CN1273795C - 模拟探头 - Google Patents

Abstract

一种探头(8)包括一个壳体(10)；一个可以相对于壳体移动的元件(20)，一个触针(12)可以安装在该元件上，从而触针的运动导致该元件的运动；以及一个第一传感器(50，52)，用于测量该元件相对于壳体的运动。该元件可以相对于壳体固定在一个精确预定的静止位置(22，24)，使得探头处于一个机械基准位置。对于一种组合式传感器探头，可以锁定第一传感器(50，52)而同时可以使用第二传感器(70)。当处于该机械基准位置时第一传感器的输出可以作为基准。驱动装置(40，50，60)或偏压装置(26)沿着一个轴线将该元件沿所有轴线固定在其静止位置。

Description

模拟探头

本发明涉及一种带有用于接触工件的触针的模拟探头。

模拟探头广为人知并且探头的一个例子公开在我们的UK专利1,551,218中。该专利描述了一种探头悬挂机构，它包括三个正交布置的平行弹簧对，该平行弹簧对串联在探头壳体上的一个固定点和一个可动元件之间，接触工件的触针连接于该可动元件。模拟探头可以安装在坐标定位机上，例如坐标测量机、机床或者可人工定位测量臂。

在利用这种探头在工件上进行测量操作时，向着工件驱动其上安装有探头的机器以使触针接触工件。当触针末端接触工件时，随着机器继续移动触针将偏转并且探头内的测量传感器生成表示探头触针沿三个正交轴线的偏转的输出。表示触针偏转的输出与表示探头位置的机器输出结合起来以给出触针末端位置的真实表示并且因此给出关于工件表面的信息。术语“模拟探头”指的是输出表示触针偏转的事实；实际上输出可以是数字形式而不是模拟形式。

理想地当探头安装在机器上时探头轴线与机器的坐标轴对齐，从而将沿着机器轴线进行探头触针偏转的测量。但是，这种对齐并非总是可以实现的。

另外，探头轴线之间可能会有不对准，因而它们不是正交的。而且，实际探头轴线的标度因子通常偏离其标称值。

因此通常要校准探头和机器系统以确定任何这种不对准和标度误差的影响并且随后由于这些影响修正在工件上进行的任何测量。

为了校准探头，需要探头具有一个基准位置。这是所有探头输出参照的位于触针行程中的一个基准位置。

美国专利3,869,799说明了一种配置有固定的机械几何零点的模拟探头。探头内的电机用来将探头在X、Y和Z方向中的每一个上固定在该固定的机械几何零点。这样探头的每个轴线由其自身的电机和定位系统独立地固定。

探头还具有一个与机械几何零点一致的基准电零点。这样当探头被驱动到其机械几何零点时，传感器的电输出为零。

使用电机将探头驱动到其机械几何零点具有的缺陷在于探头的尺寸、重量、成本和控制复杂度都增加。

本发明的第一方面提供一种用在测量装置中的双传感器探头，包括：

壳体；

可以相对于壳体移动的元件，触针可以安装在该元件上，从而触针的运动导致该元件的运动；

第一传感器，用于测量该元件相对于壳体的运动；

第二传感器，测量探头属性或者探头和靠近探头的表面之间的关系；

其中该元件可以相对于壳体定位在一个预定的静止位置；

并且其中当该元件定位在该预定的静止位置时，第一传感器锁定而第二传感器未锁定。

探头属性或者探头和靠近探头的由第二传感器测量的表面之间的关系例如可以是，探头触针的偏转或者探头和相邻表面之间的距离。术语偏转包括探头触针的位移和挠度。

该元件和壳体或者连接于壳体的主体每一个可以设置有互补的定位件，从而该元件或主体可以被偏压或驱动到一个位置，在该位置，该元件相对于壳体固定在一个预定的静止位置，所述预定的静止位置由定位件确定。

优选地该元件或主体可以沿一个轴线被偏压或驱动到一个位置，在该位置，该元件沿至少两个轴线固定在一个预定的静止位置。当该元件定位在其预定的静止位置时，可以在三个方向上约束它的运动。该预定的静止位置可以是一个运动上确定的静止位置。

第二传感器可以生成接触触发信号。可选地，第二传感器可以测量该元件相对于壳体的运动范围。第二传感器可以是一个非接触式传感器。

本发明的第二方面提供一种用在测量装置中的模拟探头，包括：

壳体；

可以相对于壳体移动的元件，触针可以安装在该元件上，从而触针的运动导致该元件的运动；

其中该元件和壳体或者连接于壳体的主体每一个设置有互补的定位件；

从而该元件和主体之一可以沿一个轴线被偏压或驱动到一个位置，在该位置，该元件沿至少两个轴线相对于壳体固定在一个预定的静止位置，所述预定的静止位置由定位件确定。

精确预定的静止位置用做一个用于校准探头的基准位置，并且是一个所有探头输出所参照的原位置/基准位置。

优选地，使用偏压装置或驱动装置将该元件或主体偏压或驱动到一个位置，在该位置，该元件固定在一个预定的静止位置，并且在该元件或主体的运动期间，偏压或驱动装置允许该元件相对于壳体沿垂直于所述轴线的方向运动。

在一个实施例中，提供偏压装置来将该元件偏压到预定的静止位置，并且其中当没有在该元件上安装触针时该元件被偏压到该预定的静止位置。当触针安装在该元件上时，触针的重量拉动该元件离开该预定的静止位置。

在另一个实施例中，提供驱动装置来将该元件或主体驱动到预定的静止位置，并且其中当没有在该元件上安装触针时该元件被偏压到一个位置，在该位置，该元件固定在预定的静止位置。

探头可以设置有一个第一传感器，用于测量该元件相对于壳体的运动；以及一个第二传感器，测量探头属性或者探头和靠近探头的表面之间的关系；其中当该元件定位在该预定的静止位置时，第一传感器锁定而第二传感器未锁定。

本发明的第三方面提供一种用在测量装置中的模拟探头的确定基准的方法，该模拟探头包括壳体；可以相对于壳体移动的元件，触针可以安装在该元件上，从而触针的运动导致该元件的运动；传感器，用于测量该元件相对于壳体的位置；其中该元件和壳体或者连接于壳体的主体每一个设置有互补的定位件，该方法包括以下步骤：

将该元件和主体之一偏压或驱动到一个位置，在该位置，该元件相对于壳体固定在一个预定的静止位置；

将传感器读数输出到数字电路并且将数字电路的数字计数器设为零。

探头的基准值可以通过简单的电子控制设定。

现在将参照附图作为例子说明本发明的优选实施例，其中：

图1表示一个模拟探头，其触针接触工件；

图2表示带有偏压装置的探头的简化内部视图；

图3表示图2中的探头去掉触针的视图；

图4表示带有螺线管驱动装置的探头的简化内部视图；

图5表示带有波纹管驱动装置的探头的简化内部视图；

图6表示带有电机驱动装置的探头的简化内部视图；

图7表示组合在一起的模拟和接触触发探头的简化内部视图；

图8表示组合在一起的模拟和光学探头的简化内部视图；以及

图9表示图3的模拟探头的一种变形的简化内部视图。

图1表示安装在坐标测量机(未示出)的主轴2上的模拟探头8。将被测量的工件6放置在坐标测量机的工作台4上。模拟探头8具有一个带有工件接触末端14的触针12。探头8移动直到触针12的工件接触末端14接触到工件6。这样触针移动(相对于探头壳体)到由虚线表示的位置11，并且触针的位移由模拟探头内的传感器测量。这些传感器的输出与坐标测量机的表示探头8的位置的输出结合起来，以便表示工件接触末端14并且因此工件6的位置。

图2表示本发明的模拟探头8的简化视图，包括探头壳体10和触针12。触针在一端具有工件接触球14用于接触工件，并且触针可以相对于探头壳体10移动。触针12可拆离于探头的其余部分，并且可以拆卸以及与其他触针互换，例如它可以更换为具有不同长度的触针。触针设置有一个法兰16，它可以连接于探头的触针安装板18。触针法兰16和触针安装板18可以磁性地固定在一起并且可以设置有运动元件(kinetic element)以确定触针相对于触针安装板18的位置并且保证触针的定位的可重复性。

触针安装板连接于探头壳体内的杆20。触针12和杆20刚性连接从而触针12和杆20一起移动。

探头可以是公开在UK专利1,551,218中的类型，其中三对平行的弹簧限制杆20和触针12的转动并且因此仅仅允许平动。

可选地探头可以是其他类型，例如象公开在US专利6,430,833中的允许围绕一个枢轴的平动的探头。

传感器设置在探头内用于测量杆20相对于壳体10的运动。例如，杆20可以设置有光标50，同时探头壳体内设置有光读取头52用于测量杆20和触针12相对于壳体10的位移。这在欧洲专利0568120中有进一步说明。可以使用其他传感器，例如LVDT绝对传感器。

包括一个球的一个定位件22设置在杆20上，包括一个凹口的一个相应定位件24位于探头壳体10内的一个固定位置。凹口例如可以是三面体的、圆锥体的或者三个球的集群组。杆20可以向上推动从而球22接合凹口24。当球22接合于凹口24时确定了杆20的位置。球和凹口在三个线性自由度确定了杆20的位置。在限制了杆20的角位移的模拟探头中不再需要其他约束。但是没有限制杆的角位移的模拟探头需要其他的元件的连接对，例如三对元件将提供约束所有自由度的支撑。这样从运动上约束了杆。

本实施例公开了球和凹口的定位件，但是可以使用其他的定位装置。在本实施例中球和凹口可以位于杆20上，也可以在固定的表面上。

如图2所示如果触针12连接于杆20，那么触针12的重量拉动杆20离开基准位置。但是如图3所示，如果触针拆离探头，那么杆20被偏压到基准位置。

提供一个弹簧26以将杆20偏压到基准位置。图2和3表示一个压缩弹簧26，弹簧的一端连接于一个表面25，该表面25连接于触针安装板18，弹簧的另一端连接于探头内的一个表面27。可选地，弹簧可以包括一个拉簧，该拉簧例如可以连接在触针安装板18和探头内的一个固定表面内。如果触针12连接于杆20，那么触针的重量将抗衡弹簧26并且因此杆20将不会被拉动到基准位置。如果触针12拆离探头，那么杆20将由弹簧拉动到基准位置。

设置有磁体30，31，一旦杆20处于合适的位置(并且磁体相互靠近)磁体30，31将杆20吸引到基准位置。磁体还将杆20保持在该基准位置。图2和3表示磁体30，31位于触针安装板18上以及探头壳体内的一个表面32上。磁体可以具有其他位置，例如靠近定位件。

提供一个阻尼器34用于保证杆20到其基准位置的运动平稳并且消除未受控制的冲击。

探头的优点在于当去掉触针时探头回到其基准位置，而无需人工干预。当探头被偏压到该基准位置时不需要控制线(即，如果该过程被机械化则需要)，这样仅仅需要探头控制器来读取探头的输出。

当探头安装在坐标测量机上并被校准时，探头自动处于其基准位置。该基准位置作为探头输出所参照的基准点。这对于传感器不是绝对测量装置是有利的。

传感器的输出输入到数字化电路。当探头处于其基准位置时，数字化电路中的计数器设置为零，从而将电基准点设定于机械基准点。

该实施例的一个不足是如果触针组件更换为较轻触针组件(例如具有较短的触针)，触针组件的重量可能不会足以拉动探头离开其基准位置。在本发明的下述另一实施例中克服了这一问题，在该实施例中提供了将探头驱动到基准位置的装置。以下驱动探头到基准位置的所有方法允许沿X和Y方向的运动，从而当探头沿Z方向向上移动时，X和Y方向的间隙使得探头可以自我调整进入基准位置。

图4表示一个探头，其中设置有一个螺线管40用于驱动探头到基准位置。该螺线管包括一个线圈42，它相对于壳体10安装在一个固定位置，中心杆44直接或者间接连接于触针安装板18。当电流经过线圈42时，杆44将被向上拉动，直到探头到达基准位置。螺线管中的间隙足以允许杆44沿X和Y方向的运动。

图5表示一个波纹管装置50，用于驱动探头到基准位置。波纹管50在其一端52相对于探头壳体10安装在一个固定位置。波纹管50在其另一端54直接或者间接连接于触针安装板18。当波纹管50排空时，探头将被拉动到基准位置。可选地，该装置可以倒置，从而压缩波纹管将探头推动到基准位置。如前面的例子，波纹管在沿Z方向的运动过程中允许沿X和Y方向的某些游隙。

图6表示一个电机和滑轮装置60，其中探头可以被吊拉到基准位置。电机62相对于探头壳体固定安装。电机的可转动滑轮64用于提升或降低连接于固定件68的绳缆66，该固定件68转而直接或者间接连接于触针安装板18。如前面的例子，这种装置在沿Z方向的运动过程中允许沿X和Y方向的某些间隙。

这些实施例都与第一实施例具有共同点，即它们提供了可重复的机械基准。如图9所示，取代被向上偏压或驱动到机械基准位置的部件，其中设置有一个定位件24的主体90可以向着元件20被偏压或驱动到例如由止挡件94确定的一个预定位置。当主体90处于由虚线92表示的该预定位置时，主体上的定位件24和元件上的定位件22连接从而将元件固定在预定位置。

所有上述偏压或驱动探头到其基准位置的实施例通过沿一个轴线偏压或驱动探头同时允许垂直于该轴线的运动而得以实施。这保证可以使用相对于所有三个轴线确定其位置的单个电机或偏压装置来将探头运动到基准位置。否则需要沿每个轴线驱动或偏压探头，这将增大探头的重量、尺寸和复杂度。

在利用上述实施例描述的该系统中，不需要用于传感器输出的预定基准电零点。一旦探头已经被偏压或驱动到其基准位置，传感器的输出设置为零。因此，不需要探头传感器的输出生成机械基准，但是实际上机械基准用于生成传感器的电基准。

现在将说明本发明的第二种应用。组合了模拟扫描探头(如上所述)和接触触发探头的探头是已知的，并且这种探头公开在EP0344289中。图7表示如以上实施例所述的模拟探头，该探头还可以进行接触触发测量。模拟探头的内部机构人所共知，这里不再说明。

为了在触针12初始接触工件时提供一个触发信号，压电晶体70被夹持在触针12的两个部分72，74之间。电接头(未示出)设置在压电晶体70的每一侧并从当触针和工件碰撞时形成在触针中的冲击波提供电信号。由信号处理电路处理该信号以提供触发信号。

除了在上述位置提供压电晶体之外，也可以替换为一个如本申请人的国际专利申请WO86/03829所述的完整触发探头，取代触针安装在触针固定架上。

如EP0344289详细所述，探头可以结合来自压电晶体的接触触发数据和来自模拟传感器的模拟数据。也可以关闭触发传感器并且作为一个简单的模拟探头来使用该探头。但是，也可以作为一个简单的接触触发探头来使用该探头。

本发明允许锁定探头的模拟部分并因此仅仅作为一个接触触发探头来使用该组合探头。这是通过例如由上述方法之一驱动探头到基准位置从而将模拟传感器锁定在探头主体内而得以实现的。通过锁定探头的模拟部分，可以仅仅作为一个接触触发探头来使用该探头。因此该探头可以按照组合模式、仅仅模拟的模式以及仅仅接触触发的模式来使用。

在接触触发的模式下使用探头的优点是，当高速运动时探头不会产生由于加速度导致的动态误差。在探测未知表面时也有利地在仅仅接触触发的模式下使用该组合探头。在这种未知表面上使用模拟探头需要对其上安装探头的机器进行修正，这非常耗时，而使用接触触发探头没有这种缺陷并且更加简单。

这种锁定一组传感器的系统可以应用于任何类型的双探头。例如组合的模拟和非接触式表面检测探头。

图8表示一种组合的模拟和光学探头。在该实施例中，探头主体与以上实施例所述的一样，而触针组件由光学检测组件80取代。光学检测组件可以是任何类型，通常包括一个向表面投射光的光源82以及一个检测来自表面的反射光的检测器84。类似地，任何类型的非接触式组件可以安装在探头主体上。例如，使用电容或感应检测技术以定位局部表面的组件。

该组合探头可以具有两组模拟传感器。例如，触针组件可以包括一个如国际专利申请WO00/60310所述的探头，其包括一个中空触针，其中在触针组件中设置有一个光学传感器系统。光源将光束导向触针末端内的后向反射器，该光束向着检测器反射，从而可以测量触针末端的横向位移。

Claims (16)

1.一种用在测量装置中的探头，包括：

壳体；

可以相对于壳体移动的元件，触针可以安装在该元件上，从而触针的运动导致该元件的运动；

第一传感器系统，用于测量该元件相对于壳体的运动；

第二传感器系统，测量探头属性或者探头和靠近探头的表面之间的关系之一；

其中该元件可以相对于壳体定位在一个预定的静止位置；

并且其中当该元件定位在该预定的静止位置时，第一传感器系统锁定而第二传感器系统未锁定。

2.如权利要求1所述的探头，其中该元件和壳体或者连接于壳体的主体的每一个设置有互补的定位件，从而该元件或主体可以被偏压或驱动到一个位置，在该位置，该元件相对于壳体固定在一个预定的静止位置，所述预定的静止位置由定位件确定。

3.如权利要求2所述的探头，其中该元件或主体之一可以沿一个轴线被偏压或驱动到一个位置，在该位置，该元件相对于壳体固定在所述预定的静止位置。

4.如权利要求1-3中任一项所述的探头，其中第二传感器系统生成接触触发信号。

5.如权利要求1-3中任一项所述的探头，其中第二传感器系统测量所述触针末端相对于所述元件的运动范围。

6.如权利要求1-3中任一项所述的探头，其中第二传感器系统是一个非接触式传感器系统。

7.如权利要求1-3中任一项所述的探头，其中当该元件定位在其预定的静止位置时，它的运动在三个方向上受到约束。

8.如权利要求1-3中任一项所述的探头，其中该预定的静止位置是一个运动上确定的静止位置。

9.一种用在测量装置中的模拟探头，包括：

壳体；

可以相对于壳体移动的元件，触针可以安装在该元件上，从而触针的运动导致该元件的运动；其中该元件和壳体或者连接于壳体的主体的每一个设置有互补的定位件；

从而该元件和主体之一可以沿一个轴线被偏压或驱动到一个位置，在该位置，该元件相对于壳体固定在一个预定的静止位置，所述预定的静止位置由定位件确定；

其中使用偏压装置或驱动装置将该元件或主体偏压或驱动到一个位置，在该位置，该元件固定在一个预定的静止位置，并且在该元件或主体的运动期间，偏压或驱动装置允许该元件相对于壳体沿垂直于所述轴线的方向运动。

10.如权利要求9所述的模拟探头，其中提供偏压装置来将该元件偏压到预定的静止位置，并且其中当没有在该元件上安装触针时该元件被偏压到该预定的静止位置。

11.如权利要求10所述的模拟探头，其中当触针安装在该元件上时，触针的重量拉动该元件离开该预定的静止位置。

12.如权利要求9所述的模拟探头，其中提供驱动装置来将该元件或主体驱动到一个位置，在该位置，该元件固定在一个精确预定的静止位置。

13.如权利要求9-12中任一项所述的模拟探头，其中该预定的静止位置用做一个基准位置。

14.如权利要求9-12中任一项所述的模拟探头，其中该模拟探头设置有传感器系统，用于测量该元件相对于壳体的位置；并且其中传感器系统的输出被输入到数字电路；并且其中当该元件定位在预定的静止位置时，数字电路中的计数器设为零。

15.如权利要求9-12中任一项所述的模拟探头，其中该探头包括第一传感器系统，用于测量该元件相对于壳体的运动；以及一个第二传感器系统，测量探头属性或者探头和靠近探头的表面之间的关系；其中当该元件定位在该预定的静止位置时，第一传感器系统锁定而第二传感器系统未锁定。

16.一种用在测量装置中的模拟探头的确定基准的方法，该模拟探头包括壳体；可以相对于壳体移动的元件，触针可以安装在该元件上，从而触针的运动导致该元件的运动；以及传感器系统，用于测量该元件相对于壳体的位置；其中该元件和壳体或者连接于壳体的主体的每一个设置有互补的定位件，该方法包括以下步骤：

将该元件和主体之一偏压或驱动到一个位置，在该位置，该元件相对于壳体固定在一个预定的静止位置；

将传感器系统读数输出到数字电路并且将数字电路的数字计数器设为零。

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