專利名稱：接觸式探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及接觸式探針。
背景技術(shù)：
眾所周知，接觸式探針在其內(nèi)的底座上安裝有觸針(stylus)，該觸針被偏壓到上述底座上。當該觸針接觸到表面時，通過探針和表面的相對運動，在偏壓作用下從底座上被偏轉(zhuǎn)，并且這種運動產(chǎn)生一個信號，該信號被傳送到機器，因而該機器可記錄上述探針/表面的瞬時位置。
上述表面可以屬于被測量尺寸的工件，或者屬于一種工具，該工具用于加工工件因而可進行調(diào)節(jié)以防工具磨損，從而可以進行加工循環(huán)。
為了進行精確測量，上述觸針需要設(shè)置在探針內(nèi)的可往復(fù)位置上，即所謂中立位置(neutral position)上。這可以通過將上述觸針支撐在動態(tài)座(kinematic seat)上來完成。US4,153,998中記載了這種動態(tài)座的例子，其中觸針由三只徑向延伸臂所支撐，這些臂環(huán)繞上述觸針的軸線，彼此相隔120°。上述臂還被支撐在緊密間隔的成對滾珠所形成的V形凹口上，這些滾珠固定在探針上。彈簧將上述臂偏壓到V形凹口內(nèi)。上述滾珠和臂形成電路的一部分，當觸針偏轉(zhuǎn)時，該電路就斷開。在另一種測量方法中，不使用上述動態(tài)座自身來檢測偏轉(zhuǎn)，而是設(shè)置應(yīng)變計來檢測從上述中立位置處的運動。這在US4,462,162中有所記載。如果上述探針觸針偏轉(zhuǎn)并被立即釋放，例如在觸針碰到表面的過程中或者可能在手動移動上述探針的過程中，當觸針被彈簧偏壓回設(shè)定位置時，觸針相對探針的運動會引起上述動態(tài)座的沖擊載荷。這就會使檢測電路的易碎元件受損。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供有一種接觸式探針，包括容納第一定位件的探針殼體；具有第二定位件的觸針架，該第二定位件和上述第一定位件相配合，以將觸針架定位在上述探針殼體內(nèi)；使上述第一和第二定位相接觸的偏壓件，其特征在于，設(shè)置有用以衰減在上述探針殼體和觸針架之間的運動的元件。
優(yōu)選的，每一第一定位件均包括一對帶有V形座的滾珠，每一第二定位件均包括將觸針支撐在上述座上的輥。
在優(yōu)選實施例中，上述元件可以放緩上述第一和第二定位件之間的相對運動。
可替換的，上述元件可吸收上述探針殼體和觸針架之間相對運動產(chǎn)生的能量。一個例子是，上述元件可由具有滯后性能的材料構(gòu)成，例如橡膠。
附圖簡述下面參考附圖，通過實施例敘述本發(fā)明，其中

圖1是本發(fā)明中探針的截面圖，圖2是圖1中的線II-II所示已裝配探針的截面圖，圖3是本發(fā)明中具有另一插件的探針的截面圖，圖4是本發(fā)明中另一探針的截面圖，圖5是本發(fā)明中插件的截面圖。
具體實施例方式
圖1和3示出了具有優(yōu)選由鋼制成的外殼體12的探針10，該外殼體具有徑向向內(nèi)的環(huán)形凸緣14。在該殼體12內(nèi)設(shè)置有可和觸針(未示出)相連的觸針架16。
上述觸針架16從殼體12突出，經(jīng)由用以連接觸針、且在探針與工件或工具之間產(chǎn)生相對運動時接觸工件或工具的開口20。
在凸緣14內(nèi)設(shè)置有六個槽22，這些槽在背朝開口20的方向上開口。上述槽成對設(shè)置，每對環(huán)繞上述探針的縱軸線18A相互間隔120°。這些槽用于容納滾珠23，且可以為任何合適的形式，例如圓錐或者三角形，當滾珠容納在這些槽內(nèi)時，它們被保持在一個穩(wěn)定位置，被動態(tài)支撐。每對槽內(nèi)的滾珠間隔使得它們可由觸針架16承載的輥24所橋接，并為其形成穩(wěn)定的底座。
這些輥24環(huán)繞軸線18A間隔120°地固定在觸針架中的孔26內(nèi)，上述孔開始時可和塑料插件28并排設(shè)置，該插件沿長度方向裂開，上述輥被壓入其內(nèi)。
上述滾珠通過硬質(zhì)塑料制的開放式圓柱插頭30，均被夾緊定位在各自的槽內(nèi)。在其開口端的環(huán)形表面內(nèi)，該插頭具有六個適當間隔的槽32，在已裝配的探針中，固定有上述滾珠。而且在其開口端，插頭30形成有三個細長槽34，當觸針架傾斜并且受到作用于觸針端部的力而垂直移動時作為輥24的導(dǎo)向件，。
上述觸針架被偏壓在一個中立位置，當在觸針上沒有力作用時，通過彈簧36在軸線18A的方向上產(chǎn)生一個力，使上述輥進入滾珠23之間形成的底座內(nèi)。
為了使探針在觸針因傾斜或者垂直運動而被偏轉(zhuǎn)時產(chǎn)生信號，上述滾珠被導(dǎo)電地串連連接，上述輥和每對滾珠相接觸從而形成電路。
上述滾珠由硬質(zhì)導(dǎo)電材料構(gòu)成，例如鋼或碳化鎢，因此它們彼此和外殼12相絕緣，其中它們在上述槽22內(nèi)和上述外殼相接觸。這通過利用一個薄的雙層導(dǎo)電柔性件40來實現(xiàn)(參考圖2)。第一層42由絕緣材料形成，第二層44為部分環(huán)形，且由導(dǎo)電材料形成。
當組裝探針時，上述薄的環(huán)形件被設(shè)置在環(huán)形凸緣14上，其絕緣一側(cè)和槽22的導(dǎo)電區(qū)域相接觸。兩個插針46接觸上述滾珠、輥和薄柔性件形成的電路的相對兩端，在它們的遠端，能夠從探針外界和上述電路相接。上述滾珠被容納在凸緣14的槽22內(nèi)和上述插頭的槽32內(nèi)。上述滾珠通過上述薄的柔性件40和上述凸緣電絕緣。該薄的柔性件40通過動態(tài)定位的滾珠而變形。在EP0967455中記載了這種柔性件的不同實施例。
下面參考圖1，上述插頭30具有向下延伸的、且位于彈簧36內(nèi)側(cè)的中央部31。該中央部31具有槽33，塑料插件35的一端可滑動地容納在其內(nèi)。而該插件35的另一端在從殼體的開口20突出的觸針架的遠端，設(shè)置在觸針架16的槽17內(nèi)。插件35的每一端均具有凸緣，該凸緣具有和上述容納插件的槽大致相同的直徑。上述觸針架16內(nèi)的槽17具有唇緣19，以防插件35從觸針槽17內(nèi)脫出。
在觸針偏轉(zhuǎn)過程中，觸針架16朝向上述彈簧36移動，將插件35推壓到插頭30的槽33內(nèi)(并推到觸針槽17內(nèi)，但深度小一些)。當去掉力時，彈簧36將觸針架16壓回中立位置。插件35抵抗彈簧36的作用，放緩觸針架返回到其中立位置的過程，從而在此時使薄的柔性件40免于受損。
插件35每一端上的凸緣可與插件的余下部分整體的形成，例如從粘接在插件上的塑料裙部整體形成。該插件可由任何合適的塑料形成，例如聚丙烯，在觸針偏轉(zhuǎn)的過程中足夠柔韌，以在上述槽內(nèi)滑動，但是仍具有足夠剛度，以致在觸針架返回中立位置的過程中，上述凸緣不會過度變形或被磨損。上述凸緣在每一槽17、33中都形成密封。如果密封形成后從每一凸緣的周圍不能滲出液體，就會妨礙彈簧36將觸針架返回到中立位置。因此上述凸緣可如此形成使得在環(huán)繞周圍的區(qū)域內(nèi)設(shè)置有滲出帶，或者設(shè)置一個或多個滲出孔37。優(yōu)選使用這些滲出孔，從而可以更加精確地控制流體流動。
下面參考圖3，示出了具有另一個插件50的探針10。插件50由具有滯后性能的材料制成，這里為氟烴橡膠。具有大側(cè)鏈的橡膠比具有小側(cè)鏈的橡膠能量損耗更大。插件50在一端部分容納在插頭30的槽33內(nèi)。在另一端上形成有凸頭52，該凸頭在觸針架處于中立位置時，剛好接觸到觸針架16。這就保證插件50基本上并不影響動態(tài)定位，并在啟動觸針時具有最大的能量吸收性能。
在觸針(未示出)偏轉(zhuǎn)過程中，觸針架在垂直方向上傾斜和/或移動。插件50因該運動而被按壓，從而吸收能量。插件50因由橡膠制成所以具有滯后性能，即橡膠的壓縮相比隨后的釋放會消耗更多的能量(二者差值主要轉(zhuǎn)化為熱量)。在橡膠內(nèi)使用填料能夠提高這種性能。碳粉就是一種合適的填料，能夠?qū)⒁徊糠值氖Ｓ鄩嚎s能量轉(zhuǎn)化為熱量，這是因為橡膠壓縮導(dǎo)致在不同碳粉顆粒之間產(chǎn)生摩擦從而生熱。碳粉的合適量在10-120pph(百分率parts per hundred)，優(yōu)選為20-100pph。橡膠插件50的壓縮吸收能量，否則該能量將會壓縮彈簧36。這就意味著在彈簧將觸針架16返回中立位置時，動能將減小。當插件50將大部分從系統(tǒng)中釋放的能量轉(zhuǎn)化為熱量(作為損耗)時，其僅貢獻了一小部分能量用以將觸針架返回中立位置，因此就減小了滾珠23上輥24和柔性件40上的沖擊。一些橡膠材料具有另外的優(yōu)點，它們以低速從壓縮過程中恢復(fù)，因此，對于釋放彈簧并將觸針架返回中立位置的效果而言，這種能量釋放的貢獻是最小的，如果有的話。Sorbothane就是這種橡膠中的一個例子。這不僅會減輕探針部件的正常磨損和破碎，還可以防止在異常情況下受損，例如觸針撞到物體上。
在上述橡膠內(nèi)可以添加多種填料或者其他材料，來提高元件的阻尼性能。
在偏轉(zhuǎn)過程中插件產(chǎn)生的熱量并不足以導(dǎo)致上述動態(tài)定位或探針或觸針的熱成畸變?？稍谔结樋涨粌?nèi)使用油等散熱劑，以使這樣的危險降為最小，并且還具有額外的優(yōu)點，即由于油的粘性大于空氣，所以就有助于上述緩沖過程。
插件50也可由橡膠滾珠替換。為了將上述滾珠正確定位，需要改變插頭30的向下延伸部31的幾何形狀。
可替換地，上述插件也可由沒有明顯滯后性能的可壓縮材料制成，利用碳等填料從系統(tǒng)中釋放能量(插件產(chǎn)生耗損)。碳的合適量為壓縮材料的10-120pph，優(yōu)選為20-100pph。
上述插件或者滾珠50在所有時間內(nèi)都不必接觸上述觸針架。這就保證上述動態(tài)定位不會被上述阻尼裝置所影響。在插件和觸針架之間甚至有間隙，對應(yīng)于特定探針的正常偏轉(zhuǎn)尺寸，因此僅在異常情況下才使用上述阻尼性能。在特定插件被壓縮之前而不能吸收能量時，這就會減小插件的效力，還要求該插件要牢固地固定在上述槽內(nèi)，以防止在探針正常使用過程中脫落。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，多種不同的材料均具有滯后性能，吸收能量的比例是所使用材料和添加劑以及使用條件的函數(shù)。因此插件可被定制為用于特定的情況下，而不是已知材料的性能用途。
圖4是具有外殼52的另一種探針50的截面圖。觸針架54由三個臂56動態(tài)地定位在上述探針內(nèi)，每個臂均具有V形槽57。每一V形槽57均部分地容納三個滾珠58中的一個，這些滾珠安裝在中心凸臺62的外環(huán)部上。觸針架54由滾珠58上的這三個臂56所支撐。厚度減小的三個腹板64將上述外環(huán)部60連接到上述中心凸臺62。該中心凸臺62被剛性連接到上述探針外殼52上。在每一個腹板64上均設(shè)置有一個應(yīng)變計66。通過盤簧68，上述臂56的V形槽被偏壓和上述滾珠58相接觸，盤簧被塑料插頭70限定在探針外殼52內(nèi)的位置上。在彈簧68內(nèi)設(shè)置有阻尼插件76，插件的第一端處于塑料插頭70的向下延伸部72內(nèi)的槽74中，而另一端在觸針架54的槽78內(nèi)。
當觸針偏轉(zhuǎn)時，在彈簧68作用下上述觸針架54在探針外殼52內(nèi)移動。當上述外環(huán)部60上載荷的任何變化使薄腹板64產(chǎn)生彎曲時，上述應(yīng)變計66就會檢測到這種運動。上述每一腹板64都靠近滾珠58，從而使應(yīng)變計對于傾斜運動更加靈敏。應(yīng)變計66的信號經(jīng)由兩個插針79傳送回設(shè)備控制器或者設(shè)備接口，這些插針和上述應(yīng)變計電路連接。
為了使上述插針盡可能地靈敏和精確，上述腹板64就要盡可能地薄和窄。但是由于腹板64的截面減小，外環(huán)部60相對于中心凸臺62的運動被放大，就會導(dǎo)致上述應(yīng)變計受損。當進行高速測量時或者探針撞到表面上時，都會增大這種受損的可能性。
為了減小應(yīng)變計受損的可能性，可以利用塑料插件76形式的阻尼裝置，用來放緩上述觸針架54返回到其中立位置或者動態(tài)定位位置的運動。上述插件在每一端都具有三角形輪廓的凸緣，從而使得當觸針偏轉(zhuǎn)而彈簧68被壓縮時，上述凸緣易于運動到各自的槽74、78等內(nèi)。但是當去掉偏轉(zhuǎn)力而朝向中立位置的彈簧偏壓返回時，上述插件76的凸緣就會阻擋這種返回運動，從而導(dǎo)致彈簧作用返回中立位置的力和速度的減小。因此如果觸針(以及觸針架)產(chǎn)生較大偏轉(zhuǎn)或者較大的力沖擊，就能夠減小上述彈簧使觸針架返回其中立位置的效力。
圖5是本發(fā)明中另一插件90的截面圖。該插件90的第一端92可滑動地容納在塑料插頭80的向下延伸部82內(nèi)的槽84中，該插頭80在使用中將容納在探針(未示出)內(nèi)。該插件90的第一端92具有一個凸緣，該凸緣相對于上述槽84，阻礙著上述插件的向下動作。插件90的第二端為滾珠94。該滾珠94容納在上述滾珠觸針架88的滾珠腔96內(nèi)，因此能夠使其相對于空腔進行旋轉(zhuǎn)運動。
在上述一個物體相對另一個物體的動態(tài)定位時，可優(yōu)選地，將上述動態(tài)接頭兩部分之間的摩擦減為最小。這就意味著并不沿探針縱向軸線作用的力應(yīng)該被減為最小。在上述插件的一端上使用球節(jié)可以使觸針架在垂直于上述探針軸線的平面上相對探針可以進行更加平滑的運動。這就不僅有助于動態(tài)接頭的往復(fù)性(repeatability)，而且還可以減小偏離軸線運動的阻力例如傾斜上述探針腔內(nèi)的觸針架，因而有助于探針的靈敏性。
這種探針內(nèi)的插件是探針和觸針類型以及它們特征量的函數(shù)。一些觸針被設(shè)計成主要在x、y平面接觸，舉例來說，在方形或盤形觸針上。在這種情況下，觸針偏轉(zhuǎn)基本在xy平面內(nèi)進行，在探針內(nèi)z向所需的超行程量就受到限制。此時就可以應(yīng)用上述吸收能量的插件或者利用能夠控制返回設(shè)定位置運動的插件。
超行程是上述探針內(nèi)的空間，在其中，觸針架可在接觸上述探針內(nèi)側(cè)部分之前沿z向移動。對于可能沿某一方向偏轉(zhuǎn)的觸針架來說，例如星形或球形或者在高速掃描的情況下，需要更大的超行程量來保護探針免于受損。相比減小了超行程量的探針，這就在正在進行的偏轉(zhuǎn)過程和探針停止動作的過程之間增加了更多的時間。在這些情況下，控制這種返回運動的上述插件就會更加適合。
這里在上面敘述的動態(tài)定位元件均為優(yōu)選實施例。也可以利用其他的形式。H Braddick和Hall Ltd(London 1960)的“實驗室設(shè)備的機械設(shè)計”一文中就給出了一些實例。
當加工物體或者使用機器人時，上述探針可用于掃描或測量物體，以便再現(xiàn)(坐標測量機CMM)或測量以檢測加工過程的精確性(CMM或機床)或工具調(diào)整以防工具磨損。因此，上述探針可為相對于物體安裝的可移動軸，或者為相對于物體固定安裝的機床，或者安裝在臂上，該臂可以在上述設(shè)備(例如車床)內(nèi)的工作空間中移動定位。
權(quán)利要求
1.一種接觸式探針(10，50)，包括容納第一定位件(23，58)的探針殼體(12，52)；具有第二定位件(24，57)的觸針架(16，54)，該第二定位件和上述第一定位件相配合，以將觸針架定位在上述探針殼體內(nèi)；和使上述第一和第二定位件相接觸的偏壓件(36，68，86)，其特征在于，設(shè)置有元件(35，50，76，90)，用以衰減在上述探針殼體和觸針架之間的運動。
2.如權(quán)利要求1所述的接觸式探針，其特征在于，上述元件(35，50，76，90)減緩上述第一和第二定位件之間的相對運動。
3.如權(quán)利要求2所述的接觸式探針，其特征在于，上述元件(35，50，76，90)通過抵抗上述偏壓件的偏壓作用而減緩上述相對運動。
4.如前述任一項權(quán)利要求所述的接觸式探針，其特征在于，上述元件(35，50，76，90)相對于探針頭部和觸針架之一以可滑動方式安裝。
5.如權(quán)利要求4所述的接觸式探針，其特征在于，上述元件(35，76)相對于探針頭部和觸針架二者均以可滑動方式安裝。
6.如權(quán)利要求4所述的接觸式探針，其特征在于，上述元件(90)相對于探針頭部和觸針架之一以可旋轉(zhuǎn)方式安裝。
7.如權(quán)利要求1所述的接觸式探針，其特征在于，上述元件(50)吸收上述探針殼體和觸針架之間的相對運動所產(chǎn)生的能量。
8.如權(quán)利要求7所述的接觸式探針，其特征在于，上述元件是有損耗的。
9.如權(quán)利要求8所述的接觸式探針，其特征在于，上述元件包括至少兩種材料，并且其中至少一種是有損耗的。
10.如權(quán)利要求9所述的接觸式探針，其特征在于，有損耗的材料為碳粉。
11.如權(quán)利要求10所述的接觸式探針，其特征在于，使用的碳粉在10-120pph之間。
12.如前述任一項權(quán)利要求所述的接觸式探針，其特征在于，每個第一定位件均包括一對形成有V形座的滾珠(23)，每個第二定位件均包括將觸針架(16)支撐在上述V形座上的輥(24)。
13.如權(quán)利要求1-11中任一項所述的接觸式探針，其特征在于，每個第一定位件均包括滾珠(58)，每個第二定位件均包括可部分容納上述滾珠并支撐在滾珠上的V形槽(57)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種接觸式探針(10，50)，包括容納第一定位件(23，58)的探針殼體(12，52)具有第二定位件(24，57)的觸針架(16，54)，該第二定位件和上述第一定位件相配合，以將觸針架定位在上述探針殼體內(nèi)；使上述第一和第二定位件相接觸的偏壓件(36，68，86)，其中，設(shè)置有元件(35，50，76，90)，用以衰減在上述探針殼體和觸針架之間的運動。上述元件可以通過抵抗上述偏壓件的偏壓作用或者吸收上述探針殼體和觸針架之間相對運動產(chǎn)生的能量而減緩上述定位件之間的相對運動。上述元件可相對于探針頭部和觸針架之一以可滑動方式或可旋轉(zhuǎn)方式安裝。
文檔編號G01B3/00GK1682093SQ03821790
公開日2005年10月12日 申請日期2003年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月13日
發(fā)明者史蒂芬·愛德華·盧默斯, 戴維·羅伯茨·姆克莫特瑞 申請人:瑞尼斯豪公司