手動三維坐標測量機的製作方法
2023-09-18 09:55:45
專利名稱：手動三維坐標測量機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種坐標測量機。具體地說，本發明涉及一種手動或浮動式坐標測量機，該坐標測量機的探針是可沿三個直角坐標軸，即X，Y和Z移動的，設置有探針的Z軸構件可手動地沿三個坐標軸移動，當探針與工件接觸時，工件的尺寸和形狀是由三個軸的位移範圍確定的。
手動三維坐標測量機已經是眾所周知的了，其探針可沿三個直角坐標軸X，Y和Z移動，一個操作者用手使設置有探針的Z軸構件的尖端或底端移動，當探針與一個工件接觸時，該工件的尺寸和形狀就由三個坐標軸的位移範圍所確定。
在這種手動三維坐標測量機中，它們的結構要比自動驅動的坐標測量機的結構簡單，自動坐標測量機是藉助設置有三個坐標軸的驅動機構自動地沿這三個坐標軸移動，操作者可用手使它們的探針迅速地朝給定的方向或位置移動。另一方面，這種手動操作有時會導致一些問題施加到Z軸構件的尖端(一端)上的力會使Z軸構件產生撓曲；在操作過程中施加到該尖端上的力會因不同的操作者而產生變化，使得精度減低，因為每個操作者是用他自身的速度或加速度來移動Z軸構件。除此之外，在為三個坐標軸設置空氣軸承作為滑動機構的手動三維坐標測量機中，其精度會因空氣間隙的變化而減低。
在題為「一種用於將輔助移動力傳遞到一個坐標測量機上的設備」的日本未審查專利公告54-107763中提出了減小Z軸構件的撓曲的方法。該設備的特徵如下所述在設置有一個探針或感應元件的Z軸的底部處，設置有一對與Z軸平行的板簧，使得每個頂部可以固定到Z軸上，並且底部可以在X軸上位移；在平行的板簧的底部上設置有一個操作法蘭；垂直於Z軸設置有一個包括兩個分別與相應的板簧對置的限制開關用於感應板簧的移動的X軸移動傳感器和一個具有同樣構形的Y軸移動傳感器；並且在兩個軸上提供有用於傳遞輔助力的設備，其中空氣在由這種位移傳感器測定的位移的方向上被噴出，以便傳遞比這個方向上的摩擦阻力小的推力。
當夾持著操作法蘭的同時使探針在X軸和Y軸方向上移動時，板簧會朝這兩個方向位移，以便使空氣在此位移的反向方向上噴出。這樣，就可以消除因在X軸和Y軸上的撓曲導致的滯後誤差，從而改善了精度。
但是，由於前面所述的構形需要各具有一對平行的板簧的X軸和Y軸位移傳感器和用於傳遞輔助力，即比相應的摩擦力小的推力的裝置，該設備的結構會變得複雜，並且撓曲會因每個軸所設置的設備的重量的增加而增加。而且，由於兩個帶有板簧的X軸和Y軸位移傳感器必須垂直於Z軸設置，該設備的結構會變得更加複雜。
此外，由於上面所述的構形傾向於消除因在Z軸移動時所形成的，換句話說，是由從靜止狀態開始的位移所形成的X軸和Y軸撓曲所導致的滯後誤差，因此在Z軸在X軸或Y軸方向上移動之前必須測定移動方向。因此，必須用較小的力來使位移傳感器的平行的板簧產生位移。但是，Z軸在板簧產生較大的撓曲的情況下移動時，會使探針與工件接觸。因此，施加到Z軸構件的尖端上的力會因不同的操作者而變化，從而降低了測量的精度。
本發明的目的是提供一種手動三維坐標測量機，該測量機的結構簡單並且具有與操作者無關的改善的測量精度。
本發明的另一個目的是提供一種手動三維坐標測量機，該測量機能夠正好在探針與工件接觸之前將加速度減小到預定值或更小的同時，進行手動操作來使探針與工件接觸。
本發明的又一個目的是提供一種手動三維坐標測量機，該測量機通過自動地消除從探針以較大的加速度與工件接觸得到的數據的方式獲得較高準確性的測量值。
在根據本發明的手動三維坐標測量機中，設置有一個探針，以便沿三個直角坐標軸X，Y和Z移動，一個設置有該探針的Z軸構件通過手動操作沿這三個坐標軸移動，一個工件的尺寸和形狀是由在探針與該工件接觸時這三個坐標軸的位移範圍所決定的，該結構包括一個滑動環，該滑動環設置在Z軸構件的底側以便能夠在垂直於Z軸的的平面上的一個任意的方向上移動；所述滑動環被夾持在所述平面上的一個預定的位置處；和一個彈性構件，該彈性構件設置來將滑動環夾持在該平面上的一個預定的位置上，以便使滑動環藉助於由一個比一個預定值大的力導致的彈性變形而沿該平面在一個任意的方向上移動。
Z軸構件的底側還包括一個較Z軸構件的底端低的位置，例如，設置在Z軸構件的底端處的一個探針調節器的位置，以及Z軸構件的底段。
根據這種結構，在夾持住滑動環並且將探針沿三個坐標軸移動的同時，使探針與工件接觸。當探針沿X軸和Y軸移動時，一個較預定值大的力沿著垂直於Z軸的平面(XY平面)作用在滑動環上，並且使彈性構件產生彈性變形。這樣，夾持著滑動環的操作者可以感覺到滑動環的變形。由於在減小探針的速度使得彈性構件產生彈性變形的同時，彈性件可以與工件接觸，換句話說，在使加速度減小到預定值或更小的同時，正好在探針與工件接觸之前，作用在滑動環上的力(或在垂直於Z軸的平面上力)可以很容易地保持在預定值或更小。藉此，取決於操作者的測量誤差就可以減小。而且，通過將滑動環與彈性構件結合還可以使結構簡化。
在上面所述的手動三維坐標測量機中，滑動環最好設置在Z軸的底部和可拆卸地夾持著該探針的探針調節器的周邊上，彈性構件設置在該滑動環和探針調節器之間。通過這種結構，該滑動環可以裝接到Z軸構件上而不需要任何附加的工作，該探針可以可拆卸地夾持在現有的手動三維坐標測量機的Z軸構件上，因此該測量機可以以較低的成本製造。
在上面所述的手動三維坐標測量機中，最好設置一個用於顯示滑動環的位移的預定量的顯示裝置。採用這種結構，在使用該顯示裝置觀察著該滑動環移動預定量的同時，可以使探針與工件接觸。
在上面所述的手動三維坐標測量機中，最好設置一個誤差防止裝置，以便取消輸入三個坐標的位移值的程序，這些位移值基於在滑動環移動預定量時告知探針與工件接觸的接觸信號。採用這種結構，當探針以實際的加速度與工件接觸時，就自動地消除了這些數據，使精度得到改善。
本發明的較佳實施例將結合附圖進行說明，其中
圖1是一幅等角圖，該圖示出了根據本發明的手動三維坐標測量機的外形；圖2是根據本發明的第一實施例中的探針調節器部分的剖視圖；圖3是圖2所示探針調節器部分的平面圖；圖4是根據本發明的第二實施例中的探針調節器部分的剖視圖；圖5是本發明的第二實施例中的顯示裝置和誤差防止裝置的方塊圖；圖6是根據本發明第三實施例中的探針調節器部分的剖視圖；圖7是圖6所示的探針調節器部分的平面圖；和圖8是用作本發明中的彈性構件的另一個實施例的剖視圖。
根據本發明的第一實施例示出在圖1至3中。如圖1所示，該第一實施例的手動三維坐標測量機包括一個支架1，一個設置在該支架1上用於放置一個工件W的工作檯2，一個可沿工作檯2的前後或沿Y軸方向移動的門柱3，一個可沿門柱3的X軸梁3B的左右方向或X軸方向移動的X軸滑動件4，一個作為一個可沿X軸滑動件4或沿X坐標軸豎向移動的Z軸構件的Z軸心軸5，和一個通過一個探針調節器6可拆卸地設置在Z軸心軸的底部上的探針7。設置一個均衡件8來平衡Z軸心軸5的重量。
在工作檯2和門柱3的兩個支柱3A之間，在X軸梁3B和X軸滑動件4之間，以及在X軸滑動件4和Z軸心軸5之間設置有空氣軸承。藉此，門柱3，X軸滑動件4和Z軸心軸5可以以很小的力手動地移動。當在移動三個直角坐標軸，即X，Y和Z軸，的同時使探針7與工件接觸時，這些坐標軸的位移是從響應接觸信號的位移探測器(在圖中未示出)輸入的，工件的尺寸和形狀就根據這些位移數據確定的。
如圖2和3所示，探針調節器6包括一個圓柱體11，和與圓柱體11整體地形成並具有較圓柱體11大的直徑的法蘭12和13，一個從法蘭12穿過圓柱體11的中心到達法蘭13並且可拆卸地夾持住探針7的夾持孔14。一個環狀滑動環15設置在Z軸心軸5的外側上，使得滑動環15可以在垂直於Z軸的平面(或XY平面)上的任意方向上和沿Z軸(或沿Z軸心軸5的軸線方向)上移動。滑動環在XY平面上和在Z軸方向上的行程限制值設定為例如約2mm的數值，其中當通過用手夾持著滑動環15使Z軸心軸移動時操作者可以通過手感覺到滑動環的移動。
在滑動環15的外側和圓柱體11的內側以每90度的間隔設置有作為彈性構件的壓縮螺旋彈簧16，用於將滑動環15夾持在XY平面上的預定位置處並且因由一個在XY平面上任意的方向上施加到滑動環15上的比預定值大的力所導致的彈性變形而使滑動環15在XY平面上移動。而且，作為彈性構件的壓縮螺旋彈簧17以每間隔90度設置在頂端和法蘭12之間以及底端和法蘭13之間，用於將滑動環夾持在Z軸的預定位置處，並且因一個沿Z軸施加到滑動環15上的比預定值大的力所導致的彈性變形而使滑動環15沿Z軸移動。
在第一實施例中，操作者用一隻手夾持住滑動環15並且用手動方式使探針7沿X軸移動以及使門柱3沿Y軸移動的同時，讓探針與工件W接觸。在探針7的移動過程中，當探針的速度或加速度超過預定值時，比預定值大的力會作用在滑動環15上，因而使壓縮螺旋彈簧16和17產生彈性變形。例如，當比預定值大的力在XY平面上的任意方向上作用在滑動環時，壓縮螺旋彈簧會彈性變形。
夾持著滑動環15的操作者可以感覺到滑動環15的移動。因此，操作者在探針與工件W接觸時可以通過減小速度的方式控制該力，使得壓縮螺旋彈簧16和17正好在探針與工件W接觸之前產生彈性變形。這樣就可以減小Z軸心軸5沿X和Y軸的撓曲和X軸梁3B沿Y軸的撓曲。而且，由於X軸滑動件4和門柱3的浮動變化，可以獲得高精度的測量值。
包括滑動環15和壓縮螺旋彈簧16和17的結構已經得到大大的簡化。具體地說，可沿XY平面和Z軸移動的滑動環15，與上面提及的具有兩個在Z軸方向上以每間隔90°設置有平行的板簧的位移傳感器的現有技術的結構相比，得到大大地簡化。而且，滑動環15設置在可拆卸地夾持著Z軸心軸5的探針調節器6的外側上，從而不需要將滑動環裝接到Z軸心軸5上的輔助工作，並且探針調節器可以以較小的成本用於現有的手動三維坐標測量機。
圖4和5示出了根據本發明的第二實施例。與第一實施例不同之處是，第二實施例的設備還包括一個作為顯示滑動環15的預定移動的顯示裝置的顯示電路21，和一個作為一個用於取消將三個坐標基於在探針與工件接觸時得到的接觸信號的位移輸入的程序的誤差防止裝置的誤差防止電路31。
如圖4所示，顯示電路21包括一個設置在探針調節器6的圓柱體11的周邊上的第一固定觸點22A，一個設置在法蘭12的底面處的第二固定觸點22B，一個設置在法蘭13的頂面處的第三固定觸點22C，一個第一移動觸點23A，一個第二移動觸點23B，和一個第三移動觸點23C，其中當滑動環15在XY平面上和Z軸方向上移動預定量的位移時，每個移動觸點與相應的固定觸點相接觸。顯示電路21還包括一個發光二極體驅動電路和一個發光二極體(LED)25，該發光二極體設置在Z軸心軸的底部處並且通過固定觸點和移動觸點的連接而發光。
如圖4所示，誤差防止裝置包括一個設置在探針調節器6的圓柱體11的周邊上的第一固定觸點32A，一個設置在法蘭12的底面上的第二固定觸點32B，一個設置在法蘭13的頂面上的第三固定觸點32C，一個第一移動觸點33A，一個第二移動觸點33B，和一個第三移動觸點33C，其中，當滑動環15在XY平面上和Z軸上移動預定位移時每個移動觸點與其相應的固定觸點接觸。誤差防止裝置還包括一個接觸信號接口電路34，其中取消了將鎖固命令發送給一個計算機35的程序，用於當固定觸點和移動觸點相互接觸時顯示基於接觸信號的三個坐標的位移。
在第二實施例中，當滑動環15在探針7的移動過程中移動了預定值時，顯示電路21中的LED 25會發光。因此，操作者可以在控制滑動環的移動的同時讓探針7與工件W接觸，以便使LED 25不發光。用這種方法，作用在滑動環15上的力就減小到預定值或更小，並且因此可以使測量的精度得到可靠地改善。
即使當LED 25在發光時探針7與工件W接觸，藉助於誤差防止電路31也可以消除三個坐標的位移，因而可以防止導致主要誤差測量。
顯示電路21和誤差防止電路31都具有一個上面所述的簡化的構形。而且，顯示電路21的固定觸點和移動觸點組和誤差防止電路31的觸點組可以是公用的。例如，固定觸點22A，22B和22C和移動觸點23A，23B和23C連接到接觸信號的接口34上，以及連接到LED驅動電路上。因此可以取消固定觸點32A，32B和32C和移動觸點33A，33B和33C，得到簡化的電路構形。
圖6和7示出了根據本發明的第三實施例。在此實施例中，滑動環15可以只在XY平面上移動。探針調節器6包括一個具有一個法蘭13和一個夾持孔14的探針夾持構件43，並且用兩個螺栓42固定在具有一個本體11和一個法蘭12的環安裝構件41的底面處。這些構件用三個螺栓44安裝在Z軸心軸5的底面處。
環安裝構件41具有四個用於將壓縮螺旋彈簧16固定住的彈簧夾持孔45。此外，將一個緊固螺釘46擰在探針夾持件43上以便將插在夾持孔14內的探針7的針杆夾住，探針夾持件43設置有一個用於使電線從探針7朝Z軸心軸5穿過該心軸的連接殼47。
根據第三實施例，由於滑動環15隻在XY平面上移動，因此可以減小Z軸心軸在X和Y軸方向上的撓曲和Z軸梁在Y軸方向上的撓曲。
雖然對本發明的較佳形式進行了說明，但是，應該理解到，本發明並不局限於該較佳形式，在不脫離本發明的精神或範圍的情況下可以作出各種變化和變更。
例如，滑動環15可以直接裝接到Z軸心軸5的底部上，這與上面所述的探針調節器6是設置在滑動環15和Z軸心軸5的底部之間的實施例不同。
滑動環15的平面圖可以是方形，而不是圓形的。作為彈性構件的壓縮螺旋彈簧16和17都可以用一個板簧，橡膠，金屬絲等來代替。當使用金屬絲時，該金屬絲51沿著探針調節器6的本體11的周邊螺旋地盤繞著，金屬絲的一端固定到探針調節器6上，另一端固定到滑動環15上。
權利要求
1.一種手動三維坐標測量機，其中，設置有一個探針，以便沿三個直角坐標軸X，Y和Z移動，一個設置有該探針的Z軸構件通過手動操作沿這三個坐標軸移動，一個工件的尺寸和形狀是由在該探針與該工件接觸時這三個坐標軸的位移範圍所確定的，該結構包括一個滑動環，該滑動環設置在Z軸構件的底側以便能夠在垂直於Z軸的的平面上的一個任意的方向上移動；所述滑動環被夾持在所述平面上的一個預定的位置處；和一個彈性構件，該彈性構件設置來將滑動環夾持在該平面上的一個預定的位置上，以便使滑動環藉助於由一個比一個預定值大的力導致的彈性變形可以沿該平面在一個任意的方向上移動。
2.如權利要求1所述的手動三維坐標測量機，其特徵在於所述滑動環設置在所述Z軸的底部和所述可拆卸地夾持住所述探針的所述探針調節器的周邊處，所述彈性構件設置在所述滑動環和所述探針調節器之間。
3.如權利要求2所述的手動三維坐標測量機，其特徵在於設置一個用於告知所述滑動環的移動預定量的顯示裝置。
4.如權利要求3所述的手動三維坐標測量機，其特徵在於所述顯示裝置包括設置在所述探針調節器處的固定觸點，設置在所述滑動環處並且當該滑動環移動一個預定量時與所述相應的固定觸點接觸的移動觸點，和一個當所述觸點相互接觸時發光的發光二極體。
5.如權利要求3所述的手動三維坐標測量機，其特徵在於設置有一個誤差防止裝置，用於取消輸入基於在所述滑動環移動一個預定量時告知所述探針與該工件接觸的接觸信號的三個坐標軸的位移的程序。
6.如權利要求5所述的手動三維坐標測量機，其特徵在於所述誤差防止裝置包括設置有所述探針調節器的固定觸點，設置在所述滑動環處並且當該滑動環移動一個預定量時與所述相應固定觸點接觸的移動觸點，和一個用於取消當所述兩種觸點相互接觸時基於所述接觸信號的所述程序的接觸信號接口電路。
7.一種手動三維坐標測量機，其中設置有一個探針，以便沿三個直角坐標軸X，Y和Z移動，一個設置有所述探針的Z軸構件通過手動操作沿這三個坐標軸移動，一個工件的尺寸和形狀是由在該探針與該工件接觸時這三個坐標軸的位移範圍所確定的，該結構包括一個滑動環，該滑動環設置在Z軸構件的底側以便能夠在垂直於Z軸的的平面上的一個任意的方向上移動，同時所述滑動環的軸線保持與該Z軸近似地平行；所述滑動環相對於所述Z軸被夾持在所述平面上的一個預定的位置處；和一個彈性構件，該彈性構件設置來夾持住所述滑動環，以便使所述滑動環藉助於由一個比一個預定值大的力導致的彈性變形而在一個任意的方向上移動。
8.如權利要求7所述的手動三維坐標測量機，其特徵在於所述滑動環安裝在所述Z軸構件的底部處和一個可拆卸地夾持住所述探針的探針調節器的周邊處，並且所述彈性構件被放置在所述滑動環和所述探針調節器之間。
9.如權利要求8所述的手動三維坐標測量機，其特徵在於設置一個用於告知所述滑動環移動一個預定量的顯示裝置。
全文摘要
一種手動三維坐標測量機，其中，設置有一個探針，以便沿三個直角坐標軸X，Y和Z移動，一個設置有該探針的Z軸構件通過手動操作沿這三個坐標軸移動，一個工件的尺寸和形狀是由在該探針與該工件接觸時這三個坐標軸的位移範圍所確定的，該結構包括一個滑動環，該滑動環設置在Z軸構件的底側以便能夠在垂直於Z軸的平面上的一個任意的方向上移動；該滑動環被夾持在所述平面上的一個預定的位置處；和一個彈性構件，該彈性構件設置來將滑動環夾持在該平面上的一個預定的位置上，以便使滑動環藉助於由一個比一個預定值大的力導致的彈性變形而沿該平面在一個任意的方向上移動。
文檔編號G01B21/00GK1158983SQ9612250
公開日1997年9月10日 申請日期1996年9月18日 優先權日1995年9月18日
發明者手塚和作, 大根田隆男 申請人:株式會社三豐