關節(jié)臂坐標測量機的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明大體上涉及根據(jù)權利要求1的一種關節(jié)臂坐標測量機以及根據(jù)權利要求12的一種操作關節(jié)臂坐標測量機的方法。
【背景技術】
[0002]本發(fā)明所涉及的技術領域是關節(jié)臂坐標測量機(也稱為AACMM或CMM)，例如在US5402582，US6366831或W003069267中所公開的那些。這些裝置包括:固定的底座、以及含有用關節(jié)連接的多個臂段。該關節(jié)使與底座相對的臂的可移動端具有可移動性，并且，在該可移動端處具有測量探針能夠附接于其上的探頭。臂的每一個關節(jié)都配備有傳感器以確定該關節(jié)的位置信息，從而能夠據(jù)此確定該臂的姿勢，并且能夠確定探頭相對于底座的位置和取向。探頭配備有至少一個，優(yōu)選地為可替換的探頭，其能夠用于測量待檢查的物體的點或區(qū)域。在測量過程中，操作者手動引導探頭接近期望的測量點，并且，根據(jù)臂的姿勢可以得到該測量點的幾何坐標數(shù)據(jù)。
[0003]例如，在US6131299中，示出了這樣的關節(jié)臂坐標測量機CMM配備有字母數(shù)字顯示器、LED和按鈕，它們位于CMM的可移動端的手柄附近。該顯示器將臂的實際位置指示為代表三維坐標的數(shù)字值X、Y和Z。從而，操作者在使用探頭測量工件的時候可以看到該坐標值。
[0004]除了關節(jié)臂之外，為了避免對高級主機和應用軟件的需求，US5978748示出了安裝在關節(jié)臂的可移動端上的用戶界面和控制器，該控制器具有用于存儲可執(zhí)行程序和參考數(shù)據(jù)的存儲器。從而，可以向用戶提供指令(諸如，檢查過程)，存儲的CAD數(shù)據(jù)可以作為參考數(shù)據(jù)，并且可以立即完成對實際測量值和參考數(shù)據(jù)的比較。
[0005]US8276286示出了一種AACMM，其具有全集成測量控制器和顯示器，該全集成測量控制器和顯示器位于底座上，從而避免了與測量臂之間的碰撞。
[0006]US20120144685示出了一種AACMM，其中控制器和顯示器位于底座上。該AACMM提供了用于執(zhí)行該CMM的診斷或校準過程的圖形用戶界面。
[0007]集成在關節(jié)臂中的這些本地計算系統(tǒng)的問題在于，這種計算設備的使用壽命相當短，特別地比關節(jié)臂軟件的使用壽命短很多。根據(jù)摩爾定律，在AACMM的一般使用壽命內，相對于軟件的CPU和存儲需求，硬件需求大幅度增加，而通常，AACMM的一般使用壽命遠遠大于普通計算機軟件/硬件的使用壽命，因此，通常該計算單元必須先于測量機構被更換。臂內部智能一般不能夠容易升級或替換。特別地，那些內部系統(tǒng)是專門設計的，其不能被多個選項替換。該專門設備也已知是比現(xiàn)成的PC硬件更貴。此外，使用內部系統(tǒng)，使用者與臂制造商綁定以進行任何升級或者甚至是軟件更新，這就是為什么要提供一種使用標準計算機和相應的軟件的方案，該標準計算機和相應的軟件可以采用來自很多供應商，或可以從普通商店買到，或從因特網下載的產品進行替換和升級。單純的計算機通信接口(諸如USB、以太網、RS232……)已知具有更長的壽命，并且通常是向后兼容的或是可以升級的。
[0008]這些現(xiàn)有技術的設計的另一個缺點在于，在使用AACMM進行測量的期間，在外部計算機上提供的測量信息對于操作者而言并不總是直接可見的。特別地，不熟練的操作者通常需要針對要進行哪些測量步驟和如何優(yōu)選地以有效的序列接近所有期望測量點的指導，因此在現(xiàn)有技術中提供了一種獨立的測量協(xié)議文件。在一些現(xiàn)有技術中可能有顯示器，其示出由該機器所確定的原始坐標數(shù)據(jù)，但是對于無經驗的操作者來說，此信息通常是相當無用的。

【發(fā)明內容】

[0009]因此，本發(fā)明的一個目的在于改進AACMM，從而提高其對于操作者的可用性，特別是使其更直觀，并且避免錯誤測量和/或對AACMM的損害。特別地，本發(fā)明的一個目的是，允許操作者在工作中完全集中于他所引導的探頭，而不必離開工作查看構造或指導說明。
[0010]本發(fā)明的另一個目的是向操作者提供用戶指導，優(yōu)選地是如下的指導，利用操作者在測量任務期間總是面對該指導，并且該指導能夠提供測量進程、關鍵性結果和警告等的在線反饋。
[0011]本發(fā)明的一個目的是簡化對期望測量點的識別，并且使導航至要測量的復雜物體處的這些測量點變得簡單，并且/或者通過優(yōu)化要接近的點之間的路徑規(guī)劃來加速測量。
[0012]本發(fā)明的另一個目的是確保測量質量，并且避免操作者需要具有要測量的物體的知識或如何測量特定的特征的知識，并且在不得不測量的物體的多種情況時，確保每次測量都以相同的方式完成。
[0013]這些目的是通過實現(xiàn)獨立權利要求中的特征來實現(xiàn)的。在獨立權利要求中描述了以另選的或有利的方式進一步發(fā)展本發(fā)明的特征。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，關節(jié)臂包括顯示單元，該顯示單元位于探頭的附近，例如在臂的可移動端的一個末尾臂段上的旋轉把手處、在用于臂移動的把手處或者在探頭本身處一一特別地當光學掃描裝置被用作探頭的時候。優(yōu)選地，該顯示單元以這樣的方式被包括，使得其提供的圖形信息在靠近測量期間眼睛所看的位置處，通常是在靠近臂的可移動端處的探針端部處被提供給操作者。因此，操作者在測量期間將總是能夠看見顯示器一一不同于在現(xiàn)有技術中，被適配在底座上的顯示器在測量期間經常會被要測量的工件、關節(jié)臂或者操作者遮擋。
[0015]在一種實施方式中，顯示單元可以包括圖形屏幕，用于顯示基于像素光柵的圖形項目。顯示單元與臂之間的附接可以是可移動的或可擺動的，以便可被調節(jié)到操作者最方便的視角，或者克服操作者視野中的障礙，或者克服由于顯示器與要測量的物體或其所附接的臂之間的沖突所造成的探頭移動性的障礙。顯示單元也可以配備有確保在顯示單元上所示出的信息總是保持水平的手段，例如利用重力保持顯示器本身豎直的機械裝置，或者根據(jù)來自重力或水平傳感器的數(shù)據(jù)來旋轉顯示器所顯示的圖像信息的電子手段。
[0016]該顯示單元還可以是可拆卸的，這能夠例如允許操作者根據(jù)其方便或根據(jù)要測量的物體的類型，來將顯示單元放在臂的可移動端處的上述位置中的任一位置。所述顯示單元還可以被完全整合到探頭中，到可移動端處的臂段中，或者到臂的可移動端處的把手中。
[0017]在另一種實施方式中，顯示單元可以包括用于圖形信息的投影儀，該投影儀被構造為將圖形信息投影到要測量的物體上，或投影在實際測量的附近，例如，投影到實際測量點旁邊的測量臺上。
[0018]在又一種實施方式中，顯示單元可附接至操作者本身，例如，附接到操作者的前臂，從而所示出的信息的視圖不會受到操作者手腕的位置的影響，或者例如，附接到操作者的頭部，如平視(head-up)顯示器、包括微型屏幕或投影設備以將圖形信息疊加到操作者的視野中的虛擬現(xiàn)實眼鏡(例如，像已知的谷歌眼鏡那樣的顯示單元)。
[0019]顯示單元可以由導線通過關節(jié)處的集流環(huán)(slip ring)供電，或者通過關節(jié)處的變壓器傳輸進行無線供電，或者使用電池供電。另一個選擇(同樣與電池結合)是利用操作者的臂活動時所獲得的能量來產生電力，以在操作期間向顯示器單元提供動力。
[0020]可以使用沿著臂的有線通信和/或無線通信，如無線網絡(諸如WiF1、藍牙等)來進行顯示裝置與臂的位置測量單元和/或外部計算裝置之間的通信。
[0021]顯示單元通常包括某種計算單元，該計算單元可以在如下范圍內變化:從顯示圖像的基本計算電路到強大的圖形處理單元(GUP)和/或微控制器、DSP、FPGA或ASIC。對于使用根據(jù)本發(fā)明的關節(jié)臂進行測量，可以利用控制器或者工控計算機或個人計算機來完成主要的計算能力，該控制器或者工控計算機或個人計算機位于或靠近該關節(jié)臂的固定底座處，或者遠離該臂，這提供了如下的優(yōu)點:簡單的可替換性和可升級性，并且能夠有助于避免發(fā)熱問題。在情況中的顯示單元只處理用于與主計算機通信的基本的計算，并據(jù)此提供圖形輸出一一可以這么說，該顯示單元是運行主要應用的外部計算裝置的遠程用戶界面。在另一種實施方式中，顯示單元還包括強大的計算能力(例如，類似于用在智能手機、平板計算機等中的片上系統(tǒng)(SOC))，其允許處理坐標測量機器中所要求的實時計算。
[0022]被包括在臂的可移動端處，特別地被包括在顯示單元處的相機可以用于將工件的CAD與來自相機的實際圖像進行疊加，以在測量過程中指導操作者，并且/或者顯示物體的幾何特征與該幾何特征的實時期望值相比較的偏差。
[0023]例如，安裝在臂的可移動端處的顯示單元能夠拍攝物體的圖片或影片，該顯示器上安裝有相機并且相機朝向該物體的方向取向，特別地，其中，相機的視野覆蓋了探頭能夠收集測量值的區(qū)域。然后，該顯示器能夠向用戶示出擴充了的實際內容，包括由與該測量任務有關的圖形信息所疊加的相機圖像的至少部分，例如，測量結果能夠被直接顯示在探頭所測量的點或區(qū)域附近。從而，操作者不再需要直接查看探頭的針尖，而可以通過該顯示單元所示出的擴充了的實際圖像來觀察其測量。例如，下一個期望測量點，或接近它的方向和/或最新的測量結果也能夠立即被示出給操作者。所擴充的視圖還允許使用附加功能(諸如放大)，來準確地接近期望測量點。該縮放能夠通過手動和/或動態(tài)縮放來控制，這取決于，例如，要測量的期望目標特征和/或探頭與期望測量點或區(qū)域之間的實際偏差。在測量信息的此類擴充視圖的另一種實施方式中，顯示單元在其默認狀態(tài)下還可以是透明的，使得操作者能夠透過顯示器看到物體，并且圖形信息通過顯示器而被疊加到該視圖上，從而可以省去拍攝物體的相機。
[0024]顯示單元也能夠包括如下單元，該單元能夠跟蹤操作者的眼睛或頭部，以識別操作者當前對顯示單元的視野，并且相應地采用所示出的信息和/或相機圖像，從而，操作者如同在沒有顯示單元的時候他所自然地期望的那樣，來觀察物體和擴充的信息。本段中的操作者跟蹤選項也能夠被開啟或關閉，這取決于其對于操作者所面對的測量任務的可用性。
[0025]為了與測量機器的互動，顯示單元可以包括觸摸傳感器設備或非接觸式傳感器設備(諸如觸摸屏幕、手勢識別、近程傳感器等)，以探測操作者與由顯示器所提供的信息之間的互動。
[0026]顯示單元所提供的信息可以包括很多種圖形項目，例如:指示測量值的圖形信息和/或字母數(shù)字信息、在整個測量過程中指導操作者的信息、關于與期望的測量結果狀態(tài)之間的偏差的信息、對已經測量的點或區(qū)域或者在測量過程中的下一個點或區(qū)域的指示、或者臂要以有效方式從探頭的當前位置接近下一個點或區(qū)域的預期移動，顯示警告、顯示提示以及關于測量的當前的精確度的信息，等等。
[0027]此外或另選地，位于探頭附近的