CN107250722A - 用于检查工件的尺寸和/或几何特征的系统及其相关的制造工艺 - Google Patents

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CN107250722A CN201680011468.8A CN201680011468A CN107250722A CN 107250722 A CN107250722 A CN 107250722A CN 201680011468 A CN201680011468 A CN 201680011468A CN 107250722 A CN107250722 A CN 107250722A
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G·格沃尼
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Abstract

一种检查系统(4)，用于检查工件(W)的尺寸和/或几何特征，包括：支撑和定位元件(30)；用于接触所述工件(W)的触头(50)；臂(42)，所述臂(42)支撑所述触头并且能够相对于所述支撑和定位元件运动；以及换能器装置(14)，其用于检测所述臂的检查表面(41)相对于所述支撑和定位元件的位置，并且产生表示待检查的特征的信号。所述支撑和定位元件和所述臂中的至少一者由以下材料制成：所述材料的密度不大于1.6g/cm3，而拉伸强度不低于1.3GPa。一种用于制造该检查系统的工艺包括以下步骤：由具有上述特征的所述片材获得多个平坦元件；以及将所述平坦元件连接以获得盒状结构，其限定所述支撑和定位元件和所述臂的至少一者。该装置可以有利地应用于旋转的工件的形状或轮廓的高速检查。

Description

用于检查工件的尺寸和/或几何特征的系统及其相关的制造 工艺
技术领域
本发明涉及一种用于检查工件的尺寸和/或几何特征的系统，包括：支撑和定位元件；用于接触待检查的工件的触头；传输组件，包括臂，所述臂支撑触头并且可以相对于支撑和定位元件运动；以及换能器装置，被设计成与传输组件配合，以检测臂的检查表面相对于支撑和定位元件的位置，并且产生表示工件的尺寸和/或几何特征的相应信号。
本发明还涉及一种用于制造检查系统的工艺，检查系统包括支撑和定位元件以及臂，臂可相对于支撑和定位元件运动，包括以下步骤：布置具有的密度不大于1.6g/cm3和拉伸强度不低于1.3GPa的片材；从所述片材获取多个平坦元件，并且将所述平坦元件彼此互连，以获得盒状结构，该结构具有大体上矩形的中空截面，其限定了支撑和定位元件和臂中的至少一者。
本发明可以有利地但是不仅限于应用到通过工具机械地制造的旋转工件的形状或者轮廓的精度及高速检测，该工具例如通过研磨机研磨并由于机械制造而显示较小且频繁的表面起伏，在以下说明中将明确而不失一般性的提及该检测。
背景技术
用于检查工件的几何特征的装置，特别是用于检查旋转工件的表面形状的装置是在市场上已知并且广泛普及的。
通常，已知的装置包括用于测量和检查的系统，具有支撑和定位元件；适于接触待检查的旋转工件的触头；具有允许触头相对于支撑和定位元件运动的支点的传输组件；以及检查触头相对于支撑和定位元件的位置并且提供表示工件的尺寸的信号的换能器装置。例如，在欧洲专利号EP0946854B1(为本申请的申请人所有)中，描述了一种用于检查工件的线性尺寸的系统，具有：整体元件，整体元件限定支撑触头的臂；参考部和支点，支点允许臂相对于参考部旋转或者弯曲；以及换能器装置，提供表示触头相对于参考部的位置的信号。整体元件通过一个U形弯曲条带的不锈钢片制成，后续经受了在一点处的深冲，其中获得了非常薄和软的支点。因此，产生了以低测量力为特征的轻量的系统。在操作阶段中，臂(通过支点的弯曲)保持触头与旋转工件接触。由于测量力较低，故触头随着工件的轮廓，即使当工件在结构上薄弱和/或由软材料制造时，工件也不被损坏(例如，凹陷和/或刮擦)，并且换能器检测触头相对于参考部的位置并且提供表示所述轮廓的信号。
然而，该系统可能在工件的尺寸和形状的精度和高速检查或者测量中因为可能例如在研磨工艺中出现的通常系统形状误差而有一些问题。如果研磨机的研磨轮实际上不完美的平衡，则当旋转时，其结果受到规律振动(在文献中已知为chatter)。由于该振动，在制造工件的阶段中，在工件的整个轮廓上产生幅度达50nm的表面起伏，其改变了工件的形状。在检测所制造的工件的阶段中，当触头接触旋转的工件并且跨越例如由于该振动而在表面起伏的上升前沿时，触头受到与工件的旋转速度成比例的冲力，该冲力使得触头运动远离旋转工件的轮廓。尽管其在时间上有限，该冲力通常低于所述系统的低的测量力，因此触头需要一定时间以反转远离运动并且重新接触旋转工件，或许在后者上弹动至少一次，其中在弹动期间，系统检测到不正确的轮廓特征的测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种极其精确并且可靠的系统，以用于检查或者测量工件的尺寸和/或几何特征，例如用于检查旋转表面的形状，该系统具有简单结构，可以容易地并且便宜地实施，超出已知的检查系统的极限，并且可用在以高速工作的精确装置中。
这些和其它目的通过根据权利要求1的检查系统实现。
通过根据本发明的检查系统和通过包括一个或多个检查系统的装置获得的重要优势在于其能够执行旋转工件(可以具有由于机械制造的表面起伏)的精度和高速检查或者测量的可行性，其具有极其可靠的结果。
本发明的另一目的是通过简单、快速和经济的制造工艺来获得精确和可靠的检查系统。
这些和其它目的通过根据权利要求17的用于制造的工艺来实现。
通过以下的详细说明，本发明的其它目的和优点将显而易见。
附图说明
现在参考附图来描述以非限制性示例给出的本发明，其中在附图中：
图1为具有根据本发明的用于检查工件的尺寸和几何特征的系统的装置的示意图，其中为了简化该图非常简单并且移除了多个部件；
图2为图1的放大图，其更详尽地但以示意性方式示出了根据本发明的检查系统；以及
图3为图2中的检查系统的细节的沿线III-III的放大截面。
具体实施方式
图1为用于检查工件W的尺寸和/或几何特征，特别是用于检查工件W的部件C的表面S形状的装置1的示意图。装置1包括框架2；支撑和旋转机构6，被设计成以一定的精度连接并且使得工件W及由此部件C围绕旋转轴R旋转；测量滑动件3，适于执行在平行于旋转轴R的主要方向D上的双向的平移运动；以及处理单元5，适于将控制信号发送到测量滑动件3以控制所述平移运动。此外，装置1包括至少一个检测系统或者测量单元4，以用于检查和/或测量工件W的尺寸和/或几何特征。例如，在装置1中，测量单元4被设计成连接到测量滑动件3以便沿着主要方向D运动。更详细地，测量单元4包括支撑和定位元件30，支撑和定位元件30具有基部31，基部31通过已知元件(通过邻接件13示意性地表示)刚性连接到被称为测量滑动件3的元件。
根据本发明的测量单元4还包括具有接触元件的触头50以及传输组件40，接触元件为图1中的接触球体51以用于接触待检查的工件W，特别是部件C的表面S。测量单元4还包括臂42，臂24支撑触头50并且可相对于支撑和定位元件30运动以由于接触球体51所抵靠的部件C的径向尺寸的改变而允许触头50沿着测量方向运动。参考图2，触头50以这样的方式刚性连接到臂42，从而臂42(更具体的是臂42的检查表面41的位置)的相对于支撑和定位元件30的位置线性地取决于所述触头50的位置。
测量单元4的换能器装置14，例如具有轴向运动的“铅笔”状头(在附图中示出为连接到支撑和定位元件30)能够检测触头50相对于支撑和定位元件30的位置，并且产生表示工件W的部件C的尺寸和/或几何特征的相应信号。特别地，换能器装置14被设计成与传输组件40配合，例如，其具有与臂42的检查表面41接触的可运动部件，以检测臂42的位置及由此触头50相对于支撑和定位元件30的位置，并且将相应信号发送到处理单元5。
换能器装置14还连接到处理单元5，其接收并且处理由测量单元4产生的信号，以便检查或者测量所述特征。处理单元还连接到本身已知的并由附图标记7示意性表示的单元，该单元在相应的旋转期间发送表示工件W的角位置的信号并且然后发送部件C的角位置的信号。
支撑和定位元件30和臂42的至少一者(优选地它们二者)为盒状，即其具有大体上矩形的中空截面的结构(如在图3中示出)。特别地，该结构通过彼此连接的多个平坦元件限定，多个平坦元件优选地在连接边缘处粘合。该平坦元件由这样的材料制成，该材料的密度不大于1.6g/cm3(因此，比钢更轻，其密度大约等于7.7g/cm3)和例如不低于1.3GPa的高拉伸强度，例如碳纤维复合材料。所述平坦元件可以有利地由一片片材例如通过水喷射技术切割获得，其制造成本和时间显著低于印刷元件的制造成本和时间。因此，支撑和定位元件30和/或臂42结果是稳健并且同时是轻量的。
传输组件40还包括位于臂42和支撑和定位元件30(特别是基部31)之间的两个连接支柱44。两个连接支柱44的每一者包括平坦和坚硬部45以及两个弹性部，其限定了例如分别到基部31和到臂42的两个相对的连接端的每一者处的支点46。连接支柱44彼此平行地适当布置。因此，支撑和定位元件30的基部31和臂42(同样在彼此平行的方向上对齐)连同两个连接支柱44形成了柔性平行四边形结构，该结构设置有支点46，适于允许臂42(及因此允许触头50)沿着测量方向相对于支撑和定位元件30运动。
两个连接支柱44中的每一者优选地包括叶片48，叶片48由这样的材料制成：该材料的密度不大于4.4g/cm3(因此，比钢更轻，其密度大约等于7.7g/cm3，如所述的)、不低于1000MPa的拉伸强度，以及不大于110GPa的弹性模量(不比钢硬，其弹性模量大约210GPa)，例如，钛合金。在该情况下，该平坦和坚硬部45通过将支撑元件47(例如，碳纤维复合材料)在中心区域处连接到、优选地为粘合到叶片48而获得，该中心区域不包括限定在连接端处的支点46的两个弹性部。同样，支撑元件47可以有利地例如通过水喷射技术切割从所述一片片材(平坦元件从其获得)得到，其具有所述的优点。同样由于叶片48的材料的特征，柔性平行四边形结构的特征在于，当其经受力时的高的翘曲、特别是弯曲的能力，并且当使其变形的力消失时，快速地返回到之前的位置。
基本上，臂42的检查表面41的位置同样以非线性的方式取决于臂42沿着不同于测量方向的方向的运动，其为平行四边形的挠曲的函数，更精确地说是限定支点46的连接支柱44的弹性部的挠曲的函数。相对于支撑和定位元件30，事实上，臂42沿着可以理想地同化为圆弧的轨迹运动。与检查表面41接触的头14发送到处理单元5的相应信号因此包括线性的成分(取决于触头50沿着测量方向的位置)和非线性不期望的成分。为了得到关于所述部件C的尺寸和形状的正确信息，当接触球体51接触部件C的表面S时，有利的是，处理单元5执行合适的补偿算法，以将非线性成分从从头14接收到的信号中移除。
传输组件40包括连接到支撑和定位元件30的限制机构55，其包括适于与臂42配合的第一邻接元件56和第二邻接元件57，它们限制臂42运动，并因此限制平行四边形的挠曲，并因此防止了对支点46的破坏。更详细地，第一邻接元件56限制了臂42的超行程，而第二邻接元件57限制了臂42的预行程。
拉伸弹簧58在一部分上连接到臂42并在另一部分上连接到与支撑和定位元件30连接的连接元件59，以迫使触头50(特别是接触球体51)朝向工件W的部件C。该拉伸弹簧58优选地可调节，以设定接触球体51施加在待检查的部件C的表面S上的压力。
锁定元件或者销43适于与传输组件40配合，以将其阻挡在静态配置中，其中例如叶片48不弯曲(特别是在运输操作或者维修工作期间)。例如，锁定销43可以插入到臂42的开口中，以将臂42紧固到支撑和定位元件30，以便防止平行四边形结构的任何挠曲。在静态配置中，传输组件40被保护以免受可能损坏或者破坏传输组件40的一部分或者整个传输组件40的可能的碰撞或者不精确的处理。
测量单元4还包括连接到支撑和定位元件30的缩回装置60，例如气动气缸。气动气缸4适于从处理单元5接收控制信号以与传输组件40配合，例如，通过克服拉伸弹簧58的力来将臂42向上拉动以与第一邻接件56接触，并使得测量单元4处于缩回状态中，其中，平行四边形是弯曲的，并且如果工件W布置在支撑和旋转机构6中，则接触球体51与部件C的表面距离一定距离。气动气缸60有利地装备有调节元件或者螺母61，其适于与支撑和定位元件30配合，以调节气动气缸61相对于传输组件40的行程。
以下描述了例如用于检查工件W的部件C的表面S的形状和/轮廓的装置1的操作，其中由于机械制造，表面S具有小的和频繁的起伏。
在不运动的情况下，锁定销43插入到臂42的开口中，以便将臂42紧固到支撑和定位元件30。因此，传输组件40被阻挡在静态配置中，其中防止了平行四边形结构的任何挠曲。为了利用装置1执行检查操作，锁定销43必须从臂42的开口中移除以使得平行四边形结构可自由弯曲。
便利地，可以通过检查主导件来初始执行校正过程，其中主导件为样品件，其包括具有参考轮廓的表面，其对应于待检查的部件C的表面S的标称轮廓。主导件被布置在并且连接到装置1的旋转机构6以及围绕旋转轴R旋转，从而当旋转时具有参考轮廓的表面被定位在先验已知的高度处。
在初始阶段中，气动气缸60接收来自处理单元5的控制信号，通过克服摊上弹簧58的力将臂42向上拉到与第一邻接件56接触，从而使得测量单元4处于前述的缩回状态中。当基部31被布置并且刚性连接到测量滑动件3时，由处理单元5便利地控制的测量滑动件3使得缩回的测量单元4沿着主方向D运动，直到接触球体51处于主导件的参考表面的已知高度上。
在检测阶段，由处理单元5控制的气动气缸60释放臂42，并且触头50的接触球体51在拉伸弹簧58的作用下被迫抵靠参考表面。在该点上，拉伸弹簧58被便利地调节成设定接触球体51作用在主导件上的压力，从而使得触头遵循后者的轮廓，及然后遵循部件C的轮廓，而不损坏它们。当头14与臂42的检查表面41接触时，头14产生表示触头50沿着测量方向的位置的信号。处理单元5对于主导件的至少一个旋转检测该信号，并且利用关于该旋转的信息(特别是主导件的角位置)以已知的方式处理该信号，从而以本身已知的方式获得并且存储参考轮廓，以下的测量值与该参考轮廓比较。
在校正结束时出现用于检查部件C的表面S的形状和可能的尺寸的过程。
特别地，在新的初始阶段，测量单元4通过前述的气动气缸60而处于缩回状态中，其中，接触球体51不接触参考表面，以使得主导件可以从装置1移除。工件W布置在并且连接到装置1的支撑和旋转机构6，并且围绕旋转轴R旋转，从而当旋转时待检查的部件C的表面S得以定位在先验已知的上述高度处。
在后续的检测阶段，由处理单元5控制的气动气缸60释放臂42，并且触头50的接触球体51在拉伸弹簧58的作用下随后被迫抵靠表面S。当头14与臂42的检查表面41接触时，头14产生表示触头50沿着测量方向的位置的信号。处理单元5对于工件W的至少一个旋转检测该信号，并且利用关于该旋转的信息(特别是工件W的角位置)以已知的方式处理该信号，并且将该处理结果与部件C的表面S的轮廓以及在校正过程中存储的参考轮廓相比，以便验证真实轮廓是否以少于预定误差与参考轮廓匹配和/或检测被检查的表面S的形状误差，例如前述的表面起伏的频率和实体。
在部件C旋转时的表面S的扫描期间，当接触球体51在表面起伏的一者的上升前沿上运行时，其受到与所述部件C的旋转速度成比例的冲力，其使得接触球体51远离正被检查的表面S。通过将臂42或者支撑和定位元件30(优选为二者)的轻量和稳健特征与限定支点46的两个连接支柱44的轻量、拉伸强度以及弹性模量特征有利地组合，测量单元4能够通过相反的力来抵消该冲力，该相反的力足以使得接触球体51相对于已知系统消耗更少的时间以反转远离运动的方向和重新接触旋转表面S，由此减少弹跳次数或者使得弹跳次数为0，并且使得期间处理单元5检测到不表示部件C的轮廓或径向尺寸的信号的时间最小化。
当检测阶段结束时，测量单元4再次被气动气缸60带到缩回状态中，如前所述。
现在，适当地由处理单元5控制的测量滑动件3可以使得处于缩回状态中的测量单元4沿主方向D运动，直到接触球体51处于同一工件W的另一部件C的第二表面S’的另一已知高度。如果第二表面S'的轮廓大体上与表面S的轮廓相同，则新的检查过程发生；否则，可以利用第二主导件发生新的校正过程，第二主导件包括具有参考轮廓的参考表面，其对应于待检查的第二表面S'的标称轮廓，在旋转的同时适当地定位在另一已知高度上。
除了到目前为止所描述的，装置1还可以应用于测量线性尺寸，例如直径。可行的替选应用包括同一类型的多个工件的尺寸和/或形状检查，即具有类似形态但不同标称尺寸的工件，例如各种曲轴或者凸轮轴的轴颈轴承。
在不背离本发明的范围的前提下，可以对到目前为止描述的用于检查尺寸和/或几何特征的装置1进行修改。
例如，可以使用形状和/或尺寸不同于那些示出的形状和/或尺寸的部件。特别地，支撑和定位元件30和臂42可以不同于图2示出的方式模制，并且表面元件可以包括便利的开口，以进一步减轻测量单元4的重量，但不修改其拉伸强度。
可能的是，支撑和定位元件30和臂42中的至少一者可以填充可以吸收碰撞和振动的材料，例如热塑性聚合物，诸如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)。
限制机构55和连接元件59可以直接地连接到支撑和定位元件30，或者通过与所述支撑和定位元件30一体的支撑元件。类似地，锁定销43可以将臂42直接地紧固到支撑和定位元件30，或者将臂42紧固到上述支撑元件或者与支撑和定位元件30一体的另一支撑元件。
气动气缸60可以配备有锁定环形螺母，其适于将其阻挡在这样的位置中：其中气动气缸60的空气连接可以容易地进入。
作为替选，可以使用不同缩回装置60，例如异步马达(同样由处理单元5控制)，其优点是相对于气动气缸更快速和更精确。
作为替选，铅笔状头14可以被不同的换能器装置替代，该装置例如线性光学刻度，优选地激光，其阅读器可连接到臂42的检查表面41。
根据本发明包括一个或多个测量单元4的装置1可以具有不同于图1的配置的很多可行的配置，所有本身是已知的。例如，其可以包括多个测量单元4，其固定到框架(类似于框架2)并且适当定向以同时检测同一工件W的不同部件C的尺寸和/或几何特征，因为测量单元4的数目匹配例如待检查的部件C的数目。

Claims (22)

1.一种检查系统(4)，用于检查工件(W)的尺寸和/或几何特征，包括：
支撑和定位元件(30)；
用于接触待检查的工件(W)的触头(50)；
传输组件(40)，包括臂(42)，所述臂(42)支撑所述触头(50)并且能够相对于所述支撑和定位元件(30)运动；以及
换能器装置(14)，设计成与所述传输组件(40)配合，以检测所述臂(42)的检查表面(41)相对于所述支撑和定位元件(30)的位置，并且产生表示所述工件(W)的尺寸和/或几何特征的相应信号；
其特征在于，所述支撑和定位元件(30)和所述臂(42)中的至少一者由以下材料制成：所述材料的密度不大于1.6g/cm3，而拉伸强度不低于1.3GPa。
2.如权利要求1所述的检查系统(4)，其中，所述支撑和定位元件(30)和所述臂(42)中的至少一者由碳纤维复合材料制成。
3.如权利要求1或权利要求2所述的检查系统(4)，其中，所述支撑和定位元件(30)和所述臂(42)中的至少一者由多个彼此连接的平坦元件限定。
4.如权利要求3所述的检查系统(4)，其中，所述平坦元件在连接边缘处彼此粘合。
5.如权利要求3或权利要求4所述的检查系统(4)，其中，所述平坦元件包括开口。
6.如权利要求3至5中任一项所述的检查系统(4)，其中，所述平坦元件从片材获得。
7.如权利要求3至6中任一项所述的检查系统(4)，其中，所述平坦元件通过水喷射技术获得。
8.如前述权利要求中任一项所述的检查系统(4)，其中，所述支撑和定位元件(30)和所述臂(42)二者均由以下材料制成：所述材料密度不大于1.6g/cm3，而拉伸强度不低于1.3GPa。
9.如前述权利要求中任一项所述的检查系统(4)，其中，所述支撑和定位元件(30)和所述臂(42)中的至少一者填充有能够吸收碰撞和振动的材料。
10.如前述权利要求中任一项所述的检查系统(4)，其中，传输组件(40)还包括位于所述支撑和定位元件(30)的基部(31)和所述臂(42)之间的两个连接支柱(44)，每一个连接支柱具有在两个相对连接端部的每一者处限定支点(46)的两个弹性部；基部(31)、臂(42)和所述两个连接支柱(44)形成平行四边形结构。
11.如权利要求10所述的检查系统(4)，其中，所述两个连接支柱(44)的每一者包括叶片(48)，所述叶片(48)由以下材料制成：所述材料密度不大于4.4g/cm3，拉伸强度不低于1000MPa以及弹性模量不高于110GPa。
12.如权利要求11所述的检查系统(4)，其中，所述叶片(48)为钛合金叶片。
13.如权利要求11或权利要求12所述的检查系统(4)，其中，所述两个连接支柱(44)的每一者包括平坦和坚硬部(45)，所述平坦和坚硬部(45)通过在中心区域中将支撑元件(47)连接到所述叶片(48)而获得。
14.如权利要求13所述的检查系统(4)，其中，所述支撑元件(47)为粘合到所述叶片(48)的碳纤维板。
15.一种用于检查工件(W)的尺寸和/或几何特征的设备(1)，包括：
支撑和旋转装置(6)，被设计成连接并且使得工件(W)围绕旋转轴(R)旋转；
根据前述权利要求中任一项所述的至少一个检查系统(4)；以及
处理单元(5)，适于检测和处理由所述检查系统(4)产生的信号，以便检查所述工件(W)的尺寸和/或几何特征。
16.如权利要求15所述的设备(1)，还包括测量滑动件(3)，适于在与所述工件(W)的旋转轴(R)平行的主方向(D)在双向上执行平移运动，所述处理单元(5)还适于将控制信号发送到测量滑动件(3)以控制所述平移运动，并且所述至少一个检查系统(4)被设计成连接到所述测量滑动件(3)，以便沿着所述主方向(D)运动。
17.一种用于制造检查系统(4)的工艺，所述检查系统(4)具有支撑和定位元件(30)和能够相对于所述支撑和定位元件(30)运动的臂(42)，包括以下步骤：
布置片材，所述片材密度不大于1.6g/cm3并且拉伸强度不低于1.3GPa；
从所述片材获得多个平坦元件；以及
将所述平坦元件彼此连接，以获得大体上矩形的中空截面的盒状结构，其限定所述支撑和定位元件(30)和所述臂(42)的至少一者。
18.如权利要求17所述的工艺，其中，所述连接平坦元件的步骤包括将所述平坦元件彼此在连接边缘处粘合。
19.如权利要求17或权利要求18所述的工艺，其中，所述由所述片材获得多个平坦元件的步骤包括通过水喷射技术切割所述片材。
20.如权利要求17至19中任一项所述的工艺，其中，所述检查系统(4)还包括位于所述支撑和定位元件(30)的基部(31)和所述臂(42)之间的两个连接支柱(44)；基部(31)、臂(42)和所述两个连接支柱(44)形成平行四边形结构。
21.如权利要求20所述的工艺，其中，所述两个连接支柱(44)的每一者包括两个弹性部，其限定在两个相对连接端的每一者处的支点(46)。
22.如权利要求20或者权利要求21所述的工艺，其中，所述两个连接支柱(44)的每一者包括由所述片材获得的支撑元件(47)。
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