CN208110365U - 用于光学探针的铰接头、坐标测量系统和工具保持架 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及用于光学探针的铰接头、坐标测量系统和工具保持架，尤其是涉及一种用于坐标测量机器(CMM)的铰接探针头，该铰接探针头包括光纤和用于与光学坐标探针自动连接的接口。用于CMM的工具轨道存放触觉和/或光学探针以便在所述探针头上进行自动更换。

Description

用于光学探针的铰接头、坐标测量系统和工具保持架
技术领域
本实用新型在实施方式中涉及用于坐标定位和测量系统的附件的领域，尤其涉及集成了用于与触觉测量能互换的非接触坐标测量的光学系统的附件。优选地，以自动方式执行测量，自动方式包括适于工件的3D测量的多个光学和触觉探针的自动互换。
背景技术
触觉探针广泛用于与坐标测量机器(CMM)结合，以便测量和检查加工部件的尺寸和表面状态。一些系统通常包括被紧固于CMM的移动臂的具有2个或更多个旋转轴的探针头。触发或扫描类型的触觉探针附接于探针头，并且通过CMM的组合运动和探针头的角度取向在选定的点处与工件接触。一般来讲，测量需要不同灵敏度或长度或几何形状的几种类型的触觉探针，并且它们被设置在料盒中以按CMM控制器的命令进行自动交换。US9494403描述了具有2个旋转轴的探针头并且US7282017描述了探针头上的触觉探针的自动切换。
近来，已经针对触觉探针的比较精度的非接触测量开发出CMM中的光学测量传感器的使用。用于此目的的光学传感器基于例如将激光照射到物体表面上进行干涉测量(EP2 037 214)。基于白光干涉测量的方法(DE 10 2005 061 464)和彩色共焦方法(FR 2738343)也是已知的。
EP 2356401描述了光学测量探针，光学测量探针将触觉探针的机械联接元件与手动连接于光纤的那侧的光学接口组合，以发送和接收来自由CMM命令的光学控制器的信号。
通常能够测量1kHz速率的光学传感器具有优于触觉探针的速度优点。一方面，光学传感器(特别的，高精度干涉传感器)在距被测表面达工作距离和反射角的窄范围内工作。因此，至于触觉探针，需要多种不同类型的光学探针来精确地测量复杂形状的工件。在每次更换探针时手动连接光学接口使测量处理显著放缓。
因此，在CMM测量期间，需要自动更换探针头上的光学探针。优选地，探针头能与触觉探针和光学探针一起操作，根据CMM控制程序的要求，自动地将它们进行互换。
US 2016/0076867描述了CMM附件，CMM附件包括用于将传感器与CMM上的载体结构联接的第一改变接口以及用于将电缆元件与载体结构联接的第二接口。这两个接口在空间上是分开的并且按顺序的方式连接。提到了两个接口的一步连接的可能性，然而，并没有描述特别是干涉光学探针所需的精确对准机构。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供CMM中的集成光学系统，该系统允许自动更换同一探针头上的光学探针和触觉探针以进行精确测量。
本实用新型的另一个目的是通过将光纤穿过各种组成部件来确保光波导的完整性。
本实用新型的另一个目的是提供通过分析从探针尖端或顺着光纤的其它不连续处反射回的光来验证光波导质量的方法。
根据第一方面，提供了一种用于确定光学坐标探针的方向的铰接探针头，该铰接探针头包括：支撑件，所述支撑件以可释放的方式连接于坐标测量机器的定位平台；第一转子，所述第一转子以可旋转的方式连接于所述支撑件，以便围绕第一轴旋转；第二转子，所述第二转子以可旋转的方式连接于所述第一转子，以便围绕与所述第一轴垂直的第二轴旋转；远侧连接器，所述远侧连接器用于以可释放的方式连接光学坐标探针；第一马达和第二马达，所述第一马达和第二马达用于分别使所述第一转子和第二转子分别围绕所述第一轴和所述第二轴旋转；以及光纤，所述光纤将所述远侧连接器中的用于连接到所述光学坐标探针的第一光学端口连接至所述支撑件中的用于连接到所述坐标测量机器的第二光学端口。
根据第二方面，提供了一种用于在坐标测量机器的可移动臂上自动地装卸工具的工具架，所述工具架包括多个工具台，所述工具台包括具有两个导轨的光学探针台，所述两个导轨上下叠置以用于保持光学坐标探针。
根据第三方面，提供了一种包括坐标测量机器的系统，所述坐标测量机器具有定位平台和铰接探针头，所述铰接探针头包括：支撑件，所述支撑件以可释放的方式连接于所述定位平台；第一转子，所述第一转子以可旋转的方式连接于所述支撑件，以便围绕第一轴旋转；第二转子，所述第二转子以可旋转的方式连接于所述第一转子，以便围绕与所述第一轴垂直的第二轴旋转；远侧连接器，所述远侧连接器以可释放的方式连接于光学坐标探针；第一马达和第二马达，所述第一马达和第二马达用于分别使所述第一转子和第二转子分别围绕所述第一轴和所述第二轴旋转；以及光纤，所述光纤将所述远侧连接器中的用于连接到所述光学坐标探针的第一光学端口连接至所述支撑件中的用于连接到所述坐标测量机器的所述铰接探针头的第二光学端口，所述系统还包括具有多个工具台的架，所述工具台均能够容纳以可释放的方式连接于所述铰接探针头的所述远侧连接器的测量工具。
在下面的描述中，词语“上”、“下”、“竖直”和其它类似词语是参照本实用新型的铰接头的常规取向来使用的，如在附图中所展示的。然而，重要的是，要认识到，本实用新型的铰接头可在空间中的任何取向上使用，并且这些词语只用于改善说明书的可读性，并不是暗示要限制本实用新型。
附图说明
该描述公开了附图所例示的本实用新型的示例性实施方式，其中：
图1用立体图和剖视图示出了铰接定位头；
图2和图3分别示出了定位头和光学探针之间的接口连接器以及CMM中的定位平台。
图4和图5例示了用于自动探针更换的架的触摸探针台和光学探针台。
图6和图7中用剖面将光学探针台示出为保护盖被回缩。
图8例示了光纤连接器。
图9示出了承载无接触探针的铰接头和工具轨道的CMM。
图10是干涉型光学探针所产生的典型层析成像信号的图线。
附图标记列表
30 铰接头
50 触摸探针台
51 自动螺丝刀
53 上导轨
54 下导轨
55 台主体
56 轴
57 锁定螺杆
58 光学探针盖
59 触摸探针盖
60 光学探针台
70 光纤端口
74 套筒
76 套管
82 浮置元件
83 工具架
84 锥
86 前衬套
88 上衬套
102 支撑件
105 “A”轴
107 电连接器
108 “B”轴
109 通向CMM的光学端口
110 第一转子
112 通向探针的光学端口
117 螺纹接头
120 第二转子
130 远侧连接器
132 电接触点
137 定位销
150 光纤
154 光纤环
210 CMM
220 XYZ定位平台
250 非接触型探针
253 探针尖端
300 工件
321 控制器
330 参考表面
410 从尖端部分反射
430 从不连续处部分反射
具体实施方式
本实用新型涉及铰接探针头和用于存放CMM的可互换探针和工具的架。图1示出了具有在操作中连接于坐标测量机器的可移动平台的支撑件102的探测头的可能实现方式。
图9例示了包括CMM 210的坐标测量系统，CMM 210用于测量放置在参考表面330上的工件300的表面上的点的坐标。CMM包括可移动到预定测量容积中的任何期望点的移动平台220。在该示例中，该机器具有门架结构和可将定位平台220沿着坐标轴X、Y、Z中的每个移动的三个线性致动器(不可见)。通过可被编程以遵循预定测量顺序的控制器321来监管定位平台的运动。
可移动平台220可释放地连接于铰接探针头30的支撑元件。
返回图1，支撑元件102连接于能够围绕垂直“B”轴108相对于支撑件转动的第一移动元件或转子110。在CMM的控制器321的监管下，第一转子的旋转优选地是自动的，例如是由马达引起的。在可能的实施方式中，第一转子可以被设置成锁定状态或解锁状态，在锁定状态下，第一转子牢固地安置在多个转位角位置中的一个位置，在解锁状态下，第一转子可在马达的作用下绕着轴“B”旋转。至于旋转马达，通过铰接头内部的合适自动致动器来确定并且可在CMM控制器的引导下进行解锁和锁定。在另一个实施方式中，铰接探针头可以是连续的而不是有转位的，其中，“锁定”和“解锁”对应于转子被阻止或被释放而旋转。申请人的美国专利申请US15358126描述了两个旋转轴被球形接头替代的又一个实施方式。
探针头还包括第二移动转子120，第二移动转子120连接于第一移动转子，并且可相对于第一转子围绕与第一轴“B”正交的第二轴“A”105旋转。第二转子也可被设置成锁定状态或解锁状态。锁定和解锁第二转子的致动器可按相同的方式同时作用于第一转子的锁定，或者是独立的致动器。一旦被解锁，转子110和120就可优选地各自在单独马达的作用下围绕相应的轴转动。
第二转子120承载用于与光学坐标探针连接的远侧连接器130。为了确保光路的完整性，将光纤150经过铰接探针头从远侧连接器130穿到支撑件102中的光学连接器108。因此，铰接探针头允许在坐标测量机器上使用光学装置。机器控制器因此可将光学装置定位在X、Y、Z中的任何期望位置，通过旋转轴A和B选择其取向，并且通过光纤150执行光学测量。
优选地，附接于远侧接口130的光学探针是干涉型坐标探针(图9中被示出为250、253)，并且可具有用于非接触坐标测量的单个或多个光束。在以引用方式并入本文中的美国专利申请US15497152中，描述了适用于该应用的探针。然而，该连接器也与其它光学装置兼容，不一定非要限于坐标探针。在可用于本实用新型的探针头的坐标敏感设备当中，存在共焦彩色探针、激光三角测量探针和激光扫描仪。该系统还可以与高功率激光器一起用于切割或雕刻，或与电信激光器一起用于传输数字数据。为了简单起见，本申请将排他性地指光学坐标探针，但是应该理解，光学探针可被一般光学装置取代。
为了实现干涉探针的最佳性能，应该尽可能地限制光纤的弯曲和扭曲。光纤固定于第一转子和第二转子中的两个点处，而光纤在探针头的中心是松散的，以允许以可接受的扭转在±180°的范围内围绕A轴和B轴旋转。具体地，这两个固定点之间的距离不可小于大致10cm。康宁公司(Corning)生产的HI 1060Flex型光纤可耐受5mm的半径弯曲并且适用于本申请。一旦连接器130和109被固定到光纤末端，则将探针头与旋入内部的光纤组装在一起就需要在第一转子和第二转子中卷绕成两个环154的光纤有额外长度。
如申请人的US9494413中所描述的，用于通过旋转系统获得光学路径的替代实施方式使用滑环。其它替代实施方式采用在探针头旋转运动期间展开或重新卷绕的光纤线圈。
如图3中所示，探针头通过电气连接器107和光学连接器109连接于CMM中的定位平台。
远侧连接器130中的光学连接是通过套管获得的，套管优选地刚性安装在硬质金属的同轴导锥中。光学探针中的配合套管优选是弹簧加载的并且允许稍有旋转，使得4°倾斜表面匹配并且形成良好的光学接触。
在图2中，用附图标记112来标记光学端口在远侧连接器中的位置。轴向地，如US20170030702中所述，金属螺纹接头117被设计成与光学探针的凹配对物中的轴向孔互相操作，并且因光学探针中的钳口的布置而轴向地保持和拉动。三个水平销137与探针上的三对球面互相配合，确保精确和可重复的机械配合。因此，光学连接器112和130不需要用附加的锁定机构来保持测量期间的良好光学接触。接触点132用于探针头和探针之间的电连接。
虽然远侧连接器130可以容易地被手动操作，但是为了优化CMM系统的生产率，通常来说自动工具更换系统是令人满意的。图9示出位于定位平台220可触及的空间内的与CMM 210关联的工具架83，其中，机器可在测量操作结束时放置工具并且获取进行下一个任务所需的工具。CMM因此可使用多个工具在一系列编程移动之后或者在操作人员的手动指令之后执行复杂的测量。US8535208描述了类似的布置。
图4示出了可如US7282017中所描述地安装在工具架83中并且适于传统的触觉探针的探针台50。在该工具台中，探针由与探针主体中的沟槽互相配合的轨道53保持，并且探针的连接器在不使用时由滑块59进行保护。CMM探针头可被编程成将探针插入台50中，从平行于轨道53的方向接近，并且在该过程中推回滑块59。探针与探针头的分离由轴56致动的自动螺丝刀51(图7中可见)来进行，轴56通过作用于其面上的螺杆来释放探针，由此CMM可背离探针垂直移动。可利用锁定螺杆57将滑块59锁定在缩回位置，以便于CMM认证过程。
在装载过程中，CMM可从台50收集探针，从而以倒序重复相同的步骤。
图5示出适用于非接触光学探针的探针台60。当不使用时，顶盖58延伸以覆盖光学探针的光纤。此外，它具有平行于第一导轨53且在其下方的第二导轨54。当两个套管彼此接近时，需要抵消弹簧力，这往往会使探针在架中倾斜。将探针中的套管引向探针头中的固定套管，并且在弹簧力的作用下，稍微旋转，直到4°斜面匹配并建立清晰的光路。
在每次更换刀具之后，控制器都读取光学探针头，控制器测量从探针头尖端反射的光线的微小强度，该反射在空气中是没有的。如果功率低于预定阈值，则指示CMM操作人员清洁可由合适的清洁笔制成的探针头和探针上的光纤尖端。此功率测量还检测探针头内部的光纤是否损坏，并且在这种情况下，向操作人员发出特定的警告。
对于例如EP2037214中描述的具有调频激光束的干涉测量探针，可分析干涉信号以识别光学探针的尖端，因部分内反射(局部振荡器)，激光离开该尖端进入空气中，部分内部反射用作后续工件距离测量的参考。图10示出峰值410对应于离开点的典型层析成像信号。
除了该离开点之外，图10中显示的层析成像数据可在顺着光纤150的位置处表现出其它峰值430，其中，由于光学不连续，导致出现部分反射。每个峰的幅度表征被反射信号的幅值，而其沿着水平轴的位置指示顺着光纤150的位置。如果峰值幅度高于预设水平，则控制器会提示操作人员进行干预。如果该位置对应于光学连接器，则可要求操作人员来清洁它。如果在所指示位置不存在连接器，则反射可指示光纤损坏，可能需要进行维修。
探针变化的过程与上述触觉探针的过程相同，在US7282017中有更详细的描述。
a.用与探针主体侧上的螺杆接合的台的锁定螺丝刀(51)将光学探针插入上轨道和下轨道中的预定位置。
b.探针头在预定高度处水平接近台，并且将盖子推回达预设的量。
c.探针头然后顺着移动到光学探针上，使得中心螺纹接头插入探针的匹配孔中。同时，两个套管被向着彼此引导并且与所对准的光纤芯进行接触。
d.一旦进行了接触，螺丝刀51就转动，以将探针锁定在探针头(中心螺纹接头被探针头中的钳口握住)上。
e.探针头水平移动回来，从而将光学探针从导轨中带出。
优选地，光学探针台60与传统的触觉探针兼容，并且还可以确保触觉探针被自动更换。除了光学探针或触觉探针之外，该台还可保持用于触觉探针或用于光学探针的探针头延伸部分，探针延伸部分与探针头(一侧是凹的，另一侧是凸的)具有相同的接口。因此，探针头可连续拾取一个或多个延伸部分，然后在结束时拾取探针。
图8示出了光学连接器112的优选实现方式。光纤从上端口70被金属套筒74引导到陶瓷套管76中。金属套筒在其下部部分中具有承窝，套管76精确地装配在该承窝中，以便确保套筒和套管之间的精确地同轴对准。
优选地，套管围绕光纤的总体轴自由旋转(垂直的，被标记为“Z”)，并且套筒可围绕同一“Z”轴旋转至少有限角度，例如±2°，以对准光纤的斜面。
陶瓷套管76的下部被装配到浮置元件82中，浮置元件82通过弹性元件被约束在水平面，使得它能够在抵靠上衬套88的同时在与光纤70的总体轴正交的方向(水平的，在附图中被标记为“X-Y”)上移动。下衬套86限制浮置元件82的水平移动。浮置元件具有用于与结束于插入锥84中的光纤配合的下部孔。

Claims (14)

1.一种用于确定光学坐标探针的方向的铰接探针头，其特征在于，该铰接探针头包括：
支撑件，所述支撑件以可释放的方式连接于坐标测量机器的定位平台；
第一转子，所述第一转子以可旋转的方式连接于所述支撑件，以便围绕第一轴旋转；
第二转子，所述第二转子以可旋转的方式连接于所述第一转子，以便围绕与所述第一轴垂直的第二轴旋转；
远侧连接器，所述远侧连接器用于以可释放的方式连接光学坐标探针；
第一马达和第二马达，所述第一马达和第二马达用于分别使所述第一转子和第二转子分别围绕所述第一轴和所述第二轴旋转；以及
光纤，所述光纤将所述远侧连接器中的用于连接到所述光学坐标探针的第一光学端口连接至所述支撑件中的用于连接到所述坐标测量机器的第二光学端口。
2.根据权利要求1所述的铰接探针头，其特征在于，所述光纤穿过两个旋转轴并且在两个点处被固定，以使该光纤的弯曲和扭曲最小化。
3.根据权利要求2所述的铰接探针头，其特征在于，所述光纤在两个固定点之间的长度是至少5cm。
4.根据权利要求3所述的铰接探针头，其特征在于，所述光纤包括卷绕在所述第一转子和/或所述第二转子和/或所述支撑件内的环。
5.根据权利要求1所述的铰接探针头，其特征在于，所述铰接探针头包括转位机构，所述转位机构用于将所述第一转子和/或所述第二转子锁定在可选择的角位置。
6.根据权利要求1所述的铰接探针头，其特征在于，所述铰接探针头包括第三旋转轴，所述光纤穿过所述第三旋转轴以便连接于探针。
7.一种用于在坐标测量机器的可移动臂上自动地装卸工具的工具架，其特征在于，所述工具架包括多个工具台，所述工具台包括具有两个导轨的光学探针台，所述两个导轨上下叠置以用于保持光学坐标探针。
8.根据权利要求7所述的工具架，其特征在于，所述工具架包括自动致动器，所述自动致动器用于在装载时将所述工具锁定在所述可移动臂上，并且在卸载时将所述光学坐标探针从所述可移动臂解锁。
9.根据权利要求7所述的工具架，其特征在于，所述光学探针台包括滑动盖，所述滑动盖用于在所述光学坐标探针的顶部光学端口被存放在料盒中时保护所述顶部光学端口。
10.一种包括坐标测量机器的系统，其特征在于，所述坐标测量机器具有定位平台和铰接探针头，所述铰接探针头包括：
支撑件，所述支撑件以可释放的方式连接于所述定位平台；
第一转子，所述第一转子以可旋转的方式连接于所述支撑件，以便围绕第一轴旋转；
第二转子，所述第二转子以可旋转的方式连接于所述第一转子，以便围绕与所述第一轴垂直的第二轴旋转；
远侧连接器，所述远侧连接器以可释放的方式连接于光学坐标探针；
第一马达和第二马达，所述第一马达和第二马达用于分别使所述第一转子和第二转子分别围绕所述第一轴和所述第二轴旋转；以及
光纤，所述光纤将所述远侧连接器中的用于连接到所述光学坐标探针的第一光学端口连接至所述铰接探针头的所述支撑件中的用于连接到所述坐标测量机器的第二光学端口，
所述系统还包括具有多个工具台的工具架，所述工具台均能够容纳以可释放的方式连接于所述铰接探针头的所述远侧连接器的测量工具。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述工具台处于所述坐标测量机器的所述定位平台能触及的工作空间中，并且所述工具台被布置成允许在所述铰接探针头的所述远侧连接器上自动地装卸工具。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述工具架包括光学探针台，所述光学探针台具有上下叠置的两个导轨，以用于保持光学坐标探针。
13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统在至少一个工具台中包括自动致动器，所述自动致动器在加载时用于将所述测量工具锁定在所述坐标测量机器的可移动臂上并且在卸载时用于将所述光学坐标探针从所述可移动臂卸载。
14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述光学探针台包括滑动盖，所述滑动盖用于在所述光学坐标探针被存放在所述工具架中时保护所述光学坐标探针的顶部光学端口。
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