CN85106993A - 表面跟踪器 - Google Patents

Abstract

一表面跟踪器，其上带有连续跟踪工件表面轮廓的测头，通过三维坐标电信号读出工件形状。测头与X轴滑座刚性连接，X轴滑座通过Y轴滑座和Z轴滑座支承在基座上，各滑座可相互垂直滑动。因此，测头可以在工件上滑动。Z轴滑座通过悬挂弹簧悬挂在基座上，并支承着X轴滑座和Y轴滑座。在基座和X轴滑座之间使用一根复位弹簧提供复位力，使测头回复至原点位置。各滑座的滑动面均供以压缩空气，以形成空气支承。

Description

本发明涉及一表面跟踪器，该跟踪器能可靠而精确地测量工件表面。

众所周知，目前已有接触式的表面测量系统，以供连续跟踪和测量工件表面轮廓之用。这一系统包含有表面轮廓跟踪器，装于计算机数据控制三座标测量机或类似测量仪上。跟踪器带有在工件表面上运动的接触式测头，通过检测测头的三维座标值，便可以确定工件的轮廓，这对于形状复杂工件的测量是非常有用的。

例如，一种这样的跟踪已作为美国第3，869，799号专利公布，该跟踪器上有一沿三个座标方向均能自由运动的检测销，通过使该销追随工件表面，便可实现对所需工件表面轮廓的跟踪。在这种表面跟踪器中，其测量头总是与工件接触的。通过计算测头的测量位移和跟踪器本身的运动，可以得出所需的工件表面的座标值。另一方面，也可以让测头位移量保持恒定，而控制跟踪器本身的运动，从跟踪器的各座标移动中记录下工件表面的座标值。

在任何情况下，测头总是以一定的预压力与工件接触，因此，测头必须可靠地相对于基座安装，使测头在各个方向的压力均保持恒定。只有大大减小各个部件的摩擦阻力即弹簧的滞后性，才能获得这种稳定的压力。

在上述系统中，其接触压力是通过使用与各座标方向平行的片簧来保持的，这些片簧同时也起复位作用，使测头回复至原点位置即基准位置上。这一系统的缺点在于，由于片簧安装的位置精度没有规律性、片簧的非线性特性和片簧发生变形等原因，使跟踪器的测量值出现方位偏差。

虽然也曾采用过其他方案，但往往由于跟踪器的滑动部件有摩擦损失和其他原因而降低了对工件表面的跟踪能力，这也限制了它在工件测量时的移动速度，因此，这种跟踪器不能很好地作工件表面轮廓测量。

本发明的目标是要提供一种具有高跟踪能力的表面跟踪器，其接触测头在各个方向均保持恒压的情况下与工件表面接触，并能可靠而精确地复位至原点位置即基准位置上。

为达到上述目的，本发明表面跟踪器是由基座和与基座垂直，可沿各自的方向运动的X、y、Z轴滑座组成，这些滑座通过悬挂弹簧相对于基座悬挂着。

事实上，该基座是通过支杆从基板上悬伸出来的一个支承座，其上支承着Z轴滑座，可沿垂直方向运动。Z轴滑座通过相邻滑座间形成的滑槽与y轴滑座和X轴滑座连接，这样，X轴滑座和y轴滑座可作相互垂直运动。设置在最低位置的X轴滑座与测头刚性连接，测头与被测工件接触。

X轴滑座和y轴滑座的原点位置即基准位置是由杆状复位弹簧确定的，该复位杆簧的下端与X轴滑座连接，上端支承于基座上，并可沿垂直方向滑动。

这样，测头的原点位置可由悬挂弹簧和复位弹簧两者共同确定。

本发明的另一特征是在各相邻滑动表面之间导入压缩空气，形成空气支承，这样，每一滑座均在气浮状态下支承，没有摩擦损失，具有良好的复位性能。

图1是本发明表面跟踪器的纵截面图。

图2是沿图1中Ⅱ-Ⅱ剖视方向的纵截面图。

图3是沿图2中Ⅲ-Ⅲ剖视方向的横截面积。

参看图例，本发明所示的表面跟踪器，其结构如下：跟踪器上有基板10，其顶面可固定于众所周知的计算机数控三座标测量机的测头夹持器上（图未示），通过手动或自动方式可使跟踪器运动至三座标测量机的任何座标位置。

基座16通过固定杆12和14刚性地装在基板10上，故可以支承测头24，使之通过Z轴滑座18，Y轴滑座20和X轴滑座22作任一方向的运动。

从图3可见，基座16是制成方槽形的，带有内周边16a，Z轴滑座的方形滑轴18a装于其中，可作垂直方向（Z轴方向）滑动。

如图2所示，Z轴滑座18导向块18b，通过Y轴滑槽20a与Y轴滑座20相啮合，这样，Y轴滑槽20可在Y轴方向相对于Z轴滑座18自由滑动。

如图1所示Y轴滑座20还有滑槽20b，X轴滑座22通过X轴滑块22a与之可滑动地啮合。因此，X轴滑座22可在X轴方向相对于Y轴滑座20自由滑动。

滑座18，20和22均相对于基座悬挂，如图1所示，弹簧系耳26和28从Z轴滑座18的导向块18b的两端向外伸出，系耳26和28与悬挂弹簧30和32的下端连接，悬挂弹簧30和32的上端与基板10刚性连接，因此，包括测头在内的整个滑座组件被支承在一定位置上，其整个重量由悬挂弹簧30和32的拉力平衡。

悬挂弹簧30和32的上端通过弹簧支杆34和36与弹簧位置调节板38刚性连接，若垂直移动弹簧位置调节板38，则通过悬挂弹簧30和32可调节整个滑动组件的位置，更详细地说，在弹簧位置调节板38上有螺母部分38a，通过螺纹与螺杆40连接，螺杆40的轴颈支承在基板10上，当转动螺杆40时，弹簧调节板38可作垂直运动。可以看到，由于止动销钉42的作用，板38不致发生转动，使弹簧调节板38与螺杆40的相对位置保持不变。

从图例中可以看到，螺杆40上刚性地装有锥齿轮44，锥齿轮44与传动轴48上的另一锥齿轮46吻合，轴48可通过任何适当的驱动装置（图未示）把回转运动从外部输入。基板10的侧壁上有接近孔10a，通过该孔可插入诸如改锥等适当的工具，以转动驱动轴48。

这样，便可以确定悬挂于弹簧30和32上的滑座组件相对于垂直方向（即Z轴方向）的原点位置即基准位置。

此外，本发明机构上还装有复位弹簧50，用以确定在X-Y平面内的另一原点位置即基准位置，这一复位弹簧50是具有圆截面的杆簧。其下端通过弹簧夹头52与X轴滑座刚性连接，通过转动弹簧夹头52上的拉紧螺钉54，能把复位弹簧50牢固地夹紧。

复位弹簧50的上端支承于基座16上，并可在垂直方向运动。从图例可见，复位弹簧50的上端可滑动地支承在轴承56上，轴承56与Z轴滑轴18a刚性连接，而18a可在基座16内垂直滑动，而不是仅由基座16支承。换言之，复位弹簧50的上端与滑轴58刚性连接，而滑轴58支承在轴承56上，并可在56内沿Z向滑动。

这样，复位弹簧50的上端固定在X-Y平面的基准位置上，另一方面，由于复位弹簧50的另一端与X轴滑座22刚性连接，从而在X-Y平面内提供了相对于测头24各个运动方向的复位力，采用这种方式，可以确定在X-Y平面内的原点位置即基准位置。

由于滑轴58可在轴承56内沿Z轴方向滑动，故即使复位弹簧50的下端在X-Y平面内运动，使位置发生改变，也可通过滑轴558的垂直位移来调整补偿。

在图示的实施例中，通过改变被弹簧夹头52夹紧的复位弹簧50的位置，可以改变复位弹簧50的特性。由于复位弹簧50的上端可在支承内沿Z向滑动，故上述改变可以很容易做到。

因此可知，可以为X轴、Y轴和Z轴的滑座组确定一个单一的原点位置，使测头在相同的压力下浩X、Y和Z各方向运动。

从图中可见，测头24可拆卸地连接到测头座60上，而座60通过振动元件62与X轴滑座22连接。振动元件62牢固地装在测头座60和振动器座64之间，振动元件62是电致伸缩型的，它以很小的振幅作机械振动。因此，当测头24与工件（图未示）表面接触时，同时伴随有振动，从而减少了测头24和工件表面之间的摩擦，大大改善了测头24的跟踪能力。

为了测量各个滑座18、20和22偏离原点位置即基准位置的位移，各滑座上装有测尺，测尺通过光学传感器检测各滑座的运动。

Z轴测尺66从Z轴滑座18中向上伸出，与基座16上的Z轴传感器68相对设置，根据Z轴测尺66和传感器68的相对运动可以确定测头24在Z轴方向的位移。

如图2所示：Y轴测尺70装于Y轴滑座20上，并与装于Z轴滑座18上的Y轴传感器72相对设置，Y轴测尺70与Y轴传感器相互配合，以确定Y轴滑座20在Y轴方向的运动。

同样，如图1所示，X轴测尺74与X轴传感器76相配合，以检测X轴滑座相对于Y轴滑座20的运动。

从图例中可见，任一方向的运动都可通过相应部件同与之相对的线圈控制止动座销的抵触而实现止动。

Z轴方向运动的止动操作是在Z轴滑座18上的槽18c和基座16上相应的槽16c之间进行的，如图2和图3所示，止动销78可从线圈80中向着槽16c和18c的方向运动，当线圈80通电时，止动销运动，进入槽16c和18c内，使Z轴滑座18的运动停止。

同样，通过止动销84从线圈82中向着进入槽20d和18d内的方向运动，可使Y轴滑座20的运动停止，槽20d和18d分别是在Y轴滑座20和Z轴滑座18上形成的。

同样，通过止动销88从线圈86中向着进入槽22e和20e的方向运动，可使X轴滑座22的运动停止，槽22e和20e分别是在X轴滑座22和Y轴滑座20上形成的。

本发明机构中，在各滑座18，20和22的滑动面16a、20a和20b处均供以压缩空气，以减少各相邻滑座接触面之间的摩擦。

更详细地说，是在基板10上装以压缩空气分配器90，来自外面压缩机（图未示）的压缩空气输入其中如图2所示，压缩空气通过导管92和94输向各滑动面，在那面形成气垫。

为使压缩空气输向Z轴方向的滑动面16a处，导管92通过导孔96与基座16上的空气槽（图未示）相连，然后再连通到滑动面16a上的许多小孔（图未示）处，压缩空气从小孔中吹出，形成空气垫，使Z轴滑轴18a在基座16内浮起。

另一方面，压缩空气从导管94通过导向部分98进入Y轴滑座20内，然后通过Y轴滑座槽20a、滑槽20和附加的空气槽（图未示）上的许多小孔吹出，形成空气支承，使Y轴滑座20和X轴滑座22浮起。

这样，可以大大减少各相邻滑座之间的摩擦，改善各滑座对原点位置的复位能力。

从图例中可见，基板10上有前置放大器99、100和102，用以逐步放大来自传感器68、72和76的电信号，因此可以取得具有良好电特性的信号。

综上所述，显然可见，本发明表面跟踪器特别适宜于在自动测量和其他测量中测量工件表面之用，该跟踪器在X、Y、Z各轴方向均具有稳定的接触压力和稳定的运动，可以很容易复位到原点位置即基准位置上，提高了其跟踪能力和测量精度。

Claims (1)

1. 表面跟踪器，其上有基座，基座上支承着X轴、Y轴和Z轴的滑座，这些滑座可以相互垂直滑动；测头与X轴滑座刚性连接，并与工件表面接触，当测头在工件表面上滑动时，工件的表面轮廓以电信号的形式检测出；本跟踪器的特征在于通过悬挂弹簧装置把滑座组件悬挂在基座上；通过复位弹簧装置提供复位力，使基座在X-Y平面内回复至原点位置；该复位弹簧装置的一端与装有测头的X轴滑座刚性连接；另一端沿其纵轴方向可滑动地支承于基座内；各滑座的滑动面上都供以压缩空气，以形成空气支承。

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