接觸感測探頭的製作方法

2023-10-24 02:53:17 2

專利名稱：接觸感測探頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種接觸感測或"觸碰"探頭，其包括使用時發生振動的觸 針。具體地，本發明涉及在坐標定位機上使用的探頭，所述坐標定位機例如
為可攜式鉸接測量臂、坐標測量機(CMM)等。
背景技術：
接觸感測探頭是已知的。GB2006435公開了一種具有接觸元件(例如觸 針)和壓電換能器的接觸探頭，所述壓電換能器用於在其共振頻率上振動所 述接觸元件。還提供有傳感電路，通過感測施加到所述壓電換能器上或由所 述壓電換能器生成的電信號中的參數變化，所述傳感電路檢測所述接觸元件 與物體的接合。
US5247751描述了另 一種接觸探頭裝置。US5247751所公開的裝置還包 括換能器，RF信號施加在所述換能器上以便在其共振頻率上引入所安裝觸 針的超聲波振動。對施加在所述壓電換能器上的表示觸針與物體相接觸的電 信號的變化進行監測。

發明內容
根據本發明的第一方面，接觸感測探頭裝置包括觸針、以機械方式與所 述觸針連接的換能器、用於向所述換能器提供交流電以引起所述觸針振動的 振蕩器以及用於監測施加到換能器上的電壓與流過換能器的電流之間的相 位差，其中，所述振蕩器在接觸感測期間向所述換能器提供第一頻率的交流 電，其特徵在於，所述第一頻率選擇為引起機械振動但偏離機械共振頂點的 最大值。
因此，本發明包括接觸感測探頭或觸碰探頭，所述探頭包括觸針和換能 器(例如，壓電換能器)，所述換能器以機械方式連接到所述觸針。還提供 有振蕩器(例如，包括頻率合成器)，用於生成交流電(AC)信號，所述交流電信號用於驅動所述換能器。在接觸感測期間，所述振蕩器向換能器提供 具有第一頻率的交流電，從而使得所述觸針在第一頻率上發生振動。還提供 有接觸傳感器，用於監測施加到換能器上的電壓(V)和通過換能器的電流 (I)之間的相位差，即，所述接觸傳感器監測所謂的V/I相位差。如果觸針 與表面接觸，則系統的共振屬性發生改變，這阻止或改變了所述換能器的特 有振動，從而導致由所述接觸傳感器測量到的V/I相位差中的可檢測的變化。
探頭具有對應於一個或多個不同振動模式的一個或多個固有振動頻率。 因而機械共振將會在所述換能器在某個振動頻率或振動模式上被驅動的任
何時候發生。之前在GB2006435和US5247751所描述類型的振動接觸探頭 在未受阻擋(即，自由振動)的共振頻率上，即在儘可能接近未受阻擋機械 共振頂部中的最大值的頻率上，被驅動。然而，根據本發明，已經發現，在 引起共振但不同於固有頻率中的最大值的頻率上驅動所述換能器能夠增加 所述探頭的觸針接觸表面時出現的V/I相位差中的變化。這具有這樣的優點， 即提供了一種與已知裝置相比具有增強靈敏度的接觸探頭。
有利地，所述第一頻率選擇為便得所述觸頭接觸表面時施加在換能器上 的電壓與通過所述換能器的電流之間的相位差中的變化最大。換句話說，所 述第一頻率設定為使得在所述觸針與表面接觸時由接觸傳感器測量到的V/I 相位差中的變化最大。所述表面可以為要測量的物體或工件的表面、參考表 面等。
方便地，所述裝置包括頻率調節器或頻率設定裝置，用於執行建立程序 來確定第一頻率(即，將用於接觸感測期間的頻率)。有利地，所述頻率調 節器設置為控制振蕩器以便改變施加到所述換能器上的交流電的頻率。所述 頻率調節器還可以設置為分析施加到換能器上的電壓與通過所述換能器的 電流之間的相位差，所述相位差為頻率的函數。方便地，然後由頻率調節器 將第一頻率選擇為等於與相對於觸針的頻率特性的相位差的局部梯度中的 絕對最大值對應的頻率。有利地，所述第一頻率選擇為等於與相對於頻率特 性的V/I相位差中正局部梯度和負局部梯度中至少 一個對應的頻率。
換句話說，所述第一頻率優選地設定為小於或大於觸針的固有振動頻率 的最大值和/或對應於V/I相位差圖形中最大梯度區域的頻率。這可以通過在 頻率增加時測量相鄰頻率步驟之間的V/I相位差中的變化而實現。如果它大於當前存儲的最大值，則該相位差(及其相關頻率)用於代替所存儲的最大 值。然後步進到下一個頻率並且重複以上過程，直至達到最大頻率。
有利地，所述頻率調節器設置為在第 一頻率範圍上執行初始頻率掃描。 這可以由用戶啟動或自動啟動。例如，初始頻率掃描可以在打開電源時或重 新啟動時、更換電池之後、觸針改變之後或檢測到某種操作錯誤時執行。所 述第一頻率範圍可以較寬並可以包含裝置的整個工作範圍(例如，
15-35KHz)。
方便地，所述頻率調節器設置為在第二頻率範圍上執行微調頻率掃描， 所述第二頻率範圍比所述第一頻率範圍窄。所述微調頻率掃描的第二頻率範
圍優選地包含之前確定的第一頻率。在初始化及微調頻率掃描期間使用的頻 率步進可以根據需要不相同或相同。在頻率掃描期間頻率步進還可以改變以 使得確定第 一 頻率的正確性最大化並且執行頻率掃描所需的全部時間最d 、 化。
因而可以執行所述微調頻率掃描以重新計算用於接觸感測的第一頻率。 如果隨著時間的推移在探頭的共振頻率中出現微小變化，則執行所述微調頻 率掃描可能會是必要的。由於已經在初始頻率掃描期間確定了第一頻率，所 以可以在窄得多的頻率範圍上執行微調頻率掃描。例如，第二頻率範圍可以 為500Hz的範圍並且可以以之前確定第一頻率為中心。因為在比初始頻率掃 描短得多的頻率範圍上執行微調頻率掃描，所以通常執行比較快。這種微調 操作可以周期性地執行，例如，在探頭離開備用模式以便進行測量的任何時 候均可執行。
有利地，接觸傳感器設置為對施加到換能器上的電壓與通過所述換能器 的電流之間的相位差和閾值相位差進行比較。閾值相位差值可以在計算第一 頻率時由頻率調節器確定。通常，所述閾值相位差設定為當未經阻擋的觸針 在第一頻率上振動時一定比例的V/I相位差。例如，對於正梯度，所述閾值 可以設定為所述頻率調節器在第一頻率上確定的V/I相位差值之下的第 4/180個數值。閾值的準確值將依賴於各種探頭及操作環境因素；太高的閾 值會導致錯誤觸發，而太低的閾值則會導致輕微的表面接觸或與軟性表面的 接觸^l忽略。另外，所述閾值可以在使用時改變，這增加了例如在預計有表 面接觸時的感測靈壽文度。有利地，所述裝置包括接觸信號線，所述接觸信號線能夠在施加到換能 器上的電壓與通過所述換能器的電流之間的電位差降至所述閾值相位差以 下的任何時候可用。因此，接觸信號線提供了觸針何時與表面接觸的指示。 在所述接觸信號線與其相關的裝有探頭的坐標測量臂或測量機之間可以提
供電連接；這允許所述坐標測量裝置在發生表面接觸的任何時候存儲或輸出
位置數據。
所述接觸傳感器可以包括用於測量所述換能器上電流的電流表以及用於 測量所述換能器上的電壓的電壓表。所述電流表可以包括用於測量與換能器
和振蕩器串聯的電阻上的電壓的電壓表。正弦電壓(V)信號和電流(I)信
號可以被轉換為方波信號，可以對這些信號的上升邊緣和/或下降邊緣之間的
時間延遲進行測量以確定相位差。V/I相位差可以用絕對時間間隔表示或者
用參考時鐘產生的計數表示。所述接觸傳感器可以包括現場可編程門陣列
(FPGA),所述FPGA配置為監測電壓和電流相關信號之間的相位差。所述 FPGA還可以被編程以實現頻率調節器或控制振蕩器的操作。
有利地，所述換能器包括至少一層壓電材料。優選地，所述換能器包括 壓電堆疊，所述壓電堆疊包括至少兩層壓電材料。在堆疊中提供兩層或多層 壓電材料降低了進行一定量的運動所需的最大電壓。所述壓電堆疊可以包括 兩層壓電材料，所述兩層壓電材料之間夾有第一電極並且在其最外面的表面 上具有一對外電極(通常與之電氣連接)。
有利地，所述第一頻率選擇為位於超聲波頻率帶中。方便地，所述第一 頻率大於15KHz或大於20KHz。優選地，所述第一頻率小於40KHz、 35KHz 或30KHz。
優選地，所述裝置包括探頭主體及可釋放地安裝的觸針。所述探頭主體 還可以包括換能器、振蕩器、接觸傳感器、電池等。所述觸針可以通過螺絲 釘安裝到探頭主體的觸針底座上，所述觸針底座通過機械方式連接到換能器 上。然後，具有不同長度、硬度等的各種觸針可以根據需要安裝到探頭的頭 部上。有利地，所述觸針的軸具有中空芯。在所述中空芯中提供附加的塊狀 物(mass)允許該塊狀物有效地添加到所述觸針的末梢。該塊狀物優選地僅 安裝在所述觸針中空芯的遠端。將額外的塊狀物添加到觸針的末梢降低了其 軸向固有頻率，從而可以用於限定所述觸針的固有頻率。例如，額外的塊狀物可以位於所述中空芯中，以便確保所述固有頻率位於所述裝置的可操作頻
率範圍中(例如，低於35KHz)。
各種振動模式可發生在不同的驅動頻率。有利地，所述第一頻率選擇為 與縱向觸針共振模式相一致。對於接觸感測應用而言，觸針中激發的縱向(軸 向)振動模式而不是橫向(徑向)振動模式是優選的，因為這種模式的阻尼 不受接觸方向的影響。
坐標定位機可以包括本發明的接觸感測探頭裝置。所述坐標定位機可以 包括手動測量機(例如，在EP0730210中描述的鉸接臂)、電動CMM或機 床。
根據本發明的第二方面，提供了一種配置振動探頭的方法，所述探頭包 括以機械方式連接到觸針的換能器，所述方法包括以下步驟(i)將交流電 施加到所述探頭的換能器上以使所述觸針發生振動，(ii)監測施加到換能器 上的電壓和通過所述換能器的電流之間的相位差，以及(iii)確定用於在接觸 感測操作期間驅動所述換能器的第一頻率，其特徵在於，所述步驟(iii)包 括確定？ 1起機械共振但偏離機械共振頂部中的最大值的第 一頻率。
優選地，所述步驟(iii)包括步驟選擇第一頻率使得當所述觸針接觸 物體時施加到換能器上的電壓與通過所述換能器的電流之間的相位差中的 變化最大化。可以通過以前面所述的方式對作為頻率函數的V/I相位差進行 分析進行頻率的選4%。例如，可以執行一個或多個頻率掃描以確定相對於未 受阻擋的觸針的頻率特性在V/I相位差中局部梯度中的正值或負值最大值。
方便地，所述方法還包括步驟(iv)操作振動探頭以便檢測其與表面的 接觸，其中，所述第一頻率的交流驅動信號在所述操作期間被施加到所述換 能器上。


現在將藉助示例，參照附圖來描述本發明，其中 圖1示出了本發明的探頭的截面圖； 圖2示出了用於驅動圖1所示探頭的壓電堆疊的電路圖； 圖3示出了如何從所施加的電壓(V)和驅動電流(I)方波信號產生有 效計數的示意圖；圖4表示作為施加到圖1所示探頭上的驅動信號的頻率的函數的V/I相
位差；
圖5表示當探頭與各種表面接觸時在I-V相位差上的作用的示意圖6示出了對探頭的振動頻率進行微調的示意圖7為示出如何確定探頭裝置的操作頻率的流程圖；以及
圖8示出了用於驅動單個壓電元件的電路圖。
具體實施例方式
參照圖1，其中示出了本發明的探頭2。
探頭2包括探頭主體4，用於安裝在坐標定位機上。在這個實施例中， 探頭2為手動掃描探頭，適用於安裝在可攜式鉸接測量臂上。探頭2包括可 釋放安裝的觸針6以及壓電堆疊8，所述壓電堆疊8由驅動電路IO驅動。這 種設置允許觸針6在需要的頻率上發生振動。下面參照圖2對壓電堆疊8及 其相關的驅動IO進行更加詳細地描述。
在探頭主體4中提供有殼體12,殼體12具有前膜片14和後膜片16。殼 體12構造為與壓電堆疊8以機械方式隔離。壓電堆疊8通過螺栓18連接到 探頭主體4，所述螺栓穿過後膜片16上的孔。觸針通過前膜片14上形成的 孔連接到壓電堆疊8。在這種方式中，裝置的振動部件可以與固定的探頭主 體以機械方式相隔離。因此，壓電堆疊8的快速膨脹和收縮可以被轉換為觸 針的縱向振動，其中探頭主體發生最小的相關振動。
在與本申請一同處於未決狀態的英國專利申請0608998.1的優先權的國 際專利申請(PCT)中，更加詳細地描述了探頭2的機械振動隔離特性；該 國際申請的內容在此引入作為參考。
參照圖2，其中更加詳細地示出了用於驅動壓電堆疊8的電路。
壓電堆疊8包括極化壓電材料形成的第一層20和第二層22。所述極化 壓電材料形成的第一層和第二層之間夾有第一電極24。另外，極化壓電材料 形成的所述第一層20和所述第二層22中的每層構造為使得它們的正極化表 面(圖2中用"+，，示出)與第一電極24相接觸。外部電極26和28相互電 連接並且均4妄地。
頻率合成器30生成交流電(正弦波)信號，所述交流電信號由放大器31進行放大從而提供AC驅動信號。頻率合成器30和放大器31 —起提供振 蕩或AC發生器。AC驅動信號經過電阻36通到第一電極24。當AC驅動信 號施加到第一電極24時，壓電堆疊8將被驅動發生振動。頻率合成器30設 置為提供具有可變頻率輸出的AC驅動信號，從而允許壓電堆疊8在引起所 需要的觸針振動的驅動頻率上發生振動。
壓電堆疊8還用作換能器。在電阻36之前，從放大器41的輸出中分出 電壓參考信號("Ref. Sine")。還在電阻36和壓電堆疊8之間的點上對表示 流經壓電堆疊8的電流("Piezo sine")的電壓進行測量。電壓參考信號(Ref. Sine)和電流信號(Piezo sine)均通過過零糹企測器34並且被分別轉換為方 波信號"Ref In"和"Piezo In"。方波信號"Refln"和"Piezo In"流到現場 可編程門陣列(FPGA) 38, FPGA 38包括嵌入的微處理器內核。FPGA 38 還控制頻率合成器30的操作，並且包含定時電路(未示出)，所述定時電路 用於測量相位差和操作者傳感器的電容，如下所述。
參照圖3，其中更加詳細地描述了 FPGA38的操作。如上所述，使用過 零檢測電路34將指示通過壓電堆疊的電壓(V)和流過壓電堆疊的電流(I) 轉換為方波。這些方波然後^f皮輸入到FPGA38。
在FPGA38中，"Ref. In"和"Piezo In"信號被同步到主時鐘，所述主 時鐘比輸入信號運行在高得多的頻率上。在"Piezo In"信號的上升邊緣上， 計數器清零。然後，當"Ref. In"和"Piezo In"信號處於"高"邏輯值時計 數器增加，直至在"Piezo In"輸入的下一個邊緣上計數器清零。計數器鎖 定在"Ref. In"信號的下降邊緣上，在時周期上給出一個"有效計數"。
從圖3A中可以看出，有效時鐘周期計數給出參考信號和壓電信號之間 的時間延時或相位差。具體地，圖3A表示當所述壓電堆疊在非共振頻率上 被驅動時"Ref. In"和"Piezo In"之間的相位關係。由於"Ref. In"和"Piezo In"信號分別指示電壓(V)和電流(1)，所以這裡對所測量的相位差也命 令為V/I相位差。
圖3B示出了當"Piezo In"信號的相位由於驅動頻率接近機械共振頻率 而相對於"Ref. In"信號發生漂移時所出現的相位關係。在這個機械共振頻 率上，可以看出，V/I相位差(即，有效計數)被最大化。
如上所述，圖3示出了在"Piezo In"信號的上升邊緣對信號計數器清零，以及在"Ref.In"信號的下降邊緣上對計數器進行鎖定。但是，應當注意， 也可以在"Ref. In"信號的上升邊緣對信號計數器進行清零以及在"Piezo In" 信號的下降邊緣對計數器進行鎖定。這也可以產生指示所述V/I相位差的計 數值。
在開始或清零時，頻率合成器30設置為執行初始頻率掃描。這使得能夠 將所述V/I相位差確定為施加在壓電堆疊上的AC驅動信號的頻率的函數。
參照圖4，電壓-電流(V/I)相位差表示為施加到壓電堆疊8上的驅動電 流的頻率的函數。雖然初始頻率掃描通常在一個寬的頻率範圍(例如， 15-35KHz)上執行，為清楚起見，圖4僅表示了在頻率範圍17-18KHz上的 V/I相位差。可以看出，V/I相位差中的頂部40出現在結構的共振頻率的位 置上。
在共振頂部40周圍，對於小的頻率變化，會出現大的V/I相位差。該裝 置包括驅動頻率調節器，用於確定在與共振頂部相關的轉折點周圍的曲線梯 度為正及為最大值處的頻率；這個頻率被認為是最佳驅動頻率，在圖中顯示 為線44。這個區域的梯度用線42表示。然後設定振蕩器以將AC驅動信號 施加到具有第一驅動頻率的壓電堆疊。這個第一驅動頻率設定為等於或盡可 以接近最佳驅動頻率。在這個實施例中，頻率合成器30可以僅在5Hz的步 進中設定，因此最接近最佳驅動頻率的頻率步進被設為第一驅動頻率(如線 46所示)。FPGA38可以配置為實現驅動頻率調節器或可以由單獨的處理器 實現的裝置。
如上所述，當振動觸針接觸到表面時，壓電堆疊的振動被阻擋或者改變 了它們的振動特有模式。這改變了壓電堆疊的阻抗，從而在V/I相位差中產 生了可以測量的變化。
圖5表示作為探頭驅動頻率函數的V/I相位差特性，所述探頭處於自由 空間中或與不同表面接觸。圖5中的曲線50表示未受到阻擋的探頭(即包 括在空中自由振動的觸針的探頭)的V/I相位特性。曲線52、曲線54和曲 線56表示相同探頭的觸針分別與橡皮泥、金屬和塑料相接觸時的V/I相位 差特性。應當注意，獲得圖5中數據的探頭與參照圖4所描述的探頭具有不 同的固有頻率。
在使用中，振蕩器用於在頻率調節器確定的第一驅動頻率上振動探頭；這個第一驅動頻率在圖中用虛線58表示。V/I相位閾值(用虛線60表示) 被設定在為第一驅動頻率上未受阻擋的探頭所測量的V/I相位差以下的一個 數值上。可以看出，對探頭的任何顯著的阻擋(例如，由曲線52、 54和56 中任一曲線所示)導致V/I相位差降至V/I閾值之下，從而提供這樣的指示， 即觸針已經與表面相接觸。當V/I相位差降到這個閾值之下時，探頭觸針被 認為與表面相接觸，並且接觸信號線能夠指示相關的測量臂獲取位置數據 點。如果V/I相位差高於閾值，則接觸信號線被禁用。
閾值根據經驗進行設定，從而給出足夠的靈敏度但是避免錯誤觸發。將 接觸閾值計數設定得太高可能會導致探頭過於靈敏，從而有可能產生錯誤觸 發。反之，將接觸閾值計數設定得太低則可能會降低探頭的靈敏度，這可能 意味著不能測量與某些軟材料(例如，像皮泥)的接觸。在這個實施例中， 所測量的平均相位計數被測量並且乘以因子4/180。這個因子對應於四級相 位變化；從所測量的平均相位計數中減去作為結果的第4/180個相位計數值， 成為接觸閾值計數。測量過程使用這個接觸閾值計數值來確定探頭是否與表 面相4妾觸。
正如參照圖4所作的描述，探頭執行初始寬頻掃描(例如，在15-35KHz 的範圍上)以確定最佳驅動頻率。 一旦這個寬頻掃描結束，根據需要隨後可 以在較窄的頻率範圍上(例如，在500Hz的範圍上)執行頻率掃描，以便在 需要時重新測量或調整最佳驅動頻率。
在這個例子中，探頭還設置為在保持通電但沒有實際使用時進入睡眠模 式。在睡眠模式中，壓電驅動電壓和相位監測停止而操作者傳感器被監測。
操作者傳感器包括電容傳感器，所述電容傳感器用於在操作者接觸探頭 時進行感測。 一個簡單的脈衝發生器向FPGA38提供一定頻率的脈衝，所述 頻率依賴於電阻-電容網絡的充電時間。電容為柔性電路板的形狀，在一側 上包括兩個平行的銅軌，而在另一側上沒有銅，其包裹在4果頭主體周圍。所 述銅軌通過其塑料殼體與探頭主體絕緣，並且通過電路板材料與操作者絕 緣。 一個銅軌通過導線連接到發生器的感測輸入端，另一個銅軌通過導線連 接到探頭的地端。鋁製標籤覆蓋電路板沒有銅的一側。標籤通過電導使得操 作者在銅軌環形換能器上的作用最大。
當操作者接觸標籤時，操作者到地端之間的電容改變了連接到脈衝發生器的整個電容。這導致較低的頻率脈衝輸出。在開始時，通過同步脈衝及計
數其持續時間，FPGA以與測量相位相類似的方式測量所生成的脈衝的輸出 頻率。觸碰閾值設為其當前讀數的125%。當所測量的計數超出這個閾值計 數時，假定操作者正手握探頭。
上述情況是假定在"打開"狀態下操作者沒有手握探頭。通過向軟體添 加一些更高的複雜度，可以使系統與在打開狀態下被握住的探頭一同工作。 例如，在"打開"狀態時，可以測量電容並計算兩個閾值； 一個處於當前所 測量脈衝持續時間的90%,另一個處於125%，如前所述。系統與通常情況 一樣經過其初始調節過程以及閾值設定，然後進入等待操作者傳感計數中的 變化的狀態。顯示一個"睡目民，，LED以向操作者表示探頭還沒準備好進行測 量。如果計數超出上限閾值，則假定探頭沒有被握住並且將恢復正常操作。 如果計數下降，則假定操作者已經注意到探頭沒有準備好測量並讓其工作。 現在系統將閾值重新計算為當前所測量值的125%,並在之後為正常操作作 好準備。
雖然前面描述了電容傳感器，但是各種其它裝置也可以作為操作者傳感 器用於相同的目的。例如，可使用傾斜開關、加速器、使能按鈕或接近度換 能器，以取代電容傳感器。
當在"睡眠"模式期間對操作者進行感測時，可以隨後在整個頻率範圍 的一部分和前面所確定的最佳驅動頻率附近的中心頻率上對堆疊進行更短 的頻率掃描。這種短頻率掃描或"微調"頻率掃描的例子顯示在圖6中，其 中，線64和66分別表示低微調頻率限制和高微調頻率限制。通常，這個窄 帶頻率掃描將在花費操作者手握並定位探頭的時間以內執行。
這種類型的電源關閉方案將降低電源消耗，從而延長電池使用壽命，同 時能夠維持探頭的正確性。然而，這種方案並非是必不可少的。如果電源消 耗不是問題或者如果需要連續使用探頭，則可以關閉睡眠模式或從探頭裝置 中去除。
壓電堆疊的機械特性和電氣特徵可以隨溫度變化，從而發生器的機械特 性和電氣特徵也是如此。這可以通過在用戶握住探頭的任何時間執行短時重 新調節得以補償。關於溫度補償的更多細節可以在我們的國際(PCT)專利 申請中找到，所述國際專利申請要求英國專利申請0608999.9的優先權，其內容引入本說明書作為參考。
參照圖7的流程圖，以下描述一種用於執行頻率掃描以確定用於接觸感 測的第一頻率的方法。應當注意，所描述的方法用於在正梯度中找到一個最 大值。
在開始，步驟70將所需頻率步進的大小設定為大。步驟71確定是否需 要進行整個頻率掃描或是短頻率掃描。當探頭打開或重設時，選擇整個頻率 掃描並且執行步驟72(b)。在所有其它情況下(例如，在退出睡眠模式之後) 選擇短頻率掃描並執行步驟72(a)。因此，頻率掃描的開始頻率和結束頻率 (分別為start—freq和end—freq )根據是否需要寬頻掃描還是窄頻掃描設定。 參考驅動頻率被設定為開始頻率。
步驟73等待直到平均V/I相位差測量可以進行。當這種測量可以進行時， 步驟74將數值保存為先前相位計數值(Previous_phase—count )，並且增加所 需要的頻率步進正在驅動的壓電堆疊所在的參考驅動頻率。
現在進入主頻率掃描環路。步驟75等待直到平均V/I相位差測量在新的 頻率上可以進行。當這種測量可以進行時，步驟76將新的相位計數保存為 當前相位計#t值(Current_phase_count ) ， 乂人先前的相位計悽t值 (Previous_phase—count)中減去當前相位計數值從而得到相位差計數值 (Delta_phase—count )。
步驟77確定是否存在足夠的讀數來執行移動平均梯度計算。如果回答是 "否，，,則步驟78(a)將相位差計數值(Delta_phase—count)添加到累加器中， 增加累加器計數並將當前的平均梯度(Current_av_gradient)設為零。如果存 在足夠的讀數，則步驟78(b): (i)對累加器讀數進行平均化處理並將值保 存為平均讀#t ( av—rdg ) ， (ii)將Delta—phase—count加到累加器中並從中減去 av_rdg ，以及(iii)將累加器悽K直寸呆存為Current—av_gradient 。
步驟79檢測步驟78 (a)或78 ( b )中確定的Current_av_gradient值是 否小於零。如果Current—av—gradient值小於零，則頻率對應於負梯度，從而 不是我們所感興趣的(即，由於在這個例子中需要正梯度區域)。在這個實 施例中，步驟80將頻率步進設定為大，並且直接執行步驟83和84(即，不 執行步驟81和82 (a)或82 (b))。
如果Current_av_gradient值不為負值，則當前設定的振蕩器驅動頻率可以對應於感興趣的區域。然後執行步驟81以便確定Current—av一gradient是否 大於或等於所存儲的之前的最大梯度值(Max—gradient)。如果回答是否，則 步驟82(a)在執行步驟83之前將頻率步進大小設定為小。如果 Current_av_gradient值大於或等於Max—gradient值，則步驟82 ( b ): (i)將 Max—gradient設定為等於Current—av—gradient值，(ii)將當前驅動頻率設為 最佳驅動頻率(optimum—freq_setting), (iii)將頻率步進設為小。步驟83將 Current_phase—count值保存為Previous_phase—count值。
步驟84將當前參考驅動頻率與最後頻率進行比較。如果它們相等，則步 驟85(a)將參考驅動頻率增加所需的步進，並從步驟75重複執行上述方法。 當頻率相等時，掃描結束。然後步驟85(b)將第一頻率(即，將用於接觸感 測期間的頻率)設為等於optimum—freq_setting值。
雖然前面描述了 V/I相位差中的最大、正值梯度，但是應當注意，驅動 頻率調節器和相關的頻率掃描方法可選擇地設置為，確定與共振頂部相關的 轉折點周圍的曲線梯度所在的頻率是否為負值及是否為最大值。正如從圖5 中可以看到的，如果選擇了負梯度上的頻率，則V/I相位閾值應當設定為大 於在自由空間中測量的未受阻擋的V/I相位值。
作為另一個替代方案，驅動頻率調節器和相關的頻率掃描方法可以設置 為確定絕對值最大(即與正負符號無關)梯度。在所找到的絕對值最大梯度 的情況下，與這個最大值相關的梯度的符號可用於表示V/I相位闊值是否應 當比自由空間的振動相位更高或更低；對於正梯度，閾值應當更低，而對於 負梯度則需要更高的闊值。
前面參照圖1和圖2描述的探頭包括兩層壓電堆疊8。但是，應當記住， 也可以提供單個壓電元件。
參照圖8，其中示出了用於驅動單個壓電元件的電路。與參照圖2所描 述的部件類似的電路部件採用相同的參考標號。
電路包括單個壓電元件108，其夾在電極110和112之間。頻率合成器 30提供正弦波輸出，所述正弦波輸出被饋送到差分放大器131中以提供反相 驅動信號和正相驅動信號。反相驅動信號通過第一電阻136到達電極110， 並被用於驅動壓電元件的第一側。正相驅動信號通過第二電阻137到達電極 112,並被用於驅動壓電元件的第二側。正相驅動信號和反相驅動信號的電極範圍為最大正向電壓和最大反向電壓之間。由於兩個驅動信號相反，所以 極化元件的兩側將在所施加的正弦運動的頻率上膨脹和收縮。因此，運動量
類似於參照圖2的雙元件壓電堆疊，在圖2所示的雙元件壓電堆疊中每個元
件的一側由單^f及驅動信號驅動而另 一側則"f妄地。
來自頻率合成器30的參考信號"Ref. sine"被輸入到過零檢測器34。 通過元件的差分信號被輸入到儀表放大器140。放大器140的輸出為"Piezo sine"信號，所述"Piezosine"信號也被輸入到過零檢測器34中。從這個點 而言，"Ref. sine"和"Piezo sine"的處理與上述情況相同。使用單個元件的 好處在於，探頭的製造成本將更加便宜並且可以縮短其長度。多個元件的壓
絕緣。因此可以根據需要為具體應用選擇用在探頭中的壓電元件。
雖然上述實施例描述了手動定位臂的探頭的使用，但是應當注意，這樣 的探頭可用於任何類型的測量機上。例如，這裡所描述類型的探頭可用在任 何手動測量機、電動CMM或工具機上。事實上，這種探頭可以在需要低壓力 接觸感測的任何時候有利地使用。如果使用了電動信號，則探頭可進一步包 括超程機構(例如，被動運動支撐)，所述超程機構可重複地返回給定位置 和方位以便在接觸感測期間防止損傷。
權利要求
1. 一種接觸感測探頭裝置，包括觸針、以機械方式安裝到所述觸針上的換能器、將交流電提供給所述換能器以便引發所述觸針振動的振蕩器以及用於監測施加到所述換能器上的電壓和流到所述換能器的電流之間的相位差的接觸傳感器，其中，所述振蕩器在接觸感測期間向所述換能器提供第一頻率的交流電，其特徵在於，選擇所述第一頻率以便引起機械共振但是將該第一頻率選擇為偏離機械共振頂部的最大值。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述第一頻率被選擇以使得當所述觸針接觸表面時施加到換能器的電壓和通過所述換能器的電流 之間的相位差的變化最大化。
3. 根據前面任一權利要求所述的裝置，包括頻率調節器，用於執行建 立程序以確定所述第一頻率，所述頻率調節器設置為控制所述振蕩器，從而 改變施加到所述換能器上的交流電的頻率。
4. 根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述頻率調節器設置為 分析施加到換能器的電壓和通過所述換能器的電流之間的相位差，所述相位 差為頻率的函數，所述第一頻率選擇為等於與相對於所述觸針的頻率特性的 相位差的局部梯度中的絕對最大值對應的頻率。
5. 根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於，所述第一頻率選擇為等 於與相對於頻率特性的相位差中正局部梯度和負局部梯度中的至少一個對應的頻率。
6. 根據權利要求3-5中任一權利要求所述的裝置，其特徵在於，所述 頻率調節器設置為在第 一頻率範圍上執行初始頻率掃描。
7. 根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述頻率調節器設置為 在第二頻率範圍上執行微調頻率掃描，所述第二頻率範圍比所述第一頻率範圍窄。
8. 根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於，所述微調頻率掃描的第 二頻率範圍包含前面所確定的第一頻率。
9. 根據前面任一權利要求所述的裝置，其特徵在於，所述接觸傳感器 設置為將施加到換能器上的電壓與通過所述換能器的電流之間的相位差與閾值相位差進行比較。
10. 根據權利要求9所述的裝置，包括接觸信號線，所述接觸信號線能 夠在施加到換能器上的電壓與通過所述換能器的電流之間的電位差降至所 述閾值相位差以下的任何時候可用。
11. 根據前面任一權利要求所述的裝置，其特徵在於，所述換能器包括 至少一層壓電材料。
12. 根據權利要求11所述的裝置，其特徵在於，所述換能器包括壓電堆疊，所述壓電堆疊包括至少兩層壓電材料。
13. 根據前面任一權利要求所述的裝置，其特徵在於，所述第一頻率大 於15KHz。
14. 根據前面任一權利要求所述的裝置，其特徵在於，所述第一頻率小 於35KHz。
15. 根據前面任一權利要求所述的裝置，包括可釋放地進行安裝的觸針。
16. 根據前面任一權利要求所述的裝置，其特徵在於，所述觸針的軸具 有中空芯。
17. 根據權利要求16所述的裝置，其特徵在於，塊狀物保持在所述中 空芯中。
18. 根據前面任一權利要求所述的裝置，其特徵在於，所述第一頻率選 擇為與縱向觸針共振模式相一致。
19. 一種配置振動探頭的方法，所述探頭包括以機械方式連接到觸針的 換能器，所述方法包括以下步驟(i) 將交流電施加到所述探頭的換能器上以使所述觸針發生振動，(ii) 監測施加到換能器上的電壓和通過所述換能器的電流之間的相位 差，以及(iii) 確定用於在接觸感測操作期間驅動所述換能器的第一頻率， 其特徵在於，所述步驟(iii)包括確定引起機械共振但偏離機械共振頂部中的最大值的第一頻率。
20. 根據權利要求19所述的方法，其特徵在於，所述步驟(iii)包括步 驟選擇第一頻率使得當所述觸針接觸物體時施加到換能器上的電壓與通過 所述換能器的電流之間的相位差中的變化最大化。
21.根據權利要求19或20所述的裝置，包括步驟(iv)操作振動探頭 以便檢測其與表面的接觸，其中，所述第一頻率的交流驅動信號在所述操作 期間被施加到所述換能器上。
全文摘要
描述了一種接觸感測探頭裝置(2)，包括工件接觸觸針(6)、以機械方式連接到觸針(6)的換能器(8；108)以及用於將交流電施加到換能器(8；108)上以便引起觸針(6)發生振動的振蕩器(30，31)。還提供有接觸傳感器，用於監測施加到換能器(8；108)上的電壓和通過所述換能器的電流之間的相位差。所述振蕩器(30，31)設置為在接觸感測期間向所述換能器(8；108)提供第一頻率的交流電。這個第一頻率(46)選擇為引起機械共振但偏離機械共振頂部的最大值(40)。所述探頭可用於坐標定位機，例如可攜式鉸接測量臂、坐標測量機(CMM)及類似裝置。
文檔編號G01B5/012GK101443626SQ200780017010
公開日2009年5月27日 申請日期2007年5月8日 優先權日2006年5月8日
發明者尼古拉斯·約翰·韋斯頓, 詹姆斯·弗格斯·羅伯遜 申請人:瑞尼斯豪公司