CN100455979C - 接触式探针 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种接触式探针，包括：容纳第一定位件的探针壳体；具有第二定位件的触针架，该第二定位件和上述第一定位件相配合，以将所述触针架定位在上述探针壳体内；和偏压件，用于使上述第一定位件和第二定位件相接触，从而所述触针架被偏压到中立位置里，其中，设置插件，用以通过抵抗上述偏压件的偏压作用而减缓所述触针架返回到所述中立位置的运动，所述插件可滑动地容纳在所述探针壳体里的槽和所述触针架里的槽中的至少一个槽里。

Description

接触式探针

本申请是中国专利申请03821790.2的分案申请。

技术领域

本发明涉及接触式探针。

背景技术

众所周知，接触式探针在其内的底座上安装有触针(stylus)，该触针被偏压到上述底座上。当该触针接触到表面时，通过探针和表面的相对运动，在偏压作用下从底座上被偏转，并且这种运动产生一个信号，该信号被传送到机器，因而该机器可记录上述探针/表面的瞬时位置。

上述表面可以属于被测量尺寸的工件，或者属于一种工具，该工具用于加工工件因而可进行调节以防工具磨损，从而可以进行加工循环。

为了进行精确测量，上述触针需要设置在探针内的可往复位置上，即所谓中立位置(neutral position)上。这可以通过将上述触针支撑在动态座(kinematic seat)上来完成。US4,153,998中记载了这种动态座的例子，其中触针由三只径向延伸臂所支撑，这些臂环绕上述触针的轴线，彼此相隔120°。上述臂还被支撑在紧密间隔的成对滚珠所形成的V形凹口上，这些滚珠固定在探针上。弹簧将上述臂偏压到V形凹口内。上述滚珠和臂形成电路的一部分，当触针偏转时，该电路就断开。在另一种测量方法中，不使用上述动态座自身来检测偏转，而是设置应变计来检测从上述中立位置处的运动。这在US4,462,162中有所记载。如果上述探针触针偏转并被立即释放，例如在触针碰到表面的过程中或者可能在手动移动上述探针的过程中，当触针被弹簧偏压回设定位置时，触针相对探针的运动会引起上述动态座的冲击载荷。这就会使检测电路的易碎元件受损。

发明内容

根据本发明，提供有一种接触式探针，包括：

容纳第一定位件的探针壳体；

具有第二定位件的触针架，该第二定位件和上述第一定位件相配合，以将所述触针架定位在上述探针壳体内；和

偏压件，用于使上述第一定位件和第二定位件相接触，从而所述触针架被偏压到中立位置里，

其中，设置插件，用以通过抵抗上述偏压件的偏压作用而减缓所述触针架返回到所述中立位置的运动，所述插件可滑动地容纳在所述探针壳体里的槽和所述触针架里的槽中的至少一个槽里。

优选的，每一第一定位件均包括一对带有V形座的滚珠，每一第二定位件均包括将触针支撑在上述座上的辊。

在优选实施例中，上述元件可以放缓上述第一和第二定位件之间的相对运动。

可替换的，上述元件可吸收上述探针壳体和触针架之间相对运动产生的能量。一个例子是，上述元件可由具有滞后性能的材料构成，例如橡胶。

附图说明

下面参考附图，通过实施例叙述本发明，其中：

图1是本发明中探针的截面图，

图2是图1中的线II-II所示已装配探针的截面图，

图3是本发明中具有另一插件的探针的截面图，

图4是本发明中另一探针的截面图，

图5是本发明中插件的截面图。

具体实施方式

图1和3示出了具有优选由钢制成的外壳体12的探针10，该外壳体具有径向向内的环形凸缘14。在该壳体12内设置有可和触针(未示出)相连的触针架16。

上述触针架16从壳体12突出，经由用以连接触针、且在探针与工件或工具之间产生相对运动时接触工件或工具的开口20。

在凸缘14内设置有六个槽22，这些槽在背朝开口20的方向上开口。上述槽成对设置，每对环绕上述探针的纵轴线18A相互间隔120°。这些槽用于容纳滚珠23，且可以为任何合适的形式，例如圆锥或者三角形，当滚珠容纳在这些槽内时，它们被保持在一个稳定位置，被动态支撑。每对槽内的滚珠间隔使得它们可由触针架16承载的辊24所桥接，并为其形成稳定的底座。

这些辊24环绕轴线18A间隔120°地固定在触针架中的孔26内，上述孔开始时可和塑料插件28并排设置，该插件沿长度方向裂开，上述辊被压入其内。

上述滚珠通过硬质塑料制的开放式圆柱插头30，均被夹紧定位在各自的槽内。在其开口端的环形表面内，该插头具有六个适当间隔的槽32，在已装配的探针中，固定有上述滚珠。而且在其开口端，插头30形成有三个细长槽34，当触针架倾斜并且受到作用于触针端部的力而垂直移动时作为辊24的导向件。

上述触针架被偏压在一个中立位置，当在触针上没有力作用时，通过弹簧36在轴线18A的方向上产生一个力，使上述辊进入滚珠23之间形成的底座内。

为了使探针在触针因倾斜或者垂直运动而被偏转时产生信号，上述滚珠被导电地串连连接，上述辊和每对滚珠相接触从而形成电路。

上述滚珠由硬质导电材料构成，例如钢或碳化钨，因此它们彼此和外壳12相绝缘，其中它们在上述槽22内和上述外壳相接触。这通过利用一个薄的双层导电柔性件40来实现(参考图2)。第一层42由绝缘材料形成，第二层44为部分环形，且由导电材料形成。

当组装探针时，上述薄的环形件被设置在环形凸缘14上，其绝缘一侧和槽22的导电区域相接触。两个插针46接触上述滚珠、辊和薄柔性件形成的电路的相对两端，在它们的远端，能够从探针外界和上述电路相接。上述滚珠被容纳在凸缘14的槽22内和上述插头的槽32内。上述滚珠通过上述薄的柔性件40和上述凸缘电绝缘。该薄的柔性件40通过动态定位的滚珠而变形。在EP0967455中记载了这种柔性件的不同实施例。

下面参考图1，上述插头30具有向下延伸的、且位于弹簧36内侧的中央部31。该中央部31具有槽33，塑料插件35的一端可滑动地容纳在其内。而该插件35的另一端在从壳体的开口20突出的触针架的远端，设置在触针架16的槽17内。插件35的每一端均具有凸缘，该凸缘具有和上述容纳插件的槽大致相同的直径。上述触针架16内的槽17具有唇缘19，以防插件35从触针槽17内脱出。

在触针偏转过程中，触针架16朝向上述弹簧36移动，将插件35推压到插头30的槽33内(并推到触针槽17内，但深度小一些)。当去掉力时，弹簧36将触针架16压回中立位置。插件35抵抗弹簧36的作用，放缓触针架返回到其中立位置的过程，从而在此时使薄的柔性件40免于受损。

插件35每一端上的凸缘可与插件的余下部分整体的形成，例如从粘接在插件上的塑料裙部整体形成。该插件可由任何合适的塑料形成，例如聚丙烯，在触针偏转的过程中足够柔韧，以在上述槽内滑动，但是仍具有足够刚度，以致在触针架返回中立位置的过程中，上述凸缘不会过度变形或被磨损。上述凸缘在每一槽17、33中都形成密封。如果密封形成后从每一凸缘的周围不能渗出液体，就会妨碍弹簧36将触针架返回到中立位置。因此上述凸缘可如此形成使得在环绕周围的区域内设置有渗出带，或者设置一个或多个渗出孔37。优选使用这些渗出孔，从而可以更加精确地控制流体流动。

下面参考图3，示出了具有另一个插件50的探针10。插件50由具有滞后性能的材料制成，这里为氟烃橡胶。具有大侧链的橡胶比具有小侧链的橡胶能量损耗更大。插件50在一端部分容纳在插头30的槽33内。在另一端上形成有凸头52，该凸头在触针架处于中立位置时，刚好接触到触针架16。这就保证插件50基本上并不影响动态定位，并在启动触针时具有最大的能量吸收性能。

在触针(未示出)偏转过程中，触针架在垂直方向上倾斜和/或移动。插件50因该运动而被按压，从而吸收能量。插件50因由橡胶制成所以具有滞后性能，即橡胶的压缩相比随后的释放会消耗更多的能量(二者差值主要转化为热量)。在橡胶内使用填料能够提高这种性能。碳粉就是一种合适的填料，能够将一部分的剩余压缩能量转化为热量，这是因为橡胶压缩导致在不同碳粉颗粒之间产生摩擦从而生热。碳粉的合适量在10-120pph(百分率：parts per hundred)，优选为20-100pph。橡胶插件50的压缩吸收能量，否则该能量将会压缩弹簧36。这就意味着在弹簧将触针架16返回中立位置时，动能将减小。当插件50将大部分从系统中释放的能量转化为热量(作为损耗)时，其仅贡献了一小部分能量用以将触针架返回中立位置，因此就减小了滚珠23上辊24和柔性件40上的冲击。一些橡胶材料具有另外的优点，它们以低速从压缩过程中恢复，因此，对于释放弹簧并将触针架返回中立位置的效果而言，这种能量释放的贡献是最小的，如果有的话。Sorbothane就是这种橡胶中的一个例子。这不仅会减轻探针部件的正常磨损和破碎，还可以防止在异常情况下受损，例如触针撞到物体上。

在上述橡胶内可以添加多种填料或者其他材料，来提高元件的阻尼性能。

在偏转过程中插件产生的热量并不足以导致上述动态定位或探针或触针的热成畸变。可在探针空腔内使用油等散热剂，以使这样的危险降为最小，并且还具有额外的优点，即由于油的粘性大于空气，所以就有助于上述缓冲过程。

插件50也可由橡胶滚珠替换。为了将上述滚珠正确定位，需要改变插头30的向下延伸部31的几何形状。

可替换地，上述插件也可由没有明显滞后性能的可压缩材料制成，利用碳等填料从系统中释放能量(插件产生耗损)。碳的合适量为压缩材料的10-120pph，优选为20-100pph。

上述插件或者滚珠50在所有时间内都不必接触上述触针架。这就保证上述动态定位不会被上述阻尼装置所影响。在插件和触针架之间甚至有间隙，对应于特定探针的正常偏转尺寸，因此仅在异常情况下才使用上述阻尼性能。在特定插件被压缩之前而不能吸收能量时，这就会减小插件的效力，还要求该插件要牢固地固定在上述槽内，以防止在探针正常使用过程中脱落。

本领域技术人员可以理解，多种不同的材料均具有滞后性能，吸收能量的比例是所使用材料和添加剂以及使用条件的函数。因此插件可被定制为用于特定的情况下，而不是已知材料的性能用途。

图4是具有外壳52的另一种探针50的截面图。触针架54由三个臂56动态地定位在上述探针内，每个臂均具有V形槽57。每一V形槽57均部分地容纳三个滚珠58中的一个，这些滚珠安装在中心凸台62的外环部上。触针架54由滚珠58上的这三个臂56所支撑。厚度减小的三个腹板64将上述外环部60连接到上述中心凸台62。该中心凸台62被刚性连接到上述探针外壳52上。在每一个腹板64上均设置有一个应变计66。通过弹簧68，上述臂56的V形槽被偏压和上述滚珠58相接触，弹簧被塑料插头70限定在探针外壳52内的位置上。在弹簧68内设置有阻尼插件76，插件的第一端处于塑料插头70的向下延伸部72内的槽74中，而另一端在触针架54的槽78内。

当触针偏转时，在弹簧68作用下上述触针架54在探针外壳52内移动。当上述外环部60上载荷的任何变化使薄腹板64产生弯曲时，上述应变计66就会检测到这种运动。上述每一腹板64都靠近滚珠58，从而使应变计对于倾斜运动更加灵敏。应变计66的信号经由两个插针79传送回设备控制器或者设备接口，这些插针和上述应变计电路连接。

为了使上述插针尽可能地灵敏和精确，上述腹板64就要尽可能地薄和窄。但是由于腹板64的截面减小，外环部60相对于中心凸台62的运动被放大，就会导致上述应变计受损。当进行高速测量时或者探针撞到表面上时，都会增大这种受损的可能性。

为了减小应变计受损的可能性，可以利用塑料插件76形式的阻尼装置，用来放缓上述触针架54返回到其中立位置或者动态定位位置的运动。上述插件在每一端都具有三角形轮廓的凸缘，从而使得当触针偏转而弹簧68被压缩时，上述凸缘易于运动到各自的槽74、78等内。但是当去掉偏转力而朝向中立位置的弹簧偏压返回时，上述插件76的凸缘就会阻挡这种返回运动，从而导致弹簧作用返回中立位置的力和速度的减小。因此如果触针(以及触针架)产生较大偏转或者较大的力冲击，就能够减小上述弹簧使触针架返回其中立位置的效力。

图5是本发明中另一插件90的截面图。该插件90的第一端92可滑动地容纳在塑料插头80的向下延伸部82内的槽84中，该插头80在使用中将容纳在探针(未示出)内。该插件90的第一端92具有一个凸缘，该凸缘相对于上述槽84，阻碍着上述插件的向下动作。插件90的第二端为滚珠94。该滚珠94容纳在上述滚珠触针架88的滚珠腔96内，因此能够使其相对于空腔进行旋转运动。

在上述一个物体相对另一个物体的动态定位时，可优选地，将上述动态接头两部分之间的摩擦减为最小。这就意味着并不沿探针纵向轴线作用的力应该被减为最小。在上述插件的一端上使用球节可以使触针架在垂直于上述探针轴线的平面上相对探针可以进行更加平滑的运动。这就不仅有助于动态接头的往复性(repeatability)，而且还可以减小偏离轴线运动的阻力例如倾斜上述探针腔内的触针架，因而有助于探针的灵敏性。

这种探针内的插件是探针和触针类型以及它们特征量的函数。一些触针被设计成主要在x、y平面接触，举例来说，在方形或盘形触针上。在这种情况下，触针偏转基本在xy平面内进行，在探针内z向所需的超行程量就受到限制。此时就可以应用上述吸收能量的插件或者利用能够控制返回设定位置运动的插件。

超行程是上述探针内的空间，在其中，触针架可在接触上述探针内侧部分之前沿z向移动。对于可能沿某一方向偏转的触针架来说，例如星形或球形或者在高速扫描的情况下，需要更大的超行程量来保护探针免于受损。相比减小了超行程量的探针，这就在正在进行的偏转过程和探针停止动作的过程之间增加了更多的时间。在这些情况下，控制这种返回运动的上述插件就会更加适合。

这里在上面叙述的动态定位元件均为优选实施例。也可以利用其他的形式。H Braddick和Hall Ltd (London 1960)的“实验室设备的机械设计”一文中就给出了一些实例。

当加工物体或者使用机器人时，上述探针可用于扫描或测量物体，以便再现(坐标测量机CMM)或测量以检测加工过程的精确性(CMM或机床)或工具调整以防工具磨损。因此，上述探针可为相对于物体安装的可移动轴，或者为相对于物体固定安装的机床，或者安装在臂上，该臂可以在上述设备(例如车床)内的工作空间中移动定位。

Claims (15)

1.一种接触式探针(10，50)，包括：

容纳第一定位件(23，58)的探针壳体(12，52)；

具有第二定位件(24，57)的触针架(16，54)，该第二定位件和上述第一定位件相配合，以将所述触针架定位在上述探针壳体内；和

偏压件(36，68，86)，用于使上述第一定位件和第二定位件相接触，从而所述触针架被偏压到中立位置里，

其中，设置插件(35，76，90)，用以通过抵抗上述偏压件的偏压作用而减缓所述触针架(16，54)返回到所述中立位置的运动，所述插件可滑动地容纳在所述探针壳体里的槽和所述触针架里的槽中的至少一个槽里。

2.如权利要求1所述的接触式探针，其特征在于，所述触针架包括所述插件的一个端部可滑动地安装在其中的槽。

3.如权利要求1所述的接触式探针，其特征在于，所述探针壳体包括所述插件的一个端部可滑动地安装在其中的槽。

4.如权利要求1所述的接触式探针，其特征在于，所述触针架和所述探针壳体中的每个都包括槽，所述插件的一个端部可滑动地安装在所述探针壳体的槽里，而所述插件的另一个端部可滑动地安装在所述触针架的槽里。

5.如权利要求1所述的接触式探针，其特征在于，所述插件的第一端部包括凸缘。

6.如权利要求5所述的接触式探针，其特征在于，所述插件的第二端部包括滚珠。

7.如权利要求1所述的接触式探针，其特征在于，所述插件的两个端部包括凸缘。

8.如权利要求1所述的接触式探针，其特征在于，所述插件包括凸缘，所述凸缘形成为使得围绕所述凸缘的周围设置有渗出带。

9.如权利要求1所述的接触式探针，其特征在于，所述插件包括凸缘，所述凸缘包括一个或多个渗出孔。

10.如权利要求1所述的接触式探针，其特征在于，所述插件包括三角形轮廓的凸缘。

11.如权利要求1所述的接触式探针，其特征在于，所述偏压件包括弹簧，所述插件位于该弹簧内。

12.如权利要求1所述的接触式探针，其特征在于，所述插件包括塑料材料。

13.如权利要求1所述的接触式探针，其特征在于，所述探针壳体包含油。

14.如权利要求1所述的接触式探针，其特征在于，所述探针壳体包含空气。

15.如权利要求1所述的接触式探针，其特征在于，所述插件吸收上述探针壳体和触针架之间、沿着所述探针壳体的纵向轴线的任何相对运动所产生的能量。

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