坐標測量機器的制造方法
【專利說明】坐標測量機器
[0001]本發(fā)明涉及一種根據權利要求1所述的坐標測量機器以及一種根據權利要求17所述的通過使用這種坐標測量機器測定目標對象的方法。
[0002]通常，坐標測量機器(簡稱CMM)具有用于測定目標對象的表面的接觸探頭或光學探頭。光學探頭或接觸探頭可移動地固定在鉸接臂處(如例如在EP2283311A1中針對接觸探頭所示的情形)或門架處(如例如在W02008/135530A1中針對光學探頭所示的情形)，從而探頭能夠在目標對象的表面上移動。為了準備這種測量，通常必須借助參考對象對CMM進行校準，并且必須編寫限定用于測量探頭的軌跡的程序。在剛要能夠開始測量之前，必須檢查目標對象是否適當地固定在正確位置以及在測量探頭的路徑上是否存在障礙物。這意味著除了測量本身之外，在進行測量之前還必須進行耗時的校準，并且只有受到專業(yè)訓練的用戶才能執(zhí)行測量。
[0003]在工業(yè)上，測量時間被認為是非生產時間，因為在該期間并沒有生產可供銷售的部件。因此，測量任務必須盡可能快地進行。因而，高測量速度和短的準備時間，包括待測定對象的快速固定和CMM的短的校準時間，都具有高的商業(yè)重要性。在這種情況下，可以理解的是，不僅關心測量探頭相對于目標對象的最大運動速度(這主要對于大部件以及測量探頭需要行進較長距離比較重要)，而且關心最大加速度和減速度，這對較小工件來說比較重要，因為其允許將測量探頭相對于目標對象非?？焖俚囟ㄎ辉谒P心的位置。
[0004]因此，在過去已經采取了若干措施來增加測量速度。例如，通常利用光學探頭而不是接觸探頭進行測量能夠增加測量速率并且能夠避免目標對象表面處的磨損影響。
[0005]另一個增加測量速率的選擇是使用攝像機作為測量探頭，并且以“飛行”模式使用該攝像機，如在W02008/135530A1中公開的。在“飛行”測量模式期間，攝像機在目標對象上連續(xù)地運動，并且僅在所關心的位置處拍攝照片，而不在此處停留。用于每幅圖像的位置數據從位置編碼器發(fā)出并與相應的圖像存儲在一起。所關心位置的閃光燈照明確保了清晰的照片，而不管攝像機的運動速度如何。由于攝像機并不停留在所關心位置，必須進行較小的減速和加速動作，這降低了測量時間。然而，為了獲知所關心位置并且為了沿著包括所有關心位置的最佳軌跡移動攝像機，通常必須根據參考對象對CMM進行校準，并且隨后對包括限定的應該拍攝照片的所關心位置的軌跡進行編程。
[0006]然而，使用具有標準尺寸光學器件的節(jié)約成本的標準攝像機當以足以到達必要精度的放大率使用時顯示出了較小的視野。由于視野較小，必須拍攝許多圖像，這意味著為了看到所有關心特征，攝像機必須進行許多運動。因此，具有鉸接臂或門架結構的商用CMM的生產量一不管是以飛行模式使用還是不以飛行模式使用一由于其低速度和低加速度都仍然不是令人滿意。為了面對這種不令人滿意的情形，如今許多CMM都提供有設置大直徑物鏡的攝像機，從而對于相同放大率來說顯示出更大的視野。結果，對于測量較小目標對象來說無需任何運動，涵蓋較大目標對象僅需要較少的運動的較少的圖像。然而，這些CMM比較昂貴，因為具有這種大物鏡的攝像機的價格較高。
[0007]最新的發(fā)展是通過使用所謂的德爾塔(Delta)機器人而不是門架結構或鉸接臂移動接觸測量探頭來增加測量速率(Renishaw的小冊子“Equator 300 Mess-System”，2011年7月出版)。
[0008]德爾塔機器人是一種并聯(lián)機器人。這種機器人包括固定在靜止框架(其安裝在工作空間上方)上的靜止基座以及從基座延伸的三個中間鉸接臂。經常被稱為運動鏈的臂通過萬向接頭以其第一端聯(lián)接至基座，并且以其第二端連接至經常采取三角形或圓形平臺形式的末端執(zhí)行器。這些臂由輕質復合材料制成并由位于基座中的致動器驅動。通過致動器的驅動，末端執(zhí)行器可在運動區(qū)域內運動。該運動區(qū)域是末端執(zhí)行器可最大程度地運動的三維空間。最大運動的邊界一并通過運動區(qū)域的邊界一由運動鏈的構造限定，并且在物理上得到的它們的公共運動的極限由末端執(zhí)行器聯(lián)接?？梢岳镁€性或旋轉致動器進行致動。由于臂由輕質復合材料制成，因此德爾塔機器人的運動部件具有較小慣性。這允許進行非常高的加速度和非?？斓倪\動，迄今為止其遠高于與門架機器或鉸接臂所能夠實現的。德爾塔機器人的關鍵設計特征是在臂中使用平行四邊形，其通過將末端執(zhí)行器的運動限制成純平移(僅具有三個自由度的運動(3DOF:在x、y或z方向上的平移))來維持末端執(zhí)行器的方位。如今，在工業(yè)中德爾塔機器人主要用來夾持和放置物品，其中夾持器布置在末端執(zhí)行器處。末端執(zhí)行器的運動以及物品的精確夾持和放置由主控制器來控制，該主控制器獲得致動器以及連接至臂的接頭的角度編碼器(經常被稱為位置編碼器)的反饋信息。從必須被夾持的物品的位置到必須放置物品的位置的末端執(zhí)行器的軌跡存儲在主控制器中。在操作過程中，主控制器控制臂的致動器，使得末端執(zhí)行器遵循編程軌跡的方式。
[0009]在進一步的改進中，已經創(chuàng)造了基于德爾塔機器人結構的機器。由此，德爾塔機器人的自由度(DOF)已經擴展到6個，允許末端執(zhí)行器在笛卡爾方向X、y和z上進行橫向運動并圍繞這些軸進行旋轉運動，從而得到偏航、滾動和俯仰。因為它們較高的加速度/減速度以及它們較高的運動速度，德爾塔機器人和基于德爾塔機器人的機器廣泛用來在包裝工業(yè)、醫(yī)學和醫(yī)藥工業(yè)的工廠中進行拾取和包裝。一些可以每分鐘執(zhí)行高達300次拾取。其他可能的應用包括在電子元件的清潔室內進行的組裝任務或操作以及觸覺接口，這種觸覺接口控制醫(yī)療或工業(yè)機器人系統(tǒng)，以便使得操作人員能夠本能地安全地操作臨界系統(tǒng)。
[0010]但是，盡管德爾塔機器人在各種技術領域中都有應用，但是迄今已經發(fā)現德爾塔機器人并不適合于測量要求。這是因為它們對溫度波動以及在快速運動和快速加速/減速動作期間由它們的輕質構造引起的強烈振動比較敏感。結果，無法足夠精確地確定末端執(zhí)行器的確切位置，并且不可能利用光學裝置(例如用于CMM的光學探頭或攝像機)進行足夠的聚焦。
[0011]因此，如在Renishaw的小冊子“Equator 300 Mess-System”中提出的，使用德爾塔機器人移動CMM的接觸探頭與以上闡述并不矛盾，而是通過使用接觸測量探頭考慮到了德爾塔機器人的這些問題。由于接觸探頭必須接觸目標對象的表面，因此接觸探頭規(guī)定了測量速度，該速度遠低于德爾塔機器人將允許的速度。因而，無論如何測量速率到受到接觸探頭的限制，并且因而能夠確定其位置。然而，德爾塔結構關于加速度和運動速度提供的可能性仍未充分開發(fā)。另外，在該小冊子中公開的CMM也是僅僅能夠參照參考對象測量目標對象，在生產一系列目標對象之前必須測量參考對象。這意味著在測量之前必須進行校準。因此，在測量準備過程中不可能削減任何測量時間，并且只有受到專門訓練的人員才將能夠操作這種CMM。
[0012]因此，所提出的發(fā)明的目的是一種用戶友好、價格合理且非?？焖俚淖鴺藴y量機器。所說的目的通過根據一個或多個獨立權利要求或與一個或多個從屬權利要求組合的獨立權利要求的坐標測量機器來解決。
[0013]這里提供的一種坐標測量機器CMM包括作為支撐結構的德爾塔機器人。該德爾塔機器人具有可在運動區(qū)域內運動的位于其運動鏈的自由端的末端執(zhí)行器。其中所述運動區(qū)域是所述末端執(zhí)行器能夠最大程度運動的空間，并且所述末端執(zhí)行器的最大運動受到運動鏈的構造及其由所述末端執(zhí)行器聯(lián)接的相互作用的限制。固定至所述末端執(zhí)行器的工具保持架被構造成容納各種測量探頭。所述測量探頭可借助所述末端執(zhí)行器在目標對象上在所述運動區(qū)域內運動，其中所述末端執(zhí)行器的運動受到控制單元的控制。CMM的分析單元被構造成處理由所述測量探頭輸出的電子信號和/或數據。根據本發(fā)明，所述測量探頭是攝像機。因而，由所述測量探頭輸出的信號或數據是由所述攝像機拍攝的圖像，其中所述攝像機包括視野涵蓋所述運動區(qū)域的最大20%的光學器件。所述分析單元包括用于存儲所述圖像的存儲裝置并包括用于處理所述圖像的電路單元。所述控制系統(tǒng)被構造成使所述攝像機以“飛行”模式在所述目標對象上運動。
[0014]如前面提到的，在該申請中，以在W02008/135530A1中更詳細地描述“飛行”模式的意義來使用“飛行”模式。因而，“飛行”模式是指攝像機在目標對象上連續(xù)地運動，并且僅在關心位置處拍攝照片，并且這些照片是在不在所關心的那些位置處停止的情況下拍攝的。對用于每個圖像的位置數據進行檢測并與對應圖像一起存儲。如果必要的話，對所關心位置進行閃光燈照明確保清晰照片，而不管攝像機的運動速度如何。由于攝像機并不在所關心位置停止，不必執(zhí)行減速度和加速度動作，從而能夠顯著降低測量時間。
[0015]攝像機具有運動區(qū)域最大20%的視野是指，如果末端執(zhí)行器位于運動區(qū)域的邊界位置，并且固定在末端執(zhí)行器處的攝像機拍攝穿過運動區(qū)域到達位于該運動區(qū)域的最靠外的另一側的邊界的景象，攝像機的視野涵蓋該運動區(qū)域在一區(qū)域(即由所述攝像機從所述視角從該運動區(qū)域拍攝的圖像)上的投影的最大20%。這意味著，在攝像機在運動區(qū)域的一端即德爾塔結構的靜止基座(運動鏈固定在該靜止基座上)附近在目標對象上運動并且目標對象相對于靜止基座固定在運動區(qū)域的一側的情況下，攝像機涵蓋目標對象在一區(qū)域即圖像上的投影的最多20%，并且如果其更接近地在目標對象上運動則相應地涵蓋更少的區(qū)域。由于攝像機具有視野涵蓋運動區(qū)域最多20%的光學器件，攝像機能夠以非常低的慣性質量構建，并且能夠輸出高質量圖像。另外，這種攝像機節(jié)省成本，并且因此整個CMM的價格都可以較為合理。具有這種攝像機的作為支撐結構的德爾塔機器人與構造成使攝像機以“飛行”模式運動的控制單元的組合，使得攝像機可進行高速運動和高加速度和減速度動作。因而，由于高速運動而能夠非?？焖俚販y量大的目標對象。小的目標對象也能夠非?？焖俚販y量，這是因為允許發(fā)生多次快速改變運動方向的高加速度和減速度動作。
[0016]如在現有技術中已知的，CMM設置有采取顯示器或監(jiān)視器以及可選的用于聲音警報的揚聲器形式的輸出裝置，它們連接至分析單元，以將結果提供給用戶。另外，如所公知的，還有用于使用戶能夠操縱CMM的輸入裝置。這些裝置可以被集成在這里提供的CMM中，例如，集成在靜止基座中，或者它們可以構建為外部單元或集成在以公知方式通過有線或無線連接至CMM的計算機中。
[0017]在一個優(yōu)選實施方式中，所述分析單元的電路被構造成生成