專利名稱：接觸傳感探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種接觸傳感或者"觸碰"探頭，所述探頭具有觸針，該觸 針在使用中振動。具體地，本發(fā)明涉及一種探頭，其用在坐標(biāo)定位裝置上，
所述坐標(biāo)定位裝置例如為便攜式關(guān)節(jié)測量臂、坐標(biāo)定位機器(CMM)、機床 及類似裝置。
背景技術(shù)：
接觸傳感探頭是已知的。英國專利文獻(xiàn)GB 2006435公開了一種具有接 觸元件(例如觸針)和用于振動探頭的壓電傳感器的觸碰探頭。這種探頭的 觸針具有對應(yīng)于一個或者多個不同振動模式的一個或者多個固有振動頻率。 當(dāng)傳感器以一定的振動頻率或者振動模式被驅(qū)動時發(fā)生機械共振。還設(shè)置傳 感電路，其通過感測電信號的參數(shù)變化來檢測接觸元件與物體的接合，所述 電信號被提供到壓電傳感器或者由壓電傳感器產(chǎn)生。
美國專利文獻(xiàn)NO. 5，247，751公開了另一種觸碰探頭裝置。該文獻(xiàn)公開 的裝置還包括傳感器，RF信號施加到該傳感器以使得所連接的觸針在其共 振頻率上發(fā)生超聲振動。監(jiān)控供應(yīng)到壓電傳感器的電信號的變化，其顯示觸 針已經(jīng)接觸物體。
但是，本發(fā)明的發(fā)明人的研究已經(jīng)顯示，觸針的共振可被一些因素影響， 例如觸針安裝在探頭上的方式，或者探頭安裝在CMM或者其他坐標(biāo)定位機 上的方式。在手動操作的CMM的情況下，它甚至可以受到操作者手握系統(tǒng) 的方式的影響。這可明顯改變觸針的振動，導(dǎo)致錯誤感測觸針和物體之間的 接觸的可能性。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種接觸傳感探頭，其包括探頭主體；物體接觸觸 針，其安裝在所述探頭主體中；換能器，其與所述觸針機械連接，以便使所述觸針振動；以及用于使得所述觸針與由所述探頭主體引起的振動機械隔離
的裝置。
優(yōu)選的是，所述用于隔離觸針的在裝置形成機械低通過濾器。所述用于 隔離觸針的裝置可安裝在^:頭主體和換能器或者觸針之間。其可以包括一個 或者多個(優(yōu)選為兩個)柔性膜片，以及一個質(zhì)量塊。所述膜片的柔性和所 述塊的尺寸可以被設(shè)置成提供所述隔離。
優(yōu)選的是所述換能器包括一個或者多個壓電元件。優(yōu)選的是，所述傳感 器使得所述觸針縱向振動(即，沿著觸針軸向的壓縮波)。
提供一種坐標(biāo)定位機器，包括根據(jù)本發(fā)明的接觸傳感探頭。該坐標(biāo)定位
機器可以是手動測量機器(例如專利文獻(xiàn)EP0730210中所描述類型的關(guān)節(jié) 臂)、機動CMM或者機床。


現(xiàn)在將借助示例并參照附圖來描述本發(fā)明，其中 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的探頭的截面圖； 圖2為表示探頭的機械系統(tǒng)的理想化的示意圖3和4示出了類似的表示探頭的機械系統(tǒng)的理想化的示意圖，其接合 有安裝探頭的CMM;
圖5示出了圖l所示截面的詳細(xì)視圖6示出了可任選地與探頭一起使用的觸針的截面圖；以及
圖7和8是可以用在探頭中的膜片彈簧的平面圖。
具體實施例方式
參照圖1和5，其示出了根據(jù)本發(fā)明的探頭2。
該探頭2包括探頭主體4，探頭主體4適于安裝在坐標(biāo)定位機器上。在 該實施例中，探頭2是手動掃描探頭，其適于安裝在便攜式關(guān)節(jié)測量臂上。 該探頭2包括可釋放地安裝的觸針6和壓電堆疊8形式的傳感器，該傳感器 由驅(qū)動電路IO驅(qū)動。該設(shè)置允許觸針6在所需要的頻率上發(fā)生縱向振動。
壓電堆疊8還用作傳感器，用于檢測觸針的尖端20與待測量的物體的 接觸。當(dāng)接觸發(fā)生時，其導(dǎo)致振動變化，該變化通過監(jiān)測壓電堆疊的電信號而被j企測。
壓電堆疊8、相關(guān)的驅(qū)動電路IO、探頭的感測和其他方面在本申請人的
共有待審的國際PCT專利申請中更詳細(xì)地進行了描述，該PCT申請與 0685/WO和0686/WO (分別對應(yīng)于英國專利申請0609022.9和0608999.9并 要求其優(yōu)先權(quán))。這些申請的內(nèi)容通過引用并入本文。
殼體12設(shè)置在探頭主體4內(nèi)，殼體12具有前柔性膜片彈簧14和后柔 性膜片彈簧16。殼體12和探頭主體4被設(shè)置成經(jīng)由膜片14， 16與壓電堆疊 8機械隔離。壓電堆疊8通過螺栓18夾設(shè)在觸針保持器22和計數(shù)器塊24 之間，螺栓18穿過后部膜片16中的開孔。觸針保持器22穿過形成在前部 膜片14中的開孔，觸針6可釋放地檸入該保持器中。觸針6、壓電堆疊8、 觸針保持器22、塊24和螺栓18因此形成組件。膜片14和16將觸針6(通 過這個組件直接或者間接)連接到殼體12和探頭主體14上。在后面的權(quán)利 要求書中，術(shù)語"連接"指的是直接連接或者間接連接。
通過這種方式，該裝置的振動部分可以與靜止的探頭主體機械隔離。壓 電堆疊8的快速膨脹和收縮可因此轉(zhuǎn)換成觸針的壓縮波形式的縱向振動，而 僅產(chǎn)生最小程度的探頭主體振動。
下面更詳細(xì)描述才幾才戒隔離。
參照圖2，將探頭/觸針系統(tǒng)考慮為簡化的塊和彈簧。塊的ms表示觸針
尖端的等效質(zhì)量，彈簧的ks表示觸針的等效軸向剛度，阻尼器的Cs表示系統(tǒng)
的觸針部分的等效阻尼。在理想情況下，探頭主體接地，在圖中表示為30。 不幸的是，壓電元件并沒有嚴(yán)格地接地，甚至在最簡單的系統(tǒng)中將必須 安裝在探頭主體之外，而探頭主體本身沒有嚴(yán)格地接地。探頭主體本身安裝 在CMM上，CMM不是剛性的，也表示為塊和彈簧阻尼器系統(tǒng)，如圖3所 示。這里，mm表示探頭主體和CMM支座的等效質(zhì)量；Cm表示CMM結(jié)構(gòu) 的等效阻尼；km表示CMM結(jié)構(gòu)的等效剛度。
應(yīng)當(dāng)注意，Cm和km都取決于探頭的安裝。在手動CMM的情況下，它 們還取決于操作者握持系統(tǒng)的方式。因此，mm、 cm、 kra系統(tǒng)可具有與觸針 振動頻率類似的固有頻率。在這種情況下，將明顯改變觸針的振動，導(dǎo)致由 于探頭的安裝或者握持方式而錯誤觸發(fā)的可能性。
該問題可以通過下述方式避免插入機械式低通過濾器以提供壓電動作元件和探頭主體之間的機械隔離。這可具有明顯低于觸針振動頻率的固定頻 率。通過適當(dāng)放置的過濾器，探頭可以安裝，使得整個結(jié)構(gòu)具有與觸針振動 相同的固有頻率(盡管這是不可能的)，非常少的能量可以沿任一方向通過 過濾器。觸針的振動可因此對探頭主體具有很小的影響，反之亦然，消除了 由于安裝或者處理而錯誤觸發(fā)的可能性。
圖4示意性示出了這種設(shè)置。膜片彈簧形成柔性構(gòu)件。低通過濾器包括
計數(shù)器塊24,表示為mc;安裝膜片14和16的等效阻尼ce;以及安裝的膜 片14和16的等效剛度kc。
因此，計數(shù)塊24的質(zhì)量和膜片14和16的柔性被選擇為形成低通過濾 器并實現(xiàn)機械隔離。
應(yīng)當(dāng)注意，膜片14和16沿著觸針的軸線是最具柔性的。這是系統(tǒng)工作 的振動模式，并因此是必須與主體隔離的最重要的模式。這也意味著探頭在 該軸線的橫向方向上基本上是剛性的，這是有利的，因為這意味這探頭在這 個平面上不會明顯彎曲。這在手動CMM中是最重要的，因為這是操作者施 加最大力矩(因此和最大彎曲力)到探頭上的方向。選擇沿著探頭軸線的振 動模式因此意味著探頭可與主體隔離，并且當(dāng)操作者在觸針上施加較大橫向 力時保持剛性。在觸針振動方向，膜片的直徑和厚度被選擇成使得當(dāng)考慮計 數(shù)器塊24的尺寸時，該系統(tǒng)的固有頻率低于觸針振動的可能最小頻率。這 使得膜片成為有效的低通過濾器，用于沿著觸針的縱向方向上的軸向振動。
該低通過濾器的頻率在觸針沿著其軸向的固有頻率的調(diào)諧點上設(shè)置下 限。低于過濾器頻率的調(diào)諧點會使得探頭在被握持時被錯誤觸發(fā)。觸針固有 頻率的上限由探頭的振動部分內(nèi)其他部件的最低固有頻率來設(shè)定。例如，計 數(shù)器塊24可具有大約60kHz的板彎曲模式。如果這被選擇為調(diào)諧點，則探 頭將會完全不敏感，因為觸針尖端幾乎不移動。
調(diào)諧頻率的上限對于短觸針產(chǎn)生了問題，特別是那些具有小(低質(zhì)量) 尖端的觸針，其可在這個點之外具有第一;f莫式。這可通過對尖端添加額外的 運動質(zhì)量而不增加軸向剛度來可克服，如圖6所示。"小塊，，32添加到中空 觸針6的內(nèi)部，該小塊僅安裝在觸針的尖端。這可使得固有頻率位于所需的 范圍內(nèi)。
對于柔性膜14和16可采用完整的盤，如圖7所示。這里，附圖標(biāo)記40表示用于將膜片安裝到殼體12和壓電堆疊8上的部件。
通過該完整的盤，有利的是，殼體12上各個膜片的安裝點之間的間隔 與壓電堆疊8上相應(yīng)的膜片安裝點之間的間隔相同。如果在這些距離之間存 在明顯差異，那么一個或者兩個膜片需要在組裝過程中變成凹陷形狀。對于 完整的圓盤，該凹陷過程非常難以控制并且可能會導(dǎo)致組件的振動特性的明 顯變化。不利的振動特性可導(dǎo)致"分裂模式"，其中存在兩個共振在所關(guān)注 的振動模式附近，減小了探頭敏感性。它甚至可能導(dǎo)致上述共有待審國際 PCT申請中描述的調(diào)諧算法的失效。
為了克服該問題，膜片之一可以制成使得凹陷過程更容易控制。如圖8 所示，該膜片具有輻條形狀，在盤上具有徑向延伸的指部42。通過凹陷過程 導(dǎo)致的周邊變形可因此被消除。僅僅膜片之一需要被制成這種輻條模式。
當(dāng)輻條膜片被使用時，吸收了外殼安裝帶之間的距離和壓電堆疊安裝點 之間的距離的任何差異。這些差異通常通過制造誤差而加大，特別相對于壓 電元件本身。
輻條膜片由于其性質(zhì)使得其比完整的盤狀膜片更具柔性，特別是在盤的 平面之外。因此，優(yōu)選的是，輻條膜片用作壓電堆疊的計數(shù)器塊端部的柔性 膜片16，而不用作觸針端部的膜片14。該堆疊的觸針端部最接近與所關(guān)注 的振動模式下的零運動點，因此該振動模式的更具剛度的膜片在該點影響更 小。因此，在該更具剛性的膜片中的制造誤差和其安裝對振動模式的影響明 顯更小。這也意味著堆疊和殼體組件可以更可靠地制造。
盡管上述例子描述了手動定位臂的探頭的使用，但是應(yīng)當(dāng)理解，這種探 頭可以用于任何類型的測量機器上。例如，這里描述的類型的探頭可以用在 任何手動測量機器、機動CMM或者機床上。實際上，這種探頭可以有利地 用在需要低壓力接觸感測時。如果使用機動系統(tǒng)，則探頭還可包括超程機構(gòu) (over-travel mechanism)(例如，^皮動運動底座)，其反復(fù)回到給定位置和方 位，以便在接觸感測期間防止被損壞。
在這種機器上使用探頭的一種方法與觸碰觸發(fā)探頭相同。當(dāng)觸針接觸工 件表面時，振動受到阻擋，傳感電路發(fā)出觸發(fā)信號。
下面描述一種替代的使用方法。使用安裝在上面描述的任何類型的坐標(biāo) 定位機上的所述接觸傳感探頭掃描工件表面。通過觸針尖端沿著與觸針的縱向軸線垂直的方向接觸工件表面。然后用觸針掃描工件表面，同時保持表面 和工件在橫向方向的接觸。傳感電路從觸針的振動的阻尼中檢測接觸是否在 掃描期間被繼續(xù)保持。當(dāng)確定所述接觸繼續(xù)保持時，坐標(biāo)定位機使得可以對 工件表面進行連續(xù)的坐標(biāo)讀取。
這個方法利用了這樣的事實，即觸針的安裝在橫向方向上是剛性的。因 此，作為與工件表面橫向接觸力的結(jié)果，探頭和觸針產(chǎn)生稍微的變形。作為 結(jié)果，可以進行準(zhǔn)確的測量。
頭對于掃描具有復(fù)雜形狀的三維工件很有用。
權(quán)利要求
1. 一種接觸傳感探頭，其包括探頭主體；物體接觸觸針，其安裝在所述探頭主體中；傳感器，其與所述觸針機械連接，以便使所述觸針振動；以及用于使得所述觸針振動與所述探頭主體機械隔離的裝置，其中，所述用于隔離觸針的裝置包括位于所述探頭主體和所述觸針之間的塊和串聯(lián)連接的至少一個柔性構(gòu)件，所述塊連接在所述觸針和所述柔性構(gòu)件之間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸傳感探頭，其特征在于，所述用于隔離 觸針的裝置形成機械低通過濾器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的接觸傳感探頭，其特征在于，所述傳 感器安裝在所述塊與所述觸針之間。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項權(quán)利要求所述的接觸傳感探頭，其特征 在于，所述柔性構(gòu)件包括彈簧。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項權(quán)利要求所述的接觸傳感探頭，其特 征在于，所述柔性構(gòu)件包括柔性膜片。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的接觸傳感探頭，其特征在于，在所述觸針和 所述探頭主體之間連接有兩個柔性膜片。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項權(quán)利要求所述的接觸傳感探頭，其特征 在于，所述觸針的物體接觸尖端安裝有額外的質(zhì)量塊。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項權(quán)利要求所述的接觸傳感探頭，其特征在于，所述傳感器包括一個或者多個壓電元件。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項權(quán)利要求所述的接觸傳感探頭，其特征在于，所述傳感器使得所述觸針縱向振動。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的接觸傳感探頭，其特征在于，所述用于隔離 觸針的裝置在與所述縱向方向垂直的方向上是剛性的。
11. 一種坐標(biāo)定位機器，包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項權(quán)利要求所述 的接觸傳感探頭。
12. —種使用安裝在坐標(biāo)定位機器中的接觸傳感探頭掃描工件表面的方 法，所述探頭包括探頭主體；物體接觸觸針，所述觸針具有縱向軸線；用 于將觸針安裝在所述探頭主體中的支座；傳感器，其與所述觸針機械連接， 以便使所述觸針沿縱向振動，其中所述支座在所述縱向軸線的橫向方向上是 剛性的，所述方法包括如下步驟用所述觸針沿著所述橫向方向接觸所述工件表面；掃描所述工件表面，同時保持所述表面與所述觸針在所述橫向方向上接觸；從所述觸針的振動中檢測接觸是否在掃描期間繼續(xù)保持；以及 當(dāng)在所述檢測步驟中確定所述接觸繼續(xù)保持時，使得所述坐標(biāo)定位機器 對工件表面進行一系列的連續(xù)的坐標(biāo)讀取。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述支座在與所述縱向 軸線垂直的兩個正交方向上是剛性的。
全文摘要
一種接觸傳感探頭，其具有觸針(6)，所述觸針通過壓電傳感器(8)縱向振動。根據(jù)振動阻尼檢測與工件的接觸。觸針通過平行的膜片彈簧(14，16)安裝在探頭主體(4)上。這些構(gòu)件與計數(shù)器塊(24)配合形成機械低通過濾器，其使得觸針振動與由探頭主體的安裝或者握持導(dǎo)致的影響相隔離。
文檔編號G01B7/012GK101443627SQ200780016910
公開日2009年5月27日 申請日期2007年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月8日
發(fā)明者尼古拉斯·約翰·韋斯頓, 若弗雷·麥克法蘭 申請人:瑞尼斯豪公司