在位置确定设备中使用的表面感测装置和位置确定设备的制作方法

本发明涉及一种在位置确定设备或机器(比如坐标测量机(cmm)、扫描机、机床、或检查/测量机器人)中使用的表面感测装置。更具体地，本发明涉及这样的表面感测装置的校准。

背景技术：

1、这样的位置确定设备或机器可以用于测量工件，并且通常包括相对于工件支撑在其上的工作台在三个坐标方向x、y、z上可移动的构件。通过机器上的换能器来测量构件在每个方向x、y、z上的运动。设置在可移动构件上的表面感测装置或探针产生指示其与待测工件表面之间的关系的信号。因此可以确定表面的位置。在替代性机器(例如某些类型的机床)中，工作台沿x和y移动，可移动构件沿z移动。

2、某些类型的接触探针(例如，触碰式触发探针和接触式扫描探针)进行三维动作。通常，它们可以在机器的换能器的x、y、z坐标系内的任何方向上接近工件表面，并且它们具有带有工件接触尖端的可偏转触针。在用这样的探针进行测量之前，通常执行一种称为“基准化(datuming)”的校准。这涉及将触针尖端接触基准表面(比如基准球体)，以便确定触针尖端在机器的x、y、z坐标测量系统中的可重复位置。

3、在柔性测量系统中，为了触及不同的工件表面，探针可以经由机动铰接头安装在cmm上，探针通过该机动铰接头可以绕两个相互正交旋转轴旋转。机器和机动铰接头可以在计算机控制下操作。

4、探针(或表面感测装置)可以是可更换的。不使用时，它们存储在存储架的相应存储端口中。当需要测量时，铰接头可以自动从存储架的存储端口拾取探针，并且之后将其放回存储端口中，所有这些都在计算机控制下进行。本申请人renishaw plc以商标autochange销售此类系统。为了使铰接头相对于存储架对准，autochange存储架配有固定的触碰式触发探针。当安装存储架时，铰接头的表面会接触到存储架的探针。这在铰接头与存储架的端口之间建立了空间关系，以确保它们的对准。

5、美国专利号us 8006399(wallace等人)和us 8468672(wallace)描述了一种表面感测装置。为了触及不同的工件表面，表面感测装置经由铰接头安装在cmm上，该表面感测装置通过铰接头绕两个相互垂直的旋转轴线可旋转。表面感测装置可以包括对表面进行单向感测的表面光洁度探针，或者包括另一种类型的单向(单轴线)探针，例如光学探针(比如激光光斑或激光线探针)。为了使这种单向探针能够触及不同定向的表面，表面感测装置具有第三旋转轴线，该第三旋转轴线使表面感测装置能够手动旋转。第三旋转轴线可以与表面感测装置的大致纵向的轴线对齐，表面感测装置可以在横向于或偏离第三轴线的方向上对表面进行感测。可替代地，表面感测装置可以布置成与第三旋转轴线成一定角度。

6、然而，该第三旋转轴线仅使表面能够以某些可能的取向被触及。还存在对这种表面感测装置的几何形状进行基准化或校准的问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种校准用于位置确定设备的表面感测装置的方法，该表面感测装置包括安装到该位置确定设备上的一个或多个长形构件以及经由该一个或多个长形构件安装到该设备上的表面感测元件，该方法包括通过单独的探针来探测该长形构件中的至少一个长形构件以确定其取向。

2、一个或多个长形构件中的一个长形构件中可以被连接至可枢转接头，从而其能够被设定在期望的角度。

3、单独的探针可以探测长形构件或多个长形构件的一个或多个侧面位置。可以通过相同的探针多次探测该长形构件。

4、可以存在第一长形构件和第二长形构件，并且该可枢转接头连接该第一长形构件和该第二长形构件，从而该第二构件能够被设定在相对于该第一构件的期望角度，该第一长形构件连接至该位置确定设备，并且该表面感测元件由该第二长形构件承载。

5、优选地，该探测的步骤包括通过该单独的探针来至少探测该第二长形构件，以确定其取向。该方法还可以包括通过单独的探针来探测该第一长形构件以确定其取向，以及接着确定该第二长形构件相对于该第一长形构件的角度。

6、适当地，该长形构件或每个长形构件在沿其长度间隔开的至少两个位置处被探测。优选地，在至少六个位置探测该长形构件或每个长形构件。这样可以更准确地指示该长形构件在空间中的取向和位置。

7、在优选的实施例中，表面感测装置是单向感测的装置，例如，表面光洁度或表面粗糙度探针。该表面感测元件可以是具有尖端的触针，该触针被安装成当该触针尖端在表面上被拖动时沿法线方向偏转、并且连接至换能器以测量该触针的偏转，从而确定表面光洁度或表面粗糙度。

8、该方法可以包括确定该触针尖端的法线方向和/或该尖端沿该表面被拖动的方向。这可以根据该一个或多个长形元件的取向确定。

9、该方法可以包括确定描述该触针尖端相对于该位置确定设备的位置的偏移。可以根据该一个或多个长形构件的取向和长度计算该偏移。替代地，可以通过用单独的探针在该触针尖端附近探测该表面感测装置来确定该偏移。

10、该表面感测装置可以包括旋转接头，该旋转接头被配置成使连接至该位置确定设备的该长形构件大致绕该长形构件的纵向轴线旋转。该方法可以包括确定该旋转轴线的取向(其可以不与长形构件的取向精确地重合)。该旋转接头可以具有用于使该长形构件旋转的马达。

11、该表面感测装置可以经由铰接头而安装到该位置确定设备上，该铰接头被配置成使该表面感测装置围绕两个相互正交的轴线旋转。该铰接头可以包括用于使该表面感测装置围绕该相互正交的轴线旋转的马达。

12、本发明还提供了一种用于位置确定设备的计算机控制器的程序，该程序被配置成用于执行上述方法中的任何方法。

13、本发明的另一方面提供了一种与位置确定设备一起使用的套件，该套件包括：表面感测装置，该表面感测装置包括用于安装到该位置确定设备的上一个或多个长形构件，经由该一个或多个细长构件安装到该设备的表面感测元件，以及被配置成用于执行上述方法中的任何方法程序。

14、本文讨论的程序可以设置在任何合适的机器可读介质上，机器可读介质包括存储盘、记忆棒、存储卡、或可以从其下载程序的本地或远程服务器。

技术特征：

1.一种在位置确定设备中使用的表面感测装置(4)，所述表面感测装置包括：第一长形构件(8)和第二长形构件(10)，所述第一长形构件和所述第二长形构件能够安装至所述位置确定设备；以及表面感测元件，所述表面感测元件能够经由所述第一长形构件和所述第二长形构件安装至所述位置确定设备，其中，可枢转接头连接所述第一长形构件和所述第二长形构件，使得所述第二长形构件能够被设定在相对于所述第一长形构件的期望角度，所述第一长形构件连接至所述位置确定设备，并且所述表面感测元件由所述第二长形构件承载，其中，所述表面感测装置是单向感测的装置。

2.根据权利要求1所述的表面感测装置，其中，所述表面感测装置是表面光洁度或表面粗糙度探针。

3.根据权利要求2所述的表面感测装置，其中，所述表面感测元件是具有尖端的触针(5)，所述触针被安装成当所述触针(5)尖端在表面上被拖动时沿法线方向偏转、并且连接至换能器以测量所述触针(5)的偏转，从而确定表面光洁度或表面粗糙度。

4.根据前述权利要求中任一项所述的表面感测装置，其中，所述表面感测装置(4)包括旋转接头，所述旋转接头被配置成使连接至所述位置确定设备的所述第一长形构件和所述第二长形构件大致绕所述第一长形构件的纵向轴线(c)旋转。

5.根据权利要求4所述的表面感测装置，其中，所述旋转接头具有用于使所述长形构件旋转的马达(m3)。

6.根据任一前述权利要求所述表面感测装置，其中，所述表面感测装置(4)能够经由运动联接接头(6)自动地附接至所述位置确定设备并从所述位置确定设备拆卸。

7.根据任一前述权利要求所述表面感测装置，其中，所述表面感测元件包括运动联接接头(16)，所述运动联接接头提供超行程机制，所述超行程机制允许所述表面感测元件的外端抵抗弹簧的作用而偏转，以在所述表面感测元件意外地朝向所述工件行进太远并撞到所述工件时保护所述表面感测元件免受损坏，其中，所述运动接头(16)能够重复地定位所述表面感测元件的外端，使得所述外端在被移出而不与所述工件接触之后返回到相同的位置。

8.一种位置确定设备，所述位置确定设备包括根据任一前述权利要求所述的表面感测装置(4)，所述表面感测装置安装在所述位置确定设备上。

9.根据权利要求8所述的位置确定设备，其中，所述表面感测装置(4)经由铰接头(7)安装至所述位置确定设备，所述铰接头被配置成使所述表面感测装置(4)绕两条相互正交的轴线(a，b)旋转，其中，所述铰接头包括用于使所述表面感测装置绕所述相互正交的轴线旋转的马达(m1，m2)。

技术总结
本申请公开了在位置确定设备中使用的表面感测装置和位置确定设备。表面感测装置(4)安装在坐标测量机的铰接探针头(7)上。装置(4)包括可以绕轴线(C)旋转的长形探针保持器(8)。长形感测模块(10)包括具有触针尖端(5)的表面光洁度或表面粗糙度探针。长形感测模块通过可调节关节接头(12)连接至探针保持器(8)。为了确定表面感测装置(4)的几何形状，通过使用单独的探针(32)探测沿探针保持器和感测模块的长度间隔开的点(44A，44B，46A，46B)来确定探针保持器(8)和感测模块(10)的取向，其中表面感测装置的几何形状包括触针尖端(5)的尖端法线(TN)以及拖动矢量(DV)。

技术研发人员：马丁·西蒙·里斯,安德鲁·杰弗里·巴特,戴维·斯文·华莱士
受保护的技术使用者：瑞尼斯豪公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12