坐标测量机器的制造方法
【专利说明】坐标测量机器
[0001]本发明涉及一种根据权利要求1所述的坐标测量机器以及一种根据权利要求17所述的通过使用这种坐标测量机器测定目标对象的方法。
[0002]通常，坐标测量机器(简称CMM)具有用于测定目标对象的表面的接触探头或光学探头。光学探头或接触探头可移动地固定在铰接臂处(如例如在EP2283311A1中针对接触探头所示的情形)或门架处(如例如在W02008/135530A1中针对光学探头所示的情形)，从而探头能够在目标对象的表面上移动。为了准备这种测量，通常必须借助参考对象对CMM进行校准，并且必须编写限定用于测量探头的轨迹的程序。在刚要能够开始测量之前，必须检查目标对象是否适当地固定在正确位置以及在测量探头的路径上是否存在障碍物。这意味着除了测量本身之外，在进行测量之前还必须进行耗时的校准，并且只有受到专业训练的用户才能执行测量。
[0003]在工业上，测量时间被认为是非生产时间，因为在该期间并没有生产可供销售的部件。因此，测量任务必须尽可能快地进行。因而，高测量速度和短的准备时间，包括待测定对象的快速固定和CMM的短的校准时间，都具有高的商业重要性。在这种情况下，可以理解的是，不仅关心测量探头相对于目标对象的最大运动速度(这主要对于大部件以及测量探头需要行进较长距离比较重要)，而且关心最大加速度和减速度，这对较小工件来说比较重要，因为其允许将测量探头相对于目标对象非常快速地定位在所关心的位置。
[0004]因此，在过去已经采取了若干措施来增加测量速度。例如，通常利用光学探头而不是接触探头进行测量能够增加测量速率并且能够避免目标对象表面处的磨损影响。
[0005]另一个增加测量速率的选择是使用摄像机作为测量探头，并且以“飞行”模式使用该摄像机，如在W02008/135530A1中公开的。在“飞行”测量模式期间，摄像机在目标对象上连续地运动，并且仅在所关心的位置处拍摄照片，而不在此处停留。用于每幅图像的位置数据从位置编码器发出并与相应的图像存储在一起。所关心位置的闪光灯照明确保了清晰的照片，而不管摄像机的运动速度如何。由于摄像机并不停留在所关心位置，必须进行较小的减速和加速动作，这降低了测量时间。然而，为了获知所关心位置并且为了沿着包括所有关心位置的最佳轨迹移动摄像机，通常必须根据参考对象对CMM进行校准，并且随后对包括限定的应该拍摄照片的所关心位置的轨迹进行编程。
[0006]然而，使用具有标准尺寸光学器件的节约成本的标准摄像机当以足以到达必要精度的放大率使用时显示出了较小的视野。由于视野较小，必须拍摄许多图像，这意味着为了看到所有关心特征，摄像机必须进行许多运动。因此，具有铰接臂或门架结构的商用CMM的生产量一不管是以飞行模式使用还是不以飞行模式使用一由于其低速度和低加速度都仍然不是令人满意。为了面对这种不令人满意的情形，如今许多CMM都提供有设置大直径物镜的摄像机，从而对于相同放大率来说显示出更大的视野。结果，对于测量较小目标对象来说无需任何运动，涵盖较大目标对象仅需要较少的运动的较少的图像。然而，这些CMM比较昂贵，因为具有这种大物镜的摄像机的价格较高。
[0007]最新的发展是通过使用所谓的德尔塔(Delta)机器人而不是门架结构或铰接臂移动接触测量探头来增加测量速率(Renishaw的小册子“Equator 300 Mess-System”，2011年7月出版)。
[0008]德尔塔机器人是一种并联机器人。这种机器人包括固定在静止框架(其安装在工作空间上方)上的静止基座以及从基座延伸的三个中间铰接臂。经常被称为运动链的臂通过万向接头以其第一端联接至基座，并且以其第二端连接至经常采取三角形或圆形平台形式的末端执行器。这些臂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，末端执行器可在运动区域内运动。该运动区域是末端执行器可最大程度地运动的三维空间。最大运动的边界一并通过运动区域的边界一由运动链的构造限定，并且在物理上得到的它们的公共运动的极限由末端执行器联接。可以利用线性或旋转致动器进行致动。由于臂由轻质复合材料制成，因此德尔塔机器人的运动部件具有较小惯性。这允许进行非常高的加速度和非常快的运动，迄今为止其远高于与门架机器或铰接臂所能够实现的。德尔塔机器人的关键设计特征是在臂中使用平行四边形，其通过将末端执行器的运动限制成纯平移(仅具有三个自由度的运动(3DOF:在x、y或z方向上的平移))来维持末端执行器的方位。如今，在工业中德尔塔机器人主要用来夹持和放置物品，其中夹持器布置在末端执行器处。末端执行器的运动以及物品的精确夹持和放置由主控制器来控制，该主控制器获得致动器以及连接至臂的接头的角度编码器(经常被称为位置编码器)的反馈信息。从必须被夹持的物品的位置到必须放置物品的位置的末端执行器的轨迹存储在主控制器中。在操作过程中，主控制器控制臂的致动器，使得末端执行器遵循编程轨迹的方式。
[0009]在进一步的改进中，已经创造了基于德尔塔机器人结构的机器。由此，德尔塔机器人的自由度(DOF)已经扩展到6个，允许末端执行器在笛卡尔方向X、y和z上进行横向运动并围绕这些轴进行旋转运动，从而得到偏航、滚动和俯仰。因为它们较高的加速度/减速度以及它们较高的运动速度，德尔塔机器人和基于德尔塔机器人的机器广泛用来在包装工业、医学和医药工业的工厂中进行拾取和包装。一些可以每分钟执行高达300次拾取。其他可能的应用包括在电子元件的清洁室内进行的组装任务或操作以及触觉接口，这种触觉接口控制医疗或工业机器人系统，以便使得操作人员能够本能地安全地操作临界系统。
[0010]但是，尽管德尔塔机器人在各种技术领域中都有应用，但是迄今已经发现德尔塔机器人并不适合于测量要求。这是因为它们对温度波动以及在快速运动和快速加速/减速动作期间由它们的轻质构造引起的强烈振动比较敏感。结果，无法足够精确地确定末端执行器的确切位置，并且不可能利用光学装置(例如用于CMM的光学探头或摄像机)进行足够的聚焦。
[0011]因此，如在Renishaw的小册子“Equator 300 Mess-System”中提出的，使用德尔塔机器人移动CMM的接触探头与以上阐述并不矛盾，而是通过使用接触测量探头考虑到了德尔塔机器人的这些问题。由于接触探头必须接触目标对象的表面，因此接触探头规定了测量速度，该速度远低于德尔塔机器人将允许的速度。因而，无论如何测量速率到受到接触探头的限制，并且因而能够确定其位置。然而，德尔塔结构关于加速度和运动速度提供的可能性仍未充分开发。另外，在该小册子中公开的CMM也是仅仅能够参照参考对象测量目标对象，在生产一系列目标对象之前必须测量参考对象。这意味着在测量之前必须进行校准。因此，在测量准备过程中不可能削减任何测量时间，并且只有受到专门训练的人员才将能够操作这种CMM。
[0012]因此，所提出的发明的目的是一种用户友好、价格合理且非常快速的坐标测量机器。所说的目的通过根据一个或多个独立权利要求或与一个或多个从属权利要求组合的独立权利要求的坐标测量机器来解决。
[0013]这里提供的一种坐标测量机器CMM包括作为支撑结构的德尔塔机器人。该德尔塔机器人具有可在运动区域内运动的位于其运动链的自由端的末端执行器。其中所述运动区域是所述末端执行器能够最大程度运动的空间，并且所述末端执行器的最大运动受到运动链的构造及其由所述末端执行器联接的相互作用的限制。固定至所述末端执行器的工具保持架被构造成容纳各种测量探头。所述测量探头可借助所述末端执行器在目标对象上在所述运动区域内运动，其中所述末端执行器的运动受到控制单元的控制。CMM的分析单元被构造成处理由所述测量探头输出的电子信号和/或数据。根据本发明，所述测量探头是摄像机。因而，由所述测量探头输出的信号或数据是由所述摄像机拍摄的图像，其中所述摄像机包括视野涵盖所述运动区域的最大20%的光学器件。所述分析单元包括用于存储所述图像的存储装置并包括用于处理所述图像的电路单元。所述控制系统被构造成使所述摄像机以“飞行”模式在所述目标对象上运动。
[0014]如前面提到的，在该申请中，以在W02008/135530A1中更详细地描述“飞行”模式的意义来使用“飞行”模式。因而，“飞行”模式是指摄像机在目标对象上连续地运动，并且仅在关心位置处拍摄照片，并且这些照片是在不在所关心的那些位置处停止的情况下拍摄的。对用于每个图像的位置数据进行检测并与对应图像一起存储。如果必要的话，对所关心位置进行闪光灯照明确保清晰照片，而不管摄像机的运动速度如何。由于摄像机并不在所关心位置停止，不必执行减速度和加速度动作，从而能够显著降低测量时间。
[0015]摄像机具有运动区域最大20%的视野是指，如果末端执行器位于运动区域的边界位置，并且固定在末端执行器处的摄像机拍摄穿过运动区域到达位于该运动区域的最靠外的另一侧的边界的景象，摄像机的视野涵盖该运动区域在一区域(即由所述摄像机从所述视角从该运动区域拍摄的图像)上的投影的最大20%。这意味着，在摄像机在运动区域的一端即德尔塔结构的静止基座(运动链固定在该静止基座上)附近在目标对象上运动并且目标对象相对于静止基座固定在运动区域的一侧的情况下，摄像机涵盖目标对象在一区域即图像上的投影的最多20%，并且如果其更接近地在目标对象上运动则相应地涵盖更少的区域。由于摄像机具有视野涵盖运动区域最多20%的光学器件，摄像机能够以非常低的惯性质量构建，并且能够输出高质量图像。另外，这种摄像机节省成本，并且因此整个CMM的价格都可以较为合理。具有这种摄像机的作为支撑结构的德尔塔机器人与构造成使摄像机以“飞行”模式运动的控制单元的组合，使得摄像机可进行高速运动和高加速度和减速度动作。因而，由于高速运动而能够非常快速地测量大的目标对象。小的目标对象也能够非常快速地测量，这是因为允许发生多次快速改变运动方向的高加速度和减速度动作。
[0016]如在现有技术中已知的，CMM设置有采取显示器或监视器以及可选的用于声音警报的扬声器形式的输出装置，它们连接至分析单元，以将结果提供给用户。另外，如所公知的，还有用于使用户能够操纵CMM的输入装置。这些装置可以被集成在这里提供的CMM中，例如，集成在静止基座中，或者它们可以构建为外部单元或集成在以公知方式通过有线或无线连接至CMM的计算机中。
[0017]在一个优选实施方式中，所述分析单元的电路被构造成生成