CN106092018A

CN106092018A - 改良的铰接臂

Info

Publication number: CN106092018A
Application number: CN201610366065.7A
Authority: CN
Inventors: 保罗·费拉里; 彼得·钱普; 劳伦特·德福奇; 琼-保罗·德莱莫斯; 蒂博·迪波塔尔; 琼-吕克·法梅雄; 杰里·格伦特; 洪冬梅; 海因茨·利普纳尔; 丹尼·鲁; 伊利·沙马斯; 克努特·西尔克斯; 霍加尔·泰特
Original assignee: Hexagon Metrology AB
Current assignee: Hexagonal Corp.; Hexagon Metrology AB
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2030-11-05
Also published as: US20130239424A1; JP2012254522A; CN110793483A; US20110107613A1; CN110388887A; CN106092018B; US8327555B2; US8701299B2; CN103267462B; CN102762950A; US20140290081A1; US8151477B2; WO2011057130A2; CN102762950B; US20150153146A1; EP2610582B1; EP2743633A1; US8407907B2; JP2012233912A; CA2780147A1

Abstract

一种铰接臂坐标测量机器，包括多个传动元件，多个至少将两个传动元件相连接的连接元件，位于远端的坐标获取元件和位于近端的底座。至少两个连接元件中的每一个包括至少一个编码器，至少两个编码器被包含在一体式外罩中。

Description

改良的铰接臂

本申请为2010年11月5日递交的申请号为201080060906.2，发明名称为改良的铰接臂的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求全部于2010年3月26日提交的美国专利申请号12/748,169、12/748,243、12/748,278、12/748,206以及12/748,267的优先权，这些申请要求于2009年11月6日根据35U.S.C.§119(e)提交的美国临时专利申请号61/259,105的优先权，以上所有专利申请的全部内容通过引用结合在本申请中。

发明背景

技术领域

本发明涉及一种铰接臂以及坐标测量，特别是坐标测量机器。

背景技术

直线运动测量系统，也被称为坐标测量机器(coordinate measuring machines，CMM)和铰接臂测量机器，被用于生成高度精确的几何信息。一般来说，这些仪器捕获一个物体的结构特征，用于质量控制，电子渲染和/或复制。用于坐标数据获取的现有装置的一个例子是便携坐标测量机器(portable coordinate measuring machine，PCMM)，其为在设备的测量范围之内能取得非常精确的测量的便携设备。这些设备通常包括安装在臂的一端的探针，该铰接臂包括多个由关节连接起来的传动元件。与该探针相对的臂的一侧通常连接到可动的底座。一般来说，该些关节被分解为多个单一转动自由度，其中每一个自由度分别使用专用转动传感器来测量。在一次测量中，操作者手动移动该铰接臂的探针至测量范围内的多个点。在每个点上，每个关节的位置都必须在一个给定瞬间及时被确定。因此，每个传感器输出根据关节在其自由度内的运动而改变的电子信号。一般来讲，该探针也产生信号。这些位置信号和探针信号通过该铰接臂传输至记录器/分析器。接下来这些位置信号被用来确定在测量范围之内的探针位置。例如参照美国专利号5,829,148和7,174,651，并以引用的方式将其全部内容包含于此。

通常对于这样的具有高度精确性、高可靠性和耐久性，真正易于使用且性价比高的机器是有需求的。如下披露提供了至少其中一部分特性的改良。

发明内容

一个实施例中，铰接臂CMM包括多个传动元件，多个将至少两个传动元件相连接的连接元件，在远端的坐标获取元件和在近端的底座。至少两个这些连接元件能包括至少一个编码器，且至少两个该编码器能被置于一个一体式外罩中。

另一个实施例中，铰接臂CMM包括铰接臂和气弹簧平衡。该铰接臂可以包括多个铰接臂元件，在远端的坐标获取元件和在近端的底座。气弹簧平衡可以在相邻铰接臂元件之间的转动点支撑该铰接臂。进一步地，气弹簧平衡可以在相对于底座更接近转动点的一点，连接于更靠近底座的铰接臂元件。

再一个实施例中，铰接臂CMM包括铰接臂和气弹簧平衡。该铰接臂可以包括多个铰接臂元件，在远端的坐标获取元件和在近端的底座。气弹簧平衡可以在相邻铰接臂元件之间的转动点支撑该铰接臂。进一步地，在转动点的转动可以使得两个相邻的铰接臂元件之一处于大体上水平的位置，当气弹簧平衡也处于大体上水平的位置。

另一个实施例中，铰接臂CMM包括铰接臂和手柄。该铰接臂可以包括多个铰接臂元件，在远端的坐标获取元件和在近端的底座。手柄可以包括电子设备，且能可移除的连接于坐标获取元件。

附图说明

图1是铰接臂的立体图；

图1A是图1中铰接臂的分解图；

图2是图1中铰接臂中传动元件的立体图，该传动元件具有相关的连接元件；

图2A是图2中传动部件去掉盖部的立体图；

图2B是图2A中传动部件的放大立体图；

图2C是图2中连接元件的放大剖面图；

图2D是图2B中传动元件的放大剖面图；

图2E是图2中传动元件和连接元件的部分分解侧视图；

图3是图1中铰接臂的平衡系统的立体图；

图3A是图3中平衡系统的分解图；

图3B是图3中平衡系统在第一位置时的侧视图；

图3C是图3中平衡系统在第二位置时的侧视图；

图4是图1中铰接臂的手柄的立体图；

图5是图1中铰接臂的底座和功能套件的立体图；

图6是编码器的说明性实施例的俯视图；

图7是与铰接臂相关联的校准软件的实施例中的屏幕截图；

图7A是铰接臂与计算机无线连通的立体图；

图8是操作铰接臂的方法流程图。

具体实施方式

图1和图1A显示了根据本发明便携坐标测量机器(PCMM)1的一个实施例。在所示实施例中，便携坐标测量机器1包括底座10，多个刚性传动元件20，坐标获取元件50和多个连接元件30-36，这些连接元件构成“关节组件”并将刚性传动元件20相互连接。连接元件30-36，传动元件20和转轴(下面将详述)被配置为传递一个或一个以上的转动和/或角度自由度。通过各种元件30-36和20，便携坐标测量机器1能呈现各种空间方位从而允许坐标获取元件50在三维空间精密定位和定向。

刚性传动元件20和坐标获取元件50的位置可以使用手动、自动、半自动和/或任何其他调整方式来进行调整。一个实施例中，便携坐标测量机器1通过各种连接元件30-36，提供了7个运动转轴。但是，可以理解对于可被使用的运动轴的数量不作严格的限定，较少或附加的运动轴可能被包含在便携坐标测量机器1的设计中。

如图1所示的实施例便携坐标测量机器1中，基于其相关联运动元件操作，连接元件30-36能被分成两个功能分组，也就是说：1)连接元件30、32、34和36，其与特定且不同传动元件相关的转动运动相关联(在下文中称为“转动关节”)；2)连接元件31、33和35，其允许两个相邻元件之间或坐标获取元件50和与其相邻的元件之间形成相对角变化(在下文中称为“转轴关节”或“转轴”)。虽然所示实施例包括定位有4个转动关节和3个转轴关节从而产生7个运动轴，但是可以预期的是在其他实施例中，为了实现便携坐标测量机器1中不同的运动特征，转动关节和转轴关节的数量和位置可以是各种各样的。例如，具有6个运动轴的大体上类似的设备可以仅仅缺少在坐标获取元件50和与其相邻的传动元件20之间的转动关节30。其他实施例中，转动关节和转轴关节可以结合和/或以不同组合来使用。

如现有技术所知(参见例如美国专利号5,829,148，并通过引用的方式将其内容包含于此)和图2D所描述，传动元件20可以包括一对双重同轴管结构，其具有内空心轴20a和外空心轴套20b，通过安装于临近该元件的第一端的第一轴承和位于该元件相对的另一端的第二轴承，内空心轴20a可同轴转动的安装于外空心轴套20b内，所述第一轴承或第二轴承可位于双轴外罩100内。这些传动元件20用于将运动从传动元件的一端传递至传动元件的另一端。该些传动元件20依次与连接元件30-36相连接从而形成关节组件。

转轴关节部分地由以下组合形成：由传动元件一端延伸出的轭部28(参见图1A)，穿过连接元件31、33、35延伸的转动轴，和绕该转动轴转动形成转轴或转轴关节的连接元件31、33、35其本身。

如图2C所示，每个转轴关节或转动关节具有编码器37形式的专用运动传感器。有利的，转轴关节和转动关节传感器两者都至少部分的，且优选全部的设置于双轴外罩100之内，该双轴外罩100且分别设置在各连接元件30-36之内。

各个实施例中，坐标获取元件50包括接触敏感元件55(以硬质探针形态绘于图1中)，用来与被选物体接触并在探针接触的基础上生成坐标数据。在所举的实施例中，坐标获取元件50还包括非接触式扫描探测组件，其不需要与被选物体直接接触即可获取几何数据。如所描述的，该非接触式扫描设备包括非接触式坐标探测设备(展示为激光扫描设备/激光扫描仪)，其不需要与物体直接接触就可以用来获取几何数据。该非接触式扫描设备可以包括照相机或其他光学设备70，它们可与激光(此处未示出)一同操作。应该理解，有多种坐标获取元件结构可用于坐标获取，它们包括：接触敏感探针，非接触式扫描设备，激光扫描设备，使用应变测量器进行接触探测的探针，使用压力感应器进行接触探测的探针，使用红外光束进行定位的设备，以及配置为静电回馈的探针。进一步地，一些实施例中，坐标获取元件50可以包括一个，两个，三个乃至三个以上的坐标获取装置。

能用于此处所述实施例的坐标获取元件的某些实例的进一步描述，可以在于2009年6月18日申请的名称为“具有激光扫描仪的铰接臂”的12/487,535号美国专利申请中找到，该专利申请以引用的方式全部包含在本专利申请中。如上述引用文件所描述的，坐标获取元件可以包括模块化激光扫描仪，其可以连接到坐标获取元件(其也可以包括触式探针)的主体。该模块化特征允许各种其他坐标探测设备与该坐标获取元件一起使用。此外，本领域技术人员所公知的其他坐标获取元件也可以被使用。

有利的，如图2-2C所示，连接元件30-36形成双轴外罩100。该双轴外罩100可以为一体式外罩，或是由多部分结合而成的外罩(如通过焊接、粘合等)，或其他形式。如所述的，双轴外罩100可以与传动元件20连接并包括转轴和转动关节一部分，相应于底座10的第二和第三转动轴。如上所述，可独立操作的转动编码器37和用于测量传动元件、转轴和转动关节位置的相关电子设备(如本领域技术人员所公知的)，可以被设置于连接元件34和35中(以及其他图中所示连接元件30-33和36中)。

为使双轴组件装配更容易，双轴外罩100可以包括可移除后盖102，图2A显示出后盖102被移除。如所述的，可移除后盖102覆盖外罩100的开口，其大体上轴向对齐于邻接的安装于外罩的传动元件20。进一步地，一些实施例中，后盖102被配置，使其不承受CMM1的负荷。因此，采用刚性较低材料制造后盖102是有利的，其可以充当减震器。如所述的，后盖102可被设置在臂1的“肘部”位置。在一些活动中，该“肘部”位置很有可能突然接触能损害臂1的硬质外表面。有利的，后盖102由减震材料形成以保护臂1不受这样的损害。更进一步地，一些实施例中，后盖102的材料还可以与双轴外罩100的材料配合以促进加强密封性。双轴外罩100可以由刚性材料组成，而后盖102可以由更柔韧的材料组成，从而在安装于该外罩时适应于其边缘形状，以形成较好的密封。

可移除后盖102可以给双轴外罩100的内部提供相对于外部元件的常规密封，以保护设置于外罩之内的编码器37。当后盖102被移除时，与连接元件34相关联的单独编码器37露出，并从双轴外罩100插入至大体上轴向对齐于所述传动元件20的转动接收部104，或将其移除(如图2E所示)。在所述实施例中，与连接元件34和35相关联的编码器独立于传动元件20。换言之，编码器和传动元件是两个独立而区别的部件，其相互连接但是又可以相对转动运作。同样的原理还可以应用于其他连接元件30-33和36。换言之，传动元件20可以相对于连接元件30-36独立运作从而形成如上所述关节或关节配置并进行转动测量。

此外，如图2B所示，当后盖102被移除时，附加电子设备可以插入/移除。如所示，双轴外罩100可以提供接收部用于接纳印刷电路板38，印刷电路板38可保持附加电子设备。一些实施例中，附加电子设备可以执行附加信号处理，例如数字化来自编码器的模拟信号。一些实施例中，这样的数字化处理可以在将信号传输至集流环或其他可转动电子连接之前执行。进一步地，一些实施例中，附加印刷电路板38可以促进形成在双轴外罩100内的编码器之间的物理电子连接。

进一步地，与连接元件35相关联的所述双轴外罩100内的单独编码器37，可以独立于后盖102插入/移除。为使该插入/移除更容易实现，双轴外罩100可以具有垂直于外罩基面的转轴接收部106。该转轴接收部106可以具有开口端108，编码器37可置入其中，和相对的大体上闭合端110，编码器可与其靠紧并限定编码器位置。一旦编码器37被插入，可以插入柱帽112以保护在转轴接收部106之内的编码器。

如图2C所示，编码器37可以包括编码器磁盘38a和读头38b。编码器磁盘38a表面可以具有可通过读头38b测量的图案。例如，一些实施例中，编码器磁盘38a可以具有光学图案，包括各种颜色，透明部和不透明部，或其他可见变化。读头38b可以包括诸如照相机的光学测量设备。一些实施例中，磁盘38a可以具有类似条形码的由磁盘上的线组成的设定图案，从而使得任一磁盘图像通过读头可以定义绝对转动角，如之后进一步论述。作为另一个例子，编码器磁盘38a可以具有变化的磁部，读头38b可测量相应的磁场。编码器磁盘38a上变化的图案可由读头38b测量，从而指示编码器磁盘38a相对读头38b的旋转位置或旋转位置的变化。如所述的，读头38b可以可转动的固定于外罩100，编码器磁盘38a可以可转动的固定于编码器轴39，该编码器轴39可转动的安装于外罩之内。因此，轴39相对于外罩100的转动可以造成相应的在磁盘38a和读头38b之间的可测量的相对转动。但是，根据此处描述，很明显所述装置可以进一步变化。例如，一些实施例中，读头38b能够可转动的安装于外罩100，而编码器磁盘38a能可转动的固定。

所述实施例中，图2中未示出的，与连接元件35相关联的编码器可以通过在传动元件和编码器轴39上的叉状关节安装于邻接的传动元件。所述叉状关节可类似于所描述的传动元件20与双轴外罩100相反的一端的结构，具有可以安装至编码器轴39的轭部28，编码器轴39可转动的安装于外罩100之内。轭部28的叉状部分可以安装于双轴外罩100以及该外罩内包含的编码器的端部，从而形成转轴连接元件35。因此，双轴外罩100内的两个编码器均可相互独立的插入同一外罩或从其中移除。尤其是，其他实施例中，双轴外罩100的形式可以变化。例如，一些实施例中，相对于每一个，双轴外罩100可以形成两个转动接收部104，或两个转轴接收部106，而不是仅一个转动接收部104和一个转轴接收部106。

相对于现有技术组件中分开的外罩，将多个编码器37置于单一外罩之内可以提供很多优势。例如，组合的外罩可以减少部件和需要关节的数量，因此还减少成本和装配时间。进一步地，通过消除多部件所产生偏差、未对准，或其他问题，设备的精度可以改善。此外，免去附加的外罩能允许更紧凑的组合连接组件，允许铰接臂得到更好的支撑且具有更小的重量。如图1A所示，下一个或前一个的传动元件20的轭部28连接至贯穿双轴外罩100的轴承轴心形成转轴关节。

虽然描写为从底座封闭第二和第三轴，相似的双轴外罩100可以与其他连接元件的组合一起使用，例如第四和第五连接元件32，33。进一步地，双轴外罩可以提供附加优势，于此不详述。但是，应该注意于此处描述的发明的其他实施例中，连接元件30-36可以分别具有独立的外罩。

应该理解如上所描述的双轴外罩或关节组件可以和其他类型的坐标测量机器一起使用，且无需与如下所描述的附加实施例结合使用。

图3和图3A描述了改良的平衡系统80。如所描述的，平衡系统80可以包括活塞组件84从而形成气震平衡。氮气填充气弹簧可以连接于被与连接元件匹配的枢轴88分离的点之间，例如距离底座第二近的连接元件35。如所描述的，离底座10较近的连接点可以相对于底座更靠近枢轴88。这导致了如下的平衡设计，当第二连杆机构处在水平位置时，气震处在主要呈水平的位置，如图3C所示。该气震的主要呈水平的位置可以通过离底座较远的连接点的位置进一步提升。如所描述的，离底座较远的连接点可以被设置在大概传动元件20中点的位置，该传动元件20由平衡系统80支撑。进一步地，如所描述的活塞组件84可以包括锁86，其可以增加活塞的运动阻力，从而防止校准的连接元件35的附加转动。一个实施例中，该锁以在锁86上设置控制杆的形式实施，推动销开启和关闭气震内的孔，该孔的开启和关闭允许或防止活塞内的气体流动。

该改良平衡系统80可以提供许多优势。例如，该设计可以允许从底座延伸的第一转动轴变短(与连接元件36相关联)，减少关联偏差。此外，该减少的长度可以无需绕枢轴88的旋转角范围减少而实现。改良平衡系统80还可以减少所需部件数量，从而锁紧机构和平衡机构可以完整的组合进一个单一系统。进一步地，活塞组件84可以阻尼绕枢轴88的运动。当使用者试图移动铰接臂而它还被锁定时，这减少了损害坐标测量机器的机会。但是，应该注意于此处描述的发明的其他实施例中，可以使用不同的平衡系统，例如在传动元件20的后端提供重量。优选如上所描述的改良平衡系统80可以和其他类型的坐标测量机器一起使用，且无需用来与在本段上面和下面所描述的附加实施例相结合。

图4描述了改良手柄40。手柄40可以包括一个或多个整体按钮41。手柄可以通过螺栓、纽扣或夹具连接于轴。此外，手柄40可以包括置于其内的电子设备44。有利地，提供在手柄40内的电子设备可以进一步将电子设备从转动编码器和其他可能因过热失去精度的部件分离。一些实施例中，手柄40，或其中的电子设备44，可以热隔离于剩余的铰接臂。此外，当手柄40是可移除的且包含电子设备44，其可形成类似于功能套件的模块化部件(如下所描述)。因此，使用者可以通过更换手柄40来更换功能，从而还能更换电子设备44和控制电子设备的按钮41。多个具有不同功能的手柄40因此可以提供于坐标测量机器系统中，从而给坐标测量机器提供模块化功能。再次的，应该注意于此处描述的发明的其他实施例中，可以使用不同的手柄，或作为一种选择可以不要特定手柄。此外，手柄可以包含提供能量给铰接臂的电池、扫描仪，或两者兼有。

优选如上所描述的改良手柄40可以和其他类型的坐标测量机器一起使用，且无需用来与在本段上面和下面所描述的附加实施例相结合。

附加地或可选择地，一些实施例中坐标测量机器臂1可以至少部分被铰接臂本身的运动所控制，如图8所描述的。例如，一些实施例中，鉴于一些命令或指令可以通过按压按钮、拉动控制杆，旋转转盘或驱动另一些传统驱动设备来触发，其他实施例中同样或不同的指示可以通过坐标测量机器臂1的特殊运动或位置来触发，其可以被编码器37探测。作为一个更特殊的例子，一些实施例中，当该臂置于通常的折叠或压缩位置，坐标测量机器臂1可以被指示进入睡眠模式，例如图1所描述的。然后坐标测量机器臂1可以执行指令。相似地，坐标测量机器臂1可以通过快速运动或进入较伸展位置的运动被唤醒。其他指令、动作和位置的组合是可行的。

例如，一些实施例中坐标测量机器臂1可以根据其一般方向进入不同数据获取模式。坐标测量机器臂1定期测量产品，根据产品的不同部分需要不同数据获取模式，则通过位置改变数据获取模式可以是有利的。

进一步地，一些实施例中，该臂可以根据其运动速度进入不同数据获取模式。例如，当即将测量到临界点时，坐标测量机器的操作者可能缓慢移动坐标测量机器。因此，当该臂缓慢移动时，坐标测量机器可以增加其测量频率、精度或其他特征。此外，通过快速移动末端的轴之一，坐标测量机器可以在该臂作为电脑鼠标使用的模式和测量模式之间切换(相关联计算机的实施例进一步描述如下)。

正如之前的实施例，应理解，与臂控制相关的特征可用于其他类型的CMM，不需要结合前述部分上下文中的另外实施例。

图5描述了功能套件90通过对接部分12连接至底座10的装置。对接部分12可在CMM臂1和功能套件90之间形成电连接。一些实施例中，对接部分12可提供高速数据传输、电力传输、机械支撑等连接能力。因而，功能套件90连接至对接部分时可向CMM臂1提供模块化电子、机械或热元件具有多种不同特征和功能性，诸如增加的电池寿命、无线功能、数据存储、提高的数据处理、扫描仪数据信号处理、温度控制、机械支撑或压载、或其他特征。一些实施例中，该模块化功能性可补充或替换把手40的一些特征。模块化功能套件可含有基本级产品不包含的增强功能性的接头、电池、电子线路板、开关、按钮、灯、无线或有线通讯电子设备、扬声器、麦克风、或任何其他类型的扩展功能性。进一步地，一些实施例中，功能套件90可定位于CMM臂1不同的部分，诸如沿着传动元件、连接元件或作为把手40的扩展。

举例来说，功能套件90可包括电池，诸如原电池和辅助电池。有利地，一个实施例中，功能套件90为辅助电池，CMM可包括内部原电池，所述原电池可在没有或替换辅助电池时维持CMM的运行。因而，通过循环辅助电池，可无限期维持CMM，而不用直接的电源连接。

又如，功能套件90可包括数据存储设备。功能套件90上可用的数据存储可为任意大的，以便CMM可测量并保持大量的数据而不需要连接到更大的和/或较不方便的数据存储设备，诸如台式电脑。进一步地，一些实施例中，数据存储设备可传输数据到臂，包括诸如机动臂的移动路径的臂操作的指令，按下特定按钮或臂的特定动作或位置的新的臂操作命令，或其他的可定制设置。

一些例子中，功能套件包括无线功能，类似于数据存储设备具有的功能性。有了无线功能，数据可在CMM和诸如台式电脑的外部设备间连续传输，而不需要有线连接。一些实施例中，CMM可连续接收来自辅助设备的命令。进一步地，一些实施例中，辅助设备可连续显示臂中所获取的数据，诸如臂位置或数据点。一些实施例中，该设备可为个人电脑(PC)和向PC无线传送臂坐标数据和扫描仪数据的功能套件。所述功能套件可在无线传输或作为独立的数据流传输之前结合功能套件中的臂数据和扫描仪数据。

另一个实施例中，功能套件也可包括数据处理设备。有利地，所述设备可执行能提高臂操作、数据存储或其他功能性的各种操作。例如，一些实施例中，可通过功能套件处理基于臂位置的命令。在另外的实施例中，功能套件可在存储或传输之前压缩数据。

另外的例子中，功能套件也可对CMM提供机械支撑。例如，功能套件可连接到底座10并具有相当大的重量以便稳定CMM。另外的实施例中，功能套件可提供CMM与CMM安装其上的支架的机械连接。

又一个例子中，功能套件可包括热处理的热功能性。例如，功能套件可包括散热器、冷却风扇等。对接部分和功能套件之间的连接也可通过导热件连接到底座10和CMM剩余上的电子设备，可实现CMM臂和功能套件之间的大量热传递。

进一步地，如图1所示，一些实施例中，功能套件90可具有与底座10连接的一侧基本匹配的尺寸和形状。因而，可使用功能套件90，而不用大幅增加CMM的尺寸，降低了其可能的可携带性或相对于其他设备的位置限制。

此外，功能套件90可以与此处描述的其他一个或多个特征结合使用和/或在其他类型的CMM中单独使用。

另外，一些实施例中，CMM臂1可包括绝对式编码器磁盘95，示例性实施例如图6所述。该绝对式编码器磁盘95可包括展现在反光材料和非反光材料、透明或不透明材料、交流磁性等的一般为环形、序列化图案。该序列化图案可通过读取编码器编码表面有限的部分使读头在编码器上确定唯一的位置。一些实施例中，该序列化图案可类似于条形码，如图6所示。该图案可沿着相应读头的可视范围为非重复性的。因而，读头从编码器磁盘95收集的图像或其他数据可生成图案，且不同于编码器其他位置的图案，因此，与唯一角位置有关。编码器各自由单个的序列化磁盘组成，所述磁盘可通过一个或多个读头，例如CCD成像器读取。两个或优选四个CCD成像器的使用可通过测量轴的离心率并减去角度测量的离心率来提高编码器的精度。进一步地，可通过取多个CCD成像器测量的平均值来提高测角精度。

现有技术中，编码器经常使用增量式重复性表面，其中，编码表面只显示增量而不是绝对位置。因而，增量式编码器需要返回到唯一确定的起始位置以重新编入索引并确定远离起始位置的增量位置。有利地，一些实施例中，绝对式编码器磁盘95可免去返回到起始位置的要求。CMM的这一特征可以与此处描述的其他特征结合使用和/或在其他类型的CMM中单独使用。

有利地，绝对式编码器磁盘95可提高进入睡眠模式的CMM臂1的功能性。进入睡眠模式可降低CMM臂1的能耗。然而，睡眠模式期间，如果关闭足够多的系统，增量式编码器会“忘记”其位置。因而，退出睡眠模式时，增量式编码器使用前需要恢复到起始位置。替代地，睡眠模式期间，增量式编码器可局部通电以维持其增量位置。有利地，带有绝对式编码器磁盘95的编码器在睡眠模式期间可完全停电，当恢复供电时，会立刻输出其位置。其他模式时，绝对式编码器可以较低的频率读取其位置，而不用担心可能会错过增量位移并由此失去其增量位置的追踪。因而，CMM臂1不需要中途重置到“起始”位置，而是从任何开始位置便可通电或唤醒，并能立即开始数据获取。一些实施例中，绝对式编码器可以用于所述CMM的每一个测量的旋转轴。CMM的这一特征可以与此处描述的其他特征结合使用和/或在其他类型的CMM中单独使用。例如，如上所述，可通过移动到特定位置来引发睡眠模式。作为另一个例子，编码器磁盘38a可为绝对式编码器磁盘95。

另外，一些实施例中，CMM臂1可配合校准软件使用。通常，可通过将CMM臂的远端(例如探头)定位在某一预定已知位置，然后测量所述臂的角位置来进行CMM的校准。然而，这些校准点经常不确定唯一的臂取向方位，而是可由多个臂位置达到。为了提高校准程序的效果，可包括指示优选或期望的CMM臂校准位置1a的软件，所述校准位置1a包括远处端点以及臂的其余部分取向方位。进一步地，一些实施例中，所述软件也可实时显示与期望位置1a相比的臂的当前位置1b，如图7所示。更进一步地，一些实施例中，所述软件可突出与期望位置1a未对准的臂的部分。

如图7A所示，校准软件可包含在一个单独的辅助设备，例如连接至显示器220以及一个或多个输入设备230的电脑210。操作员240可使用系统电脑210通过操作一个或多个输入设备230设计一个校准程序，所述输入设备230可为键盘和/或鼠标。显示器220可包括一个或多个显示区域或部分，所述显示区域或部分各自显示CMM臂1在其当前位置不同的视图，可选地，所述当前位置可为期望的校准位置(如上所述)。这些显示器可各自内部连接在电脑210的一个程序或数据中。例如，电脑210上运行的程序可具有CMM臂当前位置在存储器中的内部表征，所述内部表征可以两个或多个抽象或半真实的方式显示在显示器220上。

多个实施例中，电脑210可包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个通讯机制。一些实施例中，可使用不止一个电脑来执行此处讨论的模块、方法和过程。另外，此处的模块和过程可各自在一个或多个处理器、一个或多个电脑上运行；或者此处的模块可在专门的硬件上运行。输入设备230可包括一个或多个键盘(单手或双手)、鼠标、触摸屏、声音指令及相关硬件、手势识别或其他可提供操作员240和电脑210之间通讯的方式。显示器220可为二维或三维显示器，并且可基于LCD、CRT、等离子体、投影等的任何技术。

系统200多个组件间的通讯可通过任一适当的连接实现，所述连接包括USB、VGA电缆、同轴电缆、火线(FireWire)、串连电缆、并连电缆、SCSI电缆、IDE电缆、SATA电缆、基于802.11的无线或蓝牙、或任何其他的有线或无线连接。系统200中的一个或多个组件也可结合成单个单元或模块来实现。一些实施例中，系统200所有的电子组件包含在一个单一的物理单元或模块。

校准软件增强的功能可使操作员简单查看显示器上的实时图像以及将实时图像叠置在期望图像上，这减少所需的手册或另外的培训文档，这些繁复的文件减缓校准过程。另外，可在前述显示器的帮助下精确并快捷地培训新的校准技术员。这些校准方法获取的数据由于增加的关节一致性(consistency of articulation)等可以更准确重复性更好。除了正确姿势下CMM的定位，校准原器(calibration artifact)120应当在臂能达到的范围内的正确位置下定位。当显示器显示真实的三维图像时，三维空间中校准原器的位置可准确显示，进一步确保测得正确的测量范围。

CMM的这些校准特征可以与此处描述的其他特征结合使用和/或在其他类型的CMM中单独使用。例如，一些实施例中，校准过程可利用基于CMM(如上所述)的位置和运动的指令。一些实施例中，校准期间，在延长的时间内保持所述臂静止可指示校准软件所述臂处于期望的位置。然后，所述软件可通过显示、声音、色彩等的改变确认处理该指令。然后，操作员可通过迅速从所述位置移出所述臂确认此结果。然后，校准软件可指示下一个校准点或指示校准完成。另外，该功能性也可扩展给操作员。一个例子是，在探头的校准期间，软件可显示该CMM所需的关节姿势和该CMM所处的实际姿势。操作员可移动该CMM直至其处于正确的位置并记录位置或自动记录。这样简化了使用过程并提高了数据采集的精度。依据被感知存在的探头的类型，诸如激光行扫描仪、触发式探头等，可提出不同的方法。

更进一步地，一些实施例中，CMM臂1可包括倾角传感器。一些实施例中，倾角传感器的精度至少约为1角秒。倾角传感器可包含在底座10、功能套件90或CMM臂1其他的部件。当倾角传感器置于底座10或功能套件90时，倾角传感器可检测CMM臂支撑结构的移动，所述支撑结构诸如桌子或三脚架，所述臂置于其上。这些数据接着传输到所述臂其他地方的处理模块或诸如电脑的其他外部设备。CMM臂1或外部设备可以警告使用者底座的移动和/或试图补偿所述移动，例如当倾角的超过一阈值量时。对使用者的警告可以以多种形式，诸如声音、把手40上的或通常靠近臂1一端的LED灯，或连接到臂1的监视器。替代地或附加地，倾斜发生时，该警告可以在臂1收集的数据上以标记形式显示。该数据可以在随后的分析时认为是不太准确的。当试图补偿所述移动时，一些实施例中，倾斜及其对位置的影响可部分测得并在校准过程中予以考虑。另一个的实施例中，可通过相应调整连接元件补偿该倾斜。CMM的这一特征可以与此处描述的其他特征结合使用和/或在其他类型的CMM中单独使用。

另一个实施例中，每测得一次臂位置时，从臂发送触发器信号至扫描仪。与臂触发一致，所述臂可锁定所述臂位置和取向方位。扫描仪也可记录所述信号相对于正在捕获扫描仪图像流(同样，例如作为时间戳记录)的接收时间(例如作为时间戳)。所述臂的信号数据可包含图像数据。依据两个系统(臂和扫描仪)的相对频率，每个扫描仪图像可以有不止一个臂触发器信号。臂以低于扫描仪图像的频率运行可能是不利的，这通常会导致臂和扫描仪频率至少部分不同步。臂和扫描仪数据的后期处理可结合臂位置进行，通过插补扫描帧以估计某一扫描仪图像时刻的臂位置。一些实施例中，该插补可为两个相邻点间的简单、线性插补。然而，其他实施例中，高阶多项式插补可用于补偿加速度、突发不规则抖动等。CMM的这一特征可以与此处描述的其他特征结合使用和/或在其他类型的CMM中单独使用。

上述多种设备、方法、程序和技术提供了实现本发明的多种方式。当然，应理解本发明具体实施例中所述的目的和优点并不一定全部实现。而且，尽管在某些实施例和例子的背景下公开了本发明，本领域的普通技术人员应当理解：本发明可以对具体公开的实施方式扩展成其他替代性实施方式，和/或使用、显而易见的改进或等同替换。因此，本发明不限于此处优选实施方式具体公开的内容。

Claims

1.一种铰接臂坐标测量机器，包括：

铰接臂，包括多个传动元件，多个至少将两个所述传动元件相连接的连接元件，位于远端的坐标获取元件和位于近端的底座；

其中，至少两个所述连接元件中的每一个包括至少一个编码器，至少两个所述编码器被包含在一体式外罩中。

2.根据权利要求1所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述一体式外罩包括可移除的盖部。

3.根据权利要求2所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述可移除的盖部盖合所述外罩的开口，编码器可通过该开口插入所述外罩。

4.根据前述权利要求任一项所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述外罩包括转轴接收部和转动接收部。

5.根据前述权利要求任一项所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述至少两个编码器用于探测绕至少两个相互垂直的轴的转动。

6.根据前述权利要求任一项所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述至少两个编码器能够被独立插入和移除。

7.一种铰接臂坐标测量机器，包括：

铰接臂，包括多个铰接臂元件，位于远端的坐标获取元件和位于近端的底座；和

气弹簧平衡，在相邻所述铰接臂元件之间的转动点支撑所述铰接臂；

其中，所述气弹簧平衡在相对于所述底座更接近所述转动点的一点，连接于更靠近所述底座的所述铰接臂元件。

8.根据权利要求7所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述气弹簧平衡包括整体锁紧机构。

9.根据权利要求7或8所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述气弹簧平衡包含氮气。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述气弹簧平衡包括制动结构，所述制动结构能够增加阻碍所述气弹簧平衡运动的阻力。

11.根据权利要求10所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述制动结构包括控制杆和插销，该插销能够开启和关闭所述气弹簧平衡内的孔，以控制气流量。

12.一种铰接臂坐标测量机器，包括：

其中，当所述气弹簧平衡处于大体上水平的位置时，在所述转动点的转动可以使得所述两个相邻的铰接臂元件之一处于大体上水平的位置。

13.根据权利要求12所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述气弹簧平衡包括整体锁紧机构。

14.根据权利要求12或13所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述气弹簧平衡包含氮气。

15.根据权利要求12-14中任一项所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述气弹簧平衡包括制动结构，所述制动结构能够增加阻碍气弹簧平衡运动的阻力。

16.根据权利要求15所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述制动结构包括控制杆和插销，该插销能够开启和关闭所述气弹簧平衡内的孔，以控制气流量。

17.一种铰接臂坐标测量机器，包括：

手柄，包括电子设备，且该手柄可移除的连接于所述坐标获取元件。

18.根据权利要求17所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述手柄提供模块化功能。

19.根据权利要求17或18所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述电子设备与所述铰接臂热隔离。

20.根据权利要求17-19中任一项所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述手柄与所述铰接臂热隔离。

21.一种操作铰接臂坐标测量机器的方法包括：

通过动作对坐标测量机器输入指令，该动作是从下列群组中挑选，该群组由将所述铰接臂置于预先设定位置的动作和以预先设定的方式移动所述铰接臂的动作组成。

22.根据权利要求21所述的方法，其中执行所述输入步骤不需要启动任何按钮、操作杆、转盘或其他传统驱动设备。

23.根据权利要求21或22所述的方法，进一步包括如下步骤：

将所述铰接臂置于收回位置；和

在将所述铰接臂置于收回位置的步骤之后，所述铰接臂自动进入休眠模式。

24.根据权利要求21-23中任一项所述的方法，进一步包括通过快速移动所述铰接臂将该铰接臂从休眠模式中唤醒的步骤。

25.根据权利要求21-23中任一项所述的方法，进一步包括通过移动所述铰接臂至伸展位置将该铰接臂从休眠模式中唤醒的步骤。

26.根据权利要求21-25中任一项所述的方法，进一步包括：当所述铰接臂缓慢移动时，自动转换所述铰接臂的数据获取模式的步骤。

27.根据权利要求26所述的方法，其中一旦所述铰接臂缓慢移动时，将所述铰接臂的数据获取模式铰接臂转换至更高频率或更高精度模式。

28.根据权利要求21-27中任一项所述的方法，进一步包括如下步骤：

通过保持所述铰接臂静止一段持续时间，指示已经到达所期望的校准位置；和

通过所述铰接臂的快速运动确认所述校准位置。

29.根据权利要求28所述的方法，其中确认所述校准位置的步骤在所述已经到达所期望的校准位置的指示经所述铰接臂或与所述铰接臂连通的辅助设备承认后执行。

30.一种铰接臂坐标测量机器用于从动作接收命令，该动作是从下列群组中挑选，该群组由将所述铰接臂置于预先设定位置的动作和以预先设定的方式移动所述铰接臂的动作组成。

31.一种校准铰接臂坐标测量机器的方法包括：

给用户指示校准点和关联的臂校准位置；

移动铰接臂的远端至所述校准点；和

移动所述铰接臂至所述校准位置。

32.根据权利要求31所述的方法，其中所述给用户指示校准点和关联臂校准位置的步骤包括：显示所述臂校准位置。

33.根据权利要求31或32所述的方法，进一步包括如下步骤：在所述移动步骤中，显示所述铰接臂的当前位置。

34.根据权利要求31-33中任一项所述的方法，进一步包括如下步骤：显示代表一个或多个校准位置的校准原器。

35.根据权利要求31-34中任一项所述的方法，进一步包括如下步骤：突出显示与所述校准位置未对准的部分。

36.根据权利要求31-35中任一项所述的方法进一步包括如下步骤：指示已到达校准位置。

37.根据权利要求36所述的方法，其中所述指示已到达校准位置的步骤包括保持所述铰接臂静止一段持续时间。

38.根据权利要求36或37所述的方法，其中述指示已到达校准位置的步骤包括显示、声音或颜色的变化。

39.根据权利要求36-38中任一项所述的方法，进一步包括如下步骤：通过快速移动所述铰接臂确认已到达校准位置。

40.一种铰接臂坐标测量机器系统，包括：

铰接臂坐标测量机器，以及和所述坐标测量机器连通的显示器，该显示器同步且实时地指示校准点、相关联的校准位置和所述坐标测量机器的当前位置。

41.一种铰接臂坐标测量机器系统，包括：

铰接臂和显示器，其中该显示器显示所述坐标测量机器的当前位置和所述坐标测量机器的期望位置。

42.根据权利要求41所述的系统，其中所述坐标测量机器的期望位置是用于探针校准的一系列位置之一。

43.根据权利要求42所述的系统，其中所述探针是触式探针。

44.根据权利要求42所述的系统，其中所述探针是激光扫描探针。

45.一种操作铰接臂坐标测量机器的方法，包括：

利用坐标测量机器测量在物体上的一个或多个坐标；

将所述坐标测量机器内的至少一个编码器至少部分断电；

将所述至少一个编码器通电；和

将所述编码器通电之后，测量在所述物体上的一个或多个坐标，而无需重新索引所述编码器。

46.根据权利要求45所述的方法，其中所述断电步骤包括完全断电所述编码器。

47.根据权利要求45或46所述的方法，进一步包括如下步骤：将所述坐标测量机器置于睡眠模式。

48.根据权利要求45-47中任一项所述的方法，进一步包括如下步骤：将所述断电步骤前后测定的坐标组合为表示测定物体的单独数据集。

49.一种铰接臂坐标测量机器，包括：

铰接臂，包括多个铰接臂元件，在远端的坐标获取元件和在近端的底座；

其中，至少一个所述铰接臂元件包括绝对式编码器。

50.根据权利要求49所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述至少一个绝对式编码器配置为可进入睡眠模式，在所述睡眠模式中所述绝对式编码器不测量其位置。

51.根据权利要求50所述的铰接臂坐标测量机器，其中当处于所述睡眠模式时，所述至少一个绝对式编码器被断电。

52.根据权利要求49-51中任一项所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述至少一个绝对式编码器配置为可进入一种模式，在该种模式中所述绝对式编码器以较低频率读取位置。

53.根据权利要求49-52中任一项所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述绝对式编码器包括不重复图案。

54.根据权利要求53所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述图案包括变化的反射特性。

55.根据权利要求53或54所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述图案包括变化的透明特性。

56.根据权利要求53-55中任一项所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述图案包括变化的磁性特性。

57.根据权利要求49-56中任一项所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述铰接臂包括多个测量转动轴，每个所述测量转动轴至少对应一个所述绝对式编码器。

58.根据权利要求49-57中任一项所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述绝对式编码器包含一个以上读头。

59.一种铰接臂坐标测量机器，包括：

铰接臂，包括多个铰接臂元件，在远端的测量探针和在近端的底座；

倾斜传感器，刚性连接于所述底座，从而所述倾斜传感器能够探测所述底座的倾斜角。

60.根据权利要求59所述的铰接臂坐标测量机器，其中当底座的倾斜改变至超过一阈值时，所述铰接臂给用户提供信号。

61.根据权利要求59或60所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述铰接臂或外部设备补偿通过倾斜传感器感知的倾斜数据。

62.根据权利要求59-61中任一项所述的铰接臂坐标测量机器，其中当底座的倾斜改变至超过一阈值时，所述铰接臂或外部设备标记采集的数据。

63.一种操作铰接臂坐标测量机器的方法，包括：

利用坐标测量机器测量一个或多个坐标；

持续测量所述铰接臂坐标测量机器的倾斜；和

当测定的倾斜超过界限值，执行回应倾斜的动作。

64.根据权利要求63所述的方法，其中所述动作包括就所述倾斜补偿测定的坐标。

65.根据权利要求63或64所述的方法，其中所述动作包括给使用者提供关于所述倾斜的信号。

66.根据权利要求63-65中任一项所述的方法，其中所述动作包括标记在倾斜期间测定的坐标。

67.一种铰接臂坐标测量机器，包括：

铰接臂，包括多个铰接臂元件，在远端的测量探针和在近端的底座；知

对接部，在所述底座上，所述对接部用于形成和模块化功能套件的连接。

68.根据权利要求67所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述对接部包括电子连接器，用于形成和功能套件的电子连接。

69.根据权利要求68所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述电子连接包括数据传输连接。

70.根据权利要求68或69所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述电子连接包括动力传输连接。

71.根据权利要求67-70中任一项所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述对接部包括机械连接。

72.根据权利要求67-71中任一项所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述对接部包括热连接。

73.根据权利要求72所述的铰接臂坐标测量机器，其中所述对接部通过热传导元件连接至所述铰接臂中的电子设备，允许所述铰接臂和所述功能套件之间的热传递。

74.一种铰接臂坐标测量机器系统，包括：

铰接臂，包括多个铰接臂元件，在远端的测量探针和在近端的底座，所述底座包括对接部；和

多个功能套件，用于通过所述对接部电性连接至所述铰接臂和提供附加电子功能。

75.根据权利要求74所述的铰接臂坐标测量机器系统，其中至少一个所述功能套件包括倾斜传感器。

76.根据权利要求74或75所述的铰接臂坐标测量机器系统，其中至少一个所述功能套件包括数据存储设备。

77.根据权利要求76所述的铰接臂坐标测量机器系统，其中所述包括数据存储设备的至少一个功能套件包括用于铰接臂操作的指令。

78.根据权利要求74-77中任一项所述的铰接臂坐标测量机器，其中至少一个所述功能套件包括数据传输的无线功能。

79.根据权利要求74-78中任一项所述的铰接臂坐标测量机器，其中至少一个所述功能套件包括散热器或冷却风扇。

80.根据权利要求74-79中任一项所述的铰接臂坐标测量机器其中至少一个所述功能套件包括电池。

81.一种用于铰接臂坐标测量机器系统的功能套件，包括：

模块化设计，其形状大体上与便携坐标测量机器的底座形状相匹配，所述功能套件进一步包括至少一个给所述坐标测量机器提供附加功能的电子设备。

82.根据权利要求81所述的功能套件，其中所述功能套件括数据存储。

83.根据权利要求81或82所述的功能套件，其中所述功能套件括无线数据传输功能。

84.根据权利要求81-83中任一项所述的功能套件，其中所述功能套件包括热传递。

85.一种坐标测量设备，包括：

铰接臂，具有第一端和第二端，其间具有多个连接臂段，每个臂段定义至少一个转动轴，邻近所述铰接臂远端的轴承定义最近的转动轴；和

激光扫描仪，配置连接于所述铰接臂远端，其中所述铰接臂持续生成触发器信号，所述触发器信号被所述激光扫描仪接收并指示测量所述铰接臂位置的时间。

86.根据权利要求85所述的坐标测量机器，其中铰接臂测量频率高于扫描测量频率。

87.根据权利要求85或86所述的坐标测量机器，其中与扫描仪图像的时间对应的臂位置通过基于触发器信号相关的时间以及扫描仪图像的时间的两个臂位置之间插补算出。

88.根据权利要求85-87中任一项所述的坐标测量机器，其中所述触发器信号由信号发生器产生，该信号发生器设于所述铰接臂内的电子设备之内。

89.一种操作坐标测量设备的方法，包括：

持续测量铰接臂的位置；

根据每次测量所述铰接臂位置产生多个触发器信号；

将所述触发器信号传输至位于所述铰接臂的一端的扫描仪；

从所述扫描仪获取扫描仪测量；和

将所述扫描仪测量与多个所述触发器信号关联。

90.根据权利要求89所述的方法，进一步包括如下步骤：将插值臂位置与所述扫描仪测量关联。

91.根据权利要求90所述的方法，其中所述插值为线性插值。

92.根据权利要求90所述的方法，其中所述插值是较高阶多项式插值。

93.根据权利要求89-92中任一项所述的方法，其中所述持续测量铰接臂的位置的步骤，包括持续输出多个转动关节的角位置。

94.根据权利要求89-93中任一项所述的方法，其中所述扫描仪是激光扫描仪。

95.根据权利要求94所述的方法，其中所述扫描仪测量包括坐标测量。

96.根据权利要求89-95中任一项所述的方法，其中所述铰接臂位置的测量频率高于所述扫描仪的测量频率。