CN104380034A - 关节臂式cmm - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种关节臂式CMM(1)，该关节臂式CMM以模块化的方式被构造，并且用于构造这样的关节臂式CMM(1)的模块化的组装工具箱包括具有第一端部(22)和第二端部(24)的关节臂(2)，其中，所述第二端部(24)被配置为支撑工具(66)。所述关节臂(2)包括通过枢轴关节(70、70'、70″)与集成的角度编码器(40)彼此连接的至少两个臂部分(68、68'、68″)。所述臂部分(68、68'、68″)被配置为具有PCB单元(10、12)的模块(69、69'、69″)，所述PCB单元(10、12)包括细长的PCB部分元件(14)和至少一个PCB编码器元件(16a、16b)。所述PCB编码器元件(16a、16b)被配置为构建角度编码器(40)，并且所述PCB部分元件(14)包括用于从所述PCB编码器元件(16)向得出所述臂部分之间的相对位置的电路传输编码器信号。

Description

关节臂式CMM
本发明涉及一种根据权利要求1所述的关节臂、一种根据权利要求18所述的关节臂式坐标测量机以及一种根据权利要求19所述的模块化的组装工具箱。
通常，关节臂式坐标测量机(简称关节臂式CMM)是由用于稳定站立的笨重的底座和连接到该底座的关节臂构建成的。该关节臂包括通过枢轴关节连接的各种臂部分，其中，最末端的臂部分设置有用于测量待测量部位的工具(即，触觉或光学测量探头)，或者设置有允许能够交换工具以便该工具适应各种测量要求的工具夹持器。对于这样的关节臂式CMM的示例能够在即EP 2108917 Al或EP 2283311 B1中找到。该工具或测量探头能够是像红宝石球或者光学探头这样的触觉探头；这两种类型的探头被本领域技术人员在各种实施方式中所知晓。该夹持器能够被配备有用于控制测量的按钮，并且能够以可转动或者固定的方式自动地被安装。
对于高精度的测量结果，有必要准确地知道关节臂式CMM的臂的末端处的测量探头相对于可以由该关节臂式CMM的底部的一特定点所给出的参考点或者相对于待测量部位的位置。为此，角度编码器被放置在每个枢轴关节处，并且在存在伸缩式臂部分的情况下提供有线性位置编码器。这些编码器将它们的编码器信号传送到中心电路，该中心电路被配置为得出这些臂相对于彼此和/或相对于参考点或参考坐标系的位置。该参考坐标系通常是针对待测量部位在开始该待测量部位的详细测量之前通过执行一种校准测量来创建的。换言之，该测量过程开始于对该待测量部位本身采取某些参考测量，例如：参考面、参考边缘和参考点。因此，在详细测量开始之前要定义六个自由度，包括探头相对于该待测量部位的方位。随后，相对于该参考给出所有的测量。
通常，关节臂式坐标测量机是由像编码器这样的外部框架封装敏感部件、用于电力供应的设备和/或电子信号传输设备等构建出的。在DE 4403901 A1中给出了对于这种关节臂式CMM的示例。虽然该关节臂式CMM的单个部件是模块化的，以允许可变的组件结构，但是该关节臂式CMM同样地必须作为整体被事先建造出；为了使该关节臂式CMM适应用户需求的后续修正几乎是不可能的，并且只能够通过在工作和时间上的相当大的努力来实现，这是因为在这样的关节臂式CMM的内部装配有大量的单个元件。为了减少单个元件的数量，DE 60318396 T2建议将角度编码器集成到枢轴关节内。然而，即使对于正如DE 4403901 A1和DE 60318396 T2中所讨论的便携式关节臂式CMM，单个元件的数量仍然是相当可观的，并且导致相对高的重量。
因此，发明的目标是提供一种关节臂式CMM，该关节臂式CMM能更好地适应于用户的需求并且重量轻，而且能够有成本效益地生产。
所提到的目标通过使用根据权利要求1的关节臂得以实现。
所述关节臂具有第一端部和第二端部，其中，所述第二端部被配置为支撑工具。所述关节臂包括至少两个纵向延伸的臂部分，其中，每对相邻的臂部分通过枢轴关节彼此连接，所述枢轴关节具有生成指示所述臂部分的相对位置的编码器信号的集成的角度编码器。此外，所述关节臂包括电子传输装置，该电子传输装置被配置为用于将从所述角度编码器向被配置为根据所述编码器信号至少得出所述相邻的臂部分之间的相对位置以及可选的与参考点或参考坐标系的相对位置的电路传输编码器信号。根据本发明，所述关节臂是模块化的结构，其中，所述臂部分被配置为各自具有PCB单元的臂部分模块。每个PCB单元具有细长的PCB部分元件以及连接到所述细长的PCB部分元件的一端的至少一个PCB编码器元件。相邻的臂部分中的所述PCB编码器元件被布置成面对面并且抵靠彼此围绕公共轴是可枢转的，使得它们形成生成编码器信号的角度编码器。所述PCB部分元件包括电子传输装置，所述电子传输装置用于从所述PCB编码器元件朝向所述电路发送所述生成的编码信号。该模块化的结构使得所述关节臂能够适应用户的个性化需求，并且减少了用于构造这样的关节臂和因此具有这样的关节臂的关节臂式CMM的待组装的部件的数量。此外，制造PCB单元以及包括这些PCB单元的模块臂部分是节约成本和减轻重量的。
所述PCB单元按照“IPC-2223；由电子电路互连与封装协会于1998年11月颁布的柔性电路板的分段设计标准”来优选地构造和生产。然而，用以制造与这些标准无关以及超越这些标准的PCB单元的设计和工艺的发展也是可能的。
在优选的实施方式中，所述细长的PCB元件包括设置有发送单元的第一端部和设置有对应的接收单元的相对的第二端部，其中，所述编码器信号从一PCB单元到相邻的PCB单元的传输是从所述发送单元通过导线或者通过无线电装置或光学装置或者通过电感或电容耦合到所述相邻的接收单元来实现的。从一PCB单元到相邻的PCB单元的这种类型的信号传递是减轻重量和节约成本的，因为不是必须要使用滑环以确保无限旋转。当使用导线或无线电装置时，它甚至允许使用用于角度测量的PCB编码器元件的整个表面–这能够被用于提高角度测量的精度–而不是使用用于发送电极或接收电极的编码器元件表面的一部分。
在进一步的实施方式中，所述PCB单元包括连接到所述细长的PCB部分元件的一端的第一PCB编码器元件，其中，所述第一PCB编码器元件被设置有图案。所述相同的PCB单元可以具有连接到所述细长的PCB部分元件的对端的第二PCB编码器元件，所述第二PCB编码器元件被设置有相应的图案识别装置。或者，存在具有这样的第二PCB编码器元件而不是第一PCB编码器元件的PCB单元。使用这样的PCB单元–具有第一PCB编码器单元的PCB单元和具有第二PCB编码器单元的PCB单元–这些PCB单元之间的角度编码器被配置为与第二PCB编码器元件面对面的第一PCB编码器元件并且围绕公共轴旋转。
将角度编码器配置为电容式***是特别有利的。
特别节约成本的是模块，其中，所述PCB部分元件和PCB单元中的所述至少一个PCB编码器元件具有相同的变形特性；尤其是当所述PCB部分元件和所述PCB编码器元件被形成为单件PCB单元时。
为了增加模块使用的灵活性，使用借助于柔性PCB连接元件连接到所述细长的PCB部分元件的至少一个PCB编码器元件来配置所述PCB单元是有利的。所述PCB连接元件具有比通过PCB连接元件连接的PCB元件更高的可变形性，使得所述PCB部分元件和所述PCB编码器元件能够被放置成具有可变的相对距离和/或能够被布置成至少±90°的角度，优选地在从－100°到+100°之间的角度范围内，并且更优选地在从－180°到+180°的角度范围内。
在进一步的实施方式中，所述PCB单元包括用于电力供应所必需的传输装置。
此外，有利的是如果所述PCB单元包含被配置成确保以下任务中的至少一项的电子设备：
●针对所述集成的角度编码器的激励信号的生成；
●所述集成的角度编码器接收到的信号的译码；
●所述角度编码器的校准信息的存储；
●用于位置测量同步的触发信号的传输；
●已补偿的测量位置的传输；
●电力供应的传输；
●局部温度的测量和传输；
●从其他的轴或者从在所述关节臂(2)的所述第二端部处所使用的工具，尤其是从测量探头(触摸、触发或者连续的)所提供的电信号的传输和/或放大；
●像离心率、横向或径向的移动/位移、摆动、平行度、信号强度这样的其他的编码器参数的测量和传输。
用于测量离心率、横向或径向的移动/位移、摆动、平行度等的传感器***和电子设备被优选地集成在角度编码器和/或线性位置编码器内。在WO 2011/117171A1中描述了用以测量这样的编码器参数的可能性以及如何处理这样的测量的结果的可能性。这样的测量不仅使得确定参数和确定与正常情况的偏差以及计算修正这些与正常情况的偏差成为可能，而且也使得调查在各个模块臂部分内由其重量所引起的弯曲现象以及由所述弯曲现象所造成的可能增大的关节的间隙成为可能。
在所述模块化的关节臂的优选的实施方式中，所述PCB单元中的所述细长的PCB部分元件被配置有足够的刚度以支撑位于所述关节臂的所述第二端部处的工具并且构建自支撑式臂部分。此外，所述PCB编码器元件能够被构建有足够的刚度以构建枢轴关节，使得由所述PCB编码器元件所构建出的角度编码器被集成在所述枢轴关节内。为此，所述PCB编码器元件被布置成抵靠彼此可枢转并且围绕公共轴可旋转，使得PCB角度编码器中的所述PCB编码器元件的公共轴同时是所述枢轴元件的旋转轴。
优选地，所述刚性的PCB编码器元件被布置成面对面并且在它们之间具有小间隙，其中，所述间隙通过间隔体保持，并且所述PCB编码器元件通过弹簧弹力被轴向地挤压至抵靠所述间隔体以保持所述间隙稳定。
在所述细长的PCB部分元件和所述PCB编码器元件以所描述的刚度的方式被构建出的情况下，没有必要提供用于所述PCB元件的任何支撑元件，这降低了每个模块的重量和成本。
特别地，所述PCB元件的刚度是通过增强结构来获得的。
优选地，所述增强结构包括包含以下各项的组中的至少一种元素：包含碳纤维、碳纤维增强塑料层、铝层和/或铝合金层以及这些层的层压制品。使用这种类型的增强结构，能够保持低的模块重量。
此外，也可以将所述细长的PCB部分元件配置成管状的形状以增加稳定性。
由这种类型的臂部分模块组装成的关节臂式CMM可以是用于测量小物体的比较小的关节臂式CMM，例如多达50cm-80cm的进料尺寸或者更小的物体。
相对于节省成本的制造，如果由这样的刚度的细长的PCB部分元件和这样的PCB编码器元件所形成的PCB单元与所述增强结构一起在单个工艺中被形成或者这些PCB单元通过粘合或焊接的方式被固定到所述增强结构，则是有利的。当热塑性塑料被涂覆到所述PCB元件和/或所述增强结构内部时，能够优选地使用焊接。
另一优选的实施方式包括具有内部支撑结构的臂部分模块，其中，所述内部支撑结构包括支撑所述PCB单元中的所述细长的PCB部分元件的纵向延伸的框架元件和/或支撑所述PCB单元中的所述PCB编码器元件的圆盘状载体元件。
所述纵向延伸的框架元件优选地是由金属或碳纤维制成的细长体。具体地，所述细长体是圆柱体或者管状体或者具有多边形横截面的细长的实心或空心体。所述载体元件是由金属或纤维增强塑料制成的。所述金属的管状体以及所述金属的载体元件优选地是由铝、铝合金或者其他轻金属合金制成的。
使用具有上述类型的内部支撑结构的模块允许每个模块具有较大尺寸，并且由此组装较大的关节臂和用于测量像汽车这样的较大物体的较大的关节臂式CMM。
这样的模块中PCB部分元件优选地与臂部分或者底层的框架元件一样长。
在优选的实施方式中，所述细长的PCB部分元件和/或PCB编码器元件通过粘合或焊接的方式被固定在它们的支撑结构上，其中，所述PCB部分元件和/或PCB编码器元件具有使得当它们被固定在它们的支撑结构上时它们能够复制出它们的支撑结构的形状的变形特性。
在进一步优选的实施方式中，所述臂部分模块被覆盖有塑料或者可调和的泡沫塑料(给出这些模块的期望的外部形状)，并且保护整个结构免受温度波动。通过该措施，每个模块的重量只是略有增加。
在进一步的实施方式中，所述PCB编码器元件由刚性的圆盘状载体元件构建的编码器圆盘所支撑。在每种情况下，这些编码器圆盘中的两个编码器圆盘构建出一PCB角度编码器，并且同时它们是枢轴关节的一部分，使得所述角度编码器被集成在所述枢轴关节内。圆盘状载体元件在它们的第一表面处被覆盖有所述PCB编码器元件，并且被平行地并且与它们的第一PCB覆盖的表面彼此面对面地被布置，它们被进一步布置成抵靠彼此可枢转并且围绕同心轴可旋转，使得所述编码器圆盘围绕其旋转的该同心轴是枢轴元件的旋转轴。
所述PCB编码器元件通过粘合或焊接或者其他合适的方法被附着到所述圆盘状载体元件的第一表面，其中，粘合是优选的，因为粘合剂能够帮助平衡这些载体表面和/或所述PCB编码器元件的不均匀性以便实现平面表面，所述平面表面能够被布置成平行面对面。
这些被布置成面对面的载体元件在它们的PCB覆盖的第一表面之间具有小间隙的。该间隙尤其通过间隔体和推动旋转部件在一方向上轴向地抵靠彼此的弹簧机构来保持稳定。
在优选的实施方式中，所述编码器圆盘的载体元件具有在其第一表面上支撑适合的圆形或环形形状的PCB编码器元件的圆形或环形形状。在两个编码器圆盘之间存在间隙的情况下，所述间隔体能够由角度编码器内部一起工作的一个或两个载体元件的轴向延伸的突起部来构建。该突起部的表面是与其他的突起部或者与相邻的载体元件的平面表面的一部分旋转接触的，显示了良好的滑行性能。这能够通过一致的覆盖层、内衬或涂层来实现。
枢轴关节的轴和角度编码器的轴分别被构建为碳纤维管或金属管。
该模块化结构内的单个元件的低重量减少了应力和弯曲现象，因此使用具有这样的关节臂的关节臂式CMM所实施的测量是非常精确的。
此外，在角度编码器的间隙内提供滑动接触是可能的，以便提供从一个PCB单元到相邻的PCB单元的电力供应和/或数据/信号传送。
此外，臂部分模块能够被形成为使得这些臂部分模块的可伸缩的横向移动成为可能。为此，提供了在其外表面处支撑PCB单元的第一框架元件和在其外表面处支撑PCB单元的第二框架元件。所述第二框架元件被形成为适于容纳所述第一框架元件的空心体，其中，这两个框架元件以如下的方式相对于彼此由笼式轴承或滚珠轴承支撑：它们能够以横向可伸缩的方式相对于彼此移动。该可伸缩的横向移动由类似于上述的PCB角度编码器构建出的PCB线性位置编码器来检测。
用以形成这两个框架元件的最简单的方法是将第一框架元件配置为具有确定的外径的细长圆柱体或管状体并且将第二内部框架元件配置为具有内径的管状体，所述内径大于所述第一框架元件的外径。第一框架元件被***到第二框架元件内，并且这两个框架元件通过滚珠轴承以抵靠彼此可横向移动的方式和/或以抵靠彼此可旋转移动的方式被支撑。PCB横向移动编码器和/或PCB角度编码器被设置以便指示这两个臂部分模块的相对位置。
允许抵靠彼此可伸缩的横向移动和/或可旋转移动并且优选地具有PCB横向移动编码器和/或PCB角度编码器的这样的臂部分模块能够同样通过包括配置成具有不同直径的管子形状的细长的PCB部分元件的自支撑式PCB单元来形成。
能够提供固定到该组件的第二端部处的最后一个臂部分模块的工具夹持器。该工具夹持器通常携带有针对工具的运动连接和用于用户驱动***的某些按钮。因此，通过用户而不是使用已连接的编程站或者为了控制这些动作的已连接的计算机，至少基本的动作能够在关节臂本身的工具设置端部处发生。它进一步能够被设计成允许某些旋转或者不允许旋转，这取决于目标应用。
在另一实施方式中，该组件的第二端部处的臂部分模块提供工具而不是工具夹持器，但是如上所述，也能够设置有控制按钮。
假如如上所述的模块化的关节臂被用作关节臂式CMM的关节臂，那么该工具为触觉或光学测量探头，其中，所述触觉探头具体为红宝石球。此外，在其第一端部处的关节臂优选地连接到底部，以便给予该关节臂稳定的支架。此外，所述电路被配置或编程为分析由测量探头产生的信号/数据，并且通过所连接的编程站或者所连接的计算机、监视器或者其他输出装置来向用户提供相应的结果。
然而，对于本领域技术人员而言，能够很容易地看出上述的模块化的关节臂能够与代替测量探头的其他工具一起来使用，诸如相机、扫描仪、钻头、像激光或绘制头、切割头等这样的刻绘工具。因此，所提供的电路被配置或编程为相应地控制钻头、刻绘头/绘制头/切割头，从而控制扫描仪并且分析该扫描仪的结果，分析相机的照片，等等，并且通过监视器、所连接的计算机或者所连接的编程/控制站来呈现出相应的结果。
此外，存在集成在关节臂自身内或者设置有关节臂式CMM或包括这样的关节臂在内的另一机器的电路，该电路被配置为获取来自PCB编码器元件的信号并且得出臂部分之间的相对位置、以及可选的它们与参考点或参考坐标系的相对位置。
因此，可以提供用于构造关节臂的模块化的组装工具箱，如上所述，该组装工具箱至少包括各自具有PCB单元的臂部分模块，并且进一步包括公共轴'。所述PCB单元包括细长的PCB部分元件和连接到所述细长的PCB部分元件的一端的至少一个PCB编码器元件。这些PCB部分元件包括用于从PCB编码器元件传输编码器信号的电子传输装置。
此外，所述组装工具箱包括包含以下的项在内的组中的至少一种元素：配置为容纳工具的臂部分模块和/或配置为容纳可固定在臂部分模块处以便在关节臂的第二端部处的臂部分模块处构建的工具夹持器的该臂部分模块；关节臂的第一端部处的臂部分模块可连接到的底座；配置为获取来自PCB编码器元件的信号并且配置为得出臂部分之间的相对位置以及可选的它们与参考点或参考坐标系之间的相对位置的电路；配置或编程为控制工具并分析由该工具提供的信号/数据并且呈现这些分析的结果的电路；存储存储器装置上的相应的程序。配置为获取来自PCB编码器元件的信号的电路和配置为控制和/或分析该工具的信号/数据的电路能够是同一电路。
该工具能够是包含以下各项的组中的至少一种：用作触觉测量探头的红宝石球、光学测量探头、相机、扫描仪、钻头、刻绘工具、激光头、绘制头、切割头等。
所述模块化的方法允许不同的标准产品的组装，与仅使用常用的部件相比的优势在于减少了必要的库存的值。提供了商业优势，可以使用与该模块化产品相关的配置器。因此，客户能够配置正是他所需要的产品。
为了进一步降低***的成本，校准能够被减少到最少的步骤或者完全避免。定位臂的精度能够由粗测量***来实现。如果这是不可能的，单独的组件应当在组装之前进行校准，从而允许简单且通用的处理。在极端的情况下，该仪器作为一个整体也能够被映射。
下面将参照可能的实施方式的示例更详细地解释本发明。图中相同的元件使用相同的索引号来指示。应当理解的是，附图是这样的示例性实施方式的图示表示和示意性表示，因此，不限制本发明的范围，也不是必须按比例绘制的附图。附图示出了：
图1           PCB单元的第一实施方式；
图2           PCB单元的第二实施方式；
图3a、3b、3c  PCB单元的第三实施方式的俯视图和两个侧视图；
图4a、4b      在剖视图中的臂部分模块的两个实施方式；
图5      角度编码器的实施方式；
图6      图4a在略作修改下的实施方式A'；以及
图7      根据本发明的关节臂式CMM。
图1至图4示出了印刷电路板(PCB)单元10、12的不同的实施方式，该PCB单元10、12各自包括细长的PCB部分元件14和至少一个PCB编码器元件16。这些PCB部分元件包括用于传输至少PCB角度编码器元件16的编码器信号的传输装置28(只在图1和图2中明确地示出)。在本文所示的实施方式中，PCB编码器元件16被构建为环。然而，取决于构造要求，PCB编码器元件也能够被形成为具有像圆一样的另一旋转对称。此外，PCB部分元件14被设置在具有发送器单元32a的一端和具有接收单元32b的另一端，以便传输电力供应、PCB编码器元件的信号或者从一PCB单元到相邻的PCB单元的其他数据和信号。传输因此能够通过无线电装置、红外线或蓝牙信号、电容或电感耦合来执行。正如由图1中的箭头所指示的，PCB部分元件能够被形成为薄的平面或箔片，该薄的平面或箔片能够被弯曲以形成在图2中所示出的管状体或者覆盖有框架元件20的外表面(参见图4)。
图1示出了具有刚性地连接到PCB部分元件14的一端的仅一个PCB编码器元件16的PCB单元10。PCB编码器元件16和PCB部分元件14在该实施方式中具有相同的可变形性并且被形成为单件PCB单元10。
图2至图3示出了具有两个PCB编码器元件16、16a、16b的PCB单元12，一个PCB编码器元件连接到PCB部分元件14的一端，而另一个PCB编码器元件连接到该PCB部分元件14的对端。此外，PCB部分元件14与PCB编码器元件16能够具有相同的可变形性，但是也能够具有不同的可变形性和不同的进一步的属性。
第一PCB编码器元件16a(在图2和图4中明确地示出)具有图案34a；第二PCB编码器元件16b具有图案识别装置34b。将一个PCB单元的第一PCB编码器元件16a与另一PCB单元的第二PCB编码器元件16b布置为围绕一公共轴枢转并且将图案34a和图案识别装置34b布置为面对面，就获得了PCB角度编码器或短角度编码器40。优选地，该角度编码器40被创建为电容式***，但是也能够使用光学***或其他公知的角度编码器***。
在图2中，PCB编码器元件16a、16b被刚性地连接到PCB部分元件14。然而，PCB编码器元件16、16a、16b也能够通过实际上在图3a至图3c中所示出的柔性的PCB连接元件18连接到PCB部分元件14。图3a示出了具有两个PCB编码器元件16的PCB单元12的这种特殊实施方式的俯视图，一个PCB编码器元件16(在该示例中，在图中的左手侧)被刚性地连接到细长的PCB部分元件14，另一个PCB编码器元件16(在图中的右手侧)通过柔性的连接元件18被柔性地连接到PCB部分元件14。正如能够在图3b和图3c的侧视图中看到的，柔性的PCB连接元件18允许PCB部分元件14和PCB编码器元件16具有可变距离(图3b)或者具有至少约90°的角度(图3c)。
如果存在与PCB单元10、12的刚度有关的任何问题，则能够使用通过在该PCB单元的各部位14，16上直接层压铝或者通过在该PCB单元的各部位14，16上粘合碳纤维部件来加强。当然，所有的电子部件必须被集成在PCB单元14，16内。为了具有工作***，板上电子设备必须确保以下任务：
●针对集成的横向或角度编码器的激励信号的生成；
●集成的横向或角度编码器的接收到的信号的译码；
●编码器的校准信息的存储；
●用于位置测量的同步的触发信号的传输；
●已补偿的测量位置的传输；
●可能地，电力供应到后面元件的传输；
●可能地，局部温度的测量和传输；
●可能地，其他的横向或角度编码器参数(离心率、摆动、平行度、横向和/或径向位移/移动、信号强度等)的测量和传输；
●可能地，从其他的臂部分或者从在关节臂的端部处所使用的工具、特别是测量探头(接触触发式或连续式)所提供的其他电信号的传输和/或放大。
在PCB单元10、12通过增强结构被配置有足够的刚度来自我支撑的情况下，关节臂式CMM的关节臂能够仅由这些PCB单元10、12来构建，这些PCB单元10、12接着同时形成如同臂部分模块的图案。当被制造时，优选地通过弯曲PCB部分元件14形成管状体或者使PCB部分元件14成形为管状体来进一步增加刚度。
然而，在应当构建更大的关节臂式CMM的情况下，PCB单元10、12必须增大它们的尺寸，并且由于重量增加，它们必须由内部支撑结构来支撑。图4a示出了这样的臂部分模块的第一实施方式A″和这样的臂部分模块的第二实施方式A'。
图4a中所示的第一实施方式A″包括框架元件20″，该框架元件20″在其表面上粘合有PCB部分元件14″。该PCB部分元件14'与该框架元件20″一样长，该框架元件20″在该示例中被构建为碳纤维管或金属管。在其一端处，第二PCB编码器元件16b″被刚性地连接至该PCB部分元件14″。PCB编码器元件16b″被粘合到由金属或纤维增强塑料制成的圆盘状载体元件的表面上(参见图5)。
图4a中的臂部分模块的第二实施方式A'包括公共的细长的轴20'和沿其一半长度容纳该轴的外部管状体38。外部管状体38和轴20'通过滚珠轴承26彼此支撑。外部管状体38能够例如由轻金属、碳纤维或可调和的泡沫制成。图4b中给出了穿过轴承26的剖视图。外部管状体38与轴承26充当针对长轴20'的坚固元件，并且允许设置有PCB编码器元件16a和16b'的臂部分模块A'的两个端部绕轴20'旋转。因此，PCB编码器单元16a和16b'是该实施方式A'中的两个PCB单元12、12'的一部分。
图4a中的左手侧处的具有两个PCB编码器元件16a、16b的第一PCB单元12通过其PCB部分元件14被粘合在轴20'的外表面上。PCB部分元件14在其一端处被刚性地连接到第一PCB编码器元件16a，该第一PCB编码器元件16a伸出轴20'。第一PCB编码器元件16a由刚性的载体元件(未示出)支撑，例如第一PCB编码器元件16a被粘合在该刚性的载体元件上。在对端处，PCB部分元件14通过柔性的连接元件(未示出)被柔性地连接到弯曲了90°的第二PCB编码器元件16b。另选地，能够有由塑料或轻金属制成的固定元件36，以便附加地保护轴20'的外表面上的PCB部分元件14通过粘合剂的定位。固定元件36从外部被附接到轴20'和PCB部分元件14的组件，并且能够像带扣或支架一样被固定或者被粘合到PCB部分元件14上。
图4a中的右手侧示出的具有两个PCB编码器元件16a'、16b'的第二PCB单元12'通过其PCB部分元件14'被粘结到管状体38的外表面上。PCB部分元件14'被刚性地连接到第二PCB编码器元件16b'，该第二PCB编码器元件16b'伸出管状体38(图4a的右手侧)，并且由刚性的载体元件(未示出)很好地支撑。在PCB部分元件14'的对端处，第一PCB编码器元件16a'是通过柔性的连接元件18(未示出)柔性地连接到PCB部分元件14'的，并且被布置成90°的角度。具有环形形状的管状体38的前侧支撑刚性的第一PCB编码器元件16a'。如果有必要，附加的承载元件能够被设置为支撑结构。两个PCB单元12、12'适应于轴20'的长度，使得在该轴中间的PCB编码器元件16b、16a'能够被布置成面对面，以形成角度编码器44，并且同时PCB编码器元件16a、16b'分别向右伸出轴20'和外部管状体38，使得它们能够像在图4a中的左手侧处被指示的一样也与相邻的臂部分模块的PCB编码器元件形成PCB角度编码器40。该臂部分模块A'的优点是轴承26之间的相对长的距离提高了旋转轴20'的精度。由于右手侧的外径大于左手侧的外径，因此左手侧获得的直径可以被用于集成旋转手柄，允许容易用作末端的臂。
图6示出了臂部分模块的另一实施方式，这与图4a中给出的实施方式A'是非常相似的。这两种实施方式之间的不同之处在于所使用的PCB单元10只具有一个PCB角度编码器元件16，这些PCB角度编码器元件16中的每一个均被刚性地连接到在它们的对端处的PCB部分元件14。中间的柔性连接的PCB角度编码器元件在该实施方式中不是必需的，这是因为在图6中的左手侧处给出的具有较小直径的元件C被容纳在图6中的右手侧处给出的元件D的管状体38内，仅用于沿着框架元件20和管状体38的同心轴(未示出)的横向移动。外表面上具有PCB部分元件14的框架元件20由笼式轴承26支撑，该笼式轴承26将利用供管状体38内使用的大部分容积。通过横向移动编码器(未示出，其被部分地集成在元件C的PCB部分元件14内并且被部分地集成在元件D的管状体38内)来检测横向运动。
虽然没有示出，但是对于本领域技术人员而言，将图4a中的实施方式A'与图6中的该实施方式相结合以便获得臂部分模块是简单的步骤，其中，两个端部能够横向地移动并且抵靠彼此可枢转。此外，本领域技术人员能够以有用的方式组合所示出的实施方式中的单个元件，即使这些组合在本说明书中并没有被明确地描述或者象征性地示出。
图5示出了也被称为PCB角度编码器40的角度编码器40。在该示例中，PCB编码器元件16a和16b是环形的。它们通过粘合剂45被固定在圆盘状载体元件44的平面的第一表面上。载体元件44的PCB覆盖的第一表面被面对面并相互平行地布置在组装的角度编码器内。圆盘状载体元件44具有用于容纳公共轴48的对准的中间孔的圆形形状，使得角度编码器40的轴48是PCB编码器元件的公共轴48，并且同时是枢轴关节的旋转轴48。该示例中的载体元件44两者在它们的中心内都具有突出部52，从圆盘轴向地突出并且具有平行于载体元件44的PCB覆盖的第一表面的平面前侧。在组装的角度编码器40中，突出部52朝向彼此轴向地突出并且它们相接触。但是，突出部52的前侧具有良好的滑行特性，使得抵靠彼此的枢转运动不会造成太大的摩擦。两个突出部52用作两个载体元件44之间的间隔体，使得在载体元件44的两个PCB覆盖的第一表面之间获得小间隙50。为了防止间隙尺寸的波动，两个载体元件44通过弹簧弹力F被轴向地朝向彼此挤压。弹簧弹力F在该示例中是通过由公共轴48引导的弹簧56来产生的，该公共轴48向外超过载体元件44轴向地突出，其中，这些弹簧通过固定在公共轴48上的螺母54被预拉紧。如果有必要，能够在螺母54和弹簧56之间以及在弹簧和载体元件44之间放置滑环(未示出)。
将PCB编码器元件16粘合到圆盘状载体元件44的第一表面上需要某些注意，以确保所产生的表面是足够平坦的。使用应用真空装置的特定的粘合过程是有利的，以便确保PCB所覆盖的表面非常平，其能够在高精度的平行度下进行组装，因为PCB编码器元件16的未对准或厚度波动能够通过粘合剂来补偿。
必须要提及的是，不同于对于如图4a中的臂部分模块A'中所示的纵向旋转轴，这里无需滑环，因为并不需要做无限的旋转。
在实施方式中，需要被传输到***中的所有元件和/或串行总线的电力供应被提供用于例如关于所有编码器的位置的信号和数据的传输，在编码器组件中能够使用滑环。然而，最好避免使用滑环，并且因此通过电感装置来传输所需的电力。增加两个滑动接触件到编码器组件能够得到中间的解决方案。为了避免需要穿过整个臂来传输电力供应，蓄能器可以被集成在每个臂部分模块内。当该臂被放置在它的静止位置时，那么将通过使用电触点或感应装置来确保充电过程。在它们一侧，有利地也必须使用电容装置、光学装置或无线电装置来确保触发和数据信号传输。
最后，所述臂部分模块能够包括用以覆盖PCB单元的外表面的泡沫86或软塑料，以便确保所需的形状或外观。此外，该泡沫具有起到隔温作用的优点。
在图7中，示出了根据本发明的关节臂式CMM 1。该关节臂式CMM 1包括具有多个相邻的臂部分68、68'、68″的关节臂2，所述臂部分68、68'、68″被配置为臂部分模块69、69'、69″或短的臂模块69、69'、69″。所述臂部分模块被形成为如上所述包括PCB单元10、12并且在该示例中由泡沫86覆盖。
正如能够看到的，关节臂2的第一端部22由底座72支撑，使得关节臂式CMM1能够被定位在表面上，特别是在地板或台子上。如果需要，底座72包含电路30和所有其他全局的电子设备和蓄能器。
关节臂式CMM 1被设计用于确定工具66的测量位置，在本示例中，工具66是由触觉测量探头78构建的。因此，连接到底座72的是通过具有集成的角度编码器40的枢轴关节70、70'、70″所链接的数个臂部分模块69、69'、69″，使得臂模块69、69'、69″抵靠彼此可枢转运动。在关节臂2的第二端部24处的末端的模块68″/69″处，用于工具66的工具夹持器74是可枢转附接的，因此，工具66在给定的量以内是可自由活动的。在该示例中，工具66/测量探头78被设计成配置用于接触待测量的表面点的红宝石球78。关节臂式CMM 1能够被编程为那样做，或者，例如测量探头78能够通过用户使用附接到工具夹持器74的手柄76来手动操作。用户还能够使用具有输入键84和显示器8的单独的控制单元80以便控制关节臂式CMM 1。所述控制单元能够通过无线电、红外线、蓝牙或电缆与电路30或其他全局的电子设备进行通信。
此外，编码器40、40″被分配到关节70、70'、70″，并且被配置为测量每个关节70、70'、70″的当前相对设置。由此，编码器40、40'被设计为如上所述的PCB编码器和被设计为角度编码器40或横向编码器40'。所述角度编码器40被集成在使得相邻的臂模块能够围绕纵轴1旋转的枢轴关节70内或者使得相邻的臂模块能够围绕或多或少地垂直于纵轴1的轴P能够枢转运动的枢轴关节70内。横向编码器40'被集成在横向关节(未示出)内或者与PCB角度编码器40一起被集成到组合的横向枢轴关节70″内。这样的结合的横向枢轴关节70″使得相邻的臂组件能够沿着纵轴1横向移动并且能够围绕纵轴1旋转。
每个关节70、70'、70″的测量到的实际设置被传输到电路30。通过组合各关节70、70'、70″的相对设置，电路30计算出工具66相对于关节臂坐标测量机1的底座72或者事先定义的坐标系的内部位置-分别为测量探头78和被探头78所触碰到的点的位置。例如，所计算出的相对于底座72的内部位置的坐标可以被显示在控制单元80的显示器82上。

Claims (21)

1.一种关节臂(2)，包括：
●第一端部(22)和第二端部(24)，所述第二端部被配置为支撑工具(66)；
●位于所述第一端部(22)和所述第二端部(24)之间的至少两个纵向延伸的臂部分(68、68'、68″)，其中，每对相邻的臂部分(68、68'、68″)通过枢轴关节(70、70'、70″)彼此连接，所述枢轴关节(70、70'、70″)具有生成指示所述臂部分(68、68'、68″)的相对位置的编码器信号的集成的角度编码器(40)；
●电子传输装置(28)，用于从所述角度编码器(40)向电路(30)传输编码器信号，所述电路(30)被配置为根据所述编码器信号至少得到所述相邻的臂部分(68、68'、68″)之间的相对位置以及可选地与参考点或参考坐标系的相对位置；
其特征在于，
●关节臂式CMM(1)是模块化的结构，其中，所述臂部分(68、68'、68″)被配置为具有PCB单元(10、12)的臂部分模块(69、69'、69″)，所述PCB单元(10、12)包括细长的PCB部分元件(14)以及连接到所述细长的PCB部分元件(12)的一端的至少一个PCB编码器元件(16a、16b)，
●其中，相邻的臂部分(68、68'、68″)中的所述PCB编码器元件(16a、16b)被布置成面对面并且抵靠彼此围绕公共轴(48)能够枢转，使得它们形成角度编码器(40)；并且
●其中，所述PCB部分元件(14)包括用于从所述PCB编码器元件(16)朝着所述电路传输所述编码器信号的所述电子传输装置(28)。
2.根据权利要求1所述的关节臂(2)，其特征在于，
设置有传感器***和电子设备，其中，所述传感器***被特别地集成在角度编码器和/或线性位置编码器内，以测量离心率、摆动、横向位移和/或径向位移。
3.根据权利要求1或2所述的关节臂(2)，其特征在于，
所述细长的PCB元件(14)包括设置有发送单元(32a)的第一端部和设置有对应的接收单元(32b)的相对的第二端部，其中，所述编码器信号从一个PCB单元(10、12)到相邻的PCB单元(10、12)的传输是从所述发送单元(32a)通过导线或者通过无线电装置或光学装置或者通过电感或电容耦合到相邻的所述接收单元(32b)来实现的。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的关节臂(2)，其特征在于，
所述PCB单元(10、12)包括：
●第一PCB编码器元件(16a)，其连接到所述细长的PCB部分元件(14)的一端并且设置有图案(34a)，和/或
●第二PCB编码器元件(16b)，其连接到所述细长的PCB部分元件(14)的对端并且设置有对应的图案识别装置(34b)；
●其中，角度编码器(40)包括布置成与第二PCB编码器元件(16b)面对面的第一PCB编码器元件(16a)；并且
●其中，所述角度编码器(40)被特别地配置为电容式***。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的关节臂(2)，其特征在于，
所述关节臂(2)包括臂部分模块(69、69'、69″)，其中，所述PCB部分元件(14)和PCB单元(10、12)中的所述至少一个PCB编码器元件(16、16a、16b)具有相同的变形特性，其中，所述PCB部分元件(14)和所述PCB编码器元件(16、16a、16b)被优选地形成为单件PCB单元(10、12)。
6.根据权利要求1至5所述的关节臂(2)，其特征在于，
所述关节臂(2)包括臂部分模块(69、69'、69″)，其中，至少一个PCB编码器元件(16、16a、16b)通过柔性的PCB连接元件(18)连接到所述细长的PCB部分元件(14)，所述PCB连接元件(18)具有比所述被连接的PCB元件(14，16、16a、16b)更高的可变形性。
7.根据前述权利要求中的一项所述的关节臂(2)，其特征在于，
所述PCB单元(10、12)中的所述细长的PCB部分元件(14)被配置有足够的刚度以支撑所述工具(66)并且构建自支撑式臂部分(68、68'、68″)，和/或所述PCB编码器元件被构建有足够的刚度以构建枢轴关节(70、70'、70″)，其中，所述刚度是通过增强结构来获得的。
8.根据权利要求7所述的关节臂式CMM(1)，其特征在于，
所述增强结构包括包含以下各项的组中的至少一种元素：碳纤维、碳纤维增强塑料层、铝层和/或铝合金层以及这些层的层压制品。
9.根据权利要求1至6所述的关节臂(2)，其特征在于，
所述关节臂(2)包括具有内部支撑结构的臂部分模块(69、69'、69″)，其中，所述内部支撑结构包括支撑所述PCB单元(10、12)中的所述细长的PCB部分元件的纵向延伸的框架元件(20)和/或支撑所述PCB单元(10、12)中的所述PCB编码器元件(16、16a、16b)的圆盘状载体元件(44)。
10.根据权利要求9所述的关节臂(2)，其特征在于，
所述纵向延伸的框架元件(20)是纵向延伸体或者纵向延伸的空心体或空心管，并且所述载体元件被成形为圆形或环形。
11.根据权利要求9或10所述的关节臂(2)，其特征在于，
所述支撑结构由包括以下各项的组中的至少一种材料制成：铝或轻金属合金、蜂窝结构的金属或金属合金、蜂窝结构的塑料、塑料泡沫、碳纤维、纤维增强塑料、蜂窝结构纤维增强塑料、纤维增强塑料泡沫、纤维增强金属和金属合金。
12.根据权利要求9至11中的一项所述的关节臂(2)，其特征在于，
所述PCB单元(10、12)、所述PCB部分元件(14)和/或所述PCB编码器元件(16、16a、16b)通过粘合或焊接的方式固定在它们的支撑结构(20，44)上，其中，所述PCB单元(10、12)、所述PCB部分元件(14)和/或所述PCB编码器元件(16、16a、16b)具有当它们被固定在它们的支撑结构上时使得它们能够复制出它们的支撑结构的形状的变形特性。
13.根据权利要求9至12中的一项所述的关节臂(2)，其特征在于，
所述关节臂(2)包括由臂部分模块(69、69'、69″)所构建的臂部分(68、68'、68″)，所述臂部分模块(69、69'、69″)包括支撑PCB单元(10)的第一框架元件(20)和支撑PCB单元(10)的第二框架元件，其中，第二内部框架元件(20')被形成为适合于容纳所述第一框架元件(20)的空心体，并且其中，所述两个框架元件(20，20')以如下的方式相对于彼此由笼式轴承(26)或滚珠轴承(26)支撑：它们能够以可伸缩的方式相对于彼此移动，并且其中，所述可伸缩的横向移动由PCB线性位置编码器来检测。
14.根据权利要求9至13中的一项所述的关节臂(2)，其特征在于，
第一框架元件(20)被配置为具有外径的细长的圆柱体或管状体的形状，并且第二框架元件(20')被形成为具有内径的管状体，所述第二框架元件(20')的所述内径大于所述第一框架元件(20)的所述外径，并且所述第一框架元件(20)被***到所述第二框架元件(20')内，其中，所述两个框架元件(20，20')通过滚珠轴承(26)以抵靠彼此可横向移动的方式和/或以抵靠彼此可旋转移动的方式被支撑。
15.根据前述权利要求中的一项所述的关节臂(2)，其特征在于，
所述PCB元件包含被配置为确保以下任务中的至少一项的电子设备：
●针对所述集成的角度编码器的激励信号的生成；
●所述集成的角度编码器接收到的信号的译码；
●所述编码器的校准信息的存储；
●用于位置测量同步的触发信号的传输；
●已补偿的测量位置的传输；
●电力供应的传输；
●局部温度的测量和传输；
●其他的编码器参数的测量和传输；
●从其他的臂部分或者从在所述关节臂(2)的所述第二端部(24)处所使用的工具所提供的电信号的传输和/或放大。
16.根据前述权利要求中的一项所述的关节臂(2)，其特征在于，
所述臂部分模块被覆盖有塑料或者可调和的塑料泡沫(86)。
17.根据前述权利要求中的一项所述的关节臂(2)，其特征在于，包括：
●底座，其用于支撑所述关节臂(2)的所述第一端部(22)处的所述臂部分模块；和/或
●工具夹持器(74)，其能够固定在所述关节臂(2)的所述第二端部(4)处的所述臂部分模块处；和/或
●电路(30)，其获得来自所述PCB编码器元件的信号，所述电路(30)被配置为得出所述臂部分模块(69、69'、69″)之间的相对位置并且可选地与参考点或参考坐标系的相对位置；和/或
●一个或更多个蓄能器和/或电源。
18.一种关节臂式CMM(1)，包括：
●关节臂(2)，其具有通过枢轴关节(70、70'、70″)彼此连接的关节臂部分(68、68'、68″)，所述枢轴关节(70、70'、70″)具有生成指示所述臂部分(68、68'、68″)的相对位置的编码器信号的集成的角度编码器(40)；
●底座(72)，其支撑所述关节臂(2)；
●电路(30)，其被配置为根据所述编码器信号得出至少所述相邻的臂部分(68、68'、68″)之间的相对位置以及可选地与参考点或参考坐标系的相对位置；
其特征在于，
所述关节臂是根据前述权利要求1至17中的一项所述的模块化的环形臂。
19.用于构造根据前述权利要求中的一项所述的关节臂(2)的模块化的组装工具箱，
●包括至少具有PCB单元(10、12)的臂部分模块(69、69'、69″)，所述PCB单元(10、12)包括细长的PCB部分元件(14)以及连接到所述细长的PCB部分元件(14)的一端的至少一个PCB编码器元件(16、16a、16b)，
●其中，所述PCB部分元件(14)包括：电子传输装置(28)，用于从所述PCB编码器元件(16)传输编码器信号；以及公共轴(20、20'、20″、48)，当形成角度编码器(40)时，所述PCB编码器元件(16、16a、16b)围绕所述公共轴(20、20'、20″、48)旋转。
20.根据权利要求18所述的模块化的组装工具箱，其特征在于，
包括：工具(66)和/或工具夹持器(74)，其可固定在所述关节臂(2)的第二端部(24)处的臂部件模块处；以及底座(72)，所述关节臂(2)的第一端部(22)处的臂部分模块连接到所述底座(72)，其中，所述工具是包含以下各项的组中的至少一种：用作触觉测量探头的红宝石球、光学测量探头、相机、扫描仪、钻头、刻绘工具、激光头、绘制头、切割头。
21.根据权利要求18或19所述的用于构造关节臂式CMM(1)的模块化的组装工具箱，其特征在于，包括：
●工具(66)和/或工具夹持器(74)，其能够固定在所述关节臂(2)的所述第二端部(24)处的所述臂部件模块处；以及
●底座(72)，所述关节臂(2)的所述第一端部(22)处的所述臂部分模块连接到所述底座(72)，
●其中，所述工具是触觉测量探头和/或光学探头；
●电路，其被配置或者能够配置/能够编程为控制所述工具和/或分析从所述工具得到的信号/数据；
●可选的存储装置，其存储用以控制和/或分析所述工具的程序。
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