專利名稱：數(shù)字測量頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量頭，尤其涉及一種用在機(jī)床控制儀表或表面粗糙度輪廓形狀測定機(jī)等上的杠桿式的測量頭。
背景技術(shù)：
以前，在用于機(jī)床控制儀表或表面粗糙度輪廓形狀測定機(jī)等上的杠桿式的測量頭中，在檢測出接觸件的變位的傳感器上使用被稱為LVDT(Linear Voltage Differential Transducer)的線性電壓差動(dòng)變壓器(通稱差動(dòng)變壓器)。
圖22是表示這種現(xiàn)行測量頭的示意圖。圖22所示的測量頭110是組合2個(gè)杠桿機(jī)構(gòu)的外徑測定用的測量頭?，F(xiàn)行的測量頭110如圖22所示，可以支點(diǎn)部件111為中心轉(zhuǎn)動(dòng)地被支撐的接觸件114的移動(dòng)量、由設(shè)在與支點(diǎn)部件111的相反方向的LVDT115作為電壓變化檢測出。該LVDT115的檢測值由管制部140進(jìn)行處理并作為移動(dòng)量求得。
但是，這種現(xiàn)行的測量頭110，因?yàn)樵趥鞲衅髦惺褂肔VDT，所以具有以下問題。即，因?yàn)長VDT的直線范圍窄所以測定范圍窄(通常為1mm程度)，不能進(jìn)行寬范圍的測定。
另外，為了指示尺寸的校正而必需大環(huán)與小環(huán)2個(gè)校正用校正規(guī)。例如，在測定φ30±0.01mm的工件時(shí)使用φ30.01(大環(huán))與φ29.99(小環(huán))的校正規(guī)來調(diào)整靈敏度。
尤其在具有以1臺測量頭與多種工件直徑相對應(yīng)的尺寸移程功能的測量頭的情況下，對于進(jìn)行測定的各尺寸必須有大·小環(huán)校正規(guī)。例如，在對應(yīng)20mm徑差的情況下，雖然可在20mm的范圍內(nèi)任意處設(shè)定零點(diǎn)，但因?yàn)槠錁O限測定范圍為1 mm程度，所以要測定3種工件時(shí)必須分別大·小環(huán)共6個(gè)校正規(guī)。這是由于LVDT的線性因位置而不同的緣故。
進(jìn)一步，由于測量段的更換及基于校正規(guī)的校正作業(yè)等原因、在用于測定的調(diào)整上費(fèi)時(shí)。并且，因溫度特性差而用于其修正的調(diào)整或檢查費(fèi)時(shí)，另外，因?yàn)殡娫唇油ê蟮匠蔀榉€(wěn)定狀態(tài)費(fèi)時(shí)，所以產(chǎn)生啟動(dòng)特性差的問題。
為了解決這些問題，在實(shí)願(yuàn)昭62一078462號公報(bào)中提出了一種采用進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的光學(xué)式數(shù)字方式的數(shù)字測量頭。但是，在其所公開的內(nèi)容中，必須設(shè)置用于將可以支點(diǎn)部件為中心轉(zhuǎn)動(dòng)地被支撐的接觸件的移動(dòng)量變換為直線運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)量的機(jī)構(gòu)。
但是，因?yàn)閷⒃撔D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，所以關(guān)系到提高成本，并且由于可動(dòng)部分的質(zhì)量增加或環(huán)支點(diǎn)的磨擦等，故使響應(yīng)頻率變差，而產(chǎn)生不適用于要求高速響應(yīng)頻率特性的表面粗糙度測量頭的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述問題點(diǎn)，其目的在于提供一種可進(jìn)行寬范圍的測定，啟動(dòng)特性或溫度特性、進(jìn)而響應(yīng)頻率特性優(yōu)越并且用于指示尺寸的校正的校正規(guī)很少即可測定的數(shù)字測量頭，另外，本發(fā)明的另一目的在于提供一種因可進(jìn)行寬范圍的測定、且高速響應(yīng)頻率特性優(yōu)越、而可在輪廓形狀測定機(jī)與表面粗糙度測定機(jī)上共用的數(shù)字測量頭。
本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)上述目的，在使接觸件與工件相接觸來測定該工件的測定裝置的測量頭中，其特征在于具有以支點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)地被支撐的臂、前端具有接觸件并被安裝在上述臂前端部的指桿、和被設(shè)在上述臂的后端部的標(biāo)尺或讀取頭，由上述標(biāo)尺與讀取頭檢測與上述工件相接觸的上述接觸件的變位。
根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)橛蓸?biāo)尺與讀取頭檢測與工件相接觸的接觸件的變位，所以可進(jìn)行寬范圍的測定，啟動(dòng)特性或溫度特性、進(jìn)而響應(yīng)頻率特性優(yōu)越，而且用于指示尺寸的校正的校正規(guī)可僅在最初調(diào)整時(shí)使用。


圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施例的數(shù)字測量頭的側(cè)剖視圖。
圖2是表示∑型的外徑測定用測量頭的側(cè)剖視圖。
圖3是表示支撐部件的立體圖。
圖4是進(jìn)行齒輪測定說明的示意圖。
圖5是表示衍射干涉型標(biāo)尺單元的立體圖。
圖6是表示干涉條紋標(biāo)尺單元的立體圖。
圖7是說明圓弧形標(biāo)尺的示意圖。
圖8是表示干涉條紋標(biāo)尺單元的結(jié)構(gòu)圖。
圖9是說明干涉條紋的讀取的示意圖。
圖10是表示干涉條紋的俯視圖。
圖11是說明零位條紋型標(biāo)尺的示意圖。
圖12是說明標(biāo)尺配置的示意圖。
圖13是表示本發(fā)明實(shí)施例的變形例的立體圖。
圖14是表示本發(fā)明的另一變形例的示意圖。
圖15是說明緩沖器的原理的剖視圖。
圖16是說明本實(shí)施例的緩沖器的剖視圖。
圖17是說明緩沖器的變形例的剖視圖。
圖18是說明活塞的變形例的示意圖。
圖19是說明圓弧誤差的示意圖。
圖20是說明偏芯誤差的曲線圖。
圖21是說明圓弧誤差的修正值的曲線圖。
圖22是表示現(xiàn)行測量頭的示意圖。
圖中10-數(shù)字測量頭，11-支點(diǎn)部件，12-臂，13-指桿(finger)，14-接觸件，15-標(biāo)尺(scale)，16-讀取頭，17-加壓部件，18-緩沖器(damper)，19-保護(hù)套(boots)，20-支架，21-基座，22-箱體，30-A/D變換部，40-管制部，W-工件。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖對本發(fā)明的數(shù)字測量頭的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。此外，在各圖中，對于相同的部件使用同一標(biāo)號或符號。
圖1是表示本發(fā)明的數(shù)字測量頭的結(jié)構(gòu)的側(cè)剖視圖。數(shù)字測量頭10如圖1所示，由基座21、支點(diǎn)部件11、臂12、指桿13、接觸件14、標(biāo)尺15、未圖示的讀取頭、加壓部件17、緩沖器18、保護(hù)套19、及箱體22等構(gòu)成。
支撐部件11被支撐在支架20上并安裝在基座21上。臂21被保持在支點(diǎn)部件11上，可以支點(diǎn)部件11為中心自由地進(jìn)行杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)。在臂12的一端以螺釘固定著指桿13，在指桿13的前端安裝著與工件W相接觸的接觸件14。另一方面，在臂12的另一端安裝有作為傳感器的標(biāo)尺15。另外，讀取標(biāo)尺15的刻度的讀取頭被固定在基座21上。
在臂12上設(shè)置有向工件W按壓接觸件的加壓部件17。雖在該加壓部件上使用壓縮彈簧，但拉伸彈簧或其他的彈性部件等，只要是可對臂12產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力的無論哪種均可。并且，在臂12上設(shè)置有緩沖器18，來抑制接觸件14的跳動(dòng)或振動(dòng)。
除臂12的前端部、指桿13及接觸件14之外的其他部件，均被箱體22所包覆。在該箱體22上有開口部并從該開口部伸出臂12的前端部。另外，在該開口部設(shè)置有保護(hù)套19，以防止灰塵或霧氣進(jìn)入箱體22內(nèi)部。
下面，對這樣構(gòu)成的數(shù)字測量頭10的作用進(jìn)行說明。首先，對數(shù)字測量頭10相對工件W進(jìn)行設(shè)置。因?yàn)榻佑|件14由加壓部件17按壓在工件W上，所以可根據(jù)工件W的尺寸以支點(diǎn)部件11為中心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)變位。若接觸件14轉(zhuǎn)動(dòng)變位，則安裝在臂上的標(biāo)尺15也進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)變位。該標(biāo)尺15的變位量由讀取頭檢測、檢測信號由A/D變換部30進(jìn)行處理，并送至管制部40求出工件W的尺寸。
此時(shí)，因?yàn)樵诒?2上設(shè)置有緩沖器18，所以可防止接觸件14的跳動(dòng)或振動(dòng)。另外，因?yàn)樵谙潴w22的開口部安裝有保護(hù)套19，所以不會產(chǎn)生加工液或霧氣及其他灰塵等浸入箱體22內(nèi)的事情。
圖1所示的數(shù)字測量頭10為對工件W的厚度或階梯部、輪廓形狀及表面狀態(tài)進(jìn)行測定的測量頭(以下稱為Γ型測量頭)，但圖2所示的數(shù)字測量頭10，是對稱組合2個(gè)圖1中所示的結(jié)構(gòu)、來測定工件W的外徑的測量頭。在該測量頭中，除了用于圖2所示的外徑測定外，也有反向安裝接觸件14并將加壓部件17的加壓方向反向的內(nèi)徑測定用測量頭。外徑測定用測量頭及內(nèi)徑測定用測量頭(以下稱為∑型測量頭)的動(dòng)作作用、因?yàn)榛旧吓c圖1所示的Γ型測量頭相同，所以省略其說明。
下面，對于各部分更加詳細(xì)地進(jìn)行說明。首先數(shù)字測量頭10的主體結(jié)構(gòu)，由將除指桿13與接觸件14以外的各主要結(jié)構(gòu)要件全部安裝在基座21上成為1個(gè)單元后、再安裝在箱體22內(nèi)構(gòu)成。由于基座21為與工件W相同的材質(zhì)或相同熱膨脹系數(shù)的材質(zhì)，故形成為溫度特性優(yōu)越的測量頭。這是因?yàn)槿舡h(huán)境溫度變化則工件W進(jìn)行膨脹或收縮。此時(shí)，如果是相同的線膨脹系數(shù)，則由于基座21以固定的螺釘部為基點(diǎn)與工件相同地進(jìn)行伸縮，故可減小測定誤差。另外，即使是相同材質(zhì)，在將各要件固定在箱體22的不同的位置處時(shí)，也會因位置不同而變化量不同而產(chǎn)生大的誤差?！菩蜏y量頭如圖2所示，被形成為不易受熱影響的對稱結(jié)構(gòu)。
支點(diǎn)部件11，使用如圖3(a)所示的十字彈簧支點(diǎn)。十字彈簧支點(diǎn)也可為如圖3(a)左側(cè)的圖所示的交叉排列2片板簧的結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，使用如圖3(a)右側(cè)的圖所示的、由金屬線切割加工切削成一體化的結(jié)構(gòu)。該一體化的十字彈簧支點(diǎn)，雖然加工費(fèi)高但因?yàn)榫哂袆傂?、能反?fù)使用、精度又好，所以適用于高精度的支點(diǎn)。
支點(diǎn)部件11除上述之外也可使用圖3(b)所示的L字彈簧支點(diǎn)、圖3(c)所示的彈性支點(diǎn)、以及軸承或樞軸支點(diǎn)等。L字彈簧支點(diǎn)雖然精度不如十字彈簧但廉價(jià)，是一般被廣泛應(yīng)用的支點(diǎn)。但是，具有隨著回旋運(yùn)動(dòng)而支點(diǎn)中心移動(dòng)的缺點(diǎn)，在傳感器中使用LVDT的情況還不會到產(chǎn)生問題的程度，但傳感器為標(biāo)尺的情況就成為不容忽視的誤差。由此，計(jì)算求得回旋運(yùn)動(dòng)與支點(diǎn)中心的移動(dòng)量的關(guān)系，并利用程序系統(tǒng)進(jìn)行修正。
彈性支點(diǎn)，因?yàn)殡m是高精度但只能取少許的回旋角度，所以可在測定范圍窄的情況下廉價(jià)地使用。雖然軸承支點(diǎn)不受回旋角度的限制，但由于因磨耗而產(chǎn)生精度降低，因此必須定期更換。
指桿13，為了能夠配合工件的形狀進(jìn)行更換，而與臂12相獨(dú)立，并由螺釘固定在臂12上，但即使與臂設(shè)成一體也沒有問題。另外，指桿13的材質(zhì)為不銹鋼，但也可使用在鐵上施以防銹鍍而得到的材質(zhì)或陶瓷等。對于截面形狀，在邊加冷卻液邊進(jìn)行加工的工件W進(jìn)行測定時(shí)，由于冷卻液也影響指桿13，故為了減小冷卻液的壓力給測定帶來的影響，而成為圓形的截面。但并不限于圓形也可使用方形截面、橢圓形截面等。
接觸件14如圖1及圖2所示，使用螺釘式的接觸件14，以能夠進(jìn)行高度方向的微調(diào)整。此外，也可為直接將接觸件14嵌入指桿13上、高度方向的調(diào)整由指桿的安裝部實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。另外，在Γ型測量頭的情況下也可移動(dòng)測量頭整體來進(jìn)行高度方向的調(diào)整。
在與工件W相接觸的接觸件14的前端部分鑲嵌著硬質(zhì)鋼或金剛石。該前端部分必須耐磨損強(qiáng)，一般使用硬質(zhì)鋼、金剛石、紅寶石等。但因工件W的材質(zhì)不同也區(qū)分使用。
在測定鐵或不銹鋼等硬材質(zhì)時(shí)，使用價(jià)格便宜的硬質(zhì)鋼，但在測定旋轉(zhuǎn)的工件W時(shí)，而使用更加強(qiáng)耐磨損的金剛石。另外，在測定鋁、銅、軟質(zhì)玻璃等柔軟的材質(zhì)時(shí)，使用潤滑好的金剛石，減小測定力或減緩從回程狀態(tài)的下落速度，以防止產(chǎn)生損傷或凹陷。
接觸件14的前端形狀，通常使用R形狀。R的大小有多種，但尤其在加工過程中測定加工中的工件W時(shí)，為了不夾入切屑而采用R0.5～R1.5mm左右的R的小的前端形狀。
另外，在測定面粗糙時(shí)，因?yàn)闇y定細(xì)微的粗糙度值會有誤差，所以意在平均化而采用R大的前端形狀。在這種情況下，按標(biāo)準(zhǔn)使用R3～R6mm左右的前端R。軟質(zhì)工件W的情況也意在減小接觸時(shí)的工件W的凹陷而選用R3mm以上、按標(biāo)準(zhǔn)使用R3～R6mm左右的R。
在測定如齒輪那樣的不連續(xù)面時(shí)，如圖4所示，取跨過槽的大的R，與槽平行的方向的R取R1.5左右，使用整體上為船形的接觸件14。
在測定旋轉(zhuǎn)的齒輪的外徑的情況下，由于用小的接觸件14落入與跳起的量大、測定值有誤差，故必須為從槽到齒過渡好的結(jié)構(gòu)。另外，即使取跨過槽的結(jié)構(gòu)，也不能完全抑制落入或跳起，旋轉(zhuǎn)越快晃蕩越大或因跳起而成為幾乎不接觸的狀態(tài)，因此，在增強(qiáng)緩沖器18的效果的同時(shí)，還必須限制工件W的圓周速度或接觸、非接觸時(shí)間。測定采用使工件W旋轉(zhuǎn)一周以上記錄最大值的方法。
除此之外，也可使用圓筒狀的硬質(zhì)鋼制作接觸件14。這時(shí)，分開插入指桿13的接觸件插孔中，以分別緊固的方式進(jìn)行固定。另外，與工件W的接觸部若有所磨損，則使其旋轉(zhuǎn)重新固定，使用未使用的面以延長壽命。但是，因?yàn)樵搱A筒狀的接觸件14很難與工件W平行離開，所以被用在如狹窄且不能使用R型端子的情況的那種特殊的條件下。
此外，在輪廓形狀測定器的情況下，接觸件14的前端形狀通常為R0.01～R1.0mm，另外，在表面粗糙度測定器的情況下通常為R0.002～R0.010mm。
圖5是說明標(biāo)尺部的結(jié)構(gòu)的立體圖。標(biāo)尺部如圖5所示，由標(biāo)尺15與讀取頭16組成。標(biāo)尺15使用利用光衍射干涉的反射型標(biāo)尺，并被固定在以支點(diǎn)部件11為中心轉(zhuǎn)動(dòng)的臂12上。在標(biāo)尺15附近配置讀取頭16，以檢測出標(biāo)尺15的移動(dòng)量。讀取頭16由作為未圖示的光源的發(fā)光元件、視準(zhǔn)透鏡或聚光透鏡、及作為受光裝置的受光元件組成。
圖6是表示在標(biāo)尺15上使用透過型的干涉條紋標(biāo)尺的情況下的結(jié)構(gòu)的立體圖。在透過型干涉條紋標(biāo)尺的情況下，被固定在臂12上的標(biāo)尺15為主標(biāo)尺，讀取頭16由靠近主標(biāo)尺配置的指示標(biāo)尺16A、作為光源的發(fā)光元件16C、視準(zhǔn)透鏡16D、及作為受光裝置的受光元件16B組成。
此外，在上述實(shí)施例中，作為標(biāo)尺15示出了利用衍射干涉的反射型標(biāo)尺或透過型干涉條紋標(biāo)尺，但本發(fā)明并不限于此，也可使用利用衍射干涉的透過型標(biāo)尺、或反射型的干涉條紋標(biāo)尺等各種標(biāo)尺。
標(biāo)尺15無論反射型標(biāo)尺的情況、還是透過型標(biāo)尺的情況、任何一種方式均是標(biāo)尺圖案形成在圓弧上。因此，如圖7(a)所示，以讀取點(diǎn)的圓弧中心與臂12的旋轉(zhuǎn)中心的支點(diǎn)部件11的中心相一致的方式進(jìn)行配置。因?yàn)槿舳ㄎ徊粶?zhǔn)確就會產(chǎn)生偏心誤差，所以要正確地進(jìn)行調(diào)整。
由于標(biāo)尺圖案為圓弧狀，故因讀取位置不同圖案間距就不同。圖7(b)是放大標(biāo)尺15的圓弧圖案的圖，但如該圖所示，因半徑方向的位置不同則圖案間距就如a、b、c那樣各不相同。因此，應(yīng)在讀取位置設(shè)計(jì)成為理想的間距。
相對讀取標(biāo)尺15的原點(diǎn)，也可設(shè)置限位開關(guān)等的機(jī)械原點(diǎn)，但在本實(shí)施例中，如圖7(a)所示，在標(biāo)尺上設(shè)置有原點(diǎn)。是在標(biāo)尺的原點(diǎn)上事先形成1個(gè)縫隙在標(biāo)尺上、光學(xué)地檢測是否通過該縫隙的方式。但也可不是1個(gè)縫隙來形成圖案。對于不形成原點(diǎn)的標(biāo)尺15，在因噪聲等而產(chǎn)生誤算時(shí)，必須通過校正規(guī)重新調(diào)零，而對于帶原點(diǎn)的情況，只要通過一次原點(diǎn)則能夠復(fù)位。
在上述實(shí)施例中，設(shè)為讀取頭16固定、標(biāo)尺15回旋運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，但并不限于此，也可成為標(biāo)尺15固定、讀取頭16回旋運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)。這時(shí)，必須在從讀取頭16輸出的信號線的布線處理上下功夫。
干涉條紋標(biāo)尺方式如圖8所示，由視準(zhǔn)透鏡16D使從作為發(fā)光元件16C的LED發(fā)出的光成為平行光線、對指示標(biāo)尺16A與作為主標(biāo)尺的標(biāo)尺15進(jìn)行照明。由作為受光元件16B光電二極管讀取由指示標(biāo)尺16A與作為主標(biāo)尺的標(biāo)尺15的組合產(chǎn)生的干涉條紋。
圖9是線型干涉條紋標(biāo)尺的情況的說明圖。通過相對于主標(biāo)尺傾斜指示標(biāo)尺16A而產(chǎn)生干涉條紋。該干涉條紋的間距依賴于圖案的間距與兩標(biāo)尺之間的傾角。為了從該干涉條紋獲得0°、90°、180°、及270°4相信號，而使用4個(gè)光電二極管來調(diào)整干涉條紋與光電二極管的位置關(guān)系。此外，光電二極管不限于4個(gè)，例如，也可使用24個(gè)，從得到4相信號的6組信號中進(jìn)行平均化。
圓弧標(biāo)尺的情況也相同，同樣形成主標(biāo)尺與指示標(biāo)尺16A的圖案，若傾斜配置二者，則如圖10所示，沿與圖案相垂直的方向形成圓弧的干涉條紋。另外，若沿半徑方向錯(cuò)開配置具有相同圓弧圖案的主標(biāo)尺與指示標(biāo)尺16A，則沿與圖案相平行的方向形成干涉條紋。并且，以不同的圖案形成主尺與刻度的圖案間距或圓弧半徑，即使同樣錯(cuò)開半徑方向也可產(chǎn)生與圖案相平行的干涉條紋。
除上述外，在線型中具有在指示標(biāo)尺16A上形成相位不同的多個(gè)格子，以各相位與主標(biāo)尺的組合而構(gòu)成明及暗變化其相位的整體位置的零位條紋型，并在相位錯(cuò)開的各格子的后面配置光電二極管元件(Cell)的方式。在將該零位條紋型應(yīng)用到圓弧標(biāo)尺上時(shí)，由于必須在指示標(biāo)尺16A的圓弧半徑不同的多個(gè)位置錯(cuò)開相位形成圖案，故如圖11所示，對應(yīng)圓弧半徑不同的位置在改變相位的同時(shí)間距也改變來形成。
在圖12中示出了3種標(biāo)尺15的安裝位置的實(shí)例。圖12(a)表示與指桿13設(shè)在同一直線上的情況、圖12(b)表示與指桿13沿45°方向設(shè)置的情況、圖12(c)表示與指桿13呈直角方向設(shè)置的情況。標(biāo)尺15的安裝位置，只要支點(diǎn)部件11的旋轉(zhuǎn)中心與標(biāo)尺15的圓弧圖案的圓弧中心相一致，則無論哪種角度均可，臂12或指桿13在中間也可以為任意形狀。但當(dāng)在接觸件14上施加如圖12(a)的箭頭方向的力時(shí)，在圖12(a)中幾乎不會產(chǎn)生誤差，但在圖12(c)中直接關(guān)系到讀取誤差。
圖13表示在∑型測量頭中，共用1個(gè)標(biāo)尺單元的情況。在該實(shí)施例中，如圖14所示，在上側(cè)的接觸件14用臂12上安裝標(biāo)尺15，在下側(cè)的接觸件14用的臂12上安裝讀取頭16。并且，兩者的臂12、12的支點(diǎn)部件11、11以旋轉(zhuǎn)中心位于同一直線上的方式進(jìn)行配置。在這種結(jié)構(gòu)的情況下，結(jié)構(gòu)上設(shè)置1個(gè)標(biāo)尺單元即可，不但廉價(jià)，并具有讀取的分辨率成為2倍的優(yōu)點(diǎn)。
此外，上述結(jié)構(gòu)也包括將接觸件14、14反向并將測定壓的施加方向反向的內(nèi)徑用測量頭的變形例。
作為標(biāo)尺單元的配置結(jié)構(gòu)的變形例，如圖14所示，以在具有設(shè)在臂12后端的R面的部件上形成格子的方式、或以在R面上粘貼標(biāo)尺帶的方式、在與R面相對向的位置配置干涉計(jì)。對于這種變形例的情況，可減薄測量頭整體的厚度，但長方向的尺寸增加。
圖15是表示緩沖器18的原理的剖視圖。緩沖器18用于衰減工作旋轉(zhuǎn)時(shí)的接觸件14的跳動(dòng)，尤其在測定如齒輪那樣的不連續(xù)面時(shí)是必需的構(gòu)件。緩沖器18是減震筒型緩沖器，安裝在軸18C上的活塞18B在填充有緩沖材18E的缸筒18A內(nèi)進(jìn)行活塞運(yùn)動(dòng)。在隨著缸筒18A的移動(dòng)而緩沖材18E通過狹窄的流路進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，基于流路的阻力，在活塞18B的兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，其作用在活塞面上并給活塞運(yùn)動(dòng)以阻力。圖15(a)表示形成在活塞18B上的孔18D成為流路的情況、圖15(b)表示活塞18B與缸筒18A的間隙成為流路的情況。
圖16是說明本實(shí)施例的緩沖器18的側(cè)剖視圖。緩沖器18如圖16所示，由缸筒18A、活塞18B、軸18C、緩沖劑18E、保護(hù)套18F、鉸鏈銷18G等組成。缸筒18A為圓筒形狀，在內(nèi)部填充有作為緩沖劑18E的硅油?；钊?8B為比缸筒18A內(nèi)徑稍小的球狀體、與軸18C的一端相連接并在缸筒18A內(nèi)進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)。
軸18C的另一端經(jīng)鉸鏈銷18G與臂12可自由轉(zhuǎn)動(dòng)地相連接。另外，在缸筒18A的上部安裝有保護(hù)套18F，以使填充在內(nèi)部的緩沖劑18E不漏出。該緩沖劑18E并不限于硅油，水或發(fā)動(dòng)機(jī)油等均可，另外也可以是空氣。在提高緩沖效果時(shí)要使用粘度高的緩沖劑。
此外，將軸18C經(jīng)鉸鏈銷18G與臂12可自由轉(zhuǎn)動(dòng)地相連接，但因?yàn)榛钊?8B是球狀體，所以在測定行程小的測量頭的情況下，即使省略鉸鏈銷18G、將軸18C固定在臂12上也能得到緩沖效果。
圖16(a)表示臂12右邊抬高的狀態(tài)、圖16(b)表示臂12為水平的狀態(tài)、圖16(c)表示臂12右邊下降的狀態(tài)。如圖所示，由保護(hù)套18F的膨脹收縮來吸收隨軸18C的出入所帶來的體積變化。
圖17表示緩沖器18的變形例。該變形例是在球狀的活塞18B的兩側(cè)分別設(shè)置相同直徑的軸18C、18C，保護(hù)套18F也被安裝在兩側(cè)。根據(jù)該變形例，因?yàn)檩S18C被推入的部分由相反側(cè)的軸18C凸出、或者軸18C被拉出的部分由相反側(cè)的軸18C進(jìn)入，所以體積沒有變化，因?yàn)楸Ｗo(hù)套18F無需膨脹收縮，所以增大保護(hù)套18F的耐久性。
為了實(shí)現(xiàn)微妙的緩沖效果，而必須考慮空洞現(xiàn)象。這是在流動(dòng)中形成壓力低的場所時(shí)產(chǎn)生氣泡或空洞的現(xiàn)象，在流體的粘度、間隙與速度滿足某一條件時(shí)發(fā)生。尤其在粘度高、間隙窄、速度快時(shí)易產(chǎn)生，在要提高緩沖效果且要與接觸件14的劇烈變位對應(yīng)時(shí)成為阻礙。
圖18是表示在球狀的活塞18B表面呈放射狀形成多個(gè)槽的狀態(tài)，是不使上述的空洞現(xiàn)象產(chǎn)生的變形例。圖18(a)是側(cè)視圖、圖18(b)是俯視圖。這時(shí)，稍微減小球狀的活塞18B的直徑、擴(kuò)大間隙，則增加那部分基于槽的粘性阻力。但因?yàn)榛谡承宰枇Φ淖枇εc基于間隙的阻力相比要小，所以提高了緩沖劑18E的粘度。
此外，在上述實(shí)施例中，將活塞18B設(shè)為球狀，但也可切割球的上下部分僅將側(cè)面設(shè)為球面，或也可為桶型形狀，只要是可與軸18C的傾角相對應(yīng)的形狀，可使用各種形狀。
下面，對在杠桿式的測量頭中成為問題的圓弧誤差的修正進(jìn)行說明。通過在傳感器中使用標(biāo)尺15、可進(jìn)行寬范圍測定，但例如在外徑測定上，如圖19所示，隨著接觸件14的圓弧運(yùn)動(dòng)，接觸件14的與工件W的觸點(diǎn)自工件W的軸心錯(cuò)開。若從工件W的最小徑到最大徑呈直線地進(jìn)行變化，則只要用最小徑與最大徑的2個(gè)校正規(guī)進(jìn)行校正即可，但由于實(shí)際上呈3次曲線狀變化，故由軟件系統(tǒng)進(jìn)行修正。由臂12的支點(diǎn)與工件W的位置關(guān)系，可計(jì)算出接觸件14的與工件W的觸點(diǎn)的軌跡，并計(jì)算并修正以標(biāo)尺零點(diǎn)為基準(zhǔn)的各測定徑的誤差。
圖20示出了工件W的半徑R1＝4mm、接觸件14的前端半徑R2＝1.5mm時(shí)的外徑測定時(shí)的偏芯誤差的曲線圖。另外，在圖21的曲線圖中示出了以其為基準(zhǔn)、在從支點(diǎn)部件11的中心到接觸件14的前端的距離為155mm時(shí)算出的修正值。
另外，在∑型測量頭中，沒有上下接觸件14、14的接觸點(diǎn)的錯(cuò)位，通過對正工件W的軸心高度與∑型測量頭的上下方向中心位置，能夠使用1個(gè)校正規(guī)進(jìn)行校正，并且僅在工場調(diào)整時(shí)使用，對于客戶可不使用校正規(guī)。
在本發(fā)明的數(shù)字測量頭10中，設(shè)置有未圖示的回程裝置。回程裝置是在使數(shù)字測量頭10向測定點(diǎn)移動(dòng)時(shí)使指桿13成為開或閉狀態(tài)的釋放機(jī)構(gòu)。該回程裝置使用由氣缸或鎖固螺線管對桿進(jìn)行推拉的機(jī)構(gòu)。
除氣缸或鎖固螺線管之外，也可使用馬達(dá)或另外設(shè)置與數(shù)字測量頭10的出入動(dòng)作連動(dòng)的、推拉桿的機(jī)構(gòu)。另外，在必須控制自回程狀態(tài)的接觸件14的下落速度時(shí)，在氣缸上設(shè)置節(jié)流器由氣體的流量進(jìn)行控制。另外，該回程裝置也可為搭載在數(shù)字測量頭10內(nèi)部的內(nèi)置型、或設(shè)在外部的外設(shè)型。
若在數(shù)字測量頭10上施以劇烈的溫度變化，則會產(chǎn)生結(jié)露。這時(shí)，產(chǎn)生布線部分的電絕緣不良與生銹、進(jìn)而產(chǎn)生標(biāo)尺15的光學(xué)讀取不良或信號等級的降低等不良現(xiàn)象。這樣，在本實(shí)施例中，要采用氣洗方式。這是在數(shù)字測量頭10的標(biāo)尺22內(nèi)部送入干燥空氣來防止結(jié)露的方式。這時(shí)，也可將在回程裝置中所用的氣體分支使用。另外，除氣洗方式之外也可利用二層箱結(jié)構(gòu)方式、組裝加熱器方式等。
作為基于本發(fā)明的數(shù)字測量頭10的測定項(xiàng)目，有外徑、內(nèi)徑、階梯(高度)、厚度等尺寸測定；另外，粗糙度、波紋等表面測定；另外，形狀測定；另外，位置測定；進(jìn)而，同軸度、同心度、直線度、圓筒度、垂直度、平行度、錐度、線輪廓、面輪廓、傾斜度、位置度、對稱度、圓周振擺、整體振擺等幾何公差測定等。
(發(fā)明效果)如上所述，根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字測量頭，因?yàn)樵趥鞲衅髦惺褂脴?biāo)尺，所以與在傳感器中使用LVDT時(shí)的測定范圍為1mm程度相比，實(shí)際上得到了數(shù)十mm的測定范圍，可進(jìn)行寬范圍測定。另外，因?yàn)闊o需對尺寸換位的各直徑分別準(zhǔn)備校正用的校正規(guī)，可減少校正規(guī)數(shù)，所以可縮短設(shè)定時(shí)間或分段的準(zhǔn)備時(shí)間，能簡單地與改變機(jī)種、改變產(chǎn)量生產(chǎn)相對應(yīng)。校正規(guī)的減少，無論對制造側(cè)還是使用側(cè)，均在校正規(guī)的制造、管理、交付期、價(jià)格等方面具有優(yōu)點(diǎn)。
另外，因?yàn)長VDT是模擬信號，所以具有零點(diǎn)錯(cuò)位與漂移，必需等待其穩(wěn)定，所以需要時(shí)間，但因?yàn)樵诒景l(fā)明的數(shù)字測量頭中使用標(biāo)尺，所以在讀取標(biāo)尺后馬上變換為數(shù)字，因此最好進(jìn)行信號處理的電路也為數(shù)字處理系統(tǒng)，能夠進(jìn)行啟動(dòng)測定(冷啟動(dòng))、提高啟動(dòng)特性。
并且，溫度特性與LVDT相比明顯提高。而且由于LVDT儀器誤差大，故進(jìn)行修正時(shí)必須逐個(gè)對修正量進(jìn)行確認(rèn)修正，費(fèi)時(shí)，反之，因標(biāo)尺幾乎沒有儀器誤差，所以能夠大幅度地削減調(diào)整及檢查工時(shí)。
另外，在采用直線運(yùn)動(dòng)的光學(xué)數(shù)字方式的數(shù)字測量頭時(shí)，需要用于將接觸件的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)量轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)量的復(fù)雜機(jī)構(gòu)，與因可動(dòng)部分的質(zhì)量的增加或環(huán)支點(diǎn)的磨擦等而響應(yīng)頻率變差相對，本發(fā)明的數(shù)字測量頭可進(jìn)行寬范圍的測定，并且因高速響應(yīng)頻率特性優(yōu)越，因此可共用在輪廓形狀測定器或表面粗糙度測定器等上。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字測量頭，是使接觸件與工件相接觸來測定該工件的測定裝置的測量頭，其特征在于，具有以支點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)地被支撐的臂、前端具有接觸件并被安裝在所述臂前端部的指桿、和被設(shè)在所述臂的后端部的標(biāo)尺或讀取頭，由所述標(biāo)尺與讀取頭檢測與所述工件相接觸的所述接觸件的變位。
全文摘要
一種數(shù)字測量頭，該使接觸件(14)與工件(W)相接觸來進(jìn)行測定的測定裝置的測量頭結(jié)構(gòu)，由以支點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)地被支撐的臂(12)、前端具有接觸件(14)并被安裝在臂的前端部的指桿(13)、和被設(shè)在臂(12)的后端部的標(biāo)尺(15)或讀取頭(16)構(gòu)成，并由標(biāo)尺(15)與讀取頭(16)檢測與工件(W)相接觸的接觸件(14)的變位。這種數(shù)字測量頭，可進(jìn)行寬范圍的測定，啟動(dòng)特性和溫度特性優(yōu)越，并且用于指示尺寸的校正的校正規(guī)、僅在最初調(diào)整時(shí)使用。
文檔編號G01D5/38GK1483992SQ0312746
公開日2004年3月24日 申請日期2003年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月7日
發(fā)明者小栗正明 申請人:株式會社東京精密