CN1177732A - 利用球形探头的坐标测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过与被测物体接触测量被测物体的一坐标测量装置,其包含在X、Y和Z轴线方向彼此相交垂直的可移动的悬臂,以及,与悬臂的顶端相连接的一球形探头,当其与被测物体接触时输出一接触信号,其中球形探头包含一利用悬臂的支承轴,以及与该轴的顶端相连接的并与被测物体接触的球,其中,在球表面上形成一标记以识别在横穿球中心线的和垂直地穿过轴中心线的平面和球表面的平面之间的相交线。

Description

利用球形探头的坐标测量装置

本发明涉及一种使用球形探头的一种坐标测量装置，例如，手控式三维测量装置，具有手控示教功能的CNC(计算机数控)三维测量装置，一数字读出器等等。更确切地讲，本发明涉及球形探头和一种利用适合于测量物体，尤其是平板形、物体的突起部分或类似处的球形探头的测量装置。

在使用球形探头的手控式三维测量装置中，使球形探头中位于探头顶端的球与被测物体接触，例如，通过在三维坐标空间的各个方向人工移动球形探头，并且利用球与被测物体接触的瞬间或与其接触过程中测量的球的中心坐标值，以及通过对相对球的中心坐标值的球的半径进行偏移处理，来决定球与被测物体的接触位置。但是，对于测量的球中心坐标值的偏移的方向应该利用测量的球的多个中心坐标值通过几何计算事先说明或已确定。例如，当被测对象是一孔时，球形探头应被引导到该孔内侧的三个不同点处，并与其接触以测量各个中心坐标值。然后，该圆中心和半径的值可利用这三个中心坐标值进行计算，利用这一半径值和球半径值相加可以决定孔的半径。

在被测物体为厚度小于球半径的薄型物体如金属薄板的情况下，上述引导操作探头将球的顶点与被测物体准确接触以测量上述孔的操作很困难并需要熟练的技术。例如图9所示，当探头100与被测物体101例如金属薄板相接触，其在一不正确的测量位置B而非正确的测量位置A接触时会产生一明显的测量误差。

通常，为了解决上述问题，如图10A所示，利用一柱形探头110取代一球形探头。通过使用这一柱形探头110，无论柱形探头110的外部圆形表面的任何位置与被测物体101接触，只要柱形探头110和被测物体101的中心线相交成直角，就可以保证正确的测量。然而，利用这种柱形探头110测量的缺点是无法在于不能确定柱形探头110和被测物体101的垂直接触位置。柱形探头110不适用于测量例如具有局部尖端部分或类似部分的被测物体，这是因为不能确定接触的位置是在垂直的方向。因此，例如被测物体是薄形的和普通的外形结合的方式，当探头在测量中途需要更换时是非常麻烦的，而且，由于更换探头，经常会出现偏移误差。如图10B所示，如果柱形探头110的中心线和金属薄板结构的被测物体101不垂直，另一个问题是会出现明显的测量误差。此外，因为其相对重的重量，会呈现一显著的惯性力，因而难于控制柱形探头110。尤其是当被测物体是具有较低刚性的小物体例如金属薄板时，体积大的探头本身的惯性力会导致被测物体的扭曲或变形，从而加大测量误差。不仅手工操作的坐标测量装置或数字读出器，还有CNC示教操作的三维测量装置也会遇到这样的问题。

因此，本发明的目的是提供一种以手动方式精确测量薄型被测物体，被测物体具有的突出部分和类似的物体的坐标测量装置，并提供一种用于该装置的球形探头。

本发明的另一目的是提供一种在被测物是薄型、具有伸出部分或类似被测物体的情况下用于精确测量沿探头轴线方向的位置的坐标测量装置，并提供一种用于此装置的球形探头。

本发明的再一目的是提供一坐标测量装置，其能够简便地完成这种测量操作，并提供一种用于此装置的球形探头。

根据本发明的一方面，当球形探头与被测物体接触时输出一接触信号，该球形探头包含：利用可移动支承部件支承的轴和一与该轴顶端相连接的要与被测物体接触的球，其中，在球的表面形成一标记以标识出在横穿球心的和垂直地穿过轴中心线的平面和球表面之间的相交线。

根据本发明的优选实施例，标记包含在相交线上形成一适当宽度的线。

该适当宽度的线，可为例如一实线、一虚线、一点划线或类似的线。

在本发明的另一优选实施例中，标记所包含的适当宽度的二条线分别在相交线两侧形成，从而在相交线上形成一适当宽度的带区。

在这些实施例的任一实施例中，适当宽度的线可以是例如实线、虚线、点划线或类似的线。

根据本发明的另一方面，通过与被测物体接触用于测量被测物体的坐标测量装置包括在X、Y和Z轴线方向彼此垂直相交可移动的悬臂，以及，与悬臂的顶端相连接的一球形探头，用于当其与被测物体接触时输出一接触信号，其中，球形探头包含由悬臂支承的轴和与轴顶端相连接的，并更与被测物体接触的球，其中，在球的表面形成一标记，以识别在横穿球中心的和垂直地穿过轴中心线的平面和球表面之间的相交线。

在本发明的一优选实施例中，在悬臂和球形探头之间还提供一角度调节机构，用于调节球形探头相对于悬臂的角度。

此外，根据本发明的再一方面，通过与被测物体接触测量被测物体的一悬臂型多点连接坐标测量装置包括多个利用各自由旋转关节连接的多个悬臂，以及与最远的悬臂顶端连接的球形探头，用于与被测物体接触时输出一接触信号，其中，球形探头包含由最远端悬臂支承的轴和与轴顶端相连接的，并更与被测物体接触的球，其中，在球的表面形成一标记，用以识别在横穿球中心的与垂直地穿过轴中心线的平面和球表面之间产生的相交线。

通过举例，参照附图，对本发明进行更进一步的说明，其中：

图1是表示本发明中具有一球形探头的三维测量装置结构的透视图；

图2是表示图1中球形探头的一优选实施例；

图3是表示利用图2中的球形探头测量一金属薄板；

图4是表示利用图1中球形探头的另一实施例；

图5是表示利用图4中的球形探头测量一金属薄板；

图6是表示本发明中具有一球形探头的悬臂式多点连接测量装置的透视图；

图7A和图7B是分别表示本发明中球形探头的再一实施例；

图8A和图8B是分别表示本发明中球形探头的又一实施例；

图9是表示利用传统球形探头测量金属薄板的缺陷；

图10A和图10B是分别表示利用传统柱形探头测量金属薄板及其缺陷；

参照附图，下面说明本发明的一优选实施例：

图1是表示本发明牟手控式三维测量系统结构的一个实施例。

这一三维测量系统包括一三维测量装置1和对由三维测量装置1输入的测量值进行处理的主机系统2。

一检测台11安装在三维测量装置1的隔震底座10上，以使检测台顶面作为一与水平面相一致的基准表面。一X轴导向件13由分别沿检测台11两侧边垂直安装的支承臂12a、12b的顶端支承。支承臂12a、12b的底端在检测台11上支承，通过气垫支承装置沿Y轴方向移动。X轴导向件13在X轴方向对一垂直延伸的Z轴导向件15导向。一Z轴悬臂16安装在以可沿Z轴导向件15移动的方式安装Z轴导向件15。一接触式球形探头17通过装有一角度调节机构的探头(probe head)18装于Z轴悬臂16的最底端。当这一球形探头17与安装在检测台11上作为被测物体-工件19接触时，从球形探头17输出一接触信号到主机系统2，并且在那一时刻X、Y、Z轴坐标值被输入主机系统2。

图2表示图1球形探头的细结构。球形探头17包含一由探头固定的轴21和一与轴21底端相连接与工件19接触的球22。在球表面22上确定一标记23，以便识别在通过球22中心O的和垂直地横穿轴21的中心线L的平面和球22表面之间的交线。在这一实例中，该标记为沿交线确定的具有适当宽度的实线。标记23是利用以丙烯酸树脂为基本成分涂层、金属汽相淀积、电镀、密封剂涂覆或类似方式形成的。另外，标记23可利用在确定的地方固定一颜色与球22不同的元件来形成。但是，应避免使用过厚的元件以免引起测量误差。这种元件也应具有良好的耐磨性，这是因为其经常与被测物体接触。

下面详细说明利用球形探头17测量一薄型工件例如金属薄板的方法。操作者可用手或者与一变速电机(未表示出)配合的操作手柄按他/她的意愿沿在图1中所示的X、Y或Z方向移动球形探头17。因此，当球22与安装在三维测量装置1的检测台11上被测物体的目标点相接触时，在接触的瞬间的球22的中心坐标值由主机系统2采集。图3表示为球22与作为工件的金属薄板24的这一接触状况。如前所述，操作者用手或通过操作控制手柄移动球形探头17到能够测量金属薄板24的目标测量点。下一步，通过调整球形探头17的位置，将标记23移到与金属薄板24端部相接触，使得轴21的中心线L与金属薄板24的平面接近垂直。在这一调整过程中，通过调节，轴21可以容易地被置于与金属薄板24表面垂直的位置，因此当正好从侧面观察时，标记23的中心线和金属薄板24对准在同一直线上。如前所述，在球形探头17和金属薄板24之间的相对角度可以通过安装于三维测量装置Z轴悬臂16端部的探头18上的角度调节机构来调节。

图4表示本发明的另一球形探头27。与球形探头17的情况一样，该球形探头27具有由探头18固定的轴31，和与轴31末端相连接并与工件19接触的球32。标记33包含确定在球32表面上的实线33a、33b，其用以识别横穿球32中心O的和垂直地穿过轴31的中心线L的平面和球32表面之间的相交线。按适当宽度确定的这些实线33a、33b分别在相交线的两侧，以便在相交线上形成一适当宽度的带区34。标记可以利用丙烯酸树脂为基本成分的涂层、金属汽相淀积、电镀、密封剂涂覆或类似方法形成。另外，标记33可以利用颜色不同于球32的固定元件设置在确定的部位而形成。如果带区34的宽度W接近等于被测金属薄板的厚度，探头可以方便地导向。因此，充分地引导探头，使实线33a或33b的内边与金属薄板的上或下面分别相接触。

下面详细说明利用球形探头27测量薄工件例如金属薄板的方法。图5表示出球形探头27与作为工件的金属薄板35的接触状况。其操作与球形探头17相似，除了金属薄板35与实线33a和33b之间的标记形成的空白的带区34接触。换句话说，操作者利用实线33a和33b作为导向易于引导球形探头27，以使金属薄板35在二实线之间的带区34接触。对于这种球形探头27，由于带区34是空白的，可以有效避免由于与被测物体摩擦而使标记的漆脱落或因片层厚度引起测量误差或类似现象。

上面参照优选实施例对本发明进行了详细说明而并非意在限制本发明，在不脱离本发明的范围的情况下可以进行许多改进。

例如，在上述实施例中，作为一个示例说明了适用于利用一球形探头的三维测量装置；然而，本发明还可以适用于具有多个铰接头的悬臂式多铰接头坐标测量装置50，如图6所示，称其为三维数字读出器。该悬臂型多铰接头式三维坐标测量装置50包含垂直地竖立于基座59的支柱58，该基座固定于工作台或类似的物体上。支柱58与第二悬臂57的一端通过第三铰接头55相连接，其可沿两个轴线方向旋转，并且包含可检测各自的旋转角度的旋转式编码器(未表示出)。第二悬臂57的另一端与第一悬臂56的一端通过与第三铰接头55相似的第二铰接头54相连接。第一悬臂56的另一端和探测头52通过与第二铰接头54相似的第一铰接头53联动连接。本发明上面所述的球形探头51装备在探头52的顶端。

因此，操作者可以使球形探头51从任何方向接近被测物体并使其在任意角度接触被测物体。例如，在测量金属薄板过程中，操作者可以抓住探头52，控制球形探头51的位置垂直于金属薄板表面，容易地引导球形探头51，将在球形探头51表面的标记与金属薄板边缘接触。通常，利用多铰接头式坐标装置测量薄型工件例如金属薄板的结果取决于操作者是不利的，这是因为该装置的空间位置可能发生变化。根据本发明，操作者可以很容易的将球形探头的最大圆周截面与被测物体准确地接触，测量结果的偏差由操作者控制，因而可以避免其产生。

在上文中，球形探头17的标记23和球形探头27的标记33已说明为实线，用于识别在横穿球中心的与垂直地横穿轴的中心线的平面和球表面之间的相交线，即识别最大圆周截面的标记，并不局限为实线。例如，在图7A所示球形探头61中，围绕球62的最大圆周截面形成一虚线标记63。在图7B所示球形探头65中，围绕球65的最大圆截面形成一点划线标记67。在图8A所示球形探头71中，包含虚线73a和73b的标记73分别形成在球72最大圆周截面的两侧，球72的最大圆周截面部分可以由在虚线73a和73b之间的带区74来识别。在图8B所示球形探头75中，包含点划线77a和77b的标记77分别形成球76的最大圆周截面部分两侧，球76的最大圆周截面部分可以由在点划线77a和77b之间的带区78来识别。

如上所述根据本发明，在对薄型金属薄板、具有伸出部分或类似物体，利用手控三维测量装置和数字读出器进行测量时，通过引导球形探头以使固定在与轴垂直正交的球最大圆周截面部分上的标记与被测物体相接触，可以易于防止测量误差增加。

1996年8月19日申请的申请号为8-235940号日本专利申请包含说明书、权利要求书、附图和摘要的全部公开内容，在此引入，作为参考。

Claims (8)

1 一球形探头，用于在与被测物体接触的瞬时输出一接触信号，其包含：

利用活动支承元件支承的轴，以及

与所说轴顶端相连接的并与所说被测物体接触的球；

其中，在所说球表面形成一标记，以识别在横穿所说球中心的和垂直地穿过所说轴中心线的平面和所说球表面之间的相交线。

2 根据权利要求1所述球形探头，其特征在于所说标记包含在所说相交线上确定的一适当宽度的线。

3 根据权利要求2所述球形探头，其特征在于所说适当宽度的线是虚线或点划线。

4 根据权利要求1所述球形探头，其特征在于所说标记包含分别在所说相交线两侧形成的适当宽度的二条线，以便形成在所说相交线上一适当宽度的带区。

5 根据权利要求4所述球形探头，其特征在于所说适当宽度的线是虚线或点划线。

6 一坐标测量装置，通过与所说被测物体接触测量被测物体，包含：

一在彼此垂直的X、Y和Z轴方向上可移动的悬臂，和

一与所说悬臂的顶端相连接的球形探头，在与所说被测物体接触的瞬时输出一接触信号，

其中所说球形探头包含：

一用所说悬臂支承的轴，以及

一与所说轴顶端相连接并与所说被测物体接触的球，其中在所说球表面形成一标记，以便识别在横穿所说球中心的和垂直地穿过所说轴的中心线的平面和所说球的表面之间的相交线。

7 根据权利要求6所述的坐标测量装置，其特征在于所说悬臂和所说球形探头之间还提供一角度调节机构，以便调整所说球形探头相对所说悬臂的角度。

8 一悬臂式多铰接头坐标测量装置，用于通过与所说被测物体接触测量一被测物体，其包含：

分别利用旋转连接的一多个悬臂，和

与最远悬臂顶端相连接的球，在与所说被测物体接触的瞬时输出一接触信号，

其中所说球形探头包含：

一利用所说最远端悬臂支承的轴，和

与所说轴顶端相连接并与所说被测物体接触的球，其中在所说球表面上形成一标记，以便识别在横穿所说球中心的和垂直地穿过所说轴的中心线的一平面和所说球表面之间的相交线。

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