带有外骨骼的ＣＭＭ臂制造技术

提供了一种带有外骨骼的ＣＭＭ臂所用的设备，其包括带有基座端和探头端的内部ＣＭＭ臂以及通过多个传动装置驱动着该内部ＣＭＭ臂的外骨骼。一个或多个接触探头、光学探头以及工具安装在探头端上。带有外骨骼的ＣＭＭ臂提供于可手动操作和自动操作的实施例中。带有外骨骼的ＣＭＭ臂可用于精确测量或用于执行精确操作。提供了用于操作这种带有外骨骼的ＣＭＭ臂的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于执行精确测量与操作的带有外骨骼(exoskeleton)的CMM臂所用 的设备及方法。
技术介绍
自动测量的现有方法对中到大型物体进行自动测量需要的测量机精度为0. 05mm (+/-2Sigma)，通常为 0.025mm(+/-2Sigma)或更高精度。‘Sigma’是指一个标准偏差。其目前按照两种主要方式 进行(i)体积很大、价格昂贵的带有3根或更多根轴的常规型计算机数控坐标测量机(CNC CMM) ； (ii)通常位于汽车生产线末端的专用单元中的静止光学探头的刚性结构。对于常规 型CMM，光学探头在静止物体周围按照高度受控的方式运动以便产生精确数据。在第二种 情况中，光学探头和物体都静止并且按照容许精确数据已校准的校准方式定位。大多数常 规型CMM为拖架或者水平臂结构；包括Zeiss (德国)、Hexagon Brown & Sharpe (瑞典) 和LK(英国)在内的多家公司生产它们。用于安装在常规型CMM上的机械触觉探头由包括 Renishaw(英国)在内的公司供应。用于安装在常规型CMM上的光学探头由包括Metris(比 利时)在内的公司供应。自动探头安装件如Renishaw Auto joint可按照高精度重复，并且 带有用于自动改变探头的探头架。静止光学探头的刚性结构由Perc印tron(美国)供应。 常规型CMM和静止光学探头的刚性结构都具有以下缺点它们用完生产线上的单元空间， 其通常仅仅用于测量而非生产操作，它们通常位于生产线的末端，不能对下游过程进行数 据前馈，并且价格昂贵，在投资回收率上难以保证。此外，光学探头的刚性结构不可弯曲，因 而难以用于快速地改变生产线上的模型。今天，由于现有高精确度测量系统存在这些缺点， 所以使用比常规型工艺更快、更好或更便宜但是需要高精确度定位的有效生产工艺就不能 部署在这种生产线上。机器人自动测量自从十九世纪六十年代起，许多公司已开发了重型机器人臂以用于需要快周期时 间和可再现性的应用中。然而，主要由于温度、磨损和振动问题，它们精确度低。机器人已经 用于承载自动测量所用的探头。这些机器人臂不够精确因而不能满足大多数自动测量的需 求，特别是在汽车工业中。机器人臂的高可再现性使得"准静态"测量成为被汽车工业吸 取的解决方案。在"准静态"测量中，探头从一个位置运动到下一个位置，并且只有当静止 或缓慢移动时才提取数据。测量可以通过接触或非接触探头进行。当以10mm/sec-200mm/ sec (但是可以或多或少)的典型速度运动时，从物体表面提取三维数据的机器人臂上的测 量探头并不精确。生产机器人臂的公司包括Fanuc (日本)和Kuka(德国)。Perc印tron and LMI-Diffracto (美国)提供使用机器人臂和光学探头的解决方案。3D Scanners和Kuka 在法兰克福举办的Euromold 2001展览上展出了利用实时光学检验的解决方案；其精确度 为0. 5-lmm的量级。温度每升高一摄氏度，标准工业机器人伸出每米热生长大约10微米； 超过500微米的误差可被记录在生产线条件中。LMI-Diffracto具有包括四个由Kuka供应4的标准工业机器人的汽车生产线设备，每个工业机器人都承载着光学探头，其中对机器人 的热膨胀进行补偿可将生产线条件中的热误差减少至100微米以下。在转让予Perceptron 的美国专利6，078，846 Greer中，对机器人热膨胀的补偿通过利用光学探头测量固定人工 制品来进行。光学探头在机器人处于运动期间的静止状态时进行测量。误差映象提高了机 器人的精确度。有若干方法，包括在利用如由Krypton (荷兰)或Northern Digital (加拿 大)生产的摄影测量系统对其进行测量时通过平面运动程序来使机器人跳动。于是测量就 用于产生误差映象。对负载的误差补偿通过测量伺服系统所使用的动力以便自动地计算作 用于臂上的负载来进行。甚至利用多种类型的误差补偿，这种类型的机器人已经达到只有 0. 2mm(+/-2Sigma)的精确度并且大量用于汽车生产线中。带有在扫描期间探头与物体之间 存在相对运动的扫描探头的机器人臂的问题在于系统不够精确因而不能有用。记录轨迹在Long等人的美国专利6，166,811中，公开了用于提高扫描物体精确度的摄影测 量系统，其中固定到探头上的摄影测量目标通过摄影测量系统实时记录轨迹。这种方法存 在许多缺点。首先，需要在探头与摄影测量照相机之间保持多个清楚的视线。实际上，从摄 影测量照相机到探头上的摄影测量目标的视线通常会被扫瞄物体所需的程控机器人运动 和/或程控的探头方位变化所阻挡。这就限制了这种系统的适用范围因而使得其无法用于 许多应用中。其次，环境照明条件必须保持在接近理想状态，否则摄影测量系统的精确度将 会减少或者系统将会停止行使功能。实际上，这点难以建立并且通常与对定位的其它照明 要求相矛盾。第三，在这种应用中，摄影测量系统通常没有兼具为这种应用情况提供足够精 确度所需的分辩率和速度。第四，这种摄影测量照相机和机器人必须相对于彼此刚性地安 装。这样通常要求大尺寸的刚性结构来达到所需精确度。将摄影测量技术引入机器人测量 系统中的主要问题在于所产生的系统对于使用来说不够紧凑和结实。Leica Geosystems供应6自由度激光跟踪器Laser TrackerLTD800。其可利用单 条视线在35m范围内以高达每秒测量1000次的速度测量定位与定向。对于缓慢运动的目 标而言，其精确度为50微米的量级。其成本超过130000美元。其对机器人测量的局限性 许多类似于对摄影测量的局限性。将激光跟踪器技术引入机器人测量系统中的主要问题在 于其价格昂贵，存在对所记录轨迹的探头的方位的局限性，以及所产生的系统对于使用来 说不够紧凑和结实。机器人控制器与程控用于机器人臂的对于本专利技术所属领域的普通技术人员来说很好理解；标准参考 文献为 Richard P Paul 所著的"Robot Manipulators, Mathematics Programming and Control" .Adept Technologies (美国)供应起价为8500美元的6_轴机器人控制器。有许 多产品可用于机器人的程控，其容许脱机产生运动序列并且随后传送至机器人控制器以便 稍后执行；一个实例为由Tecnomatix (美国)生产的EmWorkplace。在转让予HA Schlatter AG(瑞士)的专利申请GB 2036376A Richter中，程控通过利用安装在机器人上的装置手 动引导机器人来实现，这种装置由用户握住并且包括检测用户对机器人的预定指令的应变 仪。手动CMM臂自从十九世纪七十年代以来，许多公司已经在建造可手动操作的CMM臂，其近来5已使用接触探头实现了处于0. 025mm(+/"2Sigma)和0. 005mm(+/"2Sigma)之间的测量准 确度，其主要依赖于手动CMM臂的延伸范围而定。通过进一步的开发，手动CMM臂有望变 得更加精确。这些手动CMM臂现在对于许多测量要求来说足够精确并且成为测量市场中 的增长部分。它们具有能够进入难以进入的区域本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量物体的设备，包括：　　（ａ）机器人ＣＭＭ臂（１），包括：　　具有基座端、对置的探头端以及三个或三个以上的段的可动构件，其由两个或两个以上的在所述基座端与所述探头端之间的旋转运动轴分开，其中至少两个所述旋转运动轴不会平行；　　具有基座端、对置的探头端以及三个或三个以上通过铰接接头串联连接的刚性段的连续可动位置报告装置，其由两个或两个以上的在所述基座端与所述探头端之间的旋转运动轴分开，其中至少两个所述旋转运动轴不会平行；　　传动器，同所述可动构件与所述可动位置报告装置接触，其中所述传动器与所述可动构件的触点位于所述探头端与最靠近所述基座端的旋转运动轴之间的任意位置处；以便使得所述可动构件的运动引起所述可动位置报告装置的运动，　　其中所述传动器包括多个分离式传动器，并且至少一个所述分离式传动器不为刚性；（ｂ）活动的结构，构造成平移和／或定向机器人ＣＭＭ臂，其中所述机器人ＣＭＭ臂（１）安装在该活动的结构上，　　和／或　　（ｃ）物体移置装置，构造成平移和／或定向被测量的物体。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：斯蒂芬詹姆斯克兰普顿，
申请(专利权)人：斯蒂芬詹姆斯克兰普顿，
类型：发明
国别省市：GB[英国]