CN1720427A - 用于高速扫描的探针 - Google Patents

Abstract

一种测量探针(5)，包括用于安装在坐标定位仪(2)的一个臂(6)上的外壳(16)，以及安装于触头支撑件(28)上的一个触头(10)。触头(10)与触头支撑件(28)可相对于外壳(16)偏移。第一传感器系统(40－48)对触头支撑件(28)相对于坐标定位仪(2)的臂(6)的位移进行测量。第二传感器系统(38)对触头尖端(12)相对于触头支撑件(28)的位移进行测量。总的触头的偏移量将通过结合第一与第二传感器系统的数据来实现。

Description

用于高速扫描的探针

技术领域

本发明涉及一种应用于坐标定位机如坐标测量机、机床、手动坐标测量臂或检验机器人上的扫描探针，以测定位置或一个表面的轮廓。

背景技术

一种坐标定位机的已知类型包括，例如相对于一个可支撑工件的桌子用于在相互垂直方向上运动的一个支撑臂，以及用于测量臂相对于桌子的参考位置或基面位置的传感器。扫描探针通常包括一个相对固定的结构，如外壳，支撑在支架组件上的触头，该触头用于相对于固定结构作三维运动，以及用于测量相对于固定结构上参考位置的触头位置的传感器。

使用中探针的固定结构固定于机器的臂上，在通常的操作中，触头接触工件上的一点，因此便相对于固定结构移位。探针以及坐标定位机中各自传感器输出的总和确定了触头相对于基面的位置。

一种扫描探针的常规类型包括能够使触头平移的一个平行弹簧机构，用于测量触头平移量的一个偏移测量系统，以及将探针机构与触头的自由空间惯性偏移降低到最小值的阻尼装置。

美国专利5390424号提供了一种类似探针，该探针具有一个触头，它通过三个串联的平行的弹簧相对支撑于固定的结构上。相对于固定结构的触头的位移由光学装置来传感，该光学装置包括设置在与触头相连的部件上的三个光学标尺，以及与光学标尺相邻的固定结构上的对应读数头。部件相对于固定结构的位移与触头感应尖端的位移相对应。

在这种探针中，通常在三个或更多维度上测量与触头相连的部件的位移。

这是无源探针的一个例子，在这个例子中，垂直探针机构中的弹簧在测量过程中会产生一种与偏移相匹配的力。这种接触力随着偏移而变化，但是具有高度的可重复性。

美国专利3,876,799号公开了一种带有由一系列弹簧四边形支撑的触头的探针，并且在其中设置了马达以在触头尖端与待测工件之间产生一种预定力。

这种探针是一种使用了机动机构来控制触头偏移以及调节与待测元件接触力的活动扫描探针。在这种探针中，是马达而不是弹簧产生了接触力。

这种类型的探针通常能够测量几毫米的范围，因此具有低的对应测量带宽。

国际专利申请WO00/60310描述了一种含有空心触头的探针，其中在触头组件的内部设置了光学传感器系统。光源将光束引向触头尖端中的反射镜，光束经反射后射向检测器，这样就可以测量触头尖端的侧向位移了。

希望使用高速扫描快速检查工件。然而，高速扫描会导致整个系统的振动显著增加。

另外，触头尖端在高速下可能不再沿工件的表面轮廓运动，相反仅在轮廓的突起处保持与表面接触，而在沟槽处则不与表面接触。在高速下，要求探针具有足够的机械响应度来沿着工件的表面轮廓运动。机械响应度是探针机构(例如弹簧)跟踪表面的能力。

如果扫描探针的机械响应度很低，例如小于20Hz，探针将不能够对上述振动与轮廓调整作出反应，并且将在组合坐标测量机、扫描探针数据与实际表面轮廓之间产生失配或误差。

普遍地，探针具有机械或者电振动阻尼以减弱在探针与机械臂运动的过程中所产生的任何不希望的瞬时振动或惯性。然而，在快速扫描的过程中，这种阻尼具有不希望的效果，及掩盖了一部分由表面引起的触头弯曲，从而引起测量误差。

为确保获得与表面相匹配的充足数据，需要一种用于测量触头偏移或者力的具有高度机械响应带宽的传感器。然而具有高度机械响应带宽以及很高固有频率的传感器，其工作范围十分有限。例如，频率响应在50Hz以上的传感器，其工作范围可能小于500um。

发明内容

本发明提供了一种用于坐标定位仪的探针，包括：一个可附在坐标定位仪的一个臂上的外壳，一个安装在触头支撑件上的触头，所述触头与触头支撑件可相对于外壳偏移；一个第一传感器系统，用于测量触头支撑件相对于坐标定位仪的臂的位移；一个第二传感器系统，用于测量触头的尖端相对于触头支撑件的位移；一个将第一与第二传感器系统的输出结合的尖端位置计算器，以提供总的触头偏移量的测量结果。

第一传感器系统可以在至少三个维度上测量触头支撑件相对于坐标定位仪的臂的位移。优选地，第一传感器系统测量直线位移。第一传感器系统可以测量触头支撑件相对于坐标定位仪的臂的横向位移。第一传感器系统可以具有小于5mm的量程。

优选地，第二传感器系统具有比第一传感器系统更高的机械响应度。

优选地，第二传感器系统的机械响应度超过100Hz。

第一传感器系统控制工作范围，而第二传感器系统控制表面响应。第二传感器系统，其具有的机械响应度至少是第一传感器系统所具有机械响应度的5倍，在相当广范的工作范围内产生最佳的良好表面响应效果。

将第一与第二传感器的数据结合能够使探针对一个表面进行高速扫描，而与表面轮廓保持高度的接触，同时保持在可接受的工作范围以内。

第二传感器系统可以在两个维度上测量触头的尖端相对于触头支撑件的位移。

第二传感器系统可以包括例如应变计、电容传感或光学传感。

优选地，第二传感器系统位于触头尖端的附近。

探针可以是无源探针或者有源探针。

根据第二方面，本发明提供了一种用于坐标定位仪的探针，包括：

一个可附在坐标定位仪的一个臂上的外壳，一个可相对于外壳偏移的触头；

一个第一传感器系统，用于测量触头相对于坐标定位仪的臂的位移；

一个第二传感器系统，用于测量触头的尖端相对于第一传感器系统的位移；

一个将第一与第二传感器系统的输出结合，以提供总的触头偏移量的测量结果的尖端位置计算器。

根据第三方面，本发明提供了一种使用探针测量物体表面的方法，所述探针包括一个外壳，一个安装在触头支撑件上的触头，所述触头与触头支撑件可相对于外壳偏移；方法包括的步骤有：

将探针安装在坐标定位仪的一个臂上；

将探针定位，以使触头接触待测表面，并在触头与所述表面保持接触的同时沿所述表面移动探针；

从第一传感器系统获取数据，第一传感器系统用于测量触头支撑件相对于坐标定位仪的臂的位移；

从第二传感器系统获取数据，第二传感器系统用于测量触头的尖端相对于触头支撑件的位移；

将来自第一与第二传感器系统的数据结合，以产生总的探针偏移量的测量结果。

来自第一与第二传感器系统的数据可以通过在一个尖端位置计算器中结合第一与第二传感器系统的输出而结合在一起。

附图说明

现在本发明的实施例将通过举例进行描述，并参照附图进行说明，其中：

图1示出安装在坐标测量机上的一个模拟式探针；

图2是本发明第一实施例的探针的剖视图；

图3是图2所示的触头变换模块的剖视图；

图4是根据本发明的第二实施例，用于探针的触头变换模块的侧视图；

图5是图4所示触头的剖视图；

图6是根据本发明的第三实施例，用于探针的触头变换模块的侧视图；以及

图7是信号处理装置的示意说明。

具体实施方式

坐标测量机(CMM)示于图1中，包括可以放置工件8的机械台4。具有可变形的触头9与工件接触尖端12的模拟式探针5安装在机器4的套筒轴6上。套筒轴6与探针5可以在CMM的X、Y与Z驱动的作用下，沿X、Y与Z方向运动，CMM的X、Y与Z驱动由电脑控制。CMM的X、Y与Z标尺在三个维度上显示了安装有探针的套筒轴位置的瞬时坐标。从探针发出的指示探针触头偏移的信号与CMM的X、Y与Z标尺的读数结合，以计算触头尖端的位置，从而计算工件的表面。

计算机含有令探针扫描工件表面的程序。

现在参照图2将更加详细地描述探针。探针5具有一个固定的结构16以及触头支撑件28，触头支撑件28通过片簧18、20及22的三对串联接相对于固定结构16悬挂。片簧对使触头支撑件28能够相对于固定结构16在X、Z和Y方向上分别平移，这样就提供了三个平移的自由度。然而，片簧对18、20和22以一阶近似作用以防止触头支撑件28相对于固定结构16旋转。触头支撑件28在其自由端支撑着伸长触头10，伸长触头10具有基本球状的工件感应尖端12。

触头10与触头变换模块50相连，触头变换模块50又通过磁性装置可拆卸地安装在探针的触头支撑件28上。触头变换模块50的位置由触头变换模块50上的协同操作运动元件52、54以及已知形式的触头安装部件28确定。

触头支撑件28与一个部件14相连，部件14通过三对片簧18、20和22又与探针外壳16相连。三对片簧18、20和22为串联内连接，并设置为分别沿X、Y和Z方向弯曲。三对片簧18、20和22分别位于YZ、XZ与经XY平面内。

每个弹簧可以看成具有一个自由端和一个固定端，固定端为串联连接中最靠近外壳16的一端。通过这种方式，弹簧18分别具有固定在部件14上的自由端和固定端18A、18B，以及中间一个部件24。弹簧20具有分别固定在中间部件24上的自由端20A和固定端20B，以及一个第二中间部件26。弹簧22具有分别固定在第二中间部件26上的自由端22A和固定端22B，以及外壳16的一部分16A。

通过将弹簧分组来实现弹簧18、20、22的紧凑的节省空间的安置，就好像弹簧是处于矩形盒的六个面上一样。更具体地说是这样设置的，弹簧20从它们的自由端20A向弹簧18的自由端18A延伸，并放在后者端部的附近，弹簧18、20置于弹簧22之间的间隔中。

为建立弹簧20、22与第二中间部件26之间的可能的连接，后者具有与弹簧20的固定端相连的部分26A以及与弹簧22的自由端相连的垂直部分26B，弹簧22的固定端通过部分16A相连。

如图所示，固定有触头的部件14在由弹簧18、20和22所构成的盒子的最里面。因此部件26A与相邻的弹簧22具有用于使触头支撑件28延伸到所述盒子外部的孔30、32。

如图2所示，触头支撑件28与穿过片簧孔径延伸的一根伸长杆34相连。杆34的末端支撑着安装有标尺40、42和44的立方体36。标尺中的两个40、42具有在Z方向上的线性延伸，并分别安装在XZ与YZ平面内，第三个标尺44具有在X方向上的线性延伸，并安装在XZ平面中的立方体上。立方体36在由固定结构所提供的空腔内运动，并且其运动严格对应于触头支撑件28的运动以及对应于一个一阶近似，即触头12的感应端。

读数头安装在固定结构上，图中只示出其中的两个46、48，与标尺40、42、44对准，并与标尺协同操作来测量空腔内的立方体36在X、Y和Z方向上的位移。读数头检测在垂直于每个标尺线的空间的方向上标尺的任何位移，但是对于标尺在垂直于标尺平面或者沿标尺线方向上的任何位移均不敏感。

立方体36相对于固定结构的位移一阶近似于工件感应尖端12相对于固定结构16的位移。

这种平行弹簧的常规系统，结合了标尺与读数头传感器系统，包括一个主传感器系统，它能够使探针实现大于1mm的大工作范围。探针以已知的方式减振，例如通过在两个运动的部分或在由电控制的一个螺线管之间施以阻尼液。

除了这个主传感器系统以外，在探针头与触头尖端之间还设置了一个高频率的次级传感器系统。

图2显示了一个高频率的次级传感器系统，它包括安装在触头变换模块50的壁上的应变计38。在触头变换模块的壁上设置有三个切断部分40，这样就保留了三个薄薄的可变形的桥42。应变计38就安装在这些可变形的桥42上。

优选地，如图3所示，三个应变计安装在触头变换模块上，彼此以120°分开。这可以对触头在X、Y和Z上的弯曲进行测量。然而，可以在触头变换模块架上安装两个应变计以测量在X和Y上的触头弯曲。

在对工件进行扫描的过程中，由于探针施加的测量力将使触头发生弯曲。应变计测量这种偏移。

图4示意说明了次级传感器系统的第二个实施例。在这幅图中，次级传感器位于触头10上。如前所述，触头弯曲产生了应变计的信号。次级传感器优选地尽可能地靠近触头尖端放置。

如图4和图5所示，应变计安装在可变形的薄壁管44上，薄壁管44是触头的一部分。应变计呈120°间隔，以能够测量触头在X、Y和Z上的弯曲。然而，如果触头在Z平面上呈刚性，那么在触头上设置两个应变计仅测量X和Y上的弯曲就足够了。

在图6所示的第三个实施例中，次级传感器系统可以是第一和第二实施例的组合，其中次级传感器既设置了触头变换模块又设置了触头。在这种情况下，来自这两套传感器的读数就结合在了一起。

次级传感器系统可以或者包括诸如电容或光学传感器等传感器。

总的探针偏移量现在就是两套传感器(即主系统和次级系统)的结合读数。次级传感器系统(例如应变计38)测量触头尖端12相对于触头支撑件28的位移。主传感器系(例如光学标尺与读数头)测量触头支撑件28相对于CMM的转轴6的位移。因此，主传感器与次级传感器测量结果的结合就提供了对于触头尖端12相对于CMM转轴6位移的测量。

如图7所说明的那样，第一60与第二62传感器系统的输出在尖端位置计算器66中结合，以确定触头尖端的位置。第一与第二传感器系统60、62的输出可以绝缘结合，以确定触头尖端相对于探针外壳的位置。或者，第一与第二传感器系统60、62的输出可以与机器位置64一同结合，以确定触头尖端相对于机器基座的位置。

尖端位置计算器66可以包括信号处理器，信号处理器能够将每个传感器系统中每个传感器的输出结合。(即从第二传感器系统中的三个应变计的输出)。

这种结合具有主传感器系统工作范围大与次级传感器系统频率高的优点。尽管上述探针头包括平行弹簧的常规系统，该常规系统与标尺和读数头传感器结合，但是还可以使用其他系统。例如主系统的传感器可以包括一个线性可变差动传感器(LVDT)。这样使用了双重主次级传感器系统既适合于无源探针又适合于有源探针。

本发明的探针并不局限于具有三个自由度平移的运动系统，诸如上面描述的平行弹簧机构。一种运动系统可实现关于枢轴的平移运动，如美国专利6,430,833中所描述的，其中触头支架通过一对隔板悬挂于探针外壳。至少一个隔板加工有螺线形切断，当将横向力作用于触头尖端、触头支架转动时，可以使触头相对外壳的轴横向运动。尽管存在翻转运动，但是传感器的输出被用于确定触头尖端的线性位移。

本发明并不局限于一种具有触头变换模块的模块探针，该模块探针可安装于探针的触头安装部件上。相反探针也可以具有整体触头。在这种情况下，次级传感器系统将测量触头的尖端相对于第一传感器系统的位移。

本发明的探针通过两个阶段实现校准。在第一阶段中，通过使用已知的方法，用一种配合于探针非传感性的触头，对主传感器系统进行校准。触头优选地为短小并呈刚性，以便在校准过程中减小触头的弯曲。

在第二阶段中，非转换的触头被包含有次级传感器系统的触头所取代，并重复校准过程。次级传感器的校准可以这样进行，使用校准过的主传感器的数据与CMM的定位数据来实现校准。

Claims (18)

1.一种用于坐标定位仪的探针，包括：

能够连接于坐标定位仪的一个臂上的外壳，和安装在触头支撑件上的触头，所述触头具有一尖端，并且所述触头与触头支撑件能够相对于外壳偏移；

测量触头支撑件相对于坐标定位仪的臂的位移的第一传感器系统；

测量触头的尖端相对于触头支撑件的位移的第二传感器系统；

尖端位置计算器，该尖端位置计算器结合第一和第二传感器系统的输出，以提供对总的触头偏移量的测量结果。

2.根据权利要求1的探针，其中，第一传感器系统至少在三个维度上对触头支撑件相对于坐标定位仪的臂的位移进行测量。

3.根据上述权利要求中任一项的探针，其中，第一传感器系统对触头支撑件相对于坐标定位仪的臂的横向位移进行测量。

4.根据上述权利要求中任一项的探针，其中，第一传感器系统具有小于5mm的量程。

5.根据上述权利要求中任一项的探针，其中，第二传感器系统在两个维度上对触头的尖端相对于触头支撑件的位移进行测量。

6.根据上述权利要求中任一项的探针，其中，第二传感器系统具有高于第一传感器系统的机械响应度。

7.根据上述权利要求中任一项的探针，其中，第二传感器系统的机械响应度比第一传感器系统的机械响应度至少高5倍。

8.根据上述权利要求中任一项的探针，其中，第二传感器系统包括至少一个应变计。

9.根据权利要求8的探针，其中，该至少一个应变计包括围绕触头的纵轴间隔120°设置的三个应变计。

10.根据上述权利要求中任一项的探针，其中，第二传感器系统安装在触头支撑件上。

11.根据权利要求10的探针，其中，触头支撑件设置有可变形的桥，第二传感器系统安装于该桥上。

12.根据权利要求1-9中任一项的探针，其中，第二传感器系统安装在触头上。

13.根据权利要求12的探针，其中，第二传感器系统位于触头尖端的附近。

14.根据权利要求12或13的探针，其中，触头设置有可变形管，第二传感器系统安装在该可变形管上。

15.根据上述权利要求中任一项的探针，其中，第二传感器系统包括安装在触头支撑件上的至少一个传感器，以及安装在触头上的至少一个传感器，其中，来自上述至少两个传感器的读数被结合，以从该第二传感器系统提供数据。

16.根据上述权利要求中任何一项的探针，其中，第二传感器系统是光学、电容或电感传感器中的一种。

17.一种用于坐标定位仪的探针，包括：

能够连接于坐标定位仪的一个臂上的外壳和具有触头尖端的触头，所述触头能够相对于外壳偏移；

测量触头相对于坐标定位仪的臂的位移的第一传感器系统；

测量触头的尖端相对于第一传感器系统的位移的第二传感器系统；

尖端位置计算器，该尖端位置计算器结合第一和第二传感器系统的输出，以提供对总的触头偏移量的测量结果。

18.一种用探针测量物体表面的方法，所述探针包括外壳以及安装在触头支撑件上的触头，所述触头具有一触头尖端，所述触头与所述触头支撑件可相对于外壳偏移，该方法包括以下步骤：

将探针安装在坐标定位仪的一个臂上；

将探针定位，以使触头接触待测表面，并在触头通过与所述表面保持接触的同时沿所述表面移动探针；

从第一传感器系统获取数据，第一传感器系统测量触头支撑件相对于坐标定位仪的臂的位移；

从第二传感器系统获取数据，第二传感器系统测量触头的尖端相对于触头支撑件的位移；

结合来自第一与第二传感器系统的数据以产生总的探针偏移量的测量结果。

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