CN108534731B - 升降驱动装置和采用该升降驱动装置的测量机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供测头用的升降驱动装置和采用该升降驱动装置的测量机。该升降驱动装置是贯穿于引导筒(22)并被隔着空气层引导的Z轴测杆(12)用的升降驱动装置，其特征在于，包括：金属丝(18)，其从Z轴测杆(12)的内部向上方延伸，上端支承于引导筒(22)；活塞(29)，其连接于金属丝(18)的下端；缸体(20)，其设于Z轴测杆(12)，向由活塞(29)划分的缸室供给空气，使该缸体(20)相对于活塞(29)上下运动；驱动辊(15)，其设于Z轴测杆(12)，处于与Z轴测杆(12)的表面接触的状态；以及驱动用的马达(17)，该升降驱动装置能实现被空气轴承引导的Z轴测杆的高精度的直动性和迅速的升降动作，且构造简单化、轻量化及适于振动对策。

Description

升降驱动装置和采用该升降驱动装置的测量机
本申请主张2017年03月02日提出申请的日本专利申请2017－039060号的优先权并引入到本申请中。
技术领域
本发明涉及一种测量机所使用的测头的移动机构。
背景技术
在测头安装测量触头并通过使测量触头从任意的方向靠近工件来执行各种测量的测量机，在大多数情况下具有测头用的升降驱动装置。在测头选择性地搭载与各种测量相应的接触探头、非接触探头、高分辨率照相机等测量触头，利用各个测量触头以较高的精度测量工件的位置(坐标)、图像、形状等。此外，在利用照明设备照亮工件的测量部位的情况下，也有时在测头搭载照明设备来执行测量。
在专利文献1中表示了以往的测头用的升降驱动装置即Z方向驱动机构。如图5所示，该Z方向驱动机构包括：Z轴测杆12，在其下端具有测量触头13，该Z轴测杆12被垂直地支承；引导筒22，其用于沿垂直方向引导该Z轴测杆12；支承轴28，其从Z轴测杆12的内部向上方延伸；一对辊15、16，其设于Z轴测杆12，该一对辊15、16夹持支承轴28；以及驱动马达17，其用于旋转驱动辊15。
引导筒22支承于X方向驱动机构的X滑动件9，并沿X方向进行移动。在引导筒22中贯穿有Z轴测杆12，在两者之间的间隙配置有多个空气轴承用的多个气垫24。气垫24设于引导筒22的内周，形成利用喷出的空气形成的空气轴承，降低引导筒22与Z轴测杆12之间的摩擦阻力。此外，在引导筒22设有朝向垂直上方竖立设置的支柱25，利用设于该支柱25的上端的横梁26支承支承轴28的上端。
在支承轴28的贯穿到Z轴测杆12的内部的下端连接有活塞，收纳该活塞的缸体设于Z轴测杆12的内部。通过向缸室供给空气，从而作用使缸体上浮的力，该力成为与Z轴测杆12的重量均衡的推起力，减轻了Z轴测杆12的表观重量。在此，将该机构称作空气平衡机构。
在使专利文献1的Z方向驱动机构进行驱动时，驱动马达17而使驱动辊15旋转。由于驱动辊15和从动辊16夹持着悬吊Z轴测杆的支承轴28，因此该驱动辊15和从动辊16利用两辊与支承轴28之间的摩擦力在旋转的同时使支承辊28升降。随之，Z轴测杆12沿上下方向进行移动，能够将测量触头13设为期望的高度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利3988860号公报
发明内容
发明要解决的问题
在坐标测量机等测量机中，能够使保持测量触头的测头在X轴、Y轴、Z轴的任意方向上高精度且高速地移动、定位的性能是很重要的，也要求能够长期维持该性能。因此，在测头用的升降驱动装置中，Z轴测杆的直动性和迅速的动作性能变得重要。在上述的专利文献1的Z方向驱动机构中，为了发挥该性能，采用了空气轴承、空气平衡机构以及由一对辊夹持支承轴的摩擦驱动机构，但要求构造更简单化、更轻量化以及适用于振动对策的机构。
例如，专利文献1的Z方向驱动机构具有夹持上下延伸的支承轴的一对辊，利用辊的驱动力使Z轴测杆沿着支承轴进行移动。为了在辊与支承轴之间产生预定大小的摩擦力，必须确保支承轴和各辊的接触面积，使用截面较大的支承轴，因此支承轴的尺寸减小有极限。
此外，在专利文献1的Z方向驱动机构中，作为应对在使测头向各种方向移动时Z轴测杆略微摇晃的状况的对策，在悬吊Z轴测杆的支承轴的上端设置推力轴承，积极地使Z轴测杆的振动衰减的情况较多。在支承轴的上端设置推力轴承的做法对于振动对策是必要的，但会导致在构造上变得复杂。
本发明的目的在于提供一种测头用的升降驱动装置，该升降驱动装置能够实现利用空气轴承进行引导的升降构件(Z轴测杆)的高精度的直动性和迅速的升降动作，而且构造简单化、轻量化以及适用于振动对策。
用于解决问题的方案
为了解决上述的问题，本发明的升降驱动装置是被引导构件隔着空气层进行引导的升降构件的升降驱动装置，该升降驱动装置的特征在于，
该升降驱动装置包括：
线状构件，其从所述升降构件向上方延伸，而且将该线状构件的上端支承于所述引导构件；
平衡器，其用于增大作用于所述线状构件的张力，减轻由所述线状构件悬吊的所述升降构件的表观重量；
至少1个辊，其设于所述引导构件，处于与所述升降构件相接触的状态；以及
旋转驱动装置，其用于使所述辊旋转。
采用该结构，由于升降驱动装置的平衡器使悬吊升降构件的线状构件的张力增大，利用该增大的张力提起升降构件，因此能够减轻升降构件的表观重量。作为平衡器的具体例，能够列举出利用空气缸体的空气平衡机构、使用了卷起线状构件即金属丝的绞车的机构等。使升降构件升降所需要的驱动力减小了升降构件的自重的被平衡器抵消的量，在使升降动作迅速的方面成为有利的结构。此外，本发明的升降驱动装置在升降构件和引导构件之间形成空气层，利用所谓的空气轴承将升降构件上下引导。升降构件与引导构件之间的磨损部分消失，能够长久地维持升降构件的高精度的直动性。
此外，本发明的升降驱动装置具备辊，该辊与升降构件的表面直接接触，利用其摩擦力使升降构件升降。不是以往那样的相对于悬吊构件而言的摩擦驱动机构，而是相对于升降构件而言的摩擦驱动机构。其结果，能够将悬吊升降构件的线状构件减细到所需最小限度，可以采用具有挠性的线状构件。在以往的支承轴那样的刚性比较大的悬吊构件的情况下，需要在支承轴的上端部设置推力轴承，但只要像本发明这样使用相对于弯曲、扭转为挠性的线状构件作为悬吊构件，就能够省略推力轴承。作为线状构件，例如可以采用金属丝、钢琴线、绳索、细长的棒等。特别优选的是，线状构件是具有挠性的金属丝或者细长的棒。
另一方面，在单纯地采用线状构件作为升降构件的悬吊构件，删除上端部的推力轴承的结构中，升降构件的固有振动频率变小，与以往相比较，升降构件变得易于振动。相对于此，在本发明的升降驱动装置中，在采用线状构件的同时，还采用直接摩擦驱动升降构件的至少1个辊。由于能够维持辊始终与升降构件相接触的状态，因此能够避免升降构件的固有振动频率减小并抑制升降构件发生振动，并且即便是在发生了振动的情况下，也能获得通过维持与辊的接触状态而使振动易于衰减这样的效果。
在此，优选的是，所述至少1个辊是一对辊，并以夹持所述升降构件的方式配置。为了使升降构件与辊之间产生摩擦力，将驱动用辊按压于升降构件的力是必须的，但在本发明的升降驱动装置中，由于利用空气轴承引导升降构件，因此能够通过调整空气轴承的空气压力来确保对驱动用辊施加的推回的力。若更可靠地产生稳定的推回力，则利用一对辊夹持升降构件较佳。
还优选的是，所述平衡器具有：
活塞，其与所述线状构件的位于所述升降构件的内部的下端相连接；以及
缸体，其设于所述升降构件，在该缸体的内部收纳所述活塞，而且通过向由所述活塞划分出的缸室供给空气，从而使该缸体相对于所述活塞上下运动。
采用该结构，活塞和缸体通过向由活塞划分出的缸室送入空气，从而产生与升降构件的重量均衡的推起力。是所谓的利用空气缸体的空气平衡机构。该空气平衡机构的结构也很简单且易于处理，适合轻量化。
本发明的测量机的特征在于，该测量机具备测量触头用移动机构，所述测量触头用移动机构包括上述升降驱动装置以及测量触头，该测量触头安装于所述升降构件，对测量对象物的位置、图像以及形状中的至少一者进行测量。
采用本发明的升降驱动装置和具备该升降驱动装置的测量机，能够提供这样的结构：能够使由空气轴承引导的升降构件以较高的精度直动，能够实现迅速的升降动作，而且构造简单化、轻量化以及适用于振动对策。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的测量机的外观的图。
图2是表示所述实施方式的Z轴移动装置的内部构造的局部剖视图。
图3是示意地表示所述实施方式的直接摩擦驱动机构的图。
图4是示意地表示所述直接摩擦驱动机构的变形例的图。
图5是表示以往的测头用的Z方向驱动机构的构造的图。
附图标记说明
1、三维测量机(测量机)；11、Z轴移动装置(升降驱动装置)；12、Z轴测杆(升降构件)；13、测量触头；14、直接摩擦驱动机构；15、驱动辊(辊)；16、从动辊；17、马达(旋转驱动装置)；18、金属丝(线状构件)；19、空气平衡机构(平衡器)；20、缸体；22、引导筒(引导构件)；24、空气轴承用的气垫；29、活塞。
具体实施方式
以下，根据附图说明本发明的测量机和设于该测量机的升降驱动装置即Z轴移动装置的实施方式。
图1表示本实施方式的三维测量机。该三维测量机1构成为包括用于载置测量对象物的基体2和用于使测量触头13移动的移动机构，作为该移动机构，包括：用于使测量触头13向Y方向移动的Y轴移动装置3；用于使测量触头13向X方向移动的X轴移动装置7；以及用于使测量触头13向Z方向移动的本实施方式的Z轴移动装置11。
基体2是具有为了载置测量对象物而进行了精密平坦加工的上表面的四棱柱状。为了进行说明，将在基体2的上表面互相正交的两个方向分别设为X方向、Y方向，将与基体2的上表面垂直的方向设为Z方向。Y轴移动装置3构成为包括：在基体2上沿Y方向设置的Y导轨4；以能够沿着该Y导轨4移动的方式设置的Y滑动件的左侧部5L；以及与Y滑动件的左侧部5L成对且在基体2上向Y方向移动的Y滑动件的右侧部6R。另外，在Y导轨4和Y滑动件的左侧部5L之间、基体2和Y滑动件的右侧部6R之间设有空气轴承。
X轴移动装置7构成为包括：将两端支承于Y滑动件的左侧部5L和右侧部6R的纵长状的引导构件即X梁8；以能够沿着X梁8的长度方向移动的方式设置的可动构件即X滑动件9；以及用于使X滑动件9移动的X滑动件驱动部件10。X梁8为长梁状，其两端支承在Y滑动件的左侧部5L和右侧部6R上，若Y方向滑动机构3向Y方向滑动，则X梁8也向Y方向移动。X滑动件9以能够沿着X梁8滑动的方式设置。在X滑动件9和X梁8之间设有空气轴承。
图2表示Z轴移动装置11的内部构造。Z轴移动装置11包括支承于X滑动件9的作为引导构件的引导筒22和沿垂直方向(Z方向)贯穿引导筒22的作为升降构件的Z轴测杆12。引导筒22的中心轴线沿着Z轴。以下，针对每个功能说明该Z轴移动装置11的具体结构。
(空气轴承)
引导筒22的内侧的引导面由以从四方包围Z轴测杆12的方式配置的多个气垫24(参照图3)的喷出面形成。从气垫24朝向Z轴测杆12喷出压缩空气，在该气垫24与Z轴测杆12之间形成空气层。气垫24以从X方向、Y方向分别夹持Z轴测杆12的方式相对配置，而且在Z方向上设置间隔地配置成两段。利用该空气轴承的结构，能够维持Z轴测杆12相对于引导筒22的非接触状态。
(空气平衡机构)
在引导筒22的上方竖立有3根支柱25，用于支承上部的横梁26。金属丝18的上端支承于该横梁26，利用金属丝18悬吊Z轴测杆12。优选的是直径为0.3mm～10mm左右的金属丝，更优选的是直径为0.5mm～3mm左右。在本实施方式中，使用直径为1mm左右的金属丝。Z轴测杆12为中空状，在其内部安装有缸体20。金属丝18的中心轴线和缸体20的圆筒部中心成为大致一条直线。金属丝18的下端连结于缸体内的活塞29。在缸体20的上表面有金属丝18的贯穿孔，利用密封构件30保持缸体20内的气密性。
对于该结构的空气平衡机构19而言，当在缸体内的加压室送入有压缩空气时，使缸体20上浮。由于该上浮向抵消Z轴测杆12的自重的方向进行作用，因此后述的测杆驱动机构能够利用较小的驱动力使Z轴测杆12升降。
空气轴承和空气平衡机构具有与以往的结构相同的部分，但在本实施方式中，悬吊Z轴测杆12的构件从以往的支承轴变更为金属丝这一点与以往的结构大不相同。
(直接摩擦驱动机构)
在本实施方式中，采用直接摩擦驱动机构14作为测杆驱动机构。在图2中分解地表示一部分，但驱动辊15以与Z轴测杆12的从Y方向观察到的表面相接触的方式配置。驱动辊15和其驱动用马达17借助安装构件32支承于引导筒22。
驱动辊15被设为利用期望的按压力对Z轴测杆12的表面施力。因此，安装构件32构成为，使用支承驱动辊15和马达17的支承构件34以及设于引导筒22的Y方向的引导构件36，支承构件34利用引导构件36向Y方向稍稍移位。于是，成为在支承构件34和引导构件36之间夹持弹簧等弹性构件38，支承构件34被向Y方向施力的状态。因而，驱动辊15以调整好的施力对Z轴测杆12的表面施力。马达17的动力利用传递带传递到驱动辊15的旋转轴，使驱动辊15旋转。
如图3中示意地所示，设于与驱动辊15相反的那一侧的从动辊16对Z轴测杆12施加另一作用力。从动辊16所施加的施力方向与驱动辊15所施加的施力方向相反。通过使夹持测杆12的这一对辊15、16的按压力达到平衡，从而利用驱动辊15的驱动在辊15、16和测杆12的表面之间产生摩擦力，能够使Z轴测杆12在上下方向上移动。例如微调各辊的弹簧长度、各气垫的空气压力，使得驱动辊15的施力A和其上下的空气按压力B的合计与同这些构件相对的从动辊16的施力A’和气垫24的按压力C的合计达到平衡则较佳。
另外，在图4所示的直接摩擦驱动机构的变形例中，也可以是，不设置从动辊，而是将Z轴测杆12作为中心地在驱动辊15的相反侧仅配置气垫24。在该情况下，微调辊的弹簧长度、各气垫的空气压力，使得驱动辊15的施力A和其上下的空气按压力B的合计与同这些构件相对的气垫的按压力C的合计达到平衡则较佳。
说明本实施方式的Z轴移动装置11和具备该Z轴移动装置11的三维测量机1的效果。
(1)由于利用空气轴承使Z轴测杆12和引导筒22之间的磨损部分消失，因此能够长久地维持利用引导筒22实现的高精度的直动性。此外，由于包含空气平衡机构19，因此升降所需要的驱动力减小了Z轴测杆12的自重被抵消的量，能够维持稳定的直动性和定位的迅速性。
(2)作为测杆驱动机构，采用了直接对Z轴测杆12作用摩擦力使其在上下方向上移动的驱动辊15。
作为其效果，首先，Z轴测杆12用的悬吊构件没有了尺寸的制约，可以替代以往的截面积较大的杆，而采用截面积比较小的挠性的金属丝18。此外，在以往的杆的情况下，需要在杆的上端设置推力轴承。其原因在于，以往，在Z轴测杆12向X方向、Y方向移位的情况下，若不使中空杆的上端也能够与其相应地移位，则在Z轴测杆12产生的振动会传递到固定侧(引导筒22)，振动的影响会扩散。但是，通过像本发明这样采用金属丝18，从而Z轴测杆12的X方向、Y方向的移位被金属丝的挠性所吸收，因此金属丝18的上端可以采用简单的支承方法。部件件数能够减少与不需要推力轴承相应的量。
接着，由于成为移动侧的Z轴测杆12不保持辊15和驱动用的马达17，而是固定侧(即X轴滑动件侧)的引导筒22支承这些辊15和驱动用的马达17的结构，因此能谋求Z轴测杆12的轻量化。
并且，在仅采用金属丝18的情况下，作为其缺点，能够列举出Z轴测杆12的固有振动频率变小(一般来讲是变得易于振动)。若采用金属丝18作为固定侧的引导筒22与移动侧的Z轴测杆12连结的连结构件，则与以往的杆的情况相比，Z轴测杆12的刚性下降，在X方向、Y方向、Z方向的所有方向上，Z轴测杆都会变得易于振动。此外，在以往的杆的情况下，由于是利用推力轴承支承杆上端，因此成为利用推力轴承使Z轴测杆的X方向、Y方向的振动衰减这样的构造。若只采用金属丝18而删除推力轴承，则该Z轴测杆12的衰减特性也会下降。但是，在本发明中，由于在采用金属丝18的同时也采用了直接摩擦驱动Z轴测杆12的驱动辊15，因此能够维持驱动辊15始终与Z轴测杆12接触的状态。因此，能够抑制振动的发生，并且也能够期待振动的衰减效果。
另外，作为金属丝的替代品，也可以采用比以往的杆小径的杆(直径3mm左右)。在该情况下也是，利用小径杆的弹性变形，从而不需要杆上端的推力轴承。此外，获得了与上述的效果(1)、(2)相同的效果。
本发明除了用作坐标测量机之外，还能够适合用作图像测量机、形状测量机等其他的测量机、显微测量机等光学装置的垂直轴移动装置。

Claims (5)

1.一种升降驱动装置，其是被引导构件隔着空气层进行引导的升降构件的升降驱动装置，该升降驱动装置的特征在于，
该升降驱动装置包括：
线状构件，其从所述升降构件向上方延伸，而且将该线状构件的上端支承于所述引导构件；
平衡器，其用于增大作用于所述线状构件的张力，减轻由所述线状构件悬吊的所述升降构件的表观重量；
至少1个辊，其设于所述引导构件，处于与所述升降构件相接触的状态；以及
旋转驱动装置，其用于使所述辊旋转。
2.根据权利要求1所述的升降驱动装置，其特征在于，
所述至少1个辊是一对辊，该一对辊以夹持所述升降构件的方式配置。
3.根据权利要求1所述的升降驱动装置，其特征在于，
所述平衡器具有：
活塞，其与所述线状构件的位于所述升降构件的内部的下端相连接；以及
缸体，其设于所述升降构件，在该缸体的内部收纳所述活塞，而且通过向由所述活塞划分出的缸室供给空气，从而使该缸体相对于所述活塞上下运动。
4.根据权利要求1所述的升降驱动装置，其特征在于，
所述线状构件是金属丝或者细长的棒。
5.一种测量机，其具有用于使测量触头移动的移动机构，该测量机的特征在于，
该移动机构包括：
权利要求1～4中任一项所述的升降驱动装置；以及
所述测量触头，其用于对测量对象物的位置、图像以及形状中的至少一者进行测量，
所述测量触头安装于所述升降构件。
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