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機(jī)械定位裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基準(zhǔn)定位系統(tǒng)，其用于在三維度坐標(biāo)系統(tǒng)中定位工件(5)，該基準(zhǔn)定位系統(tǒng)包括：第一定位單元(1)，用于在第一維度(X)、第二維度(Y)和第三維度(Z)中定位工件(5)的第一對準(zhǔn)特征部(10)，第一定位單元包括第一定心銷(11)和第一基準(zhǔn)平面定位器(12)；第二定位單元(2)，用于在第二維度(Y)和第三維度(Z)中定位工件(5)的第二對準(zhǔn)特征部(20)，第二定位單元包括第二定心銷(21)和第二基準(zhǔn)平面定位器(22)；第三定位單元(3)，用于在第三維度(Z)中定位工件(5)的第三對準(zhǔn)特征部(30)，第三定位單元包括第三基準(zhǔn)平面定位器(32)，該基準(zhǔn)定位系統(tǒng)的特征在于，為了在基準(zhǔn)平面內(nèi)調(diào)平第一對準(zhǔn)特征部(10)和第二對準(zhǔn)特征部(20)，第一定心銷(11)和第二定心銷定心銷(21)在第三維度(Z)中是可移動的，使得該基準(zhǔn)平面能夠被第一和第二定心銷(11、21)的至少一部分橫穿。此外，本發(fā)明涉及一種借助所述基準(zhǔn)定位系統(tǒng)在三維坐標(biāo)系統(tǒng)中定位和定向工件(5)的方法以及一種執(zhí)行該方法的計算機(jī)程序產(chǎn)品。
【專利說明】機(jī)械定位裝置及方法
[0001]本發(fā)明涉及一種在空間中對物體精確機(jī)械定位和定向的方法和裝置。尤其是本發(fā)明涉及一種方法和系統(tǒng)，用于將物體高度重復(fù)地和高度精確地設(shè)置在給定的坐標(biāo)系中，尤其是用于在制造過程中的測量目的。更具體地說，本發(fā)明涉及一種方法和裝置，用于布置汽車的主體部件，以在汽車裝配線上裝配或測量。
[0002]根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置對應(yīng)于被稱為“基準(zhǔn)定位系統(tǒng)”(即幻的計量校準(zhǔn)原理的機(jī)械解決方案。例如，根據(jù)即3布置和定位的該原理在利希滕貝格，蒂洛
111110) (2006)用于現(xiàn)代汽車制造的靈活的車輛測量系統(tǒng)”(碩士論文，納爾遜曼德拉都市大學(xué)，建筑環(huán)境和信息技術(shù)工程學(xué)院0？^^6 811111: 2鮮11~0111116111:
311(1丁6(^11010^7 0？ 1:116 ^618011 1811(161? 161^01)0111:811中被描述。
[0003]在汽車制造過程中，測量不同部件的特征和屬性是常見的做法。這些測量可以通過接觸或非接觸式測量儀器在特定的測量單元中進(jìn)行，例如基于激光或攝影測量原理。這樣的過程，例如，已經(jīng)在0219544240八1中被公開。
[0004]大型工件，尤其是金屬板件，如汽車車體，可以有顯著的制造公差。車體的偏差可以是大到的長度，而測量公差是比較小的，例如約1500！11。這意味著，工件的定位(其精確的機(jī)械定位和定向)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。
[0005]有的工件，例如汽車車身，可以是非常重的，這意味著所產(chǎn)生的力和摩擦可能非常高的，尤其是當(dāng)接觸角度是不平的，并且接觸平面面積是非常小時。此外，部件裝載到測量單元中是相對不精確的或需要較高的努力和成本。
[0006]在許多已知的應(yīng)用中，限定部件定位所用的裝置在測量過程中不能被測量，這是因?yàn)樵谡麄€測量過程中，被測量的部件被保持在相同的裝置上。因此，因測量設(shè)備無法觸及這些裝置。因此，在這些應(yīng)用中，對于任何種類的測量裝置的整體精度來說，在預(yù)定位置和方向具有極其精確和可重復(fù)的部件定位是必不可少的。
[0007]部分情況下，定位已考慮到工件的某些對準(zhǔn)特征部的形狀。通常，這些對準(zhǔn)特征部包括圓形孔、細(xì)長的槽和平坦的表面。
[0008]當(dāng)設(shè)計基準(zhǔn)定位系統(tǒng)的定位單元時，必須在2方向上的最大公差和自定心能力之間作出權(quán)衡。這意味著平面幾何形狀在2方向上引起很小的公差，但是由于幾何學(xué)和物理學(xué)上的原因，例如摩擦，使得工件在準(zhǔn)確的XV方向自定心變得不太可能。在這種情況下，對準(zhǔn)特征部沒有完全與2軸正交取向，可能會出現(xiàn)附加公差。對準(zhǔn)特征部自身的維度公差，例如圓形孔和細(xì)長的槽的直徑，也都是重要的。
[0009]以往，有兩種方案來解決這個問題:
[0010]在第一個方案中，支撐件，例如可以是一個圓柱形螺栓，比所述對準(zhǔn)特征部的最小維度更小。這意味著工件的位置可以在最大間隙空間內(nèi)變化，最大間隙空間至少與對準(zhǔn)特征部的公差一樣大。這種公差包括理論制造變量和在各裝配步驟中部件定位引起的磨損影響。
[0011]在第二種方案中，支撐件具有球形或者是錐形，這意味著它在X和V方向是自定心。但是，其結(jié)果是，它的2方向上不能準(zhǔn)確地限定。
[0012]與其理論值相比，工件零件的位置或維度偏差通常通過工件自身的坐標(biāo)系，零件坐標(biāo)系統(tǒng)⑴⑶)，來表示。在其相應(yīng)的工件的設(shè)計工程中被定義。因此，為了測量工件零件的位置或維度，？08需要與測量坐標(biāo)系相連，即真正的三維度空間坐標(biāo)。
[0013]此定位步驟優(yōu)選可通過“3-2-1規(guī)則”的方法完成。在靜態(tài)確定剛性體布置的情況下，使用最少約束量，這意味著對準(zhǔn)特征部的定位是在已知的三維度咖、中，第二個在二維度(12)中，第三個在一維度(2)中。在其它方面，所述第一定位限定了三個自由度，第二限定了兩個自由度，第三限定了一個自由度。因此，六個自由度被限定，并且因此是(剛性)工件的位置和方向。在工件的限定中，尤其是金屬板件，可以有三個限定零件，以達(dá)到這一目的，例如一個圓形孔、一個細(xì)長的槽和一個平面。
[0014]該部件可以被放置在錐形銷上，其可在X和V方向上移動。其XV位置由測量裝置讀取，例如通過激光跟蹤儀，或優(yōu)選通過編碼器裝置，例如線性和丨或旋轉(zhuǎn)編碼器，并根據(jù)這些測量數(shù)據(jù)做定位工件。
[0015]然而，在一些應(yīng)用中，在測量過程中需要對工件夾持，這意味著某些或全部對準(zhǔn)特征部被夾持在2維度的標(biāo)稱零位置以下。在這種情況下，浮動銷不能以相對簡單的方式應(yīng)用。
[0016]此外，由于零件本身的制造公差，例如其孔的直徑，錐形銷可能會導(dǎo)致相對于它們的縱向軸線，即坐標(biāo)系的2軸的不準(zhǔn)確的定位。這意味著對準(zhǔn)特征部可能在2維度中不準(zhǔn)確地被調(diào)平。
[0017]此外，利用錐形銷支撐細(xì)長的槽(如通常用于第二特征部)會在非常小的接觸面積上引起高壓，從而導(dǎo)致材料磨損，因而降低精度。
[0018]因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種在三維空間中用于工件的精確和可重復(fù)定位的方法和裝置。
[0019]本發(fā)明的一個具體目的是提供這樣一種方法和裝置，其避免了現(xiàn)有技術(shù)已知的解決方案的缺點(diǎn)。
[0020]本發(fā)明的一個具體目的是提供一種這樣的方法和裝置，其用于工件的后續(xù)測量，尤其是所述工件的定位和定向具有對應(yīng)于該測量裝置的精度，并且具有比被測量的特征部的公差更高的精度，尤其是高出至少一個數(shù)量級。
[0021]本發(fā)明的一個具體目的是提供這樣一種方法和裝置，其中，所述工件的位置和方向可以是固定的。
[0022]本發(fā)明的另一個具體的目的是提供這樣一種方法和裝置，其用于在汽車生產(chǎn)線中的全自動對準(zhǔn)固定。
[0023]這些目的中的至少一個可根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求1的基準(zhǔn)定位系統(tǒng)、根據(jù)權(quán)利要求10的工件的定位和定向方法和/或本發(fā)明的從屬權(quán)利要求來實(shí)現(xiàn)。
[0024]在本發(fā)明的術(shù)語中，工件的“定位”不理解為必然是在六個自由度上的定位。例如，工件在三個旋轉(zhuǎn)自由度上的取向也被理解為定位。
[0025]根據(jù)本發(fā)明，定心銷被用于通過接合工件的對準(zhǔn)特征部而將工件對準(zhǔn)在限定的XV位置中，限定的位置與對準(zhǔn)特征部的制造公差無關(guān)，例如，它們的直徑和它們彼此的相對位置。
[0026]基準(zhǔn)定位系統(tǒng)的定位單元包括接收單元，用于接觸待定位的工件的對準(zhǔn)特征部。接收單元至少包括一個基準(zhǔn)平面定位器。至少兩個接收單元附加地包括定心銷。
[0027]第一定位單元包括第一定心銷，優(yōu)選為錐形或類似的形狀，其被設(shè)計成被引入到工件的第一對準(zhǔn)特征部的孔中，以便在第一維度和第二維度中固定地定位第一對準(zhǔn)特征部。根據(jù)本發(fā)明，至少第一定心銷-并且優(yōu)選地還有第二定位單元的第二定心銷-能在第三維度(尤其是沿豎直軸)中移動，在兩個維度上定位工件后，允許工件在第三維度中移動，直到它到達(dá)基準(zhǔn)平面，該基準(zhǔn)平面與第一定位單元的第一基準(zhǔn)平面定位器和至少兩個定位單元的基準(zhǔn)平面定位器間隔一已知距離。
[0028]該基準(zhǔn)平面定位器可以在第一維度和第二維度中以低摩擦移動，其允許由第一定心銷來支持工件的重量和自定心。
[0029]定心銷的運(yùn)動可以是被動控制的，也可以是主動控制的，也就是說，它既可以是彈簧加載方式的，也可以通過致動器，例如，電動機(jī)、氣動系統(tǒng)等進(jìn)行移動。
[0030]優(yōu)選地，第一和第二定位單元的定位銷是錐形的，以匹配借助定位銷來鎖定的對準(zhǔn)特征部的尺寸變化(不同直徑對應(yīng)每個進(jìn)入的部分錐形銷的角度和表面優(yōu)選被設(shè)計用于防止因鎖定引起的摩擦。
[0031]優(yōu)選地，所述定心銷和/或基準(zhǔn)平面定位器的表面由回火鋼或通過其它手段硬化，以防止材料的磨損，這可能會分別降低定心或調(diào)平的精度。例如，磨損可能通過摩擦而出現(xiàn)，尤其是每次當(dāng)銷被不對中地引入到孔中時。
[0032]在另一個優(yōu)選的實(shí)施方案中，為了更好地支撐細(xì)長的槽，第二定心銷的形狀類似于金字塔或四坡屋頂，從而使得尤其是，其垂直于工件的長度方向的橫截面是棱鏡的橫截面。因此，與圓錐形銷相比，銷和槽之間的接觸面積增大。銷的長度小于槽的長度減去工件的公差。有利的是，銷能繞2軸旋轉(zhuǎn)，以補(bǔ)償槽的任何角度誤差。
[0033]優(yōu)選地，第一或所有定位單元的內(nèi)置夾持裝置允許將工件至少緊固到第一基準(zhǔn)平面定位器。夾持裝置，例如，可以包括設(shè)置在所述定心銷內(nèi)的鉤，其中，為了夾持工件，鉤先是徑向運(yùn)動，然后將工件向下推至基準(zhǔn)平面定位器。每個定心銷的多個鉤可以用于更均勻地分配拉力。作為替代或補(bǔ)充，所述夾持裝置也可以是基準(zhǔn)平面定位器的一部分。例如，磁體或吸盤可以用來將金屬板件固定至基準(zhǔn)平面定位器。
[0034]在一個優(yōu)選實(shí)施方案中，使用四個定位單元，所有定位單元都具有用于定位工件的基準(zhǔn)平面定位器和允許緊固工件的夾持裝置。
[0035]優(yōu)選地，基準(zhǔn)平面定位器、定心銷或基準(zhǔn)定位系統(tǒng)的其他部件包括傳感器裝置，用于檢測與工件的對準(zhǔn)特征部的接觸。尤其是，也對被檢測的接觸的質(zhì)量或數(shù)值(壓力、對中度等)進(jìn)行檢查，是否實(shí)現(xiàn)的對準(zhǔn)精度處于本申請的公差范圍內(nèi)。
[0036]定心銷與XV平面在所要求的方向和位置中的初始設(shè)定優(yōu)選通過測量裝置，例如激光跟蹤器，或者，在測量單元情況下，目標(biāo)測量系統(tǒng)自身，來支持。
[0037]在一個優(yōu)選的實(shí)施方案中，一個以上的定位單元，尤其是所有的定位單元具有可回縮的定心銷。可伸縮的定心銷的另一個優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)工件被放置在基準(zhǔn)定位單元上時，防止損壞定心銷以及防止損壞對準(zhǔn)特征部或工件的其它部分。
[0038]工件的對準(zhǔn)特征部的位置沒有限制，因?yàn)槲恢萌Q于工件的設(shè)計。尤其是，沒有必要使所有對準(zhǔn)特征部在同一平面上。在一個優(yōu)選的實(shí)施方式中，定位單元相對于彼此的位置可在三個維度中調(diào)整，例如，以便允許改變工件設(shè)計或允許使用具有各種工件的同一基準(zhǔn)定位系統(tǒng)。
[0039]在一個優(yōu)選的實(shí)施方案中，基準(zhǔn)定位系統(tǒng)的定位單元的設(shè)定可以針對具有不同對準(zhǔn)特征部設(shè)定的不同類型的工件進(jìn)行編程。因此，所述定位單元可根據(jù)對準(zhǔn)特征部的設(shè)定進(jìn)行定位。另外，定心銷根據(jù)相應(yīng)的對準(zhǔn)特征部是否具有孔而可以被縮回或提出。附加的定位單元(對于某一工件的對準(zhǔn)不是必需的)可以放低或閃開，以便不干擾該對準(zhǔn)。
[0040]在一個優(yōu)選實(shí)施方式中，設(shè)置機(jī)械預(yù)對準(zhǔn)裝置，其用于在將工件放置在基準(zhǔn)定位系統(tǒng)上之前，大致對準(zhǔn)工件(或滑道，工件在該滑道上被自動地傳送到基準(zhǔn)定位系統(tǒng))，以確保工件的對準(zhǔn)特征部可以與定位單元接觸。
[0041]在一個優(yōu)選的實(shí)施方式中，通過測量裝置，例如激光跟蹤器或者在測量單元中的目標(biāo)計測系統(tǒng)自身，測量接近對準(zhǔn)特征部的特殊特征，可以確?；鶞?zhǔn)定位系統(tǒng)的重復(fù)使用，通過測量特殊功能接近對準(zhǔn)特征部。這種確認(rèn)循環(huán)可以使用相同的基礎(chǔ)設(shè)施完全自動地執(zhí)行，該基礎(chǔ)設(shè)施在生產(chǎn)過程中控制測量儀器或者測量儀器的計算裝置。
[0042]在一個優(yōu)選的實(shí)施方案中，至少一個定心銷的可移動性可以被開啟和關(guān)閉。通過這種方式，不同定位單元的功能可進(jìn)行交換，以便能夠使用一個被設(shè)置用于不同變型的工件的系統(tǒng)，例如，用于右手駕駛和左手駕駛的車身。
[0043]在一個優(yōu)選的實(shí)施方式中，三個定位單元(最小數(shù)量為3-2-1概念)被用于確定工件的基準(zhǔn)系統(tǒng)以及在三維度空間中定位工件。這意味著所有的定位單元有助于限定2軸的方向和位置，第一定位單元也限定X軸和X軸的位置，第二定位單元限定了 X軸和X軸的方向。優(yōu)選地，工件的對準(zhǔn)特征部包括平坦的表面，用于限定2位置和2方向(所有對準(zhǔn)特征部)；圓形孔，用于限定XV的位置(第一對準(zhǔn)特征部)；細(xì)長的槽，用于限定XV方向(第二對準(zhǔn)特征部)。
[0044]至少第二和第三定位單元的基準(zhǔn)平面定位器優(yōu)選在第一維度和第二維度上是可低摩擦移動的，這允許通過第一定心銷來支承工件的重量并使工件自定心。
[0045]應(yīng)當(dāng)指出的是，不必使所有的基準(zhǔn)平面定位器或甚至單一的基準(zhǔn)平面定位器被布置在基準(zhǔn)平面上，因?yàn)楣ぜ膶?zhǔn)特征部通常也不布置在同一平面上。取而代之的是，基準(zhǔn)平面被如此理解，即，當(dāng)對準(zhǔn)特征部與基準(zhǔn)平面定位器在接觸平面內(nèi)接觸時，工件相對于基準(zhǔn)平面對準(zhǔn)。
[0046]本發(fā)明的另一個方面是作為一個獨(dú)立的解決方案的定位單元，因?yàn)樯鲜龅幕鶞?zhǔn)定位系統(tǒng)的定位單元也可以單獨(dú)使用或以不同的組合進(jìn)行使用，以定位工件的對準(zhǔn)特征部。這也包括特征夾持功能的和活動的定心銷。
[0047]在下面本發(fā)明將參照示例性實(shí)施方式以及附圖來進(jìn)行詳細(xì)描述，其中:
[0048]圖1示出了具有對準(zhǔn)特征部的工件；
[0049]圖23至圖26示出了根據(jù)本發(fā)明的基準(zhǔn)定位系統(tǒng)的示例性實(shí)施方式；
[0050]圖33至圖3(1示出了根據(jù)本發(fā)明的基準(zhǔn)定位系統(tǒng)的第一定位單元的示例性實(shí)施方式；
[0051]圖如至圖仙示出了第一定位單元的示例性實(shí)施方式的剖視圖；以及
[0052]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的基準(zhǔn)定位系統(tǒng)的第二定位單元的示例性實(shí)施方式。
[0053]在圖1中，車身作為待定位的工件5的一個示例，以俯視圖示出。車身的對準(zhǔn)特征部的典型位置被示出。所描繪的車身具有四個對準(zhǔn)特征部10、20、30、40，這些對準(zhǔn)特征部相對于部件的坐標(biāo)系定位在已知的位置處，并被設(shè)計用于被根據(jù)本發(fā)明的基準(zhǔn)定位系統(tǒng)的定位單元接觸，尤其是用于插入定心銷。在這個例子中，第一對準(zhǔn)特征部10與第三對準(zhǔn)特征部30包括一個圓形孔，第二對準(zhǔn)特征部20和附加的特征部40包括一個細(xì)長的槽。附加的特征部40只是可選的。
[0054]在圖23和圖26中，根據(jù)本發(fā)明的基準(zhǔn)定位系統(tǒng)的工作原理被示意性地示出。所描述的特征部只是簡化的和象征性的描述。
[0055]基準(zhǔn)定位系統(tǒng)被設(shè)置在三維度坐標(biāo)系中，該坐標(biāo)系具有第一維度X、第二維度X和第三維度2，分別用X軸、V軸和2軸表示。在所描繪的示例性實(shí)施方式中，第三維度2基本上是豎直的。
[0056]基準(zhǔn)定位系統(tǒng)是局部定位器，該局部定位器保證工件5在三維測量裝置的測量空間內(nèi)的被限定的位置和取向?；鶞?zhǔn)定位系統(tǒng)尤其可用于如圖1中所描繪的汽車車身或底盤部件。
[0057]基準(zhǔn)定位系統(tǒng)的兩個定位單元1、2具有定心銷11、21，該定心銷在基準(zhǔn)定位系統(tǒng)的機(jī)械可重復(fù)性以內(nèi)，將工件5的相應(yīng)的對準(zhǔn)特征部10、20引導(dǎo)至其理論位置上。其它定位單元3、4也可有選擇地具有銷31、32。
[0058]基準(zhǔn)定位系統(tǒng)和丨或單個定位單元1、2、3、4相對于它們的三維位置的初始調(diào)節(jié)，例如由激光跟蹤儀6提供。在放置第一工件5之前，它們的相對位置被校準(zhǔn)。然后，所有的定位單元1、2、3、4被固定(例如支承在支柱上)在三維測量裝置的測量空間內(nèi)。在完成固定數(shù)量的工件5之后或者以規(guī)定的維護(hù)時間通過激光跟蹤儀6來完成再次校準(zhǔn)。
[0059]在圖如中，示出了工件5被放置在其頂部上之前的基準(zhǔn)定位系統(tǒng)。基準(zhǔn)定位系統(tǒng)包括至少三個定位單元1、2、3。
[0060]此外，具有三個以上的定位單元的實(shí)施方案也是可行的。根據(jù)工件質(zhì)心相對于前三個定位單元1、2、3的位置，可能會需要第四定位單元4(其在圖23中以虛線示出)。每個定位單元1、2、3、4包括基準(zhǔn)平面定位器12、22、32、42。這些被固定成，在第三維度2上，與工件5的基準(zhǔn)平面2。(未示出)間隔一已知距離，并且每個限定了接觸平面2”“^(未示出)。為了方便工件5的定位調(diào)整，當(dāng)它被放置在基準(zhǔn)定位系統(tǒng)上時，它們在第一維度X和第二維度X上是可移動的，尤其是在每一個方向上可移動所有的或其中一些定位單元1、2、3、4可以包括夾持裝置(未示出)，用于將對準(zhǔn)的工件固定地連接至所述定位單元1、2、3、4?？商娲?，工件5借助重力固定在定位單元1、2、3、4上。
[0061]第一定位單元1包括第一定心銷11，尤其是具有圓錐形或類似的形狀，當(dāng)工件5的第一對準(zhǔn)特征部10包括一個圓形孔時。第二定位單元2包括第二定心銷21，尤其是具有錐形或類似的形狀，當(dāng)工件5的第二對準(zhǔn)特征部20包括細(xì)長的槽時。此外，第三定位單元3和可選的第四定位單元4可以具有可選的銷31、41 (用虛線示出)。這些銷優(yōu)選是圓柱形的。
[0062]每個對準(zhǔn)特征部10、20、30、40包括一個平坦的表面，該表面被設(shè)計成在接觸平面2” 22、23、24中與基準(zhǔn)平面定位器12、22、32、42接觸，以在限定的基準(zhǔn)平面2。中定位工件5。此外，尤其是如果對應(yīng)的定位單元1、2、3、4包括定心銷11、21、31、41，則設(shè)置開口，用于接收定心銷11、21、31、41，并在第一維度X和第二維度V中定位對準(zhǔn)特征部10、20、30、40。如果第一定心銷11是圓錐形，則第一對準(zhǔn)特征部10的開口優(yōu)選是圓形孔。
[0063]在圖26中，工件5被放置于具有三個定位單元1、2、3的基準(zhǔn)定位系統(tǒng)上。工件5的第一定位單元1被設(shè)計成在所有三個維度'^、1上定位第一對準(zhǔn)特征部10，第二定位單元2被設(shè)計成在X維度和2維度上定位第二對準(zhǔn)特征部20，第三定位單元3被設(shè)計成僅在2維度上定位第二對準(zhǔn)特征部30。三個銷11、21、31被引入到對準(zhǔn)特征部10、20、30的相應(yīng)的孔中。
[0064]當(dāng)?shù)谝欢ㄐ匿N11被引入到第一對準(zhǔn)特征部10的孔中時，這是以第一定心銷11為中心，從而在第一維度X和第二維度丫上對準(zhǔn)。為了確保第一對準(zhǔn)特征部10不僅在第一維度X和第二維度X上對準(zhǔn)，而且在第三維度2上對準(zhǔn)，根據(jù)本發(fā)明，第一個定心銷11可以在第三維度2上是可伸縮接觸平面2工后面的。第一對準(zhǔn)特征部10，始終保持以第一定心銷11為中心，跟隨第一定心銷11的回縮運(yùn)動，直到它接觸到第一基準(zhǔn)平面定位器12，從而到達(dá)接觸平面2卩第二對準(zhǔn)特征部20相對于第二維度V對準(zhǔn)。
[0065]通常情況下，例如，如果2軸是豎直軸，并且工件5和基準(zhǔn)定位系統(tǒng)都不受外界影響的干擾，則第一對準(zhǔn)特征部10將自動地保持在該準(zhǔn)確的對準(zhǔn)位置中。但是，為了將準(zhǔn)特征部的對準(zhǔn)位置牢固固定，可以設(shè)置附加的夾持裝置(未示出夾持裝置可能是必要的，例如，如果存在定位后的后續(xù)過程，其中，工件5被加工機(jī)械操作或接觸，或者通過接觸測量頭測量。此外，夾持裝置可用于對工件5的彈性起反作用，而這將阻止對準(zhǔn)特征部與定位單元的接觸，從而阻止工件5的精確定位。
[0066]在圖33至圖3(1中，描述了根據(jù)本發(fā)明的基準(zhǔn)定位系統(tǒng)的第一定位單元1的示例性實(shí)施方式。第一定位單元1包括基本圓錐形的定心銷11和浮動組件14，定心銷11用于插入到工件5的孔10中，浮動組件14能在第一維度X和第二維度X上相對于固定組件15移動。浮動組件14關(guān)于第三維度2被固定在固定組15上，并具有基準(zhǔn)平面定位器12，基準(zhǔn)平面定位器定位成在XV平面中與工件的基準(zhǔn)平面2。間隔已知的距離，并限定了第一接觸平面2卩定心銷11被連接到固定組件15，其可在第三維度2上移動，并相對于所述第一維度X和第二維度V固定。鉤13被設(shè)置在定心銷11處，用于將工件5夾持在基準(zhǔn)平面定位器12上。固定組件15附接至基部16。在圖30和圖3(1中示出了可選的支柱，第一定位單元1的基座16可被放置在該支柱上。
[0067]當(dāng)工件5被放置在基準(zhǔn)定位系統(tǒng)上而使得第一對準(zhǔn)特征部10被大致定位在第一定位單元1中時，定心銷11被插入到工件5的第一對準(zhǔn)特征部10的孔中。這可以通過第一定位單元1的致動裝置(未示出)來完成，該致動裝置被設(shè)計成在通常為基本豎直的方向的第三維度2中，相對于固定組件15驅(qū)動定心銷11。由此，第一對準(zhǔn)特征部10相對于第一維度X和第二維度1(這兩個維度通常限定基本上水平的平面)位于定心銷11的中心處。
[0068]隨后，定心銷11通過致動裝置移動回到固定組件15中，以使定心銷11的一部分縮回到基準(zhǔn)平面定位器12的后面。始終都保持位于定心銷11的中心處的第一對準(zhǔn)特征部10跟隨定心銷11在第三維度2上的運(yùn)動，直到接觸到基準(zhǔn)平面定位器12。通過該接觸，第一對準(zhǔn)特征部10到達(dá)相對于所有三個維度的假定位置。
[0069]圖如和圖仙描述了圖％至圖3(1中的第一定位單元1的剖視圖。通過隱藏在固定部件15內(nèi)的驅(qū)動裝置110和傳動裝置111，定心銷11可以在第三維度2上被驅(qū)動。驅(qū)動裝置110，例如，可以是馬達(dá)裝置、氣動裝置或液壓裝置。定心銷11包括鉤13，作為夾持裝置，用于將工件的對準(zhǔn)特征部固定到基準(zhǔn)平面定位器12上。鉤13可以在定心銷11的中空空間130內(nèi)移動。用于驅(qū)動所述鉤13的各種裝置都可行的。在本示例中，鉤13可繞軸131的X軸線傾斜地懸置，并被氣缸132驅(qū)動，使其能繞2軸線旋轉(zhuǎn)并能在第三維度2上移動?；鶞?zhǔn)平面定位器12是浮動組件14的一部分，浮動組件附接至固定組件15，并能在XV平面內(nèi)移動，例如，通過球軸承裝置(未示出)。
[0070]在圖如中，定心銷11被提取到定心位置，在該位置中，對準(zhǔn)特征部的孔(未示出)可以被進(jìn)入，從而使得該孔在XV平面中自動定心在定心銷11上。鉤13被縮回到定心銷11中，例如，以允許銷11進(jìn)入所述孔。在圖仙中，定心銷11部分地縮回到固定組件15中，以確保所述對準(zhǔn)特征部與基準(zhǔn)平面定位器12接觸。另外，鉤13已經(jīng)被移動到夾持位置中，以固定該接觸。
[0071]在圖5中示出了根據(jù)本發(fā)明的基準(zhǔn)定位系統(tǒng)的第二定位單元2的示例性實(shí)施方式。它被設(shè)計成與工件5的第二對準(zhǔn)特征部20接觸，第二對準(zhǔn)特征部包括細(xì)長的槽。如第一定位單元一樣，第二定位單元2包括固定組件25，第二定心銷21和浮動組件24被安裝在固定組件上。浮動組件24在固定組件25上被安裝成可以在第一維度X和第二維度X上移動，并相對于第三維度2固定。浮動組件24包括第二基準(zhǔn)平面定位器22，第二基準(zhǔn)平面定位器與XV平面中的工件的基準(zhǔn)平面2。間隔一已知的距離，并限定第二接觸平面2 2。定心銷21可移動地安裝在第三維度2上，并且相對于第一維度X和第二維度X不可移動。定心銷21優(yōu)選地具有棱錐形狀，并且被設(shè)計用于被引入到細(xì)長的槽中。
[0072]本發(fā)明的另一個方面是一種作為一個獨(dú)立的解決方案的定位單元，這是因?yàn)?，在圖33至圖3(1、圖如至圖仙和圖5中描述的每個定位單元也可以單獨(dú)使用或以區(qū)別于所述基準(zhǔn)定位系統(tǒng)的其他組合來使用。這包括夾持功能以及活動的定心銷。因此，一個或多個定位單元可被用于定位工件，并將其夾持就位以供檢查、處理或機(jī)械加工。
[0073]本發(fā)明的該方面的第一實(shí)施方式是定位單元，該定位單元用于至少在三維坐標(biāo)系中的第三維度上定位工件的對準(zhǔn)特征部，該定位單元包括接收單元，接收單元具有定心銷和限定接觸平面的基準(zhǔn)平面定位器，該接觸平面與工件的基準(zhǔn)平面間隔一個限定的距離，其中，所述定位單元包括夾持裝置，用于將第一對準(zhǔn)特征部固定至第一基準(zhǔn)平面定位器。
[0074]本發(fā)明的該方面的第二實(shí)施方式是根據(jù)第一實(shí)施方式的定位單元，該定位單元還額外包括夾持裝置，用于將第一對準(zhǔn)特征部固定至第一基準(zhǔn)平面定位器，其中，該定位單元的夾持裝置尤其包括設(shè)置在定心銷中的鉤和/或設(shè)置在基準(zhǔn)平面定位器中的磁體或吸盤。
[0075]本發(fā)明的該方面的第三實(shí)施方式是根據(jù)第一、和第二實(shí)施方式的定位單元，該定位單元還額外包括夾持裝置，用于將第一對準(zhǔn)特征部固定至第一基準(zhǔn)平面定位器上，其中，為了在接觸平面上將對準(zhǔn)特征部調(diào)平到接觸高度上，此定位單元的定心銷能在第三維度上相對于所述第一基準(zhǔn)高度進(jìn)行移動，并且在這樣的方式中，所述第一接觸平面可以被至少一部分第一定心銷穿過，尤其是其中所述夾持裝置包括如圖如和圖仙中所描述的結(jié)構(gòu)特征。
[0076]雖然前面部分地通過參考一些優(yōu)選的實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是，必須理解的是，實(shí)施方式的不同特征的許多改進(jìn)和組合也是可行的。所有這些修改都處于所附的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基準(zhǔn)定位系統(tǒng)，該基準(zhǔn)定位系統(tǒng)用于在三維坐標(biāo)系統(tǒng)中定位工件(5)，該基準(zhǔn)定位系統(tǒng)包括: ?第一定位單元(I)，該第一定位單元用于在第一維度(X)、第二維度(Y)和第三維度(Z)中定位所述工件(5)的第一對準(zhǔn)特征部(10)，該第一定位單元包括第一接收單元，該第一接收單元具有第一定心銷(11)和限定第一接觸平面(Z1)的第一基準(zhǔn)平面定位器(12)；?第二定位單元(2)，該第二定位單元用于在所述第二維度(Y)和所述第三維度(Z)中定位所述工件(5)的第二對準(zhǔn)特征部(20)，該第二定位單元包括第二接收單元，該第二接收單元具有第二定心銷(21)和限定第二接觸平面(Z2)的第二基準(zhǔn)平面定位器(22);以及?第三定位單元(3)，該第三定位單元用于在所述第三維度(Z)中定位所述工件(5)的第三對準(zhǔn)特征部(30)，所述第三定位單元包括具有限定第三接觸平面(Z3)的第三基準(zhǔn)平面定位器(32)的第三接收單元， 其中，所述基準(zhǔn)平面定位器(12、22、32)定位成與工件基準(zhǔn)平面(Ztl)間隔一限定的距離； 其特征在于， 為了在所述第一接觸平面(Z1)中調(diào)平所述第一對準(zhǔn)特征部(10)，所述第一定心銷(11) ?能在所述第三維度(Z)中相對于所述第一基準(zhǔn)平面定位器(12)移動；并且 ?能移動成，使得所述第一接觸平面(Z1)能夠被所述第一定心銷(11)的至少一部分橫穿。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基準(zhǔn)定位系統(tǒng)，其特征在于， 所述第一基準(zhǔn)平面定位器(12)具有用于接觸所述第一對準(zhǔn)特征部(10)的平坦的表面，該表面被布置在所述第一接觸平面(Z1)內(nèi)，和/或 所述第一定心銷(11)的至少一部分具有圓錐形狀，并且被設(shè)計成被引入到圓形孔內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基準(zhǔn)定位系統(tǒng)，其特征在于， 為了在所述第二接觸平面(Z2)中調(diào)平所述第二對準(zhǔn)特征部(20)，所述第二定心銷(21) ?能在所述第三維度(Z)中相對于所述第二基準(zhǔn)平面定位器(22)移動；并且 ?能移動成，使得所述第二接觸平面(Z2)能被所述第二定心銷(21)的至少一部分橫穿。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的基準(zhǔn)定位系統(tǒng)，其特征在于， 所述第二定心銷(21)的至少一部分 ?具有圓錐形狀，或 ?具有金字塔形或四坡屋頂狀的形狀，并且被設(shè)計成被引入到細(xì)長的槽內(nèi)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的基準(zhǔn)定位系統(tǒng)，其特征在于， 至少所述第一定位單元(I)包括夾持裝置(13)，該夾持裝置用于將所述第一對準(zhǔn)特征部(10)固定至所述第一基準(zhǔn)平面定位器(12)，尤其是其中所述夾持裝置(13)包括: ?設(shè)置在所述第一定心銷(11)中的鉤，和/或 ?設(shè)置在所述基準(zhǔn)平面定位器(12)中的磁體或吸盤。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的基準(zhǔn)定位系統(tǒng)，其特征在于， ?所述第一定心銷(11)相對于所述第一接觸平面(Z1)的移動受到致動器的控制，尤其是受到電機(jī)、線性驅(qū)動器或者氣壓缸或液壓缸的控制，和/或 ?所述第一定心銷(11)相對于所述第一接觸平面(Z1)的移動受到彈簧加載的控制，尤其是受到包括電磁裝置的彈簧加載的控制。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的基準(zhǔn)定位系統(tǒng)，其特征在于， 所述第一定位單元(I)進(jìn)一步包括: ?固定組件(15)，其中，所述第一定心銷(11)被連接至所述固定組件(15)，使得所述第一定心銷能在所述第三維度(Z)中移動，并且在所述第一維度(X)和所述第二維度(Y)中是固定的，所述第一定心銷(11)能縮回到所述固定組件(15)內(nèi)，至少部分地位于所述第一基準(zhǔn)平面定位器(12)的后方；以及 ?浮動組件(14)，該浮動組件被連接至所述固定組件(15)，使得所述浮動組件能在所述第一維度(X)和所述第二維度(Y)中移動，并且在所述第三維度(Z)中是固定的，所述第一基準(zhǔn)平面定位器(12)是所述浮動組件(14)的一部分，所述浮動組件(14)尤其能夠以低摩擦、兩個自由度和/或在每個方向上至少移動5mm的方式移動。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的基準(zhǔn)定位系統(tǒng)，其特征在于， ?所述第二定心銷(21)能夠在所述第三維度(Z)中移動， ?所述第三定位單元(3)包括第三銷(31)，該第三銷尤其是圓柱形的和/或能在所述第三維度(Z)中移動，和/或 ?所述基準(zhǔn)定位系統(tǒng)包括第四定位單元(4)。
9.一種借助于基準(zhǔn)定位系統(tǒng)在三維坐標(biāo)系統(tǒng)中定位和定向工件(5)的方法， ?所述坐標(biāo)系統(tǒng)具有第一維度(X)、第二維度(Y)和第三維度(Z)， ?所述工件(5)具有至少三個對準(zhǔn)特征部(10、20、30)，所述對準(zhǔn)特征部位于所述工件(5)的已知位置處， ?所述基準(zhǔn)定位系統(tǒng)具有至少三個定位單元(1、2、3)，用于接觸和定位所述對準(zhǔn)特征部(10、20、30)，并且 ?所述定位單元(1、2、3)能相對于所述坐標(biāo)系統(tǒng)定位， 所述方法包括: ?將所述工件(5)放置在所述基準(zhǔn)定位系統(tǒng)上，使得: ?第一對準(zhǔn)特征部(10)接觸第一定位單元(I)， ?第二對準(zhǔn)特征部(20)接觸第二定位單元(2)，并且 ?第三對準(zhǔn)特征部(30)接觸第三定位單元(3)， ?在所述第一維度(X)和所述第二維度(Y)中對準(zhǔn)所述第一對準(zhǔn)特征部(10)， 其特征在于， 將所述第一對準(zhǔn)特征部(10)重新定位至所述第三維度(Z)的第一接觸平面(Z1)，保持所述第一對準(zhǔn)特征部(10)在所述第一維度(X)和所述第二維度(Y)中的對準(zhǔn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于， ?所述第一定位單元(I)包括第一定心銷(11)和第一基準(zhǔn)平面定位器(12)， ?所述第一對準(zhǔn)特征部(10)包括圓形孔， ?在所述第一維度(X)和所述第二維度(Y)中定位所述第一對準(zhǔn)特征部(10)的步驟包括:將所述第一定心銷(11)引入所述圓形孔內(nèi)，并且 ?所述第一對準(zhǔn)特征部(10)被所述第一定心銷(11)重新定位成，使得所述第一對準(zhǔn)特征部(10)在所述第一基準(zhǔn)平面(Z1)處接觸所述第一基準(zhǔn)平面定位器(12)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其特征在于， 在定位和定向所述工件(5)之后，對所述第一對準(zhǔn)特征部(10)和所述第一定位單元(I)之間的接觸進(jìn)行固定，尤其是借助于夾持和/或磁力進(jìn)行固定。
12.根據(jù)權(quán)利要求9、10或11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于， 在將所述工件(5)首次放置在所述基準(zhǔn)定位系統(tǒng)上之前并且基于激光或攝影測量原理來確定所述基準(zhǔn)定位系統(tǒng)的位置和取向，尤其是借助于以下方式來確定所述基準(zhǔn)定位系統(tǒng)的位置和取向: 籲經(jīng)緯儀或激光跟蹤器￠)，和/或 ?測量單元的測量系統(tǒng)，所述工件(5)待在所述測量單元中被測量。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于， 在以制造公差定位和定向所述工件(5)之后，測量和/或處理所述工件(5)，其中，定位和定向的對準(zhǔn)精確度高于所述制造公差和/或被測量的特征部的公差，尤其是高出至少一個數(shù)量級。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于， ?所述工件(5)是汽車車身部件，和/或 ?所述基準(zhǔn)定位系統(tǒng)適于在汽車生產(chǎn)線的測量單元中使用。
15.一種計算機(jī)程序產(chǎn)品，該計算機(jī)程序產(chǎn)品具有用于執(zhí)行權(quán)利要求9至14中的任一項(xiàng)所述的方法的計算機(jī)可執(zhí)行的指令，尤其是具有用于當(dāng)在根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的基準(zhǔn)定位系統(tǒng)的存儲和計算裝置中運(yùn)行時執(zhí)行權(quán)利要求9至14中的一項(xiàng)所述的方法的計算機(jī)可執(zhí)行的指令。
【文檔編號】G01B21/04GK104507787SQ201380031435
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月20日
【發(fā)明者】羅蘭·格雷夫, M·福爾內(nèi)里斯 申請人:海克斯康測量技術(shù)有限公司