坐标测量机制造技术

本发明专利技术涉及一种坐标测量机。该坐标测量机包括：托架(12，30，31)，用于作为目标的末端执行器(40)的支撑定位结构，末端执行器(40)能以至少三个自由度移动并由托架(12，30，31)定位；固定式计量台(35)，作为可能目标对象的支撑；和控制单元，该控制单元控制由托架(12，30，31)进行的末端执行器(40)的移动。CMM进一步包括：至少一个特别是至少两个成像检测器(33)，用于在六个自由度上测量并确定可能目标对象的位置；和分析单元，用于处理由成像检测器(33)传送的电子信号和/或数据。根据本发明专利技术，成像检测器(33)被牢固地安装至计量台(35)并与托架(12，30，31)机械地分离。31)机械地分离。31)机械地分离。

【技术实现步骤摘要】
坐标测量机
[0001]本申请是申请日为2016年1月20日、申请号为201610037061.4、专利技术名称为“坐标测量机”的专利申请的分案申请。


[0002]本专利技术涉及一种坐标测量机(简称为“CMM”)，其包括：托架，所述托架作为用于末端执行器(作为目标)的支撑和定位结构，所述末端执行器能在至少三个自由度、特别是最多六个自由度上移动并且能由所述托架定位；固定式计量台，所述固定式计量台作为对一可能目标对象的支撑；以及控制单元，所述控制单元控制着经由所述托架对所述末端执行器的移动。所述CMM进一步包括：至少两个成像检测器，特别是至少三个成像检测器，用于在六个自由度上测量并确定所述可能目标对象的位置；以及分析单元，用于处理由所述成像检测器传送的电子信号和/或数据。

技术介绍

[0003]通常的做法是紧随在坐标定位设备(诸如CMM)上生产之后检查工件，以便检查预定对象参数(比如对象的尺寸和形状)的正确性。
[0004]在常规3
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D坐标测量机中，支撑着探头使之沿着三个相互垂直的轴线(在X、Y和Z的方向上)移动。由此，探头可以被引导到CMM测量体积的空间中的任何的任意点，并且对象能利用由探头承载的测量传感器(探针)进行测量。
[0005]在简单形式的机器中，与每个轴线平行安装的合适的换能器能够确定探头相对于机器基座的位置，因此能够确定位于传感器所逼近的对象上的测量点的坐标。为了提供探头的可移动性，典型的坐标测量机可包括布置有探头的框架结构以及用于使框架结构的框架部件相对于彼此移动的装置。
[0006]通常，CMM具有用于计量目标对象表面的触觉探针或光学探针。光学或触觉探针如针对触觉探针(即EP 2283311 A1中)示出地以可移动的方式固定在铰接臂处，或者如针对光学探针(即WO 2008/135530 A1)示出地固定在门架处，使之可以在目标对象的表面上移动。
[0007]为了测量表面变化，基于使用触觉传感器和光学传感器的测量原理均是已知的。
[0008]一般来说，为了提供具有高测量精度的坐标测量机，其框架结构因此通常设计成具有高静态刚度。为了实现刚硬和刚性的机器设计，框架结构或其至少部分常常由诸如花岗岩的石材制成。除了所有积极效果，比如高的热稳定性和良好的阻尼性能，花岗岩或其它刚硬材料还使机器和可移动框架元件颇重。另一侧上较高的重量还需要高的力来适应合适的加速度。
[0009]适当的校准可以使这样的途径工作得非常好，但机械学的所有非重复性缺陷都完全影响了最终的准确度。因此，例如，如果在第一轴线和第二轴线之间存在一些间隙，为确定传感器位置而施用的线性刻度或角度编码器都将不能识别这样的间隙。
[0010]作为另一重要方面，重量减少是关系到新颖的坐标测量机设计的主要议题。如果
将机器部件构建为包括更小重量(与更小刚度关联)，可以实现更快地定位各个部件，同时导致更少的力影响到坐标测量机。另一方面，连同这些部分的重量减少，因减少刚度并(更快)移动机器部件导致的机器振动和扭转的影响增加。因而，得到的测量值的不确定性以及此种变形和振动发生的误差相应地增加。
[0011]因此，尤其是关于重量减少，但也针对常规机器，准确的误差处理是重要的方面。
[0012]在工业中，测量时间被视为非生产时间，因为在该周期期间没有生产可销售的部件。测量任务因此必须尽快完成。因而，高的测量速度和短的准备时间(包括待计量对象的快速固定和CMM的短校准时间)具有高的商业重要性。在这一背景下，应理解，不仅关注测量探针相对于目标对象的最大移动速度，这对大的部件以及测量探针行进的长距离是非常重要的，而且还关注最大加速度和减速度，这对小工件是重要的，因为后者允许将测量探针相对于目标对象非常快速地定位在关注位置上。
[0013]因此，为了增加测量速度，在过去已经采取了一些措施。例如，用光学探针代替触觉探针进行测量一般来说可以增加测量速率并且避免目标对象表面的磨损影响。
[0014]增加测量速率的另一选择是使用相机作为测量探针并且在“飞行”模式下使用该相机，这在WO 2008/135530 A1中有所描述。在“飞行”测量模式期间，相机在目标对象上连续移动并且仅在关注位置处拍摄照片，而不会停在那里。每个图像的位置数据从位置编码器传送出，并且与相符的图像储存在一起。关注位置的闪光照明确保照片清晰，而不管相机的移动速度如何。因为相机没有停止在关注位置，必须进行更少的减速和加速动作，从而降低测量时间并避免触发结构振动。然而，为了知晓关注位置并且为了沿着包括所有关注位置的优化轨迹移动相机，通常依据基准对象来校准CMM是有必要的，并且包括限定的关注位置(应该拍摄照片的位置)的随后轨迹编程是有必要的。
[0015]然而，当以足以达到必要准确度的倍率使用时，使用具有标准尺寸的光学器件的正常有成本效益的相机显示了小视场。因为视场较小，有必要拍摄大量图像，这意味着为了看到所有关注特征相机要大量移动。因而，因其低速和低加速度导致，具有铰接臂或门架结构的商业CMM的处理量——不管使用“飞行”模式还是不使用“飞行”模式——仍是不满足的。为了应对这种令人不满意的情况，时下许多CMM具有设置有更大直径的物镜的相机，从而对于相同倍率显示出更大视场。结果，测量小的目标对象不需要移动，并且为囊括大的目标对象仅有必要进行少量移动和少量图像。然而，这些CMM是昂贵的，因为具有相应大物镜的相机价格较高。
[0016]最新的研发试图通过使用所谓的“德尔塔(Delta)机器人”代替门架机器或铰接臂来移动触觉测量探针以增加测量速率(参见2011年7月出版的Renishaw的小册子“Equator 300Mess
‑
Systeme”)。
[0017]德尔塔机器人是一种并联机器人。它包括固定在固定框架处的固定基座(安装在工作空间上方)、以及从基座延伸的三个中间接头臂。常常称为“运动链”的所述臂借助万向节将其第一端连接到基座，并且将其第二端连接到常常以三角形或圆形平台形式构建的末端执行器。
[0018]所述臂典型地由轻质复合材料制成并由位于基座中的致动器驱动。通过致动器的驱动，末端执行器能在运动区内移动。运动区是三维空间，并且末端执行器能最大程度上移入。最大移动的边界——相应是运动区的边界——由运动链的构造及其由末端执行器链接
的共同运动所产生的物理极限限定。致动可以用线性或旋转致动器完成。因为臂由轻质复合材料制成，德尔塔机器人的移动部分惯性较小。这允许非常高的加速度和非常快速的移动，其远胜过加速度的速度和能由传统门架机器或铰接臂实现的移动。
[0019]对于德尔塔机器人作为坐标测量机一部分的实施方案，德尔塔机器人的自由度最多已扩大到6个，允许末端执行器在笛卡尔方向X、Y、Z上的横向移动，以及围绕这些轴线的旋转移动，导致横摆、滚动、俯仰。由于它们高的加速/减速动作以及它们高的移动速度，德尔塔机器人以及基于德尔塔机器人的机器普遍用于在包装工厂、医疗和制药工业中进行拾取并包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种确定坐标测量机(20，21，22)的末端执行器的位置的方法，所述坐标测量机(20，21，22)包括：
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托架(1，2，3，4，5，12，13，15a，15b，15c，15d，15e，15f，30，31)，所述托架作为所述末端执行器(6，7，15g，40，40')的支撑和定位结构，所述末端执行器(6，7，15g，40，40')能在至少三个自由度上移动并且能由所述托架(1，2，3，4，5，12，13，15a，15b，15c，15d，15e，15f，30)定位，
·
固定式计量台(8，35)，所述计量台作为用于可能目标对象的支撑，以及
·
至少一个成像检测器(33)，所述成像检测器用于捕获图像，其中，所述方法包括：
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由所述托架(1，2，3，4，5，12，13，15a，15b，15c，15d，15e，15f，30，31)移动所述末端执行器(6，7，15g，40，40')，以及
·
用所述成像检测器(33)捕获测量体积的至少一部分的图像，其特征在于，
·
接收表示覆盖所述末端执行器(6，7，15g，40，40')的至少一部分的所述图像的图像数据，
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通过图像处理来确定与所述末端执行器(6，7，15g，40，40')相关的参考点在所述图像中的图像位置，以及
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基于所述参考点的所述图像位置得到所述末端执行器的位置，其中，将所述至少一个成像检测器(33)牢固地安装至所述计量台(8，35)并且布置成与所述托架(1，2，3，4，5，12，13，15a，15b，15c，15d，15e，15f，30，31)机械地分离，并且所述末端执行器(6，7，15g，40，40')的移动与所述成像检测器(33)的帧速率同步，使得在获取周期期间仅在所述托架保持静止时拍摄图像。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述末端执行器(6，7，15g，40，40')的移动与任何末端执行器安装的传感器在时间上同步。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述托架在所述末端执行器安装的传感器的测量的曝光时间期间保持静止。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，避免快于200Hz的高频移动。5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述坐标测量机(20，21，22)包括至少两个成像检测器(33)，其中所述方法包括：
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利用所述至少两个成像检测器(33)捕获测量体积的至少一部分的图像，
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接收表示所述图像的所述图像数据，每个图像均用不同的成像检测器(33)捕获并且覆盖所述末端执行器(6，7，15g，40，40')的至少一部分，
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通过图像处理来确定与所述末端执行器(6，7，15g，40，40')相关的所述参考点在每个图像中的图像位置，以及
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基于所述参考点的所述图像位置得到所述末端执行器的位置，其中，将所述成像检测器(33)牢固地安装至所述计量台(8，35)并且布置成与所述托架
(1，2，3，4，5，12，13，15a，15b，15c，15d，15e，15f，30，31)机械地分离。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
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触发所述成像检测器(33)的快门时间，使得为所述成像检测器(33)提供在时间上共同的图像获取周期，
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在所述共同的图像获取周期期间照明所述末端执行器(6，7，15g，40，40')持续限定的照明时段，以及
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利用所述成像检测器(33)获取所述图像数据的图像，每个图像表示所述末端执行器(6，7，15g，40，40')处于对应于照明时段的限定状态。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，以具有照明频率的脉冲方式照明所述末端执行器(6，7，15g，40，40')，所述照明频率与所述成像检测器(33)的快门时间同步。8.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，
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由所述图像数据的至少一个图像覆盖设置在所述固定式计量台(8，35)处的参考标记，
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通过图像处理来确定分别在至少一个图像中的相应的标记位置，以及
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基于所述标记位置得到各个成像检测器(33)的相应姿态。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，提供所述成像检测器(33)的相对于所述参考标记(39)的所述姿态的校准。10.一种坐标测量机(20，21，22)，该坐标测量机包括：
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托架(1，2，3，4，5，12，13，15a，15b，15c，15d，15e，15f，30，31)，所述托架作为末端执行器(6，7，15g，40，40')的支撑和定位结构，所述末端执行器(6，7，15g，40，40')能在至少三个自由度上移动并且能由所述托架(1，2，3，4，5，12，13，15a，15b，15c，15d，15e，15f，30)定位，
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固定式计量台(8，35)，所述计量台作为用于可能目标对象的支撑，
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至少一个成像检测器(33)，所述成像检测器用于捕获图像，
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控制单元(17)，所述控制单元控制由所述托架(1，2，3，4，5，12，13，15a，15b，15c，15d，15e，15f，30，31)进行的所述末端执行器(6，7，15g，40，40')的移动并且控制利用所述成像检测器(33)进行的图像获取，以及
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分析单元，所述分析单元用于处理由所述成像检测器(33)传送的电子信号和/或数据，其特征在于，
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：帕斯卡尔，
申请(专利权)人：赫克斯冈技术中心，
类型：发明
国别省市：