接触式计测装置的制作方法

专利名称:接触式计测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及探针的具有接触力调整装置的接触式计测装置。
技术背景
在机床上对被加工件的三维形状进行计测在进行高精度的加工方面是非 常重要的。作为计测被力。工件的形状的技术， 一直以来公知的有使形状探针的 前端与被加工件的表面接触，计测被加工件的三维形状的触针式形状计测传感 器。
触针式形状计测传感器的计测探针用轴承或气动滑板可移动地支撑在探 针轴的轴向，并且，用弹簧或空气压力对探针向被计测件施加预压力。因此， 计测的接触压力随着其位置变化而变动，而且，其接触压力过大，要进一步调 整其接触压力是困难的。
为了调整与被计测件接触的探针的接触力，在日本特开2007-155440号公 报中记载了在探针的轴承部分设有加力空间，并向该空间供给压缩空气的接触 式计测装置。该接触式计测装置包括以下各部分向加力空间供给压缩空气朝 向被计测件对探针轴加力而使探针轴移动的加力装置，检测接触头与被计测件 的微小接触压力的微力计测装置，基于由微力计测装置检测到的接触压力控制 加力装置的加力的控制部，计测与被计测件接触的接触头的位置的位移量计测 装置。该接触式计测装置为了进行微小接触力的调整需要控制微小的空气压 力，但容易受到空气压微小脉动的影响。
除了对设在探针的轴承部的加力空间供给压缩空气的上述接触式计测装 置外，公知的还有使用电磁铁和永久磁铁调整探针的接触力的接触式计测装 置。对于这种类型的接触式计测装置，为调整接触力，需要分别控制向探针的 前方和后方的各个电》兹铁供给的电流，需要电流控制用的附加装置。并且，由 于电磁铁容易发热，并因其发热而引起探针的膨胀，因而要利用于需要亚微米 以下的纟效小计测的计测装置是困难的。在利用探针的接触式计测装置中，探针对计测对象的接触力需要按照探针 的移动速度及计测对象的形状、材质进行调整。另外，在将探针安装在铅直方 向的场合，若不抵消探针自身重量的影响就能得到微小的接触力。
发明内容
于是，本发明的目的在于提供一种能对探针的接触力进行微调，并具有抵 消探针自重的影响的机构的接触式计测装置。
为了达到上述目的，本发明的在探针的接触头与计测对象的面接触了的状
态下，利用该探针的位移进行计测的接触式计测装置具有用流体轴承支撑上 述探针的探针主体，控制上述探针主体内的流体压力并对上述探针施加拉力或 推压力的流体压力控制机构，安装在上述探针主体上的距离调整机构。并且， 在上述距离调整机构的可动部一侧安装有永久磁铁，另一方面，在上述探针一 侧，安装有在与该永久》兹铁之间可以产生吸力或斥力的材料板状部件或嵌入永 久磁铁的板状部件。此外，也可以在上述距离调整机构的可动部一侧安装有》兹 性体来代替永久;兹铁，另一方面，在上述探针一侧，安装有永久磁铁或嵌入永 久磁铁的板状部件。
上述流体压力控制机构可以具有调整向上述4罙针主体内供给的流体压力 的压力调整机构或调整上述探针主体内的真空度的真空度调整机构；以及利用 阀对向上述探针主体内流入或流出的流体进行微调的压力微调机构。
上述压力调整机构可以通过利用调节器的压力调整来调整向安装在上述 探针上的上述板状部件存在的空间供给的流体压力。上述真空度调整机构可以 利用真空泵来进行上述板状部件存在的空间的真空度的调整。另外，上述压力 微调机构可以通过利用排气阀开闭状态进行的排气量的调整来对由上述调节 器调整的流体压力进4刊鼓调，或者通过利用吸气阀开闭状态进行的吸气量的调 整来对由真空泵达到的真空度进行微调。也可以通过利用上述压力调整机构和 上述压力微调机构或上述真空度调整机构和上述压力微调机构来调整对探针 的推压力或拉力，以及利用上述距离调整机构来调整拉力或推压力这两种调整
的组合来进行上述揮:针的接触头对计测对象面的接触力的调整。
上述距离调整机构为测微计，也可以将上述测微计安装在上述探针主体 上，从而使其可动部的位移方向与上述探针的移动方向为同一方向。这样，通过利用上述测微计的可动部的位移调整来调整安装在上述可动部上的永久,兹 铁和安装在上述探针上的上述板状部件的距离，从而进行上述永久磁铁对上述 探针的拉力或推压力的调整。
在上述探针的自重影响探针对计测对象的面的接触力的情况下，利用与自 重的方向成为相反方向的上述推压力或上述拉力来抵消探针的自重。
本发明的接触式计测装置由于具有以上结构而能对探针的接触力进行微 调，并能具有消除探针自重的影响的机构。


图1是说明在探针的前端与计测对象面接触的状态下移动进行计测的情 况的图。
图2A是说明利用压缩空气的力和永久磁铁与磁性体的吸引力进行探针的
接触力调整的本发明的接触式计测装置的第一实施方式的图。
图2B是表示用接触力测定装置测定图2A的接触式计测装置的接触力所 示的一个例子图。
图3是说明利用真空吸引的力和永久磁铁的斥力进行接触式计测装置的
探针的接触力调整的本发明的接触式计测装置的第二实施方式的图。
图4是表示利用永久磁铁的斥力和与供给空气的受压面的面积相应地产
生的拉力进行探针的接触力调整的第三实施方式的图。
图5是说明利用供给空气产生的推压力来抵消探针的自重的方法的图。
图6是说明利用永久磁铁产生的推压力来抵消探针的自重的方法的图。
图7是说明用永久磁铁产生的拉力来抵消探针的自重的方法的图。
图8是说明用真空泵产生的拉力来抵消揮:针的自重的方法的图。
图9是说明用本发明的接触式计测装置在机床上对加工后的工件形状进
行计测的图。
具体实施方式
本发明的上述及其它目的及特征通过参照附图对以下的实施例的说明将 变得更加清楚。
图1是说明在探针的前端与计测对象面接触的状态下移动进行计测的情 况的图，在利用流体轴承(图1中省略了图示)支撑的探针l上安装的接触头3通过在使其与计测对象件100的计测对象面100a接触的状态下沿着计测对 象面100a描仿来计测计测对象件100的表面形状。
随着探针2的接触头3沿着计测对象面100a向计测方向移动，探针2就 向图l所示的"探针的移动方向"移动。该探针2的向计测方向的移动可以通 过使探针主体1相对计测对象件100移动，或者使计测对象件100相对佳j罙针 主体1移动来实现。为了用现有的接触式计测装置来进行，在安装于探针2 上的接触头3的前端(接触部)安装有球形的蓝宝石珠，以减小与计测对象面 100a的摩擦系数，并防止磨损。
图2A是说明利用压缩空气的力和永久,兹铁与磁性体的吸引力进行探针的 接触力调整的本发明的接触式计测装置的第一实施方式的图。在该接触式计测 装置中，探针主体1具有利用流体轴承(流体轴承面4)支撑的无机械摩擦的 探针2。而且，在该探针2的接触头3与接触力测定装置200接触了的状态下， 通过调节器10和排气阀6a进行向探针2供给空气的压力调整以及永久磁铁7 对磁性体5的吸引力的调整，，从而实现对探针2的计测对象面的接触力的微 调。作为上述接触力测定装置200,可以使用例如力传感器或电子天平。
探针主体1具有探针2，具有排气阀6a的供排气口 6,测微计8以及压缩 空气供给口 14。该探针主体1如图2A所示，由于将探针2的轴心配置成水平 朝向，因而，该揮:针2的自重不会加到接触力测定装置200上。该揮:针2利用 在探针主体1内具有流体轴承面4的流体轴承在不产生机械摩擦的状态下滑动 自如地支撑在该探针2的轴向。
在探针2的一端安装有接触头3，在该接触头3的前端上安装有如上所述 的球形的蓝宝石珠。另外，在探针2的另一端安装有板状的磁性体5。作为具 有可动部的距离调整机构使用的测微计8安装在探针主体1上，从而使作为测 微计8的可动部的测杆8a位于探针2的移动方向线上。在测微计8的测杆8a 的前端部安装有永久磁铁7。测微计8是使用了例如极精密的螺紋的螺距的测 定器，可以精密地调整永久磁铁7和磁性体5的距离。通过由测微计8调整永 久磁铁7的位置来调整永久磁铁7和磁性体5的距离，从而可以调整在两者之 间作用的吸引力。
空气压缩机9通过具有供给空气压力调节机构10a的调节器10以及压缩空气供给管道11将压缩空气从压缩空气供给口 14供给到探针主体1内。从压 缩空气供给口 14供给的压缩空气从供排气口 6和流体轴承面4排出到探针主 体1的外部。在供排气口 6设有排气阀6a，用来调节从供排气口 6每单位时 间流出的压缩空气量。另外，既可以从省略了图示的轴承用流体供给机构将轴 承用流体供给供流体轴承面4,夜也可以将来自空气压缩机9的压缩空气通过 压力调整机构作为轴承用流体使用。
对在探针2上组装的磁性体5作用有由压缩空气引起的推压力fi，以及在 磁性体5和安装在测微计8的测杆前端的永久磁铁7之间作用的吸引力即拉力 f2。推压力f3是将探针2向探针主体1的外侧推出的力，拉力f2是将探针2 向探针主体1的内侧拉入的力。因此，安装在探针2上的接触头3作用到接触 力测定装置200上的力即接触力fl可以用式1表示。
fl=f3—f2 (1)
根据上述(1 )式，通过调节拉力f2和推压力f3的大小，就可以自如地 调节接触头3的接触力fl。
图2B是表示用作为接触力测定装置200的力传感器或电子天平测定接触 式计测装置的接触力所示的一个例子图。所表示的接触压力为0.300g。该数值 仅是一个例子，该数值不具有特别的意义。
图3是说明利用真空吸引的力和永久磁铁的斥力进行接触式计测装置的 探针的接触力调整的本发明的接触式计测装置的第二实施方式的图。在该接触 式计测装置中，探针主体1具有利用流体轴承(流体轴承面4)支撑的无机械 摩擦的探针2。而且，在该探针2的接触头3与接触力测定装置200接触了的 状态下，使用接触力测定装置200来进行永久磁铁7a和永久磁铁7b的斥力的 调整，和利用真空泵12及吸气阀6b进行吸引力的调整，从而实现对探针2 的计测对象面的接触力的微调。
图3所示的第二实施方式与图2A说明的接触式计测装置的第一实施方式 不同之点在于，将永久磁铁7b安装在探针2上以代替^f兹性体5这点，使用真 空泵12通过抽真空而使探针主体1内的空气压降低从而对探针2产生拉力f5 这点以及安装在测微计8上的永久磁铁7a和安装在探针2上的永久磁铁7b之 间产生斥力这点。该斥力是要将探针2向探针主体1外侧方向推压的推压力f4。真空度的调整可以通过装在真空泵12上的真空度调节机构12a或设在供 排气口 6的吸气阀6b的节流状态进行。
因而，安装在探针2上的接触头3对接触力测定装置200作用的力即接触 力fl可以用式2表示。
fl= f4一f5 ( 2 )
根据上述式(2 ),可以通过调节拉力f5和推压力f4的大小自如地调节接 触头3的4^触力fl。
图4是表示利用永久磁铁的斥力和与供给空气的受压面的面积相应地产 生的拉力进行探针的接触力调整的第三实施方式的图。在该接触式计测装置 中，探针主体1具有利用流体轴承支撑的无机械摩擦的探针2。而且，在该探 针2的接触头3与接触力测定装置200接触了的状态下，进行永久》兹铁7a和 永久磁铁7b的斥力的调整，并进行通过将供给空气的受压面从图3所示的永 久磁铁7b的与探针相反一侧的面变更为永久磁铁7b的探针一侧的面(其受压 面积仅小于探针2的截面积)而产生的拉力来代替由真空泵12 (参照图3)产 生的吸引力以及排气阀6a的调整，从而实现对探针2的计测对象面的接触力 的微调。
图4所示的第三实施方式将压缩空气供给探针主体1,从而使作用于探针 2的力为拉力f6。由永久磁铁7a、 7b产生的斥力将推压力f4作用于探针主体 l上。因此，安装在探针2上的接触头3对接触力测定装置200作用的力即接 触力fl可以用式3表示。
fl=f4—f6 (3)
根据上述式(3 )，可以通过调节拉力伤和推压力f4的大小自如地调节接 触头3的接触力fl。
图5是说明利用供给空气产生的推压力来抵消探针的自重的方法的图。该 方法是，在将探针2铅直方向地安装在探针主体1上且该探针2的前端铅直向 上的情况下，利用永久磁铁与磁性体的斥力来对该探针2产生铅直方向朝上 的、与探针2的自重相同大小的力，从而抵消该探针2的自重。测微计8在其 测杆8a上安装有永久磁铁7，在探针2上安装有板状的磁性体5，利用在这些 永久磁铁7和磁性体5之间产生的斥力来抵消探针2的自重(以及与其一体的接触头3、磁性体5等结构件)的自重。
图6是说明利用永久磁铁产生的推压力来抵消探针的自重的方法的图。该 方法是，在将探针2铅直方向地安装在探针主体1上且该探针2的前端向上的 情况下，利用永久磁铁与永久磁铁的斥力来对该探针2产生铅直方向朝上的、 与探针2的自重相同大小的力，从而抵消该探针2的自重。测微计8在其测杆 8a上安装有永久磁铁7a，在探针2上安装有久磁铁7b，利用在这些永久磁铁 7a和久磁铁7b之间产生的斥力来抵消探针2的自重(以及与其一体的接触头 3、永久磁铁7b等结构件)的自重。
图7是说明用永久磁铁产生的拉力来抵消探针的自重的方法的图。该方法 是，在将探针2铅直方向地安装在探针主体1上且该探针2的前端向下的情况 下，利用永久磁铁与磁性体的作用力来对该探针2产生铅直方向朝上的、与探 针2的自重相同大小的力，从而抵消该探针2的自重。测微计8在其测杆8a 上安装有永久磁铁7，在探针2上安装有板状的磁性体5，利用在这些永久》兹 铁7和磁性体5之间产生的吸引力来抵消探针2 (以及与其一体的接触头3、 》兹性体5等结构件)的自重。
图8是说明用真空泵产生的拉力来抵消探针的自重的方法的图。该方法 是，在将探针2铅直方向地安装在探针主体1上且採:针2的前端向下的情况下， 通过利用真空泵12 (参照图3 )产生的吸引力来对该探针2产生铅直方向朝上 的、与探针2的自重相同大小的力，从而抵消该探针2 (以及与其一体的接触 头3等结构件)的自重。
图9是说明用本发明的接触式计测装置在机床上对加工后的工件形状进 行计测(以下成为"机上计测")的图。为了对利用机床加工的工件在机床上 测定其形状等，将本发明的接触式计测装置的接触式探针主体1安装在上述机 床的移动轴上。图9中，将接触式探针主体1安装在作为机床的移动轴之一的 X轴的滑动工作台上。
工件2 0的形状测定可以利用在用机床加工工件2 0时制作的加工程序 及经筒化处理的加工程序(为了避免工具的频繁加减速，设定规定的误差范围 而将加工程序块简化了的程序)，在用接触式探针主体1的探针2的接触头3 描仿工件2 0的表面的同时进行。即使在由于振动或工具异常等任何原因工件2 0的加工形状与应由加工 程序求得的形状不同的场合，在需要机上计测的超精密加工中，其误差也只有 数微米的大小。因此，在对接触式计测装置的接触力进行微调后，进行计测时 的接触力的变化应小到可忽视的程度。若接触力产生较大变动的场合，意味着 探针2产生相当大的位移，则认为对工件2 0的加工本身失败，将中断工件2 0的计测本身。这时，在使用激光干涉仪、容量式传感器等可以测定位移量的 传感器所测定的探针2的位移中，在产生了设定值以上的位移的场合，则将信 号传送到机床的数值控制装置(参照图9 )并停止计测。
本发明的接触式计测装置通过使用力传感器及电子天平等接触力测定装 置来调整探针(接触头)的接触力，可以实现机上计测。
权利要求
1. 一种接触式计测装置，其在探针的接触头与计测对象的面已接触的状态下，利用该探针的位移进行计测，其特征在于，具有用流体轴承支撑上述探针的探针主体，控制上述探针主体内的流体压力并对上述探针施加拉力或推压力的流体压力控制机构，安装在上述探针主体上的距离调整机构；在上述距离调整机构的可动部上安装有永久磁铁，另一方面，在上述探针的与接触头相反一侧的端部安装有在与上述永久磁铁之间产生斥力或吸力的部件。
2. 如权利要求
1所述的接触式计测装置，其特征在于，安装在上述探针 上的上述部件是磁性体的板状部件或组装了永久磁铁的板状部件。
3. —种接触式计测装置，其在探针的接触头与计测对象的面已接触的状 态下，利用该探针的位移进行计测，其特征在于，具有用流体轴承支撑上述探针的探针主体，控制上述探针主体内的流体压力并对上述探针施加拉力或推压力的流体 压力控制才几构，安装在上述探针主体上的距离调整机构；在上述探针的与接触头相反一侧的端部安装有永久磁铁，另一方面，在上 述距离调整机构的可动部上安装有在与上述永久磁铁之间产生斥力或吸力的 部件。
4. 如权利要求
1或3所述的接触式计测装置，其特征在于，上述流体压 力控制机构具有调整向上述探针主体内供给的流体压力的压力调整机构或调整上述探针 主体内的真空度的真空度调整机构；以及利用阀对向上述探针主体内流入或流出的流体进行微调的压力微调机构。
5. 如权利要求
4所述的接触式计测装置，其特征在于，将安装在上述探 针上的部件做成磁性体的板状部件或组装了永久磁铁的板状部件；并且，上述压力调整机构做成通过利用调节器的压力调整来调整向上述板状部 件存在的空间供给的流体压力。
6. 如权利要求
4所述的接触式计测装置，其特征在于，将安装在上述探 针上的部件做成^f兹性体的板状部件或组装了永久^f兹铁的板状部件；并且，上述真空度调整机构做成利用真空泵来进行上述板状部件存在的空间的 真空度的调整。
7. 如权利要求
4所述的接触式计测装置，其特征在于，上述压力微调机 构做成通过利用排气阀开闭状态进行的排气量的调整来对由上述调节器调整 的流体压力进行樣t调，或者通过利用吸气阀开闭状态进行的吸气量的调整来对 由真空泵达到的真空度进行微调。
8. 如权利要求
2所述的接触式计测装置，其特征在于，上述距离调整机 构为测孩B十，将上述测;徵计安装在上述探针主体上，从而使其可动部的位移方 向与上述探针的移动方向为同一方向；通过利用上述测微计的可动部的位移调整来调整安装在上述可动部上的 永久磁铁和安装在上述探针上的上述板状部件的距离，从而进行上述永久石兹铁 对上述探针的拉力或推压力的调整。
9. 如权利要求
4所述的接触式计测装置，其特征在于，通过利用上述压 力调整机构和上述压力微调机构或上述真空度调整机构和上述压力微调机构 来调整对探针的推压力或拉力，以及利用上述距离调整机构来调整拉力或推压 力这两种调整的组合来进行上述探针的接触头对计测对象面的接触力的调整。
10. 如权利要求
1或3所述的接触式计测装置，其特征在于，在上述探针 的自重影响探针对计测对象的面的接触力的情况下，利用与自重的方向成为相 反方向的上述推压力或上述拉力来抵消探针的自重。
专利摘要
本发明涉及接触式计测装置。本发明是利用压缩空气的力和永久磁铁与磁性体的吸力来进行探针的接触力调整的接触式计测装置。该计测装置控制探针主体内的流体压力并对探针施加拉力或推压力，另外，在安装在探针主体上装有的测微计的可动部前端的永久磁铁与安装在与接触头相反一侧的端部的板状部件之间产生与这些永久磁铁与板状部件之间的距离相应的吸力。
文档编号G01Q60/50GKCN101532818SQ200910007314
公开日2009年9月16日 申请日期2009年2月11日
发明者山本明, 洪荣杓, 羽村雅之, 蛯原建三 申请人:发那科株式会社