CN100371674C - 触摸探针 - Google Patents

Abstract

用于测量坐标的机器的触摸探针，其包括相对于固定机构(1)相对可移动且通过弹簧(21)保持在限定的和可重现的静止位置的测头(12)。该探针包括电路，以检测测头(12)的位移。由围绕测头的轴线分布的6个触点限定静止位置，以获得对侧向力的均匀的灵敏度。

Description

触摸探针

技术领域

本发明涉及用于测量坐标的探针领域，特别地，涉及基于能够用作用于测量三维坐标的机器的配件的Boys连接的原理的触摸探针。

背景技术

触摸探针(tough probe)是在机械工件的生产线上广泛使用的，但不是唯一的机电测量元件，例如，用于调节生产机器或者用于质量控制。它们用于精确地检验尺寸，或者用于控制表面或者生产批次的规则性。

触摸探针通常固定在测量机器的移动臂上，其位置由测量系统精确地确定，该测量系统例如为电容的、电感的、磁阻的或者光学的。测量机器的臂沿着确定的轨道在空间中移动，直到探针的测头接触要测量的工件或者表面。在接触期间，偏转力施加在测头(feeler)上，这样将其移动离开其初始静止位置。因此关闭或者打开电路，以及信号通常一方面例如以光信号的形式发送给使用者，另一方面发送给测量机器的软件，根据测量系统的数据，该软件确定给定的参考系内的接触点的坐标。然后，软件允许计算两个测量点之间的距离，以及在一些情况下，允许通过一系列测量点来以二维或者三维表示被测量的物体。

在另一种应用中，触摸探针用于控制表面或者生产批次的规则性。探针固定在不动的元件上，以及表面或者一系列工件行进通过传感器，以便刚刚接触探针。如果表面具有不规则性，或者如果工件不是规则的尺寸，探针的测头会受到力，该力会使测头离开其静止位置，这样改变了由探针的电路发出的信号。

触摸探针的主要元件通常是固定机构(fixed organ)、测头和用于检测测头相对于其静止位置的移动的电路。

固定机构相对于固定元件固定，固定元件通常结合到探针的壳体并允许探针例如固定在测量机器的移动臂上。

探针是设计为与要测量的表面或者工件接触的机械元件。探针通常包括固定到直的或者弯曲的杆的末端的由红宝石或者硬的石头制成的校准的接触球，该直的或者弯曲的杆由弹性元件相对于固定机构保持在静止位置。该静止位置是确定的和可重现的。探针相对于固定机构具有一个或者几个自由度。在与要测量的表面接触期间，偏转力施加在探针上，根据其相对于固定机构的一个或者几个自由度，探针离开其静止位置。当力不再施加在探针上时，探针返回其静止位置。

因此，容易理解，探针相对于固定机构的定位的精确性和可重复性在测量精确性中起重要作用。

一般的，触摸探针包括探针和固定机构之间的均衡连接。该连接包括6个独立的触点，以便正确地确定探针相对于固定机构的相对位置。通常，6个触点由彼此120度定向的三个硬金属制成的销形成，每个销位于与探针的固定机构结合的球之间。这些球电连接，以形成包括6个串联开关的电路，以便发出探针与要测量的工件接触的信号。

然而，该构造具有的缺点在于，探针对横向力的灵敏度不是恒定的，而是根据外部力的方位变化，特别是在沿着与探针的轴线正交的平面定向的侧向力的情况下。

因此，这种类型的探针对侧向力的灵敏度是不均匀的，而是相应于三个销的方向具有三个凸角。该灵敏度的变化破坏触摸的可重复性，因此破坏测量的质量。

专利申请EP036853试图通过提出由直接对施加的力敏感的约束量计来替代电路的探针来补救这些问题。该设备具有对称的响应。然而，使用约束量计比机械触摸探针更复杂且实现更昂贵。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种没有现有技术的不方便性的触摸探针。

本发明的另一个目的是提出一种简单和可靠的触摸探针，其显示对侧向力的恒定的灵敏度。

提出达到以上目的的探针，特别是通过包括以下部分的探针实现了这些目的：固定机构；通过弹性元件保持在相对于所述固定机构的确定静止位置的测头，所述静止位置为可重现的，所述测头能够响应于偏转力从所述静止位置移动，以及当所述力停止施加时，能够返回到所述静止位置；多个与所述测头结合的移动定位元件；多个固定的定位元件，其与所述固定机构结合且能够与所述移动定位元件接合来限定正好6个触点；

其中所述6个触点围绕所述测头的轴线分布，以便获得基本均匀的对在与所述测头正交的平面中的偏转力的灵敏度，其特征在于，多个电导体连接成对的固定和移动定位元 件，以形成一个电路，从而当所述测头从其静止住置移动时，该电路 的电阻改变。

从通过明智选择触点的位置能够使触摸对侧向力的灵敏度均匀的观察得出本发明。特别地，可以以具有60度旋转的六边形对称的构造分布触点。另一方面，在已知的触摸探针中的触点的分布为120度旋转对称。在这样的构造中，探针对侧向力的灵敏度实际上是恒定的。

通过阅读由举例和所附的附图的显示给出的描述可以更好地理解本发明。

附图说明

图1示出了已知类型的触摸探针；

图2表现了图1的探针的重定位系统的简化的图；

图3表现了根据本发明的探针的重定位系统的简化的图；

图4示出了根据本发明的探针的重定位系统的不同的实施例；

图5和6表现了根据本发明的探针的重定位系统的又一变形例；

图7和8表现了本发明的又一实施例的截面图。

具体实施方式

图1和2表现了已知类型的触摸探针。探针测头12包括在一个末端处的球15，其直径精确地确定，且设计为接触要测量的工件。触摸杆与板13结合，在弹簧21的作用下，由位于球41-46上的销31、32、33保持在合适的位置。

根据Boys连接的原理，探针的静止位置以精确和可重现的方式由销31-33和球41-46之间的6个触点确定。当球15从其静止位置移动时，6个触点中的至少一个被中断，下面的电路的电阻的变化允许该接触被检测。

为了检测接触，由板13施加在弹簧21上的力的垂直分量必须超过弹簧的张力。容易理解，在侧向力的情况下，检测阈值不是恒定的，而是根据力的定向。检测需要的力对于在图2的d2方向上的接触比d1方向上要大。

在沿着d2方向的力的情况下，偏转轴线位于离开中心距离r处，以及在沿着d1方向定向的偏转力的情况下，偏转发生在距离b处。

因此，不考虑摩擦力的情况下，在触发测头所需的最小力和最大力之间的理论关系给定为r/b＝1/cos 60°＝2。

因此，这种类型的探针对侧向力的灵敏度不是均匀的，而是相应于三个销的方向表现为三个凸角。

图3表现了根据本发明的第一个实施例的探针的触摸。在图3的设备中，测头12以板13终止，在板13的周边放置6个径向的销131-136。在静止位置中，每个销触摸与探针的固定机构结合的一个球141-146。

可以观察到，在图3的触摸中，限定测头12的静止位置的6个触点围绕测头12的轴线分布，以便消除了相对于侧向偏转力的方向的灵敏度变化。这种更加对称的构造允许相对于图1和2中表现的触摸更加均匀的响应，在图1和2中，触点在等边三角形的顶点处以成对状态重新分组。本发明的探针对侧向力的灵敏度基本上是均匀的，且不依赖于或者只稍微依赖于施加的力的方向。

导体元件90连接销和球，以形成通常闭合的电路，一旦销的任何一个从相应的球分离，该电路打开。例如，可以连接销131-132，133-134和135-136以及球142-143和144-145的对，如在图3中图解表现的。通过在连接到球141和146的终端91、92处的电阻的变化来检测与要测量的工件的接触。然而，其它构造也是可能。

导体元件90可以通过焊接或者粘合电导线，或者通过沉积一层导电漆或者胶，或者通过任何其它已知的方法来制造。例如通过eloxiding来获得球和销从它们相关的支撑件的脱离。

有利地，沿着围绕测头12的轴线定中心的圆周80放置触点。每对连续的触点之间的角距离α为基本等于60°，以便触点定位在围绕测头的轴线定中心的六边形的顶点上。然而，可以稍微改变该构造，而不损害探针响应的对称性。因此，可以想到沿着不同的曲线放置触点，或者稍微修改触点之间的角距离。

在图3的构造中，对于所有的侧向力，测头12的偏转距离总是等于a。自然地，摩擦力阻止该理想的比例精确地实现。

每对相邻的触点之间的角距离最好正好等于60°，或者在任何情况下接近这个值，例如在40°和80°之间，最好在50°和70°之间。

球141-146相对于销131-136布置，以便当圆周80顺时针行进时，三个球142、144和146分别在销132、134和136之前，球141、143和145在相同的范围内跟随销131、133和135。该交替构造允许限定稳定和精确的静止位置。然而，在本发明的框架中，球141-146的部分在销131-136前面以及球141-146的另一部分跟随销131-136的其它构造也是可能的。

可选的，销和球可以由能够限定固定机构1和测头12的板13之间的6个点状接触的其它定位元件替代。例如，销可以由倾斜的平面替代。

图3的探针的销131-136基本上相对于测头12的轴线径向布置。在本发明的还有的模式中，在图4中表现的，销131-136沿着三个方向以平行对布置，它们之间基本上角向分开120°。

在本发明的另一个实施例中，在图5中表现的，板13在其周边承载基本上以120°布置的三个块231、232、233，每个块触摸固定机构的球141-146的两个。决231-233和球141-146之间的6个触点围绕测头12的轴线分布，以便获得对侧向力的均匀的灵敏度。有利地，触点放置在相对于测头12的轴线定中心的六边形的顶点处。

在本发明的在图6中表现的实施例中，销131-136以三对销布置，其朝着板13的外部汇聚，基本上为120°旋转的对称构造。销131-136和球141-146之间的6个触点围绕测头12的轴线分布，以便获得对侧向力的均匀的灵敏度。优选的，它们放置在相对于测头12的轴线定中心的六边形的顶点处。

在图3、4、6中表现的变化实施例通过销131-136围绕与球141-146的各自的触点旋转来区别。这些例子不能理解为将本发明限制到这些特殊的销相对于球的方位角。本发明还包括很多其它的构造，其特征在于，销131-136和球141-146之间的任何角度。

在本发明的框架内，还可以转换销和球的位置，以将球布置在板13上，销布置在固定机构1上，如在图8中表现的。

Claims (16)

1.探针，其包括：

固定机构(1)；

通过弹性元件(21)相对于所述固定机构保持在确定的静止位置中的测头(12)，所述静止位置为可重现的，所述测头(12)能够响应于偏转力从所述静止位置移动，以及当所述力停止施加时，能够返回到所述静止位置；

多个与所述测头(12)结合的移动定位元件(131、132、133、134、135、136、231、232、233)；

多个固定定位元件(141、142、143、144、145、146)，其与所述固定机构结合且能够与所述移动定位元件接合来限定正好6个触点；

其中所述6个触点围绕所述测头(12)的轴线分布，以便获得基本均匀的对在与所述测头(12)正交的平面中的偏转力的灵敏度；

其特征在于，多个电导体(90)连接成对的固定和移动定位元件，以形成一个电路，从而当所述测头(12)从其静止位置移动时，该电路的电阻改变。

2.根据权利要求1所述的探针，其中，以测头(12)的轴线为中心，两个连续的触点之间的角距离对于每对连续的触点来说基本相等。

3.根据权利要求1所述的探针，其中，所述触点围绕以围绕所述测头(12)的轴线定中心的圆周或者闭合的曲线相互跟随。

4.根据权利要求2所述的探针，其中，所述角距离基本上等于60°。

5.根据权利要求2所述的探针，其中，所述角距离被包括在50°和70°之间。

6.根据权利要求2所述的探针，其中，所述角距离被包括在40°和80°之间。

7.根据权利要求3所述的探针，其中，跟随所述圆周或者所述闭合的曲线，所述固定定位元件(141、142、143、144、145、146)中的一部分在所述移动定位元件(131、132、133、134、135、136、231、232、233)之前，以及所述固定定位元件(141、142、143、144、145、146)中的一部分跟随所述移动定位元件。

8.根据权利要求7所述的探针，其中，跟随所述圆周或者所述闭合的曲线，所述固定定位元件根据交替的构造在所述移动定位元件之前，以及跟随所述移动定位元件。

9.根据权利要求1所述的探针，其中，所述移动定位元件包括6个销(131、132、133、134、135、136)，以及其中，所述固定定位元件包括与所述固定机构(1)结合的6个球(141、142、143、144、145、146)，其中，在静止位置，所述销中的每个触摸所述球之一。

10.根据权利要求9所述的探针，其中，相对于所述测头(12)的轴线径向地布置所述销。

11.根据权利要求9所述的探针，其中，所述销沿着三个方向平行成对地布置，基本上相互角向分离120°。

12.根据权利要求9所述的探针，其中，所述销以朝着外部汇聚的方式成对布置，其基本上为120°旋转对称的构造。

13.根据权利要求9所述的探针，其中，所述销以三对布置，其基本上为120°旋转对称的构造，每对包括两个所述销，其每个触摸所述球之一。

14.根据权利要求13所述的探针，其中，每对销各自根据相同的角触摸所述球之一。

15.根据权利要求1所述的探针，其中，所述移动定位元件包括6个球(341、342、343、344、345、346)，以及其中，所述固定定位元件包括与所述固定机构(1)结合的6个销(331、332、333、334、335、336)，其中，在静止位置，所述销中的每个触摸所述球之一。

16.根据权利要求1所述的探针，其中，所述移动定位元件包括3个块(231、232、233)，以及其中，所述固定定位元件包括与所述固定机构(1)结合的6个球(141、142、143、144、145、146)，其中，在静止位置，所述块中的每个触摸两个所述球。

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