转位器的制作方法

专利名称：转位器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种转位器(indexer)以及应用所述转位器来定位部件的方法。特别 地，但不是唯一地，本发明涉及用于牙科设备中的转位器。
背景技术：
在牙科领域中，期望的是能够扫描三维物体的形状并且复制所述形状，例如通过 从坯料铣削出该形状。为了扫描物体，探针必须相对于所述物体移动，反之亦然；对于在刀 具和坯料之间需要相对运动的铣削也是这样。可以通过提供具有三维运动的探针使得探针能够接近固定样品的整个表面而实 现对三维物体的扫描；然而，这需要相对大的工作空间并且因此不适于存在尺寸限制的应 用。该探针可以是接触探针，诸如接触触发器或者扫描探针，或者非接触探针，诸如光学探 针、电容探针或者电感探针。在瑞尼斯豪的欧洲专利申请EP1468242中披露了一种用于扫描三维物体的替代 方法，该方法减少了所需要的工作空间。EP1468242描述了如何通过可重新定方位的支架将 样品保持在合适位置，所述支架适于在至少两个侧面被可重复地安装在基部上。当所述可 重新定方位的样品支架的不同表面被接纳在基部上时样品的不同方位之间的关系是已知 的。样品被沿一个方位扫描、重新定方位并且在新的方位被扫描。然后将在每个方位中样 品的扫描数据匹配在一起以便获得关于整个样品的扫描数据。为了将各扫描匹配在一起， 必须在样品的每个方位扫描参考物体。在扫描过程中这是一个耗时的步骤。作为扫描参考 样品的替换，可以使用计算机处理和软件来匹配重叠的扫描值，这也是费时的。该方法的另一个缺点是必须人工确定部件的方位。因此，该过程需要在整个扫描 期间以规律的间隔进行人工干预。

发明内容
本发明涉及一种转位器，其用于在至少第一和第二转位位置之间提供第一部件相 对于第二部件的旋转，位于所述至少第一和第二部件之间的所述旋转轴线运动学地位于所 述第一和第二转位位置。根据本发明的第一方面，一种用于提供部件从第一转位位置旋转至第二转位位置 的转位器，包括转位器框架以及用于旋转的部件，所述转位器框架具有至少一个转位结构，所述 部件具有至少一个转位结构，其中所述转位器框架上的所述至少一个转位结构可以与所述 部件上的所述至少一个转位结构协作以便提供所述部件相对于所述转位器框架的两个或 多个转位位置；其中在使用中，所述部件关于所述转位器框架定位以便形成一轴线，所述部件能 够相对于转位器框架围绕所述轴线旋转，所述轴线被运动学地定位。所述运动学定位的轴线具有以下优点相对于转位器框架限定的轴线的位置是高度可重复的。因此，当部件围绕轴线旋转时，每个转位位置可以是高度可重复的。运动学定 位的轴线的使用保证了轴线的可重复性，而不会依赖于精确机加工的部件，这使得转位器 便宜且容易构造。另外，因为在一个校准过程之后精确地得知每个转位位置部件的相对位置，所以 不需要在部件的每个方位重新校准部件相对于探针的位置。如果例如对部件执行扫描过 程，则不需要在部件的每个方位对参考物体进行扫描。在每个转位位置对部件的扫描可以 被匹配在一起，而无需参考物体。这就节省了扫描或机加工部件的过程的时间。正如将要理解的，并且例如如H. J.J. Braddick在Chapman & Hall (1960年，伦敦) 中发表的“实验室设备的机械设计”(第11-30页)中所描述的，运动学设计涉及应用最少 数目的约束来约束本体或结构的运动自由度，特别涉及避免过约束。在这种情况下，被约束 的结构是旋转轴线。正如将要理解的，当本体之间的接触点使得结构的位置处于多于一个 地点时会发生过约束。因此，结构的位置是不可重复的，因为在组装本体时不知道结构将位 于所述至少两个地点的哪一个。对于轴线，这种过约束将造成轴线不是真正的可重复，即， 它可能位于至少两个位置的其中一个处，这取决于如何组装部件和转位器。这也可能意味 着在旋转期间轴线容易摇晃。这可以通过确保仅提供一个静止位置而避免。如果提供多于 一个静止位置，则可以提供偏压以便确保总是迫使本体进入多个静止位置的其中一个，从 而确保满足运动学设计考虑。因此，优选地，构造相互协作以便促进转位器框架与部件之间的旋转的转位器框 架和部件上的结构，以便在它们之间限定被运动学定位的旋转轴线，即运动学轴线。通过本发明的运动学轴线，限定所述轴线的结构在每个转位位置是相同的。只有 约束围绕所述轴线旋转的转位结构在每个转位位置之间改变。然而，正如将要理解的，用来约束围绕轴线旋转的部件或转位器框架上的转位结 构的至少一个在每个转位位置可以是相同的。可以通过转位器框架与部件之间的至少两个间隔开的接合位置来限定所述轴线。 优选地，构造部件和转位器框架在其中一个接合位置处的协作结构以便在至少一个自由度 上约束所述轴线，并且构造部件和转位器框架在所述至少另一个接合位置处的协作结构以 便在至少另一个自由度约束所述轴线。优选地，构造所述至少另一个接合位置处的协作结 构以便在剩余的自由度(除围绕轴线旋转之外)约束所述轴线。特别地，可以构造第一接 合位置以便在至少一个平移自由度(优选在至少两个彼此垂直的平移自由度，特别优选在 至少三个彼此垂直的平移自由度)约束轴线的点。可以构造至少另一个接合位置以便在至 少一个旋转自由度(优选在关于所述第一接合位置的至少两个旋转自由度)约束轴线的运 动。所述至少另一个接合位置可以在第一接合位置提供约束的其中一个自由度是柔 性的。优选地，所述至少另一个接合位置在与轴线平行的维度是柔性的。这种柔性能够帮 助避免过度约束轴线。例如，在每个接合位置处在协作结构之间接触的点可以限定一接触 平面。优选地，其中一个接合位置的接触平面相对于部件和转位器框架固定并且另一个接 合位置的接触平面可以弹性地移动。优选地，所述接触平面由在给定接合位置处部件和转 位器框架的协作结构之间的不多于三个接触点限定。为了约束五个自由度，最小约束数目是五个。这可以例如通过五个刚性接触提供。然而，正如将要理解的，并且正如下面更详细解释的，可以使用更多的刚性接触而不会过度 约束轴线。便利地，所述转位器框架包括两个相对的框架端，它们由框架本体间隔开。这就提 供了一个结构，使得轴线可以固定在两个间隔开的位置。优选地，通过偏压机构，一个框架端被朝着另一个框架端偏压。更优选地，所述偏 压机构包括弹簧。替换地，所述偏压机构可以例如是磁体或者液压缸。所述偏压机构提供 了将部件确定地定位在转位器框架中的力。一个框架端中柔性的优点是即使部件有一些 磨损，也能使得轴线保持可重复性，因此减少了对部件紧密度公差的要求。优选地，所述部件与转位器框架之间的所述定位由设置在部件和转位器框架上的 相应的凹槽和突起之间的协作而促进。例如，在第一位置，转位器框架和部件的其中一个上 的至少第一突起可以设置为与部件和转位器框架的另一个上的至少第一相应凹槽协作。同 样，在第二位置，转位器框架和部件的其中一个上的至少第二突起可以设置为与部件和转 位器框架的另一个上的至少第二相应凹槽协作。在两个位置，可以通过与部件上的突起协 作的转位器框架上的凹槽运动学地定位所述轴线，或者反之在两个位置，通过与部件上的 凹槽协作的转位器框架上的突起运动学地定位轴线。优选地，一个协作凹槽和突起对与另 一个协作凹槽和突起对分离，即两个位置是分离的。有利地，凹槽可以包括三角形凹槽。有利地，突起可以包括球。由于与突起形成三 个接触点的三个侧面，所以三角形凹槽在约束三个自由度方面是有效的。由于均勻的球形， 所以球可以是有效的突起。替换地，凹槽可以例如包括其它三面凹槽，诸如三个球或三个辊的组群，或者在轴 线一端处三面凹槽与在轴线另一端处两面凹槽(诸如V型槽，两个球一起，或两个辊子一 起)的组合。正如将要理解的，当应用三面凹槽与两面凹槽的组合时，可能需要将突起定位 在两面凹槽中的额外力来保证稳定的运动学定位。这可以通过诸如弹簧等偏压装置来提{共。所述突起可以替换地包括例如辊子。优选地，转位器框架被构造成具有第一位置和第二位置，第一位置用于定位所述 部件，超出所述第二位置则释放部件。这具有以下优点可以可重复地从转位器框架移除部 件并且重新放置在转位器框架中，从而就得知部件围绕其旋转的轴线的位置。可以足够可 重复地移除并重新放置部件，从而不需要重新校准部件相对于探针的位置。能够从转位器 移除部件使得可以离开转位器检查或加工部件。使用者可能希望用不同的部件交换原来的 部件，所述不同部件的旋转轴线也是已知的。这在牙科领域是特别有利的，原因是使用者可 能希望一旦已经加工坯件以后就移除坯件及其支架并且用新的未加工的待加工坯件及坯 件支架更换它，与此同时对第一坯件进行检查。有利地，第一和第二位置之间的运动可以由可移动框架端提供。更有利地，所述可 移动框架端相对于转位器框架是悬吊的以便允许所述第一位置和第二位置之间的运动。便利地，转位器适于被安装在牙科设备上。这种牙科设备例如包括牙科铣削机器 和牙科扫描机器。由于牙齿部件小的并复杂的三维形状以及由于牙科设备本身的尺寸约 束，转位器在牙科领域特别有用。转位器还可以用在任何工业中对小的三维部件的机加工 中，或者用在任何工业中对小的三维部件扫描中。转位器在陶瓷工业中特别有用。
部件可以包括工件。例如，部件可以包括将要由工件检查工具检查的工件。选择 地，所述部件可以包括将要由工具加工的工件。例如，工件可以是坯件。部件优选包括工件 支架。例如，部件可以包括坯件支架。例如，部件可以包括从牙齿假体加工牙齿部件的坯件、 从牙齿假体加工任何小的三维部件的陶瓷坯件或者任何其它小的三维部件。替换地，所述 部件可以适于提供平台，用于保持用于扫描或用于机加工的样品。所述部件可以是如下所 述的“安装”块。转位器框架和部件中的其中一个可以具有两个或多个转位结构，并且转位器框架 和部件中的另一个可以具有一个或多个转位结构，因此提供了部件相对于框架的两个或多 个转位位置。便利地，可以提供部件相对于转位器框架的两个转位位置。可以通过部件上 的两个转位结构提供这两个位置，这两个转位结构均与转位器框架上的一个转位结构可以 协作，或者反之亦然。对于诸如铣削和扫描牙齿假体等过程，通常需要接近坯件的顶侧和下 侧或者假体本身，假体从所述顶侧和下侧被机加工；两个转位位置使得可以实现这点。优选地，运动学地定位所述转位位置。更优选地，通过设置在部件和转位器框架上 的协作的转位结构而实现对转位位置的运动学定位。当部件被运动学地定位在其任何转位位置中时，应用最少数目的约束(六个约束 是需要用来约束六个自由度的最少数目)在六个自由度上约束部件的运动。通过之前讨论 的运动学定位的轴线在五个自由度上约束部件的运动。当部件被安装在转位器框架中时部 件能获得的唯一运动是围绕轴线的转动。为了实现转位位置，部件可以被进一步地约束，从 而防止围绕轴线的旋转。相对于转位器框架对部件进行运动学定位的优点是相对于部件 在另一个转位位置的位置，部件在一个转位位置的位置是已知的。这使得无需例如对参考 物体进行扫描以及进一步的校准就能进行扫描或机加工，并且处于不同转位位置的部件能 够被容易地调整并匹配起来。所述部件因此被准确并精确地定位，而无需花费很多来制造 转位器和框架的精确并准确的部件。优选地，提供每个运动学定位的转位位置的转位结构包括位于部件上的至少一个 突起以及位于转位器框架上的至少一个相应凹槽。替换地，所述转位结构可以包括位于转 位器框架上的至少一个突起以及位于所述部件上的至少一个凹槽。优选地，转位器框架和 部件的其中一个具有限定多个转位位置的多个转位结构。转位器框架和部件中的另一个 具有用于与转位器框架上的多个转位结构的至少一个协作的至少一个转位结构以便将转 位器框架和部件定位在一转位位置。转位器框架和部件上的转位结构的数目不需要是相同 的。例如，转位器框架和部件的其中一个可以具有仅仅一个转位结构，用于与设置在部件和 转位器框架的另一个上的转位结构的每一个协作。优选地，部件和转位器框架的其中一个 上的至少一个转位结构的位置是选择性地可以调节的。选择地，可以选择性地调节具有更 多数目转位结构的部件和转位器框架上的转位结构的位置。优选地，部件和转位器框架的 另一个上的转位结构是固定的。至少两个突起可以设置在部件上，用于与转位器框架上的至少一个凹槽相协作。 优选地，至少两个凹槽被设置在转位器框架上，用于与部件上的至少一个突起相协作。更 优选地，一个突起设置在部件上。已经发现，相比较精确对准部件上的突起，更容易精确对 准转位器框架上的凹槽，以便例如提供旋转地间隔180度的转位位置。在以下实施例中尤 其是这种情况其中突起被机加工到实心块中，部件由所述实心块制成，而凹槽被设置在臂上，臂的位置可以相对于框架的主体被调节以便对准凹槽。在此情况下，可以使用精确机加 工的“安装”部件以便对准凹槽；从而仅仅需要一个精确机加工的“安装”部件以便构造许 多转位器框架；每个框架提供精确间隔的凹槽以便提供与部件上单个突起相协作的精确转 位位置。所述“安装”块可以位于转位器框架中而不是部件中。因此“安装”块关于转位器 框架定位以便形成一轴线，“安装”块能够围绕所述轴线相对于框架旋转，所述轴线被运动 学地定位。优选地，所述轴线通过转位器框架上的凹槽被运动学地定位，所述凹槽在两个位 置与“安装”块上的突起协作，或者反之亦然，通过转位器框架上的突起定位，所述突起在两 个位置与“安装”块上的凹槽协作，如上参照部件和转位器框架描述的。有利地，“安装”块设有用于与转位器框架上的转位结构协作的转位结构。特别地， “安装”块上的转位结构可以被精确地定位，使得转位器框架上的转位结构可以与“安装”块 上的转位结构对准。便利地，“安装”块上的转位结构可以包括精确地间隔180度的两个突 起。将会理解，可以设置彼此精确地间隔开的任何数目的转位结构。转位结构可以作为“安 装”块的一部分被机加工，或者单独地机加工并附接至“安装”块。有利地，突起可以是锥形销。有利地，凹槽可以是具有至少两个平直的平行并大致 相对的侧面的狭槽。应用锥形销的一个优点是与凹槽接触的角度通常是已知的。需要该角 度来计算可以被施加的力的值，而不用销从狭槽中出来(在铣削或接触扫描期间这可能是 重要的，因为外力施加在部件上)。应用具有至少两个平直侧面(所述侧面从旋转轴线径向伸出)的狭槽一个优点 是所述平直侧面防止部件围绕轴线旋转。一个平直侧面防止沿顺时针的旋转，另一个平直 侧面防止沿逆时针的旋转；因此它们共同防止部件围绕轴线的旋转，从而限制部件的一个 自由度。狭槽的宽度为相对地定位转位结构提供了若干公差，使得无需大的精度就将转位 器框架的各部件组装在一起。替换地，所述转位结构例如可以是与一止动件协作的突起，以及抵靠所述止动件 保持突起的磁体，或者与锥形孔协作的直边销。优选地，部件和转位器框架的其中一个上的任何转位结构可以相对于部件和转位 器框架的另一个上的任何转位结构在一接合位置与一脱离位置之间移动。这使得部件的转 位结构与转位器框架的转位结构脱离，以便允许部件围绕轴线从第一转位位置旋转至第二 转位位置。它还允许将部件的转位结构与转位器框架的转位结构重新接合起来以便运动学 地将部件定位在转位位置。所述转位结构可以沿任何方向移动，只要它沿部件围绕所述运 动学定位的轴线的旋转方向是刚性的，从而防止它沿所述方向旋转。优选地，在相对于转位器框架悬吊的臂上设置任何可移动的转位结构。所述转位器可以设有一校准结构，例如位于触针端部的球。将会理解，可以代替触 针端部上的球使用能够提供可重复参考点的任何其它结构。当例如在牙科设备中使用转位 器时，可以在牙科设备上设置测量探针，使得测量探针可以确定转位器上校准结构的位置。 可以相对于部件的位置确定转位器校准结构的位置，从而可以通过使校准结构与测量探针 接触而获得部件的位置。在牙科设备例如是牙科铣削机器或牙科测量机器的情况下，优选 在每次打开机器电源时使用测量探针来接触校准结构，之后进行测量或机加工行为。根据本发明的第二方面，与转位器框架一起使用的部件包括
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至少一个转位结构，其在使用时可以与转位器框架上的至少一个相应转位结构协 作，以便提供至少两个转位位置；轴线定位部件，其在使用时关于转位器框架定位以便形成一轴线，所述部件能够 相对于所述框架围绕所述轴线旋转。优选地，所述至少一个转位结构是锥形销。更优选地，所述定位部件是球。根据本发明的第三方面，与部件一起使用的转位器框架包括至少一个转位结构，其在使用时可以与一部件上的至少一个相应转位结构协作以 便提供至少两个转位位置；轴线定位部件，其在使用时关于一部件定位以便形成一轴线，所述部件能够围绕 所述轴线相对于所述框架旋转。根据本发明的第四方面，提供了一种对部件进行转位的方法，所述部件定位在转 位器框架中并且在相对于转位器框架的第一转位位置与相对于转位器框架的第二转位位 置之间围绕运动学轴线旋转，所述方法包括脱离转位器框架和部件上的第一组相互协作的转位结构，所述转位结构限定部件 相对于框架的第一转位位置；围绕所述运动学轴线相对于所述框架旋转所述部件；接合转位器框架和部件上的第二组相互协作的转位结构，所述转位结构限定所述 部件相对于所述框架的第二转位位置。优选地，所述部件和框架的其中一个上的转位结构对于第一组和第二组相互协作 的转位结构是相同的转位结构。所述第一组相互协作的转位结构包括位于转位器框架上的第一转位结构和位于 部件上的第一转位结构；并且第二组相互协作的转位结构可以包括位于转位器框架上的第 一转位结构和位于部件上的第二转位结构。替换地，所述第一组相互协作的转位结构可以 包括位于转位器框架上的第一转位结构和位于部件上的第一转位结构；并且第二组相互协 作的转位结构可以包括位于转位器框架上的第二转位结构和位于部件上的第一转位结构。有利地，所述转位结构包括锥形销和狭槽。便利地，可以在相对于转位器框架本体悬吊的臂上设置转位器框架的转位结构。 更便利地，通过臂远离其偏压位置的运动，设置在臂上的转位结构可以与部件上的任何转 位结构脱离。优选地，通过与机器本体上的结构相互作用，臂远离其偏压位置移动。例如， 机器本体上的结构可以是磁体或者用于与臂接合的钩。


下面将参考附图并仅借助例子描述本发明的优选实施例，其中图Ia是转位器框架和坯件支架的等角视图；图Ib是替换的转位器框架和坯件支架的等角视图；图Ic是用于构造转位器框架的转位结构的位置的“安装”块的等角视图；图2显示了保持坯件支架的图1中转位器框架的等角视图；图3a至3f显示了用于获得运动学轴线的替换布置，坯件支架可以在转位器框架 中围绕所述运动学轴线旋转；
图4a显示了图Ia所示转位器框架的悬吊端以及坯件支架的坯件保持机构的详细 视图；图4b和4c显示了图Ib所示转位器框架的悬吊端的详细视图；图5显示了用于与根据本发明的转位器一起使用的坯件支架；图6显示了一个流程图，其显示了从第一转位位置到第二转位位置对坯件支架进 行转位所涉及的步骤；图7显示了保持坯件支架的转位器以及销装置的等角图，所述销装置用于相对于 转位器框架旋转坯件支架；图8显示了具有多个转位位置的坯件支架12的替换实施例；图9显示了适于安装至机器的转位器；图10显示了图1-8的转位器可以使用于其中的牙科铣削机器的一个例子的正视 图；以及图11显示了根据本发明的转位器可以安装至其上的机器结构的等角视图。
具体实施例方式参照附图，图Ia显示了转位器框架10与部件12 (在所述实施例中为坯件支架12) 的等角视图。在本实施例中，坯件支架12是矩形框架，用于保持坯件(未示出)。转位器框 架10包括固定端构件16、悬吊端构件18、转位器框架本体30以及锁定臂22。所述两个端 构件16、18在它们的近端16a、18a连接至转位器框架本体30的相对侧。这些端构件16、18 远离转位器框架本体30大致垂直地延伸。悬吊端构件18通过两对交叉的平面弹簧68 (仅显示了一对)可移动地连接至转 位器框架本体30。这些弹簧68朝着所述固定端构件16偏压悬吊端构件18并且使悬吊端 构件18进入与转位器框架本体30大致垂直的位置，如前所述。通过杆系统28 (如图2所 示)实施悬吊端构件18抵抗偏压远离固定端构件16的运动。所述固定端构件16在其近 端固定地连接至转位器框架本体30。所述端构件16、18在其远端16b、18b均具有三角形凹 槽62，在使用时所述凹槽62均接纳坯件支架12上的球64 (仅示出一个球)。为了使坯件支架12定位在转位器框架10中，悬吊端构件18抵抗着交叉的平面弹 簧68 (在图4a中更详细地显示)移动以便增加凹槽62之间的距离。一旦球64位于凹槽 62中，则将悬吊端构件18释放回到其偏压位置，从而稳固地将坯件支架12保持在合适位 置。每个球64与每个三角形凹槽62具有三个接触点。为了从转位器框架10中释放坯件支架12，悬吊端构件18再次抵抗着弹簧68的偏 压移动。坯件支架12被运动学地定位在转位器框架10中，并且坯件支架12在转位器框架 10中的位置按照至少大约1-2微米的精度是可重复的。锁定臂22毗邻悬吊端构件18设置。锁定臂在其近端22a连接至转位器框架本体 30并且远离转位器框架本体30大致垂直地延伸。锁定臂22在其远端22b设有转位结构， 在这种情况下是用于与设置在坯件支架12上的转位结构20 (如图2所示)协作的狭槽66。 狭槽的宽度为转位器的制造提供了某些灵活性。特别地，它使得锁定臂在一定位置范围内 被安装在转位器框架上，同时允许狭槽与坯件支架12的转位结构20接合。锁定臂22由薄的柔性金属构造，使得锁定臂22的远端22b可以相对于转位器框架本体30移动。该柔性允许锁定臂22与设置在坯件支架12上的转位结构20接合及脱离。 所述坯件支架12设有两个转位结构20，使得可以实现两个转位位置，一个通过第一转位结 构与锁定臂22协作，另一个通过第二转位结构与锁定臂22协作。图Ib显示了替换转位器框架11和坯件支架13的等角图。替换转位器框架11设 有毗邻框架的悬吊端构件18的两个锁定臂23a和23b。代替参照图Ia和图4a描述的两对 交叉的平面弹簧，所述悬吊端构件18通过两个卷簧以及球和辊子布置可移动地连接至转 位器框架本体30。下面参照图4b更详细地描述球和辊子布置。图Ib所示的坯件支架13 仅仅设有一个转位结构20。该转位结构可以与两个锁定臂23a、23b的每一个协作，从而提 供坯件支架13相对于转位器框架11的两个转位位置。图Ib所示的转位器框架11另外包括校准结构，所述校准结构包括位于触针27上 的球25。在使用时，保持坯件支架13的转位器框架11被安装至可以相对于机器本体移动 的一机器结构。设置球25，使得在执行机加工操作之前可以获得关于转位器框架位置因此 关于待加工坯件位置的信息。例如，设置在机器上的接触触发探针可以接触到球25。球25 的位置相对于坯件支架13 (因此相对于保持在坯件支架13中的坯件)的位置是已知的，使 得当接触触发探针接触到球25上时，得知机器空间中坯件的位置。将要理解，可以在转位 器的任何实施例上设置校准结构。图Ic显示了“安装”块2的等角图，所述“安装”块用于构造图Ib所示转位器框架 11的锁定臂23a、23b的凹槽66a、66b的位置。代替坯件支架，位于块2两侧的定位销4位 于转位器框架的三角形凹槽62中。在“安装”块的一侧设置两个另外的转位结构销6。这 些转位结构销6彼此精确地分离180度；转位结构销6跨越定位销4间隔开。一旦块2定 位在转位器框架11中，就使用块2将凹槽66a、66b的位置与转位结构销6对准。这就保证 了凹槽66a、66b精确地间隔180度，因此当转位器框架与坯件支架一起使用时，坯件支架的 两个转位位置精确地分开180度。通过保证坯件支架的两个转位位置精确地间隔180度，可 以将在两个转位位置处对坯件支架中坯件的机加工或扫描匹配在一起，而无需参照物体。 这就节省了对部件进行扫描或机加工过程的时间。图2显示了保持坯件支架12的转位器框架10的等角图。坯件支架上的球64被 接纳在转位器框架10的三角形凹槽62中，使得产生旋转轴线14，坯件支架12可以相对于 转位器框架10围绕旋转轴线14旋转。如上所述，坯件支架12在五个自由度上相对于转位 器框架10被约束。坯件支架仅有的自由度是围绕轴线14旋转。对于任何本体可以约束所有六个自由度，在这种情况下本体在位置和方位上是固 定的(“运动学安装”)。替换地，本体可以仅仅部分地受约束，例如5个自由度被约束，在 这种情况下，本体将自由地例如围绕轴线(“运动学轴线”)旋转。坯件支架12能够围绕其旋转的轴线14是运动学定位的。所述运动学定位的轴线 14在五个自由度上被约束，在该例子中通过五个刚性接触点实现。部件可获得的唯一自由 度是围绕轴线的旋转。正如将要理解的，应用最少数目的约束实现坯件支架的运动自由度。在固定端16处，与三角形凹槽62的三个接触点提供三个刚性接触，而在悬吊端构 件处，与三角形凹槽62的三个接触点仅仅提供两个刚性接触点。这是由于凹槽本身具有一 个自由度。因此坯件支架12相对于转位器框架10的运动通过五个刚性接触在五个自由度 中被约束，所述五个刚性接触是用来实现在五个自由度中约束所需的最少数目的接触。
图3a至3f显示了用于获得运动学轴线的替换布置，坯件支架可以在转位器框架 中围绕所述运动学轴线旋转。通过每个均接触三个球80群组的坯件支架上的球64，如图 3a所示，可以获得所需的五个刚性接触。图3b显示了如何通过每个均接触三角形凹槽82 的坯件支架上的球64获得所需的五个刚性接触(如之前参照图Ia所描述的)。图3c显示 了如何通过每个均接触三个辊子84布置的坯件支架上的球64获得所需的五个刚性接触。 在图3a至3c所示的实施例中，轴线一端的接触是悬吊的(沿箭头92的方向)，使得在那端 处三个物理接触点具有一自由度并且因此仅贡献两个刚性接触点。替换地，图3d显示了代替图3a、b、c、e、f所示的球64位于坯件支架一端的辊子 65。图3d显示了如何通过接触三个球80(或者替代物)的坯件支架上的球64以及接触 两个球86的坯件支架上的辊子65获得五个刚性接触。图3e显示了如何通过接触三个球 80 (或替代物)的坯件支架上的一个球64以及接触V型槽88的坯件支架上的另一个球64 获得五个刚性接触。图3f显示了如何通过接触三个球80 (或替代物)的坯件支架上的一 个球64以及接触两个辊子90的坯件支架上的另一个球64获得五个刚性接触。在图3d至 3f的每一个中，在坯件支架与转位器框架之间形成总共5个物理接触。在仅形成两个物理 接触的坯件支架的端部，所述端部必须(沿箭头92的方向)像以前一样悬吊着，并且必须 具有将球(沿着箭头94的方向)确定地抵靠其两个接触点定位的附加的力。这种布置产 生五个刚性接触点并且因此产生运动学定位的轴线。再参考图2，坯件支架12设有两个转位结构20 (仅示出了一个)用于与转位器框 架10的锁定臂22上的转位结构协作，以便提供两个转位位置。在这种情况下，坯件支架12 上的转位结构是锥形销20。所述锥形销20位于坯件支架12的与转位器框架10的锁定臂 22面对的一侧。坯件支架12具有第一转位位置，其大致平行于转位器框架10的转位器框架本体 30。在该位置中，坯件支架上的一个锥形销与锁定臂22上的狭槽接合。通过围绕轴线14 相对于转位器框架10旋转180度获得第二转位位置。在该位置，另一个锥形销20与锁定 臂22上的狭槽66接合。由于由轴线位置约束的五个自由度以及由狭槽中锥形销约束的六 个自由度，两个转位位置均被运动学地定位。应用最少数目的刚性接触约束部件相对于转 位器框架的运动。图Ib描述了具有两个锁定臂23a、23b的替代的转位器框架以及只具有 一个锥形销20的替代的坯件支架。再次提供两个转位位置并且通过相对于转位器框架11 将坯件支架13旋转180度再次获得两个转位位置。然而这次，单个锥形销20与第一锁定 臂23a协作以便提供第一转位位置，并且与第二锁定臂23b协作以便提供第二转位位置。图4a更详细地显示了交叉的平面弹簧68，所述弹簧将悬吊端构件18偏压到合适 位置并且使得悬吊端构件18相对于转位器框架本体30移动。使用交叉的平面弹簧68，使 得三角形凹槽62只获得一个自由度；它们防止悬吊端构件18相对于转位器框架本体30沿 着除朝着及离开固定端构件16的方向以外的方向运动。结果，虽然三角形凹槽62提供了 与球64的三个物理接触点，但是三角形凹槽62仅仅约束球64的两个自由度。通过杆系统 28实施悬吊端构件18抵抗偏压远离固定端构件16的运动。将要理解，该杆系统不是基本 特征，并且可以通过其它措施(诸如通过人工抵抗偏压推动悬吊端构件)实施抵抗偏压的 运动。图4b和4c更详细地显示了图Ib所示的转位器框架13的悬吊端构件18。代替如
12上所述的一对交叉的平面弹簧68，使用球和辊子布置来相对于转位器框架本体30枢转悬 吊端构件18。卷簧76位于悬吊端构件18的近端18a与转位器框架本体30之间，从而远 离转位器框架本体30偏压悬吊端构件18的近端18a，并且因此朝着固定端构件16(未示 出)偏压悬吊端构件18的远端18b。两对毗邻的球70、72被挤压到悬吊端构件18的凹槽 中。所述两对球70、72横跨悬吊端构件18的宽度间隔，Btt邻球之间的倾斜形成一通道，辊 子74位于所述通道中，从而辊子74延伸穿过两对球70、72的毗邻球之间的通道。所述辊 子74通过螺钉(未示出)固定至转位器框架30。当悬吊端构件18的远端18b (通过人工 抵抗偏压)远离固定端构件16移动时，球70、72围绕辊子滑动，从而关于辊子74枢转悬吊 端构件18。因此悬吊端构件18的近端18a朝着转位器框架移动，从而挤压弹簧76。所述 端构件之间的距离通过这种方式增加，从而将坯件支架定位在转位器框架中或者从转位器 框架中移除坯件支架。图4a和图5显示了由坯件支架12用来将坯件保持在合适位置的机构。埋头螺钉 53沿着坯件支架12的壁中的螺纹轴延伸，离开所述轴并进入腔室56中(还是在坯件支架 12的壁中)。腔室56容纳球54和球端杆50，球54朝着埋头螺钉53进入的腔室一侧定位， 球端杆50的球端位于腔室的远离埋头螺钉53的一侧，并且其杆端接近球54。球端杆50的 球端通过一个部分圆形槽51固定在腔室中。这种布置防止了球端杆50从腔室56中出来， 但是允许球端杆50在有特定力施加在其上时移动。在腔室56中，埋头螺钉53与球54接 触，球54进而与球端杆50的杆端接触。当拧紧埋头螺钉53时，迫使球54进一步进入坯件支架12的壁中的腔室56中。 球54进而推靠球端杆50的杆端，从而朝着坯件(未显示)沿着箭头150的方向将杆端推 出腔室56。螺钉53和球54抵靠着坯件将球端杆50牢固地固定，从而将坯件固定在坯件支 架12中。在使用中，保持坯件支架I2的转位器框架10被安装至一机器结构，所述机器结构 可以相对于机器的本体移动。在一个优选实施例中，转位器框架被安装至牙科铣削机器上 的“三角架”机器结构，从而允许转位器在三个自由度运动(在图10和11中更详细地显示 了所述机器和机器结构)。图6显示了一个流程图，其显示了将坯件支架从第一转位位置到第二转位位置进 行转位的步骤。所述方法包括第一步骤A，将限定第一转位位置的转位器框架与部件上的 相协作的转位结构脱离；第二步骤B，相对于框架围绕一轴线旋转部件(在这种情况下是坯 件支架)；第三步骤C，将限定第二转位位置的转位器框架和部件上的相协作的转位结构接 合起来。下面参照图7更详细地描述所述方法。图7显示了参照图Ia描述的保持坯件支架的转位器的等角图，以及用于相对于转 位器框架旋转坯件支架的销布置。所述销布置在使用中被固定至使用转位器的机器206的 本体。为了将坯件支架从其第一转位位置移至其第二转位位置，要实施许多步骤。坯件支 架12被显示相对于转位器框架位于其第一转位位置，并且第一锥形销20a (未显示)接合 在锁定臂22的狭槽66中。首先，机器的“三角架”机构将转位器移至在机器工作空间的边缘的机器的本体， 在此处设置三个销(两个钩销200、202和一个直销204)。所述销成直行布置，其中钩销202 位于钩销200和直销204之间；钩销200和202的尖端位于直行的一侧。所述机器结构移动转位器，使得钩销200接合到锁定臂22的凹陷部32中。钩销200仍然相对于机器本体 保持所述臂22。此时，直销204位于坯件支架12 (如之前参考图Ia描述的)侧面中凹槽 26的一侧。然后所述机器结构远离机器本体206和钩销200移动转位器框架，从而弯折柔 性锁定臂22并且使第一锥形销20a从狭槽66中脱离。在该脱离位置，坯件支架12相对于 转位器框架围绕其运动学定位的轴线14(也参考图Ia描述)自由地旋转。当锥形销20a从狭槽66中脱离时，所述机器结构也沿着箭头500的方向垂直于轴 线14移动以便直销204接合到槽26中。此时，转位器已经远离机器本体移动，使得锁定臂 弯曲，并且直销204仅位于槽26的边缘。然后所述机器结构开始围绕直销204驱动坯件支 架，从而实施坯件支架12围绕其轴线14的旋转。因此坯件支架12相对于转位器框架10 的方位改变。当所述结构围绕直销移动转位器时，第一锥形销20a被移动，使得它避开狭槽66。 这时，所述机器结构朝着钩销200向后移动转位器，从而当锁定臂22的凹陷部32与第一钩 销200脱离时，由于转位器围绕直销204的旋转，锁定臂返回其偏压位置，而不会弹跳太多 并干扰该过程。当所述结构朝着机器向后移动转位器时，直销204进一步穿入槽26的深度
Xo当转位器围绕直销204移动时，坯件支架12接近其相对于转位器框架旋转了 180 度的位置。此时，在旋转期间，转位器框架移动越过钩销202，钩销202接合到锁定臂22的 凹陷部32中。再次，所述结构将转位器远离钩销202移动，从而弯折锁定臂22。所述转位 器朝着钩销202往后移动，从而使锁定臂22返回至其偏压位置，这时坯件支架上的第二锥 形销20b对准配合到狭槽66中。所述机器结构最后使转位器远离机器本体206移动，从而 钩销202与锁定臂22的凹陷部32脱离并且直销204与坯件支架12中的槽26脱离。通过 相协作的销和狭槽防止坯件支架12的进一步旋转。因此，通过位于锁定臂22的狭槽66中 的第二锥形销20b获得第二运动学定位的转位位置。当参考图Ib描述转位器和坯件支架时，所述方法与以上描述的几乎相同，其中第 一锁定臂23a和锥形销20在第一位置接合。然而，在最后步骤有小的差别，该最后步骤将 限定第二转位位置的转位器框架和部件上的相协作的转位结构接合起来。因为图Ib的转 位器11具有两个锁定臂23a和23b并且坯件支架13仅具有一个锥形销20，所以钩销200 和202进一步间隔开。钩销之间的更大的间隔使得在围绕直销204移动转位器11之后，在 坯件支架13接近它相对于转位器框架旋转了 180度的位置时，第二锁定臂23b的凹陷部32 移动越过并接合钩销202 (而不是参照图Ia的转位器描述的唯一锁定臂22的凹陷部)。再 次，所述结构远离钩销202移动转位器11，从而远离其偏压位置弯折第二锁定臂23b。转位 器11朝着钩销202往后移动，从而使锁定臂23b返回其偏压位置，这时坯件支架上的锥形 销20对准地配合到第二锁定臂23b的狭槽66中。所述机器结构最后远离机器本体206移 动转位器，使得钩销202与锁定臂22的凹陷部32脱离并且直销204与坯件支架13中的槽 26脱离。通过相协作的销和狭槽阻止坯件支架13的进一步旋转。因此，通过位于第二锁定 臂23b的狭槽中的锥形销20获得第二运动学定位的转位位置。图8显示了具有多个转位位置的坯件支架12的替换实施例。所述坯件支架12具 有六个转位结构20，从而允许在与之前在图la、lb和2中显示的转位器框架一起使用时六 个运动学定位的位置。转位器框架的狭槽66与其中一个参考结构20协作以便提供运动学
14定位的转位位置。然后继续参照图6和7描述的方法以便在所述转位位置之间对部件进行 转位。图9显示了转位器10，其具有固定至转位器框架本体30的支座70，支座70位于 转位器框架本体30上与保持坯件支架一侧相对的一侧。支座70允许转位器安装至瑞尼斯 豪牙科扫描或铣削机器的“三角架”平台。所述支座是如同在以下未授权PCT申请中描述 的运动学支座，该PCT申请与本申请同一天递交，名称为“模块化扫描和机加工设备”，申请 人的参考号为0771/W0/0并要求英国专利申请No. 0803667. 5的优先权。在该申请中公开 的主题以参考的方式被结合在本申请的说明书中。图10显示了转位器可以安装至其上的机器类型的一个例子的正视图。所述机器 是牙科铣削机器100。转位器10被安装在“三角架”平台(由机器外壳隐藏)上，使得坯件 和坯件支架12悬挂在向上指向的铣刀(由波纹管102隐藏)上面。虽然显示了这种类型 的牙科铣削机器，但是转位器可以安装至任何其它类型的机器。图11更详细地显示了“三角架”机器结构，转位器可以安装至所述机器结构。所述 机器结构120通常包括具有固定底座160和固定头部118的本体140，大体与固定底座160 相对并面向固定底座160的平台180安装至所述本体140。平台180经由三个伸缩式压杆220连接至本体140的头部118，每个压杆通过球关 节在其相应的上端和下端连接至平台180和本体的头部118。每个压杆220具有电机116 以便增加或减小其长度。每个电机116包括转速计，用于测量电机中驱动轴的旋转速度。而 且，在每个压杆220的背面设置标尺以及用于读取所述标尺的读取头(未显示)。转速计和 读取头的输出被提供给用在反馈回路中的计算机以便对平台的运动进行精确的控制，如下 面更详细描述的。因为平台180仅仅通过三个伸缩式压杆220支撑(所述压杆220通过球关节连接 至上、下台架)，所以平台可以相对于头部118关于三个垂直的轴线旋转。为了防止这个发 生，设置包括一对压杆122和一旋转限制器(未示出)的三个防旋转装置112，其消除了这 三个旋转自由度，同时允许平移运动。所述装置是无源的，即它们没有电机或其它致动器。 防旋转装置112与平台180及头部118之间的接头也是枢转接头。因此，压杆220和防旋 转装置112促进平台180在计算机控制下相对于本体140沿三个彼此垂直的维度(即，X， y和ζ维度)运动。用于提供平台180相对于固定头部118的仅线性相对运动的这种布置 是已知的，并且例如在EP0674969和US7241070中被描述，这两个专利申请的全部内容通过 参考的方式被接合。正如将要理解的，可以使用除上述机构以外的机构来促进平台180与 头部118之间的相对运动。特别地，没有必要限制平台180相对于头部118的旋转。在使用期间，转位器的支座70(如图9所示)被安装至平台180上的运动学安装 构造136，使得“三角架”结构的运动控制转位器的运动。
权利要求
一种用于提供部件从第一转位位置旋转至第二转位位置的转位器，包括转位器框架以及用于旋转的部件，所述转位器框架具有至少一个转位结构，所述部件具有至少一个转位结构，其中所述转位器框架上的所述至少一个转位结构可以与所述部件上的所述至少一个转位结构协作以便提供所述部件相对于所述转位器框架的两个或多个转位位置；其中在使用中，所述部件关于转位器框架定位以便形成一轴线，所述部件能够相对于所述转位器框架围绕所述轴线旋转，所述轴线被运动学地定位。
2.如权利要求1所述的转位器，其特征在于，所述转位器框架包括由一框架本体间隔 开的两个相对的框架端。
3.如前面任何权利要求所述的转位器，其特征在于，通过一偏压机构将一个框架端朝 着另一个框架端偏压。
4.如权利要求3所述的转位器，其特征在于，所述偏压机构包括弹簧。
5.如前面任何权利要求所述的转位器，其特征在于，在两个位置通过设置在所述部件 和所述转位器框架上的相应凹槽和突起之间的协作促进所述部件与所述转位器框架之间 的所述定位。
6.如权利要求5所述的转位器，其特征在于，所述凹槽包括三角形凹槽。
7.如权利要求5或6所述的转位器，其特征在于，所述突起包括球。
8.如前面任何权利要求所述的转位器，其特征在于，所述转位器框架被构造成具有用 于定位所述部件的第一位置以及一第二位置，超出所述第二位置就释放所述部件。
9.如权利要求8所述的转位器，其特征在于，所述第一和第二位置之间的运动由所述 可移动框架端提供。
10.如权利要求9所述的转位器，其特征在于，所述可移动框架端相对于所述转位器框 架悬吊，以便允许所述第一和第二位置之间的运动。
11.如前面任何权利要求所述的转位器，其特征在于，所述转位器适于安装在牙科设备上。
12.如前面任何权利要求所述的转位器，其特征在于，所述部件包括坯件支架。
13.如前面任何权利要求所述的转位器，其特征在于，所述部件包括一坯件，从所述坯 件机加工出牙科部件。
14.如前面任何权利要求所述的转位器，其特征在于，提供所述部件相对于所述转位器 框架的两个转位位置。
15.如前面任何权利要求所述的转位器，其特征在于，所述转位位置被运动学地定位。
16.如权利要求15所述的转位器，其特征在于，通过设置在所述部件和所述转位器框 架上的相协作的转位结构获得所述转位位置的运动学定位。
17.如前面任何权利要求所述的转位器，其特征在于，所述转位结构包括位于所述部件 上的突起和位于所述转位器框架上的凹槽。
18.如权利要求1-16中任何一个所述的转位器，其特征在于，所述转位结构包括位于 所述转位器框架上的突起和位于所述部件上的凹槽。
19.如权利要求17或18所述的转位器，其特征在于，所述突起是锥形销。
20.如权利要求17-19中任何一个所述的转位器，其特征在于，所述凹槽是具有至少两个平直侧面的狭槽。
21.如前面任何一个权利要求所述的转位器，其特征在于，所述部件和所述转位器框架 的其中一个上的任何转位结构可以相对于所述部件和所述转位器框架的另一个上的任何 转位结构在一接合位置与一脱离位置之间移动。
22.如权利要求21所述的转位器，其特征在于，所述可移动转位结构被设置在相对于 所述转位器框架悬吊的臂上。
23.一种与转位器框架一起使用的部件，包括至少一个转位结构，其在使用时可以与转位器框架上的至少一个相应的转位结构协作 以提供至少两个转位位置；以及一轴线定位器，所述轴线定位器在使用期间关于转位器框架定位以便形成一轴线，所 述部件能够相对于所述框架围绕所述轴线旋转。
24.如权利要求23所述的部件，其特征在于，所述至少一个转位结构是锥形销。
25.一种与部件一起使用的转位器框架，包括至少一个转位结构，其在使用时可以与部件上的至少一个相应转位结构协作以便提供 至少两个转位位置；以及轴线定位器，其在使用时关于一部件定位以便形成一轴线，所述部件能够围绕所述轴 线相对于所述框架旋转。
26.一种对部件进行转位的方法，所述部件位于一转位器框架中并且在相对于转位器 框架的第一转位位置与相对于转位器框架的第二转位位置之间围绕一运动学轴线旋转，所 述方法包括脱离转位器框架和部件上的第一组相互协作的转位结构，所述转位结构限定部件相对 于框架的第一转位位置；围绕所述运动学轴线相对于所述框架旋转所述部件；接合转位器框架和部件上的第二组相互协作的转位结构，所述转位结构限定所述部件 相对于所述框架的第二转位位置。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述部件和所述框架的其中一个上的转 位结构对于第一和第二组相互协作的转位结构是相同的转位结构。
28.如权利要求26和27中任何一个所述的方法，其特征在于，所述第一组相互协作的 转位结构包括位于所述转位器框架上的第一转位结构和位于所述部件上的第一转位结构； 所述第二组相互协作的转位结构包括位于所述转位器框架上的所述第一转位结构和位于 所述部件上的一第二转位结构。
29.如权利要求26至28中任何一个所述的方法，其特征在于，所述转位结构包括一锥 形销和一狭槽。
30.如权利要求26至29中任何一个所述的方法，其特征在于，所述转位器框架上的一 转位结构被设置在相对于一转位器框架本体悬吊的臂上。
31.如权利要求26至30中任何一个所述的方法，其特征在于，通过所述臂远离其偏压 位置的运动，设置在所述臂上的所述转位结构与所述部件上的任何转位结构脱离。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述臂通过与所述机器本体上的一结构 相互作用而远离其偏压位置移动。
全文摘要
本发明涉及一种转位器，用于提供部件从第一转位位置到第二转位位置的旋转。所述转位器包括转位器框架和用于旋转的部件。所述转位器框架具有至少一个转位结构，并且所述部件具有至少一个转位结构，其中所述转位器框架上的所述至少一个转位结构与所述部件上的所述至少一个转位结构协作以便提供所述部件相对于所述转位器框架的两个或多个转位位置。在使用中，部件关于转位器框架定位以便形成一轴线，所述部件能够相对于所述转位器框架围绕所述轴线旋转，所述轴线被运动学地定位。
文档编号A61C13/00GK101959472SQ200980107080
公开日2011年1月26日 申请日期2009年2月27日 优先权日2008年2月28日
发明者大卫·罗伯茨·麦克默特里, 马克·斯蒂芬·詹姆斯·福曼 申请人:瑞尼斯豪公司