CN106537135A - 铰接cmm探头 - Google Patents

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Abstract

由坐标测量机使用的铰接探头包括附接部、测量部以及至少一个铰接接头。所述附接部能够被配置用于附接到坐标测量机。所述测量部能够被配置为接触要通过所述坐标测量机测量的对象。所述至少一个铰接接头能够被配置为允许所述附接部与所述测量部之间的旋转。此外，所述铰接接头可以包括被配置为测量所述接头的角度的角度传感器。

Description

铰接CMM探头
优先权信息
本申请要求在35 U.S.C§119(3)下于2014年6月11日提交的名称为“ARTICULATINGCMM PROBE”的第62/010,943号美国临时专利申请的优先权，其全文通过引用明确结合在文本中。
背景技术
技术领域
本发明涉及铰接臂(articulated arm)和坐标测量，并且更具体地，涉及结合超声波缺陷检测的坐标测量机。
相关技术的描述
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。用于坐标数据获取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。这样的装置通常包括安装在臂的端部的探头，臂包括通过接头连接到一起的多个传送构件。与探头相反的臂的端部典型地联接到可移动基座。典型地，所述接头被分解成单数旋转自由度，这些旋转自由度中的每个都使用专用旋转换能器被测量。在测量期间，通过操作者将臂的探头手动地移动到测量范围内的各个点。在每个点处，每个接头的位置必须在给定时刻被确定。因此，每个换能器输出根据在该自由度上的接头移动而改变的电信号。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。然后使用所述位置信号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，它们通过引用完全并入本文中。
一般来说，需要一种具有在其它品质当中的高精确度、高可靠性和耐久性、充分易用性、低成本和超声波缺陷检测能力的CMM。本公开在本文中提供了对这些品质中的至少一些的改进。
发明内容
在一个实施方式中，铰接臂CMM包括能够检测所选对象的表面下面的缺陷的超声波缺陷检测系统。
在另一实施方式中，铰接臂CMM包括结合功能包(feature pack)的超声波缺陷检测系统，该功能包提供超声波缺陷检测系统的一部分功能。
在另一实施方式中，铰接臂CMM包括提供利用坐标测量数据在显示器上覆盖(overlay)缺陷的能力的超声波缺陷检测系统。
在另一实施方式中，铰接臂CMM包括提供将缺陷结合到所选对象的三维模型中的能力的超声波缺陷检测系统。
在另一实施方式中，缺陷检测系统包括：CMM，该CMM具有基座和一个或更多个传送构件、将所述一个或更多个传送构件连接到所述基座的一个或更多个铰接构件(articulation member)、以及位于远端处的缺陷检测传感器，所述CMM被配置为测量所述缺陷检测传感器的位置；以及处理器，所述处理器被配置为将如通过所述CMM测量的所述缺陷检测传感器的所述位置与通过所述缺陷检测传感器检测的数据关联。
在另一实施方式中，感测对象中的缺陷的方法包括以下步骤：将定位在CMM上的缺陷传感器定位成倚靠对象；利用所述缺陷传感器来感测所述对象的特性；利用所述CMM来测量所述缺陷传感器的所述位置；以及将所述缺陷传感器的所述位置与所感测的所述对象的特性关联。
在另一实施方式中，感测对象中的缺陷的方法包括以下步骤：在多个位置处将定位在CMM上的缺陷传感器定位成倚靠所述对象；在所述多个位置中的每个处利用所述缺陷传感器来感测所述对象的特性；在感测到所述缺陷传感器的特性的所述多个位置处利用所述CMM来测量所述缺陷传感器的所述位置；以及将在所述多个位置处的所述缺陷传感器的所述位置与所感测的特性关联。
在另一实施方式中，利用CMM测量数据的方法包括以下步骤：将所述CMM的探头移动到第一探头位置；利用探头测量对象上的表面位置；以及利用所述CMM测量所述表面位置下面的缺陷点。
在另一实施方式中，利用CMM测量数据的方法包括以下步骤：将所述CMM的探头移动到对象上的多个表面位置；测量所述多个表面位置；以及利用所述CMM测量所述多个表面位置中的每个下面的缺陷点。
在另一实施方式中，利用CMM测量数据的方法包括以下步骤：将所述CMM的探头移动到对象上的多个表面位置；测量所述多个表面位置；以及在所述第一探头位置处利用所述CMM的所述探头来测量所述表面位置中的每个下面的所述对象的缺陷起点、缺陷终点和后表面。
在另一实施方式中，利用CMM测量数据的方法包括以下步骤：将所述CMM的非接触式激光扫描仪移动到第一探头位置；利用激光扫描仪测量对象上的表面位置；以及利用所述CMM测量所述表面位置下面的缺陷点。
在又一实施方式中，由坐标测量机使用的铰接探头包括附接部、测量部以及至少一个铰接接头。所述附接部能够被配置用于附接到坐标测量机。所述测量部能够被配置为接触要通过所述坐标测量机测量的对象。所述至少一个铰接接头能够被配置为允许所述附接部与所述测量部之间的旋转。此外，所述铰接接头能够包括被配置为测量所述接头的角度的角度传感器。
在又一实施方式中，铰接臂坐标测量机可以包括基座、一个或更多个传送构件、以及将所述一个或更多个传送构件连接到所述基座的一个或更多个铰接构件。所述铰接臂坐标测量机能够被配置为测量所述铰接臂的端部的位置。此外，铰接探头能够被附接到所述铰接臂的所述端部。所述铰接探头可以与本文中描述的各种探头相似，具有进行铰接或弯曲的附加能力。
附图说明
结合示出本发明的示出性实施方式的附图作出的以下详细说明，本发明的其它目的、特征和优点将更显而易见，其中：
图1是铰接臂的立体图；
图1A是图1的铰接臂的分解视图；
图2是图1的铰接臂的传送构件与其关联铰接构件的立体图；
图2A是图2的盖部被移除的传送构件的立体图；
图2B是图2A的传送构件的放大立体图；
图2C是图2的铰接构件的放大截面图；
图2D是图2B的传送构件的放大截面图；
图2E是图2的传送构件和铰接构件的部分分解侧视图；
图3是图1的铰接臂的把手的立体图；
图4是图1的铰接臂的基座和功能包的立体图；
图5是编码器的示例性实施方式的平面图；
图6是操作铰接臂的方法的流程图；
图7是结合超声波缺陷检测系统的PCMM的一个实施方式的立体图；
图8是超声波缺陷检测系统的一个实施方式的立体图；以及
图9是包括缺陷的所选对象的横截面。
图10是超声波传感器的实施方式的立体图。
图11是图10的超声波传感器在第一位置处的截面图。
图12是图10的超声波传感器的在第二位置处的截面图。
图13是图10的超声波传感器的在第三位置处的截面图。
具体实施方式
在2010年3月26日提交的名称为“CMM WITH MODULAR FUNCTIONALITY”的美国专利No.8,151,477中找到能够由本文中描述的实施方式使用的坐标获取构件的特定实施方式的进一步描述，该美国专利通过引用完全结合在本文中。
图1和图1A示出了根据本发明的便携式坐标测量机(PCMM)的一个实施方式。在所示的实施方式中，PCMM 1可以包括：基座10、多个刚性传送构件20、坐标获取构件50和形成将刚性传送构件20彼此连接的“接头组件”的多个铰接构件30-36。铰接构件30-36连同传送构件20与铰链(下面描述)一起被配置为赋予一个或更多个旋转自由度和/或角自由度。通过各个构件30-36、20，PCMM 1可以沿各个空间取向对齐，由此允许坐标获取构件50在三维空间中精细定位和定向。
刚性传送构件20和坐标获取构件50的位置能够使用手动、自动、半自动和/或任何其它调整方法被调整。在一些实施方式中，PCMM 1通过各个铰接构件30-36设置七个旋转移动轴。然而，将理解的是，对能够使用的移动轴的数量没有严格的限制，并且更少或更多的移动轴能够被结合到PCMM设计中。
在图1中示出的PCMM 1的实施方式中，铰接构件30-36基于其关联运动构件操作能够被划分成两个功能组，即：1)那些铰接构件30、32、34、36，其与和特定且不同的传送构件相关联的旋转运动相关联(下文中，为“旋转接头”)，以及2)那些铰接构件31、33、35，其允许在两个相邻构件之间或者在坐标获取构件30与其相邻构件之间形成的相对角度的变化(下文中，为“铰链接头”或“铰链”)。虽然所示的实施方式包括被定位成创建七个移动轴的四个旋转接头和三个铰链接头，但是将想到，在其它实施方式中，可以改变铰链接头和旋转接头的数量和位置，从而实现在PCMM中的不同移动特征。例如，具有六个移动轴的基本相似装置可以仅缺少在坐标获取构件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。
如现有技术中(例如参见通过引用结合在本文中的美国专利No.5,829,148)已知的并且在图2D中所示的，传送构件20能够包括具有内部管状转轴20a的一对双同心管状结构，该内部管状转轴20a通过第一轴承和第二轴承以同轴的方式被旋转安装在外部管状护套20b内，该第一轴承被安装为接近相邻构件的第一端部，该第二轴承位于该构件的相对端部处，并且该一对双同心管状结构能够被定位在双轴壳体100内。传送构件20进行操作以将运动从该传送构件的一个端部传送至该传送构件的另一端部。传送构件20依次与铰接构件30-36连接在一起以形成接头组件。
依次，通过从传送构件的一个端部延伸的轭28(参见图1A)、延伸通过铰接构件31、33、35的旋转轴以及铰接构件31、33、35本身的组合来部分地形成铰链接头，铰接构件31、33、35绕旋转轴旋转以形成铰链或铰链接头。
每个铰链或旋转接头具有其自身专用的运动换能器，该运动换能器为能够在图2C中看出的编码器37的形式。有利地，铰链编码器和旋转接头编码器二者被至少部分地并且更优选地被全部定位在各个铰接构件30-36内的双轴壳体100内。
在各个实施方式中，坐标获取构件50包括被配置为啮合所选对象的表面并且基于探头接触生成坐标数据的接触敏感构件55(在图1中示出为硬探头)。在所示的实施方式中，坐标获取构件50还包括非接触扫描和检测部件，其不必须要求与所选物体直接接触来获取几何数据。如所描述的，非接触扫描装置包括能够被用来获取几何数据而不直接接触对象的非接触坐标检测装置(示出为激光坐标检测装置/激光扫描仪)。非接触扫描装置能够包括相机或其它光学装置70，其与未在本文中示出的激光结合起作用。将想到，各种坐标获取构件构造都是可能的，其包括：接触敏感探头、非接触扫描装置、激光扫描装置、使用应变仪来检测接触的探头、使用压力传感器来检测接触的探头、具有铰接的探头、使用超声波装置的探头、使用红外光束来定位的装置、以及被配置为静电响应的探头能够被用于坐标获取目的。此外，在一些实施方式中，坐标获取构件50可以包括一个、两个、三个或多于三个坐标获取机构。
能够在2009年6月18日提交的名称为“ARTICULATING MEASURING ARM WITH LASERSCANNER”的美国专利申请No.12/487,535中找到能够由本文中描述的实施方式使用的坐标获取构件的特定实施方式的进一步描述，该美国专利通过引用完全结合在本文中。如在所述引用中描述的，坐标获取构件可以包括能够附接到坐标获取构件的主体的模块化激光扫描仪(其还可以包括触摸探头)。模块化特征能够允许各种其它坐标检测装置由坐标获取构件来使用。另外，如本领域技术人员通常已知的，能够使用其它坐标获取构件。
有利地，如图2至图2C中所描述的，铰接构件30-36能够形成双轴壳体100。双轴壳体100可以是单个整体壳体或者包括(例如通过焊接、粘合剂等)接合在一起的多个工件的壳体。如所描述的，双轴壳体100能够被耦接到传送构件20并且包括铰链和旋转接头的与从基座10起的第二和第三旋转轴相对应的部分。如上所述，功能旋转编码器37和用于测量传送构件以及铰链和旋转接头的位置的关联电子设备(如本领域技术人员通常已知的)能够分别被定位在铰接构件34和35中(以及铰接构件30-33和36中，在其它附图中示出)。
为了便于双轴组件的组装，双轴壳体100能够包括可移除后盖102，在图2A中示出为被移除。如所描述的，可移除后盖102能够以通常在轴向上与安装于壳体的相邻传送构件20对齐的方式覆盖壳体100中的开口。此外，在一些实施方式中，后盖102能够被配置为不使CMM 1的任何重要负载露出。因此，期望形成还能够用作减震器的刚性较小材料的后盖102。如所描述的，后盖102能够被定位在臂1的“肘部”位置处。在一些活动期间，“肘部”位置更有可能突然接触可以损害臂1的外部硬表面。有利地，由减震材料形成的后盖102能够保护臂1免受这种损害。甚至进一步地，在一些实施方式中，后盖102的材料还能够用来促进与双轴壳体100的材料的增强密封。双轴壳体100能够包括刚性材料，并且后盖102能够包括当被安装到壳体的边缘时能够与该边缘相符合的更柔性材料，产生增强密封。
可移除后盖102能够提供双轴壳体100的内部与外部元件的一般密封，从而保护位于壳体内部的编码器37。当后盖102被移除时，与铰接构件34相关联的单独编码器37能够露出并且被插入到通常在轴向上与所描述的传送构件20(如图2E中所示的)对齐的旋转接收部104中/从双轴壳体100移除。在所示出的实施方式中，与铰接构件34和35相关联的编码器是与传送构件20相分离的部件。也就是说，编码器和传送构件是连接在一起但是能够彼此分离地进行旋转操作的两个单独且不同的部件。相同的原理还应用于其它铰接构件30-33和36。也就是说，传送构件20能够与形成如上所述的铰链或铰链组件并且进行操作以对旋转进行测量的铰接构件30-36分离地进行操作。
另外，如图2B中所示的，在后盖102被移除的同时，附加电子设备能够被插入/移除。如所示，双轴壳体100能够提供用于能够保持附加电子设备的印刷电路板38的接收部。在一些实施方式中，附加电子设备能够执行诸如将来自编码器的模拟信号数字化的附加信号处理。在一些实施方式中，能够在将信号传送到滑环或者其它可旋转电子连接之前执行这种数字化。此外，在一些实施方式中，附加印刷电路板38能够有利于形成在双轴壳体100内的两个编码器之间的物理电子连接。
此外，在所描述的双轴壳体100中，与铰接构件35相关联的单独编码器37能够独立于后盖102被插入/移除。为了便于该插入/移除，双轴壳体100能够具有从壳体的主要平面垂直取向的铰链接收部106。铰链接收部106可以具有编码器37能够进入其中的开放端部108，并且具有大致封闭端部110，编码器能够倚靠该大致封闭端部110以限定针对编码器的位置。一旦编码器37被插入，就插入盖工件112，以将编码器固定在铰链接收部106内。
如图2C中所描述的，编码器37能够包括编码器盘38a和读头38b。编码器盘38a在其表面上可以具有能够通过读头38b测量的图案。例如，在一些实施方式中，编码器盘38a能够具有包括不同颜色、透明和不透明部分或者其它可见变化的光学图案；并且读头38b能够包括诸如相机的光学测量装置。在一些实施方式中，编码器盘38a在其上可以具有与条形码相似的所限定的线图案，使得通过读头测量的该盘的任何图像都能够限定绝对旋转角度，如下面进一步讨论的。作为另一示例，编码器盘38a能够具有不同磁部分并且读头38b能够测量相应磁场。编码器盘38a上的不同图案能够通过读头38b进行测量以指示旋转位置、或者编码器盘相对于读头的旋转位置的变化。依次，如所描述的，读头38b能够与壳体100旋转地固定，并且编码器盘38a能够旋转地固定到编码器轴39，该编码器轴39被可旋转地安装在壳体内。因此，轴39相对于壳体100的旋转能够造成能够测量到的编码器盘38a与读头38b之间的相应相对旋转。然而，将从本文中的描述清楚的是，装置可以改变。例如，在一些实施方式中，读头38b能够可旋转地安装到壳体100并且编码器盘38a能够可旋转地被固定。
在所描述的实施方式中，与铰接构件35相关联的编码器能够经由传送构件和编码器轴39上的叉头与相邻传送构件(在图2中未示出)一起安装。所述叉头能够与位于所示的传送构件20的与双轴壳体100相反的端部处所示的叉头相似，轭28能够被安装到可旋转地安装在壳体100内的编码器轴39。轭28的叉头能够围绕双轴壳体100及其所包含的编码器的端部安装以形成铰链铰接构件35。因此，双轴壳体100中的两个编码器都能够彼此独立地被插入/从单个壳体移除。特别地，在其它实施方式中，双轴壳体100的形式可以改变。例如，在一些实施方式中，双轴壳体100能够形成每样一个相对的两个旋转接收部104或者两个铰链接收部106。
将编码器37放置到单个壳体中能够提供超过具有单独壳体的现有技术组件的很多优点。例如，组合壳体能够减少所要求的零部件和接头的数量，并因此也能降低成本和组装时间。此外，装置的精确性能够从消除由于多个部件而造成的偏差、不对齐或其它问题中得到改善。另外，移除附加壳体能够允许更紧凑的组合接头组装，使得臂能够被更好地支撑并具有更小的重量。如图1A中所示，下一个或前方传送构件20的轭28能够被耦接到延伸通过双轴壳体100的轴承轴，以形成铰链接头。
尽管被描述为从基座包围第二轴和第三轴，但是也能够由铰接构件(例如第四和第五铰接构件32、33)的其它组合来使用类似双轴壳体100。此外，双轴壳体能够提供未在本文中明确论述的附加优点。然而，应当注意的是，在本文中描述的发明的其它实施方式中，铰接构件30-36均可以具有单独壳体。
应当想到，上述双轴壳体或接头组件能够被用在其它类型的CMM中并且不需要结合下面描述的附加实施方式来使用。
图3示出改进的把手40。把手40能够包括一个或更多个集成按钮41。把手能够利用螺栓、卡扣或夹具而连接到轴。另外，把手40能够包括被包括在其内的电子设备44。有利地，将电子设备44设置在把手40中还能够使电子设备与旋转编码器和当被加热时可能失去精确性的其它部件相分离。在一些实施方式中，把手40或其中的电子设备44能够与臂的剩余部分热隔离。另外，当把手40可移除并且包括电子设备44时，把手40能够形成与功能包(下面进行描述的)相似的模块化部件。因此，用户能够通过改变把手40并且因此也改变电子设备44和控制电子设备的按钮41来改变功能。因此能够在CMM中设置具有不同功能的多个把手40，以向CMM提供模块化特征。再次，应当注意的是，在本文中描述的发明的其它实施方式中，能够使用不同把手，或者另选地不存在不同把手。另外，把手能够包含电池以向臂、扫描仪或两者供电。
应当想到，上述改进把手40能够被用于其它类型的CMM中并且不需要结合上文和下文中描述的附加实施方式来使用。
另外或者另选地，在一些实施方式中，CMM臂1能够至少部分地由臂本身的运动控制，如图6中所描述的。例如，尽管在一些实施方式中，可以通过按压按钮、拉动控制杆、转动转盘或者启动一些其它传统启动装置来触发一些命令或指令，但是在其它实施方式中，能够通过可以由编码器37检测到的CMM臂1的特定运动或位置来触发相同或不同的指令。作为更具体的示例，在一些实施方式中，当CMM臂1被放置在通常折叠或收缩的位置(诸如图1中所示的)时，能够指示CMM臂1进入休眠模式。然后CMM臂1能够执行该指令。类似地，CMM臂1能够通过快速移动，或者移动到更延伸位置中而被重新唤醒。指令、运动和位置的其它组合是可能的。
例如，在一些实施方式中，CMM臂1能够根据其总体取向而进入不同数据获取模式。在CMM臂1对沿着产品的不同零部件要求不同数据获取模式的产品定期进行测量的情况下，根据位置来改变数据获取模式是有利的。
进一步地，在一些实施方式中，臂能够根据其移动速度进入不同数据获取模式。例如，当很快将测量到临界点时，CMM的操作者可以慢慢地移动CMM。因此，当臂正在慢慢移动时，CMM能够增加其测量频率、精确度或其它特性。另外，CMM能够在臂被用作计算机鼠标的模式与利用最后轴中的一个的快速移动的测量模式之间进行切换(下面将进一步描述关联计算机的实施方式)。
如同前述实施方式那样，应当想到，与臂的控制相关的这些特征能够被用于其它类型的CMM中并且不需要结合上文和下文中描述的附加实施方式来使用。
图4示出了能够经由对接部12与基座10连接的功能包90的集合。对接部12能够形成CMM臂1与功能包90之间的电子连接。在一些实施方式中，对接部12能够提供连接性以用于高速数据传送、电力传输、机械支撑等。因此，当连接到对接部时，功能包90能够向CMM臂1提供模块化电子设备、机械或热部件，允许各种不同的特征和功能，诸如延长的电池寿命、无线能力、数据存储、提高的数据处理、扫描数据信号的处理、温度控制、机械支撑或镇流器、或者其它特征。在一些实施方式中，这种模块化功能能够补充或代替把手40的一些模块化特征。模块化功能包能够包含针对增强功能的连接器、电池、电子电路板、开关、按钮、灯、无线或有线通信电子设备、扬声器、麦克风或者可能不被包括在基础等级产品上的任何其它类型的扩展功能。此外，在一些实施方式中，功能包90能够被定位在CMM臂1的不同部分处，例如沿着传送构件、铰接构件、或者作为把手40的附加元件。
作为一个示例，功能包90能够包括电池，诸如原电池或者辅助电池。有利地，在功能包90是辅助电池的实施方式中，CMM能够包括当没有辅助电池或者辅助电池被替换时能够维持CMM的操作的内部原电池。因此，通过使辅助电池循环，能够无限期地维持CMM，而无需直接电力连接。
作为另一示例，功能包90能够包括数据存储装置。功能包90上的可用数据存储可以是任意大，使得CMM能够测量并保持大量数据，而不要求连接到诸如台式计算机的更大和/或更小的方便的数据存储装置。此外，在一些实施方式中，数据存储装置能够将数据传送到臂，数据包括针对诸如机动化臂的移动路径的臂操作的指令、当按下特定按钮或者在臂的特定运动或位置时针对该臂的新命令、或者其它可定制设置。
在功能包包括无线能力的示例中，能够提供与数据存储装置相似的功能。利用无线能力，数据能够在没有有线连接的情况下在CMM与外部装置(例如台式计算机)之间持续地被传送。在一些实施方式中，CMM能够从辅助装置持续地接收命令。此外，在一些实施方式中，辅助装置能够持续地显示来自臂的数据，诸如已经获取的臂的位置或数据点。在一些实施方式中，装置可以是个人计算机(“PC”)，并且功能包能够向该PC无线地发送臂坐标数据和扫描仪数据。所述功能包能够在无线传输之前将臂数据和扫描仪数据组合在功能包中，或者作为单独数据流来发送臂数据和扫描仪数据。
在其它实施方式中，功能包还能够包括数据处理装置。这些数据处理装置能够有利地执行能够改进臂的操作、数据存储或其它功能的各种操作。例如，在一些实施方式中，能够通过功能包来处理基于臂位置对臂的命令。在其它实施方式中，功能包能够在存储或传输之前对来自臂的数据进行压缩。
在另一示例中，功能包还能够向CMM提供机械支撑。例如，功能包能够连接到基座10并且具有较大的重量，从而使CMM稳定。在其它实施方式中，功能包能够提供用于CMM与安装有CMM的支撑件之间的机械连接。
在又一示例中，功能包能够包括热功能。例如，功能包能够包括散热器、冷却风扇等。对接部与功能包之间的连接还能够通过导热构件连接到基座10中的电子设备和CMM的剩余部分，允许CMM臂与功能包之间的大量热传送。
此外，如图1中所示的，在一些实施方式中，功能包90能够具有与连接到功能包90的基座10的侧面大致相匹配的尺寸和形状。因此，能够在不大幅增加CMM的尺寸、降低其可能的便携性或者限制其相对于其它装置的位置的情况下使用功能包90。
再次，功能包90能够彼此并且与本文中描述的其它特征相结合地使用和/或能够在其它类型的CMM中独立地使用。
另外，在一些实施方式中，CMM臂1能够包括绝对编码器盘95，在图5中示出示例性实施方式。绝对编码器盘95能够包括通常为圆形的序列化图案，其能够具体实现为反射和非反射材料、透明和非透明材料、交变磁性能等。序列化图案能够允许读头通过仅读取编码器的编码表面的受限部分来确定编码器上的唯一位置。在一些实施方式中，序列化图案能够类似于条形码，如图5中所描述的。图案沿着关联读头的观察范围可以是非重复性的。因此，通过读头从编码器盘95收集的图像或其它数据能够产生与编码器上的任何其它位置不同的图案，并且因此与唯一角位置相关联。每个编码器能够由通过例如可以是CCD成像器的一个或更多个读头读取的单个序列化盘组成。使用两个或者优选地四个CCD成像器能够通过测量轴的偏心率以及从角度测量中减去该偏心率来改进编码器的精确性。此外，能够通过对多个CCD成像器的测量结果求平均来改进角度精确性。
在现有技术的编码器中，通常使用增量和重复表面，其中经编码的表面仅指示增量步幅而没有绝对位置。因此，增量编码器将要求返回至唯一识别初始位置，以重建索引并确定远离初始位置的增量位置。有利地，绝对编码器盘95的一些实施方式能够消除所要求的返回到初始位置。CMM的该特征还能够与本文中描述的其它特征相结合地使用和/或在其它类型的CMM中独立地使用。
有利地，绝对编码器盘95能够改进进入休眠模式的CMM臂1的功能。进入休眠模式能够降低CMM臂1的电力消耗。然而，如果足够系统在休眠模式期间被关闭，则增量编码器可以“忘记”其位置。因此，当退出休眠模式时，增量编码器可能需要在使用之前被带回到初始位置。另选地，增量编码器能够在休眠模式期间被保持为部分地通电，以维持其增量位置。有利地，利用绝对编码器盘95，编码器能够在休眠模式期间被完全断电，并且当电力恢复时立即输出其位置。换句话说，绝对编码器能够以较低频率读取其位置，而不考虑其可能错过增量移动并因此丢失其增量位置的轨迹。因此，CMM臂1能够被通电或者被重新唤醒并且能够从任何起始位置立即开始数据获取，而不要求中间重置到“初始”位置。在一些实施方式中，绝对编码器能够由CMM的每个测量旋转轴使用。CMM的该特征还能够与本文中描述的其它特征相结合地来使用和/或在其它类型的CMM中独立地使用。例如，如上所述，该休眠模式能够通过移动到特定位置来引起。作为又一示例，编码器盘38a能够是绝对编码器盘95。
甚至进一步地，在一些实施方式中，CMM臂1能够包括倾斜传感器。在一些实施方式中，倾斜传感器能够具有至少大约1弧秒的精确度。倾斜传感器能够被包括在基座10、功能包90中，或者被包括在CMM臂1的其它零部件中。当被放置在基座10或者功能包90中时，倾斜传感器能够检测CMM臂的支撑结构(诸如臂所处的桌面或三脚架)的移动。然后该数据能够被传送到在臂中的别处的处理模块，或者被传送到诸如计算机的外部装置。例如当倾斜变得超过阈值量时，CMM臂1或者外部装置然后能够警告用户基座中的移动和/或尝试对该移动进行补偿。对用户的警告能够以各种各样的形式体现，诸如声音、把手40上的或者通常靠近臂1的端部的或者在连接到臂1的监视器上的LED灯。另选地或另外地，警告能够是关于当倾斜已经发生时通过臂1收集的数据的标记的形式。然后，当稍后进行分析时，该数据可能被认为是不太精确的。当尝试对移动进行补偿时，在一些实施方式中，倾斜及其对位置的影响能够部分地被测量并且在校准处理中被考虑。在其它实施方式中，能够通过据此调整铰接构件的角位置来补偿倾斜。CMM的该特征还能够与本文中描述的其它特征相结合地使用和/或在其它类型的CMM中独立地使用。
在其它实施方式中，在每次测量臂位置时，从臂向扫描仪发送触发信号。与臂触发一致，臂能够锁定臂位置和取向。扫描仪还能够记录相对于所捕获的扫描仪图像流(而且例如记录作为时间戳)的接收信号的时间(例如，作为时间戳)。来自臂的该时间信号数据能够被包括在图像数据中。根据两个系统(臂和扫描仪)的相对频率，可能存在每扫描仪图像超过一个臂触发信号。可能不期望臂以低于扫描仪的频率来运行，并且这通常导致臂和扫描仪的频率至少部分地不同步。臂和扫描仪数据的后处理因此能够通过利用扫描仪帧的插值来组合臂位置，以在扫描仪图像的时间对臂位置进行估计。在一些实施方式中，插值可以是在两个相邻点之间的简单线性插值。然而，在其它实施方式中，更高阶多项式插值能够被用来考虑加速度、猛拉等。CMM的该特征还能够与本文中描述的其它特征相结合地使用和/或在其它类型的CMM中独立地使用。
具有缺陷检测的CMM
图7是结合超声波缺陷检测系统的PCMM的一个实施方式的立体图。超声波缺陷检测系统能够检测对象内的各种特征，诸如对象内的材料缺陷或者对象内的一些其它非缺陷不连续性。不连续性的示例能够包括材料的成分的变化、焊接或焊接的完整性、材料的腐蚀、材料中的空隙、以及其它特征。图8是超声波缺陷检测系统的一个实施方式的立体图。在其它实施方式中，能够包括例如上述的PCMM 1的各种实施方式的CMM能够包括缺陷检测系统。在一些实施方式中，该缺陷检测系统能够包括超声波缺陷检测系统。超声波缺陷检测系统200能够结合上面论述的坐标测量机以及本领域技术人员已知的任何坐标测量机的任一种实施方式来使用。超声波缺陷检测系统200能够包括具有缺陷检测传感器55’的CMM(诸如上述CMM)，在一种布置中该缺陷检测传感器55’能够被用来代替上述的接触敏感构件55。在一些实施方式中，缺陷检测传感器55’能够包括超声波缺陷检测传感器。该系统200还能够包括用于处理来自CMM和传感器55’的信息的计算机或处理器。如下面将进一步解释的，将超声缺陷检测系统与CMM相结合不但提供同时进行多个测量的能力，而且提供同时显示那些结果(例如，在计算机显示器220上)的能力。在一些实施方式中，来自超声缺陷检测系统200的数据能够与来自坐标测量机的数据相重叠。来自坐标测量机的数据结合同时或大致同时由超声缺陷检测系统提供的数据能够被用来一起重建所选对象的可见表面和隐藏表面。在一些实施方式中，结合超声波缺陷检测系统的CMM提供该能力，以提供所选对象中的缺陷的三维彩色图。在一些实施方式中，缺陷能够被结合在所选对象的三维模型中。在其它实施方式中，缺陷能够被结合在使用计算机辅助绘图软件创建的三维模型中。在一些实施方式中，缺陷的三维彩色图能够被结合在所选对象的三维模型中。
在一些实施方式中，超声波缺陷检测系统具有对所选对象中的缺陷进行定位和分类的能力。超声波缺陷检测系统能够包括超声传感器55’，超声传感器55’包括一个或更多个超声波换能器、用于信号捕获和分析的硬件和软件、波形显示器，以及在一些应用中，包括数据记录模块。在一些实施方式中，至少一个超声波换能器被用来将能量从一种形式转换成另一种形式。换能器能够将电能转换成高频声能量，并且反之亦然。在一些实施方式中，超声传感器包括超声波脉冲发生器和接收器。在其它实施方式中，超声波缺陷检测系统能够经由机械振动生成声波并且通过介质(例如，要进行测量的所选对象)来传播声波。声波将在可预测方向上以特定速度或速率前进通过介质，并且当声波遇到与不同介质的边界时，根据介质的材料性能和边界被反射或发送。超声波缺陷检测系统能够检测并测量所反射的波。在一些实施方式中，超声波缺陷检测系统能够包括由压电陶瓷、复合物或聚合物制成的有源元件。当有源元件被高压电脉冲激励时，该有源元件遍及特定频谱进行振动并且生成一阵声波。当有源元件通过传入的声波(诸如由边界反射的波)而振动时，该有源元件生成电脉冲。在一些实施方式中，由于为超声频率的声能量可能无法像通过气体那样高效地行进，所以在换能器与所选对象之间可以利用耦合液体或凝胶的薄层。耦合液体或凝胶因此能够扩大超声传感器55’与要测量的对象之间的接触的有效面积。
能够在本文中描述的超声波缺陷检测系统的各种实施方式中使用多种类型的超声波换能器。这些换能器例如能够包括接触式换能器、角梁换能器、延迟线换能器、浸入式换能器、相控阵换能器以及双元件换能器。本文中描述的实施方式能够结合这些类型的超声波换能器中的每种类型中的至少一个。在一些实施方式中，能够包括各种各样的超声波换能器。
在一些实施方式中，超声波缺陷检测仪能够利用直梁测试或角梁测试。利用接触式换能器、延迟线换能器、双元件换能器或浸入式换能器的直梁测试能够被用来找到与所选对象的表面平行的裂缝或分层、以及空隙和孔隙度。该测试能够利用如下原理：经过介质的声能量将继续传播，直至其在与另一种材料(例如在远壁周围的或者在裂缝内找到的空气)的边界处发生分散或反射。在该类型的测试中，操作者将换能器耦接到所选对象并且对从所选对象的远壁返回的回声进行定位，然后寻找在后壁回声之前到达的任何回声，忽略晶粒散射噪声(如果存在的话)。在后壁回声之前的听觉上显著的回声暗示了存在层状裂缝或空隙。通过进一步分析，能够确定产生反射的结构的深度、尺寸和形状。利用常用角梁(楔形物)换能器组件或者被对齐以所选角度将声能量引导到所选对象中的浸入式换能器的角梁测量能够被用来寻找与所选对象垂直的裂缝或其它不连续性。在一些实施方式中，角梁组件利用模式转换和斯涅尔定律(Snell’s Law)在所选对象中以所选角度生成剪切波。随着入射纵波相对于表面的角度增加，声能量的增加部分在第二材料中被转换成剪切波，并且如果该角度足够高，则第二材料中的全部能量都将是剪切波的形式。
如图7中所示，PCMM 1的坐标获取构件50能够结合超声波缺陷检测系统的超声传感器55’。超声传感器55’能够结合至少一个超声波换能器，使得该超声传感器55’能够通过所选对象来发送并接收超声波并且能够检测所选对象的表面下面的缺陷以及所选对象的被测量部分的厚度。缺陷能够包括例如在所选对象的表面下面的裂缝、分层、孔隙度或其它缺陷。在一些实施方式中，超声传感器55’能够用作接触敏感构件，其被配置为与所选对象的表面相接合并且生成坐标数据。在一些实施方式中，超声传感器55’结合硬点以与所选对象的表面相接合。通过结合超声传感器55’和坐标测量探头，CMM能够在相同位置处同时或大致同时收集坐标数据以及超声波缺陷测量数据。与坐标测量相关的超声波缺陷测量提供显著改进信息，提供确定缺陷相对于所选对象的表面的位置和缺陷在对象内的最终位置的能力。另外，从多个位置收集的数据能够被编译，创建缺陷在所选对象内的地图。
在另一实施方式中，PCMM 1的坐标获取构件50能够可选地结合超声传感器55’以及不必须要求与所选对象直接接触的非接触式扫描和检测部件70’，以获取几何数据。非接触式扫描装置70’能够包括非接触式坐标检测装置以在没有直接对象接触的情况下获得几何数据。在一些实施方式中，非接触式扫描装置70’能够包括激光扫描仪。在其它实施方式中，非接触式扫描装置70’能够包括涡电流装置。在其它实施方式中，非接触式扫描装置70’能够包括X射线装置。在其它实施方式中，CMM能够利用双重模式，在该模式下能够同时或交替地利用非接触式扫描装置70’和超声波缺陷检测系统。在其它实施方式中，CMM能够首先利用扫描模式，在该扫描模式下非接触式扫描装置70’获得所选对象的表面的几何数据。然后，CMM能够利用缺陷检测模式，在该缺陷检测模式下超声波缺陷检测系统测量在所选对象的表面下面的缺陷。在一些实施方式中，超声波缺陷检测系统能够在缺陷检测模式期间被用来测试所选对象的所选部分或全部。在一些实施方式中，能够使两种模式的次序颠倒。在一些实施方式中，双重模式过程能够结合针对附加数据获取工具和方法的附加模式。在一些实施方式中，每种模式能够包括用于测量所选对象的超过一种方法或工具。在其它实施方式中，超声波缺陷检测系统能够被用来对所选对象的所选感兴趣部分进行扫描，使得对所选对象进行扫描所花费的时间最小化。这将提供将所选对象的所选感兴趣部分的超声波缺陷检测数据覆盖在该对象的全三维模型上的能力，提供关于缺陷的位置的额外清晰度。
图9是包括缺陷400的所选对象300的横截面。在一些实施方式中，具有超声波缺陷检测系统的CMM具有通过在给定位置(在图9中通过虚线示出的给定位置)处获取给定读数来绘制两个或更多个点的能力。两个点可以包括根据由CMM提供的坐标测量的一个表面点310、以及根据CMM的超声波缺陷检测系统的一个缺陷点。在其它实施方式中，缺陷点能够是缺陷与所选对象300的表面最接近的部分、或者缺陷起始点410。在一些实施方式中，具有缺陷检测系统的CMM具有通过在给定位置处获取给定读数来绘制四个或更多个点的能力。除了所选对象的缺点终止点420和相反表面320以外，这些点还包括如上所述的表面点310和缺陷起始点410。在其它实施方式中，为了获得附加点，超声波缺陷检测系统能够结合附加特征，该附加特征能够包括例如使用用于在不同深度测量介质的变化的不同频率的能力。在另一实施方式中，能够利用另选超声波缺陷检测手段，其能够包括例如成角度超声波缺陷检测。在其它实施方式中，成角度超声波缺陷检测能够结合角梁换能器。通过利用角梁换能器，超声波缺陷检测系统能够检测并绘制上述四个或更多个点。在一些实施方式中，角梁换能器能够结合接触式换能器来使用，以检测并绘制上述四个或更多个点。在一些实施方式中，超声波缺陷检测系统将能够提供上述每个点的深度。因此，在一些实施方式中，该系统将提供关于深度或者表面点310与缺陷起始点410之间的距离的数据。在一些实施方式中，该系统将提供关于缺陷400的厚度或者缺陷起始点410与缺陷终止点420之间的距离的数据。在一些实施方式中，该系统将提供关于从缺陷终止点420到所选对象300的相反表面320的距离的数据。在一些实施方式中，该系统将能够测量给定位置处的不同深度的多个缺陷。在一些实施方式中，该系统能够提供关于每个缺陷400的缺陷起始点410和缺陷终止点420的数据。在一些实施方式中，该系统能够提供所选对象300的给定位置处的厚度或者表面310与相反表面320之间的距离。
在一些实施方式中，超声波缺陷检测系统能够包括电子模块。在其它实施方式中，电子模块与超声传感器55’进行通信。在一些实施方式中，电子模块生成并接收由超声传感器55’利用的模拟信号，以检测所选对象的表面下面的缺陷。在一些实施方式中，电子模块还对模拟信号进行处理并生成数字信号。在一些实施方式中，电子模块与超声波缺陷检测系统的其它部分进行通信。在一些实施方式中，电子模块能够与毂进行通信。在一些实施方式中，电子模块能够与功能包(例如图4中示出的功能包)进行通信。在一些实施方式中，电子模块能够与辅助装置进行通信，该辅助装置能够包括例如计算机210(诸如图8中所示的计算机)。
在其它实施方式中，电子模块被定位成非常接近超声传感器55’。在其它实施方式中，电子模块被安装在PCMM 1的坐标获取构件50上或其内。将电子模块放置在坐标获取构件50内的优点在于能够使靠近换能器的超声信号数字化。通过使靠近换能器的超声信号数字化，能够通过在其接头处具有滑环以提供无限旋转的PCMM的内部线路来发送数字化信号。如果靠近坐标获取构件的信号未被数字化，则模拟超声信号可以沿着PCMM的外部上的单独线缆被发送，该单独线缆可能阻止PCMM的无限旋转且由于其能够接触正被测量的零部件对于用户来说可能是尴尬的。通过内部布线并且通过滑环来发送原始模拟信号可能不是有利的，这是由于其可能使原始模拟信号恶化并且使其具有噪音。在一些实施方式中，电子模块经由至少一个线缆与超声传感器55’进行通信。在一些实施方式中，代替线缆，超声波缺陷检测系统能够利用无线技术在该系统的多个部分之间以及与其它系统进行通信。在一些实施方式中，电子模块能够被定位成在PCMM 1的基座10附近。在其它实施方式中，将超声传感器55’连接到电子模块的线缆能够沿着多个刚性传送构件20的外部延伸。在另一实施方式中，线缆能够在多个刚性传送构件20的内部内延伸。在其它实施方式中，CMM能够结合附接构件以保持线缆并且防止在使用CMM期间线缆的卷边或破损。
在一些实施方式中，CMM能够结合用户界面，用户界面能够包括例如计算机监视器220(诸如图8中所示的计算机监视器)，以显示由CMM提供的数据。在一些实施方式中，用户界面能够被配置为显示由超声波缺陷检测系统提供的数据。在一些实施方式中，用户界面能够被结合在超声波缺陷检测系统的电子模块中。在另一实施方式中，单独用户控制装置能够结合用户界面。在一些实施方式中，用户界面能够被结合在辅助装置内或者被显示在辅助装置上，该辅助装置能够包括例如台式或膝上型计算机210。在一些实施方式中，辅助装置能够与CMM有线连接。在其它实施方式中，辅助装置能够经由无线连接与CMM进行通信。
在一些实施方式中，用户界面结合至少一个显示器以将通过CMM收集的数据呈现给用户。在一些实施方式中，该显示器能够包括例如计算机监视器220。在一些实施方式中，至少一个显示器能够呈现所选对象的表面下面的缺陷的图形表示。在一些实施方式中，该图形表示能够包括缺陷相对于表面的深度。在一些实施方式中，图形表示能够包括缺陷起始点的深度和缺陷终止点的深度。在一些实施方式中，图形表示能够包括从所选对象的表面到相反表面的距离，提供了所选对象正被测量的部分的厚度。在一些实施方式中，上述深度能够以数字形式来提供。在一些实施方式中，缺陷能够通过显示器上的对比色来表示。在一些实施方式中，显示器能够以图形方式显示覆盖在所选对象300上的缺陷400，如图9中所示出的。在一些实施方式中，至少一个显示器能够呈现描绘所选对象的表面下面的缺陷的彩色图。在一些实施方式中，不同颜色能够表示不同等级的材料密度。在一些实施方式中，不同颜色能够表示不同种类的缺陷，诸如孔隙度、裂缝、分层等。在一些实施方式中，不同颜色能够表示不同厚度缺陷。在其它实施方式中，不同颜色能够表示由其它免费系统和数据获取装置提供的附加信息。
在一些实施方式中，超声波缺陷检测系统能够利用针对其功能的至少一部分的功能包90(诸如图4中所示的功能包)。在一些实施方式中，功能包90能够提供上述电子模块的功能。在其它实施方式中，功能包90能够提供辅助装置的功能。在其它实施方式中，功能包90能够通过线缆与超声传感器55’进行通信。在其它实施方式中，功能包90能够与电子模块相结合地利用并且与该电子模块进行通信。在其它实施方式中，功能包90能够与辅助装置相结合地利用并且与该辅助装置进行通信。在其它实施方式中，功能包90能够经由至少一个线缆与超声传感器55’连接。在其它实施方式中，功能包90能够经由至少一个线缆与辅助装置连接。在其它实施方式中，功能包90能够经由无线连接与辅助装置连接。在一些实施方式中，功能包90能够包括数据处理装置。在其它实施方式中，功能包90生成并接收对超声传感器55’来说必须的模拟信号并且从超声传感器55’接收模拟信号，以便对该信号进行处理并且提供关于所选对象的表面下面的缺陷的数字信号或数据。在一些实施方式中，功能包90能够结合超声波缺陷检测功能连同其它功能，其它功能能够包括例如上述功能包90的功能、数据存储装置的功能、通信装置的功能等。在一些实施方式中，超声波缺陷检测系统能够包括对现有CMM的添加、升级或选择。在一些实施方式中，超声波缺陷检测系统能够包括功能包90。功能包90能够提供超声波缺陷检测系统功能的至少一部分并且与超声传感器55’相结合地工作，以提供关于所选对象的表面下面的缺陷的信息。
在一些实施方式中，CMM能够一次执行多个测量。CMM能够同时或连续地利用各种数据获取装置。这些装置能够包括例如硬点和接触敏感触摸探头、非接触式扫描或成像装置、激光扫描装置、应变测量等。
在一些实施方式中，具有超声波缺陷检测系统的CMM能够检测各种材料中的各种缺陷类型。在其它实施方式中，该系统能够检测并测量复合材料内的分层，该复合材料能够包括例如玻璃纤维或碳纤维。在其它实施方式中，该系统能够检测并测量铸件内的孔隙度。在其它实施方式中，该系统能够检测并测量材料内的裂缝，该材料能够包括例如黑色金属和有色金属。
在一些实施方式中，上述超声波缺陷检测系统能够由涡电流缺陷检测系统代替。在另一实施方式中，超声波缺陷检测系统能够与涡电流缺陷检测系统相结合地工作。在另一实施方式中，超声波缺陷检测系统能够由X射线缺陷检测系统代替。在另一实施方式中，超声波缺陷检测系统能够与X射线缺陷检测系统相结合地工作。在另一实施方式中，CMM能够利用超声波缺陷检测系统、涡电流缺陷检测系统以及X射线缺陷检测系统的任意组合。
图10示出了超声传感器500的另一实施方式，除非相反指示，该超声传感器500能够被替换并且还具有与上述超声传感器55’相似的性能和功能。下面参照图10进行描述的实施方式能够结合上述实施方式来使用或者能够被用于其它类型的PCMM中，并且因此不需要结合本文中描述的PCMM实施方式来使用。例如，PCMM可以具有更多或更少的铰接接头。
如所示，超声传感器500能够包括附接部510。附接部510能够被配置为便于将超声传感器500附接到坐标测量机，诸如具有例如6个或者铰接或者传送构件的铰接臂坐标测量机。传感器500能够可选地以与接触探头或其它探头相同的方式、可选地代替这种探头附接到坐标测量机。此外，传感器500能够使用各种机构进行附接，诸如螺纹啮合、闩锁啮合、磁啮合、运动学支承或者类似机构。附接部510还能够提供与CMM的电子连接，以便于与CMM的电力传输和数据传送。有利地，啮合大致上是刚性的，使得传感器500相对于CMM的位置和角取向能够被已知。如下面将进行论述的，传感器500的部分能够是非刚性的，并且能够测量传感器500(或者传感器500的一部分)在这些非刚性部分处的移动，以监视测量部540的位置。
如图10中所示的，传感器500能够包括主体部520。主体部520能够刚性地连接到附接部510。此外，主体部520能够包括各种辅助元件，诸如被示出为印刷电路板(PCB)522的计算模块。PCB 522能够提供各种功能，诸如对超声脉冲发生器和接收器进行操作。PCB 522还能够提供各种数据处理功能，诸如将来自超声接收器的模拟信号转换成数字信号。此外，PCB 522能够便于传感器500与CMM的其它部件之间的通信，其它部件是诸如臂中、功能包上、被附接到臂上的其它电子设备和处理模块、或者其它模块。在一些实施方式中，来自传感器500的数据能够沿着隔离的内部线缆线路被传送，该隔离的内部线缆线路与用于发送来自臂上的编码器的数据的线路相分离。
如所描述的，传感器500另外可以包括与连接到主体部520的铰接体部530。铰接体部530能够允许传感器500在一个或更多个轴处旋转。在所描述的实施方式中，铰接体部530允许在与铰接探头接头532、534相对应的两个轴处旋转。铰接探头接头532、534能够被定向以将两个不同旋转轴提供给传感器500。每个接头532、534能够包括各种特征以便于诸如轴、轴承、套管和其它元件的物理旋转。此外，如图11至图13中所示的，接头532、534能够包括角度传感器以测量围绕其各自旋转轴的角旋转。
角度传感器能够包括定位在孔538后面的光源536和光传感器537。光源536能够包括LED或者另一光源。光传感器537能够包括光电二极管或者其它类型的光敏传感器，并且其能够被直接定位在孔538后面。光传感器537能够创建与所接收的光相关的信号，诸如与所接收的光成比例(并因此与接头的角度成比例，如下面论述的)的电压。光源536、孔538和光传感器537能够被定位为使得从光源开始穿过孔并且到达光传感器的光量根据接头532、534的角位置而改变。例如，光源536能够相对于孔538和光传感器537移动，使得在接头的一个极限位置处，如图11中所示，光源536能够基本上与孔538不重合。在该位置，基本上没有来自光源536的光穿过孔538到达传感器。在图12中描述的接头的中间位置，光源536能够与孔538对齐大约一半，使得来自光源的光的一部分到达光传感器537。在图13中所示的接头的另一极限位置处，光源536和孔538能够大致对齐，使得基本上全部的光到达光传感器537。因此，通过传感器检测的光量能够指示角位置。这能够与使用光栅或其它模式的标准编码器不同地进行操作，但是仍能够使用超过一个孔。在一些实施方式中，能够利用+/-50弧秒或更好的精确度来测量角位置。在其它实施方式中，能够利用+/-20弧秒或更好的精确度来测量角位置。在又一些实施方式中，能够利用+/-2弧秒或更好的精确度来测量角位置。
还能够使用相似传感器。例如，能够倒转光源536和光传感器537的位置，使得光传感器相对于孔538移动并且光源536保持与孔对齐，这与所描述的光传感器相对于孔移动并且光传感器保持与孔对齐的实施方式相反。此外，将要理解的是，光不必是可见光，而是还能够是红外光、紫外光或者电磁谱的其它部分。
此外，在一些实施方式中，光源536在具有更多光的极限位置中能够至少部分地被孔538挡住。这能够防止光传感器537过于饱和，因为一些传感器当接近完全饱和时可能丢失精确性。在其它实施方式中，能够选择传感器的敏感度和光源的强度来防止饱和。然而，孔538和光源536和/或传感器的几何形状也能够通过其相对移动而影响测量的精确度。在附图中，孔538和光源536被描述为圆形，但是其它形状也是可能的。
类似地，光源536能够通过孔538被至少部分地暴露在具有较少光的极限位置中。这能够防止光传感器537在低光条件下丢失精确性。例如，信噪比在低光条件下能够更高。
对传感器的其它变型是可能的。例如，在一些实施方式中，能够使用多个光传感器。此外，在一些实施方式中，能够使用多个光源。例如，在一些实施方式中能够使用线性光电二极管阵列。此外，能够使用其它类型的传感器来测量角位置，诸如光学或旋转编码器、光学相机、应变传感器、霍尔效应传感器以及其它类型的传感器。传感器500的角位置(例如，接头532、534的角度)的测量能够与其它数据相结合以确定测量部540(下面进行论述)的位置和由CMM测量的其它特征。
能够限制接头532、534的运动的角范围。例如，在一些实施方式中，这些接头能够被限制到大约7度的运动范围。在其它实施方式中，运动范围能够是10度或更少、12度或更少或者15度或更少。由于当传感器500在连接到CMM的臂的同时沿着表面移动，所以允许传感器500的旋转能够改进与要被测量的对象的接触。更具体地，对于超声传感器，传感器应当被保持在与使用期间测量的对象大致正交的位置中。已经发现，大约7度的旋转通常是足够的，但是更大或更小范围的运动也是可能的。
传感器500另外可以包括被附接到铰接体部530的测量部540。如所描述的，测量部540包括超声装置，但是还能够由所论述的可旋转设计来使用正常接触探头。如上所述，超声装置能够包括超声脉冲发生器和接收器。此外，如所示，测量部540能够大致为圆柱形，在测量部的端部处具有平坦接触部分以用于与要被测量的对象相接触。大多数常见超声传感器是圆柱形的，并且传感器的平面应当保持与正被测量的对象的表面持续接触。为了实现上述内容，圆柱形传感器应当被保持为与对象大致正交。由于传感器具有来回摇晃的趋势并且难以保持接触，当传感器被安装到更大铰接臂CMM、CMM或机械时，维持该正交位置相对来说是困难的。铰接体部530能够允许测量部540与传感器500的其余部分(诸如主体部520和附接部510)之间的旋转。这便于维持正交接触。
能够由各种装置使用诸如传感器500的传感器。虽然在本文中被描述为主要由铰接臂坐标测量机使用，但是还能够由直接计算机控制坐标测量机、通用坐标测量机、机器人或其它装置来使用这种传感器。此外，传感器500能够包括除了超声装置或触摸探头以外的其它测量装置。另外，传感器540能够由诸如球体的接触探头代替，以便进行传统接触测量。
上述各种装置、方法、过程和技术提供了实现本发明的多种方式。当然，应理解地是，不必须根据任何上述特定实施方式实现所有所述目的或优点。并且，尽管在某些实施方式和实施例的上下文公开了本发明，但是本领域技术人员将理解，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，本发明不旨在由本文公开的优选实施方式限制。

Claims (20)

1.一种由坐标测量机使用的铰接探头，所述铰接探头包括：
附接部，所述附接部被配置用于附接到坐标测量机；
测量部，所述测量部被配置为接触要通过所述坐标测量机测量的对象；以及
至少一个铰接接头，所述至少一个铰接接头被配置为允许所述附接部与所述测量部之间的旋转，所述铰接接头包括被配置为测量所述接头的角度的角度传感器。
2.根据权利要求1所述的铰接探头，其中，所述角度传感器包括光源、孔和光传感器，所述光源、所述孔和所述光传感器被布置为使得由所述光传感器接收的光量指示所述接头的所述角度。
3.根据前述权利要求中任一项所述的铰接探头，其中，所述测量部包括超声脉冲发生器和接收器。
4.根据权利要求3所述的铰接探头，其中，所述测量部包括平坦端部，所述平坦端部被配置为与要被测量的所述对象接触。
5.根据权利要求4所述的铰接探头，其中，所述超声脉冲发生器和接收器被设置在所述平坦端部上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的铰接探头，所述铰接探头包括至少两个铰接接头，所述至少两个铰接接头被配置为允许所述附接部与所述测量部之间的旋转，所述铰接接头包括被配置为测量所述接头的角度的角度传感器。
7.根据前述权利要求中任一项所述的铰接探头，其中，至少一个铰接接头具有受限运动范围。
8.根据权利要求7所述的铰接探头，其中，所述运动范围不多于15度。
9.根据权利要求7所述的铰接探头，其中，所述运动范围大约为7度。
10.根据前述权利要求中任一项所述的铰接探头，其中，所述至少一个铰接接头的所述角度传感器包括光源和光接收器。
11.根据权利要求10所述的铰接探头，其中，所述角度传感器还包括在所述光源与所述光接收器之间的孔，使得从所述光源穿过所述孔到达所述光接收器的光量随着所述角位置而改变，并且能够从由所述光接收器接收的所述光量来确定角位置。
12.根据权利要求11所述的铰接探头，其中，在由所述铰接接头允许的所述运动的角范围的一端处，来自所述光源的基本上全部光都由所述孔阻挡而无法到达所述光接收器。
13.根据权利要求12所述的铰接探头，其中，在来自所述光源的基本上全部光都由所述孔阻挡而无法到达所述光接收器的所述运动的角范围的所述一端处，允许来自所述光源的少量光穿过所述孔并到达所述光接收器。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的铰接探头，其中，在由所述铰接接头允许的所述运动的角范围的一端处，允许来自所述光源的基本上全部光穿过所述孔并到达所述光接收器。
15.根据权利要求14所述的铰接探头，其中，在允许来自所述光源的基本上全部光穿过所述孔并到达所述光接收器的所述运动的角范围的所述一端处，来自所述光源的少量光被所述孔阻挡而无法到达所述光接收器。
16.根据前述权利要求中任一项所述的铰接探头，其中，所述测量部被配置为生成模拟测量信号。
17.根据前述权利要求中任一项所述的铰接探头，其中，所述至少一个角度传感器被配置为生成模拟角信号。
18.根据权利要求16和17中任一项所述的铰接探头，所述铰接探头还包括被配置为将所述模拟信号转换成数字信号的处理模块。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的铰接探头，其中，所述附接部提供用于附接到坐标测量机的电子连接，并且所述附接部还被配置为将模拟信号或数字信号中的至少一个从所述铰接探头发送到所述坐标测量机。
20.一种铰接臂坐标测量机，所述铰接臂坐标测量机包括：
基座、一个或更多个传送构件、以及将所述一个或更多个传送构件连接到所述基座的一个或更多个铰接构件，所述铰接臂坐标测量机被配置为测量所述铰接臂的端部的位置；以及
根据前述权利要求中任一项所述的铰接探头，所述铰接探头附接到所述铰接臂的所述端部。
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