探針坐標系統驅動裝置的製作方法

2023-08-02 13:40:06 1

專利名稱：探針坐標系統驅動裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用來操縱具有操縱杆的坐標測量機的驅動裝置，特別涉及一種探針坐標系統驅動裝置，它能夠沿著探針坐標系統、根據探針的取向移動探針。
可進行計算機驅動控制的坐標測量機作為一用來測量置於一底座上的物體的坐標、外形等的裝置是眾所周知的。圖6顯示了這種坐標測量機系統的外觀。通常，這種坐標測量機具有互相垂直的X、Y和Z軸驅動機構，而Z軸驅動機構的前端有一球形測頭。此外，其上還固定著一安裝有一探針、能夠檢測該測頭是否與被測物體接觸並輸出一接觸信號的探頭。
具體地說，在圖2所示的的探頭11A(例如，由英國的Renishaw公司製造的探頭PH9(商品名))裡，在探針11B安裝部分上的仰角α和探頭11A下部的旋轉角β可通過電動機驅動自由地改變和設置，從而使探針的位置可任意設置。例如，在測量具有傾斜表面的被測物體時，可設置探頭11A的仰角α和旋轉角β，從而可在測量前使探針處於基本垂直該傾斜表面的位置上。
然而，一般來說，通過操縱圖4所示的操縱杆工作檯40上的操縱杆41A、41B和41C而使探針可移動的方向是受限制的，即限於坐標測量機的X、Y和Z軸驅動機構的驅動方向，這樣，當探針的位置被設置成基本上垂直於被測物體的傾斜表面時，操作者體驗到一種不協調的感覺，並發覺難以進行，因為通過操縱杆使探針移動的方向與探針的取向不一致。
此外，對於操作者來說，通過操縱操縱杆使探針沿著傾斜表面平穩移動是困難的，而且這種操縱需要實踐。結果，對形成於其上的傾斜表面或孔等的測量與對平面部分的測量相比，其測量效率特別差。此外，還存在著一種擔憂，即操作者一不小心會使探針碰撞被測物體，從而使昂貴的探頭或探針折斷。為了避免這種碰撞，必須操縱操縱杆，使探針慢慢移動。
日本專利申請第60-210746號公布了一種為解決上述問題的發明。然而，在上述發明裡，必須測量該傾斜表面，以便在計算機裡構成一與該傾斜表面一致的工作坐標系統。在該過程中，通過操縱操縱杆使探針可以移動的方向仍限於X、Y和Z軸驅動機構的驅動方向。這樣，為構成工作坐標系統進行的測量需要操縱操縱杆，而這種操縱與以往一樣困難，並需要實踐。因此，在這種操縱過程裡存在著不方便。
在由日本專利申請第7-132770號公布的另一發明裡，各操縱杆根據單位方向矢量確定探針驅動方向。在後一個發明裡，在獲得該矢量前也需要進行測量，以便設置該單位方向矢量。
本發明是為了解決上述問題而提出的。本發明的目的是通過操縱在一坐標測量機上的操縱杆來方便地驅動探針。
為了實現上述目的，本發明提供一種探針坐標系統驅動裝置，它包括一坐標測量機，其上安裝著許多可由電動機驅動的、互相垂直的軸驅動機構；一探針，它安裝在坐標測量機的一個軸驅動機構上，用來檢測與被測物體的接觸；一探頭，可用來固定探針，並能自由地改變探針的位置；操縱杆工作檯，其上裝備著一個或一個以上的、操縱坐標測量機的操縱杆，並能對應操縱杆的動作輸出三個電信號；一CPU(計算機中心處理裝置)，裡面安裝著用來計算三個表示與探針的位置一致的探針坐標系統的X、Y和Z軸方向的單位方向矢量的步驟；一驅動矢量積和計算迴路，以便通過合成各矢量計算一驅動矢量，而各矢量是通過獲得由操縱杆工作檯輸出的三個電信號和三個單位方向矢量的無向積而獲得的；以及一電動機驅動迴路，以便驅動電動機，坐標測量機的各軸驅動機構均安裝著一臺這種電動機，以便與該驅動矢量一致。
除了上面所述，本發明的探針坐標系統驅動裝置還可包括一AD(模擬-數字)轉換器，以便將操縱杆工作檯輸出的電信號轉換成數位訊號，以及一DA(數字-模擬)轉換器，以便將由驅動矢量積和計算迴路計算出來的驅動矢量轉換成模擬信號。
除了上面所述，在本發明裡，探頭可是一可自由地設定仰角和旋轉角的轉動探頭。
通過使因操縱操縱杆手柄而移動的探針的移動方向與探針的位置一致，可方便地測量一具有傾斜表面的物體。


圖1是描述本發明的框圖；圖2顯示了按照本發明的一探頭的外觀；圖3描述了按照本發明進行的測量；圖4顯示了按照本發明的一操縱杆工作檯的外觀；圖5是描述按照本發明的測量過程的流程圖；圖6顯示了按照本發明的一坐標測量機的外觀。
現在參考附圖描述本發明的一較佳實施例。在附圖中，相同的零件用相同的標號表示。
圖1是描述本發明的一個較佳實施例的框圖。當操作者使與圖4所示的操縱杆工作檯40上的操縱杆41A、41B和41C連接的手柄43和44傾斜時，輸出基本上與傾斜角度成比例的電信號A、B和C。操縱杆41A檢測手柄43沿橫方向的傾斜，並輸出電信號A。操縱杆41B檢測手柄43沿縱方向的傾斜，並輸出電信號B。同樣地，操縱杆41C檢測手柄44沿縱方向的傾斜，並輸出電信號C。
接著，信號A、B和C輸入AD(模擬-數字)轉換器42A、42B和42C，並在輸入驅動控制裝置20前轉換成數位訊號a、b和c。在驅動控制裝置20裡，將操縱操縱杆時表示探針驅動方向的單位方向矢量Va、Vb和Vc預先設置在內存22A、22B和22C裡。通常，這些單位方向矢量Va、Vb和Vc的初始狀態被設置成與坐標測量機的X、Y和Z軸驅動機構的驅動方向一致。該初始狀態被設置成Va=(1,0,0),Vb=(0,1,0)和Vc=(0,0,1)這樣，當在此狀態下操縱操縱杆時，探針通常沿著與各軸驅動機構平行的方向移動。
接著，來自操縱杆工作檯40的輸出信號a、b和c提供給一積和計算迴路，在那裡計算單位方向矢量Va、Vb和Vc的無向積。然後，把這些矢量加起來，以計算驅動軸的驅動矢量。將由此獲得的驅動矢量輸入DA(數字-模擬)轉換器24A到24C，轉換成模擬信號，然後輸入X、Y和Z軸電動機驅動迴路25A到25C。接著，由X、Y和Z軸電動機驅動迴路25A到25C輸出的電流輸入坐標測量機10上的X、Y和Z軸驅動電動機12A到12C，以驅動坐標測量機。
坐標測量機10上的各軸的現有的坐標數據，即各軸的編碼器13A到13C的讀數值不變地輸入CPU(計算機中心處理裝置)21，由此可實現測量和探針驅動位置的正確控制。
此外，在坐標測量機10的Z驅動軸前端安裝一如圖2所示的探頭11A，並在探頭11A的前端安裝一探針11B。為了與被測物體接觸，在探針11B上裝備用硬質材料、諸如紅寶石製造的球形測頭11C。當測頭11C與被測物體接觸時，在探針11B上的檢測機構檢測該接觸，並輸出一接觸信號。如圖1所示，該接觸信號輸入CPU21。當接收到該接觸信號，CPU21將軸的編碼器13A到13C上的在該時刻的讀數值作為測量數據，並將其按所要求的那樣儲存在內存(未畫出)裡。
接著，將參考圖2詳細描述探頭11A。探頭11A(例如，它包括由英國Renishaw公司製造的探頭PH9(商品名))的上部安裝著柱銷。通常，該柱銷插入坐標測量機10的Z軸驅動機構的最下部，並由一螺釘固定，這樣，即使在驅動坐標測量機10時，它也被牢牢地連接和固定，從而不會移動。在進行這種安裝時，必須預先確定坐標測量機的取向和探頭11A的取向。通常，當旋轉角β=0時，該取向與坐標測量機的Y軸驅動機構的負方向一致或與X軸驅動機構的正方向一致。還可以在探頭11A的上表面提供一定位銷和在坐標測量機的Z軸驅動機構的下端提供一柱銷接納夾具。
在該探頭11A裡，通過電動機驅動，其下面部分可相對上面部分以7.5度的間隔在±180度的範圍內轉動，即，旋轉角β可自由設置。同樣地，通過電動機驅動，安裝探針11B的部分可在0到150度的範圍內以7.5度的間隔轉動，即，仰角α可自由設置。由操作者通過探頭位置工作檯50表示的旋轉角β和仰角α的值通過驅動控制裝置20輸入探頭11A，使它們各自在電動機驅動下按照表示的角度轉動，以改變位置，由此，探針11B的位置可自由地設置在所需的方向上。
在許多情況下，在具體測量操作時，不僅被測物體的上表面要測量，它的垂直側面或傾斜表面也要測量。一般認為，較理想的是每次改變探針11B的位置，使它垂直於被測物體，並從與該位置一致的方向、即垂直於測量表面的方向使探針11B逐漸接近被測物體，當測頭11C與被測物體接觸時，測頭11C不在被測物體的表面上滑動，從而使精度上的降低處於最低程度。
通常，在按照上面所述改變位置後，將進行下述的探針校正操作。操縱圖4所示的操縱杆41A到41C，以驅動坐標測量機10，使測頭11C與置於坐標測量機10的底板上的參考球(標準球)(未畫出)的至少四個部分接觸，而參考球的直徑值預先已精確地知道。當因這種接觸而通過探針11B將一接觸信號輸入CPU21時，軸編碼器在該時刻的讀數值被固定並作為測量坐標值儲存在預定的內存區域裡。接著，將諸如最小二乘方法的幾何計算方法用於在四個部分或更多部分上測得的測量坐標值，以計算球形結構，並且通過與獲得的中心坐標值(自上述參考球的中心至測頭11C的中心的矢量)和直徑值的逆向計算，得到測頭11C的直徑值和坐標值。
接著，通過參考圖3-5來詳細描述利用探針坐標系統測量一具有傾斜表面的物體的測量過程。首先，在步驟10，驅動探頭位置工作檯50，使探針11B基本上與被測物體的傾斜表面垂直。此時，探針11B的位置不需要與傾斜表面精確地垂直；用肉眼來設置仰角α和旋轉角β。例如，在圖3所示的情況下，使仰角α=45度，旋轉角β=0度。此時，即使探針的位置略微偏離與傾斜表面垂直的方向，在實際測量中也不會有大的問題，且測量可在沒有障礙的情況下進行。
當來自探頭位置工作檯50的仰角α和旋轉角β的值輸入和傳送給CPU21時，一個角度改變命令立即輸給探頭11A，並驅動安裝在探頭11A裡的、用來改變仰角和旋轉角的電動機，從而改變和設定這些角度。接著，仰角α和旋轉角β的值被儲存在CPU21內的一個預定內存裡。在以後計算探針坐標系統的各軸線方向的單位矢量時將使用這些數值。
接著，進行測量操作，如果一旦設定的仰角α和旋轉角β是這樣的，即存在著這樣一種關係在探針11B測量過程中，除了測頭11，還有其它部分、例如觸針影響被測物體，那麼還要利用探頭位置工作檯50再進行細小的角度調整。然而，在探頭11A裡，角度設定只能以7.5度的間隔進行，這樣，難以進行使探針精確地垂直於傾斜表面的設定。然而，當撇開探頭11A而使用一可在無級基礎上進行角度設定的探頭時，就可以進行使探針精確地垂直於傾斜表面的設定。在這種情況下，將探頭的仰角α和旋轉角β設定為零，然後，在傾斜表面的三點或更多點處進行測量，以獲得傾斜表面的法線方向，並進行設定，使探針11B的位置與該法線方向一致。即，通過使經過探針11B中心的軸線與傾斜表面的法線方向一致，可設定探針11B和探針坐標系統60，使探針精確地垂直於傾斜表面，從而可實現大大避免降低精度的測量。
此外，當傾斜表面的角度通過設計值或類似途徑預先知道時，可在這些數值的基礎上設定仰角α和旋轉角β，從而與用肉眼測量相比能使探針位置更準確地垂直於傾斜表面。
接著，在步驟11，通過在預先設定的仰角α和旋轉角β的基礎上的計算可獲得圖3所示的探針坐標系統的各坐標軸的單位方向矢量，並將其儲存在CPU21內的預定的內存裡。該計算方法是十分通用的坐標變換(旋轉)矩陣計算。接著，在步驟12，將由此獲得的矢量值儲存在內存22A、22B和22C裡，以設定矢量Va、Vb和Vc的值。這樣，通過此後操縱操縱杆41A、41B和41C，可沿著圖3所示的探針坐標系統的方向移動探針11B。
即，通過使手柄43向右或向左傾斜，使探針11B沿探針坐標系統60的X軸方向移動。同樣地，當手柄43沿縱向傾斜，探針11B可沿探針坐標系統60的Y軸方向移動。同樣地，當手柄44沿縱向傾斜，可使探針11B沿探針坐標系統的Z軸方向移動。
接著，在步驟13，測量參考球(標準球)(未畫出)以進行探針校正。根據被測物體的形狀，當所有的預定部分不能在同一位置和使用同一測頭進行測量時，需要改變探針位置、測頭等。這時，需要校正參考球和測頭之間的位置關係。雖然如改變探針11B的位置不應改變測頭11C的直徑值，但視在直徑值可能根據位置改變，因此，需要對各設定角進行探針校正操作。由此獲得的校正數據可記錄在一文件或類似東西上，並儲存在主機31裡，這樣，當下次設定相同的仰角α和旋轉角β時，就可從記錄文件上調出該校正數據並利用它。在這種情況下，可省略校正操作，從而可改進操作效率。
接著，在步驟14，操縱操縱杆工作檯40上的手柄43和44以測量被測物體。例如，當測量如圖3所示的傾斜表面上的孔時，通過向右或向左傾斜手柄43可沿著傾斜表面傾斜地移動探針11B。按慣例，當如此傾斜地移動探針時，必需同時操縱兩個操縱杆，從而使操縱變得複雜並需要實踐。此外，當探針11B基本上垂直地插入該孔時，只需要使手柄44縱向傾斜，從而可期待防止探針與被測物體碰撞，而這種現象在錯誤操縱操縱杆時常會發生。
此外，由於探針11B可基本上垂直於被測物體的傾斜表面並沿著與探針11B位置一致的方向移動，因此操作者沒有不舒適的感覺。此外，可實現大大避免降低測量精度的測量。此外，以機械坐標系統或工作坐標系統表示的測量數據的坐標值自然地避免探針坐標系統驅動的影響力。
雖然已描述了本發明的較佳實施例，但本發明並不限於該實施例。在不脫離本發明精神和範圍的情況下還可有許多改進。
例如，雖然在探針坐標系統基礎上參考操縱杆驅動操作描述了上述實施例，但本發明也可應用於機械坐標系統(一種平行於坐標測量機主體上的各軸驅動機構的坐標系統)和工作坐標系統(一種在被測物體的基礎上沿著被測物體的一個端面等延伸設置的坐標系統)。在這種情況下，通過將坐標系統各軸的單位方向矢量、即矢量Va、Vb和Vc的值設置在驅動控制裝置20的內存22A到22C裡也可容易地單獨實現本發明。
此外，雖然在上述實施例裡通過計算獲得探針坐標系統的坐標軸的單位方向矢量，而每次根據操作者設定的仰角α和旋轉角β改變設定角，但探頭的可能的角的數量不是無限的。在0到105度的範圍內以7.5度間隔的仰角α可有15個，而在-180到+180度範圍內以7.5度間隔的旋轉角β可有49個。這樣，有735個可能的角度組合。因此，通過在各角度的組合設定時計算探針坐標系統的坐標軸的單位方向矢量也可預先獲得，並將它們儲存在驅動控制裝置20裡，讀出與由操作者改變和設定的仰角α和旋轉角β形成的角度組合對應的坐標軸的單位方向矢量，並將它們設置在單位方向內存22A、22B和22C裡。在這種情況下，就不需要在每次設定角度改變時進行計算，從而有可能進行穩定的操作而不必在CPU21上進行額外的計算。
按照本發明，在測量具有傾斜表面的被測物體時，可通過方便地操縱操縱杆而沿傾斜表面傾斜地移動探針。此外，由於即使在被測物體具有傾斜表面的情況下也可用肉眼設置探針，使其相對要進行測量的地方處於基本垂直的位置，因此可在測量過程中使探針從基本垂直於測量地方的方向靠近被測物體，從而使它們互相接觸。這樣，與使探針傾斜地靠近被測物體進行測量的情況相比，可限制測量錯誤的發生。此外，由於探針可方便地沿著與探針位置一致的方向移動，操作者可在沒有不舒適感覺的情況下操作，並可減少在測量操作中的錯誤。
權利要求
1．一種探針坐標系統驅動裝置，它包括一坐標測量機，其上安裝著許多可由電動機驅動的、互相垂直的軸驅動機構；一探針，它安裝在坐標測量機的一個軸驅動機構上，用來檢測與被測物體的接觸；一探頭，用來固定探針，並能自由地改變探針的位置；操縱杆工作檯，其上裝備著一個或一個以上的、操縱坐標測量機的操縱杆，並能對應操縱杆的動作輸出三個電信號；一CPU，裡面安裝著用來計算三個表示與探針位置一致的探針坐標系統的X、Y和Z軸方向的單位方向矢量的步驟；一驅動矢量積和計算迴路，以便通過合成各矢量計算一驅動矢量，而各矢量是通過獲得由操縱杆工作檯輸出的三個電信號和三個單位方向矢量的無向積而獲得的；以及一電動機驅動迴路，以便驅動電動機，坐標測量機的各軸驅動機構安裝著該電動機，以便與該驅動矢量一致。
2．如權利要求1所示的探針坐標系統驅動裝置，其特徵在於，還包括一AD轉換器，以便將操縱杆工作檯輸出的電信號轉換成數位訊號；以及一DA轉換器，以便將由驅動矢量積和計算迴路計算出來的驅動矢量轉換成模擬信號。
3．如權利要求1所述的探針坐標系統驅動裝置，其特徵在於，探頭包括一可自由地設定仰角和旋轉角的轉動探頭。
全文摘要
這裡公開一種探針坐標系統驅動裝置,其中,在一坐標測量機裡,一探針可沿著與探針的位置一致的方向被驅動,從而通過操作操縱杆可方便地驅動探針。還提供一通過設定仰角α和旋轉角β可自由地改變探針位置的探頭,而根據設定的角可獲得表示與探針位置一致的探針坐標系統的軸的單位方向矢量。將通過因操縱者操縱而由操縱杆工作檯輸出的三個電信號和三個單位方向矢量的無向積而獲得的矢量合成以計算驅動矢量,並按照該驅動矢量控制對坐標測量機的驅動。
文檔編號G01B21/20GK1211724SQ9811917
公開日1999年3月24日 申請日期1998年9月11日 優先權日1997年9月12日
發明者木村哲郎, 野田孝 申請人:株式會社三豐