CN101939619B - 电动坐标测量仪器 - Google Patents

Abstract

一种坐标测量仪器(10)，该坐标测量仪器(10)包括壳体(12)，该壳体(12)旋转地支撑在基座(11)上并安装有竖直支柱(13)，沿该竖直支柱(13)安放有由水平平移臂(15)接合的滑架(14)。位于臂的各端处的转动架(18、19)容纳连接至探头(22、23)的旋转本体(20、21)。基座的旋转、滑架的竖直运动、臂的水平运动和探头的旋转由壳体中的马达(27、28、29、30)来驱动。马达的旋转由线缆与滑轮组件传递至臂和滑架。控制臂的横向运动的线缆(43)使其相对端附接至臂的相对末端(16、17)，并且分别沿支柱的位于滑架上方和下方的部分上下运行，以便当滑架沿支柱上下运动时保持线缆恒定的长度和张力。协调探头的旋转与基座的旋转，以保持探头相对于测量表面成恒定的角度。

Description

电动坐标测量仪器

技术领域

本发明涉及一种用于确定工件上的点的坐标值的设备，并且更具体地涉及用于定位安装在铰接复坐标臂上的探头的机构。

背景技术

在许多产业中普遍使用坐标测量设备，以分析工件的外形或检验与规范相符的制造。在第一种设备中，探头安装在铰接多轴测量臂上。手动地使探头与工件上的点接触，以检验该点的直角坐标。还可沿仿形表面拖动探头，以便确定该仿形表面的球面坐标或支柱面坐标。安装在臂的各关节内的数字编码器产生馈送至数据处理器的方位信号，该数据处理器从这些信号提取预期的坐标值。在此以引用的方式并入于此的本发明人的美国专利No.5,829,148中公开了该第一种坐标测量设备的示例。

在第二种坐标测量设备中，通过对设备的相对于彼此正交的各种结构元件的运动进行引导的计算机控制马达自动地使安装在多轴可调支撑件上的探头与工件接触。安装在探头内的光学或触觉传感器在建立与工件的接触时停止支柱或臂的运动。在此以引用的方式并入于此的美国专利No.5,134,782中公开了该第二种坐标测量设备的示例。

由于在第一种坐标测量机中存在多个部件、尤其是运动部件，所以难得实现高的精度。这种机器还尤其对温度变化敏感。第二种坐标测量机倾向于较坚固，具有有限数量的坐标转换部件，并因此能提供较高的精度。然而，它们也较大、较重并且较复杂。

本发明起因于通过利用具有改善性能的新材料设计重量轻、然而精确的坐标测量仪器的努力。

发明内容

本发明通过某些支撑部件沿两正交轴的平移和通过基座部件的旋转引导测量探头。部件由在数据处理器的控制下的电动马达驱动的线缆与滑轮机构操纵。线缆复杂的绕线在不影响更远程地设置在机器上的辅助元件的定位的情况下自动地适应主要运动元件的位移。

在某些实施例中，因此提供一种坐标测量仪器，该坐标测量仪器包括：固定基座；壳体，其围绕第一轴线、即Z轴可旋转地支撑在所述基座上；支柱，其安装在壳体上并沿Z轴延伸；滑架，其可沿所述支柱平移并由所述支柱支撑；水平横臂，其滑动地接合在滑架上、可绕第二轴线、即Y轴平移并具有相对的第一末端和第二末端；壳体中的机电组件，该组件包括多个驱动装置和用于将驱动装置联接至可平移的滑架和滑动的横臂的装置；以及至少一个探头，其安装在所述第一末端。

在某些实施例中，机电组件包括：多个马达，所述马达中的每个马达均具有驱动滑轮；多个改向滑轮，所述多个改向滑轮与支柱和滑架相关；以及多个柔性细长的元件，其接合滑轮，以使滑架沿支柱上下平移和使臂围绕滑架双向(bilaterally)平移。

在某些实施例中，组件还包括用于使壳体和支柱围绕Z轴旋转的电动机构。

在某些实施例中，探头包括：转动架，其固定至所述第一末端；转动架内的本体，该本体可围绕竖直的第三轴线、即Z′轴旋转；以及感测元件，其附接至本体。

在某些实施例中，机电组件还包括：壳体中的辅助马达；以及用于将马达联接至本体的线缆与滑轮机构。

在某些实施例中，装置还包括编码装置，该编码装置用于指示出滑架沿所述Z轴的线性位置、臂沿所述Y轴的线性位置、壳体相对于基座的角度位置、和本体的方位。

在某些实施例中，感测元件包括在第一端耦联至本体的轴和在相对端处安装至本体的传感器。

在某些实施例中，所述轴沿平行于所述Z′轴的方向突出并与所述Z′轴间隔开。

在某些实施例中，装置还包括控制单元，该控制单元包括用于启动马达并用于定位与工件表面上的至少一个点接触的探头的装置。

在某些实施例中，传感器包括：成像设备；并且控制单元还包括用于启动马达并用于将接近所述表面上的点的所述成像设备定位的装置。

在某些实施例中，装置还包括固定至臂的第二末端的第二探头。

在某些实施例中，装置还包括控制单元，该控制单元包括用于启动所述马达并用于将与工件表面上的至少一个点接触的所述探头定位的装置。

在某些实施例中，控制单元还包括用于协调所述方位与所述角度位置的装置。

在某些实施例中，用于协调的装置包括用于调整轴相对于所述表面的角度位置的装置。

在某些实施例中，用于控制的装置还包括用于使探头沿所述表面上的路径运行的装置。

在某些实施例中，用于控制的所述装置还包括用于将探头间歇地定位在所述表面上的一系列离散点的装置。

在某些实施例中，用于间歇定位的装置包括用于使所述本体在小于180度的弧上交替并双向旋转的装置。

在某些实施例中，细长元件包括由合成塑料材料制成的线缆。

在某些实施例中，编码装置包括：线性与圆形指示器和光学检测器；以及第二控制装置，其包括响应所述编码装置的伺服系统。

在某些实施例中，所述柔性细长元件中的第一柔性细长元件包括线缆，该线缆在两端处固定至滑架，并且在支柱的上部区域中接合第一改向滑轮、在支柱的下部区域中接合第二改向滑轮并接合由所述马达中的第一马达驱动的滑轮。

在某些实施例中，所述柔性细长元件中的第二柔性细长元件包括线缆，该线缆在相对端处分别固定至所述第一末端和第二末端、沿支柱的位于滑架上方和下方的部分上下运行和接合由所述马达中的第二马达驱动的滑轮。

在某些实施例中，操作旋转本体中的每个旋转本体的线缆与滑轮机构包括沿支柱的位于所述滑架上方和下方的部分上下运行的闭合回路线缆。

在某些实施例中，提供一种坐标测量仪器，其包括：固定基座；壳体，其围绕第一轴线旋转地支撑在所述基座上；支柱，其安装在所述壳体上并沿所述第一轴线延伸；滑架，其能沿所述支柱平移并由所述支柱支撑；横臂，其滑动地接合在所述滑架上、能绕第二轴线平移并具有相对的第一末端和第二末端；所述壳体中的机电组件，所述组件包括多个驱动器和将所述驱动器联接至所述可平移的滑架和滑动的横臂的联接器；以及至少一个探头，其安装在所述第一末端。

附图说明

图1是根据本发明的坐标测量设备的主要机械元件的概略透视图。

图2是整个设备的概略视图。

图3是成像探头的概略视图。

具体实施方式

现在参考附图，在图1中示出一种包括固定基座11的坐标测量仪器10，在该固定基座11上旋转地安装有围绕第一轴线Z的壳体12。固定至壳体的顶部的中空管状支柱13与壳体同轴地竖直延伸。滑架14由支柱支撑，并且能沿该支柱的长度方向竖直地平移(translate)。水平中空管状横臂15接合在滑架中，并且能沿第二水平轴线Y双向平移。固定至臂的各末端16、17的是转动架20、21，所述转动架20、21容纳绕第三竖直轴线Z′、Z″旋转的本体20、21。触觉探头22、23具有卡扣到旋转本体20、21的下端中的轴24、25。壳体12中的机电组件26通过形成至马达驱动的联接的一系列线缆和滑轮联接至滑架14、横臂15，并联接至旋转本体20、21。机电组件26包括四台电动马达27、28、29、30。马达中的三台马达27、28、29根据选择的马达的类型直接地驱动或通过减速器34、35、36驱动滑轮31、32、33。

第一马达27控制滑架14的上下运动。由诸如可从Morristown，New Jersey的Honeywell International Inc.获得的SPECTRA品牌的高分子量聚乙烯纤维的合成塑料材料制成的线缆37在第一端联接至滑架的部件38。该线缆在支柱13内竖直向上延伸至该支柱13的顶部，在该顶部处，该线缆越过将该线缆的方向改变成向下朝支柱的底部的滑轮39，在该支柱的底部处，通过另一滑轮40将线缆的方向改变至水平位置，然后，该线缆接合马达滑轮31。该线缆从另一改向滑轮41向上朝滑架上升，在该滑架处，该线缆在其相对端固定至另一部件42。应理解的是，当启动第一马达27时，取决于该第一马达27的旋转方向，滑架14将沿支柱13的长度上下平移。

第二马达28通过第二线缆43控制臂15相对于滑架的双向平移。线缆43在第一端附接至臂16的第一末端，然后接合改向滑轮44并在支柱内朝其顶部区域上升，在该支柱的顶部区域处，该线缆在向下下降到壳体12中之前接合另一改向滑轮45。在接合第三改向滑轮46之后，该线缆43接合由第二马达28驱动的滑轮32。然后，通过滑轮47朝滑架14引导线缆43，在该滑架14处，第六滑轮48将该线缆43朝该线缆43的相对端附接至的臂的另一末端17引导。应指出的是，通过使线缆43沿支柱的位于滑架14上方和下方的部分上下运行，在滑架沿支柱13的运动期间，线缆保持绷紧，并且臂的平移位置能保持固定。

第三马达29经由第三线缆50控制旋转本体20、21的方位。线缆50形成连续闭合回路，并且由与马达29相关的滑轮33接合，以及分别由改向滑轮51、52、53、54和55朝与旋转本体20、21相关的滑轮56和57引导。应重点指出的是，根据与臂15的控制结合所使用的相类似的方案通过一系列的滑轮使线缆50沿支柱13上下运行，在滑架14沿支柱13的运动期间，线缆50保持绷紧，并且旋转本体20和21的旋转位置能保持固定。

如有必要，第四马达30通过减速器62驱动齿轮61。齿轮61与基座11中的轨道63啮合，以使壳体12和支柱绕竖直轴线Z旋转。应指出的是，滑轮44、48、53、和54的轮轴固定至滑架14。滑轮40、41、46、47、51、和52可安装在固定至壳体12或固定至支柱13的轮轴上。

探头轴24的轴线Z2优选与旋转本体20和滑轮55的轴线Z′平行并稍微间隔开。通过使第三马达29的旋转运动在小于180度的弧上振荡，可给探头22的顶端64施加振动动作，该振动动作在沿工件的表面上的路径驱动探头时允许对所述表面上的多个离散点进行测量。

应重点指出的是，滑架、臂、和旋转本体的从动运动出现在所有驱动马达没有位于滑架、臂、或旋转本体本身中的时候，因此，消除了这些结构中的马达和供电线路的重量和热源。这样，在某些实施例中，在该装置仍提供达到5500立方厘米的测量体积、和5微米远范围准确度(far range accuracy)、以及2微米近范围准确度(near rangeaccuracy)的同时，能使该装置重量小于12公斤，并且由电池供电，并因此便于携带。

现在参考图2，由第一光学检测器66读取沿支柱13的长度的第一线性刻度65。由第二光学检测器68读取沿横臂15的第二刻度67。两检测器均安装在滑架14上。与基座11相关的光盘69由与壳体12相关的第三光学传感器70读取。与旋转本体20、21相关的相似光盘71、72由与转动架18和19相关的光学传感器73、74读取。来自各种传感器和检测器以及到马达的信号导体75连接至控制单元76，该控制单元76包括响应于从各种检测器和传感器接收的信号以及由自动数据处理器77产生的命令、对为提供马达的运动能量和引导马达的运动说来必需的所有电子和伺服系统组件。处理器响应于由人工输入装置78提供的信号或响应于限定由计算机程序79提供的测量过程的指令。因此，能引导探头中的任一探头，以接触该装置所能及的范围内的所有表面，并提供工件上由探头中的任一探头所接触的任一点的精确坐标。

在图3所示的探头的替代实施例中，先前实施例的触觉传感器由照相机或其他成像装置替代。由照相机产生的图像信号被馈送至在图像识别计算机程序的指导下操作的处理器。

应理解的是，马达与滑架、横臂与旋转本体之间的机械联接可借助于啮合齿轮、链、及其他明显等同的元件实现。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但在不偏离本发明的精神和所附权利要求的保护范围的情况下，能作出变型，并且可能设计出其他实施例。

Claims (23)

1.一种坐标测量仪器，其包括：

固定基座；

壳体，所述壳体可围绕第一轴线旋转地支撑在所述基座上；

支柱，所述支柱安装在所述壳体上并沿所述第一轴线延伸；

滑架，所述滑架可沿所述支柱平移并由所述支柱支撑；

横臂，所述横臂滑动地接合在所述滑架上、可关于第二轴线平移并具有第一末端以及与所述第一末端相对的第二末端；

机电组件，所述机电组件位于所述壳体中，所述机电组件包括多个驱动器和用于将所述驱动器联接至所述可平移的滑架和滑动的横臂的联接器；以及

安装到所述第一末端的至少一个探头。

2.根据权利要求1所述的仪器，其中所述机电组件包括：

多个马达，每个马达均具有驱动滑轮；

多个改向滑轮，所述多个改向滑轮与所述支柱和滑架相关；以及

多个柔性细长的元件，所述多个柔性细长的元件接合各所述滑轮，以使所述滑架沿所述支柱上下平移和使所述横臂关于所述滑架双向平移。

3.根据权利要求2所述的仪器，其中所述机电组件还包括用于使所述壳体和支柱围绕所述第一轴线旋转的电动机构。

4.根据权利要求2所述的仪器，所述仪器还包括：

转动架，所述转动架固定至所述第一末端；

本体，所述本体位于所述转动架内，所述本体可围绕第三轴线旋转；以及

感测元件，所述感测元件附接至所述本体。

5.根据权利要求4所述的仪器，其中所述机电组件还包括：

除了所述多个马达之外的辅助马达；

所述辅助马达位于所述壳体中；以及

除了所述多个柔性细长的元件之外的线缆、以及除了所述驱动滑轮和所述多个改向滑轮之外的滑轮机构；

所述线缆与所述滑轮机构将所述辅助马达联接至所述本体。

6.根据权利要求5所述的仪器，所述仪器还包括编码装置，所述编码装置用于指示出所述滑架沿所述第一轴线的线性位置、所述横臂沿所述第二轴线的线性位置、以及所述壳体相对于所述基座的角度位置。

7.根据权利要求6所述的仪器，其中所述感测元件包括在第一端耦联至所述本体的轴和安装在相对端处的传感器。

8.根据权利要求7所述的仪器，其中所述轴沿平行于所述第三轴线的方向突出并与所述第三轴线间隔开。

9.根据权利要求7所述的仪器，所述仪器还包括控制单元，所述控制单元包括用于启动所述辅助马达并定位与工件表面上的至少一个点接触的所述至少一个探头的装置。

10.根据权利要求9所述的仪器，其中所述传感器包括成像设备；并且

所述控制单元还包括用于启动所述多个马达并定位接近工件表面上的点的所述成像设备的装置。

11.根据权利要求1所述的仪器，所述仪器还包括：

固定至所述横臂的第二末端的第二探头。

12.根据权利要求8所述的仪器，所述仪器还包括控制单元，所述控制单元包括用于启动所述多个马达并定位与工件表面上的至少一个点接触的所述至少一个探头的装置。

13.根据权利要求9所述的仪器，其中所述控制单元还包括用于协调沿所述第一轴线和所述第二轴线的线性位置和所述角度位置的装置。

14.根据权利要求13所述的仪器，其中所述用于协调的装置包括用于调节所述轴相对于所述工件表面的所述角度位置。

15.根据权利要求12所述的仪器，其中所述用于启动所述多个马达并定位所述探头的装置包括：用于沿所述工件表面上的路径运行所述至少一个探头的装置。

16.根据权利要求12所述的仪器，其中所述用于启动所述多个马达并定位所述至少一个探头的装置包括：用于将所述探头间歇地定位在所述工件表面上的一系列离散点的装置。

17.根据权利要求14所述的仪器，其中所述控制单元进一步适于使所述本体在小于180度的弧上交替并双向旋转。

18.根据权利要求2所述的仪器，其中所述柔性细长的元件包括由合成塑料材料制成的线缆。

19.根据权利要求6所述的仪器，其中所述编码装置包括：

线性与圆形指示器和多个光学检测器；以及

第二控制装置，所述第二控制装置包括响应于所述编码装置的伺服系统。

20.根据权利要求2所述的仪器，其中所述柔性细长的元件中的第一柔性细长的元件包括线缆，所述线缆在两端处固定至所述滑架，并且在所述支柱的上部区域中接合第一改向滑轮、在所述支柱的下部区域中接合第二改向滑轮并接合与所述多个马达中的第一马达相关的所述驱动滑轮。

21.根据权利要求2所述的仪器，所述仪器还包括：

其中所述柔性细长的元件中的第二柔性细长的元件包括线缆，所述线缆在相对端处分别固定至所述第一末端和第二末端、沿所述支柱的位于所述滑架上方和下方的部分上下运行并接合与所述多个马达中的第二马达相关的所述驱动滑轮。

22.根据权利要求1所述的仪器，其中所述机电组件包括沿所述支柱的位于所述滑架上方和下方的部分上下运行的闭合回路线缆。

23.一种坐标测量仪器，其包括：

固定基座；

壳体，所述壳体可围绕第一轴线旋转地支撑在所述基座上；

支柱，所述支柱安装在所述壳体上并沿所述第一轴线延伸；

滑架，所述滑架可沿所述支柱平移并由所述支柱支撑；

横臂，所述横臂滑动地接合在所述滑架上、可关于第二轴线平移并具有相对的第一末端和第二末端；

机电组件，所述机电组件位于所述壳体中，所述机电组件包括多个驱动器和将所述驱动器联接至所述可平移的滑架和滑动的横臂的联接器；

安装到所述第一末端的至少一个探头；以及

其中所述至少一个探头包括成像设备。

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