专利名称：从物体产生三维模型数据的设备和方法
本申请是审查中的1994年8月2日提交的第08/284,253号美国专利申请的继续部分。
本发明总的涉及用于产生物体的电子图象的方法和设备。本发明尤其涉及用于在计算机存储器和相关显示器以及硬拷贝形式诸如纸中选择性地破坏物体及其复制品的设备和方法。
众所周知在电子领域中从固体实物产生三维图像的方法。一般，这些方法涉及通过接触或非接触装置、获得与物体外部表面有关的信息数据的某种形式。其结果是物体外部表面的计算机产生的图像。例如，这一种方法包含直接接触坐标测量方法。此特殊方法可产生准确的实际零件尺寸，但该方法有缺陷，因为产生相当的数据消耗时间，以及因为它不易获得物体的内部特征。非接触方法诸如激光扫描也能产生精确的零件尺寸，但它也象坐标测量方法一样，不易获取内部特征。不易用这些方法获取内部特征诸如表面几何尺寸和结构要素，因此它们的使用受到限制。
存在有获取实物的内部和外部特征的诸方法和设备。从被制造零件的质量控制的观点，以及因为想要能逆向设计物体，这是期望和需要的能力。在用于这些目标的方法中，有超声波成像和计算层析X射线摄影法(CT)的非破坏性技术。超声波成像一般在以所需准确度复制实际测量时是不准确的。虽然CT可产生所需准确度的模型数据，但用于这种操作或检查的设备通常很贵，用于x射线产生设备、该设备的屏蔽罩、用于检测x射线的传感器以及操作CT系统所需的计算机设备的成本，把成本的数字增加到百万美元的范围。此外，CT存在辐射的危险，且需要使用特别的装置来使用此设备，这增加了它们的获取和使用的成本。就人们工作时间和中央处理单元或计算机工作时间而言，已知的质量控制和逆向设计方法可能也需要许多时间投资。需要减少时间、成本和质量控制采样的重复性，并给制造商提供一种可靠而准确地逆向设计物体的途径。
也存在用于获取实物的内部和外部特征的某些破坏性技术。在1994年8月2日提交的第08/284,253号共同拥有的审查中的申请揭示了其中的一种方法。在1992年8月18日对Pomerantz等人授权的第5,139,338号美国专利中揭示了拥有获取实物内部和外部特征的另一个破坏性方法和设备。Pomerantz揭示了用固化成固体块的支撑材料来填充三维物体中的内部空间以及填充物体外部区的设备域。在此固化后，去除整个固体块的一层，以获取暴露表面的特征。Pomerantz的支撑材料一般必须具有与被分析物体相同的硬度。此外，必须通过首先找出固化材料的内部空隙，然后在包裹材料的第二步处理中填充此空隙来手工填充这些空隙。此第二处理需要在填充空隙前先找出空隙。此寻找位置的步骤还需使用非破坏性技术努力找出空隙位置。如上所述，使用此方法和设备来确定内部特征的成本很高，而且有潜在的危险性。Pomerantz没有提出找出和填充可能存在于被分析部分和内部结构中的空隙的准确方法或设备。
存在具有被分析物体内部特征的空隙可能对此设备和处理获得的图象的精确度极为有害。在物体内部特征内的空隙靠近这些内部特征时，尤其是这样。在此情况下，靠近物体内表面的空隙将产生表示物体内部特征的不准确图象，并使该图象实际上没有用处，尤其是对于类似部分的再生。靠近被分析物体内部特征的填充材料的空隙将表现出是该物体的一部分，因此使分析中获得的尺寸不准确。
最好有一种设备和处理，以去除被分析物体内部填充材料内的空隙，尤其是靠近物体内表面区域的空隙，而没有任何损失或风险。
目前，有用于放置被分析物体、从而在物体内部和外部周围引入填充材料的各种方法。通常，使用底座平台或平板，其上放置物体。例如，在Pomerantz的专利中，物体在底座上对齐并定位，从而物体竖直。物体也可悬挂在平板上方，从而填充材料可完全包裹物体的外部表面。当加工包裹材料时，把它加热，同时也加热被分析的部分。当该部分被加热时，它膨胀，并试图努力从包裹材料中挣脱出来。该部分的膨胀和收缩将产生包裹材料所不能承受的巨大力量。
计算机和计算机辅助设计(CAD)以及计算机辅助制造(CAM)的出现极大地帮助和加快了工程师和绘图员在各种设计、制图和制造项目中的工作。这些计算机辅助工程工具使得在未经过样品研制阶段可设计和制造一个零件。代表这些零件的图纸的电子数据保留在某种存储器中，从而使它们可被有兴趣的人员连续使用。目前制造和销售的许多零件以及整个产品都是从CAD/DAM时代开始前产生的设计图纸而生产的。一些图纸已不见或破损了，因此最好使这些零件和产品进入CAD环境。
最好有一种设备和处理，用于在电子媒体中获取和复制存在的物体，从而使CAD/CAM时代以前的物体进入电子环境，用于提供比当前使用的方法成本低的另一种质量控制检查方法，用于降低制造成本，并加速把产品推向市场，以及用于准确而快速地反向设计物体。
本发明的一个目的是提供没有上述缺点的新颖的改进设备。
本发明的另一个目的是提供一种方法和设备，用于从相关物体中选择性地去除材料的预定轮廓以暴露相关表面，
本发明的又一个目的是提供一种方法和设备，用于获取与每个相继暴露的相关表面有关的数据。
本发明的再一个目的是提供一种方法和设备，用于处理与暴露的多个相关表面有关的数据，以产生用于显示在计算机监视器上、打印在纸上或用于其它所需用途的相关物体的三维电子图象。
本发明的还有一个目的是提供一种方法和设备，用于处理与暴露的多个相关表面有关的数据，以产生用于显示在计算机监视器上、打印在纸上或用于其它所需用途的相关物体的表面三维电子图象。
本发明的另一个目的是提供一种方法和设备，用于处理与暴露的多个相关表面有关的数据，以产生用于显示在计算机监视器上、打印在纸上或用于其它所需用途的相关物体的固体三维电子图象。
本发明的再一个目的是提供一种方法和设备，用于获取与相关物体有关的数据，以对物体的制造商提供质量控制数据。
本发明的还有一个目的是提供一种基本上消除包裹材料内空隙的方法和设备，并提供被分析物体内部特征的更准确的图象。
通过产生相关物体三维几何模型数据的设备和方法提供了本发明的上述目的。本发明包括用于从物体中选择性地去除材料的预定轮廓以产生相关的暴露表面的装置，诸如通过对暴露的相关表面进行扫描，而获取代表所暴露相关表面的数据的设备，提供使物体在材料去除装置和数据获取装置之间相对移动的传送装置，以及把获取的数据转换成三维模型数据的数据处理装置。依据本发明，材料去除装置可以是端面铣刀。用于产生三维几何数据的处理可包括以下步骤把物体包裹在机制包裹材料中，以形成一包裹物；把包裹物的方向定在与材料去除装置有关的一个所需方向；从物体上选择性地并反复地去除预定厚度的预定轮廓，以产生一个暴露的相关表面；获取与选中的暴露表面有关的数据；把暴露表面的数据转换成在物体内外选中的暴露表面处代表表面特征的周边数据；把周边数据送入CAD空间；以及放样周边数据上的表面，以提供物体的三维表面模型。在另一个实施例中，可把暴露表面的数据转换成可送入CAD空间并转换成物体三维固体模型的表面数据。
为了基本上消除包裹材料中的内部空隙，可在预定周期内以一系列的不同高低压循环加工包裹材料，接着在高压下进行另一预定周期的加工。不同的高低压用于破坏包裹材料内的气泡或空隙，尤其是靠近被分析物体内表面的那些气泡或空隙，并提供更准确和精确的物体内部特征的图象。
也提供了一种计算机控制程序，用于起动包裹材料填充模型、在真空室中交替高低压循环以及获取和分析包裹层。可用计算机控制程序来设定用于高低压以及最终加工的循环、包裹材料片的分辨率，并产生用于产生实物的点云图象的输出资料。
在阅读了本发明的以下详细描述、并结合附图和权利要求书后，本发明的上述目的将对本领域的那些熟悉的人们变得明显起来。在图中，相同的标号表示相同或相似的部分。
图1是示出本发明最简单概念实施例的框图。
图2是本发明一个实施例的侧视图。
图3是图2所示实施例的侧视图。
图4是图1所示实施例的俯视图。
图5是可依据本发明进行电子复制的代表性物体的示例，并示出安放到机制支撑架上并裹有包裹材料以形成可机制包裹物的物体。
图6是沿图5中剖面6-6获得的图5所示包裹物的局部剖面图。
在图7A-1和7A-2两页上示出的图7A是示出图2所示实施例操作的流程图。
图7B是示出对使用依据本发明的设备获得的用于物体表面模型的数据进行处理的流程图。
图7C是示出对使用本发明获得的用于物体固体模型的数据进行处理的流程图。
图8是示出用于本发明的控制系统的示意图。
图9是示出包裹物的暴露表面的实际扫描图像的影印。
图10是在边缘检测处理加到图9的扫描图像后数据文件的实际图像的影印。
图11是通过进一步处理图10所示图像产生的实际线性模拟图像的影印。
图12是通过进一步处理图11所示图像产生的实际滤波线性模拟图像的影印。
图13是从图12所示图像中产生的点云部分的实际俯视图的影印。
图14是从相继暴露的表面产生的三维CAD空间中多层点云的实际图像的影印。
图15是从图14所示点云层产生的仿样模拟图部分的实际图像的影印。
图16示出对图15所示多层仿样模拟图上的表面进行仿样。
图17示出用于去除材料而安放的被包裹物体，其中示出了被去除材料的多个轮廓。
图18示出与暴露表面有关的图16所示物体的较佳方向，以增加在相关特征上收集的数据。
图19是一真空室的图，其中示出被包裹的物体。
参考图1，以最概括的形式示出本发明。于是，图1示出用于从物体产生三维模型数据的设备10。设备10包括材料去除站12、数据获取站14以及在材料去除站12处的第一位置18和数据获取站14处的第二位置20之间对将被作模型的相关物体提供相对移动的传送装置16。应理解站12和14可相对被作模型的物体移动，本发明考虑(两者之一)的任何一种相对移动。
材料去除站12将包括材料去除装置22，该装置可从相关物体中选择性地并重复地去除材料的预定轮廓，以暴露相关表面。装置22可包括各种铣削或机加工工具、放电加工(EDM)、电化学加工(ECM)、激光中的任何一种，或任何其它相应的、适合于去除生产相关物体的材料的类型的装置或方法。装置22将去除具有长度、宽度、厚度和几何尺寸的预定轮廓。此轮廓的长度和宽度以及暴露表面将依据物体的几何尺寸而改变。对于大多数应用情况诸如这里示出的情况，将去除材料的均匀厚度；然而，本发明打算去除每个轮廓内材料的不同厚度。此外，对于包括这里示出的大多数应用情况，在去除每个轮廓后，相关物体将具有暴露的相关表面，该表面基本上是平面的，且基本上平行于先前暴露的相关表面。然而，本发明打算去除暴露表面是非平面结构处的轮廓。
数据获取站14包括用于获取与暴露的相关表面有关的数据的数据获取装置24，还将包括诸如个人计算机(在图1中未示出)等装置，例如，该计算机用于存储和处理获取的数据，以在CAD空间中提供物体的三维图象。装置24可包括扫描器，例如它能扫描暴露的相关表面以产生暴露表面的计算机图形文件。将以下述方式处理该文件以及随后成像的暴露表面的其它文件，以在计算机存储器中产生用于显示于计算机监视器上、用于在纸上打印相关物体硬拷贝或用于用户其它所需的使用目的的所需模型。
现在参考图2-4，将描述本发明的实施例。应理解这些图中示出的实施例具有必须的防护装置和包围的外壳，以安全而有效地进行下述操作，且为了清楚地描述和示出本发明已省略了这些内容。于是依据本发明的设备30可包括端面铣刀32，用于从包裹物34上选择性地去除材料预定轮廓。包裹物34包括封装或包裹在可机加工的材料38内的相关物体36(图5和6)。可机加工材料38可以是适用于把物体36固定于可机加工的支撑架40上的任何材料。于是，材料38可以是环氧树脂型材料，支撑架40可以是木材、塑料或类似的块状物。铣刀32包括多个可替换的切削刀片44(为了清楚只示出其中一个刀片)的切削头42，用于从包裹物34中去除材料的一个轮廓。用带轮46旋转切削头42，该带轮由在它和被电动机52旋转驱动的另一带轮50之间延伸的皮带48驱动。铣刀32可以是Sumitomo-Electric制造和销售的型式。这种铣刀能以足够的速度旋转切削头44，来切削坚硬的材料诸如钢，也能切削塑料等材料。由铣刀支撑架54对铣刀32进行定位，从而切削头42位于比包裹物34高的位置，该支撑架包括一对竖直分开的脚部56和水平支撑架58(为了表示清楚在图2中把它省略了)。如上所述，对于这里的大多数应用情况，在去除每个轮廓后，相关物体将具有基本上是平面的暴露的相关表面，且该表面基本上平行于先前暴露的相关表面。然而，暴露的表面不一定是平面的。例如，与切削头42的平面成某个角度把包裹物34馈送入端面铣刀32，将在包裹物中产生椭圆形的暴露表面。然后由已知的装置和依据本发明分析和处理的图像反映此暴露表面的图像。也能够以柱面层诸如用车床或以球壳形式去除材料。可用适当的软件考虑所去除材料的实际几何形状。
其上置有被包裹物体36的工作台40也可由导热材料构成。已发现其上置有被包裹物体36的导热工作台或底座40在消除与包裹材料38固化时的膨胀和收缩有关的潜在严重问题是较佳的。
当包裹材料38固化时，它被加热。当材料加热时，热量传导到被包裹的物体36。物体因热量增加而膨胀，并可能因膨胀力而脱离包裹材料38。其上置有包裹物34的导热工作台40将包裹材料38的一些加工热量从物体36传导出去，从而物体36受到的力不如在木材或塑料工作台40的情况下那么强。导热工作台40最好是金属，它将使热量从固化的包裹材料38传导出去。导热工作台40如图19所示。
设备30也将包括数据获取站60和传送机构62。以下即将描述的传送机构62在端面铣刀32和数据获取站60之间传送包裹物34，并提供与其垂直的运动。此外，传送机构62能沿x和z方向移动包裹物，这里沿x方向的移动是水平移动，而沿z方向的移动是垂直于x运动方向的垂直运动。将可理解除了下述的传送机构以外，它还可以是市售的用于沿两个正交方向对支架提供运动，且本发明打算依据此使用这些传送机构。
为了在端面铣刀32和数据获取站60之间提供x或水平方向的运动，可方便地使用非杆状(rodless)柱体64。非杆状柱体64可以是Industrial DevicesCorporation of Novato，California制造的这种类型。如图2清楚所示，非杆状柱体64包括外壳66和穿过其延伸的螺杆68。螺杆68用适当的轴承(未示出)安装在每一端，并可用电动机72由动力传输机构70诸如适当的同皮皮带或齿轮装置旋转地驱动。螺母74可与螺杆68螺纹啮合，且在螺杆68旋转时沿x方向运动。支架76用已知的装置诸如螺纹紧固件和螺母等固定到螺母74，安装架78继而以已知的装置诸如螺纹紧固件和螺母等固定到传送工作台76。包裹物34以任何已知的方式诸如螺栓固定到安装架78。由于螺杆68被电动机72旋转驱动时，因此，螺母74继而包裹物34将如双向箭头79所示在端面铣刀32和数据获取站60之间沿水平或x方向运动。
为了提供z或垂直方向的运动，非杆状柱体64的末端80、82分别固定于支架84、86，每个支架继而分别形成竖直的非杆状柱体88、90的一部分。在此方式中，非杆状柱体64用作在垂直运动期间支撑传送工作台76、安装可机加工的块体78和所附包裹物34的框架。非杆状柱体88和90类似于非杆状柱体64，也可以是Industrial Devices Corporation of Novato，California制造的这种类型。由于它们具有相似性，将只描述非杆状柱体90。于是，非杆状柱体90也包括外壳92和用适当的轴承(未示出)旋转安装并穿过外壳92延伸的螺杆94。螺杆94用电动机98由动力传输机构70诸如适当的同皮皮带或齿轮装置旋转地驱动。螺母100可与螺杆94螺纹啮合，且以已知的装置诸如螺纹紧固件和螺栓等固定到支架86。于是，如图2所示，由于螺杆94被电动机98旋转驱动，螺母100将沿垂直或竖直方向上升或下降，从而带动与支架84和86相连的非杆状柱体64。非杆状柱体64可随如双向箭头104所指示的材料去除操作从图1所示的位置移动到虚线轮廓所示的位置102。协调非杆状柱体88、90的运动，从而保证均匀地升高非杆状柱体64的两端，从而进一步保证用每个连续路径以相同的角度把包裹物34送入切削头42。此操作方法简化了数据获取和处理，但对本发明并不是决定性的，因为可去除包括厚度的不同几何尺寸的轮廓，只要对数据处理装置进行适当的编程以应付这些几何尺寸的变化。
传送机构62也包括x运动传感器106和z运动传感器108以及各个信号片110和112。传感器106和108可以是任何已知的传感器，诸如红外照相-Darlington型传感器。如以下详细所述，当传送机构62到达预定位置时，这些传感器通过向控制装置诸如计算机传送信号而有助于控制传送工作台76的运动。
数据获取站60包括数据获取装置114，该装置114被两对分开的支撑脚116、118支撑在非杆状柱体64上方的提高位置上。装置114可以是UMAX DataSystems，Inc.制造的扫描器。这种类型的扫描器能实现每英寸1200点的分辨率，这将超出实现物体尺寸的准确度所需的分辨率(低于.001英寸)。虽然可利用此分辨率或甚至更大的分辨率，在许多应用中，这将只增加数据处理时间，而对物体尺寸的准确度益处很少或没有益处。
现在参考图5和6，示出物体36包裹在包裹材料38内以形成包裹物34。出于某些目的，不需要如图所示把物体完全包裹起来。然而，一般有几个原因要这样做。第一，在物体可能具有悬垂的凸缘或其它单元的特征，即钟乳石状特征时，由于物体具有被端面铣刀32去除的材料轮廓，所以留下的凸缘或其它悬垂的单元将没有任何支撑，它们将与物体的其余部分分开，除非对它提供某些支撑，即包裹材料所满足的功能。
第二，施加以致完全填充任何内部容积的包裹材料在机加工、铣削或材料去除操作期间支撑所有表面，从而随着去除轮廓而在物体的边缘形成毛刺。
第三，通过适当地选择包裹材料从而使它具有不同于所暴露的相关表面的色彩或灰度，就使扫描器和以后处理数据的计算机具有在包裹材料的暴露表面和暴露的相关表面之间的对比度，它有利于在该过程中后来发生的数据处理。此外，适当地选择包裹材料提供了物体表面和包裹处理表面之间高可见度的对比度，它能确定这些表面之间的分界线。
包裹材料最好具有基本上不同于所暴露相关表面的反射率，从而提供高的对比度。表面的法向反射率是“在垂直观看和照明时该表面的相对亮度的度量。该度量叫做‘全白的Lambert表面’-即不吸收光的表面，且它沿各向同性分散入射能量-即近似于氧化镁(MgO)或一些其它发光粉末。”Mcgraw-Hill ConciseEncyclopedia of Science and Technology1984，pp.49。所暴露相关表面的法向反射率Ro与包裹材料的法向反射率Rc的比值应该使Ro/Rc尽可能地大，作为一个规律。例如，当用端面铣刀铣削铝时，产生闪亮的银色暴露表面。包裹材料诸如黑色环氧树脂混合物可用于形成包裹物，因为该包裹材料将在机加工时提供暗的暴露表面，从而与暴露的铝表面形成高度对比度。高的对比度增加了扫描图像的清晰度，因为可相对于包裹材料更明显地限定相关物体的周边。
最后，用环氧树脂或环氧树脂类材料作为包裹材料提供了一种把物体36附着于可机加工的支撑架40的简便而快速的方法。
由以上描述，参考附图特别是图7-8可描述依据本发明的设备30的操作。首先将参考图7A-1和7A-2说明本发明的一般操作。然后将参考图7B说明把获取的数据转换成表面模型。最后，将讨论与图7C有关的数据转换。首先，如200所示，选择相关物体，想要把其内部和外部几何形状复制在电子媒体内。如202所示对相关物体进行适当的清洁，然后如204所示把相关物体包裹在预先选定的包裹材料中以形成包裹物34。然后可如206所示把包裹物34安放到支撑架40上。如上所述，包裹材料可用于把物体36安放于支撑架40上，其中把步骤204和206组成单个步骤。应如此实现包裹步骤(无论与安放步骤分开或结合)，使包裹材料填充相关物体内的所有内部容积，并连接其内部或外部的所有表面，从而形成包裹物34。以下将进一步讨论包裹处理。如下所述，此时如果物体中有特殊的相关特征，则应想像它如208所示识别它，因为可能想要选择支撑架上物体的特殊方向，从而在相对于端面铣刀32切削面的一预定方向处理此相关特征。在按需把包裹物34安放于支撑架40上以后，将如210所示使用常规技术诸如螺杆120(它在图4中清晰可见)使支撑架40安装于安装块78上。
通过进一步限定固化包裹材料38中产生的空隙，可更有效地进行包裹处理。在某些包裹处理中，空隙是留在包裹材料38中。靠近被包裹的物体36表面的空隙特别麻烦，因为这些空隙可能被错误地作为物体36的一部分。
已发现为了更有效地限定包裹材料38中的空隙，可使用真空室310。真空室310如图19清晰所示。物体36以一般方式包裹在包裹材料中。此后，或在包裹处理期间，把物体和包裹物置于真空室310中。在真空室310中时，物体36和包裹材料38在包裹处理的加工过程中经过交替的高低压循环。虽然可使用更长的周期，但所使用的循环高低压的最佳周期近似于20分钟。最终的循环周期很大程度上由包裹材料38的加工时间来确定。同样，可改变真空室310保持在高低压中的时间。
在加工过程中所使用的高低压的值分别近似于每平方英寸六十磅和接近真空。在加工期间可交替高低压。以大约两分钟的间隔重复高低压循环，随后进行大约九十分钟的最终高压加工。也可依据使用的包裹材料38来调节此高压加工时间。
如上所述，加工周期将依据用于包裹处理的包裹材料38的类型。例如，当包裹大的物体36时，需要在包裹材料38局部或完全覆盖物体36前开始包裹处理的加工阶段。当在此情况下，可在整个包裹处理中进行高低压循环，这将持续24小时或更长。
可由控制适当功能的软件来进行与加工处理有关的所有功能。
在包裹物34和支撑架40已安装于安装块后，如212所示将获得包裹物的各种实际参数，包括包裹物的高度、长度和宽度及其重量。如果需要可206处把包装物安放到可机加工的支撑架前采取该步骤。包装物的重量很重要，因为该因素将参与传送工作台76的加速和减速。此信息将进入计算机214(图8)或包含适当微处理器的类似计算装置中。如216所示，确定馈送速度，即沿x方向把传送工作台76送入到用于去除轮廓的端面铣刀32中的速度，并使该速度进入计算机214。馈送速度主要依据制造物体36的材料而改变。对于较硬的材料诸如钢、铝和其它金属，馈送速度低于合成材料诸如石墨填充酰胺纤维制造的物体的馈送速度。将确定其它运算参数，诸如218处所示所需的轮廓厚度和220处所示的扫描像素密度，并使这些参数进入计算机214。
由上述信息，计算机214依据先前安排的程序开始去除材料并获取数据。于是，现在参考图7和8，计算机214将在适当的通信线222上向用于非杆状柱体88和90的z驱动电动机98发送适当的信号。从而如图7A-1中224所示，这些信号将使柱体88、90中的螺杆94旋转，并带动传送工作台76，尤其是非杆状柱体64向下到达图1所示其z原来位置。当非杆状柱体64下降时，信号片112将中断z运动传感器108产生的光线，于是在适当的通信线226上向计算机214提供非杆状柱体64已到达其原来位置的信号。然后计算机214将把此适当信号提供给z驱动电动机98，以使它停止。
接着计算机将在适当的通信线228上向x驱动电动机72提供信号，以使传送工作台76如图7A-2的230所示沿x方向平移到其x原来位置。当传送工作台76接近于x原来位置时，信号片110将再次中断x运动传感器106产生的光线，从而在适当通信线232上向计算机214提供信号。然后，计算机214将在通信线228上把此适当信号提供给x方向电动机72，以使它停止，于是使传送工作台76停止沿x方向的平移。
使用先前在212处提供的包裹物尺寸，计算机214可确定包裹物的特殊预定的x方向预切削位置，如果需要，可对所有的物体设定一次x方向预切削位置。然后计算机214将把此适当信号发送到x方向电动机72，以如234所示把传送工作台76移动到预定的预切削位置。然后计算机214将命令z驱动电动机的操作，以如236所示使传送工作台76上升到z切削高度。象x方向预切削位置一样，可根据212所示进入计算机214的包裹物高度计算z切削高度，或可对所有的包裹物建立z切削高度。此高度最好使包裹物34的顶端部分靠近由端面铣刀32的切削刀片44的旋转所限定的切削面。最好把包裹物34放置得很低，从而与把包裹物放置得很高并去除很厚的材料轮廓相比，在通过端面铣刀32的第一和随后路径中从包裹物中不去除任何材料。在第一路径中去除太厚的轮廓可导致失去物体的几何形状和/或使端面铣刀32超载，还有可能产生铣刀的机械断裂。
当传送工作台76位于预定的x和z方向预切削位置时，计算机214将在适当的通信线238上向端面铣刀电动机52发送信号，如240所示命令电动机52开始旋转切削头42。当切削头42以所需的速度旋转时，则计算机将再次命令x方向驱动电动机72，如242所示以预定的馈送速度把传送工作台76和所安装的包裹物34平移到端面铣刀32中。铣刀32将去除材料的最初轮廓，以暴露图6所示的表面C1。
在从包裹物34中去除材料的最初轮廓后，如244所示由计算机214到z驱动电动机98的适当命令降低传送工作台76。然后如246所示传送工作台76将沿x方向平移到x原来位置。在此平移期间，当传送工作台76靠近x原来位置时，它将经过霍尔效应开关(未示出)，这将向计算机214提供传送工作台76靠近原来位置的信号。然后计算机214将使传送工作台76减速，从而使它以慢速平移。当传送工作台76“进入”x原来位置时，信号片110将中断x传感器106产生的光信号。传感器106将向计算机214提供信号，计算机继而命令停止x驱动电动机72。然后计算机214可命令x驱动电动机反转，并使传送工作台76慢慢返回，而离开x原来位置，直到信号片110不再中断传感器105的光信号。然后停止沿x方向的平移，传送工作台76将立即停止。于是，可在每个材料去除路径后，重复可靠地把传送工作台76和包裹物34定位于同一x位置。
接着计算机214将命令z驱动电动机，如248所示提高传送工作台76，直到暴露表面C1与扫描器114的玻璃基本上齐平。然后计算机214在适当通信线250上命令扫描器114，如252所示扫描新暴露的表面。在扫描结束后，传送工作台76将如254所示下降，重复从步骤234开始的循环，即去除包裹物随后的轮廓，诸如图6所示的层C2-C7，在步骤218确定每层轮廓的厚度。于是，当传送工作台76上升到每个路径的切削高度时，把先前路径上去除的材料厚度加到传送工作台76的最终厚度，从而端面铣刀连续去除材料的同一厚度。将继续去除材料和扫描的循环，直到端面铣刀32已完全铣削包裹物34。由图5和6示出的例子，物体36的上表面基本上为平面，于是需要在去除任何物体材料前去除几个轮廓，尤其是C1-C5。可看出在去除轮廓C6时，去除了材料层256，当去除轮廓C7时，去除材料层258，每去除一次，就暴露出将被扫描的表面。
现在参考图7B和9-15，将扫描对包裹物34暴露表面的扫描图像的处理。应理解可精确地控制在通过端面铣刀32的每个路径上去除的轮廓的厚度，从而可去除厚度.001英寸的轮廓。还应理解，如果需要，可在扫描器114扫描一特定暴露表面前，制定通过端面铣刀32的一系列路径。或者如果需要，可在每个路径和每次扫描后进行扫描，或如这里进一步所述只处理选定的扫描。图9示出类似于市售扫描器诸如扫描器114产生的实际扫描图像260的影印。图像260示出物体36的暴露表面262和包裹材料的暴露表面264，参看图5和6并结合图9可更好地理解此特殊代表物体36的几何形状。如图7B中266所示处理扫描图像260，以限定物体36的边缘，从而产生图10所示的图像268，这里物体36的周边以标号269表示。可通过Micrografx以Designer商标销售的市售软件包实现此处理，在本领域中它叫做“边缘查找”。此处理在视觉对比度区域上产生了光栅曲线，诸如分别在物体和包裹材料的暴露表面262和264之间发现的光栅曲线，此处理成功地限定了描绘物体36和包裹材料38之间视觉对比度边界的边缘270。
然后可如272所示处理“边缘查找”图像268，以产生图11所示的线性模拟图像274。也可用Designer软件实现此处理。通过把图9和10与11相比较可看出，此处理去除了所有灰度，且产生了光栅直线和曲线的简单黑白图像。
可如276所示进一步处理线性模拟图像274，以产生图12所示的滤波线性模拟图像278。这处理用于滤除干扰，且只保留原始图像的正式特征诸如边缘。在此处理期间，把一个图像的特征与在z轴上位于它上下的特征相比较。干扰一般不出现在一个图像到下一个图像的同一位置上，且由软件从该图像中滤除干扰。通过把图11的图像274和图12的图像278相比较可看出，滤波的线性模拟图像278比线性模拟图像274“更清晰”。
现在参看图7B和13，将进一步说明对扫描图像的处理。于是，将如图7B中280所示，处理滤波的线性模拟图像278，以在图13中产生以放大图所示的点云图像282。在此处理期间，可以理解滤波的线性模拟图像包括像素形成的光栅图像。每个像素都限定一个区域。线性模拟图像到点云图像涉及把每个像素转换成在xy空间中具有预定位置的点。此外，此处理是光栅的矢量转换处理，在众所周知的计算机语言中此处理涉及把已知的如TIFF格式的光栅文件转换成已知的如DXF格式的矢量文件。可由Micrografx销售的Designer软件包实现此转换。也可用市售的Aldus软件进行上述图像处理步骤。
如284所示，数据处理过程中的下一个步骤将涉及把z值分配给点云层中的每个点，从而每个点现在位于xyz空间中。“分配”z值是必须的，因为在扫描包裹物34的暴露表面时，在xy空间中产生了两维图像。如果没有相关的z值，则图像将位于CAD空间中的一个平面内。没有代表特殊暴露包裹物表面高度的固有数据可作为扫描的结果。由于与z驱动电动机有关的脉冲计数器(在图中未示出)提供的信息，将使此信息与扫描图像有关。在进行每次扫描的时间内获得来自脉冲计数器的计数，并保持该计数，以识别特定扫描的z值或高度。然后如286所示把点云层图像送入CAD空间。可用Imageware of Ann Arbor，Michigan以Surfacer商标销售的市售软件包来实现此过程。送入的每个点云层图像代表物体36的特定暴露表面。然后可如图14所示在CAD空间中把一个层图像“堆叠”在另一个层图像上，在图14中示出四个这样的层288a、288b、288c和288d。
然后可处理点云层以产生仿样模拟图像。可用上述Surfacer软件包实现此处理，该处理涉及如290所示以及如图15所示通过每个点云层中的点确定预定长度的曲线--叫做仿样，其中处理层288a-d，分别产生292a、292b、292c和292d，从而有效地在每个层中限定物体36的周边。
如294所示的最终步骤涉及在仿样模拟层堆上放样出一个表面，以产生诸如图16所示的表面模型。也可用Surfacer软件包以及市售的其它软件包实现此过程。获得的表面模型包括物体的外部特征以及许多所需的内部特征，诸如图16所示的孔296。在去除厚度、比如说为.010英寸的轮廓、且扫描每个暴露表面时，图15所示的层和图16所示的表面将具有基本上等于.030英寸的深度。应理解上述示例显示出几个堆叠的数据层，由通过材料去除装置在每个路径中去除的材料层的厚度以及扫描频率确定数据层的厚度，即，是否以通过包裹物34的每个切削路径进行扫描，以及实际上是否把每个扫描处理成CAD空间中物体改造的一部分。
换句话说，对于产生相关物体的表面模型，可处理扫描图像以在三维CAD空间中产生立体模型。现在参看图7C，将描述此过程。此过程的第一步将涉及如298所示处理扫描图像，以把扫描产生的像素数据转换成代表相关物体的层叠的点云。由此，如300所示，将把一表面放样在每个点云层上。如302所示把z值分配给每一层。然后把这些层送入CAD空间，并如304所示堆叠这些层。作为306所示的最终步骤，将在两个相邻层之间产生立体，且重复此过程，直到在所有相邻层之间形成立体。
现在参看图17和18，将讨论相对材料去除装置的切削面对相关物体进行定向的方法。对于某些物体，精确地确定物体内部特定特征的位置很重要。于是，如图17所示，示出一包裹物130，它包括包裹在包裹材料134中的相关物体132，并安放在可机加工的支撑架136上。物体132包括通过其局部延伸的孔138。孔138具有底面140。许多物体多少有一些正交结构，这自然导致可以类似于图中所示安放物体132的方式把物体笔直地安放在可机加工的支撑架上。图中也示出作为材料去除过程的结果将暴露出物体的各个表面142a-m。可看出孔138的底面140基本上平行于暴露表面。于是，通过使相关平面平行于材料去除装置的切削面的方式对物体132定向时，将失去与孔138实际深度有关的信息，这是由于暴露表面142m所去除的轮廓将不会到达底面140，且材料的最终轮廓的除去也将导致去除该特征。
现在参考图18，示出具有相关特征的物体的较佳方向。于是，示出一包裹物144，它包括包裹在包裹材料146中的相关物体132，并安放在可机加工的支撑架136上。图中也示出相继暴露的表面148a-p。由所示包裹材料145内物体132的方向，可对相关特征即孔的底面140如此定向，使其平的底面140将与暴露表面148a-p成一夹角；即，它与材料去除装置的切削或材料去除面成一夹角。由此定向，将通过相继暴露的表面138j-p揭示出与物体132内的孔138的厚度有关的信息。用这些界定孔底面140的暴露表面，上述数据处理过程可准确地在该零件内的正确位置处再现此相关特征。于是，当按本发明作模型的物体包括一特定的相关特征时，应对物体如此定向，使它与材料去除装置的材料去除面成一夹角。
于是本发明的以上描述试图从物体中相继去除预定厚度的材料层。所去除材料的厚度可以是材料去除装置所能去除的最小厚度。本发明试图扫描选中的暴露表面。如果需要可扫描所有的这些表面。本发明还试图相继通过材料去除装置，在每次通过时去除材料的不同厚度。例如，如果想要在每一.01英寸处扫描暴露表面，且从这些扫描中构成模型，则可多次通过材料去除装置，对于总厚度为.01英寸的材料，第一次通过可去除厚度为.006英寸的轮廓，第二次通过可去除厚度为.003英寸的轮廓，第三和最终轮廓可去除厚度为.001英寸的轮廓。此外，可扫描和分析预先选中具有特定z值的表面。即，可容易地确认通过包裹物的某一部分，例如以每个.01英寸进行的扫描是足够的，但在其它部分最好是例如在每个.005英寸处进行扫描。在此环境下，可调整设备以对包裹物去除厚度为.005英寸的轮廓，而只在后面部分以.005英寸进行扫描，在其余部分以.01英寸进行扫描。或可按.005英寸扫描每一层，但在此过程中，只对后面部分中的那些层以.005英寸进行处理，而在前面部分每隔一个扫描进行处理，以产生以.01英寸分开的层。最后，以.01英寸铣削前面部分，以.005英寸铣削后面部分，并评价所有的扫描，而构成此系统。
如此已经描述了本发明，对本领域内的那些熟悉的人们来说，其它修改、变化或替换都在本发明的精神和范围内。例如，包裹材料可以是经染色的水或其它类似的低粘度类型的材料。在此实施例中，相关物体将浸入染色的水中，然后使水冻结起来。然后在冷的系统中去除材料；即，把该系统保持在包裹材料保持冻结状态的温度下。此过程将提供几个优点，其中可保证填充内部空隙，易于准备物体，在材料去除操作中产生的剩余的水是无毒的且容易清除。此外，包裹材料可包括发光物质诸如磷，它可发出光信号，这些信号对用于检测此种发光的适当传感器来说是可见的。包裹材料产生的辐射将在它和物体之间提供高的对比度，因为物体不发光。因此，意味着本发明仅以下述所附的权利要求书的范围加以限制。
权利要求
1.一种用于产生物体的电子数据图象的设备，该物体是由至少一种材料形成的，其特征在于所述设备包括材料去除站；数据收集站；传送机构，使物体在所述站之间相对移动；其中所述材料去除站包括用于从物体去除材料的预定轮廓的装置；其中所述传送机构包括用于支撑物体的工作台；以及用于使所述工作台在所述材料去除站和所述数据收集站之间相对移动的装置；以及其中所述数据收集站包括在去除预定轮廓后对物体相继成像的装置；以及用于存储所述成像装置收集的数据的装置。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述工作台是导热的。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述工作台是金属。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于还包括一变压室。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于物体被包裹在包裹材料中，以形成包裹物，且轮廓去除装置去除包裹物的预定轮廓。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于还包括用于把物体包裹在包裹材料中而使物体不与所述工作台接触的装置。
7.一种用于产生具有多个表面的物体的电子数据图象的方法，其特征在于所述方法包括把物体包裹在预先选定的材料中以形成包裹物，如此进行此包裹，从而物体的所有表面都涂敷了包裹材料，且包裹材料基本上填充了物体所有的内部容积；从包裹物上去除预定轮廓，从而暴露出一包裹物表面；在去除预定轮廓后，获取选中的暴露的包裹物表面的电子图象；以及处理每个电子图象，以产生每个所述包裹物表面的预定电子图象。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于还包括在使用预定高低压循环方式的真空室中加工所述包裹材料。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于加工所述包裹材料的步骤包括以下步骤在大约20分钟的一系列循环中，使真空室中的气压下降到接近于真空，又使真空室中的气压升高到高压；以及最后在预定的加工周期中在高压下加工所述包裹材料。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述预定加工周期是大约90分钟。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述高压大约是60Psi。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于在整个加工周期中在高和低压之间改变真空室中的气压。
13.一种用于消除包裹材料中空隙的方法，其特征在于包括以下步骤把一模子置于真空室中；以包裹材料填充模子；同时在预定加工周期中在高和低压之间改变真空室中的气压。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于所述加工大约24小时。
15.一种用于产生实际物体点云图象的方法，其特征在于包括以下步骤把物体悬挂在模子中的底部上方；以包裹材料填充模子以产生包裹物；在预定的时间范围内加工包裹材料；从模子中去除包裹物；去除包裹物的预定轮廓从而暴露出一包裹物表面；在去除预定轮廓后，获得选定的暴露的包裹物表面的电子图象；以及处理每个电子图象，以产生每个所述包裹物表面的预定电子图象。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于还包括以下步骤在填充模子前把模子置于真空室中；以及把模子和物体暴露在一系列变化的高和低压中。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于所述加工步骤包括以下步骤在大约20分钟的一系列循环中，使真空室中的气压下降到接近于真空，又使真空室中的气压升高到高压；以及最后在预定的加工周期中在高压下加工所述包裹材料。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于所述预定加工周期是大约90分钟。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于还包括在把物体悬挂在模子中的底部上方以前清洁物体。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于还包括在从模子中去除包裹物后，测量包裹物的长度、宽度和深度。
21.如权利要求15所述的方法，其特征在于去除预定的包裹物的轮廓步骤包括选择用于要去除的预定轮廓的厚度。
全文摘要
本发明提供了一种方法和设备,它首先相继去除形成物体的材料的轮廓,以形成暴露表面,从而显现出轮廓与轮廓之间的内部和外部特征,然后相继地获取与暴露表面有关的数据,从而产生电子域几何模型数据文件,这些文件包括相关物体的内部和外部特征。在去除每个轮廓后获得、处理并记录每个暴露表面的几何尺寸。将此处理转换形成界定物体的内部和外部特征以及表面的周边数据,再组合周边数据以形成物体的三维电子域图象。
文档编号G06TGK1202657SQ9711361
公开日1998年12月23日 申请日期1997年6月12日 优先权日1997年6月12日
发明者C·克伦普 申请人:C·克伦普