可調整的探頭的製作方法
2023-05-17 22:47:51 2
專利名稱：可調整的探頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在空間上沿多個方向定向的接觸觸髮式探頭。該探頭設計成特別用於(但不局限於)手動操作或自動測量的機器或用於例如銑床的工具機中，以便進行已經或正在加工的工件的三維尺寸的測量。
背景技術：
接觸觸髮式探頭是在機械工件的加工生產線上廣泛使用的測量器具(但不局限於此)，以便準確地校核機械工件的尺寸或表面。接觸觸髮式探頭還用於複雜形狀的工件的三維尺寸測量，以便對其進行複製或仿形。
通常，接觸觸髮式探頭包括設計成緊固在測量機器或工具機上的固定部分和運動觸頭，該觸頭在其細長杆的端部上包括球體並設計成與將要測量的工件接觸。
在大多數應用中，接觸觸髮式探頭緊固在機器的運動臂上，其空間位置通過例如放置在機器軸上的位置編碼器的手動操作或自動測量系統的幫助進行準確的測量。運動臂空間運動，使得探頭的測量觸頭與將要測量的工件或表面接觸。在接觸期間，偏置力接著作用在觸頭上，將其運動離開最初的靜置位置。傳感器對於觸頭的微小運動作出反應，產生以光信號的形式發送到使用者或機器控制軟體的電信號，由此根據測量系統的數據，確定給定參考坐標系內接觸點的坐標。為此，在本領域中使用根據不同理論的電子機械或光學傳感器或運動傳感器，該傳感器例如包括受約束的測量器具。
在三維接觸觸髮式探頭的情況下，觸頭和探頭固定部分之間的連接通常通過Boys連接的理論實現，例如通過三個靜置在六個球體上的柱形銷來限定固定裝置和觸頭之間的接觸點。因此公知的是兩維和一維的探頭。
當使用探頭測量具有中空部和突出部的複雜形狀的工件時，如果不是不可能，在探頭的固定部分或觸頭杆不與將要測量的工件的部件幹涉的情況下，將難以使得觸頭與工件的整個表面接觸。為了彌補此缺陷，公知的探頭使得接觸觸頭在多個空間方向上定向。通常，需要兩個單獨的轉動軸覆蓋所有可能的定向。此類型的探頭在歐洲專利申請EP-0392660-A2中進行描述。
該轉動軸最好是可分度的以便提供足夠數量的預定並可精確複製的靜置位置。此分度避免了每次觸頭定向改變之後校正測量機器的需要。
在測量期間，使得所述現有技術探頭定向的軸鎖定在一個設置好的分度位置上。當需要探頭不同定向時，使用者必須通過作用在為此設置的輪或杆上以便手動解鎖該軸，並如所需要定向該軸，並且通過再次將輪或杆重新定位在其初始的鎖定位置上來鎖定軸。這些操作可產生定位誤差，例如在定位第二軸線期間無意中運動第一軸線。
所述的探頭的另一缺陷在於鎖定和解鎖需要外部扭矩作用在鎖定輪上，並通過探頭及其支承件傳遞到測量機器的運動臂上。此淨扭矩造成作用在探頭支承件上的機械力並可造成整個探頭運動。為了避免此缺陷，使用者必須在操作鎖定輪時保持探頭不動，這使其難以或不可能用一隻手進行此操作。
所述歐洲專利申請所述的探頭使得每個軸線在一系列分度位置中的任何一個位置內固定，該分度位置由三個靜置在均勻分布的球體冠部上的柱形銷限定。此類型的探頭還包括輔助定位裝置，該裝置以與彈簧作用之下的分度球體之間接合的斜切活塞為形式。
該活塞的目的在於即使探頭位於未鎖定位置時為探頭的兩個軸提供穩定位置。這些穩定位置用來防止探頭在探頭重量的作用下自己改變其定向。但是該活塞增加探頭的複雜性和成本，並且通過在分度球體上摩擦，由於磨損和裂縫，可降低分度精度。
發明內容
因此，本發明的目的在於提供一種接觸觸髮式探頭，其能夠在多個分度方向上定向，並且其操作比現有技術探頭更簡便。
本發明的另一目的在於提供一種接觸觸髮式探頭，其不具有現有技術的限制。
按照本發明，這些目的通過主權利要求的主題得以實現，並且令人注意地通過相對於測量裝置定向測量觸頭的可調整接觸觸髮式探頭得以實現，該探頭包括能夠圍繞軸線轉動的運動元件；用於將所述運動元件保持在鎖定位置上以便防止所述運動元件運動的彈性裝置；用於限定所述運動元件的多個預定和可重複實現的角度位置的分度元件；與所述彈性裝置相對並用於通過在所述軸線方向上運動脫開所述運動元件並在所述運動元件轉動期間保持所述分度元件之間距離使得所述運動元件無人所述軸線轉動而所述分度元件不相互接觸或不與探頭的其他元件接觸的致動器。
通過閱讀通過實例給出並通過
的說明書將更好地理解本發明，附圖中圖1a表示本發明接觸觸髮式探頭的第一實施例；圖1b表示圖1a所示的本發明接觸觸髮式探頭的固定部分；圖1c和1d表示圖1a所示的本發明接觸觸髮式探頭的分度機構；圖1e表示用於脫開圖1a探頭的第一軸線的縮減機構；圖2a、2b和2c表示圖1a探頭的第二軸線的分度和縮減機構的截面立視圖；圖3和4、5a、5b和5c表示本發明的第二實施例。
具體實施例方式
表示在圖1a～1e中的本發明第一實施例是接觸觸髮式探頭20，其包括圖1b詳細表示的固定部分250，固定部分設計成通過螺紋杆251或任何其他公知的緊固裝置緊固在測量機器的運動臂上。
固定部分250在其下側24載有球體256，該球體沿周向均勻分布並部分向下伸出。球體256限定圍繞探頭第一轉動軸線以15度間隔分開的24個分度位置，如下面進一步說明。明顯看出根據所需分度位置的數量可使用不同數量的球體。
圖1c和1d所示的運動元件20在其上側載有三個柱形銷217。平彈簧215將運動元件210壓靠在固定元件250上。在這種情況下，每個銷217靜置在兩個球體256上，因此產生六個接觸點，該接觸點以精確和可重複實現的方式確定元件250和210的相對位置。
考慮到固定元件的轉動對稱性，運動元件210具有圍繞與探頭幾何軸線相對應的第一轉動軸線211並且互相之間相距15度距離的24個分度位置。通過以下等同的結構已經獲得相同的結果，例如通過將球體放置在運動元件上並將銷放置在固定元件上，或者通過傾斜表面代替銷或球體的球形或柱形表面，或者通過使用六個柱形銷，該柱形銷與球體之一只有一個接觸點。還可以通過等同彈性裝置代替平彈簧215，例如通過柱形彈簧或頁簧或通過由彈性合成材料製成的元件代替。
圖1d和1e所示的脫開機構300使得運動元件210圍繞軸線211轉動。傳遞裝置300包括由四個齒條305和傾斜螺旋表面302驅動的齒輪301。
當按壓兩個相對的按鈕310時，齒條305驅動齒輪301以及傾斜平面302轉動，以便在其軸承(未示出)上滑動，並運動固定元件250軸向離開運動元件210。在其分開的位置上，球體256伸出銷217，而不與其接觸，並可以圍繞軸線211轉動。
銷217作用在球體256上的靜置力必須足夠大以便防止運動元件210在測量期間的任何意外的運動。在此特別的實施例中，彈簧215構造成其整個靜置力為大約30N，即對於六個接觸點的每個接觸點是大約10N，這是由於壓力相對於該軸線以60度施加。
將難以直接將30N的力作用在按鈕310上。為此，選擇傾斜表面302以便在作用在按鈕310的徑向力和與彈簧215的彈性相反的軸向力之間給出足夠的縮減比例。縮減比例1∶2意味著作用在按鈕310上的操作力大約是15N，即大約1.5Kgf，使用者作用起來沒有困難。採用此縮減比例，按鈕310的行程保持在幾個毫米內。
以上給出的數字值必須解釋為特別適用於本發明實施例的實例。按照情況可以選擇不同的值，例如按照探頭的質量和尺寸進行選擇。
為了確保運動元件210脫開轉動軸線211周圍，需要在兩個相對的按鈕310上作用。以此方式，作用在探頭上的外部力大致相反，並垂直於轉動軸線211，所得的力和扭矩大致為零，並且防止探頭的任何無意運動。
在按鈕310沿徑向按壓的同時，使用者通過在切向作用在相同的按鈕上可使得運動元件210圍繞軸線211轉動。此操作是非常憑直覺的，並且可以方便地通過手的兩根手指實施。在這種情況下，球體256和銷217之間的距離足以避免分度表面的任何接觸或摩擦，因此保持分度位置的定位精度。因此，不需要鬆開按鈕310從未鎖定到探頭轉動以及接著再次鎖定探頭的操作。
將理解到在此實施例中，運動元件210一旦未經鎖定便不具有任何穩定位置，但完全自由地圍繞軸線211轉動。該穩定位置在此構造中確實不需要，這是由於未鎖定需要使用者一直保持按鈕310按壓。因此，使用者總是將運動元件210處於控制之下。
縮減比例和所使用材料的摩擦係數選擇成使得傳遞裝置300是可逆的，從而一旦按鈕310上的壓力鬆開，運動元件210自動返回到分度位置，因此避免意外地在自由位置上使用。
第一運動元件210連接在能夠圍繞垂直於第一轉動軸線211的轉動軸線212轉動的第二運動元件220上，公知類型的運動觸頭30緊固在第二運動元件上，如圖2a所示。
第二運動元件220通過壓縮彈簧225在由轉動軸線212限定的軸向上壓靠第一運動元件210。球體226的冠部設置在運動元件220的垂直側上，並與放置在第一運動元件210的相鄰側上的三個柱形銷(未在圖中示出)相互作用以便限定預定數量的可準確重複實現的分度位置，其方式與對於第一運動元件210的轉動作出的說明類似。
在可能的變型實施例中，使用各自具有單個接觸點的六個柱形銷。
第二運動元件220的脫開和轉動系統400表示在圖2b中。通過按壓兩個按鈕411和410進行脫開。作用在能夠圍繞部件470軸向滑動的按鈕410上的軸向力通過兩個杆430和450以及水平臂440傳遞，該力通過銷461和杆460放大並作用在彈簧225上，以便將其壓縮，該力抑制220和210之間的接觸力。在此實施例中，對於第一運動元件210，杆430、450的臂的尺寸將選擇成獲得1∶2的縮減比例。放置在按鈕410和部件470之間的第二彈簧475軸向向圖2a右側推動第二運動元件220，並使其轉動。
當按鈕410按壓時，第二運動元件220朝向圖2a右側運動，使得銷和分度球體226不再接觸，並且第二運動元件220可圍繞軸線212轉動。該轉動被使用者通過按鈕410感覺到，該按鈕通過圖中未示出的銷與部件470呈角度地進行結合。
與按鈕410相對的按鈕411具有給以手指靜置表面以便作用與作用在按鈕410上的力相反的力並有助於通過兩個手指轉動元件220的雙重功能。按鈕411實際上與元件220呈角度地進行結合，並受到驅動與後者一起轉動。使用大致相反的兩個力防止力傳遞到探頭支承件上並防止整個探頭運動。
對於第一運動元件210，運動元件220不具有任何穩定的未鎖定位置。即使在這種情況下，使用者總是通過按壓按鈕410、411控制運動元件220在其未鎖定時的位置。
按鈕410通過杆460在第二運動元件220上的作用與彈簧作用的力大致對準並且方向相反，這確保了線性運動而沒有任何阻塞。
由觸頭30產生的電信號以發光二極體50產生的光信號的形式發送到使用者(圖1a)，或發送到機器的控制軟體，該軟體根據測量系統的數據確定接觸點在給定坐標系中的坐標。
探頭20的下部具有一個或多個保護元件218，該保護元件伸出探頭主體並且其功能是用來保護分度機構免受測量工件或支承臺的衝擊。保護元件218可以是直接在金屬殼體217上加工而形成的增大部分，或者是由能夠吸收衝擊的例如橡膠或彈性體的適當材料製成的附加元件。
對於90度的總角度來說，第二運動元件220可在此實施例中具有7個相互間隔15度距離的分度位置。當第一轉動元件210可以轉動360度時，此角度使得觸頭30定向在許多均勻分布在一半空間的內的方向上。但是可以通過一般數量的分度位置實現本發明的裝置，並且分度位置之間可以具有任何距離。
圖4、5a和5b表示本發明的第二實施例，其中第一軸線211的脫開機構300通過四對相同和對稱的連接杆320來實現。
在此實施例中，每對連接杆320相對於中點232鉸接，並且當一對的兩個連接杆的兩個端部將其一個端部靜置在固定元件250上並將其另一端部靜置在第一運動構件210上時，兩個作用在按鈕310上的外部力傳遞到所述中點323上。
在此配置中，作用在運動元件210的軸向力和作用在按鈕310上的徑向操作力之間的縮減比例與連接杆320之間的一半孔徑角的正切成正比。這導致隨著元件250和210之間的距離以及連接杆320之間的角度增加的縮減比例。縮減比例的變化是有利的，這是由於保持其行程端部受到按壓的按鈕所需的力是最小的，這使得更容易地進行觸頭30細微調整的操作。
還可以通過使用非平面表面代替傾斜表面302在第一實施例中實現此有利的特徵。
當按鈕310完全按壓時，球體226和與其並列的銷之間的距離進行保持，並且球體和銷在任何情況下不相互接觸或與探頭機構的其他元件接觸。在此情況下，分度表面的磨損降低到所需最低程度，並且分度精度隨時間推移進行保持。
當使用者按壓兩個相對的按鈕310時，通過連接杆320作用在第一運動元件210上的力大致相對於轉動軸線211呈軸向，即大致與彈簧215作用的力對準並方向相反，從而確保線性運動而沒有阻塞。另一方面，如果操作者不對稱地只在一個按鈕310上按壓時，得到的力的水平分量在杆253和套筒219之間產生大的摩擦，從而防止第一運動構件210脫開。此有利的特徵使得可以防止不適合時宜和無意的操作。
按鈕310通過由橡膠或彈性體製成的保護環膜330圍繞，其功能是保護內部機構不受汙物和塵土侵害，同樣也防止使用者手上的熱量傳遞到內部分度機構上，這對於分度精度具有不利影響。出於相同的目的，用於轉動和脫開第二軸線212的按鈕410和411也最好由合成材料製成，該材料具有良好的隔熱性能。探頭的殼體通過隔熱層覆蓋其本身。
在本發明的後一實施例中，本發明的探頭設置所述的隔熱層，而不包括在所述運動元件轉動期間保持所述分度元件之間距離的機構，使得所述運動元件圍繞所述軸線211轉動，而所述分度元件256、217不相互接觸或與探頭的其他元件接觸。
窗口30設置在支承元件250上使得相對於第一軸線211的轉動角度可通過刻制或印刷在第一運動元件210上的刻度讀取，如圖5a和5b所示。
相對於第二軸線212的轉動角度可在設置在按鈕411的外部冠部內的兩個窗口40中讀取，如圖5a和5b所示。兩個窗口在這種情況下需要使得所有探頭的可能定向的可視性最佳。
在本發明後一實施例中，本發明的探頭設置用於讀取相對於第一和/或第二軸線的轉動角度，而沒有包括力傳遞機構，該機構設計成提供增大的縮減比例，以便降低將所述運動元件保持在脫開位置上所需力的大小。
觸發觸頭30通過產生電脈衝對於與將要測量的工件的表面最輕微的接觸作出響應。該脈衝通過電子處理電路(未示出)傳遞到用於與測量機器的控制裝置和光指示器50連接的連接器70。該指示器在此實施例中包括發光二極體，但作為選擇可以包括其他公知的發光器，例如片形或線形的場致發光元件。發光二極體頂部置有光學光散射器，使得散射光可以在大範圍的觀察角度內看到。
在本發明的可選擇實施例中，指示器50以放置在探頭不同位置上的多個指示器來代替，使得至少一個指示器從任何可能的觀察角度上可以看到。
在本發明裝置的另一實施例中，指示器50包括一個或多個光導管，該導管用於釋放由一個或多個光源在探頭表面的不同位置上產生的光，使得光的指示從任何可能的觀察角度可以看到。
本發明還可在不使用分度機構的情況下實現，而是採用簡單的摩擦機構，使得軸在許多定向上鎖定。
本發明還包括通過例如通過電馬達和/和電磁閥的自動致動器進行軸的轉動和脫開的實施例。
在本發明的另一實施例中，通過伺服馬達確保探頭軸的轉動，該馬達包括用於測量觸頭方位角度的編碼器。在這種情況下，如果伺服馬達的精度足以滿足將要進行的應用，所述的分度機構可以保留或省略。
權利要求
1.一種用於相對於測量裝置定向測量觸頭(30)的可調整接觸觸髮式探頭(20)，該探頭包括能夠圍繞軸線(211)轉動的運動元件(210)；用於將所述運動元件(210)保持在鎖定位置上的彈性裝置(215)，從而防止所述運動元件(210)運動；用於限定所述運動元件(210)的多個預定和可重複實現的角度位置的分度元件(256、217)；與所述彈性裝置(215)相對並用於通過在所述軸線(211)的方向上運動來脫開所述運動元件(210)並在所述運動元件轉動期間保持所述分度元件之間距離的致動器(300)，使得所述第一運動元件圍繞所述軸線(211)轉動，而所述分度元件(256、217)不相互接觸或與探頭的其他元件接觸。
2.如權利要求1所述的探頭，其特徵在於，所述致動器(300)設計成在所述力中斷時停止其動作。
3.如權利要求1所述的探頭，其特徵在於，所述致動器(300)通過作用在所述致動器(300)上的外部力扭矩的作用驅動所述運動元件轉動。
4.如權利要求1所述的探頭，其特徵在於，所述致動器(300)通過在垂直於所述探頭(20)的軸線的方向上的兩個大致對稱並相反地作用在所述致動器上的外部力的作用脫開所述運動元件。
5.如權利要求1所述的探頭，其特徵在於，其還包括避免來自手的熱量傳遞到探頭(20)上的外部隔熱層。
6.如上述權利要求任一項所述的探頭，其特徵在於，所述外部隔熱層施加在所述探頭和/或所述致動器(300)的殼體上。
7.一種用於相對於測量裝置定向測量觸頭(30)的可調整接觸觸髮式探頭(20)，該探頭包括能夠圍繞軸線(211)轉動的運動元件(210)；用於將所述運動元件(210)保持在鎖定位置上的彈性裝置(215)，從而防止所述運動元件(210)運動；用於限定所述運動元件(210)的多個預定和可重複實現的角度位置的分度元件(256、217)；與所述彈性裝置(215)相對並用於脫開所述運動元件的致動器(300)，使得所述運動元件(210)圍繞所述第二軸線轉動；避免來自手的熱量傳遞到探頭(20)上的外部隔熱層。
8.如上述權利要求任一項所述的探頭，其特徵在於，所述外部隔熱層施加在所述探頭和/或所述致動器(300)的殼體上。
9.如上述權利要求任一項所述的探頭，其特徵在於，其包括通過第二軸線(212)連接在所述運動元件(210)上的第二運動元件(220)，以便相對於所述運動元件(210)轉動所述第二運動元件(220)；獨立於所述彈性裝置(215)致動並用於將所述第二運動元件(220)保持在鎖定位置上並防止所述第二運動元件(220)轉動的第二彈性裝置(225)；獨立於所述致動器(300)並用於脫開所述第二運動元件(220)而且使得第二運動元件(220)圍繞所述第二軸線(212)轉動的第二致動器(400)；連接在所述第二運動元件(220)上的探頭觸頭(30)。
全文摘要
接觸觸髮式探頭包括設計成緊固在測量機器或工具機上的固定部分和可沿多個空間方向在兩個獨立的軸線性上定向的運動接觸觸頭。探頭的兩個軸包括解鎖和調整軸的致動器。
文檔編號G01B5/012GK1517670SQ200310119529
公開日2004年8月4日 申請日期2003年11月28日 優先權日2003年1月29日
發明者A·扎尼爾, P·約爾迪爾, C·魯熱, A 扎尼爾, 隙 申請人:特莎有限公司