带有一体形成的线激光扫描仪的便携式坐标测量机的制作方法

专利名称：带有一体形成的线激光扫描仪的便携式坐标测量机的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种坐标测量机(CMM)，并且尤其涉及一种具有带有一体形成的线激光扫描仪的铰接臂的便携式CMM。
背景技术：
目前，提出了一种作为测量系统的带有主机和应用软件的便携式铰接臂。该铰接臂通常用来对一物体上的一些点进行测量，并且将这些测量到的点与存储在该主机中的计算机辅助设计(CAD)数据进行比较以便确定该物体是否处于位于CAD规范(CAD specification)之内。换句话说，该CAD数据为基准数据，由该铰接臂进行测量后所获得的实际测量值与给基准数据进行比较。主机内也可以含有应用软件来引导操作者进行该检查过程。在涉及复杂应用的多种情况下，这种安排是比较合适的，因为使用者将会在对应用软件中的复杂命令作出响应的同时观察到该主机上的三维CAD数据。
美国专利US5402582(下面简称为‘582)披露了一种用于上述测量系统中的现有的便携式CMM的例子，该专利被转让给了本发明的受让人，该专利在此以参引方式包含在本申请中。该专利‘582披露了一种普通的三维测量系统，该三维测量系统包括一种可人工操作的具有多个关节的铰接臂，该铰接臂的一端具有一支承基座而在其另一端具有一测量探针。共同转让的美国专利US5611147(下面简称为‘147)也以参引的方式包含在本申请中，该专利‘147披露了一种类似的具有铰接臂的CMM。在该专利‘147中，该铰接臂包括一些重要的特征，包括在该探针末端处的一附加的旋转轴用来为一臂提供一种2-1-3或2-2-3关节结构(后一种情况为一种7轴臂)，以及用于该臂中的轴承的改进的预加载荷的轴承结构。
共同转让的美国专利US5978748(下面简称为‘748，在此以参引的方式包含在本申请中)披露了一种具有在板控制器(on-board controller)铰接臂，该在板控制器存储有一个或多个可执行的程序并且为使用者提供指令(例如检查步骤)以及存储作为基准数据的CAD数据。在专利‘748中，一控制器安装在该铰接臂上并运行该可执行程序，该可执行程序指导使用者经过例如象检查步骤一样的过程。在这样一种系统中，可以采用一主机来生成该可执行程序。
这些现有的装置的局限在于它们在一空间中一次只能够能够测量一个点。这些已经可以获得产品已经取代了具有线激光扫描仪和电荷耦合器件(CCD)的单点探针，并且这些产品能够同时测量位于由扫描激光所限定的一平面上的物体的表面上的点的轨迹。这种现有技术的一个实例为Perceptronof Plymouth，Michigan USA生产ScanWorksTM。不过，折中现有装置可以花样翻新到现有的便携式CMM的铰接臂上并需要从扫描仪到用来解释CCD所产生的图像数据的主机的外部高带宽数据连接线路以及到达电源的外部连接线路。因此导电线延伸到铰接臂的壳体的外部。而且当采用线激光扫描仪的翻新形式来替代该单点探针时，高精度的单点探针功能就会丢失或至少削弱。
发明概述根据本发明，一种便携式CMM包括一铰接臂，该铰接臂具有多段连接臂段，该铰接臂在其一端具有一测量探针，该测量探针具有一种新颖的一体形成的线激光扫描仪，该扫描仪可旋转地安装在其上。此外，在一优选实施例中，该测量探针具有一体安装的接触触发器探针，该探针可以方便地转换成一种普通的硬探针。该测量探针还包括改进的开关和测量指示灯。该改进的开关包括不同的表面纹路和/或高度，这使得操作者可以容易地将它们区别开来，同时该指示灯也编有颜色以便操作。
本领域的普通技术人员将能够根据下面的详细说明和附图理解和认识本发明的上述的以及其它的优点和特征。
附图简要说明现在参见附图，其中在多幅附图中相同的元件采用相同的数字标记。


图1是本发明的便携式CMM的前方透视图，其包括一铰接臂以及相关的主机；图2是图1中的的CMM的后方透视图；图3是图1中的的CMM的右侧视图(其中主机被去掉)；
图3A是图1中的的CMM的右侧视图，其中罩在其中两个长关节(longjoint)上的保护套略有改变；图4是本发明的CMM的局部分解透视图，其中表示出了基座和第一铰接臂部分；图5是本发明的CMM的局部分解透视图，其中表示出了基座、第一铰接臂部分以及局部分解的第二铰接臂部分；图6是本发明的CMM的局部分解透视图，其中表示出了基座、第一铰接臂部分以及局部分解的第三铰接臂部分；图7是一局部分解透视图，其中表示出了一对本发明的编码器/轴承机芯，其组装在两个双套筒接头之间；图8是图7中所示的的轴承/编码器机芯和双套筒接头的主视图；图9是本发明的较短的轴承/编码器机芯的分解透视图；图9A是与图9相似的透视图，不同的是表示出了单个读出磁头；图9B是与图9相似的分解透视图，不同的是表示出了四个读出磁头；图9C是与图9B相似的组装后的透视图；图9D是与图9相似的分解透视图，不同的是表示出了三个读出磁头；图9E是与图9D相似的组装后的透视图；图10是图9中所示机芯的剖视图；图11是本发明的较长的轴承/编码器机芯的分解透视图；图11A是与图11相似的分解透视图，不同的是表示出了单个读出磁头；图12是图11中所示机芯的剖视图；图12A是图12中所示的机芯剖视图，表示出了可与轴一起旋转的双读出磁头；；图13是本发明另一个轴承/编码器机芯的分解透视图；图13A是与图13相似的分解透视图，不同的是表示出了单个读出磁头；图14是图13中所示机芯的剖视图；图15是本发明一个轴承/编码器机芯以及平衡弹簧的分解透视图；图15A是与图15相似的分解透视图，不同的是表示出了单个读出磁头；图16是图15中所示机芯和平衡部件的剖视图；
图17是用于本发明的一种直径较大的轴承/编码器机芯的双读出磁头组件的俯视图；图18所示的是沿图17中的线18-18所作的剖视图；图19所示的是图17中所示的双读出磁头组件的仰视图；图20所示的是用于本发明的较小的轴承/编码器机芯的双读出磁头组件的俯视图；图21所示的是沿图20中剖面21-21所作的剖视图；图22所示的是图20中所示的双读出磁头组件的仰视图；图23A是描述本发明的使用单读出磁头的CMM所采用的电子线路构造的方框图；图23B是描述本发明的使用双读出磁头的CMM所采用的电子线路构造的方框图；图24所示的是本发明的CMM纵向剖视图(其中去掉了基座)；图24A所示的是图3A中所示的CMM的剖视图；图25所示的是图24中的一部分的放大剖视图，表示出了图24中的CMM的基座以及第一长关节；图25A是表示根据本发明的另一实施例的长关节和短关节之间相互连接状态的视图；图25B所示的是图25A中的一部分的纵向正剖视图；图26所示的是图24中的一部分的放大剖视图，表示出了第二和第三长关节段(long joint segment)；图26A和B所示的是图24A中的一部分的放大剖视图，表示出了第二和第三长关节以及探针；图27是本发明的测量探针的第一实施例的侧向正剖视图；图27A是本发明的探针的另一实施例的侧视图；图27B是沿图29A的截面29B-29B所作的剖视图；图27C是用于图29A-B中的一对“执行(take)”或“确认(confirm)”开关的透视图；图28A-C依次是表示本发明的一体接触探针组件以及转换成硬式探针的的平面视图；
图29是本发明的测量探针的另一实施例的侧剖面视图；图30所示的是具有第七轴转换器的测量探针的侧视图；图31所示的是与图30相似的侧视图，但是包括一个可拆卸的手柄；图32所示的是图31中的测量探针的端部视图；图33所示的是图31中的测量探针的剖视图；图34A所示的是本发明的一体形成的线激光扫描仪的第一实施例的侧向透视图；图34B所示的是图34A中的一体形成的线激光扫描仪的局部切走的透视图；图35所示的是本发明的便携式CMM的前向透视图，其包括一铰接臂，该铰接臂具有一体形成的线激光扫描仪和安装好的主机；图36所示的是图35中的铰接臂中的手持式线激光扫描仪单元部分的侧向轮廓，其示意性地表示出了该部分的运转；图37所示的是图36中的手持式线激光扫描仪单元的俯视图，其表示出了其工作状态；图38所示的是图36中的手持式线激光扫描仪单元的剖视图；图39所示的是描述图35中的具有一体形成的线激光扫描仪的铰接臂的工作过程的方框图；图40所示的是安装在图31中的测量探针上的线激光扫描仪的另一实施例的透视图；图41和42所示的是分别是图40中的线激光扫描仪的后向和前向透视图；图43、44以及45所示的是分别是图40中的线激光扫描仪的侧视图、主视图已经后视图；图46所示的是与具有图40中的线激光扫描仪的图44类似的主视图；图47所示的沿图46中的截面47-47所作的剖视图；图48所示的是一个局部分解图，表示出了线激光扫描仪是如何安装在图31中的探针上的；图49所示的是一正向透视图，表示出了用于图40中的线激光扫描仪的运动学固定件；以及图50所示的是一后向透视图，表示出了用于图49中的运动学固定件。
具体实施例方式
参见附图1-3，本发明的CMM总体采用标记10表示，CMM10包括一个具有多个连接在一起的、可手动操作的、铰接臂14，该铰接臂的一端连接在基座部分12上，而另一端连接在一测量探针28上。铰接臂14的基本上由两种类型的关节(joint)构成，即长关节(用于作回转运动)以及短关节(用于作铰接运动)。该长关节基本上沿着该铰接臂的轴向或纵向方向布置，而短关节则优选相对于该铰接臂的纵向轴线成90°布置。该长关节和短关节配对出现，这种关节的配对构造通常称之为2-2-2(尽管也可以采用其它的关节的构造形式，例如2-1-2、2-1-3、2-2-3等)。图4-6中表示出了这些关节对中的每一对。
图4表示出了第一关节对的分解视图，即长关节16和短关节18。图4还表示出了基座12的分解视图，包括便携式供电电子装置20、便携式电池组22、磁性固定件24以及两件式基座壳体26A和26B。所有这些元件都会在下面进行更详细的描述。
重要的是，需要理解的是，铰接臂14的各种主要部件的直径都是从基座12到探针28逐渐变细。这种逐渐变细的过程是连续的，或者如在图中的实施例所示，这种逐渐变细是不连续的或者是阶梯状的。此外，铰接臂14的每个主要部件都可以通过螺纹连接的方式进行连接，因此可消除现有CMM所涉及到的大量的紧固件。例如，象在后面要阐述的那样，磁性固定件23是采用螺纹连接方式安装在第一长关节16上的。优选的是，这种螺纹是锥形螺纹，它可以进行自我锁定并且可以增加轴向/弯曲刚度。或者，如图25A和25B所示，象在后面要讨论的那样，该铰接臂的主要部件可以具有互补的锥形凸凹端部，这些端部具有相应的凸缘，这种凸缘可以通过螺栓连接在一起。
参见图5，所示的第二组长关节和短关节连接在所述第一组长关节和短关节上。第二关节组包括长关节30和短关节32。和将磁性固定件24安装在长关节16上一样，长关节30也通过螺纹连接方式连接在长关节16的内表面的螺纹上。同样，参见图6，第三关节组包括第三长关节34和第三短关节36。第三长关节34以螺纹连接方式连接在第二短关节32的内表面的螺纹上。象下面将要详细描述的那样，探针28也以螺纹连接方式连接在短关节36上。
优选的是，每个短关节18、32以及36都由铸造和/或机械加工过的铝质元件构成，或者也可以采用轻质刚性合金或合成物构成。每个长关节16、30以及34优选都由铸造和/或机械加工过的铝、轻质刚性合金或纤维补强的聚合物构成。三对前述关节对的机械轴(即第一对包括关节对16、18，第二对包括关节对30、32，第三对包括关节对34、36)相对于该基座对齐以便获得平滑一致的机械特性。从基座12到探针28的前述逐渐变细的结构为优选，以便能够增加在负载较大的基座处的刚度，同时在能够通畅使用方面很重要的探针或手柄处的截面较小。如在后面将详细描述的那样，每个短关节的两端上都装有缓冲件38，而每个长关节上都罩有一保护罩40或41。需要理解的是，第一长关节16受到基座壳体26A、26B的保护，该基座壳体所提供的保护和保护罩40、41为第二和第三长关节30、34所提供的保护类型相同。
根据本发明的一个重要特征，铰接臂的每一关节都采用一种模制的(modular)轴承/编码器机芯，例如如图7和8所示的短机芯42以及长机芯44。这些机芯42、44安装在双套筒接头46、48的开口中。每个套筒接头46、48都包括具有第一凹部或套筒120的第一圆柱延伸部分47以及具有第二凹部或套筒51的第二圆柱延伸部分49。通常，套筒120和51彼此成90°角，不过也可以采用其它相对角结构。短机芯42布置在双套筒接头46和48的每个套筒51中以便构成一种铰接关节(hinge joint)，同时长机芯44布置在接头46(见图25)的套筒120中而长机芯44’(见图26)布置在接头48的套筒120中，从而每个都构成一种纵向的回转连接(swivel joint)。模制的轴承/编码器机芯42、44容许独立制造其上安装有该模制的编码器元件的预应力或预加载荷的双轴承机芯。该轴承编码器机芯随后可以固定安装到铰接臂14的外部骨骼部件(即，双套筒接头46、48)上。采用这种机芯的显著优点在于它能够高质量高速地生产铰接臂14的这些复杂的子部件。
在此处所述的实施例中，有四个不同的机芯类型，即，用于关节30、34的两个轴向长机芯、一个用于关节16的基座轴向机芯、一个用于短关节18和16的基座机芯(其包括一平衡部件)以及两个用于关节32和36的铰接机芯。此外，与逐渐变细的铰接臂14相一致，最靠近基座的机芯(例如，位于长关节16和短关节18中的机芯)的直径相对具有较小直径的关节30、32、34以及36而言要大些。每个机芯都包括一预加载荷轴承结构和一转换器，在该实施例中，该转换器包括一数字编码器。参见图9和10，现在对位于轴向长关节16中的机芯44进行说明。
机芯44包括一对由内座套54和外座套56分开的轴承50、52。重要的是轴承50、52上要预加载荷。在该实施例中，这种预加载荷通过座套54、56提供，该座套54、56具有不同的长度(内座套54要比外座套56短大约0.0005英寸)，从而在紧固时在轴承50、52上产生一预先选定的预加载荷。轴承50、52采用密封件58进行密封，这些部件构成的该组件可旋转地安装在轴60上。在其上表面处，轴60的末端形成一轴上部壳体62。在轴60和轴上部壳体62之间形成一环形空间63。整个组件被布置在机芯外壳体64内，其中采用内螺母66和外螺母68的组合将该轴60和其轴承组件牢固安装在机芯外壳体64上。需要注意的是，在组装的时候，外壳体64的上部65将被容纳在环形空间63内。可以理解到的是，在对内外螺母66和68进行紧固时对该轴承施加压缩力，从而将上述预加载荷施加到轴承50、52上，并且由于内外间隔套(座套)54、56的长度不同，因此可以施加所需的预加载荷。
优选的是，轴承50、62是两个成对双联向心推力球轴承。为了获得足够的预加载荷，使得支承面尽可能的平行是很重要的。该平行度会影响到轴承周边上的预加载荷的均匀度。不均匀的载荷会导致极为不均匀的扭矩感觉并且会导致不可预测的径向跳动和降低编码器性能。模块化安装的编码器盘(将在下面进行讨论)的径向跳动会在读出磁头下面导致一种不理想的干涉条纹移位。这种情况会导致编码器角度测量出现重大的误差。而且，这种优选的成对双联向心推力球轴承结构的刚度也与轴承的分离直接相关。轴承相距越远，该组件越有刚性。采用间隔套54、56可以增强该轴承的分离。由于机心外壳64优选为铝质的，因此间隔套54、56优选也采用铝制成并且在长度和平行度方面进行精确加工。因此，温度改变不会导致不均匀的膨胀，这种不均匀的膨胀会影响到该预加载荷。如前所述，通过以一种已知方式设计间隔套54、56的长度方面的差别可以获得该预加载荷。一旦该螺母66、68完全被紧固后，该长度差可以导致一轴承预紧度。使用密封件58可以提供密封轴承，因为轴承的任何污染都会影响到所有旋转运动和编码器的精度以及关节感觉(joint feel)。
尽管机芯44优选包括一对间隔开的轴承，但是机芯44也可以包括单个轴承或三个或更多的轴承。因此，每个机芯至少需要一个轴承，作为最低需要。
本发明的连接机芯既可以作无限的旋转运动，或者作为一种选择也可以作有限旋转运动。为了实现有限旋转运动，在壳体64的外表面上的凸缘72上的一个槽70形成了一条容纳一梭子(shuttle)74的圆柱轨道70。该梭子74将行驶在轨道70中直到其抵靠在一可拆卸的梭子止动件为止，该梭子止动件例如旋转止动调节螺钉76，通过该调节螺钉可以阻止旋转运动。旋转运动的转数可以根据需要进行改变。在一优选实施例中，可以将梭子的转数限定为低于720°。此处的旋转梭子止动件的类型在共同转让的美国专利US5611147中有详细的描述，该专利的所有内容以参引的方式包含在本申请中。
如上所述，在另一可替换实施例中，本发明所使用的关节进行无限的旋转运动。在后面一种情况下，采用了一种已知的滑环组件。优选的是，轴60有一中空或轴向孔78，该孔的一端有一个直径较大的部分80。在轴向孔78和80之间形成的台肩上抵靠有一个圆柱形滑环组件82。相对于在该模制连接机芯中提出的该预加载荷轴承组件而言，滑环组件82是不起结构租用的(也就是说，它并不提供任何机械功能，仅仅提供电的和/或信号传递功能)。尽管滑环组件82可以是任何市场上可以购买到的滑环，但是在一优选实施例中，滑环组件82包括可以从United Kingdom Reading，BERKSHRE的IDMElectronics Ltd。公司购买的H系列的滑环。这种滑环尺寸比较紧凑并且具有圆柱形结构，而且可以完美地适用于轴60内的孔80中。穿过轴60的轴向孔80的末端形成孔84，该孔84与槽道86连通，该槽道86的大小和结构可以容纳来自于滑环组件82的电线。该电线由电线盖88固定就位并受到保护，该电线盖88卡装在槽道86和孔84中。这种电线由图10中的标记90示意性地表示。
如上所述，模制机芯44包括一上述预加载荷轴承构件以及一下面将要描述的模制的编码器构件。还是参见图9和10，用于本发明的该优选的转换器包括一模制光学编码器，该编码器具有两中主要部件，即读出磁头92和光栅盘94。在该实施例中，一对读出磁头92布置在一读出磁头连接器板96。该连接器板96安装在一安装板100上。光栅盘94优选(优选采用一种适当的粘合剂)安装在轴60的下部支承表面102上并且与该读出磁头92(该磁头通过板100支承固定)间隔开并且与该读出磁头对齐。一电线箍104和密封盖106为壳体64的下端提供了最外部的遮盖。电线箍104会如图10所示的那样收纳和保持电线90。可以理解到的是，该编码器盘94有在102上涂敷有粘合剂而被固定在轴60上并可随着该轴旋转。图9和10表示出了一种双读出磁头92，不过，可以理解到的是，可以使用两个以上的读出磁头，或者如图9A中所示使用单个读出磁头。图9B-C表示出了安装在一板100中的四个读出磁头92并且以90°的间隔间隔开(尽管采用不同的相对间隔也是合适的)。图9D-E表示出了安装在一板100中的三个读出磁头92并且以120°的间隔间隔开(尽管采用不同的相对间隔也是合适的)。
为了同心地对齐盘94，在靠近盘94的位置提供了一个穿过壳体64的孔(未示出)。随后采用一种工具(未示出)将盘94推动到同心对齐位置，在该位置上使得盘94和轴60之间的粘合剂固化以便将盘94锁定就位。随后将孔塞73插入壳体64中的所述孔(未示出)中。
重要的是需要指出，该盘94和读出磁头92的位置可以反过来，从而盘94固定在外座套56上而读出磁头92可以与轴60一起旋转。图12A中表示出了这样的实施例，其中板96’(通过粘合剂)固定在轴60’上以便与其一起旋转。一对读出磁头92’固定在板96’上并因此和轴60’一起旋转。盘94’布置在一支承件100’上，该支承件100’固定在外壳64’上。在任何情况下，可以理解到的是，无论是盘94还是读出磁头92都可以安装成与轴一起旋转。重要的是盘94和读出磁头92要布置在一机芯(或接头)中以便在维持光学连通的同时可以彼此相对旋转。优选的是，在本发明中所采用的旋转编码器比在美国专利US5486923以及US5559600中披露的那个要小，这两个专利的所有内容都通过参引的方式包含在本申请中。这种模制编码器可以从MicroE Systems公司购买到，其商品名称为Pure Precision Optics。这些编码器都以物理光学为基础检测衍射级之间的干涉，从而从一插入干涉条纹中的光电检测器阵列中生成近乎完美正弦信号。采用电子学的方法对该正弦信号进行内插值以便能够检测到仅仅一小部分光学条纹的位移。
采用一种激光源，首先采用一透镜使该激光束成为平行光束，随后通过一小孔进行筛分(sized)。该筛分后的平行激光束穿过一光栅，该光栅使得光衍射成具有0th的离散级(discrete order)以及受到光栅结构(gratingconstruction)抑制的所有均匀级(even order)。由于该0级受到抑制，在第三分支级()之外存在一个区域，在该区域内只有±1st级相互交迭形成一近乎纯粹的正弦干涉。在该区域内布置一个或多个光电检测器阵列(读出磁头)，并且当光栅和检测器之间存在相对运动时该光电检测器阵列产生四个信道的几乎纯粹的正弦输出量。将输出量进行电子学放大、规格化并内插到理想的分辨水平(level of resolution)。
对该编码器结构的简化产生了几个优于现有光学编码器的优点。仅仅采用一个激光源及其平行校准光学器件、衍射光栅以及一检测器阵列就可以进行测量。相对于较为粗笨的现有普通编码器而言，这就使得本发明的编码器装置显得极为紧凑。此外，该光栅和干涉条纹运动(fringe movement)之间的直接关系减弱了该编码器对外界环境所引起的误差的的敏感性，而现有的装置就易于受到这种误差的影响。而且，由于该干涉区域较大，并且可以在该区域的任何位置获得几乎正弦干涉，因此，对准直容差(alignmenttolerance)的要求远比现有编码器在这方面的要求宽松得多。
前述光学编码器的一个显著的优点是，对读出磁头相对于该编码器盘的偏离位置和距离的精度或距离和位置的严格程度要低得多。这样就能获得一种高精度的旋转测量以及一种易于组装的包装。采用这种“具有几何容忍性(geometry tolerant)”的编码器技术使得CMM10的成本显著降低并且使得制造更为容易。
人们将会认识到，尽管上述优选实施例含有一种光盘(optical disk)94，但是本发明的优选实施例还可包括任何光学干涉条纹图案，该图案使得该读出磁头能够检测到相对运动。如在此所使用的那样，这种干涉条纹图案表示出了用来测量运动的光学元件的任何周期阵列。这些光学元件或干涉条纹图案可以安装到如上所述的旋转或固定的盘上，或者可以储存、固定或布置或安置在该机芯的任何相对运动的部件(例如轴、轴承或壳体)上。
实际上，该读出磁头以及相关的周期阵列或图案并不必定需要完全基于(如上所述的)光学器件。广义上来说，该读出磁头还可以读出(或检测到)许多其他可测量的数量或特性的许多其他的周期图案，这些可测量的数量或特性可以用来检测运动，例如通常为旋转运动。这些其它可测量的特性可以包括例如反射率、不透明性、磁场、电容、感应系数或表面粗糙度(注意，表面粗糙度图案可以采用具有相机例如CCD相机这种形式的读出磁头或传感器来读出)。在这些情况下，读出磁头将会测量出例如磁场、反射率、电容、感应系数、表面粗糙度等的周期变化。如在此所使用的术语那样，术语“读出磁头”表示任何采用一种正如一优选实施例那样的光学读出磁头分析可测量的数量或特性的传感器或转换器以及相关的电子学器件。当然，由读出磁头读出的周期图案可以位于任何表面上，只要读出磁头和周期图案之间存在相对运动(通常为旋转运动)。周期图案的一些例子包括以图案形式沉积在一旋转或固定部件上的磁性的、感应的或电容性的媒介。而且，如果表面粗糙度为待读出的该周期图案，就没有必要沉积或提供一独立的周期图案，因为使用任何与该相关的读出磁头(可能为一架相机，例如为CCD相机)相连通的部件上的该表面粗糙度就可以了。
如上所述，图9和10表示的是用于轴向长关节16的模制轴承和编码器机芯的一些例子。图11和12所示的是用于轴向长关节30和34的轴承和编码器机芯。这些机芯组件基本上都与图9和10中所示的相似并且因此标记为44’。从这些图可以明显地得出区别于机芯44的一些细微的区别，这些区别例如涉及电线盖/罩88’结构不同的、电线箍/套104’、106’略有不同以及外壳体64’的上端处的凸缘72’的位置略有不同。而且，壳体64’和轴上部壳体62之间的凸缘是向外展开的。当然，图11和12中所示的各种部件的相对长度也与图9和10中所示的情况不同。由于所有这些部件基本上都相似，因此这些部件都采用相同的数字加上一个符号“‘”来指代。图11A与图11相似，不同的是表示出的是具有单个读出磁头的实施例。
参见图13和14，所示的是短铰接关节(short hinge joint)32和36中的轴承和编码器机芯的分解剖视图。如图11和12中的轴向长关节44’所示，用于短铰接关节32和36的机芯基本上与上面详细描述的机芯44类似，因此这些机芯的元件标记为44″，并且相似的元件采用原来的竹子加上符号“″”来表示。人们将会理解到，由于机芯44″将用于短关节32、36，因此不需要滑环组件，因为该电线将由于这些关节的铰接运动而简单地穿过该轴向孔78″、80″。图13A与图13类似，不同的是表示的是一单读出磁头的实施例。
最后，参见图15和16，短铰接关节18的模制轴承/编码器机芯图示为108。可以认识到的是，基本上机芯108的所有部件都与机芯44、44’以及44″中的部件相似或相同，其中重要的不同在于包含有一平衡组件。该平衡组件包括一平衡弹簧110，该弹簧套装在壳体64″上并以一种下面将会参照图26-28进行描述的方式为CMM10提供一种重要的平衡功能。图15A与图15相似，但是所示的是一单读出磁头实施例。
如上所示，在一优选实施例中，在该编码器中可以采用一个以上的读出磁头。可以理解到的是，可以通过由于所施加的负载而引起的盘的径向跳动或径向运动而进行编码器的角度测量。已经确定的是，两个彼此成180°布置的读出磁头会导致径向跳动，该径向跳动回在每个读出磁头内产生抵消效应。对这些抵消效应求平均值获得一最终的“免除的(immune)”角度测量值。因此采用两个读出磁头以及合成误差抵消会导致出错的可能性减小并且获得更为精确的编码器测量值。图17-19分别表示的是用于较大直径的机芯中的双读出磁头实施例的仰视图、剖视图以及俯视图，该大直径的机芯例如可在关节16和18(也就是最靠近基座的那些关节)中找到。因此，一机芯端盖100上安装有一对电路板96，每个电路板96上都具有一采用机械方式安装在其上的读出磁头92。该读出磁头92优选布置成彼此间隔开180°，以备由所述盘的径向跳动或径向运动所导致的误差抵消。每个电路板96都还包括一用于将该电路板96连接到下面将要进行说明的内部总线和/或其他电线上的连接器93。图20-22所示的部件基本上与图17-19中所示的部件相同，其中主要的区别是有一较小直径的机芯端盖100。该较小直径的双读出磁头实施例上连接有关节30、32、34以及36的所述较小直径机芯。
回头看图23A，其所示的是用于图9A、11A、13A以及15A中的单读出磁头实施例的电子线路的方框图。可以理解到的是，CMM10优选包括一外部总线(优选为USB总线)260以及一内部总线(优选为RS-485)261，该外部总线设计成可扩展的，以便用于多个编码器以及一从外部安装的扶手(rail)或附加的旋转轴，例如第七轴。该内部总线优选与RS485相一致，并且该总线优选设置成可以以一种与用于传送来自于一便携式CMM铰接臂中的转换器的数据的串行网络相同的方式用作一个串行网络，该CMM铰接臂披露在在共同转让的美国专利US6219928(其全部内容以参引方式包含在本申请中)中。
参见图23A，可以理解的是，在每个机芯中的每个编码器都与一编码器板相连。关节16中的机芯的编码器板被布置在基座12中并且在图25中被标记为112。关节18和30的编码器在一双编码器板上受到处理，该双编码器板位于第二长关节30中并且在图26中被标记为114。图26也表示了一种相似的双编码器板116，用于关节32和34中的编码器，编码器板116位于如图26所示的第三长关节34中。最后，该端部编码器板118如图24所示位于测量探针手柄28内并且被用来处理短关节36中的编码器。这些编码器板114、116以及118中的每一个都连接有一热电偶以便提供由于温度瞬变导致的热补偿。每个编码器板112、114、116以及118都包含有嵌入式模数转换，编码器计数以及串行端口通信(serial port communication)。每个编码器板都具有可读取编程的快速存储器以便能够将操作数据存储在本地。主处理器插接板112也是可以通过外部USB总线260编程的区域(field)。如上所述，该内部总线(RS-485)261设计成可扩展式的以便用于更多的编码器，该编码器也包括一从外部安装的扶手(rail)和/或第七旋转轴。已经设置了一轴孔以便为内部总线提供诊断。由于外部USB通信协议的容量的原因，可以将多个这些附图中表示为10的CMM可以连接到一单一应用场合(single applicaiton)。而且也可以由于完全相同的原因而将多个应用连接到单一CMM10上。
优选的是，每个编码器板112、114、116以及118都包括一16位的数字信号处理器，例如可以从Motorola购买的标识为DSP56F807的处理器。该单一处理部件将多种处理特征(这些特征包括串行通信、积分译码、A/D转换器以及在板存储器)结合起来，因此能够减少每个编码器板所需的芯片的总数。
根据本发明的另一个重要特征，每个编码器都与一具有个性化标识的芯片120相连。该芯片用来标识每个个别编码器并因此标识出每个个别的轴承/编码器模制机芯，从而能够方便而快速地进行质量控制、测试以及修复。
图23B是一个与图23A相似的电子线路方框图，但是所示的是图10、12、14以及16-22中的双读出磁头实施例。
下面将参考图24-26对在该铰接臂14中每个机芯的组件进行描述(注意，图24所示的铰接臂14没有基座12。还有，图24-26采用了图9A、11A、13A以及15A中所示的单读出磁头实施例)。如图25所示，第一长关节16包括一相对较长的机芯44，该机芯的上端被插进双套筒接头46的一圆柱形套筒120中。机芯44通过适当的粘合剂被牢固地固定在套筒120中。该机芯44的相对的下端被插进一延伸管(extension tube)中，在该实施例中，延伸管可以是铝质套管122(但是套管122也可以包括一种刚性合金或复合材料)。机芯44再次采用适当的粘合剂固定在该套管122内。该套管122的下端包括一较大的外直径部分124，该部分上具有内螺纹126。该螺纹向外呈锥形并且设置成可以与位于磁性固定件壳体130上的向内呈锥形的螺纹128(清楚表示在图4中)进行螺纹配合。如上所述，CMM10的所有关节都采用这种锥形螺纹相互连接。优选的是，该锥形螺纹为能够自我紧固的美国标准锥管螺纹(NPT)型螺纹，因此不需要锁定螺母或其它的紧固装置。该螺纹还容许并应包括螺纹锁定剂(thread locking agent)。
参见图26，与第一长关节16一样，长机芯44’是采用粘合剂固定在双套筒接头46’的圆柱形开口120’中的。该机芯44’的外壳体64’包括一由凸缘72’的下表面形成的台肩132。该台肩132支承圆柱形延伸管134，该延伸管设置并套在外壳体64’的外表面上。延伸管用于这些关节中以便形成一安装到一带螺纹的部件上的长度可变的管。延伸管134因此从外壳体64’的底部向外延伸并其中已经插入了一螺纹套管136。采用适当的粘合剂将该外壳体64’粘接到延伸管134上以及将套管136和延伸管132粘接在一起。套管136的末端为一锥形部分，该锥形部分上具有外螺纹138。该外螺纹以螺纹连接方式与位于连接件142上的内螺纹140相配合，该连接件在这之前已经采用粘接方式固定在了双套筒接头48的开口144中。优选的是，延伸管134采用复合材料构成，例如一种合适的碳纤维复合材料，而螺纹套管136由铝构成，以便与该双套筒关节48的热学特性相匹配。可以理解到的是，PC斑114紧固在一支承件146上，该支承件又固定在双套筒关节支承件142上。
除了上述螺纹连接外，一个或多个或者所有关节都可以采用如图25A-B中所示的螺纹紧固件进行相互连接。不是图26中的螺纹套管136而是图25B中的套管136’具有光滑的锥形端部137，该锥形端部容纳在一具有互补锥形套筒的支承件142’中。凸缘139沿着周边从套筒136’向外延伸，该凸缘上具有一批螺栓孔(在该实例中为6个螺栓孔)，穿过这些螺栓孔安装有螺栓141。螺栓141沿着套筒支承件142’的上表面以螺纹连接方式安装在相应的螺栓孔中。延伸管134’套装在图26中所示的实施例中的套管136’上。这些关节这种互补的锥形凸凹互连相对于现有技术来说改善了连接界面。
还是参见图26，第三长关节34的长机芯44″采用与长关节30的机芯44’相似的方式固定到铰接臂14上。也就是说，机芯44″的上部采用粘合方式固定到双套筒关节46″的一开口120″中。延伸管148(优选采用在针对管134进行说明时所描述的复合材料构成)套装在外壳体64″上并且由其上向外延伸，以便容纳一配合套管150，该配合套管以粘合方式固定在延伸管148的内径上。配合套管150的末端形成一锥形部分，该锥形部分上具有外螺纹152并且与双套筒关节支承件154上的互补内螺纹153相配合，该支承件154之前已经粘接在了双套筒关节148’内的一圆柱形套筒156上。印刷电路板116同样采用PCB支承件146’连接到该双套筒关节上，该PCB支承件146’固定在双套筒关节支承件154上。
如针对图7和8所述，在图13和14中的短关节机芯44’以及图15中的机芯108简单地布置在两个双套筒关节46、48之间并且采用一种合适的粘合剂固定在该双套筒关节内。因此，该长短机芯都能较容易地彼此成直角(如果需要的话可以成直角之外的任何角度)连接起来。
如上所述的模制轴承编码器机芯构成了如在前述Raab的专利’356以及Eaton的专利’148中所示的便携式CMM的一种重要的技术进步。这是因为，该机芯(或该机芯的外壳)实际上形成了每个关节的结构元件，每个关节组成了该铰接臂。在此所使用的术语“结构元件”的意思是该机芯的表面(例如机芯壳体)刚性地连接在铰接臂的其它结构元部件上，以便在不使该铰接臂变形的情况下(或最多只能变形最小)传递旋转运动。这和普通便携式CMM(例如在Raab的专利’356以及Eaton的专利’148中所披露的那种)形成对比，其中，需要有单独和截然不同的关节元件和传递元件，因为该旋转编码器是关节元件的一部分(但是不是传递元件的一部分)。实质上，本发明不需要单独的传递元件(例如传递部件)，因为关节元件和传递元件的功能够被整合到了一个单一模制部件(即，机芯)中。因此，与由独立和截然不同的关节和传递元件构成的铰接臂不同，本发明采用了一种由长短关节元件的组合体(即，机芯)构成的铰接臂，这些长短关节都是该铰接臂的结构元件。这相对现有技术来说可获得更好的效率。例如，在专利’148以及专利’582中一关节/传递部件组合体中所使用的轴承的数量为四个(关节中有两个轴承而传递部件中有两个轴承)，而奔本发明中的模制轴承/转换器机芯可以使用最少一个轴承(尽管使用两个轴承为优选)并且依然能够实现相同的功能(尽管可以采用一种不同且改进的方式)。
图24A以及26A-B是一些与图24-26相似的剖视图，但是表示出的是图10、12、14以及16-22中所示的双读出磁头实施例，并且还是图3A中所示的CMM10’的剖视图。
该铰接臂14的全长和/或各个臂段可以根据其所要使用的场合而变化。在一实施例中，该铰接臂的全长大约为24英寸并提供大约0.0002到0.0005英寸数量级的测量值。该铰接臂的尺寸和测量精度提供了一种能够较好地适应采用典型的手动工具例如千分尺、高度计、卡尺等就能立即实现测量的便携式CMM。当然，铰接臂14可以具有较小或较大的尺寸和精度等级。例如，较大的铰接臂的全长为8英尺或12英尺，并且相应的测量精度为0.001英寸，因此能够用于最实时的检查用途或用于逆向工程。
CMM10还可以与安装在其上的控制器一起使用，该控制器用于执行一个如在前述专利US5978748以及美国专利申请NO.09/775226中所披露的相对简单化的可执行程序；或者CMM10可以与一相对复杂的程序或主机172一起使用。
参见图1-6以及24-26，在一优选实施例中，长关节和短关节中的每一个都受到一弹性体缓冲器或罩的保护，该缓冲器或罩所起的作用是限制较高冲力力并提供一种具有人机工程学的舒适抓握部位(以及一种从美观上来说令人感觉舒服的外观)。长关节16、30以及34都受到可更换的硬质塑料(例如ABS)罩的保护，该硬质塑料罩起到一种防冲击和磨损的保护装置的作用。对于第一长关节16，该可更换的硬质塑料罩可以形成两件式基座壳体26A以及26B，如图4中所示。长关节30以及34每个都受到一对罩壳件40和41(如图5和6所示)保护，该队罩壳件可以采用适当的螺钉以蛤壳形式紧固在一起以便形成一个保护套。可以理解的是，在一优选实施例中，用于每个长关节30和34的该可更换的硬质塑料罩都分别包围着该优选为复合材料(碳纤维)的延伸管134和138。
优选的是，其中一个罩，例如罩部分41，包括一一体模制在其中的倾斜的支承柱166，该支承柱限制该铰接臂的肘部处的旋转，从而防止在静止状态下探针28碰撞到基座12。这在图3、24以及26中显示的最为清楚。可以理解到的是该支承柱166因此会限制不必要的冲击和磨损。
如将要针对图29和31所描述的那样，探针28还可以包括一可更换的塑料保护罩，该保护罩采用一种硬质塑料材料制成。
图3A、24A以及26A-B所示的是可替换的保护套40’、41’，这些保护套也具有蛤壳式构造，不同的是它们采用夹板(strap)或弹簧夹167而不是螺纹紧固件来固定就位。
每个短关节18、32以及36都包括一对弹性体(例如热塑性橡胶，例如SANTOPRENE & COMMAT)缓冲器38，和前面所述的并在图1-3以及5-6中清楚表示的一样。缓冲器38可以采用一种螺纹紧固件、适当的粘合剂或采用任何其它适当的方式安装。弹性体或橡胶缓冲器38将限制较高的冲击力并提供具有美感令人愉快并且具有人机工程学的舒适的握持部位。
前述保护罩40、41、40’、41’以及缓冲器38都可以方便地进行更换(基座壳体26A、26B也一样)并且使得铰接臂14能够在不影响CMM10的机械性能的情况下快速而廉价地进行整修。
还是参见图1-3，基座壳体26A、26B包括至少两个圆柱形轴毂(boss)，用来安装如图3中的168处所示的一个球体。该球体可以用来安装夹子型的计算机夹持器170，噶夹持器又支承着一便携式或其他计算机装置172(例如所述的“主机”)。优选的是，圆柱形轴毂设置在该基座壳体26A、B的任意一侧，使得该球体和计算机夹持器可以安装在该CMM的任意一侧。
下面参见图27和28A-C来描述测量探针28的一优选实施例。探针28包括一壳体196，该壳体内有内部空间198，用于容纳印刷电路板118。可以理解到的是，壳体196构成上述类型的双套筒关节并且包括套筒197，在该套筒中粘接到一支承部件199，该支承部件用于支承电路板118。优选的是，手柄28包括两个开关，即执行(take)开关200以及确认(confirm)开关202。这些开关由操作者用来在操作过程中(通过执行开关200)进行测量并(通过确认开关202)确认该测量。根据本发明的一个重要的特征，该开关被彼此区别开来以便在使用过程中使得混淆的可能最小化。该区别可以采用多种方式进行，这些方式包括例如使得开关200、202具有不同的高度和/或具有不同的纹路(需要注意的是，开关202上又压痕，而与此相反开关200的上表面是平滑的)和/或具有不同的颜色(例如开关200为绿色而开关202为红色)。还是根据本发明的一重要特征，指示灯204也与开关200、202相连以便指示适当的探测行为。优选的是，指示灯204为一种两色灯，以便例如指示灯204在进行测量时(以及在按下绿色执行按钮200时)显示绿色以及在确认测量时(以及在按下红色确认按钮202时)显示红色。利用一种现有的LED就可很容易地实现使用多色灯。为了有助于握持，为了产生改进的美感以及为了耐冲击，在探针28的一部分上提供了标记为206的上述类型的外保护罩。开关电路板208用来将按钮200、202以及指示灯204，并且该电路板由支承部件199支承。开关电路板208与电路板118进行电连接，该电路板118上安装有用来处理该开关和指示灯以及处理短铰接关节36的元件。
根据本发明的另一个重要特征并参见图27和图28A-C，探针28包括一永久安装的接触触发器探针以及一可拆除盖体，该盖体与一固定探针相配合并保护该接触触发器探针。图27中的标记210处所示的是该接触触发器探针机构，并且该探针机构以一种简化的三点运动学探针座为基座。这种普通的结构包括一探针鼻端212，该前鼻端与受到接触弹簧216偏压的球体214接触。三个接触销212(在218处只有一个表示出来)都与一隐藏的电路接触。向探针鼻端施加的任何力都会导致三个接触销218中的任何一个上升，而该接触销的上升会导致该隐藏的电路打开逼供因此驱动一开关。优选的是，接触触发器探针210还可以与前面所述的“执行”开关200一起协同工作。
如图28B所示，当使用接触触发器探针210时，保护性螺纹罩220可以螺纹方式安装到触发器探针210周围的螺纹222上。不过，当需要采用一种固定探针而不是采用接触触发器探针时，可以拆除该可拆除的盖体220，如图27以及28A-C中的标记224处所示的那种所需的固定探针以螺纹连接方式安装到一螺纹222上。可以理解到的是，尽管固定探针224具有一安装在其上的圆球，但是将任何不同构造的所需固定探针方便地以螺纹连接方式通过螺纹安装到探针28上。基础触发器探针组件210安装在一壳体228中，该壳体228可螺纹连接地安装在螺纹接头230中，该螺纹接头形成探针壳体196的一部分。这种相互螺纹连接使得太接触触发器探针210完全集成在该探针28中。一种完全集成的探针的提出表现了本发明一个重要特征并且显著区别于安装在现有CMM上的现有可拆除的接触探针。此外，该永久安装的接触触发器探针也和方便地转换成如上所述的硬探针。
图27A-C披露的也是本发明的测量探针的另一优选实施例。在图27A-C中，在28’处所示的一测量探针基本上类似于图27中所示的测量探针28，其主要区别在于“执行”和“确认”开关的构造上。与图27中所示的分散式按钮型开关不同，测量探针28’采用了两对弧形椭圆开关200a-b以及202a-b。每对相应的椭圆开关200a-b以及202a-b都相应地对应于图29中所述的执行开关和确认开关。该测量探针28’的这种实施方式相对于测量探针28这种实施方式的优点在于每对椭圆开关202和200实际上都包围着该测量探针的整个圆周(或者包围着圆周的至少大部分)并因此更容易由该便携式CMM的操作者驱动。和图27中所示的实施例一样，指示灯204与每个开关相连，该指示灯204以及开关200、202安装在相应的电路板208’上。还是和图27中所示的实施例一样，开关200、202可以采用例如不同的高度、不同的纹路和/或不同的颜色进行区分。优选的是，开关200、202略微浮起以便该按钮可以在被沿着该按钮的任何位置被按下时受到驱动。和图27中所示的实施例一样，在206处使用了上述类型的外保护罩，并且该保护罩安装在一部分探针28’上。
参见图29，用于CMM10的一种可替代的测量探针如标记232所示。测量探针232与图27中的测量探针28相似，其中的主要区别在于探针232包括一旋转手柄罩234。该旋转手柄罩234安装在一对间隔开的轴承236、238上，该轴承又安装在一内芯或支承件240上，从而该旋转罩234可以自由地绕着内芯240旋转。轴承236、238优选为径向轴承并且使得由于探针手柄产生的在该铰接臂上的附加力矩最小化。值得注意的是，该开关电路板208’以及相应的开关200’、202’和LED204’都安装在该旋转手柄罩234上以便与其一起旋转。在旋转期间，采用一种普通的滑环机构242为处理电路板118’提供电连接，该滑环机构包括一些现有的间隔开的弹簧爪式定位装置(spring finger)242，该弹簧爪与固定环形凹槽244接触。这些接触凹槽244采用滑环导体242又与电路板118’进行电连接。该旋转手柄罩234以及开关组件因此采用滑环导体242与内芯或探针轴240电连接。该探针手柄罩234的旋转使得开关200’、202’能够定向成方便于使用者。这使得该铰接臂14’可以在操作过程中通过使得无事实证明的力(undocumented force)最小化而进行精确的测量。该旋转手柄罩优选由一刚性聚合物制成并且其上设有一些适当的凹部246和248，以便方便该探针的操作者容易握持和操控。
可以理解的是，探针232的剩余部分与探针28十分相似，包括在盖体220中设置一永久而一体安装的接触探针210。需要指出的是，开关200’、202’都具有不同的高度和表面纹路以便方便辨识。
在CMM领域，旋转手柄罩234的一个显著的优点在于他可以弱化象在前述美国专利US5611147中所披露的对第七旋转轴的需要。可以理解到的是，增加第七轴会使得CMM更为复杂和昂贵并且增加了系统导致误差的可能。使用可旋转的探针232弱化了对一种“真正的”第七轴的需要，因为在没有第七转换器和相应的轴承、编码器以及电子器件的复杂情况下它使得探针能够提供在探针末端的手柄位置所需的旋转。
在需要使用具有“真正”第七轴的测量探针的情况下，也就是说，在测量探针具有用于测量旋转运动的第七旋转编码器的情况下，图37-40表示出了这种中测量探针。参见这些图，所示的测量探针500具有这样的测量探针，该探针基本上与图29中的测量探针相似，其主要区别在于插入了一如上所述类型的模制轴承/转换器机芯502，执行和确认开关540、506位于该测量探针的侧面并且包括一可拆除的手柄508。
可以理解到的是，该模制轴承/转换器机芯502基本上与上面详细描述的机芯相似并且包括一可旋转的轴，一对位于该轴上的轴承，一光学编码器盘，至少一个(优选为两个)光学读出磁头彼此间隔开的并且与该编码器盘光学连通的以及一包围该轴承、光学编码器盘、读出磁头以及至少一部分轴的壳体，以便构成该分散(discrete)的模制轴承/转换器机芯。编码器电子器件的电路板503位于探针500的开口504中。成对的执行和确认按钮504、506布置在探针500的向下凸出的壳体部分510的任意一侧，其中这些按钮与适当的PC板512连接，就和图29中的实施例中的测量探针一样。同样，和在前面所述的实施例一样，指示灯513位于按钮504、506之间。在壳体510中的一对螺纹孔514接收紧固件以便可拆除地安装手柄508，该手柄用于在测量探针使用过程中方便进行旋转操控。
在所有其它实质方面，测量探针500都与图29中的测量探针28相似，包括优选使用永久安装的接触触发器探针516以及可拆除的盖体，该盖体与一固定探针518相配合同时保护该接触触发器探针。需要理解的是，包含在测量探针500内的第七旋转编码器502使得CMM10能很容易地与现有的线激光扫描仪和其他外围设备连接起来使用。
参见图2-4以及25，根据本发明的一个重要特征，便携式电源用来为CMM10供电，因此提供一种完全便携式的CMM。与现有CMM进行对比不同在于该电源仅仅基于一种AC电缆。此外，CMM10还可以经普通插座通过AC/DC适配器直接由AC电缆供电。如图2、3以及25所示，标记22所示的为一种普通充电电池(例如锂离子电磁)。电池22采用机械方式电连接在普通电池支承件252中，该电池支承件252又与普通电源以及位于电路板20中的电池充电电路部件254进行电连接。一开/关258(见图3)以及快速连通接口(优选为USB接口)也与电路板20连通。该铰接臂14的关节的电子器件采用RS-485总线与电路板20相连。电池22可以在一独立的充电器上进行充电，或者就象在普通的录像机上所见到的那样在支承件252上就地充电。可以理解的的是，该便携式计算机172(见图2)可以依靠其内置电池工作几个小时和/或或者可以电连接到CMM10的电源单元上。
根据本发明的该在板电源/充电器单元优选作设置成为CMM10的一个一体化部分，例如通过将该部件作为基座12的一个一体化部分以及更具体来说作为该塑料基座壳体26A、26B的一部分。需要指出的是，基座壳体26A、26B包括一个较小的储存区域259，该区域具有一可枢轴转动的盖子262，以便存储备用电池、探针等。
参见图34A和34B，所示的线激光扫描仪312已经完全一体形成在探针28、28’或232上、或者优选上一体形成与探针500上。线激光扫描仪312包括一壳体，用于容纳一数码相机316，一线激光318以及适当电子电路320。壳体314包围着该探针28并且包括一手柄322，该手柄从壳体向下延伸操作者在使用该激光扫描仪的过程中能够很容易地接触到该手柄322。重要的是，该激光扫描仪可旋转以便确保正确的在线测量。为此，采用一种适当的支承构件324将壳体312安装在一附加的(即第七)旋转轴上。在该优选实施例中，该附加旋转轴包括一转换器并因此构成除铰接臂14中的通常的五个或六个关节之外的一个完全独立的关节。更优选的是，该附加的旋转轴是该铰接臂的三轴腕关节(three-axis wrist)的一部分(导致典型的2-1-3或2-2-3的铰接臂结构)。
优选的是，该如图27以及28A-C中所描述的一体形成的接触探针和硬探针罩附件也用在图34A-B中的实施例中。该一体形成的线激光扫描仪312将以一种已知的普通方式在不同于现有技术的装置中进行运转，这种不同于现有技术的装置必须在一便携式CMM的末端进行翻新，本发明完全一体形成在该CMM上。因此，电子电路320将完全集成到铰接臂14中的电力和信号总线中。因此，激光扫描仪以及CMM探针将位于相同的壳体中，利用相同的内部电线并构成一合成一体的机械结构。该结构也实现了同时使用或接近激光扫描仪以及接触探针或硬探针。而且，与主机172相结合的电子线路320将提供在板图像分析和实时处理并且采用经RS-485(或类似的)串行通信总线从激光扫描仪传送来的信号方便地操作工作平台。
图35-39中所示的是一种一体形成的线激光扫描仪的另一种实施例，其中所示的CMM10具有一体形成的线激光扫描仪/探针600，其连接在探针28上。如图36和37所示，在探针28的后部与其间隔开的是一激光发射窗口，一扫描激光束604穿过该发射窗口从一扫描激光器601中发射出来。扫描激光器604扫描过一垂直于图36所示纸面并且平行于图37所示纸面的平面，该图显示出扫描仪/探针600的俯视图。CCD窗口606位于激光发射器窗口602的下面。CCD窗口606实际上可以是一位于壳体610内的CCD605的聚焦透镜(下面将进行详细地描述)。CCD605有一个如虚线608所示的视域(FOV)。该CCD605的视域(FOV)与扫描激光束604所限定的平面在图37中的虚线所示的区域612内相交。因此和将可以理解到的那样，当一物体通过该区域612时，该面向扫描仪/探针600的物体上的与区域612相交的点的轨迹将受到扫描激光束604照亮并由CCD605成相。
由扫描激光束604所照亮的物体上的点的轨迹将在CCD605上显示出一个轮廓图像。由于CMM10知晓线激光扫描仪/探针600的位置和方向，因此由扫描激光束604所限定的平面上的区域612的精确位置也是已知的。当该激光束所照亮的物体上的点移动而更靠近或远离线激光扫描仪/探针600时，由该激光器反射的光线的图案在CCD成相平面(未示出)上向上或向下移动，同时在CCD605的成相平面上的向左和向右的点对应于物体上的与区域612相交并且被扫描激光束604照亮的向左和向右的位置。因此，CCD605的每个像素都与区域612中的可能被扫描激光束604照亮并位于CCD605的FOV内的一相应位置相关联。
参见图38和39，来自于CCD605的图像数据在图像处理电路板620上受到处理，该图像处理电路板是位于壳体610的手柄611内的电路板。CCD605包括一个用于俘获由CCD605所检测到的图像并将这些图像转换成数字格式(例如)的传感器板，该数字格式例如为Apple Computers公司所制定的火线数据格式(firewire data format)(或者任何其它适当的高速数据通信协议)。完整的图像被实时传递给新颖的图像处理电路板620。图像处理电路板620包括火线接口(firewire interface)622、数字信号处理器(DSP)624以及存储器626。当DSP收到图像数据时，该DSP对其进行实时处理。软件规则系统(software algorithm)对帧图像进行处理以确定具有子像素精度的所测物体的精确位置。这是可能的，因为跨过该线激光器的轮廓近似于一高斯函数，并且延伸跨过CCD图像平面上的多行像素。选取适当的像素来代表线的位置(line locaion)是该软件的一个重要功能。该软件规则系统沿着一像素列(pixel column)分析该线的轮廓并计算出“重心”(VOC)，该重心可以是一小部分像素的位置并且是最能代表该线的准确位置的点。
该规则系统对该帧图像中的每列像素进行处理以便计算出中心COV。一旦对该帧图像进行处理后，就删除原始图像并且仅仅保留处理过的图像。所保留的信息以和位于每个关节中的各种数字编码器所产生的其它数据相似的方式通过通信芯片627将传送到位于CMM的基座处的电路板中。由图像处理电路板620所产生的数据包为原始图像尺寸的一部分并且不需要数量巨大的通信带宽。该数据连同相一致的铰接臂位置一起从该主CMM处理器输送到主机CPU。该新颖的图像处理电路板能够实现在铰接臂14内进行在板图像处理，这与现有技术相反，在现有技术中这种图像处理是通过一种外部花样翻新方式在一个与激光扫描仪进行硬件连接的独立单元或计算机中完成的。
与在前面所描述的实施例相同，手柄611包括两个开关，即一个执行开关200以及一确认开关202。在操作过程中操作者使用这些开关在探测模式下进行测量(选择执行开关200)并确认该测量(选择确认开关202)。而且，有一个与开关200、202相关联的指示灯204用来指示适当的探测状态。优选的是，该指示灯204是一种双色灯，因此例如灯204在进行测量时(以及按下绿色执行按钮200时)为绿色而在确认该测量时(以及按下红色确认按钮202时)为红色。这种多色灯的使用很容易通过使用一种现有的LED作为灯204的光源来实现。
在一种扫描模式下，执行开关200驱动上述扫描过程同时可以将该确认开关202用于其它用途例如取消上一次扫描。在另一种模式下，该开关的功能可以通过该软件程序进行转变。
图38中的探针28包括如在图27和30中所述的接触探针机构210以及硬探针盖体220。接触探针机构210包括一探针鼻端212，该前鼻端与一受到弹簧偏压的元件接触。三个接触销都与一隐藏的电路接触。向探针鼻端212施加的力会导致三个接触销中的任何一个上升，而该接触销的上升会导致该隐藏的电路打开并因此驱动一开关。优选的是，接触触发器探针210还可以在一种探测模式下与前面所述的“执行”开关200一起协同工作。
当使用接触探测机构210时，探针盖体220被拧下去掉。不过当需要使用一固定探针而不是接触触发器探针时，探针盖体210如图所示那样安装。可以理解的是，尽管探针盖体220为一安装在其上的圆球形，但是也可以将任何不同的以及理想的固定探针结构方便地螺纹连接在探针28上。接触探针机构210安装在一壳体228中，该壳体螺纹安装在螺纹连接件内，该螺纹连接件形成一部分探针壳体110。
参见图40-48，标记700表示的是线激光扫描仪的另一个实施例。在图40中，所示的激光扫描仪700安装在一具有在图30-32中描述的那种类型的探针500的CMM702上。参见47，激光扫描仪700包括壳体704，该壳体用于容纳该CCD窗口606、聚焦透镜605、图像处理电路板620、高速数据通信协议接口板622、数字信号处理器624以及存储器626，所有这些元件都已经在上面结合图38中的实施例进行了描述。
一运动学环从壳体704向外向下延伸，该环最好如图49和50所示，并且包括三个间隔(优选为等距间隔开或以180°间隔)的切口或开口707。每个开口707都容纳一较小的圆柱杆708。圆柱杆708容纳在一同样间隔开的并且具有互补形状的开口710中，该开口710在探针500的向下凸出的壳体部分510的内表面712上。固定环714具有内螺纹716，该内螺纹螺纹安装在探针500的螺纹222中，该螺纹222又将壳体504精确对齐地(该对齐由该运动学座706产生)紧紧连接到探针500上。
尽管激光扫描仪700是以和图38中的激光扫描仪600相似的方式工作的，但是扫描仪700的优点在于是以一种很方便拆卸方式安装到该附加轴探针500(与图24A以及38中的更为永久安装的激光扫描仪相反)上的。与前面所述的激光扫描仪实施例相同，图40-48中的线激光扫描仪提供了一种完全集成的扫描装置，该装置包括线激光器、光纤以及数码相机，所有这些都与一高速数据通信协议(即火线(firewire))相连，该火线连接到一数字图像处理器、一用于图像分析以及三维分析的DSP处理器以及存储器，并最终连接到一通信处理器，该通信处理器用于将结果数据包连通传递到CMM10的铰接臂的总线并最终传递到主机172。重要的是，该激光扫描仪700将利用已经集成在该CMM10的铰接臂中的电源。在该实施例中仅有的外部电缆是一段较短的从扫描仪壳体704到探针500上的连接器的电缆。该电缆承载该电力和信号总线连接用于传递数据包。与主机CPU172的通信集成在铰接臂内，因此不需要象在现有技术装置中的外部通信电缆。因此，本本发明的激光扫描仪似的内部数字图像处理电路板620能够实时分析图像传感器数据，而这种分析的结果随着相一致的编码器位置数据传回到主机CPU。如上所述，现有技术需要一包含有繁杂而粗笨的外部电缆的外部视频处理单元和电源。
根据扫描仪700的另一个特征，重要的是，在激光器602和相机605之间的定位需要严格的热学特征和稳定性以及在壳体704和附加轴探针500之间的热力学稳定连接。为此，根据一优选实施例，在壳体704内的框架718的内部结构采用一种热膨胀系数(CTE)较低的材料(例如，平均CTE在1.0×10-6到10×10-6in/in/°F之间)，该材料优选为一种金属合金例如钢铁/镍合金，例如不胀钢(优选为不胀钢36)。该金属框架718延伸超过该通常为塑料的壳体704成为连接环706形状并能直接连接到如上所述的三点运动学固定件上。如上所述，该三点运动学固定件710位于该铰接臂的用于接收扫描仪壳体704的探针固定件的基座处。此外，需要理解的是，该运动学固定件710也可以根据需要接收任何其它外部安装传感器。
图34-48中的激光扫描仪不仅可用于此处所述的CMM，而且可以用于任何具有在前述美国专利US5796356或US5829148中所描述的铰接臂的或者具有由Kosaka、Climcore、Romer或其它公司生产的那些铰接臂的其它便携式CMM中。
尽管所示的和所描述的是优选实施例，但是在不脱离本发明和精神和范围的情况下依然进行各种改变和替换。因此，需要理解的是本发明仅仅是进行了一些阐述性的说明而不是进行限制性说明。
权利要求
1.一种坐标测量机(CMM)，用于测量一选定体积内的目标的位置，其包括一可手动定位的铰接臂，该铰接臂具有相对的第一末端和第二末端，述铰接臂包括一些连接起来的臂段，每个臂段都包括至少一个用于产生位置信号的位置转换器；一位于所述铰接臂的所述第一端的可旋转探针；一与所述探针相关联的激光扫描仪，所述激光扫描仪可与所述探针一起旋转；一电子电路，该电子电路接收来自转换器的位置信号并提供与在一选定体积内的探针的位置相对应的数字坐标；一位于所述铰接臂内的总线，用于将电力和数据信号中的至少其中一种信号传送到所述激光扫描仪，所述激光扫描仪包括与所述至少一条总线进行通信的电路。
2.如权利要求1所述的CMM，其中，从所述可旋转的探针延伸出的手柄。
3.如权利要求1所述的CMM，其中，所述探针和所述激光扫描仪可同时接近以便进行测量。
4.如权利要求3所述的CMM，其中，所述铰接臂的第一端包括三个自由度，并且三个自由度的其中一个为旋转所述激光扫描仪的旋转轴。
5.如权利要求1所述的CMM，其中，所述CMM包括三个附加自由度，使得所述连接在一起的臂段具有2-1-3结构的自由度。
6.如权利要求4所述的CMM，其中所述CMM包括四个附加自由度，使得所述连接在一起的臂段具有2-2-3结构的自由度。
7.如权利要求1所述的CMM，其中，所述总线包括一串行通信总线，并且所述激光扫描仪与所述总线相连。
8.如权利要求7所述的CMM，其中，所述串行通信为RS-485型。
9.如权利要求1所述的CMM，其中，所述激光扫描仪可拆卸安装在所述探针上。
10.如权利要求9所述的CMM，其包括一运动学固定件，用于可拆卸地将所述扫描仪安装到所述探针上。
11.如权利要求1所述的CMM，其中，所述可旋转的探针包括一壳体，以及其中所述激光扫描仪位于所述探针壳体内。
12.如权利要求1所述的CMM，其中，所述激光扫描仪包括一扫描仪壳体，用于容纳一激光器和一相机，所述壳体安装在所述探针上。
13.如权利要求12所述的CMM，其中，所述激光器壳体永久地安装在所述探针上。
14.如权利要求12所述的CMM，其中，所述激光器壳体可拆卸地安装在所述探针上。
15.如权利要求12所述的CMM，其中，至少所述激光器和相机安装在一种低CTE框架上。
16.如权利要求15所述的CMM，其中，所述低CTE框架包括一种钢铁/镍合金。
17.如权利要求16所述的CMM，其中所述钢铁/镍合金包括不胀钢。
18.如权利要求1所述的CMM，其中，所述激光扫描仪还包括与所述相机进行通信的数字接口；与所述数字接口进行通信的数字信号处理器(DSP)，用于处理来自于所述扫描仪的图像；与所述DSP通信的存储器；以及与所述DSP通信的通信处理器。
19.如权利要求18所述的CMM，其中，所述数字接口包括一高速数据通信接口，用于在所述相机和所述数字接口之间进行通信。
20.如权利要求19所述的CMM，其中，所述高速数据通信接口采用一种火线(Firewire)数据格式。
21.如权利要求1所述的CMM，其中，所述总线传送电力以及数据信号。
22.如权利要求1所述的CMM，其中，所述铰接臂包括用于同时将来自转换器以及来自所述激光扫描仪的数据传送给主机的电路。
全文摘要
一种便携式坐标测量机一铰接臂，所述铰接臂具有一些连接起来的臂段，所述铰接臂包括一测量探针，该测量探针具有可旋转安装在其上的一体形成的线激光扫描仪。
文档编号G01B21/04GK1630806SQ03803674
公开日2005年6月22日 申请日期2003年2月13日 优先权日2002年2月14日
发明者西蒙·拉布, 塞义德·阿里·萨杰迪, C·安德鲁·赫尔姆, 兰迪·霍布登 申请人:Faro科技有限公司