CN101371099A

CN101371099A - 具有集成式线激光扫描仪的便携式坐标测量机

Info

Publication number: CN101371099A
Application number: CNA2007800026476A
Authority: CN
Inventors: 西蒙·拉布; 赛义德·阿里·莎杰迪; 保罗·克里斯托弗·阿特韦尔; 乔尔·怀亚特·厄普丘奇; 雅辛特·R·巴尔巴
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2006-01-18
Filing date: 2007-01-18
Publication date: 2009-02-18
Also published as: US7246030B2; EP2041512A2; WO2007097841A2; WO2007097841A3; JP2009524057A; US20060129349A1

Abstract

一种便携式坐标测量机，包括具有接头连接的臂部分的铰接臂。该臂包括其上安装有集成式线激光扫描仪的测量探针。该激光仪可以是热稳激光仪。

Description

具有集成式线激光扫描仪的便携式坐标测量机

技术领域

本发明一般涉及坐标测量机(CMM)，尤其涉及一种具有铰接臂的便携式坐标测量机，该铰接臂具有集成式线激光扫描仪。

背景技术

现在，便携式铰接臂设置为具有主机和应用软件的测量系统。该铰接臂通常用于测量物体上的点，并且所测量的这些点与存储在主机上的计算机辅助设计(CAD)数据进行比较，以确定该物体是否在计算机辅助设计规格之内。换句话说，该计算机辅助设计数据为参照数据，铰接臂进行的实际测量与该参照数据进行比较。主机也可以包含通过检查过程对操作人员进行引导的应用软件。对于包括复杂应用程序的多种情况，由于用户将观察主机上的三维计算机辅助设计数据，同时响应应用软件中的复杂命令，所以该设置是合适的。

在美国专利No.5,402,582(’582)中公开了用于在上述测量系统中使用的现有技术的便携式坐标测量机的例子，该专利以转让给本受让人，并且在此通过引用合并进来。该’582专利公开了一种常规三维测量系统，它包括手动操作的多接头连接的铰接臂，该铰接臂在其一端上具有支撑基部，并在另一端上具有测量探针。在此再次通过引用合并进来的共同被转让的美国专利5,611,147(’147)公开了一种具有铰接臂的类似的坐标测量机。在该专利中，铰接臂包括许多重要特征，其中包括探针端处的附加转轴，从而使臂具有2-1-3或2-2-3接头构造(后一种情况为7轴臂)以及用于臂中轴承的改进预载轴承构造。

在此通过引用合并进来的共同被转让的美国专利5,978,748(’748)公开了一种具有机载控制器的铰接臂，该机载控制器存储一个或多个可执行程序并给用户提供指令(例如，检查程序)，并存储用作参照数据的计算机辅助设计数据。在该’748专利中，控制器安装到臂上，并运行通过诸如检查程序的过程来指导用户的所述可执行程序。在这种系统中，主机可以用于生成所述可执行程序。

现有技术装置具有局限，因为它们一次仅能够测量空间中的一个点。用线激光扫描仪和电荷耦合装置(CCD)来代替单点探针的产品已经可用，该线激光扫描仪和电荷耦合装置能够同时测量位于由扫描激光仪限定的平面上的物体表面上的多个点的轨迹。这种现有技术产品的例子是由密歇根普利茅斯的Perceptron制造的ScanWorks^TM。然而，这种现有技术装置在便携式坐标测量机的现有铰接臂上做的改造，并需要从扫描仪到主机的外部高带宽数据连接以及到电源的外部连接，该主机用于翻译电荷耦合装置产生的图像数据。于是，电线延伸到铰接臂的外壳外。而且，当用改造的线激光扫描仪代替单点探针时，丧失了或者至少减少了高精度单点探针的功能。

发明内容

根据本发明，便携式坐标测量机可以包括具有接头连接的臂部分的铰接臂，该铰接臂在其一端处具有测量探针，该测量探针具有以可转动的方式或其它方式安装于其上的新颖的集成式线激光扫描仪。该激光扫描仪可以是热稳激光扫描仪。另外，在优选实施例中，该测量探针具有整体安装的触摸扳机探针，该探针很容易转变成常规的硬探针。该测量探针还包括改进的开关和测量指示器灯。该改进的开关包括允许操作人员很容易在它们之间进行区别的不同的表面纹理和/或高度，而指示器灯优选经过颜色编码，以易于操作。

从下面的详细描述和附图中，本领域技术人员将认识和理解本发明的上述和其他特征和优点。

附图说明

现在参照附图，其中在一些图中用相似的附图标记表示相似的元件：

图1是本发明的包括铰接臂和所连接的主机的便携式坐标测量机的前视透视图；

图2是图1的坐标测量机的后视透视图；

图3是图1的坐标测量机的右侧视图(去除了主机)；

图3A是图1的坐标测量机的右侧视图，其中略微修改的保护筒管覆盖两个长接头；

图4是本发明的坐标测量机的部分分解透视图，描绘了基部和第一铰接臂部；

图5是本发明的坐标测量机的部分分解透视图，描绘了基部、第一臂部和部分分解的第二臂部分；

图6是本发明的坐标测量机的部分分解透视图，描绘了基部、第一臂部分、第二臂部分和部分分解的第三臂部分；

图7是分解透视图，描绘了根据本发明在两个双插口接头之间组装的一对编码器/轴承盒筒；

图8是图7的轴承/编码器盒筒和双套筒接头的正视图；

图9是根据本发明的短轴承/编码器盒筒的分解透视图；

图9A是类似于图9的分解透视图，但是示出了单读取头；

图9B是类似于图9的分解透视图，但是示出了四个读取头；

图9C是图9B组装之后的透视图；

图9D是类似于图9的分解透视图，但是示出了三个读取头；

图9E是图9D组装之后的透视图；

图10是图9的盒筒的剖视正视图；

图11是根据本发明的长轴承/编码器盒筒的分解透视图；

图11A是类似于图11的分解透视图，但是示出了单读取头；

图12是图11的盒筒的剖视正视图；

图12A是图12的盒筒的剖视正视图，描绘了可与轴一起转动的双读取头；

图13是根据本发明的又一个轴承/编码器盒筒的分解透视图；

图13A是类似于图13的分解透视图，但是示出了单读取头；

图14是图13的盒筒的剖视正视图；

图15是根据本发明的轴承/编码器盒筒和平衡配重弹簧的分解透视图；

图15A是类似于图15的分解透视图，但是示出了单个读取头；

图16是图15的盒筒和平衡配重的剖视正视图；

图17是用于根据本发明使用的大直径轴承/编码器盒筒的双读取头组件的顶视平面图；

图18是沿着图17的线18-18的剖视正视图；

图19是图17的双读取头组件的底视平面图；

图20是用于根据本发明的小直径轴承/编码器盒筒的双读取头组件的顶视平面图；

图21是沿着图20的线21-21的剖视正视图；

图22是图20的双读取头组件的底视平面图；

图23A是描绘了用于使用单读取头的本发明坐标测量机的电子器件构造的框图，并且图23B是描绘了用于使用双读取头的本发明坐标测量机的电子器件构造的框图；

图24是纵向穿过本发明的坐标测量机的剖视正视图(其中去除了基部)；

图24A是图3A的坐标测量机的剖视正视图；

图25是图24的一部分的放大剖视图，描绘了图24的基部和第一长接头部；

图25A是根据本发明的替代实施例的长、短接头之间的相互连接的透视图；

图25B是纵向穿过图25A的一部分的剖视正视图；

图26是图24的一部分的放大剖视图，描绘了第二和第三长接头部；

图26A和26B是图24A的一些部分的放大剖视图，描绘了第二和第三长接头以及探针；

图27是穿过根据本发明的测量探针的第一实施例的剖视侧视正视图；

图27A是根据本发明的测量探针的另一实施例的侧视正视图；

图27B是沿着图27A的线27B-27B的剖视正视图；

图27C是在图27A-27B中使用的一对“开启”或“确认”开关的透视图；

图28A-28C是按照顺序的正视平面图，描绘了根据本发明的集成触摸探针组件和转换成硬探针组件；

图29是根据本发明的测量探针的再一实施例的剖视侧视正视图；

图30是具有第七轴传感器的测量探针的侧视正视图；

图31是类似于图30的侧视正视图，但是包括可拆卸手柄；

图32是图31的测量探针的端视图；

图33是图31的测量探针的剖视正视图；

图34A是本发明的集成式线扫描仪的第一实施例的侧视透视图；

图34B是图34A的集成式线扫描仪的部分切除透视图；

图35是本发明的便携式坐标测量机的正视透视图，包括具有集成式线激光扫描仪和所连接的主机的铰接臂；

图36是图35的铰接臂的手持线激光扫描仪单元部分的侧部轮廓，示意性地示出了其操作；

图37是图36的手持激光线扫描仪单元的顶视平面图，示出了其操作；

图38是图36的手持线激光扫描仪的剖视图；

图39是描绘具有集成式线激光扫描仪的图35的铰接臂的操作的框图；

图40是线激光扫描仪的再一实施例的透视图，该线激光扫描仪安装在图31的测量探针上；

图41和42分别是图40的线激光扫描仪的后视透视图和前视透视图；

图43、44和45分别是图40的线激光扫描仪的侧视图、前视图和后视图；

图46是图40的线激光扫描仪的类似于图44的前视正视图；

图47是沿着图46的线47-47的剖视正视图；

图48是部分分解视图，描绘了线激光扫描仪连接到图31的探针上；

图49是前视透视图，说明了与图40的线激光扫描仪一起使用的运动支座；以及

图50是图49的运动支座的后视透视图；

图51是具有热稳激光仪的另一实施例的透视图；

图52是图51的热稳激光仪的侧视图；

图53是图51的线激光扫描仪的剖视侧视图；

图54是图51的线激光扫描仪沿着图53的截面A-A的前视图；

图55是校准板的顶视图；

图56是绕着校准板移动的线激光扫描仪的侧视图；

图57是从图56的绕着校准板移动的位置转动了90度的线激光扫描仪的侧视图；

图58是绕着校准板移动的线激光扫描仪的侧视图。

具体实施方式

首先参照图1至3，本发明的坐标测量机整体用10表示。该坐标测量机10包括多接头连接的手动操作铰接臂14，该铰接臂在一端处连接到基部12上，并在另一端处连接到测量探针28上。该臂14由基本两种类型的接头构造成，即长接头(用于旋转运动)和短接头(用于铰链运动)。该长接头沿着该臂基本轴向或纵向地定位，而短接头优选与该臂的纵向轴线成90度定位。该长接头和短接头以公知的2-2-2构造(当然也可以采用如2-1-2，2-1-3，2-2-3等其它接头构造)成对地设置。在图4至6中示出了这些接头对中的每一对。

图4描绘了第一接头对，即长接头16和短接头18的分解视图。图4还描绘了基部12的分解视图，该基部包括便携式电源电子器件20、便携式电池组22、磁底座24以及两件式基部外壳26A和26B。所有这些部件都将在下文中更加详细地讨论。

重要地，应当注意到铰接臂14的各种主要部件的直径都将从基部12到探针28逐渐变细。这种逐渐变细可以是连续的，或者如图中所示的实施例中的那样，可以是不连续的或步进式的。另外，铰接臂14的每个主要部件都可以螺纹连接，从而取消与现有技术的坐标测量机相关的大量紧固件。例如，并且将在下文中讨论的，磁底座24可螺纹连接到第一长接头16上。优选地，这种螺纹连接是锥螺纹连接，它是自锁的并提供增大的轴向/弯曲刚度。或者，如图25A和25B中所示，并且如下文中所讨论的那样，铰接臂的主要部件可以具有互补的逐渐变细的公端和母端，这些公端和母端具有相关联的凸缘，这些凸缘用螺栓连在一起。

参照图5，第二组长接头和短接头示出为连接到第一组上。该第二接头组包括长接头30和短接头32。与磁底座24连接到长接头16上相一致，长接头30可螺纹连接到长接头16的内表面上的螺纹上。类似地，参照图6，第三接头组包括第三长接头34和第三短接头36。第三长接头34可螺纹连接到第二短接头32的内表面上的螺纹上。如将在下文中更加详细讨论的那样，探针28可螺纹连接到短接头36上。

优选地，每个短接头18、32和36都由铸造和/或机加工的铝部件构造成，或者由轻质硬合金或合成物构造成。每个长接头16、30和34都优选由铸造和/或机加工的铝、轻质硬合金和/或纤维增强聚合物构造成。为了平顺、统一的机械行为，前述三个接头对(即，对1包括接头对16、18，对2包括接头对30、32并且对3包括接头对34、36)的机械轴相对于基部对准。前述从基部12到探针28逐渐变细的构造是优选的，以促进基部处硬度增大和探针或手柄处轮廓变小，在基部处载荷较大，而在探针或手柄处，无障碍的使用是重要的。如将在下文中更加详细讨论的那样，每个短接头都与在其任一端上的保护缓冲器相关联，并且每个长探针都覆盖有保护筒管40或41。将认识到的是，第一长接头16由基部外壳26A、B保护，该基部外壳提供与筒管40、41提供给第二和第三长接头30、34的保护类型相同的保护。

根据本发明的重要特征，铰接臂的每个接头都使用模块化的轴承/编码器盒筒，如图7和8中所示的短盒筒42和长盒筒44。这些盒筒42、44安装在双插口接头46、48的开口中。每个插口接头46、48都包括具有第一凹口或插口120的第一圆筒形延伸部分47和具有第二凹口或插口51的第二圆筒形延伸部分49。尽管也可以采用其他相对角度构造，但插口120和51一般彼此成90度定位。短盒筒42定位在双插口接头46和48的每个插口51中，以限定铰接头，而长盒筒44定位在接头46的插口120中(见图25)，并且长盒筒44’(见图26)定位在接头48的插口120中，以分别限定纵向旋转接头。模块化轴承/编码器盒筒42、44允许单独制造其上安装有模块化编码器部件的预应力或预加载的双轴承盒筒。然后，该轴承编码器盒筒可固定地连接到铰接臂14的外骨架部件(即，双插口接头46、48)上。由于允许铰接臂14的复杂子部件的高质量和高速生产，所以这种盒筒的使用在本领域中是非常先进的。

在此处描述的实施例中，具有四种不同的盒筒类型，用于接头30和34的两个长的轴向盒筒，用于接头16的一个基部轴向盒筒，用于短接头18的一个基部盒筒(它包括平衡配重)，以及用于接头32和36的两个铰链盒筒。另外，与铰接臂14的逐渐变细相一致，相对于接头30、32、34和36的较小直径，最靠近基部(例如，位于长接头16和短接头18中)的盒筒具有较大直径。每个盒筒都包括预加载轴承装置和在本实施例中包括数字编码器的传感器。现在将转到图9和10描述定位在轴向长接头16中的盒筒44。

盒筒44包括由内部套筒54和外部套筒56分开的一对轴承50、52。轴承50、52被预先加载是非常重要的。在本实施例中，这种预加载由具有不同长度(内部套筒54比外部套筒56短大约0.0005英寸)的套筒54、56提供，从而在紧固之后，在轴承50、52上产生预先选择的预载。使用密封装置58密封轴承50、52，同时该组件可转动地安装在轴60上。在其上表面处，轴60终止于轴上壳62处。在轴60和轴上壳62之间限定环体63。整个该组件定位在外盒筒壳64内，使用内螺母66和外螺母68的组合将轴及其轴承组件牢固地连接到外壳64上。需要注意的是，在组装之后，外壳64的上部65将容纳在环体63内。将认识到的是，在对轴承提供给压紧力的内螺母和外螺母66、68紧固之后，前述预载被提供给轴承50、52，并且由于内、外间隔物54、56之间长度的不同，所以将施加预期的预载。

优选地，轴承50、52是双联球轴承。为了获得足够的预载，非常重要的是支承面尽可能平行。平行性影响轴承的圆周附近预载的均匀度。不均匀的载荷将使轴承具有粗糙的不均匀运行扭矩感，并将导致意外的径向游动和编码器性能下降。模块化安装的编码器盘(将在下面讨论)的径向游动将导致读取头下方干涉样式不理想的移动。这导致明显的编码器角度测量误差。而且，优选为双联球轴承的结构的刚度直接与轴承的分离相关。轴承隔得越远，该组件将越硬。间隔物54、56用于促进轴承的分离。由于盒筒壳64优选为铝，所以间隔物54、56优选也由铝制成并在长度和平行度方面经过精加工。结果，温度的变化将不会导致将使预载打折扣的不均匀膨胀。如上所述，通过在间隔物54、56的长度中的已知差异中的设计来建立该预载。一旦螺母66、68完全紧固，则长度中的该差异将导致支承预载。使用密封装置58来提供密封的轴承，因为轴承的任何污染都将影响所有的旋转运动和编码器精度，以及接头感觉。

尽管盒筒44优选包括一对隔开的轴承，但是替代地，盒筒44也能够包括单个轴承或者三个或更多个轴承。于是，每个盒筒都最少需要至少一个轴承。

本发明的接头盒筒可以具有不受限制的转动，或者作为替代，可以具有受限制的转动。对于受限制的转动，外壳64的外表面上的凸缘72上的凹槽70提供容纳滑梭74的圆筒形轨道。滑梭74将坐落在轨道70内，直到抵靠到可拆卸的滑梭止挡件如转动止挡固定螺钉76，由此阻止转动。转动量能够根据预期而改变。在优选实施例中，滑梭转动将限制为小于720°。在共同拥有的美国专利5,611,147中更加详细地描述了此处这种类型的转动滑梭止挡件，这里将该美国专利的全部内容并入作为参考。

如上所述，在替代的实施例中，本发明中所使用的接头可具有不受限制的转动。在后一种情况中，使用已知的滑环组件。优选地，轴60具有贯通其中的中空或轴向开口78，该开口在其一端处具有较大直径部分80。圆柱形滑环组件82抵靠在限定于轴向开口78和80之间的相交位置处的肩部上。相对于模块化接头盒筒中阐述的预载轴承组件，滑环组件82是非结构性的(也就是不提供机械功能，而仅提供电气功能和/或信号传递功能)。尽管在优选实施例中，滑环组件82可以由任何商用的滑环构成，但是滑环组件82也包括可从Reading，Berkshire，United Kingdom的IDM电子有限公司获得的H系列滑环。这种滑环尺寸紧凑并由于其圆柱形设计而非常理想地适于在轴60内的开口80中使用。穿过轴60的轴向开口80终止于和通道86连通的孔隙84处，该通道的尺寸加工并构造成容纳来自滑环组件82的配线。这种配线由配线罩88固定到位并保护，该配线罩咬合在通道86和孔隙84上并容纳在其中。这种配线在图10中示意性地示出为90。

如上所述，模块化盒筒44包括已经在上面描述过的预载轴承结构和现在将描述的模块化编码器结构。仍然参照图9和10，在本发明中使用的优选传感器包括具有读取头92和光栅盘94这两个主要部件的模块化光学编码器。在本实施例中，一对读取头92定位在读取头连接器板96上。连接器板96(经由紧固件98)连接到安装板100上。盘94优选连接到轴60的下支承表面102上(优选使用合适的粘结剂)，并将与读取头92(由板100支承并保持)间隔开并对准。线槽口104和密封帽106对外壳64的下端提供最终的外部覆盖。线槽口104将捕获并保持配线90，如图10中最佳示出的那样。将认识到的是，由于在102处涂抹粘结剂，所以编码器盘94将由轴60保持并与其一起转动。图9和10描绘了双读取头92。然而，将认识到的是，也可以使用两个以上的读取头，或者作为替代，也可以使用如图9A中所示的单读取头。图9B-9E描绘了具有两个以上读取头的模块化盒筒44的示例。图9B-9C示出了容纳在板100中并以90度(当然也可以使用不同的相对间隔)间隔隔开的四个读取头92。图9D-9E示出了容纳在板100中并以120度(当然也可以使用不同的相对间隔)间隔隔开的三个读取头92。

为了正确对准盘94，在与盘94相邻的位置处设置穿过外壳64的孔(未示出)。然后，使用工具(未示出)将盘94推动成正确对准，然后盘94和轴66之间的粘结剂固化，以将盘94锁定到位。然后，设置孔塞73穿过外壳64中的孔。

重要的是应注意到，盘94和读取头92的位置可以相反，从而盘94连接到外壳56上，而读取头92与轴60一起转动。在图12A中示出了这种实施例，其中板96’(经由粘结剂)连接到轴60’上，与其一起转动。一对读取头92’连接到板96’上，从而与轴60’一起转动。盘94’定位在连接到外壳64’的支座100’上。在任何情况下，将认识到，盘94或读取头92都可以安装成与轴一起转动。重要的是将盘94和读取头92在盒筒(或接头)中定位成可相对于彼此转动，同时保持光通信。

优选地，本发明中采用的可转动编码器类似于美国专利5,486,923和5,559,600中所公开的编码器，这里将这两个美国专利的全部内容并入作为参考。这种模块化编码器可从MicroE Systems购得，商标名为Pure Precision Optics。这些编码器基于物理光学，该物理光学探测衍射级之间的干涉，以干涉样式插入的光探测器阵列(例如，读取头)产生几乎纯正弦信号。对该正弦信号电子进行插值，以允许只是一小部分光学干涉的移位的探测。

在使用激光源的情况下，激光束首先由透镜校准，然后由孔隙改变尺寸。已校准尺寸的光束通过光栅，该光栅将光衍射成具有由光栅构造抑制的0离散级和所有的偶数级。在0级受到抑制情况下，存在超过发散的3级的区域，其中只有±1级相重叠，以产生几乎纯正弦干扰。一个或多个光电探测器阵列(读取头)放置在该区域内，并在光栅和探测器之间存在相对移动时示出几乎纯正弦干扰输出的四个通道。电子器件将该输出放大、正态化并插值到期望的分辨率等级。

该编码器设计的简化产生了相比于现有技术光学编码器的若干优点。只用激光源及其校准光学、衍射光栅和探测器阵列就可进行测量。相对于较笨重的现有技术普通编码器，这带来了极为紧凑的编码器系统。另外，光栅和干涉移动之间的直接关系使得编码器由环境导致的误差不敏感，而现有装置对该环境导致的误差非常敏感。而且，由于干扰区域较大，并且由于在该区域中任何位置都可获得几乎正弦干扰，所以与现有编码器相比，对准公差远远放宽。

上述光学编码器的显著优点在于，读取头相对于编码器盘的竖立方位和距离或者距离和方位的精度远没有那么严格。这允许高精确度的转动测量和易于组装的包装。使用该“几何公差”编码器技术的结果是坐标测量机10成本显著降低并易于制造。

将认识到的是，尽管上述优选实施例包括光学盘94，但本发明的优选实施例也包括允许读取头测量相对移动的任何光学干涉样式。如此处所使用的那样，这种干涉样式意味着设置提供移动测量的光学元件的任何周期排列。这种光学元件或干涉样式可安装在如上所述的转动或静止的盘上，或者可设置、固定或者定位或停靠在盒筒的任何相对移动部件(如轴、轴承或外壳)上。

实际上，读取头和相关的周期排列或样式不必基于光学(如上所述)。相反，在广义上，读取头能够读取(或感测)具有某种可用来测量运动的其他可测量或特征的某种其他的周期样式，所述运动通常为旋转运动。这些其他的可测量特征可以包括例如反射率、不透明性、磁场、电容、感应系数或表面粗糙度。(注意，表面粗糙度样式可使用呈例如电荷耦合装置相机的相机形式的读取头或传感器读取)。在这些情况下，该读取头将测量例如磁场、反射率、电容、感应系数、表面粗糙度等的周期变化。因此，如此处所用的那样，词语“读取头”意味着用于分析这些可测量量或特征的任何传感器或转变器及相关的电子器件，光学读取头只是一个优选的例子。当然，读取头读取的周期性样式能够存在于任何表面上，只要读取头和周期性样式之间存在相对(通常为旋转)运动即可。周期性样式的例子包括以某种样式设置在转动或静止部件上的磁性、感应或电容介质。而且，如果表面粗糙度是将被读取的周期性样式，则由于与相关读取头(可能是相机，如电荷耦合装置相机)通信的任何部件的表面粗糙度都可使用，所以不需要设置或提供单独的周期性介质。

如上所述，图9和10描绘了用于轴向长接头16的模块化轴承和编码器盒筒的元件。图11和12描绘了用于轴向长接头30和34的轴承和编码器盒筒。这些盒筒组件基本类似于图9和10中所示的组件，因此用44’表示。相对于盒筒44的细微差别在图11和12中是明显的，例如不同构造的线帽/盖88’，略微不同的线槽口/盖104’、106’以及凸缘72’在外壳64’的上端处的定位。同样，外壳64’和轴上壳62之间的凸缘向外展开。当然，图11和12中所示的各部件的相对长度可以与图9和10中所示的略有不同。由于所有这些部件都基本类似，所以部件用相同的图标记加上上标表示。图11A类似于图11，但是描绘了单个读取头的实施例。

转到图13和14，类似地分解视图和剖视图示出了短铰接头32和36中的轴承和编码器盒筒。如图11和12的长轴向接头44’中那样，用于短铰接头32和36的盒筒基本类似于上面详细讨论的盒筒44，因此这些盒筒的部件用44”，使用双上标表示类似部件。将认识到的是，由于期望盒筒44”使用在短接头32、36中，所以由于线将因这些接头的铰链移动而简单地通过轴向开口78”、80”，因此将不需要滑环。图13A类似于图13，但描绘了单读取头的实施例。

最后，参照图15和16，用于短铰接头18的模块化轴承/编码器盒筒示出为108。将认识到的是，除了包括配重平衡组件这一重要不同外，盒筒108的基本所有部件都与盒筒44、44’和44”相类似或相同。该配重平衡组件包括配重弹簧110，该配重弹簧容纳在外壳64”上并对坐标测量机10提供重要的配重平衡作用。图15A类似于图15，但是描绘了单读取头的实施例。

如上所述，在优选实施例中，编码器中可以使用超过一个读取头。将认识到的是，编码器的角度测量受到由于施加的载荷而导致盘跑出或径向移动的影响。已经确定的是，两个彼此以180度定位的读取头将带来导致每个读取头中的取消效果的跑出。这些取消效果是最终“免疫”角度测量的平均状态。于是，两个读取头的使用和所带来的错误取消将导致较少的错误倾向和较准确的编码器测量。图17至19分别描绘了在例如接头16和18(即最靠近基部的这些接头)中的较大直径盒筒中有用的双读取头实施例的底视图、剖视图和顶视图。于是，盒筒端帽100上安装一对电路板96，每个电路板96都具有以机械方式连接到其上的读取头92。读取头92优选彼此间隔180度定位，以提供盘的跑出或径向移动所导致的错误取消。每个电路板96都另外包括用于将电路板96连接到内部总线和/或下文中将讨论的其他配线上的连接器93。图20至22基本描绘了和图17至19中相同的部件，其主要区别在于较小直径的盒筒端帽100。该较小直径的双读取头实施例将与例如接头30、32、34和36的较小直径盒筒相关。

现在转到图23A，示出了用于图9A、11A、13A和15A的单读取头实施例的电子器件的框图。将认识到的是，坐标测量机10优选包括外部总线(优选为USB总线)260和内部总线(优选为RS-485)261，该内部总线设计成可扩展用于多个编码器以及外部安装的轨道或辅助转轴，如第七轴。该内部总线优选与RS485相容，并且该总线优选以与串联网络相容的方式构造成可用作串联网络，用于从便携式坐标测量机臂中的传感器连通数据，如共同拥有的美国专利6,219,928中公开的那样，其所有内容在此并入作为参考。

参照图23A，将认识到的是，每个盒筒中的每个编码器都与编码器板相关。用于接头16中的盒筒的编码器板定位在基部12内，并在图25中用112表示。用于接头18和30的编码器在位于第二长接头30中的双编码器机载处理，并在图26中用114表示。图26还描绘了用于在接头32和34中使用的编码器的类似的双编码器板116，板116定位在第三长接头34中，如图26中所示。最后，如图24中所示，端编码器板118定位在测量探针柄28内，并用于处理短接头36中的编码器。每个板114、116和118都与热电偶相关，以提供由于温度消失而造成的热补偿。每个板112、114、116和118都包含嵌入的模数转换器、编码计数器和串行通信。每个板还都具有读取可编程闪存，以允许操作数据的本地存储。主处理器板112还可通过外部USB总线260现场编程。如上所述，内部总线(RS-485)261设计成可扩展用于多个编码器，该编码器也包括外部安装的轨道和/或第七转轴。已经提供轴口用于内部总线诊断。由于外部USB通信协议的性能，所以在这些图中用10表示的类型的多个坐标测量机可以连接到单个应用程序上。而且，出于相同原因，多个应用程序也可以连接到单个坐标测量机10上。

优选地，每个板112、114、116和118都包括16位数字信号处理器，如可从摩托罗拉公司获得的名称为DSP56F807的处理器。该单个处理部件组合了多种处理特征，包括串行通信、正交解码、A/D转换器和机载存储器，从而允许减少每个板需要的芯片的总数。

根据本发明的另一重要特征，每个编码器都与个性化标识芯片120相关。该芯片将识别每个单独编码器，并因此将识别每个单独轴承/编码器模块盒筒，从而方便并加快质量控制、测试和修复。

图23B是电子器件框图，它类似于图23A，但是描绘了图10、12、14以及16至22的双读取头实施例。

参照图24至26，现在将描述铰接臂14中每个盒筒的组装(要注意的是，图24描绘了没有基部12的臂10。还要注意的是，图24至26实施了图9A、11A、13A和15A的单读取头实施例)。如图25中所示，第一长接头16包括相对较长的盒筒44，盒筒44的上端已经插入到双插口接头46的圆筒形插口120中。使用合适的粘结剂将盒筒44紧固地保持在插口120中。盒筒44的相对的下端插入到延伸管中，该延伸管在本实施例中可以是铝筒管122(但是筒管122也可以由硬合金或合成材料构成)。再次使用合适的粘结剂将盒筒44紧固在筒管122中。筒管122的下端包括其上具有内螺纹126的较大外径部分124。这种螺纹向外逐渐变细，并构造成与磁底座外壳130上的向内逐渐变细的螺纹128螺纹配合，如图4中清晰示出。如已经讨论的，坐标测量机10的所有这些接头都使用这种逐渐变细的螺纹相互连接。优选地，该逐渐变细的螺纹属于NPT型，该类型螺纹是自锁紧的，因此不需要锁紧螺母或其他紧固装置。该螺纹还允许并应当包括螺纹锁定剂。

转到图26，如第一长接头16中那样，长盒筒44”以粘接方式固定在双插口接头46’的圆柱形开口120’中。盒筒44’的外壳64’包括由凸缘72’的下表面限定的肩部132。该肩部132支撑圆筒形延伸管134，该延伸管设置并环绕在外壳64’的外表面上。在接头中使用延伸管来形成用于连接到螺纹部件上的可变长度管。于是，延伸管134从盒筒64’的底部向外延伸，并在其中插有螺纹筒管136。使用适当的粘结剂将外壳44’粘结到延伸管134上，以及将筒管136和管134粘结在一起。筒管136终止于其上具有外螺纹138的逐渐变细部分。该外螺纹与已经以粘接方式固定在双插口接头48的开口144中的连接件142上的内螺纹140螺纹配合。优选地，延伸管134由合成材料构成，如适当的碳纤维合成物，而螺纹筒管136由铝构成，从而与双插口接头48的热特性相匹配。将认识到的是，PC板114紧固到支架146上，而支架146又紧固到双插口接头支架142上。

除了前述螺纹连接之外，还可以使用如图25A-25B中所示的螺纹紧固件将一个或一些或者所有接头相互连接起来。与图26的螺纹筒管136不同，图25B的筒管136’具有光滑的逐渐变细的端部137，该端部容纳在互补的逐渐变细的插口支架142’中。凸缘139从筒管136’沿圆周向外延伸，一排螺栓孔(在该情况下为6个)穿过凸缘139，用于容纳螺栓141。螺栓141用螺纹容纳在沿插口支架142’的上表面的相应的孔中。延伸管134’容纳在插口136’上，如图26中的实施例所示。相对于现有技术，用于接头的该互补的逐渐变细的阳性和阴性互连提供了改进的连接接口。

仍然参照图26，以类似于长接头30的盒筒44’的方式将第三长接头34的长盒筒44”紧固到臂14上。也就是说，盒筒44”的上部以粘接方式紧固到双插口接头46”的开口120”中。延伸管148(优选由关于管134所描述的合成材料构成)定位在外壳64”上，并从其向外延伸，从而容纳以粘接方式紧固到延伸管148的内径上的配合筒管150。配合筒管150终止于具有外螺纹152的逐渐变细部分，并与双插口接头盒筒154上互补的内螺纹153配合，该双插口接头盒筒已经以粘接方式连接到双插口接头148’内的圆筒形插口156上。类似地，使用紧固于双插口接头盒筒154的PCB支架146’将印刷电路板116连接到双插口接头上。

如参照图7和8所述，图13和14中的短盒筒44’和图15中的108仅仅定位在两个双插口接头46、48之间，并使用合适的粘结剂紧固在双插口接头内。结果，长盒筒和短盒筒很容易以直角彼此连接(或者，如果需要，则以直角以外的角度连接)。

如上所述的模块化轴承/传感器盒筒构成例如Raab的美国专利5,794,356和Eaton的美国专利5,829,148中所示的便携式坐标测量机的重要技术进步。这是由于该盒筒(或者盒筒的外壳)实际限定了组成铰接臂的每个接头的结构元件。如此处所使用的，“结构元件”意味着盒筒(例如，盒筒外壳)的表面刚性连接到铰接臂的另一结构部件上，以传递转动而不使臂变形(或者最多只有微小变形)。这与(如Raab的‘356和Eaton的‘148专利中所公开的)相反，在常规的便携式坐标测量机中，需要单独且不同的接头元件和传递元件，并且转动编码器是接头元件(但不是转换元件)的一部分。实际上，通过将接头和传递元件的功能组合到单个的模块部件(即，盒筒)中，本发明已经消除了对单独的传递元件(例如传递构件)的需要。因此，与由单独且不同的接头和传递构件组成的铰接臂不同，本发明使用由较长接头元件和较短接头元件(即，盒筒)的组合组成的铰接臂，这些接头元件全部都是臂的结构元件。相对于现有技术，这带来了更好的功效。例如，在’148和’582专利中的接头/传递构件组合中使用的轴承数量为四个(两个轴承在接头中，两个轴承在传递构件中)，而本发明的模块化轴承/传感器盒筒可以使用最少一个轴承(当然两个轴承是优选的)，并且仍然实现同样的功能(当然以不同和改进的方式)。

图24A和26A-B是剖视图，类似于图24至26，但是示出了图10、12、14以及16至22的双读取头实施例，并且是图3A中所示的坐标测量机10’的进一步剖视图。

铰接臂14和/或各种臂部分的总长可以根据其期望的应用而改变。在一个实施例中，铰接臂可以具有大约24英寸的总长，并提供大约0.0002英寸到0.0005英寸的测量。该臂尺寸和测量精度提供一种很好地适用于现在使用一般的手工工具如千分尺、高度计、测径器等所实现的测量的便携式坐标测量机。当然，铰接臂14能够具有更小或更大的尺寸和精度等级。例如，较大的臂可以具有8英尺或12英尺的总长，以及0.001英寸的相关测量精度，从而允许用于大多数的实时监测应用或者用于逆向工程。

坐标测量机10还可以与安装到其上的控制器共同使用，并用于运算如前述专利5,978,748和申请序列号No.09/775,226中公开的相对较简单的可执行程序；或者可以与主机172上的更复杂的程序共同使用。

参照图1至6以及图24至26，在优选实施例中，长接头和短接头中每个都受到弹性缓冲器保护或覆盖，该缓冲器起到限制高冲击震动并提供人体工程学上满意的抓持位置(以及审美满意的外观)。长接头16、30和34都受到可更换的刚性塑料(例如，ABS)盖的保护，该盖起到冲击和磨损保护器的作用。对于第一长接头16，该可更换刚性塑料盖是两件式基部外壳26A和26B的形式，也示出在图4中。长接头30和34每个都受到一对盖件40和41保护，如图5和6中所示，这对盖件可以使用合适的螺钉以贝壳方式紧固在一起，从而形成保护筒管。将认识到的是，在优选实施例中，用于每个长接头30和34的该可更换刚性塑料盖将分别环绕优选为合成材料(碳纤维)的延伸管134和148。

优选地，其中一个盖，在此情况下为盖部41，包括整体模制在其中的倾斜支柱166，该倾斜支柱限制臂在弯曲处的转动，从而限制探针28与静止位置处的基部12碰撞。这在图3、24和26中最佳示出。将认识到的是，支柱166将因此而限制不必要的冲击和磨损。

如将参照图29和31讨论的那样，探针28还可以包括由刚性塑料材料制成的可更换塑料保护盖。

图3A、24A和26A-26B描绘了替代的保护筒管40’、41’，这些筒管也具有贝壳结构，但是用条带或弹簧夹167而不是螺纹紧固件保持到位。

每个短接头18、32和36都包括如前所述并如图1至3和5至6中清晰示出的一对弹性(例如，诸如

的热塑橡胶)缓冲器38。缓冲器38可以使用螺纹紧固件、适当的粘结剂，或者以任何其他合适的方式连接。弹性或橡胶缓冲器38将限制高冲击震动，并提供美学满意和人体工程学上满意的抓持位置。

前述盖40、41、40’、41’和缓冲器38都很容易更换(如同基部外壳26A、26B)，并允许臂14快速并低成本地翻新而不影响坐标测量机10的机械性能。

仍然参照图1至3，基部外壳26A、B包括至少两个圆筒形凸起，用于如图3中以168示出的半球的安装。该半球可以用于夹子型计算机保持器170的安装，该计算机保持器又支承便携式或其他计算机装置172(例如，“主机”)。优选地，圆筒形凸起设置在基部外壳26A、B的任一侧上，使得球和夹子计算机底座可以安装在坐标测量机10的任一侧上。

现在转到图27和28A至C，现在将描述测量探针28的优选实施例。探针28包括外壳196，该外壳中具有用于容纳印刷电路板118的内部空间198。将认识到的是，外壳196构成上述类型的双插口接头，并包括插口197，用于支撑电路板118的支撑构件199粘结在该插口中。优选地，手柄28包括两个开关，即开启开关(takeswitch)200和确认开关202。操作人员在操作期间使用这些开关开启测量(开启开关200)和确认测量(确认开关202)。根据本发明的重要特征，这些开关彼此区分开，从而使得使用期间混淆的可能性最小。这种区分可以采取一种或多种形式，包括例如开关200、202具有不同高度和/或不同纹理(注意，与开关200的光滑上表面相对的是，开关202具有缺口)和/或不同颜色(例如，开关200可以是绿色，开关202可以是红色)。同样，根据本发明的重要特征，指示灯204与开关200、202相关联，用于指示正确的探测。优选地，指示灯204为两色灯，从而例如灯204在测量开启(并按压绿色开启按钮200)之后为绿色，并且当用于确认测量(并按压红色按钮202)之后为红色。使用已知的LED用作灯204的光源来实现多色灯的使用。为了帮助抓持、提供改进的美学效果和冲击阻力，上述类型的外保护盖用206表示，并设置在探针28的一部分上。开关电路板208设置用于按钮200、202和灯204的安装，并由支撑构件199支撑。开关板208与板118电连接，板118容纳用于处理开关和灯指示器以及用于处理短铰接头36的部件。

根据本发明的另一重要特征，并参照图27以及图28A-28C，探针28包括永久安装的触摸式扳机探针(trigger probe)，以及用于在保护触摸扳机探针的同时调整固定探针的可拆卸帽。该触摸探针机构在图27中示出为210，并安置在简化的三点运动基部上。该常规构造包括与受到接触弹簧216偏压的球214接触的鼻部212。三个接触销(一个销示出为218)与下面的电路接触。对探针鼻部212施加的任何力都导致三个接触销218中任一个的提升，从而导致下面的电路打开，并因此触发开关。优选地，触摸扳机探针210将结合前部“开启”开关200操作。

如图28B中所示，当使用触摸扳机探针210时，保护螺纹盖220螺纹连接到环绕扳机探针210的螺纹222上。然而，当期望使用固定探针而不是触摸扳机探针时，将可拆卸帽220去除，并且将如图27和28A-28C中所示的期望的固定探针螺纹连接到螺纹222上。将认识到的是，尽管固定探针224连接有圆球226，但是任何不同的和期望的固定探针构造都可很容易经螺纹222螺纹连接到探针28上。触摸扳机探针组间210安装在外壳228中，该外壳通过螺纹容纳在形成探针外壳196的一部分的螺纹连接器230中。该可通过螺纹实现的相互连接使得触摸扳机探针210完全整合到探针28中。完全整合的触摸探针的设置代表了本发明的重要特征，并能够与现有技术的坐标测量机相关的现有技术可分离触摸探针区别开。另外，永久安装的触摸扳机探针还很容易转变成如上所述的硬探针。

图27A-27C公开了根据本发明的测量探针的又一个优选实施例。在图27A-27C中，测量探针示出为28’，并基本类似于图27中的测量探针28，其主要区别在于“开启”和“确认”开关的构造。与图27中所示的不连续按扭型开关不同，测量探针28’使用两对拱形椭圆开关200a-b和202a-b。每对相应的椭圆开关202a-b和200a-b都分别对应于如上参照图27所述的开启开关和确认开关。测量探针28’实施例相对于测量探针28实施例的优点在于，每对椭圆开关202和200都实质上环绕测量探针的整个圆周(或者至少大部分圆周)，并因此可更加容易由便携式坐标测量机的操作人员触动。如图27实施例中所示，指示灯204与每个开关都相关，并且灯204和开关200、202安装在相应的电路板208’上。同样，如图27实施例中所示，可通过使用例如不同高度、不同纹理和/或不同颜色来区分开关200、202。优选地，开关200、202略微浮动，从而按钮在沿其任何位置处被按下时都可以被触动。如图27实施例中所示，使用上述类型的外保护盖206，并将其设置在探针28’的一部分上。

现在参照图29，用于和坐标测量机10一起使用的替代测量探针整体示出为232。测量探针232类似于图27的测量探针28，其主要区别在于探针232包括转动手柄盖234。转动盖234安装在一对间隔开的轴承236、238上，这对轴承又安装在内芯或支架240上，使得盖234可(经由轴承236、238)绕内芯240自由转动。轴承236、238优选是径向轴承，并由于探针操作而使得臂上的附加力矩(parasitic torque)最小化。重要的是，开关板208’和相应的开关200’、202’及LED204’都安装于转动手柄盖234，以用于与其一起转动。在转动期间，使用常规滑环机构242提供与处理电路板118’的电连接，该滑环机构包括已知多数个间隔开的弹簧夹242，这些弹簧夹接触静止的圆形通道244。接着，这些接触通道244电连接到电路板118’上。该转动手柄盖234和开关组件因而利用滑环导体242电联接到内芯或探针轴240和电路板118’上。探针手柄234的转动允许开关200’、202’方便用户定向。通过使未提及的力最小化，这允许铰接臂14’在操作期间精确地进行测量。盖234优选由刚性聚合物构成，并设置有适当的缺口246和248，以允许探针操作人员容易和方便的抓持和操纵。

将认识到的是，其余探针232非常类似于包括在盖220中设有永久和整体安装的触摸探针210的探针28。要注意的是，开关200’、202’具有不同高度和表面纹理，从而提供容易的区分。

转动盖234是坐标测量机领域中的显著进步，因为它能够消除如前述美国专利5,611,147中所公开的探针处辅助(即，第七)转轴的需要。将认识到的是，附加第七轴导致坐标测量机更加复杂和昂贵以及可能给系统增加误差。可转动探针232的使用消除了“真正”第七轴的需要，因为它允许探针提供探针端部处手柄位置所需的转动，而没有第七传感器和相关轴承、编码器和电子器件的复杂性。

在期望使用具有“真正”第七轴的测量探针的情况下，也就是测量探针具有用于测量转动的第七转动编码器时，这种测量探针在图30-33中示出。参照这些图，测量探针500示出为具有基本类似于图27中的测量探针的这种测量探针，其主要区别在于插入了上述类型的模块化轴承/传感器盒筒502，在测量探针的两侧上存在开启和确认开关504、506，以及包括可拆卸手柄508。

将认识到的是，模块化轴承/传感器盒筒502基本类似于上面详细描述的盒筒，并包括可转动轴、位于轴上的一对轴承、光学编码器盘，与编码器盘隔开并光学通信的至少一个并优选为两个光学读取头，以及外壳，该外壳环绕轴承、光学编码器盘、读取头和轴的至少一部分，从而限定不连续的模块化轴承/传感器盒筒。用于编码器电子器件的电路板503位于具有探针500的开口504中。在探针500的向下突出的外壳部分510的任一侧上设置数对开启和确认按钮504、506，并且这些按钮连接到适当的PC板512上，如图27实施例的测量探针中那样。类似地，如先前讨论的实施例中那样，在按扭504、506之间设置指示灯513。外壳510中的一对螺纹开口514容纳用于可拆卸地连接手柄508的紧固件，该手柄使得在测量探针500的使用期间易于转动操纵。

在所有其他基本方面，测量探针500类似于图27的测量探针28，包括优选使用永久安装的触摸扳机探针516以及用于在保护该触摸扳机探针的同时调整固定探针518的可拆卸帽。将认识到的是，包括在测量探针500中的第七转动编码器502有助于坐标测量机10的与已知的线激光扫描器和其它外围设备一起使用。

现在转到图2至4、23和25，根据本发明的重要特征，便携式电源给坐标测量机10提供动力，从而提供完全便携式的坐标测量机。这与电源只基于AC电缆的现有坐标测量机相反。另外，坐标测量机10还可以由AC电缆通过AC/DC适配器经由常规插座直接供电。如图2、3和25中所示，常规的可再充电电池(例如，锂离子电池)示出为22。电池22以机械方式和电气方式连接到常规电池支架252上，该电池支架又电连接到常规电源和位于电路板20上的电池再充电电路部件254上。与电路板20连通的还有打开/关闭开关258(见图3)和高速通信口260(优选为USB口)。臂14的接头电子部件使用RS-485总线连接到电路板20上。电池22可在单独充电器上充电，或者像通常在常规摄像机中那样，将电池在护架252中放好以进行充电。将认识到的是，便携式式计算机172(见图2)能够用其内置电池工作几个小时，和/或电连接到坐标测量机10的电源单元254上。

通过将根据本发明的机上电源/再充电器单元设置成基部12的整体部分，更具体地是设置成塑料基部外壳26A、B的一部分，该部件优选被设置成坐标测量机10的整体部分。还要注意的是，基部外壳26A、26B优选包括小存储区域259，该小存储区域具有用于存储备用电池、探针等的可枢转盖262。

现在转到图34A和34B，示出了已经完全整合到探针28、28’、232上的线激光扫描器312，或者更为优选地，整合到探针500上。线激光扫描器312包括用于容纳数码相机316、线激光318和适当的电子电路320的外壳314。外壳314环绕探针28并包括从其向下延伸的手柄322。在线扫描器的使用期间，操作人员很容易接近手柄322。重要的是，该线扫描器能够转动以确保正确的在线测量。为此，使用适当的轴承结构324在转动的附加(即，第七)轴上安装外壳312。在优选实施例中，转动的该附加轴包括传感器，从而构成除铰接臂14中通常的五个或六个接头之外的的单独接头。更优选地，该附加轴是用于臂的三轴肘节的一部分(产生典型的2-1-3或2-2-3臂构造)。

优选地，如图27和28A-28C中所述的整体触摸探针和硬探针盖连接也应用在图34A-34B的实施例中。该整体的线激光扫描器312将以已知和常规方式工作，但与必须在便携式坐标测量机的端上改造的现有技术不同，本发明完全整合在坐标测量机上。因此，电路320将完全整合到铰接臂14中的电源和信号总线上。结果，激光扫描器和坐标测量机探针将位于同一外壳中，使用相同内部配线，并构成整体的机械结构。该结构也将允许同时使用或接近激光扫描器和触摸探针或硬探针。而且，与主机172合作的电路320将提供机载图像分析和在易于操作的环境中实时处理，并且来自激光扫描器的信号经由RS-485(或类似的)串联通信总线传递。

图35至39示出了整体线激光扫描器的另一实施例，其中坐标测量机10示出为具有连接到探针28上的整体线激光扫描器/探针600。如图36和37中所示，从探针28向后间隔开的是激光发射器窗口，扫描激光束604从扫描激光仪601通过该窗口发出。扫描激光仪604扫过垂直于如图36中所示的纸面并平行于图37中所示的纸面的平面，图37示出了扫描器/探针600的平面图。激光发射器窗口602下方是电荷耦合装置窗口606。如将在下面进一步详细描述，电荷耦合装置窗口606可以实际上是位于外壳610内的电荷耦合装置605的聚焦透镜。电荷耦合装置605具有如虚线608所示的视野(FOV)。该电荷耦合装置605的FOV与扫描激光束604在图37中虚线所示区域612内所限定的平面相交。因此将认识到，当物体通过区域612时，面朝扫描仪/探针600的物体上轨迹交叉区域612将被扫描的激光束604照亮并被电荷耦合装置605成像。

由扫描激光束604照亮的物体的点的轨迹将显示在电荷耦合装置605上为轮廓图。由于坐标测量机10已知线激光扫描仪/探针600的位置和方位，所以区域612在由扫描激光束604限定的平面上的精确位置是已知的。随着由光束照亮的物体上的点移动靠近或远离线激光扫描仪/探针600，激光仪反射的光的图像在电荷耦合装置成像平面(未示出)上移上或移下，而靠近电荷耦合装置605的成像平面上左右两边的点对应于靠近物体交叉区域612的左右两边的位置，并被扫描激光束604照亮。因此，电荷耦合装置605的每个像素都与区域612中可能被扫描激光束604照亮并位于电荷耦合装置605的FOV内的相应位置相关。

参照图38和39，来自电荷耦合装置605的图像数据在图象处理板620上处理，该板是位于外壳610的手柄611内的电路板。电荷耦合装置605包括用于捕获电荷耦合装置605所探测的图像并将其转换成诸如苹果计算机有限公司建立的FIREWIRE数据格式(或任何合适的高速数据通信协议)的数码格式的传感器板。该完整图像实时传播到新颖的图象处理板620。图像处理板620包括火线接口622、数字信号处理器(DSP)624和存储器626。DSP在接收图像数据时对其进行实时处理。软件算法处理每个框架，以子像素精度确定所测量物体的精确位置。由于经过线激光仪的轮廓接近高斯函数，并延伸过电荷耦合装置图像平面上的多行像素，所以这是可能的。选择合适的像素来代表线位置是该软件的重要功能。该软件算法沿着像素列分析线轮廓，并计算“重心”(COV)，该重心可以是部分像素位置并且是代表线的精确位置的最佳点。

该算法继续进行，以计算框架中每一列的COV。一旦该框架经过处理，则抛弃原始图像，并只保留处理过的数据。以类似于每个接头处的各种数字编码器产生的其他数据的方式，所保留的信息经由通信芯片627发送到坐标测量机的基部处的板。图像处理板620产生的数据包是原始图像尺寸的一部分，并不需要显著量的通信带宽。数据与相符的臂位置一起从主坐标测量机处理器发送到主机CPU。因此，与现有技术相对，该新颖的图象处理板允许在臂10内部进行机载图像处理，在现有技术中，在单独单元或经外部更新(retrofit)硬连线到激光扫描仪上的计算机中实现这种图像处理。

如前述实施例中那样，手柄611包括两个开关，即开启开关200和确认开关202。在操作期间，操作人员在探测模式下使用这些开关来开启测量(开启开关200)和确认测量(确认开关202)。同样，指示灯204与开关200、202相关，以用于指示正确的探测。优选地，指示灯204是两色灯，使得例如灯204在开启测量(并按下绿色开启按钮200)之后为绿色，并且在用于确认测量(并按下红色按钮202)时为红色。使用已知的LED作为灯204的光源很容易实现多色灯的使用。

在扫描模式下，开启开关200触发上述扫描过程，而确认开关202可用于某些其他目的，例如取消前一扫描。在任一模式下，都可以由软件程序来指定开关的功能。

图38中的探针28包括如先前在图27和30中所描述的触摸探针机构210和硬探针盖220。触摸探针机构210包括接触弹簧偏压元件的鼻部212。三个接触销与下面的电路接触。抵靠探针鼻部212施加的力导致三个接触销中的一个提升，从而导致下面的电路开通，因此触发开关。优选地，触摸扳机探针210将与探针模式下前“开启”开关200共同工作。

当使用触摸探针机构210时，通过螺纹将探针盖220取下。然而，当期望使用固定探针而不是触摸扳机探针时，如图所示将探针盖220连接起来。将认识的到是，尽管探针盖220连接有圆球226，但是任何不同的和期望的固定探针构造都可以很容易地螺纹连接到探针28上。触摸探针机构2100安装在外壳228中，该外壳通过螺纹容纳到形成探针外壳110的一部分的螺纹连接器中。

现在参照图40至48，用700表示线激光扫描仪的又一实施例。在图40中，线扫描仪700示出为连接到具有图30至32中所描述类型的探针500的坐标测量机702上。转到图47，激光扫描仪700包括外壳704，该外壳用于容纳全部已经在上面结合图38实施例描述的电荷耦合装置窗口606、聚焦透镜605、图像处理板620、高速数据通信协议接口板622、数字信号处理器624和存储器626。

从外壳704向外和向下延伸的是运动环，该运动环在图49和50中最佳示出并包括三个间隔开的(优选以等距或以180度间隔开的)切口或开口707。每个开口707都在其中容纳小的圆柱杆708。圆柱杆708容纳在探针500的向下突出的外壳部分510的内表面712上相应地间隔开并且形状互补的开口710中。保持环714具有内螺纹716，该内螺纹由探针500的螺纹222螺纹容纳，然后该螺纹222将外壳504以(由运动座706带来的)精确对准紧固地连接到探针500上。

尽管激光扫描仪700以类似于图38的激光扫描仪600的方式工作，但是扫描仪700具有能够容易地可拆卸方式连接到附加轴探针500上的优点(与图24A和38的更永久连接的激光扫描仪相比)。像先前描述的激光扫描仪实施例那样，图40至48的线激光扫描仪提供完全整合的扫描装置，该扫描装置包括线激光仪、光过滤器和数码相机，它们都连接到高速数据通信协议(即，火线)上，连接到用于图像分析和三维分析的数据图像处理器、DSP处理器和存储器上，并最后连接到用于将所得数据包与坐标测量机10的铰接臂的总线通信的通信处理器上，并最终连接到主机172上。重要的是，激光扫描仪700将使用已经整合到坐标测量机10的臂中的电源。本实施例中所需要的唯一外部电缆是从扫描仪外壳704到探针500上的连接器的短电缆。该电缆进行用于传送数据包的电力和信号总线连接。与主CPU172的通信整合在铰接臂内，从而不像现有技术装置中那样需要外部通信电缆。因此，本发明的激光扫描仪允许内部数字图像处理器板620实时分析图像传感器数据，使得这种分析的结果以相符的编码器位置数据传回到主机CPU。如上所述，现有技术需要包括笨重和庞大的外部电缆的外部视频处理单元和电源。

根据扫描仪700的另一特征，重要的是，在激光仪602和相机605之间具有刚性的热稳定向，以及外壳704和附加的轴探针500之间具有热稳连接。为此，根据优选实施例，外壳704内框架718的内部构造由低热膨胀系数(CTE)材料(例如，在1.0×10^-6至10×10^-6in/in/°F之间的平均热膨胀系数)制成，该材料优选是诸如铁/镍合金的金属合金，例如因瓦合金(优选是因瓦合金36)。该金属框架718延伸越过处于连接环706形式的通常为塑料的外壳704，并允许直接连接到上述三点运动支座上。如上所述，该三点运动支座710定位在臂的探针底座的基部处，用于容纳扫描仪外壳704。另外，将认识到的是，如果需要的话，该运动支座710还可以容纳任何其他外部安装的传感器。

图34至48的激光扫描仪不仅可以与此处描述的坐标测量机一起使用，而且可以与具有铰接臂的任何其他便携式坐标测量机一起使用，如前述美国专利5,796,356或5,829,148中所述的铰接臂或者由Kosaka，Cimcore，Romer或其他制造商制造的那些铰接坐标测量机臂。

转到另外的实施例，如图51至52中所示，与图47中所示的实施例相比，可以并入多个附加的特征。与图47中所示元件相对应的元件具有与图51至52中所示相同的图标记。相应的元件已经在上面结合图47的实施例进行过描述。然而，下面描述的附加元件可以和任何上述实施例一起使用。

如图51中所示，激光扫描仪800包括外壳804。然而，与图47中所示的实施例不同，外壳804不包括可以包括例如清晰窗口的电荷耦合装置窗口806，这是因为在本实施例中，电荷耦合装置窗口806直接安装到透镜组件807上。这消除了电荷耦合装置窗口806和透镜组件807之间的移动的任何潜在可能。

另外，如图51和53中所示，已经在激光发射器窗口802的后面添加光束衰减器808，以减小扫描激光束604的宽度。该激光发射器窗口802也可以直接安装到扫描激光仪801上，或者扫描激光仪801的相关部分上，以减少激光发射窗口802和扫描激光仪801之间的移动。

同样，如图52中所示，该扫描激光仪801在本实施例中是热稳的，并且可以包括安装到例如扫描激光仪801上的至少一个温度传感器810和例如加热器组件820，该加热器组件利用控制电子元件(未示出)控制并稳定扫描激光仪801的温度。热绝缘筒管818也可以位于扫描激光仪801附近，例如如图52中所示。

平面校准

另外，上述任何实施例都可包括有用的和省时的平面校准方法，例如作为软件或硬件，这还降低了制造成本。如下所述，利用单个参照平面，该方法通过使用球探针226和的激光线扫描仪800来校准该实施例的坐标测量机。例如，利用单个参照平面，对于最靠近探针226的臂的最后短接头38，可以发现线激光扫描仪800的位置的6自由度。

如图55中所示，为了校准坐标测量机，首先使用球探针226、然后使用激光线扫描仪800来将校准板900数字化。

利用所有的探针226，校准板900的白色区域901将用球探针226数字化，该球探针226接触具有球探针的白色表面并将白色区域901表面上的八个点902数字化。接下来，该球探针从白色区域901移开。计算白色区域901表面的平坦度，并将结果显示在对话框(未示出)中。

接下来，如图56中所示，利用已知为激光线探针(LLP)的激光线扫描仪800将校准板900的白色区域901数字化。首先，激光瞄准白色区域901表面的中间。通过将激光线扫描仪800移动到与八个点902相关的白色区域表面901的中心来移动激光线扫描仪800，直到激光指在中心范围中为止。

接下来，如图57中所示，该激光线扫描仪800转动90度，并且重复上述过程。

接下来，如图58中所示，该激光线扫描仪800如上所述瞄准白色表面901的中间。然而，该激光线扫描仪800移向白色表面901，直到激光处于近范围903中为止，即靠近白色区域901的表面。然后，激光线扫描仪800移动到远范围904，同时指向白色表面的中心。

然后，计算较准点，并且更新探针校准状态。如果探针通过，则将当前日期和时间添加到探针信息中。

DRO

实施例软件包可以将数字读出(DRO)窗口添加到屏幕。该DRO窗口显示探针在当前坐标系中的当前位置。

如果激光线探针(LLP)处于测程中，则X、Y、Z坐标为激光线的中心。要注意的是，由于激光线的某些部分可能在测程之外，所以这可能不是整个激光线的中心。

本领域普通技术人员能够认识到的是，计算机或其他客户端或服务器装置可以用作计算机网络的一部分，或者用在分布式计算环境中。在这方面，上述和/或此处要求的方法和设备适合任何计算机系统，该计算机系统具有任何数量的存储器或存储单元，和发生在任何数量的存储单元或容量中的任何数量的应用程序和过程，它们可以与上面描述和/或此处要求的方法和设备共同使用。于是，它们可以应用到具有在网络环境或分布式计算环境中使用的、具有远程或本地存储器的服务器计算机和客户端计算机的环境中。上面描述和/或此处要求的方法和设备还可以应用到孤立的计算装置，该计算装置具有编程语言功能、用于连同远程或本地服务器产生、接收和传递信息的翻译和执行能力。

上面所述和/或此处要求的方法和设备可与数个其他通用目的或特定目的计算系统环境或构造一起运作。可适于与上述和/或此处要求的方法和设备一起使用的已知计算系统、环境和/或构造的例子包括但不限于：个人计算机、服务器计算机、手持或膝上装置，多处理器系统、基于微处理器的系统、网络PC、迷你计算机、大型计算机以及包括上述系统或装置中任一个的分布式计算环境。

上述和/或此处要求的方法可以在诸如程序模块的由计算机执行的计算机可执行指令的一般文章中描述。程序模块通常包括执行特殊任务或实现特殊抽象数据类型的例行程序、程序、对象、要素、数据结构等。于是，上述和/或此处要求的方法和设备还可以在分布式计算环境中实施，例如在不同发电厂或不同的发电单元之间，在那里由通过通信网络或其他数据传输介质连接的远程处理装置执行任务。在典型的分布式计算环境中，程序模块和例行程序或数据可以位于包括存储器存储装置的本地和远程计算机存储介质中。通过计算装置和系统之间的直接交换，分布式计算有助于计算机资源和服务的共享。这些资源和服务可以包括信息交换、文件的高速缓冲存储器存储和硬盘存储。分布式计算利用网络连通的优点，从而允许客户利用它们的集体力量产生杠杆效用，以有助于整个企业。在这方面，多种装置可以具有可使用上述和/或此处要求的方法和设备的应用程序、对象或资源。

执行上述方法的计算机程序将在诸如CD-ROM的分布介质上共同分配给用户。该程序可拷贝到硬盘或类似的中间存储介质上。当程序即将运行时，它们将从它们的分布介质或它们的中间存储介质加载到计算机的执行存储器中，从而将计算机构造成根据上述方法和设备而运作。

词语“计算机可读介质”包括所有分布和存储媒介、计算机的存储器和能够进行存储以用于由计算机读取执行上述方法的计算机程序的任何其他介质或装置。

因此，此处所述各种技术都可与硬件或软件或在适当的情况下与它们的适当组合共同执行。于是，上述和/或此处要求的方法和设备，或它们的某些方面或部分可以采用嵌入到有形媒介如软盘、CD-ROM、硬盘驱动器或任何其他机器可读存储介质中的程序代码或指令的形式，其中当程序代码加载到如计算机之类的机器中并由其执行时，该机器变成用于实施上述和/或此处要求的方法和设备的设备。在可编程计算机上执行程序代码的情况下，计算装置将通常包括处理器、可由该处理器读取的存储介质、至少一个输入装置和至少一个输出装置，该存储介质可以包括易失性或非易失性存储器和/或存储元件。例如通过数据处理的使用，可以使用上述和/或此处要求的方法和设备的一个或多个程序可以以高水平面向程序或面向对象的编程语言执行，以与计算机系统通信。然而，如果需要的话，也可以以汇编语言或机器语言执行所述程序。在任何情况下，该语言都可以是编译语言或脚本语言，并可与硬件执行相结合。

上述和/或此处要求的方法和设备还可以经过以程序代码形式嵌入的信息执行，该信息通过光纤在某些传递介质上传递，如电线或电缆，或经过任何其他形式的传递来执行，其中当机器接收并加载和执行该程序代码时，如EPROM、门阵列、可编程逻辑装置(PLD)、客户端计算机或具有如上面示例性实施例中所述的信号处理能力的接收机，该机器变为用于执行上述和/或此处要求的方法的设备。当在一般用途处理器上执行时，该程序代码与处理器组合，以提供操作成调用上述和/或此处要求的方法和设备的功能的独特设备。而且，与上述和/或此处要求的方法和设备共同使用的任何存储技术都可以一直是硬件和软件的组合。

尽管已经示出和描述了优选实施例，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，也可作出各种修改和替代。因此，将理解的是，已经通过示例而非限制的方式描述了本发明。

该书面描述使用包括最佳模式在内的例子来公开本发明，并且还使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的专利范围由权利要求限定，并可以包括本领域技术人员想到的装置、方法和物体的其他例子。如果这些其他例子具有与权利要求的文字语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的文字语言无实质区别的和/或法律允许的等效结构元件，则至少在权利要求的范围内。

而且，熟练技术人员将从不同实施例中认识到各种特征的互换性。类似地，本领域普通技术人员可对所述各种特征，以及每个特征的其他已知等效物进行混合和匹配。

Claims

1.一种用于测量选定容积中物体的位置的便携式坐标测量机(CMM)，包括：

可手动定位的铰接臂，其具有相反的第一端和第二端，所述臂包括多个接头连接起来的臂部分，每个臂部分都包括用于产生位置信号的至少一个位置传感器；

位于所述臂的所述第一端处的热稳激光扫描仪；

电子电路，该电子电路接收来自所述传感器的所述位置信号并提供与选定容积中所述臂的第一端的位置相对应的数字坐标；以及

设置在所述铰接臂内的至少一根内部总线，其用于在内部将电力和数据信号中的至少一个传递给所述激光扫描仪，所述激光扫描仪包括与所述至少一根总线通信的电路。

2.如权利要求1所述的坐标测量机，还包括：

至少一个衰减器，其设置成减小从所述热稳激光仪发出的激光线的宽度。

3.如权利要求1所述的坐标测量机，还包括：

安装在所述热稳激光扫描仪上的至少一个清晰窗口。

4.如权利要求1所述的坐标测量机，还包括：

从所述臂的所述第一端延伸的手柄。

5.如权利要求1所述的坐标测量机，其中，所述臂的所述第一端包括三个自由度，并且所述三个自由度中的一个自由度是用于使所述热稳激光扫描仪转动的转轴。

6.如权利要求5所述的坐标测量机，其中，所述便携式坐标测量机包括三个附加的自由度，以使得所述接头连接起来的臂部分具有2-1-3构造中的自由度。

7.如权利要求5所述的坐标测量机，其中，所述便携式坐标测量机包括四个附加的自由度，以使得所述接头连接起来的臂部分具有2-2-3构造中的自由度。

8.如权利要求1所述的坐标测量机，其中，所述至少一根总线包括串行通信总线，并且所述热稳激光扫描仪连接到所述总线上。

9.如权利要求8所述的坐标测量机，其中，所述串行通信总线为RS-485型。

10.如权利要求1所述的坐标测量机，其中：

所述激光扫描仪以可拆卸的方式安装到所述臂的所述第一端上。

11.如权利要求1所述的坐标测量机，还包括：

用于将所述热稳激光扫描仪以可拆卸的方式安装到所述臂的所述第一端上的运动支座。

12.如权利要求1所述的坐标测量机，其中，所述激光扫描仪包括用于容纳激光仪和相机的扫描仪外壳，所述外壳安装到所述臂的所述第一端上。

13.如权利要求12所述的坐标测量机，其中，所述扫描仪外壳永久地安装到所述臂的所述第一端上。

14.如权利要求12所述的坐标测量机，其中，所述扫描仪外壳以可拆卸的方式安装到所述臂的所述第一端上。

15.如权利要求12所述的坐标测量机，其中，至少所述激光仪和相机安装在热膨胀系数低的框架上。

16.如权利要求15所述的坐标测量机，其中，所述低热膨胀系数框架包括钢/镍合金。

17.如权利要求16所述的坐标测量机，其中，所述钢/镍合金包括因瓦合金。

18.如权利要求1所述的坐标测量机，其中，所述激光扫描仪还包括：

与所述相机通信的数字接口；

与所述数字接口通信的数字信号处理器(DSP)，其用于处理来自所述扫描仪的图像；

与所述数字信号处理器通信的存储器；以及

与所述数字信号处理器通信的通信处理器。

19.如权利要求17所述的坐标测量机，其中，所述数字接口包括：

用于在所述相机和所述数字接口之间通信的高速数据通信接口。

20.如权利要求17所述的坐标测量机，其中：

所述高速数据通信接口使用火线数据格式。

21.如权利要求1所述的坐标测量机，其中，所述至少一根总线传递电力和数据信号。

22.如权利要求1所述的坐标测量机，其中，所述臂包括用于同时从所述传感器和所述激光扫描仪传递数据到主机的电路。

23.如权利要求1所述的坐标测量机，其中，所述激光扫描仪包括将图像数据转换成三维数据的机载图像处理电路。

24.如权利要求21所述的坐标测量机，其中，使用所述至少一根总线来传送所述三维数据。

25.如权利要求16所述的坐标测量机，其中，所述数字信号处理器包括将图像数据转换成三维数据的机载图像处理电路。

26.如权利要求1所述的坐标测量机，其中，所述激光扫描仪包括产生处理过的数据的机载图像处理电路，这种处理过的数据的数量少于与源于从所述相机接收的图像的原始数据相关的数据的数量。

27.一种用于测量选定容积中物体的位置的便携式坐标测量机(CMM)，包括：

位于所述臂的所述第一端处的激光扫描仪；

安装在所述激光扫描仪上的至少一个清晰窗口；

电子电路，其接收来自所述传感器的所述位置信号并提供与选定容积中所述臂的第一端的位置相对应的数字坐标；以及

28.如权利要求27所述的坐标测量机，其中，所述激光扫描仪包括至少一个衰减器，所述衰减器设置成减小从所述激光仪发出的激光线的宽度。

29.一种校准用于测量物体位置的坐标测量机(CMM)的方法，包括：

利用均连接于所述坐标测量机的球探针和激光线扫描仪将校准板数字化；

使所述球探针触及所述校准板区域，并将表面上的多个参照点数字化；

由所述参照点的位置来计算所述表面的平面度；

将所述激光线扫描仪瞄准在与所述多个参照点相关的所述校准板的表面的中心处；

将所述激光线扫描仪转动90度，并将所述激光线扫描仪瞄准在与所述多个参照点相关的所述校准板的表面的中心处；

将所述激光线扫描仪瞄准在与所述多个参照点相关的所述校准板的表面的中心处，并将所述激光线扫描仪朝所述校准板的所述表面移动到接近该表面的范围；以及，在使所述激光线扫描仪指向所述校准板的所述表面的中心的同时使其移动离开该表面；以及

由与上面执行的激光线扫描仪瞄准和转动步骤相关的所述参照点的位置来计算所述激光扫描仪的校准点。