CN1240989C - 坐标定位机 - Google Patents

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Abstract

本发明一种坐标定位机，其包括通过三个联接机构相互连接的一底座和一工作模块，所述联接机构可相互协作而防止底座和工作模块之间发生相对转动，但是可允许底座和工作模块之间发生相对的平移，其中，作用在工作模块上的重力可以通过一个或多个平衡装置来加以平衡，当没有外力作用于所述工作模块时，所述平衡装置使工作模块相对于底座悬挂起来，其中，所述工作模块的运动取决于旋转式编码器，所述旋转式编码器是安装成可以对所述底座和所述工作模块的相对直线运动进行测量。

Description

坐标定位机
技术领域
本发明涉及一种坐标定位机，例如机器人或用来测量构件位置、形式或尺寸的坐标测量仪。
背景技术
众所周知类型的一种坐标定位机具有“笛卡尔”构造，其中一工作模块(例如可以结合有一探针)由三个“串联”安装(即一个叠一个)且相互正交的直线导轨支承着，能以三个平移自由度相对于一底座(例如一工作台)移动。在一个变化型的支承结构中，一工作模块由三个铰接联接机构支承着，能以三个平移自由度相对于一工作台移动，每个联接机构均直接连接在工作模块与一形成底座一部分的支承元件之间。机器的这样一种“平行”安装结构例如从EP 102744和US 4,976,582中可以了解。
发明内容
本发明的各个方面都涉及的是平行式的机器构造。
本发明的目的在于，提供一种坐标定位机，该坐标定位机能使取决于编码器的两个可相对移动的部件作相对的直线运动，但抑制它们作相对的旋转运动。
根据本发明的一个方面，提供了这样一种坐标定位机，包括通过三个联接机构相互连接的一底座和一工作模块，所述联接机构可相互协作而防止底座和工作模块之间发生相对转动，但是可允许底座和工作模块之间发生相对的平移，其中，作用在工作模块上的重力可以通过一个或多个平衡装置来加以平衡，当没有外力作用于所述工作模块时，所述平衡装置使工作模块相对于底座悬挂起来，其中，所述工作模块的运动取决于旋转式编码器，所述旋转式编码器是安装成可以对所述底座和所述工作模块的相对直线运动进行测量。
机器构造的优点在于，它可以使用户对一系列平行平面上的物体的轮廓进行扫描，以便获得例如其表面的数据地图。较佳的是，该机器可以包括一对可选择操作的锁定装置，它们是可以驱动的，以便限制底座和工作模块在非平行平面上的相对运动，工作模块在机器工作区域范围内的位移量取决于工作模块在锁定装置被驱动而限制相对运动那一瞬间的位置。
因此，该机器一个较佳实施例包括：第一和第二可选择操作的锁定装置，其中，由第一锁定装置锁定工作模块和底座之相对运动的那些平面与由第二锁定装置锁定相对运动的那些平面相互之间是不平行的。
在另一个较佳实施例中，由可选择操作的锁定装置锁定工作模块之移动的锁定平面的位移量可由机器使用者根据工作模块在可选择操作的锁定装置被锁定以限制工作模块运动的那一刻的瞬时位置来确定。
较佳的是，至少一个联接机构具有以两个旋转自由度相互枢转连接的第一和第二支臂，第一支臂包括一对细长的支杆，它们的一端以两个旋转自由度可枢转地安装于底座和工作模块中的一个，而另一端则安装于第二支臂，第二支臂以一个自由度，围绕铰接轴线可枢转地安装于底座和工作模块中的另一个，其中，可选择操作的锁定装置可以在第一支臂的两个支杆之间工作。
该实施例的一个较佳特征在于，每个锁定装置均包括一其两端分别连接于支杆之一的细长夹持件，当该夹持件不工作时，其长度随着支臂的枢转而增大或减小，当夹持件工作时，其长度维持一恒定值。
根据本发明的一个独立方面，在平行型机器内，底座和工作模块之间的相对位移量可以由多个编码器来确定。根据本发明的这个方面，提供了一种坐标定位机，包括通过三个联接机构相互连接的一底座和一工作模块，所述联接机构可相互协作而防止底座和工作模块之间发生相对转动，但是可允许底座和工作模块之间发生相对的平移。每个联接机构均具有以两个旋转自由度相互枢转连接的第一和第二支臂，第一支臂的一端以两个旋转自由度可枢转地安装于底座和工作模块中的一个，而另一端则安装于第二支臂，第二支臂以一个自由度，围绕铰接轴线可枢转地安装于底座和工作模块中的另一个，其中，工作模块和底座之间的相对位移量可由三个或更多个编码器来确定，每个编码器均包括：
一安装于一弧形基底并由一系列间隔的刻度线限定的标尺；
一安装成与标尺对准的读取头，标尺和读取头可以沿间隔刻度线的方向相对移动；
所述基底可安装在底座、工作模块和联接机构的一个支臂中的任何一个上；
读取头安装在机器的没有安装标尺基底的一部分上，因而读取头和标尺基底可围绕一基本上与弧形标尺基底的几何中心相一致的轴线相对地枢转。
较佳的是，可以将读取头安装于底座，而将弧形基底安装于第二支臂，弧形基底的几何中心基本上与铰接轴线相一致。
在另一个较佳实施例中，底座包括一工作台和一支柱，工作台在使用时可支承一由该机器操作的物体，支柱从底座向上延伸，所述各联接机构从支柱横向延伸至工作模块，在工作模块沿向着或离开支柱的方向移动的过程中，工作模块横穿工作台。其中，读取头安装于支柱，第二支臂的一端安装于支柱。
编码器可以例如是光电的、磁性的或电容的。
最好底座和工作模块具有一机械的基准位置，在此位置上，它们的相对位移量是可重复的。这样就使编码器和任何相关的出错图每次都在同一个机械位置上开始。较佳的是，该机械基准位置还可充当一止动机构，当机器不工作时，工作模块可以借助该止动机构而保持在一个相对于底座的“停留”位置上。
较佳的是，该机器还可以具有一种能防止底座和工作模块发生不希望有的相对运动的构造。因此，根据本发明的另一个独立的方面，提供了一种坐标定位机，包括通过三个联接机构相互连接的一底座和一工作模块，所述联接机构可相互协作而防止底座和工作模块之间发生相对转动，但是可允许底座和工作模块之间发生相对的直线运动。其中，作用在工作模块上的重力可以通过一个或多个平衡装置来加以平衡，当没有外力作用于所述工作模块时，所述平衡装置使工作模块相对于底座悬挂起来。
工作模块的性质取决于用户希望机器执行的任务。例如，如上所述，工作模块可以例如包括一触发器或一测量探针(可以是接触型的或非接触型的探针)、切削工具、焊接臂、抓持器或油漆喷嘴等。工作模块还可以包括用于使所述探针(例如)以一个或多个旋转自由度相对于底座取向的铰接头。
附图说明
下面将结合附图来描述本发明的若干个实施例。
图1是根据本发明第一实施例的机器的前视立体图；
图2是图1之机器的后视立体图；
图3是根据第二实施例的机器的立体图；
图4是根据第三实施例的机器的立体图。
具体实施方式
现请参见图1和图2，机器包括一由从刚性臂12上悬垂下来的接触探针10(在本实施例中是一个测量用探针或触发型探针)构成的工作模块，刚性臂依次安装于一支架14，并包括一由工作台16和刚性安装于工作台16的支柱20构成的底座。工作模块由三个铰接联接机构18支承着，能以三个平移自由度相对于底座移动，每个联接机构均直接在支架14与支柱20之间延伸。
每个联接机构18均具有一对支臂，其中每一个支臂都是由一刚性的扭转盒22构成的，扭转盒22通过一铰链安装于支柱20，在该例子中，铰链是由一对滚球和承座型接头24组成(也可以采用滚球和滚槽型接头)。滚球和承座型接头24限定了由扭转盒22构成的支臂的铰接运动轴线A。每个扭转盒22的自由枢转端通过由一对平行支杆26构成的另一个支臂联接于支架14。每个支杆的一端通过滚球和承座型接头28可枢转地安装于支架14，其另一端安装于扭转盒22。因此，支杆能相对于扭转盒22枢转而支架14以两个旋转自由度枢转。止动弹簧32，34，36迫使滚球和承座型接头24，28的所有元件相互配合，并便于联接机构18的快速装配和拆卸。
各联接机构18可允许工作模块以三个平移自由度和两个旋转自由度相对于底座移动。因此，当所有三组联接机构18协同工作时，探针10可以只相对于支柱20作直线运动，这是因为某一联接机构18所允许的两个旋转自由度受到其余两个联接机构的旋转自由度的制约。
工作模块相对于一基准点或“基点”的位移可以通过三个步进式光电编码器38来确定。每个编码器均包括一支承在一弧形臂44的圆形安装面42上的标尺40。每个臂44均从一扭转盒22向后延伸，由安装面42的外形所限定的圆心基本上与相应扭转盒22的铰接运动轴线A(它是由球接头24的位置限定)同心。安装在支架52上的一读取头50与标尺40对准，扭转盒22围绕铰接运动轴线A的枢转可导致标尺40与读取头50发生相对移动。这种相对移动将使读取头50产生一系列相位差90°的脉冲，这些脉冲被处理并传送至一步进计数器(未示)。例如EP 0207121和国际申请WO87/07943中揭示了这样一种编码器和对由其产生的相位差90°脉冲的处理方式，该两专利的内容援引在此以作参考。随后，可以通过适当的数学处理，由为每个编码器38设置的计数器的数值来产生笛卡尔坐标值，即表示工作模块从一预定基准点位移的数值。
虽然在该实施例中由设置在底座和各联接机构上的标尺和读取头来构成编码器，但其它配置也是可能的。例如，也可以使标尺和读取头在联接机构18的两个相对枢转的部分之间工作，或者在联接机构18的一部分与工作模块之间工作。
工作时，可由操作者用手将探针10移过机器的工作区域。可为此设置一手柄80，该手柄通常由例如陶瓷之类的隔热材料制成，以防止将热量传递给机器。手柄80最好是通过这样一个机构(未示)安装于支架14，该机构可以防止将超过阈值的力矩或线性力传递给支架14。或者，可以将手柄80安装于一质量平衡机构，例如接下来如图4所示那种类型的质量平衡机构。
可以对图1所示的实施例设置用于平衡平行支杆26、支架14和工作模块各构件之重量的平衡装置，即(1)一铰接的平衡臂90与(2)一平衡杆的组合，后者由位于从上侧的扭转盒22延伸的弧形标尺臂44自由端上的一重块(在图1中未示，但在图4中示出)构成，其重量可以补偿上侧的扭转盒22的质量中心及上支杆的一半重量。平衡臂90的一端92可枢转地安装于机器底座，其相对自由的枢转端94通过一拉线96联接于支架14，以便在工作台16内平面内转动。拉线96沿着平衡臂90是由三个线轮98加以引导的，拉线的远端(未示)连接于一重块、恒力弹簧或一特别构造的蜗形线轮(fusee)(在图中均未示出)。如果采用一蜗形线轮，最好是承受一例如来自一钟表弹簧的变化的偏压力矩，或来自一盘簧的变化的切向力。
由于拉线96内的张力，支架14和工作模块的水平移动被传递至平衡臂90，导致平衡臂90的自由端94在水平面内对准支架14移动。特殊的蜗形线轮结构考虑到了随着工作模块垂直位置的不断变动，在工作模块上需要变化着的向上偏压力。工作模块穿过支柱前方的水平移动不会使由平衡臂90和拉线96所提供的平衡力发生任何变化；上侧的扭转盒22小范围枢转以及因此造成的平衡重块的变动已由安装于上侧的扭转盒22的标尺臂的重块所形成的平衡杆(在本实施例中)而考虑在内。工作模块朝着或离开支柱20的移动不会使平衡臂90和拉线96所提供的必需的向上的力有任何变化，但会导致需要平衡的上侧的扭转盒22的重量发生很大变化；这也是由相关重块不断提供的。
在图3所示的一种变化型平衡结构中，可以将平衡臂90去除，将止动弹簧32布置成在平行的支杆间对角地延伸。
在这些方案中，机器具有“中性平衡”的特性。也就是说，在其工作轨迹内的任何位置上，当操作者释放工作模块上的手柄80时，作用在模块上的平衡力可以防止其进一步移动。
在上述的本发明的若干实施例中，相邻扭转盒22之铰链的枢转轴线相互垂直地延伸。另外一些构造也是可能的，例如，各枢转轴线相互成120°地延伸。此外，在以上的描述中，机器内的铰接联接机构18是从一向上延伸的垂直柱20水平延伸的。然而，本发明也可以这样来实现，即，机器内的铰接联接机构18可以例如是垂直向下延伸的。
在图4所示的变化型实施例中，用若干可释放的锁定元件132A(在该实施例中是可伸缩式的)来代替止动弹簧32，当被锁定时，这些锁定元件可以有效地转变成刚性杆。因此，只要驱动锁定元件132A内的锁定机构就可以将工作模块保持在平行于工作台的一个平面上，工作模块在工作台上方的垂直位移量取决于其在锁定机构被驱动时的垂直位移量。这在例如工作模块包括一扫描探针并且希望对位于一系列平行于水平面的平面上的物体的表面轮廓进行扫描的情况下是有用的。设置了一可释放锁定的第三伸缩元件132B，它可以在机器工作轨迹范围内的任何位移量的情况下，将工作模块锁定在某个垂直平面上，在图4中，平行于线L1。在图4中还示出了一个附连于标尺臂144的平衡块184。

Claims (6)

1.一种手动坐标定位机，包括：
一底座，所述底座包括一工作台，所述工作台在使用时可支承由该机器操作的物体；
一工作模块；
所述底座和所述工作模块通过三个联接机构相互连接，所述联接机构可相互协作而防止底座和工作模块之间发生相对转动，但是可允许底座和工作模块之间发生相对的平移，其中，所述工作模块的相对运动由编码器来确定，而且其中作用在工作模块上的重力可以通过一个或多个平衡装置来加以平衡，当没有外力作用于所述工作模块时，所述平衡装置使工作模块相对于底座悬挂起来。
2.如权利要求1所述的坐标定位机，其特征在于，每个所述联接机构可允许工作模块和底座以两个旋转自由度相对运动，同时可以防止工作模块和底座以第三个旋转自由度作相对运动，因此，三个联接机构协作，允许工作模块相对于底座作直线运动，同时可防止工作模块相对于底座的任何旋转运动。
3.如权利要求1所述的坐标定位机，其特征在于，所述底座包括一支柱，该支柱从底座向上延伸，所述各联接机构从支柱横向延伸至工作模块，在工作模块沿向着或离开支柱的方向移动时，工作模块横穿工作台。
4.如权利要求3所述的坐标定位机，其特征在于，至少一个联接机构具有以两个旋转自由度相互枢转连接的第一和第二支臂，第一支臂包括一对细长的支杆，它们的一端以两个旋转自由度可枢转地安装于底座和工作模块中的一个，而另一端则安装于第二支臂，第二支臂以一个自由度可枢转地安装于底座和工作模块中的另一个，其中，平衡装置包括第一偏压装置，所述第一偏压装置设置在至少一个第一支臂的不同支杆的非相邻端之间，以便提供迫使至少一个第一支臂的不同支杆的非相邻端相互靠拢的偏压力。
5.如权利要求1所述的坐标定位机，其特征在于，平衡装置包括一位于工作模块上方的铰接臂，该铰接臂的一端安装于底座，而另一端通过一拉线连接于工作模块，因而可以沿横向于支柱的方向移动，所述拉线的远离工作模块的一端连接于一第二偏压装置，该偏压装置对拉线施加一偏压力，从而向上推动工作模块。
6.如权利要求5所述的坐标定位机，其特征在于，所述第二偏压装置是由一绕有所述拉线的蜗形线轮以及用于对该蜗形线轮提供-变化力矩的装置构成。
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