CN1782656B - 机动化可定向的测量头 - Google Patents

Abstract

用于测量三维坐标的机器的带分度的机动化测量头。包括一个、两个或更多个可重新定向元件以按照多个分度取向定向探测器触头。所述可定向元件在其旋转过程中受到引导，并且在底切轴套和底切轴的作用下进行滑动移动。所述底切部的布置允许准确引导旋转运动，而不会损害分度精度。

Description

机动化可定向的测量头

参考资料

本申请要求2004年12月1日提交的欧洲专利申请N°2004EP-106226号、和2004年12月15日提交的N°2004EP-106607号的优先权，所述申请的内容在此作为参考而被引用。

技术领域

本发明涉及用于测量机械部件的三维坐标的可重新定向的测量头并且，特别是，尽管不是排它地，涉及设计应用于测量坐标的手动或自动机上的可重新定向的测量头。

背景技术

接触探测器是例如应用在机械部件生产线上的测量仪器，用于检验机加工部件的尺寸或表面。接触探测器还用于记录复杂工件的三维形状，例如为了对其进行再生产或者仿造。

探测器通常包括设计以固定在测量机的臂上或活动触头上的测量头，所述测量头包括在细长杆端部处的球体并且被设计用以使其与要进行测量的工件接触。

在大多数应用中，接触探测器被固定在机器的活动臂上，通过手动或自动测量系统，例如放置在该机器轴上的位置编码器可以准确地确定所述活动臂在空间中的位置。在空间中移动活动臂以使探测器的测量触头与要进行测量的工件或表面接触。接触时，于是偏转力被施加到触头上，使其离开其初始静止位置。传感器对该触头最轻微的位移起反应，产生电信号，所述电信号或是以光信号的形式发送给用户，或者发送给机器的控制软件，所述控制软件由此根据测量系统的数据确定接触点在给定参照系内的坐标。为此目的，现有技术中使用了基于不同原理的电子机械或光学传感器或者移动传感器，例如包括约束量规(constraint gauge)的传感器。

在三维接触探测器的情况下，触头和测量头的固定部分之间的连接一般是按照Boys连接原理(Principle of the Boys connection)实现的，即例如通过将三个圆柱形销放置在六个球体上以便在固定机构和触头之间限定出六个接触点。然而，二维和一维的探测器也是已公知的。

当应用探测器测量具有复杂形状，如具有空腔和突出部的工件时，很难或者甚至不可能使触头接触到工件的整个表面而不会造成测量头的固定部分或触头杆妨碍要进行测量工件的各元件。为了补救这种不方便，已公知各种测量头允许接触触头在空间中能沿多个方向定向。一般来说，需要两个独立的转轴以便达到所有可能的定向。在欧洲专利申请EP0392660号中描述了这种类型的仪器。

然而，使用这种类型的装置并不限于接触触头，且它们也可以使用无接触探测器，例如摄像机，用于对机加工的部件进行检查和检验。

转轴优选是带分度的，其意义是设置足够多但数目有限的预定和精确可重复的静止位置。这种结构避免了在触头每次改变定向之后都必须要重新校准测量机的麻烦。

通过相互接合的且限定出所需静止位置的各个分度表面，例如通过其中接合有三个销的球冠，获得触头转轴的分度。在本申请人申请的欧洲专利申请EP 1443299号中描述了这种类型分度机构的例子。当在每个分度位置分度表面限定出与六个独立接触点的均衡连接时获得最优的精度。

为了测量复杂的工件，所希望的是测量头是机动化的，以便能按照测量机控制程序的指令自动定向探测器的触头。为此目的，由电磁致动器，例如使分度表面移动分离并使各轴转动的引擎或伺服马达执行触头轴的转动和锁定。

已公知的测量头，特别是机动化测量头的一个限制因素在于：可重新定向元件必须在其旋转过程中例如受到轴承或球的引导。但是，与均衡连接相比较，这些引导机构构成了附加的机械约束并且损害分度精度。为了避免产生这种麻烦，已公知的测量头常常采用具有较小直径或具有较大公差的轴承。

特别是在使用较重的触头和相当大的平动和旋转速度时，与探测器触头的质量相关联的惯性力还可对测量头的功能产生不利影响。在这些条件下，重要的是测量头的可重新定向元件具有有效的轴承或引导机构。

在没有有效引导的情况下，可重新定向元件的旋转速度必定会受到限制。此外，在旋转过程中不能准确地确定探测器触头的轨迹。由此有必要在探测器触头和要进行测量的工件之间保持相当大的安全距离，这样就增加了测量头的轨迹并降低了测量速度。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种没有已公知装置的各种限制的测量头，特别是，一种测量头，其可重新定向元件受到有效引导，而不会损害分度精度，并且所述触头的轨迹受到完全的控制。

通过包括作为主技术方案目的的各种特征的组合的装置，且特别是通过用于相对于测量设备重新定向探测器触头的可重新定向的测量头，实现这些目的，包括：支承元件；能够沿第一轴线的方向在锁定位置和解锁位置之间滑动的第一可重新定向元件；与所述支承元件相连接的第一引导机构；与所述第一可重新定向元件相连接的第二引导机构；其中当所述可重新定向元件在锁定位置时，所述第一和第二引导机构不互相接触；当所述可重新定向元件在所述解锁位置时，所述第一引导机构支承所述第二引导机构，从而允许所述可重新定向元件围绕所述轴线相对于所述支承元件进行转动。

附图说明

通过阅读通过附图示出并以实例形式给出的描述会更好地理解本发明，其中：

图1是根据本发明的机动化测量头的视图；

图2是处于锁定位置的发明测量头的剖面图；

图3是处于解锁位置的发明测量头的剖面图；

图4是发明测量头的锁定/解锁机构的详图；

图5-8是根据本发明的一个方面负责进行锁定和解锁的致动器的不同视图；

图9是包含在图5-8中所示致动器中的曲轴的详图；

图10和11分别示出了处于锁定位置和解锁位置的测量头的可重新定向元件的轴承位置；

图12和13分别示出了图10和图11中的细节；和

图14和15示出了本发明的另一实施例。

具体实施方式

参见图1，根据本发明的可重新定向的测量头10包括设计用以固定到测量机臂上且能够例如在测量体积内沿着三个坐标轴X、Y和Z移动的支座30。例如通过杆20或任何其它固定机构可将该支座固定住。

下文中，为了简明扼要，所使用的指示“垂直”指的是图1中轴线B所表示的方向。该指示方向是各图中的常规定向并且也是发明装置正常使用的定向且通常与其上安装有探测器的测量机的垂直轴线Z的方向一致。然而，探测器可以空间中任何定向进行使用。

第一可重新定向元件40被固定到支座30上，以便能围绕垂直轴线B转动。第一可重新定向元件40优选可具有与多个小的预定角度，例如10度相对应的多个带分度的位置。在已公知的方式中，例如通过在定位元件之间限定六个静止点的均衡连接确定这些带分度的位置，所述定位元件的位置被高精度确定。

第二可重新定向元件50围绕水平轴线A自由转动并与第一可重新定向元件40连接在一起。第二可重新定向元件50围绕轴线A的转动可以是连续的或分度的，机动化的或手动的，如上述的第一可重新定向元件40。

探测器触头60被固定到第二可重新定向元件50和轴承上，在其末端，球70被设计用以接触要进行测量的工件。图中未示出的检测机构响应球70相对静止位置最轻微的位移通过连接器(未示出)将电信号发送至光显示器35或者机器的控制软件。

下面结合图2和3对根据本发明一个方面的轴的锁定和解锁机构进行描述。

支座30带有沿着圆周以通常恒定的角距，例如10°，设置的一系列球31，以便限定通常有规则地隔开的一系列分度位置。对应于所述球31，第一可重新定向元件40带有三个间隔120°且能够与球31接合的销41。在锁定位置(图2)，通过拉动杆66，使第一可重新定向元件40压靠在固定元件30上。然后每个销41接触两个相邻的球31，以便按照Boys连接法的原理，在支承元件30和可重新定向元件40之间形成均衡连接。

以等效的方式，在本发明的框架内，通过将前者设置到可重新定向元件上并将后者设置到支承元件上，有可能交换球和销的位置。也可以用能够在支承元件30和可重新定向元件40之间限定六个接触点的其它定位元件代替球和销。

用铰接的方式将垂直杆66的一个末端固定到支承元件30上，而将杆66的另一末端用铰接的方式固定到杠杆62的一臂上，所述杠杆能够围绕轴线65枢转，相对于第一可重新定向元件40是固定的。杆66优选与旋转轴线B对齐。

在图2所示的锁定状态，杆66被拉紧并拉动第一可重新定向元件40向上，从而使分度销41与支座30上的球31接合。在这种状态下，围绕轴线B的任何转动都是不可能的并且可重新定向元件40被锁定在一个带分度的位置处。

由杆66施加的力被施加到球31和销41之间接触点的相对中心，并沿着轴线B的方向。按照这种方式，以最大的分度精度在球31和销41之间获得了接触力的均匀分布。

通过拉紧与轴线A对齐的水平杆67，也使第二可重新定向元件50保持靠在第一可重新定向元件40上.一方面，杆67与可重新定向元件50相铰接，而另一方面，杆67与杠杆62相铰接.

放置在第一和第二可重新定向元件之间的第二组球43和销42允许第二可重新定向元件50转动以便被锁定在带分度的位置处。

可选择地，杆66和67包括弹性元件(未示出)，例如金属弹簧，以便保证在销41、42和球31、43之间存在恒定的分度力。按照等效的方式，杆62中或第一和第二可重新定向元件中可包括弹性元件。

参见图5-9，杠杆62的位置由图9中所详细示出的曲轴59决定，所述曲轴由电动马达45和刻齿的轮46、51驱动围绕轴线75转动。按照等效的方式，曲轴59可由设置在曲轴59的同一轴线75上的马达直接驱动或者由任何机械传动装置，例如滑轮系统驱动。

杠杆62的一个臂包括一叉状部，该叉状部的两个分支63和64接触曲轴59的曲柄销55的两个相对侧，以便当曲轴59转动180°时将杠杆62从锁定位置移动至解锁位置。可选择地，将滚珠轴承插入到曲柄销55和叉状部之间以便减小锁定和/或解锁过程中的摩擦。在图中所示出的实施例中，仅与传送锁紧力的叉状部分支63对应地装设轴承54。对应于负责解锁的叉状部的另一分支64，所需的作用力较小且可以使用简单的抗摩轴承。

通过扇形部件53和与第一可重新定向元件40连接的销55限制曲轴59围绕轴线75的转动使其转角略大于180°。设置销55支靠扇形部件53末端的制动位置以便碰到各平衡点并由此限定出分别与锁定状态和解锁状态相对应的稳定的静止位置。

图3和4示出了处于解锁状态的根据本发明的测量头。在这种情况下，杠杆62是倾斜的且杆66和67分别压在支承元件30和第二可重新定向元件50上以便分别移动分度元件31、41和42、43使其各自分开预定的距离d1、d2。

在一个不同的实施例中，杆66和67可由小齿轮/齿条单元驱动。

由于杆66和67的双重动作导致分度表面的移动分离和闭合，所述动作与重力和惯性力方向无关，也没有必要使用弹簧或弹性元件。因而不管测量头的方向如何，发明的机构也能保证可靠和快速地起作用。

在解锁位置，由伺服马达(未示出)保证、由测量机的软件、或者由其它等效的自动致动器控制围绕两个轴A和B的转动。

这里描述的实施例包括用于同时锁定和解锁两个轴A和B的单个致动器。但是本发明还包括多种变型，其中通过独立的致动器锁定和解锁每条旋转轴线。

在一个实施例中，发明的测量头仅包括一条旋转轴线，例如水平轴线A。

参见表示引导系统处于锁定位置的图10，第一可重新定向元件40设有引导轴套82，与支承元件30相连接的轴84接合进入到所述引导轴套中。轴84的表面具有由底切部隔开的突起85a，85b，在所述底切部上，轴84的直径减小至突起85a，85b的最大直径。

与之相似，轴套82的内表面具有由底切部隔开的突起83a，83b，所述底切部的直径大于突起83a，83b的内径。

在图10所示出的锁定位置，突起83a，83b面对轴84的底切部。由此，在引导轴套82和固定轴84之间不存在可能损害分度精度的接触。

在图11所示出的解锁位置，第一可重新定向元件40沿轴线B轴向移动以使球31和销41分开.在该位置处，突起83a，83b并置在突起85a，85b上方，从而支持可重新定向元件40围绕轴线B的转动.优选地，轴套82和轴84各自包括沿旋转轴线的方向间隔一定距离的两个突起，从而引导以最优方式进行的旋转.

由于在锁定位置引导元件82和84之间不存在接触，因此在解锁位置，后者的直径可以相当大并且轴套和轴之间的间隙可基本上为零或者可被忽略。按照这种方式，可以完全地确定在旋转过程中探测器触头的位置。

与第一垂直轴线B的情况相类似，第二水平旋转轴线A上设有引导机构，如图12和13所示。第二轴线上的引导轴套88带有两个突起89a，89b，而轴86包括两个突起87a，87b。

在图12所示出的锁定位置，轴套88上的突起89a，89b与轴86上的突起87a，87b相对移位。按照这种方式，在轴套88和轴86之间不存在可能损害分度精度的接触。

在图13所示出的解锁位置，轴套88上的突起89a，89b与轴86上的突起87a，87b并置并且形成两个轴承，以引导第二可重新定向元件50围绕轴线A的转动。

在图14和15中所示出的本发明的变型实施例中，轴86和轴套88设有共轴的锥形引导表面87c和89c。在图14所示出的锁定布置中，在轴套88和轴86之间不存在接触。在图15所示出的解锁布置中，锥形表面87c和89c相接触并且引导第二可重新定向元件50围绕轴线A的转动。

Claims (9)

1.用于相对于测量设备定向探测器触头(60)的可定向测量头(10)，包括：

支承元件(30)；

能够沿第一轴线(B)的方向在锁定位置和解锁位置之间滑动的第一可重新定向元件(40)；

与所述支承元件(30)相连接的第一引导机构(84)；

与所述第一可重新定向元件(40)相连接的第二引导机构(82)；

其中当所述第一可重新定向元件(40)在锁定位置时，所述第一和第二引导机构(84，82)不互相接触；

其中当所述第一可重新定向元件(40)在所述解锁位置时，所述第一引导机构(84)支承所述第二引导机构(82)，从而允许所述第一可重新定向元件(40)围绕所述第一轴线(B)相对于所述支承元件(30)进行转动。

2.如权利要求1所述的测量头，其特征在于，所述第一和第二引导机构(84，82)中的一个是轴套，而另一个是轴。

3.如权利要求1所述的测量头，其特征在于，所述第一和第二引导机构在其支承表面上具有突起，当所述第一可重新定向元件处于锁定位置时，所述突起相互间移位；当所述第一可重新定向元件(40)处于解锁位置时，所述突起并置并且形成两个轴承。

4.如权利要求3所述的测量头，其特征在于，所述第一和第二引导机构(84，82)各自包括沿第一轴线(B)的方向间隔一定距离的至少两个突起(83a，83b，85a，85b)。

5.如权利要求2所述的测量头，包括：

多个与所述第一可重新定向元件(40)相连接的活动定位元件(41)；

多个与所述支承元件(30)相连接的且能与所述活动定位元件(41)接合以相对于所述支承元件(30)限定多个所述第一可重新定向元件(40)的预定方向的固定定位元件(31)。

6.如权利要求2所述的测量头，包括当所述第一可重新定向元件在解锁位置时，用于使所述第一可重新定向元件(40)相对于所述支承元件(30)转动的转动致动器。

7.如权利要求2所述的测量头，其特征在于，当所述第一可重新定向元件在解锁位置时，所述第一和第二引导机构之间的连接基本上是无间隙的。

8.如权利要求1所述的测量头，包括：

能够相对于所述第一可重新定向元件(40)沿第二轴线(A)的方向在锁定位置和解锁位置之间滑动的第二可重新定向元件(50)；

与所述第一可重新定向元件(40)相连接的第三引导机构(88)；

与所述第二可重新定向元件(50)相连接的第四引导机构(86)；

其中当所述第二可重新定向元件(50)在锁定位置时，所述第三和第四引导机构(86，88)不互相接触；

其中当所述第二可重新定向元件(50)在所述解锁位置时，所述第三引导机构(88)支承所述第四引导机构(86)，从而允许所述第二可重新定向元件(50)围绕所述第二轴线(A)相对于所述第一可重新定向元件(40)进行转动。

9.如权利要求8所述的测量头，其特征在于，所述第一轴线(B)与第二轴线(A)基本上是互相垂直的。

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