接触式传感测头的制作方法

　　专利名称:接触式传感测头的制作方法

　　本发明涉及一种供测量工件尺寸的设备使用的接触式传感测头。

　　各种接触式传感测头通常都有与测量机连接的第一固定部件，测量机支承该固定部件用于相对被测工件移动;还有一个可动部件，该可动部件上装有触针用来触测工件;还有支承机构用来支承可动部件使其在固定部件上处于静止位置，当触针触测工件时，可动部件则偏离其静止位置;还有传感装置用来感受上述的触测并产生一个信号送至用来测量固定部件位置的一个系统中。

　　在各种公知的接触式传感测头中，触针与工件的接触由多个压电装置感受。如在英国书1586052号和2049198号中所描述的那样。

　　上述公知的测头比起感受触针实际位移的某些测头具有更高的灵敏度，这是因为它们能够在触针与工件接触的瞬间触发一个信号的缘故。

　　然而，上述公知的测头相对来说较复杂，其触针本身或者触针座是由多个传感装置组成的部件。此外，在上述两种公知的测头中，传感装置都是压电元件，它们刚性地夹紧在所说部件的两个零件之间。

　　虽然不希望该部件的零件间发生相对移动，但是为了产生响应作用到触针上的压力使压电元件变形所需要的力，又必然要产生一些相对移动。在每次触针与工件接触后，就触针的准确位置来说，这将产生一些不稳定因素。例如，可能存在一个或多个传感装置的永久变形，或者是测量机的振动可能产生压紧力使该部件与外壳容易结合在一起。

　　本发明的目的就是要提供一种测头，该测头避免了上述的不稳定性，而与上述测头相比，结构更为简单。

　　本发明是通过下述方案实现这些目的的。它提供一个传感装置用于感受测头的触针与工件的接触，该传感装置是一种加速度计式传感器，它具有面对面配置的零件，其中一个零件支承在可动部件的一个面上，与其一道移动，加速度计的另一个零件是自由活动的，或者是与对上述移动产生屈服阻力的装置相连接。

　　这样，该加速度计可以由一种应变敏感元件制成，该元件可以产生高度敏感的受压或弯曲变形，以感受可动部件的突然移动，例如由于触针与工件接触时产生的撞击波造成的振动，或者是触针的突然位移。该加速度计可以支承在可动部件与触针相对的一侧的一个面上，以便使该加速度计不受触针位置的影响。

　　本说明书自始至终使用的术语加速度计包括任一力或应变敏感元件，其根据是因为力等于质量和加速度的数学乘积，象这样的装置也固有地响应加速度。

　　根据本发明的测头的实施例，将参照各附图予以描述，其中图1是测头的局部剖视图;

　　图2是图1的沿Ⅱ-Ⅱ线的剖视图;

　　图3是图1中敏感元件的放大视图;

　　图4是图1所示的测头中敏感元件又一种可供选择形式的视图;

　　图5是测头的一种变型的局部剖视图;

　　图6是图5所示测头中一种可供选择的敏感元件的放大视图;

　　图7是根据本发明的测头的又一种可供选择的形式。

　　参照图1和图2，用数字10表示的测头通常具有第一部件或称之为外壳11，它固定在测量机托架12(本身公知)，测头可相对被测工件13移动。

　　该测头还有第二部件或称之为可动部件14，它包括一个触针座15，有一个自由端17的触针16固定在该触针座上，在进行测量时，通过托架使触针的自由端与工件接触。公知的运动支承18由相对的支座元件19、20构成，它们分别装在外壳11和在触针座15围绕触针轴线均布的三个位置上。运动支承的更具体的样子如图2所示，支座元件19包括多对球，支座元件20包括从触针座15径向伸出的多个园柱与球19相配合。在部件11和14之间装有弹簧21，它迫使部件14处于静止位置，即图示的位置。当触针接触工件时，部件14可从静止位置偏离一个限定的量，从而避免测头和工件间碰撞而损坏。

　　当测头离开工件时，偏移力不再存在，弹簧21复原，部件14回到静止位置上。这种类型的支承其特征是使触针座偏离其静止位置而需要加到触针上的力在不同方向上是不一样的，这就是公知的触测力各向不均匀现象(Lobing)。

　　弹簧21经过一个压力垫22作用到部件14上，该垫有一个锥形端，支承在部件14的中央部分的一个相应的凹口14A上。该凹口14A可采取任一合适的形状，例如它可以是一个园窝或者是一个大锥角的锥形座。垫22包括一个敏感元件22A，该元件能在触针与工件发生接触时感受产生的效果(将在下面描述)并提供一个输出信号23。

　　托架12可以在测量机的导轨24上移动，一个光电系统25测量出该托架沿着导轨运动的瞬时位置。信号23通过系统25传送给存储器26(本身公知)测量出在发出信号23时的该托架位置。这样测量操作包括移动托架以便使触针与工件接触，并读取存储器上的内容。

　　显然该导轨24可以安装到另一个导轨上以便给出测头的三维位移，或者是将工件安装到测量机的可移动的工作台上，这些都是现有技术图中没有画出。

　　与选用的传感装置的类型有关，连接传感装置的测头需要一个电源，还需要一个处理信号的电气设备使输出信号适合于测量机的测量系统使用。这样的电源和信号处理电气设备的特征是公知的，不必详细描述。它可以装在测头内也可以装在测量机上。

　　敏感元件22A是一个定位加速度计，当触针的自由端接触工件时，用来感受产生的各种效果中的一个。一种效果是当触针与工件接触时由于触针倾斜或抬起造成触针座向上移动。另一种效果是压力波，它是由触针传到触针座上。虽然可以将很多种类型的加速度计装到触针座15或者垫20上，用来感受该触针座的向上移动，在本实施方案中，最好使用一种非常灵敏型式的加速度计以便在触针上能感受压力波。

　　参照图3，加速度计是一个偏平的园形压电元件22A夹在垫22的上部零件22B和底部零件22C之间。压电效应是公知的，可描述为当压力作用到晶体上时，该晶体将产生电压的性能。上部零件22B相当于凸缘，用来安装弹簧21。于是弹簧21除产生弹力将触针座15压到它的支承19上之外，还将对压电装置的向上移动提供一种屈服阻力，使压力波能在压电装置内产生压力，从而生成信号23。电气连接32和33分别与零件22B和22C相连以便将信号23送至信号处理电气设备(未画出)中。该压力变换器的效率通过采用一个中央压力垫34和一个环形压力垫35得到提高。在一种可供选择的方案(未画出)中，加速度计22A可以直接装在触针座15的顶面上。弹簧21的力给凸缘22B的锥端直接作用在零件22C上，这时该零件22C做成扁平形，置于加速度计的顶面上。

　　参照图4，其中的各元件大体上与图3中的各元件是一样的，只是在这种情况下，压电元件22A仅支承在垫零件22B和22C之间的中央部分，这样一来，在压力波的作用下，由于它们的惯性，其外围部分则可以弯曲。在这种情况下，屈服阻力是该晶体本身的惯性。

　　显然，通过弹簧21选择适当的压力，就能使得压电传感器在触针发生任何有效的位移之前产生信号23。当触针接触工件时，为产生信号在触针上需要的力在所有方向上都要求一样并且消除各向触测力不一致的问题。此外，在触针座位移之后，传感装置不应影响其在支承座上复位。由于触针零件和触针座的相对位移如同现有技术结构，不存在任何潜在的不准确性。本发明提供一种简单的结构，它仅使用一单个传感装置，并容许该传感装置自由移动不受触针和触针座的约束。也就是说，虽然触针座可以倾斜，但传感器装置则是垂直上下运动。

　　与传感装置的电气连接，就本发明来说相对的简单。在另一个实施方案中，弹簧本身即可作为一种电气连接，在这种情况下压电元件与垫22的一侧必须绝缘。还有一个实施方案可使用称为“双压电晶片”(“bi-morph”)的双晶体组件。

　　此外，如果期望与支座以公知方式实现电气连接，在触针座于静止位置准确定位时使之能产生信号，那么就能确定触针座偏离后的重新复位。

　　参照图5，如图所示一种测头110，具有第一部件或称之为外壳111，它借助于运动支承18支承包括触针座115和触针116在内的第二部件114，所有这一切都与在图1和图2中的相同，不同的则是，部件114包括一个中间元件或称之为板130，触针座115通过一个弹性膜片131与其相连。

　　部件111有一轴线111A。支承118和弹簧119组合使板130压向静止位置，即如图所示的位置，在轴线111A的横截面内，在支承118上，板130受其约束不能有直线位移和角位移。膜片131的配置是为阻止支承座115的直线和回转位移，以及触针116相对于板130在轴线111A的横截面内的直线和回转位移，但是容许触针116在轴线111A的方向上直线位移，和触针116在包含该轴线的平面内的角位移。膜片抵抗角位移的力在轴线111A的四周围上都是均匀一致的，这正是触针触测工件所希望的不会出现触测力各向不均匀现象。

　　触针座115经板130上的孔轴向延伸，孔132和触针座115间有一定的间隙133。此外，触针座115上，面对板130有一个凸肩134，凸肩134与板130间留有间隙135。间隙133和135容许触针在触针座115与板130啮合之前有一个初始位移，在此之后，板从静止位置偏移并与触针一起运动。这种结构使得在膜片131的控制下能够感受触针的起始瞬间的位移而不会出现触测力各向不均匀现象。并能够在支承18和弹簧119的控制下感受触针的连续位移。

　　触针座115有一个伸出部136，它延伸到膜片131的另一侧与触针116相对，并有一个自由端，上面装有平衡触针重量的配重137，用在轴线111A相对垂直线倾斜或处于水平线时的测头定位。

　　该配重137包括一个加速度计式的敏感元件121，其输出信号123的处理与在图1，2中所述的信号23的处理方式是一样的。

　　在本实施方案中，该加速度计的安装应使得在触针触测工件时，能感受到由于触针的抬起或倾斜而造成的触针座偏离运动支承的移动;或者是能感受到由于触针接触工件时产生的撞击波而造成的触针座的移动。

　　有一种加速度计与图2中所示的十分相似，这种形式的传感器在美国的BBN公司和德国的Keller AG都有出售。

　　这种加速度计包括由压电材料制成的扁平园盘139，它通过柱141与触针座的一个平面140相连接，而且它本身则伸展到该柱的另一个端面，以便自由地与触针座一起运动，而且在经受突然向上的运动时由于它自身的惯性而弯曲并发出信号123。

　　在图6所示的一种可供选择的实施方案中，加速度计包括一个压电元件142，它置于配重137和触针座115的自由端中间。在该方案中，与触针座一起也自由运动的配重137提供屈服阻力，它导致由压力波引起的压电元件的压力。

　　显然，测头110和测头10以相同的方式测量工件。托架12和系统25(见图1)构成下述设备的一部分。例如，一种测量工件的坐标测量机或者是一种加工工件时需要测量的计算机操纵的机床。实际上，这些设备都是公知的。

　　参照图7，该图所示的是本发明的又一种实施方案。其中，测头包括固定部件或称之为外壳210和包括触针座215和触针216在内的可移动部件215。由压电元件组成的一种传感装置222A连接在触针座的一端，而配重连接到另一端上。这样一来由于触针与工件的接触，触针的任何移动都将由压电元件的弯曲所感受，而配重237提供由于压电元件的惯性对触针移动的屈服阻力，这样增强该元件的效果。由该元件产生的信号223被取出经电气连接至测量机。

　　配重237具有改变压电元件灵敏度的效应，但它并不是必须的，如果压电元件本身具有足够的惯量对由其产生的适宜信号的位移能产生足够的屈服阻力的话，也可不使用配重。

　　这种实施方案特别适用于感受当触针接触工件时产生的撞击波。

　　虽然专门描述了用于产生传感信号使用的压电材料加速度计，但是任何一种加速度计只要能在该传感器的电性能上产生变化的都可以使用，例如压敏元件或应变计。

　　权利要求

　　1.一种在测量工件尺寸的设备中使用的接触式传感测头包括第一部件(10，110，210)，它固定在该设备上；第二部件(14，114，214)，在测量操作时，它用来与工件接触；支承装置(18，118)，它可将第二部件支承在第一部件上处于静止位置；弹性装置(21，119)，它装在上述部件之间，施加作用力给第二部件，使其处于静止位置，第二部件可抵抗该弹性装置偏离其静止位置移动，当偏离力撤消时，该弹性装置迫使第二部件返回到静止位置；以及传感装置(22A，121，222A)，当第二部件接触工件时，用于信号传感。本发明的特征在于该传感装置包括一个加速度计，它具有相面对的零件，其中之一支承在上述第二部件的一个平面(14A，140)上，并参与相对上述第一部件(10，110，210)的移动；而其中的另一零件与对上述移动提供屈服阻力的装置(21，139，237)连接。

　　2.根据权利要求

　　1的一种测头，其中第一部件包括一个外壳(10，110，210)，而第二部件包括一个触针座(15，115，215)，一个触针(16，116，216)可与其相连，从该触针座的一侧伸出该外壳以便使触针能与工件接触，本发明的特征在于，该加速度计(22A，139，222A)支承在触针座上与触针相对的一侧的一个平面上。

　　3.根据权利要求

　　1或2的一种测头，其特征在于该加速度计(139)传感由触针位移引起的触针座(15，215)的移动。

　　4.根据权利要求

　　1或2的一种测头，其特征在于该加速度计(22A，222A)传感由触针座接触工件时产生的撞击波引起的触针座(15，215)的移动。

　　5.根据前述任一权利要求

　　的一种测头，其特征在于该加速度计是一种压电元件(22A，139，142，222A)。

　　6.根据权利要求

　　1或2的一种测头，其特征在于弹性装置21的弹力经加速度计(22A)传给第二部件。

　　7.根据权利要求

　　6的一种测头，其特征在于有一个传递上述弹性装置的弹力给第二部件的组合部件(22)，而其中上述的加速度计(22A)包括与上述组合部件相联结的压电元件(22A)。

　　8.根据权利要求

　　7的一种测头，其特征在于该压电元件(22A)是夹在该组合部件(22)的两个元件之间，而上述第二部件，在其一个表面上有一个对应的凹口，该结构使得该弹性装置的弹力实质上给该凹口上的一个接触点传给上述第二部件。

　　9.根据权利要求

　　7的一种测头，其特征在于该压电元件夹在组合部件(22)和第二部件的一个表面之间，该组合部件(22)具有覆盖在压电元件上面的第一元件和覆盖第一元件并具有一个锥形表面的第二元件，该锥面置于第二元件的对应凹口内。

　　10.根据权利要求

　　2的一种测头，其中第二部件包括一个中间元件(132)，一块弹性膜片(131)，和包括一运动支承的支承装置(118)，该膜片与触针座(115)和该中间元件(132)相连接，可用来相对于中间元件支承和定位触针座，中间元件靠运动支承支承在外壳上，在外壳内，施加一个力给第二部件(114)的弹性装置(119)连接在外壳(110)和中间元件之间，将中间元件压在外壳上的一静止位置上。

　　11.根据权利要求

　　10的一种测头，其特征是在触针座(115)上与触针相对的一侧装有一个中空配重(137)，在其内部装有加速度计。

　　12.根据权利要求

　　10的一种测头，其中在触针座(115)上与触针相对的一侧装有一配重(137)而压电元件(142)连接在该配重和该触针座之间。

　　13.根据权利要求

　　1的一种测头，其特征在于传感装置包括连接触针座且与触针在同一侧的压电元件222A。

　　专利摘要

　　一种供测量工件尺寸的测量机或机床使用的接触式传感测头。参照图1，该测头包括一个外壳11，在该外壳内，一个触针座(15)装在运动支承18上。该触针座在弹簧21的作用下，在支承上处于静止位置，而当触针16接触工件时，该弹簧产生屈服阻力防止触针座倾斜或从支承座上抬起。一个加速度计式的传感装置支承在外壳内的触针座上用来感受触针接触工件的效果之一，并能产生一个信号，该信号用来停住测量机和读取瞬时触针位置的坐标。

　　文档编号G01D5/12GK86105617SQ86105617

　　公开日1988年3月16日 申请日期1986年6月19日

　　发明者戴维·罗伯茨·马默特里 申请人:雷尼肖公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan

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