(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
手動の座標位置決め機械であって、
使用時に本機械により作業されるべき物体を支持するテーブルを含むベースと、
作動モジュールと、を備え、
該ベースと該作動モジュールは、ベースと作動モジュールとの相対的回動を防止するがベースと作動モジュールとの相対的直線運動を許容すべく協働する三つのリンク機構により相互に連結され、
作動モジュールに対する重力の影響が、作動モジュールに外力が作用していないとき、該作動モジュールをベースに対して懸架するように作用する一つ以上の釣り合い装置により相殺されることを特徴とする手動の座標位置決め機械。
【請求項２】
リンク機構の各々が、作動モジュールとベースとの相対運動を二つの回転自由度で許容し、一方、前記作動モジュールおよび前記ベースの相対運動を第３の回転自由度で防止し、それによって三つのアームがベースに対するホルダーの直線運動を許容するよう協働し、一方、ベースに対するホルダーの全ての回動運動を防止することを特徴とする請求項１に記載の手動の座標位置決め機械。
【請求項３】
ベースは、使用時に本機械により作業されるべき物体を支持するテーブルと、ベースから上方に延びるピラーとを含み、ここで、リンク機構はピラーから作動モジュールまで横向きに延び、そこで作動モジュールがピラーに接近または離去する運動の際、作動モジュールがテーブルを横切り、ここで、読取りヘッドがピラーに取り付けられ且つ第２の肢部が一端においてピラーに取付けられていることを特徴とする請求項１に記載の手動の座標位置決め機械。
【請求項４】
リンク機構の中の少なくとも一つは、二つの回転自由度で回動可能に相互に連結された第１肢部と第２肢部とを有し、該第１肢部が一対の細長いストラットを有し、該ストラットは一端において二つの回転自由度を有してベースおよび作動モジュールの中の一つに且つ他端において第２肢部に回動可能に取付られ、且つ第２肢部がベースおよび作動モジュールの中の他方に対し一つの自由度を有して回動可能に取付られ、ここで、第１の釣り合い装置が第１肢部の少なくとも一つの異なったストラットの離れた端部を一緒に付勢するよう作用する偏倚力を与える第１の偏倚手段を有することを特徴とする請求項３に記載の手動の座標位置決め機械。
【請求項５】
作動モジュールの上に配置され関節連結されたアームを有する第２の釣り合い装置を備え、該アームはその一端においてベースに取付けられ、且つ他端においてケーブルを介して作動モジュールに対しこれと一緒にピラーを横切る方向に移動するよう連結され、ケーブルは作動モジュールから遠い端において該ケーブルに偏倚力を作用させて作動モジュールを上向きに付勢する第２の偏倚手段に連結されていることを特徴とする請求項４に記載の手動の座標位置決め機械。
【請求項６】
該第２の偏倚手段が、該ケーブルが周囲に巻かれた円錐滑車と、該円錐滑車に一定のトルクを与える手段とによりもたらされることを特徴とする請求項５に記載の手動の座標位置決め機械。
【発明の詳細な説明】
本発明は座標位置決め機械、例えば部品の位置や形状や寸法を測定するために使用されるロボットや座標測定機械に関する。
公知の形式の座標位置決め機械の一つは、（例えばプローブを含み得る）作動モジュールが、３個の「順に」（すなわち一つが他の上に）取り付けられ相互に直交する線形案内路により、三つの並進自由度を有して（例えばテーブルのような）ベースに対し相対移動可能に支持された「デカルト」構造を有する。別のサポート構造では、作動モジュールが３個の関節連結式リンクによりテーブルに対し三つの並進自由度で相対移動できるよう支持されており、関節連結式リンクの各々は、作動モジュールとベースの一部を形成している支持部材との間に直接に連結されている。このような機械用の「平行」取付構造は、例えばヨーロッパ特許第１０２７４４号および米国特許第４、９７６、５８２号により公知である。
本発明の種々の形態は並列形の機械構造を提供することに関する。
本発明の第１の形態は、ベースと３個のリンク機構により相互に連結された作動モジュールとを有し、該リンク機構はベースと作動モジュールとの相対的回転を防止するが、ベースと作動モジュールとの相対的並進運動を可能にすべく協働し、更に作動モジュールがベースに対しロック面内を移動するよう拘束する選択作動可能なロック手段を備える座標位置決め機械を提供する。
このような機械構造の一つの利点は、例えば表面のデータマップを得る目的で一連の平行な平面内で物体の輪郭を走査するのに、このような機械を手動操作する能力を使用者にもたらすことである。好ましくは、この機械は非平行面でのベースと作動モジュールとの相対運動を拘束するように作動し得る一対の選択作動可能なロック手段を含み、本機械の作動領域内でのその変位が、該ロック手段が相対運動を拘束するように作動されると直ちに、作動モジュールの位置に基づき測定される。
したがって、本機械の好適な実施の形態の一つは選択作動可能な第１および第２のロック手段を包含し、該第１ロック手段により作動モジュールとベースとの相対運動が拘束されるロック平面は、第２ロック手段により相対運動が拘束されるロック平面に対し非平行である。
本機械のさらなる好適な実施の形態においては、作動モジュールが選択作動可能なロック手段により運動を拘束されているロック面の変位は、選択作動可能なロック手段が作動モジュールの運動を拘束するように作動された瞬間での作動モジュールの瞬間的位置に基づいて、本機械の使用者が選択できる。
好ましくは、前記リンク機構の中の少なくとも一つは二つの回転自由度で回動可能に相互連結された第１肢部と第２肢部とを有し、該第１肢部が一対の細長いストラットを有し、該ストラットは一端において二つの回転自由度でベースおよび作動モジュールの中の一方に、他端において第２肢部に回動可能に取付られ、且つ、該第２肢部はベースおよび作動モジュールの中の他方と関節連結部の軸線回りに一つの自由度で回動可能に取付られ、ここで、選択作動可能なロック手段が第１肢部のストラットの間で作動する。
このような実施の形態の好適な特徴は、前記ロック手段の各々がその各端部においてストラットの一つに連結された細長いクランプを備え、ここで、該クランプが作動していないときには、その長さが肢部の回動により増減し、そして、該クランプが作動しているときには、その長さを一定値に維持するように作動可能である。
本発明の独立の一形態においては、並進形の機械におけるベースと作動モジュールとの相対的な変位は、複数のエンコーダにより測定される。本発明のこの形態によれば、ベースと三つのリンク機構により相互に連結された作動モジュールとを有し、該リンク機構がベースと作動モジュールとの相対的回動を防止するがベースと作動モジュールとの相対的並進運動を許容すべく協働する座標位置決め機械であって、該リンク機構の各々が二つの回転自由度を有して回動可能に相互連結された第１および第２の肢部を有し、該第１肢部がその一端において二つの回転自由度を有して前記ベースおよび作動モジュールの中の一方に、他端において第２肢部に回動可能に取り付けられ、且つ、第２肢部がベースおよび作動モジュールの中の他方に関節連結軸線を中心にして一つの自由度で回動可能に取り付けられ、ここで、ベースと作動モジュールとの相対的変位が３個以上のエンコーダにより測定され、各エンコーダは、
円弧状の基板に取り付けられ、一連の離間された線により規定された目盛りと、
該目盛りと整列して取り付けられた読取りヘッドであって、該目盛りおよび読取りヘッドが前記線の隙間の方向に相対的に運動可能である読取りヘッドとを有し、
基板は、ベース、作動モジュールおよびリンク機構の肢部の中の一つに取り付けられ、
読取りヘッドは、読取りヘッドと目盛り基板とが円弧状基板の幾何学中心にほぼ一致する軸線を中心にして互いに相対的に回動できるように、目盛り基板が取付けられていない機械の部分に取り付けられ、
ている座標位置決め機械が提供される。
好ましくは、読取りヘッドがベースに取り付けられ、且つ、円弧状基板は第２の肢部に取り付けられ、ここで、円弧状基板の幾何学中心が関節連結の軸線にほぼ一致する。
さらなる好適な実施の形態においては、ベースは、使用時に本機械により作業されるべき物体を支持するテーブルと、ベースから上方に延びるピラーとを含み、ここで、リンク機構はピラーから作動モジュールまで横向きに延び、そこで作動モジュールがピラーに接近または離去する運動の際、作動モジュールがテーブルを横切り、ここで、読取りヘッドがピラーに取り付けられ且つ第２の肢部が一端においてピラーに取付けられている。
エンコーダは、例えば光電式、磁気式または容量式である。
望ましくは、ベースおよび作動モジュールは、それらの相対的変位が繰り返えされる機械的基準位置を有する。これは、エンコーダおよび全ての関連するエラーマップが同一の機械的位置でその都度初期化されるのを可能にする。好ましくは、機械的基準位置は、機械が使用されていないとき作動モジュールがベースに対して駐機位置に保持される止め金機構としても役立つ。
好ましくは、本機械はベースと作動モジュールとの望ましくない相対運動を防止する構造も有する。従って、本発明のさらなる独立の形態は、ベースと三つのリンク機構により相互に連結された作動モジュールとを有し、該リンク機構がベースと作動モジュールとの相対的回動を防止するがベースと作動モジュールとの相対的直線運動を許容すべく協働する座標位置決め機械であって、作動モジュールに対する重力の影響が、作動モジュールに外力が作用していないとき、該作動モジュールをベースに対して懸架するように作用する一つ以上の釣り合い装置により相殺される座標位置決め機械を提供する。
作動モジュールの性質は、機械の使用者が遂行しようとする仕事の性質により変わる。例えば、上述したように、作動モジュールは、（接触プローブまたは非接触プローブのいずれかであってもよい）トリガーまたは測定用プローブのいずれか、切削工具または、例えば溶接アーム、グリッパやペイント噴射ノズルを含み得る。また、作動モジュールはまた、一つ以上の回転自由度を有して、（例えば）このようなプローブをベースに対し方向付けるための関節連結式ヘッドを有してもよい。
本発明の実施の形態を例として添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明による第１実施の形態の機械の前部斜視図である。
図２は、図１の機械の後部斜視図である。
図３は、機械の第２実施の形態の斜視図である。
図４は、機械の第３実施の形態の斜視図である。
図１および図２を参照するに、機械は、ブラケット１４に取りつけられている剛性アーム１２に懸架された接触プローブ１０（この実施の態様では測定プローブすなわち接触トリガプローブである）による作動モジュールと、テーブル１６と該テーブル１６に堅固に取付られたピラー２０とによるベースとを有している。作動モジュールは３つの関節連結リンク機構１８により三つの並進自由度を持って前記ベースに相対的に移動できるよう支持され、関節連結リンク機構１８のそれぞれはブラケット１４とピラー２０との間に直接に延在している。
各リンク機構１８は一対の肢部を有し、その中の一つはねじり剛性のあるボックス２２よりなり、該ボックス２２は、この実施例では一対のボール・ソケット継手２４（ボールと溝との継手も使用される）で作られたヒンジによりピラー２０に回動可能に取り付けらている。ボール・ソケット継手２４は、ボックス２２による肢部の関節軸線Ａを定める。各ねじり剛性ボックス２２の回動可能な端部は、一対の平行ストラット２６からなる別の肢部により、ブラケット１４に連結されている。各ストラット２６は、ボール・ソケット継手２８により、その一端においてブラケット１４に枢着され、かつ他端においてねじり剛性ボックス２２に枢着されている。ゆえに、該ストラットはねじり剛性ボックス２２およびブラケット１４に対し、二つの自由度を持って回動することができる。保持スプリング３２、３４が、ボール・ソケット継手２４、２８の全ての要素をそれぞれ相互係合状態に付勢し、そしてリンク機構１８の簡単で迅速な組立と解体とを促進している。
各個々のリンク機構１８は、作動モジュールのベースに対する三つの並進自由度と二つのの回転自由度を有する運動を可能としている。その結果、三組のリンク機構１８の全てが一体で作動するとき、プローブ１０はピラー２０に対し並進するのみである。その理由は、リンク機構１８の中の任意の１個により許容される二つの回転自由度は他の二つのリンク機構１８の組み合わせにより妨げられる回転自由度であるからである。
ベースに対して位置が固定されている基準点または原点に対する作動モジュールの変位は、３個の加算光電エンコーダ３８により測定される。各エンコーダは、弧状アーム４４の円形取付面４２に支持されている目盛り４０を有する。アーム４４の各々は、ねじり剛性ボックス２２から後方に延び、かつ円形取付面４２の輪郭により形成される円の中心は、それぞれのねじり剛性ボックス２２の関節軸線Ａ（ボール継手２４の位置により決定される）とほぼ同心である。ピラー２０に固設されているブラケット５２に担持されている読み取りヘッド５０は目盛り４０と整列して取り付けられ、そして、ねじり剛性ボックス２２が関節軸線Ａを中心にして回動することにより目盛り４０と読み取りヘッド５０との相対的移動を生じさせる。この相対的移動は、次いで読み取りヘッド５０に一連の方形パルスを発信させ、この方形パルスは処理されて加算カウンター（図示せず）に送られる。このようなエンコーダの例と、これにより発生される方形パルスの処理方法は、例えばヨーロッパ特許第０２０７１２１号および国際出願番号ＷＯ８７／０７９４３号（これらの各内容は本明細書の一部を構成するものとする）に示されている。作動モジュールの、所定の基準点からの変位を示すデカルト座標値は、適当な数学的操作により各エンコーダ３８について得られたカウンターの値から発生される。
この実施例において、エンコーダはベースおよびリンク上の目盛りと読み取りヘッドにより与えられているが、その他の構成も可能である。例えば、目盛りと読み取りヘッドとをリンク機構１８の二つの相対的回動部品の間、またはリンク機構１８の一部品と作動モジュールとの間で作動させることも同じく可能である。
作動時において、プローブ１０は作業者の手により機械の作業領域に亘って移動される。ハンドル８０がこの目的で設けられ、そして、このハンドルは機械への熱の伝達を防止するためにセラミックのような断熱性材料で一般に作られている。ハンドル８０は、好ましくは、ブラケット１４へのトルクの伝達または所定の閾値を超える直線力の伝達を防止する機構（図示せず）を介して、ブラケット１４に取り付けられている。代わりに、ハンドル８０は（例えば）図４に示され、後で説明される質量釣り合い機構のような、質量釣り合い機構に取り付けられてもよい。
平行ストラット２６、ブラケット１４および作動モジュールの種々の部品の重量に対する釣り合いは、図１の実施の形態において、（１）関節連結された釣り合いアーム９０と、（２）上部ねじり剛性ボックス２２から延びた弧状の目盛りアーム４４の自由端に配置され且つ上部ねじり剛性ボックス２２の質量中心から偏り、上部ストラットの半分の質量を有する重り（図１に図示せず、図４に図示されている）からなる釣り合いレバーとの組み合わせにより得られる。釣り合いアーム９０は、その一端９２において機械のベースに回動可能に取付られ、且つ、その比較的自由に回動する端部９４において、テーブル１６の平面上をブラケット１４と一緒に移動できるようにケーブル９６により連結されている。ケーブル９６は、３個のプーリ９８によりアーム９０に沿って導かれ、該ケーブルの遠隔端（図示せず）は重り、一定張力のスプリング、または特殊な形状の円錐滑車（これらは図示されていない）に連結されている。円錐滑車を使用する場合には、好ましくは、例えば時計ばねによる可変式のバイアス・トルク、または例えばコイルスプリングによる可変式の接線荷重を受けさせる。
ブラケット１４および作動モジュールの水平運動は（ケーブル９６の張力により）アーム９０に伝えられ、アームの自由端９４の水平面内における、ブラケット１４とほぼ整列した移動を生じさせる。特殊な円錐滑車の形状は、作動モジュールの垂直方向位置の変動に伴い該モジュールに必要とされる上向きの偏倚力を変えることを考慮している。作動モジュールをピラー２０の正面を横切る方向に水平移動させることは、関節式アーム９０とケーブル９６とにより得られる必要な釣り合わせ力になんらの変動も発生させないで、上部ねじりボックス２２を少しばかり回動させ、その結果の釣り合い重りの変動が、（この実施例では）上部ねじりボックス２２の目盛りアームに取り付けられた重りによる釣り合いレバーにより補償される。作動モジュールをピラー２０に近づけたり離したりすることも、関節式アーム９０とケーブル９６とにより得られる必要な上向きの力に変動を与えないが、釣り合い重りを必要とする上部ねじりボックス２２の重量に実質的な変化を生じさせ、これは関連付けられた重りにより連続的にもたらされる。
図３に示す別の釣り合い構造においては、関節連結のアーム９０は省略され得、その代わり、保持スプリング３２が一つの平行ストラット２６から別のストラットへ対角線方向に延在するように構成されている。
これらの案のいづれにおいても、機械は「中立な平衡」の特性を有している。すなわち、作動範囲内のどの位置においても、作業員が作動モジュールのハンドル８０を離すと、作動モジュールへの釣り合い力が更なる運動を防止する。
ここに示した本発明の実施の形態において、近接するねじりボックス２２のヒンジの回動軸線は互いに直交して延びている。別の構造では回動軸線は例えば１２０度に延びるようにしてもよい。また、本発明のいろいろの形態が、関節式リンク機構１８を垂直ピラー２０から水平に延ばすようにした機械の図解により例示された。しかしながら、本発明の各種の形態は、関節式リンク機構１８が例えば垂直方向下方に延びるように取り付けられた機械において具体化されてもよい。
図４に示す修正型の実施の形態において、釣り合いスプリング３２が解放自在なロック用部材１３２Ａ（図示の実施の形態では入れ子式になっている）に置き換えられており、該ロック用部材１３２Ａはロック時に、効果的に剛性ロッドに変わる。よって、ロック用部材１３２Ａのロック機構を作動させると、作動モジュールをテーブルに平行な面上に保持する効果を有し、そして、それのテーブル上での垂直方向の変位は、ロック機構が作動されているとき、作動モジュールの垂直方向変位により測定される。これは、例えば作動モジュールが走査プローブを含み、且つ一連の平行な水平面で物体の表面輪郭を走査したいときに有効である。第３の解放自在でロックし得る入れ子部材１３２Ｂが設けられており、作動モジュールの運動を、機械の作動域内の所望の変位位置にあり且つ図４の線Ｌ１に平行に延在する垂直平面内にロックすることを可能としている。また、図４には目盛りアーム１４４に取り付けられた釣り合い質量１８４が図示されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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