專利名稱：尺寸測量探針的制作方法
技術領域：
本發明涉及用來測量物體尺寸的探針，該探針是與具有坐標定位功能的 設備結合使用的類型，所述設備諸如坐標測量設備、機床、機器人設備等等。
背景技術：
傳統上，當接觸觸針碰到物體時， 一種類型的尺寸測量探針產生觸發信 號，該觸發信號引起連接該探針的坐標定位設備記錄坐標。當探針移近物體 時，探針中的傳感器檢測觸針上的輕微載荷，從而檢測觸針和物體之間的接 觸。由于實踐中的原因，接觸觸針通常是細長桿，帶有變大的端部，所以其 可以觸及待測物體的特征。
所述觸針的桿不完全是剛性的，因為其相對來說較為細長，從而可以觸 及物體盡可能多的特征。因此，當承受來自垂直或者傾斜于所述桿軸線的物
體接觸所導致的側向載荷時，觸針桿將略微彎折，但是當承受基本上沿著所 述桿軸線的接觸所導致的載荷時，所述觸針桿將不顯著彎折。觸針支撐結構 也會發生彎折。而且，較之沿著觸針軸線的載荷所導致的彎折而言，當從側 向給觸針加載時，彎折會更大。
這種彎折的結果是引起觸發信號，該信號取決于物體表面與觸針桿軸線 的相對位置。換句話說，根據觸針桿相對于物體表面的傾斜，物體看起來似 乎具有不同的尺寸，這主要由觸針彎折引起，并且在較小程度上由觸針支撐 結構的彎折所引起。
解決該問題的一種途徑是校準探針，例如，當探針由于側向載荷而觸發 時，給坐標值提供校正系數，當探針由"在軸"接觸所觸發時，給坐標值提 供不同的校正系數。這種校準需要時間和校準制造物。并不總是能提供校正 系數，特別是在不知道接觸力沿著哪個方向施加到觸針的時候。
解決觸針彎折的另一種途徑讓檢測觸針位移的傳感器非常敏感。因此， 在發出觸發前，觸針發生很小的彎折。這樣做的缺陷在于，探針可能產生由 設備振動或者探針迅速加速或者遲滯所導致的虛假觸發信號。為了克服虛假
觸發，不得不用較為不敏感的傳感器，雖然這將在觸針初始接觸物體和發出 觸發信號之間產生輕微的延遲。發生這種情況是因為開始時在觸針上沒有足 夠的力來產生觸發信號。需要觸針(和探針)和物體之間產生進一步的相對 移動。這種進一步的相對移動被稱為"預移動)"，并且其與上述觸針桿和探 針機構的彎折有關。
觸針可以布置成讓其因側向載荷所引起的彎折與觸針桿軸向位移相同， 例如沿著所述桿定位彈性構件來模擬觸針桿的側向偏轉。這種機械式解決方 案帶來了問題，例如觸針振動和制造相對復雜。
發明內容
本發明提出了一種新的途徑
一種測量探針，通過沿著至少兩個不同的接近方向接觸物體來測量物體 的尺寸，所述探針包括
觸針，其具有物體接觸區域和基本上沿著軸線延伸的桿；
觸針接觸確定設備，其具有多個傳感器元件，每個所述元件具有輸出， 用來檢測觸針的物體接觸區域接觸物體；和
處理器，其用來處理所述傳感器元件的輸出，其中所述傳感器處理至少 兩個傳感器元件的輸出，以提供由觸針的物體接觸區域的預定位移所導致的 物體接觸觸發信號，所述位移沿著每個所述接近方向基本上相同。
于是，在本發明的實施例中，類似于圖2和3所示，作為物體接觸的結 果，發出接觸觸發信號，并且在任何一種情況下，僅當觸針接觸區域沿著其 觸發方向的位移為相等的量(圖2中的z或者圖3中的x)時，才發出觸發 信號，而不考慮由觸針桿彎折引起的些許位移(d)。所以，當觸發信號發出 時，觸針的位置并不取決于形成接觸的方向，而是當觸針尖端或者物體接觸 區域沿著任何方向彎折預定的量時，才發出觸發信號，其中所述預定的量沿 著位移的各個方向是相同的。
優選所述輸出在處理器處組合。
優選來自傳感器元件的輸出根據算法或者方程在處理器處組合。優選所 述算法或者方程是
<formula>formula see original document page 4</formula>
其中ARt、 AR2和AR3表示傳感器元件的輸出。
可替代地，來自所述傳感器的輸出在處理器處處理，從而與預定數據比較。
優選所述探針包括探針主體，且優選所述處理器設置在所述探針主體內。
參照附圖，本發明的實施例將在以下段落中詳細說明，其中 圖la和lb是示意圖，示出了根據本發明的測量探針，圖lb是沿著圖 la中的線lb-lb的截面；
圖2和3示出了使用中的圖1所示的測量探針；
圖4和5是相應于圖la和lb的視圖，但是示出了測量探針的實際示例；
和
圖6是探針處理器的示意性電路框圖。
具體實施例方式
在圖la中示出了測量探針10,該探針具有主體12，主體12連接到機 床14的心軸。探針具有觸針20，該觸針具有觸針尖端24和細長桿22，觸 針尖端用來接觸物體，在本例中，物體是工件50 (圖2和3 ),細長桿22沿 著軸線40延伸。桿22通過應變感知傳感器30連接到主體20。傳感器30 在圖lb中以平面圖示出。三根相當剛性的輻條32,每根具有應變計34，其 連接到輻條上用來感知每根輻條的應變，例如當工件50和觸針尖端24之間 接觸時。連接有處理器16來接收每個應變計的輸出。
在使用中，探針10相對于工件50沿著X、 Y和Z方向移動。在觸針尖 端24和工件50之間形成各種接觸來確定工件50的尺寸。產生接觸時，應 變施加在傳感器34上。應變計34的輸出形式為阻抗的變化，并且被處理器 16以下述方式進行處理，且如圖6所示，從而產生觸發輸出信號。來自處理 器16的觸發信號可以用來記錄機床的位置，從而確定工件50的尺寸。
圖2示出了圖la和圖lb中的探針和工件50。在圖2中，在處理器16 發出觸發信號前，觸針20已經縱向偏移了一定的量z。需要有力將應變傳遞 到應變計34并因此導致觸發信號。
圖3也示出了圖la和圖lb中的探針和工件50。在圖3中，觸針20已
經橫向偏轉了距離X,從而產生觸發信號。
當觸點位于尖端側部時(如圖3那樣)，用來產生觸發信號的力將導致 觸針彎折。傳統上，Z<X,因為觸針沿著縱向比橫向剛性更大。如果Z〈X,則
工件50沿著X (和Y)方向的表象(apparent)測量尺寸將不同于沿著Z方 向的表象測量尺寸。
但是，在本實施例中，當z近似等于x時，產生觸發信號。這是通過將 來自處理器16內的三個應變計輸出相結合來實現，以形成如下的應變計輸 出G:
G =丄{△《+ M22 + Ai 32 + / (A^Ai 2 +碼A^ +
其中a是正則化(normalisation) /定標(scaling )系數，AR, 、 AR2和AR3 表示三個應變計34的阻抗變化，而(3是取決于傳感器30結構的應變特性和 觸針20應變特性的另 一 系數。
上述方程背后的原理在于，每個應變計的輸出可以分解為純粹來自沿著 軸線40作用的接觸力分量的分量和純粹來自垂直于該軸線作用的接觸力分 量的分量。應變計輸出的這些分量然后組合并被處理，以給出沿著X和Y 方向的敏感度，與沿著Z方向的敏感度相比。這種處理的結果是由沿著Z 方向(如圖2所示)的接觸所產生的物體檢測可能敏感性降低，使得當接觸 的類型如圖3所示時，需要更大的力來產生觸發信號。因此，可以讓距離z 和x相等或者基本上或者近似相等，而不管x偏轉具有來自彎折的觸針桿22 的分量。相同但是相對的效果也發生在x和z之間的所有方向上。這使得接 觸信號觸發輸出獨立于接觸方向。因此，觸針尖端沿著任何方向相對于觸針 的預定移動都產生觸發信號輸出。
處理器16優選包括模擬電路組合。處理器16以已知方式配置有模塊 16A，該模塊根據上述方程實時計算G。該處理器還包括模塊16B,其配置 成當G的值超過預定閾值時，產生觸發輸出。處理器16的這種電路可以實 施為專用集成電路(ASIC)。
但是，可替代地，處理器16可以實施為數字形式，帶有適當編程的數 字算法單元。應變計的輸出可以用模數轉換器轉換為數字信號。處理器16 可以包括程序模塊，其相應于模塊16A和16B。上述方程可以保持在處理器 16內的非易失性存儲器中，則該處理器可以持續檢測并處理應變計的輸出。
可替代地，處理器16可以實時將應變計輸出與數據表比較。如果比較值指出應變計的輸出正在指示觸發條件，則產生觸發信號輸出。在實踐中， 這可以通過例如為每個應變計使用模數轉換器來實現，所述轉換器的輸出形 成連接到數據表存儲器的地址總線。可以使用來自存儲器的"0"(無觸發) 或者'T，(觸發)輸出。
a和p值在給定測量過程中通常保持不變。但是，可以向它們施加小改 變，例如來提供更低的振動敏感度，或者用來檢測探測方向(Z相對于X、 Y)。觸針長度變化可以通過改變(3值來適應，或者如果使用數據表的話，對 于不同的觸針有不同的表。用于所述表的數據可以預編程或者通過訓練觸針 來"教導，，，并且教導探針在特定偏轉時觸發。數據之間的間隔可以用網格 算法來填充。處理器16可以遠離探針，例如位于探針和該探針所連接的設 備之間的接口上。
上述方程假設應變計34關于軸線Z對稱，但是利用改動，類似的方程 可以用于具有兩個或者更多個感知元件的傳感器30的其他配置。
傳感器30示出具有沿著軸線Z徑向延伸的應變計。但是，傳感器不是 必須使用應變計，且感知元件也不是必須徑向延伸。例如，感知元件可以是 類似LVDT的位移傳感器、線性編碼器或者電容傳感器。它們的布置可以沿 著軸向或者位于允許感知觸針接觸的任何位置。
實際的探針機械布置通過示例如圖4和5所示。應該理解，其他布置也 是可行的。為清晰起見，圖4中的探針示出是沿著圖5中的4-4所示截面切 開的截面圖。該截面并不完全平坦，而是包括彼此成120。的兩個平面。
示出了尺寸測量探針110，其可以經由凸臺112連接到設備115。該設 備通常是可以確定探針在xy和z平面內坐標的設備。
所述探針具有觸針114，該觸針包括尖端116,用來與工件或者其他待 測制造物150接觸。所述探針被該設備相對于制造物150移動，且觸針尖端 與制造物150的接觸由探針110內的機構感知。所述探針產生觸發信號，該 信號發送到所述設備，從而確定所述探針的坐標。以此方式，可以獲得所述 制造物表面的坐標。
探針110包括主體118、電路板120、彈簧盒122、壓縮彈簧124、觸針 114的上構件126和應變感知元件130。電路板120包含上述關于圖1-3和圖 6討論的處理器16。其他布置當然也是可行的，例如撓性電路板可以呈圓柱 形圍繞探針的機械部件。在4喿作中，沿著x、 y和z方向或者這些方向的組合，向觸針尖端施加 力。所述力導致傳感器元件130的徑向延伸臂132相對于主體118彎曲，所 述傳感器元件固定到所述主體118的中部137。沿著x或者y方向過度的力， 或者沿著z方向將觸針從探針主體拉開，將導致傳感器元件130和主體118 之間的間隙128閉合。于是，傳感器元件130上無法產生過度的應變。觸針 上額外的力導致彈簧124壓縮，使得觸針上構件或者觸針保持器126和傳感 器元件130之間的連接抵抗壓縮彈簧124的力而斷開。取消所述額外的力將 允許觸針重新抵靠傳感器元件130。該上構件126和傳感器元件130之間的 接觸呈現動態定位形式，所述動態定位具有總共六個接觸點。在本例中，所 述動態定位由傳感器上的三個球131形成，每個球嵌在構件126上的一對輥 子127之間。于是，具有優勢的是，如果過度的力施加在觸針上，可以重新 抵靠在可重復抵靠的位置上。但是，非動態定位也是可行的。
圖5更為詳細地示出了傳感器元件130。所述元件130例如生產成一個 車削金屬件。在使用中，附著到元件130表面的三個球131中的每一個都具 有施加于其上的力。當觸針尖端116接觸工件時，施加到球上的力發生變化。 這反過來又導致在徑向臂132內感生出應變。半導體應變計133固緊到每條 臂132。如果所述臂內的應變發生變化，則每個應變計產生輸出的變化。于 是，可以檢測到觸針與制造物150接觸。
圖中示出了三條徑向延伸的臂132,當然也可以采用其他數目的臂。探 針的進一步或者替代細節在國際專利申請No. PCT/GB2006/001095中示出， 其通過引用包含在此。
權利要求
1.一種測量探針，通過沿著至少兩個不同的接近方向接觸物體來測量物體的尺寸，所述探針包括觸針，其具有物體接觸區域和基本上沿著軸線延伸的桿；觸針接觸確定設備，其具有多個傳感器元件，每個所述元件具有輸出，用來檢測所述觸針的所述物體接觸區域接觸物體；和處理器，其用來處理所述傳感器元件的輸出，其中所述傳感器處理至少兩個傳感器元件的輸出，以提供由所述觸針的所述物體接觸區域的預定位移所導致的物體接觸觸發信號，所述位移沿著每個所述接近方向基本上相同。
2. 如權利要求1所述的測量探針，其特征在于，所述傳感器元件的輸 出在所述處理器中組合。
3. 如權利要求2所述的測量探針，其特征在于，所述處理器根據算法 或者方程來組合所述傳感器元件的輸出。
4. 如權利要求3所述的測量探針，其特征在于，所述算法或者方程是<formula>formula see original document page 2</formula>其中AR,、 AR2和AR3表示所述傳感器元件的輸出。
5. 如權利要求2所述的測量探針，其特征在于，所述處理器將所述傳 感器的輸出與對照表中的預定數據相比較。
6. 如前述權利要求任意一項所述的測量探針，其特征在于，所述傳感 器元件是應變計。
7. 如前述權利要求任意一項所述的測量探針，包括探針主體，所述傳 感器設置在所述探針主體內。
全文摘要
一種位于坐標定位設備諸如機床上的用來測量物體尺寸的探針，具有工件接觸觸針(20)。所述探針經由傳感器機構(30)懸掛，所述傳感器機構包括應變計(34)，當所述觸針接觸工件時，所述應變計產生輸出。處理器(16)處理所述應變計的輸出，以產生觸發信號。產生應變信號是根據算法或者方程或者對照表來實現的，所述算法或者方程或者對照表保證沿著三個維度X、Y和Z在接近工件的所有可能方向上具有相等的敏感度。
文檔編號G01B5/012GK101171493SQ200680014933
公開日2008年4月30日 申請日期2006年5月8日 優先權日2005年5月10日
發明者喬納森·保羅·菲格, 蒂姆·普利斯蒂吉 申請人:瑞尼斯豪公司