专利名称：用于检验几何形状的方法及装置的制作方法
概括而言，本发明涉及检查和分析零部件几何形状的方法，更具体地说，本发明涉及利用加工的零部件的三维数字化数据进行几何形状检查和分析的方法。
机械零部件用线框、表面、实体计算机模型进行设计，然后，利用标注有尺寸的图纸及计算机辅助制造技术，如直接使用零部件的计算机模型数据库的数控机床加工技术，对设计的零部件进行加工。由于制造过程固有的容差及组装和设计的误差，加工出的零部件会偏离其计算机模型。
传统的方法利用标注有尺寸的图纸及一些用坐标测量机器测量的特殊点来检查和分析加工的零部件的几何形状并用这种方法来描述加工的零部件与其计算机模型间的差异，坐标测量机器通过移动其接触式或光学式探测器到确定零部件几何形状的点上来获取坐标测量数据，根据诸如轴或园的直径、孔的深度、园的同心度等属性，这些坐标被用来确定零部件的几何形状。检查获得的实体(entity)属性值被列表并与基于工程容差规定的可接受的值进行比较。坐标测量机器需要相当长的操作时间及昂贵的计算机编程来获得特定零部件特征的相关坐标测量值。由于增加了数字控制，坐标测量机器变得先进，因此，可以写一个针对某一零部件的程序以控制坐标测量机器的移动和测量的进行，一旦针对某一零部件的程序编好，重复的测量工作就完成得更快、更容易也更便于重复。
尽管有了先进的坐标测量技术，分析工作仍然麻烦、抽象。由于确定所有需要检查的特性比较困难，所得的结果往往是不完全的，既使工程师能够得到检查的结果，理解这些结果也比较费时并容易产生误差，常常需要作更多检查以便更好地理解这些结果。
因此，需要一种方法和装置，通过自动比较加工出的零部件上的数字化的点和计算机模型来确定加工出的零部件与其计算机模型间的偏差。
用来确定、视觉化及分析加工出的零部件与其计算机模型间的偏差的方法包括以下几个步骤产生零部件的计算机模型，产生加工出的零部件的数字化数据，当需要匹配(alignment)时，平移、旋转、缩放计算机模型与加工出的零部件的数字化数据之间的关系，合并计算机模型和加工出的零部件数字化的数据。然后，用这一方法来确定从至少一个加工出的零部件的数字化数据的数字化数据点或根据加工出的零部件的数字化数据中导出的点到计算机模型间的偏差，根据偏差对从加工出的零件的数字化数据导出的点到计算机模型间的偏差，根据偏差对从加工出的零件的数字化数据导出的几何形状进行分类，以及表示出加工出的零部件的数字化数据库与其计算机模型间的偏差。
图1是依据本发明的零部件的计算机模型的立体图。
图2是依据本发明的加工出的零部件的立体图。
图3是根据本发明而绘制的图2中加工出的零部件及其上一行数字化点的立体图。
图4是根据本发明，在未平移、旋转、缩放前合并零部件计算机模型数据库和加工出的零部件数字化数据库的立体图。
图5是根据本发明，经合并、定位、定向、缩放零部件计算机模型数据库和加工出的零部件数字化数据库后的立体图。
图6是根据本发明的立体图，与图5一样，但增加了向量的端点，向量的端点一端是加工出的零部件的数字化点，另一端点是该数字化点在零部件计算机模型上的对应点。
图7是根据本发明的方体图，除增加了矢量的显示外，与图6一样。
图8是根据本发明的方法的流程图。
图9是根据本发明的计算机和测量机器的方框图。
参考图1，描述一个零部件或零部件组件的计算机模型或计算机模型的数据库可以用线框、表面、实体和线框、表面、实体的任意组合来表示。图中这一特定的例子的模型有九个面，斜面(101)与水平面(103)相交于边(102)。
图2描述了一个加工出的零部件(200)，它是根据计算机模型(100)制作而成的，但零部件(200)有偏差。加工出的零部件有十一个面，加工出的零部件(200)的斜面(201)被升高并与加工出的零部件(200)的水平面(203)分离，因此，斜面(201)与水平面(203)相交未能形成边。
用任何一种三维数字化方法对加工出的零部件(200)进行数字化，可以获得一组数字化点的坐标数据或数字化的数据库(300)。数字化最好通过接触或非接触地剖面或截面特征来完成。图3显示了加工出的零部件(200)及数字化坐标(301，302)的图形表示，坐标(301，302)是全部数字化的数据库(300)(未显示)中的一部分，数字化点(301)位于加工出的零部件(200)的斜面(201)上，数字化点(302)位于加工出的零部件(200)的水平面(203)上，当然，还存在许多其它数字化点，但为清晰起见，只显示了在斜面201上的点301及在水平面203上的点302。
如图4所示，加工出的零部件的数字化数据库最好与计算机模型数据库合并(并不相互增加到一起而产生第三个实体)或叠合。加工出的零部件200的轮廓线用阴影线表示，以此一强调只是数字化数据300与计算机模型数据库(200)进行合并。
如图5所示，一旦数字化数据产生，就可以合并、平移、旋转、缩放零部件的计算机模型和数字化数据库300，使它们的参照坐标系匹配，平移、旋转、缩放操作可作用于数字化数据库、计算机模型或同时作用于两者，并以任何本发明所希望的次序进行。换句话说，需要匹配计算机模型和加工出的零部件的数据化数据之间的关系。例如，如果需要，可以只对计算机模型进行平移、旋转和缩放操作，使得数据化数据库和计算机模型的参照坐标系匹配。又如，可以在合并加工出的零部件的数字化数据和计算机模型之前或之后进行平移、旋转和缩放操作。在本发明的范围和精神内，有很多方法可以用来匹配计算机模型与数字化的数据间的关系。
由于加工出的零部件(200)的斜面(201)相对于零部件计算机模型的匹配的坐标系升高了很多，加工出的零部件(200)的斜面(201)上的数字化点(301)就高出零部件计算机模型(100)的斜面(101)很多。在加工出的零部件(200)的水平面(203)上数字化的点(302)离计算机模型(200)的水平面(103)很近。
在执行完如图8的流程图所示的处理后，数字化点(301，302)最好根据其从数字化点到零部件计算机模型的距离而被分类。也可以根据如本领域的技术人员所知道的其它标准(可用很多函数中的一个或简单地从根据数字化数据产生的平面上选择一个随机或任意点)对数字化的点、矢量、直线、表面和其它几何形状进行分类。分类可以通过改变颜色、层、组、计算机文件、点实体的计算机目录的形式表现出来，或者通过从数据库中忽略或删除点来表现，也可以用任何其它标识类别的方法。
执行完如图8所示流程图上的处理后，除了对数字化点(301，302)进行分类外，有条件地在计算机模型上产生点(401，402)，产生的点(401，402)与数字化的点(301，302)之间的距离最短(这里也可使用其它标准)，并根据各个数字化点到计算机模型的距离有条件地对产生的点(401，402)进行分类。如图6所示，在计算机模型上产生到数字化点(301)的最近点(401)，并根据数字化点(301)到计算机模型的距离对其进行分类。
图8公开了根据本发明方法的一个特定算法800的流程图。首先，用实体、表面、线框或三者的任意组合产生一个零部件的计算机模型(802步)，接着，数字化加工出的零部件模型以产生该零件的数字化点或坐标的数据库(804步)，虽然在最佳实施中，加工出的零件是基于计算机模型的，但本发明并不限于此。例如，任何一个加工出的零件可以与一个不同的计算机模型相比进行分析和比较。其次，平移、旋转、缩放计算机模型或加工出的零件的数字化数据库或同时对二者都进行上述操作，以使它们的参照坐标系相匹配(806步)。然后，把数字化的数据库和计算机模型合并成一个数据库。
分析开始于选择一个加工出的零件的数字化点(808步)，确定加工出的零件的数字化点到计算机模型的最短距离(81步)，接着，算法800通过一系列选择项而运行，在“产生线选择”(812步)时，该算法产生一个从加工出的零件的数字化点到计算机模型上最近点的矢量，并根据从数字化点到计算机模型的最短距离和/或最佳方向可选择地对该矢量进行分类(814步)。在下一个选择项(816步)，算法根据从数字化点到计算机模型的最短距离和/或最佳方向对加工出的零件的数字化点进行分类(818步)，在最后一个选择项(820步)，算法800可在计算机模型上产生一个点，该点到数字化点的距离最近，同样可选择地根据数字化点到计算机模型的最短距离对数字化点进行分类(822步)，重复所示的过程，直到所有数字化点均被评价(824步)，一旦对所有的数字化点都做了评价(826步)，加工出的零件与计算机模型间的偏差就可通过在显示器上使用不同的颜色、层、组、计算机文件或其它本领域技术人员所用的区别方法来显示分类的图形表示。例如，如果两者间的偏差落入第一容差之内，则点线、矢量或表面使用第一种颜色进行颜色编码或者用第一个可区别层加以区别。如果偏差落入第二容差之内，则点、线、矢量或面就使用第二种颜色进行颜色编码或者用第二个可区别层加以区别。另外，也可以显示矢量本身。
除了上面讨论的两个操作外，在进行完图8所示的流程图处理后，如图7所示，计算机模型上的点(401，402)和数字化点(301，302)之间有条件地用直线(501)连接，根据各数字化点到计算机模型的最短距离和/或最佳方向，有条件地对连线(501)进行分类。
使用这种方法，可以用图形方式来表示计算机模型与加工出的零件间偏差的幅度和方向，而且，根据对产生的和分类的实体的编组，有可能进行全面、自动的偏差分析。
参考图9，它是一个用来确定、视觉化和分析加工出的零件18与零件的计算机模型间偏差装置10的方框图。装置10最好包括一个用来产生零件的计算机模型的装置，如一台有足够的内存及处理能力的计算机12，装置10还包括一个用于产生加工出的零件18的数字化数据库的装置16，如任何接触或非接触的剖面或截面特征描述装置，如坐标测量机器或剖面仪。另外，装置10包括一个用于平移、旋转、缩放、以及合并计算机模型和加工出的零件的数字化数据库的装置，该装置用来确定至少一个加工出的零件的数字化点到计算机模型的距离，用来产生至少一个描述计算机模型与加工出的零件的数字化数据库间偏差的矢量，并根据偏差的幅值和方向对矢量或几何体进行分类。上述装置最好通过具有如图8的流程所述的合适的软件例程的计算机12来实现。最后，装置10包括一个用来表示出加工出的零件的数字化数据库与计算机模型间偏差的装置14，这一装置最好是一个彩色计算机监视器或者显示屏。
虽然本发明参考具体的实施例进行了描述，但本领域的技术人员在未脱离本发明的精神和范围下可以较容易地根据本发明设计各种其它装置。
权利要求
1.用于确定、视觉化、分析加工出的零件与零件的计算机模型间偏差的方法包括以下几个步骤；(a)产生零件的计算机模型；(b)产生加工出的零件的数字化数据；(c)当需要匹配时，平移、旋转、缩放计算机模型与加工出的零件的数字化数据间的关系；(d)合并计算机模型和加工出的零件的数字化数据；(e)确定至少一个从加工出的零件的数字化数据的数字化点或者从加工出的零件数字化数据中导出的点到计算机模型的偏差；(f)根据所述偏差，对从加工出的零件的数字化数据中导出的几何形状进行分类；以及(g)表示出加工出的零件的数字化数据库与计算机模型间的偏差。
2.根据权利要求1的方法，其中，计算机模型的产生是用描述零件或零件组件的线框、表面、实体或线框、表面和实体的任意组合来表示的。
3.根据权利要求1的方法，其中，加工出的零件的数字化数据库由任何接触或非接触剖面或截面特征描述而产生。
4.根据权利要求1的方法，其中平移、旋转、缩放操作在合并加工出的零件的数字化数据和计算机模型之前进行。
5.根据权利要求1的方法，其中平移、旋转、缩放操作在合并加工出的零件的数字化数据和计算机模型之后进行。
6.根据权利要求1的方法，其中，在计算机模型上产生至少一个点，该点到加工出的零件的数字化点的距离最短，或者该点到从加工出的零件的数字化数据中导出点的距离为最短。
7.根据权利要求6的方法，更进一步，包括产生一条从加工出的零件的数字化数据点或者从加工出的零件的数字化数据点中导出的点到计算机模型上最近点的直线。
8.根据权利要求1的方法，其中，对几何物体进行分类的步骤包括把几何物体分成不同的层、颜色、组、计算机文件、计算机目录或通过在数据库中删除、忽略几何体，或者用任何其它基于计算机的方法标识类别。
9.根据权利要求1的方法，其中，几何物体包括点、线、曲线、矢量、表面或实体。
10.根据权利要求9的方法，其中，根据偏差的范围对几何物体作进一步地分类，并用层、颜色、组、计算机文件、计算机目录来表示，或用从数据库中删除、忽略，或任何其它基于计算机的标识类别的方法来表示。
11.根据权利要求1的方法，其中，表示偏差的步骤是通过用图形显示至少一次分类数据的组合来实现的。
12.用于确定、视觉化、分析加工出的零件与零件的计算机模型间偏差的方法包括以下几个步骤(a)产生零件的计算机模型;(b)产生加工出的零件的数字化数据库;(c)平移、旋转、缩放、合并计算机模型和加工出的零件的数字化数据库;(d)确定至少一个从加工出的零件数字化数据库的数字化数据点到计算机模型的距离;(e)产生至少一个矢量用于描述计算机模型与加工出的零件的数字化数据库间的偏差;(f)根据偏差的幅值和方向对矢量或几何物体进行分类;(g)表示出加工出的零件的数字化数据库与计算机模型间的偏差。
13.根据权利要求12的方法，其中，对矢量或几何物体的分类包括对点、线、矢量或表面的分类。
14.用于确定、视觉分、分析加工出的零件与计算机模型间偏差的装置包括;用于产生零件的计算机模型的装置;用于产生加工出的零件的数字化数据库的装置;用于平移、旋转、缩放、合并计算机模型和加工出的零件的数字化数据库的装置;用于确定至少一个从加工出的零件的数字化点到计算机模型之间距离的装置;用于产生至少一个用来描述计算机模型与加工出的零件的数字化数据库间偏差矢量的装置;根据偏差的幅值和方向对矢量或几何物体进行分类的装置;用于表示出加工出的零件的数字化数据库与计算机模型间偏差的装置。
15.根据权利要求13的装置，其中，用于描述零件或零件组件的计算机模型可用线框、表面、实体或线框、表面、实体的任意组合来表示。
16.根据权利要求13的装置，其中，产生加工出的零件的数字化数据库的装置包括任何接触或非接触剖面或截面特征描述。
17.根据权利要求13的装置，其中，用于产生矢量的装置在计算机模型上至少生成一个点，该点到加工出的零件的数字化点的距离最短。
18.根据权利要求17的装置，其中，用于产生矢量的装置包括产生一条从加工出的零件的最近的数字化数据点到最靠近该数据化数据点的计算机模型上一点的直线。
19.根据权利要求要求13的装置，其中，用于对矢量进行分类的装置进一步包括根据偏差的幅值和方向的范围对点、线、矢量或表面进行分类。
20.根据权利要求13的装置，其中提供了通过至少一个分类数据的组合来表示偏差的装置，所述分类用不同的层、颜色、组、计算机文件、点实体的计算机目录的形式来表示，或用从数据库中忽略或删除点，或任何其他标识类别的方法来表示。
全文摘要
用于确定、视觉化、分析加工出的零件与零件的计算机模型间的偏差的方法包括产生零件的计算机模型，产生加工出的零件的数字化数据库，平移、旋转、缩放、合并计算机模型和加工出的零件的数字化数据库，确定至少一个从加工出的零件的数字化点到计算机模型的距离，产生用于描述计算机模型与加工出的零件的数字化数据库间偏差的矢量，根据偏差的幅度和方向对矢量进行分类，最后，表现或显示所述偏差。
文档编号G06T7/00GK1094158SQ9410052
公开日1994年10月26日 申请日期1994年1月20日 优先权日1993年1月21日
发明者查尔斯·A·哈斯, 斯特凡·皮纳, 杰罗尔德·斯科特·白恩 申请人:莫托罗拉公司