CN100360892C - 用于三维测量的探头 - Google Patents

Abstract

接触探头包括固定的零件(250)和接触感测器(30)，将该固定的零件(250)设计成被固定到测量机器或机器工具上，该接触感测器(30)沿着多个在空间内分度的方向在两个独立的轴(211、212)上是可动的并且是可定向的。包括抗摩擦滚子和球轴承的致动器(300)允许解锁转动轴(211)并且允许在最小化的摩擦的情况下选择任何取向。在锁定位置内，在返回弹簧(336)的作用下，致动器(300)撤回，从而不影响分度的准确性。

Description

用于三维测量的探头

技术领域

本发明关于能够在空间内沿着多个方向定向的接触探头。设计这种探头，以更特别地但不是唯一地用于手动或自动测量机器内或在像例如铣床那样的机器工具内使用，用于对被机器加工的零件或在机器加工期间进行三维测量。

背景技术

例如为了准确地检查机器零件的尺寸或表面，在机器零件的生产线上，接触探头是广泛使用的但不是唯一使用的测量元件。为了对复杂形状的机件进行复制或制模，也使用了接触探头，用于对复杂形状的机件进行三维测量。

接触探头通常包括固定的零件和可动的感测器，设计该固定的零件以将该固定的零件固定到测量机器或机器工具上，该可动的感测器包括在延长的杆的端部的球体并且设计该可动的感测器以使该可动的感测器与要被测量的机件接触。

在大多数应用中，将接触探头固定在机器的可动臂上，通过像例如放置在机器的轴上的位置编码器那样的手动或自动测量系统，能够准确地确定该可动臂的位置。在空间内移动可动臂，直至探头的测量感测器与要被测量的机件或表面接触。在接触期间，由此将偏斜力施加在感测器上，将它从它的初始安放位置移动开来。传感器响应于感测器最轻微的位移，产生电信号，将该电信号以光信号的形式发送给使用者或发送给机器的控制软件，该机器的控制软件基于测量系统的数据由此确定在给定的参考系内的接触点的坐标。为了这个目的，现有技术使用基于不同原理的机电传感器或光学传感器或移动传感器，例如包括约束测量器的传感器。

就三维接触探头而言，通常根据Boys连接原理，即例如通过安放在六个球体上的三个圆柱形的销从而在固定的部件和感测器之间限定六个接触点，实现了在感测器和探头的固定的零件之间的连接。然而，二维或一维探头也是已知的。

当使用探头用于对具有腔隙和隆起的复杂形状的机件进行测量的时候，在探头的固定的零件或感测器的杆不妨碍要被测量的机件的元件的情况下，使感测器与机件的全部表面接触是困难的或甚至是不可能的。为了补救这个不便之处，允许在空间内的多个方向上定向接触感测器的探头是已知的。通常，需要两个独立的转动轴，以覆盖所有可能的取向。在欧洲专利申请EP0392660中描述了这种类型的探头。

优选地，将转动轴分度(index)，意味着提供数量足够大的但是有限的预定的并且可准确重复的安放位置。这个构造避免了在每次改变感测器的取向后都不得不重新校正测量机器。

在测量期间，将允许上述的现有技术的探头被定向的轴锁定在提供的分度的位置中的一个内。当需要探头的不同取向的时候，操作者必须通过致动为了给轴解锁这个作用而提供的轮或杠杆手动地为轴解锁，将探头定向成如需要的那样，并且通过使轮或杠杆复位到初始的锁定位置内再次将轴锁定。这些操作可能导致定位错误，例如，当定位第二轴的时候无意中移动第一轴，该定位错误随之而来。

上述的探头的另一个不足之处是，锁定和解锁操作需要要施加在锁定轮上的外部转矩，通过探头和它的支撑物将该外部转矩传送到测量机器的可动臂。这个净转矩在探头的支撑物上产生机器负载，并且能够使整个探头移动。为了避免这个不足之处，当使用者致动锁定轮的时候，他必须一动不动地握住探头，这使得用一只手操作是困难的或甚至是不可能的。

发明内容

本发明的一个目的是提出能够在多个分度的方向上定向并且能够在没有定位错误的危险的情况下可靠地定位的接触探头。

本发明的另一个目的是提出不受现有技术限制的接触探头。

本发明的另一个目的是提出能够在多个分度的方向上定向并且能够比现有技术的探头更容易地操作的接触探头。

根据本发明，通过这样的装置实现了这些目的，该装置为用于相对于测量设备定向测量感测器的可定向的接触探头，其包括：

支撑元件；

与所述的支撑元件连接的可动的元件，该可动的元件能够围绕轴相对于所述的支撑元件旋转；

用于在锁定位置内保持所述的可动的元件的轴向有弹性的部件，该部件防止所述的可动的元件转动；

分度元件，该分度元件在所述的支撑元件和所述的可动的元件之间限定了六个接触点，用于当所述的可动的元件在锁定位置内的时候为所述的可动的元件限定许多预定的并且可重复的角度位置；

对抗所述的有弹性的部件的致动器，该致动器用于使所述的可动的元件从所述的支撑元件脱离，允许所述的可动的元件围绕所述的轴转动，

其中，当所述的可动的元件在锁定位置内的时候，除了所述的六个接触点和与所述的有弹性的部件的所述的连接之外，在所述的支撑元件和所述的可动的元件之间不存在其它接触。

附图说明

通过阅读描述，将更好地理解本发明，通过例子给出了该描述并且通过附图显示了该描述。

图1显示了根据本发明的接触探头的实施例；

图2显示了在图1中描绘的本发明的接触探头的截面；

图3和图4显示了分度机构和倍减机构，使用该分度机构和倍减机构以使图1的探头的第二水平轴脱离；

图5描绘了图1的探头的固定的零件；

图6显示了在图1的探头的第一垂直轴周围的可动零件；

图7显示了分度机构和倍减机构，使用该分度机构和倍减机构以使图1的探头的第一垂直轴脱离；

图8描绘了在探头组装的局部阶段上的图1的探头；

图9显示了在锁定位置内的图1的探头的截面；

图10显示了在第一垂直转动轴的脱离位置内的图1的探头的截面。

具体实施方式

在图1中描绘的本发明的第一个实施例是包括固定的零件250的接触探头20，在图5中详细描绘了该固定的零件250，设计该固定的零件250以通过有螺纹的杆251或通过其它已知的固定工具将该固定的零件250固定到测量机器的可动臂。

固定的零件250在它的下表面24上具有沿着圆周规则地分开的并且部分地向下突出的球体256。球体256为探头的第一转动轴限定了24个以15度分开的分度的位置，像下面还要解释的那样。

根据应用，能够以在空间内的任何取向使用本发明的探头。参考图2，出于方便的原因，在下文中将使用术语“垂直的”以指示探头211的第一转动轴，该第一转动轴对应于探头的几何轴，而术语“水平的”用于垂直于其的第二轴212。这些术语指代在图中，尤其是在图2中使用的常规取向，在该图2中描绘了两个轴211和212。

出于方便的原因，在下文中也将用术语“第一”和“第二”指代探头的两个轴和各种各样的元件。然而，由于本发明也包括带有一个、三个或任意个转动轴的探头，所以不必在将本发明限制成带有两个轴的装置的意义上理解这些术语。术语“第一”和“第二”也不意味着任何种类或次序或在元件之间的从属关系，并且在此使用术语“第一”和“第二”仅作为用于区分本发明的装置的元件的指示物。

在图6和8中描绘的可动的元件210在它的上表面上承载了三个圆柱形的销217。在图9中看得到的螺旋形的弹簧235通过杆219拉动可动的元件210顶靠在固定的元件250上。在这种情况下，销217的每个都安放在球体256的两个上，六个得到的接触点以准确的并且可重复的方式确定元件250和210的相对位置。

鉴于固定的元件的转动对称性，可动的元件20能够采取24个分度的位置，围绕对应于探头的几何轴的第一转动轴211以15度将该24个分度的位置分开。通过其它等效的构造，例如通过将球体放置在可动的元件上并且将销放置在固定的元件上，或通过用倾斜的平面取代销或球体的球形的或圆柱形的表面，或也通过使用六个每个都只具有单一的与球体的一个接触的点的圆柱形的销，可以实现相同的结果。用等效的有弹性的部件，例如弹簧片，或用由有弹性的合成材料制造的元件取代平坦的弹簧235，这也是可能的。

在图7、8、9和10中描绘的脱离机构300使得允许可动的元件210围绕轴211转动是可能的。传动装置300包括四个由四个在图7中指出的推动按钮310以及四个在图7中指出的滚子307驱动的杠杆306。

当按动两个相对的按钮310的时候，杠杆306围绕枢轴304旋转，并且离开图9的锁定位置，直至它们采取像在图10中描绘的那样的基本上垂直的位置，该图10显示了在解锁位置内的第一轴211的分度机构。

在解锁位置内，滚子307推靠支撑环314，并且通过球轴承313将固定的元件250轴向地从可动的元件210移开。在相隔的位置内，在图9和10中指出的球体256绕过销217而不接触销217，并且围绕轴211的转动是可能的。

在球体256上的销217的安放力必须是足够高的，以在测量期间避免可动的零件210的任何意外的移动。在这个特别实施例中，例如，确定分度弹簧235的尺寸为用于总计大约30N的安放力，即由于在相对于轴成60度施加压力，对于六个接触点中的每个大约10N。

将30N的力直接施加在按钮310上，这可能是困难的。出于这个原因，选择杠杆306的尺寸和轴枢304的位置，以给出在施加在按钮310上的径向力和对抗弹簧235的弹力的轴向力之间的足够的倍减比值。例如，1∶2的缩减比值意味着在按钮310处大约15N的致动力，即大约1.5Kgf，使用者可以在不是非常困难的情况下施加该力。以这个缩减比值，按钮310的行进范围保持若干毫米。

在上面给出的数值必须理解为特别适于本实施例的例子。根据情况，例如根据探头的质量和尺寸，可以选择不同的值。

为了确保在转动轴211周围使可动的元件210脱离，需要同时致动两个相对的按钮310。以这种方式，施加在探头上的外力基本上是相反的并且是垂直于转动轴211的，得到的力和转矩基本上是零，并且避免了探头的任何不想要的移动。

当沿着径向方向推动按钮310的时候，操作者能够通过在切线方向上致动相同的按钮使可动的元件210围绕轴211旋转。这个操作是非常直观的，并且能够简单地用一只手的两个手指执行这个操作。在这种情况下，在球体256和销217之间相隔的距离是足够避免任何对分度表面的接触或摩擦，由此在分度的位置内维持定位的准确性。由此，不必释放按钮310以从解锁到探头转动然后再次到探头锁定。

选择缩减比值和所使用的材料的摩擦系数，从而使传动装置300是可逆的，从而一旦释放了在按钮310上的压力，可动的元件210就自发地返回到分度的位置，由此避免在脱离位置内的意外使用。

由传动装置300产生的使固定的元件250和可动的元件210移开的力通常是与由分度弹簧235施加并且由杆214和219传送的力成一线的并且与其相对，从而确保在脱离位置内的无摩擦转动。

有利地，将轴承313，例如止推球轴承插入在固定的元件250和可动的元件210之间，从而在围绕第一轴211转动期间减小摩擦。也可以使用另一种类型的轴承，例如球或滚子轴承，代替止推球轴承。

在图9中可见的锁定位置内，通过返回弹簧336将滚子307从支撑环314移开。无论探头在空间内的取向是什么，小的间隙(看不到的)都存在于滚子307和支撑环314之间。

以这种方式，在安放位置内，只有六个在球256和销217之间的接触点构成了对分度弹簧235的作用的反作用。没有其它可以造成任何种类的对准确性不可避免地是负面的约束的零件保持了在固定的元件250和可动的元件210之间的接触。

而且，通过恰在所述的六个接触点的重心并且相应于转动轴211的杆214和219施加分度弹簧的力，以确保最佳安放。

为了能够使用非常长的由此刚性薄弱的弹簧，优选地，在支撑杆251的内侧加载分度弹簧235，这确保了沿着全部行进范围的恒定的拉力。通过使用在支撑杆的端部处的螺丝218，或通过其它等效的工具，能够简单地调整分度力。在不拆卸探头的情况下，例如简单地通过打开盖252，螺丝218从外侧是可容易地接近的。

将第一可动的元件210连接到第二可动的元件220，该第二可动的元件220能够围绕垂直于第一转动轴211的转动轴212旋转，如在图2中能够看到的那样，将已知类型的触发器30固定到该第一转动轴211。

通过压缩弹簧225，在由转动轴212限定的轴向方向上，推动第二可动的元件220顶靠在第一可动的元件210上。在可动的元件220的垂直面上制造球体226的冠部，并且球体226的冠部与三个放置在邻近第一可动的元件210的面上的圆柱形的销(在图中没有描绘)相互作用，以类似于在上面解释的用于转动第一可动的元件210的方式限定预定数量的确实可重复的分度的位置。

在可能不同的实施例中，能够使用六个仅具有单一接触点的圆柱形的销。

在图3和4中描绘了第二可动的元件220的脱离和转动系统400。通过在两个按钮411和410上施加压力，实现了脱离。通过两个杠杆430和450和水平臂440，传送施加在按钮410上的轴向力，该按钮410能够围绕零件470轴向滑动，为了压缩弹簧225，倍增施加在按钮410上的轴向力并且通过销461和杆460将其施加到弹簧225，这取消了在220和210之间的接触力。在这个实施例中，选择杠杆430、450的臂的尺寸，从而实现1∶2的操作力缩减比值，例如像用于第一可动的元件210的那样。插入在按钮410和零件470之间的第二弹簧475轴向地将第二可动的元件220推到在图2中的右方，同时允许它转动。

当推动按钮410的时候，将第二可动的元件220移动到图2的右方，从而使销和分度球体226不再接触，并且第二可动的元件220能够围绕轴212旋转。由操作者通过按钮410，实现了转动，通过销将该按钮410有角度地结合到零件470，这在图中是看不到的。

与按钮410相对的按钮411具有以下两重功能：将安放表面提供给手指以施加与施加在按钮410上的力相对的力，和有助于用两个手指使元件220转动。事实上，将按钮411有角度地结合到元件220并且驱动按钮411以和它一起转动。使用两个基本上相互相对的力使以下的事情成为可能：避免将力传送到探头的支撑物并且避免整个探头的移动。

按钮410经由杆460在第二可动的元件220上的作用大致与由弹簧225施加的力成一线并且与由弹簧225施加的力相反，这确保了在没有阻塞的情况下的直线移动。

将由触发器30产生的电信号以由发光二极管50(图1)发射的光信号的形式传送给使用者，或传送给机器的控制软件，该机器的控制软件由此通过测量系统的数据确定在给定的参考系内的接触点的坐标。

在这个实施例中，第二可动的元件220能够对于总角度是90度采取彼此成15度分开的七个分度的位置。与第一转动元件210的能够360度转动结合，这个角度使在许多均匀分布在半空间内的方向上定向触发器30成为可能。然而，可以使本发明的装置带有普通数量的分度的位置和任何在它们之间的距离。

现在参考图10，通过环形橡胶或弹性体保护膜330包围按钮310，该环形橡胶或弹性体保护膜330的功能是保护内部机构免于污垢和灰尘，而且防止将来自操作者的手的热量传送到内在的分度机构，该热量可能对分度的准确性具有不利的后果。为了相同的目的，优选地，也由带有好的绝热性质的合成材料制造用于使第二轴212转动和脱离的按钮410和411。

如在图1和8中看到的那样，在支撑元件250上提供了窗41，该窗41允许在刻在或印在第一可动的元件210上的刻度47上读取相对于第一轴211的转动角度。

在按钮411的外部冠部内切割出的两个窗40上能够读取相对于第二轴212的转动角度。在这种情况下，至少两个窗是必须的，以允许在所有可能的探头的取向内都有最佳的可视性。

触发器30通过产生电脉冲响应于与要被测量的机件表面的最轻微的接触。经由电子处理电路和用于与测量机器的控制装置连接的连接器(没有描绘)传送脉冲，并且将脉冲传送到光显示器50。在这个实施例中，显示器包括发光二极管，但可选择地，可以包括其它已知的像例如片或线场致发光的元件那样的光发射器。通过光学的光扩散器包围发光二极管，允许在更广的观察角度的范围内看到所发射的光。

在本发明的可选择的实施例中，通过若干放置在探头的不同地方的显示器取代显示器50，从而从每个可能的观察角度都有至少一个显示器是看得到的。

在本发明的另一个实施例中，显示器50包括一个或若干个光传导器，以发射由来自探头的表面的不同地方的一个或若干个光源产生的光，从而使光指示从每个可能的观察角度都是看得到的。

本发明也包括实施例，在该实施例中，通过自动的致动器，例如电动马达和/或螺线管，致动轴的转动和脱离。

Claims (20)

1.用于相对于测量设备定向测量感测器(30)的可定向的接触探头(20)，其包括：

支撑元件(250)；

与所述的支撑元件(250)连接的可动的元件(210)，该可动的元件(210)能够围绕轴(211)相对于所述的支撑元件(250)旋转；

用于在锁定位置内保持所述的可动的元件(210)的轴向有弹性的部件(235)，该部件(235)防止所速的可动的元件(210)转动；

分度元件(256、217)，该分度元件(256、217)在所述的支撑元件(250)和所述的可动的元件之间限定了六个接触点，用于当所述的可动的元件在锁定位置内的时候为所述的可动的元件(210)限定许多预定的并且可重复的角度位置；

对抗所述的有弹性的部件(235)的致动器(300)，该致动器(300)用于使所述的可动的元件(210)从所述的支撑元件(250)脱离，允许所述的可动的元件围绕所述的轴(211)转动，

其中，当所述的可动的元件(210)在锁定位置内的时候，除了所述的六个接触点和与所述的有弹性的部件(235)的所述的连接之外，在所述的支撑元件(250)和所述的可动的元件(210)之间不存在其它接触。

2.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述支撑元件(250)包括用于将所述的探头固定到所述的测量设备的支撑杆(251)，并且所述的有弹性的部件(235)包括轴向放置在所述的支撑杆的内部空间内，且通过与所述的轴(211)成一线的杆(219)连接到所述的可动的元件的螺旋形的弹簧。

3.根据权利要求1所述的探头，包括插入在所述的支撑元件(250)和所述的可动的元件(210)之间的轴承(313)，用于使所述的可动的元件(210)相对于所述的支撑元件(250)旋转。

4.根据权利要求3所述的探头，其特征在于，所述的致动器(300)包括用于在所述的可动的元件(210)和所述的支撑元件(250)之间通过所述的轴承(313)施加移开力的滚子(307)。

5.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，将所述的致动器(300)与所述的可动的元件(210)结合，并且所述的致动器(300)包括至少一个返回装置(336)，该返回装置(336)用于当所述的可动的元件在锁定位置内的时候使所述的支撑元件(250)的所述的致动器返回。

6.根据权利要求1所述的探头，包括通过第二轴(212)与所述的可动的元件(210)连接的第二可动的元件(220)，用于使所述的第二可动的元件(220)相对于所述的可动的元件(210)旋转；

第二有弹性的部件(225)，能够独立于所述的有弹性的部件(235)使该第二有弹性的部件(225)致动，用于将所述的第二可动的元件(220)保持在锁定位置内，防止所述的第二可动的元件(220)转动，

对抗所述第二有弹性的部件(225)的第二致动器(400)，用于使所述的第二可动的元件(220)从所述的可动的元件(210)脱离，允许所述的第二可动的元件(220)围绕所述第二轴(212)转动。

7.根据权利要求6所述的探头，其特征在于，通过分别在所述的轴(211)，所述的第二轴(212)的方向上的移动，实现了所述的可动的元件(210)的脱离和/或所述的第二可动的元件(220)的脱离。

8.根据权利要求6所述的探头，包括固定到所述的第二可动的元件(220)的测量感测器(30)。

9.根据权利要求6所述的探头，其特征在于，通过分别施加到所述的致动器，所述的第二致动器的两个基本上对称的并且相反的外力的作用，所速的致动器(300)和/或所述的第二致动器(400)分别使所述的可动的元件(210)，所述的第二可动的元件脱离。

10.根据权利要求9所述的探头，其特征在于，通过一对分别施加到所述的致动器(300)，所述的第二致动器(400)的外力的作用，所述的致动器(300)和/或所述的第二致动器(400)分别驱动所述的可动的元件(210)，所述的第二可动的元件(220)转动。

11.根据权利要求9所述的探头，其特征在于，布置所述的致动器(300)和/或所述的第二致动器(400)，以当中断两个所述对称的并且相反的外力的时候停止它们的作用。

12.根据权利要求9所速的探头，其特征在于，所述的致动器(300)和/或所述的第二致动器(400)包括倍减机构，用于减少分别使所述的可动的元件，所述的第二可动的元件(220)脱离所需要的力的强度。

13.根据权利要求12所述的探头，其特征在于，所述的倍减机构包括至少一个带有不等臂的杠杆。

14.根据权利要求9所述的探头，其特征在于，所述的两个外力具有基本上垂直于所述的轴(211)的方向，并且通过至少两个在相对于所述的轴(211)直径上相反的位置内放置在所述的探头上的按钮，支撑所述的两个外力。

15.根据权利要求6所述的探头，包括一个或若干个用于分别指示所述的可动的元件(210)，所述的第二可动的元件(220)的角度位置的窗。

16.根据权利要求15所述的探头，包括至少两个用于指示所述的第二可动的元件(220)的位置的窗。

17.根据权利要求1所述的探头，包括大尺寸的光指示物，用于允许从探头的任何位置控制探头的操作。

18.根据权利要求1所述的探头，包括绝热的外部层，用于防止从手到探头的热传导。

19.根据权利要求6所述的探头，其特征在于，所述的致动器(300)在所述的可动的元件(210)上的作用大致是与由所述的有弹性的元件(235)在所述的可动的元件(210)上施加的力成一线的并且相反的。

20.根据权利要求6所述的探头，其特征在于，所述的第二致动器(400)在所述的第二可动的元件(220)上的作用大致是与由所述的第二有弹性的元件(225)在所述的第二可动的元件(220)上施加的力成一线的并且相反的。

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