CN101472713B - 坐标定位机器 - Google Patents

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Abstract

一种坐标定位机器，其包括：基部(12)；一结构(14)；和六个撑杆(22，24，26，28，30，32)，所述撑杆连接所述基部和所述结构。由所述基部、所述结构和所述六个撑杆限定工作空间(2)。支撑构件(16)从被支撑的结构延伸。从至少一个接近区域(4)能够接近所述工作空间，所述至少一个接近区域形成在两个相邻的撑杆(22，32)之间，所述至少一个接近区域的区间大于另一组相邻撑杆之间的区间。由此改进了对工作空间的接近。

Description

坐标定位机器
技术领域
本发明涉及一种其中两个结构通过多个构件连接的机器，其中需要对由这些构件环绕的空间进行接近(access)。在例如机器如坐标测量机器或者机床的两个结构之间可能存在移动。可选择的，这两个结构和多个构件可具有刚性构造。
背景技术
一种已知类型的坐标定位机器具有‘笛卡尔’构造，其中支撑有操作模块(其可具有例如探头)，用于相对于基部(例如台面)运动，其通过三个‘串联安装’(即，一个在另一个上)的相互垂直的导轨而具有三个平移自由度。这种类型的机器的缺点在于，每个导轨必须支撑其上方的一个导轨，导致由于重力的弯曲。此外，由于每个级都需要驱动马达，大的质量块与每个导轨相关。这种类型的机器的有点在于，易于接近机器的工作区域。
在一种替代的支撑构造中，通过多个铰接连杆支撑操作模块相对于基部运动，每个连杆直接连接在操作模块和支撑构件之间，该支撑构件形成基部的一部分。在这种‘并联’安装构造中，重量均匀分布在连杆之间，由此减小由于重量的弯曲。
欧洲专利EP 0692088公开了一种用于相对于工件定位操作器例如工件或者探头的机器。如图8所示，该机器具有第一结构2和第二结构4，操作器安装在该第一结构2上。六个撑杆6通过两个结构上的接头8a-8f将这两个结构连接。驱动装置与撑杆相联以便调节这两个结构上的接头之间的长度，由此在结构之间产生相对运动。
这种类型的并联坐标机器的缺点在于，撑杆妨碍了对机器内部空间(即，由第一和第二结构以及撑杆限定)的接近。
发明内容
本发明提供一种坐标定位机器，其包括：
基部；
一结构；
六个或者更多撑杆，所述撑杆连接所述基部和所述结构；
由所述基部、所述结构和所述撑杆限定的工作空间；
位于所述结构上的支撑构件，其用于将操作模块安装在其上；
能够接近所述工作空间的至少一个接近区域，所述至少一个接近区域形成在两个相邻的撑杆之间，所述接近区域的区间由两个撑杆、这两个撑杆与基部的连接点之间的直线、以及这两个撑杆与所述结构的连接点之间的直线限定，
其中，所述至少一个接近区域的区间大于另一组相邻撑杆之间的区间。
该布置改进了对机器的工作空间的接近。
所述接近区域为四边形。另一组相邻撑杆、所述基部以及所述结构之间的区域基本上是三角形。
多个接头位于所述基部和所述结构处，用于将所述撑杆连接到所述基部和所述结构上。一个或者多个撑杆与每个接头连接。所述接头使得所述撑杆和与所述接头连接的基部或者结构中的一个之间能够相对旋转运动。所述接头包括枢转接头，例如球接头。
所述接头的构造在所述基部和所述结构处不同。
在一种实施方式中，在所述基部和所述结构之一中的接头的几何构造是三角形，在所述基部和所述结构中的另一个中的接头的几何构造是四边形。优选的是，三角形中的每个接头支撑两个撑杆，而四边形中的两个接头都支撑两个撑杆，四边形中的另两个接头都支撑单个撑杆。
在另一种实施方式中，在上部结构中具有六个接头，在所述基部中具有六个接头，每个接头支撑单个撑杆。
所述结构和所述基部中的接头之间撑杆的长度可调节，由此能够使得所述结构相对于所述基部运动。所述撑杆可以是伸缩式的。可选择的是，所述撑杆的长度可以是固定的。
可提供两个接近区域，这两个接近区域被布置成使得一路径成直线穿过工作空间在这两个接近区域之间延伸。
所述坐标定位装置可包括坐标测量机器。
所述操作模块的方位可围绕至少一个轴调节，例如围绕两个或者三个轴调节。
所述操作模块可包括传感器或者探头组件。
附图说明
现在将借助示例，参照附图来更详细描述本发明，其中：
图1示出了本发明的第一实施方式的透视图，其包括在基部具有四个球接头和在上部结构具有三个球接头的机器；
图2示出了本发明的第二实施方式的透视图，其包括在基部具有六个球接头和在上部结构具有六个球接头的机器；
图3示出了本发明的第三实施方式的透视图，其包括在基部具有四个球接头和在上部结构具有六个球接头的机器；
图4示出了本发明的第四实施方式的透视图，其包括在基部具有三个球接头和在上部结构具有四个球接头的机器；
图5示出了本发明的第五实施方式的透视图，其包括在基部具有六个球接头和在上部结构具有六个球接头的机器；
图6示出了本发明的第六实施方式的透视图，其包括在基部具有五个球接头和在上部结构具有三个球接头的机器；
图7示出了一种替代布置的透视图，其中撑杆是静态的；
图8示出了现有技术的机器的透视图，其在基部具有三个接头在上部结构具有三个接头；以及
图9示出了本发明的第七实施方式的透视图，其包括在基部具有五个球接头和在上部结构具有五个球接头的机器；
具体实施方式
图1示出了根据本发明的第一实施方式。机器10具有基部12和上部结构14。基部12是刚性的，可以例如由花岗岩制成。上部结构14优选更轻并且可以刚性杆连接在一起形成。在该实施方式中，刚性杆连接在一起形成倒四面体15。上部结构14支撑一支撑构件，例如从四面体结构的顶点18的臂16，其朝着基部向下延伸。测量探头20或者其他操作模块可以安装在该臂上。尽管使用了术语“臂”，但是，其他用于支撑构件的常用术语包括Z形柱和轴。
六个撑杆22-32将基部12连接到上部结构14并且通过枢转接头34a-d，36a-c安装，这些接头允许旋转运动。在该实施方式中，使用球接头，但是其他类型的提供旋转运动的接头也可以使用，例如万向接头，如胡克式(Hook’s)接头。撑杆22-32是伸缩式的，并且设置有驱动器，使得通过改变撑杆的长度，可以使得上部结构相对于基部运动。在移动上部接头时，臂和安装在其上的测量探头(或者其他操作模块)也相对于基部运动。测量系统，例如与每个撑杆相关的刻度尺和读取头用来确定沿着每个撑杆在接头之间的距离，并由此确定上部结构相对于基部的位置，从而确定测量探头的位置。
在图1所示的实施方式中，上部结构设有三个球接头36a-c，成三角形构造。该三角形构造可包括等边三角，但是可以采用其他形式的三角形。基部设有四个球接头34a-d，成四边形，例如正方形构造。撑杆22-32布置成，两个撑杆连接到上部结构的每个球接头36a-c上，两个撑杆连接到基部中的两个球接头34b，34c上，一个撑杆连接到基部中的球接头34a、34d上。在这种布置中，在两个撑杆22，32之间形成开口，这两个撑杆在基部12处具有其自身的球接头34a，34b。该开口空间使得能够对机器的内部进行接近，从而可以从基部12容易地放置或者移除部件。
尽管图1示出了在基部上具有四个球接头34a-d成正方形构造，但是，基部上可以具有其他构造的球接头。例如，球接头可以布置成梯形，即一对相对的便平行的四边形，或者不规则四边形，即没有平行的对边的四边形。但是，如果基部是四边形，则球接头可以有利地朝着基部的四个角安装，由此最大化撑杆中的工作区域。
该实施方式与图8所示的不同之处包括，破坏了撑杆的旋转对称，以便改进对内部空间的接近。该内部或者工作空间2由基部、上部结构和撑杆限定。在该实施方式中，通过用一对分开的接头34a，34d替代单个接头(参见图8的球接头8c)来实现。因此，在两个撑杆和基部之间的三角形区域被两个撑杆、基部和上部结构之间的四边形区域代替。在该实施方式中，两个撑杆基本上相互平行。因此，通过与其他对相邻撑杆相比，增加一对相邻的撑杆之间的区域，改进了接近的能力和方便性。通过这种方式，实现了对工作区域的接近。如图1所示，由两个撑杆22，32，基部的撑杆连接点之间的直线8和上部结构的撑杆连接点之间的直线6限定的接入区域4的区间大于其他对相邻撑杆之间的区域的区间。
可以看出，连接两个撑杆22，32与上部结构14的接头36a，36c之间的距离和连接所述两个撑杆22，32与基部12的接头34a，34d之间的距离之和大于对于另一对撑杆的相应值。
图8所示的实施方式由于撑杆的旋转对称而具有高的刚度。通过破坏该对称以改进接近能力，系统的刚度减小但是还是足够的。
图2显示出了本发明的第二实施方式。在该实施方式中，上部结构14和基部12均设有六个接头，38a-f和40a-f，每个撑杆22-32在每个端部连接到球接头上。这样，取代如图1所示的公共球接头，限制采用一对撑杆一对球接头。该对球接头被布置成使得沿着撑杆的向量相交。在图2中，沿着撑杆24和26的向量的相交点是38bc。因此，图2试出了三对球接头40a和40b，40c和40d，40e和40f，在上部结构14中布置成三角形。基部设有两对球接头38b和38c，38d和38e，两个单独的球接头38a，38f，布置成四边形，例如正方形(或者为如参照图1所更详细描述的其他构造)。
该布置具有与图1所示的布置相同的效果。
图3示出了本发明的第三实施方式。在该实施方式中，上部结构14中的球接头40a-40f与图2所示实施方式一样成组，而基部12上的球接头34a-34d不成组，如图1所示的实施方式一样。当然，可以采用反过来的布置，即，上部结构布置成图1所示的结构，基部布置成图2所示的结构。
图4示出了本发明的第四实施方式。该实施方式是图1所示的布置的倒转布置。在该布置中，上部结构14具有倒的锥体构造58，其具有正方形上表面59和顶点60，臂16从该顶点60延伸。
在图4中，朝着锥体的上表面59的角落设有四个球接头56a-56d，在基部12设有三个球接头54a-c。如前面的实施方式所述，撑杆42-52在上部结构14和基部12之间延伸，在每个端部通过球接头54a-c，56a-d分别连接到基部12和上部结构14上。
在基部12，两个撑杆连接到每个球接头54a-c。在上部结构14，两个球接头56b，56c每个连接有两个撑杆。另两个球接头56a，56d每个仅连接有一个撑杆。如前面实施方式所述，该布置在两个撑杆42，52之间形成开口，这两个撑杆在上部结构14具有其自身的球接头56a，56d，使得更容易接近机器的内部。
图5示出了本发明的第五实施方式。该方式是第四实施方式的变形，其包括第二实施方式的一些特征。
如图5所示，上部结构14和基部12均设有六个球接头62a-f，64a-f，每个撑杆在每个端部连接到相应的球接头。取代如图4所示的公共球接头，现在采用一对球接头。如参照图2所描述的，这种布置使得沿着撑杆的向量相交。这种布置具有与图4所示的布置相同的效果。
也可以将图4和5公开的实施方式结合。例如，可以在顶部具有四个球接头和底部具有六个球接头(形成三组两个球接头)。可替代的，可以在顶部具有六个球接头(形成两组两个和两组一个)，在底部具有三个球接头。
图6示出了本发明的第六实施方式，其中，在基部具有五个接头66a-e，在上部结构14具有三个接头68a-c。上部结构14中的每个接头68a-c连接有两个撑杆70-80，而基部的一个接头66c连接有两个撑杆74，76，四个接头66a、66b、66d、66e连接有一个撑杆70、72、78、80。这种布置具有两个接近能力改进的区域(在撑杆70和72之间和撑杆78和80之间)，这允许部件从一侧插入到内部空间，从另一侧从内部空间移除。
图9示出了本发明的第七实施方式，其中在基部12具有五个接头92a-92e，在上部结构14具有五个接头94a-94e。
上部结构中的接头布置使得接头94a连接有一个撑杆96，接头94b连接有两个撑杆98，100，每个接头94c-e连接有一个撑杆102、104、106。这些接头成三角形构造，其中接头92a位于一个角，接头92b位于第二个角，接头92c-e位于第三个角。
基部中的接头布置使得接头92连接有两个撑杆96、98，每个接头92b-91e连接有一个撑杆100-106。这些接头成五边形构造，每个接头位于一个角。
如图9所示，该布置具有两个接近能力改进的区域(撑杆96和106之间，以及撑杆100和102之间)。如图6中的布置所示，这允许部件从一侧插入到内部空间，从另一侧从内部空间移除，如箭头所示。图9的实施方式的有点包括，两个接近区域彼此相对，允许容易的对内部空间移入和移除部件。这种布置允许物体在接近区域之间穿过工作区域成直线移动。
可对这些实施方式进行变型，其中接头数在三和六之间。例如，球接头94c-d，d和f可以结合，以便形成单个球接头或者两个球接头，一个撑杆连接到一个球接头上，两个撑杆连接到第二球接头上。
图1-6和9所示的实施方式全部示出了撑杆在端部安装到球接头上。在图2-8中，撑杆用线示出，以便容易图示。这些撑杆是伸缩式的，如图1和9所示。可选择的是，如专利文献US5604593中公开的一样，撑杆可以包括刚性滑块，接头可以包括具有可万向旋转的球的球轴承，孔穿过球延伸，其中管状滑块可通过摩擦驱动而伸缩式滑动。因此，滑块被驱动穿过球轴承滑动，以便调节基部和上部结构上的接头之间的滑块长度。
这种布置的撑杆也适于静态系统。图7示出了机器的一种替代实施方式。在该布置中，基部82和上部结构84处于相互固定的位置，六个撑杆86a-f用来相对于基部82支撑固定的上部结构84。用于支撑测量装置90的机构88安装在上部结构84上，使得可相对于固定结构运动。例如，动力驱动的连杆88a、b、c可以设置成将固定的上部结构84与测量装置90连接。如前面的实施方式所述，六个撑杆86安装成使得能够接近这些撑杆内部的空间。
本发明提供刚性或者六个自由度的平台，其中可以从至少一个方向接入内部工作空间中。
尽管全部实施方式都示出了六个撑杆，但是，可以在基部和上部结构之间设置额外的撑杆。
尽管上述实施方式描述了坐标定位机器，本发明同样适用于其他应用。例如，该机器可以包括坐标定位机器，其中，一部件安装在内部空间，并且通过操作模块操作，该操作模块可在六个自由度上移动。这种应用包括坐标定位及(CMM)、机床、快速原型制作、材料处理、取出、印刷、视觉检测、局部操纵、以及组件和表面分类。
该操作模块可包括传感器、例如相机或者温度传感器。可选择的是，操作模块可包括探头组件。术语探头组件包括接触测量探头，例如碰触触发式探头，其对表面采取离散测量点，或者包括扫描探头，其测量触针的偏转量，可以用来扫描表面。探头组件还包括非接触式探头，例如光学、电容或者电感探头。探头组件还可以包括例如探针头部的装置，其提供安装在其上的探头围绕一个或者多个轴的旋转。例如，专利文献WO90/07097公开了动力驱动的扫描头，其使得安装在扫描头上的触针能够围绕两个垂直的轴旋转。该探头或者传感器还可围绕其自身的轴旋转。同样，除了探头组件之外的操作模块也可以围绕一个或者多个轴旋转。

Claims (19)

1.一种坐标定位机器，其包括：
基部；
一结构；
六个或者更多撑杆，所述撑杆连接所述基部和所述结构；
多个接头位于所述基部和所述结构处，用于将所述撑杆连接到所述基部和所述结构，一个或者多个撑杆与每个接头连接；
由所述基部、所述结构和所述撑杆限定的工作空间；
位于所述结构上的支撑构件，其用于将操作模块安装在其上；以及
能够接近所述工作空间的至少一个接近区域，所述至少一个接近区域形成在两个相邻的撑杆之间，所述接近区域的区间由两个撑杆、这两个撑杆与基部的连接点之间的直线、以及这两个撑杆与所述结构的连接点之间的直线限定；其中，所述至少一个接近区域的区间大于另一组相邻撑杆之间的区间；
所述接头的构造在所述基部和所述结构处不同，其特征在于，在所述基部和所述结构之一中的接头的几何构造是三角形。
2.根据权利要求1所述的坐标定位机器，其特征在于，所述接近区域为四边形。
3.根据权利要求2所述的坐标定位机器，其特征在于，另一组相邻撑杆、所述基部以及所述结构之间的区域是三角形。
4.根据权利要求1所述的坐标定位机器，其特征在于，所述接头使得所述撑杆和与所述接头连接的基部或者结构中的一个之间能够相对旋转运动。
5.根据权利要求4所述的坐标定位机器，其特征在于，所述接头包括枢转接头。
6.根据权利要求1所述的坐标定位机器，其特征在于，在所述基部和所述结构中的另一个中的接头的几何构造是四边形。
7.根据权利要求6所述的坐标定位机器，其特征在于，三角形中的每个接头支撑两个撑杆，而四边形中的两个接头都支撑两个撑杆，四边形中的另两个接头都支撑单个撑杆。
8.根据权利要求1所述的坐标定位机器，其特征在于，在所述结构中具有六个接头，在所述基部中具有六个接头，每个接头支撑单个撑杆。
9.根据权利要求1所述的坐标定位机器，其特征在于，所述结构和所述基部中的接头之间撑杆的长度是可以调节的，由此能够使得所述结构相对于所述基部运动。
10.根据权利要求1所述的坐标定位机器，其特征在于，所述撑杆是伸缩式的。
11.根据权利要求1所述的坐标定位机器，其特征在于，所述撑杆的长度是固定的。
12.根据权利要求1所述的坐标定位机器，其特征在于，所述至少一个接近区域包括两个接近区域。
13.根据权利要求1所述的坐标定位机器，其特征在于，提供两个接近区域，这两个接近区域被布置成使得一路径成直线穿过工作空间在这两个接近区域之间延伸。
14.根据权利要求1所述的坐标定位机器，其特征在于，所述坐标定位机器包括坐标测量装置。
15.根据权利要求1所述的坐标定位机器，其特征在于，所述操作模块的方位可围绕至少一个轴调节。
16.根据权利要求1所述的坐标定位机器，其特征在于，所述操作模块的方位可围绕两个轴调节。
17.根据权利要求1所述的坐标定位机器，其特征在于，所述操作模块的方位可围绕三个轴调节。
18.根据权利要求1所述的坐标定位机器，其特征在于，所述操作模块是传感器。
19.根据权利要求1所述的坐标定位机器，其特征在于，所述操作模块是探头组件。
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