基于Delta机器人组件的测量机的制作方法

本发明涉及一种测量机，尤其涉及一种基于delta机器人结构的坐标测量机(cmm)或者视觉测量机(vmm)。

背景技术：

在常规3d坐标测量机中，探针头被支撑而用于沿着三个相互垂直的轴线(x、y和z方向)移动。从而，探针头能够被引导至cmm/vmm的测量容积中的任何任意点，并且能够利用由探针头承载的测量传感器(探针)来测量物体。

对于测量表面振动，已知各种测量原理：一个原理是基于使用超声波传感器/超声波变换器(称为超声波探针)，另一个原理是基于使用触觉传感器(还称为触觉探针)，甚至另一个原理是基于使用光学传感器(还称为光学探针或者照相机)。为了度量目标物体的表面，光学或者触觉探针可移动地固定在铰接臂上，正如其示出为用于触觉探针，即在ep2283311a1中，或者可移动地固定在门架处，正如其示出为用于光学探针，即在wo2008/135530a1中，使得其能够沿三个笛卡尔方向x、y、z在目标物体的表面上移动。将探针在目标物体上移动的另一可能性是安装沿z方向可移动的探针并且将目标物体放置在沿y方向可移动的桌上。将探针在目标物体上移动的又一可能性示出在公开于2011年7月的雷尼绍的小册子“对比仪300mess-系统”中；其中，触觉探针安装在delta机器人的可移动滑架平台上。但是，由于该测量机的触觉探针必须接触目标物体的表面，因此未充分利用delta结构提供的关于加速以及运动速度的可能性。还基于delta机器人结构的是使用wo2014/040937中描述的光学探针的视觉测量机，其更可能能够使用delta机器人结构的全测量速度。

delta机器人结构的主要优势为其是轻质构造，能够非常快速移动，还显示出了非常高加速度。但是，主要劣势为这种delta机器人结构的所需容积，类似于门架cmm或者铰接臂测量机。在图1中，给出了使用具有照相机22(作为光学探针4)的delta机器人结构12的公知cmm10，用于获取小尺度3d(3维)信息时，即在工件50的质量控制的面积中，其中，小尺度在mm至nm的范围内。正如可见的，delta机器人12包括静态顶部支撑平台14，静态顶部支撑平台14通过用桩件13’将水平杆11布置在静止侧框架13处而被固定。侧框架13的桩件13’从框架台15垂直突出。三个中间接头26的臂16、16’、16”从静态顶部支撑平台14延伸。通常称为运动链的臂16、16’、16”依靠第一万向接头24将它们的第一端部连接至静态顶部支撑平台14，并且依靠第三接头28将它们的第二端部连接至用于支撑探针4的末端执行器18。末端执行器18通常以三角形或者圆形平台形式构建。臂16、16’、16”由轻质复合材料制成并且由位于静态顶部支撑平台14中的致动器(未示出)驱动，由控制单元38控制。控制单元38还能够构造为用作分析单元，但是，分析由探针收集的数据也能够由外部计算机类似单元分析。

由于臂16、16’、16”由轻质复合材料制成，因此delta机器人的移动部分具有较小惯性。这允许非常高加速度以及非常快速移动，这迄今为止远高于门架式机器或者铰接臂所能实现的加速度和移动。但是delta机器人在快速移动以及快速加速/减速行为期间对由它们的轻质构造引起的温度波动以及强振动是高度敏感的。对于高准确度的测量来说，由接头24、26、28中的角度编码器确定的末端执行器的定位通常不充足。因此，具有delta机器人结构的cmm10已经开发了一种设置有静止照相机32的全局测量系统30，静止照相机32从不同的视角查看定位在臂16、16’、16”和/或定位在末端执行器18处的一个或多个标记20，使得能够在任何时间给出末端执行器18的当前位置的精确确定。现在，delta机器人的末端执行器18的自由度(dof)已经从纯平移(平行四边形中的移动，仅具有3个自由度(3dof：沿x、y或z方向以及其向量的平移))扩大至6dof，额外地允许末端执行器18围绕这些轴线旋转移动最大约为360°，引起偏航、滚动、俯仰。

正如从图1可见的，delta机器人12占据的容积比测量容积大很多，其中，测量容积由具有探针4的末端执行器18的移动覆盖区域所限定；或者换句话说：测量容积是其能够被具有探针4的末端执行器18的移动所覆盖的容积。除了测量容积之外，delta机器人结构通常需要用于顶部静态支撑平台14和用于保持顶部静态支撑平台14的框架15、13、11的空间。该框架11、13、15增加了实际测量容积的容积，还降低了对测量容积的可接近性。

由于在工业环境中实用空间和使用容积是重要标准，因此努力要最小化所需的实用空间和所需容积。

技术实现要素：

因此本发明目的是提供基于delta结构的更紧凑的测量机。

本发明涉及一种基于delta结构的cmm，其包括基板、活动平台、臂以及控制单元。臂均具有中间接头，并且它们的第一端借助于第一万向接头连接至基板。此外，所述臂的第二端借助于第三万向接头28连接至活动平台，其中，活动平台支撑用于度量工件的探针。活动平台的移动被控制单元控制，其中，控制单元可选地构造为还用作用于分析由探针收集的数据的分析单元。基板构造为用于容纳被探针度量的第一工件，其中，探针布置在活动平台上/处/中，以使用delta机器人结构的自由内部空间作为测量容积。基板构造为容纳第一工件，探针布置在活动平台上/处/中，以使用delta机器人结构的自由内部空间作为测量容积，这意味着，从活动平台看至基板时臂之间的空间具有的构造使得用于支撑工件的单独支撑桌变得不必要，使得cmm非常紧凑并且易于接近由基板支撑的工件。

探针是如下探针类型组中的至少一个，探针类型组包括：超声波探针、触觉探针、光学探针；其中，探针安装在活动平台上，使得触觉探针的轨迹和超声波探针的超声波的路径以及光学探针的视野分别通过臂指引到基板上。

delta结构仅具有基板、臂、平台和控制单元，从而整个cmm是可运输的，能够在需要时放置在地板、桌子或者其他支撑部件上。

可选地，基板安装成可固定至框架台，或者不可拆解地固定至框架台，或者与框架台形成为一体件。在这种实施例中，框架台设置成用作用于额外装备的支撑基础。

控制单元有利地集成在基板中，或者在存在框架台的情况下可替换地集成在框架台中，这是节约空间的。在控制单元构造为用作分析单元的情形下，其有利于提供控制和分析单元，以及探针具有用于无线数据传递的无线通信部件，尤其用于由探针收集的数据传递至控制和分析单元。但是，有线实施例也是合适的。在另一实施例中，由探针收集的数据被传递至用于分析的外部计算机类似单元中，其中，该传递能够是有线的或者无线的。

在优选实施例中，至少一个桩件从基板突出，或者如果存在框架台则可选地从框架台突出，在与delta机器人结构相同的方向上从基板突出。至少一个桩件支撑顶部照明设备的至少一个灯，该灯优选布置成能够至少绕其水平轴线枢转，其还能够有利地绕桩件的轴线枢转，并且优选沿着桩件横向可移动，其中，灯可固定在期望位置。可替换地或者此外，至少一个桩件支撑全局测量系统的至少两个静止照相机，其中，至少两个静止照相机布置成优选能够至少绕其水平轴线枢转，其还能够有利地绕桩件的轴线枢转，并且优选沿着桩件横向可移动，其中，照相机可固定在期望位置。在优选实施例中在每个桩件上存在至少一个照相机。在另一实施例中在每个桩件上存在至少一个照相机以及一个灯。由于易于识别，cmm的这种构造允许非常灵活地使用cmm。

在优选实施例中，桩件在它们的纵向延伸范围中以伸缩方式可调节，这使得cmm甚至更灵活。

可替换地或者此外，桩件固定地连接至基板，优选直接连接或者如果存在框架台的话则借助框架台连接。

在可替换实施例中，桩件设置有重的桩脚，使得它们能够在数量上灵活布置并且定位在基板周围，但是由于重的桩脚相对于基板稳定在它们的位置中。

在优选实施例中，cmm设置有全局测量系统，其包括至少两个静止照相机和标记，即标记位于活动平台上和/或在delta机器人结构的臂上。静止照相机和标记布置为使得标记易于在测量容积内被静止照相机观察，其中，标记优选以活动平台上的棋盘图案的形式给出。全局测量系统增加测量的准确度，这是由于除了已经由delta结构的相应意图给定的信息(即由臂的接头的角度编码器输送的信息)之外，全局测量系统还输送关于活动平台和探针的当前位置的额外数据。

在一个实施例中，全局测量系统的静止照相机直接安装在框架台上，优选等距分布。标记相应地放置在活动平台的内表面上，其中，内表面意思是活动平台的指向或面向基板和测量容积的表面。该类型的全局测量系统允许易于接近测量容积和工件。

在可选变型中，全局测量系统的静止照相机安装在悬臂上，悬臂从基板或者从框架台沿径向突出。

可替换地或者额外地，全局测量系统的静止照相机在一水平上安装在桩件(见上文)上，使得静止照相机看到布置有标记的活动平台的外表面，其中，活动平台的外表面背离基板。

因而，使第一组静止照相机安装在基板的侧面上，构造为观察布置在活动平台的内表面上的第一标记和/或布置在delta机器人结构的臂上的标记，额外组静止照相机布置在桩件上，构造为观察活动平台的外表面上的第二标记和/或从它们的视角可见的delta机器人结构的臂上的标记。

在优选实施例中，存在从基板或者框架台在与delta机器人结构相同的方向上突出的至少三个桩件，并且支撑支撑板，支撑板布置成与基板对置并且设置成用于容纳第二工件。在这种实施例中，基板和支撑板中的至少一个设置有固定部件，即夹子，用于分别固定第一工件和/或第二工件。探针和控制单元构造为通过使用内测量容积及外测量容积同时地测量第一工件和第二工件。这种cmm允许同时测量两个工件并且仍然是非常紧凑以及空间节约的。

在特殊实施例中，基板和支撑板设置有用于固定工件的固定部件，控制单元构造成使得测量机可以使用任意定向的基板，使得cmm甚至更灵活有用。

在这种cmm的一个非常成本节约的变型中，探针是具有两个探针末端的单个探针，一个末端向内指向基板，使用内测量容积，一个末端向外指向支撑板，使用外测量容积，其中，单个探针收集这两个末端的数据。

可替换地，探针包括第一探针和第二探针，其中，第一探针具有第一末端并且收集第一末端的数据，第一末端向内指向基板，使用内测量容积，第二探针具有第二末端并且收集第二末端的数据，第二末端向外指向支撑板，使用外测量容积，其中，第一探针和第二探针优选为相同类型探针，即两个探针都是光学探针、触觉探针或者超声波探针。

在所有描述的实施例中，机器人臂有利地直接支撑安全用挡光板。

测量机进一步有利地设置有照明设备，其中，照明设备以顶部照明设备和/或后方照明设备的形式实现，顶部照明设备即包括在桩件(见上文)上的灯；其中，后方照明设备优选集成在测量机的delta结构的基板中，因此该基板至少就设置成用于支撑工件的部分来说由透明材料制成。

如果测量机的探针是光学探针，照明设备可替换地或者此外以共轴照明器设备和/或环照明设备的形式实现，在共轴照明器设备中，照明光被引导成与光学传感器的视野共轴，尤其穿过所述光学传感器的物镜，环照明设备布置在光学传感器的物镜周围。

在以下说明的示范实施例中给出其它实施例以及有利细节。

附图说明

下文中纯粹依靠例子基于具体附图中示意地示出的示范实施例更详细地描述根据本发明的测量机，还讨论了本发明的进一步优势。在附图中相同元件由相同附图标记识别。在特定细节中，附图纯示意性地示出：

图1是基于根据现有技术的delta机器人结构的cmm；

图2是根据本发明的cmm的第一实施例；

图3至图8是根据本发明的cmm的其它实施例。

具体实施方式

图2示出了根据本发明具有delta机器人结构12的测量机10。delta机器人结构12(还缩写为delta结构12)包括基板42，基板42在测量期间支撑工件50。在提出的实施例中基板42位于结构的底部，以放置在处于水平方位的地板或者桌子上。为了更高准确度，基板有利地设置有用于固定工件50的夹子(未示出)。具有中间接头26、26’、26”的delta机器人结构12的三个臂16、16’、16”通过第一万向接头24、24’、24”将它们的第一端部连接至基板42。臂16、16’、16”依靠第三接头28、28’、28”将它们的对置第二端部连接至末端执行器18(还称为活动平台18)，并且依靠致动器(未示出)被控制和分析单元38控制。移动平台18承载探针4。控制和分析单元38在该实施例中布置在基板42内。为了分析生成的数据，控制和分析单元38和活动平台18上的探针4设置有用于数据交换的无线连接100，但也能够通过设置在臂16、16’、16”之一中的有线连接100’连接，如图3所示。根据本发明探针4定位成使用delta机器人结构的自由内部空间作为测量容积，这意思是探针4安装在活动平台18上，使得超声波探针、探针的敏感末端或者光学传感器的视野通过臂16、16’、16”指引到基板42上。

将理解的是，由于为了获得精确测量结果通常将工件夹紧在基板42上，因此除了将水平基板42放置在底部之外，该类型的测量机10还能够以其他方位使用，即基板42水平位于顶部，活动平台18在底部。基板42还能够被固定，即固定在天花板上。还能够想到将基板42固定在处于垂直方位的壁上，或者固定在处于倾斜方位的任何其他基础上。

尽管测量机10的探针4能够是通常使用在cmm中的任何类型的探针(超声波传感器、触觉传感器、光学传感器等)，但是通过使用光学传感器作为探针4，能够最好地利用delta结构12的优势(高速移动、活动平台的快速加速以及减速)。因此图3至图8给定的测量机10的所有实施例示出了光学传感器22作为探针4。

在图3中给定的测量机的第二实施例，其原则上以与图2给定的方式相同的方式构建。但是，为了实现更精确的测量结果，设置了全局测量系统30，其包括三个静止照相机32、32’、32”，它们均布置成在桩件34、34’、34”上可横向移动(双箭头)并且能够绕其轴线枢转以及可固定在期望位置。三个桩件34、34’、34”均具有重的桩脚35、35’、35”，使得它们被用户自由布置在delta机器人结构12周围，以使它们的位置适应光照条件并且它们的视野使得允许它们易于观察标记20，标记20在该情况下以活动平台18的外侧8上的棋盘图案的形式给出，其中，活动平台的外侧8是指向外的侧面，这意思是背离臂16、16’、16”以及背离基板42。选择静止照相机32、32’、32”的视野，使得对于活动平台18的所有移动，静止照相机32、32’、32”或者至少它们中的两个可见到标记20，或者换句话说，静止照相机32、32’、32”能够观察测量容积。

有利地，测量机设置有自身照明设备40。在该实施例中照明设备40实现为后方照明设备44的形式，用于从背侧照射工件50。后方照明设备44集成在测量机10的delta结构12的基板42中，因此基板42至少就用于支撑工件50的部分而言由透明材料制成。

图4的实施例非常类似于图3的实施例。但是，在该实施例中后方照明设备44被顶部照明设备39替代，顶部照明设备39包括至少一个灯，但是在该实施例中实际包括三个灯41、41’、41”，每个灯布置成能够绕其轴线枢转以及在全局测量系统30的桩件34、34’、34”上横向可移动，使得灯41、41’、41”能够被调节以以优化方式照亮工件50。但是，本领域的技术人员将认识到的是，图3示出的后方照明设备44还能够与顶部照明设备39结合。另一不同之处在于，桩件34、34’、34”和具有臂16、16’、16”的基板42以及活动平台18以固定方式布置在框架台36上，使得delta机器人结构12、照明设备40和全局测量系统30相对于彼此布置得不像图3的实施例灵活。但是，灵活性的缺乏关联于更高的准确度以及更少耗时的准备。

图5示出了基于delta结构12的测量机10的一个甚至更紧凑的实施例，其探针4定位成使用delta机器人结构12的自由内部空间作为测量容积来定位，并且设置有全局测量系统30。与图4的实施例中一样，全局测量系统30和delta结构12固定在框架台36上。但是在该例子中标记20放置在活动平台18的内侧9上。全局测量系统30的静止照相机32、32’、32”直接安装在框架台36上，这意思是其间没有任何桩件。它们等距分布在框架台36上，使得当在测量期间具有探针4的活动平台18在测量容积中移动时，它们能够易于勘测活动平台18的内部9上的标记20。正如从图5可见的，该构造比图3和图4给定的构造更紧凑，其还允许更容易接近测量容积以及具有工件50的基桌42。在该例子中，照明设备40实现为共轴照明器46的形式，其中，照明光被引导成与光学传感器22的视野共轴，并且尤其穿过所述光学传感器22的物镜。当然，正如图3和图4示出的，该共轴照明器可结合后方照明设备43和/或顶部照明设备39的灯41、41’、41”。

图6给出的实施例与图5示出的实施例的不同之处在于照明设备40，此处照明设备40实现为布置于光学传感器22的物镜周围的环照明设备48以及集成在基板42中的后方光照明设备44。另一不同之处在于，不存在安装全局测量系统30的静止照相机32、32’、32”和带基板42的delta机器人结构12的框架台。相反，全局测量系统30的照相机32、32’、32”安装在从基板42有利地径向突出的悬臂49、49’、49”上。正如在图5的实施例中，全局测量系统30的静止概观照相机32、32’、32”布置于由用于支撑工件50的基板42构建的支撑平面的旁边或者甚至下方，使得在它们在测量容积内移动期间它们能够易于勘测活动平台18的内侧9上的标记20。相比于图5的例子，该实施例甚至更紧凑并且易于运输。

图7示出了根据本发明的测量机10的另一设计。正如可见的，delta机器人结构12经由其基板42安装在框架台36上。基板42设置有用于固定工件50的固定部件43。类似于图3和图4，桩件34、34’、34”在与delta机器人结构12相同的方向上从框架台36垂直突出。但是，在该实施例中，桩件34、34’、34”支撑支撑板54，支撑板54布置成与基板42和框架台36对置。支撑板54设置有另外的固定部件56，即夹子，用于精确固定另一工件50’。控制和分析单元被编程以控制delta结构12，使得活动平台18在基板42和支撑板54之间移动。在该实施例中活动平台18构造为承载两个探针：第一探针4定向成使得其传感器末端或者视野向内，这意思是在delta结构12的臂16、16’、16”之间定向至基板42，正如已经从图2至图6的实施例中可见的，基板设置成用于支撑第一工件50；第二探针4’定向成使其传感器末端或者视野向外定向至支撑板54上，支撑板54设置成用于支撑第二工件50’。以这种方式构建的测量机10构造为在单个测量周期中使用内及外测量容积同时测量两个工件50、50’。

正如从图5的实施例已知的，全局测量系统30的照相机32、32’、32”布置成稍微横向可移动，并且能够在框架台36上绕它们自身的轴线枢转，以及观察活动平台18的内部8上的标记20。两个探针4、4’尤其是光学传感器22、22’，其中，一个光学传感器22布置在活动平台18的内侧9，另一个光学传感器22’布置在活动平台18的外侧8，或者仅提供一个光学传感器，该一个光学传感器具有分隔的视野，一个视野定向成向外，另一个视野定向成向内。本领域的技术人员知道为实现这种分隔的视野所需要的装备。

将理解的是，代替光学传感器，两个探针4、4’能够是通常使用在cmm中的其它传感器，如所有公知不同类型的光学传感器、不同类型超声波传感器以及不同类型触觉传感器。还能够想到的是，不使用两个相同类型传感器，而是对于不同的方位(向内/向外)使用两个不同类型的探针，即两个不同类型光学传感器或者两个不同类型触觉传感器或者两个不同类型超声波传感器，或者一个超声传感器和一个光学传感器，一个触觉传感器和一个光学传感器，一个超声传感器和一个触觉传感器等。但是这通常导致降低测量速度，并且将需要可能较长制造及校准时间以及更复杂软件等。

图8的实施例与图7的实施例的不同之处在于，根据图3和图4给出的例子具有布置在桩件34、34’、34”上的全局测量系统30中的额外照相机52、52，’52”，以及在通过额外照相机52、52’、52”查看的活动平台的外侧具有额外标记20’。此外，后方光设备44、44’集成在基板42和支撑顶部54中。支撑支撑顶部54的桩件34、34’、34”在它们的高度上以伸缩方式可调节，使得它们能够在测量容积方面使活动平台18突出并且其至基板42的距离从中间距离直达活动平台18的最靠外位置。

正如本领域的技术人员将立即认识到的，图7和图8的实施例还能够以相反方位使用：基板42在顶部，支撑板在底部。但是，正如已经结合图2至图6的实施例所说明的，垂直和倾斜方位在原则上也是可以考虑的。但是，活动平台18上的装备越重，使基板42在底部或者顶部上的定向越好。

总之，本领域的技术人员将认识到的，此处描述的不同实施例的细节能够合理地结合。但是，由于缺乏空间，附图中不能够描述和/或图示出实施例的实施例或者细节的所有有意义的组合。

本发明呈现的优势能够概括为如下：

如上述已经示出的，坐标测量机基于delta机器人结构用于确定小的3d尺寸，在delta机器人结构的活动平台上具有探针，探针定位成使用delta机器人结构12的自由内部空间作为测量容积，因此将delta机器人的非常高的速度及加速度与高紧凑性相结合。因而，使用这种测量机用于计量用途的必要容积保持得非常有限。尽管高速度及加速度，尽管紧凑性，但是仍可实现高准确度测量。支撑结构相比于“正常”delta机器人简化，在“正常”delta机器人中，与在wo2014/040937中一样，探针“悬挂”在工件之上。系统安装是非常简单的，由于其直接能够放置在桌上。机器人臂能够直接支撑安全用挡光板。