CN104697447A - 坐标测量机的配件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种坐标测量机的配件。一种用于三维坐标测量机、机床、可编程的机械手的铰接头的配件。本发明包括光源，该光源可邻近测量探针来应用，以便有选择地照亮测点。该配件可以包括图像获取装置。

Description

坐标测量机的配件
技术领域
本发明涉及一种可以与测量头进行组合的配件，该测量头诸如为那些应用于坐标测量机(CMM)中的，或者应用于机床中、可编程的机械手或者机器人中的测量头。在实施方式中，本发明涉及一种光源，该光源可邻近CMM的测量探针进行连接，并且允许有选择地照亮测量点。该配件同样可以包括图像获取装置。
背景技术
本领域中已知被布置用于测量机械工件的坐标的定位系统。这样的测量系统的已知变型采用接触探针、扫描探针或视觉探针。
坐标测量机通常配设有多种模块化配件，包括取向头，该取向头允许根据所期望的测量程序以及被检测的工件的几何形状来为测量探针选择合适的倾斜度。这种取向头可以是可连续动作的装置，其中探针倾斜度可以被设定为任何任意的角度，或者索引装置提供多个离散的倾斜度。
文献EP0614517描述了一种定位系统，其同时包括摄像机和机械接触探针。这种布置允许通过用探针接触工件或者通过由摄像机获取图像来测量坐标。
EP 3502388公开了一种用于车削工件的控制系统，其中物体的表面由接触探针来扫描，同时由轮廓显微镜来进行分析。
这些已知的系统包括两个独立的并行地且同时操作的测量仪器：一个基于接触的系统和一个基于视觉的系统。这些布置通常与传统上应用于坐标测量机中的取向测量头不匹配。
在测量学领域，还已知应用模块化工具系统，它可以被自动连接至活动测量头，例如EP 1930687中所描述的一样。这样的系统，尤其当它们结合有取向测量头时(如那些在EP1666833和EP 2384851中已知的)允许自动测量复杂的几何结构，例如发动机缸体、空气动力学轮廓或者涡轮机。
然而，CMM的增加的可能性导致相关的软件程序的编程和调试的更高程度的复杂性，尤其是当试图利用具有较大数量的自由度以及自动工具切换的机器来测量复杂的几何结构时。当工件具有被隐藏的部分以及较大尺寸使得操作者无法容易地在视觉上察看探针的运动时，该任务尤其具有挑战性。在这种情况下，有时需要应用复杂的照明系统，甚至围绕机器移动以跟随探针的移动，甚至在一些情况中，爬上机器工作台。尽管如此，探针的误差和事故也不能避免，尤其是在编程和调试操作过程中。
因此需要有助于新部件编程以及有利于分析误差和事故的系统。
此外，三维坐标机在自动质量保障过程中变得越来越普遍。因此希望具有一种系统，该系统可以对测量目标进行更好的追踪。
发明内容
根据本发明，这些目的通过如下装置和方法来实现。
本发明提供一种用于三维坐标测量机的头部装置，该头部装置能够连接至用于测量工件上的点的坐标的测量探针，并且该头部装置与邻近所述测量探针布置的光源结合，使得所述光源将光投射到坐标需要被测量的点上和/或投射到所述工件上。
本发明还提供在三维坐标测量机中测量工件的方法，以及防止和分析三维坐标测量机中的事故的方法。
附图说明
借助对实施方式的说明将更好地理解本发明，该实施方式通过示例提供，并且通过附图来示出，其中：
图1示意性示出了用于三维坐标测量机的铰接式取向头，其配设有根据本发明的装置。
图2和图3示意性示出了本发明可能的实施方式。
图4示意性示出了本发明的装置的变型以及可供该装置安装的铰接式取向头。
图5是本发明的简化图，示出了本发明和CMM中的控制器之间的信息流。
图6是本发明的一种变型的简化视图，其中包括用于照明和/或成像的光纤。
图7示出了本发明的变型，其中具有限制热量向测量头传递的装置。
附图标记
A    旋转轴
B     旋转轴
9     照明区
10    配件/光源
11a-11b  触点
12a-12b  销
13a-13c  磁体
14    光学指示器
15    光源
16    热绝缘
17    散热片
18    相机
19    清晰视野区
20    支撑件
25    第一旋转装置
30    第二旋转装置
31a-31b  触点
32b    孔
33b-33c  磁体
40    测针/探针
50    接触探头
50a-b  接触探头
60    接口元件
70    铰接头
82    图像数据的链路
84    电源和LED控制
90    “Z”轴/CMM的杆部
100   工位
110    存储装置
120    CCM 控制器
130    头部控制器
140     工件
具体实施方式
在下文中，表述“下”、“上”、“高”、“低”指的是CMM中的接触探针的常规取向，即指的是一种布置方式，其中探针是竖直的并且工件在探针下方。然而这不是本发明的限制性特征，而是为了简化说明语言的一种选择。必须理解的是，本发明可以利用任何任意的空间取向来使用。
现在将借助图1至3来描述本发明的实施方式。在该示例中，本发明与铰接头70关联，该铰接头用作测量探针40和三维CMM(未示出)之间的接合部。该测量头70具有支撑件20，该支撑件可以与CMM的杆部(通常“Z”轴)连接，并且在支撑件上布置有第一旋转装置25和与第一旋转装置串联的第二旋转装置30。旋转装置25和30以可旋转的方式依次布置，并且能够围绕两个正交轴“A”和“B”(图5和图6中可见)进行转动，由此根据任何空间方向来设定测量探针40的倾斜度。
以已知的方式，测量头70可以是机动化装置，配设有用于自动设定探针40的倾斜度的致动器，或者能够手动地或由CMM中的致动器进行倾斜和/或转动的被动式可倾斜头。旋转装置25和30的旋转可以是索引的(indexed)或是连续的。尽管本发明有利地结合了铰接头，但本发明还能够与固定测量头相关联，或者具有被直接设置在三维CMM的杆部上的接触探针。
光源10包括位于其下表面上的多个发光二极管15，用于照亮被测量的工件。光源10的相反表面可以与测量头70连接，并且针对该目的而具有电触点11a至11b，用于供电和控制发光二极管15，以及具有用于其安置的磁体13a至13c。有利的是，可以在不使用工具的情况下将光源10附接至测量头或者从测量头拆除，并且该光源10可以被存储在工具库中并且由CMM自动从中取出。销12a至12b与旋转装置30上相应的孔32a至32b(在图4中可见)配合，并且单一地确定环10在旋转装置30上的取向。
发光二极管15可以根据需要被选择用于发出白光或者任何其他可视的红外光或紫外光。在可行的变型中，光源10包括具有不同发射光谱的发光二极管，其可以被有选择地激活。
在变型中，发光二极管15可以配设有聚光光学系统(例如菲涅耳透镜)，以便在测点上生成集中光束，或者是散射器或发散光学装置，以便获得广阔的照明区域。还可行的是，考虑一种可变光学装置，或者是带有或不带有聚光光学装置的发光二极管组，以便通过有选择地激活二极管组来获得窄的照明光束或者宽的照明光束。
根据其他变型，光源可以在工件上投射出均匀的照明区域，或投射出具有交替的亮条纹和暗条纹的区域，用于更好地突出高度变化。照明模式在这种情况下也是可以选择的。
光源优选地包括微处理器或者逻辑电路，以便在内部产生在不同工作模式下LED所需的所有信号，无需不必要地对控制触点的数量进行加倍。
优选地，光源10具有带中心开口的环形形状，该开口允许测量探针40穿过。该探针可以具有接触探头50，如附图中所示，或者可以是非接触式探针，例如激光探针。
根据本发明，由探针40所探测的测点通常处于光源10的照明区域中，与测量头70的位置和倾斜度无关。当进行测量和对复杂部件的测量进行编程时，这种布置尤为有利。操作者可以可视地检查探针40相对于被测量的部件的重要特征部的运动，而与可用光无关。针对探针的任何位置和倾斜度，测量元件和测点通常均优选被照亮。
优选地，光源10在其侧面还包括发光装置，例如可以从任何方向看到的发光二极管14的环。为了发送信号的目的，该发光装置可以被用作可视指示器来向操作者传送任何有用的信息。例如它可以引起闪烁以表示与工件的接触，或者获取到测点；指示器14还可以利用颜色编码来表示预定的测量程序的正常执行(绿色)，或者异常情况(红色)，例如尺寸超出可接受的误差或者意外事故。
根据优选的变型，本发明还包括与测量头70形成一体的图像获取装置18，例如摄像机，该图像获取装置还被定位成在其运动过程中获取测量探针的图像，或者工件上的测点的图像。由相机获取到的图像优选在显示器上再现，因此允许操作者从他或她的工位察看以及跟随探针的运动。通过这种方式，用于新部件的测量程序可以被容易且快速地确定，从而降低事故风险，且无需离开工位。
相机18可以独立于照明环10而被连接至测量头70，如图1所示，或者如图4所示的变型那样被形成合并至照明环。
图5示意性示出了本发明的照明区域9和可视区域19。如上所述，照明区域9通过发光二极管15的发光角度来确定，并且最终由相关的光学装置来确定。清晰视野的区域19通过相机18的可视角度并且通过其最小和最大焦距来确定。优选地，相机18被布置用于以超焦距模式来工作，从而将物体的清晰图像从最小距离复原到无穷远。然而，具有变焦光学装置和自动对焦光学装置的变型也是可行的。
优选地，该系统的光学参数和几何参数被选择成使得工件140和探头50a至50b(对于探针的整个可预知的长度而言)处于照明区域9和在清晰图像区域19中。
图6示出了本发明的变型，其中照明和/或图像获取依赖于光纤装置180。这种布置允许以非常近的距离来获取图像，并且允许大角度照明模式，例如可用于检查所述部件140的表面情况。也可行的是，使用具有光纤成像系统的常规照明系统，或者反之使用具有光纤照明的常规相机。在未示出的变型中，光可以沿探测针50传输，并且从接触探头50的内部发光。
现在回到图5，它示出了在CMM的不同元件和本发明之间的信息流的可行组织图。该测量机例如包括：机器控制器130，其负责CMM的轴线XYZ的运动；头部控制器120，其监测铰接式测量头70的轴线A和B；以及工位100，其执行更高水平的工件软件(higher-level piece software)，该软件用于轨迹编程以及测量结果分析。存储单元110被用于记录程序和结果。
这些元件通过合适的数据链路来互连，例如以太网、CAN总线、或其它工业总线、串行RS-232或RS-422链路，或者任何其他合适的通信通道。它不要求任何一个控制单元100,120,130被实施为单独的硬件部件。它们的作用还可以通过信号单元来提供，其中控制器100,120,130可以作为单独的软件实体或者组合式软件实体存在，或者通过任何数量的子系统来提供。
本发明的这种变型包括接口单元60，在这里被显示在支撑件20和CMM90的“Z”轴之间，从而确保相机18、光源10和控制器100,120,130之间的通信。在CMM中，不同的部件可以分隔开相当远的距离，并且常见的是，测量头70和控制器100,120,130通过长度为十米或更长的线缆来连接。接口单元60还确保了，将来自相机的数据转换为能够与这样的长连接部(long connection)匹配的格式。例如可以想到，相机18配设有模拟视频、VGA、DVI、USB或者其他输出装置，并且接口单元60将这些数据转换成数字视频流，然后该数字视频流被传输至以太网或者无线链路上的控制器100。接口单元的位置不一定被限定为附图中的位置，并且本发明可以具有一些变型，在这些变型中，接口单元被整合在铰接头70、相机18或者环10中。
发光二极管和相机18在其工作过程中需要散热，一些热量有可能会影响测量探针40以及铰接头70的倾斜机构的精度。图7示出了本发明的一种变型，其可以限制这些缺点。光源10包括绝热层16，用于限制热量向测量头70和探针40的传递，并且包括冷却散热片17，用于改善与环境空气的热交换。还可以在部件编程和调试过程中操作该配件，以及在常规测量过程中或者当对最终精度有所要求时可以将其关闭，或者将其设定为降低的亮度。
如上所述，本发明用于简化对具有隐藏元件的复杂部件的编程。然而该系统还具有其他应用，包括：
识别和追踪
可以为被测量部件配备序号，该序号以OCR可读形式印制，或者以条形码或二维码进行编码，或者配备任何其他允许进行识别的可视标记。控制单元100运行软件，该软件自动从由相机18提供的图像中识别部件，并且将它们的序号与记录在存储器110中的测量结果关联起来。
类型识别
在该变型中，控制单元100执行软件，该软件用于基于由相机18获取到的图像，通过部件的形式或者通过前面指出的序号来识别部件的类型，并且用于从多个可用程序中选择一种适当的测量程序。通过这种方式，CMM可以自动地处理多个不同类型的部件，其中在各种情况下采用特定的测量程序。
事故预防和报告
本发明还可以用于防止和分析探针40或者测量头70与工件或其他物体之间的事故。这些事故可以由于编程错误或者工件的错误定位所引出，并且可能会引起错位，故障或者精度损失。
在一种变型中，用控制单元100执行的控制软件实时地检测来自相机18的图像，并且当其确定意外事故即将发生时，启用警报程序或者进行预防。
在另一种可能的变型中，由相机18获取到的在发生事故之前和/或过程中和/或发生事故之后的一系列图像被存储用于后续分析。
相机18(为操作者提供接触点的特定图像)的取向随着腕部的移动发生改变。在本发明的又一变型中，为了使操作者能够将腕部和相机18定位在CMM的容积中，可以安装具有固定的较大视野的第二相机。可选择地，相机18在CMM的容积中的虚拟图像可以通过CMM控制程序来提供。

Claims (16)

1.一种用于三维坐标测量机的头部装置，该头部装置能够连接至用于测量工件上的点的坐标的测量探针，并且该头部装置与邻近所述测量探针布置的光源结合，使得所述光源将光投射到坐标被测量的点上和/或投射到所述工件上。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光源具有环形形状，并且邻近所述测量探针同轴地布置。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述头部装置是铰接式测量头，并且所述测量探针和所述光源被整合至所述铰接式测量头的可旋转件。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光源以磁力方式被附接至所述头部装置。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光源包括被编程用于改变所述测点的照明的微处理器。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光源被布置成投射出均匀的照明区域和/或具有交替的明暗区的照明区域。
7.根据权利要求1所述的装置，该装置为了发出信号的目的而包括位于该装置侧面上的发光装置。
8.根据权利要求1所述的装置，该装置包括图像获取装置，该图像获取装置被整合至所述测量头或者被整合至所述光源。
9.根据权利要求2所述的装置，该装置包括图像获取装置，该图像获取装置被整合至环形形状的所述光源。
10.根据权利要求7所述的装置，其中，所述图像获取装置被布置用于通过颜色和/或通过红外光，和/或通过紫外光，和/或通过热像来获取所述工件的图像。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光源和/或所述图像获取装置包括光纤。
12.根据权利要求1所述的装置，该装置包括绝热部件和/或散热片用于限制热量向所述测量头的传递。
13.一种在三维坐标测量机中测量工件的方法，该方法包括基于由权利要求7所述的装置获取到的图像来识别工件。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述工件带有识别码或者条形码或者二维码。
15.一种在三维坐标测量机中测量工件的方法，该方法包括基于由权利要求7所述的装置获取到的图像来选择测量程序。
16.一种基于由权利要求7所述的装置获取到的图像来防止和分析三维坐标测量机中的事故的方法。
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