JP3857334B2

JP3857334B2 - 座標測定装置のプローブヘッド

Info

Publication number: JP3857334B2
Application number: JP17243895A
Authority: JP
Inventors: ルックオットー; スツェンガーフランツ
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 1994-07-09
Filing date: 1995-07-07
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2015-07-07
Also published as: DE59509461D1; EP0693669B1; EP0693669A2; EP0693669A3; JPH0843066A; DE4424225A1; US5623766A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、座標測定装置のプローブヘッドであって、プローブヘッドの変位可能な部分の変位量の測定のための測定機構、入力信号に基づいて設定可能な大きさ及び方向の測定力を発生させるための電磁式の測定力発生器、並びに変位可能な部分の設定可能な方向での拘束若しくはクランプのための装置を有しており、プローブヘッドの変位可能な部分が案内機構を介して所定の座標方向に変位するようになっており、測定力発生器が直接に各座標方向のための案内に配置されており、拘束若しくはクランプのための装置が電子的な制御回路を有しており、該制御回路が変位可能な部分の変位に比例して変位方向と逆向きの信号を測定力発生器に加えるようになっており、プローブヘッドが変位可能な部分のための単数若しくは複数の電磁式の減衰装置を有している形式のものに関する。このようなプローブヘッドは例えばドイツ連邦共和国特許出願公告第２２４２３５５号公報に記載されていて、いわゆる測定式のプローブヘッド(messender Tastkopf)の種類に属し、該プローブヘッドはプローブピン保持体の変位量に比例した信号を発信し、逆にいわゆるスイッチ式のプローブヘッド(schaltender Tastkopf)はもっぱら工作物との接触の時点でのパルス状の信号を生ぜしめるだけである。
【０００２】
【従来の技術】
公知のプローブヘッドの測定力発生器はプランジャコイル機構であり、該プランジャコイル機構がプローブヘッドの上側の部分に配置されており、運転に際して生じる廃熱がばね平行四辺形機構の形式で配置された案内からできるだけ遠ざけられており、該案内に変位可能なプローブピン保持体が懸架されている。プランジャコイルによって生ぜしめられた力を個々の座標方向に配属されたばね平行四辺形機構に伝達するために、ロッドが用いられており、該ロッドによって力伝達が間接的にかつ柔軟に行われる。ばね平行四辺形機構は個々の座標方向でそれも機械的な係止部材によってクランプされ、該係止部材がばね平行四辺形機構の変位運動を電気的若しくは機械的なゼロ点で拘束する。このようなプローブヘッドにおいては測定力及びクランプ状態を、ばね平行四辺形機構によって機械的に設定された方向と異なる方向で意図的に調節することが困難である。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許出願公告第３２１０７１１号公報には別の測定式のプローブヘッドが記載されている。このプローブヘッドにおいては測定力発生器が、種々の変位方向のためのばね平行四辺形機構として構成された案内に直接に配置されている。プローブヘッドに電子装置が配属されており、該電子装置を介して力のベクトルの方向があらかじめ与えられた目標値に応じて任意に調節される。個々の案内方向に消極的な減衰エレメント(passives Daempfungselement)を配属してあり、該減衰エレメントが変位可能なプローブヘッドのゼロ位置を中心とした制御されない振動を防止するようになっている。しかしながら、該公知のプローブヘッドは変位可能なプローブピン保持体を個々の座標方向でクランプすることができない。
【０００４】
ヨーロッパ特許第０５６９６９４Ａ２号明細書により公知のプローブヘッドは電子的にクランプされるようになっており、このためにプローブヘッド内の駆動部がプローブ変位に際して高い戻し力で負荷される。プローブヘッドの構成は詳細には記載されていない。
【０００５】
ドイツ連邦共和国特許出願第４００１９８１Ａ１号明細書により、水平アーム式の座標測定装置の水平アームの振動をプローブヘッド側の付加質量体によって、それもビスコース液体の使用下で減衰することは公知であり、ビスコース液体内で付加質量体が運動し、若しくは積極的に付加質量体のための駆動部及び制御装置を用いて運動されるようになっており、制御装置が駆動部を振動センサの信号に基づいて作動させる。これによって、プローブヘッドが全体的に静止させられるものの、プローブヘッドの変位可能に支承されたプローブピンとケーシングに対して不動の部分との間の相対運動は減衰されない。
【０００６】
さらに冒頭に述べた形式のプローブヘッドは比較的煩雑で、ひいては高価な構造を有しており、それというのは特にクランプ及び減衰のために別個の付加的な構成ユニットを用いてあるからであり、構成ユニットはクランプ力及び減衰特性に関連してフレキシブルでなく、かつ種々の運転条件若しくは測定課題に適合されにくい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、座標測定装置の測定式のプローブヘッドを改善して、該プローブヘッドが変位可能なプローブピン保持体の運動の減衰のため並びにクランプのための装置を備えていて、できるだけ簡単な構造でありかつ可変的に使用できるようにすることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明の構成では、電磁式の減衰装置は金属から成るスプールがうず電流ブレーキとして作用するものであって、スプールと該スプールに巻付けられたコイルから成る減衰装置の一方の構成部分が、プローブヘッドの変位可能な部分に取り付けられていて、かつ永久磁石と軟鉄部分から成る減衰装置の他方の構成部分が、ばね薄板により構成された平行四辺形案内機構の変位可能な部分に対向する部分に取り付けられていて、前記コイルが前記永久磁石と軟鉄部分によって形成されたリング間隙内に入り込んでおり、更に電磁式の減衰装置は電子的な制御回路を有しており、該制御回路が変位可能な部分の変位の速度に比例して変位方向と逆向きの信号を測定力発生器に加えるようになっている。
【０００９】
本発明に基づくプローブヘッドにおいては、測定力発生器、クランプ装置及び減衰装置、即ち３つのすべての機能ユニットが電磁路上で作動し、従ってこれらのすべての機能を測定力発生器内で、若しくは測定力発生器の制御のために用いられる電子装置内で組み合わせることができる。例えば、減衰装置をうず電流原理に基づいて構成することが可能であり、測定力発生器のために使用されるプランジャコイルのスプールが金属、例えば銅から製造される。
【００１０】
スプールを金属で形成することに基づき、プランジャコイルを効果的に冷却することが可能であり、従って測定力発生器をプローブヘッドの各座標方向のための案内に直接に配置することができ、それというのはもはや廃熱の問題が生じないからである。他方においてプローブヘッド内の案内の直接的な駆動に基づきプローブヘッドが剛性的であり、これによってプローブヘッドの運動特性が高められ、即ちプローブピンがスキャニング作動(scannender Betrieb)に際してそれもスキャニング速度の高い場合にも良好な状態で工作物表面に追随する。
【００１１】
同じく、変位可能な部分若しくはプローブピン保持体の減衰作用を電子的に制御回路によって生ぜしめることが可能であり、制御回路が変位可能な部分の変位の速度に比例してかつ変位方向と逆方向の信号を測定力発生器に加えるようになっている。このような減衰形式においては実質的に付加的な構成部材は不必要であり、測定力を加えるために必要な測定力発生器若しくはプランジャコイルと、測定力の制御のためにいずれにせよ必要な電子装置とが一緒に用いられるだけである。このような手段は極めてフレキシブルなものであり、それというのは減衰特性がプロセッサの制御によって調節可能であるからであり、その結果、例えば測定装置が高速で走行する場合には減衰定数が増大されるのに対して、工作物における本来の測定に際しては減衰定数が減少される。
【００１２】
同じように、プローブヘッドの変位可能な部分が任意の方向で電子的にクランプされ、このために測定力発生器若しくはプランジャコイルが電気的な制御回路を用いて相応に高い利得制御で例えばマイクロプロセッサの制御によって調節可能である。
【００１３】
測定力を設定するため、並びにクランプ力及び減衰作用を調節するために必要な信号が、いずれにせよプローブヘッド内に存在する測定機構の出力によって生成される場合には、該測定機構が変位可能な部分のそれぞれの座標方向での変位量に比例したプローブ信号を供給するようになっており、従って付加的なセンサは不必要である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図面に示すプローブヘッドはケーシングに対して不動のアングル部材を有しており、該アングル部材の水平な上側の脚部（１）が座標測定装置（詳細には図示せず）のスピンドルにプローブヘッドを取り付けるためのありつぎを有している。ケーシングに対して不動のアングル部材の垂直な脚部（２）に、互いに隔てられて中央を補強された一対のばね薄板（５，６）を介して別のＬ字形のアングル部材の垂直な脚部（３）が結合されている。このようにして構成された平行四辺形案内機構が、プローブヘッドのｚ-案内を形成している。
【００１５】
ｚ-案内に沿って運動可能なアングル部材の水平な脚部４に、補強された一対の第２のばね薄板（７，８）を介してプレート（９）を運動可能に懸架してあり、該プレートがプローブヘッドのｙ-案内を形成している。該プレートには、ばね薄板（７，８）に対して９０°回転された第３の一対のばね薄板（１１，１２）を懸架してあり、該ばね薄板が前記プレート（９）と別のプレート（１０）とを結合しており、該別のプレートがプローブヘッドのｘ-案内を形成している。プレート（１０）は、プローブ球（１４）を備えたプローブピン（１３）を保持している。
【００１６】
３つの各平行四辺形案内機構がプランジャコイル駆動装置の形の測定力発生器を備えている。このために、不動の脚部（２）に当該のプランジャコイル駆動装置の第１のマグネット（１５）が取り付けられ、脚部（４）の下側に第２のマグネット（１６）が取り付けられ、かつプレート（９）に第３のマグネット（１７）が取り付けられているのに対して、プランジャコイル駆動装置の運動可能な部分、即ちスプールがｚ-，ｙ-，ｘ-案内の変位可能な部分（３，９，１０）に結合されている。
【００１７】
同じく３つの測定機構（２１，２２，２３）が示してあり、該測定機構を用いて、プローブヘッドの案内された部分の変位量が３つの座標方向で連続的に求められる。この場合、測定機構はいわゆるＬＶＤＴ・機構(LVDT-System)であり、ほぼ搬送周波数で作動される誘導コイルから成っており、誘導コイルが内部で移動可能なコアの位置に比例した距離信号を発信する。
【００１８】
図２には測定力発生器を備えたｘ-平行四辺形案内機構が断面して詳細に示してある。測定力発生器の、結合部（２５）を用いてプレート（９）に装着された不動の部分（１７）は、小鉢状の軟鉄部分（２６）から成っており、該軟鉄部分内の中央に円筒形の永久磁石（２７）が第２の軟鉄部分（２８）と一緒にはめ込まれている。このような構成に基づき、永久磁石（２７）の磁束によって対称的に通過されるリング間隙が生じており、該リング間隙内に同じく小鉢状のスプール（２９）がはめ込まれている。スプール（２９）は結合エレメント（１９）を介してｘ-案内の運動可能なプレート（１０）に結合されている。スプール（２９）は、プランジャコイルの巻線（３０）を保持するリング間隙の範囲で例えば銅のような熱伝導性及び導電性の材料から構成されている。このことにより２つの利点があり：一方でスプール（２９）のリング溝内にろう付け固定された冷却管（３１）を用いて巻線（３０）内に生じる熱を液体冷却に基づき簡単に導出することが可能である。このために、冷却管（３１）ができるだけフレキシブルなホース（３２）を介して、プローブヘッドの外側、例えば座標測定装置のスピンドルの上側の端部に配置された熱交換器に接続されている。他方で、銅製のスプール（２９）がうず電流ブレーキとして作用し、従って平行四辺形案内機構のプレート（９）に対するプレート（１０）の相対的な運動を減衰する。
【００１９】
できるだけ良好な熱伝達を保証するために、巻線（３０）が熱伝導ペーストを用いてスプール（２９）内に埋め込まれている。
【００２０】
図示の実施例においては、３つの測定力発生器（１５，１６，１７）が直接に座標ｚ，ｙ，ｘのための案内機構内に組み込まれていて、最終的にプローブ球１４から測定すべき工作物に生ぜしめられる所望の測定力を形成することのほかに、同時に設定可能な方向で、それも必ずしも案内方向、即ち座標ｘ，ｙ，ｚと合致していなくてもよい任意の方向で案内機構のクランプを行う。さらに、プランジャコイルとして構成された測定力発生器を用いて、前述のうず電流ブレーキの原理に基づく消極的な減衰作用（passive Daempfung)に対して付加的に、速度に比例した積極的な減衰作用(aktive Daempfung)が生ぜしめられ、この場合、減衰特性は意図的に調節可能である。これらすべては、図４及び図５に示すマイクロプロセッサで制御可能な電子式の制御回路によって行われる。
【００２１】
図４の概略的な原理図から明らかなように、制御回路はマイクロプロセッサ(４０）を有しており、マイクロプロセッサがデータバスを介して座標測定装置のコンピュータ（図示せず）に接続されている。マイクロプロセッサ（４０）は電子式のほぼ同じ３つの回路を制御するようになっており、それの１つがｘ-案内用の測定力発生器（１７）の制御のための回路（４１）である。同時に、マイクロプロセッサ（４０）は前記回路（４１）を介して、案内機構ｘの位置若しくは瞬間の変位量を表す信号、即ち測定値発信器（２３）の出力信号を送られるようになっている。このために図５から明らかなように、搬送周波数測定増幅器（４９）に接続された測定値発信器（２３）がアナログ／デジタル変換器（５０）を介してマイクロプロセッサのデータ入力部に接続されている。
【００２２】
前記回路（４１）は３つの構成部分（４２，４３，４４）を有しており、該構成部分を介して、測定力発生器（１７）によって生ぜしめられた測定力が場合によっては減衰機能及び案内機構のクランプ状態と関連して調節される。測定力の調節のために、選択的に使用できる異なる２つの可能性がある。即ち、一方ではコンスタントな大きさの測定力が当該の案内機構の変位量に無関係に生ぜしめられる。このことは、図４のブロック（４２）内の水平な破線によって示されている。他方では変位量に比例して逆向きの測定力を生ぜしめ、即ち理想的なばねの特性を電子的にまねることが可能である。このことは、図４のブロック（４２）内の鎖線の特性線によって示されている。
【００２３】
電子的なクランプは、変位とは逆向きに作用する著しく強い測定力を生ぜしめることによって行われ、このことは著しく急勾配のばね特性線に相応しており、このようなばね特性線は測定力発生器（１７）のコイルを最大に流れる電流の達成に際して制限される。
【００２４】
減衰特性は、案内機構の変位の速度に比例的な対向力を作用させることによって生ぜしめられ、減衰作用の強さは比例ファクタ(Proportionalitaetsfaktor)を介して調節される。
【００２５】
従って、前記回路（４１）内の制御経過はほぼ次の関数に対応しており：
Ｆ_x＝Ｋ１−Ｋ２・Ｐ_x−Ｋ３・ｄＰ_x／ｄｔ（１）
この場合、Ｋ１は変位量に無関係なコンスタントな測定力の大きさを表し、Ｋ２はクランプ若しくは測定力形成の際にばね特性の模倣によって生じる対向力の比例定数を表し、かつＫ３は速度に比例した減衰作用の強さを表している。
【００２６】
測定力発生器を式（１）に基づいて制御するために、図５に示す制御回路が用いられる。そこでは、マイクロプロセッサ（４０）の相応のデータライン若しくはデジタル出力部から定数Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３がデジタルインフォメーションとして送られる。変位量に無関係な測定力の値を表す定数Ｋ１は、デジタル・アナログ変換器（４１）によってアナログ信号に変換されて、電力増幅器（４２）に供給され、電力増幅器の出力部が測定力発生器（１７）のプランジャコイル（３０）に接続されている。適当な回路がそれぞれ３つのすべての測定力発生器（１５，１６，１７）のために設けられているので、相応のベクトル的な制御によって測定力の方向が意図的に規定される。測定力発生器（１７）のコイル（３０）の電流回路内の測定抵抗（４３）における電圧低下が、アナログ・デジタル変換器（４４）に伝達され、かつデジタルインフォーメーションとしてマイクロプロセッサのデータ入力部に送られる。従って、実際に生ぜしめられた測定力についてのインフォーメーションがマイクロプロセッサ若しくは座標測定装置のコンピュータによって、例えばプローブピン（１３）若しくは座標測定装置の別の弾性的な構成部分の、測定力に関連したたわみの修正のためにさらに処理される。
【００２７】
速度に関連した減衰作用を調節するために、搬送周波数測定増幅器（４９）から供給された位置測定信号Ｐｘが高域フィルタ（４８）を介してプログラム可能な増幅器（４７）に送られる。増幅器の増幅ファクタ（Verstaerkungsfaktor)は定数Ｋ３に相応して調節可能である。これによって、制御特性線Ｆ(Ｖｘ)の立ち上がりが調節される。プログラム可能な増幅器（４７）の出力部が同じく測定力発生器（１７）のための電力増幅器（４２）の入力部に接続されている。
【００２８】
クランプ方向及びクランプ力を調節するために、プログラム可能な第２の増幅器（４５）が設けられている。クランプ力の大きさ、即ち制御特性の立ち上がりが定数Ｋ２によって規定され、該定数がプログラム可能な増幅器（４５）の増幅ファクタを調節する。さらに、クランプ力の方向がベクトル的に設定されたいので、マイクロプロセッサ（４０）のデジタル出力部から相応に算出されて供給されたデジタル信号Ｐｓｏｌｌが、デジタル・アナログ変換器（４６）によってアナログ信号に変換されて、プログラム可能な増幅器（４５）の入力部に送られる。該増幅器の出力部は同じく電力増幅器（４２）の入力部に接続されている。同時に、搬送周波数測定増幅器（４９）の出力部もプログラム可能な増幅器（４５）の入力部に接続されており、該増幅器が従ってプローブピン（１３）の変位と逆向きの信号を受け取り、該信号が増幅器（４５）によって著しく大きく増幅される。
【００２９】
対向力の方向を設定するためにマイクロプロセッサ（４０）が、変位の目下の実際値Ｐｘに対するアナログ・デジタル変換器（５０）によって受け取られたインフォメーションから増幅器（４５）のための設定値Ｐｓｏｌｌを算出する。このようなプロセスは次のように行われる：プローブピン（１３）をｘ-方向でクランプしたい場合には、設定値Ｐｓｏｌｌがゼロにリセットされ、このゼロ点からの各ずれに基づいて、抵抗（４９）によって生ぜしめられるアナログの制御ループを介して変位量に関連した著しく高い対向力が形成される。これに対して、ｘ-軸をクランプ解除したい場合には、設定値Ｐｓｏｌｌが連続的に−Ｐｘの値にセットされる。従って、増幅器（４５）の入力部で加えられるＰｓｏｌｌ及びＰｘの値が互いに相殺され、その結果、ｘ-案内が変位させられるものの、増幅器(４５)は対向制御を行わない。例えば平面ｘ／ｙ内でのクランプ力の回転は、
【００３０】
【外１】

【００３１】
前述の実施例では測定力発生器（１５−１７）はプランジャコイル機構として構成されている。しかしながら、プランジャコイルを、例えばリニアモータのような別の電磁式の駆動装置によって代替することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】プローブヘッドの概略的な斜視図
【図２】図１のプローブヘッドの１つの案内の、該案内に配設された測定力発生器の対称軸線に沿った断面図
【図３】図２の線ＩＩＩに沿った断面図
【図４】測定力発生器の制御のために用いられる電子装置の概略的なブロック回路図
【図５】図４の電子装置の詳細な回路図
【符号の説明】
１，２；３，４脚部、５，６；７，８ばね薄板、９，１０プレート、１３プローブピン、１４プローブ球、１５，１６，１７測定力発生器、１９結合エレメント、２３測定値発信器、２５結合部、２６軟鉄部分、２７永久磁石、２８軟鉄部分、２９スプール、３０巻線、３１冷却管、３２ホース、４０マイクロプロセッサ、４１回路、４２ブロック、４３測定抵抗、４４アナログ・デジタル変換器、４５増幅器、４６デジタル・アナログ変換器、４７増幅器、４８高域フィルタ、４９搬送周波数測定増幅器、５０アナログ／デジタル変換器

Claims

座標測定装置のプローブヘッドであって、プローブヘッドの変位可能な部分（１０，９，３；４）の変位量の測定のための測定機構（２１，２２，２３）、入力信号に基づいて設定可能な大きさ及び方向の測定力を発生させるための電磁式の測定力発生器（１５，１６，１７）、並びに変位可能な部分（１０，９，３；４）の設定可能な方向での拘束若しくはクランプのための装置を有しており、
プローブヘッドの変位可能な部分（１０，９，３；４）が案内機構を介して所定の座標方向（ｘ，ｙ，ｚ）に変位するようになっており、測定力発生器（１５，１６，１７）が直接に各座標方向（ｘ，ｙ，ｚ）のための案内に配置されており、
拘束若しくはクランプのための装置が電子的な制御回路（４３）を有しており、該制御回路（４３）が変位可能な部分（１０，９，３；４）の変位に比例して変位方向と逆向きの信号を測定力発生器（１５，１６，１７）に加えるようになっており、
プローブヘッドが変位可能な部分（１０，９，３；４）のための単数若しくは複数の電磁式の減衰装置を有している形式のものにおいて、
電磁式の減衰装置は金属から成るスプール（２９）がうず電流ブレーキとして作用するものであって、スプール（２９）と該スプール（２９）に巻付けられたコイル（３０）から成る減衰装置の一方の構成部分が、プローブヘッドの変位可能な部分（１０，９，３；４）に取り付けられていて、かつ永久磁石（２７）と軟鉄部分（２６，２８）から成る減衰装置の他方の構成部分が、ばね薄板（１１；１２，７；８，５；６）により構成された平行四辺形案内機構の変位可能な部分（１０，９，３；４）に対向する部分（９，３；４，１；２）に取り付けられていて、前記コイル（３０）が前記永久磁石（２７）と軟鉄部分（２６，２８）によって形成されたリング間隙（２４）内に入り込んでおり、更に電磁式の減衰装置は電子的な制御回路（４４）を有しており、該制御回路（４４）が変位可能な部分（１０，９，３；４）の変位の速度に比例して変位方向と逆向きの信号を測定力発生器（１５，１６，１７）に加えるようになっていることを特徴とする、座標測定装置のプローブヘッド。
測定力発生器（１５，１６，１７）がプランジャコイルであり、プランジャコイルのスプール（２９）が金属から成っている請求項１記載のプローブヘッド。
プランジャコイルが冷却装置（３１，３２）に接続されている請求項１又は２記載のプローブヘッド。
コイル（３０）若しくはスプール（２９）が冷却流体のための管（３１）に結合されている請求項２又は３記載のプローブヘッド。
減衰装置の減衰特性がプロセッサの制御によって調節されるようになっている請求項１記載のプローブヘッド。
拘束若しくはクランプのための電子的な制御回路（４３）の増幅がプロセッサの制御によって調節されるようになっている請求項１から５のいずれか１項記載のプローブヘッド。
個々の座標方向（ｘ，ｙ，ｚ）内での変位量に無関係なコンスタントな大きさの測定力又は変位量に比例した変位方向と逆向きの測定力を設定するため、設定された方向でのクランプ力を調節するため、並びに速度に関連した減衰作用を生ぜしめるために、マイクロプロセッサ（４０）が用いられており、マイクロプロセッサ（４０）の出力部に適当な駆動回路（４１）を介して測定力発生器（１５，１６，１７）が接続されており、マイクロプロセッサ（４０）がデータラインを介して座標測定装置の制御コンピュータに接続されている請求項１から６のいずれか１項記載のプローブヘッド。
測定力を設定するため、並びにクランプ力及び減衰作用を調節するための制御信号が、プローブヘッド内に存在する測定機構（２１，２２，２３）の出力によって生成されるようになっており、測定機構（２１，２２，２３）が変位可能な部分（１０，９，３；４）のそれぞれの座標方向（ｘ，ｙ，ｚ）での変位量に比例した信号を供給するようになっている請求項１から７のいずれか１項記載のプローブヘッド。