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】
【国外来华专利技术】带有外骨骼的CMM臂
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(+/-2 Sigma)，通常为0.025mm(+/-2 Sigma)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(CNCCMM)；(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 Autojoint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Perceptron(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)。Perceptron 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0.5-1mm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(+/-2 Sigma)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GB2036376A 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，其近来已使用接触探头实现了处于0.025mm(+/-2 Sigma)-->和0.005mm(+/-2 Sigma)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的灵活性。手动CMM臂对许多应用来说具有可接受的精确度，但是其不能自动工作；它们的操作成本昂贵本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设备，包括：ａ）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；ｂ）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；ｃ）传动装置，同所述可动构件与所述可动位置报告装置接触，其中所述传动装置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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】GB 2003-4-28 0309662.5;GB 2003-6-5 0312963.2;GB 201.一种设备，包括：a)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；b)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；c)传动装置，同所述可动构件与所述可动位置报告装置接触，其中所述传动装置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。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述传动装置位于可动构件的探头端段与可动位置报告装置的探头端段之间。3.根据权利要求1所述的设备，其中所述传动装置包括多个分离式传动装置。4.根据权利要求3所述的设备，其中所有所述分离式传动装置均为刚性。5.根据权利要求3所述的设备，其中所有所述分离式传动装置均不为刚性。6.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中至少一个所述分离式传动装置为刚性并且至少一个所述分离式传动装置不为刚性。7.根据权利要求1、2、3、5和6中任一项所述的设备，其中所述分离式传动装置中每一个均为径向、或扭转、或径向且扭转。8.根据权利要求5所述的设备，其中所述非刚性分离式传动装置的数量为两个并且所述非刚性分离式传动装置之一位于可动构件的探头端段与可动位置报告装置的探头端段之间。9.根据权利要求5所述的设备，其中位于所述可动构件与所述可动位置报告装置之间的所述非刚性分离式传动装置的数量为三个。10.根据权利要求9所述的设备，其中所述三个非刚性分离式传动装置位于：a)肘部的基座端侧面上；b)腕部的基座端侧面上；c)探头端的基座端侧面上。11.根据权利要求9和10所述的设备，其中：a)位于探头端的基座端侧面上的所述非刚性分离式传动装置包括扭转和径向传动装置；b)所述其它非刚性分离式传动装置包括径向传动装置。12.根据权利要求6所述的设备，其中所述刚性分离式传动装置的数量为一个并且所述刚性分离式传动装置位于可动构件的探头端段与可动位置报告装置的探头端段之间。13.根据权利要求1至12中任一项所述的设备，还包括用于停止自动旋转的限制装置。14.根据权利要求1所述的设备，其中所述传动装置包括连续式传动装置。15.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中至少一个所述分离式传动装置包括至少一个另外的受控运动轴，其可以显著地改变所述可动构件的段与所述可动位置报告装置的段之间的相对距离、或者这些段之间的相对方位、或者这些段之间的相对距离和相对方位，其中带有至少一个另外的受控运动轴的所述分离式传动装置的第一端连接于所述可动构件的段上，而带有至少一个另外受控运动轴的所述分离式传动装置的另一端连接于所述可动位置报告装置的段上。16.根据权利要求1至15中任一项所述的设备，其中所述可动构件的所述基座端与所述可动位置报告装置的所述基座端刚性连接。17.根据权利要求1至15中任一项所述的设备，其中所述可动构件的所述基座端与所述可动位置报告装置的所述基座端为非刚性连接。18.根据权利要求1至15中任一项所述的设备，其中所述可动位置报告装置的所述基座端刚性连接于所述可动构件的段上。19.根据权利要求17所述的设备，其中所述可动构件的所述基座端与所述可动位置报告装置的所述基座端之间存在相对运动。20.根据权利要求19所述的设备，其中对所述相对运动进行测量。21.根据权利要求中1至20任一项所述的设备，其中所述可动位置报告装置中的运动轴的数量为6。22.根据权利要求21所述的设备，其中从所述基座端到所述探头端列出的所述可动位置报告装置中的所述运动轴的类型为AOOAOA，其中A为轴向运动轴而O为正交运动轴。23.根据权利要求中1至20任一项所述的设备，其中所述可动位置报告装置中的运动轴的数量为7。24.根据权利要求23所述的设备，其中从所述基座端到所述探头端列出的所述可动位置报告装置中的所述运动轴的类型为AOAOAOA，其中A为轴向运动轴而O为正交运动轴。25.根据权利要求23所述的设备，其中按照肩部、肘部和腕部顺序列出的所述可动位置报告装置中的所述运动轴的分组为3-2-2。26.根据权利要求23所述的设备，其中按照肩部、肘部和腕部顺序列出的所述可动位置报告装置中的所述运动轴的分组为2-3-2。27.根据权利要求23所述的设备，其中按照肩部、肘部和腕部顺序列出的所述可动位置报告装置中的所述运动轴的分组为2-2-3。28.根据权利要求1至27中任一项所述的设备，其中所述可动构件和所述可动位置报告装置具有相同数量的段和运动轴。29.根据权利要求1至27中任一项所述的设备，其中所述可动构件为部分，并且与所述可动位置报告装置相比具有更少的段和运动轴。30.根据权利要求29所述的设备，其中有一个分离式传动装置位于肘部的基座端侧。31.根据权利要求29所述的设备，其中两个分离式传动装置位于肘部的基座端侧和腕部的基座端侧。32.根据权利要求21至28所述的设备，其中所述可动构件和所述可动位置报告装置具有类似的段长、类似的轴方位以及类似的轴运动中心。33.根据权利要求32所述的设备，其中所述可动构件和所述可动位置报告装置大致同轴。34.根据权利要求33所述的设备，其中所述可动位置报告装置的每个运动轴与所述可动构件的相应运动轴大致同轴。35.根据权利要求中1至34任一项所述的设备，其中所述可动构件位于所述可动位置报告装置的外部。36.根据权利要求35所述的设备，其中所述可动构件的结构为开式。37.根据权利要求35所述的设备，其中所述可动构件的结构封装着所述可动位置报告装置。38.根据权利要求中1至37任一项所述的设备，其中所述可动构件可从所述可动位置报告装置移置。39.根据权利要求38所述的设备，其中所述可动构件通过使其沿轴向运动离开所述可动位置报告装置而被移置。40.根据权利要求38所述的设备，其中所述可动构件通过打开其并使其沿径向运动离开所述可动位置报告装置而被移置。41.根据权利要求1至40中任一项所述的设备，其中轴向运动轴和相应驱动装置朝着每个长段的所述基座端放置以便使所述可动构件的惯量最小化。42.根据权利要求1至41中任一项所述的设备，其中在所述可动构件上，肩部正交运动轴与肘部正交运动轴之间的距离比肘部正交运动轴与腕部正交运动轴之间的距离至少大5％。43.根据权利要求1至42中任一项所述的设备，还包括位于所述可动构件上的硬接头限制装置以便使得所述硬接头限制装置防止所述可动位置报告装置与所述可动位置报告装置的接头上的固有限位器接触。44.根据权利要求43所述的设备，其中位于一个或多个正交运动轴上的所述硬接头限制装置设置成用于防止所述正交运动轴中任何一个变直型，其中直型被限定为所述正交运动轴基本上位于所述直型正交运动轴的两个相邻运动轴之间的直线上。45.根据权利要求43所述的设备，其灵活性增加，其中位于一个或多个正交运动轴上的所述硬接头限制装置被设置成容许所述正交运动轴中任何一个基本上在直型的两侧进行操作。46.根据权利要求中1至34任一项所述的设备，其中所述可动位置报告装置位于所述可动构件的外部。47.根据权利要求中1至45任一项所述的设备，其中所述可动构件可手动操作。48.根据权利要求47所述的设备，其中，在任何一个空间方位中，对于各种作用于所述可动构件上的常见手握定位与常见手握力矩而言，作用于所述可动位置报告装置上的静负荷基本上相同。49.根据权利要求中1至46任一项所述的设备，其中所述可动构件为机器人。50.根据权利要求49所述的设备，其中所述机器人为拟人式并且包括一系列运动轴。51.根据权利要求中1至50任一项所述的设备，其中所述可动位置报告装置为CMM臂。52.根据权利要求1至51中任一项所述的设备，还包括用于使所述可动构件的所述探头端相对于所述可动构件的所述基座端运动的控制器。53.根据权利要求52所述的设备，包括单个单元并且为便携式。54.根据权利要求52所述的设备，包括分离式控制盒。55.根据权利要求1至54中任一项所述的设备，还包括位于所述可动位置报告装置上的角度编码器。56.根据权利要求1至54中任一项所述的设备，还包括带有位于可动构件上的旋转编码器的驱动马达。57.根据权利要求55和56所述的设备，其中提供了使用所述旋转编码器的高速控制环，并且提供了使用所述角度编码器的高精确度控制环。58.根据权利要求1至56中任一项所述的设备，其中提供了单个控制环，而位于所述可动位置报告装置上的角度编码器为所提供的旋转编码器的唯一形式。59.根据权利要求52至58中任一项所述的设备，其中所述控制器可以控制一个或多个另外的运动轴以便移置以下任意一个：d)所述基座端；e)所述物体。60.根据权利要求1至59中任一项所述的设备，还包括置于所述可动位置报告装置上的一个或多个探头以便收集探头数据。61.根据权利要求1至60中任一项所述的设备，还包括置于所述可动构件上的一个或多个探头以便收集探头数据。62.根据权利要求1至61中任一项所述的设备，其中所述一个或多个探头中任何一个为非接触探头。63.根据权利要求62所述的设备，其中所述非接触探头为条纹探头。64.根据权利要求62所述...

【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]