專利名稱：機動化可定向的測量頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測量機械部件的三維坐標的可重新定向的測量頭并且，特別是，盡管不是排它地，涉及設(shè)計應(yīng)用于測量坐標的手動或自動機上的可重新定向的測量頭。
背景技術(shù)：
接觸探測器是例如應(yīng)用在機械部件生產(chǎn)線上的測量儀器，用于檢驗機加工部件的尺寸或表面。接觸探測器還用于記錄復(fù)雜工件的三維形狀，例如為了對其進行再生產(chǎn)或者仿造。
探測器通常包括設(shè)計以固定在測量機的臂上或活動觸頭上的測量頭，所述測量頭包括在細長桿端部處的球體并且被設(shè)計用以使其與要進行測量的工件接觸。
在大多數(shù)應(yīng)用中，接觸探測器被固定在機器的活動臂上，通過手動或自動測量系統(tǒng)，例如放置在該機器軸上的位置編碼器可以準確地確定所述活動臂在空間中的位置。在空間中移動活動臂以使探測器的測量觸頭與要進行測量的工件或表面接觸。接觸時，于是偏轉(zhuǎn)力被施加到觸頭上，使其離開其初始靜止位置。傳感器對該觸頭最輕微的位移起反應(yīng)，產(chǎn)生電信號，所述電信號或是以光信號的形式發(fā)送給用戶，或者發(fā)送給機器的控制軟件，所述控制軟件由此根據(jù)測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)確定接觸點在給定參照系內(nèi)的坐標。為此目的，現(xiàn)有技術(shù)中使用了基于不同原理的電子機械或光學傳感器或者移動傳感器，例如包括約束量規(guī)(constraint gauge)的傳感器。
在三維接觸探測器的情況下，觸頭和測量頭的固定部分之間的連接一般是按照Boys連接原理(Principle of the Boys connection)實現(xiàn)的，即例如通過將三個圓柱形銷放置在六個球體上以便在固定機構(gòu)和觸頭之間限定出六個接觸點。然而，二維和一維的探測器也是已公知的。
當應(yīng)用探測器測量具有復(fù)雜形狀，如具有空腔和突出部的工件時，很難或者甚至不可能使觸頭接觸到工件的整個表面而不會造成測量頭的固定部分或觸頭桿妨礙要進行測量工件的各元件。為了補救這種不方便，已公知各種測量頭允許接觸觸頭在空間中能沿多個方向定向。一般來說，需要兩個獨立的轉(zhuǎn)軸以便達到所有可能的定向。在歐洲專利申請EP0392660號中描述了這種類型的儀器。
然而，使用這種類型的裝置并不限于接觸觸頭，且它們也可以使用無接觸探測器，例如攝像機，用于對機加工的部件進行檢查和檢驗。
轉(zhuǎn)軸優(yōu)選是帶分度的，其意義是設(shè)置足夠多但數(shù)目有限的預(yù)定和精確可重復(fù)的靜止位置。這種結(jié)構(gòu)避免了在觸頭每次改變定向之后都必須要重新校準測量機的麻煩。
通過相互接合的且限定出所需靜止位置的各個分度表面，例如通過其中接合有三個銷的球冠，獲得觸頭轉(zhuǎn)軸的分度。在本申請人申請的歐洲專利申請EP1443299號中描述了這種類型分度機構(gòu)的例子。當在每個分度位置分度表面限定出與六個獨立接觸點的均衡連接時獲得最優(yōu)的精度。
為了測量復(fù)雜的工件，所希望的是測量頭是機動化的，以便能按照測量機控制程序的指令自動定向探測器的觸頭。為此目的，由電磁致動器，例如使分度表面移動分離并使各軸轉(zhuǎn)動的引擎或伺服馬達執(zhí)行觸頭軸的轉(zhuǎn)動和鎖定。
已公知的測量頭，特別是機動化測量頭的一個限制因素在于可重新定向元件必須在其旋轉(zhuǎn)過程中例如受到軸承或球的引導。但是，與均衡連接相比較，這些引導機構(gòu)構(gòu)成了附加的機械約束并且損害分度精度。為了避免產(chǎn)生這種麻煩，已公知的測量頭常常采用具有較小直徑或具有較大公差的軸承。
特別是在使用較重的觸頭和相當大的平動和旋轉(zhuǎn)速度時，與探測器觸頭的質(zhì)量相關(guān)聯(lián)的慣性力還可對測量頭的功能產(chǎn)生不利影響。在這些條件下，重要的是測量頭的可重新定向元件具有有效的軸承或引導機構(gòu)。
在沒有有效引導的情況下，可重新定向元件的旋轉(zhuǎn)速度必定會受到限制。此外，在旋轉(zhuǎn)過程中不能準確地確定探測器觸頭的軌跡。由此有必要在探測器觸頭和要進行測量的工件之間保持相當大的安全距離，這樣就增加了測量頭的軌跡并降低了測量速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提出一種沒有已公知裝置的各種限制的測量頭，特別是，一種測量頭，其可重新定向元件受到有效引導，而不會損害分度精度，并且所述觸頭的軌跡受到完全的控制。
通過包括作為主技術(shù)方案目的的各種特征的組合的裝置，且特別是通過用于相對于測量設(shè)備重新定向探測器觸頭的可重新定向的測量頭，實現(xiàn)這些目的，包括支承元件；能夠沿第一軸線的方向在鎖定位置和解鎖位置之間滑動的第一可重新定向元件；與所述支承元件相連接的第一引導機構(gòu)；與所述第一可重新定向元件相連接的第二引導機構(gòu)；其中當所述可重新定向元件在鎖定位置時，所述第一和第二引導機構(gòu)不互相接觸；當所述可重新定向元件在所述解鎖位置時，所述第一引導機構(gòu)支承所述第二引導機構(gòu)，從而允許所述可重新定向元件圍繞所述軸線相對于所述支承元件進行轉(zhuǎn)動。


通過閱讀通過附圖示出并以實例形式給出的描述會更好地理解本發(fā)明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的機動化測量頭的視圖；圖2是處于鎖定位置的發(fā)明測量頭的剖面圖；圖3是處于解鎖位置的發(fā)明測量頭的剖面圖；圖4是發(fā)明測量頭的鎖定/解鎖機構(gòu)的詳圖；圖5-8是根據(jù)本發(fā)明的一個方面負責進行鎖定和解鎖的致動器的不同視圖；圖9是包含在圖5-8中所示致動器中的曲軸的詳圖；圖10和11分別示出了處于鎖定位置和解鎖位置的測量頭的可重新定向元件的軸承位置；圖12和13分別示出了圖10和圖11中的細節(jié)；和圖14和15示出了本發(fā)明的另一實施例。
具體實施例方式
參見圖1，根據(jù)本發(fā)明的可重新定向的測量頭10包括設(shè)計用以固定到測量機臂上且能夠例如在測量體積內(nèi)沿著三個坐標軸X、Y和Z移動的支座30。例如通過桿20或任何其它固定機構(gòu)可將該支座固定住。
下文中，為了簡明扼要，所使用的指示“垂直”指的是圖1中軸線B所表示的方向。該指示方向是各圖中的常規(guī)定向并且也是發(fā)明裝置正常使用的定向且通常與其上安裝有探測器的測量機的垂直軸線Z的方向一致。然而，探測器可以空間中任何定向進行使用。
第一可重新定向元件40被固定到支座30上，以便能圍繞垂直軸線B轉(zhuǎn)動。第一可重新定向元件40優(yōu)選可具有與多個小的預(yù)定角度，例如10度相對應(yīng)的多個帶分度的位置。在已公知的方式中，例如通過在定位元件之間限定六個靜止點的均衡連接確定這些帶分度的位置，所述定位元件的位置被高精度確定。
第二可重新定向元件50圍繞水平軸線A自由轉(zhuǎn)動并與第一可重新定向元件40連接在一起。第二可重新定向元件50圍繞軸線A的轉(zhuǎn)動可以是連續(xù)的或分度的，機動化的或手動的，如上述的第一可重新定向元件40。
探測器觸頭60被固定到第二可重新定向元件50和軸承上，在其末端，球70被設(shè)計用以接觸要進行測量的工件。圖中未示出的檢測機構(gòu)響應(yīng)球70相對靜止位置最輕微的位移通過連接器(未示出)將電信號發(fā)送至光顯示器35或者機器的控制軟件。
下面結(jié)合圖2和3對根據(jù)本發(fā)明一個方面的軸的鎖定和解鎖機構(gòu)進行描述。
支座30帶有沿著圓周以通常恒定的角距，例如10°，設(shè)置的一系列球31，以便限定通常有規(guī)則地隔開的一系列分度位置。對應(yīng)于所述球31，第一可重新定向元件40帶有三個間隔120°且能夠與球31接合的銷41。在鎖定位置(圖2)，通過拉動桿66，使第一可重新定向元件40壓靠在固定元件30上。然后每個銷41接觸兩個相鄰的球31，以便按照Boys連接法的原理，在支承元件30和可重新定向元件40之間形成均衡連接。
以等效的方式，在本發(fā)明的框架內(nèi)，通過將前者設(shè)置到可重新定向元件上并將后者設(shè)置到支承元件上，有可能交換球和銷的位置。也可以用能夠在支承元件30和可重新定向元件40之間限定六個接觸點的其它定位元件代替球和銷。
用鉸接的方式將垂直桿66的一個末端固定到支承元件30上，而將桿66的另一末端用鉸接的方式固定到杠桿62的一臂上，所述杠桿能夠圍繞軸線65樞轉(zhuǎn)，相對于第一可重新定向元件40是固定的。桿66優(yōu)選與旋轉(zhuǎn)軸線B對齊。
在圖2所示的鎖定狀態(tài)，桿66被拉緊并拉動第一可重新定向元件40向上，從而使分度銷41與支座30上的球31接合。在這種狀態(tài)下，圍繞軸線B的任何轉(zhuǎn)動都是不可能的并且可重新定向元件40被鎖定在一個帶分度的位置處。
由桿66施加的力被施加到球31和銷41之間接觸點的相對中心，并沿著軸線B的方向。按照這種方式，以最大的分度精度在球31和銷41之間獲得了接觸力的均勻分布。
通過拉緊與軸線A對齊的水平桿67，也使第二可重新定向元件50保持靠在第一可重新定向元件40上。一方面，桿67與可重新定向元件50相鉸接，而另一方面，桿67與杠桿62相鉸接。
放置在第一和第二可重新定向元件之間的第二組球43和銷42允許第二可重新定向元件50轉(zhuǎn)動以便被鎖定在帶分度的位置處。
可選擇地，桿66和67包括彈性元件(未示出)，例如金屬彈簧，以便保證在銷41、42和球31、43之間存在恒定的分度力。按照等效的方式，桿62中或第一和第二可重新定向元件中可包括彈性元件。
參見圖5-9，杠桿62的位置由圖9中所詳細示出的曲軸59決定，所述曲軸由電動馬達45和刻齒的輪46、51驅(qū)動圍繞軸線75轉(zhuǎn)動。按照等效的方式，曲軸59可由設(shè)置在曲軸59的同一軸線75上的馬達直接驅(qū)動或者由任何機械傳動裝置，例如滑輪系統(tǒng)驅(qū)動。
杠桿62的一個臂包括一叉狀部，該叉狀部的兩個分支63和64接觸曲軸59的曲柄銷55的兩個相對側(cè)，以便當曲軸59轉(zhuǎn)動180°時將杠桿62從鎖定位置移動至解鎖位置?？蛇x擇地，將滾珠軸承插入到曲柄銷55和叉狀部之間以便減小鎖定和/或解鎖過程中的摩擦。在圖中所示出的實施例中，僅與傳送鎖緊力的叉狀部分支63對應(yīng)地裝設(shè)軸承54。對應(yīng)于負責解鎖的叉狀部的另一分支64，所需的作用力較小且可以使用簡單的抗摩軸承。
通過扇形部件53和與第一可重新定向元件40連接的銷55限制曲軸59圍繞軸線75的轉(zhuǎn)動使其轉(zhuǎn)角略大于180°。設(shè)置銷55支靠扇形部件53末端的制動位置以便碰到各平衡點并由此限定出分別與鎖定狀態(tài)和解鎖狀態(tài)相對應(yīng)的穩(wěn)定的靜止位置。
圖3和4示出了處于解鎖狀態(tài)的根據(jù)本發(fā)明的測量頭。在這種情況下，杠桿62是傾斜的且桿66和67分別壓在支承元件30和第二可重新定向元件50上以便分別移動分度元件31、41和42、43使其各自分開預(yù)定的距離d1、d2。
在一個不同的實施例中，桿66和67可由小齒輪/齒條單元驅(qū)動。
由于桿66和67的雙重動作導致分度表面的移動分離和閉合，所述動作與重力和慣性力方向無關(guān)，也沒有必要使用彈簧或彈性元件。因而不管測量頭的方向如何，發(fā)明的機構(gòu)也能保證可靠和快速地起作用。
在解鎖位置，由伺服馬達(未示出)保證、由測量機的軟件、或者由其它等效的自動致動器控制圍繞兩個軸A和B的轉(zhuǎn)動。
這里描述的實施例包括用于同時鎖定和解鎖兩個軸A和B的單個致動器。但是本發(fā)明還包括多種變型，其中通過獨立的致動器鎖定和解鎖每條旋轉(zhuǎn)軸線。
在一個實施例中，發(fā)明的測量頭僅包括一條旋轉(zhuǎn)軸線，例如水平軸線A。
參見表示引導系統(tǒng)處于鎖定位置的圖10，第一可重新定向元件40設(shè)有引導軸套82，與支承元件30相連接的軸84接合進入到所述引導軸套中。軸84的表面具有由底切部隔開的突起85a，85b，在所述底切部上，軸84的直徑減小至突起85a，85b的最大直徑。
與之相似，軸套82的內(nèi)表面具有由底切部隔開的突起83a，83b，所述底切部的直徑大于突起83a，83b的內(nèi)徑。
在圖10所示出的鎖定位置，突起83a，83b面對軸84的底切部。由此，在引導軸套82和固定軸84之間不存在可能損害分度精度的接觸。
在圖11所示出的解鎖位置，第一可重新定向元件40沿軸線B軸向移動以使球31和銷41分開。在該位置處，突起83a，83b并置在突起85a，85b上方，從而支持可重新定向元件40圍繞軸線B的轉(zhuǎn)動。優(yōu)選地，軸套82和軸84各自包括沿旋轉(zhuǎn)軸線的方向間隔一定距離的兩個突起，從而引導以最優(yōu)方式進行的旋轉(zhuǎn)。
由于在鎖定位置引導元件82和84之間不存在接觸，因此在解鎖位置，后者的直徑可以相當大并且軸套和軸之間的間隙可基本上為零或者可被忽略。按照這種方式，可以完全地確定在旋轉(zhuǎn)過程中探測器觸頭的位置。
與第一垂直軸線B的情況相類似，第二水平旋轉(zhuǎn)軸線A上設(shè)有引導機構(gòu)，如圖12和13所示。第二軸線上的引導軸套88帶有兩個突起89a，89b，而軸86包括兩個突起87a，87b。
在圖12所示出的鎖定位置，軸套88上的突起89a，89b與軸86上的突起87a，87b相對移位。按照這種方式，在軸套88和軸86之間不存在可能損害分度精度的接觸。
在圖13所示出的解鎖位置，軸套88上的突起89a，89b與軸86上的突起87a，87b并置并且形成兩個軸承，以引導第二可重新定向元件50圍繞軸線A的轉(zhuǎn)動。
在圖14和15中所示出的本發(fā)明的變型實施例中，軸86和軸套88設(shè)有共軸的錐形引導表面87c和89c。在圖14所示出的鎖定布置中，在軸套88和軸86之間不存在接觸。在圖15所示出的解鎖布置中，錐形表面87c和89c相接觸并且引導第二可重新定向元件50圍繞軸線A的轉(zhuǎn)動。
權(quán)利要求
1.用于相對于測量設(shè)備定向探測器觸頭(60)的可定向測量頭(10)，包括支承元件(30)；能夠沿第一軸線(B)的方向在鎖定位置和解鎖位置之間滑動的第一可重新定向元件(40)；與所述支承元件(30)相連接的第一引導機構(gòu)(84)；與所述第一可重新定向元件(40)相連接的第二引導機構(gòu)(82)；其中當所述可重新定向元件(40)在鎖定位置時，所述第一和第二引導機構(gòu)(84，82)不互相接觸；其中當所述可重新定向元件(40)在所述解鎖位置時，所述第一引導機構(gòu)(84)支承所述第二引導機構(gòu)(82)，從而允許所述可重新定向元件(40)圍繞所述軸線(B)相對于所述支承元件(30)進行轉(zhuǎn)動。
2.如權(quán)利要求1所述的測量頭，其特征在于，所述第一和第二引導機構(gòu)(84，82)中的一個是軸套，而另一個是軸。
3.如權(quán)利要求1所述的測量頭，其特征在于，所述引導機構(gòu)在其支承表面上具有突起，當所述可重新定向元件處于鎖定位置時，所述突起相互間移位；當所述可重新定向元件(40)處于解鎖位置時，所述突起并置。
4.如權(quán)利要求3所述的測量頭，其特征在于，所述引導機構(gòu)(84，82)各自包括沿軸線(B)的方向間隔一定距離的至少兩個突起(83a，83b，85a，85b)。
5.如權(quán)利要求2所述的測量頭，包括多個與所述第一可重新定向元件(40)相連接的活動定位元件(41)；多個與所述支承元件(30)相連接的且能與所述活動定位元件(41)接合以相對于所述固定元件(30)限定多個所述第一可重新定向元件(40)的預(yù)定方向的固定定位元件(31)。
6.如權(quán)利要求2所述的測量頭，包括當所述第一可重新定向元件在解鎖位置時，用于使所述第一可重新定向元件(40)相對于所述支承元件(30)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動致動器。
7.如權(quán)利要求2所述的測量頭，其特征在于，當所述第一可重新定向元件在解鎖位置時，所述第一和第二引導機構(gòu)之間的連接基本上是無間隙的。
8.如權(quán)利要求1所述的測量頭，包括能夠相對于所述第一可重新定向元件(40)沿第二軸線(A)的方向在鎖定位置和解鎖位置之間滑動的第二可重新定向元件(50)；與所述第一可重新定向元件(40)相連接的第三引導機構(gòu)(88)；與所述第二可重新定向元件(50)相連接的第四引導機構(gòu)(86)；其中當所述第二可重新定向元件(50)在鎖定位置時，所述第三和第四引導機構(gòu)(86，88)不互相接觸；其中當所述第二可重新定向元件(50)在所述解鎖位置時，所述第三引導機構(gòu)(88)支承所述第四引導機構(gòu)(86)，從而允許所述第二可重新定向元件(50)圍繞所述第二軸線(A)相對于所述可重新定向元件(40)進行轉(zhuǎn)動。
9.如權(quán)利要求8所述的測量頭，其特征在于，所述第一軸線(B)與第二軸線(A)基本上是互相垂直的。
全文摘要
用于測量三維坐標的機器的帶分度的機動化測量頭。包括一個、兩個或更多個可重新定向元件以按照多個分度取向定向探測器觸頭。所述可定向元件在其旋轉(zhuǎn)過程中受到引導，并且在底切軸套和底切軸的作用下進行滑動移動。所述底切部的布置允許準確引導旋轉(zhuǎn)運動，而不會損害分度精度。
文檔編號G01B5/008GK1782656SQ20051012851
公開日2006年6月7日 申請日期2005年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月1日
發(fā)明者P·若爾迪爾, C·魯熱 申請人:特莎有限公司