CN101886911B - 用于测量尺寸的仪器和高度计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于测量尺寸的仪器和高度计。其中，用于测量尺寸的仪器包括：移动托架，其能平行于引导件移动，该引导件限定测量轴；驱动装置，其由传输件连接到该托架，以便确定移动托架的线性位移；触头，其附连到移动托架且被设计成与待测量的部件接触；位置变换器，其被布置成提供相对于测量轴的对触头位置的测量；压阻性力传感器，其用于将在该触头与该待测量部件之间的接触力直接转变成电信号。

Description

用于测量尺寸的仪器和高度计

技术领域

本发明涉及用于测量沿着线性轴的尺寸的仪器，特别地但并非排外地，涉及用于测量沿着竖直测量轴和水平测量轴的线性尺寸的仪器。

背景技术

使用诸如高度计和用于测量坐标的机器这样的测量仪器来测量和控制高精度机械部件的尺寸。它们提供具有相当于微米级准确度和再现性的测量。

这些仪器允许执行相对测量和绝对测量。它们通常与水平面台面或测量台相关联，待测量或待控制部件放置于水平面台面或测量台上的选定位置使得这个公共元件构成装置与待测量部件之间的基准平面。

一般情况下，尺寸测量设备包括平行于三个直角坐标轴定向的三个引导件。在高度计的情况下，忽略这些轴中的两个，因为它们刻在测量台平面中，且垂直于测量台定向的引导件构成竖直测量轴。还构想到执行其它配置允许根据其它轴之一进行测量，认为其它两个轴限定基准平面。

这些装置被设计用于测量由刚性材料制成的部件，其在力作用下的变形被认为是零。这限制了这些装置的应用领域。

在测量柱上，引导件竖直地紧固于刚性基座上，刚性基座包括底板，底板可通过滑动而移动，或者在气垫上，或者在测量台上，以便能接近待测量部件的横向侧的所有部分。

测量仪器通常在每个测量轴上具有固定位置基准，高精度位置编码器以及电子控制和显示装置，电子控制和显示装置可能包含于操作者可看到的操纵台中用于显示一或多个测量模式的测量尺寸。

以本申请者名义的欧洲专利EP 0579961描述了一种高度计，其具有在竖直引导件上滑动的测量托架。测量托架包括相对于测量托架滑动的“浮动”驱动托架且其传输施加于测量托架上的竖直力。在这种仪器中，测量托架与驱动托架之间的连接是弹性的：连接两个托架的调整弹簧系统平衡且同时保证作用于测量托架上的最小接触力，以确定测量方向且确保与待测量部件的良好接触。

具有类似力施加装置的其它测量柱是已知的，例如文献CH667726和EP 0223736。这些文献的装置包括在驱动电机与测量探针之间的弹性传输元件(elastic transmission element)，且被布置成在弹性元件的变形到达预定值且因此待测量部件上的探针的压紧力接近这个预定值时执行尺寸测量。

还已知例如专利US 4924598的装置，其中并不连续测量向传感器探针传输测量力的弹性元件的偏转(deflection)，但是当超过变形阈值时，其由电接触检测到。但是，这些更简单的装置并不允许测量在测量期间超调的力。而且，这种装置并不允许在测量期间改变或校正测量条件和尤其是探针的压紧力。

在基于弹性元件的尺寸变形的测量的所有已知装置中，弹性元件的尺寸变形将大体上由移位传感器确定，诸如给出两个托架之间相对位置信息的电位计或者很容易类型的触摸探针。但是，这些低成本传感器具有某些缺点，因为它们并不提供准确地参考的信息且并不提供与接触力的完好对应，它们的校准可能会随时间改变且它们需要防灰尘以及防水和/或油投射(projection)。

而且，已知的浮动托架系统具有可能会影响测量准确性的额外自由度。浮动托架的行程相当大且使系统稳定所需时间不允许执行快速测量操作。

还已知对于特定测量或扫描操作(诸如为了搜索最小值)，测量系统与驱动之间的弹性连接减慢了测量。浮动托架装置也可构成探针位置细微调整期间的弱元件，因为该系统并不提供在测量力仅略微变化时进行测量的足够的灵活性。该系统然后不得不持续地寻求恒力平衡点，这持续地需要在提供尺寸信息之前的稳定时期。

在双托架测量柱中，弹性元件需要对系统的每个方位进行具体调整，即，测量托架的重量由这个弹性系统保持平衡且因此系统方位的变化需要对这些弹性元件进行修改。

发明内容

本发明的一个目标在于提出一种用于测量尺寸的仪器，其没有已知装置的局限性。根据本发明，这些目标特别地由这样一种用于测量尺寸的仪器来实现，其包括：线性引导件，其支承限定测量轴(measuring axis)的位置基准；移动托架，其能平行于所述引导件移动；驱动装置，其由传输件(transmission)连接到所述托架，以便确定所述移动托架的线性位移；触头(feeler)，其附连到所述移动托架上且被设计成与待测量部件接触；位置变换器(transducer)，其布置于所述托架上以便提供相对于所述测量轴的对所述触头位置的测量。其中，所述托架通过至少一个力传感器连接到所述驱动装置，所述至少一个力传感器能够测量由所述探针施加到所测量的部件上的接触力。

这个解决方案特别地具有优于现有技术的优点，其将接触力直接转变成电信号而无需使测量基于对两个托架之间的相对位移做出的间接的、不精确的测量。这允许测量沿着所观察的轴施加的实际接触力且有利地减少可能会造成误差的元件数目。因而能获得更紧凑，更刚性的结构，更佳的测量准确度，对位置变化更快的响应和对投射的良好的抗扰性。

本发明的仪器包括力传感器，其用于沿着仪器位移和测量轴进行测量。优选地，传感器被预加应力，因为其必须允许测量在两个位移方向上的力变化。这种配置并无限制意义，因为可添加其它传感器来确定沿着不同正交轴的接触力的方位。

而且，本发明的测量仪器优选地包括一或多个额外弹性连接或利用摩擦元件限制驱动力的装置来保护力传感器。位于驱动系统控制的高度的第一额外弹性元件之一使得当探针与待测量部件接触时能限制由操作者或电机施加的力。可向力传感器连续添加其它弹性元件，以增加测量系统的弹性位移限度且因此保护传感器。由于弹性变形并不影响位置的测量，因此添加这些保护装置并不受限制。也能添加挡止件和/或平行于力传感器的元件以便不超过传感器可容许的变形限度且因此避开(shunt)机械超载。

直接读取接触力使得能更好地控制这个基本测量参数。实际上，接触力可对特定材料具有尺寸影响。因此，对施加接触力的更精细测量使得能从不同接触力的若干测量中内插(interpolate)测量材料的弹性，且因此也能从利用对应于零弹性变形的零接触力实现的测量部件的实际尺寸进行外推(extrapolate)。而且，在测量与仪器测量轴不正交的表面的情况下，对于零接触力，待测量部件的尺寸不再受到寄生接触力的影响。

有利地，本发明提供对最佳条件改进的搜索，其可通过遵循力和位置的变化来执行。因此测量尺寸值不再仅限于预先限定的接触力。本发明的装置可根据接触力的变化来校正尺寸测量，这对于现有技术仪器是不可能的。该装置还考虑每种材料且优化根据材料弹性的值校正而未必需要位置力学校正。

本发明并不限于竖直测量系统，其也可用于沿着水平轴进行绝对测量或相对测量，或者可甚至用于沿着体积中的任何轴进行测量，例如在铰接臂的端部。由于关于接触力的测量的较大精细度，能保证在各种方位的尺寸测量而不会有任何精度损失。由于其刚性且简单的结构，线性测量不再仅限于系统的某些方位，且测量表面的方位不再限于平行于基准平面的表面。在不同方位，托架重量的效果仅影响传感器的操作点而无需对弹性元件进行任何修改。可做出对力传感器进行预加应力的选择，以便应对不同的可能方位而无需对平衡点进行调适。

已知的测量柱大体上限于平行于基准平面的表面测量。当这种装置测量并不属于这个类别或不再与基准平面相关联的表面时，其必须能区别接触力的方位。否则，接触力可超过仪器沿着其测量轴测量的力。而且，测量元件(如球形测量探针)的尺寸必须考虑表面的方位以正确地考虑测量探针相对于仪器位移轴的尺寸(投影)。

在本发明的一未被展示的实施例中，该系统使得能相对于装置的测量轴区别垂直于测量表面的接触力的方位。因此，能找到与正交于测量轴的表面相对应的最佳测量力。

在利用其它传感器的另一实施例中，能测量沿着每个方向的接触力以便使测量期间施加的力适应表面的方位。

附图说明

在由附图所图示的描述中指出本发明的实施例的实例，在附图中：

图1示意性地示出根据本发明的实施例的测量柱的总体视图。

图2和图3示出图1的测量柱的托架的细节。

图4以侧视图示出图1的柱。

附图标记：

25底板座

30框架

40托架

50缆线

55上部滑轮

60把手

56配重

59探针

100力传感器

120弹性元件

150测量操纵台

具体实施方式

图1的高度计包括底板座25和竖直框架30，底板座25被设计成搁靠在基准平面上，竖直框架30包括限定竖直测量轴的位置基准。托架40沿着框架30滑动且其位置由位置编码器读取，位置编码器在图中看不到。位置编码器优选地为光学编码器，其能以相当于或大于微米的精度来读取托架位置。但其它位置测量系统也是可能的。

通过力传感器100，通过缆线50确保托架40的移动，缆线50绕上部滑轮55和下部滑轮(不可见)形成闭合环路。下部滑轮由把手60驱动，把手60可由操作者促动且允许托架40移动。配重56(在图4中可见)平衡托架重量。使探针59(优选地是可互换的)与待测量表面接触。

根据未展示的本发明的一实施例，由电机确保托架40的移位，电机利用部分弹性的机构来驱动下部滑轮或上部滑轮。视情况，可用条带或金属带或其它合适的柔性传输元件来替换缆线。

力传感器100(例如)是应变计、压阻性元件的系统，电荷单元(charge cell)或任何其它合适传感器，且至少一个弹性元件120插置于缆线50与托架40之间每一侧上。弹性元件120决定传感器100的预加应力。这种系统允许沿着测量轴在两个方向测量接触力。由传感器直接读取施加于探针59上的测量力。传感器产生代表接触力的电信号且将这条信息传输到测量操纵台150。弹性元件还具有保护力传感器的功能且以受控方式增加系统的弹性位移限度。

测量操纵台150优选地包括显示器件以及命令和数据输入器件(例如键盘)，显示器件用于自动显示沿着测量轴测量的尺寸和由传感器测量的接触力。测量操纵台150优选地包括声警告装置以向操作者传达测量的力到达所希望的目标值的信号且其记住对应于这个所希望接触力的高度测量。更优选地，测量操纵台包括计算器件(例如数字处理器)，其被布置成根据存储在其存储器中的程序来读取来自托架40的位置编码器和来自力传感器100的数据且用于提供测量结果，例如直径、中心、转化点的位置、平行性、弹性测量，寻找测量表面的方位等。

在图示实施例中，测量操纵台150具有壳体，其中容纳所有其构件：显示器、键盘、处理器等。但是，这并非本发明的限制性特征，其还包括下面这样的测量仪器：其中这些构件不同地放置，例如在基座中或在框架中或者在连接到测量仪器的外部装置中，例如计算机。

在本发明的机动型式中，测量操纵台还包括驱动电机的控制单元，其根据程序(例如根据来自传感器100的力的电信号)来控制电机。控制单元例如被编程用于将由力传感器测量的接触力稳定在预定值。本发明的手动型式优选地包括把手，其具有弹性耦接件，这给予操作者关于接触力的触觉反馈。

根据本发明的一实施例，控制单元被编程以便允许根据不同的测量模式来测量位置，其特征在于用于管理接触力的不同方法。可区别以下主要的三种操作模式：预先限定值模式，在间隔之间的模式和瞬时值模式，或者这些模式的任何组合。预先限定值模式能利用由操作者固定或设置的力值进行测量。当到达该力且稳定时测量该位置。在间隔之间的模式允许快速测量而无需寻求接触点过于精确的测量。这种模式与之前模式相当且需要更短的稳定时间。瞬时值模式允许操作者立即执行在与部件接触时的快速测量。只要一触发测量就实现了力和位置的测量。可(例如)通过组合在间隔之间的触发阈值与瞬时测量来实现混合模式，这使得能获知力/位置的对(pairs)同时仍保持在预定接触力值间隔内。

根据本发明的优选实施例，控制单元被编程用于确定不同接触力值相同接触点的若干测量，且这将使得能外推在接触力等于零时的相对应测量。这还允许确定材料类型和测量所测量材料的弹性。也能从预定弹性值开始且通过比较在不同接触点测量的弹性值的变化与在不同接触力的测量来寻求测量表面的法线。这允许考虑在投射于测量轴上的接触方向上探针的尺寸。

根据本发明的变型实施例，探针紧固系统包括至少第二力传感器用于测量正交于仪器测量轴的力。因而能相对于测量轴确定测量表面的法线轴的方位。因而这使得能维持接触力在已知值，因为其不再与沿着仪器位移轴测量的力合并。这种系统允许考虑在测量轴上观察的探针的正确尺寸，无论测量表面的方位如何。

根据本发明的一变型实施例，测量程序沿着每个正交轴执行一系列连续测量，以便然后获得在二维表示或三维表示中的点坐标。

根据本发明的一实施例，测量程序相对于待测量部件的已知基准点执行测量。选择仪器方位使得待测量点位于仪器位移轴上，这使得能优化控制时间同时考虑每个测量表面的方位。

Claims (18)

1.一种用于测量尺寸的仪器，包括：

线性引导件，其支承限定测量轴的位置基准；

移动托架，其能平行于所述引导件移动；

驱动装置，其由传输件连接到所述托架，以便确定所述移动托架的线性位移；

触头，其附连到所述移动托架上且被设计成与待测量部件接触；

位置变换器，其布置于所述托架上以便提供相对于所述测量轴的对所述触头的位置的测量；

其特征在于：

所述托架通过至少一个力传感器连接到所述驱动装置，所述至少一个力传感器能够测量由探针施加到所测量的部件上的接触力。

2.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述力传感器包括压阻性元件或应变计。

3.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于包括缆线和至少一个弹性元件，所述缆线确保所述托架的移动，所述至少一个弹性元件插置于所述缆线与所述托架之间每一侧上。

4.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于包括作用在所述驱动装置上或包括于所述驱动装置中的电机，和控制单元，所述控制单元被布置成用以根据所述接触力的测量来控制所述电机。

5.根据权利要求4所述的仪器，其特征在于，所述控制单元被布置成将所测量的接触力稳定在预定值。

6.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述驱动装置可由操作者手动促动，包括能向操作者表示所施加的接触力的显示装置。

7.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于被布置成用于通过若干接触力值来确定部件的若干高度测量，且被布置成用于外推接触力等于零的相对应测量。

8.根据权利要求4所述的仪器，其特征在于，所述控制单元被编程以便能根据不同的测量模式来测量位置，具有用于管理所述接触力的不同方法的特征。

9.根据权利要求8所述的仪器，其特征在于，所述力是预定值或在预定间隔内或是瞬时值。

10.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述力传感器由挡止件和／或增加系统弹性位移限度的弹性元件来防止机械超载。

11.根据权利要求10所述的仪器，其特征在于，所述力传感器被预加应力以实现沿着所述测量轴的每个方向的测量。

12.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于能确定和最小化所述待测量部件的弹性变形。

13.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于包括至少第二力传感器，所述第二力传感器被沿着正交于仪器测量轴的轴中的一个布置用于确定所述接触力的方位。

14.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于能确定所述待测量部件的表面的方位。

15.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于无论所述仪器如何都能使在任何方位上的尺寸被测量。

16.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于允许测量并不正交于装置测量轴的元件。

17.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述位置变换器具有光学传感器。

18.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于包括竖直的尺寸测量高度计，所述引导件为竖直地连接到底板座的框架。