具有相对于尺寸的大工作容积的紧凑型坐标测量机构造

摘要

提供了一种紧凑型便携式坐标测量机(CMM)，其具有用于测量工件的大的工作容积。CMM包括竖直支撑件、工件台和提供测量探针和工件之间的相对运动的移动构造。移动构造包括具有竖直平移元件的竖直平移机构，竖直平移元件联接到竖直引导件并且在竖直平移范围上移动。工件台位于竖直支撑件的顶端上方，并且竖直引导件和竖直移动范围的至少大部分位于工件台的顶端下方。在各种实施方式中，移动构造还可以包括旋转运动构造和水平平移机构。控制器控制移动构造，以提供测量探针与位于工件台上的工作容积中的工件之间的相对运动。

说明书

技术领域

本公开涉及精密度量学，并且更具体地涉及具有移动机构的坐标测量机，所述移动机构移动用于测量工件的测量探针。

背景技术

坐标测量机(CMM)可以获取被检工件的测量结果。美国专利No.8,438,746中描述的一种示例性现有技术CMM(其全部内容通过引用并入本文)，包括用于测量工件的探针、用于移动探针的移动机构以及用于控制移动的控制器。在美国专利No.6,971,183和No.6,487,785中也描述了采用机械接触探针的CMM，其全部内容通过引用并入本文。在美国专利No.7,652,275中描述了包括表面扫描探针的CMM，其全部内容通过引用并入本文。如其中所公开的，诸如机械接触探针或非接触光学探针的扫描探针可以跨工件表面扫描。在采用扫描探针的各种CMM中，测量同步触发信号触发来自机器坐标系中的跟踪扫描探针的整体位置和取向(例如，其基本位置)的CMM标尺或编码器(例如线性和旋转标尺或编码器)的测量，以及触发来自扫描探头的局部表面测量。扫描探针测量位于参考扫描探针基部(或相对于其被测量)的局部坐标系中。

许多现有的CMM系统相对较大，并且不容易移动到新的位置(例如，为了从一个位置移动到另一个位置以临时执行工件的测量等)。美国专利No.8,191,274中描述了一种便携式CMM，其全部内容通过引用并入本文。如其中所公开的，便携式CMM包括壳体，该壳体旋转地支撑在基部上并且安装竖直支柱，由水平平移臂接合的托架沿着该竖直支柱滑行。虽然所公开的CMM是便携式的，但待测量工件可定位于其中的工作容积限于竖直支柱与水平平移臂的完全延伸长度之间的间距。具有相对于其尺寸的更大的工作容积以及其他改进的特征的紧凑型便携式CMM构造将是期望的。

发明内容

本概述提供用于以简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的概念选集。本概述并非旨在确定所要求保护的主题的关键特征，也并非旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

提供了一种紧凑型便携式坐标测量机(CMM)，其具有用于测量工件的大的工作容积(相对于其尺寸而言)。在各种实施方式中，CMM包括竖直支撑件、工件台、移动构造和控制器。竖直支撑件沿竖直轴线方向延伸并且具有竖直支撑长度，并且包括固定的基部部分。工件台联接到竖直支撑件并且位于竖直支撑件的顶端上方。待检测的工件可以位于工件台上的工作容积内并位于竖直支撑件的顶端上方。

该移动构造联接到竖直支撑件并且提供测量探针与工件之间的相对运动，以便检测位于工件台上的工作容积中并在竖直支撑件的顶端上方的工件。移动构造包括具有竖直平移元件的竖直平移机构，竖直平移元件通过竖直联接部分联接到竖直引导件并且在竖直平移范围上平行于竖直引导件移动。在各种实施方式中，竖直引导件和竖直平移范围的至少大部分位于工件台的顶端下方。控制器控制移动构造，以提供测量探针与位于工件台上的工作容积中的工件之间的相对运动。

附图说明

图1是示出包括诸如本文公开的CMM的测量系统的各种部件的图；

图2是示出包括诸如本文公开的CMM的测量系统的各种控制元件的框图；

图3是包括移动构造的第一示例性实施方式的CMM的图；

图4是包括移动构造的第二示例性实施方式的CMM的图；

图5是包括移动构造的第三示例性实施方式的CMM的图；和

图6是包括移动构造的第四示例性实施方式的CMM的图。

具体实施方式

图1是示出包括诸如本文公开的CMM 100的测量系统10的各种部件的图。测量系统10包括操作单元11、控制CMM 100的移动的运动控制器CMM100、主计算机20和CMM 100。在各种实施方式中，操作单元11、运动控制器15、主计算机20和/或CMM 100每个可以通过有线和/或无线连接互连。操作单元11(例如通过无线连接)联接到运动控制器15，并可包括操纵杆12和/或其他用户界面部件和/或用于使用户能够手动操作CMM 100的特征。

主计算机20根据已知方法(例如，通过无线连接)联接到运动控制器15并操作CMM100，并处理用于工件WP的测量数据。在各种实施方式中，主计算机20可将从运动控制器15接收到的测量数据处理为用于工件上的多个表面点的指示测量坐标(例如，用于确定工件表面的表面轮廓和/或其他特征等)。主计算机20包括用于输入例如测量条件的输入部件25(例如，键盘等)，以及用于输出例如测量结果的输出部件30(例如，显示器，打印机等)。应该理解，在各种实施方式中，操作单元11、运动控制器15、主计算机20和/或CMM 100可以每个与彼此的功能合并和/或以其他方式包括彼此的功能。例如，在各种实施方式中，CMM 100可以包括操作单元11、运动控制器15和/或主计算机20。作为另一个例子，在各种实施方式中，运动控制器15可以在单个装置中(例如，在平板电脑等中)与操作单元11和/或主计算机20合并。

如下面将参照图3、6更详细地描述的，在各种实施方式中，CMM 100可包括竖直支撑件110、工件台120、和提供测量探针195与带测量工件WP之间的相对运动的移动构造130。测量探针195包括接触部分197。在各种实施方式中，探针头构造190和/或其他探针操作部件允许测量探针195在其接触部分197接触工件W的表面时偏转以产生触摸触发信号。市场上可买到的CMM在这方面的特性和操作在本领域中通常是已知的，因此在此不作更详细的描述。作为可与触摸探针一起使用的接触检测器的一个例子，在Briegel等人的美国专利申请公布No.2015/0323300中公开了高速接触检测器的示例性实施方式，其整体通过引用并入本文。

图2是示出类似于图1的测量系统10的测量系统10'的各个控制元件的框图。如图2所示，测量系统10'包括CMM200、运动控制器215、操作单元211和主计算机220。CMM 200包括驱动机构部分205、移动构造206和测量探针295。驱动机构部分205包括竖直平移驱动单元205A、水平平移驱动单元205B和旋转运动驱动单元205C。

如下面将参考图3、6更详细地描述的，驱动单元205A、205B和205C中的每一个可对应于并控制移动构造206的相关机构的运动。例如，竖直平移驱动单元205A可对应于并控制移动构造206的竖直平移机构的运动。水平平移驱动单元205B可以对应于并控制移动构造206的水平平移机构的运动。旋转运动驱动单元205C可以对应于并控制移动构造206的旋转移动构造的运动。移动构造206对应地提供测量探针295与正在被测量的工件之间的相对运动。在各种实施方式中，驱动单元205A、205B和205C中的每一个可以包括用于根据移动构造206的相关部件的相对位移来输出信号的各种传感器(例如，编码器等)。

如图2所示，运动控制器215包括驱动控制单元216、信号检测单元217、电流值检测单元218和负载评判单元219。驱动控制单元216控制驱动机构部分205的驱动单元205A、205B和205C(例如，根据来自操作单元211和/或主计算机220等的命令)。信号检测单元217检测由传感器输出的信号，所述传感器作为驱动机构部分205的驱动单元205A、205B和205C的一部分被设置。这种传感器信号可以指示某些相关元件的位移(例如，竖直平移元件、水平平移元件、一个或多个旋转运动机构等的位移，如将在下面关于图3、6更详细地描述的)。在各种实施方式中，表示各种位移的信号被输出到主计算机220，以确定正被测量的工件表面上的各个点的坐标和/或测量值。

电流值检测单元218通过移动构造206检测用于移动测量探针295的电流值。发在评判单元219基于由电流值检测单元218检测到的电流值和基于根据用于通过移动构造206移动测量探针295的目标速度设定的阈值，评判施加于移动构造206的负载。在各种实施方式中，可以由运动控制器215基于来自操作单元211和/或主计算机220的命令来计算通过移动构造206来移动测量探针295的目标速度。主计算机220包括CPU(中央处理单元)、存储器等。主计算机220向运动控制器215输出预定命令，以控制CMM 200控制移动构造206沿着正在被测量的工件的表面移动测量探针295的接触部分(例如，用于测量工件的表面轮廓等)。

在各种实施方式中，CMM 200、操作单元211、运动控制器215和/或主计算机220中的每一个可以包括任何计算系统或装置和/或分布式计算环境或由其组成，并且可以包括一个或多个处理器，所述一个或多个处理器执行软件以执行本文所述的功能。处理器包括可编程通用或专用微处理器、控制器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑装置(PLD)或其组合。软件可以存储在随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存等中或其组合中。软件也可以存储在基于光盘的磁盘、闪存装置或用于存储数据的任何其他类型的非易失性存储介质中。软件可以包括一个或多个程序模块，其包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等等。在各种实施方式中，软件可以包括存储在一个或多个计算机可读介质上的计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由一个或多个处理器执行时执行所述操作。程序模块的功能可以被组合或跨多个计算系统或装置分布，并且可以经由服务呼叫进行访问，无论是呈有线还是无线构造的服务呼叫。

图3是包括移动构造的第一示例性实施方式的CMM 300的图。在各种实施方式中，CMM 300包括竖直支撑件310、工件台320、移动构造330、测量探针395和控制器399。移动构造330包括竖直平移机构340、旋转运动构造350、水平平移机构380和探针头构造390。如图3所示，竖直支撑件310沿竖直轴线方向VAD延伸并且具有竖直支撑长度VSL，并且包括固定的基部部分312。工件台320联接到竖直支撑件310并且位于竖直支撑件310的顶端314之上。

在各种实施方式中，待检查的工件WP可位于工件台320上的工作容积WV中并且位于竖直支撑件310的顶端314上方。在各种实施方式中，移动构造330被构造成使得工件WP可位于工作容积WV内的任何位置，并且竖直支撑件310在其竖直支撑长度VSL的至少大部分上的外部尺寸小于沿竖直轴线方向VAD的工作容积WV的直径或被包括在该直径的投影内。在各种实施方式中，移动构造330可以被构造为提供测量探针395与工件WP之间的、至少围绕位于工件台320上的工作容积WV中的工件WP的周边的相对运动。

移动构造330联接到竖直支撑件310并且提供测量探针395和工件WP之间的相对运动，以便检查工件WP。如上所述，工件WP可以位于工件台320上的工作容积WV中并且位于竖直支撑件310的顶端314上方。移动构造330的竖直平移机构340包括竖直平移元件342，竖直平移元件342通过竖直联接部分346联接到竖直引导件344，并在竖直平移范围VTR上平行于竖直引导件344移动。

在各种实施方式中，竖直引导件344和竖直平移范围VTR的至少大部分位于工件台320的顶端324下方。在各种实施方式中，竖直引导件344和竖直平移范围VTR的至少大部分与竖直支撑件310的竖直支撑长度VSL沿竖直轴线方向VAD重叠。在各种实施方式中，竖直联接部分346可包括一个或多个竖直联接件347(例如，作为用于沿竖直引导件344移动的托架类型机构的一部分)。在各种实施方式中，竖直联接件347可由轴承类型元件组成，所述轴承类型元件被约束为在竖直引导件344内并沿着竖直引导件344滚动。在各种实施方式中，竖直引导件344可以包括竖直槽，竖直平移元件342穿过该竖直槽延伸，并且随着其沿着竖直平移范围VTR移动而引导竖直平移元件342。

在各种实施方式中，移动构造330的旋转运动构造350包括第一旋转运动机构360，第一旋转运动机构360联接到工件台320下方的竖直支撑件310。第一旋转运动机构360构造成联接到竖直引导件344并围绕竖直支撑件310旋转竖直引导件344，其中竖直引导件344围绕大致平行于竖直轴线方向VAD的旋转轴线RA旋转。在各种实施方式中，第一旋转运动机构360包括联接到竖直引导件344的第一旋转元件362以及联接在第一旋转元件362和竖直支撑件310之间的一个或多个旋转联接件367。在各种实施方式中，旋转联接件367可由轴承型元件组成，所述轴承型元件被约束为在第一旋转元件362和竖直支撑件310之间滚动，以使得第一旋转元件362能够围绕竖直支撑件310旋转并对应地围绕旋转轴线RA旋转。在各种实施方式中，竖直支撑件310、工件台320和工作容积WV相对于沿竖直轴线方向VAD延伸的旋转轴线RA至少近似地居中。

在各种实施方式中，图3的构造和本文中的其他构造(例如，将在下面更详细地描述的图4-6的构造)可以根据与旋转轴线RA匹配的圆柱坐标Z、R和布置，其中Z对应于轴向方向(例如，对应于竖直轴线方向VAD)和(或“P”)对应于围绕旋转轴线RA的圆周方向。将被理解的是，在其他实施方式中，关于确定工件WP的表面上的被测量点的坐标，也可以或可替代地使用其他类型的笛卡尔坐标或其他坐标。在图3的构造中，工件台320附接到竖直支撑件310并且不相对于竖直支撑件310旋转。如下面将参考图4-6更详细地描述的，在替代实施方式中，工件台320可构造成相对于竖直支撑件310旋转。

在各种实施方式中，移动构造330的水平平移机构380包括水平平移元件382、水平引导件384和水平联接部分386。水平联接部分386在水平移动范围HTR上平行于水平引导件384移动。在各种实施方式中，水平联接部分386可包括一个或多个水平联接件387(例如，作为用于沿水平引导件384移动的托架类型机构的一部分)。在各种实施方式中，水平联接件387可由轴承类型元件组成，所述轴承类型元件被约束为在水平引导件384内并沿着水平引导件344滚动。

水平平移元件382通过水平联接部分386和水平引导件384联接到竖直平移元件342。水平平移元件382位于工件台320的顶端324上方。应该理解的是，这里关于在各个部件“上方”或“下方”(例如，在工件台320的顶端324上方)的参考是相对于沿着竖直轴线方向VAD的位置，但是不一定指示被参考部件之间的竖直对准(例如，水平平移元件382根据沿着竖直轴线方向VAD的相对位置在工件台320的顶端324上方，但是在某些构造中可能偏离到工件台320的侧面并且因此不与工件台320竖直对准等)。

在各种实施方式中，移动构造330的探针头构造390包括提供至少一个旋转自由度的铰接探针头392。铰接探针头392包括联接到测量探针395的探针联接部分394，使得测量探针395通过铰接探针头392附接到水平平移元件382，并且测量探针395的接触部分397可以朝向工件WP延伸。在各种实施方式中，铰接探针头392间接地(例如，通过水平平移元件382)联接到竖直平移元件342并以与竖直平移元件342相同的量竖直平移。如下面将参考图6更详细地描述的，在替代实施方式中，铰接探针头392可以直接联接到竖直平移元件342。在各种实施方式中，控制器399(例如，图1和2的运动控制器15)被包括为CMM 300的一部分，并控制移动构造330以提供测量探针395与位于工件台320上的工作容积WV中的工件WP之间的相对运动。在各种实施方式中，测量探针395的接触部分397可以被移动构造330操纵以接触并对应地测量工件WP的表面上的点的位置。

图4是包括移动构造430的第一示例性实施方式的CMM 400的图。CMM 400与图3的CMM 300具有某些相似性，并且除非另有说明，否则类似标记的部件将被理解为类似地操作。关于与CMM 300的某些差异，CMM400包括旋转移动构造450的旋转运动机构460和竖直支撑件410的不同实施方式，如将在下面更详细描述的。在各种实施方式中，CMM 400包括竖直支撑件410、工件台320、移动构造430、测量探针395和控制器399。移动构造430包括竖直平移机构340、旋转运动构造450、水平平移机构380和探针头构造390。

如图4所示，竖直支撑件410沿竖直轴线方向VAD延伸并且具有竖直支撑长度VSL，并且包括固定的基部部分412。移动构造430的旋转移动构造450包括第一旋转运动机构460，第一旋转运动机构460联接到工件台320下方的竖直支撑件410，并且被构造为联接到工件台320并相对于竖直支撑件410旋转工件台320。工件台320围绕大致平行于竖直轴线方向VAD的旋转轴线RA旋转。

在各种实施方式中，第一旋转运动机构460包括联接到工件台320的第一旋转元件462以及联接在第一旋转元件462和竖直支撑件410之间的一个或多个旋转联接件467。在各种实施方式中，旋转联接件467可由轴承型元件组成，所述轴承型元件被约束为在第一旋转元件462和竖直支撑件410之间滚动，以使得第一旋转元件462能够围绕竖直支撑件410旋转并对应地围绕旋转轴线RA旋转。在各种实施方式中，竖直支撑件410、工件台320和工作容积WV相对于沿竖直轴线方向VAD延伸的旋转轴线RA至少近似地居中。竖直引导件344附接到竖直支撑件410并且不相对于竖直支撑件410旋转。

图5是包括移动构造530的第三示例性实施方式的CMM 500的图。CMM 500与图400的CMM 300具有某些相似性，并且除非另有说明，否则类似标记的部件将被理解为类似地操作。关于与CMM 300的某些差异，CMM 500包括竖直支撑件510和旋转运动构造550的不同实施方式，如将在下面更详细描述的。在各种实施方式中，CMM 500包括竖直支撑件510、工件台320、移动构造530、测量探针395和控制器399。移动构造530包括竖直平移机构340、旋转运动构造550、水平平移机构380和探针头构造390。

如图5所示，竖直支撑件510沿竖直轴线方向VAD延伸并且具有竖直支撑长度VSL，并且包括固定的基部部分512。竖直支撑件510还包括接收区域518，旋转运动构造550的第二旋转运动机构570位于该接收区域518中。更具体地，除了第一旋转运动机构360之外，旋转运动构造550还包括第二旋转运动机构570。第二旋转运动机构570联接到工件台320下方的竖直支撑件510并且被构造为联接到工件台320并相对于竖直支撑件510旋转工件台320，其中工件台320围绕大致平行于竖直轴线方向的VAD旋转轴线RA旋转。

在各种实施方式中，第二旋转运动机构570包括联接到工件台320的第二旋转元件572以及联接在第二旋转元件572和竖直支撑件510之间的一个或多个旋转联接件577。在各种实施方式中，旋转联接件577可由轴承型元件组成，所述轴承型元件被约束为在第二旋转元件572与竖直支撑件510之间(即，在竖直支撑件510的接收区域518内)滚动，以使得第二旋转元件572能够在竖直支撑件510的接收区域518内旋转并对应地围绕旋转轴线RA旋转。将被理解的是，在各种实施方式中，第一旋转运动机构360和第二旋转运动机构570可以具有不同的能力和相关特性(例如，与旋转质量、惯性、稳定性、最大旋转速度等有关)，使得通过根据特定测量过程的需要/期望特性来使用CMM 500中的两个机构来提供更大的灵活性。

图6是包括移动构造630的第三示例性实施方式的CMM 600的图。CMM 600与CMM300、400和500具有某些相似性，并且除非另有说明，否则类似标记的部件将被理解为类似地操作。关于与CMM 500的某些差异，CMM 600包括处置评议机构640和探针头构造690的不同实施方式，并且部包括水平平移机构380，如将在下面更详细描述的。在各种实施方式中，CMM 600包括竖直支撑件510、工件台320、移动构造630、测量探针695和控制器399。移动构造630包括竖直平移机构640、旋转运动构造550和探针头构造690。

如图6所示，处置平移机构包括竖直平移元件642，竖直平移元件642通过竖直联接部分646联接到竖直引导件644，并在竖直平移范围VTR上平行于竖直引导件644移动。如上所述，移动构造630不包括水平平移机构。相反，探针头构造690的铰接探针头692间接地联接到竖直平移元件642并以与竖直平移元件642相同的量竖直平移。在各种实施方式中，移动构造630的探针头构造690包括提供至少一个旋转自由度的铰接探针头692。铰接探针头692包括联接到测量探针695的探针联接部分694，使得测量探针695通过铰接探针头692附接到竖直平移元件642，并且测量探针695的接触部分697可以朝向工件WP的表面延伸，以用于执行测量。

虽然已经说明和描述了本公开的优选实施方式，但是基于本公开，对于本领域技术人员而言，所示出和描述的特征布置和操作序列中的许多变化是显而易见的。可以使用各种替代形式来实现本文公开的原理。另外，上面描述的各种实施实施方式可以被组合以提供另外的实施方式本说明书中提到的所有美国专利和美国专利申请通过引用以其整体并入本文。如果需要采用各个专利和申请的概念，则可以修改实施方式的方面以提供另外的实施方式。

根据以上详细描述，可以对实施方式做出这些和其他改变。整体上，在下面的权利要求中，所使用的术语不应该被解释为将权利要求限制为说明书中公开的具体实施例，而是应该被解释为包括所有可行的实施方式以及包括这样的权利要求有权享有的等同物的全部范围。