CN104246422B - 用于测量机、尤其是坐标测量机的传感器部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量机的传感器部件，该传感器部件具有带有用于表面光学测量的探测件(2)的探测部件；带有板状基体(8)的探测件容纳部(3)；以及具有包括接触该基体(8)的至少一个轴承的探测部件容纳部(5)的传感器壳体(1)，该轴承具有至少一个限定的接触点，通过所述接触点所述探测部件以能相对于探测部件容纳部(5)移动的方式连接。传感器壳体(1)在其壳体接合侧具有用于与测量机连接的接合部(4)，并且至少部分包围在基体(8)处的探测部件，其中该基体(8)承受指向探测件(2)的力。探测部件容纳部(5)在传感器壳体(1)内与接合侧相反设置并且具有至少一个轴承，该探测部件的基体(8)设置在接合侧和探测部件容纳部(5)之间。在接合侧和该探测部件的基体(8)之间设有居中的柱形或轴形的压缩弹簧(7)，压缩弹簧将基体(8)压靠到所述至少一个轴承上并且具有沿其纵轴延伸的光纤。

Description

用于测量机、尤其是坐标测量机的传感器部件

技术领域

本发明涉及用于测量机、尤其是坐标测量机的传感器部件。

背景技术

在许多应用领域需要很精确地测量物体表面，并且由此也测量物体本身。这尤其适用于制造业，工件表面的测量和检查对制造业来说是至关重要的。为此有许多做法，其范围涉及从接触方法到利用电磁辐射来测量的光学传感器。

通常，专用于各自测量任务的传感器部件此时通过连接部件被安装在测量机上。这样的传感器部件一般具有包括探测件的探测部件，该探测件被引导经过待测表面，并且在通过触觉方式来执行的情况下接触该表面并在产生或保持接触的情况下来测量该表面。在所谓的接触方法中或接触触发式探测中，通过产生与该表面的机械接触来触发切换过程。这样的解决方案例如由EP1617171所公开。

但作为替代或补充，也可执行非接触式表面光学测量，此时，探测件具有用于测量辐射的光路并且朝向表面发出该辐射并再次接收它。

对于这两种测量方法，由于探测件的配置，不希望有的或者就碰撞意义上的与极大的力相关联的接触是不利的并且要加以避免。一方面这可通过在探测部件运动过程中的低速和低加速度来实现，尽管这因此造成较长的测量时间。因此在现有技术中已知通过其设计给传感器部件配备防撞保护功能，这种防撞保护功能在意外方式的表面接触情况下通过倾斜或释放探测部件来避免或减轻传感器部件或者待测工件的损伤。

为此在现有技术中采用最多的是以机械或电磁方式将探测部件吸引至探测部件连接机构的轴承的传感器部件，力方向远离探测件并指向与测量机的连接机构的方向，这也被称为所谓的z方向或z轴。这种布置允许利用电磁体或永磁体和弹簧的简单构造。在横向碰撞情况下，探测部件因此可相对于探测部件连接机构发生倾斜，并且在启动反向运动之后被释放或是被再卡接回来。

例如EP2161536公开了一种用于测量机的具有防撞保护功能的光学传感器，其包括传感器侧接合件，用于以机械和光学方式连接至测量机以及传感器部件。该传感器具有传感器保护连接机构作为防撞保护，包括在测量机侧的接合部和在传感器部件侧的接合部，通过磁体吸力或拉动，即，预紧的拉伸弹簧来实现所述连接。在碰撞情况下，通过倾斜断开所述连接机构。光波导在传感器保护连接器的连接件之间引导延伸，该波导被波导保护件包围，该波导保护件的端部被固定在传感器保护连接机构的相关接合件上。

但这种装置的缺点是缺少在z方向即探测件纵轴方向上的防撞保护，或者只有轻微的防撞保护作用，因而在垂直运动分量较大的情况下出现损伤。如上所述，这样的现有技术解决方案可能在回折时例如在光纤情况下导致零部件卡死，因此必须对光纤再次采取保护性预防措施。而且，现有的解决方案不允许有效阻尼分离过程或倾斜过程。

发明内容

一个目的是提供一种改进的传感器部件，该传感器部件用于对表面进行光学测量或者用于对表面形貌进行检测。

另一个目的是提供这样一种传感器部件，该传感器部件在沿接触表面的探测件的纵向上具有改善的防撞保护。

又一目的是提供在探测部件和探测部件容纳部之间的改进的测量线保护。

最后，本发明的目的是实现对探测部件和探测部件容纳部的相对运动的抑制。

将传感器部件构造成，使得装载有探测件的探测部件不再被吸引到对应于测量机连接机构的探测部件接合侧，而相反经历远离该侧的力。为此该传感器部件的壳体如此形成，它至少部分地包围探测部件基体，其被用于可活动或可分离地连接至探测部件容纳部，从而传感器部件具有探测部件容纳部，其与用于连接至测量机的接合侧对置。在探测部件容纳部和接合侧之间设置该基体并通过在探测部件容纳部的和进而探测部件的方向上的力受压。此时，该基体由至少一个轴承容纳，该轴承设置在探测部件容纳部上，其为此可以以环形方式构成。

根据本发明，在探测部件容纳部的方向且进而在探测部件的方向上作用的力通过居中地布置的柱状或心轴状的压缩弹簧来施加，该弹簧内部具有光纤，光纤被用于将测量光引导到所述表面上，进而测量该表面。通过中心引导，附加地还保证了在所有方向上的相同类型的不受限制的活动性。另外，避免当探测部件基体被卡接回来时发生纤维被夹住的危险，并且该纤维因为其中心引导而只需要具有小的纵向移动能力。根据本发明的这个解决方案因此可避免用于纤维的单独保护件。压缩弹簧也可等同地用环形布置的多个单独弹簧来代替，只要它们同样保证在内部引导纤维。压缩弹簧也同样可被制成锥形或其它形状，其基本围绕纤维并产生导槽。通过这种引导，一方面可实现纤维在中心轴内引导，从而能在所有方向上以相同方式发生倾斜运动。另一方面，利用合适的构造，例如利用相对小的斜面，弹簧也可执行对纤维的保护作用，因为它能防止纤维向外即在中心轴线外移位以及另一构件进入压缩弹簧所限定的中心导槽。

此时该结构的作用是，用于固定或连接的力同时允许在z方向即探测件纵轴上且指向测量机连接机构的运动并对此施加制动反作用。

通过在探测件方向上的力作用，在其纵轴上作用的碰撞还可被吸收而未出现损坏。在此情况下，基体可有利地包括安置在轴承中的柱体或滚子，其两个接触点由两个弹簧加载的球或滚子限定。根据在基体或者其柱体和轴承的球之间的可允许的相对运动的设定，该布置结构能以用于光学探测的单纯的防撞保护机构形式构成，或者也还可以以开关测头(即，接触触发测头)的形式构成。

由此，传感器部件因此具有探头或探测件的在三个方向即所谓的x、y和z方向上的弹簧辅助轴承。不同于现有技术的传感器部件，本发明可实现的在z方向上的运动空隙大到足以允许也在此方向上的真正的防撞保护。另外，作用力的弹性特性造成作用的碰撞力的制动和动态容纳。在光学系统情况下并且当使触感系统移动到其初始位置时，可以实现较高速度，因为也可应对因竖向移动引起的碰撞。

还有利的是给装有探测部件基体及其轴承的传感器壳体部分填充油或具有阻尼效果的其它流体介质，因为由此可以保证高回复精度。因此，填充油也减少了校准需求。

根据前序部分类型的传感器部件相应填充油或其它流体介质还是一个独立的发明，其可以独立于居中布置的柱形或心轴形的压缩弹簧来实施。尤其是所述基体和如前序部分所限定的类型的传感器部件的至少一个轴承设置在该传感器壳体的油填充部段的特征可以与不一定与居中布置的柱形或心轴形的压缩弹簧相关的权利要求特征相组合。

附图说明

以下将借助如图示意所示或作为附图示出的实施方式来单纯举例详细描述或解释根据本发明的传感器部件，具体说：

图1示出了本发明传感器部件的第一示例性实施方式的视图；

图2示出了本发明传感器部件的第一示例性实施方式的传感器壳体和设于该传感器壳体中的部件的视图；

图3a至图3b示出了本发明传感器部件的第一示例性实施方式的设于传感器壳体中的部件的示意图；

图4a至图4c示出了探测部件相对于在本发明传感器部件中设于探测部件容纳部上的轴承的相对运动的示意图；

图5a至图5e示出了探测部件和轴承的本发明实施方式的示意图；和

图6a至图6c示出了用于光学接触测量的探测件的根据本发明实施方式的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的传感器部件的第一示例性实施方式的视图。传感器壳体包括光学和/或触感探测部件，该探测部件又由探测件2和容纳探测件的探测件容纳部3构成并且被用于表面测量，其中探测件被移动成与所述表面成接近关系，即，被引导至用于光学测量的最佳测量距离。在附加的或补充的切换实施方式情况下，此时也可实施为表面的直接接触。在这里，该探测件能以下端或者下部区域对该表面开始探测，或者在此区域内可以发出并再次接收测量光。

在传感器壳体1中布置有探测部件容纳部，该探测部件容纳部具有接触该探测件容纳部3的至少一部分的轴承，该探测部件并且进而探测件2借助于该轴承相对于探测部件容纳部或传感器壳体1以可移动的方式连接。在与探测件2对置的接合侧，传感器壳体1具有用于尤其以可分离的方式连接至测量机的接合部4。在此情况下，传感器部件一般安装在铰接臂的一构件上或可沿多个轴移动的套筒上，在这里，该传感器部件的更换及其安装或接合通常以自动化方式进行。

为了实现活动性，可在传感器壳体1的上部内设置长达几厘米的卷绕光纤，这在制造和维护过程中允许更高的灵活性。与测量机的光学连接可通过插接来产生，从而使得评估电路能保留在传感器部件之外。这种作为光学传感器部件的配置形式的一个例子可以在EP2194357中找到。

图2和图3a至图3b分别给出本发明传感器部件的第一示例性实施方式的传感器壳体1和布置在该传感器壳体中的零部件的细节示意图。传感器壳体1的内部设有探测件容纳部3的基体8，该基体被传感器壳体1或探测部件容纳部5包围。探测部件容纳部5以与接合侧对置的方式布置在传感器壳体1内并装载有至少一个轴承。可在探测部件容纳部5上构成朝向接合侧的接触面，尤其是环形接触面，用于容纳所述至少一个轴承。该轴承分别由两个球10形成，这些球之间具有间距并通过弹簧11保持就位。

基体8具有用作轴颈6的多个突出部或延伸部，它们例如呈柱状或滚子状。这些轴颈接触该轴承的两个球10，从而限定出两个限定的接触点。这些球10之间的距离此时匹配于轴颈6的直径。轴颈6在轴承内即在球10之间的位置中的运动受到止挡5a的限制。止挡5a确定了轴颈6进入球10的侵入深度和进而作用力以及该轴承的动力学和触发特性。

在球10和在静止状态下处于这些球之间的轴颈6之间，在接触点处实现导电连接，这种导电连接可通过弹簧11进一步延伸，从而可以通过电路的断开来检测轴颈6偏离轴承的情况。通过这种方式，电路结构既能在接触配置形式中记录下探测件2接触表面时的触发，也能识别碰撞事故。

有利地，基体8呈板状，即，相对于探测件容纳部3的其余区域具有增大的横截面的部分区域，并且具有以120°间距布置的三个轴颈6，每个轴颈对应一个轴承。这些轴承或者相关的轴颈6可以处于板状基体8的平面内或者与之平行的平面内。同样，也可避免板状设计，但无论如何可以实现相同类型的轴承，此时轴颈6可选地以较大长度来形成。但是，可以通过板状设计获得力学有利的稳定布置结构。

在此布置结构中，静态确定探测部件的轴承。但也可以采用与之不同的数量的轴承或者轴颈6。当测量机具有优先测量方向时或者当在测量方向或者碰撞过程方面有其它限制条件时，例如也可使用回转关节或者铰链来代替轴承和轴颈6的三种组合方式中的一种方式。

探测部件的基体8因此位于接合侧和探测部件容纳部5之间并且承受沿探测件2取向的力，该力由作为力产生元件的压缩弹簧7产生。因此，所述力作用在朝向该探测件端部的方向上，该端部在工作状态中整个朝向该表面或者朝向工件，即该力压靠探测件脱离与引导传感器部件的测量机载体部件的连接，从而导致在朝向表面的方向上作用的力，该力在接触时反作用于通过该表面所施加的力。由于该弹性配置形式，在此方向上产生该布置形式，在这里，由此产生的运动通过压缩弹簧7的反作用力被制动。

但代替压缩弹簧，也可以使用其它的力产生件，例如排斥布置的电磁体或永磁体或者气压件或液压件，其中这些应该优选被设计成具有探测部件或其基体8的弹性作用偏移特征。螺旋弹簧被用作居中地布置的柱形或心轴形的压缩弹簧带来以下的本发明优点，即，光纤或还有其它测量线可在其内即尤其在其纵轴内被引导。

为保证对运动的抑制和高重复精度，传感器壳体1的装有探测部件机构的那一部分填充有油或其它运动阻尼液。为了相对外部密封填充油的区域，传感器壳体1在底部用膜12封闭。此外，测量线可在尤其在压缩弹簧7内的居中的波纹管9中被引导。

除了作为光学触点4a的光纤插接连接部件，接合部4还可包括三个电触点4b，用于碰撞检测、用于连接至位于传感器壳体内的可读取的且优选可编程或重新编程的存储介质如EEPROM和用于接地。用于每个传感器部件的单独的数据或参数被存储在该存储介质或EEPROM中，例如序列号、光学探测功能的焦点位置、工作范围和探测件2的长度，从而使得作为所谓的智能探头的传感器部件在接合过程范围内完成其通讯连接之后提供其专用数据。在此情况下，存储介质同样可以通过电触点4b被外部读取或编程。而且，其它传感器部件或传感器，如温度传感器或惯性传感器也可设置在传感器壳体1内，或者可以通过相应的电路结构来整合接触式或者检测碰撞式测量功能。

图4a至图4c在示意图中解释了探头部件相对于安置在本发明传感器部件内的探测部件容纳部上的轴承的竖向相对运动。在图4a中示出用于防撞保护的状态，此时轴颈6完全接合到轴承中。现在，轴颈6的中点位于球10的中点的下方，所述球分别通过相关的弹簧11被固定在其位置上。但根据本发明，其它轴承部件也可被用来替代球10，例如两个滚子。轴颈6的稳定位置由呈凹窝状的止挡5a限定，从而利用球的两个接触点以及止挡产生滑动轴承。根据止挡深度和球10的半径以及轴颈6的半径的选择，轴承的触发特性可从坚固的防撞保护被调整到接触探头的不稳定平衡，所述防撞保护需要最小力使轴颈6分开并脱离轴承，而在不稳定平衡中，轻微接触的最小力作用已经导致轴颈6和两个球10中的至少一个球之间的电连接的分离，进而导致切换过程。

在与物体碰撞的情况下，这使得探测件2和进而探测部件在朝向接合部的方向上(即，在此竖向示出的z轴上)移位，探测件容纳部3的和因而轴颈6的运动也发生在相同方向上，它使后者相对于容纳部的球10抬起。图4b示出这种运动。在此状态中，虽然已经解除轴颈的机械固定，但电接触和因而电路还是因为轴颈6保持不变地与球10接触而保持闭合。允许轴颈6在保持点接触情况下实现运动的间隙例如允许物体略微掠过，其中通过探测件2的可允许偏移来避免损伤，但没有同时探测碰撞。因此有一定的允许接触范围。但如果运动超过由球和轴颈半径和止挡深度预设的容许程度，如图4c所示，则导电接触被断开，从而检测到碰撞现象，并且驱动装置被关闭或其运动方向被反转。因为有用于进一步向内弹动的剩余间隙，故可避免损伤。为了控制这样的运动过程，所述传感器部件或测量机可包括如此形成的转换机构，即，该电路因探测件2接触该表面的断开作为接触转换过程被记录下来。

为实现使得传感器部件沿三个轴进行运动的稳定的和静止的轴承，如此构造该探测部件容纳部，即它具有接触基体或其轴颈6的三个轴承，所述轴承以彼此间有120°角间距的方式布置在平行于基体的一个平面内。

包括轴颈6和轴承的探测部件的本发明各实施方式将如图5a至图e示意所示。

图5a示出了图4a至图4c所使用的轴承布置形式，此时止挡5a包括用于轴颈6的槽，使得中点，即轴颈6的纵轴线位于球10的中点以下。为了克服在轴承中的固定，必须使轴颈6向上移动一段距离，此时轴颈保持与球10的电接触。在此情况下，球10必须在轴颈运动过程中执行轻微侧向运动，因此必须提供用于此的相应间隙。

图5b示出这样的布置形式，其中，轴颈6的中心点因为止挡5b的平坦表面而位于球10的中心点以上，从而只通过作用于探测部件基体的基座上的力来实现在轴承中的固定。即便小的偏移也导致电路断开，从而可以识别探测件在待测表面上的轻微接触，并且可产生相应的信号。与此同时，通过此布置形式获得如上所述的防撞保护。在此情况下，可以例如通过考虑附加信息来区分既定接触和偶然碰撞。如果例如当接近待测工件时，在位于工件空间体积之外的空间范围中探测到接触，则这被评定为碰撞。由此，在力学相同设计情况下，这样的布置可根据工作状态或其它信息被用于接触测量功能和碰撞检测。

原则上，也可为轴颈6和球10选择相同的直径，或者轴颈6可形成有椭圆形横截面，如图5c所示。如果中点和接触点位于与在探测件2方向上作用的力的矢量垂直的平面内，则在不考虑该力的情况下，实现不稳定平衡，该不稳定平衡的特点在于接触点处的摩擦。

如图5d所示，代替两个球或滚子，所述两个接触点中的一个接触点也可以由被用作止挡5c的成型部10’的曲面来形成。

同样，弹动轴承不仅可利用带有在探测件方向上取向的弹簧的球10来实现，也可通过垂直取向的或以不同角度取向的弹簧11’来实现，如将在图5e中解释的那样。

图6a至图6c示出了用于光学和接触测量的探测件的示例性实施方式的示意图，其中，探测件的这种配置也可与本发明传感器部件无关地实现。在此情况下，具有用于光学测量的光束引导功能的探测件2也装载有用于表面接触测量的球13、13’或13”。球13、13’或13”具有用于光束引导机构的孔，该孔如图6a所示被构造成在球13内的开口，所述球作为用于光束引导机构的光学零部件，如光纤的端部来构成，从而使得测量辐射不必被以光学方式引导穿过球材料。

但同样，用于光束引导机构的零部件的端部也可被偏移地布置到球13’的内部，如图6b所示，从而使得至少一部分光路移动到球内部，但此时光束引导部关于球13’的材料以自由辐射光学件形式实现，即它没有照透所述球。

最后，辐射也可被引导穿过球13”的材料，从而实现向外连续的封闭。但这要求球13”或者其材料能透过光学测量所用的波长。在此情况下，球13”的曲率也可以被用于形成测量辐射的光束。

Claims (18)

1.一种用于测量机的传感器部件，该传感器部件至少具有：

-探测部件，该探测部件具有用于对表面进行光学测量的探测件(2)和带有基体(8)的探测件容纳部(3)，

-传感器壳体(1)，该传感器壳体具有包括至少一个轴承的探测部件容纳部(5)，所述轴承接触所述基体(8)并具有至少一个限定的接触点，借助于所述接触点，所述探测部件被连接成能相对于所述探测部件容纳部(5)移动，

其中，

-所述传感器壳体(1)具有接合侧，该接合侧带有接合部(4)，用于连接至测量机，

-所述传感器壳体(1)至少部分地包围所述基体(8)上的所述探测部件，并且沿所述探测件(2)取向的力被施加给所述基体(8)，

-所述探测部件容纳部(5)以与所述接合侧对置的方式位于所述传感器壳体(1)内并且装载所述至少一个轴承；并且

-所述探测部件的所述基体(8)被布置在所述接合侧和所述探测部件容纳部(5)之间，

其特征在于，在所述接合侧和所述探测部件的所述基体(8)之间居中地设置有柱形或心轴形的压缩弹簧(7)，该压缩弹簧将所述基体(8)压靠在所述至少一个轴承上，并且所述压缩弹簧包括沿该压缩弹簧的纵轴引导的光纤。

2.根据权利要求1所述的传感器部件，其特征在于，所述探测部件还被构造成用于对表面进行触觉测量。

3.根据权利要求1或2所述的传感器部件，其特征在于，所述探测部件容纳部(5)具有面向所述接合侧以用于容纳所述至少一个轴承的接触面。

4.根据权利要求1或2所述的传感器部件，其特征在于，

·所述基体(8)包括至少一个带有曲面的轴颈(6)，用于支撑在所述轴承的所述至少一个接触点上，并且

·所述至少一个轴承包括至少一个弹簧加载的球(10)或滚子，用于限定所述至少一个接触点。

5.根据权利要求4所述的传感器部件，其特征在于，所述至少一个轴承包括至少两个弹簧加载的球(10)。

6.根据权利要求1或2所述的传感器部件，其特征在于，所述至少一个轴承以滑动轴承的形式构成。

7.根据权利要求1或2所述的传感器部件，其特征在于，所述探测部件容纳部(5)具有接触所述基体(8)的三个轴承，所述三个轴承以彼此间隔开120°的角间距的方式布置在平行于所述基体(8)的平面内。

8.根据权利要求1或2所述的传感器部件，其特征在于，由所述基体(8)与所述至少一个接触点的接触来限定闭合电路。

9.根据权利要求8所述的传感器部件，其特征在于，所述闭合电路经由所述接合侧的电触点(4b)穿过所述接合侧被向外输出以便进行评估。

10.根据权利要求8所述的传感器部件，其特征在于，设有电路结构，该电路结构被构造成使得由于所述探测件(2)接触所述表面而造成的电路断开能作为接触转换过程和/或碰撞被记录下来。

11.根据权利要求1或2所述的传感器部件，其特征在于，在所述传感器壳体(1)内布置有用于提供所述传感器部件的参数的可读取的电子存储介质。

12.根据权利要求1或2所述的传感器部件，其特征在于，所述基体(8)和所述至少一个轴承被布置在所述传感器壳体(1)的被油填充的部分中。

13.根据权利要求12所述的传感器部件，其特征在于，设有中央的油密波纹管(9)，用于轴向引导所述光纤。

14.根据权利要求1或2所述的传感器部件，其特征在于，所述探测件(2)包括用于对所述表面进行光学测量的光束引导机构和用于对所述表面进行触觉测量的球(13,13’,13”)。

15.根据权利要求14所述的传感器部件，其特征在于，所述球(13,13’,13”)具有用于所述光束引导机构的孔。

16.根据权利要求1所述的传感器部件，其特征在于，所述传感器部件用于坐标测量机。

17.根据权利要求1所述的传感器部件，其特征在于，所述接合部(4)用于以可分离的方式连接至测量机。

18.根据权利要求1所述的传感器部件，其特征在于，所述探测部件还被构造成呈开关测头的形式。