JPH04505217A - 直線寸法を検査するプローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 直線寸法を検査するプローブ 技　術　分　野 円対称の第１７照表面（６）を規定する支持ケース（１−４）；円対称の第２参 照表面（２１）と、検査されるべきワークピース（４２）を接触するための探子 （１３）を運ぶアーム（１２）とを含む可動構造体（１２−１６）であって、可 動構造体は可動構造体の少なくとも一部分（１２−１６）が長手軸線に沿って実 質的に配置された中心位置をとりやすいもの；可動構造体の位置に依存する信号 を供給する検出手段（９）；および前記第１（６）および第２（２１）参照表面 を互いに付勢するための支持ケースと可動構造体との間に位置するトラスト手段 （３２）を備え、可動構造体は前記長手軸線に沿う限定横変位および長手軸線に 垂直な任意の方向の軸線まわりの限定回転変位を達成できる、マシンツールまた は測定マシーンにあるワークピースの直線寸法を検査するプローブに関する。

背　景　技　術 接触検出測定へノドあるいはプローブは、機械化されたあるいは機械化されるべ きワークピース、器具またはマシンテーブルの上で検査を行うために、座標測定 機械やマシンツール、特にマシンニングセンターや旋盤の上に使用される。一般 にこれらのヘッドは１以上の探子を運ぶ可動アームと１以上のスイッチあるいは 位置トランスデユーサを有する検出回路とを備えている。

接触検出プローブの場合、ワークピース上の探子の接触は可能な予備工程の後、 マシンスライドに関係するトランスデユーサの読み取りを制御しかつ参照位置ま たは点に関する測定値を与える検出回路のスイッチングを生じさせる。これらの ヘッドの本質的要求は繰り返し性、すなわち探子の所定位置と検出回路あるいは 測定ヘッドの場合のヘッドにおけるトランスデユーサの信号値の間の応答性、強 固さ、全体の寸法の小ささおよび低価格さである。

可動アームセットの自由度に応じて、および結果的に探子が実行できる変位に応 じて、１以上の軸線を有するヘッドが存在する。

簡単のために、静止位置でヘッドの長手軸線に沿ってそろえられた可動アームお よび関連する探子とを有する接触検出ヘッドに関しては、大部分の応用例におい ては指向性ヘッド、ときには不適当にも“３軸“ヘッドと呼ばれるものが用いら れており、そこでは探子は任意の横手方向（長手軸線に垂直）に変位すると同様 に長手方向に変位することができる。通常、横手の変位は平面的な変位ではなく 、廣手軸線のまわりに可動アームが回転運動をする。

既知のプローブの多くは検出回路のスイッチングに関する限り探子の横手変位の 結果として生じる異方性がある。換言すれば、横手の変位の方向が変わると、長 手軸線に対して探子の異なる偏心性（ｅｃｃｅｎｔｒｌｔｙ）に対応して、回路 のスイッチングが生じる。

米国特許ＵＳ−Ａ−４４７７９７６は請求の範囲１の先行技術の部分に対応する 接触検出ヘッドを開示しており、このヘッドは少なくとも一部において横の測定 方向が変化するとき異方性を減少させ構造を有している。これらのヘッドは、ヘ ッドのケーシングに固着されかつ環状の突起を有する環状板と、端子を運ぶアー ムを有する可動アームセットに固着された平たい環状フランジとを備えている。

ケーシングと可動アームは静止条件でヘッドの長手軸線に応じて配置された一対 の電気的接触を行う。静止条件は長手軸線に応じて配置されたバネによって規定 され、バネは環状フランジを環状突起に接触させ、互いに接触して２個の電気的 接触を維持する。

環状フランジの不都合な横方向の変位は無視できない不便さの代償によってのみ 制限できる。実際、明らかにこれらの横方向の変位はフランジとケーシングの間 に存在する半径方向の小さな隙間のために制限される。しかしながら、半径方向 の隙間が小さければ小さいほど、フランジの端部とヘッドのケーシングとの間に 生じ得る摩擦はより大きくなるのは明らかである。横方向の測定の場合にヘッド の実際の等方性はこのように全くあいまいに見え、達成できる繰り返し性は高い ように思われない。

発明の開示 本発明の目的は横方向で生じる検査の等方性を有する接触検出あるいは測定する ヘッドあるいはプローブを提供することであり、それらは高度な繰り返し性、頑 強性、構成上の単純性および限られた価格を保証する。

本発明によるプローブは、円対称の第１参照表面を規定する支持構造あるいはケ ーシング；円対称の第２参照表面と探子を運ぶアームを形成する可動構造体ある いはアームセット：可動アームセットの位置に依存する測定あるいはスイッチン グの信号を与えるための検出手段；および前記第１および第２参照表面を弾性的 に付勢するためのトラスト手段を備えている。支持構造体および可動アームセッ トに関係しトラスト手段によって互いに逆に付勢される他の２個の参照表面は、 実質的に球形のヒンジを規定する。ヘッドとワークピースの間に横方向に互いに さらに近づいて探子はワークピースの表面に接触する。

それから、可動アームセットは最初第１および第２参照表面が互いに接触するま で球形のヒンジの中心のまわりに回転する。可動アームセットがさらに動くこと はヘッドの長手軸線に垂直な平面に位置する周縁の点を通過する横手軸線のまわ りの回転変位になる。この構成は横手方向の検査に関して等方性と優れた繰り返 し性を保証する。

長手軸線に対し、回転対称を有する円錐台円錐表面と凸面表面とによって形成す ることができる球形ヒンジの存在は、可動アームセットの好ましくない横変位を 防止する。円対称を有する第１および第２表面は、球形ヒンジおよび適当な形状 と結びつき、横方向における等方的振舞を与える。

等方性に関して、ヘッドの長手軸線に沿って配置されたバネの形のスラスト手段 を与えることが好ましく、また接触検出ヘッドの場合には、実質的に長手方向に 配列された２個の電気的接触あるいは２個の接触システムを有するスイッチを使 用することが好ましい。長手軸線のまわりに可動アームが回転することを避ける ために、支持ケースと可動アームセットの間に、張力への適当な抵抗および探子 とワークピースとの間の接触から生じる他の力に対する無視可能な抵抗に抗する ための反回転装置が予知できる。

図面の簡単な説明 本発明は図面を参照して制限されることのない例を与え、より詳細に説明される 。

図１は本発明の好適な実施例のプローブ、すなわち測定ヘッドあるいは接触検出 ヘッドの縦断面図であり二図２は図１に示したヘッドに適用できる検出スイッチ 装置の断面図で図１と異なる大きさで示したちの；図３は反回転装置の異なる結 合がされた測定ヘッドあるいは接触検出ヘッドの縦断面図、 図４は異なる型の反回転装置を有するヘッドの変形の縦断面図を示す。

発明を実施するための最良の形態 図１に示すヘッドあるいはプローブは実質的に管状の形状の部材あるいは要素１ 、リング２、円形かぶせ板３および他の要素４を含む支持ケーシングを備えてい る。

リング２は図示しない方法で肩部５に対応して部材ｌによって規定される長手軸 線に関し同軸に取り付けられ、かつ外部および内部の円筒表面と上および下の面 に平面を有する。上面６は参照表面を形成し、この機能は後述される。部材１の 下方部分において、中心開口を有する実質的に環状形状のフランジ７がある（す なわちディスクが固定されている）。中心開口に対応して、フランジ７はヘッド の内部に向って広がった円錐台円錐形状をした参照表面または座８を有する。

実質的に円形状のかぶせ板は取りはずし可能な方法で部材１の上端部に堅く固着 され、長手軸線に沿って位置する検出装置９を支持する。検出装置９は板３の中 心にある穴に堅く収納され、図示されない軸調整固定装置によって取り付けられ ている。ケーブル１０は、おそらく無線伝送手段によって検出装置９やイータ− フェイス装置を制御測定検出ユニットに接続する。示されていないねし穴とおそ らくは基準点（ｄａｔａｍｓ）は他の支持体にヘッドを結合するだめの板３に形 成されている。この支持体は例えば電源やインターフェイスや伝送ユニットのよ うな電気的要素を収納することかでき、作動条件下でヘッドを固定するｊ；めの 円錐脚部や他の型の結合部を備えている。これらの要素は知られているものであ り、本発明と直接的に関係してないので、図１、図３、図４には図示されていな い。　要素４はまた図示しない方法で板３に結合され、ヘッドの長手軸線と同軸 である管状部分と環状フランジを有する。

ヘッドの可動アームセットは、探子１３を、例えば球形の形状を有する探子１３ を自由端部で支持するアーム１２を備えている。アーム１２は上端部１５の近傍 で好ましい破れ点を与える薄い部分を有するささげ物部分（ｓａｃｒｉｆｉｃｉ ａｌ　ｐｏｒｔｉｏｎ　）　１４を有し、上端部】５は実質的に対称なベル形状 の部材１６を除去可能な方法（簡単のため図１に示されていない）で固定されて いる。部材１６は柄１７を備えており、柄１７はアーム１２に結合した下端部と 、検出装置９の可動柄１８に接触できる上端部と、中間に位置するベース、すな わち基本的な円筒部分２０に結合した横フランジ１９とを有し、前述したように 実質的にベル型を形成している。

部分２０の自由端は厚さの減少する凸面形状を有し、環状の参照表面２１（概念 的には周縁部）で終る。図１に示した条件の下でを可動アームセットが中心位置 にあり、この対称軸（特にアーム１２の軸）が部材１によって規定される長手軸 線にあるときには、環状表面２１はリング２の上面６から所定の位置にある。１ ００分の］ミリメータのオーダであり得るこの距離は図１において誇張的に示さ れている。

図１に示した条件に関係して、等しい距離が可動アームの底端部を柄１７の上部 分の平たい頂上表面から離している。

円筒ケーシング２２は部分２０の内部の小量の隙間をもって挿入された下方部分 ２３と、概略的に示されるように摩擦装置２５によって部材１６の実質的に環状 で平たい上方部に接触する中間フランジ２４と、上方部分２６を備えている。ケ ーシング２２は検出装置９、要素４および柄１７の上端部を通すため穴を有する ベース２７と２８を規定する。ケーシング２２の下方ベース２８は金属ベロー２ ９の下端部が固定されている、例えば溶接されている、環状フランジを規定する 。金属ベロー２９の上端部は同様に要素４の環状フランジに固定され、例えば溶 接されている。

ベースまたはフランジ１９の下方表面、および柄１７の近接の円筒表面に対応し て、アーム１２および部材１６によって規定される長手軸線に対して凸面形状の 回転対称の特徴を有する外部参照表面３１を規定する参照要素３０か固定、例え ば溶接されている。例えば図１に示すように、表面３］２は球形領域を有する形 状を有する。

ヘリカルバネ３２は板３の下方ベースに形成された座に対抗して接する上方端部 と、ケーシング２２のフランジ２４によって規定される環状型部に対抗して接す る下方端部とを有する。バネ３２は摩擦装置２５を介してフランジ２４を部材】 ６の上方部分に接触させるようにし、結果的に参照表面３１は表面または座８に 対向させられる。これらの２つの表面８．３１が接触しているとき、それらは部 材１によって規定される長手軸線の上にある中心点を有する球形ヒンジ（ｈｉｎ ｇｅ　）を実質的に規定する。

環状の保：Ｊ密閉薄膜３３は部材１の下方ベースおよび柄１７の下方端部て形成 された環状座に取り付けられた外および内のリムを有する。

図１に示されるヘッドは接触検出ヘッドとして好ましく用いられる。この場合、 検出装置９は図２で概略的に示されるスイッチ装置９′として作られている。

装置９′は既知の型でありケーシング３４を備え、ケーシング３４は、実質的に 円筒形状で電気的絶縁物質で作られ、小径の隙間を宵し電気的導電性ボール３６ を収納する第１円筒穴３５を規定する。

ヘリカル圧縮バネ３７は、絶縁物質で作られかつケーシング３４の上方ベースに 接する上方端部と、ボール３６と接する下方端部とを有する。バネ３７は、電気 導電物質から作られかつケーシング３４の内部に形成された座に固定された２個 の横手円筒棒３９．４０にボール３６を接するようにする。棒３９．４０は電気 回路の一部を形成しかつケーブル１０を経てヘッドから伸びる図示されない関係 する電線に接続されている。ボール３６の下方部分は、絶縁物質で作られかつ穴 ４１によって軸方向に案内される可動柄１８と一致する。

図１に示すヘッドの作用は、それが検出装置９′を備えたとき、次のようになる 。

静止条件においてすでに述べたように、表面８および３１は接触しており、可動 アームセットは実質的に図１に示す位置にある。しかしながら、他の型の有する 欠点に陥ることなく、可動アームセット、特にアーム１２は部材１によって規定 される長手軸線に関してわずかに傾くことが可能である。

図１に示すヘッドとワークピース４２の間に生じる相互接近することに続いて、 探子１３はワークピースに接触する。ヘッドがマシンセンターあるいは座標測定 機に挿入された場合、ヘッドは軸に固定され、ワークピースはマンシテーブル上 に置かれる。ヘッドとワークピース４２の横方向の相互変位が続くと、最初、可 動アームセットは、表面２１の一点がリング２の上面６に接触するまで、球形ヒ ンジ８の中心のまわりに回転する。この条件下で図１の右に示す表面２１とリン グ２に対応して接触が生じる。ヘッドとワークピース４２の間の他の相互の横変 位は、図の面に垂直で表面２１とリング２の間の接触点を通過する軸のまわりに アームセットの回転を生じさせる。このことはまた適当な幾何的構成によって達 成される。すなわち、周縁２１に面するベース６の周縁によっておよび球形ヒン ジ８の中心によって規定される円錐部は、静止する円錐あるいは座８の表面に関 して直角に母線を有する構成によって達成される。

このような力学的条件のために、可動アームセットの瞬間回転中心は表面２１と リング２の間の前述の接触点と実質的に一致したままである。この結果、図１の 左に示すように表面３１のアークは座８の近接する母線に関して接線方向に動き 、図の右に示すアークは図の右に示した座の部分に対応する座８の母線に垂直な 方向に沿って変位する。

この回転は、静止条件下で少くとも近似的にはリング２の上表面６と同一平面に 在る柄１７の上端部を、柄１８の下端部に接触するまで、垂直方向に変位させる 。このようにして、この回転運動は、棒３９．４０からのボール３６の分離する ことや、（静止条件下で閉じていた）対応スイッチを開くことや、探子１３とワ ークピース４２との間の接触を検出することを前述のプレストロークの完了する ときに生じさせる。

記載した幾何構成のために、ヘッドとワークピース４２の間の横方向の接近にも かかわらず、図１に示す条件からスタートしてプレストロークは一定である。言 い換えれば、表面２１とリング２の間の接触は（長手軸線と同心のリング２の上 面６上の外周の点において）長手軸線に関して探子１３の決められた偏心値で生 じ、また探子１３（または長手軸線に関してアーム１２または可動アームセット の対称軸線の傾き）の他の決められた偏心値でスイッチ３６．３９．４０が開く ことが生じる。

探子１３が最初ワークピース４２の上に配置され、そして長手軸線方向に接近運 動が起こると、可動アームセットの変位は、実質的この軸線に沿う移送になる。

この場合、表面８および３１の分離することが最初に生じ、この結果スイッチ３ ６．３９．４０が開く。

ヘッドの繰り返し性に関して、図１に示す条件下でバネ３２は長手軸線に同軸で あり、かつボールの中心と図２の棒３９．４０の間の中間点が長手軸線に沿って 揃うということが重要である。

同じ目的のために、他の重要な特徴はベロー２９を設けたことである。図１に示 す条件に従ってベロー２９はヘッドの長手軸線と同軸であり、またベローの中間 部を通過する平面はリング２の上面６に接している。このようにして、ベロー２ ９は、横手方向で測定を完了すると、張力および圧縮力に実質に従うのみで、特 に切断応力には従わない。金属ベロー２９は、可動アーム１２が置換される場合 のヘッドの組立てで、ワークピース上をすべる結果として生じるトルクに抵抗す る。アーム１２にかけられたトルクが異常な環境のために異常値に達するならば 、摩擦装置２５は可動アームセットとベロー２９の間で相互回転を可能にするよ うに介在し、このようにしてベローが損傷することを防止する。

図３に示す変形例（図１に示したものと、同一部品または同等部品には同じ符号 とアペックスを付す）に従って、金属ベロー２９′の下端部は例えば溶接され、 部材１６′の円筒部分２０′のな内部に小さい半径方向の隙間を伴って収容され た実質的円筒要素４３に接合されている。

部材１６′および部分２０′は次のことを除けば図１に示したものと類似してい る。部分２０′は要素４３を固定するための弾性固定装置を部分的に収納する開 口４４を有する。この装置は、示されていない方法で部分２０′に固定された支 持板４５と、図面の板に平行な弾性薄板４６と、要素４３の中に形成された円錐 形状の座４８と協同する球形７照要素４７とを備えている。

この場合圧力バネ３２′は部材１６′の上端部に直接接触する下端部を有する。

要素４７座４８の間の結合、およびベロー２９′の張力に対する抵抗は、可動ア ームセットの好ましくない回転を防ぐ。しかしながら、加えた張力が過剰な値に 達する場合には、薄板４６が球形要素４７を座４８からはずすようにし、この結 果ベロー２９′を可動アームから結合を解くようにする。明らかに開口４４は、 要素４３の結合が解かれたときには、ハウジング要素４７の円周方向に十分大き い。

図４は異なる反回転装置を有する他の測定ヘッドまたは接触検出ヘッドを部分的 に示す。図１に示したものと同一部品または同等部品には同一の番号と２個のア へックスを符しである。

静止条件においてヘッドの長手軸線に垂直方向に配置された環状弾性薄板５３の 周縁端部が、スタッド５０およびねじ５１によって部材１６’のベース１９′に 固定されている。薄板５３の反対端部は、スタッド５４およびねじ５５によって 、ヘッドの長手軸線に同軸に部分２０′の内部に半径方向の隙間をもって挿入さ れた円筒ブツシュ５７′を備える中間要素に固定されている（図は静止条件の場 合）。

前述のもの５３と同等な他の弾性環状薄板５９がブツシュ５７の反対側に配置さ れ、スタッド６０およびねじ６１によってブツシュに固定された端部を有する。

薄板５９の反対端部はねじ６４によって、閉じ板３′に固定されたスタッド６３ に固定されている。

静止条件下で、薄板５３．５９は、反対側に位置し、かつ環状型部６′によって 規定される平面から等い距離にある。

環状薄板５３および５９とフロートブツシュ（ｆｌｏａＮｎｇ　ｂｕｓｈｉｎｇ ）　５７とを備える装置は図１および図３に示すへロー２９および２９′と同様 の機能を達成する。任意の場合、この装置か張力に対しより大きい抵抗を有する ので、図１における摩擦装置２５の機能と同等の機能および図３における弾性固 定手段の機能と同等の機能を達成できる手段は予見されていない。図４に示した 変形例に従っても、ヘリカルバネ３２′は部材１６′の上端部に形成された座に 直接的に接触する下端部を有する。

要　約　書 プローブは支持ケース、探子を運ぶアームを有する可動アームセット、および探 子とワークピースとの間に生じる接触の信号を供給する検出装置を備えている。

探子が長手軸線に沿って横変位と横軸船のまわりに回転をできるために、支持ケ ースとアームセ・ントの間のマツチングは、円錐形状の表面とこれらの表面に接 触させるバネによって得られる。可動アームセットの環状参照表面は、長手軸線 に関して探子の第１偏心値に達したときに支持ケースの環状平表面と接触し、か つ第２偏心値に達したときに検出装置の信号が決定された値をとる。

国際調査報告 】際調査報告

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．円対称の第１参照表面（６）を規定する支持ケース（１−４）；円対称の第 ２参照表面（２１）と、検査されるべきワークピース（４２）を接触するための 探子（１３）を運ぶアーム（１２）とを含む可動構造体（１２−１６）であって 、可動構造体は可動構造体の少くとも一部分（１２−１６）が長手軸線に沿って 実質的に配置された中心位置をとりやすいもの；可動構造体の位置に依存する信 号を供給する検出手段（９）；および、前記第１（６）および第２（２１）参照 表面を互いに付勢するため支持ケースと可動構造体との間に位置するトラスト手 段（３２）を備え、可動構造対は前記長手軸線に沿う限定横変位および長手軸線 に垂直な任意の方向の軸線のまわりの限定回転変位を達成できる、マシンツール または測定マシーンにあるワークピースの直線寸法を検査するプローブにおいて 、前記支持ケースおよび可動構造対は、実質的球形のヒンジを規定するための、 トラスト手段（３２）の作用の下で互に協同する２個の他の参照表面（８，３１ ）を備え、前記第１（６）および第２（２１）参照表面は、長手軸線に関し前記 部分（１２−１６）の第１の角度延長（ａ　ｆｉｒｓｔ　ａｎｇｕｌａｒｅｌｏ ｎｇａｔｉｏｎ）に対応して互に接触することができ、検出手段（９）によって 供給される信号は前記部分の第２の角度延長（ａ　ｓｅｃｏｎｄ　ａｎｇｕｌａ ｒ　ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ）に対応して可動構造体の中心位置で供給される値か ら区別される決定された値をとることを特徴とする直線寸法検査プローブ。
2. ２．前記検出手段（９）は長手軸線に沿った前記部分の位置に依存する信号を供 給することを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
3. ３．前記他の参照表面（８，３１）は円錐ボール型の結合を規定することを特徴 とする請求項２に記載のプローブ。
4. ４．前記第１および第２参照表面は環状平面と、環状表面との間に生じる接触の 可能な位置が実質的に円周であるように規定される断面を有する環状表面（２１ ）とを備えることを特徴とする請求項２に記載のプローブ。
5. ５．前記２個の他の参照表面（８，３１）は可動構造体（１２−１６）の第１回 転中心を規定し、前記回転中心は前記長手軸線上にあり、前記第１（６）および 第２（２１）参照表面は前記可動構造体の他の回転中心を規定し、前記他の回転 中心は前記長手軸線に垂直な平面でかつこの軸線上にある円周を実質的に規定す ることを特徴とする請求項２に記載のプローブ。
6. ６．支持ケース（４）および可動構造体（１６）に関連する反回転装置（２６− ２９）をさらに備え、反回転装置は前記長手軸線のまわりに可動構造体が回転す ることを防止し、かつ可動構造体が他の任意の変位を可能にすることを特徴とす る請求項２に記載のプローブ。
7. ７．前記反回転装置は張力に関して実質的に交直であるベロ−（２９）を備える ことを特徴とする請求項６に記載のプローブ。
8. ８．静止条件の下で前記ベロ−（２９）は前記長手軸線に関して実質的に同軸で あり、かつ前記第１（６）および第２参照表面の１個に関して対称な位置に縦に 配置されていることを特徴とする請求項７に記載のプローブ。
9. ９．反回転装置（２６−２９）は前記可動構造体（１２−１６）および支持ケー ス（１−４）の一方（３）に硬く固着された第１部分と、反回転装置に加えられ た張力の所定量に達するとき可動構造体（１２−１６）の前記回転をできるよう にするため安全装置（２５）によって他方（１６）に関連する第２部分とを有す ることを特徴とする請求項６に記載のプローブ。
10. １０．前記安全装置は摩擦結合体（２５）を備えることを特徴とする請求項９に 記載のプローブ。
11. １１．前記安全装置は弾性固定部（４５−４８）は請求項９に記載のプローブ。
12. １２．前記反回転装置は支持ケース（３′）および可動構造体（１９′）に各々 固定された２個の弾性薄板に固定された中間要素（５７）とを備えていることを 特徴とする請求項６に記載のプローブ。
13. １３．前記トラスト手段は前記長手軸線と実質的に同軸であるバネ（３２）を備 えることを特徴とする請求項２に記載のプローブ。
14. １４．前記検出手段（９′）はスイッチ信号を供給することを特徴とする請求項 ２に記載のプローブ。
15. １５．前記検出手段は第１および第２接触セット（３６，３９，４０）を有する 電気スイットを備え、この２このセットは長手軸線に沿って実質的には位置され ていることを特徴とする請求項１４に記載のプローブ。
16. １６．可動構造体の前記部分はアーム（１２）と探子（１３）を備え、かつ検出 手段（９′）は長手軸線に関して探子の決定された偏心に対応してスイッチ信号 を供給することを特徴とするプローブ。