CN1688862A - 包含有带有惰性气体保护触点的开关的接触探测器 - Google Patents

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Abstract

一种接触探测器，其具有连接到动臂组件(3)的臂(13)，所述动臂组件支撑在壳体(1)中，该探测器包括电开关(31)和机械传动装置(61)，其中电开关具有固定到所述壳体的外壳(33)，机械传动装置用于机械传递臂的位移并且使导电小球(51)与两个固定导电棒(44，45)脱离，从而断开探测电路。在探测器壳体内部，密封室容纳开关并充满例如氮这样的不活泼气体，以保护电触点。

Description

包含有带有惰性气体保护触点的开关的接触探测器
技术领域
本发明涉及一种接触探测器，其包括：限定了纵向几何轴的壳体；容纳在该壳体中的动臂组件；刚性连接到动臂组件的臂，其一端伸出壳体；连接到该臂的所述端的探头；能够探测动臂组件相对于壳体的位移的电开关，该电开关包括至少一个静态触点和一个活动触点，封闭静态触点和活动触点以及用于保护所述触点的触点保护流体的外壳，和适于将动臂组件的位移传输到活动触点的机械传动装置。
背景技术
具有携带探头的动臂组件的接触探测器用在坐标测量机和机械工具中，尤其用在加工中心机床(machining center)和车床中，用于对加工过的零件或待加工零件、工具、机床工作台等的检查。在每个所述探测器中，探头和诸如机械零件之间的接触由合适的设备监控，该设备探测动臂组件相对于壳体的具体位移和控制与机器滑动相关的传感器的读数，这提供了相对于基准位置或原点的测量值。
探测器探测和监控装置能够预知电路和(至少)一个相关开关的利用率，所述相关开关由于可移动臂和壳体之间发生位移而以机械方式启动，并导致了电路闭合或更频繁地断开。
美国专利NO.US-A-5299360公开了根据权利要求1前序部分的探测器，每个探测器都包括带有杆的微动开关，所述杆具有一个与动臂组件配合的自由端。更具体而言，在每个所述探测器中，动臂组件和固定壳体之间的连接这样设置，使得探头在纵向或横向的进一步位移导致靠近微型开关的动臂组件邻接面上升，由此在杆上产生推力，导致触点的脱离和电路的断开。
特别重要的特征在于，接触探测器需要具有高度的再现性，即，探头所处的精确位置与电路的断开紧密相关。
为了改善该特征，其中，就通常为球形的活动触点和杆沿推力弹簧的纵轴的对准而言，精确地限定了开关中部件的相互位置。尽管美国专利No.US-A-5299360中公开的探测器保证良好的可再现性，但在开关的部件之间的绝对精确对准是不可能的。而且，杆和微型开关其它部件的相互位置的变化归因于纵向导向系统的间隙和/或杆围绕其轴线的可能转动，即使极小的旋转，这种相互位置的变化也能够负面影响探测器的再现性。在近来的高精度应用中这尤为正确，在这些应用中需要再现性误差极小，远小于1μm。
依赖于微型开关的电触点的再现性是已知探测器中存在的其它不便之处，例如前面提到的美国专利No.US-A-5299360中所公开的，但是并非仅存在于那些探测器中。实际上，尽管探测器由各种类型的垫圈保护，通常不能认为它们是密封的，尤其橡胶垫圈没有完全密封于氧气和水蒸气。放在一起或分离的氧气和水蒸气这两种物质，共同地或单独地产生了微型开关电触点的氧化过程，从而导致故障，这能够影响探测器的可靠性。为了避免这些负面作用的发生，作为公知技术，可以在微型开关的内部利用润滑液(“油”)来保护触点。然而，尽管油的存在大幅提高了触点的可靠性，但是它能够干扰探测器的度量性能，尤其负面影响其再现性。实际上，由于在触点上存在油，因此被提供极小的电压的触点在被探测到断开的瞬时，会以不能预料的方式变化。
发明内容
本发明的目标是提供一种接触探测器，其通过保留基本未变的公知结构和利用极简单和经济的装置，来获得性能的提高，尤其获得很高的再现性水平。
该目标是通过根据权利要求1的探测器而实现的。本发明的一个重要优点是通过利用极简单和经济的装置，有效提高了探测器的性能，从而在所述探测器控制下进行更精确的零件加工。
附图说明
当结合作为非限定性实施例给出的附图时，从下面的详细描述中将能够看出本发明的其它有利特点，其中：
图1是根据本发明优选实施例的接触探测器的纵向横截面图，部分细节以前视图示出；
图2是图1所示的探测器部件的纵向横截面放大图；和
图3显示了从底部和图2的箭头III所指的方向观察时的图2的部件。
具体实施方式
图1所示的探测器包括带有壳体1的支撑装置，该壳体是中空的且基本为圆柱形，该探测器由例如多个限定了纵向几何轴线的互相组装部分以及容纳和支撑在壳体1中的动臂组件3构成。壳体1包括用于动臂组件3的两个参考区，更具体而言是基本为截头圆锥形的承座5和带有水平环形表面的邻接区7。动臂组件3又限定了纵向几何轴线，并包括中心基准部分9和带有环形表面的邻接凸缘11，其中所述中心基准部分基本上呈限定球形区的球截体的形状。臂13连接到动臂组件3，探头15固定到臂13的自由端。
螺旋弹簧17的端部紧靠在两个平面上，所述两个平面分别与动臂组件3和壳体1一体化，并且将中心基准部分9压靠在承座5上。
当动臂组件3在图1的非操作状态时，其相对于由壳体1限定的纵向几何轴线对称布置，中心部分9的基本球形区域容纳在承座5中并与之形成基本圆形的相互接触，其中邻接凸缘11的环形表面距离壳体1的邻接区7几微米。在图中不能识别出的该间隙，该间隙的存在决定了根据所述实施例的头部的正确操作，如在前面提到的美国专利No.US-A-5299360中所详细描述的，可参考该文献以进行更详细的说明。
应当注意，本发明的不同实施例将在下面的描述中更详细地公开，作为代替，所述实施例预见了，当所述探测器在非操作位置时，在弹簧17推力的作用下，邻接凸缘11与壳体1的邻接区7相接触。在该情况下，在动臂组件3的中心部分9和承座5之间会存在几微米的径向间隙。
适于防止动臂组件3相对于前面提到的纵向几何轴线旋转的防转装置包括金属波纹管19，该金属波纹管固定到臂组件3和合适的机械耦合元件或桶形件(bucket)20上，该桶形件20刚性连接到(例如粘接)壳体1上。桶形件20具有轴向开口21并以这样的方式连接到壳体1，使得壳体1的内表面，即凹窝22，与波纹管19的内部连通。
两个柔性的保护和密封元件23和24布置在臂13和壳体1之间。
在纵向方向的特定预冲程完成之后，或探头15在横向方向位移的情况下，此时壳体1的几何轴和臂组件3的几何轴之间呈特定角度，通过包括刚性连接到探测器的壳体的电开关或微型开关31在内的探测设备，可探测到探头15和零件W之间发生的接触，其中所述刚性连接是通过例如依靠螺纹连接件32和环形垫圈(或“O形圈”)30来实现的。
同样如图2和3中所示的微型开关31包括带有纵向通孔的外壳33，该通孔限定两个不同直径的圆柱形开口34和35。由绝缘材料制造的封闭板37通过铆钉或螺钉43固定到外壳33，并且通过将环形垫圈(或“O形圈”)36压缩到合适的承座中而密封位于开口34的通孔端部。板37在其外表面上带有导电轨道38和39，该轨道在图2中以横截面形式简化地示出。
由诸如塑料制造的圆柱形绝缘元件41插入到开口34中并安装到其中，并限定了轴向导孔42，该导孔因此位于与纵向几何轴基本同心的位置。
通过两个圆柱形导电棒44和45实现静态触点，这两个导电棒插入并且也安装到相应的互相平行的横向承座46和47中，所述承座部分地由绝缘元件41限定，同时部分地由开口34的内表面限定，由绝缘材料制造的圆盘布置在它们之间，在简化形式中该圆盘以简单的形式由粗线表示，并由附图2中的附图标记49标示。圆盘49使棒44和45相对于外壳33电绝缘，后者由导电材料制造。
由导电材料制造的小球51提供了活动触点，以较小的间隙容纳于孔42中。也插入到孔42中的压缩弹簧53将小球51压靠在棒44和45上。当小球51同时接触棒44和45时，微型开关31闭合，而当小球51从棒44和45中至少一个脱离时，微型开关31断开。
为了简化和清楚，未在附图中示出导电元件或线，被容纳在纵向孔55(其中一个在图中示出)中并使棒44和45分别电连接到两个导电轨道38和39，而导电轨道又连接到未在图中示出的电缆引线，以使微型开关31通过可能的无线传输设备、接口设备等连接到公知的控制和测量探测单元，该单元也未在图中示出。
进一步地，微型开关31包括传动器、或机械传动装置61，用于将动臂组件3的位移传递到活动触点51，该装置基本容纳在圆柱形开口35中。传动装置61的延伸机械体63基本上沿纵向方向布置并包括两个邻接端，这两个邻接端从开口35的两端突出，以分别配合开口34中的小球51和传动销25的端部，该传动销是动臂组件3的一部分并且基本上沿纵向几何轴定向。
延伸机械体63包括推杆65和具有基本球形表面的传动元件67，后者一体化连接到前者的端部，所述一体化连接为例如粘接。
机械传动装置61也包括用于主体63的导向元件。具体而言，在开口34和35之间直径减小的中间部分，公知的、由例如蓝宝石制造轴衬69固定在外壳33的内部，以有限的间隙帮助引导靠近小球5 1的杆65的纵向位移。开口35的内表面限定了基本纵向的导向面，该导向面实现了轨道71，图示实施例中的所述表面是一对并排布置的圆柱形棒70和72的侧面，所述圆柱形棒粘接到所述开口35的内部。圆柱形棒70和72由例如氧化锆制造，氧化锆是与蓝宝石相似的材料，不导电并且具有特别的硬度特性、低摩擦系数和高抗腐蚀性并且耐磨损。
在这些导向元件中存在弹性推力元件，更具体而言是弯曲板簧73，其在相对于限定了轨道71的表面的相反位置处容纳于开口35中。更具体而言，外壳33在开口35的端部包括纵向槽75，板簧73以这样的方式插入到该槽中，使得所述所述弹簧73的较大端74横向伸出该槽75(图3)。环形锁定元件76(例如，弹性元件)位于外壳33的外表面的合适环形承座中并防止板簧73的掉落。该弯曲板簧73的一侧与外壳33配合(横向推压在较大端74和槽75的壁之间)，另一侧与传动元件67的基本平面部分77而不是后者的球面形状部分上形成配合。
板簧73用极其有限的力(例如，仅几克)横向地将传动元件67压靠在轨道71的表面上，该力足够使轨道71的表面无间隙地引导元件67的纵向位移。而且，由于弹簧73施加给传动装置67的推力，机械体63的特殊几何形状和构造决定了推杆65在相对于轨道71的相反侧以可重复的方式倚靠(lean)在轴衬69的导向面的相同区域，从而按照限定的运动学轨迹，实现整个主体63的纵向位移以无间隙和可重复的方式被引导。
前面提到的传动销25以可调整方式与动臂组件3的中心部分连接在一起。更具体而言，销25与螺纹销26一体化，该螺纹销又拧入臂组件3的轴向通孔27的第一螺纹端部。通孔27具有不同直径的多个部分，其中第二螺纹端部用于连接臂13，中间螺纹区域容纳封闭螺钉28的主体。封闭螺钉28的头部压缩环形垫圈(或“O形圈”)29并且密封轴向通孔27。
通孔27面对探测器内部的部分，由波纹管19、凹窝22和微型开关31的外壳33的纵向通孔(开口34和35)限定的空间形成了密封的封闭室，该密封的封闭室内充满了触点保护流体，更具体说是氮(N2)。在通过螺钉28和O形圈29密封之前，这种不活波气体氮通过孔27被充入到该室中。
如前面所述，就非操作状态下动臂组件3与壳体1之间的相互布置而言，根据本发明的探测器能够预见其它实施例。作为另一实施例，其包括美国专利No.US-A-5299360(以下称为“探测器A”)中公开的一些特点，该实施例中非操作状态下在凸缘11和壳体1之间存在间隙；能够预见到一个实施例，其中在所述非操作状态下，邻接凸缘11抵靠在壳体1的邻接区7上(该实施例以下称为“探测器B”)。应当注意，图1希望同时表现这两个实施例(探测器A和B)，其中不能看到若干微米的间隙，在第一种情况下所述间隙存在于邻接凸缘11和邻接区7之间，在第二种情况下所述间隙存在于动臂组件3的中心部分9和壳体1的承座5之间。
根据这两个实施例的探测器的操作如下所述。
当探头15和待检查的零件W之间没有接触时，动臂组件3通过存在于动臂组件3的部分9和承座5之间(探测器A)、或邻接凸缘11和邻接区7之间(探测器B)的球锥型连接支撑在壳体1中，并且机械体63的端部分别面对小球51和传动销25的端部。两个元件(小球51和销25)中的至少一个与主体63的相应端部分离极小的间隔，为了简化而未在图中示出该间隔。导电棒44、45和小球51所属的电路闭合。
随着探测器和零件W之间的进一步相互移动以及探头15和零件W表面之间的接触，臂13和臂组件3相对于壳体1整体地移动。
如果探头14和零件W之间沿纵向方向(图1中的箭头Z)发生接触，在探测器A和探测器B的情况下，动臂组件3、更具体而言是传动销25的端面会发生基本上平移的位移的上升。相反，在探头14和零件W之间沿横向方向(图1中的箭头X)发生接触的情况下，在探测器A中通常发生由球锥连接件允许的臂组件3的第一有限转动，基本位于凸缘11的环形表面和区域7的环形表面之间一点的接触导致销25的端面上升(即包含纵向分量的位移)，并进一步导致臂组件3相对于所述接触点的倾斜。
在探测器B的情况下，探头15和零件W在横向方向X的接触通常决定了由中心部分9和承座5之间的间隙允许的臂组件3的第一有限平移，和随后凸缘11的环形表面从区域7的表面移走，这两个表面在臂组件3倾斜所围绕的点处基本保持接触。同样在该情况下，臂组件3的倾斜导致销25的端面上升(即，包含纵向分量的位移)。
在所有简述的情况中，销25的端面接触传动元件67的球面并挤压机械体63，该机械体纵向平移并且由元件67和轨道71之间的配合而无间隙地导向。后者元件通过弹簧73的推力互相贴靠在一起，该弹簧的推力也导致杆65横向可重复地倚靠在轴衬69的导向面部分上。预冲程结束时，推杆65挤压小球51以抵抗弹簧53的作用并使电路断开。电路的断开表明探头15和零件W之间发生了接触，电路的断开在控制和测量探测单元中受到监控。
除了按前面强调的无间隙地导向之外，主体63的纵向移动由板簧73和传动元件67的基本平面部分77之间的连接来限制。实际上，该连接基本上限制或防止主体63围绕其轴的旋转。因此消除或者至少是明显限制了由于两个方面的共同作用而导致的误差，一个方面是微型开关31的部件沿纵轴(杆65，小球51的中心和棒44和45之间的中点)的极小的不对准不可避免，另一个方面是主体63的端面的形状缺陷、制造缺陷或磨损缺陷。类似的形状缺陷可能决定主体63的端面分别相对于小球51和传动销25之间距离的理论值的微调变化。通过防止主体63的轴向转动，所述距离的值不会依赖于前述的不对准和形状缺陷，并在探测器的操作过程中基本保持不变。这样在探测器的操作期间，为了通过挤压延伸体63而使小球51从导电棒44和45上脱离，，销25的表面必须覆盖并决定断开电路的距离，该距离基本保持不变。
所有这些结果都大幅提高了探测器的再现特性。
如前面所提到的，微型开关31的外壳33是充满氮的密封室的一部分。这使得在无湿气和氧气的环境中保持44、45和51的电接触，从而避免了由于氧化导致的负面作用，并保证了探测器长时间保持稳定的高度可靠性。另一方面，氮不会干扰探测器的度量性能，相反地，在利用油来防止接触受到氧化的现有装置中存在上述问题。
应当认识到，在根据本发明的探测器中，能够用其它不同的流体来代替氮并获得同样的结果，具体来书，所述其它不同流体为诸如氦(He)和氩(Ar)的惰性气体。
此外，由于惰性气体毫无疑问地使操作“更干净”且操作上麻烦更少，因此就防止污染环境而言，与油性流体的操作相比，通常惰性气体的充入和操作具有明显的优点。
尤其就各个部分的连接和材料的选择而言，探测器的制造特点当然可以不同于所示的和之前描述的探测器，这不超出本发明的范围。
而且，相对于之前所示和描述的结构，微型开关31的结构可以采用其它的形式。例如，可以预见棒44和45中仅有一个提供电接触，另一个由不导电材料制造，同时小球51连接到孔55中的导体，以在非操作状态使电路闭合，和当小球51和导电棒(44或45)之间脱离接合时能够探测电路的断开。
仅具有这里所述的某些有利特征的探测器也落在本发明的范围内。更具体而言，带有已知结构微型开关(例如前面提到的美国专利NO.US-A-5299360的图2所示的开关)的探测器也落在本发明的范围内，其中合适的元件保证了包括微型开关的内部区域和电触点的室的密封，并且所述室充满氮或其它不活泼气体。
利用类似电开关探测装置的探测器也落在本发明的范围内，即使它们相对于图1的实施例(探测器A和探测器B)具有重要的结构区别，例如其可以当作壳体1中臂组件3的承座。

Claims (12)

1.一种接触探测器，包括：
限定了纵向几何轴的壳体(1)；
容纳在壳体(1)中的动臂组件(3)；
刚性连接到动臂组件(3)的臂(13)，其一端伸出壳体；
连接到臂(13)的所述端的探头(15)；和
能够探测动臂组件(3)相对于壳体(1)的位移的电开关(31)，其包括：
至少一个静态触点(44，45)和一个活动触点(51)，
外壳(33)，其封闭所述静态触点(44，45)和所述活动触点(51)和触点保护流体，和
能够将动臂组件(3)的位移传递到活动触点(51)的机械传动装置(61)，
其特征在于：
所述触点保护流体是不活泼气体。
2.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于：所述不活泼气体是氮。
3.根据权利要求1或2所述的探测器，其特征在于：所述壳体(1)封闭密封室(19，22，34，35)，电开关(31)的外壳(33)位于所述密封室(19，22，34，35)的内部，不活泼气体存在于密封室(19，22，34，35)中。
4.根据权利要求3所述的探测器，其特征在于：还包括适于防止动臂组件(3)围绕纵轴相对于壳体(1)旋转的防转装置，所述防转装置包括固定到动臂组件(3)和机械联接元件(20)端部的金属波纹管(19)，所述机械联接元件刚性地连接到壳体(1)，所述金属波纹管(19)至少部分限定了所述密封室(19，22，34，35)。
5.根据权利要求3或4所述的探测器，其特征在于：动臂组件(3)限定了轴向通孔(27)，该通孔与所述密封室(19，22，34，35)相通，不活泼气体通过所述轴向通孔(27)充入密封室(19，22，34，35)中。
6.根据权利要求5所述的探测器，其特征在于：进一步包括封闭螺钉(28)和环形垫圈(29)，其中轴向通孔(27)包括至少一个螺纹区域，封闭螺纹(28)能够接合所述至少一个螺纹区域并锁定环形垫圈(29)，以实现轴向通孔(27)的密封。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的探测器，其特征在于：电开关(31)的机械传动装置(61)包括位于动臂组件(3)和活动触点(51)之间的延伸机械体(63)，基本纵向的导向面(70-72)和能够将延伸机械体(63)压靠在所述导向面(70-72)上的弹性推力元件(73)。
8.根据权利要求7所述的探测器，其特征在于：弹性推力元件包括弯曲板簧(73)，延伸机械体(63)包括带有基本球形的传动元件(67)，该球形适于配合受到弯曲板簧(73)挤压的基本纵向的导向面(70-72)，传动元件(67)包括能够配合所述弯曲板簧(73)的基本平面部分(77)。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的探测器，其特征在于：动臂组件(3)依靠球锥连接(9，5)、限定环形表面(7，11)的动臂组件和壳体而支撑在壳体(1)中，所述环形表面适于互相接触，并随着臂(13)的进一步移动，导致动臂组件(3)的纵向移动能够通过所述机械传动装置(61)传递到电开关(31)的活动触点(51)。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的探测器，其特征在于：动臂组件(3)通过平面环形表面(7，11)之间的连接而支撑在壳体(1)中，动臂组件(3)和壳体(1)分别限定了基本球形部分(9)和基本截头圆锥形承座(5)，所述基本球形部分和承座适于相互接触，并随着臂(13)的进一步移动而导致平面环形表面(7，11)之间的部分脱离，接着导致动臂组件(3)的纵向移动，所述动臂组件的纵向移动能够通过所述机械传动装置(61)传递到电开关(31)的活动触点(51)。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的探测器，其特征在于：电开关(31)包括用于将活动触点(51)压靠在所述至少一个静态触点(44，45)上的弹簧(53)。
12.根据权利要求11所述的探测器，其特征在于：所述电开关(31)包括至少两个静态触点(44，45)，所述弹簧(53)能够将活动触点(51)压靠在两个静态触点(44，45)上。
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