機動化可定向的測量頭的製作方法
2023-06-19 00:16:51 1
專利名稱：機動化可定向的測量頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於測量機械部件的三維坐標的可重新定向的測量頭並且，特別是，儘管不是排它地，涉及設計應用於測量坐標的手動或自動機上的可重新定向的測量頭。
背景技術：
接觸探測器是例如應用在機械部件生產線上的測量儀器，用於檢驗機加工部件的尺寸或表面。接觸探測器還用於記錄複雜工件的三維形狀，例如為了對其進行再生產或者仿造。
探測器通常包括設計以固定在測量機的臂上或活動觸頭上的測量頭，所述測量頭包括在細長杆端部處的球體並且被設計用以使其與要進行測量的工件接觸。
在大多數應用中，接觸探測器被固定在機器的活動臂上，通過手動或自動測量系統，例如放置在該機器軸上的位置編碼器可以準確地確定所述活動臂在空間中的位置。在空間中移動活動臂以使探測器的測量觸頭與要進行測量的工件或表面接觸。接觸時，於是偏轉力被施加到觸頭上，使其離開其初始靜止位置。傳感器對該觸頭最輕微的位移起反應，產生電信號，所述電信號或是以光信號的形式發送給用戶，或者發送給機器的控制軟體，所述控制軟體由此根據測量系統的數據確定接觸點在給定參照系內的坐標。為此目的，現有技術中使用了基於不同原理的電子機械或光學傳感器或者移動傳感器，例如包括約束量規(constraint gauge)的傳感器。
在三維接觸探測器的情況下，觸頭和測量頭的固定部分之間的連接一般是按照Boys連接原理(Principle of the Boys connection)實現的，即例如通過將三個圓柱形銷放置在六個球體上以便在固定機構和觸頭之間限定出六個接觸點。然而，二維和一維的探測器也是已公知的。
當應用探測器測量具有複雜形狀，如具有空腔和突出部的工件時，很難或者甚至不可能使觸頭接觸到工件的整個表面而不會造成測量頭的固定部分或觸頭杆妨礙要進行測量工件的各元件。為了補救這種不方便，已公知各種測量頭允許接觸觸頭在空間中能沿多個方向定向。一般來說，需要兩個獨立的轉軸以便達到所有可能的定向。在歐洲專利申請EP0392660號中描述了這種類型的儀器。
然而，使用這種類型的裝置並不限於接觸觸頭，且它們也可以使用無接觸探測器，例如攝像機，用於對機加工的部件進行檢查和檢驗。
轉軸優選是帶分度的，其意義是設置足夠多但數目有限的預定和精確可重複的靜止位置。這種結構避免了在觸頭每次改變定向之後都必須要重新校準測量機的麻煩。
通過相互接合的且限定出所需靜止位置的各個分度表面，例如通過其中接合有三個銷的球冠，獲得觸頭轉軸的分度。在本申請人申請的歐洲專利申請EP 1443299號中描述了這種類型分度機構的例子。
為了測量複雜的工件，所希望的是測量頭是機動化的，以便能按照測量機控制程序的指令自動定向探測器的觸頭。為此目的，由電磁致動器，例如使分度表面移動分離並使各軸轉動的引擎或伺服馬達執行觸頭軸的轉動和鎖定。
已公知的機動化測量頭的一個限制因素在於當所述測量頭被解鎖時，難以準確地限定出觸頭的位置，這是由於既不能準確地獲知分度表面之間的距離，也不能準確地獲知鎖定執行時間。這種不確定性會增加測量機的響應時間並能導致觸頭和要進行測量的工件之間的不希望有的碰撞。
已公知的機動化測量頭的另一個限制因素在於鎖定系統依靠重力或者其功能可受到測量頭定向的影響。當所述測量頭沒有垂直定向時，它們的操作由此存在問題或是不可能的。
特別是在使用較重的觸頭和相當大的移動速度時，與探測器觸頭的質量相關聯的慣性力還可對測量頭的功能產生不利影響。
已公知的測量頭的另外一個限制因素在於在解鎖位置，分度表面之間的距離不是嚴格限定的。在觸頭軸轉動的過程中，有可能存在分度球和銷之間的碰撞。這種類型的碰撞當然會對分度精度產生不利影響。
發明內容
本發明的一個目的是提出一種沒有已公知裝置的各種限制的測量頭，特別是，一種測量頭，其中即便是在鎖定和解鎖操作中，觸頭的軌跡也受到完全地控制。
本發明的另一個目的是提出一種帶分度的機動化測量頭，其中可改變探測器觸頭的定向用以對測量頭進行任意定向。
本發明的另一個目的是提出一種測量頭，其中分度表面之間不可能存在任何所不希望的碰撞。
通過包括作為主技術方案目的的各種特徵的組合的裝置，且特別是通過用於相對於測量設備定向探測器觸頭的可重新定向的測量頭，實現這些目的，包括支承元件；連接到所述支承元件上並能相對所述支承元件圍繞第一軸線轉動的第一活動元件；能夠處於鎖定狀態和解鎖狀態的自動致動器；其中布置所述自動致動器以在所述第一活動元件上施加一個鎖定力，從而當所述致動器處於解鎖狀態時，使所述第一活動元件移動遠離所述支承元件且允許圍繞所述第一軸線進行轉動；在所述第一活動元件上施加一個鎖定力，從而當所述致動器處於鎖定狀態時，使所述第一活動元件上緊到所述支承元件上且阻止圍繞所述第一軸線進行轉動。
通過閱讀通過附圖示出並以實例形式給出的描述會更好地理解本發明，其中圖1是根據本發明的機動化測量頭的視圖；圖2是處於鎖定位置的發明測量頭的剖面圖；圖3是處於解鎖位置的發明測量頭的剖面圖；圖4是發明測量頭的鎖定/解鎖機構的詳圖；圖5-8是根據本發明的一個方面負責進行鎖定和解鎖的致動器的不同視圖；和圖9是包含在圖5-8中所示致動器中的曲軸的詳圖。
具體實施例方式
參見圖1，根據本發明的可重新定向的測量頭10包括設計用以固定到測量機臂上且能夠例如在測量體積內沿著三個坐標軸X、Y和Z移動的支座30。例如通過杆20或任何其它固定機構可將該支座固定住。
下文中，為了簡明扼要，所使用的指示「垂直」指的是圖1中軸線B所表示的方向。該指示方向是各圖中的常規定向並且也是發明裝置正常使用的定向且通常與其上安裝有探測器的測量機的垂直軸線Z的方向一致。然而，探測器可以空間中任何定向進行使用。
第一活動元件40被固定到支座30上，以便能圍繞垂直軸線B轉動。第一活動元件40優選可具有與多個小的預定角度，例如10度相對應的多個帶分度的位置。在已公知的方式中，例如通過在定位元件之間限定六個靜止點的均衡連接確定這些帶分度的位置，所述定位元件的位置被高精度確定。
第二活動元件50圍繞水平軸線A自由轉動並與第一活動元件40連接在一起。第二活動元件50圍繞軸線A的轉動可以是連續的或分度的，機動化的或手動的，如上述的第一活動元件40。
探測器觸頭60被固定到第二活動元件50和軸承上，在其末端，球70被設計用以接觸要進行測量的工件。圖中未示出的檢測機構響應球70相對靜止位置最輕微的位移通過連接器(未示出)將電信號發送至光顯示器35或者機器的控制軟體。
下面結合圖2和3對根據本發明一個方面的軸的鎖定和解鎖機構進行描述。
支座30帶有沿著圓周以通常恆定的角距，例如10°，設置的一系列球31，以便限定通常有規則地隔開的一系列分度位置。對應於所述球31，第一活動元件40帶有三個間隔120°且能夠與球31接合的銷41。在鎖定位置(圖2)，通過拉動杆66，使第一活動元件40壓靠在固定元件30上。然後每個銷41接觸兩個相鄰的球31，以便按照Boys連接法的原理，在支承元件30和活動元件40之間形成均衡連接。
以等效的方式，在本發明的框架內，通過將前者設置到活動元件上並將後者設置到支承元件上，有可能交換球和銷的位置。也可以用能夠在支承元件30和活動元件40之間限定六個接觸點的其它定位元件代替球和銷。
用鉸接的方式將垂直杆66的一個末端固定到支承元件30上，而將杆66的另一末端用鉸接的方式固定到槓桿62的一臂上，所述槓桿能夠圍繞軸線65樞轉，相對於第一活動元件40是固定的。杆66優選與旋轉軸線B對齊。
在圖2所示的鎖定狀態，杆66被拉緊並拉動第一活動元件40向上，從而使分度銷41與支座30上的球31接合。在這種狀態下，圍繞軸線B的任何轉動都是不可能的並且活動元件40被鎖定在一個帶分度的位置處。
由杆66施加的力被施加到球31和銷41之間接觸點的相對中心，並沿著軸線B的方向。按照這種方式，以最大的分度精度在球31和銷41之間獲得了接觸力的均勻分布。
通過拉緊與軸線A對齊的水平杆67，也使第二活動元件50保持靠在第一活動元件40上。一方面，杆67與活動元件50相鉸接，而另一方面，杆67與槓桿62相鉸接。
放置在第一和第二活動元件之間的第二組球43和銷42允許第二活動元件50轉動以便被鎖定在帶分度的位置處。
可選擇地，杆66和67包括彈性元件(未示出)，例如金屬彈簧，以便保證在銷41、42和球31、43之間存在恆定的分度力。按照等效的方式，杆62中或第一和第二活動元件中可包括彈性元件。
參見圖5-9，槓桿62的位置由圖9中所詳細示出的曲軸59決定，所述曲軸由電動馬達45和刻齒的輪46、51驅動圍繞軸線75轉動。按照等效的方式，曲軸59可由設置在曲軸59的同一軸線75上的馬達直接驅動或者由任何機械傳動裝置，例如滑輪系統驅動。
槓桿62的一個臂包括一叉狀部，該叉狀部的兩個分支63和64接觸曲軸59的曲柄銷55的兩個相對側，以便當曲軸59轉動180°時將槓桿62從鎖定位置移動至解鎖位置。可選擇地，將滾珠軸承插入到曲柄銷55和叉狀部之間以便減小鎖定和/或解鎖過程中的摩擦。在圖中所示出的實施例中，僅與傳送鎖緊力的叉狀部分支63對應地裝設軸承54。對應於負責解鎖的叉狀部的另一分支64，所需的作用力較小且可以使用簡單的抗摩軸承。
通過扇形部件53和與第一活動元件40連接的銷55限制曲軸59圍繞軸線75的轉動使其轉角略大於180°。設置銷55支靠扇形部件53末端的制動位置以便碰到各平衡點並由此限定出分別與鎖定狀態和解鎖狀態相對應的穩定的靜止位置。
圖3和4示出了處於解鎖狀態的根據本發明的測量頭。在這種情況下，槓桿62是傾斜的且杆66和67分別壓在支承元件30和第二活動元件50上以便分別移動分度元件31、41和42、43使其各自分開預定的距離d1、d2。
在一個不同的實施例中，杆66和67可由小齒輪/齒條單元驅動。
由於杆66和67的雙重動作導致分度表面的移動分離和閉合，所述動作與重力和慣性力方向無關，也沒有必要使用彈簧或彈性元件。因而不管測量頭的方向如何，發明的機構也能保證可靠和快速地起作用。
在解鎖位置，由伺服馬達(未示出)保證、由測量機的軟體、或者由其它等效的自動致動器控制圍繞兩個軸A和B的轉動。
這裡描述的實施例包括用於同時鎖定和解鎖兩個軸A和B的單個致動器。但是本發明還包括多種變型，其中通過獨立的致動器鎖定和解鎖每條旋轉軸線。
在一個實施例中，發明的測量頭僅包括一條旋轉軸線，例如水平軸線A。
權利要求
1.用於相對於測量設備定向探測器觸頭(60)的可重新定向測量頭(10)，包括支承元件(30)；與所述支承元件(30)相連接且能夠相對於所述支承元件(30)圍繞第一軸線(B)轉動的第一活動元件(40)；能夠處於鎖定狀態和解鎖狀態的自動致動器；其中布置所述自動致動器以在所述第一活動元件(40)上施加一個鎖定力，從而當所述致動器處於解鎖狀態時，使所述第一活動元件(40)移動遠離所述支承元件(30)且允許圍繞所述第一軸線(B)進行轉動；在所述第一活動元件(40)上施加一個鎖定力，從而當所述致動器處於鎖定狀態時，使所述第一活動元件(40)上緊到所述支承元件(30)上且阻止圍繞所述第一軸線(B)進行轉動。
2.如權利要求1所述的測量頭，包括多個與所述第一活動元件(40)相連接的活動定位元件(41)；多個與所述支承元件(30)相連接的且能與所述活動定位元件(41)接合以相對於所述固定元件(30)限定多個所述第一活動元件(40)的預定方向的固定定位元件(31)。
3.如權利要求1所述的測量頭，其特徵在於，當所述致動器處於解鎖狀態時，所述第一活動元件(40)與所述支承元件(30)移動分開預定距離(d2)。
4.如權利要求3所述的測量頭，包括一個剛性杆(66)，所述剛性杆的一個末端以鉸接的方式被固定到所述活動元件上，所述剛性杆的另一末端以鉸接的方式被固定到所述自動致動器上，從而傳遞所述鎖定力和所述解鎖力。
5.如權利要求1所述的測量頭，其特徵在於，所述自動致動器包括電動馬達(45)。
6.如權利要求4所述的測量頭，其特徵在於，所述杆布置用以在所述致動器處於鎖定狀態時拉緊所述第一活動元件(40)；在所述致動器處於解鎖狀態時推動所述第一活動元件(40)。
7.如權利要求4所述的測量頭，其特徵在於，所述自動致動器包括電動馬達(45)和一個槓桿(62)，所述槓桿的一個臂與所述剛性杆的一個末端相鉸接，並且所述馬達(45)作用在軸(54，55)上，以使所述槓桿在鎖定位置和解鎖位置之間擺動。
8.如權利要求1所述的測量頭，其特徵在於，所述鎖定和解鎖與和重力相關的定向無關。
9.如權利要求1所述的測量頭，包括當所述自動致動器在解鎖位置時，用於使所述第一活動元件(40)相對於所述支承元件(30)轉動的轉動致動器。
10.如權利要求1所述的測量頭，包括與所述第一活動元件(40)相連接以致能圍繞第二軸線(A)相對於所述第一活動元件轉動的第二活動元件(50)；其中布置所述自動致動器以在所述第二活動元件(50)上施加一個鎖定力，從而當所述致動器處於解鎖狀態時，使所述第二活動元件(50)移動遠離所述第一活動元件(40)且允許圍繞所述第二軸線(A)進行轉動；施加一個鎖定力，從而當所述致動器處於鎖定狀態時，使所述第二活動元件(50)與所述第一活動元件(40)相接合。
11.如權利要求10所述的測量頭，包括第一剛性杆(66)，所述第一剛性杆的一個末端以鉸接的方式被固定到所述第一支承元件(30)上，所述第一剛性杆的另一末端以鉸接的方式被固定到所述自動致動器上；和第二剛性杆(67)，所述第二剛性杆的一個末端以鉸接的方式被固定到所述第二活動元件(50)上，所述第二剛性杆的另一末端以鉸接的方式被固定到所述自動致動器上，並且所述自動致動器包括電動馬達(45)和一個槓桿(62)，所述槓桿的一個臂與所述剛性杆的一個末端相鉸接，並且所述馬達(45)作用在軸(54，55)上，以使所述槓桿在鎖定位置和解鎖位置之間擺動。
12.如權利要求11所述的測量頭，其特徵在於，所述第一桿(66)與第二桿(67)基本上是互相垂直的並且分別與第一旋轉軸線(B)和第二旋轉軸線(A)對齊。
13.如權利要求10所述的測量頭，包括當所述自動致動器處於解鎖狀態時，用於使所述第一活動元件轉動的轉動致動器。
全文摘要
用於測量三維坐標的機器的帶分度的機動化測量頭。包括雙作用致動器，以從禁止探測器觸頭進行任何轉動的鎖定狀態轉到通過伺服馬達可沿兩個軸定向觸頭的解鎖狀態。該鎖定和解鎖機構與重力無關，無論測量頭的定向均可進行操作。
文檔編號G01B5/008GK1782655SQ20051012851
公開日2006年6月7日 申請日期2005年11月30日 優先權日2004年12月1日
發明者P·若爾迪爾, C·魯熱 申請人:特莎有限公司