专利名称：可调整的探头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种接触触发的探头，该探头可以沿多个方向在空间取向。更精确地说但是并不是绝对地，这个探头设计使用在手工操作或者自动的测量机器或机床中，例如一铣床，以便对已经或者正在被加工的零件进行三维测量。
背景技术：
接触触发的探头是尽管不是绝对但是是广泛地被使用的测量仪器，该测量仪器用在机械零件的生产线上，以便精确地检测该机械零件的尺寸或表面。接触触发的探头还用于三维测量复杂形状的零件，以便复制或者仿造它们。
通常，接触触发探头包括一固定部分和一可移动的探针，该固定的部分用于紧固到一测量机器或者机床上，该移动探针包括在细长的杆的端部上的球体并且设计用来与待测量的零件接触。
在大多数应用中，该接触触发探头被紧固在一机器的可移动臂上，该机器的可移动臂的空间位置通过手动操作或者自动的测量系统例如设置在该机器的轴上的位置编码器被精确地确定。该可移动的臂被空间移动以将探头的测量探针与待测量的表面或者零件接触。在接触期间，向该探针上施加一偏置力，使该探针移出其最初的停止位置。一传感器根据该探针的轻微的移动作出反应，产生一电信号，该电信号以光信号的形式被发送给使用者，或者发送给该机器的控制软件，该软件因此根据测量系统的数据确定在一给定的坐标系统中的接触点的坐标。为了此目的，现有技术中使用了根据不同原理的机电或者光学的传感器或者移动传感器，例如包括应变计的传感器。
在一三维接触触发式探头的情况中，在该探针和该探头的固定部分之间的连接通常按照该Boys连接的原理，例如穿过放置在六个球体上的3个圆柱销子，使得限定在该固定装置和探针之间的6个触点。而二维和一维探头也是已知的。
当使用探头来测量复杂形状的具有空腔和突起的零件时，如果不是不可能那也是很难将探针与该零件的整个表面接触，而该探头的固定部分或者探针的杆干扰待测量的零件的这些要素。为了解决这个缺点，公知的探头允许该接触探针沿多个空间方向取向。一般，两个独立的旋转轴需要覆盖所有的可能的取向。这样类型的探头在欧洲专利申请EP0392660A2中被描述。
该旋转轴最好被分度，在这个意义上，这些旋转轴提供了足够大的但是有限的数量的预定的且可以精确复制的停止位置。这个设置避免了在每次改变探针取向后必须再次校正该测量设备。
在测量期间，允许上述现有技术的探头取向的轴线被锁定在一个给定的分度位置中。当需要该探头的不同的取向时，使用者必须通过使为此效果设置的一轮或者一杠杆动作，手动解锁这些轴线，按需要使这些探头取向，通过将该轮或者杠杆恢复到其最初的锁止位置再次锁止该轴线。这些操作可以导致定位错误，例如在定位第二个轴线期间使该第一轴线进行了非故意的运动。
上述的探头的另一个缺点是，锁止和解锁操作需要一将施加到该锁止轮上的外扭矩，该扭矩被该探头和该探头的支架传递到该测量机器的可移动臂上。这个净扭矩导致在该探头的支架上的机械应力，并且可以导致整个探头移动。为了避免这个缺点，在作用该锁止轮时使用者必须保持该探头静止，而用一只手进行这个操作是很困难的甚至是不可能的。
发明内容
因此本发明的目标是提出一种接触触发式探头，该探头可以沿多个分度方向被取向，该探头的定位被可靠地进行而且没有定位错误的危险。
本发明的另一个目标是提出一种接触触发式探头，该探头没有现有技术的限制。
根据本发明，这些目标通过这样的装置而获得，该装置是独立权利要求的主题，并且这些目标显著地通过一可调整的接触触发式探头而获得，以便使一测量探针相对于一测量设备取向，该装置包括一支撑元件；一通过第一轴连接到所述的支撑元件的第一可移动元件，该第一轴用于相对所述的支撑元件旋转所述的第一可移动元件；一用于保持所述的第一可移动元件在一锁止位置中的第一弹性装置，以防止所述的第一可移动的元件转动；一通过一第二轴连接到所述的第一可移动元件的第二可移动的元件，该第二轴用于相对所述的第一可移动元件旋转所述的第二可移动元件；一独立于所述的第一弹性装置的第二弹性装置，用于保持所述的第二可移动元件在一锁止位置中，防止所述的第二可移动元件旋转。
本发明将通过阅读由附图示出的、由实施例给出的说明书可以被更好地理解，附图包括图1a示出本发明的一接触触发式探头的第一实施例；图1b示出图1a的本发明的接触触发式探头的一固定部分；图1c和1d示出了根据图1a的本发明的接触触发式探头的第一轴分度装置；图1e示出用于与图1a的探头的第一轴脱开的倍减装置；图2a，2b，2c示出图1a的探头的第二轴的分度和倍减装置的横截面和正视图；图3和4，5a，5b和5c示出本发明的探头的第二实施例。
具体实施例方式
在图1a-1e中的本发明的第一实施例是一接触触发式探头20，该探头20包括一固定部分250，示出在图1b中，并且设计用于通过该螺纹杆251或者通过任何其它已知的紧固装置紧固到一测量机器的可移动臂上。
该固定部分250在其下侧面上带有24个球体256，这些球体256均匀地沿一圆周分布并且部分地向下突出。这些球体256限定了24个分度位置，对于该探头的第一旋转轴来说球体间间隔15度，下面将会描述。很明显根据期望数目的分度位置可以使用不同数目的球体。
在图1c和1d中示出的可移动的元件210在其上侧携带有3个圆柱销217。扁平弹簧215使该可移动元件210压靠在该分度元件250上。在这个情况中，每个销子217位于两个球体256上，6个获得的接触点以精确和可复制的方式确定了该元件250和210之间的相对位置。
鉴于固定元件的旋转对称性，该可移动元件210可以占用24个分度位置，这些分度位置围绕对应于该探头的几何轴线的第一旋转轴211彼此距离15度。可以通过其它等效的结构，例如将球体放置在该可移动的元件上并且将销子放置在固定元件上，或者通过用倾斜的平面代替该销子或者球体球形表面或者圆柱表面，或者甚至通过使用6个分别具有与球体中的一个单一接触点的圆柱销，可以获得同样的结果。通过一等效的弹性装置，例如圆柱弹簧或者板簧或者通过弹性合成材料构成的元件代替该扁平弹簧215也将是可以的。
在图1d和1e中示出的脱开装置300，允许了该可移动元件210围绕轴线211旋转。该传动装置300由一齿轮301构成，该齿轮301由4个齿条305和倾斜的螺旋表面302驱动。
当两个对置的按钮310被压下时，该齿条305旋转驱动该齿轮301和与之连在一起的倾斜的平面302，该倾斜平面302在其轴承(图中未示出)上滑动，使固定元件250从该可移动元件210轴向移开。在球体256和销子217彼此分开的位置中，该球体256在该销子217上突出，而没有接触销子217，并且可以围绕该轴线211旋转。
在该球体256上的销子217的静止力必须足够高以防止在测量期间该可移动部分210的任何偶然运动。在这个特别的实施例中，该弹簧215加工成用于大约是30N的总的静止力，即对于6个接触点中的每个点来说约是10N。因为相对于轴线该压力被施加在60度处。
直接将30N的力施加在该按钮310上将是困难的。因此，该倾斜表面302的倾斜选则为给出一在施加在该按钮310上的径向力和与该弹簧216的弹性力相反的轴线力之间的足够的倍减比值，1∶2的降低比值意味着在该按钮310上有一15N的操作力，即大约1.5Kgf，操作者可以不费力的施加这个操作力。通过这个降低的比值，对按钮310的运动保持在几个毫米内。
上面给定的数值必须理解为特别适合于给出的实施例的例子。根据环境，例如根据该探头的质量和尺寸将可以选择不同的值。
为了确保该可移动的元件210围绕该旋转轴211脱开，必须同时在两个相对的按钮310上动作。这样，施加在该探头上的外力基本上彼此相对并且垂直于该旋转轴211，所获得的力和扭矩大致为零并且防止了探头的任何非故意的运动。
当该按钮310沿径向方向压下时，使用者可以使可移动的元件210通过在相同的按钮上沿切线方向作用而围绕该轴线211旋转。这个操作是非常直观的，并且可以容易地通过一个手的两个手指进行。在这个情况中，球体256和销子217之间的距离足够避免这些分度表面的任何接触和摩擦，因此保持了在分度位置中的定位精度。因此无需释放将从解锁到旋转该探头并且然后再次锁止该探头的这些按钮310。
使用的材料的缩小比率和摩擦系数选择为使得该传动装置300可以反向，使得一旦释放在按钮310上的压力，则可移动的元件210自发地回到一分度位置，因此避免在自由位置中的偶然使用。
该第一可移动元件210连接到一第二可移动元件220上，该第二可移动元件220可以围绕一旋转轴212旋转，该旋转轴212垂直于该第一旋转轴211，如图2a所示的将一公知类型的可移动的探针30紧固到该第一旋转轴211上。
沿旋转轴212限定的轴向方向该第二可移动的元件220被压缩弹簧225压靠在第一可移动的元件210上。在该可移动的元件220的垂直侧面上设置一球体的冠部226，并且该球体的冠部226与3个圆柱销子(图中未示出)相互作用，这3个销子设置在该第一可移动元件210的相邻侧面上，以便限定一预定数目的分度位置，这些分度位置可以被精确地复制，其方式类似于上述的方式，以便旋转该第一可移动元件210。
在一可能的变形实施例中，使用分别具有一单一触点的6个圆柱销。
在图2b中示出了该第二可移动元件220的脱开和旋转系统400。该脱开是通过在两个按钮411和410上挤压而进行的。能够围绕零件470轴向滑动的并且施加在按钮410上的轴向力，被两个杠杆430和450以及水平臂440传递，并且被销子461和杆460加倍并且施加到弹簧225上，以便压缩该弹簧225，该弹簧225抑制元件220和210之间的接触力。在这个实施例中，杠杆430，450的臂的尺寸将选择为获得该操作力的缩小比率1∶2，该缩小比率同样用于该第一可移动元件210。设置在该按钮410和零件470之间的第二弹簧475，在图2a中轴向向右推动该第二可移动元件220同时允许该第二可移动元件220旋转。
当按下该按钮410，该第二可移动元件220朝向图2a的右侧移动，使得销子和分度球体226不再接触，并且该第二可移动元件220可以围绕轴线212转动。通过按钮410使用者施加旋转，通过图中未示出的销子，该按钮410与该零件470成角度的连接在一起。
与按钮410相对的按钮411具有双重功能为手指给出一用于施加与施加在按钮410上的力相反的力的放置表面，和使得容易用两个手指旋转该元件220。事实上按钮411成角度地与元件220连接在一起并且与元件220一起被旋转驱动。使用大致相反的两个力防止了应力传递到探头的支架上并且防止整个探头的移动。
通过杆460在该第二可移动的元件220上对按钮410施加作用基本上是在一直线上并且与弹簧225所施加的力相反，因此确保了没有任何卡住的直线运动。
由探针30产生的电信号被以发光二极管50(见图1a)发出的光信号形式发送给使用者，或者发送给该机器的控制软件，该机器的控制软件因此根据该测量系统的数据确定在一给定的坐标系统中接触点的坐标。
该探头20的下部具有一个或者多个从该探头主体突出的保护元件218，该保护元件218的功能是保护该分度机构不会靠着该测量零件或者支撑平台振动。该保护元件218可以是一直接在该金属壳217中机加工的扩大部分，或者是一由可以吸收振动的合适的材料例如橡胶或者弹性体构成的附加元件。
该第二可移动元件220，在这个实施例中可以占用7个分度位置，这7个分度位置对于总角度为90度来说彼此间隔15度。这个角度，在与用于该第一旋转元件210的可能的360度旋转角结合，使得该探针30沿在半个空间中均匀分布的多个方向取向。然而可以用一般数目的分度位置实施该发明装置，这些数目的分度位置之间具有任何的间距。
图4，5a和5b示出了本发明的第二实施例，在该第二实施例中，该第一轴211的脱开装置300是用4对相同的且对称的连接杆320而获得的。
在这个实施例中，每对连接杆320相对一中心点323铰接，并且当一对中心点的两个连接杆的两个端部一个放置在该固定元件250上另一个放在该第一可移动的元件210上时，施加到该按钮310上的外力被传递给所述的中心点323上。
在这个设计中，施加在该可移动元件210上的轴向力和施加到该按钮310上的径向操作力之间的降低比值与连接杆320之间的半个孔径角的正切值成正比例。这导致了一随元件250和210之间的距离和连接杆320之间的角度的增加而增加的缩小比率。该降低比值的这种可变性是有利的，因为用于在该按钮运动结束时保持该被推压的按钮所需的力是最小的，这使得微调该探针30的操作更加容易。
通过使用非平面表面代替倾斜平面302也可以在该第一实施例中具有这个有利的特征。
当按钮310被完全压下时，保持球体226和叠置在该球体226上的销子间的距离，并且在任何情况下，该球体和销子不能彼此接触或者与该探头的装置的其它元件接触。在这种条件下，该分度表面的磨损降低到所需要的最小，并且在其寿命期内保持该分度精度。
当使用者在两个相对的按钮310上施压时，通过连接杆320在第一可移动元件210上获得的力相对该旋转轴211大致是轴向的，即大致在一直线上并且与弹簧215施加的力相反，这样确保了没有干扰的直线运动。另一方面，如果操作者非对称地在一个按钮310上施压，则所获得的力的水平分量在该杆253和衬套219之间的高摩擦力，该摩擦力防止第一可移动元件210脱开。这个有利的特征允许避免不合时宜的并且非故意的操作。
按钮310由一橡胶或者弹性体330的保护环膜围绕，该保护环膜的作用是保护内部装置没有灰尘，而且防止了对于分度精度具有可怕的结果的热量从使用者的手上传递到该内部分度装置上。用作旋转和脱开该第二轴线212的具有同样的目的的按钮410和411也最好由具有良好隔热性能的合成材料构成。
在该支撑元件250上设有一窗户30，以便在该第一可移动元件210上刻出或者印刷的刻度上读出相对该第一轴线211的旋转角度，如图5a和5b所示。
可以在设置在按钮411的外部冠部中、并且在图5a和5c中可见的两个窗户40上读出相对该第二轴线212的旋转角度。在这种情况中两个窗户是必须的以便允许对所有的探头的可能的取向的最好的可见性。
通过产生一电脉冲，该触发探针30响应最小的与待测量的零件的表面的接触。通过一电子处理电路(未示出)将该脉冲传递到用于与该测量机器的控制装置连接的连接器70，并且传递到该光指示器50。在这个实施例中该指示器包括一发光二极管，但是可以替换地包括其它已知的发光装置，例如片型或者线形电子发光元件。该发光二极管在顶部装有一光学的光发散装置，以允许发射的光可以在大范围的观察角度内看见。
在本发明的一可替换的实施例中，指示器50可以用多个设置在探头上的不同位置上的指示器所代替，以便从每个可能的观察角都可见至少一个指示器。
在本发明的装置的另一个实施例中，该指示器50包括一个或者多个光导体，该光导体用于发射由一个或者多个来自探头表面的不同位置的光源发出的光，使得从每个可能的观察角都可以看到该光指示器。
本发明的装置还可以不使用一分度装置，而是用简单的摩擦装置来获得，该简单的摩擦装置允许轴线锁定在无限数目的取向上。
本发明还包括一实施例，在该实施例中，轴线的旋转和脱开是通过自动致动装置，例如电马达和/或者螺线管而进行的。
在本发明的另一个实施例中，通过伺服电机确保该探头的轴线的旋转，该伺服电机包括用于测量探针的取向角度的编码器。在这种情况中，如果伺服电机的定位精度足够用于将要进行的应用，则可以保持和去掉上述的该分度装置。
权利要求
1.用于相对一测量装置定向一测量探针(30)的可调整的接触触发式探头(20)，包括一支撑元件(250)；一穿过轴线(211)的连接到所述的支撑元件(250)的第一可移动元件(210)，该轴线(211)用于相对所述的支撑元件(250)旋转所述的第一可移动元件(210)；一用于保持所述的第一可移动元件(210)在一锁止位置中的第一弹性装置(215)，以防止所述的第一可移动元件(210)旋转；一穿过一第二轴线(212)的连接到所述的第一可移动元件(210)的第二可移动的元件(220)，该第二轴线(212)用于相对所述的第一可移动元件(210)旋转所述的第二可移动元件(210)；一用于保持所述的第二可移动元件(210)在一锁止位置中的、可以独立于所述的第一弹性装置(215)致动的第二弹性装置(215)，以防止所述的第一可移动元件(210)旋转；
2.根据权利要求1所述的探头，包括一与所述的第一弹性装置(215)相对的第一致动装置(300)和独立于第一致动装置(300)的第二致动装置(400)，其中该第一致动装置(300)用于脱开所述的第一可移动元件(210)，允许所述的第一可移动元件围绕所述的第一轴线(211)旋转，该第二致动装置(400)用于脱开所述的第二可移动元件(220)，允许所述的第二可移动元件(220)围绕所述的第二轴线(212)旋转。
3.根据权利要求2所述的探头，其中所述的第一可移动元件(210)和/或者所述的第二可移动元件(220)的脱开是通过分别沿所述的第一和第二轴线(211，212)的方向的移动而进行的。
4.根据权利要求1所述的探头，包括用于限定所述的第一可移动元件(210)的多个预定且可复制的角度位置的第一分度元件和/或者用于限定所述的第二可移动元件(220)的多个预定的且可复制的角度位置的第二分度元件(226，227)。
5.根据权利要求1所述的探头，包括一紧固到所述的第二可移动元件(220)上的测量探针(30)。
6.根据权利要求2所述的探头，其中所述的第一致动装置(300)和/或者所述的第二致动装置(400)分别通过两个分别施加到所述的第一和第二致动装置上的大致对称的且相对的外力的作用而与所述的第一和第二可移动元件脱开。
7.根据权利要求6所述的探头，其中所述的第一致动装置(300)和/或者所述的第二致动装置(400)通过分别施加在第一和第二致动装置上的外力的扭矩作用分别驱动所述的第一和第二元件旋转。
8.根据权利要求6所述的探头，其中所述的第一致动装置(300)和/或者所述的第二致动装置(400)设计成在两个所述的外部对称的且相反的力被中断时停止所述的第一致动装置(300)和/或者所述的第二致动装置(400)的作用。
9.根据权利要求6所述的探头，其中所述的第一致动装置(300)和/或者所述的第二致动装置(400)包括一用于降低分别脱开所述的第一和第二可移动元件所需的力的大小的倍减装置。
10.根据权利要求9所述的探头，其中所述的倍减装置包括至少两对对称的连接杆，每对连接杆相对一中心点铰接，所述的外力被传递到所述的中心点处。
11.根据权利要求9所述的探头，其中所述的倍减装置包括至少一个螺旋表面，该螺旋表面构成一倾斜平面或者一倾斜的弯曲表面，该螺旋表面被至少两个齿条旋转驱动，这两个齿条上施加有所述的外力。
12.根据权利要求9所述的探头，其中所述的倍减装置包括至少一个具有不相等的臂的杠杆。
13.根据权利要求6所述的探头，其中所述的两个外力具有一大致垂直于所述的第一轴线(211)的方向，所述的两个外力被至少两个设置在所述的探头的与所述的第一轴线(211)径向相对的位置中的按钮支撑。
14.根据权利要求9所述的探头，其中所述的倍减装置设计成提供一增加的倍减比值，用于最终降低分别保持所述的第一和第二可移动元件在一脱开位置中所需要的力。
15.根据权利要求2所述的探头，包括一个或者多个用于分别示出所述的第一和第二可移动元件的角度位置的窗户。
16.根据权利要求15所述的探头，包括至少两个用于示出所述的第二可移动元件的位置的窗户。
17.根据权利要求1所述的探头，包括一大尺寸的光指示器，该指示器允许了在所有的测量位置控制探头的功能。
18.根据权利要求17所述的探头，包括多个发光元件，这些发光元件设置在多个不同的位置中，以便允许在所有的测量位置中控制该探头的功能。
19.根据权利要求1所述的探头，包括一用于避免热量从手传导到该探头的外部隔热层。
20.根据权利要求4所述的探头，包括一用于在旋转所述的第一和/或者第二可移动元件期间保持所述的第一和/或者第二分度元件分开的装置。
21.根据权利要求1所述的探头，包括从靠近该探针(30)的所述的探头(20)的主体部分突出的保护元件(218)，以便在所述的探头(20)的偶然的振动期间保护内部装置。
22.根据权利要求2所述的探头，其中所述的第一致动装置(300)在所述的第一可移动元件(210)上的作用大致在一直线上并且与所述的第一弹性元件(215)施加到所述的第一可移动元件(210)上的力相反。
23.根据权利要求2所述的探头，其中所述的第二致动装置(400)在所述的第二可移动元件(220)上的作用大致是一直线并且与由所述的第二弹性元件(225)施加到所述的第二可移动元件(220)上的力相反。
全文摘要
接触触发的探头包括一固定的部分和一可移动的接触式探针，该固定的部分设计用于紧固到一测量机器上或者一机床上，该可移动的接触式探针可以沿多个空间的方向在两个独立的轴线上取向。
文档编号G01B5/20GK1517667SQ20031011954
公开日2004年8月4日 申请日期2003年11月28日 优先权日2003年1月29日
发明者A·扎尼尔, P·约尔迪尔, C·鲁热, A 扎尼尔, 隙 申请人:特莎有限公司