CN103256890A - 接触式探针 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种接触式探针，该接触式探针包括：固定构件；感应器，该感应器由一个或数个弹性元件相对于所述固定构件保持在静止位置，所述感应器能够响应于偏转力从所述静止位置移动；包括光源的检测系统，该光源借助所述感应器相对于所述固定构件的位移被驱动；接收由所述光源发出的光的光学图像传感器；光掩模，该光掩模插设在光路中位于所述光源和所述光学图像传感器之间。

Description

接触式探针

技术领域

本发明涉及用于坐标测量机的接触式探针或接触探针，并且特别地但不是排他地涉及触发式接触探针。

背景技术

接触式探针及其用于测量机械零件的表面的坐标的测量机的使用在计量领域中是已知的。在典型情况下，接触探针包括用于组装在测量机的可动平台上的机械接口以及触针，该触针具有位于其末端的红宝石球，所述触针被设计成接触待测量的表面。当触针接触零件并且从其静止位置移动时，探针触发表明已发生接触的电信号。该信号被传输至控制单元，该控制单元记录机器的瞬时坐标并且计算在零件上的接触点的坐标。

模拟探针（也称为扫描探针）也是已知的，其能够测量触针沿着一条或数条轴线的偏转。这些探针如它们的名字所指的那样，通过扫描零件的表面并测量沿着轨迹的坐标而被使用。

在已知的变型中，例如在EP0764827、US4270275或US6760977中，触针紧固在具有对称布置的三个径向销的支架上，每个径向销均靠在与探针的主体一体地结合的两个球上。该布置构成具有六个独立接触点的均衡连接；触针相对于探针的主体的相对位置因此被精确地且重复地限定。在其中一个销从其通常所靠的两个球升起时产生触发信号，因此中断两个球之间的电接触。简单构造的这些探针结合可靠性和精确性但受到数个限制。具体地，探针对横向力的灵敏度不是恒定的而是根据外力的取向变化，从而展现与三个销的方向对应的三个波瓣（lobe）。灵敏度的该变化对接触式触发的可重复性有害并且因此对测量的质量有害。如例如EP1610087或DE3713415中所述，改变销的布置能减小该各向异性，然而仍没有完全消除该各向异性。

欧洲专利申请EP0360853试图通过提出如下传感器来补救这些问题，即，在该传感器中，电路由对所施加力直接敏感的应变仪代替。

在其他实施方式中，例如，文献US5435072和EP0415579中所述的探针中，触针和待测量的零件之间的接触由振动传感器或光学传感器来检测。

WO2012007561描述了用于测定光源相对于固定图像检测器和阵列的位置的测量装置。

发明内容

本发明的一个目的在于提出一种不存在已知的接触式探针的缺点并且特别地展现对横向力的恒定灵敏度的接触式探针。

本发明的另一目的在于提出一种比现有技术探针更灵敏且精确的接触式探针。

这些目的由具有所附权利要求的特征的装置来实现。

附图说明

在由附图所示的说明书中指出本发明的实施方式的示例，附图中：

图1以截面图示出了根据本发明的接触式探针。

图2示意地示出能用于本发明的框架中的光掩模。

图3a至3c示出被分成四个象限的图像传感器。

图4示意地示出能用于本发明的框架中的处理电路。

图5a、5b和6示出了能用于本发明的框架中的弹性结构。

图7和图8以分解图和剖面图示出了本发明的变型实施方式。

图9a和9b示出了图7和图8中的实施方式中所用的弹性结构的两个可能实施方式。

图10示出了图9a和9b中所示的弹性结构的另一视图。

图11是图9b的弹性元件的横截面，其中已经显示出自由度。

图12示出了由包括微型透镜的光掩模覆盖在其顶部上的本发明的光学图像传感器的变型实施方式。

图13a和13b示出了具有并排放置的一对传感器的本发明的两个变型实施方式。

具体实施方式

参照图1，在一个实施方式中，本接触式探针包括具有触针100的感应器模块60，该触针安装在支架105上，所述支架105由弹簧66弹性保持在静止位置，该静止位置由支架的三个销65（局部可见）之间的六个接触点和与感应器模块一体结合的六个球（未示出）来限定。该布置在使得触针能够在外力的作用下移动并且在不再施加该外力时精确地回复到静止位置。因为需要一定间隙（超程）以在系统检测到接触时停止测量机的运动，因此触针的该弹性组装使其可以在该时间范围内限制接触力。

触针100安装在感应器模块60中的方式不是本发明的必要特征，并且根据需要能使用其他组装布局，而不脱离本发明的领域。

感应器模块60优选地以可移除的方式连接至探针35的主体以便能够根据测量需要容易地更换触针。感应器模块60和探针主体能以与目前用于测量机中的自动工具更换系统相容的方式优选地自动连接和分离。在所示的示例中，借助一对磁体52和62来实现所述连接，这对磁体中的一个放置在探针主体中并且另一个放置在感应器模块中。在其他实施方式中，能通过机械式连接器（例如本申请人名下的文献EP1577050中所述的自动连接器）来实现所述连接。如果不需要模块性，则感应器模块和探针主体能以永久的方式连接。

探针35的主体设置有连接装置32以将其紧固至测量机的移动式平台。在所示示例中，通过标准M8螺钉32来实现所述连接，但是其他连接机构是可能的。轴向电触点33使得探针主体内的电子设备能够由外部电源供电，如将在下面进一步看到的。如有必要，单个触点33能由多个触点来代替。

感应器模块通过磁体52、62或任何其他合适的连接机构与支架55一体地结合，该支架55借助弹性结构45在探针35的主体内保持就位从而能够在预定极限内跟随触针沿着轴线X、Y、Z的偏转。在本发明的框架中，弹性结构能具有不同的形状。结构45将优选地具有尺寸以使其沿三个方向展现相同的弹性。

杆42在下侧上与支架55一体地结合，并且在其上侧支承光源68（例如发光二极管（LED））。触针的偏转运动因此转换成光源68的成比例位移。

根据本发明的重要方面，探针主体还包括图像传感器，例如CCD传感器61或任何其他合适的光学图像传感器，该图像传感器与光源68并置从而接收由光源68发出的光。编码光掩模65插设在光路中位于光源68和图像传感器61之间。光掩模65在传感器上投射不均匀分布的光强度，该光强度根据LED源68的位移移动。优选地集成在与图像传感器61相同的硅片上的处理电路从传感器的表面上的光强度的分布测定触针根据相对于探针主体的三维x、y、z的偏转。

由源68、掩模65和图像传感器61构成的变换器的操作原理已在文献EP1750099B1、EP2169357A1以及WO2010112082A1中描述，并且这里将不再详细分析。在图2所示的示例中，光掩模65承载包括方块125的规则阵列的二维编码以及由对角线段的阵列构成的编码。在所示示例中，例如，平行于段121的段编码为二进位值‘1’而平行于段120的段编码为二进位值‘0’。

有利地，由段表示的二维编码使得能够借助方块125的阵列的分辨率来绝对定位，并且同时由沿着光分布的轴线的投影获得的信号131和132的插值使得可以精确地测定x和y中的相对位置。然而其它布置是可能的。

为了提高读取和处理速度，像素可选地分组成区，其中每个区均专用于特定测量并且在效果上构成独立传感器。在图3a所示的示例中，图像传感器61的像素布置在四个象限141、142、143、144中。对角线布置的象限141和143布置用于测定沿x方向的位移而其他两个象限设计用于测定沿y方向的位移。参照图2所示的示例，处理电路能被局限于计算沿着人们希望测量的位移方向的每个象限中相应地两个投影131、132中的单个投影，由此限制操作次数。光掩模65中所记录的编码也能分成象限并因此被简化。当两个投影X和Y用于测定位置时，2D传感器能被简化成两个1D传感器，每个1D传感器均测量沿X或Y的线上的光强度。连接至线性传感器（CCD）的平行光纤的阵列能实现该功能。

根据未示出的另选实施方式，不存在光掩模并且因此使用不均匀光源，即，在图像传感器61的表面上产生不均匀分布的光强度。为此，可以使用具有高各向异性的发射轮廓的LED，激光二极管，产生干涉条纹的光学系统或使得处理电路能够从传感器的表面上的光强度的分布测定触针沿着三维x、y、z的偏转的任何其他合适的不均匀源。

根据未示出的另一变型，光掩模不包括如图3所示的多个透明和不透明的区域，而是包括具有不同光学特性的透明区域的适当布置，以便在传感器的表面上产生可变分布的光强度。透镜的阵列能有利地用于光掩模中，以提高传感器上光分布的强度和对比度。

图3a示出了这样的情况，其中存在源68沿着x轴的位移。象限141和143记录相同的位移而另两个象限记录为无变化。相反地，当仅存在沿y轴的方向的位移时，两个象限142和144记录相同的位移并且象限141和143什么也没测量到，如图3b中能看到的。

图3c示出了在沿着z轴位移期间出现的情况。在该情况下，由掩模65投射的图像的比例变化。象限141和143，以及甚至象限142和144测量相反位移。在通常情况下，源68的相对运动能被分解为沿x、y和z的运动的叠加。

本发明的该变型实施方式包括四个图像传感器，每个传感器均适于测量由掩模投影的光分布的位置的坐标。

在所述示例中，投射在所述光学图像传感器上的掩模的图像根据感应器100的运动而改变，这是因为光源68由感应器相对于所述固定构件的位移驱动。还将可以想象到，在本发明的框架内的情况下，借助感应器来驱动掩模或图像传感器，具有相同的效果。本发明还包括变型实施方式，其中源、掩模和传感器保持相对于探针主体固定但是光学轨迹包括另一可动光学元件，该光学元件能够根据感应器100的位移修改传感器上的图像，该光学元件例如是反射镜、透镜、棱镜或任何其他光学元件或由感应器100驱动的光学元件的组合。

光源68的位移与触针100的位移成比例。处理电路因此能在感应器的位移超过预定阈值时触发接触信号。有利地，通过适当地重编处理电路的程序，该触发阈值能根据测量状况被动态修改。例如当测量机迅速移动以便避免通过振动确定的或对应于探针的加速和减速的错误信号时可以增大阈值，并且当机器缓慢移动时可以减小阈值以力争最大精确度。通过在安装对振动更敏感的更长且更重的触针时选择更大的阈值，触发阈值也能根据所使用的触针来调整。

根据本发明的一方面，处理电路还能执行触发信号的确认并且区别从感应器100与待测量的零件的真实接触所获得的信号与由于例如振动引起的错误信号。基于例如偏转信号的持续时间或其时间曲线能实现所述辨别。

探针也能以扫描方式被使用，其中处理电路指示由光学传感器测量的触针沿着一条或数条轴线的偏转。

根据未示出的变型实施方式，光学传感器能具有例如呈屋顶或金字塔形状的非平面表面，以提高光的收集和对轴向位移的灵敏度。

图4示意地示出了根据本发明的一方面的处理电路200的可能结构。光学传感器61有利地集成在处理电路的同一集成电路中。该示例中电路200包括微处理器230和布线逻辑单元235，以在传感器61的像素上执行处理操作，例如投影、取平均和/或相关性。单元237是专用于计算数学或三角函数的算术模块，例如利用CORDIC（坐标旋转数字计算机）技术的模块。

电路200优选地还包括环境传感器，例如加速计和/或温度传感器。加速计例如用于确定触发信号的动态阈值或确定探针是否经受冲击。由温度传感器供应的信号用于电路200中，以补偿温度误差。

根据本发明的变型实施方式，探针能包括多个图像传感器61，这些图像传感器具有单个公共处理电路，或每个传感器均设置有其自身的处理电路或者设置有数个处理电路，每个处理电路均设置用于处理由数个图像传感器的组记录的图像。

处理器230优选地被编程或设计成从光学图像传感器61或多个光学图像传感器61上的光强度的空间分布确定光源68的位置并且因此确定感应器100的位置，并且产生表示感应器100的位置和/或偏转的位置信号或数个位置信号。

处理电路还具有输入/输出单元220，其设计用于根据预定格式向测量机传输位置信号。当接触式探针用作触发探针时，位置信号能是具有两个可能值的二进制信号，一个值指示大致零偏转，并且另一值指示超过与预定触发力对应的偏转。

触发信号能有利地以由探针吸收的电流的变化的形式被传输。这允许本接触式探针能够用作典型触发接触式探针的替代。感应器的偏转值优选地可以三个坐标的方式用于处理电路230，使得处理电路能因此计算沿任何动作方向作用于感应器上的接触力。因此本探针能供给各向同性地取决于作用在感应器上的力的偏转信号。本发明的另一优点在于，当它被应用于触发探针时，能容易地重新编程触发阈值。

本发明的该后一变型能用于触发测量，其中测量机被编程以使感应器100与待测量的零件的表面准时接触并且接触式探针在接触的瞬时向测量机传输触发信号，从而使得能够利用合适的软件来计算接触点的坐标。

根据本发明的变型实施方式，处理器230被编程或设计成产生连续性地表示感应器100沿一条、两条或优选地三条测量轴线X、Y和Z的位置和/或偏转的信号。接触式探针因此能以预定数字格式来编码感应器100的位置和/或偏转并且通过单元220将其发送至测量机。

本发明的该后一变型实施方式能用于扫描测量，其中测量机使感应器100行进与待测量的零件的表面接触的轨迹，并且接触式探针传输偏转值给测量机，从而使得能够利用合适的软件来计算沿着轨迹的接触点的坐标。

为了确保与现有测量系统的相容性，可以使用一个或数个数字模拟格式转换器（DAC）以产生表示感应器100沿着预定测量轴线的位置和/或偏转的模拟信号。这些转换器能集成到探针或外部设备中。

根据本发明的另一方面，输入/输出单元220允许与外部设备（例如测量机的控制器或计算机测量系统）双向通信。然后探针能通过单元220以合适的格式发送触发信号和/或偏转测量和/或确认信号。探针也能通过单元220接收校准数据或触发阈值或任何其他信号。

图5a、5b示意地示出了能用于本发明的框架中的柔性结构45。这些结构具有3个柱（315）、3个板或其他刚性竖直元件，所述竖直元件在两个末端的每个处具有一个横向柔度大得多的元件（312）。具有轴环（313）的径向臂确保这些结构的轴向偏转。竖直元件能是单块的或单独的。图6示出了其中横向柔性由柱315提供的变型实施方式。然而其它装置是可能的。

现在将参照图7、8、9a、9b和10描述本接触式探针的优选实施方式。根据该变型，探针包括如前所提及的弹性结构，所述弹性结构包括一体的金属部件400，该金属部件在其下部末端处连接到支架55和在相反末端处连接到光源68。

在图9a、9b和10中可更清楚地看到弹性结构400，其中图9a、9b表示上柔性部的两个可能变型实施方式，如将在下面进一步看到的。所述弹性结构具有大致筒形形状并且由单个一体金属部件制成而没有组装或焊缝。弹性结构400优选地通过机加工（即，车削和铣削）合适材料（例如回火钢）的圆筒而获得。然而也可以在本发明的框架中使用其他制造技术，例如电腐蚀、激光切割或用于去除材料的任何其他合适方法。还将可以通过模制或通过附加制造过程（例如通过选择性激光细切、立体平版印刷术、3D压印等）来制造弹性结构400。

根据本发明的一方面，弹性结构400包括大致筒状中央主体420以及两个上下端部，这两个上下端部借助在图10和图11中可见的两个沟槽510和520与筒状主体分离。下端部包括中央凸出部436，感应器模块的支架55例如通过旋压而紧固在该中央凸出部436上。上端部也具有中央凸出部416，光源68例如通过胶粘安装在该中央凸出部416上。光源优选地由柔性导体或柔性印刷电路连接至处理电路。

两个端部还分别包括与探针主体一体结合的外周环435和415，而筒状主体420的侧面不与其他部件接触并且能在作用于感应器100上的力的作用下移动。

图9a、9b示出了弹性元件400的上端部的两个可能变型实施方式。两个变型包括：三个切向梁417a、417b、417c，这些切向梁或叶片在其末端紧固至外周环415；以及三个径向臂418a、418b和418c，这些径向臂一方面连接至相应的切向梁的中点并且另一方面连接至端部的中心。凹口412a、412b、412c形成弹性铰链并且改善整个组件的柔性特性，特别是沿轴向和横向的柔性特性。两个变型实施方式在臂418a-c的形状方面显著不同，这些臂在第二型式中是直的并且在第一型式中具有或多或少的加强角度以便增加其柔性。

弹性元件400的上端部能有利地通过常规的机加工操作来获得：例如可以通过上侧铣削臂418a-c并且借助三个铣削的直槽417a-c（图10中可更佳看到）使切向梁417a-c与环415分离。端部借助沟槽510（图11）与筒状主体420分离。

图10示出了弹性元件400的下端部的可能结构。外周环435借助三个臂438a-c连接至中央部436，这三个臂具有薄中央帆状物以便增加整个组件尤其是沿轴向的柔性。与上端部相比，下端部适于在轴向力下变形并且沿正交于轴线的方向相对刚硬。正如上部那样，弹性元件400的另一端部能以常规的机加工操作制造。

图11示出了柔性元件的横截面并且借助端部的柔性使得可能实现运动。如已提及的，外周环435和414紧固至探针主体，而下凸出部436由支架55连接至感应器并且上凸出部416支承光源。施加在触针100上的力导致端部根据其相应的机械特性而不同地变形。

下端部被设计成相对于轴向力展现相当大的柔性，并比较而言相对于横向于轴线的力展现相对刚性，这是因为臂438a-c的帆状物能易于弯曲但是臂438a-c的长度保持基本不变。因此，位于臂438a-c的交叉点处的点“C”在图11中沿着轴线“z”移动但是基本上保持在弹性元件400的轴线上。

同时，臂438a-c的独立柔性允许，如果触针100经受横向力，则元件420绕点（C）沿两个横向方向“x”和“y”旋转。因此可以将由下端部引入的约束建模为实现中心“C”与中心“C”的球窝接头的结合的轴向位移的滑动副。

由于连接至切向梁的径向臂的布置，上端部使得光源能够沿着三条轴线“x”、“y”、“z”在点“L”处移位。所述臂和梁的柔性确定回复力或沿着三条轴线的定量柔性值。在典型情况下，发明的接触式探针能在沿轴线x、y和z作用于触针上的数克的力的作用下展现数十nm的弯曲。这些柔性值确保良好的灵敏度和超过坐标测量机（CMM）的典型振动频率的十分高的自振频率。

臂418a-c和438a-c的对称布置使得有可能实现基本上独立于力的横向的高度各向同性的柔性。然而本发明不限于具有三个臂的装置并且能取决于情况具有两个、四个或更多个臂。

现在将参照图7和图8描述探针中弹性结构400的组装。根据本发明的优选实施方式，弹性结构400被容纳在具有柔性分支457的箍环450内。当将箍环450插入管460内时，分支457夹紧下外周环435并且使其对中就位。轴向地，箍环450的下侧靠在螺纹环452上并且其上侧支承上外周环415，第二螺纹环451被拧紧在该上外周环415上。以这种方式，借助两个上下外周环有可能实现弹性结构400沿探针的轴线的紧固和精确对中。

触针的运动和弹性部400的变形由以120°设置的三个螺钉550限制，这三个螺钉接合在感应器模块的支架55中的合适的外壳中。然而其它限制装置是可能的。

图12示出了本发明的光学图像传感器的变型实施方式，其中光掩模由微型透镜的阵列195构成，这些微型透镜将来自可动源的光的二维分布投射在光传感器612上，其中每个光传感器均对应于所记录的图像的像素（仅光传感器的一部分被示出以便简化图）。与先前所示的变型实施方式相比，微型透镜使得能够获得更高的光学效率并且因此能获得像素上更良好的信噪比。

由微型透镜投射的图像包括或多或少明亮区的二维分布，这取决于考虑中的点是否大致定位在透镜的轴线中或两个相邻的透镜之间。处理器能分析该光分布并且精确地确定光源的位置。阵列的对称允许通过插值光分布而非常精确地确定位置。

如果掩模65的整个表面由沿XY对称的完美的规则阵列占据，则光分布也将是对称的并且将仅可以获得沿XY的位置的增量确定，其中模糊度等于阵列的间隔。阵列61优选地包括具有传输特性的区域290，这些传输特性是特定的并且不同于其余的，以便不再完美对称，从而使得能够绝对地确定沿XY的位置。在所示示例中，区域290是在阵列的中央处不具有透镜的中央区，但是也可想到具有不同形状的定位在阵列的边缘处的专用区域195，或改变阵列的对称的任何装置。

图13a示出了包括两个图像传感器的装置，其中每个图像传感器均使得能够沿二维确定位置并且提供获得光源在空间中三个坐标的位置的测量的方法。图像传感器一个接一个地放置并且分开例如沿平行于轴线“X”的距离“d”。传感器200a和200b优选地在公共硅片203上制成，使得距离“d”被准确确定。

在光源65（不可见）沿着三条轴线移位期间，图像传感器根据下表给出“X”和“Y”的值：

表1

因此能看到的是，能通过分析由偏移以距离“d”的两个传感器200a和200b提供的沿二维的位置来确定光源的沿三维的运动。例如可以通过将由传感器200a和200b获得的结果取平均来近似坐标“X”和“Y”并且通过由传感器200a和200b提供的坐标“X”之间的差来计算坐标“Z”。

在图13b的示例中，两个传感器200a和200b以大于图13a的距离的距离“d”放置。因此，来自可动光源的射线以较高角度落在传感器上并且对沿“Z”的运动的灵敏度大于图13a的示例中的。在该变型实施方式中，传感器分别位于单独的硅片203a、203b上并且两个硅片被紧固在公共衬底205上。

Claims (15)

1.一种接触式探针，该接触式探针包括：固定构件；感应器，该感应器由一个或数个弹性元件相对于所述固定构件保持在静止位置，所述感应器能够响应于偏转力从所述静止位置移动；包括光源的用于检测所述感应器的位移的检测系统；接收由所述光源发出的光的光学图像传感器；其中，所述光学图像传感器上的光强度的空间分布根据所述感应器的位移而改变。

2.根据权利要求1所述的接触式探针，该接触式探针还包括处理电路，该处理电路设置成用于从由所述光学图像传感器记录的图像确定所述感应器沿着一条、两条或三条测量轴线的位置和/或偏转，并且用于向测量机传输表示所述位置和/或偏转的位置信号。

3.根据权利要求2所述的接触式探针，其中，所述处理电路被设计成在作用于所述感应器上的力超过预定阈值时触发接触信号。

4.根据权利要求2所述的接触式探针，其中，所述处理电路被设计成产生连续地表示所述感应器沿着一条、两条或三条测量轴线的位置和/或偏转的偏转信号。

5.根据权利要求1所述的接触式探针，该接触式探针还包括温度传感器，其中所述处理电路被设计成根据所述温度传感器提供的信号补偿温度误差。

6.根据权利要求1所述的接触式探针，该接触式探针包括加速计。

7.根据权利要求1所述的接触式探针，该接触式探针包括接收由所述光源发出的光的多个光学图像传感器，其中，所述光学图像传感器上的光强度的空间分布根据所述感应器的位移而改变，所述探针还包括处理电路，该处理电路设计成从由所述光学图像传感器记录的光分布来确定所述感应器沿三维的位移。

8.根据权利要求1所述的接触式探针，其中，所述一个或数个弹性元件由单块金属部件构成。

9.根据权利要求8所述的接触式探针，其中，所述单块金属部件具有大致筒状形状，所述筒状形状具有对应于两个底部的两个端部元件，所述感应器与一端部元件的中心一体地结合，并且所述光源与相对的端部元件的中心一体地结合，其中每个端部元件均具有与所述探针主体一体结合的外周环以及允许所述光源沿着三条轴线移位的多个可变形元件。

10.根据权利要求1所述的接触式探针，该接触式探针包括光掩模，该光掩模插设在光路中位于所述光源和所述光学图像传感器之间。

11.根据权利要求10所述的接触式探针，其中，所述掩模包括透镜阵列。

12.根据权利要求1所述的接触式探针，其中，所述光源借助所述感应器相对于所述固定构件的位移而被驱动。

13.根据权利要求1所述的接触式探针，其中，所述感应器借助磁性连接或机械连接以可移除的方式连接至所述检测系统。

14.根据权利要求13所述的接触式探针，其中，所述感应器由可更换的模块支承，该可更换的模块包括感应器支架，所述感应器支架由限定六个接触点的多个定位元件弹性地保持在静止位置。

15.根据权利要求1所述的接触式探针，其中，所述弹性元件包括：刚性元件，该刚性元件沿着大致轴向方向延伸，并且所述刚性元件在两端处具有柔性元件以确保横向柔度；以及臂，这些臂具有轴环以确保轴向柔度。

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