CN101171493A - 尺寸测量探针 - Google Patents

Abstract

一种位于坐标定位设备诸如机床上的用来测量物体尺寸的探针，具有工件接触触针(20)。所述探针经由传感器机构(30)悬挂，所述传感器机构包括应变计(34)，当所述触针接触工件时，所述应变计产生输出。处理器(16)处理所述应变计的输出，以产生触发信号。产生应变信号是根据算法或者方程或者对照表来实现的，所述算法或者方程或者对照表保证沿着三个维度X、Y和Z在接近工件的所有可能方向上具有相等的敏感度。

Description

尺寸测量探针

技术领域

本发明涉及用来测量物体尺寸的探针，该探针是与具有坐标定位功能的设备结合使用的类型，所述设备诸如坐标测量设备、机床、机器人设备等等。

背景技术

传统上，当接触触针碰到物体时，一种类型的尺寸测量探针产生触发信号，该触发信号引起连接该探针的坐标定位设备记录坐标。当探针移近物体时，探针中的传感器检测触针上的轻微载荷，从而检测触针和物体之间的接触。由于实践中的原因，接触触针通常是细长杆，带有变大的端部，所以其可以触及待测物体的特征。

所述触针的杆不完全是刚性的，因为其相对来说较为细长，从而可以触及物体尽可能多的特征。因此，当承受来自垂直或者倾斜于所述杆轴线的物体接触所导致的侧向载荷时，触针杆将略微弯折，但是当承受基本上沿着所述杆轴线的接触所导致的载荷时，所述触针杆将不显著弯折。触针支撑结构也会发生弯折。而且，较之沿着触针轴线的载荷所导致的弯折而言，当从侧向给触针加载时，弯折会更大。

这种弯折的结果是引起触发信号，该信号取决于物体表面与触针杆轴线的相对位置。换句话说，根据触针杆相对于物体表面的倾斜，物体看起来似乎具有不同的尺寸，这主要由触针弯折引起，并且在较小程度上由触针支撑结构的弯折所引起。

解决该问题的一种途径是校准探针，例如，当探针由于侧向载荷而触发时，给坐标值提供校正系数，当探针由“在轴”接触所触发时，给坐标值提供不同的校正系数。这种校准需要时间和校准制造物。并不总是能提供校正系数，特别是在不知道接触力沿着哪个方向施加到触针的时候。

解决触针弯折的另一种途径让检测触针位移的传感器非常敏感。因此，在发出触发前，触针发生很小的弯折。这样做的缺陷在于，探针可能产生由设备振动或者探针迅速加速或者迟滞所导致的虚假触发信号。为了克服虚假触发，不得不用较为不敏感的传感器，虽然这将在触针初始接触物体和发出触发信号之间产生轻微的延迟。发生这种情况是因为开始时在触针上没有足够的力来产生触发信号。需要触针(和探针)和物体之间产生进一步的相对移动。这种进一步的相对移动被称为“预移动)”，并且其与上述触针杆和探针机构的弯折有关。

触针可以布置成让其因侧向载荷所引起的弯折与触针杆轴向位移相同，例如沿着所述杆定位弹性构件来模拟触针杆的侧向偏转。这种机械式解决方案带来了问题，例如触针振动和制造相对复杂。

发明内容

本发明提出了一种新的途径：

一种测量探针，通过沿着至少两个不同的接近方向接触物体来测量物体的尺寸，所述探针包括：

触针，其具有物体接触区域和基本上沿着轴线延伸的杆；

触针接触确定设备，其具有多个传感器元件，每个所述元件具有输出，用来检测触针的物体接触区域接触物体；和

处理器，其用来处理所述传感器元件的输出，其中所述传感器处理至少两个传感器元件的输出，以提供由触针的物体接触区域的预定位移所导致的物体接触触发信号，所述位移沿着每个所述接近方向基本上相同。

于是，在本发明的实施例中，类似于图2和3所示，作为物体接触的结果，发出接触触发信号，并且在任何一种情况下，仅当触针接触区域沿着其触发方向的位移为相等的量(图2中的z或者图3中的x)时，才发出触发信号，而不考虑由触针杆弯折引起的些许位移(d)。所以，当触发信号发出时，触针的位置并不取决于形成接触的方向，而是当触针尖端或者物体接触区域沿着任何方向弯折预定的量时，才发出触发信号，其中所述预定的量沿着位移的各个方向是相同的。

优选所述输出在处理器处组合。

优选来自传感器元件的输出根据算法或者方程在处理器处组合。优选所述算法或者方程是：

$G=\frac{1}{\mathrm{\α}}\{\mathrm{\Δ}{R}_1^2+\mathrm{\Δ}{R}_2^2+\mathrm{\Δ}{R}_3^2+\mathrm{\β}({\mathrm{\ΔR}}_1\mathrm{\Δ}{R}_2+\mathrm{\Δ}{R}_2\mathrm{\Δ}{R}_3+\mathrm{\Δ}{R}_3\mathrm{\Δ}{R}_1)\}$

其中ΔR₁、ΔR₂和ΔR₃表示传感器元件的输出。

可替代地，来自所述传感器的输出在处理器处处理，从而与预定数据比较。

优选所述探针包括探针主体，且优选所述处理器设置在所述探针主体内。

附图说明

参照附图，本发明的实施例将在以下段落中详细说明，其中：

图1a和1b是示意图，示出了根据本发明的测量探针，图1b是沿着图1a中的线1b-1b的截面；

图2和3示出了使用中的图1所示的测量探针；

图4和5是相应于图1a和1b的视图，但是示出了测量探针的实际示例；和

图6是探针处理器的示意性电路框图。

具体实施方式

在图1a中示出了测量探针10，该探针具有主体12，主体12连接到机床14的心轴。探针具有触针20，该触针具有触针尖端24和细长杆22，触针尖端用来接触物体，在本例中，物体是工件50(图2和3)，细长杆22沿着轴线40延伸。杆22通过应变感知传感器30连接到主体20。传感器30在图1b中以平面图示出。三根相当刚性的辐条32，每根具有应变计34，其连接到辐条上用来感知每根辐条的应变，例如当工件50和触针尖端24之间接触时。连接有处理器16来接收每个应变计的输出。

在使用中，探针10相对于工件50沿着X、Y和Z方向移动。在触针尖端24和工件50之间形成各种接触来确定工件50的尺寸。产生接触时，应变施加在传感器34上。应变计34的输出形式为阻抗的变化，并且被处理器16以下述方式进行处理，且如图6所示，从而产生触发输出信号。来自处理器16的触发信号可以用来记录机床的位置，从而确定工件50的尺寸。

图2示出了图1a和图1b中的探针和工件50。在图2中，在处理器16发出触发信号前，触针20已经纵向偏移了一定的量z。需要有力将应变传递到应变计34并因此导致触发信号。

图3也示出了图1a和图1b中的探针和工件50。在图3中，触针20已经横向偏转了距离x，从而产生触发信号。

当触点位于尖端侧部时(如图3那样)，用来产生触发信号的力将导致触针弯折。传统上，z＜x，因为触针沿着纵向比横向刚性更大。如果z＜x，则工件50沿着X(和Y)方向的表象(apparent)测量尺寸将不同于沿着Z方向的表象测量尺寸。

但是，在本实施例中，当z近似等于x时，产生触发信号。这是通过将来自处理器16内的三个应变计输出相结合来实现，以形成如下的应变计输出G：

$G=\frac{1}{\mathrm{\α}}\{\mathrm{\Δ}{R}_1^2+\mathrm{\Δ}{R}_2^2+\mathrm{\Δ}{R}_3^2+\mathrm{\β}({\mathrm{\ΔR}}_1\mathrm{\Δ}{R}_2+\mathrm{\Δ}{R}_2\mathrm{\Δ}{R}_3+\mathrm{\Δ}{R}_3\mathrm{\Δ}{R}_1)\}$

其中α是正则化(normalisation)/定标(scaling)系数，ΔR₁、ΔR₂和ΔR₃表示三个应变计34的阻抗变化，而β是取决于传感器30结构的应变特性和触针20应变特性的另一系数。

上述方程背后的原理在于，每个应变计的输出可以分解为纯粹来自沿着轴线40作用的接触力分量的分量和纯粹来自垂直于该轴线作用的接触力分量的分量。应变计输出的这些分量然后组合并被处理，以给出沿着X和Y方向的敏感度，与沿着Z方向的敏感度相比。这种处理的结果是：由沿着Z方向(如图2所示)的接触所产生的物体检测可能敏感性降低，使得当接触的类型如图3所示时，需要更大的力来产生触发信号。因此，可以让距离z和x相等或者基本上或者近似相等，而不管x偏转具有来自弯折的触针杆22的分量。相同但是相对的效果也发生在x和z之间的所有方向上。这使得接触信号触发输出独立于接触方向。因此，触针尖端沿着任何方向相对于触针的预定移动都产生触发信号输出。

处理器16优选包括模拟电路组合。处理器16以已知方式配置有模块16A，该模块根据上述方程实时计算G。该处理器还包括模块16B，其配置成当G的值超过预定阈值时，产生触发输出。处理器16的这种电路可以实施为专用集成电路(ASIC)。

但是，可替代地，处理器16可以实施为数字形式，带有适当编程的数字算法单元。应变计的输出可以用模数转换器转换为数字信号。处理器16可以包括程序模块，其相应于模块16A和16B。上述方程可以保持在处理器16内的非易失性存储器中，则该处理器可以持续检测并处理应变计的输出。

可替代地，处理器16可以实时将应变计输出与数据表比较。如果比较值指出应变计的输出正在指示触发条件，则产生触发信号输出。在实践中，这可以通过例如为每个应变计使用模数转换器来实现，所述转换器的输出形成连接到数据表存储器的地址总线。可以使用来自存储器的“0”(无触发)或者“1”(触发)输出。

α和β值在给定测量过程中通常保持不变。但是，可以向它们施加小改变，例如来提供更低的振动敏感度，或者用来检测探测方向(Z相对于X、Y)。触针长度变化可以通过改变β值来适应，或者如果使用数据表的话，对于不同的触针有不同的表。用于所述表的数据可以预编程或者通过训练触针来“教导”，并且教导探针在特定偏转时触发。数据之间的间隔可以用网格算法来填充。处理器16可以远离探针，例如位于探针和该探针所连接的设备之间的接口上。

上述方程假设应变计34关于轴线Z对称，但是利用改动，类似的方程可以用于具有两个或者更多个感知元件的传感器30的其他配置。

传感器30示出具有沿着轴线Z径向延伸的应变计。但是，传感器不是必须使用应变计，且感知元件也不是必须径向延伸。例如，感知元件可以是类似LVDT的位移传感器、线性编码器或者电容传感器。它们的布置可以沿着轴向或者位于允许感知触针接触的任何位置。

实际的探针机械布置通过示例如图4和5所示。应该理解，其他布置也是可行的。为清晰起见，图4中的探针示出是沿着图5中的4-4所示截面切开的截面图。该截面并不完全平坦，而是包括彼此成120°的两个平面。

示出了尺寸测量探针110，其可以经由凸台112连接到设备115。该设备通常是可以确定探针在xy和z平面内坐标的设备。

所述探针具有触针114，该触针包括尖端116，用来与工件或者其他待测制造物150接触。所述探针被该设备相对于制造物150移动，且触针尖端与制造物150的接触由探针110内的机构感知。所述探针产生触发信号，该信号发送到所述设备，从而确定所述探针的坐标。以此方式，可以获得所述制造物表面的坐标。

探针110包括主体118、电路板120、弹簧盒122、压缩弹簧124、触针114的上构件126和应变感知元件130。电路板120包含上述关于图1-3和图6讨论的处理器16。其他布置当然也是可行的，例如挠性电路板可以呈圆柱形围绕探针的机械部件。

在操作中，沿着x、y和z方向或者这些方向的组合，向触针尖端施加力。所述力导致传感器元件130的径向延伸臂132相对于主体118弯曲，所述传感器元件固定到所述主体118的中部137。沿着x或者y方向过度的力，或者沿着z方向将触针从探针主体拉开，将导致传感器元件130和主体118之间的间隙128闭合。于是，传感器元件130上无法产生过度的应变。触针上额外的力导致弹簧124压缩，使得触针上构件或者触针保持器126和传感器元件130之间的连接抵抗压缩弹簧124的力而断开。取消所述额外的力将允许触针重新抵靠传感器元件130。该上构件126和传感器元件130之间的接触呈现动态定位形式，所述动态定位具有总共六个接触点。在本例中，所述动态定位由传感器上的三个球131形成，每个球嵌在构件126上的一对辊子127之间。于是，具有优势的是，如果过度的力施加在触针上，可以重新抵靠在可重复抵靠的位置上。但是，非动态定位也是可行的。

图5更为详细地示出了传感器元件130。所述元件130例如生产成一个车削金属件。在使用中，附着到元件130表面的三个球131中的每一个都具有施加于其上的力。当触针尖端116接触工件时，施加到球上的力发生变化。这反过来又导致在径向臂132内感生出应变。半导体应变计133固紧到每条臂132。如果所述臂内的应变发生变化，则每个应变计产生输出的变化。于是，可以检测到触针与制造物150接触。

图中示出了三条径向延伸的臂132，当然也可以采用其他数目的臂。探针的进一步或者替代细节在国际专利申请No.PCT/GB2006/001095中示出，其通过引用包含在此。

Claims (7)

1.一种测量探针，通过沿着至少两个不同的接近方向接触物体来测量物体的尺寸，所述探针包括：

触针，其具有物体接触区域和基本上沿着轴线延伸的杆；

触针接触确定设备，其具有多个传感器元件，每个所述元件具有输出，用来检测所述触针的所述物体接触区域接触物体；和

处理器，其用来处理所述传感器元件的输出，其中所述传感器处理至少两个传感器元件的输出，以提供由所述触针的所述物体接触区域的预定位移所导致的物体接触触发信号，所述位移沿着每个所述接近方向基本上相同。

2.如权利要求1所述的测量探针，其特征在于，所述传感器元件的输出在所述处理器中组合。

3.如权利要求2所述的测量探针，其特征在于，所述处理器根据算法或者方程来组合所述传感器元件的输出。

4.如权利要求3所述的测量探针，其特征在于，所述算法或者方程是：

$G=\frac{1}{\mathrm{\α}}\{\mathrm{\Δ}{R}_1^2+\mathrm{\Δ}{R}_2^2+\mathrm{\Δ}{R}_3^2+\mathrm{\β}({\mathrm{\ΔR}}_1\mathrm{\Δ}{R}_2+\mathrm{\Δ}{R}_2\mathrm{\Δ}{R}_3+\mathrm{\Δ}{R}_3\mathrm{\Δ}{R}_1)\}$

其中ΔR₁、ΔR₂和ΔR₃表示所述传感器元件的输出。

5.如权利要求2所述的测量探针，其特征在于，所述处理器将所述传感器的输出与对照表中的预定数据相比较。

6.如前述权利要求任意一项所述的测量探针，其特征在于，所述传感器元件是应变计。

7.如前述权利要求任意一项所述的测量探针，包括探针主体，所述传感器设置在所述探针主体内。

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