專(zhuān)利名稱(chēng)：利用球形探頭的坐標(biāo)測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用球形探頭的一種坐標(biāo)測(cè)量裝置，例如，手控式三維測(cè)量裝置，具有手控示教功能的CNC(計(jì)算機(jī)數(shù)控)三維測(cè)量裝置，一數(shù)字讀出器等等。更確切地講，本發(fā)明涉及球形探頭和一種利用適合于測(cè)量物體，尤其是平板形、物體的突起部分或類(lèi)似處的球形探頭的測(cè)量裝置。
在使用球形探頭的手控式三維測(cè)量裝置中，使球形探頭中位于探頭頂端的球與被測(cè)物體接觸，例如，通過(guò)在三維坐標(biāo)空間的各個(gè)方向人工移動(dòng)球形探頭，并且利用球與被測(cè)物體接觸的瞬間或與其接觸過(guò)程中測(cè)量的球的中心坐標(biāo)值，以及通過(guò)對(duì)相對(duì)球的中心坐標(biāo)值的球的半徑進(jìn)行偏移處理，來(lái)決定球與被測(cè)物體的接觸位置。但是，對(duì)于測(cè)量的球中心坐標(biāo)值的偏移的方向應(yīng)該利用測(cè)量的球的多個(gè)中心坐標(biāo)值通過(guò)幾何計(jì)算事先說(shuō)明或已確定。例如，當(dāng)被測(cè)對(duì)象是一孔時(shí)，球形探頭應(yīng)被引導(dǎo)到該孔內(nèi)側(cè)的三個(gè)不同點(diǎn)處，并與其接觸以測(cè)量各個(gè)中心坐標(biāo)值。然后，該圓中心和半徑的值可利用這三個(gè)中心坐標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算，利用這一半徑值和球半徑值相加可以決定孔的半徑。
在被測(cè)物體為厚度小于球半徑的薄型物體如金屬薄板的情況下，上述引導(dǎo)操作探頭將球的頂點(diǎn)與被測(cè)物體準(zhǔn)確接觸以測(cè)量上述孔的操作很困難并需要熟練的技術(shù)。例如圖9所示，當(dāng)探頭100與被測(cè)物體101例如金屬薄板相接觸，其在一不正確的測(cè)量位置B而非正確的測(cè)量位置A接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生一明顯的測(cè)量誤差。
通常，為了解決上述問(wèn)題，如

圖10A所示，利用一柱形探頭110取代一球形探頭。通過(guò)使用這一柱形探頭110，無(wú)論柱形探頭110的外部圓形表面的任何位置與被測(cè)物體101接觸，只要柱形探頭110和被測(cè)物體101的中心線相交成直角，就可以保證正確的測(cè)量。然而，利用這種柱形探頭110測(cè)量的缺點(diǎn)是無(wú)法在于不能確定柱形探頭110和被測(cè)物體101的垂直接觸位置。柱形探頭110不適用于測(cè)量例如具有局部尖端部分或類(lèi)似部分的被測(cè)物體，這是因?yàn)椴荒艽_定接觸的位置是在垂直的方向。因此，例如被測(cè)物體是薄形的和普通的外形結(jié)合的方式，當(dāng)探頭在測(cè)量中途需要更換時(shí)是非常麻煩的，而且，由于更換探頭，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)偏移誤差。如圖10B所示，如果柱形探頭110的中心線和金屬薄板結(jié)構(gòu)的被測(cè)物體101不垂直，另一個(gè)問(wèn)題是會(huì)出現(xiàn)明顯的測(cè)量誤差。此外，因?yàn)槠湎鄬?duì)重的重量，會(huì)呈現(xiàn)一顯著的慣性力，因而難于控制柱形探頭110。尤其是當(dāng)被測(cè)物體是具有較低剛性的小物體例如金屬薄板時(shí)，體積大的探頭本身的慣性力會(huì)導(dǎo)致被測(cè)物體的扭曲或變形，從而加大測(cè)量誤差。不僅手工操作的坐標(biāo)測(cè)量裝置或數(shù)字讀出器，還有CNC示教操作的三維測(cè)量裝置也會(huì)遇到這樣的問(wèn)題。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種以手動(dòng)方式精確測(cè)量薄型被測(cè)物體，被測(cè)物體具有的突出部分和類(lèi)似的物體的坐標(biāo)測(cè)量裝置，并提供一種用于該裝置的球形探頭。
本發(fā)明的另一目的是提供一種在被測(cè)物是薄型、具有伸出部分或類(lèi)似被測(cè)物體的情況下用于精確測(cè)量沿探頭軸線方向的位置的坐標(biāo)測(cè)量裝置，并提供一種用于此裝置的球形探頭。
本發(fā)明的再一目的是提供一坐標(biāo)測(cè)量裝置，其能夠簡(jiǎn)便地完成這種測(cè)量操作，并提供一種用于此裝置的球形探頭。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，當(dāng)球形探頭與被測(cè)物體接觸時(shí)輸出一接觸信號(hào)，該球形探頭包含利用可移動(dòng)支承部件支承的軸和一與該軸頂端相連接的要與被測(cè)物體接觸的球，其中，在球的表面形成一標(biāo)記以標(biāo)識(shí)出在橫穿球心的和垂直地穿過(guò)軸中心線的平面和球表面之間的相交線。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，標(biāo)記包含在相交線上形成一適當(dāng)寬度的線。
該適當(dāng)寬度的線，可為例如一實(shí)線、一虛線、一點(diǎn)劃線或類(lèi)似的線。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中，標(biāo)記所包含的適當(dāng)寬度的二條線分別在相交線兩側(cè)形成，從而在相交線上形成一適當(dāng)寬度的帶區(qū)。
在這些實(shí)施例的任一實(shí)施例中，適當(dāng)寬度的線可以是例如實(shí)線、虛線、點(diǎn)劃線或類(lèi)似的線。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，通過(guò)與被測(cè)物體接觸用于測(cè)量被測(cè)物體的坐標(biāo)測(cè)量裝置包括在X、Y和Z軸線方向彼此垂直相交可移動(dòng)的懸臂，以及，與懸臂的頂端相連接的一球形探頭，用于當(dāng)其與被測(cè)物體接觸時(shí)輸出一接觸信號(hào)，其中，球形探頭包含由懸臂支承的軸和與軸頂端相連接的，并更與被測(cè)物體接觸的球，其中，在球的表面形成一標(biāo)記，以識(shí)別在橫穿球中心的和垂直地穿過(guò)軸中心線的平面和球表面之間的相交線。
在本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例中，在懸臂和球形探頭之間還提供一角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)球形探頭相對(duì)于懸臂的角度。
此外，根據(jù)本發(fā)明的再一方面，通過(guò)與被測(cè)物體接觸測(cè)量被測(cè)物體的一懸臂型多點(diǎn)連接坐標(biāo)測(cè)量裝置包括多個(gè)利用各自由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接的多個(gè)懸臂，以及與最遠(yuǎn)的懸臂頂端連接的球形探頭，用于與被測(cè)物體接觸時(shí)輸出一接觸信號(hào)，其中，球形探頭包含由最遠(yuǎn)端懸臂支承的軸和與軸頂端相連接的，并更與被測(cè)物體接觸的球，其中，在球的表面形成一標(biāo)記，用以識(shí)別在橫穿球中心的與垂直地穿過(guò)軸中心線的平面和球表面之間產(chǎn)生的相交線。
通過(guò)舉例，參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更進(jìn)一步的說(shuō)明，其中圖1是表示本發(fā)明中具有一球形探頭的三維測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)的透視圖；圖2是表示圖1中球形探頭的一優(yōu)選實(shí)施例；圖3是表示利用圖2中的球形探頭測(cè)量一金屬薄板；圖4是表示利用圖1中球形探頭的另一實(shí)施例；圖5是表示利用圖4中的球形探頭測(cè)量一金屬薄板；圖6是表示本發(fā)明中具有一球形探頭的懸臂式多點(diǎn)連接測(cè)量裝置的透視圖；圖7A和圖7B是分別表示本發(fā)明中球形探頭的再一實(shí)施例；圖8A和圖8B是分別表示本發(fā)明中球形探頭的又一實(shí)施例；圖9是表示利用傳統(tǒng)球形探頭測(cè)量金屬薄板的缺陷；圖10A和圖10B是分別表示利用傳統(tǒng)柱形探頭測(cè)量金屬薄板及其缺陷；參照附圖，下面說(shuō)明本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例圖1是表示本發(fā)明牟手控式三維測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例。
這一三維測(cè)量系統(tǒng)包括一三維測(cè)量裝置1和對(duì)由三維測(cè)量裝置1輸入的測(cè)量值進(jìn)行處理的主機(jī)系統(tǒng)2。
一檢測(cè)臺(tái)11安裝在三維測(cè)量裝置1的隔震底座10上，以使檢測(cè)臺(tái)頂面作為一與水平面相一致的基準(zhǔn)表面。一X軸導(dǎo)向件13由分別沿檢測(cè)臺(tái)11兩側(cè)邊垂直安裝的支承臂12a、12b的頂端支承。支承臂12a、12b的底端在檢測(cè)臺(tái)11上支承，通過(guò)氣墊支承裝置沿Y軸方向移動(dòng)。X軸導(dǎo)向件13在X軸方向?qū)σ淮怪毖由斓腪軸導(dǎo)向件15導(dǎo)向。一Z軸懸臂16安裝在以可沿Z軸導(dǎo)向件15移動(dòng)的方式安裝Z軸導(dǎo)向件15。一接觸式球形探頭17通過(guò)裝有一角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的探頭(probe head)18裝于Z軸懸臂16的最底端。當(dāng)這一球形探頭17與安裝在檢測(cè)臺(tái)11上作為被測(cè)物體-工件19接觸時(shí)，從球形探頭17輸出一接觸信號(hào)到主機(jī)系統(tǒng)2，并且在那一時(shí)刻X、Y、Z軸坐標(biāo)值被輸入主機(jī)系統(tǒng)2。
圖2表示圖1球形探頭的細(xì)結(jié)構(gòu)。球形探頭17包含一由探頭固定的軸21和一與軸21底端相連接與工件19接觸的球22。在球表面22上確定一標(biāo)記23，以便識(shí)別在通過(guò)球22中心O的和垂直地橫穿軸21的中心線L的平面和球22表面之間的交線。在這一實(shí)例中，該標(biāo)記為沿交線確定的具有適當(dāng)寬度的實(shí)線。標(biāo)記23是利用以丙烯酸樹(shù)脂為基本成分涂層、金屬汽相淀積、電鍍、密封劑涂覆或類(lèi)似方式形成的。另外，標(biāo)記23可利用在確定的地方固定一顏色與球22不同的元件來(lái)形成。但是，應(yīng)避免使用過(guò)厚的元件以免引起測(cè)量誤差。這種元件也應(yīng)具有良好的耐磨性，這是因?yàn)槠浣?jīng)常與被測(cè)物體接觸。
下面詳細(xì)說(shuō)明利用球形探頭17測(cè)量一薄型工件例如金屬薄板的方法。操作者可用手或者與一變速電機(jī)(未表示出)配合的操作手柄按他/她的意愿沿在圖1中所示的X、Y或Z方向移動(dòng)球形探頭17。因此，當(dāng)球22與安裝在三維測(cè)量裝置1的檢測(cè)臺(tái)11上被測(cè)物體的目標(biāo)點(diǎn)相接觸時(shí)，在接觸的瞬間的球22的中心坐標(biāo)值由主機(jī)系統(tǒng)2采集。圖3表示為球22與作為工件的金屬薄板24的這一接觸狀況。如前所述，操作者用手或通過(guò)操作控制手柄移動(dòng)球形探頭17到能夠測(cè)量金屬薄板24的目標(biāo)測(cè)量點(diǎn)。下一步，通過(guò)調(diào)整球形探頭17的位置，將標(biāo)記23移到與金屬薄板24端部相接觸，使得軸21的中心線L與金屬薄板24的平面接近垂直。在這一調(diào)整過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)，軸21可以容易地被置于與金屬薄板24表面垂直的位置，因此當(dāng)正好從側(cè)面觀察時(shí)，標(biāo)記23的中心線和金屬薄板24對(duì)準(zhǔn)在同一直線上。如前所述，在球形探頭17和金屬薄板24之間的相對(duì)角度可以通過(guò)安裝于三維測(cè)量裝置Z軸懸臂16端部的探頭18上的角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)。
圖4表示本發(fā)明的另一球形探頭27。與球形探頭17的情況一樣，該球形探頭27具有由探頭18固定的軸31，和與軸31末端相連接并與工件19接觸的球32。標(biāo)記33包含確定在球32表面上的實(shí)線33a、33b，其用以識(shí)別橫穿球32中心O的和垂直地穿過(guò)軸31的中心線L的平面和球32表面之間的相交線。按適當(dāng)寬度確定的這些實(shí)線33a、33b分別在相交線的兩側(cè)，以便在相交線上形成一適當(dāng)寬度的帶區(qū)34。標(biāo)記可以利用丙烯酸樹(shù)脂為基本成分的涂層、金屬汽相淀積、電鍍、密封劑涂覆或類(lèi)似方法形成。另外，標(biāo)記33可以利用顏色不同于球32的固定元件設(shè)置在確定的部位而形成。如果帶區(qū)34的寬度W接近等于被測(cè)金屬薄板的厚度，探頭可以方便地導(dǎo)向。因此，充分地引導(dǎo)探頭，使實(shí)線33a或33b的內(nèi)邊與金屬薄板的上或下面分別相接觸。
下面詳細(xì)說(shuō)明利用球形探頭27測(cè)量薄工件例如金屬薄板的方法。圖5表示出球形探頭27與作為工件的金屬薄板35的接觸狀況。其操作與球形探頭17相似，除了金屬薄板35與實(shí)線33a和33b之間的標(biāo)記形成的空白的帶區(qū)34接觸。換句話(huà)說(shuō)，操作者利用實(shí)線33a和33b作為導(dǎo)向易于引導(dǎo)球形探頭27，以使金屬薄板35在二實(shí)線之間的帶區(qū)34接觸。對(duì)于這種球形探頭27，由于帶區(qū)34是空白的，可以有效避免由于與被測(cè)物體摩擦而使標(biāo)記的漆脫落或因片層厚度引起測(cè)量誤差或類(lèi)似現(xiàn)象。
上面參照優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明而并非意在限制本發(fā)明，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以進(jìn)行許多改進(jìn)。
例如，在上述實(shí)施例中，作為一個(gè)示例說(shuō)明了適用于利用一球形探頭的三維測(cè)量裝置；然而，本發(fā)明還可以適用于具有多個(gè)鉸接頭的懸臂式多鉸接頭坐標(biāo)測(cè)量裝置50，如圖6所示，稱(chēng)其為三維數(shù)字讀出器。該懸臂型多鉸接頭式三維坐標(biāo)測(cè)量裝置50包含垂直地豎立于基座59的支柱58，該基座固定于工作臺(tái)或類(lèi)似的物體上。支柱58與第二懸臂57的一端通過(guò)第三鉸接頭55相連接，其可沿兩個(gè)軸線方向旋轉(zhuǎn)，并且包含可檢測(cè)各自的旋轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)式編碼器(未表示出)。第二懸臂57的另一端與第一懸臂56的一端通過(guò)與第三鉸接頭55相似的第二鉸接頭54相連接。第一懸臂56的另一端和探測(cè)頭52通過(guò)與第二鉸接頭54相似的第一鉸接頭53聯(lián)動(dòng)連接。本發(fā)明上面所述的球形探頭51裝備在探頭52的頂端。
因此，操作者可以使球形探頭51從任何方向接近被測(cè)物體并使其在任意角度接觸被測(cè)物體。例如，在測(cè)量金屬薄板過(guò)程中，操作者可以抓住探頭52，控制球形探頭51的位置垂直于金屬薄板表面，容易地引導(dǎo)球形探頭51，將在球形探頭51表面的標(biāo)記與金屬薄板邊緣接觸。通常，利用多鉸接頭式坐標(biāo)裝置測(cè)量薄型工件例如金屬薄板的結(jié)果取決于操作者是不利的，這是因?yàn)樵撗b置的空間位置可能發(fā)生變化。根據(jù)本發(fā)明，操作者可以很容易的將球形探頭的最大圓周截面與被測(cè)物體準(zhǔn)確地接觸，測(cè)量結(jié)果的偏差由操作者控制，因而可以避免其產(chǎn)生。
在上文中，球形探頭17的標(biāo)記23和球形探頭27的標(biāo)記33已說(shuō)明為實(shí)線，用于識(shí)別在橫穿球中心的與垂直地橫穿軸的中心線的平面和球表面之間的相交線，即識(shí)別最大圓周截面的標(biāo)記，并不局限為實(shí)線。例如，在圖7A所示球形探頭61中，圍繞球62的最大圓周截面形成一虛線標(biāo)記63。在圖7B所示球形探頭65中，圍繞球65的最大圓截面形成一點(diǎn)劃線標(biāo)記67。在圖8A所示球形探頭71中，包含虛線73a和73b的標(biāo)記73分別形成在球72最大圓周截面的兩側(cè)，球72的最大圓周截面部分可以由在虛線73a和73b之間的帶區(qū)74來(lái)識(shí)別。在圖8B所示球形探頭75中，包含點(diǎn)劃線77a和77b的標(biāo)記77分別形成球76的最大圓周截面部分兩側(cè)，球76的最大圓周截面部分可以由在點(diǎn)劃線77a和77b之間的帶區(qū)78來(lái)識(shí)別。
如上所述根據(jù)本發(fā)明，在對(duì)薄型金屬薄板、具有伸出部分或類(lèi)似物體，利用手控三維測(cè)量裝置和數(shù)字讀出器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，通過(guò)引導(dǎo)球形探頭以使固定在與軸垂直正交的球最大圓周截面部分上的標(biāo)記與被測(cè)物體相接觸，可以易于防止測(cè)量誤差增加。
1996年8月19日申請(qǐng)的申請(qǐng)?zhí)枮?-235940號(hào)日本專(zhuān)利申請(qǐng)包含說(shuō)明書(shū)、權(quán)利要求書(shū)、附圖和摘要的全部公開(kāi)內(nèi)容，在此引入，作為參考。
權(quán)利要求
1 一球形探頭，用于在與被測(cè)物體接觸的瞬時(shí)輸出一接觸信號(hào)，其包含利用活動(dòng)支承元件支承的軸，以及與所說(shuō)軸頂端相連接的并與所說(shuō)被測(cè)物體接觸的球；其中，在所說(shuō)球表面形成一標(biāo)記，以識(shí)別在橫穿所說(shuō)球中心的和垂直地穿過(guò)所說(shuō)軸中心線的平面和所說(shuō)球表面之間的相交線。
2 根據(jù)權(quán)利要求1所述球形探頭，其特征在于所說(shuō)標(biāo)記包含在所說(shuō)相交線上確定的一適當(dāng)寬度的線。
3 根據(jù)權(quán)利要求2所述球形探頭，其特征在于所說(shuō)適當(dāng)寬度的線是虛線或點(diǎn)劃線。
4 根據(jù)權(quán)利要求1所述球形探頭，其特征在于所說(shuō)標(biāo)記包含分別在所說(shuō)相交線兩側(cè)形成的適當(dāng)寬度的二條線，以便形成在所說(shuō)相交線上一適當(dāng)寬度的帶區(qū)。
5 根據(jù)權(quán)利要求4所述球形探頭，其特征在于所說(shuō)適當(dāng)寬度的線是虛線或點(diǎn)劃線。
6 一坐標(biāo)測(cè)量裝置，通過(guò)與所說(shuō)被測(cè)物體接觸測(cè)量被測(cè)物體，包含一在彼此垂直的X、Y和Z軸方向上可移動(dòng)的懸臂，和一與所說(shuō)懸臂的頂端相連接的球形探頭，在與所說(shuō)被測(cè)物體接觸的瞬時(shí)輸出一接觸信號(hào)，其中所說(shuō)球形探頭包含一用所說(shuō)懸臂支承的軸，以及一與所說(shuō)軸頂端相連接并與所說(shuō)被測(cè)物體接觸的球，其中在所說(shuō)球表面形成一標(biāo)記，以便識(shí)別在橫穿所說(shuō)球中心的和垂直地穿過(guò)所說(shuō)軸的中心線的平面和所說(shuō)球的表面之間的相交線。
7 根據(jù)權(quán)利要求6所述的坐標(biāo)測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)懸臂和所說(shuō)球形探頭之間還提供一角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以便調(diào)整所說(shuō)球形探頭相對(duì)所說(shuō)懸臂的角度。
8 一懸臂式多鉸接頭坐標(biāo)測(cè)量裝置，用于通過(guò)與所說(shuō)被測(cè)物體接觸測(cè)量一被測(cè)物體，其包含分別利用旋轉(zhuǎn)連接的一多個(gè)懸臂，和與最遠(yuǎn)懸臂頂端相連接的球，在與所說(shuō)被測(cè)物體接觸的瞬時(shí)輸出一接觸信號(hào)，其中所說(shuō)球形探頭包含一利用所說(shuō)最遠(yuǎn)端懸臂支承的軸，和與所說(shuō)軸頂端相連接并與所說(shuō)被測(cè)物體接觸的球，其中在所說(shuō)球表面上形成一標(biāo)記，以便識(shí)別在橫穿所說(shuō)球中心的和垂直地穿過(guò)所說(shuō)軸的中心線的一平面和所說(shuō)球表面之間的相交線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過(guò)與被測(cè)物體接觸測(cè)量被測(cè)物體的一坐標(biāo)測(cè)量裝置,其包含在X、Y和Z軸線方向彼此相交垂直的可移動(dòng)的懸臂,以及,與懸臂的頂端相連接的一球形探頭,當(dāng)其與被測(cè)物體接觸時(shí)輸出一接觸信號(hào),其中球形探頭包含一利用懸臂的支承軸,以及與該軸的頂端相連接的并與被測(cè)物體接觸的球,其中,在球表面上形成一標(biāo)記以識(shí)別在橫穿球中心線的和垂直地穿過(guò)軸中心線的平面和球表面的平面之間的相交線。
文檔編號(hào)G01B21/00GK1177732SQ97118080
公開(kāi)日1998年4月1日 申請(qǐng)日期1997年8月19日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月19日
發(fā)明者松宮貞行, 宮本繁雄 申請(qǐng)人:株式會(huì)社三豐