專利名稱：提高便攜式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量準(zhǔn)確度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)，尤其涉及具有鉸接臂的便攜式CMM。
2.背景技術(shù)目前，提出了一種作為帶有主機(jī)和應(yīng)用軟件的測(cè)量系統(tǒng)的便攜式鉸接臂。鉸接臂通常用來對(duì)物體上的一些點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并且將這些測(cè)量到的點(diǎn)與存儲(chǔ)在主機(jī)中的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以確定該物體是否在CAD規(guī)范之內(nèi)。換句話說，CAD數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，由鉸接臂測(cè)量所獲得的實(shí)際測(cè)量值與該基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。主機(jī)也可包含通過檢驗(yàn)過程引導(dǎo)操作者的應(yīng)用軟件。在許多涉及復(fù)雜應(yīng)用的情況下，這種安排是比較合適的，因?yàn)槭褂谜邔?huì)在對(duì)應(yīng)用軟件中的復(fù)雜命令作出響應(yīng)的同時(shí)觀察主機(jī)上的三維CAD數(shù)據(jù)。
美國(guó)專利US5,402,582(下面簡(jiǎn)稱為’582)公開了一種用于上述測(cè)量系統(tǒng)中的現(xiàn)有便攜式CMM的例子，該專利已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人并通過引用組合于此。專利’582公開了一種普通的三維測(cè)量系統(tǒng)，其包括一種可人工操作的具有多個(gè)關(guān)節(jié)的鉸接臂，該鉸接臂的一端具有支承基座而在其另一端具有測(cè)量探針。主機(jī)通過中間控制器或串行盒(serial box)與鉸接臂通信。應(yīng)意識(shí)到的是，在專利’582中，鉸接臂將與串行盒進(jìn)行電子通信，串行盒順次與主機(jī)進(jìn)行電子通信。共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利US5,611,147(下面簡(jiǎn)稱為’147)也以參引的方式包含在本申請(qǐng)中，其公開了類似的具有鉸接臂的CMM。在該專利中，鉸接臂包括一些重要的特征，包括在探針末端處的附加旋轉(zhuǎn)軸，用于提供具有2-1-3或2-2-3關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的臂(后一種情況為7軸臂)；以及用于鉸接臂中的軸承的改進(jìn)的預(yù)加載荷的軸承結(jié)構(gòu)。
其他有關(guān)的現(xiàn)有CMM還包括共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利US5,926,782(下面簡(jiǎn)稱為’782)以及美國(guó)專利US5,956,857(下面簡(jiǎn)稱為’857)，專利’782提供具有可鎖定的轉(zhuǎn)移殼體的鉸接臂，以消除一個(gè)或多個(gè)自由度；專利’857提供具有快速斷開安裝系統(tǒng)的鉸接臂。
在此描述的較多現(xiàn)有類型的便攜式CMM都不是必須采用中間控制器或串行盒，因?yàn)槠涔δ墁F(xiàn)在被包含在主機(jī)所提供的軟件中。例如，共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利US5,978,748(下面簡(jiǎn)稱為’748)，其通過引用組合于此，公開了一種具有板載控制器的鉸接臂，該控制器存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)可執(zhí)行程序及向使用者提供指令(例如檢查過程)并存儲(chǔ)用作基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的CAD數(shù)據(jù)。在專利’748中，控制器安裝在該鉸接臂上并運(yùn)行可執(zhí)行程序，該可執(zhí)行程序通過進(jìn)程如檢查過程指引用戶。在這樣的系統(tǒng)中，可以采用主機(jī)來生成可執(zhí)行程序。安裝在鉸接臂上的控制器用來運(yùn)行可執(zhí)行程序但不能用于生成可執(zhí)行程序或修改可執(zhí)行程序。通過模擬一些電子游戲系統(tǒng)，主機(jī)用作編寫或修改電子游戲的平臺(tái)，而安裝在鉸接臂上的控制器用作玩電子游戲的平臺(tái)?？刂破?如玩家)不能修改可執(zhí)行程序。如在專利’748中所述，由于不是每一鉸接臂都需要配備主機(jī)，因而可獲得低成本的三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)。轉(zhuǎn)讓給在此的受讓人并通過引用組合于此的美國(guó)專利申請(qǐng)09/775,236(下面簡(jiǎn)稱為’236)公開了一種用于向使用專利’748中公開的坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的用戶發(fā)送可執(zhí)行程序的方法和系統(tǒng)。該方法包括接收客戶請(qǐng)求以生成可執(zhí)行程序并獲得與該可執(zhí)行程序相關(guān)的信息。隨后，開發(fā)出該可執(zhí)行程序，其引導(dǎo)操作者通過一些將采用三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)執(zhí)行的測(cè)量步驟。優(yōu)選是通過在線網(wǎng)絡(luò)例如因特網(wǎng)將可執(zhí)行程序發(fā)送給該客戶。
共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利US6,131,299(下面簡(jiǎn)稱為’299，其所有內(nèi)容均通過引用組合于此)公開了一種其上布置有顯示裝置的鉸接臂，該顯示裝置便于操作者獲得位置數(shù)據(jù)和系統(tǒng)菜單提示的方便顯示。顯示裝置包括例如LED，其可指示系統(tǒng)是否通電、轉(zhuǎn)換器位置狀態(tài)以及出錯(cuò)情況。轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的受讓人并通過引用組合于此的美國(guó)專利US6,219,928(下面簡(jiǎn)稱為’928)公開了一種用于鉸接臂的串行網(wǎng)絡(luò)。串行網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)從位于鉸接臂中的轉(zhuǎn)換器傳送給控制器。每個(gè)轉(zhuǎn)換器都包括帶有存儲(chǔ)器的轉(zhuǎn)換器接口，存儲(chǔ)器保存轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)?？刂破鞔袑ぶ访總€(gè)存儲(chǔ)器且將數(shù)據(jù)從轉(zhuǎn)換器接口存儲(chǔ)器傳送到控制器。共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利US6,253,458以及US6,298,569(下面分別簡(jiǎn)稱為’458以及’569)都公開了用于在此所描述的鉸接臂便攜式CMM的可調(diào)節(jié)的平衡機(jī)構(gòu)。
盡管這些技術(shù)方案都能很好地適于其所要實(shí)現(xiàn)的目的，但是在該行業(yè)一直存在改進(jìn)便攜式CMM的需求，需要改進(jìn)后的CMM能夠使用簡(jiǎn)單、制造成本效益較好并能夠使特性改良且銷售成本較低。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，便攜式CMM包括鉸接臂，鉸接臂具有多段連接臂段。在一實(shí)施例中，這些臂段包括軸承/編碼器機(jī)芯，這些機(jī)芯采用雙套筒接合彼此以預(yù)定的角度相互連接。每個(gè)機(jī)芯都包含至少一個(gè)預(yù)緊軸承組件(優(yōu)選為兩個(gè))以及編碼器(優(yōu)選為光學(xué)編碼器)，所有這些構(gòu)件組裝在圓柱形外殼內(nèi)。優(yōu)選地，在每個(gè)接頭中都采用兩個(gè)或多個(gè)編碼器讀出磁頭以產(chǎn)生可被均分的相消效應(yīng)。由于臂是從基部較大直徑逐漸變?yōu)樘结樁瞬康妮^小直徑，因此臂段可通過螺紋連接的方式相互連接起來。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，鉸接臂的一段或多段連接臂段包括可替換保護(hù)罩和/或緩沖件，以限制較大的沖擊和磨損及產(chǎn)生符合人機(jī)工程學(xué)且美感、舒適的抓握部位。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，鉸接臂在其一個(gè)鉸接關(guān)節(jié)內(nèi)包括一體形成的內(nèi)部平衡部件。該平衡部件采用具有相對(duì)較寬的端部環(huán)以及較窄的內(nèi)環(huán)的螺旋彈簧，螺旋彈簧由金屬圓柱加工而成。彈簧還包括至少兩個(gè)(優(yōu)選是三個(gè))用于鎖定在鉸接臂的鉸鏈構(gòu)件中的柱子以及彈簧調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，鉸接臂包括位于其端部的測(cè)量探針。該測(cè)量探針具有一體安裝的接觸觸發(fā)探針，該探針可方便地轉(zhuǎn)換成普通的硬探針。測(cè)量探針還包括一些改進(jìn)的開關(guān)以及測(cè)量指示燈。在一實(shí)施例中，這些開關(guān)具有弧形、長(zhǎng)方形，并且能夠很容易地由操作者驅(qū)動(dòng)。這些改進(jìn)的開關(guān)具有不同的顏色、表面紋路和/或高度，以便操作者能夠很容易地對(duì)它們進(jìn)行區(qū)分，同時(shí)指示燈最好被標(biāo)上色標(biāo)以易于操作。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例包括鉸接臂，該鉸接臂具有一體、板載電源再充電單元。該電源/再充電單元使CMM能實(shí)現(xiàn)充分的便攜功能并使其能夠很方便地在遙遠(yuǎn)的位置和/或在不需要將鉸接臂直接接電的情況下使用CMM。
本發(fā)明另一實(shí)施例包括在一端具有測(cè)量探針的鉸接臂。測(cè)量探針包括可旋轉(zhuǎn)的手柄罩(handle cover)和開關(guān)組件，該組件包圍測(cè)量探針。可旋轉(zhuǎn)的手柄罩和開關(guān)組件使得測(cè)量探針可更容易地把持和激發(fā)而不需考慮手的位置。使用可旋轉(zhuǎn)的手柄罩還使得在探針末端不再需要第三旋轉(zhuǎn)軸，因此獲得一種成本更低結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的便攜式CMM(相對(duì)于7軸CMM或在測(cè)量探針上具有第三旋轉(zhuǎn)角度的CMM而言)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，便攜式CMM包括具有多段連接臂段的鉸接臂，在該鉸接臂一端具有測(cè)量探針而在其另一端為基座。根據(jù)該實(shí)施例的新特征，基座具有一體磁性固定件，用來將鉸接臂固定到磁性表面。該一體磁性固定件最好是采用螺紋連接方式連接在鉸接臂上并且具有開/關(guān)(on/off)控制桿以便于使用(該控制桿在固定件位于磁性表面上時(shí)最好可自動(dòng)接合)。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將能夠根據(jù)下面的詳細(xì)說明和附圖理解和認(rèn)識(shí)本發(fā)明的上述以及其它優(yōu)點(diǎn)和特征。


現(xiàn)在參見附圖，其中在多幅附圖中相同的元件采用相同的數(shù)字標(biāo)記。
圖1是本發(fā)明的便攜式CMM的前方透視圖，其包括鉸接臂及相連的主機(jī)；圖2是圖1的CMM的后方透視圖；圖3是圖1的CMM的右側(cè)視圖(其中主機(jī)被去掉)；圖3A是圖1的CMM的右側(cè)視圖，其中罩在兩個(gè)長(zhǎng)關(guān)節(jié)上的防護(hù)罩略有改變；圖4是本發(fā)明的CMM的局部分解透視圖，其示出了基座和第一鉸接臂部分；圖5是本發(fā)明的CMM的局部分解透視圖，其示出了基座、第一鉸接臂部分以及局部分解的第二鉸接臂部分；圖6是本發(fā)明的CMM的局部分解透視圖，其示出了基座、第一鉸接臂部分以及局部分解的第三鉸接臂部分；圖7是根據(jù)本發(fā)明的一局部分解透視圖，其示出了一對(duì)編碼器/軸承機(jī)芯組裝在兩個(gè)雙套筒接頭之間；圖8是圖7中所示的軸承/編碼器機(jī)芯和雙套筒接頭的主視圖；圖9是本發(fā)明的較短的軸承/編碼器機(jī)芯的分解透視圖；圖9A是與圖9相似的分解透視圖，但只示出了一個(gè)讀出磁頭；圖9B是與圖9相似的分解透視圖，但示出了四個(gè)讀出磁頭；圖9C是圖9B組裝后的透視圖；圖9D是與圖9相似的分解透視圖，不同的是示出了三個(gè)讀出磁頭；圖9E是圖9D組裝后的透視圖；圖10是圖9中所示機(jī)芯的剖視圖；圖11是本發(fā)明的較長(zhǎng)的軸承/編碼器機(jī)芯的分解透視圖；圖11A是與圖11相似的分解透視圖，不同的是只示出了單個(gè)讀出磁頭；圖12是圖11中所示機(jī)芯的剖視圖；圖12A是圖12中所示的機(jī)芯剖視圖，示出了可與軸一起旋轉(zhuǎn)的雙讀出磁頭；圖13是本發(fā)明的另一軸承/編碼器機(jī)芯的分解透視圖；圖13A是與圖13相似的分解透視圖，不同的是只示出了單個(gè)讀出磁頭；圖14是圖13中所示機(jī)芯的剖視圖；圖15是本發(fā)明的軸承/編碼器機(jī)芯以及平衡彈簧的分解透視圖；圖15A是與圖15相似的分解透視圖，不同的是只示出了單個(gè)讀出磁頭；圖16是圖15中所示機(jī)芯和平衡部件的剖視圖；圖17是用于本發(fā)明的較大直徑軸承/編碼器機(jī)芯的雙讀出磁頭組件的俯視圖；圖18是沿圖17中的線18-18的剖視圖；圖19是圖17中所示的雙讀出磁頭組件的仰視圖；圖20是用于本發(fā)明的較小直徑軸承/編碼器機(jī)芯的雙讀出磁頭組件的俯視圖；圖21是沿圖20中線21-21所作的剖視圖；圖22是圖20中所示的雙讀出磁頭組件的仰視圖；圖23A是描述本發(fā)明的使用單讀出磁頭的CMM所采用的電子線路構(gòu)造的方框圖；圖23B是描述本發(fā)明的使用雙讀出磁頭的CMM所采用的電子線路構(gòu)造的方框圖；圖24是本發(fā)明的CMM縱向剖視圖(其中去掉了基座)；圖24A是圖3A中所示的CMM的剖視圖；圖25是圖24中一部分的放大剖視圖，示出了圖24中的CMM的基座以及第一長(zhǎng)關(guān)節(jié)；圖25A是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的長(zhǎng)關(guān)節(jié)和短關(guān)節(jié)之間相互連接狀態(tài)的視圖；圖25B是圖25A中一部分的縱向正剖視圖；圖26是圖24中一部分的放大剖視圖，示出了第二和第三長(zhǎng)關(guān)節(jié)段；圖26A和B是圖24A中一部分的放大剖視圖，示出了第二和第三長(zhǎng)關(guān)節(jié)及探針；圖27A是一分解側(cè)視圖，示出了本發(fā)明的第一短關(guān)節(jié)/平衡組件；
圖27B是圖27A中的元件的透視圖；圖28是本發(fā)明的內(nèi)部平衡部件的正剖視圖；圖29是本發(fā)明的測(cè)量探針的第一實(shí)施例的側(cè)向正剖視圖；圖29A是本發(fā)明的測(cè)量探針的另一實(shí)施例的側(cè)視圖；圖29B是沿圖29A中的線29B-29B所作的剖視圖；圖29C是用于圖29A-B中的一對(duì)“執(zhí)行(take)”或“確認(rèn)(confirm)”開關(guān)的透視圖；圖30A-C依次是本發(fā)明的一體接觸探針組件以及轉(zhuǎn)換成硬式探針的的平面視圖；圖31是本發(fā)明的測(cè)量探針的另一實(shí)施例的側(cè)剖面視圖；圖32是本發(fā)明的一體磁性基座的分解透視圖；圖33是圖32中的磁性基座的正剖視圖；圖34是圖32中的磁性固定件的頂部平面視圖；圖35是源于Raab的’356專利中的具有雙讀出磁頭的CMM接頭的正剖視圖；圖36是源于Eaton的’148專利中的具有雙讀出磁頭的CMM接頭的正剖視圖；圖37是具有第七軸轉(zhuǎn)換器的測(cè)量探針的側(cè)視圖；圖38是與圖37類似的側(cè)視圖，不同的是其中包括可拆卸的手柄；圖39是圖38中的測(cè)量探針的端部視圖；圖40是圖38中的測(cè)量探針的正剖視圖；圖41為根據(jù)本發(fā)明的采用與多個(gè)傳感器結(jié)合的讀出磁頭的軸承/編碼器機(jī)芯的頂部平面視圖；圖42是圖41的機(jī)芯的透視圖；及圖43是圖42的機(jī)芯的上部的放大圖。
具體實(shí)施例方式
首先參見附圖1-3，本發(fā)明的CMM總體上采用標(biāo)記10表示。CMM10包括具有多個(gè)連接在一起的、可手動(dòng)操作的鉸接臂14，該鉸接臂的一端連接在基座部分12上，而另一端連接在測(cè)量探針28上。鉸接臂14基本上由兩種類型的關(guān)節(jié)(joint)構(gòu)成，即長(zhǎng)關(guān)節(jié)(用于作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))以及短關(guān)節(jié)(用于作鉸接運(yùn)動(dòng))。長(zhǎng)關(guān)節(jié)基本上沿鉸接臂的軸向或縱向方向布置，而短關(guān)節(jié)則最好相對(duì)于鉸接臂的縱向軸線成90°布置。長(zhǎng)關(guān)節(jié)和短關(guān)節(jié)配對(duì)出現(xiàn)，這種關(guān)節(jié)的配對(duì)構(gòu)造通常稱為2-2-2(盡管也可以采用其它的關(guān)節(jié)構(gòu)造形式，例如2-1-2、2-1-3、2-2-3等)。圖4-6示出了這些關(guān)節(jié)對(duì)中的每一對(duì)。
圖4示出了第一關(guān)節(jié)對(duì)即長(zhǎng)關(guān)節(jié)16和短關(guān)節(jié)18的分解視圖。圖4還示出了基座12的分解視圖，包括便攜式電源電子裝置20、便攜式電池組22、磁性固定件24以及兩件式基座殼體26A和26B。所有這些元件均將在下面進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
重要的是，應(yīng)意識(shí)到鉸接臂14的各種主要部件的直徑都是從基座12到探針28逐漸變細(xì)。這種逐漸變細(xì)的過程是連續(xù)的，或者如圖中的實(shí)施例所示，這種逐漸變細(xì)是不連續(xù)的或者是階梯狀的。此外，鉸接臂14的每個(gè)主要部件都可以通過螺紋連接的方式進(jìn)行連接，因此可消除現(xiàn)有CMM所需要的大量緊固件。例如，如下文中將要闡述的那樣，磁性固定件24采用螺紋連接方式連到第一長(zhǎng)關(guān)節(jié)16上。優(yōu)選地，這種螺紋是錐形螺紋，它可以進(jìn)行自鎖并可以增加軸向/彎曲剛度?；蛘?，如圖25A和25B所示，并如下文中所述的那樣，鉸接臂的主要部件可以具有互補(bǔ)的錐形凸凹端部，這些端部具有相應(yīng)的凸緣，凸緣可以通過螺栓連接在一起。
參見圖5，所示的第二組長(zhǎng)關(guān)節(jié)和短關(guān)節(jié)與第一組長(zhǎng)關(guān)節(jié)和短關(guān)節(jié)連接。第二關(guān)節(jié)組包括長(zhǎng)關(guān)節(jié)30和短關(guān)節(jié)32。和將磁性固定件24連到長(zhǎng)關(guān)節(jié)16上一樣，長(zhǎng)關(guān)節(jié)30也通過螺紋連接方式連接在長(zhǎng)關(guān)節(jié)16的內(nèi)表面的螺紋上。同樣，參見圖6，第三關(guān)節(jié)組包括第三長(zhǎng)關(guān)節(jié)34和第三短關(guān)節(jié)36。第三長(zhǎng)關(guān)節(jié)34以螺紋連接方式連接在第二短關(guān)節(jié)32的內(nèi)表面的螺紋上。如下文將要詳細(xì)描述的那樣，探針28也以螺紋連接方式連接在短關(guān)節(jié)36上。
優(yōu)選地，每個(gè)短關(guān)節(jié)18、32以及36都由鑄造和/或機(jī)械加工的鋁質(zhì)元件構(gòu)成，或者也可以采用輕質(zhì)剛性合金或合成物構(gòu)成。每個(gè)長(zhǎng)關(guān)節(jié)16、30以及34最好由鑄造和/或機(jī)械加工的鋁、輕質(zhì)剛性合金或纖維補(bǔ)強(qiáng)的聚合物構(gòu)成。三對(duì)前述關(guān)節(jié)對(duì)(即第一對(duì)包括關(guān)節(jié)對(duì)16、18，第二對(duì)包括關(guān)節(jié)對(duì)30、32，第三對(duì)包括關(guān)節(jié)對(duì)34、36)的機(jī)械軸相對(duì)于基座對(duì)齊以獲得平滑一致的機(jī)械特性。前述從基座12到探針28逐漸變細(xì)的結(jié)構(gòu)為優(yōu)選結(jié)構(gòu)，以能夠在負(fù)載較大的基座處增加剛度，同時(shí)在通暢使用方面很重要的探針或手柄處的外形較小。如下文將詳細(xì)描述的那樣，每個(gè)短關(guān)節(jié)的兩端上都裝有保護(hù)性緩沖件38，而每個(gè)長(zhǎng)探針上都罩有防護(hù)罩40或41。應(yīng)意識(shí)到的是，第一長(zhǎng)關(guān)節(jié)16受基座殼體26A、26B的保護(hù)，基座殼體所提供的保護(hù)和防護(hù)罩40、41為第二和第三長(zhǎng)關(guān)節(jié)30、34所提供的保護(hù)類型相同。
根據(jù)本發(fā)明的重要特征，鉸接臂的每一關(guān)節(jié)均采用模制軸承/編碼器機(jī)芯，如圖7和8所示的短機(jī)芯42以及長(zhǎng)機(jī)芯44。這些機(jī)芯42、44安裝在雙套筒接頭46、48的開口中。每個(gè)套筒接頭46、48都包括具有第一凹部或套筒120的第一圓柱延伸部分47以及具有第二凹部或套筒51的第二圓柱延伸部分49。通常，套筒120和51彼此成90°角，不過也可以采用其它相對(duì)角結(jié)構(gòu)。短機(jī)芯42布置在雙套筒接頭46和48的每一套筒51中以便構(gòu)成鉸接接頭，同時(shí)長(zhǎng)機(jī)芯44布置在接頭46(見圖25)的套筒120中而長(zhǎng)機(jī)芯44’(見圖26)布置在接頭48的套筒120中，從而二者均構(gòu)成縱向的回轉(zhuǎn)接頭。模制的軸承/編碼器機(jī)芯42、44容許其上安裝有模制編碼器元件的預(yù)應(yīng)力或預(yù)緊雙軸承機(jī)芯的單獨(dú)制造。該軸承編碼器機(jī)芯隨后可以固定安裝到鉸接臂14的外部骨架部件(即雙套筒接頭46、48)上。采用這種機(jī)芯的顯著優(yōu)點(diǎn)在于它能夠高質(zhì)量高速地生產(chǎn)鉸接臂14的這些復(fù)雜的子部件。
在此所述的實(shí)施例中，有四種不同的機(jī)芯類型，即，兩個(gè)用于關(guān)節(jié)30、34的長(zhǎng)軸機(jī)芯、一個(gè)用于關(guān)節(jié)16的基座軸機(jī)芯、一個(gè)用于短關(guān)節(jié)18和16的基座機(jī)芯(其包括平衡部件)以及兩個(gè)用于關(guān)節(jié)32和36的鉸接機(jī)芯。此外，與逐漸變細(xì)的鉸接臂14相一致，最靠近基座的機(jī)芯(例如，位于長(zhǎng)關(guān)節(jié)16和短關(guān)節(jié)18中的機(jī)芯)的直徑相對(duì)具有較小直徑的關(guān)節(jié)30、32、34以及36而言要大些。每個(gè)機(jī)芯都包括預(yù)緊軸承結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換器，在該實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換器包括數(shù)字編碼器。參見圖9和10，現(xiàn)在對(duì)位于軸向長(zhǎng)關(guān)節(jié)16中的機(jī)芯44進(jìn)行說明。
機(jī)芯44包括一對(duì)由內(nèi)座套54和外座套56分開的軸承50、52。重要的是軸承50、52上要預(yù)加載荷。在該實(shí)施例中，這種預(yù)載荷由座套54、56提供，座套54、56具有不同的長(zhǎng)度(內(nèi)座套54要比外座套56短大約0.0005英寸)，從而在緊固時(shí)在軸承50、52上產(chǎn)生預(yù)先選定的預(yù)載荷。軸承50、52采用密封件58進(jìn)行密封，這些部件構(gòu)成的組件可旋轉(zhuǎn)地安裝在軸60上。在其上表面處，軸60終止于軸上部殼體62。在軸60和軸上部殼體62之間形成環(huán)形空間63。整個(gè)組件被布置在機(jī)芯外殼體64內(nèi)，其中采用內(nèi)螺母66和外螺母68的組合將軸60和其軸承組件牢固安裝在機(jī)芯外殼體64上。需要注意的是，在組裝時(shí)，外殼體64的上部65將被容納在環(huán)形空間63內(nèi)。應(yīng)意識(shí)到的是，在對(duì)內(nèi)外螺母66和68進(jìn)行緊固時(shí)其對(duì)軸承施加壓縮力，從而將上述預(yù)載荷施加到軸承50、52上，并且由于內(nèi)外襯套54、56的長(zhǎng)度不同，因此將施加所需的預(yù)載荷。
優(yōu)選地，軸承50、62是成對(duì)雙聯(lián)向心推力球軸承。為了獲得足夠的預(yù)載荷，使軸承支承面盡可能平行是很重要的。該平行度會(huì)影響軸承周邊上的預(yù)載荷的均勻度。不均勻的載荷會(huì)導(dǎo)致極為不均勻的扭矩感并且會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的徑向跳動(dòng)和降低編碼器性能。模塊化安裝的編碼器盤(將在下面進(jìn)行討論)的徑向跳動(dòng)會(huì)在讀出磁頭下面導(dǎo)致不合需要的干涉條紋移位。這種情況會(huì)導(dǎo)致編碼器角度測(cè)量出現(xiàn)重大的誤差。而且，這種優(yōu)選的成對(duì)雙聯(lián)向心推力球軸承結(jié)構(gòu)的剛度也與軸承的分離直接相關(guān)。軸承相距越遠(yuǎn)，該組件越有剛性。采用襯套54、56可以增強(qiáng)軸承的分離。由于機(jī)芯外殼64優(yōu)選為鋁質(zhì)外殼，因此襯套54、56優(yōu)選也采用鋁制成并且在長(zhǎng)度和平行度方面進(jìn)行精確加工。因此，溫度改變不會(huì)導(dǎo)致不均勻的膨脹，這種不均勻的膨脹會(huì)影響到預(yù)載荷。如前所述，通過以一種已知方式設(shè)計(jì)襯套54、56的長(zhǎng)度方面的差別可以獲得預(yù)載荷。一旦螺母66、68被完全緊固后，長(zhǎng)度差可以導(dǎo)致軸承預(yù)緊度。使用密封件58可以提供密封軸承，因?yàn)檩S承的任何污染都會(huì)影響到所有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和編碼器的精度以及關(guān)節(jié)感覺。
盡管機(jī)芯44優(yōu)選包括一對(duì)間隔開的軸承，但是機(jī)芯44也可以包括單個(gè)軸承或三個(gè)或更多的軸承。因此，每個(gè)機(jī)芯至少需要一個(gè)軸承。
本發(fā)明的接頭機(jī)芯既可以作無限的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，或者作為一種選擇也可以作有限旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于有限旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，殼體64外表面上的凸緣72上的槽70形成容納往復(fù)移送裝置(shuttle)74的圓柱軌道70。往復(fù)移送裝置74將行駛在軌道70中直到其抵靠可拆卸的往復(fù)移動(dòng)裝置止動(dòng)件為止，往復(fù)移動(dòng)裝置止動(dòng)件例如旋轉(zhuǎn)止動(dòng)調(diào)節(jié)螺釘76，通過該調(diào)節(jié)螺釘可以阻止旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)數(shù)可以根據(jù)需要進(jìn)行改變。在一優(yōu)選實(shí)施例中，可以將往復(fù)移送裝置的轉(zhuǎn)數(shù)限定為低于720°。此處旋轉(zhuǎn)的往復(fù)移送裝置止動(dòng)件的類型在共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利US5,611,147中有詳細(xì)的描述，該專利的所有內(nèi)容通過引用組合于此。
如上所述，在另一實(shí)施例中，本發(fā)明所使用的關(guān)節(jié)進(jìn)行無限的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，采用一種已知的滑環(huán)組件。優(yōu)選地，軸60具有中空或軸向孔78，該孔的一端有一直徑較大的部分80。圓柱形滑環(huán)組件82與軸向孔78和80之間形成的臺(tái)肩鄰接。相對(duì)于在模制接頭機(jī)芯中提出的預(yù)緊軸承組件而言，滑環(huán)組件82是不起結(jié)構(gòu)作用的(也就是說，它并不提供任何機(jī)械功能，僅僅提供電的和/或信號(hào)傳遞功能)。盡管滑環(huán)組件82可以是任何市場(chǎng)上可以購(gòu)買到的滑環(huán)，但在一優(yōu)選實(shí)施例中，滑環(huán)組件82包括可以從大不列顛聯(lián)合王國(guó)BERKSHRE Reading的IDM Electronics Ltd.公司購(gòu)買的H系列滑環(huán)。這種滑環(huán)尺寸比較緊湊并且具有圓柱形結(jié)構(gòu)，因而可完美地適用于軸60內(nèi)的孔80。穿過軸60的軸向孔80終止于孔84處，孔84與槽道86連通，槽道86的大小和結(jié)構(gòu)可以容納來自于滑環(huán)組件82的電線。該電線由電線罩88固定就位并受到保護(hù)，該電線罩88卡裝在槽道86和孔84中。這種電線由圖10中的標(biāo)記90示意性地表示。
如上所述，模制機(jī)芯44包括上述預(yù)緊軸承構(gòu)件以及下面將要描述的模制編碼器構(gòu)件。還是參見圖9和10，用于本發(fā)明的優(yōu)選轉(zhuǎn)換器包括模制光學(xué)編碼器，該編碼器具有兩個(gè)主要部件，即讀出磁頭92和光柵盤94。在該實(shí)施例中，一對(duì)讀出磁頭92布置在讀出磁頭連接器板96上。連接器板96連到安裝板100上。光柵盤94優(yōu)選(優(yōu)選采用適當(dāng)?shù)恼澈蟿?連接到軸60的下部支承表面102上并且與讀出磁頭92(該磁頭通過板100支承固定)間隔開并且與該讀出磁頭對(duì)齊。電線箍104和密封蓋106為殼體64的下端提供最外部的遮蓋。電線箍104如圖10所示的那樣收納和保持電線90。應(yīng)意識(shí)到的是，編碼器盤94由于在102上涂敷粘合劑而被固定在軸60上并可隨著該軸旋轉(zhuǎn)。圖9和10示出了雙讀出磁頭92，不過，應(yīng)意識(shí)到可以使用兩個(gè)以上的讀出磁頭，或者如圖9A中所示使用單個(gè)讀出磁頭。圖9B-C示出了安裝在板100中的四個(gè)讀出磁頭92并且以90°的間隔間隔開(盡管采用不同的相對(duì)間隔也是合適的)。圖9D-E示出了安裝在板100中的三個(gè)讀出磁頭92并且以120°的間隔間隔開(盡管采用不同的相對(duì)間隔也是合適的)。
為了完全對(duì)齊盤94，在靠近盤94的位置提供穿過殼體64的孔(未示出)。隨后采用一種工具(未示出)將盤94推動(dòng)到同心對(duì)齊位置，在該位置處使盤94和軸60之間的粘合劑固化以將盤94鎖定就位。隨后將孔塞73插入殼體64中的所述孔(未示出)。
重要的是，應(yīng)注意盤94和讀出磁頭92的位置可以反過來，從而盤94固定在外座套56上而讀出磁頭92可以與軸60一起旋轉(zhuǎn)。圖12A中示出了這樣的實(shí)施例，其中板96’(通過粘合劑)固定在軸60’上以便與其一起旋轉(zhuǎn)。一對(duì)讀出磁頭92’固定在板96’上并因此和軸60’一起旋轉(zhuǎn)。盤94’布置在支承件100’上，該支承件100’固定在外殼64’上。在任何情況下，應(yīng)意識(shí)到無論是盤94還是讀出磁頭92都可以安裝成與軸一起旋轉(zhuǎn)。重要的是盤94和讀出磁頭92要布置在機(jī)芯(或接頭)中以便在維持光學(xué)連通的同時(shí)可以彼此相對(duì)旋轉(zhuǎn)。
優(yōu)選地，在本發(fā)明中所采用的旋轉(zhuǎn)編碼器比在美國(guó)專利US5,486,923以及US5,559,600中公開的要小，這兩個(gè)專利的所有內(nèi)容都通過參引的方式包含在本申請(qǐng)中。這種模制編碼器可以從MicroESystems公司購(gòu)買到，其商品名稱為Pure Precision Optics。這些編碼器都以物理光學(xué)為基礎(chǔ)檢測(cè)衍射級(jí)之間的干涉，從而從插入干涉條紋中的光電檢測(cè)器陣列(如讀出磁頭)產(chǎn)生近乎完美的正弦信號(hào)。采用電子學(xué)的方法對(duì)該正弦信號(hào)進(jìn)行內(nèi)插值以便能夠檢測(cè)到僅僅一小部分光學(xué)條紋的位移。
采用激光源，首先用透鏡使激光束成為平行光束，隨后通過小孔調(diào)整大小。調(diào)整大小后的平行激光束穿過光柵，該光柵使得光衍射成具有0th的離散級(jí)(discrete order)以及受到光柵結(jié)構(gòu)抑制的所有偶數(shù)級(jí)(even order)。由于該0級(jí)受到抑制，在離散的第三級(jí)之外存在一區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)只有±1st級(jí)相互交迭形成一近乎純粹的正弦干擾。在該區(qū)域內(nèi)布置一個(gè)或多個(gè)光電檢測(cè)器陣列(讀出磁頭)，并且當(dāng)光柵和檢測(cè)器之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)該光電檢測(cè)器陣列產(chǎn)生四個(gè)信道的幾乎純粹的正弦輸出。將輸出進(jìn)行電子學(xué)放大、規(guī)格化并內(nèi)插到理想的分辨水平。
對(duì)該編碼器結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化產(chǎn)生幾個(gè)優(yōu)于現(xiàn)有光學(xué)編碼器的優(yōu)點(diǎn)。僅僅采用激光源及其平行光學(xué)器件、衍射光柵以及檢測(cè)器陣列就可以進(jìn)行測(cè)量。相對(duì)于較為粗笨的現(xiàn)有普通編碼器而言，這使得本發(fā)明的編碼器裝置顯得極為緊湊。此外，光柵和干涉條紋移動(dòng)之間的直接關(guān)系減弱了編碼器對(duì)外界環(huán)境所引起的誤差的的敏感性，而現(xiàn)有的裝置易于受到這種誤差的影響。而且，由于該干擾區(qū)域較大，并且可以在該區(qū)域的任何位置獲得幾乎正弦干擾，因此，對(duì)準(zhǔn)直容差的要求遠(yuǎn)比現(xiàn)有編碼器在這方面的要求寬松得多。
前述光學(xué)編碼器的一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)讀出磁頭相對(duì)于編碼器盤的偏離位置和距離的精度或距離和位置的嚴(yán)格程度要低得多。這樣就能獲得一種高精度的旋轉(zhuǎn)測(cè)量以及一種易于組裝的包裝。采用這種“具有幾何容忍性(geometry tolerant)”的編碼器技術(shù)使得CMM10的成本顯著降低并且使得制造更為容易。
應(yīng)意識(shí)到的是，盡管上述優(yōu)選實(shí)施例包括光盤94，但是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例還可包括任何光學(xué)干涉條紋圖案，該圖案使得讀出磁頭能夠檢測(cè)到相對(duì)運(yùn)動(dòng)。如在此所使用的那樣，這種干涉條紋圖案可表示用來測(cè)量運(yùn)動(dòng)的光學(xué)元件的任何周期陣列。這些光學(xué)元件或干涉條紋圖案可以安裝到如上所述的旋轉(zhuǎn)或固定的盤上，或者可以存放、固定或布置或安置在機(jī)芯的任何相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件(如軸、軸承或殼體)上。
實(shí)際上，讀出磁頭以及相關(guān)的周期陣列或圖案并不必定需要完全基于(如上所述的)光學(xué)器件。廣義上說，讀出磁頭還可以讀出(或檢測(cè)到)許多其他可測(cè)量的數(shù)量或特性的許多其他的周期圖案，這些可測(cè)量的數(shù)量或特性可以用來檢測(cè)運(yùn)動(dòng)，例如通常為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這些其它可測(cè)量的特性可以包括例如反射率、不透明性、磁場(chǎng)、電容、電感或表面粗糙度(注意，表面粗糙度圖案可以采用具有相機(jī)例如CCD相機(jī)的讀出磁頭或傳感器來讀出)。在這些情況下，讀出磁頭將會(huì)測(cè)量出例如磁場(chǎng)、反射率、電容、電感、表面粗糙度等的周期變化。因此，如在此所使用的，術(shù)語“讀出磁頭”表示任何用于分析這些可測(cè)量的數(shù)量或特性的傳感器或轉(zhuǎn)換器以及相關(guān)的電子學(xué)器件，光學(xué)讀出磁頭僅僅是優(yōu)選實(shí)施例。當(dāng)然，由讀出磁頭讀出的周期圖案可以位于任何表面上，只要讀出磁頭和周期圖案之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)(通常為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))。周期圖案的一些例子包括存放在旋轉(zhuǎn)或固定部件上的磁、感應(yīng)或電容性媒介。而且，如果表面粗糙度為待讀周期圖案，就沒有必要存放或提供獨(dú)立的周期圖案，因?yàn)榭梢允褂萌魏闻c該相關(guān)的讀出磁頭(可能為相機(jī)如CCD相機(jī))相連通的部件的表面粗糙度。
如上所述，圖9和10表示的是用于軸向長(zhǎng)關(guān)節(jié)16的模制軸承和編碼器機(jī)芯的一些例子。圖11和12所示的是用于軸向長(zhǎng)關(guān)節(jié)30和34的軸承和編碼器機(jī)芯。這些機(jī)芯組件基本上都與圖9和10中所示的相似并且因此標(biāo)記為44’。從這些圖可以明顯地得出區(qū)別于機(jī)芯44的一些細(xì)微的區(qū)別，這些區(qū)別如結(jié)構(gòu)不同的電線蓋/罩88’、略有不同的電線箍/套104’、106’以及凸緣72’在殼體64’上端處的的位置。同樣，殼體64’和軸上部殼體62之間的凸緣是向外展開的。當(dāng)然，圖11和12中所示的各種部件的相對(duì)長(zhǎng)度也與圖9和10中所示略有不同。由于所有這些部件基本上都相似，因此這些部件都采用相同的數(shù)字加上一個(gè)符號(hào)“’”來指代。圖11A與圖11相似，不同的是所表示的為具有單個(gè)讀出磁頭的實(shí)施例。
參見圖13和14，所示的是短鉸接關(guān)節(jié)32和36中的軸承和編碼器機(jī)芯的分解剖視圖。如圖11和12中的軸向長(zhǎng)關(guān)節(jié)44’所示，用于短鉸接關(guān)節(jié)32和36的機(jī)芯基本上與上面詳細(xì)描述的機(jī)芯44類似，因此這些機(jī)芯的元件標(biāo)記為44″，并且相似的元件采用原來的數(shù)字加上符號(hào)“″”來表示。應(yīng)意識(shí)到的是，由于機(jī)芯44″將用于短關(guān)節(jié)32、36，因此不需要滑環(huán)組件，因?yàn)殡娋€將由于這些關(guān)節(jié)的鉸接運(yùn)動(dòng)而簡(jiǎn)單地穿過軸向孔78″、80″。圖13A與圖13類似，不同的是所表示的為單讀出磁頭的實(shí)施例。
最后，參見圖15和16，短鉸接關(guān)節(jié)18的模制軸承/編碼器機(jī)芯圖示為108。應(yīng)意識(shí)到基本上機(jī)芯108的所有部件都與機(jī)芯44、44’以及44″中的部件相似或相同，其中重要的不同在于機(jī)芯108包含平衡組件。該平衡組件包括平衡彈簧110，該彈簧套裝在殼體64″上并以下面將會(huì)參照?qǐng)D26-28進(jìn)行描述的方式為CMM10提供重要的平衡功能。圖15A與圖15相似，但是所示的是單讀出磁頭實(shí)施例。
如上所示，在一優(yōu)選實(shí)施例中，在編碼器中可以采用一個(gè)以上的讀出磁頭。應(yīng)意識(shí)到的是，可以通過由于所施加的負(fù)載而引起的盤的徑向跳動(dòng)或徑向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行編碼器的角度測(cè)量。已經(jīng)確定的是，兩個(gè)彼此成180°布置的讀出磁頭會(huì)導(dǎo)致徑向跳動(dòng)，該徑向跳動(dòng)會(huì)在每個(gè)讀出磁頭內(nèi)產(chǎn)生相消效應(yīng)。對(duì)這些相消效應(yīng)求平均值獲得最終的“不受影響的”角度測(cè)量值。因此采用兩個(gè)讀出磁頭以及合成誤差抵消會(huì)使得出錯(cuò)的可能性減小并且獲得更為精確的編碼器測(cè)量值。圖17-19分別表示的是用于較大直徑的機(jī)芯中的雙讀出磁頭實(shí)施例的仰視圖、剖視圖以及俯視圖，該大直徑的機(jī)芯例如可在關(guān)節(jié)16和18(也就是最靠近基座的那些關(guān)節(jié))中找到。因此，機(jī)芯端蓋100上安裝有一對(duì)電路板96，每個(gè)電路板96上都具有采用機(jī)械方式安裝在其上的讀出磁頭92。讀出磁頭92優(yōu)選布置成彼此間隔開180°，以提供由所述盤的徑向跳動(dòng)或徑向運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的誤差抵消。每個(gè)電路板96還包括用于將該電路板96連接到下面將要進(jìn)行說明的內(nèi)部總線和/或其他電線上的連接器93。圖20-22所示的部件基本上與圖17-19中所示的部件相同，其中主要的區(qū)別是前者具有較小直徑的機(jī)芯端蓋100。該較小直徑的雙讀出磁頭實(shí)施例與關(guān)節(jié)30、32、34以及36的較小直徑機(jī)芯關(guān)聯(lián)。
使用至少兩個(gè)讀出磁頭(或更多磁頭，例如圖9D-E中所示的三個(gè)讀出磁頭以及圖9B-C中所示的四個(gè)讀出磁頭)也可被多種普通的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)所采用，從而顯著地降低測(cè)量機(jī)的制造成本和復(fù)雜性。例如，美國(guó)專利US5,794,356(以下簡(jiǎn)稱為Raab’356)，其通過引用組合于此，所描述的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中的每個(gè)關(guān)節(jié)的構(gòu)造都相對(duì)簡(jiǎn)單，每個(gè)關(guān)節(jié)都包括第一殼體和第二殼體，該第一殼體保持固定并帶有一關(guān)節(jié)半片(joint half)，而第二殼體保持固定并具有第二關(guān)節(jié)半片，該第一和第二殼體具有預(yù)緊軸承，該軸承使其能夠相對(duì)旋轉(zhuǎn)。第一殼體固定一裝好的編碼器而第二殼體包括一軸向布置的內(nèi)軸，該內(nèi)軸延伸到第一殼體中并與從該裝好的編碼器中凸出的編碼器軸相匹配。現(xiàn)有的裝好的編碼器要求沒有載荷施加在其上，并且盡管該內(nèi)軸的軸線與該裝好的編碼器的軸線對(duì)的不是太齊，但是第二殼體的運(yùn)動(dòng)要精確地傳遞到該編碼器上以便維持較高精度的旋轉(zhuǎn)測(cè)量。為了適應(yīng)在軸向不對(duì)齊方面的制造公差，就需要在該編碼器軸和該內(nèi)軸之間連接一個(gè)特殊的聯(lián)軸裝置。這種構(gòu)件如Raab’356中的圖7所示。
相反，圖35所示的是一種變化結(jié)構(gòu)，Raab’356中CMM的聯(lián)軸裝置和裝好的編碼器被去掉并采用編碼器盤96和端蓋100替代。在此，兩個(gè)關(guān)節(jié)彼此呈90°布置，每個(gè)關(guān)節(jié)具有第一殼體420和第二殼體410。內(nèi)軸412從第二殼體420延伸到第一殼體410中。如圖所示，編碼器盤96例如采用粘合劑安裝在內(nèi)軸412的末端，而端蓋100固定在第一殼體420內(nèi)。不過，應(yīng)理解的是，編碼器盤96可以固定在第一殼體420內(nèi)并且端蓋100可以固定到內(nèi)軸412上而不會(huì)影響到該關(guān)節(jié)的運(yùn)轉(zhuǎn)。
如上所述，采用兩個(gè)(或更多的)讀出磁頭以及合成誤差抵消會(huì)導(dǎo)致出錯(cuò)的可能性減小并且獲得更為精確的編碼器測(cè)量值，盡管軸線對(duì)得不是太齊。此外，光柵和干涉條紋運(yùn)動(dòng)之間的直接關(guān)系減弱了編碼器對(duì)外界環(huán)境引起的誤差的敏感性，而現(xiàn)有裝置則易于受到該誤差的影響。而且由于干擾區(qū)域較大，并且在該區(qū)域內(nèi)的每個(gè)位置都可以獲得幾乎正弦干擾，因此對(duì)準(zhǔn)直容差的要求要比前述現(xiàn)有編碼器的要求寬松得多。
在另一實(shí)例中，Eaton的美國(guó)專利US5,829,148(以下簡(jiǎn)稱為Eaton的專利’148)，其通過引用組合于此，描述了一種現(xiàn)有CMM，其中裝好的編碼器通過提供主旋轉(zhuǎn)軸承而形成每個(gè)關(guān)節(jié)的一體部分，因此不需要對(duì)如上所述的Raab專利’356中的軸向不對(duì)齊情況進(jìn)行補(bǔ)償。不過，由于該編碼器提供了主旋轉(zhuǎn)軸承，因此重要的是編碼器應(yīng)在結(jié)構(gòu)上粗壯并且能夠經(jīng)受各種負(fù)載而不會(huì)影響到其性能。這就增加了該編碼器的成本和粗笨程度。這種結(jié)構(gòu)如Eaton的專利’148中的圖4所示。
作為對(duì)比，圖36所示的是一種變化結(jié)構(gòu)，其中，Eaton的專利’148中的裝好的編碼器和其中一個(gè)關(guān)節(jié)的連接軸被去掉并由端蓋100和編碼器盤96替代。在此，第一殼體470保持端蓋100并且通過軸承472保持第二殼體460的內(nèi)軸462。內(nèi)軸462延伸到末端靠近端蓋100，并且編碼器盤96如采用粘合劑安裝在該內(nèi)軸462的末端。如在圖35中所示的實(shí)施例一樣，采用兩個(gè)(或更多的)讀出磁頭會(huì)顯著地降低關(guān)節(jié)的成本和復(fù)雜性同時(shí)不會(huì)損失精度。
應(yīng)意識(shí)到的是，周期圖案的非環(huán)狀運(yùn)動(dòng)是造成在此描述的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的不準(zhǔn)確的主要原因。這種非環(huán)狀運(yùn)動(dòng)可能由多種現(xiàn)象造成，包括裝配缺陷及外部變形。外部變形可能發(fā)生在CMM的任何地方，最可能發(fā)生在軸承結(jié)構(gòu)和/或連接管道處。例如，這樣的外部變形可源自不可重復(fù)的軸承徑向跳動(dòng)、軸承搖晃、軸承變形、熱效應(yīng)及軸承運(yùn)動(dòng)。如參見圖17-21所述，在本發(fā)明的一實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的不準(zhǔn)確通過使用至少兩個(gè)讀出磁頭而得以糾正，兩讀出磁頭最好相互間隔180°進(jìn)行安裝。然而，在圖41-43所示的本發(fā)明的另一實(shí)施例中，源自CMM變形和/或裝配缺陷的可能誤差通過使用至少一讀出磁頭和一個(gè)或多個(gè)傳感器的結(jié)合進(jìn)行糾正，傳感器最好為多個(gè)近程傳感器(或任何其它測(cè)量位移的傳感器)。
應(yīng)意識(shí)到在于此描述的任何特定機(jī)芯中，在軸和機(jī)芯的外殼之間有6個(gè)自由度。也就是說，軸包括6個(gè)自由度，即X、Y和Z軸位移和X、Y和Z軸旋轉(zhuǎn)。現(xiàn)在參見圖41-43，圖中600示出了上述類型的機(jī)芯。機(jī)芯600包括旋轉(zhuǎn)安裝在外殼606內(nèi)的軸承(未示出)上的內(nèi)軸602。讀出磁頭板604將編碼器讀出磁頭610和傳感器S1-S5固定到外殼606。其上具有光學(xué)干涉圖案的編碼器盤608連到軸602以隨其旋轉(zhuǎn)。編碼器讀出磁頭610(連到讀出磁頭板604)安裝在光學(xué)干涉圖案608的上面，且最好用于測(cè)量軸602的Z軸旋轉(zhuǎn)。除讀出磁頭610之外，機(jī)芯600包括另外5個(gè)傳感器，所有這些傳感器均通過讀出磁頭板604固定到外殼606上；且所有這些傳感器均用于測(cè)量軸602和外殼606之間的相對(duì)移動(dòng)。這些另外的傳感器包括測(cè)量軸602(相對(duì)于外殼606)的Y軸位移的位移傳感器S1、測(cè)量軸602(相對(duì)于外殼606)的X軸位移的位移傳感器S2。因此，軸602已與三個(gè)傳感器相關(guān)聯(lián)，即讀出磁頭610和傳感器S1和S2，以分別測(cè)量其Z軸旋轉(zhuǎn)和X及Y軸位移。優(yōu)選地，軸602還包括另外三個(gè)與其相關(guān)聯(lián)的傳感器，以用于測(cè)量X及Y軸旋轉(zhuǎn)和Z軸位移。具體地，傳感器S3、S4和S5共同測(cè)量X及Y軸旋轉(zhuǎn)和Z軸位移。在圖41-43所示的實(shí)施例中，S3、S4和S5傳感器以120°間隔沿讀出磁頭板604布置。這三個(gè)等距間隔的傳感器的測(cè)量值以已知方式進(jìn)行結(jié)合從而確定組合的X和Y軸旋轉(zhuǎn)及Z軸位移。
因此，這另外5個(gè)傳感器S1-S5測(cè)量并糾正CMM中的任何變形，包括連接管或軸承結(jié)構(gòu)的變形，且這些傳感器可用于糾正測(cè)量中出現(xiàn)的誤差。因而，這些另外的傳感器可用于測(cè)量軸和外殼之間的相對(duì)移動(dòng)以確定不同于盤的轉(zhuǎn)動(dòng)的移動(dòng)，因而糾正這些“其它”移動(dòng)引起的任何誤差。根據(jù)本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)這些位移測(cè)量的任何適當(dāng)類型的傳感器均可以使用。優(yōu)選地，傳感器為近程傳感器如使用Hall效應(yīng)的近程傳感器或基于磁發(fā)電機(jī)、電阻、電容或光學(xué)特征的近程傳感器。
應(yīng)意識(shí)到的是，例如，當(dāng)接頭置于載荷之下且軸承結(jié)構(gòu)變形時(shí)(且由于該變形，傳送光學(xué)圖形608的軸602和具有讀出磁頭610的外殼將相互相對(duì)移動(dòng))，將受這樣的移動(dòng)影響的角度測(cè)量可通過使用來自另外的傳感器S1-S5的位移信息進(jìn)行“校正”(應(yīng)意識(shí)到本發(fā)明可能使用所有傳感器S1-S5或其中部分，且還可能使用除S1-S5之外的傳感器)。該校正導(dǎo)致實(shí)質(zhì)上改善便攜式CMM的準(zhǔn)確度。還應(yīng)意識(shí)到的是，當(dāng)本發(fā)明使用包括另外的傳感器S1-S5的至少一接頭機(jī)芯時(shí)，在優(yōu)選實(shí)施例中，所有機(jī)芯應(yīng)包括這樣的另外的傳感器。同樣，盡管圖41-43實(shí)施例是以具有光學(xué)光柵盤的旋轉(zhuǎn)編碼器示出，任何先前描述的其它旋轉(zhuǎn)編碼器均可與在此描述的傳感器S1-S5一起使用，所述旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)和分析包括那些采用可測(cè)量特征如反射率、不透明度、磁場(chǎng)、電容、電感或表面粗糙度的可測(cè)量特征的周期圖案。同樣，盡管圖41-43實(shí)施例示出了光盤關(guān)于軸602旋轉(zhuǎn)的實(shí)施例，多個(gè)傳感器S1-S5也可與圖12A所示實(shí)施例一起使用，其中光盤靜止不動(dòng)。
如上所述，在另外的傳感器可用于糾正軸承和其它臂變形引起的誤差的同時(shí)，另外的傳感器還可用于計(jì)算和測(cè)量對(duì)準(zhǔn)接頭的外力，其實(shí)際上導(dǎo)致那些結(jié)構(gòu)變形。這些測(cè)量值可被有利地使用以向用戶提供傳感反饋。例如，在特定軸承結(jié)構(gòu)或接頭上某些范圍的外力可被容忍；然而，對(duì)外力引起軸承裝置變形的檢測(cè)可表明這些范圍已被超出，其后向用戶提供傳感反饋以采取補(bǔ)救措施來減輕這樣的外力。即，用戶可更改CMM的處理以改善測(cè)量。該傳感反饋可以是聽覺和/或視覺反饋的形式；并可以通過軟件控制CMM而指示。因而，上述另外的傳感器S1-S5可用作過載傳感器并防止用戶使臂超負(fù)載，從而保持最佳精度以確保準(zhǔn)確的測(cè)量。事實(shí)上，特定接頭上外力的測(cè)量不僅可與圖41-43的實(shí)施例(其中使用了另外的傳感器S1-S5)一起使用，而且可與上述使用兩個(gè)或多個(gè)讀出磁頭的實(shí)施例一起使用。在兩個(gè)讀出磁頭布置的例子中，角度測(cè)量源自兩個(gè)讀出磁頭的平均值。其后，變形力可通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)讀出磁頭讀數(shù)之間的差獲得。在圖41-43的實(shí)施例中，變形可朝兩個(gè)近程傳感器的每一個(gè)的方向進(jìn)行測(cè)量。這提供了另外的方向信息。使用所有六個(gè)傳感器(S1-S5和讀出磁頭)將由于所有六個(gè)自由度的測(cè)量而提供每一接頭中的變形的總體描述。
除了通過或使用兩個(gè)讀出磁頭或使用一個(gè)讀出磁頭連同一個(gè)或多個(gè)近程傳感器而改善轉(zhuǎn)換器的角度準(zhǔn)確度之外，源自測(cè)量變形力的信息還可用于糾正臂的運(yùn)動(dòng)，其通過使用這樣的變形信息實(shí)時(shí)改變臂的尺寸從而改善測(cè)量準(zhǔn)確度。因而。例如，如果軸承變形，該變形將導(dǎo)致臂段長(zhǎng)度的變化。通過使用在此描述的傳感器和讀出磁頭測(cè)量該變形，臂的長(zhǎng)度的變化可在與CMM相關(guān)聯(lián)的測(cè)量軟件中進(jìn)行考慮，繼而用作校正以改善臂的最終測(cè)量準(zhǔn)確度。
回頭看圖23A，其所示的是用于圖9A、11A、13A以及15A中的單讀出磁頭實(shí)施例的電子線路的方框圖。應(yīng)意識(shí)到的是，CMM10優(yōu)選包括外部總線(優(yōu)選為USB總線)260以及內(nèi)部總線(優(yōu)選為RS-485)261，該外部總線設(shè)計(jì)成可擴(kuò)展的，以便用于多個(gè)編碼器以及從外部安裝的扶手(rail)或附加的旋轉(zhuǎn)軸，例如第七軸。該內(nèi)部總線優(yōu)選與RS485相一致，并且該總線優(yōu)選設(shè)置成可以與用于傳送來自便攜式CMM鉸接臂的轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)的串行網(wǎng)絡(luò)相同的方式用作一個(gè)串行網(wǎng)絡(luò)，CMM鉸接臂公開在共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利US6,219,928中，其全部?jī)?nèi)容通過引用組合于此。
參見圖23A，應(yīng)意識(shí)到的是，在每個(gè)機(jī)芯中的每個(gè)編碼器都與編碼器板相連。關(guān)節(jié)16中的機(jī)芯的編碼器板被布置在基座12中并且在圖25中被標(biāo)記為112。關(guān)節(jié)18和30的編碼器在一雙編碼器板上受到處理，該雙編碼器板位于第二長(zhǎng)關(guān)節(jié)30中并且在圖26中被標(biāo)記為114。圖26也表示了一種相似的雙編碼器板116，用于關(guān)節(jié)32和34中的編碼器，編碼器板116位于如圖26所示的第三長(zhǎng)關(guān)節(jié)34中。最后，端部編碼器板118如圖24所示位于測(cè)量探針手柄28內(nèi)并且被用來處理短關(guān)節(jié)36中的編碼器。這些編碼器板114、116以及118中的每一個(gè)都連接有熱電偶以便提供由于溫度瞬變導(dǎo)致的熱補(bǔ)償。每個(gè)編碼器板112、114、116以及118都包含嵌入式模數(shù)轉(zhuǎn)換、編碼器計(jì)數(shù)以及串行端口通信。每個(gè)編碼器板都具有可讀取編程的閃存以能將操作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地。主處理器插接板112也是可通過外部USB總線260編程的區(qū)域。如上所述，內(nèi)部總線(RS-485)261設(shè)計(jì)成可擴(kuò)展的以用于更多的編碼器，編碼器也包括從外部安裝的扶手和/或第七旋轉(zhuǎn)軸。已設(shè)置了一軸孔以便為內(nèi)部總線提供診斷。由于外部USB通信協(xié)議的容量的原因，可以將多個(gè)這些附圖中表示為10的CMM連接到單一應(yīng)用場(chǎng)合。而且也可以由于完全相同的原因而將多個(gè)應(yīng)用連接到單一CMM10上。
優(yōu)選地，每個(gè)編碼器板112、114、116以及118都包括16位的數(shù)字信號(hào)處理器，例如可以從Motorola購(gòu)買的標(biāo)識(shí)為DSP56F807的處理器。該單一處理部件將包括串行通信、積分譯碼、A/D轉(zhuǎn)換器以及板載存儲(chǔ)器等多種處理特征結(jié)合起來，因此能夠減少每個(gè)編碼器板所需的芯片的總數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的另一重要特征，每個(gè)編碼器都與具有個(gè)性化標(biāo)識(shí)的芯片120相連。該芯片用來標(biāo)識(shí)每一單個(gè)編碼器并因此標(biāo)識(shí)出每一單個(gè)軸承/編碼器模制機(jī)芯，從而能夠方便而快速地進(jìn)行質(zhì)量控制、測(cè)試以及修復(fù)。
圖23B是與圖23A相似的電子線路方框圖，但是所示的是圖10、12、14以及16-22中的雙讀出磁頭實(shí)施例。
下面將參考圖24-26對(duì)鉸接臂14中每個(gè)機(jī)芯的組件進(jìn)行描述(注意，圖24所示的鉸接臂14沒有基座12。還有，圖24-26采用了圖9A、11A、13A以及15A中所示的單讀出磁頭實(shí)施例)。如圖25所示，第一長(zhǎng)關(guān)節(jié)16包括相對(duì)較長(zhǎng)的機(jī)芯44，該機(jī)芯的上端被插進(jìn)雙套筒接頭46的圓柱形套筒120中。機(jī)芯44通過適當(dāng)?shù)恼澈蟿┍焕喂痰毓潭ㄔ谔淄?20中。機(jī)芯44的相對(duì)下端被插進(jìn)延伸管中，在該實(shí)施例中，延伸管可以是鋁質(zhì)套管122(但是套管122也可以包括剛性合金或復(fù)合材料)。機(jī)芯44再次采用適當(dāng)?shù)恼澈蟿┕潭ㄔ谔坠?22內(nèi)。套管122的下端包括較大的外直徑部分124，該部分上具有內(nèi)螺紋126。該螺紋向外呈錐形并且設(shè)置成可以與位于磁性固定件殼體130上的向內(nèi)呈錐形的螺紋128(清楚表示在圖4中)進(jìn)行螺紋配合。如上所述，CMM10的所有關(guān)節(jié)都采用這種錐形螺紋相互連接。優(yōu)選地，該錐形螺紋為能夠自我緊固的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)錐管螺紋(NPT)型螺紋，因此不需要鎖定螺母或其它緊固裝置。該螺紋還容許并應(yīng)包括螺紋鎖定劑。
參見圖26，與第一長(zhǎng)關(guān)節(jié)16一樣，長(zhǎng)機(jī)芯44’采用粘合劑固定在雙套筒接頭46’的圓柱形開口120’中。機(jī)芯44’的外殼體64’包括由凸緣72’的下表面形成的臺(tái)肩132。臺(tái)肩132支承圓柱形延伸管134，該延伸管設(shè)置并套在外殼體64’的外表面上。延伸管用于這些關(guān)節(jié)中以便形成長(zhǎng)度可變的、安裝到帶螺紋的部件上的管。延伸管134因此從外殼體64’的底部向外延伸且其中已插入螺紋套管136。采用適當(dāng)?shù)恼澈蟿⑼鈿んw64’粘接到延伸管134上以及將套管136和延伸管132粘接在一起。套管136的末端為錐形部分，該錐形部分上具有外螺紋138。該外螺紋以螺紋連接方式與位于連接件142上的內(nèi)螺紋140相配合，該連接件在這之前已經(jīng)采用粘接方式固定在雙套筒接頭48的開口144中。優(yōu)選地，延伸管134采用復(fù)合材料構(gòu)成，例如一種合適的碳纖維復(fù)合材料，而螺紋套管136由鋁構(gòu)成，以便與雙套筒關(guān)節(jié)48的熱學(xué)特性相匹配。應(yīng)意識(shí)到的是，PC板114緊固在支承件146上，該支承件又固定在雙套筒關(guān)節(jié)支承件142上。
除了上述螺紋連接外，一個(gè)、多個(gè)或者所有關(guān)節(jié)都可以采用如圖25A-B中所示的螺紋緊固件進(jìn)行相互連接。不是圖26中的螺紋套管136而是圖25B中的套管136’具有光滑的錐形端部137，該錐形端部容納在具有互補(bǔ)錐形套筒的支承件142’中。凸緣139沿著周邊從套筒136’向外延伸，該凸緣上具有一批螺栓孔(在該實(shí)例中為6個(gè)螺栓孔)，穿過這些螺栓孔安裝有螺栓141。螺栓141沿著套筒支承件142’的上表面以螺紋連接方式安裝在相應(yīng)的螺栓孔中。延伸管134’套裝在圖26中所示的實(shí)施例中的套管136’上。這些關(guān)節(jié)這種互補(bǔ)的錐形凸凹互連相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)來說改善了連接界面。
還是參見圖26，第三長(zhǎng)關(guān)節(jié)34的長(zhǎng)機(jī)芯44″采用與長(zhǎng)關(guān)節(jié)30的機(jī)芯44’相似的方式固定到鉸接臂14上。也就是說，機(jī)芯44″的上部采用粘合方式固定到雙套筒關(guān)節(jié)46″的開口120″中。延伸管148(優(yōu)選采用在針對(duì)管134進(jìn)行說明時(shí)所描述的復(fù)合材料構(gòu)成)套裝在外殼體64″上并且從其向外延伸，以便容納配合套管150，該配合套管以粘合方式固定在延伸管148的內(nèi)徑上。配合套管150的末端形成錐形部分，該錐形部分上具有外螺紋152并且與雙套筒關(guān)節(jié)支承件154上的互補(bǔ)內(nèi)螺紋153相配合，支承件154之前已經(jīng)粘接在雙套筒關(guān)節(jié)148’內(nèi)的圓柱形套筒156上。印刷電路板116同樣采用PCB支承件146’連接到雙套筒關(guān)節(jié)上，PCB支承件146’固定在雙套筒關(guān)節(jié)支承件154上。
如針對(duì)圖7和8所述，圖13和14中的短關(guān)節(jié)機(jī)芯44’以及圖15中的機(jī)芯108簡(jiǎn)單地布置在兩個(gè)雙套筒關(guān)節(jié)46、48之間并且采用合適的粘合劑固定在雙套筒關(guān)節(jié)內(nèi)。因此，長(zhǎng)短機(jī)芯都能較容易地彼此成直角(如果需要的話可以成直角之外的任何角度)連接起來。
如上所述的模制軸承編碼器機(jī)芯構(gòu)成了如前述Raab的專利’356以及Eaton的專利’148中所示的便攜式CMM的重要技術(shù)進(jìn)步。這是因?yàn)椋摍C(jī)芯(或該機(jī)芯的外殼)實(shí)際上形成每個(gè)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)元件，每個(gè)關(guān)節(jié)組成鉸接臂。在此使用的術(shù)語“結(jié)構(gòu)元件”的意思是機(jī)芯的表面(例如機(jī)芯殼體)剛性地連接在鉸接臂的其它結(jié)構(gòu)部件上，以便在不使鉸接臂變形的情況下(或最多只能最小變形)傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這和普通便攜式CMM(例如在Raab的專利’356以及Eaton的專利’148中所公開的那種)形成對(duì)比，其中，需要有單獨(dú)和截然不同的關(guān)節(jié)元件和傳遞元件，因?yàn)樾D(zhuǎn)編碼器是關(guān)節(jié)元件的一部分(但是不是傳遞元件的一部分)。實(shí)質(zhì)上，本發(fā)明不需要單獨(dú)的傳遞元件(例如傳遞部件)，因?yàn)殛P(guān)節(jié)元件和傳遞元件的功能被整合到一個(gè)單一模制部件(即機(jī)芯)中。因此，與由獨(dú)立和截然不同的關(guān)節(jié)和傳遞元件構(gòu)成的鉸接臂不同，本發(fā)明采用一種由長(zhǎng)短關(guān)節(jié)元件的組合體(即機(jī)芯)構(gòu)成的鉸接臂，這些長(zhǎng)短關(guān)節(jié)都是鉸接臂的結(jié)構(gòu)元件。這相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)來說可獲得更好的效率。例如，在專利’148以及專利’582中，關(guān)節(jié)/傳遞部件組合體中所使用的軸承的數(shù)量為四個(gè)(關(guān)節(jié)中有兩個(gè)軸承而傳遞部件中有兩個(gè)軸承)，而本發(fā)明中的模制軸承/轉(zhuǎn)換器機(jī)芯可以使用最少一個(gè)軸承(盡管使用兩個(gè)軸承為優(yōu)選)并且依然能夠?qū)崿F(xiàn)相同的功能(盡管可以采用一種不同且改進(jìn)的方式)。
圖24A以及26A-B是與圖24-26相似的剖視圖，但是表示的是圖10、12、14以及16-22中所示的雙讀出磁頭實(shí)施例，并且還是圖3A中所示的CMM10’的剖視圖。
鉸接臂14的全長(zhǎng)和/或各個(gè)臂段可以根據(jù)其所要使用的場(chǎng)合而變化。在一實(shí)施例中，鉸接臂的全長(zhǎng)大約為24英寸并提供大約0.0002到0.0005英寸數(shù)量級(jí)的測(cè)量值。鉸接臂的尺寸和測(cè)量精度提供一種能夠較好地適應(yīng)采用典型的手動(dòng)工具例如千分尺、高度計(jì)、卡尺等就能立即實(shí)現(xiàn)測(cè)量的便攜式CMM。當(dāng)然，鉸接臂14可以具有較小或較大的尺寸和精度等級(jí)。例如，較大的鉸接臂的全長(zhǎng)為8英尺或12英尺，并且相應(yīng)的測(cè)量精度為0.001英寸，因此能夠用于最實(shí)時(shí)的檢查用途或用于逆向工程。
CMM10還可以與安裝在其上的控制器一起使用，該控制器用于執(zhí)行如前述專利US5,978,748以及美國(guó)專利申請(qǐng)09/775,226中所公開的相對(duì)簡(jiǎn)單化的可執(zhí)行程序；或者CMM10可以與相對(duì)復(fù)雜的程序或主機(jī)172一起使用。
參見圖1-6以及24-26，在一優(yōu)選實(shí)施例中，長(zhǎng)關(guān)節(jié)和短關(guān)節(jié)中的每一個(gè)都受到彈性體緩沖器或罩的保護(hù)，該緩沖器或罩所起的作用是限制較高沖擊力并提供具有人機(jī)工程學(xué)的舒適抓握部位(以及從美觀上來說令人感覺舒服的外觀)。長(zhǎng)關(guān)節(jié)16、30以及34都受到可更換的硬質(zhì)塑料(例如ABS)罩的保護(hù)，該硬質(zhì)塑料罩起到一種防沖擊和磨損的保護(hù)裝置的作用。對(duì)于第一長(zhǎng)關(guān)節(jié)16，該可更換的硬質(zhì)塑料罩可形成兩件式基座殼體26A以及26B，如圖4中所示。長(zhǎng)關(guān)節(jié)30以及34均受到一對(duì)罩殼件40和41(如圖5和6所示)保護(hù)，該對(duì)罩殼件可以采用適當(dāng)?shù)穆葆斠愿驓ば问骄o固在一起以便形成保護(hù)套。應(yīng)意識(shí)到的是，在一優(yōu)選實(shí)施例中，用于每個(gè)長(zhǎng)關(guān)節(jié)30和34的可更換硬質(zhì)塑料罩均分別包圍優(yōu)選為復(fù)合材料(碳纖維)的延伸管134和138。
優(yōu)選地，其中一個(gè)罩，例如罩部分41，包括一體模制在其中的傾斜的支承柱166，該支承柱限制鉸接臂的肘部處的旋轉(zhuǎn)，從而防止在靜止?fàn)顟B(tài)下探針28碰撞到基座12。這在圖3、24以及26中顯示的最為清楚。應(yīng)意識(shí)到支承柱166因此可限制不必要的沖擊和磨損。
如將要針對(duì)圖29和31所描述的那樣，探針28還可以包括可更換的塑料保護(hù)罩，該保護(hù)罩采用硬質(zhì)塑料材料制成。
圖3A、24A以及26A-B所示的是可替換的保護(hù)套40’、41’，這些保護(hù)套也具有蛤殼式構(gòu)造，不同的是它們采用夾板或彈簧夾167而不是螺紋緊固件來固定就位。
每個(gè)短關(guān)節(jié)18、32以及36都包括一對(duì)彈性體(例如熱塑性橡膠，例如Santoprene)緩沖器38，和前面所述并在圖1-3以及5-6中清楚表示的一樣。緩沖器38可以采用螺紋緊固件、適當(dāng)?shù)恼澈蟿┗虿捎萌魏纹渌m當(dāng)?shù)姆绞桨惭b。彈性體或橡膠緩沖器38將限制較高的沖擊力并提供具有美感、令人愉快并且具有人機(jī)工程學(xué)的舒適的握持部位。
前述保護(hù)罩40、41、40’、41’以及緩沖器38都可以方便地進(jìn)行更換(基座殼體26A、26B也一樣)并且使得鉸接臂14能夠在不影響CMM10的機(jī)械性能的情況下快速而廉價(jià)地進(jìn)行整修。
還是參見圖1-3，基座殼體26A、26B包括至少兩個(gè)圓柱形軸轂(boss)，用來安裝如圖3中168處所示的球體。該球體可以用來安裝夾子型的計(jì)算機(jī)夾持器170，夾持器繼而支承便攜式或其他計(jì)算機(jī)裝置172(例如所述的“主機(jī)”)。優(yōu)選地，圓柱形軸轂設(shè)置在基座殼體26A、B的任意一側(cè)，使得該球體和計(jì)算機(jī)夾持器可以安裝在CMM的任意一側(cè)。
現(xiàn)在參見圖15、16、27A、B以及28來描述用于CMM10的優(yōu)選平衡部件。通常，此處所描述的便攜式CMM都已經(jīng)采用了一種從外部安裝的螺旋彈簧，該螺旋彈簧以懸臂支架的形式獨(dú)立地安裝在鉸接臂的外側(cè)以用作平衡部件。相反，本發(fā)明采用完全構(gòu)成一體的內(nèi)部平衡部件，該平衡部件使得鉸接臂的整個(gè)外部輪廓減小。通常，現(xiàn)有平衡部件都是在平衡機(jī)構(gòu)中采用卷繞螺旋彈簧。但是，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)重要的特征，平衡部件采用的卻是一種采用機(jī)器加工出來的螺旋彈簧(與卷繞螺旋彈簧相對(duì))。圖16和27A-B中所示的是這種采用機(jī)器加工的彈簧110，并且該彈簧110采用單個(gè)金屬(鋼質(zhì))圓柱形成，該金屬圓柱通過機(jī)器加工形成一對(duì)位于螺旋的相對(duì)端的相對(duì)較寬的環(huán)174、176以及構(gòu)成端環(huán)174、176之間的中間簧圈的相對(duì)較窄的環(huán)。應(yīng)意識(shí)到的是，較寬的端環(huán)174、176分別與軸62’的側(cè)表面180以及殼體64″的側(cè)表面182相嚙合，由此防止彈簧110橫向運(yùn)動(dòng)。較寬的堅(jiān)固的端環(huán)174、176起到一個(gè)抗扭曲裝置的作用并且提供優(yōu)于現(xiàn)有卷繞彈簧的功能。端環(huán)174優(yōu)選包括一對(duì)鎖定柱184、186(盡管可以只用一個(gè)鎖定柱)而端環(huán)176包括一個(gè)鎖定柱188。
參見圖27B，每個(gè)雙套筒關(guān)節(jié)46、48都包括如標(biāo)記190和191處所示的凹槽，用于容納相應(yīng)的鎖定柱184、186或188。參見圖28，盡管鎖定柱184、186會(huì)以固定狀態(tài)保持在雙套筒關(guān)節(jié)48的適當(dāng)凹槽內(nèi)，但是鎖定柱188的位置是可以改變的以使得彈簧110上的整個(gè)卷緊度最佳化并提供最有效的平衡力。這可以采用螺紋孔192來實(shí)現(xiàn)，該螺紋孔內(nèi)安裝有螺釘194。如圖28所示，可以對(duì)螺釘194進(jìn)行操作使其與鎖定柱188接觸并在圓周方向上沿著內(nèi)部導(dǎo)槽196逆時(shí)針方向推動(dòng)該鎖定柱188，如圖27B所示，該內(nèi)部導(dǎo)槽與鎖定柱的進(jìn)入凹槽190垂直。優(yōu)選的是在工廠中就將螺釘194布置在使彈簧110最佳化的位置。
應(yīng)意識(shí)到的是，在使用鉸接臂14的過程中，編碼器/軸承機(jī)芯108將會(huì)起到鉸接關(guān)節(jié)的作用，并且一旦被插入并采用粘接方式固定在雙套筒關(guān)節(jié)46、48的套筒中時(shí)，鎖定柱184、186以及188將會(huì)被鎖定在其相應(yīng)的凹槽內(nèi)。當(dāng)套筒關(guān)節(jié)48(經(jīng)過機(jī)芯108的鉸接關(guān)節(jié))相對(duì)套筒關(guān)節(jié)46旋轉(zhuǎn)時(shí)，彈簧110就會(huì)卷緊。當(dāng)需要套筒關(guān)節(jié)48旋轉(zhuǎn)回到其原始位置時(shí)，彈簧110的卷繞力就會(huì)放松而提供所需的平衡力。
在需要顛倒安裝鉸接臂14時(shí)，例如安裝在磨床、橫梁或天花板上時(shí)，彈簧110的方位同樣可以倒過來(或反過來)以便獲得必要的平衡所需的適當(dāng)方位。
下面參見圖29和30A-C來描述測(cè)量探針28的一優(yōu)選實(shí)施例。探針28包括殼體196，該殼體內(nèi)有內(nèi)部空間198，用于容納印刷電路板118。應(yīng)意識(shí)到的是，殼體196構(gòu)成上述類型的雙套筒關(guān)節(jié)并且包括套筒197，在該套筒中粘接支承部件199，該支承部件用于支承電路板118。優(yōu)選地，手柄28包括兩個(gè)開關(guān)，即執(zhí)行(take)開關(guān)200以及確認(rèn)(confirm)開關(guān)202。這些開關(guān)由操作者用來在操作過程中(通過執(zhí)行開關(guān)200)進(jìn)行測(cè)量并(通過確認(rèn)開關(guān)202)確認(rèn)該測(cè)量。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)重要特征，開關(guān)被彼此區(qū)別開來以在使用過程中使混淆的可能最小。該區(qū)別可以采用多種方式進(jìn)行，這些方式包括例如使開關(guān)200、202具有不同的高度和/或具有不同的紋路(需要注意的是，開關(guān)202上有壓痕，而與此相反開關(guān)200的上表面是平滑的)和/或具有不同的顏色(例如開關(guān)200為綠色而開關(guān)202為紅色)。還是根據(jù)本發(fā)明的一重要特征，指示燈204也與開關(guān)200、202相連以指示適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)行為。優(yōu)選地，指示燈204為一種兩色燈，例如指示燈204在進(jìn)行測(cè)量時(shí)(以及在按下綠色執(zhí)行按鈕200時(shí))顯示綠色以及在確認(rèn)測(cè)量時(shí)(以及在按下紅色確認(rèn)按鈕202時(shí))顯示紅色。利用現(xiàn)有的LED就可很容易地實(shí)現(xiàn)使用多色燈。為了有助于握持，為了產(chǎn)生改進(jìn)的美感以及為了耐沖擊，在探針28的一部分上提供標(biāo)記為206的上述類型的外保護(hù)罩。開關(guān)電路板208用于安裝按鈕200、202以及指示燈204，并且該電路板由支承部件199支承。開關(guān)電路板208與電路板118進(jìn)行電連接，電路板118上安裝有用來處理該開關(guān)和指示燈以及處理短鉸接關(guān)節(jié)36的元件。
根據(jù)本發(fā)明的另一重要特征并參見圖29和圖30A-C，探針28包括永久安裝的接觸觸發(fā)探針以及可拆除的蓋體，該蓋體與固定探針相配合并保護(hù)接觸觸發(fā)器探針。圖29中標(biāo)記210處所示的是該接觸觸發(fā)探針機(jī)構(gòu)，并且該探針機(jī)構(gòu)以一種簡(jiǎn)化的三點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)探針座為基座。該普通的結(jié)構(gòu)包括探針鼻端212，該前鼻端與受到接觸彈簧216偏壓的球體214接觸。三個(gè)接觸銷212(在218處只有一個(gè)表示出來)都與隱藏的電路接觸。向探針鼻端施加的任何力都會(huì)導(dǎo)致三個(gè)接觸銷218中的任何一個(gè)上升，而接觸銷的上升會(huì)導(dǎo)致隱藏的電路打開因此驅(qū)動(dòng)開關(guān)。優(yōu)選地，接觸觸發(fā)探針210還可以與前面所述的“執(zhí)行”開關(guān)200一起協(xié)同工作。
如圖30B所示，當(dāng)使用接觸觸發(fā)探針210時(shí)，保護(hù)性螺紋罩220可以螺紋方式安裝到觸發(fā)探針210周圍的螺紋222上。不過，當(dāng)需要采用一種固定探針而不是采用接觸觸發(fā)探針時(shí)，可以拆除該可拆除的蓋體220，如圖29和30A-C中標(biāo)記224處所示，所需的固定探針以螺紋連接方式安裝到螺紋222上。應(yīng)意識(shí)到的是，盡管固定探針224具有安裝在其上的圓球，但是可將任何不同構(gòu)造的所需固定探針方便地以螺紋連接方式通過螺紋安裝到探針28上。接觸觸發(fā)探針組件210安裝在殼體228中，殼體228可螺紋連接地安裝在螺紋接頭230中，該螺紋接頭形成探針殼體196的一部分。這種相互螺紋連接使得接觸觸發(fā)探針210完全集成在探針28中。一種完全集成的探針的提出表現(xiàn)了本發(fā)明一個(gè)重要特征并且顯著區(qū)別于安裝在現(xiàn)有CMM上的現(xiàn)有可拆除的接觸探針。此外，該永久安裝的接觸觸發(fā)探針也可方便地轉(zhuǎn)換成如上所述的硬探針。
圖29A-C公開的也是本發(fā)明的測(cè)量探針的另一優(yōu)選實(shí)施例。在圖29A-C中，在28’處所示的測(cè)量探針基本上類似于圖29中所示的測(cè)量探針28，其主要區(qū)別在于“執(zhí)行”和“確認(rèn)”開關(guān)的構(gòu)造。與圖29中所示的分散式按鈕型開關(guān)不同，測(cè)量探針28’采用兩對(duì)弧形橢圓開關(guān)200a-b以及202a-b。每對(duì)相應(yīng)的橢圓開關(guān)200a-b以及202a-b都相應(yīng)地對(duì)應(yīng)于圖29中所述的執(zhí)行開關(guān)和確認(rèn)開關(guān)。測(cè)量探針28’的這種實(shí)施方式相對(duì)于測(cè)量探針28的優(yōu)點(diǎn)在于每對(duì)橢圓開關(guān)202和200實(shí)際上都包圍測(cè)量探針的整個(gè)圓周(或者包圍圓周的至少大部分)并因此更容易由便攜式CMM的操作者驅(qū)動(dòng)。和圖29中所示的實(shí)施例一樣，指示燈204與每個(gè)開關(guān)相連，指示燈204以及開關(guān)200、202安裝在相應(yīng)的電路板208’上。還是和圖29中所示的實(shí)施例一樣，開關(guān)200、202可以采用例如不同的高度、不同的紋路和/或不同的顏色進(jìn)行區(qū)分。優(yōu)選地，開關(guān)200、202略微浮起以便該按鈕可以在被沿著該按鈕的任何位置被按下時(shí)受到驅(qū)動(dòng)。和圖29中所示的實(shí)施例一樣，在206處使用了上述類型的外保護(hù)罩，并且該保護(hù)罩安裝在一部分探針28’上。
參見圖31，用于CMM10的一種可替代的測(cè)量探針如標(biāo)記232所示。測(cè)量探針232與圖29中的測(cè)量探針28相似，其中的主要區(qū)別在于探針232包括旋轉(zhuǎn)手柄罩234。旋轉(zhuǎn)手柄罩234安裝在一對(duì)間隔開的軸承236、238上，該軸承又安裝在內(nèi)芯或支承件240上，從而旋轉(zhuǎn)罩234可以自由地繞著內(nèi)芯240旋轉(zhuǎn)。軸承236、238優(yōu)選為徑向軸承并且使得由于探針手柄在鉸接臂上產(chǎn)生的附加力矩最小。值得注意的是，開關(guān)電路板208’以及相應(yīng)的開關(guān)200’、202’和LED204’都安裝在旋轉(zhuǎn)手柄罩234上以便與其一起旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)期間，采用普通的滑環(huán)機(jī)構(gòu)242為處理電路板118’提供電連接，該滑環(huán)機(jī)構(gòu)包括一些現(xiàn)有的間隔開的彈簧爪式定位裝置(spring finger)242，該彈簧爪與固定環(huán)形凹槽244接觸。這些接觸凹槽244采用滑環(huán)導(dǎo)體242又與電路板118’進(jìn)行電連接。旋轉(zhuǎn)手柄罩234以及開關(guān)組件因此采用滑環(huán)導(dǎo)體242與內(nèi)芯或探針軸240電連接。探針手柄罩234的旋轉(zhuǎn)使得開關(guān)200’、202’能夠定向成方便于使用者的方向。這使得鉸接臂14’可以在操作過程中通過使得無事實(shí)證明的力最小化而進(jìn)行精確的測(cè)量。該旋轉(zhuǎn)手柄罩優(yōu)選由剛性聚合物制成并且其上設(shè)有一些適當(dāng)?shù)陌疾?46和248，以方便探針的操作者容易握持和操控。
應(yīng)意識(shí)到的是，探針232的剩余部分與探針28十分相似，包括在蓋體220中設(shè)置永久且一體安裝的接觸探針210。需要指出的是，開關(guān)200’、202’都具有不同的高度和表面紋路以方便辨識(shí)。
在CMM領(lǐng)域，旋轉(zhuǎn)手柄罩234的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)在于它可以弱化如前述美國(guó)專利US5,611,147中所公開的對(duì)第七旋轉(zhuǎn)軸的需要。應(yīng)意識(shí)到的是，增加第七軸會(huì)使得CMM更為復(fù)雜和昂貴并且增加系統(tǒng)導(dǎo)致誤差的可能。使用可旋轉(zhuǎn)的探針232弱化了對(duì)一種“真正的”第七軸的需要，因?yàn)樵跊]有第七轉(zhuǎn)換器和相應(yīng)的軸承、編碼器以及電子器件的復(fù)雜情況下它使得探針能夠提供在探針末端的手柄位置所需的旋轉(zhuǎn)。
在需要使用具有“真正”第七軸的測(cè)量探針的情況下，也就是說，在測(cè)量探針具有用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的第七旋轉(zhuǎn)編碼器的情況下，圖37-40示出了這種測(cè)量探針。參見這些圖，所示的測(cè)量探針500具有這樣的測(cè)量探針，該探針基本上與圖29中的測(cè)量探針相似，其主要區(qū)別在于插入了如上所述類型的模制軸承/轉(zhuǎn)換器機(jī)芯502，執(zhí)行和確認(rèn)開關(guān)540、506位于該測(cè)量探針的側(cè)面并且包括可拆除的手柄508。
應(yīng)意識(shí)到的是，模制軸承/轉(zhuǎn)換器機(jī)芯502基本上與上面詳細(xì)描述的機(jī)芯相似并且包括可旋轉(zhuǎn)的軸、一對(duì)位于該軸上的軸承、光學(xué)編碼器盤、彼此間隔開并且與該編碼器盤光學(xué)連通的至少一個(gè)(優(yōu)選為兩個(gè))光學(xué)讀出磁頭以及包圍軸承、光學(xué)編碼器盤、讀出磁頭以及至少一部分軸的殼體，以構(gòu)成分散的模制軸承/轉(zhuǎn)換器機(jī)芯。編碼器電子器件的電路板503位于探針500的開口504中。成對(duì)的執(zhí)行和確認(rèn)按鈕504、506布置在探針500的向下凸出的殼體部分510的任意一側(cè)，其中，這些按鈕與適當(dāng)?shù)腜C板512連接，和圖29中的實(shí)施例中的測(cè)量探針一樣。同樣，和在前面所述的實(shí)施例一樣，指示燈513位于按鈕504、506之間。在殼體510中的一對(duì)螺紋孔514接收緊固件以便可拆除地安裝手柄508，該手柄用于在測(cè)量探針使用過程中方便進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操控。
在所有其它實(shí)質(zhì)方面，測(cè)量探針500都與圖29中的測(cè)量探針28相似，包括優(yōu)選使用永久安裝的接觸觸發(fā)探針516以及可拆除的蓋體，該蓋體與固定探針518相配合同時(shí)保護(hù)接觸觸發(fā)探針。應(yīng)意識(shí)到的是，包含在測(cè)量探針500內(nèi)的第七旋轉(zhuǎn)編碼器502使得CMM10能很容易地與現(xiàn)有的激光行掃描儀和其他外圍設(shè)備連接起來使用。
參見圖2-4以及25，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)重要特征，便攜式電源用來為CMM10供電，因此提供一種完全便攜式的CMM。與現(xiàn)有CMM進(jìn)行對(duì)比不同在于該電源僅僅基于AC電纜。此外，CMM10還可經(jīng)普通插座通過AC/DC適配器直接由AC電纜供電。如圖2、3以及25所示，標(biāo)記22所示為一種普通充電電池(例如鋰離子電池)。電池22采用機(jī)械方式電連接在普通電池支承件252中，該電池支承件252又與普通電源以及位于電路板20中的電池充電電路部件254進(jìn)行電連接。開/關(guān)258(見圖3)以及快速連通接口(優(yōu)選為USB接口)也與電路板20連通。鉸接臂14的關(guān)節(jié)的電子器件采用RS-485總線與電路板20相連。電池22可以在獨(dú)立的充電器上進(jìn)行充電，或者就象在普通的錄像機(jī)上所見到的那樣在支承件252上就地充電。應(yīng)意識(shí)到便攜式計(jì)算機(jī)172(見圖2)可以依靠其內(nèi)置電池工作幾個(gè)小時(shí)和/或可以電連接到CMM10的電源單元上。
根據(jù)本發(fā)明的板載電源/充電器單元優(yōu)選設(shè)置成為CMM10的一個(gè)一體化部分，例如通過將該部件作為基座12的一個(gè)一體化部分以及更具體來說作為塑料基座殼體26A、26B的一部分。需要指出的是，基座殼體26A、26B包括一個(gè)較小的儲(chǔ)存區(qū)域259，該區(qū)域具有可樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的蓋子262，以便存儲(chǔ)備用電池、探針等。
下面參考圖4、25以及32-34對(duì)用于CMM10的新穎磁性安裝裝置進(jìn)行描述。該磁性安裝裝置在圖4、25、32以及33中采用標(biāo)記24來進(jìn)行總體表示。磁性固定件24包括圓柱形非磁性殼體266，該殼體的上端的末端形成螺紋部分268。和在CMM10中所使用的所有優(yōu)選的螺紋一樣，螺紋268是錐形螺紋，該錐形螺紋用來與第一長(zhǎng)關(guān)節(jié)16上的螺紋126進(jìn)行螺紋連接，如圖25所示。非磁性殼體266有一基本上圓柱形結(jié)構(gòu)，不同之處在于兩個(gè)縱向延伸部分270、272，這兩個(gè)延伸部分彼此相對(duì)成180°并且從殼體266向外和向下延伸。一對(duì)半圓柱形殼體274、276安裝在縱向延伸部分270、272的任意一側(cè)上，其中每一個(gè)都由一種“磁性”材料構(gòu)成，也就是說，采用一種能夠被磁化的材料構(gòu)成，例如鐵或磁性不銹鋼?！按判浴睔んw的兩半274、276以及縱向延伸部分270、272一起形成端部開口的圓柱形封閉件，以便接受和容納磁芯278。磁芯278為橢圓形，其中非磁性中心部件280夾在一對(duì)稀土金屬磁體(例如釹鐵硼)282、284之間。軸向孔286穿過該非磁性的中心部件280。圓形蓋板288位于磁芯278的下面并且位于由殼體部件274、276已經(jīng)縱向延伸部分270、272形成的下部殼體內(nèi)。軸290穿過殼體266中的圓形孔292并向下延伸穿過磁芯278的軸向孔286。軸290由上部軸承292以及下部軸承294支承以便旋轉(zhuǎn)。上部軸承292安裝在殼體266內(nèi)的內(nèi)圓柱形凹部中而下部軸承294安裝在蓋板288中的相似圓柱形凹部?jī)?nèi)。控制桿垂直于軸290向外延伸，并且如之后將要描述的那樣提供了一個(gè)用于磁性固定件264的開/關(guān)機(jī)構(gòu)?？刂茥U296經(jīng)穿過殼體266的槽297延伸到殼體266之外(見圖25)。
控制桿296、軸290以及軸承292、294構(gòu)成的組件采用上部螺紋緊固件298以及下部固定環(huán)300固定在一起。應(yīng)意識(shí)到的是，磁性固定件264的各種部件還通過例如螺紋緊固件302和304進(jìn)行固定，螺紋緊固件302將殼體266連接到“磁性”材料殼體部分274、276上，而螺紋緊固件304將殼體部分274、276與蓋板288相互連接起來。此外，螺紋緊固件306將殼體266的縱向延伸部分270、272固定到蓋板288上。銷子308安裝在磁芯278中的橫向孔以及軸290中的橫向孔中從而將軸290鎖定到磁芯278上。這樣，當(dāng)控制桿296旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸290將借助于軸連接件208而使磁芯278旋轉(zhuǎn)。
如圖1、3以及25所示，控制桿296與手柄310相連，該手柄位于基座12的外部而很容易接近并且用來驅(qū)動(dòng)磁性固定件264。為了實(shí)現(xiàn)這種驅(qū)動(dòng)，只需要使手柄310移動(dòng)(在圖1中而從右向左)。手柄310的運(yùn)動(dòng)又使得控制桿296旋轉(zhuǎn)，而控制桿296的轉(zhuǎn)動(dòng)又使得軸290旋轉(zhuǎn)，隨后軸290的旋轉(zhuǎn)使得稀土金屬磁體282、284從其非操作位置(在該位置，磁體282、284與非磁性延伸部分270、272對(duì)齊)轉(zhuǎn)動(dòng)到驅(qū)動(dòng)位置，在該驅(qū)動(dòng)位置，磁體282、284與磁性材料274、276對(duì)齊。當(dāng)該磁體如上所述與該磁性材料對(duì)齊時(shí)，就形成磁場(chǎng)(磁通量)。同樣，當(dāng)磁體282、284與該磁性材料274、276不對(duì)齊時(shí)，該磁通路徑被中斷。在該狀態(tài)下，磁性基座與其所位于的桌面分離。不過，需要注意的是，在非對(duì)齊狀態(tài)下，將會(huì)存在一些剩余磁通。在“關(guān)閉”狀態(tài)下的這些較小的剩余磁通是本發(fā)明的正面特征，因?yàn)樵诖判曰鶑淖烂嫔媳惶鎿Q時(shí)少量的磁通反作用于磁體并使得控制桿296自動(dòng)地旋轉(zhuǎn)返回到“開啟”狀態(tài)。應(yīng)意識(shí)到的是，當(dāng)磁體與磁性材料對(duì)齊時(shí)，將會(huì)形成強(qiáng)磁場(chǎng)并且半圓形部件274、276將磁性地連接在形成于其底部處的環(huán)形表面上，如圖25和33中的標(biāo)記312處所示。
本發(fā)明的磁性固定件264提供了一種完全集成在一起而又可以拆卸安裝的裝置，因?yàn)槠?通過螺紋268)可拆卸地安裝在一起并且可以由其他連接件例如螺釘固定件或真空固定件來替代。當(dāng)然，為了適當(dāng)?shù)厥褂茫判怨潭?64必須布置在可磁化的表面上并且(通過控制桿296)受到驅(qū)動(dòng)而進(jìn)行工作。在需要安裝到非磁性表面(例如花崗巖)上的情況下，就必須在該磁芯基座和非磁性表面之間使用轉(zhuǎn)換面板和其它適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)。
盡管所示的和所描述的是優(yōu)選實(shí)施例，但是在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下依然可進(jìn)行各種改變和替換。因此，應(yīng)理解本發(fā)明僅僅是進(jìn)行了一些闡述性的說明而非限制性的說明。
權(quán)利要求
1.提高便攜式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量準(zhǔn)確度的方法，其中便攜式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量選定空間中的物體的位置，便攜式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)包括可手動(dòng)定位的、具有相對(duì)的第一端和第二端的鉸接臂，所述鉸接臂包括至少五個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭使得所述鉸接臂具有至少五個(gè)自由度、連到所述鉸接臂的第一端的測(cè)量探針、及從所述鉸接臂中的轉(zhuǎn)換器接收位置信號(hào)并提供對(duì)應(yīng)于所選空間中探針位置的數(shù)字坐標(biāo)的電路，包括當(dāng)所述鉸接臂置于負(fù)載之下時(shí)檢測(cè)一部分所述鉸接臂的變形，所述變形導(dǎo)致坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量誤差；及響應(yīng)于所述變形校正所述誤差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述變形發(fā)生在與至少一所述接頭相關(guān)聯(lián)的軸承結(jié)構(gòu)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述變形發(fā)生在與所述鉸接臂相關(guān)聯(lián)的管道中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述變形導(dǎo)致與接頭相關(guān)聯(lián)的至少一轉(zhuǎn)換器的角度測(cè)量誤差，該方法還包括校正角度測(cè)量的誤差。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述至少一所述旋轉(zhuǎn)接頭包括可測(cè)量特征的周期圖案，至少兩個(gè)讀出磁頭與所述圖案間隔開并與其通訊，所述圖案和所述至少兩個(gè)讀出磁頭布置在所述接頭內(nèi)以可相互相對(duì)旋轉(zhuǎn)，該方法還包括使用所述至少兩個(gè)讀出磁頭檢測(cè)鉸接臂的變形。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述兩個(gè)讀出磁頭間隔180度布置。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述圖案包括光學(xué)干涉圖案；及所述至少一讀出磁頭包括光學(xué)讀出磁頭。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述光學(xué)干涉圖案布置在光學(xué)編碼器盤上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述通訊包括所述讀出磁頭檢測(cè)衍射級(jí)之間的干擾以從所述讀出磁頭產(chǎn)生插入在所述干涉圖中的正弦信號(hào)，所述正弦信號(hào)被電子地以內(nèi)插值替換從而檢測(cè)位移。
10.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述至少兩個(gè)讀出磁頭導(dǎo)致可被平衡的相消效應(yīng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述可測(cè)量特征的圖案為選自由下述特征構(gòu)成的組的至少一特征反射率、不透明度、磁場(chǎng)、電容、電感和表明粗糙度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述接頭包括用于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)接頭和用于鉸接運(yùn)動(dòng)的短接頭。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，包括三個(gè)接頭對(duì)，每一接頭對(duì)包括長(zhǎng)接頭和短接頭。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述接頭布置成選自下述組的接頭結(jié)構(gòu)2-2-2、2-1-2、2-2-3和2-1-3。
15.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述圖案可關(guān)于所述至少兩個(gè)讀出磁頭旋轉(zhuǎn)；及所述兩個(gè)讀出磁頭關(guān)于所述圖案固定不動(dòng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述圖案關(guān)于所述至少兩個(gè)讀出磁頭固定不動(dòng)；及所述至少兩個(gè)讀出磁頭可關(guān)于所述圖案旋轉(zhuǎn)。
17.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述接頭還包括第一和第二外殼，及從所述第二外殼延伸到所述第一外殼內(nèi)的可旋轉(zhuǎn)軸；布置在所述軸和所述第一外殼之間的軸承，其允許所述可旋轉(zhuǎn)軸在所述第一外殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)；所述圖案連到所述可旋轉(zhuǎn)軸；所述至少兩個(gè)讀出磁頭被固定在所述第一外殼內(nèi)，使得第一外殼相對(duì)于第二外殼的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致所述至少兩個(gè)讀出磁頭相對(duì)于所述圖案移動(dòng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述至少一接頭包括第一外殼；第二外殼；固定到所述第二外殼并延伸到所述第一外殼內(nèi)的可旋轉(zhuǎn)軸；支承在所述第一外殼內(nèi)并支撐所述可旋轉(zhuǎn)軸關(guān)于其軸旋轉(zhuǎn)的至少一軸承；其中所述圖案之一和所述至少兩個(gè)讀出磁頭被固定到所述軸的端部，另一所述圖案和所述至少兩個(gè)讀出磁頭被固定在所述第一外殼內(nèi)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述至少一所述旋轉(zhuǎn)接頭包括可測(cè)量特征的周期圖案，至少一讀出磁頭與所述圖案間隔開并與其通訊，所述圖案和所述讀出磁頭布置在所述接頭內(nèi)以可相互相對(duì)旋轉(zhuǎn)，至少一傳感器測(cè)量所述周期圖案相對(duì)于所述至少一讀出磁頭的相對(duì)移動(dòng)，該方法還包括使用所述至少一傳感器檢測(cè)鉸接臂的變形。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述至少一傳感器包括多個(gè)間隔開的、測(cè)量位移的傳感器。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述至少一傳感器包括一測(cè)量位移的傳感器。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，包括至少一用于測(cè)量所述圖案的X軸位移的傳感器。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，包括至少一用于測(cè)量所述圖案的Y軸位移的傳感器。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，包括至少一用于測(cè)量所述圖案的Y軸位移的傳感器。
25.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述至少一接頭包括至少部分被外殼環(huán)繞的軸，所述軸和所述外殼適于相互相對(duì)旋轉(zhuǎn)，且其中所述至少一傳感器包括至少一用于測(cè)量所述軸和所述外殼之間的相對(duì)移動(dòng)的傳感器。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，包括多個(gè)用于測(cè)量所述軸和所述外殼之間的相對(duì)移動(dòng)的傳感器。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中所述軸可旋轉(zhuǎn)。
28.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其中所述軸可旋轉(zhuǎn)。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中所述至少一傳感器包括至少兩個(gè)用于測(cè)量所述軸的相對(duì)移動(dòng)的傳感器，包括測(cè)量X軸位移的第一傳感器和測(cè)量Y軸位移的第二傳感器。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中所述用于測(cè)量所述軸的相對(duì)移動(dòng)的多個(gè)傳感器包括用于測(cè)量X軸旋轉(zhuǎn)的第三傳感器、測(cè)量Y軸旋轉(zhuǎn)的第四傳感器、和測(cè)量Z軸位移的第五傳感器。
31.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中所述至少一讀出磁頭測(cè)量所述軸的Z軸旋轉(zhuǎn)。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中所述至少一讀出磁頭測(cè)量所述軸的Z軸旋轉(zhuǎn)。
33.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中所述第三、第四和第五傳感器以相互間隔約120度進(jìn)行布置。
34.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，包括至少五個(gè)傳感器，其連同所述讀出磁頭一起測(cè)量所述軸的至少六個(gè)自由度。
35.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述至少一傳感器包括至少兩個(gè)測(cè)量所述周期圖案相對(duì)于所述至少一讀出磁頭的移動(dòng)的傳感器。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中所述至少兩個(gè)傳感器以相互間隔約90度進(jìn)行布置。
37.根據(jù)權(quán)利要求5或19的方法，其中所述至少一所述旋轉(zhuǎn)接頭包括至少兩個(gè)所述旋轉(zhuǎn)接頭。
38.根據(jù)權(quán)利要求5或19的方法，其中所述至少一所述旋轉(zhuǎn)接頭包括至少三個(gè)所述旋轉(zhuǎn)接頭。
39.根據(jù)權(quán)利要求5或19的方法，其中所述至少一所述旋轉(zhuǎn)接頭包括至少四個(gè)所述旋轉(zhuǎn)接頭。
40.根據(jù)權(quán)利要求5或19的方法，其中所述至少一所述旋轉(zhuǎn)接頭包括至少五個(gè)所述旋轉(zhuǎn)接頭。
41.根據(jù)權(quán)利要求5或19的方法，包括至少六個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭，使得所述鉸接臂具有至少六個(gè)自由度，且其中所述至少一所述旋轉(zhuǎn)接頭包括至少六個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭。
42.根據(jù)權(quán)利要求5或19的方法，包括至少七個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭，使得所述鉸接臂具有至少七個(gè)自由度，且其中所述至少一所述旋轉(zhuǎn)接頭包括至少七個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭。
43.根據(jù)權(quán)利要求5或19的方法，其中所述至少一所述旋轉(zhuǎn)接頭包括所有所述旋轉(zhuǎn)接頭。
44.便攜式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其測(cè)量選定空間中的物體的位置，便攜式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)包括可手動(dòng)定位的、具有相對(duì)的第一端和第二端的鉸接臂，所述鉸接臂包括至少五個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭使得所述鉸接臂具有至少五個(gè)自由度、連到所述鉸接臂的第一端的測(cè)量探針、及從所述鉸接臂中的轉(zhuǎn)換器接收位置信號(hào)并提供對(duì)應(yīng)于所選空間中探針位置的數(shù)字坐標(biāo)的電路，包括用于在所述鉸接臂置于負(fù)載之下時(shí)檢測(cè)一部分所述鉸接臂的變形的裝置，所述變形導(dǎo)致坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量誤差；及用于響應(yīng)于所述變形校正所述誤差的裝置。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述變形發(fā)生在與至少一所述接頭相關(guān)聯(lián)的軸承結(jié)構(gòu)中。
46.根據(jù)權(quán)利要求44的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述變形發(fā)生在與所述鉸接臂相關(guān)聯(lián)的管道中。
47.根據(jù)權(quán)利要求44的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述變形導(dǎo)致與接頭相關(guān)聯(lián)的至少一轉(zhuǎn)換器的角度測(cè)量誤差，該坐標(biāo)測(cè)量機(jī)還包括用于校正角度測(cè)量誤差的裝置。
48.根據(jù)權(quán)利要求44的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中至少一所述旋轉(zhuǎn)接頭包括可測(cè)量特征的周期圖案，至少兩個(gè)讀出磁頭與所述圖案間隔開并與其通訊，所述圖案和所述至少兩個(gè)讀出磁頭布置在所述接頭內(nèi)以可相互相對(duì)旋轉(zhuǎn)，且其中所述至少兩個(gè)讀出磁頭檢測(cè)鉸接臂的變形。
49.根據(jù)權(quán)利要求48的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述兩個(gè)讀出磁頭間隔180度布置。
50.根據(jù)權(quán)利要求48的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述圖案包括光學(xué)干涉圖案；及所述至少一讀出磁頭包括光學(xué)讀出磁頭。
51.根據(jù)權(quán)利要求50的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述光學(xué)干涉圖案布置在光學(xué)編碼器盤上。
52.根據(jù)權(quán)利要求51的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述通訊包括所述讀出磁頭檢測(cè)衍射級(jí)之間的干擾以從所述讀出磁頭產(chǎn)生插入在所述干涉圖中的正弦信號(hào)，所述正弦信號(hào)被電子地以內(nèi)插值替換從而檢測(cè)位移。
53.根據(jù)權(quán)利要求48的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述至少兩個(gè)讀出磁頭導(dǎo)致可被平衡的相消效應(yīng)。
54.根據(jù)權(quán)利要求48的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述可測(cè)量特征的圖案為選自由下述特征構(gòu)成的組的至少一特征反射率、不透明度、磁場(chǎng)、電容、電感和表明粗糙度。
55.根據(jù)權(quán)利要求44的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述接頭包括用于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)接頭和用于鉸接運(yùn)動(dòng)的短接頭。
56.根據(jù)權(quán)利要求55的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，包括三個(gè)接頭對(duì)，每一接頭對(duì)包括長(zhǎng)接頭和短接頭。
57.根據(jù)權(quán)利要求44的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述接頭布置成選自下述組的接頭結(jié)構(gòu)2-2-2、2-1-2、2-2-3和2-1-3。
58.根據(jù)權(quán)利要求48的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述圖案可關(guān)于所述至少兩個(gè)讀出磁頭旋轉(zhuǎn)；及所述兩個(gè)讀出磁頭關(guān)于所述圖案固定不動(dòng)。
59.根據(jù)權(quán)利要求48的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述圖案關(guān)于所述至少兩個(gè)讀出磁頭固定不動(dòng)；及所述至少兩個(gè)讀出磁頭可關(guān)于所述圖案旋轉(zhuǎn)。
60.根據(jù)權(quán)利要求48的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述接頭還包括第一和第二外殼，及從所述第二外殼延伸到所述第一外殼內(nèi)的可旋轉(zhuǎn)軸；布置在所述軸和所述第一外殼之間的軸承，其允許所述可旋轉(zhuǎn)軸在所述第一外殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)；所述圖案連到所述可旋轉(zhuǎn)軸；所述至少兩個(gè)讀出磁頭被固定在所述第一外殼內(nèi)，使得第一外殼相對(duì)于第二外殼的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致所述至少兩個(gè)讀出磁頭相對(duì)于所述圖案移動(dòng)。
61.根據(jù)權(quán)利要求48的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述至少一接頭包括第一外殼；第二外殼；固定到所述第二外殼并延伸到所述第一外殼內(nèi)的可旋轉(zhuǎn)軸；支承在所述第一外殼內(nèi)并支撐所述可旋轉(zhuǎn)軸關(guān)于其軸旋轉(zhuǎn)的至少一軸承；其中所述圖案之一和所述至少兩個(gè)讀出磁頭被固定到所述軸的端部，另一所述圖案和所述至少兩個(gè)讀出磁頭被固定在所述第一外殼內(nèi)。
62.根據(jù)權(quán)利要求44的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中至少一所述旋轉(zhuǎn)接頭包括可測(cè)量特征的周期圖案，至少一讀出磁頭與所述圖案間隔開并與其通訊，所述圖案和所述讀出磁頭布置在所述接頭內(nèi)以可相互相對(duì)旋轉(zhuǎn)，至少一傳感器測(cè)量所述周期圖案相對(duì)于所述至少一讀出磁頭的相對(duì)移動(dòng)，該坐標(biāo)測(cè)量機(jī)還包括使用所述至少一傳感器檢測(cè)鉸接臂的變形的裝置。
63.根據(jù)權(quán)利要求62的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述至少一傳感器包括多個(gè)間隔開的、測(cè)量位移的傳感器。
64.根據(jù)權(quán)利要求62的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述至少一傳感器包括一測(cè)量位移的傳感器。
65.根據(jù)權(quán)利要求64的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，包括至少一用于測(cè)量所述圖案的X軸位移的傳感器。
66.根據(jù)權(quán)利要求64的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，包括至少一用于測(cè)量所述圖案的Y軸位移的傳感器。
67.根據(jù)權(quán)利要求65的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，包括至少一用于測(cè)量所述圖案的Y軸位移的傳感器。
68.根據(jù)權(quán)利要求62的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述至少一接頭包括至少部分被外殼環(huán)繞的軸，所述軸和所述外殼適于相互相對(duì)旋轉(zhuǎn)，且其中所述至少一傳感器包括至少一用于測(cè)量所述軸和所述外殼之間的相對(duì)移動(dòng)的傳感器。
69.根據(jù)權(quán)利要求68的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，包括多個(gè)用于測(cè)量所述軸和所述外殼之間的相對(duì)移動(dòng)的傳感器。
70.根據(jù)權(quán)利要求68的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述軸可旋轉(zhuǎn)。
71.根據(jù)權(quán)利要求69的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述軸可旋轉(zhuǎn)。
72.根據(jù)權(quán)利要求71的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述至少一傳感器包括至少兩個(gè)用于測(cè)量所述軸的相對(duì)移動(dòng)的傳感器，包括測(cè)量X軸位移的第一傳感器和測(cè)量Y軸位移的第二傳感器。
73.根據(jù)權(quán)利要求72的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述用于測(cè)量所述軸的相對(duì)移動(dòng)的多個(gè)傳感器包括用于測(cè)量X軸旋轉(zhuǎn)的第三傳感器、測(cè)量Y軸旋轉(zhuǎn)的第四傳感器、和測(cè)量Z軸位移的第五傳感器。
74.根據(jù)權(quán)利要求72的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述至少一讀出磁頭測(cè)量所述軸的Z軸旋轉(zhuǎn)。
75.根據(jù)權(quán)利要求74的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述至少一讀出磁頭測(cè)量所述軸的Z軸旋轉(zhuǎn)。
76.根據(jù)權(quán)利要求73的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述第三、第四和第五傳感器以相互間隔約120度進(jìn)行布置。
77.根據(jù)權(quán)利要求68的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，包括至少五個(gè)傳感器，其連同所述讀出磁頭一起測(cè)量所述軸的至少六個(gè)自由度。
78.根據(jù)權(quán)利要求62的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述至少一傳感器包括至少兩個(gè)測(cè)量所述周期圖案相對(duì)于所述至少一讀出磁頭的移動(dòng)的傳感器。
79.根據(jù)權(quán)利要求78的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述至少兩個(gè)傳感器以相互間隔約90度進(jìn)行布置。
80.根據(jù)權(quán)利要求48或62的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述至少一所述旋轉(zhuǎn)接頭包括至少兩個(gè)所述旋轉(zhuǎn)接頭。
81.根據(jù)權(quán)利要求48或62的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述至少一所述旋轉(zhuǎn)接頭包括至少三個(gè)所述旋轉(zhuǎn)接頭。
82.根據(jù)權(quán)利要求48或62的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述至少一所述旋轉(zhuǎn)接頭包括至少四個(gè)所述旋轉(zhuǎn)接頭。
83.根據(jù)權(quán)利要求48或62的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述至少一所述旋轉(zhuǎn)接頭包括至少五個(gè)所述旋轉(zhuǎn)接頭。
84.根據(jù)權(quán)利要求48或62的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，包括至少六個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭，使得所述鉸接臂具有至少六個(gè)自由度，且其中所述至少一所述旋轉(zhuǎn)接頭包括至少六個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭。
85.根據(jù)權(quán)利要求48或62的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，包括至少七個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭，使得所述鉸接臂具有至少七個(gè)自由度，且其中所述至少一所述旋轉(zhuǎn)接頭包括至少七個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭。
86.根據(jù)權(quán)利要求48或62的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其中所述至少一所述旋轉(zhuǎn)接頭包括所有所述旋轉(zhuǎn)接頭。
全文摘要
本發(fā)明公開了提高便攜式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量準(zhǔn)確度的方法，其中坐標(biāo)測(cè)量機(jī)包括具有多段連接的臂段的鉸接臂。該方法包括當(dāng)鉸接臂置于負(fù)載之下時(shí)檢測(cè)一部分所述鉸接臂的變形，該變形導(dǎo)致坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量誤差；及響應(yīng)于所檢測(cè)的變形校正該誤差。
文檔編號(hào)G01B5/004GK1853084SQ200480023436
公開日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2004年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月15日
發(fā)明者西蒙·拉布, 塞義德·阿里·薩杰迪, 肯尼思·J·哈斯萊奧克, 馬克·巴伯 申請(qǐng)人:Faro科技有限公司