專利名稱：帶有定向變化檢測裝置的接觸探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及尺寸測量探針的操作。
背景技術(shù)：
通常，測量探針具有主體，其容納位移或力傳感器；和與傳感器協(xié)作的 細(xì)長觸針，其帶有膨大的端部用于"感應(yīng)，，工件，以確定工件尺寸。這種探 針與帶坐標(biāo)測定系統(tǒng)的機(jī)器結(jié)合使用，所述機(jī)器例如是坐標(biāo)測量設(shè)備、機(jī)床 或者機(jī)器人設(shè)備。
一種類型的所述探針設(shè)置成當(dāng)觸針接觸工件且傳感器輸出超過閾值時， 產(chǎn)生觸發(fā)信號。所述觸發(fā)信號用來凍結(jié)坐標(biāo)測定系統(tǒng)的輸出，以便確定接觸 點的位置。
為了讓探針精確，所述傳感器制作地非常敏感。但是，當(dāng)發(fā)生振動時， 這樣做帶來了問題。所述振動作為所謂"錯誤觸發(fā)"而被感應(yīng)，就像是工件 接觸一樣，但實際上沒有發(fā)生接觸。通過過濾傳感器的輸出克服了這種錯誤 觸發(fā)。但是，這種過濾降低了傳感器的頻率響應(yīng)。
另外，本發(fā)明的發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)了如下所述的其他問題。如果這種敏感探 針在使用中重新定向，例如從垂直取向定向到水平取向，則觸針和傳感器將 受到重力牽引帶來的側(cè)向載荷影響。這樣可能導(dǎo)致探針持久保持在錯誤觸發(fā) 狀態(tài)，或者當(dāng)探針重新定向過程中或者之后發(fā)生振動時，可能導(dǎo)致經(jīng)常性的 錯誤觸發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了 一種尺寸測量探針，所述探針可以安裝到使所述探針相對 于至少一個軸線重新定向的機(jī)器上，所述探針包括
觸針，其用于接觸物體；
觸針接觸傳感器，其連接到所述觸針并且當(dāng)所述觸針接觸物體時產(chǎn)生信
處理器，其用來處理來自所述傳感器的信號并產(chǎn)生物體測量輸出作為這
種接觸的結(jié)果；
所述信號受到所述^t笨針相對于所述軸線重新定向所導(dǎo)致的變化的影響；
和
當(dāng)發(fā)生所述重新定向時用來確定的裝置。.
優(yōu)選地，用來確定重新定向的裝置包:^舌所述處理器，所述處理器工作從而 監(jiān)測由重新定向所導(dǎo)致的信號變化，且當(dāng)發(fā)生所述重新定向時由所述變化進(jìn)行 確定。但是用來確定重新定向的裝置可以替代,陣地包括單獨的定向傳感器。
所述信號可以包括由所述觸針振動導(dǎo)致的波動，并且在優(yōu)選實施方案 中，所述處理器監(jiān)測所述波動的變化，以確定所述重新定向。
更優(yōu)選地，所述監(jiān)測包括監(jiān)測所述波動頻率的變化和/或所述波動水平的 變化。


參照附圖，將通過實例來說明本發(fā)明的實施方案，其中
圖la和圖lb示出了根據(jù)本發(fā)明以不同取向安裝到機(jī)床上的探針；
圖2、圖3和圖4示出了來自圖l所示探針的力傳感器的輸出；和
圖5示意性地示出了所述探針的處理器的操作。
具體實施例方式
在圖la中示出了測量探針10，該探針具有連接到機(jī)床48的心軸44的 主體12。心軸44連接到頭部46，該頭部在使用中圍繞軸線A在機(jī)床48上 樞轉(zhuǎn)。
所述探針具有觸針20，其具有桿22,所述桿終止于用來接觸物體的觸 針尖端24，在此實例中，所述物體為安裝到機(jī)床48的床體47上的工件50。 所述桿沿著軸線40延伸并且經(jīng)由應(yīng)變傳感器30連接到主體12。所述桿優(yōu)選 經(jīng)由一套支座元件(未示出)連接到傳感器30，所述支座元件在可重復(fù)的靜 止位置動態(tài)接合，并且當(dāng)所述觸針接觸工件時，所述支座元件脫開以允許所
部分的全部細(xì)節(jié)在在先國際專利申請No. PCT/GB2006/001095和 PCT/GB2006/001654中有說明，這兩份文件通過引用而包含在此。所述動態(tài)
支座元件對于本發(fā)明不是必需的，并且可以略去或者用非動態(tài)支座元件代 替。
傳感器30包括相當(dāng)剛性的輻條32，每個輻條都具有連接于其上的應(yīng)變 儀34，用于感應(yīng)每個輻條的應(yīng)變。這種應(yīng)變是由例如在工件50和觸針尖端 24之間發(fā)生接觸時所施加的力導(dǎo)致的。在本實施方案中，存在3根輻條和3 個應(yīng)變儀，所述輻條和應(yīng)變儀被設(shè)置成從所述觸針向所述主體彼此呈120° 徑向向外延伸。
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之間進(jìn)行各種接觸來確定工件50的尺寸。當(dāng)發(fā)生接觸時， 應(yīng)變施加在傳感器30上。應(yīng)變儀34的輸出(具有由電阻變化所導(dǎo)致的變化 電壓的形式)由處理器16處理。當(dāng)應(yīng)變儀產(chǎn)生輸出時，從處理器16發(fā)出觸 發(fā)信號，該信號用來記錄機(jī)床位置，以便確定工件50的尺寸。
雖然處理器16優(yōu)選設(shè)置在探針主體內(nèi)，如圖所示，但是可以替代性地 設(shè)置在外部接口 ( external interface )中。正如上述在先國際專利申請中所述， 處理器16可以包括模擬或者數(shù)字電子電路，例如包括在專用集成電路 (ASIC)中的模擬或者數(shù)字電子電路?？商娲?，處理器可以包括數(shù)字運算 單元或者其他可編程設(shè)備，適當(dāng)?shù)貙@些設(shè)備進(jìn)行編程來提供所需功能。
在檢查工件過程中，希望將探針從例如圖la所示的位置重新定向到圖 lb所示的位置，以到達(dá)以其^[也方式不可觸及的特4正部分，例如孔52。
當(dāng)發(fā)生重新定向時，機(jī)床頭部存在振動，這是例如由于觸針?biāo)俣茸兓?馬達(dá)操作或者其他輔助功能而產(chǎn)生的沖擊所導(dǎo)致的結(jié)果。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)這種振 動在傳感器30中產(chǎn)生近似恒定頻率的振動。這種情況在本實施方案中顯示 為來自應(yīng)變儀34的恒定頻率信號。
圖2a示出了一個應(yīng)變儀34的輸出。來自其他兩個應(yīng)變儀的信號與之類 似?？梢詫⑦@種信號相對于額定電壓電平Vt進(jìn)行整流。這種經(jīng)整流的信號 示于圖2b中。
當(dāng)觸針加速或減速時，側(cè)向力作用在觸針上。另外，當(dāng)從圖la所示位 置(0°)向圖lb所示位置(90°)重新定向觸針時，重力作用在觸針上。
圖3a示出了當(dāng)探針從0。(如圖la所示)向90°(如圖lb所示)移動時， 來自應(yīng)變儀的結(jié)果信號。在重新定向過程中，頻率不改變，但是信號中間位 置(mean position )發(fā)生移動，如區(qū)域R中所示。
圖3b示出了相對于電平Vt整流的圖3a所示信號。可以看出，當(dāng)探針 從0。到90。重新定向時，在R區(qū)域內(nèi)，與低電平Vf交點處的信號周期從P 變?yōu)?P。因此，當(dāng)發(fā)生重新定向時，如果在Vf處監(jiān)測應(yīng)變儀信號的周期， 則顯然該周期將加倍，即頻率顯然減半。
因此，如圖5所示，處理器16首先凈皮編程.(或者以其他方式進(jìn)行:&置) 從而相對于Vt將信號整流，然后在Vf處監(jiān)測振動周期。如果周期改變，例 如加倍，則表示發(fā)生了重新定向。這種重新定向能夠與由于頭部沿著X和Y 方向平移例如加速或減速所引起的側(cè)向載荷相區(qū)別，因為重新定向加載時間 將被延長。因此，處理器包括計時程序或者電路來區(qū)別這種情況。因此，短 波動不會被認(rèn)為是探針平移而沒有發(fā)生重新定向。
當(dāng)處理器16檢測到重新定向時，可以使用已知的自動歸零技術(shù)來讓觸 針的新的標(biāo)稱位置作為中點，用于工件接觸目的?？梢砸?制處理器的觸發(fā)輸 出，從而防止由重新定向?qū)е碌腻e誤的觸發(fā)信號。
真實探針觸發(fā)事件(即，與工件接觸)也會導(dǎo)致帶有一些振動地對應(yīng)變 儀施加載荷。但是，由觸針與工件接觸所導(dǎo)致的載荷變化比平移加速或平移 減速或重新定向所導(dǎo)致的載荷變化快得多。因此，處理器16不會混淆工件 接觸信號與其他信號，因為變化發(fā)生得很快。
可以通過下述方式，進(jìn)一步將工件接觸信號與探針重新定向相區(qū)別，如 圖5所示。
圖4a示出了發(fā)生重新定向(類似于發(fā)生圖3a所示的情況)時來自應(yīng)變 儀的輸出。另外，監(jiān)測周期S，該周期是沿著不同方向連續(xù)穿過Vt所用的 時間。如果已知輸出頻率，該周期是可預(yù)測的。當(dāng)事件發(fā)生時，在本例中為 重新定向，則周期S降到零，因為信號峰值降到Vt以下。該周期也可以減 小或者增大。這種變化表示觸針遇到了某種情況。如果周期S消失或者顯著 改變，則可以使用新的閾值(在本例中為Vff)。如果新閾值導(dǎo)致周期S恢復(fù)， 則所述事件不是工件接觸。因此，可以將工件接觸與重新定向或者觸針?biāo)俣?變化區(qū)別開來。
圖4b示出了發(fā)生工件接觸時的情況。肩期S減小到零，并且閾值改變 到Vff不能恢復(fù)所述周期。因此，處理器16報告發(fā)生了工件接觸。
上述技術(shù)具有許多優(yōu)勢。當(dāng)使用敏感的接觸傳感器諸如上述傳感器時， 如果存在振動則可能產(chǎn)生觸發(fā)信號。需要過濾應(yīng)變儀輸出來停止錯誤觸發(fā)，
但是這樣降低了探針的頻率響應(yīng)。如果探針被觸發(fā)(即，因工件接觸而發(fā)生 位移)，則自動歸零技術(shù)將不準(zhǔn)確。對于敏感探針，可能發(fā)生經(jīng)常性或者持 久性的觸發(fā)，作為重新定向的結(jié)果，阻止自動歸零進(jìn)行。因此，如果如上所 述分析應(yīng)變儀信號，則可以確定重新定向，使得可以抑制觸發(fā)信號，并且能 夠進(jìn)行自動歸零。
代替通過分析應(yīng)變儀傳感器信號來在處理器16中檢測重新定向，替代 方案是使用單獨的定向傳感器。例如，圖la、 lb和5示出了任選的加速計 17,其位于4冢針主體內(nèi)并實現(xiàn)這種功能。該加速計的輸出進(jìn)入處理器16，該 輸出在處理器內(nèi)被直接用來控制自動歸零和/或抑制錯誤觸發(fā)。那么不需要針 對于圖3a和3b所述的步驟。
已經(jīng)說明傳感器30具有沿著軸線40徑向延伸的應(yīng)變儀形式的感應(yīng)元 件。但是，所述傳感器不必使用應(yīng)變儀，而且感應(yīng)元件也不必徑向延伸。例 如，感應(yīng)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。 它們的布置可以是軸向的，或者布置在允許感應(yīng)觸針接觸的任何位置。
權(quán)利要求
1.一種尺寸測量探針，所述探針可安裝到使所述探針相對于至少一個軸線重新定向的機(jī)器上，所述探針包括觸針，其用于接觸物體；觸針接觸傳感器，其連接到所述觸針且當(dāng)所述觸針接觸物體時產(chǎn)生信號；處理器，其用于處理來自所述傳感器的信號，并產(chǎn)生所述物體的測量輸出，作為所述接觸的結(jié)果；所述信號受到所述探針相對于所述軸線重新定向所導(dǎo)致的變化的影響；和當(dāng)發(fā)生所述重新定向時用來確定的裝置。
2. 如權(quán)利要求1所述的探針，其中，所述用來確定重新定向的裝置包 括所述處理器，所述處理器工作從而監(jiān)測由重新定向?qū)е碌乃鲂盘柕淖?化，并且當(dāng)發(fā)生所述重新定向時由所述變化進(jìn)行確定。
3. 如權(quán)利要求1所述的探針，其中，所述用來確定重新定向的裝置包 括單獨的定向傳感器。
4. 如權(quán)利要求3所述的探針，其中，所述定向傳感器是加速計。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的探針，其中，所述信號包括由所述觸針振 動導(dǎo)致的波動，且所述處理器監(jiān)測所述波動的變化以確定所述重新定向。
6. 如權(quán)利要求5所述的探針，其中，所述監(jiān)測包括監(jiān)測所述波動頻率 的變化。
7. 如權(quán)利要求5或6所述的探針，其中，所述監(jiān)測包括監(jiān)測所述波動 水平的變化。
8. 如前述權(quán)利要求任一項所述的探針，其中，當(dāng)確定發(fā)生了所述重新 定向時，所述傳感器信號自動歸零。
9. 如前述權(quán)利要求任一項所述的探針，其中，當(dāng)確定發(fā)生了所述重新 定向時，抑制觸發(fā)信號。
10. —種尺寸測量探針，所述探針可安裝到使所述探針相對于至少一個 軸線重新定向的機(jī)器上，所述探針包括觸針，其用于接觸物體；觸針接觸傳感器，其連接到所述觸針且當(dāng)所述觸針接觸物體時產(chǎn)生信 處理器，其用于處理來自所述傳感器的信號，并產(chǎn)生所述物體的測量輸出，作為所述接觸的結(jié)果；所述信號受到所述探針相對于所述軸線重新定向所導(dǎo)致的變化的影響； 其中所述處理器工作從而監(jiān)測由重新定向所導(dǎo)致的所述信號的變化，并且當(dāng)發(fā)生所述重新定向時由所述變化進(jìn)行確定。
11. 如權(quán)利要求10所述的探針，其中，.所述信號包括由所述觸針振動 導(dǎo)致的波動，且所述處理器監(jiān)測所述波動的變化以確定所述重新定向。
12. 如權(quán)利要求11所述的探針，其中，所述監(jiān)測包括監(jiān)測所述波動頻 率的變化。
13. 如權(quán)利要求11或12所述的探針，其中，所述監(jiān)測包括監(jiān)測所述波 動水平的變化。
14. 如權(quán)利要求10至13任一項所述的探針，其中，當(dāng)確定發(fā)生了所述 重新定向時，所述傳感器信號自動歸零。
15. 如權(quán)利要求10至14任一項所述的探針，其中，當(dāng)確定發(fā)生了所述 重新定向時，抑制觸發(fā)信號。
全文摘要
一種尺寸測量探針(10)安裝在機(jī)床(48)上，所述機(jī)床使所述探針相對于至少一個軸線A重新定向。當(dāng)所述探針的觸針(20)接觸工件(50)時，應(yīng)變儀(34)感應(yīng)到，以產(chǎn)生觸發(fā)信號。當(dāng)所述探針重新定向時，可能產(chǎn)生錯誤的觸發(fā)信號。為了克服這種問題，通過監(jiān)測由所述觸針振動導(dǎo)致的應(yīng)變儀輸出波動的變化來檢測所述重新定向。
文檔編號G01B7/012GK101198836SQ200680021141
公開日2008年6月11日 申請日期2006年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月15日
發(fā)明者喬納森·保羅·菲格, 彼得·肯尼思·赫利爾, 杰米·約翰·白金漢, 邁克爾·約翰·伍爾德里奇 申請人:瑞尼斯豪公司