[发明专利]坐标测量机

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于通过包括数字化沿物体的路径而非仅一个点的表面探测过程来确定物体几何尺寸的装置。通过关于六自由度(6DOF)的关节联接(articulation)，使得用户可以在无需移动物体或安装新的触针到探针的情况下访问更多的物体表面。本装置使用并联运动结构的新形式，以能够在无需花费无普通成本以及不具有常见的复杂性的情况下测量空间数据。它还使用新的联动装置，以确保获得比在这么低的成本下通常可获得的更好的精度和可重复性。

背景技术

产品设计人员利用3D CAD工具越来越多地制造出很难由单轴装置测量的曲线零件，单轴装置可以是标尺或数字孔径规。

坐标测量机(CMM)是一种用于3D物体的度量衡学的通用工具。它们倾向于使用以关于3DOF的笛卡尔方式联接并且借助于触摸触发探针来收集单点数据的桶架型(gantry)机构，或者它们使用联接例如6DOF臂并且收集来自固定探测点或激光扫描器的数据的极坐标机构。

多年以来，之前的笛卡尔机已被改进且价值工程化，但由于组件技术昂贵(灵敏的探针、大理石基座、空气轴承、精确的线性编码器、非常坚硬的框架等)，则构造笛卡尔机将始终是昂贵的。极坐标机是难以精确设计的，因为每个自由度均一起结合在串联链中，使得误差以及总刚度积累并且精确度是全部六个联动装置和编码器的不精确度的总和。并且，在长杆的端部保持微米精度的径向编码器是非常昂贵的。

固有构造和精度因素导致具有超过￡10000的进口水平成本的机器通常由复杂的专业软件来控制，这些专业软件不仅具有高资金成本而且为了能适当使用需要进行大量的训练。

可预料对多轴测量的需求会快速增长，但是到目前为止还没有对于小规模或自由用户来说既买得起又易于使用的工具。本发明的目的是适应这种市场环境，其中，该机器能够以非常低的成本构造，在工业条件下耐用，并且新的软件范例使得它的使用迅速且简单。

发明内容

本发明的一个目的在于，使得能够开发并联运动结构以制造低成本的测量机。

本发明的另一目的在于，获得具有高度的可重复性且没有滞后现象的低构造成本的多轴联动装置。

本发明的又一目的在于，采用连接至可提供热稳定且精确的位移测量的刚性三角形截面碳纤维支杆的长度编码器(encoder)。

本发明的再一目的在于，获得改进物体与触针尖端之间的稳定且可预测的接触压力以提高测量精度的手柄。

本发明的又一目的在于，以耐用且紧凑的方式封装机构的解决方式，这使得用户能够便利地在桌面上操作它，而无需专门的干净房间或是空气调节装置。

本发明的另一目的在于，软件呈现出非常直观且迅速的使用界面，并且从例如等高线形态和表面粗糙度的部分中提取更多的有用数据。

根据本发明，提供了如权利要求1中所述的坐标测量机。在从属权利要求中描述了优选实施例。

本发明可以分解成如下的组成方面：运动学、联动装置、支杆、编码器节点、手柄、封装以及控制系统。下面将对每一方面进行描述。

运动学：

并联连接机构的运行取决于协同工作的多个联动装置的运动以确定位置，然而，在串联连接机构中，每个联动装置独立操作。

典型的多轴并联结构是被称为六脚的节足动物(hexapod)的关节连接八面体，其中，6支杆的长度以6DOF明确限定了机器的端部效应器的位置。给定目标的端部位置，就能够容易地计算所要求的支杆长度(逆向运动学变换)，然而，给定六个支杆的长度，计算端部位置(前向动态学变换)则较为麻烦并且通常仅能通过进行密集的迭代方法来解决。此外，尽管六脚规完全限定全部6DOF，但是测量机无需测量触针绕其自身轴线的旋转。它仅需要五个轴，因此第六个轴基本是多余的。

本发明使用包括作用在五个节点与两个联动装置之间的五个支杆的“五足”结构。这些支杆中的三个被设置成在第一联动装置处与三叉接头(即，三脚架)相接，并且另两个支杆被设置成在第二联动装置处与分叉接头(即，“V”)相接。第一联动装置与第二联动装置通过其上连接有触针的手柄隔开。因此，手柄被这两个联动装置支撑(每一端处一个)，并且其中，一联动装置形成3支杆三脚架的顶点，而另一联动装置形成另一三脚架的顶点，但是使用第一个顶点作为它的一个三脚架底部。五个支杆的长度明确限定空间中的触针位置，因而由该联动装置限制的绕手柄轴线的旋转是多余的。