CN103250023A - 用于铰接臂激光扫描仪的安装装置 - Google Patents

Abstract

一种铰接臂，其可以包括多个铰接臂构件、探头、包括螺纹部分的远端接收部和近端底座。底盘可以运动学地安装在所述接收部上并且具有使得所述探头经由其穿过的孔。所述底盘还可以连接到位于所述孔的相对侧的激光器和光学传感器。螺母可以通过螺纹安装到所述接收部的所述螺纹部分。此外，波形弹簧可以安装在位于所述螺母和所述底盘之间的所述接收部上。因此，所述螺母沿着所述接收部的运动引起所述波形弹簧对着所述铰接臂推进所述底盘从而固定所述运动学支架。所述波形弹簧可以机械地将所述底盘与所述铰接臂分离。

Description

用于铰接臂激光扫描仪的安装装置

相关申请的交叉参考

本申请要求2010年9月2日在美国提交的第12/874,688号专利申请的优先权，根据美国法典第35条第119（e）款，该专利申请要求在2010年8月31日在美国提交的第61/378，650号，题目为“MOUNTING APPARATUS FOR ARTICULATED ARM LASERSCANNER（用于铰接臂激光扫描仪的安装装置）”的临时专利申请的优先权，其全文通过引证的方式清楚地并入文本中。

技术领域

本发明涉及坐标测量机，并且更具体地，涉及具有激光扫描仪的坐标测量机。

背景技术

直线运动测量系统，也称作坐标测量机（CMM）和铰接臂测量机，被用来产生高度精确的几何信息。一般来说，这些仪器捕获对象的结构特征用于质量控制、电子渲染和/或复制。用于坐标数据采集的传统装置的一个示例是便携式坐标测量机（PCMM），其是能够在装置的测量范围内进行高度精确测量的便携式装置。所述装置通常包括安装在包括通过接头连接到一起的多个传送构件的臂的一端的探头。相对于探头的臂的一端典型地联接到可移动底座。典型地，所述接头分解成单一的自由旋转度，其每一个使用专用旋转传感器被测量。在测量过程中，通过操作者手动将臂的探头移动到测量范围内的各个点。在每一个点，每一个接头的位置必须在给定的时间内及时被确定。因此，每一个传感器输出根据接头在该自由度上的运动而改变的电信号。典型地，探头也生成信号。这些位置信号和探头信号经由所述臂被传送到记录器/分析器。然后所述位置信号被用于确定探头在测量范围内的位置。例如，参见美国专利第5,829,148号和第7,174,651号，它们通过引用的方式全文并入本文中。

逐渐地，PCMM’s与光学或激光扫描仪结合使用。在这样的应用中，光学或激光扫描仪典型地包括都放在一个盒中的光学系统、激光源或光源、传感器和电子设备。激光扫描仪盒反而连接到PCMM的探头端，并且连接到探头的一侧。用于安装激光扫描盒的现有各个位置包括将所述盒放置在探头的顶部，在探头的轴之前或之下，和/或远离探头的一侧。以这种方式，二维数据和/或三维数据可以用激光扫描仪收集，并且与由PCMM产生的位置信号结合。例如参见美国专利第7,246,030号。

然而这样的PCMM和激光扫描仪结合是有用的。如上所述，PCMM’s的目的是进行高度精确的测量。因此，对改进这种装置的精确性存在持续的需求。

发明内容

本发明的一个方面实现现有技术系统遭受的许多低效率的问题。例如，现有技术系统典型地需要可以允许激光扫描仪容易地从臂上被移除并且被替换的可重复的运动学支架（mount）。但是，这些运动学支架潜在地在激光扫描仪上提供很大的力，所述力可以潜在地引起激光扫描仪组件偏转。更具体地，当扫描仪与触摸探头紧密地安装时，一旦与被测量物品接触，在触摸探头上的压力可以引起触摸探头的小偏转，该偏转可以被传递到激光扫描仪的结构上。因此，不恒定的误差可以被加到激光扫描仪上。很难分析这种不恒定的误差。

因此，本发明的一个实施方式包括含铰接臂、底盘、螺母和波形弹簧的铰接臂CMM。所述铰接臂可以包括：多个铰接臂构件，探头，包括螺纹部分的远端接收部和近端底座。所述底盘可以运动学安装在所述接收部上并且具有使得所述探头经由其穿过的孔。所述底盘还可以连接到位于所述孔的相对侧的激光器和光学传感器。所述螺母可以通过螺纹旋拧安装到所述接收部的所述螺纹部分。此外，所述波形弹簧可以安装在位于所述螺母和所述底盘之间的所述接收部上。因此，螺母沿着所述接收部的运动引起所述波形弹簧依靠所述铰接臂推进所述底盘，从而固定所述运动学支架。然后，所述波形弹簧可以机械地将所述底盘从所述铰接臂分离。

在另一个实施方式中，铰接臂CMM可以包括铰接臂和底盘。所述铰接臂可以包括多个铰接臂构件，多个连接所述铰接臂构件的接头，探头，螺纹部分，和在近端的底座。所述底盘可以运动学地安装在所述铰接臂上并且具有使得所述探头经由其穿过的孔。所述底盘还可以连接到激光器和光学传感器。此外，所述底盘与所述铰接臂是机械分离的，使得在所述铰接臂上的偏转向所述底盘施加最小的偏转力。

在另一个实施方式中，提供了一种组装铰接臂CMM的方法。可以将探头安装到铰接臂CMM的一端。然后，围绕所述探头，可以将激光扫描仪安装到所述铰接臂CMM的一端。然后，可以将所述波形弹簧和所述激光扫描仪固定在所述铰接臂CMM上。优选地，还可以围绕所述探头，将波形弹簧安装并且固定到所述铰接臂CMM。

所有这些实施方式都在本发明公开的范围内。通过参照附图的下面对优选实施方式的详细说明，本领域技术人员将更容易理解本发明的这些和其它实施方式。本发明不限于任何公开的特定优选实施方式。此外，单独的实施方式不需要提供上述所有或任何优点。

附图说明

结合示出了本发明例示性实施方式的附图和以下详细说明，本发明的其它目的、特征和优点将更显而易见，其中：

图1是具有激光扫描仪的CMM臂的一个实施方式的立体图；

图1A是图1的CMM臂的侧视图；

图1B是图1的CMM臂的俯视图；

图2是图1的CMM臂的坐标采集构件的立体图；

图2A是图2的坐标采集构件的侧视图；

图2B是图2的坐标采集构件的俯视图；

图2C是图2的坐标采集构件沿2C-2C线的侧视截面图；

图2D是标出各个尺寸的图2的坐标采集构件的侧视轮廓图；

图2E是坐标采集构件的另一个实施方式的立体图；

图3是图2的坐标采集构件的分解侧视图；

图3A是图3的非接触坐标检测装置沿3A-3A线的后视图；

图3B是图3的坐标采集构件的主体沿3B-3B线的正视图；

图4A描绘了另选坐标采集构件；

图4B描绘了标出各个尺寸的图4A的坐标采集构件的侧视轮廓图；

图5A描绘了另选坐标采集构件；

图5B描绘了标出各个尺寸的图5A的坐标采集构件的侧视轮廓图；

图6A描绘了另选坐标采集构件；

图6B描绘了标出各个尺寸的图6A的坐标采集构件的侧视轮廓图；

图7A描绘了另选坐标采集构件；

图7B描绘了标出各个尺寸的图7A的坐标采集构件的侧视轮廓图；

图7C描绘了标出各个尺寸的图7A的坐标采集构件的正视轮廓图；

图8是坐标采集构件的另一个实施方式的分解图；

图8A是图8的非接触坐标检测装置的后视图；

图8B是图8的坐标采集构件的主体的正视图；

图9是图8的坐标采集构件的正视分解立体图；

图10是图8的坐标采集构件的后视分解立体图。

具体实施方式

图1-1B例示了根据本发明的便携式坐标测量机（PCMM）1的一个实施方式。在例示的实施方式中，PCMM1包括：底座10，多个刚性传送构件20，坐标采集构件50和将刚性传送构件20彼此连接的多个铰接构件30-36。铰接构件30-36中的每一个被配置为提供一个或多个旋转和/或角自由度。通过各个铰接构件30-36，PCMM1可以沿各个空间方位对齐，由此允许坐标采集构件50在三维空间中精细定位和定向。

刚性传送构件20和坐标采集构件50的位置可以使用手动、自动、半自动和/或任何其它调整方法而被调整。在一个实施方式中，PCMM1通过各个铰接构件30被设置有七个运动旋转轴。但是，可以理解，对可以被使用的运动轴的数量不进行限制，更少或额外的运动轴可以被合并到PCMM的设计中。

在图1所示的PCMM1的实施方式中，铰接构件30-36可以基于它们的操作被分成2个功能组，即：1）铰接构件30、32、34、36，它们允许与特定的传送构件相关的旋转运动（在下文中，“旋转接头”）；和2）铰接构件31、33、35，它们允许形成在两个相邻构件之间或在坐标采集构件30和其相邻构件之间的相对角度改变（在下文中，“铰链接头”）。而例示的实施方式包括放置的四个旋转接头和三个铰链接头从而形成七个运动轴，在其它实施方式中考虑了可以改变铰链接头和旋转接头的数量和位置，从而获得在PCMM中的不同运动特征。例如，具有六个运动轴的基本相似的装置可以仅缺少在坐标采集构件50和相邻铰接构件20之间的旋转接头30。在其它实施方式中，旋转接头和铰链接头可以被结合和/或以不同的组合使用。

在各个实施方式中，坐标采集构件50包括设置为啮合被选择物体的表面并且基于探头接触生成坐标数据的接触灵敏构件或探头55（以硬探头描述），如图2-3所示。在例示的实施方式中，坐标采集构件50还包括非接触扫描和检测部件，其不需要与被选择物体直接接触来获取几何数据。如所描述的，所述非接触扫描装置包括可以被用来获取几何数据而无需直接接触物体的非接触坐标检测装置60（示出为激光坐标检测装置/激光扫描仪）。将被理解地是，包括接触灵敏探头、非接触扫描装置、激光扫描装置、使用应变仪用来检测接触的探头、使用压力传感器来检测接触的探头、使用红外光束来定位的装置、以及可以被配置为静电响应的探头的各个坐标采集构件配置可用于坐标采集目的。此外，在一些实施方式中，坐标采集构件50可以包括一个、两个、三个或多于三个的坐标采集机构。

特别参照图3，在PCMM1的各个实施方式中，可以被用来采集坐标的各个装置，例如激光坐标检测装置60，可以被设置为与PCMM1手动断开和再连接，使得操作者可以改变坐标采集装置而无需专门工具。因此，操作者可以快速并且容易地移除一个坐标采集装置并且用另一个坐标采集装置将其替换。所述连接可以包括任何快速断开装置或手动断开装置。坐标采集装置的该快速连接能力在相对短的时间内可以用于各种测量技术（例如，需要坐标采集构件与表面物理接触的测量，接着是只需要坐标采集构件的光学接触的测量）的PCMM1中可以是特别有利的。如所描述的，尽管只有激光坐标检测装置60被移除，在一些实施方式中，接触灵敏构件55也可以被以相似的方式移除并且替换。

在图2的实施方式中，坐标采集构件30还包括被设置为操作者可以使用的按钮41。通过个别地，复合地或以预设的序列按压一个或多个按钮41，操作者可以向PCMM1输入各种命令。在一些实施方式中，按钮41可以被用来指示坐标读数已经准备好被记录。在其它实施方式中，按钮41可以被用来指示正被测量位置是起始位置并且其它位置应该相对于起始位置被测量。在其它实施方式中，按钮41可以使用接触灵敏构件55来记录点，使用非接触坐标检测装置60记录点，或在所述两装置间转换。在其它实施方式中，按钮41可以被编程从而满足操作者的特定需求。按钮41在坐标采集构件50上的位置是有利的，因为操作者使用坐标采集构件50的同时不需要使用底座10或计算机来激活PCMM1的各种功能。该位置在具有特别长的传送构件20的PCMM的实施方式中可以是特别有利的，因此将底盘10放置在坐标采集构件50的操作者在大多数位置无法达到的位置。在PCMM1的一些实施方式中，可以提供任意数量的操作者输入按钮（例如，多于或少于例示的两个）。有利地，如所描述的，按钮61被放置在触发位置中的手柄40上，但是在其它实施方式中，可能希望在坐标采集构件50上的其它位置或在PCMM1上的任何位置放置按钮。PCMM的其它实施方式可以包括位于PCMM上或坐标采集构件50上的其它操作者输入装置，例如开关、旋转拨号盘、或触摸板，代替操作者输入按钮或额外于操作者输入按钮。

特别参照图1，在一些实施方式中，底座10可以通过磁性支架、真空支架、螺栓或其它连接装置被连接到工作表面。此外，在一些实施方式中，底座10可以包括各种电接口，例如插头、插座或附接端口。在一些实施方式中，附接端口可以包括：用于连接到例如通用计算机的处理器的在PCMM1和USB接口间的可连接性，用于与电源相连接的AC电源接口，或用于连接到监视器的视频接口。在一些实施方式中，PCMM1可以被设置为具有与外部处理器或通用计算机的无线连接，例如通过WiFi连接、蓝牙连接、射频连接、红外线连接、或其它无线通信协议。在一些实施方式中，各种电接口或附接端口可以被特别地配置为满足特定PCMM1的要求。

继续参照图1，传送构件20优选地由通常中空的圆柱管状构件构成，从而向构件20提供实质性的刚性。传送构件20可以由将为PCMM1提供实质性地刚性延伸的合适的材料制造。传送构件20优选地限定双管组件，从而向传送构件20提供额外的刚性。此外，考虑了在各种其它实施方式中，传送构件20可以被制成另选的形状，例如包括三角形或八角形截面的那些。

在一些实施方式中，可以期望使用例如碳纤维材料的复合材料来构造传送构件20的至少一部分。在一些实施方式中，PCMM1的其它部件还可以包括复合材料，例如碳纤维材料。构造例如碳纤维的复合材料的传送构件20，可以是特别有利的，因为其与例如钢或铝的金属材料相比，碳纤维可以对高温影响反应小。因此，坐标测量可以在各个温度准确且一致地执行。在其它实施方式中，传送构件20可以包括金属材料，或可以包括例如金属材料、陶瓷、热塑性塑料、或复合材料的组合。此外，本领域技术人员将理解地是，PCMM1的许多其它部件还可以由例如碳纤维的复合材料制成。目前，由于复合材料的制造能力与金属的制造能力相比通常不准确，一般需要更准确尺寸的PCMM1的部件通常由例如铝的金属制造。可以预见，随着复合材料制造能力的提高，更多的PCMM1部件可以由复合材料制成。

继续参照图1，PCMM1的一些实施方式可以还包括抗衡系统110，其可以通过减轻传送构件20和铰接构件30-36的重量的效果来协助操作者。在一些方向中，当传送构件20远离底座10延伸时，传送构件20的重量可以对操作者形成困难。因此，抗衡系统110可以是特别有利的，其减少操作者为方便测量而需要定位PCMM1所需要付出的努力。在一些实施方式中，抗衡系统110可以包括阻力单元（未显示），其被配置为帮助传送构件20的运动而无需大重量来悬臂支承传送构件20。本领域技术人员将理解地是，在其它实施方式中，简单的悬臂式的平衡力可以恰当地使用或与阻力单元相结合地使用。此外，如所示的，尽管只存在一个抗衡系统110单元，在其它实施方式中可以存在更多个。

在一些实施方式中，阻力单元可以包括使用流体阻力来给传送构件20的运动提供帮助的液压阻力单元。在其它实施方式中，阻力单元可以包括其它阻力装置，例如气动阻力装置、或线性或旋转弹簧系统。

如在本领域中公知的，通过了解每一个刚性传送构件20的长度和每个铰接构件30-36的具体位置，可以计算接触灵敏构件55在指定时刻在空间中的位置。每个铰接构件30-36可以被拆成单一的运动旋转度，其每一个使用专用的旋转传感器被测量。每一个传感器输出根据铰接构件在其运动度中的运动而改变的信号（例如，电信号）。所述信号可以通过电线被携载或另外被传输到底座10。从那里，信号可以被处理和/或被转移到计算机，用于确定坐标采集构件50和及其在空间的各个部分的位置。

在一个实施方式中，传感器可以包括光学编码器。一般来说，每一个编码器通过将运动连接到一对具有连续的透明和不透明带的内部轮测量其轮轴的旋转位置。在该实施方式中，光可以经由所述轮照射在供给一对电输出的光学传感器上。由于轮轴扫过弧，模拟编码器的输出可以基本上是两个90度异相正弦曲线信号。通过监视两个信号极性的改变可以产生粗定位。通过测量在该时刻在讨论中的两个信号的真正的值可以确定精准的定位。在某些实施方式中，在所述输出被电子噪声损坏之前，通过精确地测量输出可以获得最大的准确性。例示实施方式PCMM1的其它细节和实施方式可以在美国专利第5,829,148号中找出，其全文通过引用的方式并入本文中。

参照图1、1A和1B，在一些实施方式中，PCMM1可以包括一个或多个可旋转握持组件122、124。在例示的实施方式中，PCMM1可以包括下部可旋转握持组件122和上部可旋转握持组件124。有利地，将下部可旋转握持组件122和上部可旋转握持组件124放置在上一个传送构件21之上，允许操作者容易地用两只手定位PCMM1。在其它实施方式中，PCMM1可以包括一个或多于两个可旋转握持部。握持组件的其它细节可以在申请人2008年3月28日提交的待审查美国专利申请第12/057，966号中找到，其全文通过引用的方式并入本文中。

尽管本文一般地讨论了PCMM1的一些实施方式和相关特征，PCMM1的其它细节和实施方式可以在美国专利第5,829,148号和第7,174,651号中找出，所述两个专利的全文通过引用的方式并入本文中。尽管以下的某些特征参照PCMM1的上述实施方式描述，也考虑了它们可以应用在PCMM的其它实施方式中，例如在下述专利申请文献中描述的那些实施方式中，即：2010年3月26日提交的美国专利申请第12/748,169号，发明名称为“IMPROVED ARTICULATEDARM（改进的铰接臂）”；2010年3月26日提交的专利申请12/748,243号，发明名称为“SYSTEMS AND METHODS FOR CONTROL ANDCALIBRATION OF A CMM（用于CMM控制和校准的系统和方法）”；2010年3月26日提交的12/748，278，发明名称为“CMM WITHIMPROVED SENSORS（具有改进的传感器的CMM）”；2010年3月26日提交的12/748，206，发明名称为“CMM WITH MODULARFUNCTIONALITY（具有模块化功能的CMM）”；以及2010年3月26日提交的12/746，267，发明名称为“ENHANCED POSITIONDETECTION FOR A CMM（用于CMM的增强位置检测）”，所述专利申请的全文通过引用的方式并入本文。

如图1所示，PCMM在其臂的一端可以包括坐标采集构件50。图2-3更详细地描绘了坐标采集构件50。如所示的，坐标采集构件50可以包括接触灵敏构件55和面向前端54的激光坐标检测装置60。坐标采集构件50在下端51还连接到柄40并且在后端52连接至PCMM1。坐标采集构件50可以还包括顶端53。在后端52，坐标采集构件50可以还包括具有铰链31的数据连接（未显示），例如集电环连接、直通线或一些其它连接。这允许在坐标采集构件50和PCMM1之间的数据传输。PCMM1可以包括沿着其臂的允许坐标采集构件50和底座10之间数据传输的相似数据传送元件，或任何在PCMM臂之外的外部计算媒体。

激光坐标检测装置60可以包括光源65（示出为激光器）和光学传感器70（示出为摄像机），并且可以通过三角测量的方法获取位置数据。激光或光源65可以形成例示的包括激光线L4的激光平面。摄像机70可以从激光平面位移并且与激光平面不平行。因此，摄像机70将或高或低地观察点，取决于它们的位置是远离激光器65还是靠近激光器65。类似地，摄像机70将观察被激光器照亮的点偏左或偏右，取决于它们相对于激光器65的真正位置。比较激光器65与摄像机70的位置和方向之间的几何关系将允许本领域技术人员适当地将摄像机70捕获的图像中的激光照亮点的图像的位置转变为结合坐标采集构件50自身位置的空间中的实际位置。

在图1中，根据多个运动轴和坐标采集构件50的接近性而标注多个运动轴。如所示的，坐标采集构件50可以绕着在转环30上的最后一个旋转轴L1枢转。在图2C中更清楚地描绘最后一个旋转轴L1和转环30。如示出的，激光坐标检测装置60在PCMM臂1的一端安装轴承150、151。轴承150、151的方向和位置可以实质上限定最后一个轴L1。因此，激光坐标检测装置60可以独立于接触灵敏构件（示出为探头）55绕着最后一个轴L1旋转。在一些实施方式中，接触灵敏构件55是不可旋转的，减少由在接触灵敏构件55和最后一个轴L1之间的任何离心率产生的潜在误差。转环30可以在铰链接头31上的最后一个刚性传送构件21的一端绕着至最后一个旋转轴的第二旋转轴L2旋转。像轴承150、151和最后一个轴L1，至最后一个轴的第二旋转轴L2基本上可以由铰链轴140限定。如所描述的，最后一个轴L1还可以被考虑作为翻滚轴，并且至最后一个轴的第二旋转轴可以被作为纵摇轴。类似地，绕着至最后一个轴的第三轴L3的旋转可以被作为偏航轴。

柄40一般还可以包括枪柄类型，其可以还包括对应于人手指的人体工程学凹槽（未显示）。所述柄还具有一般中心轴L5。可选地，在柄40内可以具有电池42。在一些实施方式中，柄40可以包括密封电池，如在2007年11月8日公开的美国公开第2007/0256311A1号中所描述，其全文通过引用并入本文。此外，电池42可以经由柄40的底部插入。在其它实施方式中，电池42可以经由柄40的顶部插入，并且柄40可以从坐标采集构件50释放，从而为电池插入和移除露出一个开口。电池可以用来给激光扫描仪、绕着铰接构件30-36中的一个的旋转马达、和/或其它类型的探头或装置提供电力。这可以减少流经臂的电流消耗，降低整体电力需求，和/或减少在臂的各个部分中产生的热量。

在一个实施方式中，数据可以从坐标采集构件50或非接触坐标检测装置60和PCMM1的底座来回无线传输或被传输到例如计算机的外部设备。这可以减少穿过PCMM1的内部线路的数量。还可以减少在PCMM1和计算机之间的线路数量。

在柄40之上，坐标采集构件50可以包括主体90，这在图3中最好地显示了。主体90在坐标采集构件50的后端52直接连接到铰链31。主体90还可以保持接触灵敏构件55。在优选实施方式中，主体90甚至与转环30基本对齐地保持接触灵敏构件55，使得接触灵敏构件55的轴靠近转环30的最后一个轴L1延伸。在一些实施方式中，接触灵敏构件55的轴可以穿过转环30的最后一个轴L1。在其它实施方式中，接触灵敏构件55的轴可以穿入最后一个轴L1内10毫米，该距离对应于D3（如图2D所示）。

在图3B中最好地显示了，主体90还可以包括：安装部分91，凹口92，和被设置为与激光坐标检测装置（示出为激光扫描仪）60交互的数据端口93。在图3A中最好地显示了，激光扫描仪60可以包括上壳体80、激光器65和数据端口101。如图3所示，激光扫描仪60可以被设置为安装在主体90上作为辅助机构（在其它实施方式中可以包括不同的装置）。上壳体80可以被成形为与安装部分91相匹配，并且因此可以被该部分接收。当安装部分91接收上壳体80时，凹口92可以被成形为接收激光器65。一旦交互，数据端口93、101可以相互作用从而在主体90和激光扫描仪60之间传递信息（并且因此如上所述还沿着PCMM臂1）。激光坐标检测装置60可以还包括基板75。基板75可以包括被设置为当激光扫描仪60安装到主体90时接收接触灵敏构件55的端口85。此外，基板75可以包括能与在主体90上的装配孔94相互作用的装配孔104，与扣件（未显示）一起将主体90和激光扫描仪60固定到一起。很清楚，各种螺钉和其它扣件可以被用来连接主体90和激光扫描仪60。例如，在一些实施方式中，它们可以通过允许容易地连接和移除的搭扣机构连接。此外，在一些实施方式中，当不使用工具将激光扫描仪60移除和再安装到主体90时，可以使用可重复运动支架。通过使用在产业中已知的3点运动支座(kinematic seat)，可以用高度重复性再安装。

当PCMM1旨在提供精确的位置数据时，PCMM可以被设计为将在接触灵敏构件55和非接触坐标检测装置60的误差降到最小。通过将在接触灵敏构件55和非接触坐标检测装置60上的最后三个轴的误差的影响最小化，可以减少坐标采样构件50的误差。接触灵敏构件55的最大误差可以用Ep表示在下面的等式中，该等式主要是最后三个轴（L1-L3）中的每一个轴的误差和从探头中心到轴的距离的函数。类似地，非接触坐标检测装置60的误差可以用Es表示并且其主要是最后三个轴（L1-L3）中的每一个轴的误差和从光学中心点P1到轴的距离的函数。

Ep=(dl*el)+(d2*e2)+(d3*e3)

Es=(d1’*el)+(d2'*e2)+(d3'*e3)

其中，e1、e2和e3表示在各个铰接构件30、31和32的三个最后旋转轴中的每一个轴的角度误差绝对值；并且d1、d2、d3、d1’、d2’和d3’表示从各个轴到探头中心或者光学中心点（或激光中心）P1的距离。随后将详细描述，如图2D所示，通过提供优越的几何形状来减少误差Ep和Es而同时平衡在柄40上的坐标采集构件50的重心（CG）并且减小坐标采集构件50的总高度（d4），PCMM1可以提高坐标采集构件50的精确度。

当激光扫描仪60安装到主体90时，在坐标采集元件之间可以出现各种几何属性。例如，如所描绘的，摄像机70、接触灵敏构件55和激光器65可以直接地与最后一个轴L1整合。例如，如所描绘的，当从前观察时（例如，沿着轴L1），摄像机70、接触灵敏构件55和激光器65可以通常是共线的，且接触灵敏构件55位于中间并且与最后一个轴L1对齐（即d1=0）。此外，如所描述的，上壳体80、接触灵敏构件55和激光器65可以通常与最后一个轴L1平行地放置。但是，摄像机70可以相对于最后一个轴L1成一定角度地定向从而观察激光平面。

所述布置在很多方面是有利的。例如，在这个布置中，绕着L1的元件的角度位置可以是基本相同的（除了当在最后一个轴L1的不同侧上180度偏移），简化了数据处理要求。作为另一个示例，提供的与最后一个轴L1对齐的这些元件可以帮助抵消这些元件绕着最后一个轴的重量，减少来自可能偏转的误差并且帮助绕着轴的运动。如图2D所示，坐标采集构件50的重心（CG）可以沿着L1。更进一步，与绕着最后一个轴L1的旋转角相关的误差通过从轴到由激光器65发出的激光平面的中心的垂直距离被放大（如图2D中的d1’所示）。在这个方向，垂直距离被最小化。在一些实施方式中，从激光平面的中心到最后一个轴的垂直距离可以不大于35毫米。特别地，在其它实施方式中，可以期望移动激光器65甚至更靠近最后一个轴L1，例如通过与其直接对齐。但是，接触灵敏构件55的精确性还是部分地取决于与最后一个轴L1的接近程度；并且，如下所述，将激光器65与摄像机70分离可以带来一些其它优点。

如进一步描述的，当激光扫描仪60安装到主体90时，接触灵敏构件55和激光坐标检测装置60可以形成紧凑设计。例如，激光器65和/或摄像机70可以越过一个或两个轴承150、151延伸。如所描述的，激光器65至少部分地越过轴承151但不越过轴承150延伸；并且摄像机70越过两个轴承延伸。在其它实施方式中，这些元件可以延伸到轴承，而不是超过它们。一般来说，让这些元件重叠减小了坐标采集构件50的必要长度。

在一些实施方式中，这样的紧凑设计可以允许坐标采集元件更靠近至最后一个轴的第二轴L2，以及最后一个轴L1。因此，可以减少在至最后一个轴的第二轴L2和测量点之间的距离（例如，在接触灵敏构件55的尖端和/或在摄像机70的焦点P1）。由于坐标采集构件50沿着至最后一个轴的第二轴L2的角度位置误差被这些距离放大，这以其它方式减小了PCMM1的误差。例如，紧凑设计还可以减少与表示为d3'的，从焦点P1到至最后一个轴的第三轴L3的距离有关的误差。此外，提供靠近至最后一个轴的第二轴和第三轴L2、L3的坐标采集构件50的元件可以减少偏转，进一步减少误差。在一些实施方式中，接触灵敏构件55可以在至最后一个轴的第二和/或第三轴L2、L3的185毫米内，并且摄像机70的焦点P1可以在至最后一个轴的第三轴的285毫米内。在图2D中最好地显示了，紧凑设计可以进一步将坐标采集构件50的重心（CG）靠近柄40的中心轴L5。在一些实施方式中，在重心和柄40的中心轴之间的距离可以不大于20毫米。紧凑设计的另一个优点在于，可以减少坐标采集构件50的垂直高度d4，允许在更紧凑的地点测量。在一些实施方式中，高度可以不大于260毫米。特别地，由于在描述的实施方式中的坐标采集构件50绕着最后一个轴L1旋转，高度d4还可以表示坐标采集构件50的最大长度。

在一些实施方式中，激光扫描仪60可以包括其它优点。例如，激光扫描仪60可以将激光器65与由PCMM臂1的其它部分生成的热量隔离。例如，如图3所示，底盘75将激光器65保持在一端并且将摄像机70保持在另一端，由接触灵敏构件55分隔。在一些实施方式中，底盘75可以包括具有低热膨胀系数的材料，例如殷钢、陶瓷、或碳纤维。减小热膨胀可以减少激光器65和/或摄像机70的位置和方向的改变，该改变会产生例如给测量带来其它误差的问题。类似地，底盘75可以还包括具有低导热系数的材料，妨碍例如从摄像机70到激光器65或PCMM1的热传递。

如所描述的，摄像机70可以保持在激光扫描仪60的上部壳体80中，并且在一些实施方式中，上部壳体可以包括多个摄像机。例如，如图2E所示，多个摄像机可以一般是水平地，或一般沿着垂直于在激光器65和接触灵敏构件55之间的线的线。在一些实施方式中，摄像机可以因此平行于激光器65的激光平面放置。有利地，该布置可以增加能被激光扫描仪60同时测量的激光平面的跨度。例如，如果每一个摄像机70具有有限的角跨度，增加第二相同摄像机可以增加这个跨度高达因子2。此外，到了摄像机70具有重叠视图的程度，比较两个图像可以减小在每一个单独摄像机中的误差。

上部壳体80可以还包括例如铝或塑料的材料。此外，上部壳体80可以保护摄像机70免受大气污染，例如灰尘、液体、环境光等。类似地，激光器65可以被主体90的凹口92保护。在一些实施方式中，凹口92可以包括具有低热膨胀系数和/或低导热系数的热隔离盘或热隔离板，保护激光器免受外部热量并且基本上保持其对齐。

在许多实施方式中，与激光坐标检测装置60相关的电子器件160可以生成大量热量。如上所述，各种部件可以通过例如具有低热膨胀系数和低导热系数的材料被保护而免受热量。如所示的，电子器件160可以位于激光扫描仪60的上壳体80中。

但是，在其它实施方式中，电子器件160可以进一步远离传感器55、60设置，例如在完全独立的壳体中。例如，在一些实施方式中，电子器件160可以被激光扫描仪60保持在单独的壳体中，并且连接到底盘75。在其它实施方式中，电子器件160可以进一步沿着PCMM1向下放置，例如在刚性传送构件20中或在底座10中。沿着PCMM1继续向下移动电子器件160可以减少在臂的一端的重量，将臂的偏转最小化。类似地，在一些实施方式中，电子器件160可以整个地在PCMM1之外，例如在单独的计算机中。来自传感器55、70的数据可以经由臂中的内部电缆上的PCMM1无线地或者通过其它数据传输方法被传输。在一些实施方式中，数据端口93、101可以包括弹簧负载销，使得电缆不暴露在外。

作为所述实施方式的另一个优点，系统的所述布局可以使用更小的体积。激光坐标检测装置60有时可以用三角测量理论操作。因此，可能希望在激光器65和摄像机70之间留一些距离。所述的实施方式有利地将接触灵敏构件55放置在该空间内，减小坐标采集构件50的体积。此外，最后一个轴L1还穿过该空间，使系统平衡并且减小坐标采集构件50的旋转体积。在这个构造中，轴和激光扫描仪的结合可以进一步被独特地优化来减小重量，由于更紧凑的设计减少了偏转，并且因此减少了对重载支承材料的需求。

为了进一步例示上述实施方式的优点，图4-7描绘了修改的配置，其中激光扫描仪和/或图像传感器被放置在不同的位置。在图4A、4B中，扫描仪位于最后一个轴的中心，取代接触灵敏构件，并且进一步向前。因此，d1’被降为0，但是d1增加，实质上将误差从非接触测量装置传递到接触测量装置。此外，在这个实施方式中，两个测量装置55、60进一步远离到最后一个轴的第二和第三轴L2、L3，增加d2、d2’、d3和d3'。更进一步，随着重心CG向前位移，远离柄的轴L5，随着d5变大，坐标采集构件更难操纵，并且可以进一步遭受更大的偏转。

在图5A、5B中，扫描仪在最后一个轴之上。因此，在最后一个轴和激光区域（d1’）之间存在大距离以及坐标采集构件50的更大的最大长度d4。此外，从最后一个轴L1位移重心CG的中心可以妨碍坐标采集构件50的操纵。此外，扫描仪稍微更向前，增加从焦点P1到至最后一个轴的第二和第三轴的距离（d3’）。

在图6A、6B中，扫描仪进一步向前并且在最后一个轴之下。因此，在最后一个轴和激光区域(d1’)之间存在大距离以及在到最后一个轴的第二和第三轴和扫描仪的焦点P1之间存在类似的大距离（d3’）。此外，重心CG从最后一个轴L1和柄（d5）位移，妨碍坐标采集构件50的操纵。

在图7A、7B、7C中，随着扫描仪离开最后一个轴的一侧，在最后一个轴和激光区域之间存在大距离（d1’），并且在至最后一个轴的第二和第三轴和扫描仪焦点P1之间存在一个大距离（d3’）。此外，从最后一个轴L1和柄轴L5位移重心CG的中心可以妨碍坐标采集构件50的操纵。

图8-10描绘了用于将激光扫描仪60’安装到主体90’的另选机构。如所示，激光扫描仪60’可以包括围绕端口85径向相等间隔的三个销200。所述销200可以与形成在主体90’上并且围绕接触灵敏构件55’径向相等间隔的3个相似尺寸的槽202相互作用。因此，当激光扫描仪60’被应用到主体90’使得接触灵敏构件55'经由端口85穿过，销200可以进入槽202。销200和槽202可以被精确地成形从而彼此匹配，使得当激光扫描仪60’和主体90’向着彼此推动时，所述销-槽结合可以形成保持它们的相对角位置不变的运动学安装。

在一些实施方式中，可以改变安装机构。例如，在一些实施方式中，销200和槽202可以绕着端口85和/或接触灵敏构件55’不同地间隔。在另外的实施方式中，可以包括其它的销和槽。在其它实施方式中，每一个销200可以与主体90’上的2个球相互作用，取代槽202。在其它实施方式中，球形球可以插入到四面体孔中。此外，各种相互作用的形状的组合可以被用于形成运动学安装的其它实施方式中。

如所描述的，通过波形弹簧204与螺母206相结合，扫描仪60’可以向着主体90’推进。在扫描仪60’和波形弹簧204之后，螺母206可以安装接触灵敏构件55’。如所描述的，接收接触灵敏构件55’的主体90’的圆柱延伸部可以包括通过螺纹接收螺母206的外螺纹210。然后，绕着螺纹210旋转的螺母206可以向着扫描仪60’（并且更具体地，在这个实施方式中，扫描仪60'的底盘75）推进波形弹簧204到主体90’中。

变型也是可能的。例如，在一些实施方式中，例如当针对较大的弹簧存在充足的轴向空间时，可以使用标准螺旋弹簧代替波形弹簧。此外，在一些实施方式中，波形弹簧可以是波形垫圈，而在其它实施方式中，波形弹簧可以具有多个线圈。其它结构还可以被用于将扫描仪60’与CMM臂1的主体90’机械地分离，例如在扫描仪60’和螺母206之间的可以弹性变形的填充构件。所述扫描仪60’与主体90’，CMM臂1，和接触灵敏构件55’的这种机械分离可以减少对扫描仪60’引起类似偏转的那些组件中的一个或多个的偏转。因此，例如，如果接触灵敏构件55’接触被测量项目引起被测量项目和主体90’偏转，机械分离将减少在扫描仪60’中的任何同时偏转。波形弹簧或可压缩衬垫连接构件的其它优点在于，通过将扫描仪与螺栓分开，其能够使扫描仪与臂热隔离，并且反之亦然。更进一步，在一些实施方式中，波形弹簧或可压缩衬垫连接构件可以被添加到扫描仪60’的另一侧，在扫描仪和主体90’之间，更彻底地将扫描仪与主体机械地并且热隔离地分开。

作为另一个变型，在一些实施方式中，主体/接触灵敏构件的圆柱部分的宽度可以是分等级的，减少在激光扫描仪60'和螺纹部分210之间干扰的可能性。更进一步，在一些实施方式中，其它部件可以被包括在圆柱部分上，例如垫圈等。还应注意地是，在一些实施方式中，至少一部分延伸可以具有非圆柱的形状。更进一步，在一些实施方式中，外螺纹210可以被设置在接触灵敏构件55’上（或在相似位置中的探头其它形式），潜在地给波形弹簧204提供更多的空间。

更进一步，在一些实施方式中，接触灵敏构件55’还可以安装有与CMM臂1机械隔离的波形弹簧或其它结构（如上所述）。因此，以相似的方式，防止了接触灵敏构件55’的偏转引起在CMM臂1上的类似偏转。

有利地，在一些实施方式中，CMM臂1可以分阶段地被组装。例如，接触灵敏构件55’可以被安装到CMM臂1，在一些实施方式中，在接触灵敏构件55’和臂之间具有波形弹簧。然后，扫描仪60’在接触灵敏构件55’之上可以被安装到CMM臂1。在一些实施方式中，该安装可以包括在臂1上设置扫描仪60’的旋转位置的运动学支架（例如，在铰接构件30上或在接触灵敏构件55’上）。特别地，在一些实施方式中，扫描仪60'仍然可以相对于接触灵敏构件55’和臂1的一些部件旋转，如上关于图2C中的轴承150、151所述。

在安装扫描仪60’之后，可以以类似的方式安装波形弹簧204。然后，在接触灵敏构件55’之上，通过螺纹将螺母206安装到CMM臂1。随着螺母206在CMM臂1上前进，其可以将波形弹簧204推进到激光扫描仪60’之上，在运动学支架上固定其位置。在一些实施方式中，螺母206可以使用扭矩扳手被推进从而防止可能引起扫描仪60’偏转的过分拧紧。

上述的各种装置、方法、步骤和技术提供了实施本发明的许多方式。当然，应理解地是，不必根据本文任何上述特定实施方式获得所述的所有目的或优点。并且，尽管以某些实施方式和实施例为背景公开了本发明，本领域技术人员将理解地是本发明不限于公开的具体实施方式、其它另选实施方式和/或其用途和其明显修改及其等价物。因此，本发明不旨在限于本文公开的优选实施方式。

Claims (32)

1.一种铰接臂CMM，所述铰接臂CMM包括：

铰接臂，其包括：多个铰接臂构件，探头，包括螺纹部分的远端接收部，和近端底座；

底盘，其安装在所述接收部上，所述底盘包括孔，所述孔设置为使得所述探头穿过所述孔，所述底盘连接到位于所述孔的相对侧的激光器和光学传感器，其中，所述底盘通过运动支架安装在所述接收部上；

螺母，其通过螺纹安装到所述接收部的所述螺纹部分；以及

波形弹簧，其安装在位于所述螺母和所述底盘之间的所述接收部上，使得所述螺母沿着所述接收部的运动引起所述波形弹簧依靠所述铰接臂推进所述底盘，从而固定所述运动支架，所述波形弹簧机械地将所述底盘与所述铰接臂分离。

2.如权利要求1所述的CMM，其中，所述运动支架包括：三个销，和设置为接收所述三个销的三个槽。

3.如权利要求2所述的CMM，其中，所述销和槽围绕所述探头和所述孔径向定向。

4.如权利要求3所述的CMM，其中，所述销和槽等角度地分隔开。

5.如权利要求1所述的CMM，其中所述运动支架包括三个销并且每一个销与在所述接收部上的两个球连接。

6.如前述任一项权利要求所述的CMM，其中所述探头利用运动支架安装到所述铰接臂。

7.如前述任一项权利要求所述的CMM，其中所述探头通过波形弹簧与所述铰接臂机械地分离。

8.如前述任一项权利要求所述的CMM，其中所述底盘相对于所述探头是可旋转的。

9.如前述任一项权利要求所述的CMM，其中所述接收部包括轴承并且所述激光器或所述光学传感器的至少一部分与所述轴承重叠。

10.如前述任一项权利要求所述的CMM，其中所述探头是触摸式探头。

11.如权利要求1-9中任一项权利要求所述的CMM，其中所述探头是硬探头。

12.如前述任一项权利要求所述的CMM，其中所述光学传感器包括多个摄像机。

13.一种铰接臂CMM，所述铰接臂CMM包括：

铰接臂，其包括多个铰接臂构件、多个连接所述铰接臂构件的接头、探头、螺纹部分、和近端底座；

底盘，其安装在包括孔的所述铰接臂上，所述孔设置成使得所述探头穿过所述孔，所述底盘连接到激光器和光学传感器，其中所述底盘通过运动支架安装到所述铰接臂，

其中，所述底盘与所述铰接臂机械地分离使得在所述铰接臂上的偏转给所述底盘施加最小的偏转力。

14.如权利要求13所述的CMM，其中所述运动支架包括三个销和设置为接收所述三个销的三个槽。

15.如权利要求14所述的CMM，其中所述销和槽围绕所述探头和所述孔径向地定向。

16.如权利要求15所述的CMM，其中所述销和槽等角度地分隔开。

17.如权利要求13-16中任一项权利要求所述的CMM，其中所述探头利用运动支架安装到所述铰接臂。

18.如权利要求13所述的CMM，其中所述运动支架包括三个销并且每一个销与在所述接收部上的两个球连接。

19.如权利要求13-18中任一项权利要求所述的CMM，其中所述探头通过波形弹簧与所述铰接臂机械地分离。

20.如权利要求13-19中任一项权利要求所述的CMM，其中所述底盘相对于所述探头是可旋转的。

21.如权利要求13-20中任一项权利要求所述的CMM，其中所述接收部包括轴承，并且所述激光器或所述光学传感器的至少一部分与所述轴承重叠。

22.如权利要求13-21中任一项权利要求所述的CMM，其中所述底盘通过波形弹簧被机械地分离。

23.如权利要求13-22中任一项权利要求所述的CMM，其中所述光学传感器包括多个摄像机。

24.一种组装铰接臂CMM的方法，所述方法包括以下步骤：

将探头安装到铰接臂CMM的一端；

在所述探头被安装到所述铰接臂CMM之后，围绕所述探头，将激光扫描仪安装到所述铰接臂CMM的一端；

将所述激光扫描仪固定在所述铰接臂CMM上。

25.如权利要求24所述的方法，还包括在所述激光扫描仪被安装到所述铰接臂CMM之后，围绕所述探头，将波形弹簧安装到所述铰接臂CMM一端的步骤。

26.如权利要求24-25中任一项权利要求所述的方法，其中所述固定步骤包括将螺母围绕所述探头拧紧到所述铰接臂CMM。

27.如权利要求26所述的方法，其中所述螺母被拧紧到在所述铰接臂CMM上的螺纹。

28.如权利要求26-27中任一项权利要求所述的方法，其中所述螺母将所述波形弹簧推入所述激光扫描仪。

29.如权利要求28所述的方法，其中所述螺母用扭矩扳手被固定。

30.如权利要求29所述的方法，其中所述扭矩扳手被设置为防止所述激光扫描仪的偏转。

31.如权利要求24-30中任一项权利要求所述的方法，其中所述激光扫描仪被运动学地安装到所述铰接臂CMM。

32.如权利要求24-31中任一项权利要求所述的方法，其中，所述激光扫描仪包括多个摄像机。

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