CN104350356A - 具有可拆卸附件的坐标测量机 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于测量对象在空间中的坐标的便携式关节臂坐标测量机。AACMM包括基部和具有相对的第一端和第二端的臂部。该臂部包括多个连接的臂段，每个臂段分别包括用于产生位置信号的至少一个位置检测器。设置有电子电路以接收来自至少一个位置检测器的位置信号。探针构件被布置成耦接至第一端。非接触式测量设备耦接至探针构件，该设备具有电磁辐射发射器并且该设备被配置成至少部分基于发出的光束和反射的光束的传播时间来确定距对象的距离。

Description

具有可拆卸附件的坐标测量机

背景技术

本公开内容涉及坐标测量机，以及更特别地涉及便携式关节臂坐标测量机，其具有在坐标测量机的探针构件上的连接器以便能够耦接附件设备，该附件设备部分基于发出的光束和反射的光束的传播时间来确定距离。

便携式关节臂坐标测量机(AACMM)在部件的制造或生产中得到了广泛应用，在部件的制造或生产中需要在部件的制造或生产(例如，机械加工)的各个阶段期间快速并且准确地检验部件的尺寸。便携式AACMM相对于已知的静止或固定的、高成本的并且较难使用的测量设施表现出重大改进，尤其在对相对复杂部件进行尺寸测量的所花费的时间量方面表现出重大改进。通常，便携式AACMM的用户简单地沿着待测部件或对象的表面引导探针。然后，对测量数据进行记录，并且将其提供给用户。在一些情况下，数据以视觉形式提供给用户，例如，在计算机屏幕上以三维(3D)形式提供给用户。在其他情况下，数据以数字形式提供给用户，例如，当测量孔的直径时，文本“直径＝1.0034”显示在计算机屏幕上。

在共同转让的美国专利第5,402,582号(‘582)中公开了现有技术中的便携式关节臂CMM的示例。‘582专利公开了一种3D测量系统，该3D测量系统包括一端上具有支承基部而另一端处具有测量探针的手动操作的关节臂CMM。共同转让的美国专利第5,611,147号(‘147)公开了类似的关节臂CMM。在‘147专利中，关节臂CMM包括多个特征，所述多个特征包括在探针构件处的附加旋转轴线，从而给臂提供2-2-2或2-2-3的轴线配置(后一种情况为七个轴线臂)。

还可以采用非接触式技术来测量三维表面。一种类型的非接触式设备——有时称为激光线性探针——在点上或者沿着线发出激光。例如，成像设备例如电荷耦合设备(CCD)被定位成与激光器相邻以捕获来自表面的反射光的图像。被测对象的表面引起漫反射。传感器上的图像随着传感器与表面之间的距离变化而变化。可以通过获知成像传感器与激光器之间的关系以及激光图像在传感器上的位置，使用三角测量方法来测量表面上的点。

尽管现有的CMM适于其预期目的，但是需要一种具有本发明的实施方式的某些特征的便携式AACMM。

发明内容

根据本发明的一个实施方式，提供了一种用于测量对象在空间中的三维坐标的便携式关节臂坐标测量机(AACMM)。ACCMM包括基部。设置有具有相对的第一端和第二端的可手动定位的臂部，该臂部旋转地耦接至基部。臂部包括多个连接的臂段，每个臂段包括用于产生位置信号的至少一个位置检测器。设置有电子电路以接收来自至少一个位置检测器的位置信号。探针构件耦接至第一端。非接触式三维测量设备耦接至探针构件，该非接触式三维测量设备具有电磁辐射发射器和接收器，该电磁辐射发射器被配置成发出至少一个测量光束，该接收器被配置成接收至少一个反射光束。非接触式三维测量设备具有镜，该镜被定位成对该至少一个测量光束和至少一个反射光束进行反射。非接触式三维测量设备还具有控制器，该控制器被配置成至少部分基于至少一个测量光束和至少一个反射光束的组合传播时间并且至少部分基于空气中的光速来确定距对象的距离。处理器电耦接至电子电路，该处理器被配置成响应于从位置检测器接收位置信号以及响应于从控制器接收所测量的距离来确定对象上的点的三维坐标。

根据本发明的一个实施方式，提供了一种对用于测量对象在空间中的三维坐标的便携式关节臂坐标测量机进行操作的方法。该方法包括设置具有相对的第一端和第二端的可手动定位的臂部，该臂部包括多个连接的臂段，每个臂段包括用于产生位置信号的至少一个位置检测器。在电子电路处接收来自位置检测器的位置信号。将三维测量设备电耦接至电子电路，该三维测量设备具有电磁辐射发射器、传感器以及可移动的第一镜。移动第一镜。用第一镜将电磁辐射的测量光束反射到对象上。用第一镜接收电磁辐射的反射光束并且将电磁辐射的反射光束传送至传感器。根据由传感器接收的电磁辐射的反射光束并且至少部分基于测量光束和反射光束的组合传播时间并且至少部分基于空气中的光速来确定距对象的距离。至少部分基于所确定的距离和位置信号来确定对象上的点的三维坐标。

根据本发明的另一实施方式，提供了一种用于测量对象在空间中的三维坐标的便携式关节臂坐标测量机(AACMM)。ACCMM包括基部。具有相对的第一端和第二端的可手动定位的臂部旋转地耦接至基部。臂部包括多个连接的臂段，每个臂段包括用于产生位置信号的至少一个位置检测器。电子电路接收来自至少一个位置检测器的位置信号。非接触式三维测量设备可拆卸地耦接至臂部，该非接触式三维测量设备具有光源、光学接收器以及镜，该镜被布置成对从光源发出的第一光束进行反射并且对从对象反射的第二光束进行反射。非接触式三维测量设备被配置成至少部分基于第一光束和第二光束的组合传播时间并且至少部分基于空气中的光速来确定距对象的距离。处理器电耦接至电子电路，该处理器被配置成响应于从位置检测器接收位置信号以及响应于接收到所测量的距离来确定对象上的点的三维坐标。

附图说明

现在参照附图，示出了示例性实施方式，该示例性实施方式不应理解为是限制关于本公开内容的整个范围，其中，在一些附图中相同的元件采用相同的附图标记：

图1包括图1A和图1B，是具有本发明各个方面的实施方式的便携式关节臂坐标测量机(AACMM)的立体图；

图2包括合并在一起的图2A至图2D，其是根据实施方式的用作为图1中的AACMM的一部分的电子装置的框图；

图3包括合并在一起的图3A和图3B，其是描述了根据实施方式的图2中的电子数据处理系统的详细特征的框图；

图4是图1中的AACMM的探针构件的等轴视图；

图5是耦接有手柄的图4中的探针构件的侧视图；

图6是附接有手柄的图4中的探针构件的侧视图；

图7是图6中的探针构件的接口部的放大的局部侧视图；

图8是图5中的探针构件的接口部的另一放大的局部侧视图；

图9是图4中的手柄的剖面的局部等轴视图；

图10是附接至图1中的AACMM的探针构件的非接触式测距设备的示意图；

图11是根据本发明的实施方式的图10中的非接触式测距设备的侧视图；

图12是图11中的非接触式测距设备的立体图；

图13是图11中的非接触式测距设备的另一立体图；

图14是根据本发明的实施方式的具有检流计镜布置的非接触式测距设备的示意图；以及

图15是根据本发明的实施方式的具有微机电系统(MEMS)镜的非接触式测距设备的示意图。

具体实施方式

便携式关节臂坐标测量机(“AACMM”)用在多种应用中以获得对象的测量结果。本发明的实施方式提供以下优点：使操作者能够容易地并且快速地将附件设备耦接至AACMM的探针构件，该AACMM使用投影光来提供非接触式测量三维对象。本发明的实施方式还提供了以下优点：提供通信数据，该通信数据表示由附件所测量的距对象的距离。本发明的实施方式还提供了以下优点：给可拆卸的附件提供功率和数据通信，而无需外部的连接或布线。

图1A和图1B立体地示出了根据本发明的各种实施方式的AACMM100，关节臂是一种类型的坐标测量机。如图1A和图1B所示，示例性AACMM 100可以包括具有探针构件401(图4)的六个或七个轴线关节测量设备，探针构件包括在一端处耦接至AACMM 100的臂部104的测量探针壳体102。臂部104包括通过第一轴承筒组110(例如，两个轴承筒)耦接至第二臂段108的第一臂段106。第二轴承筒组112(例如，两个轴承筒)将第二臂段108耦接至测量探针壳体102。第三轴承筒组114(例如，三个轴承筒)将第一臂段106耦接至位于AACMM 100的臂部104的另一端的基部116。轴承筒组110、轴承筒组112、轴承筒组114中的每个轴承筒组提供多个轴线的关节运动。同样地，探针构件401可以包括测量探针壳体102，测量探针壳体102包括针对AACMM 100的旋转轴线的柱(例如，包括编码器系统的套筒，该编码器系统确定测量设备的运动，诸如确定探针118在AACMM 100的旋转轴线中的运动)。在本实施方式中，探针构件401可以关于延伸穿过测量探针壳体102的中心的轴线进行旋转。在AACMM 100的使用中，通常将基部116固定到工作面上。

在每个轴承筒组110、轴承筒组112、轴承筒组114中的每个轴承筒通常包括编码器系统(例如，光学角编码器系统)。编码器系统(即检测器(transducer))提供各个臂段106、臂段108和对应的轴承筒组110、轴承筒组112、轴承筒组114的位置的指示，其全部一起提供探针118相对于基部116的位置的指示(并且因此提供由AACMM 100测量的对象在特定的参照系例如局部参照系或全局参照系中的位置)。臂段106、臂段108可以由合适的刚性材料(例如但不限于碳复合材料)制成。具有六个或七个轴线的关节运动(即自由度)的便携式AACMM 100提供以下优点：使操作者能够将探针118放置在围绕基部116的360°区域内的理想位置处，同时提供可以由操作者容易地操纵的臂部104。然而，应理解，具有两个臂段106、臂段108的臂部104的示例图是用于示例性目的的，并且所要求保护的发明不限于此。AACMM 100可以具有通过轴承筒耦接在一起的任何数量的臂段(并且因此，具有多于或少于六个或七个轴线的关节运动或自由度)。

探针118被可拆卸地安装至测量探针壳体102，探针壳体102被连接到轴承筒组112。手柄126可以例如通过快速连接接口相对于测量探针壳体102进行拆卸。如后面更详细讨论的，手柄126可以由被配置成提供对对象的非接触式距离测量的另一设备来替代，从而提供以下优点：使操作者能够使用相同的AACMM 100进行接触式测量和非接触式测量二者。在示例性实施方式中，探针118是接触式测量设备并且是可拆卸的。探针118可以具有与待测对象物理接触的不同顶端118，顶端118包括但不限于：球形的、触摸感应的、弯曲并且延伸型探针。在另外的实施方式中，例如，通过非接触式设备例如激光扫描仪设备来执行测量。在一个实施方式中，使用快速连接接口将手柄126替换为激光扫描仪设备。其他类型的测量设备可以代替可拆卸手柄126来提供额外的功能。例如，这种测量设备的示例包括但不限于，一个或更多个照明灯、温度传感器、热扫描仪、条形码扫描仪、投影仪、喷漆器、相机等。

如图1A和图1B所示，AACMM 100包括可拆卸手柄126，可拆卸手柄126提供以下优点：在无需从轴承筒组112拆卸测量探针壳体102的情况下，使附件或功能能够被改变。如后面关于图2更详细讨论的，可拆卸的手柄126还可以包括使得能够与手柄126和位于探针构件401中的对应的电子装置交换电力和数据的电连接器。

在各种实施方式中，轴承筒组110、轴承筒组112、轴承筒组114中的每个轴承筒组使AACMM 100的臂部104能够关于多个旋转轴线运动。如上所述，轴承筒组110、轴承筒组112、轴承筒组114中的每个轴承筒组包括对应的编码器系统例如光学角编码器，所述编码器系统分别与例如臂段106、臂段108的对应旋转轴线同轴布置。如后面更详细描述的，光学编码器系统对例如臂段106、臂段108中的每一个臂段关于对应的轴线的旋转(回转)或横向(铰链)移动进行检测，并且将信号发送给AACMM100内的电子数据处理系统。每个单独的原始编码器计数作为信号被分别发送给电子数据处理系统，信号被进一步处理成测量数据。如在共同转让的美国专利第5,402,582号(‘582)中所公开的，不需要将AACMM 100本身与位置计算器(例如，串行盒)分开。

基部116可以包括附接设备或安装设备120。安装设备120使得AACMM 100能够可拆卸地安装到期望位置处，例如，检查台、机械加工中心、壁或地板上。在一个实施方式中，基部116包括手柄部122，手柄部122给操作者提供了在AACMM 100被移动时保持基部116的方便位置。在一个实施方式中，基部116还包括可移动的盖部124，盖部124向下折叠以显露出用户接口，例如显示屏。

根据一个实施方式，便携式AACMM 100的基部116包含或容置具有电子数据处理系统的电子电路，该电子数据处理系统包括两个主要部件：对来自AACMM 100内的各种编码器系统的数据以及表示其他臂参数的数据进行处理以支持三维(3D)位置计算的基部处理系统；和包括车载操作系统、触摸屏显示器以及常驻应用软件的用户接口处理系统。该常驻应用软件使得能够在AACMM 100内实现相对完整的计量功能而无需连接至外部计算机。

基部116中的电子数据处理系统可以与编码器系统、传感器以及远离基部116而布置的其他外围硬件(例如，可以安装至AACMM 100上的可拆卸手柄126的非接触式测距设备)进行通信。支撑这些外围硬件设备或特征的电子装置可以位于便携式AACMM 100内的轴承筒组110、轴承筒组112、轴承筒组114中的每个轴承筒组中。

图2是根据实施方式的在AACMM 100中所使用的电子装置的框图。图2A所示的实施方式包括电子数据处理系统210，电子数据处理系统210包括用于实现基部处理系统的基部处理器板204、用户接口板202、用于提供电力的基部电源板206、蓝牙模块232以及基部倾斜板208。用户接口板202包括用于执行应用软件以实现用户接口、显示以及文中所描述的其他功能的计算机处理器。

如图2A所示，电子数据处理系统210经由一个或更多个臂总线218与前述的多个编码器系统进行通信。在如图2B和图2C所示的实施方式中，每个编码器系统产生编码器数据并且包括：编码器臂总线接口214、编码器数字信号处理器(DSP)216、编码器读取头接口234以及温度传感器212。可以将其他设备例如应变传感器附接至臂总线218。

图2D还示出了与臂总线218进行通信的探针构件电子装置230。探针构件电子装置230包括探针构件DSP 228、温度传感器212、经由实施方式中的快速连接接口与手柄126或非接触式测距设备242连接的手柄/设备接口总线240、以及探针接口226。快速连接接口允许通过手柄126访问由非接触式测距设备242和其他附件所使用的数据总线、控制线和电源总线。在一个实施方式中，探针构件电子装置230位于AACMM 100上的测量探针壳体102中。在一个实施方式中，手柄126可以从快速连接接口拆卸，并且可以通过经由接口总线240与AACMM 100的探针构件电子装置230进行通信的非接触式测距设备242来执行测量。在一个实施方式中，电子数据处理系统210位于AACMM 100的基部116中，探针构件电子装置230位于AACMM 100的测量探针壳体102中，以及编码器系统位于轴承筒组110、轴承筒组112、轴承筒组114中。探针接口226可以通过任何合适的通信协议与探针构件DSP 228连接，通信协议包括来自Maxim Integrated Products,Inc.的包含通信协议236的商业可用产品。

图3A是描述根据实施方式的AACMM 100的电子数据处理系统210的详细特征的框图。在一个实施方式中，电子数据处理系统210位于AACMM 100的基部116中并且包括基部处理器板204、用户接口板202、基部电源板206、蓝牙模块232以及基部倾斜模块208。

在图3A所示的实施方式中，基部处理器板204包括图3A中所示的各种功能块。例如，基部处理器功能302用来支持对来自AACMM 100的测量数据的采集并且经由臂总线218和总线控制模块功能308来接收原始臂数据(例如编码器系统数据)。存储功能304对程序和静态臂配置数据进行存储。基部处理器板204还包括用于与如非接触式测距设备242的任何外部硬件设备或附件进行通信的外部硬件选择端口功能310。实时时钟(RTC)和日志306、电池组接口(IF)316以及诊断端口318也被包括在图3所示的基部处理器板204的实施方式的功能中。

基部处理器板204还对与外部设备(主计算机)和内部设备(显示处理器202)的所有有线数据通信和无线数据通信进行管理。基部处理器板204具有经由以太网功能320(例如，使用如电气和电子工程师协会(IEEE)1588的时钟同步化标准)与以太网网络进行通信的能力、经由LAN功能322与无线局域网(WLAN)进行通信的能力、以及经由并行至串行通信(PSC)功能314与蓝牙模块232进行通信的能力。基部处理器板204还包括到通用串行总线(USB)设备312的连接。

如在前述的‘582专利的串行盒中所公开的那样，基部处理器板204发送并采集原始测量数据(例如编码器系统计数、温度读数)用于在不需要任何预处理的情况下将原始测量数据处理成测量数据。基部处理器204经由RS485接口(IF)326将经处理的数据发送给用户接口板202上的显示处理器328。在一个实施方式中，基部处理器204还将原始测量数据发送给外部计算机。

现在转到图3B中所示的用户接口板202，由基部处理器接收的角度和位置数据被在显示处理器328上执行的应用程序利用来提供AACMM100内的自动计量系统。应用程序可以在显示处理器328上执行以支持下述功能，该功能包括但不限于：测量特征、引导和培训图形、远程诊断、温度校正、控制各种操作特征、连接至各种网络以及对测量对象进行显示。连同显示处理器328和液晶显示器(LCD)338(例如，触摸屏LCD)用户接口一起，用户接口板202包括包含有安全数字(SD)卡接口330、存储器332、USB主机接口334、诊断端口336、相机端口340、音频/视频接口342、拨号/赛尔(cell)调制解调器344以及全球定位系统(GPS)端口346的多个接口选项。

图3A中所示的电子数据处理系统210还包括具有用于记录环境数据的环境记录器362的基部电源板206。基部电源板206还使用AC/DC转换器358和电池充电器控制器360给电子数据处理系统210提供电力。基部电源板206使用集成电路间(I2C)串行单端总线354以及经由DMA串行外围接口(DSPI)357与基部处理器板204进行通信。基部电源板206经由在基部电源板206中实现的输入/输出(I/O)扩展功能364连接到倾斜传感器和射频识别(RFID)模块208。

虽然示出为单独的部件，但在其他实施方式中，所有部件或部件的子组可以在物理上位于不同的位置和/或以与图3中所示的方式不同的方式进行功能性组合。例如，在一个实施方式中，基部处理器板204和用户接口板202被组合成一个物理板。

现在参照图4至图9，示出了具有带有快速连接的机械和电气接口的测量探针壳体102的探针构件401的示例性实施方式，所述快速连接的机械和电气接口使可拆卸和可互换的设备400能够与AACMM 100耦接。在示例性实施方式中，设备400包括外壳402，外壳402包括尺寸和形状被设置成可以握在操作者的手中的手柄部404，例如手枪握把。外壳402是具有腔406(图9)的薄壁结构。腔406的尺寸被设置并且被配置成容纳控制器408。控制器408可以是例如具有微处理器的数字电路，或模拟电路。在一个实施方式中，控制器408与电子数据处理系统210(图2和图3)进行异步双向通信。控制器408与电子数据处理系统210之间的通信连接可以是有线的(例如，经由控制器420)或者可以是直接或间接无线连接(例如蓝牙或IEEE 802.11)或者是有线连接和无线连接的组合。例如，在示例性实施方式中，外壳402例如由注射模制的塑料材料形成为两个半部410、半部412。半部410和半部412可以通过紧固件例如螺钉414固定在一起。在其他实施方式中，外壳的半部410和半部412可以通过例如粘合剂或超声波焊接固定在一起。

手柄部404还包括可由操作者手动启动的按钮或致动器416、按钮或致动器418。致动器416、致动器418被耦接至将信号传送给探针壳体102内的控制器420的控制器408。在示例性实施方式中，致动器416、致动器418执行位于设备400对面的探针壳体102上的致动器422、致动器424的功能。应理解，设备400可以具有额外的开关、按钮或其他致动器，额外的开关、按钮或其他致动器也可用于控制设备400、AACMM 100，或者控制设备400、AACMM 100可以用于控制额外的开关、按钮或其他致动器。此外，设备400可以包括指示器例如发光二极管(LED)、声音发生器、仪表、显示器或计量器。在一个实施方式中，设备400可以包括使得口头说明能够与测量点同步化的数字语音记录器。在又一实施方式中，设备400包括使操作者能够将语音启动命令传送给电子数据处理系统210的麦克风。

在一个实施方式中，手柄部404可以被配置成由操作者的手或特定的手(例如左手或右手)使用。手柄部404还可以被配置成利于有残疾的操作者(例如缺失手指的操作者或具有假臂的操作者)使用。另外，手柄部404可以被拆卸，并且当间隙空间有限时，探针壳体102可以独立使用。如上所述，探针构件401还可以包括针对AACMM 100的旋转轴线的柱。

探针构件401包括具有与探针壳体102上的第二连接器428协作的且在设备400上的第一连接器429(图8)的机械和电气接口426。连接器428和连接器429可以包括允许设备400耦接至探针壳体102的电气和机械特征。在一个实施方式中，接口426包括具有机械耦接器432和电连接器434的第一表面430。外壳402还包括被定位成与第一表面430相邻并且从第一表面430偏离的第二表面436。在示例性实施方式中，第二表面436是从第一表面430偏移约0.5英寸的距离的平坦表面。当操作者拧紧或松开紧固件例如套环438时，这个偏移给操作者的手指提供了间隙。接口426提供了在设备400与探针壳体102之间的相对快速且安全的电连接而不需要使连接器插脚对准，并且不需要独立的电缆或连接器。

电连接器434从第一表面430延伸并且包括一个或更多个连接器插脚440，所述一个或更多个连接器插脚440例如经由一个或更多个臂总线218以异步双向通信的方式与电子数据处理系统210(图2和图3)电耦接。双向通信连接可以是有线的(例如经由臂总线218)、无线的(例如蓝牙或IEEE 802.11)、或有线连接和无线连接的组合。在一个实施方式中，电连接器434电耦接至控制器420。控制器420可以例如经由一个或更多个臂总线218与电子数据处理系统210进行异步双向通信。电连接器434被定位成给探针壳体102上的电连接器442提供相对快速且安全的电连接。当设备400附接至探针壳体102时，电连接器434和电连接器442相互连接。电连接器434和电连接器442可以分别包括金属包裹的连接器壳体，该金属包裹的连接器壳体提供电磁干扰屏蔽，同时保护连接器插脚并且在将设备400附接至探针壳体102的过程期间协助插脚对准。

机械耦接器432提供在设备400与探针壳体102之间的相对刚性的机械耦接以支持相对精确的应用，其中AACMM 100的臂部104的端部上的设备400的位置优选地没有偏移或移动。任何这样的移动通常可能引起不期望的测量结果精度的退化。利用本发明实施方式中的快速连接的机械和电子接口的机械附接配置部分的各种结构特征可以实现这些期望的结果。

在一个实施方式中，机械耦接器432包括位于一端448(设备400的前缘或“前面”)上的第一突出部444。第一突出部444可以包括键控的、有凹口的或有坡度的接口，其形成从第一突出部444延伸的唇缘446。将唇缘446的尺寸设置成适于被容纳在由从探针壳体102延伸的突出部452限定的槽450中(图8)。应理解，第一突出部444和槽450连同套环438形成耦接器布置，以使得在唇缘446位于槽450内的情况下，可以使用槽450来在设备400被附接到探针壳体102时限制设备400的纵向和横向移动二者。正如将在下面更详细描述的，可以使用套环438的旋转将唇缘446固定在槽450内。

与第一突出部444相对，机械耦接器432可以包括第二突出部454。第二突出部454可以具有键控的，有凹口的唇缘或有坡度的接口表面456(图5)。第二突出部454被定位成接合与探针壳体102相关联的紧固件，例如套环438。正如将在下面更详细讨论的，机械耦接器432包括从表面430突出的凸起表面，表面430与电连接器434相邻或布置在电连接器434附近，这给接口426提供一个枢轴点(图7和图8)。这用作当设备400附接到探针壳体102时在设备400与探针壳体102之间的三个机械接触点中的第三个机械接触点。

探针壳体102包括共轴地布置在一端上的套环438。套环438包括在第一位置(图5)与第二位置(图7)之间可移动的螺纹部。通过旋转套环438，套环438可用于对设备400进行固定或拆卸而不需要外部工具。套环438的旋转使套环438沿相对粗糙的、方螺纹的圆柱体474移动。使用这种相对大尺寸、方螺纹且波状的表面可以以最小的转矩来实现明显的夹紧力。圆柱体474的螺纹的大螺距还使套环438能够以最小的旋转被拧紧或松开。

为了将设备400耦接至探针壳体102，唇缘446被插入到槽450中并且设备枢转以便如箭头464所指示的使第二突出部454朝表面458旋转(图5)。套环438进行旋转，以使套环438沿箭头462所示的方向移动或平移成与表面456接合。套环438抵靠有角度的表面456的移动驱使机械耦接器432抵靠凸起表面460。这有助于克服接口表面上的外来对象或接口的变形的潜在问题，这些潜在问题会影响设备400到探针壳体102的刚性安置。套环438对第二突出部454施加的力使得机械耦接器432向前移动以将唇缘446按压至探针壳体102的基座上。当继续拧紧套环438时，使第二突出部454向上压向探针壳体102，从而在枢转点上施加压力。这提供了一种跷跷板类型的装置，给第二突出部454、唇缘446和中心枢转点施加压力以减少或消除设备400的移动或摇摆。枢转点直接压靠到探针壳体102的底部，同时唇缘446在探针壳体102的端部上施加向下的力。图5包括箭头462和箭头464以示出设备400和套环438的移动方向。图7包括箭头466、箭头468和箭头470以示出当套环438被拧紧时接口426内施加压力的方向。应理解，设备400的表面436的偏移距离提供了在套环438与表面436之间的间隙472(图6)。间隙472使操作者能够在套环438上获得更牢固的夹持，同时降低随着套环438的旋转而夹痛手指的危险。在一个实施方式中，探针壳体102具有足够的硬度以减少或防止当套环438被拧紧时探针壳体102变形。

接口426的实施方式允许使机械耦接器432和电连接器434恰当地对准并且还保护电子装置接口免受由于套环438、唇缘446和表面456的夹紧作用而可能出现的施加应力。这有利于减少或消除对于安装有可能具有焊接端子的电连接器434和电连接器442的电路板476的应力损伤。另外，实施方式提供了优于已知方法的以下优点：用户不需要使用工具来使设备400连接至探针壳体102或从探针壳体102断开设备400。这使得操作者能够相对容易地且手动地使设备400与探针壳体102连接并且从探针壳体102断开设备400。

由于在很大程度上屏蔽了可能与接口426的电连接，所以相对大量的功能可以在AACMM 100与设备400之间共享。例如，开关、按钮或位于AACMM 100上的其他致动器可以用来控制设备400，或设备400可以用于控制开关、按钮或位于AACMM 100上的其他致动器。此外，命令和数据可以从电子数据处理系统210传送到设备400。在一个实施方式中，设备400是对要存储在基部处理器204的存储器中或显示在显示器328上的记录图像的数据进行传输的摄相机。在另一实施方式中，设备400是从电子数据处理系统210接收数据的图像投影仪。此外，位于AACMM 100或设备400中的温度传感器可以由其他设备共享。应理解，本发明的实施方式提供了以下优点：提供了使各种各样的附件设备400能够快速、简单且可靠地耦接至AACMM 100的柔性接口。此外，AACMM 100与设备400之间的共享功能的能力可以通过消除重复性来实现减小AACMM 100的尺寸、功耗和复杂性。

在一个实施方式中，控制器408可以改变AACMM 100的探针构件401的操作或功能。例如，与单独使用探针壳体102相反，当设备400附接至探针壳体102时，控制器408可以改变探针壳体102上的指示灯以发出不同颜色的光、不同强度的光，或者在不同时间接通/关断。在一个实施方式中，设备400包括对距对象的距离进行测量的测距传感器(未示出)。在本实施方式中，控制器408可以使探针壳体102上的指示灯变化以给操作者提供对象距离探针顶端118有多远的指示。在另一实施方式中，控制器408可以基于由激光扫描仪设备获取的图像的质量来使指示灯的颜色发生变化。这样就有利于简化控制器420的需求，并且能够通过增加附件设备来改善或增强功能性。

图10至图15涉及可操作地耦接至关节臂CMM的测距设备，其中，至少部分基于空气中的光速来确定距对象上的点的距离，电磁辐射通过空气从设备传播到对象点。空气中的光速取决于空气的特性，例如空气温度、大气压、相对湿度和二氧化碳浓度。这样的空气特性影响空气的折射率n。空气中的光速等于真空中的光速c除以折射率。换言之，cair＝c/n。本文讨论的这类测距设备基于光在空气中的飞行时间(光从设备行进至对象并且返回至设备的往返时间)。基于光(或任何类型的电磁辐射)的飞行时间来测量距离的方法取决于空气中的光速并且因此容易与基于三角测量的测量距离的方法区分。基于三角测量的方法涉及从光源沿特定方向投射光，然后沿特定方向截取照相机像素上的光。通过获知照相机与投影仪之间的距离并且通过将投影角与接收的角进行匹配，三角测量的方法使得能够使用三角形的一个已知边长和两个已知角来确定距对象的距离。因此，三角测量的方法不直接地取决于空气中的光速。

参照图10至图13，示出了允许使用激光扫描仪对对象进行非接触式三维测量的设备500。在一个实施方式中，设备500经由耦接器机构和接口426可拆卸地耦接至探针构件401。设备500可以被配置成与探针构件401独立地操作。在另一实施方式中，设备500被整体地连接至探针构件401。

设备500包括具有手柄504的体502，使得操作者能够保持并操纵设备500的取向。接口426被布置成与手柄504相邻用于将设备500机械耦接和电耦接至AACMM 100。扫描头506从一侧延伸。扫描头506具有用于光发射器510、光学接收器512和控制器514的第一壳体部508。光发射器510是适于电磁辐射发射器的光源，例如相干激光。激光可以具有在可见或不可见光谱中的波长。在一个实施方式中，设备500是激光探测和测距设备(LIDAR，laser detection and ranging device)。控制器514与电子数据处理系统210进行异步双向通信。在一个实施方式中，控制器514包括评估和控制单元515以及现场可编程门阵列(FPGA)517。评估和控制单元515是基于计算机处理器的控制单元，评估和控制单元515与FPGA 517进行双向通信。FPGA 517驱动光发射器510以使光发射器510产生经调制的测量光束Ls。光束Ls从镜522朝向对象反射。评估和控制单元515接收来自接收器512的信号用于确定距离“d”和反射光束Lr的光强度。在示例性实施方式中，使用发射光到达目标并返回的往返过程中的传播时间来确定距离。换言之，基于测量光束Ls和反射光束Lr的组合传播时间来确定距离。在图10中，射出的光Ls被示出为单点线。射出的光是准直光束，这表示朝向试验中的对象向外行进的光线近似地平行。目标可以是协作目标或非协作目标。协作目标是被设计成将射向其的光的大部分光返回的目标。协作目标的常见示例为回射目标，例如使顶点位于金属球体中心的立方体角回射器。非协作目标是并非特地设计成将波束功率的大部分返回的目标。非协作目标的示例是试验中的对象的表面，例如，金属表面或塑料表面。例如，在对光进行散射的非协作目标的情况下，光以相对较宽的角展度返回并且通常填满镜522。光束Lr的该扩张方面未示出在图10中，但其示出在下文讨论的图14中。对于图10中所示的示例，示出了光从中心光源510处发出并且通过光学接收器512的外部返回。光学接收器512的外部可以例如是透镜的外部。在协作目标例如回射器的情况下，返回的光是准直的。

与第一壳体部508相邻的是用于驱动器518和转子520的第二壳体部516。在由第一壳体508和第二壳体516限定的间隙527内，镜522被布置在转子520的与光发射器510相对的端部上。在示例性实施方式中，镜522布置成相对于光发射器510和接收器512成45度角。驱动器518被布置成使转子520如由箭头526指示的那样绕轴524旋转。在一个实施方式中，轴524与从光发射器510发出的测量光束平行或共线。在一个实施方式中，一对成角度的表面523和表面525布置在间隙527的一侧上以使得扫描仪的视场更宽。

在操作中，设备500响应于由操作者进行的动作例如通过压下致动器416来启动光发射器510。测量光束Ls经由开口509离开第一壳体508，并且测量光束Ls被镜522反射。因为驱动器518使镜522旋转，所以测量光束Ls以“扇”形被发出使得测量光束Ls可以在镜的单个旋转中照射近似平面区域中的几乎所有对象点。通过随着操作者移动设备500使镜旋转，设备可以测量很宽的空间区域。为了将距离和强度信息与个体测量点相关联，驱动器518设置有角度检测器，例如角编码器528。根据距离和编码器数据，控制器514可以确定每个测量点的坐标数据。应理解，因为设备500耦接至AACMM 100的探针构件401，所以电子数据处理系统210可以根据编码器214数据来确定设备500的位置和取向。在一个实施方式中，控制器514经由总线240将坐标和强度数据传送至探针构件401，探针构件401将坐标和强度数据传送至电子数据处理系统210。在一个实施方式中，电子数据处理系统可以通过将臂编码器数据与距离数据进行组合来确定每个测量对象点的X、Y、Z坐标数据(相对于AACMM 100)。

在一个实施方式中，设备500可以相对于探针构件401独立操作。在该实施方式中，设备500还可以包括一个或更多个定位设备530。定位设备530可以包括一个或更多个惯性导航传感器，例如陀螺仪传感器、全球定位系统(GPS)传感器、罗盘传感器或加速度计。这样的传感器可以被电耦接至控制器514。陀螺仪传感器和加速度计传感器可以是单轴设备或多轴设备。定位设备530被配置成使得控制器514能够测量设备的取向或在设备从AACMM 100拆卸时维持设备的取向。定位设备530中的陀螺仪可以是MEMS陀螺仪设备、固态环形激光器设备、光纤设备或其他类型的惯性设备。

在设备500从AACMM 100拆卸时，需要一种方法以将由多次扫描获得的图像进行组合。将由设备704捕获到的多个图像进行组合的一种方式是确保相邻的图像之间至少存在一些交叠使得可以匹配点云特征。该匹配功能可以由以上描述的惯性导航设备辅助。

可以用于辅助对由设备500采集的图像进行精确配准的另一方法是使用参考标记。在实施方式中，参考标记是具有粘合剂或粘性衬垫的小型粘性标记，例如放置在正被测量的对象上的环形标记。即使相对少数的这样的标记在对多个图像进行配准中是有用的，尤其是如果正被测量的对象具有相对少数的用于配准的特征更是如此。在实施方式中，参考标记可以作为光点被投射在检查中的对象上。例如，可以在待被测量的对象前面放置能够发出多个小点的小型便携式投影仪。投射的点比起粘性点的优点为投射的点不需要被附接并且不需要随后被拆卸。

在一个实施方式中，在设备500从AACMM 100拆卸时，控制器514包括存储设备(未示出)用于存储操作期间的数据。然后，当设备500再次耦接至探针构件401时，该存储的数据被传送至电子数据处理系统210。在另一实施方式中，设备包括通信设备，该通信设备使得设备500能够以无线方式将距离和强度数据传送至AACMM 100或另一计算设备。

在图14中示出了非接触式测量设备500的另一实施方式。在该实施方式中，镜522被检流计镜系统532替代。检流计(通常称为检流计(galvo))534A和检流计534B是响应于电流而移动的设备。通过将第一检流计534A布置成与第二检流计534B正交，检流计534A和检流计534B可以使镜536A、镜536B分别绕两个轴538、轴540移动。在一个实施方式中，轴538和轴540相互正交并且镜536A和镜536B相互正交。因此，可以引导测量光束Ls照射对象上遍及区域541的点而不是径向扇形线中的点。在一个实施方式中，检流计534A和检流计534B电耦接至控制器514。在一个实施方式中，为了将距离和强度信息与各个测量点相关联，每个检流计包括角度检测器例如角编码器542，以测量关联的检流计534的位置。在另一实施方式中，基于施加至每个检流计的电流来确定角度。尽管目标541可以是协作型目标或非协作型目标，图14示出了针对目标是下述非协作目标的情况发生的束散，所述非协作目标具有使光散射的目标光点541。这样的散射会发生在例如漫散射表面中。在该情况下，光在返回路径上传播并且进入接收器512的外部。

在一个实施方式中，控制器514确定距对象点的距离并且将该距离与编码器542数据相关联以从设备500确定三维坐标数据(例如，X、Y和Z)。该坐标数据连同强度数据一起经由总线240被传送至探针构件401。在一个实施方式中，电子数据处理系统可以通过将臂编码器数据与距离数据以及来自检流计的角度数据进行组合来确定每个测量对象点的X、Y和Z坐标数据(相对于AACMM 100)。

在实施方式中，在没有检流计534B的情况下使用单个检流计534A，使得光束沿着单个维数而不是沿着两个维数移动。在该情况下，由操作者对非接触式测量设备500进行移动以获得沿着这两个维数的三维坐标。

如上所述，设备500可以包括定位设备530例如惯性导航设备，以便能够在设备500被拆卸以及相对于探针构件401独立地操作的情况下获取坐标数据。

图15中示出了非接触式测量设备500的另一实施方式。在该实施方式中，镜是微机电系统(MEMS)设备544。在实施方式中，MEMS设备544包括安装到半导体设备548的镜546。在一个实施方式中，MEMS系统544是安装在24插脚芯片上的Mirrorcle Technologies,Inc.的双轴扫描镜。MEMS系统544在电容板两端使用大电压电势以使镜546绕两个正交轴550、轴552移动。在示例性实施方式中，MEMS系统可以使镜546针对每个轴以-10°至+10°的扫描角度来旋转。类似于以上讨论的检流计镜系统，MEMS系统544使得照射能够遍及区域541的测量点而不是线上的测量点。

在示例性实施方式中，镜546的取向与所施加的电压成正比。这提供了可以取消编码器的优点，这是因为控制器514可以基于所施加的电压将距离和强度数据与镜546的角度相关联，以确定测量对象点的坐标数据(X、Y和Z)。该坐标数据连同强度数据一起经由总线240被传送至探针构件401。在一个实施方式中，电子数据处理系统可以通过将臂编码器数据与距离和强度数据进行组合来确定每个测量对象点的X、Y和Z坐标数据(相对于AACMM 100)。

在另一实施方式中，MEMS设备546包括可以被旋转至所需方向的小型镜元件的阵列。

如上所述，设备500可以包括定位设备530例如惯性导航设备，以便能够在设备500被拆除以及相对于探针构件401独立地操作的情况下获取坐标数据。

应理解，尽管本文实施方式将设备500示出为正交于设备500的纵轴发出测量光束，但这是出于示例性目的并且所要求保护的发明不应该局限于此。在其他实施方式中，测量光束从设备500的端部发出(例如与设备500的长度平行)。在另外其他的实施方式中，测量光束相对于设备500的纵轴以一定的角度发出。

虽然已经参照示例实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围的前提下可以对本发明进行各种变化以及可以用等同物替换本发明中的元件。另外，在不偏离本发明的基本范围的前提下，可以做出多种修改以使特定情况或材料适于本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的作为实施本发明的最佳方式的特定实施方式，并且本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施方式。此外，术语第一、第二等的使用不表示任何顺序或重要性，术语第一、第二等用于区分一个元件与另一个元件。此外，术语一个(a)、一种(an)等的使用不表示对数量的限制，而是表示引用项中的至少之一的存在。

Claims (26)

1.一种用于测量对象在空间中的三维坐标的便携式关节臂坐标测量机(AACMM)，包括：

基部；

具有相对的第一端和第二端的能够手动定位的臂部，所述臂部旋转地耦接至所述基部，所述臂部包括多个连接的臂段，每个臂段包括用于产生位置信号的至少一个位置检测器；

接收来自所述至少一个位置检测器的位置信号的电子电路；

耦接至所述第一端的探针构件；

耦接至所述探针构件的非接触式测量设备，所述非接触式测量设备具有电磁辐射发射器和接收器，所述电磁辐射发射器被配置成发出至少一个测量光束，所述接收器被配置成接收至少一个反射光束，所述非接触式测量设备具有镜，所述镜被定位成对所述至少一个测量光束和所述至少一个反射光束二者进行反射，所述非接触式三维测量设备还具有控制器，所述控制器被配置成至少部分基于所述至少一个测量光束和所述至少一个反射光束的组合传播时间并且至少部分基于空气中的光速来确定距所述对象的距离；以及

电耦接至所述电子电路的处理器，所述处理器被配置成响应于从所述位置检测器接收到所述位置信号以及响应于从所述控制器接收到所测量的距离来确定所述对象上的点的一组三维坐标。

2.根据权利要求1所述的AACMM，其中，所述非接触式三维测量设备被配置成：

在某时段内发出多个测量光束；

在所述时段内接收多个反射光束；以及

响应于发送所述多个测量光束和接收所述多个反射光束来确定多组三维坐标。

3.根据权利要求1所述的AACMM，其中，所述镜能够绕轴线移动。

4.根据权利要求3所述的AACMM，其中，所述非接触式测量设备还包括驱动器和耦接至所述镜的转子，所述驱动器被配置成使所述转子绕所述轴线旋转。

5.根据权利要求3所述的AACMM，其中，所述镜是检流计镜。

6.根据权利要求5所述的AACMM，其中，所述检流计镜包括第一检流计设备和第二检流计设备，所述第一检流计设备和所述第二检流计设备处于正交布置以使所述镜绕两个轴线移动。

7.根据权利要求3所述的AACMM，其中，所述镜是微机电系统(MEMS)镜。

8.根据权利要求1所述的AACMM，其中，所述MEMS镜被配置成绕两个正交轴线移动。

9.根据权利要求1所述的AACMM，其中，所述电磁辐射发射器是激光器。

10.根据权利要求1所述的AACMM，还包括耦接至所述探针构件的接触式测量设备。

11.根据权利要求10所述的AACMM，其中，所述处理器位于所述非接触式测量设备内。

12.根据权利要求1所述的AACMM，其中，所述非接触式测量设备可拆卸地耦接至所述探针构件。

13.一种对用于测量对象在空间中的三维坐标的便携式关节臂坐标测量机进行操作的方法，包括：

设置具有相对的第一端和第二端的能够手动定位的臂部，所述臂部包括多个连接的臂段，每个臂段包括用于产生位置信号的至少一个位置检测器；

在电子电路处接收来自所述位置检测器的位置信号；

设置电耦接至所述电子电路的非接触式设备，所述非接触式测量设备具有电磁辐射发射器、传感器以及能够移动的第一镜；

移动所述第一镜；

用所述第一镜将电磁辐射的测量光束反射到所述对象上；

用所述第一镜接收电磁辐射的反射光束并且将所述电磁辐射的反射光束传送至所述传感器；

根据由所述传感器接收到的所述电磁辐射的反射光束并且至少部分基于所述测量光束和所述反射光束的组合传播时间并且至少部分基于空气中的光速来确定距所述对象的距离；以及

至少部分基于所确定的距离和所述位置信号来确定所述对象上的点的三维坐标。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，移动所述第一镜的步骤包括使所述第一镜绕第一轴线旋转。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括使所述第一镜绕第二轴线移动的步骤。

16.根据权利要求14所述的方法，还包括下述步骤：

设置能够移动的第二镜；

使所述第二镜绕第二轴线旋转；

用所述第二镜将所述电磁辐射的测量光束反射到所述第一镜上；以及

用所述第一镜接收所述反射光束并且将所述反射光束发送至所述第二镜。

17.根据权利要求14所述的方法，还包括用检流计设备使所述第一镜旋转。

18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述镜是MEMS镜。

19.根据权利要求13所述的方法，还包括下述步骤：

设置耦接至所述第一端的接触式测量设备；以及

用所述接触式测量设备测量所述对象上的第二点的三维坐标。

20.根据权利要求13所述的方法，其中，在设置电磁辐射发射器的步骤中，所述电磁辐射发射器是激光设备。

21.根据权利要求13所述的方法，还包括在对测量光束进行反射之前将所述非接触式测量设备与所述能够手动定位的臂部分开。

22.一种用于测量对象在空间中的三维坐标的便携式关节臂坐标测量机(AACMM)，包括：

基部；

具有相对的第一端和第二端的能够手动定位的臂部，所述臂部旋转地耦接至所述基部，所述臂部包括多个连接的臂段，每个臂段包括用于产生位置信号的至少一个位置检测器；

接收来自所述至少一个位置检测器的位置信号的电子电路；

可拆卸地耦接至所述臂部的非接触式测量设备，所述非接触式测量设备具有光源、光学接收器以及镜，所述镜被布置成对从所述光源发出的第一光束进行反射以及对从所述对象反射的第二光束进行反射，所述非接触式测量设备被配置成至少部分基于所述第一光束和所述第二光束的组合传播时间并且至少部分基于空气中的光速来确定距所述对象的距离；以及

电耦接至所述电子电路的处理器，所述处理器被配置成响应于从所述位置检测器接收所述位置信号以及响应于接收所测量的距离来确定所述对象上的点的所述三维坐标。

23.根据权利要求22所述的AACMM，其中，所述镜被设置成相对于所述光源成45度角并且绕与所述第一光束基本共线的轴线旋转。

24.根据权利要求22所述的AACMM，其中，所述镜绕两个正交轴线旋转。

25.根据权利要求22所述的AACMM，其中，所述镜是检流计镜。

26.根据权利要求22所述的AACMM，其中，所述镜是MEMS镜。