專利名稱：平衡的坐標(biāo)定位機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種坐標(biāo)定位機(jī)，例如機(jī)器人或用來測量構(gòu)件位置、形式或尺寸的坐標(biāo)測量儀。
眾所周知類型的一種坐標(biāo)定位機(jī)具有“笛卡爾”構(gòu)造，其中一工作模塊(例如可以結(jié)合有一探針)由三個“串聯(lián)”安裝(即一個疊一個)且相互正交的直線導(dǎo)軌支承著，能以三個平移自由度相對于一底座(例如一工作臺)移動。在一個變化型的支承結(jié)構(gòu)中，一工作模塊由三個鉸接聯(lián)接機(jī)構(gòu)支承著，能以三個平移自由度相對于一工作臺移動，每個聯(lián)接機(jī)構(gòu)均直接連接在工作模塊與一形成底座一部分的支承元件之間。機(jī)器的這樣一種“平行”安裝結(jié)構(gòu)例如從EP 102744和US 4,976,582中可以了解。
本發(fā)明的各個方面都涉及的是平行式的機(jī)器構(gòu)造。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種坐標(biāo)定位機(jī)，包括通過三個聯(lián)接機(jī)構(gòu)相互連接的一底座和一工作模塊，所述聯(lián)接機(jī)構(gòu)可相互協(xié)作而防止底座和工作模塊之間發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，但是可允許底座和工作模塊之間發(fā)生相對的平移。該坐標(biāo)定位機(jī)還包括可選擇地操作的鎖定裝置，鎖定裝置可以限制工作模塊在一被鎖定平面內(nèi)相對于底座的移動。
這樣一種機(jī)器構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)在于，它可以使用戶對一系列平行平面上的物體的輪廓進(jìn)行掃描，以便獲得例如其表面的數(shù)據(jù)地圖。較佳的是，該機(jī)器可以包括一對可選擇操作的鎖定裝置，它們是可以驅(qū)動的，以便限制底座和工作模塊在非平行平面上的相對運(yùn)動，工作模塊在機(jī)器工作區(qū)域范圍內(nèi)的位移量取決于工作模塊在鎖定裝置被驅(qū)動而限制相對運(yùn)動那一瞬間的位置。
因此，該機(jī)器一個較佳實(shí)施例包括第一和第二可選擇操作的鎖定裝置，其中，由第一鎖定裝置鎖定工作模塊和底座之相對運(yùn)動的那些平面與由第二鎖定裝置鎖定相對運(yùn)動的那些平面相互之間是不平行的。
在另一個較佳實(shí)施例中，由可選擇操作的鎖定裝置鎖定工作模塊之移動的鎖定平面的位移量可由機(jī)器使用者根據(jù)工作模塊在可選擇操作的鎖定裝置被鎖定以限制工作模塊運(yùn)動的那一刻的瞬時位置來確定。
較佳的是，至少一個聯(lián)接機(jī)構(gòu)具有以兩個旋轉(zhuǎn)自由度相互樞轉(zhuǎn)連接的第一和第二支臂，第一支臂包括一對細(xì)長的支桿，它們的一端以兩個旋轉(zhuǎn)自由度可樞轉(zhuǎn)地安裝于底座和工作模塊中的一個，而另一端則安裝于第二支臂，第二支臂以一個自由度，圍繞鉸接軸線可樞轉(zhuǎn)地安裝于底座和工作模塊中的另一個，其中，可選擇操作的鎖定裝置可以在第一支臂的兩個支桿之間工作。
該實(shí)施例的一個較佳特征在于，每個鎖定裝置均包括一其兩端分別連接于支桿之一的細(xì)長夾持件，當(dāng)該夾持件不工作時，其長度隨著支臂的樞轉(zhuǎn)而增大或減小，當(dāng)夾持件工作時，其長度維持一恒定值。
根據(jù)本發(fā)明的一個獨(dú)立方面，在平行型機(jī)器內(nèi)，底座和工作模塊之間的相對位移量可以由多個編碼器來確定。根據(jù)本發(fā)明的這個方面，提供了一種坐標(biāo)定位機(jī)，包括通過三個聯(lián)接機(jī)構(gòu)相互連接的一底座和一工作模塊，所述聯(lián)接機(jī)構(gòu)可相互協(xié)作而防止底座和工作模塊之間發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，但是可允許底座和工作模塊之間發(fā)生相對的平移。每個聯(lián)接機(jī)構(gòu)均具有以兩個旋轉(zhuǎn)自由度相互樞轉(zhuǎn)連接的第一和第二支臂，第一支臂的一端以兩個旋轉(zhuǎn)自由度可樞轉(zhuǎn)地安裝于底座和工作模塊中的一個，而另一端則安裝于第二支臂，第二支臂以一個自由度，圍繞鉸接軸線可樞轉(zhuǎn)地安裝于底座和工作模塊中的另一個，其中，工作模塊和底座之間的相對位移量可由三個或更多個編碼器來確定，每個編碼器均包括一安裝于一弧形基底并由一系列間隔的刻度線限定的標(biāo)尺；一安裝成與標(biāo)尺對準(zhǔn)的讀取頭，標(biāo)尺和讀取頭可以沿間隔刻度線的方向相對移動；所述基底可安裝在底座、工作模塊和聯(lián)接機(jī)構(gòu)的一個支臂中的任何一個上；讀取頭安裝在機(jī)器的沒有安裝標(biāo)尺基底的一部分上，因而讀取頭和標(biāo)尺基底可圍繞一基本上與弧形標(biāo)尺基底的幾何中心相一致的軸線相對地樞轉(zhuǎn)。
較佳的是，可以將讀取頭安裝于底座，而將弧形基底安裝于第二支臂，弧形基底的幾何中心基本上與鉸接軸線相一致。
在另一個較佳實(shí)施例中，底座包括一工作臺和一支柱，工作臺在使用時可支承一由該機(jī)器操作的物體，支柱從底座向上延伸，所述各聯(lián)接機(jī)構(gòu)從支柱橫向延伸至工作模塊，在工作模塊沿向著或離開支柱的方向移動的過程中，工作模塊橫穿工作臺。其中，讀取頭安裝于支柱，第二支臂的一端安裝于支柱。
編碼器可以例如是光電的、磁性的或電容的。
最好底座和工作模塊具有一機(jī)械的基準(zhǔn)位置，在此位置上，它們的相對位移量是可重復(fù)的。這樣就使編碼器和任何相關(guān)的出錯圖每次都在同一個機(jī)械位置上開始。較佳的是，該機(jī)械基準(zhǔn)位置還可充當(dāng)一止動機(jī)構(gòu)，當(dāng)機(jī)器不工作時，工作模塊可以借助該止動機(jī)構(gòu)而保持在一個相對于底座的“停留”位置上。
較佳的是，該機(jī)器還可以具有一種能防止底座和工作模塊發(fā)生不希望有的相對運(yùn)動的構(gòu)造。因此，根據(jù)本發(fā)明的另一個獨(dú)立的方面，提供了一種坐標(biāo)定位機(jī)，包括通過三個聯(lián)接機(jī)構(gòu)相互連接的一底座和一工作模塊，所述聯(lián)接機(jī)構(gòu)可相互協(xié)作而防止底座和工作模塊之間發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，但是可允許底座和工作模塊之間發(fā)生相對的直線運(yùn)動。其中，作用在工作模塊上的重力可以通過一個或多個平衡裝置來加以平衡，當(dāng)沒有外力作用于所述工作模塊時，所述平衡裝置使工作模塊相對于底座懸掛起來。
工作模塊的性質(zhì)取決于用戶希望機(jī)器執(zhí)行的任務(wù)。例如，如上所述，工作模塊可以例如包括一觸發(fā)器或一測量探針(可以是接觸型的或非接觸型的探針)、切削工具、焊接臂、抓持器或油漆噴嘴等。工作模塊還可以包括用于使所述探針(例如)以一個或多個旋轉(zhuǎn)自由度相對于底座取向的鉸接頭。
下面將結(jié)合附圖來描述本發(fā)明的若干個實(shí)施例。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的機(jī)器的前視立體圖；圖2是圖1之機(jī)器的后視立體圖；圖3是根據(jù)第二實(shí)施例的機(jī)器的立體圖；圖4是根據(jù)第三實(shí)施例的機(jī)器的立體圖。
現(xiàn)請參見圖1和圖2，機(jī)器包括一由從剛性臂12上懸垂下來的接觸探針10(在本實(shí)施例中是一個測量用探針或觸發(fā)型探針)構(gòu)成的工作模塊，剛性臂依次安裝于一支架14，并包括一由工作臺16和剛性安裝于工作臺16的支柱20構(gòu)成的底座。工作模塊由三個鉸接聯(lián)接機(jī)構(gòu)18支承著，能以三個平移自由度相對于底座移動，每個聯(lián)接機(jī)構(gòu)均直接在支架14與支柱20之間延伸。
每個聯(lián)接機(jī)構(gòu)18均具有一對支臂，其中一個支臂都是由一剛性扭轉(zhuǎn)盒22構(gòu)成的，剛性盒22通過一鉸鏈安裝于支柱20，在該例子中，鉸鏈?zhǔn)怯梢粚L球和承座型接頭24組成(也可以采用滾球和滾槽型接頭)。滾球和承座型接頭24限定了由剛性盒22構(gòu)成的支臂的鉸接運(yùn)動軸線A。每個扭轉(zhuǎn)盒22的自由樞轉(zhuǎn)端通過由一對平行支桿26構(gòu)成的另一個支臂聯(lián)接于支架14。每個支桿的一端通過滾球和承座型接頭28可樞轉(zhuǎn)地安裝于支架14，其另一端安裝于扭轉(zhuǎn)盒22。因此，支桿能相對于扭轉(zhuǎn)盒22樞轉(zhuǎn)而支架14以兩個旋轉(zhuǎn)自由度樞轉(zhuǎn)。止動彈簧32，34迫使?jié)L球和承座型接頭24，28的所有元件相互配合，并便于聯(lián)接機(jī)構(gòu)18的快速裝配和拆卸。
各聯(lián)接機(jī)構(gòu)18可允許工作模塊以三個平移自由度和兩個旋轉(zhuǎn)自由度相對于底座移動。因此，當(dāng)所有三組聯(lián)接機(jī)構(gòu)18協(xié)同工作時，探針10可以只相對于支柱20作直線運(yùn)動，這是因?yàn)槟骋宦?lián)接機(jī)構(gòu)18所允許的兩個旋轉(zhuǎn)自由度受到其余兩個聯(lián)接機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)自由度的制約。
工作模塊相對于一基準(zhǔn)點(diǎn)或“基點(diǎn)”的位移可以通過三個步進(jìn)式光電編碼器38來確定。每個編碼器均包括一支承在一弧形臂44的圓形安裝面42上的標(biāo)尺40。每個臂44均從一扭轉(zhuǎn)盒22向后延伸，由安裝面42的外形所限定的圓心基本上與相應(yīng)扭轉(zhuǎn)盒22的鉸接運(yùn)動軸線A(它是由球接頭24的位置限定)同心。安裝在支架52上的一讀取頭50與標(biāo)尺40對準(zhǔn)，扭轉(zhuǎn)盒22圍繞鉸接運(yùn)動軸線A的樞轉(zhuǎn)可導(dǎo)致標(biāo)尺40與讀取頭40發(fā)生相對移動。這種相對移動將使讀取頭50產(chǎn)生一系列相位差90°的脈沖，這些脈沖被處理并傳送至一步進(jìn)計(jì)數(shù)器(未示1。例如EP0207121和國際申請WO87/07943中揭示了這樣一種編碼器和對由其產(chǎn)生的相位差90°脈沖的處理方式，該兩專利的內(nèi)容援引在此以作參考。隨后，可以通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)處理，由為每個編碼器38設(shè)置的計(jì)數(shù)器的數(shù)值來產(chǎn)生笛卡爾坐標(biāo)值，即表示工作模塊從一預(yù)定基準(zhǔn)點(diǎn)位移的數(shù)值。
雖然在該實(shí)施例中由設(shè)置在底座和各聯(lián)接機(jī)構(gòu)上的標(biāo)尺和讀取頭來構(gòu)成編碼器，但其它配置也是可能的。例如，也可以使標(biāo)尺和讀取頭在聯(lián)接機(jī)構(gòu)18的兩個相對樞轉(zhuǎn)的部分之間工作，或者在聯(lián)接機(jī)構(gòu)18的一部分與工作模塊之間工作。
工作時，可由操作者用手將探針10移過機(jī)器的工作區(qū)域?？蔀榇嗽O(shè)置一手柄80，該手柄通常由例如陶瓷之類的隔熱材料制成，以防止將熱量傳遞給機(jī)器。手柄80最好是通過這樣一個機(jī)構(gòu)(未示)安裝于支架14，該機(jī)構(gòu)可以防止將超過閾值的力矩或線性力傳遞給支架14。或者，可以將手柄80安裝于一質(zhì)量平衡機(jī)構(gòu)，例如接下來如圖4所示那種類型的質(zhì)量平衡機(jī)構(gòu)。
可以對圖1所示的實(shí)施例設(shè)置用于平衡平行支桿26、支架14和工作模塊各構(gòu)件之重量的平衡裝置，即(1)一鉸接的平衡臂90與(2)一平衡桿的組合，后者由位于從上側(cè)扭轉(zhuǎn)盒22延伸的弧形標(biāo)尺臂44自由端上的一重塊(在圖1中未示，但在圖4中示出)構(gòu)成，其重量可以補(bǔ)償上扭轉(zhuǎn)盒22的質(zhì)量中心及上支桿的一半重量。平衡臂90的一端92可樞轉(zhuǎn)地安裝于機(jī)器底座，其相對自由的樞轉(zhuǎn)端94通過一拉線96聯(lián)接于支架14，以便在工作臺16內(nèi)平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。拉線96沿著臂90是由三個線輪98加以引導(dǎo)的，拉線的遠(yuǎn)端(未示)連接于一重塊、恒力彈簧或一特別構(gòu)造的蝸形線輪(fusee)(在圖中均未示出)。如果采用一蝸形線輪，最好是承受一例如來自一鐘表彈簧的變化的偏壓力矩，或來自一盤簧的變化的切向力。
由于拉線96內(nèi)的張力，支架14和工作模塊的水平移動被傳遞至臂90，導(dǎo)致臂90的自由端94在水平面內(nèi)對準(zhǔn)支架14移動。特殊的蝸形線輪結(jié)構(gòu)考慮到了隨著工作模塊垂直位置的不斷變動，在工作模塊上需要變化著的向上偏壓力。工作模塊穿過支柱前方的水平移動不會使由臂90和拉線96所提供的平衡力發(fā)生任何變化；上扭轉(zhuǎn)盒22小范圍樞轉(zhuǎn)以及因此造成的平衡重塊的變動已由安裝于上扭轉(zhuǎn)盒22的標(biāo)尺臂的重塊所形成的平衡桿(在本實(shí)施例中)而考慮在內(nèi)。工作模塊朝著或離開支柱20的移動不會使鉸接臂90和拉線96所提供的必需的向上的力有任何變化，但會導(dǎo)致需要平衡的上扭轉(zhuǎn)盒22的重量發(fā)生很大變化；這也是由相關(guān)重塊不斷提供的。
在圖3所示的一種變化型平衡結(jié)構(gòu)中，可以將鉸接臂90去除，將止動彈簧32布置成在平行的支桿間對角地延伸。
在這些方案中，機(jī)器具有“中性平衡”的特性。也就是說，在其工作軌跡內(nèi)的任何位置上，當(dāng)操作者釋放工作模塊上的手柄80時，作用在模塊上的平衡力可以防止其進(jìn)一步移動。
在上述的本發(fā)明的若干實(shí)施例中，相鄰扭轉(zhuǎn)盒22之鉸鏈的樞轉(zhuǎn)軸線相互垂直地延伸。另外一些構(gòu)造也是可能的，例如，各樞轉(zhuǎn)軸線相互成120°地延伸。此外，在以上的描述中，機(jī)器內(nèi)的鉸接聯(lián)接機(jī)構(gòu)18是從一向上延伸的垂直柱20水平延伸的。然而，本發(fā)明也可以這樣來實(shí)現(xiàn)，即，機(jī)器內(nèi)的鉸接聯(lián)接機(jī)構(gòu)18可以例如是垂直向下延伸的。
在圖4所示的變化型實(shí)施例中，用若干可釋放的鎖定元件132A(在該實(shí)施例中是可伸縮式的)來代替平衡彈簧32，當(dāng)被鎖定時，這些鎖定元件可以有效地轉(zhuǎn)變成剛性桿。因此，只要驅(qū)動元件132內(nèi)的鎖定機(jī)構(gòu)就可以將工作模塊保持在平行于工作臺的一個平面上，工作模塊在工作臺上方的垂直位移量取決于其在鎖定機(jī)構(gòu)被驅(qū)動時的垂直位移量。這在例如工作模塊包括一掃描探針并且希望對位于一系列平行于水平面的平面上的物體的表面輪廓進(jìn)行掃描的情況下是有用的。設(shè)置了一可釋放鎖定的第三伸縮元件132B，它可以在機(jī)器工作軌跡范圍內(nèi)的任何位移量的情況下，將工作模塊鎖定在某個垂直平面上，在圖4中，平行于線L1。在圖4中還示出了一個附連于標(biāo)尺臂144的平衡塊184。
權(quán)利要求
1.一種坐標(biāo)定位機(jī)，包括通過三個聯(lián)接機(jī)構(gòu)相互連接的一底座和一工作模塊，所述聯(lián)接機(jī)構(gòu)可相互協(xié)作而防止底座和工作模塊之間發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，但是可允許底座和工作模塊之間發(fā)生相對的平移，其中，作用在工作模塊上的重力可以通過一個或多個平衡裝置來加以平衡，當(dāng)沒有外力作用于所述工作模塊時，所述平衡裝置使工作模塊相對于底座懸掛起來。
2.如權(quán)利要求1所述的坐標(biāo)定位機(jī)，其特征在于，每個所述聯(lián)接機(jī)構(gòu)可允許工作模塊和底座以兩個旋轉(zhuǎn)自由度相對運(yùn)動，同時可以防止工作模塊和底座以第三個旋轉(zhuǎn)自由度作相對運(yùn)動，因此，三個臂協(xié)作，允許保持器相對于底座作直線運(yùn)動，同時可防止保持器相對于底座的任何旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
3.如權(quán)利要求1所述的坐標(biāo)定位機(jī)，其特征在于，所述底座包括一工作臺和一支柱，工作臺在使用時可支承一由該機(jī)器操作的物體，支柱從底座向上延伸，所述各聯(lián)接機(jī)構(gòu)從支柱橫向延伸至工作模塊，在工作模塊沿向著或離開支柱的方向移動時，工作模塊橫穿工作臺。
4.如權(quán)利要求3所述的坐標(biāo)定位機(jī)，其特征在于，至少一個聯(lián)接機(jī)構(gòu)具有以兩個旋轉(zhuǎn)自由度相互樞轉(zhuǎn)連接的第一和第二支臂，第一支臂包括一對細(xì)長的支桿，它們的一端以兩個旋轉(zhuǎn)自由度可樞轉(zhuǎn)地安裝于底座和工作模塊中的一個，而另一端則安裝于第二支臂，第二支臂以一個自由度可樞轉(zhuǎn)地安裝于底座和工作模塊中的另一個，其中，第一平衡裝置包括第一偏壓裝置，它可以提供迫使至少一個第一支臂的不同支桿的非相鄰端相互靠攏的偏壓力。
5.如權(quán)利要求1所述的坐標(biāo)定位機(jī)，其特征在于，它包括一第二平衡裝置，該平衡裝置具有一位于工作模塊上方的鉸接臂，該鉸接臂的一端安裝于底座，而另一端通過一拉線連接于工作模塊，因而可以沿橫向于支柱的方向移動，所述拉線的遠(yuǎn)離工作模塊的一端連接于一第二偏壓裝置，該偏壓裝置對拉線施加一偏壓力，從而向上推動工作模塊。
6.如權(quán)利要求5所述的坐標(biāo)定位機(jī)，其特征在于，所述第二偏壓裝置是由一繞有所述拉線的蝸形線輪以及用于對該蝸形線輪提供一恒定力矩的裝置構(gòu)成。
全文摘要
一種坐標(biāo)定位機(jī),具有一例如刀具或探針(10)之類的工作模塊,它通過三個鉸接聯(lián)接機(jī)構(gòu)(18)安裝,能以三個自由度相對于工作臺(16)平移。每個聯(lián)接機(jī)構(gòu)是由一扭轉(zhuǎn)盒(22)和一對支桿(26)組成,扭轉(zhuǎn)盒是以一個自由度安裝于一垂直柱(20),每個支桿的一端以兩個自由度可樞轉(zhuǎn)地安裝于扭轉(zhuǎn)桿,而其另一端安裝于工作模塊。各聯(lián)接機(jī)構(gòu)可以相互協(xié)作而防止工作模塊發(fā)生任何轉(zhuǎn)動,同時允許平移。工作模塊的運(yùn)動可以人工驅(qū)動,其重量可以由一鉸接的平衡臂來加以平衡,該平衡臂引導(dǎo)著一個連接至一蝸形線輪的拉線。工作模塊的偏移量可以用標(biāo)尺和讀取頭編碼器來測量?？梢越柚趦蓚€支桿之間工作的鎖定裝置將工作模塊的運(yùn)動限制在一單個平面內(nèi),從而可以在一系列平行的平面上進(jìn)行掃描。
文檔編號G01B5/20GK1244252SQ98801920
公開日2000年2月9日 申請日期1998年11月20日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月20日
發(fā)明者D·R·邁克默特里 申請人:雷尼肖上市股份有限公司