JP2011511300A - 電動式座標測定装置 - Google Patents

Abstract

座標測定装置(10)はハウジング(12)を有し、ハウジングは台(11)上に回転可能に支持され、水平方向並進アーム(15)と係合するキャリッジ(14)を乗せる垂直ピラー(13)が取付けられている。アームの各端のタレット(18、19)が、プローブ(22、23)に接続された回転体(20、21)を収容する。台の回転、キャリッジの垂直運動、アームの水平運動、及びプローブの回転が、ハウジング内のモータ(27、28、29、30)によって駆動される。モータの回転は、ケーブル及びプーリ組立体によってアームとキャリッジに伝達される。アームの横方向動作を制御するケーブル(43)は、キャリッジがピラーに沿って上下に移動する際にケーブルの一定長さ及び張力を維持するために、両端がアーム両端に位置する先端(16、17)に取り付けられ、キャリッジ上側及び下側に位置するピラーの部分に沿って上方及び下方に延在する。プローブを測定表面に対し一定角度で維持するようプローブの回転と基部の回転が協調される。

Description

本発明は、工作物上の点の座標値を決定するための装置に関し、より具体的には関節接続された複雑な座標アーム上に取り付けられたプローブを位置決めするための機構に関する。

座標測定装置は、一般に、多くの産業において、工作物の輪郭を解析したり製造が仕様に従っているか否かを確認するために使用される。第１のタイプの装置では、プローブは、関節接続された多軸測定アームに取り付けられる。プローブは、手作業で工作物上の点に接触されてそのデカルト座標を確認する。プローブを輪郭面に沿ってなぞってその球座標又は円柱座標を決定することもできる。アームの各関節に組み込まれたデジタルエンコーダが、方位信号を生成し、その方位信号が、その信号から所望の座標値を抽出するデータ処理装置に送られる。この第１のタイプの座標測定装置の例は、本明細書の一部を構成するものとしてここに援用される本出願人の特許文献１に開示されている。

第２のタイプの座標測定装置では、多軸の調節可能な支持体上に取り付けられたプローブが、コンピュータ制御されたモータによって自動的に工作物と接触され、互いに直角に向けられた装置の種々の構造要素の動きが指示される。プローブに組み込まれた光学又は触覚センサが、工作物との接触が確立されたときにピラー又はアームの動きを止める。この第２のタイプの座標測定装置の例は、本明細書の一部を構成するものとしてここに援用される特許文献２に開示されている。

第１のタイプの座標測定装置内に存在する複数の構成要素（特に、可動部）のために、高い精度はなかなか達成されない。また、このタイプの装置は、温度変化に敏感である。第２のタイプの座標測定装置は、より堅牢になる傾向があり、限られた数の座標変換部品を有し、従ってより高い精度を提供することができる。しかしながら、これらの装置は、よりかさばって重く複雑である。

本発明は、性能が改善された新しい材料を利用することによって軽量且つ高精度な座標測定装置を創出する努力から生まれた。

米国特許第５，８２９，１４８号 米国特許第５，１３４，７８２号

本発明は、２本の直交軸に沿った幾つかの支持構成要素の並進と台構成要素の回転とによって測定プローブを誘導する。構成要素は、データ処理装置の制御下で電動機によって駆動されるケーブル及びプーリ機構によって操縦される。ケーブルの複雑な引き回しにより、機械のより遠くの方に位置決めされた第２部分の位置決めに影響を及ぼすことなく、第１可動部分の変位に自動的に適応する。

従って、幾つかの実施形態では、固定台と前記台上に第１の軸であるＺ軸のまわりに回転可能に支持されたハウジングと、ハウジング上に取り付けられＺ軸に沿って延在するピラーと、前記ピラーに沿って並進可能で且つ前記ピラーによって支持されたキャリッジと、キャリッジ上に摺動可能に係合され、第２の軸であるＹ軸のまわりに並進可能であり、両端に位置する第１と第２の先端を有する水平クロスアームと、ハウジング内の電気機械組立体であって、複数の駆動手段及び前記駆動手段を並進可能なキャリッジと摺動クロスアームに連結するための手段を有する電気機械組立体と、前記第１の先端に取り付けられた少なくとも１個のプローブとを有する座標測定装置が提供される。

幾つかの実施形態では、電気機械組立体は、それぞれが駆動プーリを有する複数のモータと、ピラー及びキャリッジと連結された複数の方向変更プーリと、プーリと係合して、キャリッジをピラーに沿って上下に並進させ且つアームをキャリッジに対して双方向に並進させる細長要素とを有する。

幾つかの実施形態では、組立体は、更に、ハウジングとピラーをＺ軸のまわりに回転させるための電動機構を有する。

幾つかの実施形態では、プローブは、前記第１の先端に固定されたタレットと、タレット内にあり、垂直の第３の軸であるＺ’軸のまわりに回転可能な本体と、本体に取り付けられた検出要素とを有する。

幾つかの実施形態では、電気機械組立体は、更に、ハウジング内の補助モータと、モータを本体に連結するためのケーブル及びプーリ機構とを有する。

幾つかの実施形態では、装置は、更に、前記Ｚ軸に沿ったキャリッジの直線位置と、前記Ｙ軸に沿ったアームの直線位置と、台に対するハウジングの角度位置と、本体の向きとを示すための符号化手段を有する。

幾つかの実施形態では、検出要素は、第１の端において本体に結合されたシャフトと、反対側の端において本体に取り付けられたセンサとを有する。

幾つかの実施形態では、シャフトは、前記Ｚ’と平行で且つ前記Ｚ’から離間された方向に突出する。

幾つかの実施形態では、装置は、更に、モータを動作させ且つプローブを工作物表面上の少なくとも１点と接触した状態に位置決めする手段を備えた制御ユニットを有する。

幾つかの実施形態では、センサは撮像装置を有し、制御ユニットは、モータを動作させ且つ前記撮像装置を前記表面上の点の近くに位置決めするための手段を更に有する。

幾つかの実施形態では、装置は、更に、アームの第２の先端に固定された第２のプローブを有する。

幾つかの実施形態では、装置は、更に、前記モータを動作させ且つ前記プローブを工作物表面上の少なくとも１点と接触した状態に位置決めするための手段を備えた制御ユニットを有する。

幾つかの実施形態では、制御ユニットは、更に、前記向きと前記角度位置を協調させるための手段を有する。

幾つかの実施形態では、協調させるための手段は、前記表面に対するシャフトの角度位置を調整するための手段を有する。

幾つかの実施形態では、制御するための手段は、更に、プローブを前記表面上の経路に沿って移動させるための手段を有する。

幾つかの実施形態では、制御するための手段は、更に、前記表面上の一連の離散した点上にプローブを断続的に位置決めするための手段を有する。

幾つかの実施形態では、断続的に位置決めするための手段は、前記本体を１８０度未満の弧で交互に双方向に回転させるための手段を有する。

幾つかの実施形態では、細長要素は、合成プラスチック材料で作成されたケーブルを有する。

幾つかの実施形態では、符号化手段は、線形及び円形インデクサと光検出器を有し、また、第２の制御手段は、前記符号化手段に応答するサーボシステムを有する。

幾つかの実施形態では、前記可撓性の細長要素の内の第１のものは、両端がキャリッジに固定され、ピラーの上側領域内の第１の方向変更プーリと、ピラーの下側領域内の第２の方向変更プーリと、前記モータ内の第１のものによって駆動されるプーリとに係合するケーブルである。

幾つかの実施形態では、前記可撓性の細長要素の内の第２のものは、両端がそれぞれ前記第１と第２の先端に固定されたケーブルであり、ケーブルは、キャリッジの上側及び下側に位置するピラーの部分に沿って上方及び下方に延在し、前記モータの内の第２のものによって駆動されるプーリと係合する。

幾つかの実施形態では、各回転体を動作させるケーブル及びプーリ機構は、前記キャリッジの上側及び下側に位置するピラーの部分に沿って上方及び下方に延在する閉ループ・ケーブルを有する。

幾つかの実施形態では、固定台と、前記台上に第１の軸のまわりに回転可能に支持されたハウジングと、前記ハウジング上に取り付けられ且つ前記第１の軸に沿って延在するピラーと、前記ピラーに沿って並進可能であり且つ前記ピラーによって支持されたキャリッジと、前記キャリッジ上に摺動可能に係合され、第２の軸のまわりに並進可能で、両端に位置する第１と第２の先端を有するクロスアームと、前記ハウジング内の電気機械組立体であって、複数の駆動機構及び前記駆動機構を前記並進可能なキャリッジと摺動クロスアームに連結する連結機構を有する電気機械組立体と、前記第１の先端に取り付けられた少なくとも１個のプローブとを有する座標測定装置が提供される。

本発明による座標測定装置の主要機械要素の概略斜視図である。 装置全体の概略図である。 撮像プローブの概略図である。

次に図面を参照すると、図１に、第１の軸Ｚのまわりにハウジング１２が回転可能に取り付けられた固定台１１を有する座標測定装置１０が示される。ハウジングの頂部に固定された中空管状ピラー１３が、ハウジングと同軸に垂直方向に延在する。キャリッジ１４が、ピラーによって支持され、ピラーの長さに沿って垂直方向に並進することができる。水平な中空管状クロスアーム１５が、キャリッジ内に係合され、第２の軸である水平軸Ｙに沿って双方向に並進することができる。クロスアームの各先端部１６、１７には、第３の軸である縦軸Ｚ’、Ｚ”のまわりに回転する回転体２０、２１を収容するタレット１８、１９が固定される。触覚プローブ２２、２３が、回転体２０、２１の下端にスナップ式に嵌め込まれたシャフト２４、２５を有する。ハウジング１２内の電気機械組立体２６が、モータ駆動機構への連結機構を構成する一連のケーブルとプーリによって、キャリッジ１４、クロスアーム１５及び回転体２０、２１に結合される。電気機械組立体２６は、４個の電動機２７、２８、２９、３０を有する。その内の３個のモータ２７、２８、２９は、選択されたモータのタイプにより、直接又は減速機３４、３５、３６を介してプーリ３１、３２、３３を駆動する。

第１のモータ２７は、キャリッジ１４の上下運動を制御する。ケーブル３７は、ニュージャージー州モリスタウンのHoneywell International Inc.,から入手可能なＳＰＥＣＴＲＡブランドの高分子量ポリエチレン・ファイバ等の合成プラスチック材料で作成されており、その第１の端がキャリッジの部分３８に接続されている。ケーブルは、ピラー１３内をその上部まで垂直方向に延在し、そこで、ケーブルの方向をピラーの下部の方に変更するプーリ３９の上を通り、ピラーの下部で、ケーブルの方向が、別のプーリ４０によって水平方向に変更され、次にケーブルはモータ・プーリ３１と係合する。別の方向変更プーリ４１から、ケーブルは、キャリッジの方に上昇し、そこでその反対端が別の部分４２に固定される。第１のモータ２７が作動されると、その回転方向に応じて、キャリッジ１４が、ピラー１３の長さ方向に沿って上又は下に並進されることが分かるであろう。

第２のモータ２８は、第２のケーブル４３によって、キャリッジに対するアーム１５の双方向の並進を制御する。ケーブル４３は、その第１の端がアームの第１の先端１６に取り付けられ、次に方向変更プーリ４４と係合し、ピラー内をその上部まで上昇し、そこで別の方向変更プーリ４５と係合し、その後でハウジング１２内に下降する。そこで、ケーブルは、第３の方向変更プーリ４６と係合した後で、第２のモータ２８によって駆動されるプーリ３２と係合する。次に、ケーブル４３は、プーリ４７によってキャリッジ１４の方に導かれ、キャリッジ内で、第６のプーリ４８がケーブルをアームの他端１７の方に導き、そこでケーブルの反対側の端が取り付けられている。ケーブル４３が、キャリッジ１４の上側と下側に位置するピラーの部分に沿って上方及び下方に延在するようにすることにより、ケーブルが、ぴんと張ったままになり、ピラー１３に沿ってキャリッジが動く間にアームの並進位置を固定したままにできることに注意されたい。

第３のモータ２９は、第３のケーブル５０によって回転体２０、２１の向きを制御する。ケーブル５０は、連続した閉ループを構成し、モータ２９と連結されたプーリ３３と係合され、方向変更プーリ５１、５２、５３、５４及び５５によって、回転体２０、２１にそれぞれ連結されたプーリ５６、５７の方に導かれる。アーム１５の制御と関連して使用されるのと類似の方式により、一連のプーリを介してケーブル５０をピラー１３内を上下に動かすことによって、ケーブル５０がぴんと張ったままになり、ピラー１３に沿ってキャリッジ１４が動いている間に回転体２０及び２１の回転位置が固定されたままになることに注意されたい。

第４のモータ３０は、必要に応じて、減速機６２を介して歯車６１を駆動する。歯車６１は、台１１内のトラック６３と噛み合って、ハウジング１２とピラーを縦軸Ｚのまわりに回転させる。プーリ４４、４８、５３及び５４の軸が、キャリッジ１４に固定されていることに注意されたい。ハウジング１２又はピラー１３に固定された軸にプーリ４０、４１、４６、４７、５１及び５２を取り付けることができる。

プローブ・シャフト２４の軸Ｚ２は、回転体２０とプーリ５５の軸Ｚ’と平行で且つ軸Ｚ’から僅かに離間されていることが好ましい。第３のモータ２９の回転運動を１８０度未満の弧で振動させることによって、プローブ２２の先端６４に振動運動を与えることができ、これにより、プローブが工作物の表面上の経路に沿って駆動されるときに前記表面上の複数の離散した点を測定できる。

キャリッジ、アーム及び回転体の駆動運動が、キャリッジ、アーム又は回転体自体に駆動モータを設けることなく行われ、従って、これらの構造体内にモータと電源線の重さと熱源がなくなることに注意されたい。このようにして、幾つかの実施形態では、装置を、最大５５００立方センチメートルの測定体積と５ミクロンのファーレンジ精度（far range accuracy）と２ミクロンのニアレンジ精度（near range accuracy）を提供しながら、１２キログラム未満の重量にすることができ、バッテリ電源で電力供給することができ、従って持ち運び可能にできる。

次に図２を参照すると、ピラー１３の長さに沿って配置された第１の直線目盛６５が、第１の光検出器６６によって読み取られる。クロスアーム１５に沿った第２の目盛６７が、第２の光検出器６８によって読み取られる。両方の検出器は、キャリッジ１４に取り付けられている。台１１と連結された光学デスク６９が、ハウジング１２と連結された第３の光センサ７０によって読み取られる。回転体２０、２１と連結された類似の光学デスク７１、７２が、タレット１８、１９と連結された光センサ７３、７４によって読み取られる。種々のセンサ及び検出器からの及びモータへの信号導体７５は、制御ユニット７６に接続され、制御ユニット７６は、種々の検出器とセンサから受け取った信号と自動データ処理装置７７によって生成された命令とに応じてモータに通電しその動きを指示するのに必要な全ての電子及びサーボ・システム組立体を有する。処理装置は、手動入力装置７８によって提供される信号に応答するか、或いはコンピュータ・プログラム７９によって提供される測定ルーチンを定義する命令に応答する。従って、プローブのどちらかに指示して、装置の到達距離内の任意の面と接触させ、またプローブのいずれかが接触する工作物上の任意の点の正確な座標を提供することができる。

図３に示されたプローブの代替実施形態では、前の実施形態の触覚センサが、カメラや他の撮像装置によって置き換えられている。カメラによって生成される画像信号は、画像認識コンピュータ・プログラムで動作する処理装置に送られる。

モータと、キャリッジ、クロスアーム及び回転体間との間の機械式連結機構は、噛み合わせ歯車、チェーン及び他の明らかに同等な要素によって実現できることを理解されたい。

本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明の精神及び添付の特許請求の範囲から逸脱することなく変更を行うことができまた他の実施形態を考え出すことができる。

Claims (23)

1. 座標測定装置であって、
   固定台と、
   前記台上に第１の軸のまわりに回転可能に支持されたハウジングと、
   前記ハウジング上に取り付けられ、前記第１の軸に沿って延在するピラーと、
   前記ピラーに沿って並進可能で且つ前記ピラーによって支持されたキャリッジと、
   前記キャリッジに摺動可能に係合され、第２の軸のまわりに並進可能で、両端に位置する第１と第２の先端を有するクロスアームと、
   前記ハウジング内の電気機械組立体であって、複数の駆動手段及び前記駆動手段を前記並進可能なキャリッジと摺動クロスアームに連結するための手段を有する電気機械組立体と、
   前記第１の先端に取り付けられた少なくとも１個のプローブとを有する座標測定装置。
2. 前記組立体が、
   それぞれが駆動プーリを有する複数のモータと、
   前記ピラー及びキャリッジと連結された複数の方向変更プーリと、
   前記プーリと係合して、前記キャリッジを前記ピラーに沿って上下に並進させ、前記アームを前記キャリッジに対して双方向に並進させる可撓性の細長要素とを有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記組立体が、更に、前記ハウジングとピラーを前記第１の軸のまわりに回転させるための電動機構を有する、請求項２に記載の装置。
4. 前記少なくとも１個のプローブが、
   前記前記第１の先端に固定されたタレットと、
   前記タレット内にあり、第３の軸のまわりに回転可能な本体と、
   前記本体に取り付けられた検出要素とを有する、請求項２に記載の装置。
5. 前記組立体が、更に、
   前記ハウジング内の補助モータと、
   前記モータを前記本体に連結するためのケーブル及びプーリ機構とを有する、請求項４に記載の装置。
6. 前記第１の軸に沿った前記キャリッジの直線位置、前記第２の軸に沿った前記アームの直線位置、前記台に対する前記ハウジングの前記角度位置、及び前記本体の前記向きを示すための符号化手段を更に有する、請求項５に記載の装置。
7. 前記検出要素が、第１の端で前記本体に結合されたシャフトと、反対端に取り付けられたセンサとを有する、請求項４に記載の装置。
8. 前記シャフトが、前記第３の軸と平行で且つ前記第３の軸から離間された方向に突出する、請求項７に記載の装置。
9. 前記モータを動作させ且つ前記プローブを工作物表面上の少なくとも１点と接触した状態に位置決めするための手段を備えた制御ユニットを更に有する、請求項６に記載の装置。
10. 前記センサが撮像装置を有し、
    前記制御ユニットが、更に、前記モータを動作させ且つ前記撮像装置を前記表面上の点の近くに位置決めするための手段を有する、請求項７に記載の装置。
11. 前記アームの第２の先端に固定された第２のプローブを更に有する、請求項１に記載の装置。
12. 前記モータを動作させ且つ前記プローブを工作物表面上の少なくとも１点と接触した状態に位置決めするための手段を備えた制御ユニットを更に有する、請求項８に記載の装置。
13. 前記制御ユニットが、前記向きと前記角度位置を協調させるための手段を更に有する、請求項１２に記載の装置。
14. 前記協調させるための手段が、前記表面に対する前記シャフトの角度位置を調整するための手段を有する、請求項１３に記載の装置。
15. 前記制御するための手段が、更に、前記プローブを前記表面上の経路に沿って移動させるための手段を有する、請求項１２に記載の装置。
16. 前記制御するための手段が、前記プローブを前記表面上の一連の離散した点上に断続的に位置決めするための手段を更に有する、請求項１２に記載の装置。
17. 前記断続的に位置決めするための手段が、前記本体を１８０度未満の弧で交互に双方向に回転させるための手段を有する、請求項１６に記載の装置。
18. 前記細長要素が、合成プラスチック材料で作成されたケーブルを有する、請求項２に記載の装置。
19. 前記符号化手段が、
    線形及び円形インデクサ並びに光検出器と、
    前記符号化手段に応答するサーボ・システムを有する第２の制御手段とを有する、請求項６に記載の装置。
20. 前記可撓性の細長要素の内の第１のものが、両端が前記キャリッジに固定され、且つ前記ピラーの上側領域内の第１の方向変更プーリと、前記ピラーの下側領域内の第２の方向変更プーリと、前記モータの内の第１のものによって駆動されるプーリとに係合するケーブルである、請求項２に記載の装置。
21. 前記可撓性の細長要素の内の第２のものが、両端が前記第１と第２の先端にそれぞれ固定されたケーブルであり、このケーブルは、前記キャリッジの上側と下側に位置する前記ピラーの部分に沿って上方及び下方に延在し、前記モータの内の第２のものによって駆動されるプーリと係合している、請求項２に記載の装置。
22. 前記ケーブルとプーリ機構が、前記キャリッジの上側と下側に位置する前記ピラーの部分に沿って上方及び下方に延在する閉ループ・ケーブルを有する、請求項５に記載の装置。
23. 座標測定装置であって、
    固定台と、
    前記台上に第１の軸のまわりに回転可能に支持されたハウジングと、
    前記ハウジング上に取り付けられ且つ前記第１の軸に沿って延在するピラーと、
    前記ピラーに沿って並進可能で且つ前記ピラーによって支持されたキャリッジと、
    前記キャリッジ上に摺動可能に係合され、第２の軸のまわりに並進し、且つ両端に位置する第１と第２の先端を有するクロスアームと、
    前記ハウジング内の電気機械組立体であって、複数の駆動機構及び前記駆動機構を前記並進可能なキャリッジ及び摺動クロスアームに連結する連結機構を有する電気機械組立体と、
    前記第１の先端に取り付けられた少なくとも１個のプローブとを有する座標測定装置。

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