CN101142461B - 测量探针 - Google Patents

Abstract

用于定位装置的探针具有探针体(18)和接触工件的触针(14)。应变灵敏结构体连接探针体和触针，且包括可弯曲构件(32)。可弯曲构件具有不对称的横截面，例如“T”形横截面。在“T”的柄部设置应变仪(33)，用于检测当触针接触工件时引起的弯曲。这能够使应变灵敏结构体结实且对弯曲灵敏。

Description

测量探针

本发明涉及一种用于在定位装置上确定制品例如工件的尺寸的测量探针，所述定位装置例如是车床、坐标测量机器以及其他使用坐标定位的机器。

探针可以包括工件接触元件例如触针，当其与工件接触时，其受到推顶而离开静止状态。可以检测到该推顶作用，且可以产生指示所述工件接触的信号从而提供根据所用的坐标定位系统的工件位置的指示。

已知上述许多不同类型的探针。理想地，所述探针应当对于作用于探针的触针或其他接触元件的力非常灵敏，而且应当相当结实以防止对探针的损坏，例如当探针掉落或意外地被猛烈地推入到工件中时。

通常，接触测量探针分为两类：一类是当接触工件时非常迅速地产生触发信号的探针(所谓的“接触触发探针”)；另一类是具有能够指示触针相对于探针体的偏移量的可变信号的探针(所谓的“模拟探针”或“扫描探针”)。

通常以触针运动穿过工件的方式使用模拟探针，这种探针产生相应于工件轮廓的许多数据点。模拟探针必须是灵敏的且因此通常不适用于粗糙场合。

接触触发探针是更简单的且更适用于例如用于车床上的应用，在这样的应用中，会遭遇到例如撞击和振动的恶劣条件。接触触发探针通常具有电气开关型装置，在接触工件时该装置被打开(或关闭)。

接触触发探针通常本质上是机械的且具有能够被磨损或损坏的活动部件。

为了克服上述缺点，已经开发了使用应变仪的探针。美国专利No.5,327,657公开了一种这样的探针。该文献的图9示出应变仪单元334，在使用中其受到图9下部所示的触针的作用而变形。单元334具有三条朝向触针延伸的腿。虽然该探针是灵敏的，但是它不是非常结实，特别是当触针被撞击时。相似的探针如EP 68899所示。

国际专利申请No.WO01/96809A1公开了另一种应变仪探针，该文献的图3示出了具有三条腿的应变仪支撑结构体34。为了使探针更加结实，设置了额外的触针支撑体42。该额外的支撑体使得应变仪支撑结构体34的刚度下降且因此变得更加灵敏。总的来说，该探针结构体不够紧凑。

本发明的发明人已经提出了一种灵敏且结实的接触触发探针，在本文所述的实施方案中，所述探针不需要额外的触针支撑体。

本发明提供一种测量探针，所述探针包括探针体、工件接触触针，以及连接所述探针体和触针的应变灵敏结构体，所述触针大体上沿轴线延伸，所述结构体具有多个将触针连接至基本上在一个平面内延伸的探针体的构件，至少一个所述构件具有与其相关联的应变感应元件，其中所述至少一个构件在垂直于所述平面的方向上具有不对称的横截面。

因此，本发明的实施方案提供应变感应探针，其具有至少一个与应变感应构件相关联的应变感应元件。所述应变感应构件可以具有中性弯曲轴(即，既不被压缩也不被拉伸的轴)，由于所述构件的不对称性，该轴距离所述构件的一侧较近，而距离所述构件的相对侧较远。

这种设置的结果是能够将应变感应元件放置成距离所述构件一侧上的中性轴比距离所述构件相对侧上的中性轴更远，从而对于相同的构件硬度，能够实现更高的应变灵敏度。

如下所述能够制造复合构件，尽管所述复合构件的横截面是对称的，但是该复合构件的中性轴距离所述构件的一侧比距离所述构件的另一侧更近。还可以使用所述构件来提高灵敏度和结实性，且对于上述段落所述的目的来说，可以认为所述构件是不对称的。

下面参考附图描述本发明的实施方案，其中：

图1示出使用本发明的测量探针；

图2示出图1所示应变感应构件的细节；

图3示出图2所示应变感应构件的进一步的细节；

图4示出所述构件在图3所示的平面4-4上的横截面；

图5a、5b、5c和5d示出图4所示横截面的替代横截面；

图6示出替代测量探针；

图7示出图6所示探针的组件的细节；

图8示出另一替代的应变感应构件；以及

图9和10示出又一替代的应变感应构件的横截面。

图1示出尺寸测量探针10，其可通过凸台12连接至机器5。该机器通常能够确定探针的坐标，例如在x、y和z平面上的坐标。

所述探针具有触针14，触针14包括用于接触待测量的工件或其他制品50的针尖16。该机器驱动探针相对于制品50运动，且由探针10内的机构来感应触针针尖与制品50的接触。探针产生的信号被送至机器，从而确定探针的坐标。这样，能够获得制品表面的坐标。

探针10包括主体18、电路板20、弹簧笼22、压缩弹簧24、触针14的上部构件26，以及应变感应元件30。为了清楚起见，探针的视图是在图2的1-1所示截面平面中的部分截面。所述平面并不完全是平的，而是包括两个相互呈120°的平面。

在操作中，沿x、y或z方向或其组合，在触针针尖上施加作用力。该力导致传感器元件30的径向延伸臂32相对于探针体18弯曲，所述传感器元件固定在探针体18的中心部分37。沿x或y方向作用在触针上或沿z方向拉动触针离开探针体的力过大将会导致传感器元件30和探针体18之间的缝隙28闭合。因此，在传感器元件30上不能产生过大的应变。触针上的进一步的作用力导致弹簧24被压缩，造成触针上部构件或触针固定器26与传感器元件30反抗压缩弹簧24的作用力而断开连接。除去所述进一步的过大的作用力使得触针能够复位而抵靠传感器元件30。该上部构件26和传感器元件30之间的接触呈现具有总计六个接触点的运动学定位的形式。在这种情况下，由传感器上的三个球31形成所述运动学定位，每个球均嵌套在构件26上的成对的辊27之间。因此，有利的是，如果过大的力施加在触针上，则触针能够复位到可重复的静止位置。

图2更加详细地示出传感器元件30。元件30被制造成一个单独的元件，例如加工金属件。在使用中，分别固定在元件30表面的三个球31上均被施加有作用力。当触针针尖16接触工件时，施加在球上的作用力改变。这进而导致在径向臂32中产生应变。将半导体应变仪33固定在每个臂32上。如果臂上的应变发生变化，则每个应变仪均提供输出变化。因此，能够检测触针是否接触制品50。电路板20能够实现所述检测。适用于本发明的电路的实例如美国专利No.5,228,352中所述。

示出了三个径向延伸臂32，但是可以使用其他数量的臂。图3更加详细地示出臂32。图3所示的区域位于图2中的切割线3的内部。所述臂的优选的截面形状是图3所示的倒立的“T”。但是，也可设想采用其他截面，例如图5a、5b、5c和5d所示。应变仪33借助双组分粘结剂安装在形成“T”的柄部的凸缘的最上方表面上。所述臂的“T”形状提高了应变感应元件30的响应性。

能够使用规则的薄截面例如矩形代替所示的“T”形截面，以提供应变感应构件所需的灵敏性。但是，这种截面将会损失刚度，或者如果太厚则会变得不灵敏。本发明的发明人已经发现，“T”形截面对于结实性而言是坚硬的，且对于作用于触针的力是灵敏的。对于给定的刚度，在应变仪33的位置处，将产生比其他位置处更高程度的弯曲。这还导致更高的信噪比。

而且，已经发现，在形成“T”形柄部的上部凸缘中形成的凹槽35产生更好的应变读数。这改变了臂32的弯曲，导致臂32在使用时以悬臂方式偏移。如果不存在凹槽，所述臂将会在载荷作用下受力而形成“S”形，这将在应变仪的位置产生较小的应变。

图4示出臂32在图3所示的平面4-4中的截面。示出了该截面的相对尺寸。已经发现了以下合适尺寸：如果“a”等于1，则“b”应该约为1-2，“c”应该约为3-6，且“d”应该约为0.5-1.5。轴n.a表示中性轴或弯曲轴。可以看出，应变灵敏元件33和中性弯曲轴之间的距离Z1大于中性轴和与元件33相对的臂表面的光顺线之间的距离Z2。

图5a、5b、5c和5d示出臂32的可用于代替图4所示T形截面的其他截面形状的实例。图5a示出梯形截面，如图所示，应变仪33安装在上表面。图5b示出U形截面，如图所示，应变仪33安装在U形截面的其中一个边缘上。图5c示出具有上部52和下部54的复合结构体，所述上部52的刚度小于下部54。如图所示安装应变仪。材料可以是铝或玻璃纤维(52)和钢(54)。或者，图5c中的两个部分可以由相同的材料制成，但是以不同的密度穿孔，使得它们具有不同的刚度。或者，可以从单个部分的顶部至底部逐渐改变穿孔密度。图5d示出底部60、具有柱56形式的两个间隔体、应变仪支撑体58以及安装在支撑体58上的应变仪33。

在图5a、5b、5c和5d中分别示出中性轴n.a。应当注意到，安装的每个应变仪33与中性轴n.a的距离大于中性轴与臂32的表面之间的距离，所述表面与臂32上安装应变仪的表面是相对的。如上所述，得到以下结构体，其应变容易测量，但是能够将其制造成相当坚硬，因此是结实的。可以以与图1-3中的凹槽35相同的方式和相似的原因设置凹槽。

图6示出与图1所示探针具有相似构造的测量探针10’。图中仍然没有示出真实的截面，而是与图1一样示出了具有120°角的截面。在图6中，触针64的上部构件66对应变感应结构体61的靠内部分施加压力。进而，应变施加在径向臂62上。应变感应元件70的周边固定在外壳78上。所述探针的其他细节和功能与图1所示的探针相似。

图7示出图6所示探针的组装细节。借助三个接头68将应变感应结构体61固定在外壳78上。三个接头的位置使得当外壳78例如由于热效应而膨胀或收缩时不会压缩和拉伸臂62。

图8示出应变灵敏结构体70，其可以用于代替图1和2中的传感器结构体30。应变仪33并非固定在三个径向臂构件32上，而是固定在围绕大体上呈三角形的环大体上周向延伸的三个构件80上。每个构件80中间的杯子82容纳图1和2所示的球31之一，触针固定器26挤压所述球。构件80具有“T”形横截面和凹槽35，如上所述。完整的环状结构对于该实施方案而言并不是必须的：可以使用大体上周向延伸的三个单独的构件80。或者，可以将球31定位在每个臂的端部，而不是中间。

图9示出用于代替图1-4中的臂构件32的替代臂构件90。其横截面如图4所示，但是其具有更薄的矩形横截面，而不是“T”形横截面。在矩形横截面的相对的短边缘上安装两个应变仪33，因此，两个应变仪33很好地间隔开。两个应变仪的电输出连接至差动放大器92的正和负输入，差动放大器92将它们以差动方式组合。借助薄的矩形横截面和差动处理，在相当结实的结构体中实现了对弯曲的高灵敏度。

图10示出图9的臂构件的变体。这里，横向构件94增大了矩形横截面90，使得整个横截面成十字形状。横向构件94增大臂构件的中性弯曲轴区域的刚度。可以认为得到的结构体与图1-4中的两个背靠背的“T”形臂构件相似。

已经公开了使用本发明的几个实施方案。但是，本领域的普通技术人员能够想到对这些实施方案做出许多变体和改进方案。这些变体或改进方案的实例在下面的段落中给予描述。

每个实施方案均示出三个径向延伸的臂，但是可以使用更少或更多的臂。这些臂尽管在径向上延伸，但是也可以在轴向上延伸。

示出了用于触针14/64的运动学支撑体，其用作安全机构，以防止对元件30/60施加过度应变。但是，该特征不是必须的，或者可以用以相似方式操作的其他特征代替或者可以补充以以相似方式操作的其他特征。

图4和5中所示的截面不是穷举的。可以使用其他截面，只要其能够提供所需结果，即，相对坚硬且因此结实的应变灵敏结构体。

已经示出安装在与触针64的针尖相对的每个臂的表面上的应变仪。可以倒置臂30/62并将应变仪安装在臂30/62的下侧。应当理解，本说明书中使用的术语例如“上”、“下”等涉及附图中所示的探针的方位，在使用中，可以以任何方位使用所示探针，包括使触针向下定向。

Claims (12)

1.一种用于定位装置的探针，所述探针包括：

探针体，

触针固定器，其与工件接触触针连接或可与工件接触触针连接，

至少一个可弯曲构件，所述可弯曲构件连接在探针体和触针固定器之间，当触针接触工件时所述可弯曲构件发生弯曲，

所述可弯曲构件具有在所述弯曲期间不受拉伸或压缩作用的中性轴，所述可弯曲构件的至少一部分与中性轴分开，所述部分在弯曲期间受到拉伸或压缩，

应变感应元件，其位于所述与中性轴分开的部分上，从而在触针接触工件时产生输出信号，

所述可弯曲构件的另一部分与中性轴的距离比设置有应变感应元件的所述部分与中性轴的距离更近，所述另一部分的硬度大于设置有应变感应元件的所述部分的刚度。

2.权利要求1的探针，其中，所述可弯曲构件在垂直于中性轴的方向上具有横截面，所述中性轴距离所述可弯曲构件的一侧较近，而距离所述可弯曲构件的另一侧较远。

3.一种用于定位装置的探针，包括：

探针体，

工件接触触针，

应变灵敏结构体，其连接所述探针体和触针，所述应变灵敏结构体包括至少一个构件，所述至少一个构件具有轴且当触针接触工件时可以相对于该轴弯曲，

应变感应元件，其与所述可弯曲构件相关联，从而在所述构件发生弯曲时提供信号，

其中，所述可弯曲构件在垂直于中性轴的方向上具有横截面，所述中性轴距离所述可弯曲构件的一侧较近，而距离所述可弯曲构件的另一侧较远。

4.权利要求2或3的探针，其中所述横截面是“T”形的，且所述应变感应元件安装在“T”形的柄部。

5.权利要求2或3的探针，其中所述横截面是梯形的。

6.权利要求2或3的探针，其中所述横截面是“U”形的。

7.权利要求1、2或3的探针，其中所述可弯曲构件具有复合结构体，所述复合结构体具有垂直于所述轴的横截面，所述复合结构体的所述横截面的一部分的刚度大于该横截面的另一部分的刚度。

8.权利要求1、2或3的探针，其中所述可弯曲构件在沿其长度的位置上具有凹槽，所述凹槽改变所述构件的弯曲。

9.权利要求1、2或3的探针，其中所述可弯曲构件包括底部和用于应变感应元件的支撑体，所述底部和支撑体由间隔体分开。

10.上述权利要求中任一项的探针，其中存在多个在平面上延伸的所述可弯曲构件。

11.权利要求9的探针，其中所述可弯曲构件在径向方向上相对于探针体延伸。

12.权利要求9的探针，其中所述可弯曲构件围绕探针体的轴周向延伸。

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