CN1066816C

CN1066816C - 手动三维坐标测量机

Info

Publication number: CN1066816C
Application number: CN96122503.3A
Authority: CN
Inventors: 手塚和作; 大根田隆男
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1995-09-18
Filing date: 1996-09-18
Publication date: 2001-06-06
Anticipated expiration: 2016-09-18
Also published as: US5839202A; JPH0979835A; EP0763711A2; DE69616925D1; DE69616925T2; EP0763711B1; EP0763711A3; JP3153111B2; CN1158983A

Abstract

一种手动三维坐标测量机，其中，设置有一个探针，以便沿三个直角坐标轴X，Y和Z移动，一个设置有该探针的Z轴构件通过手动操作沿这三个坐标轴移动，一个工件的尺寸和形状是由在该探针与该工件接触时这三个坐标轴的位移范围所确定的，该结构包括：一个滑动环，该滑动环设置在Z轴构件的底侧以便能够在垂直于轴的平面上的一个任意的方向上移动；该滑动环被夹持在所述平面上的一个预定的位置处；和一个弹性构件，该弹性构件设置来将滑动环夹持在该平面上的一个预定的位置上，以便使滑动环借助于由一个比一个预定值大的力导致的弹性变形而沿该平面在一个任意的方向上移动。

Description

手动三维坐标测量机

本发明涉及一种坐标测量机。具体地说，本发明涉及一种手动或浮动式坐标测量机，该坐标测量机的探针是可沿三个直角坐标轴，即X，Y和Z移动的，设置有探针的Z轴构件可手动地沿三个坐标轴移动，当探针与工件接触时，工件的尺寸和形状是由三个轴的位移范围确定的。

手动三维坐标测量机已经是众所周知的了，其探针可沿三个直角坐标轴X，Y和Z移动，一个操作者用手使设置有探针的Z轴构件的尖端或底端移动，当探针与一个工件接触时，该工件的尺寸和形状就由三个坐标轴的位移范围所确定。

在这种手动三维坐标测量机中，它们的结构要比自动驱动的坐标测量机的结构简单，自动坐标测量机是借助设置有三个坐标轴的驱动机构自动地沿这三个坐标轴移动，操作者可用手使它们的探针迅速地朝给定的方向或位置移动。另一方面，这种手动操作有时会导致一些问题：施加到Z轴构件的尖端(一端)上的力会使Z轴构件产生挠曲；在操作过程中施加到该尖端上的力会因不同的操作者而产生变化，使得精度减低，因为每个操作者是用他自身的速度或加速度来移动Z轴构件。除此之外，在为三个坐标轴设置空气轴承作为滑动机构的手动三维坐标测量机中，其精度会因空气间隙的变化而减低。

在题为“一种用于将辅助移动力传递到一个坐标测量机上的设备”的日本未审查专利公告54-107763中提出了减小Z轴构件的挠曲的方法。该设备的特征如下所述：在设置有一个探针或感应元件的Z轴的底部处，设置有一对与Z轴平行的板簧，使得每个顶部可以固定到Z轴上，并且底部可以在X轴上位移；在平行的板簧的底部上设置有一个操作法兰；垂直于Z轴设置有一个包括两个分别与相应的板簧对置的限制开关用于感应板簧的移动的X轴移动传感器和一个具有同样构形的Y轴移动传感器；并且在两个轴上提供有用于传递辅助力的设备，其中空气在由这种位移传感器测定的位移的方向上被喷出，以便传递比这个方向上的摩擦阻力小的推力。

当夹持着操作法兰的同时使探针在X轴和Y轴方向上移动时，板簧会朝这两个方向位移，以便使空气在此位移的反向方向上喷出。这样，就可以消除因在X轴和Y轴上的挠曲导致的滞后误差，从而改善了精度。

但是，由于前面所述的构形需要各具有一对平行的板簧的X轴和Y轴位移传感器和用于传递辅助力，即比相应的摩擦力小的推力的装置，该设备的结构会变得复杂，并且挠曲会因每个轴所设置的设备的重量的增加而增加。而且，由于两个带有板簧的X轴和Y轴位移传感器必须垂直于Z轴设置，该设备的结构会变得更加复杂。

此外，由于上面所述的构形倾向于消除因在Z轴移动时所形成的，换句话说，是由从静止状态开始的位移所形成的X轴和Y轴挠曲所导致的滞后误差，因此在Z轴在X轴或Y轴方向上移动之前必须测定移动方向。因此，必须用较小的力来使位移传感器的平行的板簧产生位移。但是，Z轴在板簧产生较大的挠曲的情况下移动时，会使探针与工件接触。因此，施加到Z轴构件的尖端上的力会因不同的操作者而变化，从而降低了测量的精度。

本发明的目的是提供一种手动三维坐标测量机，该测量机的结构简单并且具有与操作者无关的改善的测量精度。

本发明的另一个目的是提供一种手动三维坐标测量机，该测量机能够正好在探针与工件接触之前将加速度减小到预定值或更小的同时，进行手动操作来使探针与工件接触。

本发明的又一个目的是提供一种手动三维坐标测量机，该测量机通过自动地消除从探针以较大的加速度与工件接触得到的数据的方式获得较高准确性的测量值。

在根据本发明的手动三维坐标测量机中，设置有一个探针，以便沿三个直角坐标轴X，Y和Z移动，一个设置有该探针的Z轴构件通过手动操作沿这三个坐标轴移动，一个工件的尺寸和形状是由在探针与该工件接触时这三个坐标轴的位移范围所决定的，该结构包括：

一个滑动环，该滑动环设置在Z轴构件的底侧以便能够在垂直于Z轴的的平面上的一个任意的方向上移动；

所述滑动环被夹持在所述平面上的一个预定的位置处；和

一个弹性构件，该弹性构件设置来将滑动环夹持在该平面上的一个预定的位置上，以便使滑动环借助于由一个比一个预定值大的力导致的弹性变形而沿该平面在一个任意的方向上移动。

Z轴构件的底侧还包括一个较Z轴构件的底端低的位置，例如，设置在Z轴构件的底端处的一个探针调节器的位置，以及Z轴构件的底段。

根据这种结构，在夹持住滑动环并且将探针沿三个坐标轴移动的同时，使探针与工件接触。当探针沿X轴和Y轴移动时，一个较预定值大的力沿着垂直于Z轴的平面(XY平面)作用在滑动环上，并且使弹性构件产生弹性变形。这样，夹持着滑动环的操作者可以感觉到滑动环的变形。由于在减小探针的速度使得弹性构件产生弹性变形的同时，弹性件可以与工件接触，换句话说，在使加速度减小到预定值或更小的同时，正好在探针与工件接触之前，作用在滑动环上的力(或在垂直于Z轴的平面上力)可以很容易地保持在预定值或更小。借此，取决于操作者的测量误差就可以减小。而且，通过将滑动环与弹性构件结合还可以使结构简化。

在上面所述的手动三维坐标测量机中，滑动环最好设置在Z轴的底部和可拆卸地夹持着该探针的探针调节器的周边上，弹性构件设置在该滑动环和探针调节器之间。通过这种结构，该滑动环可以装接到Z轴构件上而不需要任何附加的工作，该探针可以可拆卸地夹持在现有的手动三维坐标测量机的Z轴构件上，因此该测量机可以以较低的成本制造。

在上面所述的手动三维坐标测量机中，最好设置一个用于显示滑动环的位移的预定量的显示装置。采用这种结构，在使用该显示装置观察着该滑动环移动预定量的同时，可以使探针与工件接触。

在上面所述的手动三维坐标测量机中，最好设置一个误差防止装置，以便取消输入三个坐标的位移值的程序，这些位移值基于在滑动环移动预定量时告知探针与工件接触的接触信号。采用这种结构，当探针以实际的加速度与工件接触时，就自动地消除了这些数据，使精度得到改善。

本发明的较佳实施例将结合附图进行说明，其中：

图1是一幅等角图，该图示出了根据本发明的手动三维坐标测量机的外形；

图2是根据本发明的第一实施例中的探针调节器部分的剖视图；

图3是图2所示探针调节器部分的平面图；

图4是根据本发明的第二实施例中的探针调节器部分的剖视图；

图5是本发明的第二实施例中的显示装置和误差防止装置的方块图；

图6是根据本发明第三实施例中的探针调节器部分的剖视图；

图7是图6所示的探针调节器部分的平面图；和

图8是用作本发明中的弹性构件的另一个实施例的剖视图。

根据本发明的第一实施例示出在图1至3中。如图1所示，该第一实施例的手动三维坐标测量机包括一个支架1，一个设置在该支架1上用于放置一个工件W的工作台2，一个可沿工作台2的前后或沿Y轴方向移动的门柱3，一个可沿门柱3的X轴梁3B的左右方向或X轴方向移动的X轴滑动件4，一个作为一个可沿X轴滑动件4或沿X坐标轴竖向移动的Z轴构件的Z轴心轴5，和一个通过一个探针调节器6可拆卸地设置在Z轴心轴的底部上的探针7。设置一个均衡件8来平衡Z轴心轴5的重量。

在工作台2和门柱3的两个支柱3A之间，在X轴梁3B和X轴滑动件4之间，以及在X轴滑动件4和Z轴心轴5之间设置有空气轴承。借此，门柱3，X轴滑动件4和Z轴心轴5可以以很小的力手动地移动。当在移动三个直角坐标轴，即X，Y和Z轴，的同时使探针7与工件接触时，这些坐标轴的位移是从响应接触信号的位移探测器(在图中未示出)输入的，工件的尺寸和形状就根据这些位移数据确定的。

如图2和3所示，探针调节器6包括一个圆柱体11，和与圆柱体11整体地形成并具有较圆柱体11大的直径的法兰12和13，一个从法兰12穿过圆柱体11的中心到达法兰13并且可拆卸地夹持住探针7的夹持孔14。一个环状滑动环15设置在Z轴心轴5的外侧上，使得滑动环15可以在垂直于Z轴的平面(或XY平面)上的任意方向上和沿Z轴(或沿Z轴心轴5的轴线方向)上移动。滑动环在XY平面上和在Z轴方向上的行程限制值设定为例如约2mm的数值，其中当通过用手夹持着滑动环15使Z轴心轴移动时操作者可以通过手感觉到滑动环的移动。

在滑动环15的外侧和圆柱体11的内侧以每90度的间隔设置有作为弹性构件的压缩螺旋弹簧16，用于将滑动环15夹持在XY平面上的预定位置处并且因由一个在XY平面上任意的方向上施加到滑动环15上的比预定值大的力所导致的弹性变形而使滑动环15在XY平面上移动。而且，作为弹性构件的压缩螺旋弹簧17以每间隔90度设置在顶端和法兰12之间以及底端和法兰13之间，用于将滑动环夹持在Z轴的预定位置处，并且因一个沿Z轴施加到滑动环15上的比预定值大的力所导致的弹性变形而使滑动环15沿Z轴移动。

在第一实施例中，操作者用一只手夹持住滑动环15并且用手动方式使探针7沿X轴移动以及使门柱3沿Y轴移动的同时，让探针与工件W接触。在探针7的移动过程中，当探针的速度或加速度超过预定值时，比预定值大的力会作用在滑动环15上，因而使压缩螺旋弹簧16和17产生弹性变形。例如，当比预定值大的力在XY平面上的任意方向上作用在滑动环时，压缩螺旋弹簧会弹性变形。

夹持着滑动环15的操作者可以感觉到滑动环15的移动。因此，操作者在探针与工件W接触时可以通过减小速度的方式控制该力，使得压缩螺旋弹簧16和17正好在探针与工件W接触之前产生弹性变形。这样就可以减小Z轴心轴5沿X和Y轴的挠曲和X轴梁3B沿Y轴的挠曲。而且，由于X轴滑动件4和门柱3的浮动变化，可以获得高精度的测量值。

包括滑动环15和压缩螺旋弹簧16和17的结构已经得到大大的简化。具体地说，可沿XY平面和Z轴移动的滑动环15，与上面提及的具有两个在Z轴方向上以每间隔90°设置有平行的板簧的位移传感器的现有技术的结构相比，得到大大地简化。而且，滑动环15设置在可拆卸地夹持着Z轴心轴5的探针调节器6的外侧上，从而不需要将滑动环装接到Z轴心轴5上的辅助工作，并且探针调节器可以以较小的成本用于现有的手动三维坐标测量机。

图4和5示出了根据本发明的第二实施例。与第一实施例不同之处是，第二实施例的设备还包括一个作为显示滑动环15的预定移动的显示装置的显示电路21，和一个作为一个用于取消将三个坐标基于在探针与工件接触时得到的接触信号的位移输入的程序的误差防止装置的误差防止电路31。

如图4所示，显示电路21包括一个设置在探针调节器6的圆柱体11的周边上的第一固定触点22A，一个设置在法兰12的底面处的第二固定触点22B，一个设置在法兰13的顶面处的第三固定触点22C，一个第一移动触点23A，一个第二移动触点23B，和一个第三移动触点23C，其中当滑动环15在XY平面上和Z轴方向上移动预定量的位移时，每个移动触点与相应的固定触点相接触。显示电路21还包括一个发光二极管驱动电路和一个发光二极管(LED)25，该发光二极管设置在Z轴心轴的底部处并且通过固定触点和移动触点的连接而发光。

如图4所示，误差防止装置包括一个设置在探针调节器6的圆柱体11的周边上的第一固定触点32A，一个设置在法兰12的底面上的第二固定触点32B，一个设置在法兰13的顶面上的第三固定触点32C，一个第一移动触点33A，一个第二移动触点33B，和一个第三移动触点33C，其中，当滑动环15在XY平面上和Z轴上移动预定位移时每个移动触点与其相应的固定触点接触。误差防止装置还包括一个接触信号接口电路34，其中取消了将锁固命令发送给一个计算机35的程序，用于当固定触点和移动触点相互接触时显示基于接触信号的三个坐标的位移。

在第二实施例中，当滑动环15在探针7的移动过程中移动了预定值时，显示电路21中的LED25会发光。因此，操作者可以在控制滑动环的移动的同时让探针7与工件W接触，以便使LED25不发光。用这种方法，作用在滑动环15上的力就减小到预定值或更小，并且因此可以使测量的精度得到可靠地改善。

即使当LED25在发光时探针7与工件W接触，借助于误差防止电路31也可以消除三个坐标的位移，因而可以防止导致主要误差测量。

显示电路21和误差防止电路31都具有一个上面所述的简化的构形。而且，显示电路21的固定触点和移动触点组和误差防止电路31的触点组可以是公用的。例如，固定触点22A，22B和22C和移动触点23A，23B和23C连接到接触信号的接口34上，以及连接到LED驱动电路上。因此可以取消固定触点32A，32B和32C和移动触点33A，33B和33C，得到简化的电路构形。

图6和7示出了根据本发明的第三实施例。在此实施例中，滑动环15可以只在XY平面上移动。探针调节器6包括一个具有一个法兰13和一个夹持孔14的探针夹持构件43，并且用两个螺栓42固定在具有一个本体11和一个法兰12的环安装构件41的底面处。这些构件用三个螺栓44安装在Z轴心轴5的底面处。

环安装构件41具有四个用于将压缩螺旋弹簧16固定住的弹簧夹持孔45。此外，将一个紧固螺钉46拧在探针夹持件43上以便将插在夹持孔14内的探针7的针杆夹住，探针夹持件43设置有一个用于使电线从探针7朝Z轴心轴5穿过该心轴的连接壳47。

根据第三实施例，由于滑动环15只在XY平面上移动，因此可以减小Z轴心轴在X和Y轴方向上的挠曲和Z轴梁在Y轴方向上的挠曲。

虽然对本发明的较佳形式进行了说明，但是，应该理解到，本发明并不局限于该较佳形式，在不脱离本发明的精神或范围的情况下可以作出各种变化和变更。

例如，滑动环15可以直接装接到Z轴心轴5的底部上，这与上面所述的探针调节器6是设置在滑动环15和Z轴心轴5的底部之间的

实施例不同。

滑动环15的平面图可以是方形，而不是圆形的。作为弹性构件的压缩螺旋弹簧16和17都可以用一个板簧，橡胶，金属丝等来代替。当使用金属丝时，该金属丝51沿着探针调节器6的本体11的周边螺旋地盘绕着，金属丝的一端固定到探针调节器6上，另一端固定到滑动环15上。

Claims

1．一种手动三维坐标测量机，其中，设置有一个探针，以便沿三个直角坐标轴X，Y和Z移动，一个设置有该探针的Z轴构件通过手动操作沿这三个坐标轴移动，一个工件的尺寸和形状是由在该探针与该工件接触时这三个坐标轴的位移范围所确定的，该结构包括：

所述滑动环被夹持在所述平面上的一个预定的位置处；和

一个弹性构件，该弹性构件设置来将滑动环夹持在该平面上的一个预定的位置上，以便使滑动环借助于由一个比一个预定值大的力导致的弹性变形可以沿该平面在一个任意的方向上移动。

2．如权利要求1所述的手动三维坐标测量机，其特征在于：所述滑动环设置在所述Z轴的底部和所述可拆卸地夹持住所述探针的所述探针调节器的周边处，所述弹性构件设置在所述滑动环和所述探针调节器之间。

3．如权利要求2所述的手动三维坐标测量机，其特征在于：设置一个用于告知所述滑动环移动一个预定量的显示装置，所述显示装置包括设置在所述探针调节器处的固定触点，设置在所述滑动环处并且当该滑动环移动一个预定量时与所述相应的固定触点接触的移动触点，和一个当所述触点相互接触时发光的发光二极管。

4．如权利要求3所述的手动三维坐标测量机，其特征在于：设置有一个误差防止装置，用于取消输入基于在所述滑动环移动一个预定量时告知所述探针与该工件接触的接触信号的三个坐标轴的位移的程序，所述误差防止装置包括设置有所述探针调节器的固定触点，设置在所述滑动环处并且当该滑动环移动一个预定量时与所述相应固定触点接触的移动触点，和一个用于取消当所述两种触点相互接触时基于所述接触信号的所述程序的接触信号接口电路。

5．一种手动三维坐标测量机，其中设置有一个探针，以便沿三个直角坐标轴X，Y和Z移动，一个设置有所述探针的Z轴构件通过手动操作沿这三个坐标轴移动，一个工件的尺寸和形状是由在该探针与该工件接触时这三个坐标轴的位移范围所确定的，该结构包括：

一个滑动环，该滑动环设置在Z轴构件的底侧以便能够在垂直于Z轴的的平面上的一个任意的方向上移动，同时所述滑动环的轴线保持与该Z轴近似地平行；

所述滑动环相对于所述Z轴被夹持在所述平面上的一个预定的位置处；和

一个弹性构件，该弹性构件设置来夹持住所述滑动环，以便使所述滑动环借助于由一个比一个预定值大的力导致的弹性变形而在一个任意的方向上移动。

6．如权利要求5所述的手动三维坐标测量机，其特征在于：所述滑动环安装在所述Z轴构件的底部处和一个可拆卸地夹持住所述探针的探针调节器的周边处，并且所述弹性构件被放置在所述滑动环和所述探针调节器之间。

7．如权利要求6所述的手动三维持标测量机，其特征在于：设置一个用于告知所述滑动环移动一个预定量的显示装置，所述显示装置包括设置在所述探针调节器处的固定触点，设置在所述滑动环处并且当该滑动环移动一个预定量时与所述相应的固定触点接触的移动触点，和一个当所述触点相互接触时发光的发光二极管。