CN101253383B - 坐标测量机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种坐标测量机，其可操作为利用五足运动学来通过关于五个轴的测量来确定测量点尖端处的绝对位置。本机器包括第一两分叉联动装置、第二三分叉联动装置、以及多个延长支杆。多个支杆中的第一支杆和第二支杆共享第一联动装置，多个支杆中的第三支杆、第四支杆和第五支杆共享第二联动装置，并且第一联动装置与第二联动装置通过手柄连接。优选地，第一支杆和第二支杆优选可转动地接合于第一联动装置，并且第三支杆、第四支杆和第五支杆可转动地接合于第二联动装置。可以设置第一节点至第五节点，每个节点均可滑动地接合至第一支杆至第五支杆中的对应一个支杆。该节点可包括用于测量对应支杆相对于节点的位移的装置。

Description

坐标测量机

技术领域

本发明涉及一种用于通过包括数字化沿物体的路径而非仅一个点的表面探测过程来确定物体几何尺寸的装置。通过关于六自由度(6DOF)的关节联接(articulation)，使得用户可以在无需移动物体或安装新的触针到探针的情况下访问更多的物体表面。本装置使用并联运动结构的新形式，以能够在无需花费无普通成本以及不具有常见的复杂性的情况下测量空间数据。它还使用新的联动装置，以确保获得比在这么低的成本下通常可获得的更好的精度和可重复性。

背景技术

产品设计人员利用3D CAD工具越来越多地制造出很难由单轴装置测量的曲线零件，单轴装置可以是标尺或数字孔径规。

坐标测量机(CMM)是一种用于3D物体的度量衡学的通用工具。它们倾向于使用以关于3DOF的笛卡尔方式联接并且借助于触摸触发探针来收集单点数据的桶架型(gantry)机构，或者它们使用联接例如6DOF臂并且收集来自固定探测点或激光扫描器的数据的极坐标机构。

多年以来，之前的笛卡尔机已被改进且价值工程化，但由于组件技术昂贵(灵敏的探针、大理石基座、空气轴承、精确的线性编码器、非常坚硬的框架等)，则构造笛卡尔机将始终是昂贵的。极坐标机是难以精确设计的，因为每个自由度均一起结合在串联链中，使得误差以及总刚度积累并且精确度是全部六个联动装置和编码器的不精确度的总和。并且，在长杆的端部保持微米精度的径向编码器是非常昂贵的。

固有构造和精度因素导致具有超过￡10000的进口水平成本的机器通常由复杂的专业软件来控制，这些专业软件不仅具有高资金成本而且为了能适当使用需要进行大量的训练。

可预料对多轴测量的需求会快速增长，但是到目前为止还没有对于小规模或自由用户来说既买得起又易于使用的工具。本发明的目的是适应这种市场环境，其中，该机器能够以非常低的成本构造，在工业条件下耐用，并且新的软件范例使得它的使用迅速且简单。

发明内容

本发明的一个目的在于，使得能够开发并联运动结构以制造低成本的测量机。

本发明的另一目的在于，获得具有高度的可重复性且没有滞后现象的低构造成本的多轴联动装置。

本发明的又一目的在于，采用连接至可提供热稳定且精确的位移测量的刚性三角形截面碳纤维支杆的长度编码器(encoder)。

本发明的再一目的在于，获得改进物体与触针尖端之间的稳定且可预测的接触压力以提高测量精度的手柄。

本发明的又一目的在于，以耐用且紧凑的方式封装机构的解决方式，这使得用户能够便利地在桌面上操作它，而无需专门的干净房间或是空气调节装置。

本发明的另一目的在于，软件呈现出非常直观且迅速的使用界面，并且从例如等高线形态和表面粗糙度的部分中提取更多的有用数据。

根据本发明，提供了如权利要求1中所述的坐标测量机。在从属权利要求中描述了优选实施例。

本发明可以分解成如下的组成方面：运动学、联动装置、支杆、编码器节点、手柄、封装以及控制系统。下面将对每一方面进行描述。

运动学：

并联连接机构的运行取决于协同工作的多个联动装置的运动以确定位置，然而，在串联连接机构中，每个联动装置独立操作。

典型的多轴并联结构是被称为六脚的节足动物(hexapod)的关节连接八面体，其中，6支杆的长度以6DOF明确限定了机器的端部效应器的位置。给定目标的端部位置，就能够容易地计算所要求的支杆长度(逆向运动学变换)，然而，给定六个支杆的长度，计算端部位置(前向动态学变换)则较为麻烦并且通常仅能通过进行密集的迭代方法来解决。此外，尽管六脚规完全限定全部6DOF，但是测量机无需测量触针绕其自身轴线的旋转。它仅需要五个轴，因此第六个轴基本是多余的。

本发明使用包括作用在五个节点与两个联动装置之间的五个支杆的“五足”结构。这些支杆中的三个被设置成在第一联动装置处与三叉接头(即，三脚架)相接，并且另两个支杆被设置成在第二联动装置处与分叉接头(即，“V”)相接。第一联动装置与第二联动装置通过其上连接有触针的手柄隔开。因此，手柄被这两个联动装置支撑(每一端处一个)，并且其中，一联动装置形成3支杆三脚架的顶点，而另一联动装置形成另一三脚架的顶点，但是使用第一个顶点作为它的一个三脚架底部。五个支杆的长度明确限定空间中的触针位置，因而由该联动装置限制的绕手柄轴线的旋转是多余的。

该运动学尤其更易于解决计算探测点位置所必需的正向变换(forward transform)，现在就能够容易地实时计算出探测点位置。

联动装置：

五足运动学(pentapad kinematics)的一个挑战性的方面在于，其偏向于保持统一的焦点以用于手柄任一端处的支杆关节联接(articulation)。

这些联动装置中的一个必须使得2支杆以及手柄轴线能够围绕共享焦点而自由关节连接(articulate)。在这种情况下，这对支杆的端部需要与手柄有关的3DOF，但是它们之间仅需要1DOF(剪刀动作)。这被称为“三叉接头(tri-joint)”。

另一联动装置维持第一联动装置的全部自由度，而围绕同一共享焦点与手柄1DOF枢轴连接的第三支杆同样维持全部自由度。该第三支杆还有效地限制手柄使其不会围绕其自身轴线自由旋转。这被称为“四叉接头(quad-joint)”。

这些联动装置必须具有非常稳定的焦点以用于计算变换所需的精确参数的标定。它们必须是没有侧隙的(backlash)。它们的设计还需要使寄生摩擦扭矩最小化，否则可能将应力引入机构中，这可能危害该机构的精度或其平滑且无偏的关节联接。

根据本发明的实施例，设置有一排小磁铁，这些小磁铁于节点球的任一侧将两个支撑臂吸到一起(它就像共享共用枢轴线的剪刀那样工作)。这提供了必要的预载，同时不会导致额外的摩擦。该预载甚至在球窝(socket)轻微磨损时仍会保持。

支杆的另一端由受限于机器框架的联动装置独立支撑。这五个联动装置概念性上地也类似于球和球窝接头，其中，该球大到足以保持测量支杆延伸的编码器模块(module)并足以维持该编码器模块穿过焦点的轴向运动。这些连接具有低的寄生扭矩也是重要的，并且在这种情况下会更具挑战性，其原因在于，由于它们具有较大的直径使得任何旋转均具有更高的切向速度和更大的杠杆作用。

在优选实施例中，不是仅具有一个滑动界面，而是节点可以由三个小型循环球传送单元支撑。可以再次使用磁铁以用于预加载，这些磁铁将容纳有编码器的铁磁节点球壳保持为抵靠三个球传送单元。

本实施例的主要优点在于，仅具有滚动摩擦，所以球形节点可以关于3DOF地自由旋转。此设置在运动学方面完全类似于三腿凳(3 legged stool)并且具有极好的可重复性同时没有位置不定性。通常会用磁铁来代替另外一排支承点，通常利用这些支承点将节点的预载有效地实现在参考位置中，并且这样一来在实现这些的同时不会造成更多的摩擦或存在磨损危险。

支杆：

支杆优选地经过基本节点的焦点，在该基本节点的焦点处测量支杆的对向(subtended)长度。这对于其它方法而言是优选的，因为具有最大有效长度与最小有效长度之间(在基本节点与手柄之间)的大比值，这与伸缩(telescopic)的解决方案不同。此外，支杆还仍然是简单且刚性的。

节点中的编码器读取连接至支杆的轨道，从而不会受到机械误差(例如局部支承耗尽以及具有径向解法(radial solution)的直线性问题)的不适当的损害。此外，因为所测得的长度是焦点到焦点的，因此支杆中的小程度弯曲将不会显著改变所测得的长度，从而不会降低精度。在这个实施例中，轨道优选地是具有重复图案的柔性印刷电路板，其通过非顺应性粘结剂(non compliant adhesive)(诸如环氧树脂)结合至支杆。该轨道具有坚硬的顶面，此顶面桥接由被蚀刻的铜形成的形貌(topography)并且能够承受节点滚轴的压力而不会凹陷。

支杆可以由位于中空三角形部分中的拉挤(pulltruded)碳纤维构成，其提供了外部平面以支撑编码器轨道和两个滚轴轨道。碳的显著优点是近乎中性的热膨胀系数以及出色的硬度和低质量。

编码器节点：

存在可用于该应用的多种类型的线性编码器，然而，在低成本和耐用性方面，优选的实施例使用与数字孔径规所采用的类似的电容率解法，由于这种解法不涉及接触、不会被污垢污染且耐用以及具有低成本，因而已被认为是最适合的。可以使用已被显著升级为提供2微米的分辨率以及200Hz的采样率的传统电容编码器。

然而，电容编码器对读取器电路与编码器轨道之间的偏移的变化很敏感。因此，关于控制这个参数的机械设计必须最优化。因此，优选地，因为支杆顶着相对于读取器固定的滚轴被预加载，所以编码器读取器电路被保持在距离轨道的固定位移处。

另一个目的在于，将所有其它支杆相对于节点的运动限定于其自身轴线。这通过采用具有滚轴的滑动装置(runner)来实现，所述滚轴设置在邻近侧上以沿三角形支杆的两个上表面滚动。优选地，滑动装置施加保持支杆与限定读取头偏移的滚轴相接触的预载荷。滑动装置还应被支撑为防止垂直于轴线的运动或相对于轴线的偏斜。在所有其它方面中，优选地，滑动装置应该能够明确设置，使得它的滚轴始终与支杆完全接触。根据优选实施例，单叶弹簧提供所有必需的自由度和约束。

手柄：

在传统的CMM中，可替换的触针通过小预载力保持在高度可重复的设置位置中。当给触针的尖端加载时，触针通过倾斜或向内运动而从它的安装位置中移出，并且在这样做的过程中触发开关。该开关被设计成在它移动的瞬间生成信号并且记录在这个瞬间的机器位置。使得在触针的超行程中能够具有柔量，但是一旦移动完成，触针尖端位置会变得不可靠，因此这种类型的探针仅能够输出点数据。

其它CMM(特别是极坐标6DOF变型)不具有连接至触针的开关。用户仅将尖端保持为抵靠待被测量的表面并且按压按钮(用手指或脚)。由于用户施加的接触力是不受控制的，因此触针尖端必须是非常刚硬的。

在这种情况下，触针尖端不会如同传统探针那样倾斜而是被固定为像“极坐标”探针那样。然而，当对被测量的物体加载时，被用户握持以使触针运动的手柄外壳能够相对于手柄轴克服弹性预载进行与3DOF有关的倾斜(两个轴倾斜以及向内移动)。该手柄外壳作为开关，以使当它移动触针尖端时进行位置读取。移动开始的准确时刻并不是关键性的，因为即使在手柄倾斜时仍可知道准确的触针位置。因此，它是更加简单且更加耐用的解决方案。

优点在于，触针的尖端始终保持在已知位置处，所以就可能沿着路径连续地“流出”(stream)数据，而不是仅操作单个采样点。获得的数据越多，就能够越精确地计算零件的几何形状。

根据优选实施例，手柄的位移通过比例传感器来测量，以使得触针的预载度可以与每个数据点联系起来。知道了预载值以及尖端接触向量(在推导出所测得的几何形状的第一次变换之后进行)，则由触针的可能弯曲引入的位置误差就能够得到补偿。

在这个实施例中，用户可以调整产生手柄倾斜预载荷的弹簧本身，即，从硬度非常低的弹簧变成完全刚性的弹簧。该调整值通过另一比例传感器来读取，并且知道触针尖端的长度可以等同于知道了克力负荷(grams force loading)。当计算柔性误差补偿(如上)时，这个值被用作弹性系数(spring rate)。

为了提高在难以接近的情况下的人机工程性，可以允许手柄围绕其自身轴线(但不是触针尖端)自由旋转。它的特征还可在于，具有四个位置手指操作按钮。当手柄被向前推动时，系统正等待手柄倾斜，且基于此该系统将输出连串的位置数据。当手柄被向后推动时，系统将在每次手柄倾斜时仅输出单个点。当手柄被向下推动时，系统记录与敲击“鼠标”按键类似的“喀嗒声”以控制应用软件。这使得该装置能够直接控制软件，就像它是鼠标一样，并且此外，还使该装置能够关于5自由度地同时定位任何模型图形。比起必须释放把手并拾起鼠标来说，此装置使用起来更便利且更迅速。

封装：

节点必须相对于彼此保持在固定且稳定的位置中。优选地，节点通过由结合至节点支撑模制件或框架底座中的碳纤维管构成的桁架结构来连接。这将力主要分解为拉伸力或压缩力，而避免可能破坏节点位置的弯曲运动。

节点自身可以使用弹性罩以将球面支承机构与污物的进入隔离开。这是很重要的，因为本装置在这些联动装置中采用磁性元件，而在某些车间环境中使用时磁性元件会吸附金属颗粒。采用类似的方法保护位于手柄的任一端处的三叉接头和四叉接头。

为了更容易地建立任何误差补偿以对替换触针之后的定位因素进行修正，优选地，已知的位置参考点被设置在触针尖端可到达的基底的前面。这个参考点就像圆锥形容器一样，触针端部上的球可以定位在该容器中。知道了这个球的直径，也就知道了球位于容器中时的焦点。将这个焦点与从5支杆的长度推导出的计算焦点进行比较。任何差异都指示出与新的触针尖端相关的角度或长度的偏移并且随后可以被补偿。

优选地，基底还具有用于系统控制电子元件的空间并且可以使用嵌入的定形切割钢片作为砝码。在这种情况下，在基底模制件的每一侧上，开口盖可以隐藏可以用来容纳有用装置的存储空间(非常类似具有一体形成的工具箱的缝纫机)。

可以设置其它附件。在度量衡学方面将非常弯曲的物体保持在稳定位置中的有效辅助设备是具有一排升高的部件的板，这一排升高的部件中可以构成弯曲的形状。本构思的最简单的实施例可以是包括x、y排列的金字塔形部件的压纹板(waffle plate)。

五足结构使得其自身的尺寸按比例增大，同时不会引起更多额外的成本。在传统的机器中，为了在加载的梁中保持相同的最大偏差，梁的刚度必须增加其长度的立方。这是昂贵的。对于五足结构而言，当机器框架以及支杆的轮廓近似等边三角形时数据的精度是最好的。为了按比例增大机器以使在不丧失精度的情况下能够实现更大的工作体积，应该通过与支杆长度的增加成比例地增加框架节点之间的距离来保持三角形的纵横比。这个成本非常小并且所有其它一切可以保持不变。

控制系统：

如上所述，五足运动学的独特特性使得它们自身适于对进入到笛卡尔坐标系中的端部位置进行非常迅速的正向变换，但是它必须依赖于对机器的节点以及触针偏移量的精确认识。这可以从或许使用复制技术以将节点结合到固定参考位置中的精加工中获得，或者从组装后的节点位置的测量中获得，或者通过参考已知物体来推导准确的节点位置中获得。

最简单的已知物体是如上所述的用于触针误差补偿的圆锥形容器实施例中的固定点(point)。如果当尖端被保持在固定位置处时手柄是关节连接的，如果所有的校准值是正确的，则无论手柄的角度如何软件都应该报告恒定的固定点。校准值中的任何误差都表明它自身位于看来似乎沿轨迹移动的计算的尖端位置中。这个轨迹的形状和尺寸可以指示引起它的误差，并且能够被分析以确定各个校准误差值，并因此补偿它们。这种技术在参考点容器在机器工作体积的限界周围运动并进行多次测试时送出提高的分辨率。

支杆很可能具有印刷电路板编码器轨迹的图案阵列中的节距误差。这个节距误差是稳定的，并且如果确定了该节距误差的话，可以补偿该节距误差，其通过将支杆与精确绝对位移传感器进行比较并将所测定的节距误差值保持在与每个支杆相关联的查询表格(look up table)中来进行。通过这种方式，各个轴的绝对精度可以接近最好的编码器的绝对精度，同时避免了其可能的高成本以及严苛的操作条件。

为了使本发明的所有方面都可以被清楚地理解，在下文中将参照附图描述示例性实施例。

附图说明

图1a和图1b示出了根据本发明第一实施例的装置的透视图；

图2示出了可选实施例的透视图；

图3示出了根据本发明的三叉接头的实施例；

图4a、4b和4c示出了图1a、1b和图2中所示的编码器节点的优选实施例；

图5a和5b以横截面和等轴横截面示出了与图4a、4b和4c中的编码器节点类似的编码器节点的实施例；以及

图6a和图6b示出了根据本发明的手柄的实施例。

具体实施方式

图1a和图1b分别示出了根据本发明优选实施例的装置的侧视图和正视图。

对节点进行支撑的桁构架被设置成类似四面体，其在顶部最高点处具有节点101且在前底部顶点处具有其它的节点对。那么，背面最高点与下部前顶点被六个支杆9类似八面体地连接至底座模制件(moulding)10。

此后，五个支杆102穿过节点101并且连接成其最高点位于四叉接头105处的三脚架，并且使用该点作为新的基点来形成其最高点位于三叉接头106处的另一三脚架并通过手柄103分隔开。手柄103向下延伸，并且在其端部处具有可替换的触针尖端104，优选地具有硬质球。

弹性罩108将节点框架连接至位于节点两个侧面上的支杆上的旋转头以防止污染物进入。为了有利于保存，隔间108可以构造在底座110中。

在底座110的前面是延伸部111，其将反向的圆锥形容器支撑在固定且已知的位置中，在该位置中时触针的端部可以到达伸出部111以使能够实现触针的校准，以用于在触针被替换之后的误差补偿。

图2示出了根据另一个实施例的类似框架结构的等比例图，但其中支杆已延伸以便实现大得多的工作体积(在这种情况下是大2×2×2或8倍)，同时保持了相同的三角形纵横比以及由此引出的位置精度。也可以使用其它的支杆长度，但是优选地保持相同的三角形纵横比以保持位置精度。

图3示出了四叉接头的实施例。三叉接头是类似的，除了顶部枢转臂302不是必需的。球301连接至手柄轴311。该球被移除以使支撑臂302围绕穿过球的焦点的正交轴306枢转。另外的两个支撑臂303、304具有外切该球的环形端，如同与该球的直径相符的环形球窝一样。为了使这些支撑臂达到小的相对夹角，将它们都移除305，类似于围绕一把剪刀的枢轴。

薄的铁磁钢环307被插入到每个支撑臂303、304中。在一个臂304上，一排小且薄的磁体308(优选地为钕铁硼型)附着于环307。当两个支撑臂303、304一起聚合到球301周围时，环形球窝防止它们以可能的任何方式接触并且一个环上的磁体不能接触另一个臂上的环。虽然它们确实彼此吸引，并且以这种方式在不会引起任何摩擦障碍的情况下保持环形球窝与球301之间的预载接触。在可选实施例中，(不发挥磁路效益的)较大磁体被直接嵌入到支撑臂模制件中，从而相应地省去了支撑磁体308的钢环307。

每个臂303、304均具有可以保持弹性罩(elastomeric cover)的一端的环形槽309。罩的另一端装配到连接至支撑臂303、304或类似地连接至手柄轴311的环310上。连接至可以旋转的环310的好处在于，其在零件关节连接时可更好地释放罩的位移应力。

图4a、4b和4c示出了容纳有编码器的铁磁球401以及抵靠环402被支撑的支杆支撑机构，依次地，通过穿过一排孔405的紧固件将环402保持为抵靠着框架节点支撑部409。

夹在该环402与框架支撑部409之间的是三个磁体403和三个循环球传递单元404。磁体403向内吸引球401直到将球限制为抵靠处于运动学上的确切位置中的球传递单元404(就像三腿凳一样)。球传递单元404包括球，该球在置于可循环的多个小球的座(bed)上时可沿任何方向自由旋转。由于仅具有滚动摩擦，使得这三个单元404允许节点球401在非常小的阻力下关于3DOF地进行旋转。

在这个实施例中，作用在磁体后面并且可通过紧固件进行位置调节的楔子可以被用来调整磁体403与球401之间的空隙以得到最佳补偿，其中紧固件穿过框架支撑物中的孔408来发挥作用。

从球401延伸出的模制延伸部406用于两个目的。它们保持弹性节点罩的一端，并且还容纳作用于支杆410的档尘圈。在这个实施例中，档尘圈可以包括三个具有被例如塑料夹子407保持的塑料支撑物的毛毡衬垫，塑料夹子407可以在无需将支杆410从节点拆卸下来的情况下从支杆410周围拆除并替换。

移除节点框架环402以使支杆410绕尽可能大的角度关节连接。因为支杆410是三角形的，所以最优的孔的形状不是圆形而是三叶形(tri-lobar)。在环402必须保持磁体403以及球传递单元404的情况下，该环要延伸得多一点，以将球保持在更有利的角度处。这与球延伸支杆上的平面411径向匹配。

因为球410仅仅被前向环402支撑，所以不需要获得额外的空隙以使得支杆关节连接在相反侧上(如图4c中所示)。在优选实施例中，这通过提供用于螺旋脐带(umbilical)414的空间来实现，螺旋脐带414将编码器电子元件从包括出口位置413的节点连接到底座中的主电路板，优选地，使用装置的管状桁架框架作为管道。

图5a和5b示出了根据优选实施例的编码器节点的侧视图和等比例横截面图。

外壳501围绕球的表面并且相对球的表面足够远，因此球传递单元即使在其关节连接的末端处也一直抵靠支撑它并且决不会抵靠节点罩(housing)502滚动，优选地，节点罩502由塑料制成。在这个实施例中，罩可螺旋拧到外壳中。

又一部件，辊轴载体(roller carrier)503保持支撑四个辊轴的轴。在一侧示出了两个辊轴507a、507b，在垂直镜像中具有另两个辊轴，从而辊轴将置于支杆510的相邻顶面上。当与形成用于支杆的下部约束的节点罩中的辊轴508a、508b和轴在一起时，支杆的所有运动变成被完全约束于轴向之外。为了提供更多的杠杆作用以阻止支杆绕其轴线旋转，下部辊轴成对地作用在支杆表面的整个宽度上。

使电路板/电容阵列传感器509可调整地保持为抵靠着节点罩，以便在安装支杆时可以设置到达位于支杆的下表面上的编码器轨迹柔性电路板的最佳间隙距离。

应该约束辊轴载体503的运动，以使它进而约束支杆的运动。然而，其应该能够将支杆保持在预载荷下，这从而可以适应支杆中缺乏直线度时的小的加工差异。这通过片簧506实现，片簧506折叠在节点罩的背面，并且首先被由位于罩内的孔中的两个球产生的支点(fulcrum)移动，且随后位于弹簧506内的孔505中。罩中的孔可以由定位螺钉支撑，以使支点的高度可以被调节。此后，在弹簧503中靠近其端部504处又有另两个孔，用于定位另两个球，这两个球也位于辊轴载体502中。为了使弹簧506更容易横向地独立弯曲以在支杆滚动通过节点时使支杆中适应加工误差，弹簧506在靠近其端部处朝向其折叠部分被向上分开。此布置将弹簧506相对于节点罩确定地保持，并且将辊轴载体503相对于弹簧506确定地保持。

示出了保持盖的旋转环511的截面图，以及插入式毛毡衬垫密封物512的截面图。

图6a示出了根据优选实施例的一侧被去除的手柄600。图6b示出了截过图6a的手柄600的一部分的图解剖面。

手柄轴601将球保持在作为用于四叉接头和三叉接头的枢转点的任一端处。手柄外壳(handle case)优选地包括三个部分602，这为它提供了适于保持的三叶正交截面。手柄600在其后端被部分的球和球窝所支撑，这在预加载是向后时为手柄600提供枢转点但允许其克服预载而向前运动。环603刚性地保持于手柄外壳602，并且圆锥形倾斜环604推压手柄外壳602。倾斜环604施加稳定的力以将使手柄600集中直至它的预加载弹簧力极限。

当手柄600倾斜时，因为手柄600不能向后运动，所以环604必须向前倾斜(如图6b中所示，至位置605)而抵靠圆柱形滑动装置606，圆柱形滑动装置606进而移动并压缩预载弹簧612。无论出现哪个倾斜轴，滑动装置606都将类似地移动。如果手柄606向前移动，则圆柱形倾斜环604与滑动装置606向前移动。因此可以适应向前轴向移动或倾斜的任何组合。倾斜环604被设计成使得使它倾斜所需的杠杆(通过将触针端部处的球推动至抵靠待被测量的物体)在触针球的尖端上产生与手柄600的等效轴向移动相同的载荷。

在优选实施例中，通过比例霍尔传感器来测量滑动装置606的运动，比例霍尔传感器感应附于滑动装置606的一对小磁体611的运动。

在外壳的后部是可以被使用者转动的旋钮609。旋钮609连接于围绕轴设置并且利用螺纹接合于预载适配器607的管子。因为预载适配器被延伸穿过轴601进入到滑动装置606中的槽内的销钉608所约束，所以当转动旋钮609时预加载适配器也不能转动。可选的基于键槽的约束系统也是可以的。所以它必须轴向运动，并且在这样做时它压缩或放松预载弹簧612。这个轴向位移也可以通过比例霍尔传感器来测量。

为了加工方便，连接旋钮609与螺纹部的管子可以是裂片613，在此它也从具有大于轴的内径转变成具有与轴一致的内径，并且在这个接合部位处可以设置如同机械支撑的螺钉。这种设置的目的在于，使得来自按钮以及霍尔传感器的线圈从转动的手柄外壳到达非转动的轴601，从这里可以找到通过轴601的后部以及四叉接头的路线以离开手柄600并且到达支杆的中心。

优选地，手柄外壳602可以绕手柄轴601轴向转动，因此用户可以将它保持在人机工程的径向位移处，以保持食指与附于外壳的前面的四个位置按钮相接触。

以上已经参照具体实施例描述了本发明，应该理解的是，实施例在所有方面中都是示例性的，并且在不背离所附权利要求的精神和范围的情况下可以作出修改和变化。

Claims (22)

1.一种坐标测量机，其利用五足运动学来确定刚性地连接于手柄的测量点尖端处的绝对位置，所述坐标测量机包括：

第一两分叉联动装置；

第二三分叉联动装置；

第一支杆和第二支杆，布置成在所述第一两分叉联动装置的两分叉接点处相接；以及

第三支杆、第四支杆和第五支杆，布置成在所述第二三分叉联动装置的三分叉接点处相接，其中所述第一两分叉联动装置和所述第二三分叉联动装置通过所述手柄而连接，

所述坐标测量机进一步包括支撑第一至第五节点的桁架框架，每个所述节点可滑动地接合至所述第一支杆至所述第五支杆中的对应的一个支杆，其中，每个所述节点包括用于测量所述对应的支杆相对于所述节点的位移的装置。

2.根据权利要求1所述的坐标测量机，其用于测量物体关于五个轴的坐标。

3.根据权利要求2所述的坐标测量机，其中：

所述第一支杆和第二支杆可转动地接合至所述第一两分叉联动装置；并且

所述第三支杆、第四支杆和第五支杆可转动地接合至所述第二三分叉联动装置。

4.根据权利要求1所述的坐标测量机，其中：

所述第一支杆和所述第二支杆围绕共用轴可转动地接合于所述第一两分叉联动装置，以便于相对彼此转动；以及

所述第一两分叉联动装置包括第一球和第一球窝接头，所述第一球窝接头可转动地接合至所述第一支杆和所述第二支杆，以便于以三个自由度地围绕所述第一球一起转动。

5.根据权利要求4所述的坐标测量机，其中：

所述第三支杆和所述第四支杆围绕共用轴可转动地接合于所述第二三分叉联动装置，以便于相对彼此转动；

所述第二三分叉联动装置包括第二球和第二球窝接头，所述第二球窝接头可转动地接合至所述第三支杆和所述第四支杆，以便于以三个自由度地围绕所述第二球一起转动；以及

所述第五支杆围绕位于至少单一轴线的所述第二球的焦点处的枢轴可转动地被接合。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的坐标测量机，其中，所述手柄包括延长件，所述延长件能够通过所述第一两分叉联动装置和所述第二三分叉联动装置而围绕所述延长件的主轴转动。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的坐标测量机，包括连接至所述手柄的触针。

8.根据权利要求7所述的坐标测量机，其中，所述触针包括测量点尖端。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的坐标测量机，其中，所述手柄延伸超出所述第一两分叉联动装置和所述第二三分叉联动装置中的一个，所述手柄具有可替换的触针，所述可替换的触针具有已知直径的球形尖端并适于探测物体。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的坐标测量机，其中：

所述手柄能够绕其主轴沿任何方向倾斜并且能够沿所述主轴移动；

所述手柄刚性地连接于所述测量点尖端；

所述测量点尖端是球形的；以及

沿所述主轴的所述移动启动了位置测量的过程。

11.根据权利要求10所述的坐标测量机，其中，所述手柄包括用于向所述手柄提供预载倾斜力的偏压装置。

12.根据权利要求11所述的坐标测量机，其中：

所述偏压装置包括弹性件；以及

被连接至所述弹性件的一个或多个固定螺钉从外部改变所述预载倾斜力。

13.根据权利要求12所述的坐标测量机，包括用于按比例测量所述手柄的位移以确定具有已知预载值的测量点尖端接触压力的装置。

14.根据权利要求13所述的坐标测量机，其中，所述用于按比例测量的装置利用数字处理传感器进行按比例测量。

15.根据权利要求4所述的坐标测量机，其中：

所述手柄能够围绕所述第一球和所述第一球窝接头倾斜并且轴向地脱位；以及

这种脱位用来通过杠杆件将所有位移向量分解成内部件的轴向位移，触发开关或者测量所述脱位。

16.根据权利要求4所述的坐标测量机，其中：

所述第一支杆和所述第二支杆均包括用于接合所述第一球并将所述第一球与所述第一球窝接头彼此接合的环形球窝环；以及

所述环形球窝环包括用于将它们驱动在一起的磁性装置，从而磁力地对所述环形球窝环施加预载使其在一起。

17.根据权利要求5所述的坐标测量机，其中：

所述第三支杆和所述第四支杆均包括用于接合所述第二球并将所述第二球与所述第二球窝接头彼此接合的环形球窝环；以及

所述环形球窝环包括用于将它们驱动在一起的磁性装置。

18.根据权利要求1所述的坐标测量机，其中，所述节点均包括用于将穿过所述节点的对应支杆的运动限制成仅仅为轴向运动的装置。

19.根据权利要求1至5中任一项所述的坐标测量机，其中：

所述五个支杆中的每一个包括具有三角形横截面的延长部，所述延长部具有三个平坦的表面；以及

每个所述支杆的所述三个平坦表面中的一个保持线性编码器轨迹。

20.根据权利要求19所述的坐标测量机，包括用于将所述五个支杆限制成抵靠辊轴座的装置。

21.根据权利要求1至3中任一项所述的坐标测量机，其中，所述第一节点至所述第五节点中的一个或多个包括：

环形环，其包括一个或多个磁体以及至少三个低摩擦支承点；以及

基本球形的铁磁件，其可滑动地接合至所述对应的支杆，

其中，所述一个或多个磁体被布置成使所述基本球形的铁磁件在所述至少三个低摩擦支承点处进行支撑，以形成明确的设置位置。

22.根据权利要求21所述的坐标测量机，其中，所述支承点包括循环球传递单元。

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