專利名稱：輕且熱性能穩(wěn)定的坐標定位儀的度量儀器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及度量儀器，本發(fā)明特別涉及重量輕且熱性能穩(wěn)定的度量儀器。
詞匯“度量儀器”包括探頭、探針、觸針和非笛卡爾度量框架。
背景技術：
公知的是，已經提供了用于物品表面掃描、以便再現(xiàn)物品或者確保精確制造物品的探測裝置。希望的是，提高掃描物品的速度，以便減少該過程所耗費的時間。然而，為了在以較高速度工作時還保持精確性并且保持在公差范圍內，就必須使在測量過程中探測裝置經受的加速作用力的影響最小。這就需要觸針和探針的結構輕且剛性好，以便減少在運動中的彎曲。另外，為了使得分辨率維持在較高速度，這樣表面輪廓的任何細微細節(jié)都不會丟失，所述度量儀器必須具有高的頻率響應。因為頻率是和 成正比的，而k是剛度且m是質量，所以希望的是，具有一種具有剛度高和質量輕的度量儀器，從而能獲得高的頻率響應。
另一個問題是所述測量的可再現(xiàn)性。影響這個的一個參數(shù)是周圍溫度。所有材料在溫度改變時都會改變尺寸，然而每種材料所受的影響不同。與尺寸改變的速度同時，材料達到均衡所耗費的時間也是很重要的。探針結構的任何膨脹/收縮都會在測量過程中引入誤差。因此，整個探針結構的熱性能穩(wěn)定性也是很重要的。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種用于安裝在坐標定位儀上的度量儀器，所述度量儀器至少部分地由至少一個熱性能穩(wěn)定的金屬材料板制成，折疊上述至少一個熱性能穩(wěn)定的金屬材料板以便形成三維結構，所述至少一個熱性能穩(wěn)定的材料板用于所述度量儀器的度量回路中。
詞匯“坐標定位儀”包括坐標測量儀(CMMs)、機床、檢驗機器人和手動機器。
使用這樣的由材料板制成的三維結構能夠使得所需剛度的度量儀器可以由較薄材料板制成，從而使得重量降低，因此使得物品的慣性降低。
優(yōu)選的是，所述至少一個折疊板結合起來。所述接合方法可以包括下面技術中的一種或多種“接片和開槽”；折疊接片和開槽；膠粘；焊接；連接到另一框架。這還增加了由所述至少一個材料板形成的結構的剛性。
熱性能穩(wěn)定的材料是這樣的材料，該材料的熱膨脹系數(shù)≤15ppm/℃。
優(yōu)選的是，所述熱性能穩(wěn)定材料具有的熱膨脹系數(shù)≤6ppm/℃。更優(yōu)選的是，所述熱性能穩(wěn)定材料具有的熱膨脹系數(shù)≤2ppm/℃。
所述三維結構可以包括至少一個由壁構成的腔。所述由壁構成的腔可以用質量輕的填充物填充。
優(yōu)選的是，所述至少一個板的厚度≤1.5mm。所述至少一個板的厚度可以在0.05-0.9mm之間。更優(yōu)選的是，所述至少一個板的厚度可以在0.1-0.5mm之間。
所述度量儀器可以包括例如測量探針、觸針支臂或者探頭。
對于探頭，所述至少一個材料板可以位于所述探頭的固定表面和所述坐標定位儀的支臂之間。所述至少一個材料板可以使得它至少部分地圍住所述探頭的固定結構。
本發(fā)明的第二方面提供了一種制造度量儀器的方法，包括由熱性能穩(wěn)定的材料板提供至少一個所述度量儀器的模板；折疊所述至少一個模板，以便形成所述度量儀器。
優(yōu)選的是，所述材料板由熱性能穩(wěn)定的材料制成。
可以通過沿著所述材料板的希望的折疊線形成一系列穿孔，來確定所述折疊的位置?？梢酝ㄟ^在所述材料板里形成部分厚度的折疊線，來確定所述折疊的位置。
所述折疊材料板部分可以通過浸焊(dip soldering)結合在一起。
所述模板可以由刻蝕工藝形成。所述模板可以通過激光由材料板切割而成。所述激光可以和噴水相結合。
優(yōu)選的是，所述材料板由熱性能穩(wěn)定的金屬材料制成。在本實施例中，所述至少一個模板優(yōu)選通過將多余材料從所述材料板除去而制成?？梢酝ㄟ^以下方式除去所述多余材料激光加工、沖壓、光化學加工(例如光蝕和化學加工)或者任何其他合適技術。所使用的技術將取決于所述板的材料性能。
本發(fā)明的第三方面提供了一種用于安裝在坐標定位儀上的探頭，其中，包括至少一個熱性能穩(wěn)定的材料板的結構位于在所述探頭的固定表面和所述坐標定位儀的支臂之間的度量回路內。
所述至少一個材料板的結構可以使得它至少部分地圍住所述探頭的固定結構?？梢酝ㄟ^折疊所述至少一個材料板而形成所述結構。


現(xiàn)在將參考附圖，并通過例子來描述本發(fā)明，其中圖1a和1b顯示了模板和對應折疊結構；圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的折疊結構的等軸投影視圖；圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的探針；圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的度量儀器；圖5a顯示了圖2的折疊結構的側視圖；圖5b是通過圖5a的側視圖的A-A的剖視圖；以及圖6a和6b顯示了根據(jù)本發(fā)明的觸針支臂。
具體實施例方式
圖1a顯示了包括四個矩形部分12和兩個方形部分14的模板10。所述每個方形部分14都具有一個中央切口的圓形區(qū)域(central cut-outcircular region)16。每個部分都通過接縫18結合到至少一個其他部分上。
所述模板的不同部分的布置由要形成的結構的最終形狀來決定。在這里的情況下，所述最終結構是一個盒子11(圖1b)，該盒子11具有閉合側壁12和在形成穿過盒子11的開口管道的每個端部處的圓形開口16。通過在每個接縫18處折疊所述模板，將所述模板10轉變?yōu)樽罱K結構。
所述模板由金屬板形成。所述金屬板可以是任何形狀，例如包括帶形。它通過多種標準技術(例如激光加工、沖壓、光化學加工)中的任一種形成為需要的形狀。具體地，所述模板的形狀可以通過刻蝕來生產。濕式蝕刻(wet etching)特別適合于例如鎳鐵合金(Invar)這樣的材料，這是因為它不影響所述材料的性能。
所述模板也可以使用激光進行切割。一種將激光和噴水結合起來的公知技術特別適合。這種方法具有的優(yōu)點是，當切割模板時，所述工件通過所述噴水進行冷卻并且除去碎片，因此產生了最小的熱影響區(qū)域，使得能夠產生光滑整齊邊緣。
通過合適的夾具(jigging)，或者通過整個或部分地厚度化學或激光加工，可以精確地確定所述折疊位置。如果使用了整個厚度加工，那么沿著形成更易于彎曲的薄弱區(qū)的折疊線加工出一系列穿孔。所述穿孔可以包括一系列開槽。如果優(yōu)選采用了部分厚度加工工藝，那么在需要形成折疊的點處的材料被部分地加工，以便形成又使得所述材料薄弱的接縫。部分加工是這樣的周知方法，通過仔細設定所述過程的時間，使得在兩面上都暴露在所述加工化學品或激光中的板部分在所述過程中受到全部加工，因此其僅一面暴露的板部分則只被部分加工。形成折疊線的優(yōu)點有三個第一，這使得所述材料更容易彎曲成形；第二，增加部件的可重現(xiàn)性；以及第三，可以避免對相關夾具的需要。
相對于使用多個單獨板結合在一起而言，折疊所述材料板的優(yōu)點在于容易制造。
一旦所述板已經被折疊起來，那么它就能夠通過許多公知技術固定在合適位置里。圖2顯示了已經使用開槽24和對應接片26固定起來的兩個折疊結構20、22。所述接片26插過開槽24，然后彎曲基本90°(未示出)。在生產所述模板的相同過程中優(yōu)選地精確生產所述接片和開槽，使得所述結構的制造不需要使用夾具。如果所述結合點被焊接起來以便防止所述接片從所述開槽離開，那么所述結構本身可以照原來樣子焊接，而不需要焊接夾具。
折疊和固定所述模板形成了一個三維結構，如果合適的話，所述三維結構在所述整體結構內具有由壁構成的腔28，以便提供剛性好的結構，所述堅硬的結構在所述整個結構的重量下或在使用中都不會明顯彎曲。通過具有由壁構成的腔，所使用的板的厚度可以減小，這使得所述結構的重量減小，而對應的剛度沒有減小。
所述模板可以包括一系列部分穿透厚度的加工切口，所述切口選擇性地使得所述模板的厚度約降低了一半，進而節(jié)省了重量(見圖6b)。
現(xiàn)在參考圖5a和5b，所述圖5a和5b分別顯示了當已經使用由壁構成的腔時圖2的折疊結構的側視圖和穿過所述側視圖的A-A的剖視圖，所形成的內部腔128可以使用泡沫填充，以便增強所述結構的剛度，并提供額外的保護防止彎曲?？蛇x擇的是，所使用的泡沫塊被粘結到所述折疊結構上。加入了泡沫允許使用較薄的板，甚至使用部分穿透厚度的板，而不會使需要的機械性能降低。泡沫填充有利地使得所述結構的減震能力增加，降低了由于所述結構的運動而導致的前后振動(back-to-earth vibration)的發(fā)生。也可以使用其他質量輕的填充物，例如質量輕的充氣填充物。這些被有利地粘附到所述由壁構成的腔的表面上，從而起到減震器的作用。
在這個例子中，所述三維結構另外地進行點焊(例如激光、電阻、電子束或者超聲波)，以便確保所述接片不會在所述開槽內隨時間而移動(所述移動會影響由探針結構所做出的任何測量)。在所述結構的兩壁鄰接或重疊的地方方便地進行點焊。
在另一可選方法中，所述折疊結構的不同部分被使用浸焊結合在一起。在這種方法中，使用阻焊劑給所述材料板涂層(例如通過印刷)，而只有要被結合起來的部分(例如接片)還未被覆蓋。當所述結構被裝配起來并被浸入焊料中時，所述焊料僅結合未被所述阻焊劑覆蓋的部分。在施加所述阻焊劑之前，可以例如使用鎳鍍處理所述材料板，以便幫助焊料固定到所述材料板。這種方法具有的優(yōu)點是，在幾乎不需要人工參與的情況下，它能夠形成重量輕的結合。
圖3顯示了探針結構30。所述探針結構30以可松開的方式連接到例如機床、CMM或其他測量儀的主軸或心軸32上。所述探針結構30包括探針34，所述探針34安裝在所述主軸32的一個末端處。在所述主軸的遠端處，觸針38以可松開的方式連接到所述探針34，上述連接任選地通過觸針支臂36完成。
在本發(fā)明的最簡實施例中，所述探針34以固定關系安裝到所述主軸32。在這種情況下，通過主軸32相對于構臺(未示出)通常在x、y、z方向的移動，來控制所述觸針尖端40的移動。當主軸32移動時，有可能所述探針34和特別是任意的觸針支臂36可能由于慣性力和/或加速作用力而發(fā)生彎曲。任何這樣的彎曲將導致測量的不準確，這是因為所述觸針尖端已經彎曲離開了它的公稱位置。為了使得這樣的彎曲最小，所述探針34和觸針支臂36中的兩個或一個制造成一個折疊三維結構。
所述觸針也可以由形成為中空圓柱體的材料板制成。如前所述，這具有的優(yōu)點是重量輕且剛度好。
所述探針可以是接觸式或者非接觸式。接觸式探針包括接觸觸發(fā)器，即開/關，例如電和應變儀；以及測量偏斜量的掃描探針，例如光學系統(tǒng)。不接觸所述工件表面的非接觸探針包括光學、電感和電容系統(tǒng)。
在圖3里的例子使用了具有光學系統(tǒng)的接觸式探針，以便獲得重量輕的探針結構。來自所述觸針尖端40的信息被以光學的方式、優(yōu)選地通過激光系統(tǒng)傳遞穿過中空折疊觸針支臂36和所述探針結構。WO00/60310中描述了一種這樣的系統(tǒng)，所述文獻被并入在此處以便作為參考。所述系統(tǒng)簡要地包括在內部沿著所述探針結構將激光從遠離所述觸針尖端的點發(fā)射到所述觸針尖端40；以及將所述光反射回到容納在鄰近入射光束的地方的接收器。當所述觸針尖端發(fā)生偏斜時，所述偏斜光束的橫向位移被檢測出來，顯示出所述觸針尖端40已經接觸了表面。
現(xiàn)在參考圖6a和6b，所述觸針支臂36是錐形的，并由熱性能穩(wěn)定的材料板60制成，所述熱性能穩(wěn)定的材料板62沿著接縫62激光點焊起來，所述接縫62在這種情況下位于縱向沿著所述觸針支臂的長度方向上。所述觸針支臂36并不限于錐形，可以使用任何這樣的結構，即所述結構剛性足夠以便在所述探針運動中不會彎曲，并且具有中央中空，以便能夠穿過所述觸針支臂26使光傳到所述觸針。一個可選擇的形狀是三角形。
所述度量儀器(即探針、探頭、觸針支臂或觸針)可以由熱性能穩(wěn)定的金屬材料制成。這具有的優(yōu)點是，由這樣的材料制成的度量儀器對于外部溫度影響和內部發(fā)熱影響(例如來自電子元件和馬達)具有改進的抗干擾性。所述詞匯“金屬材料”包括金屬基質復合材料、具有引入金屬的陶瓷基質復合材料以及純金屬物質。
熱性能穩(wěn)定的金屬材料的例子是鎳鐵合金、科伐合金、鉻鎳鐵合金、蒙乃爾鎳基合金、鎳鉻合金，但是對于本領域技術人員而言，其他合適合金也是很容易知道的。
在下面的表中給出了熱膨脹系數(shù)值。

系數(shù)在6.0以下的材料提供了很好的結果，而系數(shù)在2.0以下的材料給出了最優(yōu)結果。系數(shù)小于15.0的材料，例如鎳鉻合金、蒙乃爾鎳基合金和鉻鎳鐵合金，提供了比純鋁(系數(shù)23.5)和不銹鋼大大改進的結果。使用熱變換(thermal mapping)軟件來糾正由熱膨脹導致的所述度量裝置的測量誤差，可以進一步改善所述結果。這與鋁結構相比更加容易，這是因為所述熱增長已經被材料選擇所限制。
所述板的厚度≤1.5mm。在這個范圍內，所述材料板易于處理。優(yōu)選的是，所述板的厚度是0.05-0.9mm。在小于0.05mm時，所述材料板往往太薄，而大于0.9mm時，很難彎曲所述材料板。更優(yōu)選的是，所述板的厚度是0.1-0.5mm。在這個范圍內，能夠獲得重量輕和剛性的最優(yōu)組合。
這些材料是昂貴的，并且難以加工。因此，在制造中使用材料板的優(yōu)點在于，使用較少量的材料。
圖4顯示了探針結構42。在這個例子里，所述探針是馬達驅動的(motorised)，即所述探頭46可以獨立于主軸44的任何運動而進行運動。所述探頭46在一個末端處通過馬達52、軸承和編碼器(未示出)安裝到所述主軸44。所述探頭46的另一末端連接到可選的觸針支臂36和觸針38。
特別當掃描物品時使用馬達驅動的探頭，由于它能夠使得觸針尖端40移動得比當主軸運動單獨控制所述觸針尖端的運動時快，所以是有利的。在EP402440中描述了這樣的馬達驅動的探頭。然而，具有馬達驅動的探頭的副作用在于，除了將會導致所述探針結構的尺寸發(fā)生變化的外部熱波動外，所述馬達會在使用中產生熱量。
由熱性能穩(wěn)定的材料制造馬達驅動的探頭是成本昂貴的。因此，有利的是，能夠使得由探頭產生的熱量的影響降低到最小，同時允許它由例如鋁的便宜且易于加工的材料制成。
圖4描繪了例如CMM的坐標定位儀的探頭46和主軸44。由熱性能穩(wěn)定的材料制成的中空盒形結構54在其頂端處安裝在所述主軸44上，并在其底端處安裝在所述探頭46的固定表面45上。
熱性能穩(wěn)定的盒子54的中空結構56使得探頭46的一部分被所述結構圍住。在熱性能穩(wěn)定盒子54內允許所述探頭的部分的膨脹，而不會影響度量路徑。例如，在探頭里的馬達M產生熱量，該熱量導致軸承47和其他結構發(fā)生膨脹。
在熱性能穩(wěn)定的盒子54的底端和探頭46之間的錨固點49定位在所述探頭的靜止部分45上的盡可能低的位置處，以便使得在主軸44和探針尖端40之間的度量路徑上的非熱性能穩(wěn)定材料的量(以及由此的膨脹)最小。
所述熱性能穩(wěn)定盒子可以例如由四個在其邊緣處結合在一起的熱性能穩(wěn)定材料板形成。可選擇的是，所述材料板可以折疊以便獲得需要的形狀。所述熱性能穩(wěn)定結構不限于盒子形狀，也可以使用其他形狀。
在本實施例中，在度量回路外本系統(tǒng)中，允許熱量增加，而在所述度量回路內的膨脹則被抑制。熱量增加除了容納在所述熱性能穩(wěn)定結構內以外，還可以容納在例如主軸的凹陷內。
所述熱性能穩(wěn)定結構54可以是單個折疊并結合起來的熱性能穩(wěn)定材料板(例如圖1所示)。另外，它也可以包括形成所述結構的四個角的的四個熱性能穩(wěn)定材料桿(其可以使用圖1的加工定位孔15精確定位)，而可選的橫向構件連接相鄰桿。使用這樣的桿能夠使得較薄材料板用于所述結構中，而不使硬度降低。
所述探針結構可以連接到手動或自動運動的主軸或心軸上。對于以上兩種情況，在每個維(dimension尺寸)移動所述探針結構的方式和方法對于本領域技術人員是顯而易見的。在EP392699中描述了一種手動移動結構的例子。在US6047612中描述了一種自動結構的例子。
在兩種情況下，具有熱性能穩(wěn)定的探針結構是很重要的。對于手動運動探針結構而言，因為重量減輕意味著所述結構需要比較少的配重，從而能夠舒適地進行手動運動，所以重量減輕是有益的。它同時也減小了所述結構的慣性，這樣增強了對任何運動的控制。
對于自動控制而言，重量減輕也是有益的。它意味著，由于所述結構的慣性正比于其質量，所以掃描速度可以得到增加。雖然本系統(tǒng)可以在50mm/s的速度運行，但是本系統(tǒng)通常在5mm/s的速度運行。使用較慢速度的原因部分地是由于探針和正掃描的物品失去接觸的風險，部分地是由于降低了當所述探針結構開始接觸表面時斷裂的幾率，并且部分地是由于傳統(tǒng)結構的頻率響應導致高頻數(shù)據(jù)的丟失。此處所描述的探針結構能夠以直到大約5000mm/s的較高速度運行，而不管方位如何，并能夠提供和較低速度運動時相同的度量性能。
圖6a和6b顯示了用于觸針支臂36的模板60。所述模板60已經部分地進行了蝕刻64，從而降低了所述觸針支臂36的重量。在這個例子中，由于所使用的化學或激光加工的圖案，所以這使得未被加工部分變成了加強肋66，所述加強肋66使得所述結構具有剛度。
在一些情況下，可以優(yōu)選采用類似于用于形成折疊線的穿孔的孔的全部加工，這是由于它使得所討論的物體的重量減輕得更多，但是，為了防止可以影響所述度量儀器的工作部件的功能的灰塵或其他物質進入，全部加工應該僅僅用在合適的地方。如果使用了填充泡沫的實施方式，這將有助于防止當使用全部加工時上述的任何灰塵或其他物質的進入。
在所有這些實施例中，在所述度量回路中使用了所述折疊材料板。所述度量回路是指從所述表面檢測設備(例如在接觸式探針里的探針尖端)通過所述裝置到達安裝所述工件的底座并因此到達所述工件的路徑。例如，在安裝在CMM上的接觸式探針里，所述度量回路是從所述探針尖端、通過所述探針、所述CMM的主軸、通過所述CMM到達安裝所述工件的工作臺。
因此，所述折疊金屬板的性能(例如硬度、重量輕和熱性能穩(wěn)定性)有助于提高所述裝置的測量精度。
權利要求
1.一種安裝在坐標定位儀上的度量儀器，所述度量儀器至少部分地由至少一個熱性能穩(wěn)定的金屬材料板制成，折疊上述至少一個熱性能穩(wěn)定的金屬材料板以便形成三維結構，所述至少一個熱性能穩(wěn)定的材料板用在所述度量儀器的度量回路中。
2.如權利要求1所述的度量儀器，其中，所述熱性能穩(wěn)定的材料的熱膨脹系數(shù)約≤15.0ppm/℃。
3.如權利要求2所述的度量儀器，其中，所述熱性能穩(wěn)定的材料的熱膨脹系數(shù)約≤6ppm/℃。
4.如權利要求3所述的度量儀器，其中，所述熱性能穩(wěn)定的材料的熱膨脹系數(shù)約≤2ppm/℃。
5.如前面任一權利要求所述的度量儀器，其中，所述三維結構包括至少一個由壁構成的腔。
6.如權利要求5所述的度量儀器，其中，所述由壁構成的腔用質量輕的填充物填充。
7.如前面任一權利要求所述的度量儀器，其中，所述至少一個板的厚度約≤1.5mm。
8.如權利要求7所述的度量儀器，其中，所述至少一個板的厚度約在0.05mm-0.9mm之間。
9.如權利要求7所述的度量儀器，其中，所述至少一個板的厚度約在0.1mm-0.5mm之間。
10.如前面任一權利要求所述的度量儀器，其中，所述度量儀器包括測量探針。
11.如權利要求1-9中任一項所述的度量儀器，其中，所述度量儀器包括觸針支臂。
12.如權利要求1-9中任一項所述的度量儀器，其中，所述度量儀器包括探頭。
13.如權利要求12所述的度量儀器，其中，所述至少一個材料板包括熱性能穩(wěn)定的材料，并位于所述探頭的固定表面和所述坐標定位儀的支臂之間。
14.如權利要求13所述的度量儀器，其中，所述至少一個材料板的結構使得它至少部分地圍住所述探頭的固定結構。
15.一種制造度量儀器的方法，包括由熱性能穩(wěn)定的金屬材料板提供至少一個所述度量儀器的模板；折疊所述至少一個模板，以便形成所述度量儀器。
16.如權利要求15所述的方法，其中，所述材料板由熱性能穩(wěn)定的材料制成。
17.如權利要求15或者16所述的方法，其中，通過沿著所述材料板的希望的折疊線形成一系列穿孔，來確定所述折疊的位置。
18.如權利要求15或者16所述的方法，其中，通過在所述材料板里形成部分厚度的折疊線，來確定所述折疊的位置。
19.如權利要求15-18中任一項所述的方法，其中，所述折疊材料板部分通過浸焊結合在一起。
20.如權利要求15-19中任一項所述的方法，其中，所述模板由刻蝕工藝形成。
21.如權利要求15-19中任一項所述的方法，其中，所述模板通過激光由材料板切割而成。
22.如權利要求21所述的方法，其中，所述模板通過和噴水相結合的激光由材料板切割而成。
23.一種安裝在坐標定位儀上的探頭，其中，包括至少一個熱性能穩(wěn)定的材料板的結構位于在所述探頭的固定表面和所述坐標定位儀的支臂之間的度量回路內。
24.如權利要求23所述的探頭，其中，所述至少一個材料板的結構使得它至少部分地圍住所述探頭的固定結構。
25.如權利要求23或24所述的探頭，其中，通過折疊所述至少一個材料板而形成所述結構。
全文摘要
一種度量儀器，例如探針、探頭、觸針或者觸針支臂，用于安裝在坐標定位儀上。所述度量儀器至少部分地由至少一個具有較低熱膨脹系數(shù)的熱性能穩(wěn)定的金屬材料板制成，折疊所述至少一個金屬材料板，從而形成三維結構。所述至少一個熱性能穩(wěn)定的材料板用在所述度量儀器的度量回路中。以這種方式，可以構造出輕且熱性能穩(wěn)定的度量儀器。
文檔編號G01B5/00GK1871666SQ200480031224
公開日2006年11月29日 申請日期2004年10月21日 優(yōu)先權日2003年10月21日
發(fā)明者史蒂文·保羅·亨特, 雨果·喬治·戴瑞克, 戴維·羅伯特·麥克默特里 申請人:瑞尼斯豪公司