專利名稱:測量和定位裝置的制作方法
本發(fā)明系關(guān)于一種用于測量特定工件的裝置，它包括一個檢測工件的傳感頭，一個傳感頭之驅(qū)動器和一個確定傳感頭走向距離(△X)的測量工具。本發(fā)明也同一種用于定位特定刀具的裝置有關(guān)，它包括一個刀架，刀架驅(qū)動器和確定刀架行程的測量工具。
已知的用來測量工件的測量裝置都有一個對工件感應(yīng)的機(jī)械傳感頭，該傳感頭由一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高度精密的導(dǎo)向器控制。要達(dá)到高的測量精密度，必須使用十分精密的導(dǎo)向器和剛性導(dǎo)向軸承。顯而易見，這些已知測量裝置的顯著缺點在于那些高度精密的導(dǎo)向器極為昂貴。結(jié)構(gòu)復(fù)雜的導(dǎo)向器還意味著要移動相對較大的質(zhì)量，因此只能以很低的傳感速度進(jìn)行工作。
本發(fā)明基于進(jìn)一步研制一種測量特定工件的裝置和一種定位特定工具的裝置的問題。上述的測量裝置具有對工件感應(yīng)的傳感頭，用于傳感頭的驅(qū)動裝置，及用于確定傳感頭行程(△X)的測量裝置，而所述的定位裝置包括刀架，用于刀架的驅(qū)動裝置，及用于確定刀架行程的測量裝置，從而可大大省去高度精密的機(jī)械導(dǎo)向器，而且可以提高傳感速度。
依照本發(fā)明的測量特定工件裝置是這樣解決這個問題的，在傳感頭上裝有一鏡面，一束電磁波，例如一束激光，對準(zhǔn)鏡面，傳感頭運動時至少有一個光電轉(zhuǎn)換器檢測反射波束的變化。
依照本發(fā)明的定位特定刀具裝置是這樣解決這個問題，也即在刀架上裝一鏡面，一束電磁波，例如一束激光，對準(zhǔn)鏡面，刀架移動時，至少有一個光電轉(zhuǎn)換器檢測反射波束的變化。
因此，根據(jù)本發(fā)明，傳感頭或掃描頭和刀架同實際的測量工具之間無任何機(jī)械連接。這種耦合是由一束電磁波來實現(xiàn)的，最好是一束激光，而與導(dǎo)向器無關(guān)。
本發(fā)明的較佳實施例中，一個或數(shù)個轉(zhuǎn)換器配置于一滑架上，滑架裝有一驅(qū)動器，根據(jù)反射波束的變化控制滑架位置，并且測得滑架的行程。
也可以不將光電轉(zhuǎn)換器固定安裝于運動的滑架上，而將光電轉(zhuǎn)換器裝成靜止不動，在滑架上裝一鏡面而且使傳感頭的反射波束對準(zhǔn)上述的靜止光電轉(zhuǎn)換器或若干轉(zhuǎn)換器。
可以如下方式使得滑架跟蹤傳感頭或者掃描頭或刀架的反射光束運動即將光電轉(zhuǎn)換器或數(shù)個轉(zhuǎn)換器的輸出信號保持不變。同時，滑架的移動響應(yīng)掃描頭或傳感頭的運動，從而足以達(dá)到高精度地測量滑架的行程。
傳感頭或刀架的運動方向和滑架的運動方向最好相互平行。在本發(fā)明較佳的實施例中，一束激光對準(zhǔn)一個五角棱鏡，以致其90°的折射與滑架位置無關(guān)。
如果傳感頭或刀架的運動方向和滑架的運動方向相互并不完全平行，滑架測得的只是位移的平行分量。若已知傳感頭或者刀架和滑架運動之間的夾角，就可以從位移的平行分量確定傳感頭或刀架的實際位移。
要減少對傳感頭或刀架的機(jī)械導(dǎo)向器的要求，可使兩束平行激光沿一個測量方向?qū)?zhǔn)傳感頭或刀架上的鏡面，傳感頭或刀架相互間可有垂直偏移，結(jié)果，借助于垂直地配置于彼此上方的光電轉(zhuǎn)換器的輸出信號，就可以確定傳感頭或刀架相對于滑架的傾斜度，并予以校正。
在定位一種刀具時，可將所需的位置值預(yù)置于一個和滑架相聯(lián)的測量刻度標(biāo)上，并且同時使刀架跟蹤以使刀架處于此預(yù)置位置。
如果傳感頭或者刀具鏡面的反射光束和其入射激光束平行，就能使數(shù)個光電轉(zhuǎn)換器和滑架得到一種特別簡單的配置。
作為光電轉(zhuǎn)換器最好配備一個二象限檢測器，通過處理二象限檢測器的輸出信號實現(xiàn)滑架的跟蹤。例如，當(dāng)二象限檢測器的輸出信號之差為零時，就會出現(xiàn)傳感頭或刀架相對于滑架的調(diào)整。
運用已知的手段，可以十分精確測得滑架對于測量刻度標(biāo)的相對位移。
依照本發(fā)明的測量和定位裝置也適用于二維或三維的測量和定位。為此，二維或三維測量滑架互相之間呈正交地移動。
本發(fā)明還提供一種特別適用于上述裝置的傳感頭，這種傳感頭能以很高速度移至被測刀具。
借助于附圖，在下文中將詳細(xì)闡述本發(fā)明的一些實施例。
圖1表示一維測量裝置的示意圖;
圖2表示二維測量裝置;
圖3表示另一個一維測量裝置的實施例;
圖4至10表示各種測量設(shè)備的示意圖;
圖11和圖12表示一種傳感頭的示意圖。
在以下關(guān)于附圖的說明中，將參照一種用于測量特定工件的測量裝置來描述本發(fā)明。所測得的傳感頭位移精確度高于1μm。但是也可以在刀架上裝置刀具來代替?zhèn)鞲蓄^。以下說明有關(guān)傳感頭的情況也可類似地應(yīng)用于刀架。
根據(jù)圖1中所說明的一維測量原理，該測量裝置包含一個傳感頭或掃描頭10，一個激光器12和一個滑架14?；?4上裝有一個五角棱形結(jié)構(gòu)的折射鏡16，還裝有光電轉(zhuǎn)換器S1和S2。圖中，實線表示傳感頭10和滑架14的開始位置，而虛線表示這兩個零件的行進(jìn)后位置。傳感頭10裝有一鏡面18，根據(jù)圖1的實施例，該鏡面是一面角鏡(反光鏡)。
激光器12的光束20射向五角棱鏡16，經(jīng)90°折射，對準(zhǔn)傳感頭10。實施例中所示之傳感頭10的運動方向(圖中未說明驅(qū)動器)和滑架14運動方向平行，滑架14沿導(dǎo)軌28運動。在任何情況下，五角棱鏡16都保證激光器發(fā)出的激光束20偏轉(zhuǎn)90°，而與滑架14的實際位置完全無關(guān)。圖1中，偏轉(zhuǎn)光束22射向角鏡18的左側(cè)，經(jīng)過其另一側(cè)的再次反射，恰好轉(zhuǎn)過180°返回。因而傳感頭10的鏡面18所反射的光束24，24′，24″平行于入射光束22，22′。
如圖1所示，傳感頭10經(jīng)過的△X位移對應(yīng)于反射光束24，24′，24″經(jīng)過的2△X位移。在起始位置(如圖1中實線所示)掃描頭的反射光束24以這樣的一種方式準(zhǔn)確地射向二象限檢測器S1，S2，就是使其輸出信號完全對稱，即各光電轉(zhuǎn)換器S1，S2的輸出信號之差恰好為零。一旦傳感頭10沿“X”方向移動，兩個檢測量S1，S2的輸出信號“X”也隨之改變。為了使兩個光電轉(zhuǎn)換器S1，S2，的輸出信號等于起始值，可用滑架14的驅(qū)動器26來調(diào)整前者的位置。為此，測量滑架14移動的距離△X必須和傳感頭10移動的距離完全相同。從測量刻度表30上，可用已知的方式很精確地讀出滑架14的移動量，其精度高于1μm。
圖2表示一個二維的測量裝置，而且其中用光電測量簡化了以往所要求的傳感頭10的機(jī)械導(dǎo)向。
光學(xué)元件和傳感頭10由底座29和支柱29′支撐。傳感頭10由一個尖端和水平調(diào)整臂11組成。鏡面18和傳感頭10固定連接，有關(guān)鏡面18下文還將詳盡描述。
激光器12的輸出光束射向一個折射鏡32和一個半透明鏡34。按照圖2，一分光束經(jīng)半透明鏡34折射后向下對準(zhǔn)折射鏡36。這樣激光器12的初始光束在兩個垂直偏移面之間分開。兩個分光束37，37′射在兩個半透明鏡38，38′上。經(jīng)過半透明鏡38，38′偏轉(zhuǎn)90°后的分光束39，39′射向第一反光鏡40，該反光鏡和傳感頭10相連接。反射光束41，41′有垂直方向的相互位移，并且各自射向二象限檢測器(圖中未示出)，然后進(jìn)行類似圖1的處理。因此，和兩個半透明的鏡38，38′相連接的第一測量滑架14可以在X方向測量MX。
具有兩個垂直重疊激光束39，39′的裝置可以檢測傳感頭相對于測量滑架14的傾斜度。這樣就可以完全不依靠導(dǎo)向器來確定傳感頭10的位置。因為如果傳感頭10有垂直方向的傾斜，信號MX1和信號MX2就有差別。尤其是，傳感頭10移動后，受跟蹤的滑架14的新位置也予以固定，而且作為第一反光鏡40的反射光束MX1和MX2高度間的中心位置，可以確定該測量平面，從反射光束MX1，MX2之間位置的增量比和所說的兩個反射光束間的距離，可以確定傳感頭10相對滑架14的角方位。通過經(jīng)分光器38，38′折射到光電轉(zhuǎn)換器的激光位置間的增量比和上述激光束之間的距離，可確定滑架14相對于測量平面的角方位。借助于傳感頭10和測量平面間的距離，及已知的鏡面18相對于測量平面的角方位，則可以確定傳感頭10的傾斜度。
可在Y方向上進(jìn)行相對應(yīng)的測量。為此，半透明鏡38，38′傳輸?shù)墓馐D(zhuǎn)到兩個折射鏡44，44′，然后由折射鏡46，46′又作90°偏轉(zhuǎn)折射到第二反光鏡42，并在此再被反射，這兩個在垂直方向上互為偏移的反射光束MY1，MY2各自射向二象限檢測器(圖中未予表示)，然后以上述關(guān)于X方向的測值方式予以處理。因此，第二滑架14′可以作Y方向的測量。
圖3表示了另一測量裝置的實施例，該裝置提供了另一光束路徑。根據(jù)圖3激光器12的初始光束經(jīng)過兩個透鏡50，52擴(kuò)展后，射向半透明鏡54。部分?jǐn)U展的激光束經(jīng)過半透明鏡54偏轉(zhuǎn)90°，對準(zhǔn)傳感頭上的平面鏡56。平面鏡56有一遮光板(見圖5)。射向平面鏡56的擴(kuò)展光束在其兩側(cè)與遮光板58交疊。相對于遮光板58調(diào)整滑架14以使平面鏡56反射的二束分光束60和62完全對稱地射向二象限檢測器的兩個光電轉(zhuǎn)換器S1，S2。相對于傳感頭10，滑架14也作同樣的調(diào)整，結(jié)果使得兩個光電轉(zhuǎn)換器S1，S2的輸出信號之差為零。當(dāng)傳感頭10沿X方向移動時，通過驅(qū)動器26使滑架14也移過完全相同的距離，此距離可用已知的方式在小于1μm情況下從測量刻度表30通過箭頭31讀出。
圖4到圖10表示各種測量變量的示意圖。
圖4和圖4a的測量結(jié)果對應(yīng)于圖1所說明的實施例。圖4a表示角鏡18的入射光束和反射光束的位置63。如果傳感頭10隨角鏡18移動距離△X，則反射光束24，24′的位置改變2△X。此外，必須將測量滑架14連同所固定的光電轉(zhuǎn)換器S1，S2作相應(yīng)量的調(diào)整，以及使轉(zhuǎn)換器S1，S2的輸出信號之差重新對應(yīng)于預(yù)置值，例如零。
圖5和圖5a說明使用裝有遮光板58的平面鏡56的實施例，此實施例借助圖3已有介紹。如圖5和圖5a所示，為了確定傳感頭10的位移，當(dāng)傳感頭10沿X方向移動時，反射的分光束60，62在兩個光電轉(zhuǎn)換器上的強(qiáng)度分布隨著改變，以致使得滑架連同兩個光電轉(zhuǎn)換器作相應(yīng)地跟蹤。
圖5，圖6和圖7表示一種變量的測量方法，其中光電轉(zhuǎn)換器S1，S2并不固定地安裝在可動滑架14上，而是靜止地配置。激光器12的初始光束射向串聯(lián)排列的兩個半透明鏡70，72，然后射向固定安裝在可動滑架14上的折射鏡76。在圖6所示的起始位置，兩個分光束22，24由固定于傳感頭上各自的平面鏡18′，18″反射回去，并入其分光束本身，又經(jīng)過折射鏡76作90°偏轉(zhuǎn)后到達(dá)兩個光電轉(zhuǎn)換器S1，S2。因而在這個位置，兩個光電轉(zhuǎn)換器S1，S2的輸出信號大小相等。根據(jù)圖7，如果傳感頭10沿“X”方向移動，兩個分光后的激光束之一(分光束24)射向兩個鏡面18′，18″之間的非反射區(qū)74，結(jié)果只有分光束22被反射回去。因此，反射光只照射一個光電轉(zhuǎn)換器S1，而另一個光電轉(zhuǎn)換器并未受到光線的照射。因此，輸出信號有所差別。按照圖8，直至兩個光電轉(zhuǎn)換器S1，S2的輸出信號之差重新為零時，否則滑架14要沿“X”方向移動和傳感頭10所移動的相同距離。
圖9表示測量裝置的另一個實施例，其中兩個光電轉(zhuǎn)換器S1，S2并不和滑架14固定連接，而是靜止配置。如果傳感頭10(圖中未予示出)連同角鏡18移動時，如同上文描述的實施例，反射光束24予以偏移，兩個光電轉(zhuǎn)換器S1，S2的輸出信號之比隨之改變?；?4沿X方向相應(yīng)的移動和傳感頭10在測量刻度標(biāo)處的位移，如前所述可予以確定。
圖10說明一種特殊測量刻度的配置。激光器12的初始光束20，經(jīng)過固定安裝于滑架14上的折射鏡80射向傳感頭10(圖中未予表出)的角鏡18。反射光束24射向半透明鏡82并經(jīng)偏轉(zhuǎn)90°后射轉(zhuǎn)換器S1，S2。光電轉(zhuǎn)換器S1，S2的輸出信號以類似圖9的實施例予以處理。半透明鏡82能讓一分光束穿過，該分光束穿過測量刻度標(biāo)30，因而被刻度標(biāo)的每一條分度線所吸收。折射鏡84將此穿過的分光束偏轉(zhuǎn)，使之對準(zhǔn)另一個光電轉(zhuǎn)換器S3，該轉(zhuǎn)換器確定滑架14的位移。因為如前文所說明的，假使滑架14跟隨帶有鏡面18的傳感頭10的移動，則穿過半透明鏡82的分光束可由測量刻度標(biāo)30所調(diào)制，并且可由光電轉(zhuǎn)換器S3和隨動計數(shù)器予以檢測。
圖11，圖12，圖11a和圖12a分別表示一種特別適用于前述測量裝置傳感頭的概略視圖。
傳感頭10(見圖1-圖3)包括一個傳感器90，該傳感器和被測工件相連接。傳感器90彈性地裝于一個傳感器腔92中，以便使傳感器在所有三個方向相對于中心位置94可傾斜約±5mm。這樣傳感頭10就可使工件具有相對較高的速度，并可毫無擾動地完全吸收由于慣量引起的沖擊。鏡面18固定地和傳感器90相連接(參看圖1-圖10)。光束22，24的反射和測定結(jié)合圖1至圖10已有詳細(xì)的描述。以圖11，11a和圖12，12a進(jìn)行比較，可以看出相對于由馬達(dá)(圖中未予表示)驅(qū)動的傳感器腔92，(在沖擊被測元件時)傳感器90可移入位置96，而不影響測量結(jié)果。圖11a和圖12a概略地表示鏡面18和傳感器腔92之間相對位置的立視圖。如同所述，雖然鏡面18和傳感器腔92之間的相對位置改變，但光束同感應(yīng)器90和固定連接其上的鏡面18之間的相對位置并不改變，而這正是測量結(jié)果精確度的決定性特點。
權(quán)利要求
1.用于測量特定工件的裝置包括一個感應(yīng)工件的傳感頭10，用于傳感頭10的一個驅(qū)動器和一個用來確定傳感頭移過的距離△X的測量裝置14，30，其特征是傳感頭10上裝有鏡面18；一束電磁波22，例如一束激光，對準(zhǔn)鏡面18；傳感頭10運動時，通過至少一個光電轉(zhuǎn)換器S1，S2來測量反射光束24，24′，24″的變化。
2.用于定位特定刀具的裝置包含一個刀架，一個刀架驅(qū)動器和一個用來確定刀架移過距離的測量裝置，其特征是刀架上裝有一鏡面;一束電磁波，例如一束激光對準(zhǔn)此鏡面;刀架運動時，通過至少一個光電轉(zhuǎn)換器來測量反射光束的變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1或2的裝置，其特征是一個或數(shù)個光電轉(zhuǎn)換器S1，S2裝在滑架14上;滑架14配有一個驅(qū)動器26;根據(jù)反射光束24，24′，24″的變化控制滑架14的位置;同時測定滑架14經(jīng)過的距離△X。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1或2的裝置，其特征是裝在滑架14上的鏡面76能使傳感頭10或刀架所反射的光束24對準(zhǔn)至少一個靜止的光電轉(zhuǎn)換器S1，S2;滑架14配有一個驅(qū)動器26;對應(yīng)于反射光束24的變化，控制滑架14的位置;同時測定滑架14經(jīng)過的距離△X。
5.根據(jù)權(quán)利要求
3或4的裝置，其特征是射向傳感頭10或刀架的光束是由滑架14通過配置在滑架14上的鏡面16反射的，以使傳感頭10或刀架移動時，光束的入射方向和/或入射點相對于傳感頭或刀架并不改變。
6.根據(jù)權(quán)利要求
3至5中任何一項權(quán)利要求
的裝置，其特征是一鏡面，最好是一個獨立位置折射鏡16配置在滑架14上，此折射鏡使激光束20折射到傳感頭10或刀架上的鏡面18;滑架14的運動方向X，Y和滑架14的鏡面16上的激光束20的入射方向相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求
3至6中任何一項權(quán)利要求
的裝置，其特征是傳感頭10或刀架的移動方向和滑架14的移動方向互相平行。
8.根據(jù)權(quán)利要求
3至7中任何一項權(quán)利要求
的裝置，其特征是一個五角棱鏡16配置在滑架14上作為鏡面。
9.根據(jù)前述諸權(quán)利要求
中任何一項權(quán)利要求
的裝置，其特征是一個角鏡或反光鏡18配置在傳感頭10或者刀架上。
10.根據(jù)權(quán)利要求
9的裝置，其特征是傳感頭10或者刀架的鏡面的反射光束24，24′，24″和其入射光束22，22′平行傳播。
11.根據(jù)前述諸權(quán)利要求
中任何一項權(quán)利要求
的裝置，其特征是配置一個二象限檢測器作為光電轉(zhuǎn)換器S1，S2。
12.根據(jù)權(quán)利要求
3至11中任何一項權(quán)利要求
的裝置，其特征是反射光束24，24′，24″在傳感頭10或刀架運動時發(fā)生變化，滑架14則予以跟隨。
13.根據(jù)權(quán)利要求
3至12中任何一項權(quán)利要求
的裝置，其特征是滑架14是線性移動的;相對于線性測量刻度標(biāo)30的其位移可予以測出。
14.根據(jù)權(quán)利要求
2至13中任何一項權(quán)利要求
的裝置，其特征是有兩個可呈相互正交移動的滑架14，14′。
15.根據(jù)權(quán)利要求
1至14中任何一項權(quán)利要求
的裝置，其特征是傳感頭10或刀架上的鏡面56含有一塊遮光板58;鏡面56的入射光束以這樣的方式擴(kuò)展，也即使入射光束射向遮光板58的兩側(cè);兩束反射光束60，62射向光電轉(zhuǎn)換器，特別是如二象限檢測器構(gòu)成的轉(zhuǎn)換器S1，S2。
16.根據(jù)權(quán)利要求
15的裝置，其特征是傳感頭10的鏡面56的入射光束是由一個光束分光器54反射的。
17.根據(jù)權(quán)利要求
16的裝置，其特征是光束分光器54做成半透明鏡，雙束反射光束60，62可穿過此半透明鏡。
18.根據(jù)前述諸權(quán)利要求
中任一項權(quán)利要求
的裝置，其特征是沿每一個測量方向X.Y，至少兩個接近平行的激光束射向傳感頭或刀架。
19.根據(jù)權(quán)利要求
1或權(quán)利要求
3至18中任何一項權(quán)利要求
，用于該裝置的傳感頭，其特征是傳感器90和鏡面18剛性連接，尤其是角鏡或反光鏡;傳感器90至少在一個測量方向上彈性地裝于傳感器腔92內(nèi)，最好是沿三個方向相對于中心位置94富有彈性;傳感器腔92由一驅(qū)動器移動。
專利摘要
用于測量工件的裝置包含一個和測量滑架 14無機(jī)械連接的傳感或掃描頭10。一激光束20射 向傳感頭10上的鏡面18，經(jīng)反射折射到光電轉(zhuǎn)換 器S1、S2。傳感頭10運動時，反射光束24，24′，24″ 的位置發(fā)生變化，通過光電轉(zhuǎn)換器S1，S2測定這種 變化，使滑架14跟蹤傳感頭10的運動，就能精確測 得滑架14移過的距離△X，從而推算出傳感頭10的 位移。本裝置的傳感頭10并不需要任何復(fù)雜的機(jī)械 導(dǎo)向器，從而可得到高度精確近似值和相當(dāng)高的傳感 速度，并能用于定位刀具。
文檔編號G01B11/00GK87100768SQ87100768
公開日1987年9月2日 申請日期1987年2月17日
發(fā)明者烏爾里克·瓦根薩默 申請人:美因堡電子設(shè)備公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan