CN101443627B - 接触传感探头 - Google Patents

Abstract

一种接触传感探头，其具有触针(6)，所述触针通过压电传感器(8)纵向振动。根据振动阻尼检测与工件的接触。触针通过平行的膜片弹簧(14，16)安装在探头主体(4)上。这些构件与计数器块(24)配合形成机械低通过滤器，其使得触针振动与由探头主体的安装或者握持导致的影响相隔离。

Description

接触传感探头

技术领域

本发明涉及一种接触传感或者“触碰”探头，所述探头具有触针，该触针在使用中振动。具体地，本发明涉及一种探头，其用在坐标定位装置上，所述坐标定位装置例如为便携式关节测量臂、坐标定位机器(CMM)、机床及类似装置。

背景技术

接触传感探头是已知的。英国专利文献GB2006435公开了一种具有接触元件(例如触针)和用于振动探头的压电传感器的触碰探头。这种探头的触针具有对应于一个或者多个不同振动模式的一个或者多个固有振动频率。当传感器以一定的振动频率或者振动模式被驱动时发生机械共振。还设置传感电路，其通过感测电信号的参数变化来检测接触元件与物体的接合，所述电信号被提供到压电传感器或者由压电传感器产生。

美国专利文献NO.5,247,751公开了另一种触碰探头装置。该文献公开的装置还包括传感器，RF信号施加到该传感器以使得所连接的触针在其共振频率上发生超声振动。监控供应到压电传感器的电信号的变化，其显示触针已经接触物体。

但是，本发明的发明人的研究已经显示，触针的共振可被一些因素影响，例如触针安装在探头上的方式，或者探头安装在CMM或者其他坐标定位机上的方式。在手动操作的CMM的情况下，它甚至可以受到操作者手握系统的方式的影响。这可明显改变触针的振动，导致错误感测触针和物体之间的接触的可能性。

发明内容

根据本发明，提供一种接触传感探头，其包括：探头主体；物体接触触针，其安装在所述探头主体中；传感器，其与所述触针机械连接，以便使所述触针振动；在所述探头主体和所述触针之间串联连接的块和至少一个柔性构件，所述块连接在所述触针和所述柔性构件之间，所述块和所述柔性构件被布置成形成用于使得所述触针振动与所述探头主体机械隔离的装置。

优选的是，用于使得所述触针振动与所述探头主体机械隔离的装置形成机械低通过滤器。用于使得所述触针振动与所述探头主体机械隔离的装置可安装在探头主体和换能器或者触针之间。其可以包括一个或者多个(优选为两个)柔性膜片，以及一个质量块。所述膜片的柔性和所述块的尺寸可以被设置成提供所述隔离。

优选的是所述换能器包括一个或者多个压电元件。优选的是，所述传感器使得所述触针纵向振动(即，沿着触针轴向的压缩波)。

提供一种坐标定位机器，包括根据本发明的接触传感探头。该坐标定位机器可以是手动测量机器(例如专利文献EP0730210中所描述类型的关节臂)、机动CMM或者机床。

附图说明

现在将借助示例并参照附图来描述本发明，其中：

图1示出了根据本发明的探头的截面图；

图2为表示探头的机械系统的理想化的示意图；

图3和4示出了类似的表示探头的机械系统的理想化的示意图，其接合有安装探头的CMM；

图5示出了图1所示截面的详细视图；

图6示出了可任选地与探头一起使用的触针的截面图；以及

图7和8是可以用在探头中的膜片弹簧的平面图。

具体实施方式

参照图1和5，其示出了根据本发明的探头2。

该探头2包括探头主体4，探头主体4适于安装在坐标定位机器上。在该实施例中，探头2是手动扫描探头，其适于安装在便携式关节测量臂上。该探头2包括可释放地安装的触针6和压电堆叠8形式的传感器，该传感器由驱动电路10驱动。该设置允许触针6在所需要的频率上发生纵向振动。

压电堆叠8还用作传感器，用于检测触针的尖端20与待测量的物体的接触。当接触发生时，其导致振动变化，该变化通过监测压电堆叠的电信号而被检测。

压电堆叠8、相关的驱动电路10、探头的感测和其他方面在本申请人的共有待审的国际PCT专利申请中更详细地进行了描述，该PCT申请与0685/WO和0686/WO(分别对应于英国专利申请0609022.9和0608999.9并要求其优先权)。这些申请的内容通过引用并入本文。

壳体12设置在探头主体4内，壳体12具有前柔性膜片弹簧14和后柔性膜片弹簧16。壳体12和探头主体4被设置成经由膜片14，16与压电堆叠8机械隔离。压电堆叠8通过螺栓18夹设在触针保持器22和计数器块24之间，螺栓18穿过后部膜片16中的开孔。触针保持器22穿过形成在前部膜片14中的开孔，触针6可释放地拧入该保持器中。触针6、压电堆叠8、触针保持器22、块24和螺栓18因此形成组件。膜片14和16将触针6(通过这个组件直接或者间接)连接到壳体12和探头主体14上。在后面的权利要求书中，术语“连接“指的是直接连接或者间接连接。

通过这种方式，该装置的振动部分可以与静止的探头主体机械隔离。压电堆叠8的快速膨胀和收缩可因此转换成触针的压缩波形式的纵向振动，而仅产生最小程度的探头主体振动。

下面更详细描述机械隔离。

参照图2，将探头/触针系统考虑为简化的块和弹簧。块的m_s表示触针尖端的等效质量，弹簧的k_s表示触针的等效轴向刚度，阻尼器的c_s表示系统的触针部分的等效阻尼。在理想情况下，探头主体接地，在图中表示为30。

不幸的是，压电元件并没有严格地接地，甚至在最简单的系统中将必须安装在探头主体之外，而探头主体本身没有严格地接地。探头主体本身安装在CMM上，CMM不是刚性的，也表示为块和弹簧阻尼器系统，如图3所示。这里，m_m表示探头主体和CMM支座的等效质量；c_m表示CMM结构的等效阻尼；k_m表示CMM结构的等效刚度。

应当注意，c_m和k_m都取决于探头的安装。在手动CMM的情况下，它们还取决于操作者握持系统的方式。因此，m_m、c_m、k_m系统可具有与触针振动频率类似的固有频率。在这种情况下，将明显改变触针的振动，导致由于探头的安装或者握持方式而错误触发的可能性。

该问题可以通过下述方式避免：插入机械式低通过滤器以提供压电动作元件和探头主体之间的机械隔离。这可具有明显低于触针振动频率的固定频率。通过适当放置的过滤器，探头可以安装，使得整个结构具有与触针振动相同的固有频率(尽管这是不可能的)，非常少的能量可以沿任一方向通过过滤器。触针的振动可因此对探头主体具有很小的影响，反之亦然，消除了由于安装或者处理而错误触发的可能性。

图4示意性示出了这种设置。膜片弹簧形成柔性构件。低通过滤器包括计数器块24，表示为m_c；安装膜片14和16的等效阻尼c_c；以及安装的膜片14和16的等效刚度k_c。

因此，计数块24的质量和膜片14和16的柔性被选择为形成低通过滤器并实现机械隔离。

应当注意，膜片14和16沿着触针的轴线是最具柔性的。这是系统工作的振动模式，并因此是必须与主体隔离的最重要的模式。这也意味着探头在该轴线的横向方向上基本上是刚性的，这是有利的，因为这意味这探头在这个平面上不会明显弯曲。这在手动CMM中是最重要的，因为这是操作者施加最大力矩(因此和最大弯曲力)到探头上的方向。选择沿着探头轴线的振动模式因此意味着探头可与主体隔离，并且当操作者在触针上施加较大横向力时保持刚性。在触针振动方向，膜片的直径和厚度被选择成使得当考虑计数器块24的尺寸时，该系统的固有频率低于触针振动的可能最小频率。这使得膜片成为有效的低通过滤器，用于沿着触针的纵向方向上的轴向振动。

该低通过滤器的频率在触针沿着其轴向的固有频率的调谐点上设置下限。低于过滤器频率的调谐点会使得探头在被握持时被错误触发。触针固有频率的上限由探头的振动部分内其他部件的最低固有频率来设定。例如，计数器块24可具有大约60kHz的板弯曲模式。如果这被选择为调谐点，则探头将会完全不敏感，因为触针尖端几乎不移动。

调谐频率的上限对于短触针产生了问题，特别是那些具有小(低质量)尖端的触针，其可在这个点之外具有第一模式。这可通过对尖端添加额外的运动质量而不增加轴向刚度来可克服，如图6所示。“小块”32添加到中空触针6的内部，该小块仅安装在触针的尖端。这可使得固有频率位于所需的范围内。

对于柔性膜14和16可采用完整的盘，如图7所示。这里，附图标记40表示用于将膜片安装到壳体12和压电堆叠8上的部件。

通过该完整的盘，有利的是，壳体12上各个膜片的安装点之间的间隔与压电堆叠8上相应的膜片安装点之间的间隔相同。如果在这些距离之间存在明显差异，那么一个或者两个膜片需要在组装过程中变成凹陷形状。对于完整的圆盘，该凹陷过程非常难以控制并且可能会导致组件的振动特性的明显变化。不利的振动特性可导致“分裂模式”，其中存在两个共振在所关注的振动模式附近，减小了探头敏感性。它甚至可能导致上述共有待审国际PCT申请中描述的调谐算法的失效。

为了克服该问题，膜片之一可以制成使得凹陷过程更容易控制。如图8所示，该膜片具有辐条形状，在盘上具有径向延伸的指部42。通过凹陷过程导致的周边变形可因此被消除。仅仅膜片之一需要被制成这种辐条模式。

当辐条膜片被使用时，吸收了外壳安装带之间的距离和压电堆叠安装点之间的距离的任何差异。这些差异通常通过制造误差而加大，特别相对于压电元件本身。

辐条膜片由于其性质使得其比完整的盘状膜片更具柔性，特别是在盘的平面之外。因此，优选的是，辐条膜片用作压电堆叠的计数器块端部的柔性膜片16，而不用作触针端部的膜片14。该堆叠的触针端部最接近与所关注的振动模式下的零运动点，因此该振动模式的更具刚度的膜片在该点影响更小。因此，在该更具刚性的膜片中的制造误差和其安装对振动模式的影响明显更小。这也意味着堆叠和壳体组件可以更可靠地制造。

尽管上述例子描述了手动定位臂的探头的使用，但是应当理解，这种探头可以用于任何类型的测量机器上。例如，这里描述的类型的探头可以用在任何手动测量机器、机动CMM或者机床上。实际上，这种探头可以有利地用在需要低压力接触感测时。如果使用机动系统，则探头还可包括超程机构(over-travel mechanism)(例如，被动运动底座)，其反复回到给定位置和方位，以便在接触感测期间防止被损坏。

在这种机器上使用探头的一种方法与触碰触发探头相同。当触针接触工件表面时，振动受到阻挡，传感电路发出触发信号。

下面描述一种替代的使用方法。使用安装在上面描述的任何类型的坐标定位机上的所述接触传感探头扫描工件表面。通过触针尖端沿着与触针的纵向轴线垂直的方向接触工件表面。然后用触针扫描工件表面，同时保持表面和工件在横向方向的接触。传感电路从触针的振动的阻尼中检测接触是否在扫描期间被继续保持。当确定所述接触继续保持时，坐标定位机使得可以对工件表面进行连续的坐标读取。

这个方法利用了这样的事实，即触针的安装在横向方向上是刚性的。因此，作为与工件表面横向接触力的结果，探头和触针产生稍微的变形。作为结果，可以进行准确的测量。

触针通过膜片在与纵向垂直的两个正交方向上的安装是刚性的，因此探头对于扫描具有复杂形状的三维工件很有用。

Claims (13)

1.一种接触传感探头，其包括：

探头主体；

物体接触触针，其安装在所述探头主体中；

传感器，其与所述触针机械连接，以便使所述触针振动；以及

在所述探头主体和所述触针之间串联连接的块和至少一个柔性构件，所述块连接在所述触针和所述柔性构件之间，所述块和所述柔性构件被布置成形成用于使得所述触针振动与所述探头主体机械隔离的装置。

2.根据权利要求1所述的接触传感探头，其特征在于，用于使得所述触针振动与所述探头主体机械隔离的装置形成机械低通过滤器。

3.根据权利要求1或者2所述的接触传感探头，其特征在于，所述传感器安装在所述块与所述触针之间。

4.根据权利要求1或2所述的接触传感探头，其特征在于，所述柔性构件包括膜片弹簧。

5.根据权利要求1或2所述的接触传感探头，其特征在于，所述柔性构件包括柔性膜片。

6.根据权利要求5所述的接触传感探头，其特征在于，在所述触针和所述探头主体之间连接有两个柔性膜片。

7.根据权利要求1或2所述的接触传感探头，其特征在于，所述触针的物体接触尖端安装有额外的质量块。

8.根据权利要求1或2所述的接触传感探头，其特征在于，所述传感器包括一个或者多个压电元件。

9.根据权利要求1或2所述的接触传感探头，其特征在于，所述传感器使得所述触针纵向振动。

10.根据权利要求9所述的接触传感探头，其特征在于，用于使得所述触针振动与所述探头主体机械隔离的装置在与所述触针的纵向方向垂直的方向上是刚性的。

11.一种坐标定位机器，包括接触传感探头，所述接触传感探头包括：

探头主体；

物体接触触针，其安装在所述探头主体中；

传感器，其与所述触针机械连接，以便使所述触针振动；以及

在所述探头主体和所述触针之间串联连接的块和至少一个柔性构件，所述块连接在所述触针和所述柔性构件之间，所述块和所述柔性构件被布置成形成用于使得所述触针振动与所述探头主体机械隔离的装置。

12.一种使用安装在坐标定位机器中的接触传感探头扫描工件表面的方法，所述探头包括：探头主体；物体接触触针，所述触针具有纵向轴线；用于将触针安装在所述探头主体中的支座；传感器，其与所述触针机械连接，以便使所述触针沿纵向振动，其中所述支座在与所述纵向轴线垂直的横向方向上是刚性的，

所述方法包括如下步骤：

用所述触针沿着所述横向方向接触所述工件表面；

扫描所述工件表面，同时保持所述表面与所述触针在所述横向方向上接触；

从所述触针的振动中检测接触是否在扫描期间继续保持；以及

当在所述检测步骤中确定所述接触继续保持时，使得所述坐标定位机器对工件表面进行一系列的连续的坐标读取。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述支座在与所述纵向轴线垂直的两个正交方向上是刚性的。

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