触探针的尖端可以设置有球体，其中，球体中心提供触觉位置测量设备的参考点。
[0042]本发明的另一方面涉及一种用于测量结构的测量系统。通常，这种测量系统可以包括上述位置测量设备和下述位置测量设备中的一个或更多个位置测量设备，用于评估位置测量设备的传感器数据的计算机。此外，测量系统可以包括用于示出测量的结果的可视化工具(具有屏幕的计算机)。
[0043]此外，测量系统可以包括上述容纳设备和下述容纳设备，和/或上述参考设备和下述参考设备中的至少一些。
[0044]根据本发明的一个实施方式，测量系统包括:多个容纳设备；多个第一参考设备(例如激光目标);以及多个第二参考设备(例如具有用于光源和/或目标图像的承载体)。多个容纳设备中的每个容纳设备包括用于对第一参考设备和第二参考设备中的一个参考设备的第二支承元件暂时地进行附接的第一支承元件，以使得当参考设备相对于容纳设备旋转时，参考设备的参考点相对于参考设备所附接到的容纳设备不移动。第一参考设备中的每个第一参考设备承载用于第一位置测量设备的第一测量目标(例如激光目标)，并且第二参考设备中的每个第二参考设备承载用于第二位置测量设备的第二测量目标。
[0045]根据下文描述的实施方式，本发明的这些方面和其他方面将变得明显，并且将参照下文描述的实施方式来阐述本发明的这些方面和其他方面。【专利附图】
【附图说明】
[0046]在下文中将参照附图中示出的示例性实施方式更详细地说明本发明的主题。
[0047]图1示出了根据本发明的一个实施方式的具有测量系统的飞行器的主要结构的三维视图。
[0048]图2示出了根据本发明的一个实施方式的用于测量系统的容纳设备的三维视图。
[0049]图3示出了根据本发明的一个实施方式的用于测量系统的参考设备的三维视图。
[0050]图4示出了图3的参考设备的另一侧的三维视图。
[0051]图5示出了附接到图2的容纳设备的图3的参考设备的三维视图。
[0052]图6示出了根据本发明的一个实施方式的用于测量系统的参考设备的三维视图。
[0053]图7示出了附接到图2的容纳设备的图6的参考设备的三维视图。
[0054]图8示出了根据本发明的一个实施方式的用于测量系统的参考设备的三维视图。
[0055]图9示出了根据本发明的一个实施方式的用于测量系统的参考设备的三维视图。
[0056]图10示出了根据本发明的一个实施方式的测量方法的流程图。
[0057]原则上，图中给相同的部件设置相同的附图标记。
【具体实施方式】
[0058]图1示出了飞行器12的示例性主要结构10，以及测量系统14。主要结构包括支柱、纵梁和外壳，作为兀件16。
[0059]测量系统14包括附接到元件16的多个容纳设备18，以及可以附接到容纳设备18的多个参考设备20。
[0060]此外，测量系统14包括多个测量设备22，例如光跟踪器设备22a、激光跟踪器设备22b、摄影测量设备22c以及触觉位置测量设备22d。测量设备22中的每个测量设备适于确定对应的参考设备20的位置，将在下文中对其进行更详细的说明。
[0061]图2示出了容纳设备18，容纳设备18包括基板24和附接到基板24的中心的支承元件26。基板具有矩形形状，例如大约20毫米至大约40毫米。基板24适于附接到结构10的元件16。例如，基板24可以被胶合到或黏附地附接到元件16。
[0062]支承元件26具有锥形支承面28和位于锥形支承面28的中间的磁体30。
[0063]图3和图4从不同侧示出了参考设备20a。参考设备20a具有有着基本上梯形形状的承载板32。在梯形的较长边缘，承载板32具有突出部34，球体36形式的支承元件36被固定在该突出部34上。支承元件36提供装配到支承元件26的支承面28上的支承面38。
[0064]在与球体36所附接到的侧相对的侧上，承载板32承载红外LED40a形式的四个测量目标40。红外LED40a被固定到承载板32的角部。
[0065]可以连同光跟踪器设备22a —起使用参考设备20a，光跟踪器设备22a包括传感器梁(sensor beam)42，该传感器梁42具有作为传感器的三个红外相机44。光跟踪器设备22a可以拍摄附接到容纳设备18的参考设备20a的图片，并且可以确定参考设备20a的位置。
[0066]图5示出了附接到容纳设备18的参考设备20a。磁体30将球体36吸到支承元件26上，并且参考设备20a可以绕球体36的中心自由地旋转。[0067]图6示出了可以与激光跟踪器设备22b —起使用的参考设备20b。参考设备20b包括支承元件36，该支承元件36具有(部分的)球体形式的外表面38。回复反射器40b形式的测量目标40在支承元件36中居中。
[0068]激光跟踪器设备22b可以将激光束导向参考设备20b,该激光束被回复反射器40b反射回激光跟踪器设备22b。根据反射的激光束，激光跟踪器设备22b可以确定参考设备20b的位置。
[0069]图7示出了附接到容纳设备18的参考设备20b。磁体30将球体36吸到支承元件26上，并且参考设备20b可以绕球体36的中心自由地旋转。
[0070]图8示出了可以与摄影测量设备22c—起使用的参考设备20c。参考设备20c可以具有与参考设备20a相同的组件。然而，在与具有支承元件36的侧相对的侧上，参考设备20c包括作为测量目标40的高对比度目标图像40c。目标图像40c可以具有多于一个的圆，或者更一般地，可以具有可用于识别参考设备的一个或更多个编码标记。使用至少三个标记，可以精确地确定参考设备的位置和/或定向。
[0071]摄影测量设备22c可以具有两个相机，并且可以适于经由以相机从两个不同方向拍摄的目标40c来确定参考设备20c的位置。
[0072]图9不出了可以与触觉位置测量设备22d —起使用的参考设备20d。参考设备20d可以包括作为参考设备20的臂22d，并且可以包括位于臂的顶端的球体36。当球体36位于容纳设备18的支承元件26中时，触觉位置测量设备22d适于通过臂20d的位置和定向来确定球体36的位置。
[0073]图10示出了用于使用结构10执行测量的流程图。
[0074]在步骤50中，在特定测量位置处将多个容纳设备18附接到元件16。例如，可以将容纳设备18胶合到元件16。可以以能够确定元件16的几何布置的方式来选择测量位置。例如，测量位置可以使得元件16的几何布置可以与建造规划相比较。
[0075]在步骤52中，将第一参考设备20附接到容纳设备18，并且使用适于对第一参考设备20的位置进行测量的第一测量设备22来确定第一测量点。
[0076]步骤52可以用于确定容纳设备18的精确位置，尤其用于精确地确定相应容纳设备18的参考点。参考点可以是参考设备20的支承元件36的球体中心。
[0077]例如，可以使用作为参考设备20的激光目标20b和作为位置测量设备22的激光跟踪器设备22b来执行步骤52。使用激光跟踪器，可以以高准确度确定第一测量点。可以根据第一测量点确定参考点，因此参考点也可以具有高准确度。
[0078]在步骤54中，移除第一参考设备20。要注意的是，容纳设备18停留在其位置，并且可以不被移除，直到由测量系统14支持的过程结束为止。这种过程可以是例如结构10的建造。
[0079]由于激光跟踪器设备22b可能对于例如振动的干扰非常敏感，它可能不是最佳地适于整个过程期间的测量，例如当很多人在结构10的内部时，或者当机器正在结构上工作时。
[0080]因此，在步骤56中，将第二参考设备20 (例如参考设备20a、参考设备20c或参考设备20d)附接到容纳设备18，并且使用适于对第二参考设备20的位置进行测量的第二测量设备22 (例如22a、22c、22d)来确定第二测量点。[0081]可以将第二测量点与第一测量点或者与根据第一测量点得出的参考点相比较。例如，使用第二测量点可以确定结构10的元件16是否位于正确位置，元件16是否已经变形，和/或元件是否符合建造规划。
[0082]在所支持的过程期间，可以使用与不同类型的位置测量设备22对应的不同种类的参考设备20来重复步骤56。
[0083]虽然已经在附图和上述的描述中详细地图示和描述了本发明，但是这种图示和描述应当被认为是图示性的或示例性的，而不是限制性的，本发明不限于所公开的实施方式。本领域技术人员可以理解和实现对所公开的实施方式的其他修改，并且根据对附图、公开内容以及所附权利要求的研究来实践所要求保护的发明。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且无数量词不排除多个。单个处理器或控制器或其他单元可以实现权利要求中记载的若干项的功能。某些装置被记载在相互不同的从属权利要求中，这并不表明不能使用这些装置的组合以得到益处。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。
【权利要求】
1.一种用于对结构(10)的元件(16)的位置进行测量的方法，所述方法包括步骤: 在测量位置处将容纳设备(18)附接到所述元件(16)； 将第一参考设备(20、20b)附接到所述容纳设备(18)； 使用适于测量所述第一参考设备(20、20b)的位置的第一测量设备(22、22b)来确定第一测量点； 移除所述第一参考设备(20、20b)； 将第二参考设备(20、20a)附接到所述容纳设备(18);以及 使用适于测量所述第二参考设备(20、20a)的位置的第二测量设备(22、22a)来确定第二测量点。
2.根据权利要求1所述的方法， 其中，所述容纳设备(18)包括第一支承元件(26)，并且所述第一参考设备和所述第二参考设备(20)中的每个参考设备包括第二支承元件(36)，以使得当参考设备(20)相对于所述容纳设备(18)旋转时，所述参考设备(20)的参考点相对于所述参考设备所附接到的容纳设备(18)不移动。
3.根据权利要求2所述的方法， 其中，所述第一支承元件(26 )具有形成如截锥的支承面(28 )。
4.根据权利要求2所述的方法， 其中，所述第二支承元件(36 )具有形成如球冠的支承面(38 )。
5.根据权利要求1所述的方法， 其中，使用磁体(30)暂时地附接所述容纳设备(18)以及所述第一参考设备和所述第二参考设备(20)中的至少一个参考设备。
6.根据权利要求1所述的方法， 其中，所述第一参考设备和所述第二参考设备(20a、20c)中的至少一个参考设备包括板(32)，作为用于测量目标(40)的承载体。
7.根据权利要求1所述的方法， 其中，所述第一参考设备和/或所述第二参考设备(20)包括至少部分的球体(36)，作为要附接到所述容纳设备(18)的第一支承元件(26)的第二支承元件。
8.根据权利要求1所述的方法， 其中，所述第一参考设备(20b)是激光目标，并且所述第一测量设备是激光跟踪器设备(22b)。
9.根据权利要求1所述的方法， 其中，所述第二参考设备(20a)包括用于光源(40a)的承载体(32)，并且所述第二测量设备是光跟踪器设备(22a)。
10.根据权利要求9所述的方法， 其中，所述第二参考设备(20a)包括附接到所述第二参考设备(20a)的承载体(32)的至少三个光源(40a)。
11.根据权利要求9所述的方法， 其中，所述光源(40a)包括红外发光二极管LED。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二参考设备(20c)包括具有高对比度目标图像(40c)的承载体(32)，并且所述第二测量设备(22c)包括至少一个相机。
13.根据权利要求1所述的方法， 其中，所述第二参考设备(20d)是接触探针，并且所述第二测量设备(22d)是触觉位置测量设备。
14.根据前述权利要求中的一项所述的方法， 其中，所述结构是飞行器(12)的结构(10)。
15.一种测量系统(14),包括: 多个容纳设备(18)； 多个第一参考设备(20b);以及 多个第二参考设备(20a、20c、20d)； 其中，所述多个容纳设备(18)中的每个容纳设备包括用于对所述第一参考设备和所述第二参考设备(20a、20b、20c、20d)中的一个参考设备的第二支承元件(36)进行暂时地附接的第一支承元件(26)，以使得当参考设备相对于容纳设备(18)旋转时，所述参考设备的参考点相对于所述参考设备所附接到的所述容纳设备(18)不移动； 其中，所述第一参考设备(20b)中的每个第一参考设备承载用于第一位置测量设备(22b)的第一测量目标(40b)； 其中，所述第二参考设备(20a、20c、20d)中的每个第二参考设备承载用于第二位置测量设备(22a、22c、22d)的第二测量目标(40a、40c、40d)。
【文档编号】G01B11/00GK103968787SQ201310705548
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年12月19日 优先权日:2012年12月20日
【发明者】约翰内斯·马斯连尼科夫, 本杰明·贝克, 彼得·凯特勒 申请人:空中客车德国运营有限责任公司