CN104169044A - 定位传感探针的定向设备 - Google Patents

Abstract

用于相对于工作表面（7）的局部法向量来定位传感探针（8）的定向设备，该定向设备包括：一支撑结构，一移动支撑元件（29），该支撑元件连接于该框架，并且能够在预定的方向（14）中滑动，一能够围绕旋转轴（17）转动的传感探针，该旋转轴不平行于相对于支撑元件的接合点的预定方向，压力装置，该压力装置能够在预定方向上移动，并且在该预定方向上对移动支撑元件生成一个力，以便将该传感探针压向该工作表面，其特征在于，该传感探针包括一单独凸起的外传感表面，该单独凸起的外传感表面能够与该工作表面接触，该传感表面具有一单平衡接触点，该单平衡接触点是传感表面上最接近接合点的点。

Description

定位传感探针的定向设备

本发明涉及用于机械测量表面法线的工具的领域。例如，本发明涉及跟随表面法线的工具，以操纵相对于表面的作业工具。 

例如，跟随表面法线的工具可用于操纵焊接金属板的焊接炬以制造密封的液舱壁。

将形状相同的金属零件焊接在一起可以获得这种密封的液舱。FR2701415描述了一种自动机械，该自动机械能够根据金属片的形状进行焊接，以制造这种液舱壁。

这种机器包括一种支撑件，该支撑件相对于需要组装的零件而固定。在这一固定的支撑件上安装有一个底座，该底座沿着预设的轨道移动。这一底座支撑着焊接炬，该焊接炬能够制造出点焊或者焊道。这一焊接炬能够相对于自动机械旋转移动或平移。控制设备控制了该焊接炬的旋转移动和平移。这个控制设备依次连接于底座上的探测装置，该探测装置测量焊接炬相对于表面的位置。该控制设备根据探测装置传输的位置将控制信号传输到制动器。基于这些信号，这些制动器相对于金属板定位焊接炬，并安置焊接炬。

例如，前述的探测装置可以是激光测距仪、电感式探测器或电容性探测器。然而，这种类型的自动机器需要计算装置确定轮廓的切线，并且因此根据这条切线确定焊接炬方位。此外，这些类型的探测装置十分昂贵，并且还对电磁干扰很敏感。

DE-U-2514415描述了铣床的复制探头，该复制探头包括一根固定杆，一个为了枢轴转动而安装的探头，以及在探头自由端上的一个接界。

根据一个实施例，本发明提供了一个定位设备，用于相对于工作表面的局部法向量定位传感探针，该设备包括：

一个框架，

一个移动支撑元件，该支撑元件连接于该框架，并且能够在预定的方向中相对于该框架移动，

一个能够围绕旋转轴转动的传感探针，该传感探针不平行于相对于支撑元件的接合点的预定方向，

压力装置，该压力装置能够移动，并且在该预定方向上对移动支撑元件生成一个力，以便将该传感探针压向该工作表面，

其中，该传感探针包括一个单独凸起的外传感表面，该单独凸起的外传感表面能够与该工作表面接触，该传感表面具有一个单平衡接触点，该单平衡接触点是传感表面上最接近接合点的点。

根据实施例，这种定位设备具有以下一个或多个特征。

根据一个实施例，该传感探针仅仅能够围绕旋转轴转动。

根据一个实施例，该传感表面关于回转轴回转，该回转轴平行于旋转轴，该回转轴与旋转轴分开放置。

根据一个实施例，该传感探针包括：

一个把手，该把手包括连接于支撑元件的接合点的第一部分，并且第一部分限定了该旋转轴，该把手还包括一第二部分，该第二部分平行于第一部分，并且与第一部分偏离以限定回转轴，以及

一个具有传感表面的滚轴，该滚轴能够相对于把手的第二部分在滚轴上转动，以在工作表面上滚动。

根据一个实施例，该传感探针能够在第二旋转轴上转动，该第二旋转轴不平行于相对支撑元件的接合点的预定方向，该第二旋转轴垂直于该第一旋转轴。

根据一个实施例，在传感探针和支撑元件之间的接合是一球形接头。

根据一个实施例，传感表面大体上为球冠状，该传感表面的中心偏离接合点。

根据一个实施例，该设备还包括第一角度测量元件和第二角度测量元件，两者都能测量传感探针的第一和第二旋转轴相对于相应参考位置的角位移，

并且该传感探针包括第二球冠状的测量表面，该球冠位于接合点的中央，

这两个角度测量元件都包括一个测量杆，该测量杆的圆柱形回旋曲面与测量表面接触，一旦传感探针旋转，每一测量杆都能够围绕其中一根旋转轴旋转。

根据一个实施例，移动支撑元件滑动的预定方向大体上与工作表面垂直。

根据一个实施例，该设备还包括一个沿着工作表面设置的导轨，安装框架以便在该导轨上移动。

根据一个实施例，该设备还包括一连接于传感探针的跟随部件，包括压力装置的框架能够将该跟随部件压在台阶表面上，该台阶表面将工作表面的两个部分分开，跟随部件牢固地附着于传感探针上，以便当传感探针旋转时跟随转动，并且保持该传感探针距离台阶表面一定的距离。

根据一个实施例，该设备包括在滑动方向、前进方向和冲压方向中移动传感探针的装置，前进方向和冲压方向都与滑动方向垂直，该压力装置适于在冲压方向挤压跟随部件，并且前进方向和冲压方向垂直。

根据一个实施例，该框架还包括一位置传感器，该位置传感器适于测量框架和工作表面之间的距离。

根据一个实施例，该设备还包括一角度测量元件，该角度测量元件适于相对于参考位置测量传感探针的旋转轴的角位移。

根据一个实施例，角度测量元件是从电位器、增量编码器、电感式传感器、比较器和光学三角测量传感器中选择出来的。

根据一个实施例，该角度测量元件包括一根轴，该轴经由连接通过传感探针关于旋转轴的旋转驱动，该连接选自弹性连接、直接连接、轮系连接、齿形皮带连接以及摇杆系统连接所组成的集合。

根据一个实施例，角度测量元件包括一个测距仪，该测距仪以这样的方式设置以便探测滚轴上表面的位置，该滚轴与移动支撑元件的参考系中的传感表面相对。

根据一个实施例，角度测量元件包括凸轮和测距仪，该凸轮连接于传感探针，以牢固地围绕旋转轴上的传感探针转动，该测距仪以这样的方式设置以便探测在移动支撑元件中的凸轮表面的位置。

根据一个实施例，该设备还包括处理工作表面的工具，该工具能够根据传感探针的旋转，跟随旋转轴转动。

根据一个实施例，传感探针仅仅能跟随旋转轴转动，该传感表面关于回转轴回转，该回转轴平行于旋转轴，回转轴与旋转轴分开放置，该传感探针包括一个把手，该把手包括连接于支撑元件的接合点的第一部分，并且该第一部分限定了该旋转轴，该把手还包括平行于该第一部分的第二部分，并且该第二部分与第一部分偏离以限定回转轴，并且其中，该把手的第一部分包括一个支撑件，该处理工具牢固地连接于该支撑件，以围绕该把手转动。

根据一个实施例，该设备还包括一个距离传感器，该传感器用于测量在前进方向中相对于工作表面的距离，该传感器设置在设备的一个点上，该点位于工作表面和外传感表面之间的接触点的上方。

本发明所基于的概念是确定表面的法线，在表面的一个点上直接测量该表面的法线，测量方式是通过将铰接的凸传感表面压在所测量的表面上，该凸表面被铰接在一个偏离凸表面曲率中心的点上。

本发明的一些方面始于这一概念，通过制作圆柱状的传感表面，沿着轨道持续测量表面的法线，该传感表面能够绕着圆柱轴滚动，以沿着所测量的表面移动，并且能在轴上转动，该轴偏离圆柱轴的中心，以确定所测量的表面的法线。

本发明的一些方面始于这一概念，根据传感的三个自由度，通过允许旋转，在三个方向确定表面的法线。

本发明的一些方面始于这一概念，根据所测量的表面的法线给工具定位，在该工具的影响范围周围的点测量该法线。

本发明的一些方面始于这一概念，通过将压力施加在凸表面上，在与凸表面接触的点上，沿着所测量表面的法线方向将压力施加在该所测量的表面上。

本发明的一些方面始于这一概念，制造测量表面法线的设备，该设备能够简单、经济、强烈且实时地测量所测量的表面的法线。

参考附图，以下通过对本发明的多个实施例的描述，将会更好地理解本发明，本发明的其他目标、细节、特点和优点将更加清晰，该实施例仅仅作为阐述性和非限制性的示例。

在这些附图中：

图1是传感器底座的两个位置的示意图，该传感器底座在导轨上移动。

图2是平滚轴的解析透视图，该平滚轴可以用于图1中传感器托架。

图3是图1中的传感器托架中的传感器的局部透视图，该传感器包括图2中的滚轴。

图4到6是传感器的三个变体的局部透视图，该传感器可用于图1的传感器底座。

图7是图5中的传感器的局部透视图，该传感器与焊接工具相连。

图8是具有侧面导向滚轴的传感器的局部透视图。

图9是三维传感器的侧视图。

图10是图9中的三维传感器的剖视图。

图11表现了传感器底座的另一个实施例。

图12到14与图3相似，示出了具有转换装置的传感器的其他实施例。

图1示出了在测量表面7的导向轨5上移动的传感器底座。图1中在两个位置1和2表现了该传感器底座16，这两个位置对应于该传感器底座16在导向轨5上沿前进方向15移动时到达的两个连续的位置，该前进方向由导向轨5的方向确定。

传感器底座16包括一个框架4，制动器可以在移动中将一个齿轮放置在该框架中。齿轮与齿条牢固地附着于轨道5上。这个齿条在轨道5的方向上延伸。因此，当制动器在旋转中驱动齿轮，后者与齿条一起驱动传感器底座16在前进方向15中移动。齿形皮带、缆绳、压辊、气缸或线性电机也能产生这种驱动。

在与前进方向15垂直的方向上，轴承臂6沿着滑动轴13相对于传感器底座16的框架4滑动。压在框架4和轴承臂6之间的弹簧3将滚轴8压在测量表面7上，该滚轴连接于轴承臂6的末端。因此在轴承方向14中，将滚轴8压在了表面7上，该轴承方向平行于滑动方向13。

滚轴8具有一个圆形的外表面，该外表面的中心对应于滚轴12，并且经由枢轴9连接于轴承臂6。该枢轴9因此能够使滚轴8的中心相对于轴承臂6围绕转动轴17转动。枢轴9的转动轴17偏离了滚轴8的圆形表面的中心。当轴承臂6在弹簧3的压力下向滚轴8施加压力时，由于测量表面7在圆形外表面的接触点11上所施加的反作用力，滚轴8的中心围绕转动轴17转动。这一转动一直持续，直到接触点11对应于平衡点。滚轴8的中心随后采用了相对于轴17的方向10，该轴17在滚轴8和测量表面7之间的接触点11上对应于测量表面7的局部法线。相对于滚轴8的转动轴17的方向10对应于半直线，转动轴17和滚轴8在一个平面中形成该半直线，该平面与转动轴17垂直。

更具体地说，当轴承臂6将滚轴8压向测量表面7时，以及当接触点11不在平衡位置上时，向枢轴9施加的压力以及在滚轴8的接触点11上测量表面所施加的反作用力驱动了滚轴围绕枢轴9转动。

因此，在初始位置1，滚轴8沿着法线朝向测量表面7。由于该表面7具有一个相对于前进方向15向上的斜坡，在初始位置1中的滚轴8的方向10包括一个与前进方向15相对的元件。当传感底座16到达最终位置2时，弹簧3仍旧将滚轴8压在测量表面7上。滚轴8向测量表面7相反滚动或滑动到最终位置2，并且滚轴的方向10逐渐变化，到达了最终位置2中所代表的滚轴8的方向10。最终方向10具有一个朝向前进方向15的元件，因为测量表面7的斜坡相对于前进方向15是向下的。在第一位置1和第二位置2之间，测量表面7的位置相对于框架4上升，这驱使了轴承臂6向上滑动并且因此压缩了弹簧3。然后测量表面7的位置下降驱使了轴承臂6向下滑动，并且因此将弹簧3放松到第二位置2。

在传感器底座16的移动过程中，没有呈现出来的电子线路能够测量滚轴8围绕枢轴9的转动，并且将控制信号传输到没有呈现出来的工具，以将这一工具相对于测量表面7定位。例如，该工具能够是一个焊接工具。此外，框架4能够包括一个位置传感器，以测量框架4和测量表面7之间的距离，也根据这一位置测量而产生了控制信号。

在图11中的实施例中，底座16传输了一个变换器95，该变换器测量了测量表面7和变换器95之间的距离。该变换器95位于焊接工具的焊接区域上方几毫米之外的位置上，该位置在滚轴8的滚动轴9的前面。这样，变换器95能够检测斜坡的变体，该斜坡在前进方向15中的焊接的上方。斜坡变体的在先探测是的底座能够确定工具的作业速度变化的区域。在时间中，底座16移动的期间，测量距离的减小意味着底座16以及相关的工具到达了向上的斜坡96，底座16以及它的焊接速度下降了。当底座16出现在向上的斜坡96上时，测量距离增加了说明工具已经到达了斜坡的顶点，并且焊接速度因此改变。

当测量表面由两个重叠的波浪状的平板构成时，能够发现相似的操作。由于对称性，当底座16到达波浪的顶端时，变换器95探测到了距离上的增加。当工具到达波浪的底部时，变换器95探测到了距离上的减少。

这种距离的探测还能够使得电子线路预期到斜坡的变化，并且能够因此将控制信号传输给焊接工具，以预期焊接工具的方向变化。因此，例如通过在每一次斜坡明显变化前减缓前进，变换器95能够有利于促进作业速度的变化以及焊接工具位置的变化。

图2和3相应地详细示出了滚轴8以及传感器28，该传感器能够被放置在传感器底座16上，并且包含了滚轴8。

图2是滚轴8的分解图。该滚轴8包括一个轮子18，该轮子具有一个平面的胎面20，并且在该轮子中，相对于胎面20同轴安装了一个滚珠轴承19。两个把手21分别安装在滚珠轴承19的内环22的两侧。这两个把手21使得组件能够围绕转动轴17旋转，该组件由轮子18和把手21组成。就其本身而言，该滚珠轴承19能够使得轮子18相对于把手21围绕滚轴12转动，该滚轴相对于旋转轴17偏离中心。这样，回到图1，该轮子能够在传感器底座16的移动过程中，独立在测量表面7上滚动。

为此，每一个把手21都包含一个枢轴23以及一个曲柄销24，该曲柄销相对于枢轴23偏离中心。该曲柄销24集中在滚轴12上，并且沿着滚轴12延伸，并且枢轴23与转动轴17共轴。

该曲柄销24紧密配合在滚珠轴承19的内环22孔内。在两个把手21相对应的钻孔27内的横跨位置上，两个把手通过连接螺旋25牢牢地相互连接，该连接螺旋25夹着两个把手21，以及一个索引销26，该两个把手每一个在滚珠轴承19的内环22的一侧。这些钻孔27平行于滚轴12的方向，以将两个把手21的旋转迁移率连接在一起。在滚珠轴承18的孔内把手的紧密配合减小了对连接螺旋25的压力。

参考图3，将描述一个包括滚轴8的传感器28。该传感器28包括一个U型支撑件29，该支撑件位于一块平板上，该平板垂直于底座16的前进方向。

在U的分支的每一末端上，该U型支撑件29包括一个轴承30，该轴承在相对于前进方向15和测量表面7的横向上支撑了把手21的枢轴23。这样，通过把手21，滚轴8能够围绕转动轴17转动，该转动轴位于U的分支之间。

支撑件29固定在轴承臂6上，该支撑件没有显示。该轴承臂6在弹簧3的压力下，在轴承方向14上向支撑件29施加一个力，没有表现出来。因此，滚轴被压在测量表面7上。此外，在前进方向15中底座16经由轴承臂6驱动支撑件29。

图3说明了压在测量表面7的平面部分34上的滚轴8。因此，前者平行于支撑件29的U的分支，并且因此平行于轴承方向14。在这一位置上，接触点位于转动轴17的下方。

当滚轴沿着测量表面7的移动时，轮子通过围绕滚轴12的旋转31在测量表面7上滚动。

测量表面7包括一个向上的斜坡32。当滚轴8到达向上的斜坡32时，后者自动沿着这一斜坡定向。更具体地说，在滚轴8的测量表面7的反作用影响下，该把手21通过围绕轴承30内的转动轴17定向。这一转动以这样的方式完成，在转动轴17和接触点11之间的距离是到达平衡位置最短的距离，该接触点在测量表面7和胎面20之间。

电位计33固定在枢轴23的一端，以测量把手21的转动。

更具体地说，电位计33包括一个外壳35，该外壳通过固定臂36固定于支撑件29。该电位计还包括一个测量轴37，该测量轴适于相对于外壳围绕旋转轴41旋转，该旋转轴不平行于转动方向17。有弹性部件39组成的弹性连接固定在测量轴37和一个枢轴之间，该弹性部件牢固地附着在两个刚性衬套40上。这样，该枢轴23的旋转被传动到测量轴37。

一个没有显示出来的电子线路连接于电位计33的终端38，并且由于测量轴37相对于其外壳35的旋转，该电子线路在终端38上测量电位计33的特征的变化。

在另一个实施例中，电位计和枢轴可以是共轴的。因此，电位计33能够直接且牢固地连接于枢轴。图4到6中说明了电位计33和枢轴23之间的其他连接替代。

图4示出了测量轴37的旋转轴41平行于把手21的转动轴17。固定于枢轴23的缺口部分43将把手21的旋转传输到齿轮42，该齿轮固定于电位计33的测量轴37。测量轴37通过轴承在支撑件29中旋转。该缺口部分43的原始直径大于齿轮42，该齿轮使得把手21在齿轮42上的旋转减速。这一，该电位计33和相连的电子线路能够更加精准地测量滚轴8的方向。

图5示出了电位计33和枢轴23之间的另一个替代性连接。类似于图4中所描述的实施例的方法，旋转轴41平行于转动轴17，并且轴承支撑了测量轴37。在这张图中，枢轴23和测量轴37都包含一个原始直径相同的齿轮44，该齿轮位于同一个与枢轴垂直的平面上。齿形皮带45使得枢轴23的齿轮44的旋转能够传输到测量轴37的齿轮44。

图4和5说明了当滚轴在测量表面7的向上的斜坡32上时滚轴的位置。通过与图3对比，后者不再位于支撑件29的分支的方向上。实践中，在枢轴臂6的压力下，在测量表面7上的滚轴8的接触点上，滚轴8自动采用了平行于测量表面7的法线的方向10。向上的斜坡32相对于测量表面的平面部分34的倾斜度为45°。因此，滚轴自动采用了相对于支撑件29为45°的角度并且相对于平面部分34为45°。此外，在前进方向15中接触点11位于支撑件29的前方。

图6说明了一个与图3到5相似的设备，在该设备中，通过摇臂系统做成连接。为此，两摇臂47相应地固定于把手21的枢轴23和测量轴37。摇臂47包括一个有孔的主体，测量轴37或枢轴23通过该孔。在与孔垂直的方向上，两个翼板相应地在主体的两个相对边上延伸。这两个翼板包括一个狭槽45，在垂直于孔的方向上，该狭槽在平面上的翼板中延伸。每一个狭槽都容纳了一个连杆46，该连杆固定于摇臂的翼板。因此，摇臂系统包括两个连杆46，该连杆的末端相应地固定在摇臂47的末端。

因此，在它的转动中，枢轴23驱动相连的摇臂47围绕转动方向旋转。经由连杆46，这一旋转被传输到摇臂47，该摇臂47与测量轴37相连。

参考图4到6所呈现的连接模型明显地减小了在测量表面7上的电位计33的体积。

为了将滚轴8或把手21的方向转换成电子测量信号，除了电位计33外，还有其他可能性。参考图12到14，以下对转换设备的其他三个实施例进行描述。与图3相同或相似的元件与图3的参考数字相同，并且不再描述。

在图12中，机械传感器64包括一个牢牢地固定在支撑件分支29顶端的主体66，该支撑件分支的顶端在后者和移动探头65之间，该移动探头65始终与轮子18有弹性地接触，并且能够将该移动探头65平行于支撑件分支29相对于主体66共轴转变，对应于轮子18的方向变化。主体66包含一个位置测量部件，该位置测量部件将探头的瞬时位置转变为电子测量信号，例如，可以在传输电缆或无线传输系统（没有显示）中发送该信号。因此，机械传感器64所产生的该测量信号代表了固定主体66和探头65的转换轴交叉之间的距离，该探头带有轮子18的上表面。这个距离被特定的几何关系连接到测量表面7的倾斜角上，除了迹象。为了确定倾斜的迹象，可以提供额外的设备。

图13的实施例十分相似。在这种情况下，通过平行的支撑件分支，机械传感器64相对于支撑件分支29横向偏移。探头65与凸轮71接触，该凸轮固定于杆72上，该杆牢牢地附着于把手21。凸轮71的上表面73最好是不对称的，以便能够探测倾斜的迹象。在所呈现的示例中，表面73是螺旋的一部分，当表面是平面时，该螺旋利用在探头65上的轴向尺寸Z0。当Z向主体66增加时，测量表面7的向上的倾斜将会表现为测量尺寸Z>Z0，测量表面7的向下的倾斜将会表现为测量尺寸Z<Z0。

光学测距设备能够代替图12和13的机械传感器。在图14中呈现了相应的实施例。在这种情况下，光学测距仪固定于支撑件分支29，并且将光束69投射到轮子18的上表面上。如前所述，测量光学测距仪68和光束交叉之间的距离能够测量测量表面7的倾斜度，除了迹象，该光束的交叉带有轮子18的上表面。相似的安排具有图13的凸轮71。

尽管在上述实施例中，通过电位计或距离测量仪测量了表面的法线，并且作业工具也作为这种测量的功能而定位，但是本发明不限于此。因此滚轴8仅仅能用作一个倾角计，或者直接定位、牢固的作业工具。

图7示出了与图5相似的设备，并且在该设备中，滚轴8直接给作业工具定位。

滚轴8在工作表面上移动，该工作表面包括第一金属板49和第二金属板50，这两个金属板在它们的一部分侧边相互重叠。正式形成的工作表面因此包括了一个台阶52，该台阶位于第一金属板49和第二金属板50之间。

在这张图中的两个位置54和55呈现了该设备。第一位置54对应于将滚轴8压在工作表面的水平截面53上，第二部分55对应于将滚轴8压在工作表面的向上的截面51。

焊接塔57及其工作台倾斜地放置在一个平面上，该平面与前进方向垂直，以附加在台阶区域52中，必须焊接该台阶区域。底座沿着台阶52移动，当表面的发现改变方向时，该底座驱动了滚轴8的转动。

一旦把手21旋转，轴承23驱动工具架56的旋转，该工具家牢牢地固定于轴承23。工具架56随后旋转地驱动牢牢固定于其上的焊接塔57。因此根据在接触点11上工作表面的法线，工具架56给工作台58定位。因此，在第一位置54，焊接塔57大体上与支撑件29的分支的方向相同，然而在第二位置，后者的方向与斜坡51垂直。这样，工作台56自动地朝向一恒定的方向，该恒定的方向相对于它规定的焊接区域而确定。

同样地，作业工具可以是一个激光打标、加工工具、激光切割工具或一股水。

施加在滚轴8上的压力也能够准确地将两块金属板压在一起，并因此产生高质量的焊接。同样的，在滚轴8见过两个重叠部件的压焊的情况下，这一压力是有利的。

上述实施例说明了在直线方向中测量表面法线的设备，该直线防线在图示中表现为前进方向15。然而，这种设备能够测量非线性轨迹上的表面法线。例如，图8说明了一根导向辊，该导向辊连接于传感器28以引导沿着台阶52的轨道的传感器，参考图7说明了该轨道。

实践中，图8所述的设备与图7中的设备相似。然而，滚轴给跟随滚轴60定位，而不是严格定位作业工具。

实践中，滚轴支撑件59牢牢地固定于把手23。跟随滚轴60安装于滚轴支撑件59上的枢轴，该滚轴支撑件59在相对于轴承方向的倾斜的旋转轴62上。该跟随滚轴60为截锥形，以便一条边大体上与跟随滚轴60的边垂直，该跟随滚轴60最接近于把手。这样，只有最接近台阶的跟随滚轴60的部分接近工作表面。

底座16包括用于横向移动的装置。当传感器底座16在前进方向15中移动的过程中，底座16将跟随滚轴60压在台阶52的垂直表面上。

这样，滚轴8始终与台阶52保持一定距离。

以与图7中的变体相同的方式，通过滚轴8，自动给跟随滚轴60定向，该滚轴在表面法线上。

图3到8中的滚轴8实质上用于测量平面表面，该方向与前进方向15的横向上。因此，如果表面法线垂直于旋转轴17向平面外移动，该滚轴将不会测量这个倾斜的元件。然而，本发明不限于测量这种类型的表面上的法线。实践中，根据变体，法线测量设备能够以三种维度测量表面的法线。

图9和10说明了这种设备。

这种测量设备包括一个挤压滚轴80的轴承臂6。该滚轴80包括一个传感表面81和上表面82。该轴承臂6通过球形接头84连接于滚轴80，该球形接头位于滚轴80内部。为此轴承臂6通过上表面82和开口90，并且延伸通过滚轴进入区域89。

传感表面81和上表面82是球体的，两者在边83处相交并接触。该传感表面81相对于球形接头的中央偏离中心。因此，基于与滚轴8相同原因，滚轴80在接触点自动朝向表面法线的方向，该接触点在传感表面81和测量表面7之间。滚轴80的朝向对应于由中心形成的直线，该中心由传感表面81和球形接头84的中央界定。

方形支撑板87牢牢地连接于轴承臂6。两个电位计85固定于轴承91上的刚性面板，并且每一个电位计都包括一个测量轴86。该两个测量轴86分别沿着方形支撑板87的一侧延伸到轴承92和方形支撑板87的角落。测量轴86在上表面82上滚动。实践中，由于上表面82位于球形接头84的中心，因此当滚轴82绕着球形接头84转动时，电位计85的测量轴86仍然与上表面82接触。因此，经由电位计85，测量轴86能够测量滚轴80在垂直的两个旋转轴88上的旋转。因此，能够在三个维度测量滚轴80的方向和局部法线。

本发明不限于包含圆柱状或球形表面的滚轴。实践中，如果凸表面具有一个单平衡接触点，该接触点对应于最接近于转动方向的传感表面的点，传感表面可以是任何凸表面。

尽管结合了多个特定的实施例来描述本发明，但是很显然的是这没有限制本发明，并且本发明包括所描述装置的所有技术等同物，以及它们的结合物，条件是后者在本发明的框架之中。

动词“包含”或“包括”的使用，以及其结合形式的使用排除了除权利要求所申明的元件或步骤以外的其他元件或步骤的出现。除非另有说明，元件或步骤的不定冠词“一”或“一个”的使用没有排除多个这种元件或步骤的出现。

在权利要求中，不应当将括号中的任何参考标号理解为对权利要求的限制。

Claims (20)

1.一种定向设备，该定向设备用于相对于工作表面（7）的局部法向量定位传感探针（8，80），该设备包括：

一框架（4），

一移动支撑元件（6），该移动支撑元件连接于该框架，并且能够在预定的方向（13,14）中相对于该框架移动，

一能够围绕旋转轴（17）转动的传感探针，该传感探针与相对于支撑元件的接合点（9.84）的预定方向是非平行的，

压力装置（3），该压力装置能够移动，并且在该预定方向上对移动支撑元件生成一个力，以便将该传感探针压向该工作表面，

其特征在于，该传感探针包括一单独凸起的外传感表面（20,81），该单独凸起的外传感表面能够与该工作表面接触，该传感表面具有一单平衡接触点，该单平衡接触点是传感表面上最接近接合点的点，在平衡接触点的高度上，相对于该传感表面的曲率中心，该单平衡接合点偏离中央位置。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该传感表面具有一围绕回转轴（12）的回转形态（20），该回转轴（12）平行于旋转轴（17），该回转轴与旋转轴间隔分离。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，该传感探针包括

一把手（21），该把手包括一连接于支撑元件的接合点的第一部分（23），并且该第一部分限定了该旋转轴，该把手还包括一第二部分（24），该第二部分平行于该第一部分，并且与该第一部分偏离以限定回转轴，以及

一具有传感表面的滚轴，该滚轴能够相对于把手的第二部分在滚轴上转动，以在工作表面上滚动。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该传感探针能够在第二旋转轴上转动，该第二旋转轴与支撑元件的接合点（84）的预定方向是非平行的，该第二旋转轴垂直于该第一旋转轴。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，在传感探针和支撑元件之间的接合是一球形接头（84）。

6.如权利要求4或5所述的设备，其特征在于，该传感表面（81）大体上为球冠状，该传感表面的中心偏离接合点（84）。

7.如权利要求4到6中任一权利要求所述的设备，其特征在于，该设备还包括一第一角度测量元件（85）和第二角度测量元件（85），两者都能测量传感探针的第一和第二旋转轴相对于相应参考位置的角位移，并且，其中，该传感探针包括一第二球冠状的测量表面（82），该球冠位于接合点的中央，

该两个角度测量元件都包括一测量杆（86），该测量杆的圆柱形旋转曲面与测量表面接触，一旦传感探针旋转，每一测量杆都能够围绕其中一根旋转轴转动。

8.如前述任一权利要求所述的设备，其特征在于，移动支撑元件滑动的预定方向大体上与工作表面垂直。

9.如前述任一权利要求所述的设备，其特征在于，该设备还包括一沿着工作表面设置的导轨，以便安装框架（4）在该导轨上移动。

10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，该设备还包括一连接于传感探针的跟随部件（60），包括压力装置的框架能够将该跟随部件压在台阶表面（52）上，该台阶表面将工作表面的两个部分分开，该跟随部件牢固地附着于传感探针（8）上，以便当传感探针旋转时跟随转动，并且保持该传感探针距离台阶表面一定的距离。

11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，该设备包括在滑动方向（13,14）、前进方向（15）和冲压方向（70）中移动该传感探针的装置，该前进方向和该冲压方向都与该滑动方向垂直，该压力装置适于在冲压方向上挤压跟随部件，并且该前进方向和该冲压方向垂直。

12.如前述任一权利要求所述的设备，其特征在于，该框架还包括一位置传感器，该位置传感器适于测量框架和工作表面之间的距离。

13.如权利要求1到12中任一权利要求所述的设备，还包括一距离传感器（95），该距离传感器适于测量前进方向（15）中相对于工作表面的距离，该传感器（95）设置在设备的一个点上，该点位于工作表面和外传感表面之间的接合点的上方。

14.如权利要求1到13中任一权利要求所述的设备，还包括一角度测量元件（85,33），该角度测量元件适于相对于参考位置测量传感探针的旋转轴的角位移。

15.如权利要求7或14所述的设备，其特征在于，角度测量元件（33，85）是从电位器、增量编码器、电感式传感器、比较器和光学三角测量传感器中选择出来的。

16.如权利要求14或15所述的设备，其特征在于，该角度测量元件包括一轴，该轴通过经由连接的传感探针围绕旋转轴的旋转而驱动，该连接选自弹性连接（39,40）、直接连接、轮系连接（42,43）、齿形皮带连接（44，,45）以及摇杆系统连接（45,46,47）所组成的集合。

17.如权利要求14所述的设备，其特征在于，该角度测量元件包括一测距仪（64,68），该测距仪以这样的方式设置以便探测与传感表面相对的滚轴（8）上表面的位置，该传感表面在移动支撑元件（6,29）的参考系中的。

18.如权利要求14所述的设备，其特征在于，该角度测量元件包括一凸轮（71）和一测距仪（64,68），该凸轮连接于传感探针，以牢固地围绕旋转轴（17）上的传感探针旋转，该测距仪以这样的方式设置以便探测在移动支撑元件（6,29）中的凸轮表面的位置。

19.如权利要求1到16中任一权利要求所述的设备，该设备还包括一工作表面处理工具（55），该工作表面处理工具能够根据传感探针的旋转，围绕旋转轴旋转。

20.如权利要求17所述的设备，其特征在于，该传感探针（8）仅仅能跟随旋转轴（17）旋转，该传感表面（20）关于回转轴（12）回转，该回转轴平行于旋转轴（17），该回转轴与旋转轴分开放置，该传感探针包括一把手（21），该把手包括一连接于支撑元件的接合点的第一部分（21），并且该第一部分限定了该旋转轴，该把手还包括一第二部分（24），该第二部分平行于该第一部分，并且与该第一部分偏离以限定回转轴，并且其中，该把手的第一部分包括一支撑件，并且该处理工具（56）牢固地连接于该支撑件，以围绕该把手旋转。