CN1871666A - 轻且热性能稳定的坐标定位仪的度量仪器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种度量仪器，例如探针、探头、触针或者触针支臂，用于安装在坐标定位仪上。所述度量仪器至少部分地由至少一个具有较低热膨胀系数的热性能稳定的金属材料板制成，折叠所述至少一个金属材料板，从而形成三维结构。所述至少一个热性能稳定的材料板用在所述度量仪器的度量回路中。以这种方式，可以构造出轻且热性能稳定的度量仪器。

Description

轻且热性能稳定的坐标定位仪的度量仪器及其制造方法

技术领域

本发明涉及度量仪器，本发明特别涉及重量轻且热性能稳定的度量仪器。

词汇“度量仪器”包括探头、探针、触针和非笛卡尔度量框架。

背景技术

公知的是，已经提供了用于物品表面扫描、以便再现物品或者确保精确制造物品的探测装置。希望的是，提高扫描物品的速度，以便减少该过程所耗费的时间。然而，为了在以较高速度工作时还保持精确性并且保持在公差范围内，就必须使在测量过程中探测装置经受的加速作用力的影响最小。这就需要触针和探针的结构轻且刚性好，以便减少在运动中的弯曲。另外，为了使得分辨率维持在较高速度，这样表面轮廓的任何细微细节都不会丢失，所述度量仪器必须具有高的频率响应。因为频率是和 成正比的，而k是刚度且m是质量，所以希望的是，具有一种具有刚度高和质量轻的度量仪器，从而能获得高的频率响应。

另一个问题是所述测量的可再现性。影响这个的一个参数是周围温度。所有材料在温度改变时都会改变尺寸，然而每种材料所受的影响不同。与尺寸改变的速度同时，材料达到均衡所耗费的时间也是很重要的。探针结构的任何膨胀/收缩都会在测量过程中引入误差。因此，整个探针结构的热性能稳定性也是很重要的。

发明内容

本发明提供一种用于安装在坐标定位仪上的度量仪器，所述度量仪器至少部分地由至少一个热性能稳定的金属材料板制成，折叠上述至少一个热性能稳定的金属材料板以便形成三维结构，所述至少一个热性能稳定的材料板用于所述度量仪器的度量回路中。

词汇“坐标定位仪”包括坐标测量仪(CMMs)、机床、检验机器人和手动机器。

使用这样的由材料板制成的三维结构能够使得所需刚度的度量仪器可以由较薄材料板制成，从而使得重量降低，因此使得物品的惯性降低。

优选的是，所述至少一个折叠板结合起来。所述接合方法可以包括下面技术中的一种或多种：“接片和开槽”；折叠接片和开槽；胶粘；焊接；连接到另一框架。这还增加了由所述至少一个材料板形成的结构的刚性。

热性能稳定的材料是这样的材料，该材料的热膨胀系数≤15ppm/℃。

优选的是，所述热性能稳定材料具有的热膨胀系数≤6ppm/℃。更优选的是，所述热性能稳定材料具有的热膨胀系数≤2ppm/℃。

所述三维结构可以包括至少一个由壁构成的腔。所述由壁构成的腔可以用质量轻的填充物填充。

优选的是，所述至少一个板的厚度≤1.5mm。所述至少一个板的厚度可以在0.05-0.9mm之间。更优选的是，所述至少一个板的厚度可以在0.1-0.5mm之间。

所述度量仪器可以包括例如测量探针、触针支臂或者探头。

对于探头，所述至少一个材料板可以位于所述探头的固定表面和所述坐标定位仪的支臂之间。所述至少一个材料板可以使得它至少部分地围住所述探头的固定结构。

本发明的第二方面提供了一种制造度量仪器的方法，包括：

由热性能稳定的材料板提供至少一个所述度量仪器的模板；

折叠所述至少一个模板，以便形成所述度量仪器。

优选的是，所述材料板由热性能稳定的材料制成。

可以通过沿着所述材料板的希望的折叠线形成一系列穿孔，来确定所述折叠的位置。可以通过在所述材料板里形成部分厚度的折叠线，来确定所述折叠的位置。

所述折叠材料板部分可以通过浸焊(dip soldering)结合在一起。

所述模板可以由刻蚀工艺形成。所述模板可以通过激光由材料板切割而成。所述激光可以和喷水相结合。

优选的是，所述材料板由热性能稳定的金属材料制成。在本实施例中，所述至少一个模板优选通过将多余材料从所述材料板除去而制成。可以通过以下方式除去所述多余材料：激光加工、冲压、光化学加工(例如光蚀和化学加工)或者任何其他合适技术。所使用的技术将取决于所述板的材料性能。

本发明的第三方面提供了一种用于安装在坐标定位仪上的探头，其中，包括至少一个热性能稳定的材料板的结构位于在所述探头的固定表面和所述坐标定位仪的支臂之间的度量回路内。

所述至少一个材料板的结构可以使得它至少部分地围住所述探头的固定结构。可以通过折叠所述至少一个材料板而形成所述结构。

附图说明

现在将参考附图，并通过例子来描述本发明，其中：

图1a和1b显示了模板和对应折叠结构；

图2显示了根据本发明的折叠结构的等轴投影视图；

图3显示了根据本发明的探针；

图4显示了根据本发明的度量仪器；

图5a显示了图2的折叠结构的侧视图；

图5b是通过图5a的侧视图的A-A的剖视图；以及

图6a和6b显示了根据本发明的触针支臂。

具体实施方式

图1a显示了包括四个矩形部分12和两个方形部分14的模板10。所述每个方形部分14都具有一个中央切口的圆形区域(central cut-outcircular region)16。每个部分都通过接缝18结合到至少一个其他部分上。

所述模板的不同部分的布置由要形成的结构的最终形状来决定。在这里的情况下，所述最终结构是一个盒子11(图1b)，该盒子11具有闭合侧壁12和在形成穿过盒子11的开口管道的每个端部处的圆形开口16。通过在每个接缝18处折叠所述模板，将所述模板10转变为最终结构。

所述模板由金属板形成。所述金属板可以是任何形状，例如包括带形。它通过多种标准技术(例如激光加工、冲压、光化学加工)中的任一种形成为需要的形状。具体地，所述模板的形状可以通过刻蚀来生产。湿式蚀刻(wet etching)特别适合于例如镍铁合金(Invar)这样的材料，这是因为它不影响所述材料的性能。

所述模板也可以使用激光进行切割。一种将激光和喷水结合起来的公知技术特别适合。这种方法具有的优点是，当切割模板时，所述工件通过所述喷水进行冷却并且除去碎片，因此产生了最小的热影响区域，使得能够产生光滑整齐边缘。

通过合适的夹具(jigging)，或者通过整个或部分地厚度化学或激光加工，可以精确地确定所述折叠位置。如果使用了整个厚度加工，那么沿着形成更易于弯曲的薄弱区的折叠线加工出一系列穿孔。所述穿孔可以包括一系列开槽。如果优选采用了部分厚度加工工艺，那么在需要形成折叠的点处的材料被部分地加工，以便形成又使得所述材料薄弱的接缝。部分加工是这样的周知方法，通过仔细设定所述过程的时间，使得在两面上都暴露在所述加工化学品或激光中的板部分在所述过程中受到全部加工，因此其仅一面暴露的板部分则只被部分加工。形成折叠线的优点有三个：第一，这使得所述材料更容易弯曲成形；第二，增加部件的可重现性；以及第三，可以避免对相关夹具的需要。

相对于使用多个单独板结合在一起而言，折叠所述材料板的优点在于容易制造。

一旦所述板已经被折叠起来，那么它就能够通过许多公知技术固定在合适位置里。图2显示了已经使用开槽24和对应接片26固定起来的两个折叠结构20、22。所述接片26插过开槽24，然后弯曲基本90°(未示出)。在生产所述模板的相同过程中优选地精确生产所述接片和开槽，使得所述结构的制造不需要使用夹具。如果所述结合点被焊接起来以便防止所述接片从所述开槽离开，那么所述结构本身可以照原来样子焊接，而不需要焊接夹具。

折叠和固定所述模板形成了一个三维结构，如果合适的话，所述三维结构在所述整体结构内具有由壁构成的腔28，以便提供刚性好的结构，所述坚硬的结构在所述整个结构的重量下或在使用中都不会明显弯曲。通过具有由壁构成的腔，所使用的板的厚度可以减小，这使得所述结构的重量减小，而对应的刚度没有减小。

所述模板可以包括一系列部分穿透厚度的加工切口，所述切口选择性地使得所述模板的厚度约降低了一半，进而节省了重量(见图6b)。

现在参考图5a和5b，所述图5a和5b分别显示了当已经使用由壁构成的腔时图2的折叠结构的侧视图和穿过所述侧视图的A-A的剖视图，所形成的内部腔128可以使用泡沫填充，以便增强所述结构的刚度，并提供额外的保护防止弯曲。可选择的是，所使用的泡沫块被粘结到所述折叠结构上。加入了泡沫允许使用较薄的板，甚至使用部分穿透厚度的板，而不会使需要的机械性能降低。泡沫填充有利地使得所述结构的减震能力增加，降低了由于所述结构的运动而导致的前后振动(back-to-earth vibration)的发生。也可以使用其他质量轻的填充物，例如质量轻的充气填充物。这些被有利地粘附到所述由壁构成的腔的表面上，从而起到减震器的作用。

在这个例子中，所述三维结构另外地进行点焊(例如激光、电阻、电子束或者超声波)，以便确保所述接片不会在所述开槽内随时间而移动(所述移动会影响由探针结构所做出的任何测量)。在所述结构的两壁邻接或重叠的地方方便地进行点焊。

在另一可选方法中，所述折叠结构的不同部分被使用浸焊结合在一起。在这种方法中，使用阻焊剂给所述材料板涂层(例如通过印刷)，而只有要被结合起来的部分(例如接片)还未被覆盖。当所述结构被装配起来并被浸入焊料中时，所述焊料仅结合未被所述阻焊剂覆盖的部分。在施加所述阻焊剂之前，可以例如使用镍镀处理所述材料板，以便帮助焊料固定到所述材料板。这种方法具有的优点是，在几乎不需要人工参与的情况下，它能够形成重量轻的结合。

图3显示了探针结构30。所述探针结构30以可松开的方式连接到例如机床、CMM或其他测量仪的主轴或心轴32上。所述探针结构30包括探针34，所述探针34安装在所述主轴32的一个末端处。在所述主轴的远端处，触针38以可松开的方式连接到所述探针34，上述连接任选地通过触针支臂36完成。

在本发明的最简实施例中，所述探针34以固定关系安装到所述主轴32。在这种情况下，通过主轴32相对于构台(未示出)通常在x、y、z方向的移动，来控制所述触针尖端40的移动。当主轴32移动时，有可能所述探针34和特别是任意的触针支臂36可能由于惯性力和/或加速作用力而发生弯曲。任何这样的弯曲将导致测量的不准确，这是因为所述触针尖端已经弯曲离开了它的公称位置。为了使得这样的弯曲最小，所述探针34和触针支臂36中的两个或一个制造成一个折叠三维结构。

所述触针也可以由形成为中空圆柱体的材料板制成。如前所述，这具有的优点是重量轻且刚度好。

所述探针可以是接触式或者非接触式。接触式探针包括：接触触发器，即开/关，例如电和应变仪；以及测量偏斜量的扫描探针，例如光学系统。不接触所述工件表面的非接触探针包括光学、电感和电容系统。

在图3里的例子使用了具有光学系统的接触式探针，以便获得重量轻的探针结构。来自所述触针尖端40的信息被以光学的方式、优选地通过激光系统传递穿过中空折叠触针支臂36和所述探针结构。WO00/60310中描述了一种这样的系统，所述文献被并入在此处以便作为参考。所述系统简要地包括：在内部沿着所述探针结构将激光从远离所述触针尖端的点发射到所述触针尖端40；以及将所述光反射回到容纳在邻近入射光束的地方的接收器。当所述触针尖端发生偏斜时，所述偏斜光束的横向位移被检测出来，显示出所述触针尖端40已经接触了表面。

现在参考图6a和6b，所述触针支臂36是锥形的，并由热性能稳定的材料板60制成，所述热性能稳定的材料板62沿着接缝62激光点焊起来，所述接缝62在这种情况下位于纵向沿着所述触针支臂的长度方向上。所述触针支臂36并不限于锥形，可以使用任何这样的结构，即所述结构刚性足够以便在所述探针运动中不会弯曲，并且具有中央中空，以便能够穿过所述触针支臂26使光传到所述触针。一个可选择的形状是三角形。

所述度量仪器(即探针、探头、触针支臂或触针)可以由热性能稳定的金属材料制成。这具有的优点是，由这样的材料制成的度量仪器对于外部温度影响和内部发热影响(例如来自电子元件和马达)具有改进的抗干扰性。所述词汇“金属材料”包括金属基质复合材料、具有引入金属的陶瓷基质复合材料以及纯金属物质。

热性能稳定的金属材料的例子是镍铁合金、科伐合金、铬镍铁合金、蒙乃尔镍基合金、镍铬合金，但是对于本领域技术人员而言，其他合适合金也是很容易知道的。

在下面的表中给出了热膨胀系数值。

金属	在20℃×10-6K-1时的热膨胀系数
		镍铁合金	1.7-2.0
科伐合金	4.81
		铬镍铁合金	13
蒙乃尔镍基合金	13.9-14.1
		镍铬合金	14

系数在6.0以下的材料提供了很好的结果，而系数在2.0以下的材料给出了最优结果。系数小于15.0的材料，例如镍铬合金、蒙乃尔镍基合金和铬镍铁合金，提供了比纯铝(系数23.5)和不锈钢大大改进的结果。使用热变换(thermal mapping)软件来纠正由热膨胀导致的所述度量装置的测量误差，可以进一步改善所述结果。这与铝结构相比更加容易，这是因为所述热增长已经被材料选择所限制。

所述板的厚度≤1.5mm。在这个范围内，所述材料板易于处理。优选的是，所述板的厚度是0.05-0.9mm。在小于0.05mm时，所述材料板往往太薄，而大于0.9mm时，很难弯曲所述材料板。更优选的是，所述板的厚度是0.1-0.5mm。在这个范围内，能够获得重量轻和刚性的最优组合。

这些材料是昂贵的，并且难以加工。因此，在制造中使用材料板的优点在于，使用较少量的材料。

图4显示了探针结构42。在这个例子里，所述探针是马达驱动的(motorised)，即所述探头46可以独立于主轴44的任何运动而进行运动。所述探头46在一个末端处通过马达52、轴承和编码器(未示出)安装到所述主轴44。所述探头46的另一末端连接到可选的触针支臂36和触针38。

特别当扫描物品时使用马达驱动的探头，由于它能够使得触针尖端40移动得比当主轴运动单独控制所述触针尖端的运动时快，所以是有利的。在EP402440中描述了这样的马达驱动的探头。然而，具有马达驱动的探头的副作用在于，除了将会导致所述探针结构的尺寸发生变化的外部热波动外，所述马达会在使用中产生热量。

由热性能稳定的材料制造马达驱动的探头是成本昂贵的。因此，有利的是，能够使得由探头产生的热量的影响降低到最小，同时允许它由例如铝的便宜且易于加工的材料制成。

图4描绘了例如CMM的坐标定位仪的探头46和主轴44。由热性能稳定的材料制成的中空盒形结构54在其顶端处安装在所述主轴44上，并在其底端处安装在所述探头46的固定表面45上。

热性能稳定的盒子54的中空结构56使得探头46的一部分被所述结构围住。在热性能稳定盒子54内允许所述探头的部分的膨胀，而不会影响度量路径。例如，在探头里的马达M产生热量，该热量导致轴承47和其他结构发生膨胀。

在热性能稳定的盒子54的底端和探头46之间的锚固点49定位在所述探头的静止部分45上的尽可能低的位置处，以便使得在主轴44和探针尖端40之间的度量路径上的非热性能稳定材料的量(以及由此的膨胀)最小。

所述热性能稳定盒子可以例如由四个在其边缘处结合在一起的热性能稳定材料板形成。可选择的是，所述材料板可以折叠以便获得需要的形状。所述热性能稳定结构不限于盒子形状，也可以使用其他形状。

在本实施例中，在度量回路外本系统中，允许热量增加，而在所述度量回路内的膨胀则被抑制。热量增加除了容纳在所述热性能稳定结构内以外，还可以容纳在例如主轴的凹陷内。

所述热性能稳定结构54可以是单个折叠并结合起来的热性能稳定材料板(例如图1所示)。另外，它也可以包括形成所述结构的四个角的的四个热性能稳定材料杆(其可以使用图1的加工定位孔15精确定位)，而可选的横向构件连接相邻杆。使用这样的杆能够使得较薄材料板用于所述结构中，而不使硬度降低。

所述探针结构可以连接到手动或自动运动的主轴或心轴上。对于以上两种情况，在每个维(dimension尺寸)移动所述探针结构的方式和方法对于本领域技术人员是显而易见的。在EP392699中描述了一种手动移动结构的例子。在US6047612中描述了一种自动结构的例子。

在两种情况下，具有热性能稳定的探针结构是很重要的。对于手动运动探针结构而言，因为重量减轻意味着所述结构需要比较少的配重，从而能够舒适地进行手动运动，所以重量减轻是有益的。它同时也减小了所述结构的惯性，这样增强了对任何运动的控制。

对于自动控制而言，重量减轻也是有益的。它意味着，由于所述结构的惯性正比于其质量，所以扫描速度可以得到增加。虽然本系统可以在50mm/s的速度运行，但是本系统通常在5mm/s的速度运行。使用较慢速度的原因部分地是由于探针和正扫描的物品失去接触的风险，部分地是由于降低了当所述探针结构开始接触表面时断裂的几率，并且部分地是由于传统结构的频率响应导致高频数据的丢失。此处所描述的探针结构能够以直到大约5000mm/s的较高速度运行，而不管方位如何，并能够提供和较低速度运动时相同的度量性能。

图6a和6b显示了用于触针支臂36的模板60。所述模板60已经部分地进行了蚀刻64，从而降低了所述触针支臂36的重量。在这个例子中，由于所使用的化学或激光加工的图案，所以这使得未被加工部分变成了加强肋66，所述加强肋66使得所述结构具有刚度。

在一些情况下，可以优选采用类似于用于形成折叠线的穿孔的孔的全部加工，这是由于它使得所讨论的物体的重量减轻得更多，但是，为了防止可以影响所述度量仪器的工作部件的功能的灰尘或其他物质进入，全部加工应该仅仅用在合适的地方。如果使用了填充泡沫的实施方式，这将有助于防止当使用全部加工时上述的任何灰尘或其他物质的进入。

在所有这些实施例中，在所述度量回路中使用了所述折叠材料板。所述度量回路是指从所述表面检测设备(例如在接触式探针里的探针尖端)通过所述装置到达安装所述工件的底座并因此到达所述工件的路径。例如，在安装在CMM上的接触式探针里，所述度量回路是从所述探针尖端、通过所述探针、所述CMM的主轴、通过所述CMM到达安装所述工件的工作台。

因此，所述折叠金属板的性能(例如硬度、重量轻和热性能稳定性)有助于提高所述装置的测量精度。

Claims (25)

1.一种安装在坐标定位仪上的度量仪器，所述度量仪器至少部分地由至少一个热性能稳定的金属材料板制成，折叠上述至少一个热性能稳定的金属材料板以便形成三维结构，所述至少一个热性能稳定的材料板用在所述度量仪器的度量回路中。

2.如权利要求1所述的度量仪器，其中，所述热性能稳定的材料的热膨胀系数约≤15.0ppm/℃。

3.如权利要求2所述的度量仪器，其中，所述热性能稳定的材料的热膨胀系数约≤6ppm/℃。

4.如权利要求3所述的度量仪器，其中，所述热性能稳定的材料的热膨胀系数约≤2ppm/℃。

5.如前面任一权利要求所述的度量仪器，其中，所述三维结构包括至少一个由壁构成的腔。

6.如权利要求5所述的度量仪器，其中，所述由壁构成的腔用质量轻的填充物填充。

7.如前面任一权利要求所述的度量仪器，其中，所述至少一个板的厚度约≤1.5mm。

8.如权利要求7所述的度量仪器，其中，所述至少一个板的厚度约在0.05mm-0.9mm之间。

9.如权利要求7所述的度量仪器，其中，所述至少一个板的厚度约在0.1mm-0.5mm之间。

10.如前面任一权利要求所述的度量仪器，其中，所述度量仪器包括测量探针。

11.如权利要求1-9中任一项所述的度量仪器，其中，所述度量仪器包括触针支臂。

12.如权利要求1-9中任一项所述的度量仪器，其中，所述度量仪器包括探头。

13.如权利要求12所述的度量仪器，其中，所述至少一个材料板包括热性能稳定的材料，并位于所述探头的固定表面和所述坐标定位仪的支臂之间。

14.如权利要求13所述的度量仪器，其中，所述至少一个材料板的结构使得它至少部分地围住所述探头的固定结构。

15.一种制造度量仪器的方法，包括：

由热性能稳定的金属材料板提供至少一个所述度量仪器的模板；

折叠所述至少一个模板，以便形成所述度量仪器。

16.如权利要求15所述的方法，其中，所述材料板由热性能稳定的材料制成。

17.如权利要求15或者16所述的方法，其中，通过沿着所述材料板的希望的折叠线形成一系列穿孔，来确定所述折叠的位置。

18.如权利要求15或者16所述的方法，其中，通过在所述材料板里形成部分厚度的折叠线，来确定所述折叠的位置。

19.如权利要求15-18中任一项所述的方法，其中，所述折叠材料板部分通过浸焊结合在一起。

20.如权利要求15-19中任一项所述的方法，其中，所述模板由刻蚀工艺形成。

21.如权利要求15-19中任一项所述的方法，其中，所述模板通过激光由材料板切割而成。

22.如权利要求21所述的方法，其中，所述模板通过和喷水相结合的激光由材料板切割而成。

23.一种安装在坐标定位仪上的探头，其中，包括至少一个热性能稳定的材料板的结构位于在所述探头的固定表面和所述坐标定位仪的支臂之间的度量回路内。

24.如权利要求23所述的探头，其中，所述至少一个材料板的结构使得它至少部分地围住所述探头的固定结构。

25.如权利要求23或24所述的探头，其中，通过折叠所述至少一个材料板而形成所述结构。

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