CN104729438B - 机动化倾斜测量头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机动化倾斜测量头。一种用于将探针相对于测量设备进行定向的铰接测量头包括：直线齿形鼠牙盘离合器，用于为两个正交转动体提供高分辨能力的分度，以及高级引导系统，当直线齿形鼠牙盘离合器空闲时，该高级引导系统用于确保精确的旋转控制，并且当它们夹在一起时，用于确保精确的分度。本发明的铰接头具有使用高精度编码器的、嵌入的动态控制器，和由电容传感器提供的碰撞检测。

Description

机动化倾斜测量头

技术领域

本发明具体实施方式中涉及用于坐标位置和测量系统的附件的技术领域，并且特别但不唯一地，涉及一种铰接的机动化头，其被设计为用在测量坐标的机器上，优选为用作自动可编程类型的机器上。

背景技术

接触探针和扫描探针都是测量工具，其与坐标测量机(CMM)一起被用于例如机械部件的生产线中，以测量和检查机器部件的尺寸和表面状态。接触和扫描探针还用于捕获复杂部件的三维形状以便对其建模或复制。探针通常包括测量头和活动触针，该测量头被设计为紧固在测量机的臂上，该活动触针包括位于细长杆端部的球体并被设计为与被测部件接触。

在大部分应用中，接触探针被固定在机器的活动臂上，其空间位置可以通过手动或自动测量系统，比如位于机器的轴上的位置编码器来精确地确定。该活动臂在空间中能够移动，以使得探针的测量触针与被测量部件或表面接触。在接触期间，对触针施加偏转力(deflective force)，以使其远离其初始静止位置。传感器响应于该触针的轻微位移而生成电信号，该电信号被以光信号的形式发送给使用者，或被发送到机器的控制软件，该控制软件基于测量系统的数据来确定接触点在给定参考系内的坐标。为此，现有技术中使用机电传感器或光传感器，或基于不同原理的移动传感器，比如包括约束仪(constraintgauge)的传感器。

同样已知，与CMM、非接触探针或图像传感器一起使用，以可视地获取机械部件的坐标和尺寸。这些非接触探针可以基于激光干涉仪，三角测量，或任何其它合适的无接触的测量方法。

在某些应用中，高级机械加工中心可以配备坐标或图像探针，以达到在机械加工操作期间或刚刚结束机械加工操作之后，测量机械零件坐标的目的。

当探针用于测量形状复杂的部件时，如具有空腔和凸出部，在测量头的固定部件或触针杆不干扰待测部件的元件的情况下，很难或不可能使得触针与部件的整个表面接触。为了避免这种不便，已知的铰接测量头可允许接触触针在空间中沿多个方向定向。通常，需要有两个独立的旋转轴，以覆盖所有可能的方位。欧洲专利申请EP0392660中介绍了这种类型的工具。

改变探针倾斜度的能力还能够减少CMM的移动，因而提高了测量速度，并且沿最有利的轨线靠近待测量表面。铰接头可以是手动致动，但是，当测量复杂部件时，则期望的是测量头能够机动化，以便基于来自测量机器的控制程序的命令自动定向探针的触针。为此，通过电磁致动器，例如发动机或伺服电动机执行触针的轴的旋转和锁定，发动机或伺服电动机移动分度表面(indexing surface)并且使轴旋转，其能够依据预定的次序自动改变探针的倾斜度。

还已知的铰接头的以下例子，其中铰接被分度，从某种意义上讲，提供了足够多但有限数量的、预先确定的且可精确重新定位的静止位置，或者能够连续旋转。通过互相接合并限定期望的静止位置的分度表面能够实现触针旋转轴的分度，例如通过其中接合有三个销的球冠。这种类型的分度机构的例子在欧洲专利申请EP1443299和EP1666832中提出。

现有的机动化头，特别是可分度的机动化头以及连续变化的机动化头部分具有的一个限制在于，当该头未被锁定时，难以精确地确定各个绞接的角度位置。这种不确定性会导致探针或头和加工件之间的不必要的冲突(碰撞)。

另一个限制在于，致动和锁定系统会受到探针触针的惯性与不平衡的负面影响，特别是在经常发生的当测量探针被装在大尺寸杆的顶端时。

进一步地，也难以提供一个具有精细分辨率，即大量精确限定的分度角的分度铰接头。随着角度停止的数量增加，事实上，分度表面的尺寸必须减少，这会导致更高的制造费用。

由于必须要校准和测试的结构的数量变得更大，因而，以更长的和更复杂的校准为代价来换取分度步骤的减少。还观察到，当铰接头被锁定时，此时所设置的角度经常不等于标定的预定值。当分度的铰接头被锁定时，还需要将分度铰接头精确地设置在相同的位置内，从而提高测量的精确度并且减少周期性校准的需要。

已知的机动化铰接头通常由外部控制单元控制，该外部控制单元通常被放置在CMM的控制器的附近，并通过合适的线缆连接以便接收和发送控制信号。考虑到坐标测量机的实际尺寸以及需要提供伸长的松弛的电缆以适应头的所有可能的移动，需要充分考虑线缆的长度，某些情况下要到达或超过50m。这种长电缆连接会限制发送的信号，特别是模拟信号的精确度以及信号传送速度。该控制器还为探针头提供能量。

发明内容

本发明的目标是提供一种具有多数量的分度配置的改进的铰接头，与现有技术的设备相比，其更精确且其设定能够更加精确地重复。

本发明的另一个目标是提供一种铰接测量头，当其未被锁定时，能够更好地控制转动体的运动。

进一步地，本发明提供一种铰接测量头，其与此前的已知设备相比，对附件的惯性比较不敏感。

依据本发明，这些目标通过本发明的对象来实现。

在以下描述中，术语“在……之上”，“在……之下”，“垂直于……”和其它相似的词汇是依据本发明的铰接头的惯用取向而使用，如在附图中所示。然而，应重点意识到，本发明铰接头可以被用于空间内的任何取向，这些术语被使用仅仅是用于使得描述更加易懂，并不对本发明具有任何限制。

附图说明

通过以示例方式给出并以附图显示的实施例的说明，可以更好的理解本发明，附图中：

图1和图2示意性示出了根据本发明的一个方面的铰接头。

图3是图1中的铰接头处于锁定状态下的截面图。

图3a是先前图中所示的根据本发明的导向和锁定机构的细节放大图。

图4示出了图1中的铰接头在解锁状态下的截面。

图5示出了用于确保前述图中头部一个转动体的旋转的致动器，为了提高可读性，移除了一些元件。

图6a、图6b和图6c示意性示出了根据本发明一个方面的电容碰撞传感器。

图7示意性示出了根据本发明一个方面的电子控制单元和铰接头元件之间的关系。

附图标记

A 旋转轴线

B 旋转轴线

10 铰接头

15 连接螺杆

20 支撑元件

23 直线齿形鼠牙盘离合器(Hirth coupling)

24 轴

25 承窝

28 球轴承

29 弹簧

30 第一转动体

31 马达

32 滑动轴承

33 直线齿形鼠牙盘离合器

34 滑动轴承

35 拉杆

36 马达支撑件

37 滑动销

38 编码器

39 插销

40 杠杆

41 马达

42 滑动轴承

43 直线齿形鼠牙盘离合器

44 滑动轴承

45 拉杆

46 马达支撑件

48 编码器

49 插销

50 第二转动体

53 直线齿形鼠牙盘离合器

54 轴

55 承窝

59 弹簧

70 连接器

80 电子控制单元

85 马达控制器

91 碰撞检测器的上部元件

93 上部元件的传导轨道

94 下部元件的传导轨道

95 碰撞检测器的下部元件

98 上部元件的传导轨道

100 电源和/或数据总线

120 温度探针

132 加速仪

136 陀螺仪

140 加热器

150 EEPROM

210 外部控制器

300 CMM监控器

具体实施方式

在具体实施方式中，本发明的铰接头10能够呈现如附图1中所描述的结构，附图1示出了螺杆15，其适用于将铰接头10的头的支撑元件连接到坐标测量机的活动平台，比如，在给定测量空间中能够依据三个坐标轴XYZ进行移动的平台。当然，在优选的等同方式，可以用其它的合适紧固装置来代替螺杆。

因此，在操作中，支撑元件20牢固地附接至坐标机的活动平台或另一个相似的定位系统的活动平台。第一活动元件或转动体30可旋转地连接至支撑件20，并能够沿竖直轴“B”进行转动。如将在随后描述中看到的，第一活动元件30可以被置于锁定状态，其中其被牢固地放置于多个分度角度位置中的一个分度角度位置，或者被置于解锁状态，此时它可以绕“B”轴线旋转。活动元件30的锁定、解锁和旋转可以由铰接头内部的合适的自动致动器来确定。

本发明的这个特定具体实施方式包括第二活动元件或转动体50，其可旋转地连接至第一活动元件30并能够绕垂直于轴线“B”的第二旋转轴线“A”(因此在图中是水平的)转动。第二活动元件也可以和第一活动元件一样被置于锁定状态或解锁状态。在所描述的变型例中，一个共用致动器同时设定第一和第二转动体30和50两者，从而使它们仅能够同时被锁定和解锁，但是也可以设置两个独立致动器，允许可选地和分别进行锁定和解锁操作。一旦处于解锁状态，在单独致动器的驱动下，优选的转动体30和50能够绕其对应的轴独立转动。

第二转动体50承载连接元件70以用于联接例如接触探针、扫描探针的测量工具，例如激光探针或摄像机的非接触测量工具，或任何其他合适的测量装置。

附图3、3a和4示出了本发明的铰接头的剖面图，具有分别处于锁定和解锁状态的转动体。支撑元件20包围轴24，该轴朝着第一转动体30向下突出并限定了第一转动体30的旋转轴线“B”，第一转动体事实上通过靠近轴24上端的第一滑动轴承32和沿着轴24向下的第二滑动轴承34而与轴24连接。重要的是，轴承被设置成允许转动体30在设定限制内能够相对于轴进行旋转和轴向滑动。因而，当需要解锁并旋转转动体30时，转动体30能够被从支撑元件20拉开，或者推到抵靠支撑元件以便锁定它并阻止它旋转。滑动轴承32和34可以被其它同时允许旋转和滑动的合适的轴承系统所替代。

通过在空心的轴24内沿轴向延伸的杆35来对第一转动体执行锁定和解锁操作，所述杆与杠杆40相链接，杠杆40进而由合适的自动致动器操作，比如电动马达，其未在附图中显示。在第一位置，如附图3中所示，杆35处于张紧状态并且将承窝25中的插销39向下拉动，承窝25进而由弹簧29支撑。杆35产生的净效应将第一转动体30推至抵靠支撑元件20，从而将它锁定到位。锁定力由杆35的行程和弹簧29的弹性常数确定，并且通常约为100N。

另一方面，当杠杆40被移动至附图4中所显示的位置时，杆35的张力减小，弹簧29也不处于张紧状态，转动体30被允许从支撑元件移开，使得它能够绕轴线“B”旋转。值得注意的是，解锁动作是独立于重力方向的。事实上，若铰接头在最低位置处安装有支撑元件20，则杆35的推力就足以确定地将转动体从支撑件举起。

能够获取转动体30相对于支撑件的精确的分度位置，这是因为，在锁定状态时相互接触的转动体的部件和支撑件的部件具有多个相互锁定的定位元件，它们接合在一起限定了多个预定的分度方向。

优选地，如附图的例子中所示的，支撑件具有一组固定的定位元件23，并且第一转动体具有一组活动定位元件33，包括在两个环形的锥形相互啮合的齿中，它们分别位于支撑件20的下表面上和转动体30的上表面上。这一装置是已知的直线齿形鼠牙盘离合器，可以被制作成非常高的精度，从而提供例如显著地小于5°的角度步长的分度位置，比如2.5°，2°，或更小的角度。相对于铰接探针头中惯用的均衡六点联接(isostatic six-pointcoupling)，精确的直线齿形鼠牙盘离合器在夹在一起时能够提供更高精确度的分度和非常刚性的联接。但是，其它的可分度联接也是可能的。

依据本发明的一个重要的方面，当转动体被锁定时，下轴承34比更靠近直线齿形鼠牙盘离合器的平面的上轴承具有更大的游隙。同样，上轴承32比下轴承34的直径大。使用这种方式，分度位置完全取决于直线齿形鼠牙盘离合器的自动定心特性，并且消除了因轴24和轴承34与32之间的容差所造成的任何误差。

在解锁状态，通过电动马达31保证转动体30的旋转，电动马达31作用于紧固至轴24的固定齿轮，由此当电动马达31被驱动时，其与转动体30一起移动。优选地，马达31不是刚性地固定在转动体内部的固定位置上，而是被安置在马达支撑元件36上，其通过球轴承28的装置可旋转地被安装在轴24上。马达支撑元件36通过滑动接头(sliding joint)与转动体30相连接，在附图的示例中，该滑动接头通过在支撑件36的合适的开口内滑动的转动体30的销37而形成。

优选地，滑动接头在锁定位置具有确定水平的游隙。由此，当转动体30被锁定时，马达31实质上从转动体30脱开。因而，分度精度和转动体不会发生改变，并且将转动体设置在在分度位置内并不意味着在马达30及其动力传动系统上存在不适当的压力。另一方面，当转动体被解锁时，滑动销37允许以最小的延缓(minimal slack)来驱动转动体30旋转。

马达支撑件也承载着角度数字编码器38，其由合适的传动元件驱动，因而能够确定转动体30相对于支撑元件20的角位置。优选地，编码器具有0.1°或者更高的精度。

以与上述第一转动体30相似的方式，第二转动体50连接到轴54，该轴54由滑动轴承42和44支撑，前者靠近由直线齿形鼠牙盘离合器43、53所确定的分度平面，后者离得较远并具有更大的游隙。通过杠杆40的第二臂、杆50、插销49、承窝55和弹簧59，第二转动体50与第一转动体30的锁定同时进行。如前面的例子一样，锁定动作独立于重力。

第二转动体的旋转由安装在第二支撑元件46上的第二伺服马达41来保证，该第二支撑元件46类似于第一支撑元件36而布置，以便不改变直线齿形鼠牙盘离合器的精度。还设置有第二编码器用于读取第二转动体50相对于第一转子30的角位置，但其在附图中未示出。

本发明的铰接头还包括可编程电子控制单元80，其用于驱动致动器，该致动器锁定和解锁转动体30、50并将它们设定为旋转。

根据本发明的一个重要方面，可编程控制单元(也使用PCU来表示)可操作地布置成移动转动体30和50，使得在将直线齿形鼠牙盘离合器夹在一起之前，它们就能够精确地与一个分度位置对齐。已知的是，尽管直线齿形鼠牙盘离合器被设计为始终被设置在相同的分度位置，但是能够增加精度，并且只有当相应的齿良好地对齐(优于分度步长的一小部分)才允许它们靠近从而避免了联接面的磨损。为了实现该期望的功能方式，重要的是编码器能够以显著优于分度步长的分辨能力(比如低于分度步长的5％)给出转动体的位置。

附图7示意性示出了控制单元80和独创枢轴(inventive wrist)的若干元件之间的关系。控制单元80通过数据和电源总线100连接至外部控制单元210，该外部控制单元进而连接至CMM300的监控系统。可选地，测量头可以直接由CMM供电，在这种情况下，总线100专用于数据传输，若合适并且方便的话，可以通过无线链接来实现。控制单元80负责控制分别链接至上述的旋转轴线“B”和“A”的电动马达31和41的运动，并且负责实时读取由相关的编码器38和39提供的数值。提供给马达31、41的命令由合适的马达控制器85处理，该马达控制器85生成以期望速度操作马达时所需的电源信号。

可编程控制单元80接收位置编码器38、48的数字信号，并且依据它所接收到的位置指令来指示马达精确地定位两个轴。对PCU进行编程以便考虑空间内的销轴(wrist)的取向以及所连接的外部负载，从而调整由马达所施加的扭矩。特别地，销轴的取向可以由包括在测量头内的加速计132和/或陀螺仪136提供。在探针头内集成PCU能够提供控制周期内更快的反应时间和定位时的更高精度。

优选地，控制单元80实现铰接头和工具的适应性动态模式，将测量工具的质量和惯性还有测量头在空间内的取向考虑在内，以便依据预定的速度分布图(speed profile)来精确的控制转动体30和50从一个分度位置到另一个分度位置的运动。优选地，控制单元80被配置用于通过加速计132来测量瞬时重力和动态力，并且在运动周期开始时从由马达引出的瞬时电流中导出动态力，并且基于这些量值对动态模型施加动态补偿。通过这种方式，能够得出铰接头的取向的变化和加速度的变化。

优选地，控制单元80还包括两个非易失存储器150，比如EEPROM，其可以被进一步划分为多个逻辑存储区域，比如，一个区域用于记录枢轴的操作参数，另一区域专用于在探针精确定位时所使用的附加校准数据。若适当的话，存储器150可以包括多个物理存储芯片或存储设备。

如上所述，在使用时，本发明的探针头配备有附接于连接器70的测量探针，例如，接触触发探针，扫描接触探针，或者非接触探针。可选地，控制单元80也被布置成用于处理来自于测量探针的信息；例如，它可以检测和过滤来自于触发探针的错误接触，或者向其增加同步信息(timing information)。

本发明的探针头中的控制单元80与存储装置150的存在使得总线100上的数据通信量大大降低，并且，在某些情况下，允许推迟的或缓存的数据通信，而不是实时的数据通信。在可能的变型例中，这能够去除外部中间控制器210，并且通过总线100直接将控制单元80连接至CMM300的监控系统。在这种情况下，测量头由CMM供电，并且自主地执行从CMM监控器接收的位置指令。

附加地，PCU80可以包括一个或若干个温度探针120以及可选地一个或若干个加热元件140，以便监控以及可选地控制铰接头的温度。

依据本发明的另一个重要方面，直线齿形鼠牙盘离合器23、33和53、43配备有电容传感器，如在附图6a、图6b和图6c中所示出的，它包括两个环形91、95，一个附接到支撑件20，另一个附接到活动元件30，它们承载着传导表面93、94、98，传导表面93、94、98被配置以便形成电容，并且布置电容计以当电容的电容量从静止值开始的变化时进行感测。

电容值对转动体距离其分度位置的微小位移敏感，并且被用于检测探针头或其它测量工具与其它物体之间不期望的碰撞，这会导致直线齿形鼠牙盘离合器暂时离位(unseating)。每一个碰撞所产生的数据被存储在PCU的存储器单元150中，以便随后读取和分析。

Claims (8)

1.一种用于将探针相对于测量设备进行定向的铰接测量头，该铰接测量头包括：

支撑元件；

第一活动元件，该第一活动元件以可旋转的方式连接至所述支撑元件并且能够相对于所述支撑元件围绕第一旋转轴线转动；

与所述第一活动元件联结的多个活动定位元件；

多个固定的定位元件，所述多个固定的定位元件与所述支撑元件联结并且能够与所述活动定位元件接合，以限定所述第一活动元件相对于所述固定元件的多个预定取向，所述多个固定的定位元件实质上被布置在定位面内；

自动致动器，该自动致动器能够处于锁定状态和解锁状态，所述自动致动器被配置成：当所述自动致动器处于所述解锁状态时，该自动致动器在所述第一活动元件上施加解锁力，以使所述第一活动元件移动而远离所述支撑元件，并且允许所述第一活动元件绕所述第一旋转轴线旋转；并且当所述自动致动器处于所述锁定状态时，所述自动致动器在所述第一活动元件上施加锁定力以使所述第一活动元件抵靠所述支撑元件而紧固，并且阻止所述第一活动元件绕所述第一旋转轴线旋转；

第一编码器，该第一编码器被配置为用于确定所述第一活动元件相对于所述支撑元件的角位置；

电子控制单元，该电子控制单元基于所述第一编码器的输出来控制所述旋转致动器，

该铰接测量头进一步包括第一轴承和第二轴承，所述第一轴承和第二轴承用于相对于所述支撑元件引导所述第一活动元件，并且所述第一轴承比所述第二轴承更靠近所述定位面，所述第二轴承具有比所述第一轴承更大的游隙，所述第一轴承在所述自动致动器处于所述锁定状态和所述解锁状态时具有基本相同的游隙，所述第二轴承在所述自动致动器处于所述锁定状态时比在所述自动致动器处于所述解锁状态时具有更大的游隙。

2.根据权利要求1所述的铰接测量头，其中，所述铰接测量头包括刚性杆，该刚性杆的一端以铰接的方式被紧固到所述第一活动元件，并且该刚性杆的另一端以铰接的方式被紧固到所述自动致动器，以传递所述锁定力和所述解锁力。

3.根据权利要求2所述的铰接测量头，其中，所述自动致动器包括电动马达和杠杆，该杠杆的一个臂铰接至所述刚性杆的一端，并且其中，所述电动马达被布置成使所述杠杆在锁定位置和解锁位置之间摆动。

4.根据权利要求1所述的铰接测量头，该铰接测量头包括：

第二活动元件，该第二活动元件与所述第一活动元件连接，以便能够相对于所述第一活动元件绕第二轴线转动；

第二编码器，该第二编码器被布置成用于确定所述第二活动元件相对于第一活动元件的角位置；

其中所述自动致动器被布置成：

当所述自动致动器处于所述解锁状态时，该自动致动器在所述第二活动元件上施加锁定力以使所述第二活动元件移动而远离所述第一活动元件，并且允许所述第二活动元件围绕所述第二轴线旋转；

当所述自动致动器处于所述锁定状态时，该自动致动器施加锁定力以使所述第二活动元件与所述第一活动元件接合，

所述电子控制单元被布置成基于所述第一编码器的输出和所述第二编码器的输出来控制所述旋转致动器。

5.根据权利要求4所述的铰接测量头，该铰接测量头包括一个或多个旋转致动器，用于使所述第一活动元件相对于所述支撑元件转动，和/或使所述第二活动元件相对于所述第一活动元件转动。

6.根据权利要求1所述的铰接测量头，该铰接测量头进一步包括碰撞检测系统，该碰撞检测系统布置成靠近所述定位面。

7.根据权利要求6所述的铰接测量头，其中，所述碰撞检测系统包括：电容，该电容包括具有传导表面的两个元件，所述两个元件中的一个元件附接至所述支撑元件，另一个元件附接至所述活动元件；以及电容传感器，该电容传感器被布置成当所述电容的电容量从静止值发生变化时进行感测。

8.根据权利要求7所述的铰接测量头，其中，所述电容的所述元件是平行于所述定位面的两个环。