专利名称：多轴定位和测量系统及其使用方法
技术领域：
本发明的实施例广泛地涉及坐标测量才几以及坐标测量才几的4吏用方 法。这些用于空间测量的设备被用来借助合适的测量探针测量机械构 件表面上的点的坐标。这些测量探针可以是接触式的--例如接触探 针，或者是非接触式的--如同光学探针或激光探针。
背景技术：
坐标定位机，也叫做坐标测量机或CMM，通常包括固定的参考 表面，例如因其高刚度和尺寸稳定性而被选中的笨重的花岗石台；以 及运动学系统，其可相对于固定参考平面移动和承载测量探针。然而，已知多种具有可移动的参考平面和固定测量探针的坐标测量机的实 例。图1以非常简化的方式描述了一种已知类型的CMM。例如，运动 学系统所取的形状为可移动的龙门上层结构40 (也叫做桥)，其可平 行于参考台30的一侧(X轴)移动。龙门40的水平横梁承载滑动支架 50,所述滑动支架可沿着垂直于X轴的水平方向(Y轴)移动。第三 运动轴(Z轴)由相对于支架50上下移动的垂直轴杆60提供。测量探 针连接在轴杆60的末端，且通过上述的X、 Y和Z方向上的运动，能 够在三维测量空间中自由移动。测量探针一般为接触探针，其具有弹簧加载的触针，所述触针上 带有校准过的红宝石球120。当探针接触待测样品200的表面时，由各 轴上的合适编码器获取的X、 Y、 Z坐标同时^1发送到CMM控制器， 所述控制器用已知的计算方法精确地确定接触点的坐标。更简单的测 量探针为在接触的同时立即确定(坐标)的接触触发式探针，例如 EP1610087所描述的那样。另外的探针能够例如通过LVDT或应变传感器确定触针的偏移 量，并将此偏移传送给控制器以结合在坐标计算中。这种探针被称作 扫描探针，因为它们特别适于探针连续接触被测样品的扫描测量。在 某些情况下，简单的接触探针也被用在连续扫描模式下、或来回摆动 从而以大量的密集间隔的点接触样品200的表面(轻敲法)，其中这 些点的坐标XYZ由CMM机的控制器记录。可用于CMM的一类光探针为微型成像数字系统，以与机械测量 探针类似的方式移动该系统，并将其对准坐标待测点以替代与材料接 触，从而允i午进4亍3D坐标测量。也可以使用激光坐标探针，这些探针能够在待测目标表面上的点 被扫描激光束照亮时确定这些点的坐标。在这类光学测量探针中，还 公知要以扇形光束的形式打开激光，以便能够在光束经过样品时沿激 光束获取大量的点。成像探针和激光探针都属于无接触式探针的范畴，即，它们能够 在不发生物理接触的情况下提供^f皮测表面上的点的坐标。另一种公知的坐标机不使用上述龙门结构，而是使用铰接臂式运 动学系统。其中在EP1718924中描述了这种设备，该设备包括用于替 代一套线性轴X、 Y、 Z的铰接臂，所述臂包括一系列旋转关节，其一 端固定，另一端上承载有光学或机械的坐标探针。该臂的铰接机构允 许测量探针在3D测量空间中自由移动。现有技术的坐标测量系统的局限在于其在不牺牲坐标精度的情况 下所能获取的最大扫描速度。具体而言，在高扫描速度下，由处于快 速振荡运动中的物块所产生的振动是一种测量误差源。现有坐标测量系统的另一个局限在于为了测量复杂工件，需要 具有不同维数和尺寸的多种选型的探针。频繁更换探针降低了测量速 度和系统效率。笨重的长探针还使测量误差变大，且不能承受高的扫 描速度。发明内容因此，需要一种坐标测量系统，该系统能够在减少振动和误差的 同时高速地获取工件表面上的大量坐标点。还需要一种适用于复杂表 面的测量探针。根据本发明，借助于由所提交的权利要求限定的物体来实现这些 目标。
借助于以举例的方式给出并由附图给以图示的针对实施例的描述，将能更好地理解本发明，其中图1示出了已知类型的普通CMM机的简化视图；图2图示了根据本发明的一个方面的CMM的轴杆和测量探针；图3示出了本发明的轴杆和探针的一种可能变型；图4示出了根据本发明的CMM机的探针的另一种变型；图5和6图示了本发明的一种变型，其中CMM配有无接触探针；图7a-7e描述了根据本发明的另 一个方面的表面扫描操作的可能的测量路径；图8和9示意性地示出了根据本发明的另一个方面的带有多铰接 关节的探针。
具体实施方式
图1示出了一种接触探针150,其在触针123的末梢上承载有校准 过的球120。接触探针附连在相对于转子IOO偏置的位置上，转子IOO 与CMM的轴杆60连接。通过合适的致动器--例如轴杆中的电动马 达500,能够使转子100围绕与CMM的Z轴平行的旋转轴65转动。 转子100的旋转角由光学角度传感器(未描述)或其它任何一种合适 的编码器进行编码。在下文中，关于坐标定位机的各轴线的约定取向，"Z"轴方向将 被指定为垂直方向，且由"X"和"Y"轴确定的平面为水平面。然而 必须理解这些约定方向的使用仅仅是出于简化的缘故，而不能限定 本发明的范围，它们可通过在空间上具有普通取向的探针和测量机而 被具体化。转子100永久性地连接到CMM的轴杆60,并配有合适的连接装 置以接收众多选型的探针。如图所示，在一种简单的变型中，该连接 装置可由简单的螺紋孔106构成。然而，如本领域技术人员所公知的 那样，其它类型的连接装置也是可行的，并被包括在本发明的范围内。优选地，致动器500在旋转角度上不受限制。转子100能够在两 个旋转方向上运动数周。接触探针150包括径向臂149,以使球120相对于旋转轴65偏置 距离r。由于这个特征，接触探针150能够扫描待测样品表面上的一条 路径，该路径由相对垂直轴65的转动和选择性地由CMM的X、 Y、 Z 轴上的运动来确定。根据本发明的一种变型，接触探针150对球120在垂直方向上的 位移敏感。通过这种方式，例如，配有图2的探针的CMM能够被编 程以测量表面在扫描路径上的轮廓和表面品质。图3示出了根据本发明的接触探针的一种变型，其对接触点在水 平方向上的位移的偏移敏感。例如，该探针包括可在与旋转轴65正交 的水平方向上平移的滑块106。滑块106相对探针底部103的相对位置 由合适编码器(未示出)--例如LVDT传感器或其它任何一种合适 的传感器进行编码。如本领域所公知的那样，球120与表面201之间 的水平接触力由合适的偏压装置来确定。图3的探针能够沿着这样一 种扫描路径运动，在该扫描路径中，以轴65为中心的^走转半径"r" 不是恒定的，而是在滑块106的位移范围内变化。图4示出了根据本发明的接触探针的另一种变型。根据该实施例， 触针123居中地固定到接触探针，且相对于垂直旋转轴65倾斜a角。 因此，测量点相对轴65被偏置距离"r，，。优选地，可以借助于转子 底部108中的合适致动器(未示出)，随意设定触针的倾斜度。然而， 在简化的版本中，可以由操作员手动地确定触针123的倾斜角。如图所示，通过改变倾斜角值oc和触针123的长度，能够随意设 定图4的探针的偏置半径"r"，例如对圆柱孔的内表面206进行扫描。上述实施例的接触探针优选为偏移敏感探针，其可在各指定时刻 提供接触球120相对于标称校准位置的偏移量。本发明包括使用单轴 探针(例如对垂直轴线上的位移敏感的探针)的情况和使用多轴探针 (对位移的三个分量均敏感的探针)的情况。本发明的接触探针可包 括所有种类的位移传感器，例如电动、开关传感器、感应传感器、应 变仪、磁或光学位移传感器。根据一种简化的变型，本发明的探针仅提供一个开/关信号，该信 号对应接触球体120和;故测表面之间的接触。图5说明了一种配有一个非接触式测量头的探针变型，例如由激 光探针190构成，其沿着光束195在探头与待测表面的被照点199之间 提供了一段距离。如上所述，测量头150装配在CMM的转子IOO上， 其能够选择性地被驱动围绕(例如与垂直的"Z"坐标轴重合的)轴65 转动。通过臂149使被测点199相对于旋转轴65偏置。根据本发明的 未示出的一种变型，可以以与图4类似的方式，通过让中心激光探针 倾斜一定角度来实现同样的偏置。图6说明了本发明的另一种变型， 其包括多光束激光探针或扇形光学探针，提供与被测样品206在被照 亮的线路309上的点有关的信息。根据未示出的另一种变型，多光束 激光探针可以包括多个平行的垂直激光束(耙状测针或梳状探针)， 其中这些光束例如被设在相对旋转轴65的不同偏置位置上。如图7a-7e所示，根据本发明的另一个方面，坐标定位机包括转 子100,其以可转动的方式附连到CMM的轴杆60，且可例如相对旋 转轴65旋转，其中旋转轴65平行于坐标轴之一，例如平行于垂直的 "Z，，轴。转子100承载测量探针，该探头优选为可互换的模块式探针 190,其中该探针被设置成测量相对旋转轴65偏置的点的坐标。测量 期间，在根据预定的轴杆路径370平移机器轴杆的同时，驱动转子100 连续地旋转，由此探针190提供与被测表面上的多个点350的坐标有 关的信息。所测量的点取决于由轴杆60的运动与连接探针190的转子 100的旋转运动所合成的测量路径310。特别地，图7a是测量路径310的仰视图，其中路径310由轴杆的 匀速直线运动与转子100的持续匀速转动合成。在这种情况下，测量 路径为次摆线。图7b和7c示出了由轴杆60的两种非匀速运动形成的 测量路径310,所以该测量路径偏离了次4罢线图形。图7d图示说明了这样一种情形，其中在扫描期间测量点的旋转半 径不是恒量，而是在数值rl与数值r2之间变化。这种变化预示着探针 190包括有用于在测量点与旋转轴65之间设定偏置量的致动器。其中， 如本领域所公知的那样，这可以通过图3或4所示的探针、或通过其 它任何一种合适的致动器来实现。图7e示出了一种情形，其中轴杆的 转子100的角速度和轴杆60的直线速度不是恒定的，而是沿着运动路 径发生变化，同时以恒定的速度对测量点350进行采样。特别地，相 对于其它区域，探针190在区域399中具有较低的旋转和平移速度，因此与扫描表面的其它部分相比，区域399^皮更精细地采样。在一般情形下，要根据待测表面的情况来确定测量路径，且测量 路径将包括次摆线部分，其对应于轴杆60的匀速运动和转子IOO的 匀速转动；以及其中测量路径具有不同形状的部分。通常，综合考虑 和根据需求，测量路径可包括轴杆的直线或曲线运动、转子100的 匀速或非匀速转动、以及探针半径"r"的变化的任何一种组合。探针190可以是任何一种已知测量探针，其包括但不限于与图2 和3中的探针类似的接触探针或偏移敏感探针；或图4中示出的倾斜 触针探针；或任何一种非接触式探针，如图5中示出的单点式非接触 探针，或多点式或线式非接触探针，例如图6的扇形探针。同样也可 以使用其它类型的光学探针，例如微型成像系统。优选地，转子200 包括标准化的适配器，在该适配器上可以安装来自选定的模块式探针 --包括根据环境选定的具有不同尺寸和特性的接触式探针或非接触 式探针--上的任何构件。轴杆65的平移运动与转子100的连续旋转的结合能够提供较快的 扫描速度，同时具有最小的振动量。必要时，可以在转子100中使用 合适的平衡物使偏心臂和探针190的质量相称，从而进一步减少振动 水平。图8表示了本发明的另一个方面，其涉及多关节探针600和坐标 测量机。在图8中部分示出的坐标定位机包括可移动的轴杆60，其可根 据至少三个独立轴(例如本领域公知的三个正交坐标轴XYZ)进行平 移。转子100以能够围绕旋转轴Al (例如与"Z"坐标轴平行的垂直 旋转轴)旋转的方式转动连接到轴杆60。用于致动转子100的旋转装 置类似于已在上文中结合图2描述的旋转装置，且在此将不再进行进 一步描述。多关节探针600包括通过刚性构件125和127连接起来的一系列转 动关节124、 126和128。优选地，各关节包括两个独立的正交旋转轴 A,其能够在CMM控制器的控制下通过例如电动马达的合适致动器被 设成转动。关节的旋转角也由例如光学编码器的合适编码器读出，且 这些编码值可被CMM控制器使用，CMM控制器然后在各个时刻计算 出坐标探针190的位置和取向。根据本发明的一个单独且独立的方面，本发明还涉及一种坐标定位机，其包括例如可根据三维线性笛卡尔坐标轴XYZ运动的机架6 0 ， 所述机架承载有多处铰接的臂，其中该臂包括通过刚性构件连接起来 的一系列机动化旋转关节，如图8和9中所示的那样。各旋转关节124、 126和128包括可编程的致动器，用于根据所需要的角度取定关节的 方向；以及角度编码器，通过该编码器的输出信号，可以随时精确确 定和了解坐标探针190的位置和取向。根据本发明的这个方面，本发明的坐标定位系统能够在被合适编 程的数字控制器(未示出)的控制下，通过结合机架60的运动和多重 链接臂的运动，精确测量复杂工件，以适合各种情形。在示出的实例中，第一旋转关节仅包括一个水平旋转轴B1，围绕 Al轴的垂直旋转由转子IOO提供。其它的关节126和128各包括两个 正交轴。应理解本发明不限于具体数量的关节和旋转轴，而是包括 与由CMM机提供的自由度结合的、具有任意数量的自由度的铰接的 多关节探针。本发明还包括可与CMM机的轴杆连接的多关节探针。有利地， 一个或多个旋转轴(例如轴Al、 A2、 A3)允许进行任何 次旋转的无约束转动，且能够被连续的驱动以提供上述次摆线扫描路 径、或由轴杆的平移运动与围绕不同轴线的多次转动的合成运动所形 成的路径。有利地，为了减少惯性力矩和质量，坐标探针190为非接 触式探针，例如所示的单点激光探针，或多点激光扫描器。或者还可 以使用标准的接触探针。优选地，多关节坐标探针600包括标准化的 适配器，其上可安装根据环境选定的模块式探针(包括具有不同尺寸 和特性的接触探针和非接触探针)的任何构件。
权利要求
1.一种定位和测量系统，包括坐标定位机，包括可相对参考表面移动的轴杆，以可转动的方式与可移动轴杆连接的转子，用于驱动转子围绕旋转轴转动的致动器；坐标探针，其能够以可拆卸的方式连接到转子上，用于沿着由轴杆的平移运动与转子的旋转运动的合成运动所形成的路径测量工件上的点的坐标；其特征在于所述点相对转子的旋转轴被偏置。
2. 根据前述权利要求所述的系统，其中坐标探针能够以可拆卸的方式连接到转子，连接位置相对旋转轴被偏置。
3. 根据权利要求1所述的系统，还包括致动器装置，用于改变被测点与转子的旋转轴之间的偏置。
4. 根据权利要求l所述的系统，其中坐标探针为非接触式光学探针，例如激光扫描探针或多光束激光 探针，或扇形激光探针。
5. 根据权利要求1所述的系统，其中 致动器可驱动转子以恒定的旋转速度转动几周。
6. 根据权利要求1所述的系统，其中坐标探针包括通过刚性臂连接的 一 系列旋转关节。
7. 根据权利要求6所述的系统，其中各关节包括一个或多个关节旋转轴，以及一个或多个致动器，用 于驱动关节旋转轴旋转。
8. 根据权利要求7所述的系统，其中 各关节包括编码装置，用于读出关节旋转轴的旋转角。
9. 一种利用测量系统扫描工件表面的方法，该系统包括 可相对参考表面移动的轴杆，以可转动的方式与可移动轴杆连接的转子，用于驱动转子围绕旋转轴转动的致动器；坐标探针，其能够以可拆卸的方式连接到转子上，用于沿着由轴 杆的平移运动与转子的旋转运动的合成运动所形成的路径测量工件上 的点的坐标，其中所述点相对转子的旋转轴偏置；该方法包括以下步骤沿着轴杆路径操作可移动的轴杆；操作致动器驱动转子以预定的角速度旋转；以预定的时间间隔测量a) 轴杆沿路径上的位置；b) 转子的转动角；c) 坐标探针的输出；根据测量过程a) 、 b) 、 c)的输出，沿着测量路径确定工件表面 上的点的坐标。
10. —种计算机程序产品，其可被装入坐标定位机的控制器的程序 存储器中，包括用于在被所述控制器执行时执行如权利要求9所述的 方法的软件构件。
11. 一种坐标定位才几，包4舌可相对参考平面移动的可移动轴杆，以可旋转的方式与可移动轴 杆连接的转子，用于驱动转子围绕旋转轴转动的致动器；坐标探针，其能够以可拆卸的方式连接到转子，用于沿着由轴杆 的平移运动与转子的旋转运动的合成运动所形成的路径测量工件上的 点的坐标；还包括包括程序存储器的数字控制器，其被编程以执行如权利要求9所 述的方法。
全文摘要
本发明公开多轴定位和测量系统及其使用方法，其中一种定位和测量系统，包括坐标定位机，包括可相对参考表面(30)移动的轴杆(60)，以可转动的方式与可移动轴杆连接的转子(100)，用于驱动转子(100)围绕旋转轴(65)转动的致动器(500)；以及坐标探针(150，190)，其能够以可拆卸的方式连接到转子(100)上，用于沿着由轴杆(60)的平移运动与转子(100)的旋转运动的合成运动所形成的路径测量工件(200，201，250)上的点(350)的坐标。点(350)相对转子(100)的旋转轴(65)被偏置。
文档编号G01B5/008GK101275821SQ20081008762
公开日2008年10月1日 申请日期2008年3月25日 优先权日2007年3月26日
发明者B·彼特森, K·施奈德, P·乔迪尔, S·努特 申请人:六边形度量衡股份公司