專利名稱:接觸式傳感測頭的制作方法
本發明涉及一種供測量工件尺寸的設備使用的接觸式傳感測頭。
各種接觸式傳感測頭通常都有與測量機連接的第一固定部件，測量機支承該固定部件用于相對被測工件移動;還有一個可動部件，該可動部件上裝有觸針用來觸測工件;還有支承機構用來支承可動部件使其在固定部件上處于靜止位置，當觸針觸測工件時，可動部件則偏離其靜止位置;還有傳感裝置用來感受上述的觸測并產生一個信號送至用來測量固定部件位置的一個系統中。
在各種公知的接觸式傳感測頭中，觸針與工件的接觸由多個壓電裝置感受。如在英國書1586052號和2049198號中所描述的那樣。
上述公知的測頭比起感受觸針實際位移的某些測頭具有更高的靈敏度，這是因為它們能夠在觸針與工件接觸的瞬間觸發一個信號的緣故。
然而，上述公知的測頭相對來說較復雜，其觸針本身或者觸針座是由多個傳感裝置組成的部件。此外，在上述兩種公知的測頭中，傳感裝置都是壓電元件，它們剛性地夾緊在所說部件的兩個零件之間。
雖然不希望該部件的零件間發生相對移動，但是為了產生響應作用到觸針上的壓力使壓電元件變形所需要的力，又必然要產生一些相對移動。在每次觸針與工件接觸后，就觸針的準確位置來說，這將產生一些不穩定因素。例如，可能存在一個或多個傳感裝置的永久變形，或者是測量機的振動可能產生壓緊力使該部件與外殼容易結合在一起。
本發明的目的就是要提供一種測頭，該測頭避免了上述的不穩定性，而與上述測頭相比，結構更為簡單。
本發明是通過下述方案實現這些目的的。它提供一個傳感裝置用于感受測頭的觸針與工件的接觸，該傳感裝置是一種加速度計式傳感器，它具有面對面配置的零件，其中一個零件支承在可動部件的一個面上，與其一道移動，加速度計的另一個零件是自由活動的，或者是與對上述移動產生屈服阻力的裝置相連接。
這樣，該加速度計可以由一種應變敏感元件制成，該元件可以產生高度敏感的受壓或彎曲變形，以感受可動部件的突然移動，例如由于觸針與工件接觸時產生的撞擊波造成的振動，或者是觸針的突然位移。該加速度計可以支承在可動部件與觸針相對的一側的一個面上，以便使該加速度計不受觸針位置的影響。
本說明書自始至終使用的術語加速度計包括任一力或應變敏感元件，其根據是因為力等于質量和加速度的數學乘積，象這樣的裝置也固有地響應加速度。
根據本發明的測頭的實施例，將參照各附圖予以描述，其中圖1是測頭的局部剖視圖;
圖2是圖1的沿Ⅱ-Ⅱ線的剖視圖;
圖3是圖1中敏感元件的放大視圖;
圖4是圖1所示的測頭中敏感元件又一種可供選擇形式的視圖;
圖5是測頭的一種變型的局部剖視圖;
圖6是圖5所示測頭中一種可供選擇的敏感元件的放大視圖;
圖7是根據本發明的測頭的又一種可供選擇的形式。
參照圖1和圖2，用數字10表示的測頭通常具有第一部件或稱之為外殼11，它固定在測量機托架12(本身公知)，測頭可相對被測工件13移動。
該測頭還有第二部件或稱之為可動部件14，它包括一個觸針座15，有一個自由端17的觸針16固定在該觸針座上，在進行測量時，通過托架使觸針的自由端與工件接觸。公知的運動支承18由相對的支座元件19、20構成，它們分別裝在外殼11和在觸針座15圍繞觸針軸線均布的三個位置上。運動支承的更具體的樣子如圖2所示，支座元件19包括多對球，支座元件20包括從觸針座15徑向伸出的多個園柱與球19相配合。在部件11和14之間裝有彈簧21，它迫使部件14處于靜止位置，即圖示的位置。當觸針接觸工件時，部件14可從靜止位置偏離一個限定的量，從而避免測頭和工件間碰撞而損壞。
當測頭離開工件時，偏移力不再存在，彈簧21復原，部件14回到靜止位置上。這種類型的支承其特征是使觸針座偏離其靜止位置而需要加到觸針上的力在不同方向上是不一樣的，這就是公知的觸測力各向不均勻現象(Lobing)。
彈簧21經過一個壓力墊22作用到部件14上，該墊有一個錐形端，支承在部件14的中央部分的一個相應的凹口14A上。該凹口14A可采取任一合適的形狀，例如它可以是一個園窩或者是一個大錐角的錐形座。墊22包括一個敏感元件22A，該元件能在觸針與工件發生接觸時感受產生的效果(將在下面描述)并提供一個輸出信號23。
托架12可以在測量機的導軌24上移動，一個光電系統25測量出該托架沿著導軌運動的瞬時位置。信號23通過系統25傳送給存儲器26(本身公知)測量出在發出信號23時的該托架位置。這樣測量操作包括移動托架以便使觸針與工件接觸，并讀取存儲器上的內容。
顯然該導軌24可以安裝到另一個導軌上以便給出測頭的三維位移，或者是將工件安裝到測量機的可移動的工作臺上，這些都是現有技術圖中沒有畫出。
與選用的傳感裝置的類型有關，連接傳感裝置的測頭需要一個電源，還需要一個處理信號的電氣設備使輸出信號適合于測量機的測量系統使用。這樣的電源和信號處理電氣設備的特征是公知的，不必詳細描述。它可以裝在測頭內也可以裝在測量機上。
敏感元件22A是一個定位加速度計，當觸針的自由端接觸工件時，用來感受產生的各種效果中的一個。一種效果是當觸針與工件接觸時由于觸針傾斜或抬起造成觸針座向上移動。另一種效果是壓力波，它是由觸針傳到觸針座上。雖然可以將很多種類型的加速度計裝到觸針座15或者墊20上，用來感受該觸針座的向上移動，在本實施方案中，最好使用一種非常靈敏型式的加速度計以便在觸針上能感受壓力波。
參照圖3，加速度計是一個偏平的園形壓電元件22A夾在墊22的上部零件22B和底部零件22C之間。壓電效應是公知的，可描述為當壓力作用到晶體上時，該晶體將產生電壓的性能。上部零件22B相當于凸緣，用來安裝彈簧21。于是彈簧21除產生彈力將觸針座15壓到它的支承19上之外，還將對壓電裝置的向上移動提供一種屈服阻力，使壓力波能在壓電裝置內產生壓力，從而生成信號23。電氣連接32和33分別與零件22B和22C相連以便將信號23送至信號處理電氣設備(未畫出)中。該壓力變換器的效率通過采用一個中央壓力墊34和一個環形壓力墊35得到提高。在一種可供選擇的方案(未畫出)中，加速度計22A可以直接裝在觸針座15的頂面上。彈簧21的力給凸緣22B的錐端直接作用在零件22C上，這時該零件22C做成扁平形，置于加速度計的頂面上。
參照圖4，其中的各元件大體上與圖3中的各元件是一樣的，只是在這種情況下，壓電元件22A僅支承在墊零件22B和22C之間的中央部分，這樣一來，在壓力波的作用下，由于它們的慣性，其外圍部分則可以彎曲。在這種情況下，屈服阻力是該晶體本身的慣性。
顯然，通過彈簧21選擇適當的壓力，就能使得壓電傳感器在觸針發生任何有效的位移之前產生信號23。當觸針接觸工件時，為產生信號在觸針上需要的力在所有方向上都要求一樣并且消除各向觸測力不一致的問題。此外，在觸針座位移之后，傳感裝置不應影響其在支承座上復位。由于觸針零件和觸針座的相對位移如同現有技術結構，不存在任何潛在的不準確性。本發明提供一種簡單的結構，它僅使用一單個傳感裝置，并容許該傳感裝置自由移動不受觸針和觸針座的約束。也就是說，雖然觸針座可以傾斜，但傳感器裝置則是垂直上下運動。
與傳感裝置的電氣連接，就本發明來說相對的簡單。在另一個實施方案中，彈簧本身即可作為一種電氣連接，在這種情況下壓電元件與墊22的一側必須絕緣。還有一個實施方案可使用稱為“雙壓電晶片”(“bi-morph”)的雙晶體組件。
此外，如果期望與支座以公知方式實現電氣連接，在觸針座于靜止位置準確定位時使之能產生信號，那么就能確定觸針座偏離后的重新復位。
參照圖5，如圖所示一種測頭110，具有第一部件或稱之為外殼111，它借助于運動支承18支承包括觸針座115和觸針116在內的第二部件114，所有這一切都與在圖1和圖2中的相同，不同的則是，部件114包括一個中間元件或稱之為板130，觸針座115通過一個彈性膜片131與其相連。
部件111有一軸線111A。支承118和彈簧119組合使板130壓向靜止位置，即如圖所示的位置，在軸線111A的橫截面內，在支承118上，板130受其約束不能有直線位移和角位移。膜片131的配置是為阻止支承座115的直線和回轉位移，以及觸針116相對于板130在軸線111A的橫截面內的直線和回轉位移，但是容許觸針116在軸線111A的方向上直線位移，和觸針116在包含該軸線的平面內的角位移。膜片抵抗角位移的力在軸線111A的四周圍上都是均勻一致的，這正是觸針觸測工件所希望的不會出現觸測力各向不均勻現象。
觸針座115經板130上的孔軸向延伸，孔132和觸針座115間有一定的間隙133。此外，觸針座115上，面對板130有一個凸肩134，凸肩134與板130間留有間隙135。間隙133和135容許觸針在觸針座115與板130嚙合之前有一個初始位移，在此之后，板從靜止位置偏移并與觸針一起運動。這種結構使得在膜片131的控制下能夠感受觸針的起始瞬間的位移而不會出現觸測力各向不均勻現象。并能夠在支承18和彈簧119的控制下感受觸針的連續位移。
觸針座115有一個伸出部136，它延伸到膜片131的另一側與觸針116相對，并有一個自由端，上面裝有平衡觸針重量的配重137，用在軸線111A相對垂直線傾斜或處于水平線時的測頭定位。
該配重137包括一個加速度計式的敏感元件121，其輸出信號123的處理與在圖1，2中所述的信號23的處理方式是一樣的。
在本實施方案中，該加速度計的安裝應使得在觸針觸測工件時，能感受到由于觸針的抬起或傾斜而造成的觸針座偏離運動支承的移動;或者是能感受到由于觸針接觸工件時產生的撞擊波而造成的觸針座的移動。
有一種加速度計與圖2中所示的十分相似，這種形式的傳感器在美國的BBN公司和德國的Keller AG都有出售。
這種加速度計包括由壓電材料制成的扁平園盤139，它通過柱141與觸針座的一個平面140相連接，而且它本身則伸展到該柱的另一個端面，以便自由地與觸針座一起運動，而且在經受突然向上的運動時由于它自身的慣性而彎曲并發出信號123。
在圖6所示的一種可供選擇的實施方案中，加速度計包括一個壓電元件142，它置于配重137和觸針座115的自由端中間。在該方案中，與觸針座一起也自由運動的配重137提供屈服阻力，它導致由壓力波引起的壓電元件的壓力。
顯然，測頭110和測頭10以相同的方式測量工件。托架12和系統25(見圖1)構成下述設備的一部分。例如，一種測量工件的坐標測量機或者是一種加工工件時需要測量的計算機操縱的機床。實際上，這些設備都是公知的。
參照圖7，該圖所示的是本發明的又一種實施方案。其中，測頭包括固定部件或稱之為外殼210和包括觸針座215和觸針216在內的可移動部件215。由壓電元件組成的一種傳感裝置222A連接在觸針座的一端，而配重連接到另一端上。這樣一來由于觸針與工件的接觸，觸針的任何移動都將由壓電元件的彎曲所感受，而配重237提供由于壓電元件的慣性對觸針移動的屈服阻力，這樣增強該元件的效果。由該元件產生的信號223被取出經電氣連接至測量機。
配重237具有改變壓電元件靈敏度的效應，但它并不是必須的，如果壓電元件本身具有足夠的慣量對由其產生的適宜信號的位移能產生足夠的屈服阻力的話，也可不使用配重。
這種實施方案特別適用于感受當觸針接觸工件時產生的撞擊波。
雖然專門描述了用于產生傳感信號使用的壓電材料加速度計，但是任何一種加速度計只要能在該傳感器的電性能上產生變化的都可以使用，例如壓敏元件或應變計。
權利要求
1.一種在測量工件尺寸的設備中使用的接觸式傳感測頭包括第一部件(10，110，210)，它固定在該設備上；第二部件(14，114，214)，在測量操作時，它用來與工件接觸；支承裝置(18，118)，它可將第二部件支承在第一部件上處于靜止位置；彈性裝置(21，119)，它裝在上述部件之間，施加作用力給第二部件，使其處于靜止位置，第二部件可抵抗該彈性裝置偏離其靜止位置移動，當偏離力撤消時，該彈性裝置迫使第二部件返回到靜止位置；以及傳感裝置(22A，121，222A)，當第二部件接觸工件時，用于信號傳感。本發明的特征在于該傳感裝置包括一個加速度計，它具有相面對的零件，其中之一支承在上述第二部件的一個平面(14A，140)上，并參與相對上述第一部件(10，110，210)的移動；而其中的另一零件與對上述移動提供屈服阻力的裝置(21，139，237)連接。
2.根據權利要求
1的一種測頭，其中第一部件包括一個外殼(10，110，210)，而第二部件包括一個觸針座(15，115，215)，一個觸針(16，116，216)可與其相連，從該觸針座的一側伸出該外殼以便使觸針能與工件接觸，本發明的特征在于，該加速度計(22A，139，222A)支承在觸針座上與觸針相對的一側的一個平面上。
3.根據權利要求
1或2的一種測頭，其特征在于該加速度計(139)傳感由觸針位移引起的觸針座(15，215)的移動。
4.根據權利要求
1或2的一種測頭，其特征在于該加速度計(22A，222A)傳感由觸針座接觸工件時產生的撞擊波引起的觸針座(15，215)的移動。
5.根據前述任一權利要求
的一種測頭，其特征在于該加速度計是一種壓電元件(22A，139，142，222A)。
6.根據權利要求
1或2的一種測頭，其特征在于彈性裝置21的彈力經加速度計(22A)傳給第二部件。
7.根據權利要求
6的一種測頭，其特征在于有一個傳遞上述彈性裝置的彈力給第二部件的組合部件(22)，而其中上述的加速度計(22A)包括與上述組合部件相聯結的壓電元件(22A)。
8.根據權利要求
7的一種測頭，其特征在于該壓電元件(22A)是夾在該組合部件(22)的兩個元件之間，而上述第二部件，在其一個表面上有一個對應的凹口，該結構使得該彈性裝置的彈力實質上給該凹口上的一個接觸點傳給上述第二部件。
9.根據權利要求
7的一種測頭，其特征在于該壓電元件夾在組合部件(22)和第二部件的一個表面之間，該組合部件(22)具有覆蓋在壓電元件上面的第一元件和覆蓋第一元件并具有一個錐形表面的第二元件，該錐面置于第二元件的對應凹口內。
10.根據權利要求
2的一種測頭，其中第二部件包括一個中間元件(132)，一塊彈性膜片(131)，和包括一運動支承的支承裝置(118)，該膜片與觸針座(115)和該中間元件(132)相連接，可用來相對于中間元件支承和定位觸針座，中間元件靠運動支承支承在外殼上，在外殼內，施加一個力給第二部件(114)的彈性裝置(119)連接在外殼(110)和中間元件之間，將中間元件壓在外殼上的一靜止位置上。
11.根據權利要求
10的一種測頭，其特征是在觸針座(115)上與觸針相對的一側裝有一個中空配重(137)，在其內部裝有加速度計。
12.根據權利要求
10的一種測頭，其中在觸針座(115)上與觸針相對的一側裝有一配重(137)而壓電元件(142)連接在該配重和該觸針座之間。
13.根據權利要求
1的一種測頭，其特征在于傳感裝置包括連接觸針座且與觸針在同一側的壓電元件222A。
專利摘要
一種供測量工件尺寸的測量機或機床使用的接觸式傳感測頭。參照圖1，該測頭包括一個外殼11，在該外殼內，一個觸針座(15)裝在運動支承18上。該觸針座在彈簧21的作用下，在支承上處于靜止位置，而當觸針16接觸工件時，該彈簧產生屈服阻力防止觸針座傾斜或從支承座上抬起。一個加速度計式的傳感裝置支承在外殼內的觸針座上用來感受觸針接觸工件的效果之一，并能產生一個信號，該信號用來停住測量機和讀取瞬時觸針位置的坐標。
文檔編號G01D5/12GK86105617SQ86105617
公開日1988年3月16日 申請日期1986年6月19日
發明者戴維·羅伯茨·馬默特里 申請人:雷尼肖公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan