CN100340958C

CN100340958C - 探针坐标系统驱动装置

Info

Publication number: CN100340958C
Application number: CNB981191746A
Authority: CN
Inventors: 木村哲郎; 野田孝
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1997-09-12
Filing date: 1998-09-11
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2018-09-11
Also published as: EP0902345A2; CN1211724A; JPH1194533A; EP0902345A3; US6108613A; JP3439331B2

Abstract

这里公开一种探针坐标系统驱动装置，其中，在一坐标测量机里，一探针可沿着与探针的方向一致的方向被驱动，从而通过操纵操纵杆可方便地驱动探针。还提供一通过设定仰角α和旋转角β可自由地改变探针方向的仰角和旋转角的探头，方向而根据设定的角可获得表示与探头方向操纵装置输出一致的探针坐标系统的轴的单位方向矢量。将通过因操纵者操纵而由操纵杆工作台输出的三个电信号和三个单位方向矢量的无向积而获得的矢量合成以计算驱动矢量，并按照该驱动矢量控制对坐标测量机的驱动。

Description

探针坐标系统驱动装置

技术领域

本发明涉及一种用来操纵具有操纵杆的坐标测量机的驱动装置，特别涉及一种探针坐标系统驱动装置，它能够沿着探针坐标系统、根据探针的方向移动探针。

背景技术

可进行计算机驱动控制的坐标测量机作为一用来测量置于一底座上的物体的坐标、外形等的装置是众所周知的。图6显示了这种坐标测量机系统的外观。通常，这种坐标测量机具有互相垂直的X、Y和Z轴驱动机构，而Z轴驱动机构的前端有一球形测头。此外，其上还固定着一安装有一探针、能够检测该测头是否与被测物体接触并输出一接触信号的探头。

具体地说，在图2所示的的探头11A(例如，由英国的Renishaw公司制造的探头PH9(商品名))里，在探针11B安装部分上的仰角α和探头11A下部的旋转角β可通过电动机驱动自由地改变和设置，从而使探针的方向可任意设置。例如，在测量具有倾斜表面的被测物体时，可设置探头11A的仰角α和旋转角β，从而可在测量前使探针处于基本垂直该倾斜表面的方向上。

然而，一般来说，通过操纵图4所示的操纵杆工作台40上的操纵杆41A、41B和41C而使探针可移动的方向是受限制的，即限于坐标测量机的X、Y和Z轴驱动机构的驱动方向，这样，当探针的方向被设置成基本上垂直于被测物体的倾斜表面时，操纵者体验到一种不协调的感觉，并发觉难以进行，因为通过操纵杆使探针移动的方向与探针的方向不一致。

此外，对于操纵者来说，通过操纵操纵杆使探针沿着倾斜表面平稳移动是困难的，而且这种操纵需要实践。结果，对形成于其上的倾斜表面或孔等的测量与对平面部分的测量相比，其测量效率特别差。此外，还存在着一种担忧，即操纵者一不小心会使探针碰撞被测物体，从而使昂贵的探头或探针折断。为了避免这种碰撞，必须操纵操纵杆，使探针慢慢移动。

日本专利申请第60-210746号公布了一种为解决上述问题的发明。然而，在上述发明里，必须测量该倾斜表面，以便在计算机里构成一与该倾斜表面一致的工作坐标系统。在该过程中，通过操纵操纵杆使探针可以移动的方向仍限于X、Y和Z轴驱动机构的驱动方向。这样，为构成工作坐标系统进行的测量需要操纵操纵杆，而这种操纵与以往一样困难，并需要实践。因此，在这种操纵过程里存在着不方便。

在由日本专利申请第7-132770号公布的另一发明里，各操纵杆根据单位方向矢量确定探针驱动方向。在后一个发明里，在获得该矢量前也需要进行测量，以便设置该单位方向矢量。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而提出的。本发明的目的是通过操纵在一坐标测量机上的操纵杆来方便地驱动探针。

为了实现上述目的，本发明提供一种探针坐标系统驱动装置，它包括：一坐标测量机，其上安装着许多可由电动机驱动的、互相垂直的轴驱动机构；一探针，它安装在坐标测量机的一个轴驱动机构上，用来检测与被测物体的接触；一探头，可用来固定探针，并能自由地设定探针方向的仰角和旋转角；一探头方向操纵装置，用于输出所述仰角和所述旋转角；方向操纵杆工作台，其上装备着一个或一个以上的、操纵坐标测量机的操纵杆，并能对应操纵杆的动作输出三个电信号；一CPU(计算机中心处理装置)，里面安装着用来计算三个表示与所述探头方向操纵装置输出方向一致的探针坐标系统的X、Y和Z轴方向的单位方向矢量的步骤；一驱动矢量积和计算回路，以便通过合成各矢量计算一驱动矢量，而各矢量是通过获得由操纵杆工作台输出的三个电信号和三个单位方向矢量的无向积而获得的；以及一电动机驱动回路，以便驱动电动机，坐标测量机的各轴驱动机构均安装着一台这种电动机，以便与该驱动矢量一致。

除了上面所述，本发明的探针坐标系统驱动装置还可包括一AD(模拟-数字)转换器，以便将操纵杆工作台输出的电信号转换成数字信号，以及一DA(数字-模拟)转换器，以便将由驱动矢量积和计算回路计算出来的驱动矢量转换成模拟信号。

除了上面所述，在本发明里，探头可是一可自由地设定仰角和旋转角的转动探头。

通过使因操纵操纵杆手柄而移动的探针的移动方向与探针的方向一致，可方便地测量一具有倾斜表面的物体。

附图说明

图1是描述本发明的框图；

图2显示了按照本发明的一探头的外观；

图3描述了按照本发明进行的测量；

图4显示了按照本发明的一操纵杆工作台的外观；

图5是描述按照本发明的测量过程的流程图；

图6显示了按照本发明的一坐标测量机的外观。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的一较佳实施例。在附图中，相同的零件用相同的标号表示。

图1是描述本发明的一个较佳实施例的框图。当操纵者使与图4所示的操纵杆工作台40上的操纵杆41A、41B和41C连接的手柄43和44倾斜时，输出基本上与倾斜角度成比例的电信号A、B和C。操纵杆41A检测手柄43沿横方向的倾斜，并输出电信号A。操纵杆41B检测手柄43沿纵方向的倾斜，并输出电信号B。同样地，操纵杆41C检测手柄44沿纵方向的倾斜，并输出电信号C。

接着，信号A、B和C输入AD(模拟-数字)转换器42A、42B和42C，并在输入驱动控制装置20前转换成数字信号a、b和c。在驱动控制装置20里，将操纵操纵杆时表示探针驱动方向的单位方向矢量Va、Vb和Vc预先设置在内存22A、22B和22C里。通常，这些单位方向矢量Va、Vb和Vc的初始状态被设置成与坐标测量机的X、Y和Z轴驱动机构的驱动方向一致。该初始状态被设置成：

Va＝(1，0，0)，Vb＝(0，1，0)和Vc＝(0，0，1)

这样，当在此状态下操纵操纵杆时，探针通常沿着与各轴驱动机构平行的方向移动。

接着，来自操纵杆工作台40的输出信号a、b和c提供给一积和计算回路，在那里计算单位方向矢量Va、Vb和Vc的无向积。然后，把这些矢量加起来，以计算驱动轴的驱动矢量。将由此获得的驱动矢量输入DA(数字-模拟)转换器24A到24C，转换成模拟信号，然后输入X、Y和Z轴电动机驱动回路25A到25C。接着，由X、Y和Z轴电动机驱动回路25A到25C输出的电流输入坐标测量机10上的X、Y和Z轴驱动电动机12A到12C，以驱动坐标测量机。

坐标测量机10上的各轴的现有的坐标数据，即各轴的编码器13A到13C的读数值不变地输入CPU(计算机中心处理装置)21，由此可实现测量和探针驱动方向的正确控制。

此外，在坐标测量机10的Z驱动轴前端安装一如图2所示的探头11A，并在探头11A的前端安装一探针11B。为了与被测物体接触，在探针11B上装备用硬质材料、诸如红宝石制造的球形测头11C。当测头11C与被测物体接触时，在探针11B上的检测机构检测该接触，并输出一接触信号。如图1所示，该接触信号输入CPU 21。接收到接触信号，CPU 21将轴的编码器13A到13C上在该时刻的读数值作为测量数据，并将其按要求的那样储存在内存(未画出)里。

接着，将参考图2详细描述探头11A。探头11A(例如，它包括由英国Renishaw公司制造的探头PH9(商品名))的上部安装着柱销。通常，该柱销插入坐标测量机10的Z轴驱动机构的最下部，并由一螺钉固定，这样，即使在驱动坐标测量机10时，它也被牢牢地连接和固定，从而不会移动。在进行这种安装时，必须预先确定坐标测量机的方向和探头11A的方向。通常，当旋转角β＝0时，该方向与坐标测量机的Y轴驱动机构的负方向一致或与X轴驱动机构的正方向一致。还可以在探头11A的上表面提供一定位销和在坐标测量机的Z轴驱动机构的下端提供一柱销接纳夹具。

在该探头11A里，通过电动机驱动，其下面部分可相对上面部分以7.5度的间隔在±180度的范围内转动，即，旋转角β可自由设置。同样地，通过电动机驱动，安装探针11B的部分可在0到150度的范围内以7.5度的间隔转动，即，仰角α可自由设置。由操纵者通过方向探头方向操纵装置50表示的旋转角β和仰角α的值通过驱动控制装置20输入探头11A，使它们各自在电动机驱动下按照表示的角度转动，以改变方向，由此，探针11B的方向可自由地设置在所需的方向上。

在许多情况下，在具体测量操纵时，不仅被测物体的上表面要测量，它的垂直侧面或倾斜表面也要测量。一般认为，较理想的是每次改变探针11B的方向，使它垂直于被测物体，并从与该方向一致的方向、即垂直于测量表面的方向使探针11B逐渐接近被测物体，当测头11C与被测物体接触时，测头11C不在被测物体的表面上滑动，从而使精度上的降低处于最低程度。

通常，在按照上面所述改变方向后，将进行下述的探针校正操纵。操纵图4所示的操纵杆41A到41C，以驱动坐标测量机10，使测头11C与置于坐标测量机10的底板上的参考球(标准球)(未画出)的至少四个部分接触，而参考球的直径值预先已精确地知道。当因这种接触而通过探针11B将一接触信号输入CPU 21时，轴编码器在该时刻的读数值被固定并作为测量坐标值储存在预定的内存区域里。接着，将诸如最小二乘方法的几何计算方法用于在四个部分或更多部分上测得的测量坐标值，以计算球形结构，并且通过与获得的中心坐标值(自上述参考球的中心至测头11C的中心的矢量)和直径值的逆向计算，得到测头11C的直径值和坐标值。

接着，通过参考图3-5来详细描述利用探针坐标系统测量一具有倾斜表面的物体的测量过程。首先，在步骤10，驱动方向探头方向操纵装置50，使探针11B基本上与被测物体的倾斜表面垂直。此时，探针11B的方向不需要与倾斜表面精确地垂直；用肉眼来设置仰角α和旋转角β。例如，在图3所示的情况下，使仰角α＝45度，旋转角β＝0度。此时，即使探针的方向略微偏离与倾斜表面垂直的方向，在实际测量中也不会有大的问题，且测量可在没有障碍的情况下进行。

当来自方向探头方向操纵装置50的仰角α和旋转角β的值输入和传送给CPU 21时，一个角度改变命令立即输给探头11A，并驱动安装在探头11A里的、用来改变仰角和旋转角的电动机，从而改变和设定这些角度。接着，仰角α和旋转角β的值被储存在CPU 21内的一个预定内存里。在以后计算探针坐标系统的各轴线方向的单位矢量时将使用这些数值。

接着，进行测量操纵，如果一旦设定的仰角α和旋转角β是这样的，即存在着这样一种关系：在探针11B测量过程中，除了测头11，还有其它部分、例如触针影响被测物体，那么还要利用方向探头方向操纵装置50再进行细小的角度调整。然而，在探头11A里，角度设定只能以7.5度的间隔进行，这样，难以进行使探针精确地垂直于倾斜表面的设定。然而，当撇开探头11A而使用一可在无级基础上进行角度设定的探头时，就可以进行使探针精确地垂直于倾斜表面的设定。在这种情况下，将探头的仰角α和旋转角β设定为零，然后，在倾斜表面的三点或更多点处进行测量，以获得倾斜表面的法线方向，并进行设定，使探针11B的方向与该法线方向一致。即，通过使经过探针11B中心的轴线与倾斜表面的法线方向一致，可设定探针11B和探针坐标系统60，使探针精确地垂直于倾斜表面，从而可实现大大避免降低精度的测量。

此外，当倾斜表面的角度通过设计值或类似途径预先知道时，可在这些数值的基础上设定仰角α和旋转角β，从而与用肉眼测量相比能使探针方向更准确地垂直于倾斜表面。

接着，在步骤11，通过在预先设定的仰角α和旋转角β的基础上的计算可获得图3所示的探针坐标系统的各坐标轴的单位方向矢量，并将其储存在CPU 21内的预定的内存里。该计算方法是十分通用的坐标变换(旋转)矩阵计算。

接着，在步骤12，将由此获得的矢量值储存在内存22A、22B和22C里，以设定矢量Va、Vb和Vc的值。这样，通过此后操纵操纵杆41A、41B和41C，可沿着图3所示的探针坐标系统的方向移动探针11B。

即，通过使手柄43向右或向左倾斜，使探针11B沿探针坐标系统60的X轴方向移动。同样地，当手柄43沿纵向倾斜，探针11B可沿探针坐标系统60的Y轴方向移动。同样地，当手柄44沿纵向倾斜，可使探针11B沿探针坐标系统的Z轴方向移动。

接着，在步骤13，测量参考球(标准球)(未画出)以进行探针校正。根据被测物体的形状，当所有的预定部分不能在同一方向和使用同一测头进行测量时，需要改变探针方向、测头等。这时，需要校正参考球和测头之间的方向关系。虽然如改变探针11B的方向不应改变测头11C的直径值，但视在直径值可能根据方向改变，因此，需要对各设定角进行探针校正操纵。由此获得的校正数据可记录在一文件或类似东西上，并储存在主机31里，这样，当下次设定相同的仰角α和旋转角β时，就可从记录文件上调出该校正数据并利用它。在这种情况下，可省略校正操纵，从而可改进操纵效率。

接着，在步骤14，操纵操纵杆工作台40上的手柄43和44以测量被测物体。例如，当测量如图3所示的倾斜表面上的孔时，通过向右或向左倾斜手柄43可沿着倾斜表面倾斜地移动探针11B。按惯例，当如此倾斜地移动探针时，必需同时操纵两个操纵杆，从而使操纵变得复杂并需要实践。此外，当探针11B基本上垂直地插入该孔时，只需要使手柄44纵向倾斜，从而可期待防止探针与被测物体碰撞，而这种现象在错误操纵操纵杆时常会发生。

此外，由于探针11B可基本上垂直于被测物体的倾斜表面并沿着与探针11B方向一致的方向移动，因此操纵者没有不舒适的感觉。此外，可实现大大避免降低测量精度的测量。此外，以机械坐标系统或工作坐标系统表示的测量数据的坐标值自然地避免探针坐标系统驱动的影响力。

虽然已描述了本发明的较佳实施例，但本发明并不限于该实施例。在不脱离本发明精神和范围的情况下还可有许多改进。

例如，虽然在探针坐标系统基础上参考操纵杆驱动操纵描述了上述实施例，但本发明也可应用于机械坐标系统(一种平行于坐标测量机主体上的各轴驱动机构的坐标系统)和工作坐标系统(一种在被测物体的基础上沿着被测物体的一个端面等延伸设置的坐标系统)。在这种情况下，通过将坐标系统各轴的单位方向矢量、即矢量Va、Vb和Vc的值设置在驱动控制装置20的内存22A到22C里也可容易地单独实现本发明。

此外，虽然在上述实施例里通过计算获得探针坐标系统的坐标轴的单位方向矢量，而每次根据操纵者设定的仰角α和旋转角β改变设定角，但探头的可能的角的数量不是无限的。在0到105度的范围内以7.5度间隔的仰角α可有15个，而在-180到+180度范围内以7.5度间隔的旋转角β可有49个。这样，有735个可能的角度组合。因此，通过在各角度的组合设定时计算探针坐标系统的坐标轴的单位方向矢量也可预先获得，并将它们储存在驱动控制装置20里，读出与由操纵者改变和设定的仰角α和旋转角β形成的角度组合对应的坐标轴的单位方向矢量，并将它们设置在单位方向内存22A、22B和22C里。在这种情况下，就不需要在每次设定角度改变时进行计算，从而有可能进行稳定的操纵而不必在CPU 21上进行额外的计算。

按照本发明，在测量具有倾斜表面的被测物体时，可通过方便地操纵操纵杆而沿倾斜表面倾斜地移动探针。此外，由于即使在被测物体具有倾斜表面的情况下也可用肉眼设置探针，使其相对要进行测量的地方处于基本垂直的方向，因此可在测量过程中使探针从基本垂直于测量地方的方向靠近被测物体，从而使它们互相接触。这样，与使探针倾斜地靠近被测物体进行测量的情况相比，可限制测量错误的发生。此外，由于探针可方便地沿着与探针方向一致的方向移动，操纵者在没不舒适感觉的情况下操纵，并可减少测量操纵的错误。

Claims

1.一种探针坐标系统驱动装置，它包括：

一坐标测量机，其上安装着许多可由电动机驱动的、互相垂直的轴驱动机构；

一探针，它安装在坐标测量机的一个轴驱动机构上，用来检测与被测物体的接触；

一探头，用来固定探针，并能自由地设定探针方向的仰角和旋转角；

一探头方向操纵装置，用于输出所述仰角和所述旋转角；

操纵杆工作台，其上装备着一个或一个以上的、操纵坐标测量机的操纵杆，并能对应操纵杆的动作输出三个电信号；

一CPU，里面安装着用来根据所述探头方向操纵装置的输出计算三个表示探针坐标系统的X、Y和Z轴方向的单位方向矢量的步骤；

一驱动矢量积和计算回路，以便通过合成各矢量计算一驱动矢量，而各矢量是通过获得由操纵杆工作台输出的三个电信号和三个单位方向矢量的无向积而获得的；以及

一电动机驱动回路，以便驱动电动机，坐标测量机的各轴驱动机构安装着该电动机，以便与该驱动矢量一致。

2.如权利要求1所示的探针坐标系统驱动装置，其特征在于，还包括：

一AD转换器，以便将操纵杆工作台输出的电信号转换成数字信号；以及

一DA转换器，以便将由驱动矢量积和计算回路计算出来的驱动矢量转换成模拟信号。