專利名稱：具有粗糙度測(cè)量傳感器的裝置和相應(yīng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括粗糙度測(cè)量傳感器的裝置和相應(yīng)的方法。
背景技術(shù)：
在許多技術(shù)領(lǐng)域中，結(jié)構(gòu)元件或材料的表面結(jié)構(gòu)是重要的質(zhì)量特征?，F(xiàn)有不同的粗糙度測(cè)量裝置，其可快速地收集表面的粗糙度響應(yīng)-殘留高度曲線。通常，在機(jī)械掃描期間，探針在表面上導(dǎo)引。其結(jié)果為在掃描路徑上記錄的高度信號(hào)， 即所謂的表面輪廓。如圖IA和IB的示意圖所示，在所謂的轉(zhuǎn)子(runner)傳感器1和參考平面?zhèn)鞲衅?5之間具有差別。轉(zhuǎn)子傳感器1具有轉(zhuǎn)子2，其根據(jù)應(yīng)用面積而具有或大或小的半徑，并用作為滑動(dòng)件。轉(zhuǎn)子傳感器1的掃描器3對(duì)通過轉(zhuǎn)子2來測(cè)量的表面F施壓，并用掃描器3的探測(cè)尖端4而相對(duì)于轉(zhuǎn)子2的路徑來收集表面輪廓。在測(cè)量期間，該轉(zhuǎn)子2跟蹤表面F的肉眼可見的不平整度-從而跟蹤波紋度和宏觀形狀。反之，探測(cè)尖端4通過其小的尖部半徑來收集表面粗糙度以及檢測(cè)轉(zhuǎn)子2渡過的凹槽的形狀。因?yàn)樗鲛D(zhuǎn)子擁有大得多的有效半徑，因此，轉(zhuǎn)子2可作為一種高通濾波器。為了更好地收集表面F的波紋度，還有些轉(zhuǎn)子傳感器會(huì)具有兩個(gè)轉(zhuǎn)子。參考平面?zhèn)鞲衅?很突出，因?yàn)樗c參考平面E固接。參考平面E大多位于掃描器3的起始部分6。通過參考平面?zhèn)鞲衅?的測(cè)量可得出比轉(zhuǎn)子傳感器1更精確和更全面的測(cè)量結(jié)果，其中除了表面粗糙度以外，還可收集結(jié)構(gòu)元件的形狀和波紋度。轉(zhuǎn)子傳感器1可用于例如在對(duì)波紋度或三維形狀方面不要求確切結(jié)論的情況。轉(zhuǎn)子傳感器1的優(yōu)點(diǎn)為易于管理，因?yàn)榭梢赃M(jìn)行快速測(cè)量，無需大量的定位。圖2A和2B所示為轉(zhuǎn)子傳感器1(圖2A)和參考平面?zhèn)鞲衅? (圖2B)的掃描結(jié)果。 圖2B所示的掃描結(jié)果與現(xiàn)實(shí)最相應(yīng)，因?yàn)閰⒖计矫鎮(zhèn)鞲衅?可盡可能不變地記錄真實(shí)的表層。尤其是在深凹槽或孤高峰Sl和S2(參照?qǐng)D2B)的情況下，不同的轉(zhuǎn)子傳感器的誤差變得顯而易見。例如，在高峰Sl前面的工作狀態(tài)為轉(zhuǎn)子傳感器1的特點(diǎn)。轉(zhuǎn)子2在探測(cè)尖端 4之前到達(dá)高峰Sl。因此，整個(gè)掃描器3會(huì)升高，而探測(cè)尖端4然后從周圍的掃描器外殼進(jìn)一步向下延伸。這在圖2A中以這樣的方式記錄(參照范圍Bi)，探測(cè)尖端4好像在到達(dá)高峰Sl之前似乎陷于表面F的凹處內(nèi)。所述情況類似于到達(dá)高峰S2時(shí)的情況。另一方面，轉(zhuǎn)子傳感器也會(huì)在其它情況下產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。例如在以下的情況下就會(huì)如是，即在轉(zhuǎn)子2的運(yùn)動(dòng)與探測(cè)尖端4的運(yùn)動(dòng)相長地疊加從而提供過大的輸出信號(hào)時(shí)， 或在所述運(yùn)動(dòng)將它們?nèi)炕虿糠值貕褐茝亩峁┻^小的信號(hào)時(shí)。該些問題會(huì)發(fā)生在例如周期性的曲面之上。關(guān)于在先前已公知的粗糙度檢測(cè)系統(tǒng)的進(jìn)一步詳情，可以得自例如以下的非小說類書籍由Raimund Volk所著及由Beuth Verlag出版的“Rauheitsmessung Theorie und Praxis，，(英文譯本"Roughness Measurement :Theory and Praxis，，)(粗糙度測(cè)量理論與實(shí)踐)，2005，ISBN 3410159185,9783410159186。對(duì)于3維結(jié)構(gòu)元件而言，往往非常重要的是要對(duì)局部重合作出結(jié)論，這意味著，對(duì)于一系列不同的結(jié)構(gòu)元件，要精確地在同一位置分別進(jìn)行粗糙度測(cè)量。除了確定粗糙度之外，人們關(guān)注的往往還有三維形狀的檢測(cè)，例如表面的曲率 (例如齒輪的齒的凸度)的檢測(cè)，或甚至是幾何形狀的測(cè)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為提供一種包括合適的測(cè)量掃描器的測(cè)量裝置，所述裝置可進(jìn)行改進(jìn)的粗糙度測(cè)量。本發(fā)明的另一目的為在相同的結(jié)構(gòu)元件的精確的預(yù)定位置上進(jìn)行粗糙度測(cè)量。本發(fā)明的再一目的為使粗糙度測(cè)量傳感器的手動(dòng)更換盡可能地簡(jiǎn)單。本發(fā)明的又一個(gè)目的為設(shè)計(jì)一種測(cè)量裝置，其包括一種具有這樣一種可拆卸的測(cè)量掃描器的裝置，以致于在每次更換后無需進(jìn)行新的校準(zhǔn)。此外，所述設(shè)計(jì)還應(yīng)可避免損壞掃描系統(tǒng)。所述目的可通過一種根據(jù)權(quán)利要求1的裝置和根據(jù)權(quán)利要求9的方法來達(dá)成。根據(jù)本發(fā)明的裝置包括一個(gè)粗糙度傳感系統(tǒng)和粗糙度測(cè)量傳感器，其中滑動(dòng)件和探測(cè)尖端共同工作。所述滑動(dòng)件以掃描滑動(dòng)件的形式設(shè)置在探針的最外端。所述探測(cè)尖端與所述探針成一體，其中所述掃描滑動(dòng)件和所述探測(cè)尖端之間的距離是預(yù)定的。所述粗糙度傳感系統(tǒng)涉及具有平行四邊形結(jié)構(gòu)的一維、二維或三維掃描系統(tǒng)。所述裝置還包括伺服裝置，其使所述探針可與所述掃描滑動(dòng)件和所述探測(cè)尖端在待掃描的表面(F)上共同地移動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的用于掃描表面的方法的特征在于以下步驟一個(gè)探針是伺服的，所述探針的最外端具有掃描滑動(dòng)件，并包括與所述掃描滑動(dòng)件相隔一段距離的探測(cè)尖端。在伺服探針時(shí)，所述掃描滑動(dòng)件與所述表面的一個(gè)點(diǎn)接觸。然后，沿著所述表面至少朝一個(gè)坐標(biāo)方向移動(dòng)所述探針，從而使所述掃描滑動(dòng)件和所述探測(cè)尖端于所述表面上在相隔所述一段距離的情況下一起移動(dòng)。同時(shí)，通過與所述掃描滑動(dòng)件相關(guān)聯(lián)的一維、二維或三維轉(zhuǎn)換器收集第一輸出信號(hào)。此外，收集與所述探測(cè)尖端相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)換器的第二輸出信號(hào)。然后，將所述第一輸出信號(hào)與所述第二輸出信號(hào)設(shè)定成相關(guān)聯(lián)。根據(jù)本發(fā)明的裝置的有利實(shí)施例構(gòu)成權(quán)利要求2至8的主題。根據(jù)本發(fā)明的方法的有利實(shí)施例構(gòu)成權(quán)利要求10至13的主題。本發(fā)明可連同一維、二維和三維測(cè)量裝置來使用。所述掃描滑動(dòng)件的形狀不一定涉及理想的球形形狀。掃描滑動(dòng)件也可具有橢圓形或圓柱形或任何其它合適的具有大曲率半徑的形狀。掃描滑動(dòng)件還可具有在軸向和徑向方向上不同的半徑。在優(yōu)選的實(shí)施例中，粗糙度測(cè)量傳感器可以更換。在另外的優(yōu)選實(shí)施例中，粗糙度測(cè)量傳感器可選擇地或另外地繞著縱軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。本發(fā)明的其中一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，所述裝置提供與一個(gè)表面有關(guān)的信息，所述信息相當(dāng)于甚至好于由參考平面?zhèn)鞲衅魈峁┑男畔?。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，所述掃描滑動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)與理想直線或理想?yún)⒖计矫娴钠羁梢酝暾厥占?。這可通過收集一維、二維或三維傳感器的偏移來達(dá)成。根據(jù)本發(fā)明，可以計(jì)算所述掃描滑動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)的偏差以及使之與粗糙度曲線(由信號(hào)f3表示)相關(guān)聯(lián)，所述粗糙度曲線由所述探測(cè)尖端以這樣的方式同時(shí)地收集，以致于可得到精確地直的參考系統(tǒng)。 因此就可排除傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子傳感器的公知誤差。


以下會(huì)參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作更詳細(xì)的敘述，其中圖IA所示為在先的公知的轉(zhuǎn)子測(cè)量裝置的示意圖；圖IB所示為在先的公知的參考平面測(cè)量裝置的示意圖；圖2A所示為用根據(jù)圖IA的轉(zhuǎn)子測(cè)量裝置收集的示意曲線圖；圖2B所示為用根據(jù)圖IB的參考平面測(cè)量裝置收集的示意(參考)曲線圖；圖3A所示為在先的公知的參考平面測(cè)量裝置的功能圖；圖;3B所示為用根據(jù)圖3A的參考平面測(cè)量裝置收集的示意(參考)曲線圖；圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的可供比較的測(cè)量裝置的功能圖；圖5所示為在先的公知的CNC(計(jì)算機(jī)數(shù)控)測(cè)量裝置的透視圖；圖6所示為根據(jù)本發(fā)明并具有橫向主軸線的三座標(biāo)掃描頭的基本結(jié)構(gòu)，其中所述掃描頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)分離地表示，以便可較佳地觀察；圖7所示為根據(jù)本發(fā)明的包括粗糙度測(cè)量傳感器的單坐標(biāo)掃描頭的基本結(jié)構(gòu)；圖8A所示為用根據(jù)圖4的根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置的探測(cè)尖端收集的示意圖；圖8B所示為用根據(jù)圖4的根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置的掃描滑動(dòng)件收集的示意圖；圖8C所示為圖8B的曲線圖在空間上移動(dòng)距離A的視圖；以及圖8D所示為圖8A和圖8C的曲線的疊加的示意圖。
具體實(shí)施例方式就本說明書而言，所使用的術(shù)語也見用于相關(guān)的出版物和專利。不過，應(yīng)該注意， 該些術(shù)語的使用只有助于更好的理解。本發(fā)明的構(gòu)思和專利的權(quán)利要求的范圍不應(yīng)受限于特定的選用的術(shù)語的解釋。本發(fā)明可以，無需再費(fèi)周折地，轉(zhuǎn)移到其它的術(shù)語體系和/或技術(shù)領(lǐng)域。在其它技術(shù)領(lǐng)域中，可以類似方式使用所述術(shù)語。本文所用的術(shù)語粗糙度給表面的表面質(zhì)量命名。粗糙度本身在正確和局部結(jié)論的意義上較限于微觀結(jié)論的范圍內(nèi)。在本文中，就所涉及的表面F的粗糙度、結(jié)構(gòu)、元件和特性而言，它們的大小在納米到約500微米的范圍內(nèi)。形狀(也稱為均勻度)為2維或3維平面或在空間由多個(gè)平面連接的三維物體。 在本文中就形狀而言，所涉及的典型結(jié)構(gòu)和元件的尺寸大小介于0. 5mm至約IOmm的范圍內(nèi)。幾何形態(tài)(本文也稱為幾何形狀)為在空間中的連續(xù)的2維或3維平面或在空間中由若干平面連接的三維物體，其恰好可以用數(shù)學(xué)方式來限定。通常，在本文中就幾何形狀而言，所涉及的3維結(jié)構(gòu)部件或元件的尺寸大小從幾厘米到大約100厘米或甚至更大。在本文中，形狀被特定地理解為均勻度、表面的曲率、或例如裝齒的齒的凸度、臺(tái)階或樓梯的走向、裝齒的齒的齒腹線、平面的斜度等等。為了可計(jì)算或掃描形狀，通常要沿著線、曲線或面積來掃描若干測(cè)量點(diǎn)。因此，在這方面，本文會(huì)談及宏觀結(jié)論。粗糙度測(cè)量最好以比形狀掃描(或測(cè)量)的分辨率更高的分辨率(即以高的空間分辨率)來進(jìn)行。在圖3A和圖4中，傳統(tǒng)的參考平面?zhèn)鞲衅?和根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置10在功能圖中彼此相對(duì)。所述功能圖是經(jīng)過仔細(xì)的挑選，以便可較好地比較各個(gè)構(gòu)件。從圖3A可以看出，掃描器的前組具有桿臂3. 1，其可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承在樞軸承3. 2的周圍。牽引彈簧3. 3設(shè)置在朝向桿臂3.1的后部的端部。構(gòu)件5.1和5. 2彼此固接，并從而限定參考平面E。在桿臂3. 1前端的探測(cè)尖端4的向上或向下運(yùn)動(dòng)(參照雙箭頭Pl)在桿臂3. 1的后端產(chǎn)生相應(yīng)的向上和向下運(yùn)動(dòng)(參照雙箭頭P》。在桿臂3. 1的后端的這個(gè)運(yùn)動(dòng)可以用傳感器來記錄。藉此，可產(chǎn)生例如圖3B所示的作為距離(例如負(fù)y方向)的函數(shù)的信號(hào)fl，所述信號(hào)盡可能地對(duì)應(yīng)真正的表面F。所述信號(hào)Fl的路線因此被假定為該真正的表面F的圖像。根據(jù)圖4，根據(jù)本發(fā)明的裝置10包括粗糙度測(cè)量傳感器15，其中滑動(dòng)件15. 3和探測(cè)尖端15. 4共同工作。其中，設(shè)置在探針15. 2的最外端的掃描滑動(dòng)件15. 3用作為所述滑動(dòng)件。如圖4所示，探針15. 2最好構(gòu)成為中空或管狀。該探測(cè)尖端15. 4與探針15. 2成一體，其中在掃描滑動(dòng)件15. 3的最低位置和探測(cè)尖端15. 4之間的距離是預(yù)定的。可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承在樞軸承13. 2的周圍的桿臂13. 1設(shè)置在探針15. 2的內(nèi)部。牽引彈簧13. 3設(shè)置在朝向桿臂13. 1的后面的端部。在桿臂13. 1的前端的探測(cè)尖端15. 4的向上和向下運(yùn)動(dòng)(參照雙箭頭P3)在桿臂13. 1的后端產(chǎn)生相應(yīng)的向上和向下運(yùn)動(dòng)(參照雙箭頭P4)。如圖所示，探針15. 2和構(gòu)件15. 5通過鉸鏈15. 6而彼此可活動(dòng)地連接。在測(cè)量裝置10中，該活動(dòng)連接通過(彈簧)平行四邊形結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，如下文所述，所述結(jié)構(gòu)起扣齒鏈的作用。該平行四邊形結(jié)構(gòu)為一維、二維或三維掃描系統(tǒng)12的一部分(例如圖6所示的)。根據(jù)本發(fā)明，探針15. 2與掃描滑動(dòng)件15. 3和探測(cè)尖端15. 4可在待掃描的表面F 上共同地移動(dòng)。因此，不但通過探針15. 2與平行四邊形結(jié)構(gòu)連接的掃描滑動(dòng)件15. 3產(chǎn)生信號(hào)(本文稱為信號(hào)，而與探針15. 2成一體的探測(cè)尖端15. 4也產(chǎn)生信號(hào)(本文稱為信號(hào)f3)。圖8A示出了范例性的信號(hào)f3，而圖8B則示出范例性的信號(hào)f2。在圖5所示的本發(fā)明的有利實(shí)施例中，涉及了全自動(dòng)CNC控制測(cè)量裝置10。該測(cè)量裝置10例如可適用于測(cè)試以下各項(xiàng)的表面粗糙度、形狀或幾何形狀正齒輪裝齒、切割輪和刮輪、蝸輪和螺旋齒輪、蝸桿、板牙齒輪；以及用于測(cè)試旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)部件的在測(cè)量、形狀和位置上的一般偏差；用于曲線和凸輪軸測(cè)量或轉(zhuǎn)子測(cè)量，以上所提只是一些可用的選項(xiàng)。測(cè)量裝置10包括可驅(qū)動(dòng)的掣子13 (不可見，因?yàn)轵?qū)動(dòng)器設(shè)置在覆蓋件之后)和定心裝置14，其中該掣子13和定心裝置14這樣設(shè)置，以致于待測(cè)量的結(jié)構(gòu)件11可以如圖5 所示般通過格式化的筒形輪11而同軸地夾持在掣子13和定心裝置14之間。如圖5所示，測(cè)量裝置10包括至少一個(gè)傳感器15，其用于對(duì)夾持在測(cè)量裝置10中的結(jié)構(gòu)件11進(jìn)行三維測(cè)量(三座標(biāo)掃描系統(tǒng))。掃描系統(tǒng)12最好設(shè)置成可沿著其高度移動(dòng)，如x-y-z坐標(biāo)系中的坐標(biāo)軸ζ所示。此外，傳感器15可進(jìn)一步執(zhí)行伺服動(dòng)作(優(yōu)選地， 本文中的四軸路徑控制可以開始工作)，如相互垂直的χ和ζ坐標(biāo)軸所示。在圖6中，示出了測(cè)量裝置10的三維掃描系統(tǒng)12的透視圖，通過圖解，可見所述掃描系統(tǒng)12的構(gòu)造相同于或類似于圖5所示的掃描系統(tǒng)12。因此，可使用相同的參考標(biāo)號(hào)。 在下文中，只解釋對(duì)理解本發(fā)明所不可或缺的構(gòu)件。所述測(cè)量裝置10的進(jìn)一步詳情可從例如專利文獻(xiàn)DE 19721015(三座標(biāo)掃描頭)或?qū)＠霭嫖顳E 19501178 (兩坐標(biāo)掃描頭)得知。如前所述，以水平結(jié)構(gòu)方式示出的掃描系統(tǒng)12為數(shù)控測(cè)量裝置10的一部份，并設(shè)有可偏移的探針15. 2，其可在多個(gè)自由度中與自身平行地偏移。探針15. 2通過多個(gè)彈簧平行四邊形系統(tǒng)31，38而與固定的掃描頭基座34鉸接，所述系統(tǒng)在功能上相互垂直地設(shè)置。 所述彈簧平行四邊形系統(tǒng)31，38構(gòu)成了上文所述的平行四邊形結(jié)構(gòu)，所述傳感器15支承于所述平行四邊形結(jié)構(gòu)之上。掃描滑動(dòng)件15. 3與探針15. 2的偏移由兩個(gè)或三個(gè)與掃描頭基座34連接的(一維、二維或三維)傳感器收集，但它們未在圖中示出。所述的傳感器提供所述信號(hào)f2。圖6所示的掃描頭具有測(cè)量掃描器15和掃描系統(tǒng)12。掃描系統(tǒng)12具有角型掃描頭基座34 (呈臥式L的形式)，其與測(cè)量裝置10的未進(jìn)一步示出的塔架18連接(參照?qǐng)D 5)。第一彈簧平行四邊形31從掃描頭基座34的前面部分可活動(dòng)地懸掛。其相應(yīng)地包括兩個(gè)構(gòu)件33和35，所述構(gòu)件成對(duì)地設(shè)置和長度相等，并通過四個(gè)彈簧鉸鏈32. 1而相互連接， 所述鉸鏈具有豎軸(即所述軸平行于ζ軸)并且使前面的構(gòu)件35可在χ方向上平行地位移。第一彈簧平行四邊形31的懸掛這樣實(shí)現(xiàn)，以致于整個(gè)彈簧平行四邊形31可繞另一彈簧鉸鏈32. 2的水平軸(即平行于χ軸的軸)旋轉(zhuǎn)。彈簧平行四邊形31最好用板簧(未示出)來穩(wěn)定。可調(diào)節(jié)的拉簧37限定了所需的重量平衡，以致于第一彈簧平行四邊形31為未偏移的掃描頭占用在xy平面上的水平位置。所述拉簧37只在圖6中示意性地示出。在第一彈簧平行四邊形31和探針載體17. 4之間設(shè)置了連接件36。其利用彈簧鉸鏈32. 3和另一彈簧鉸鏈32. 4而與探針載體17. 4可活動(dòng)地連接，所述彈簧鉸鏈32. 3與位于構(gòu)件35的上緣的彈簧鉸鏈32. 2平行，而所述彈簧鉸鏈32. 4則與位于底面的彈簧鉸鏈 32. 1平行。通過該連接件36，探針載體17. 4仍未可充分地被支承。為此，還可將額外的兩條雙鉸桿沈和27連接到探針載體17. 4，所述鉸桿緊靠在垂直棒25上。所述棒25屬于第二彈簧平行四邊形38，其分別由兩對(duì)成對(duì)地設(shè)置的長度相等的構(gòu)件21和22構(gòu)成，所述構(gòu)件通過四個(gè)具有水平軸的彈簧鉸鏈32. 5而相互連接。該第二彈簧平行四邊形38固定于在掃描頭基座34上的較低的構(gòu)件22上，以使較上的構(gòu)件22可在y方向作平行地位移。所述垂直棒25固定于較上的構(gòu)件22上。通過該種結(jié)構(gòu)，可保證探針載體17. 4可同時(shí)地在x、y和 ζ方向上偏移，從而使其本身只能與縱軸A2平行地位移。這兩條雙鉸桿沈、垂直棒25和掃描探針載體17. 4構(gòu)成了用于ζ方向運(yùn)動(dòng)的平行四邊形。圍繞y軸的抗扭剛度是通過平行四邊形31以及連接件36連同設(shè)置在其上的兩個(gè)板簧而實(shí)現(xiàn)的。在圖6中還可看出，探針15. 2位于一種(可更換式)盤形件15.1之上。盤形件 15. 1可固定在掃描系統(tǒng)12的探針載體15. 4上。所述固定可以通過例如圖6中未示出的杠桿結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。特別合適的杠桿結(jié)構(gòu)可從在2004年04月23日提交的題為“Vorrichtung mit abnehmbarem Messtaster und Messgerat mit einer solchen Vorrichtung，，(英文譯名"Apparatus having a detachable measuring sensor and measurement device having such apparatus”)(具有可拆卸的測(cè)量傳感器的裝置和具有這種裝置的測(cè)量設(shè)備) 的專利申請(qǐng)EP 1 589 317中得知。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，探針15. 2與盤形件15. 1這樣連接，以致于探針15. 2 可以繞其縱軸A2轉(zhuǎn)動(dòng)。通過繞著所述縱軸A2的轉(zhuǎn)動(dòng)，探測(cè)尖端15. 4可以不同的方向來定向。因此，不但可以掃描在χ-y平面上的表面F，而且可掃描其它的表面。
所述的平行四邊形系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于其構(gòu)成了用于測(cè)量傳感器15的基座，所述基座具有抗扭剛度并具有小的摩擦力。測(cè)量傳感器15在安裝到掃描系統(tǒng)12時(shí)，其動(dòng)態(tài)特性在各個(gè)偏移方向(坐標(biāo)方向)上大體相等。所述平行四邊形結(jié)構(gòu)用作為在空間上可移動(dòng)的測(cè)量傳感器15和掃描頭基座34之間的扣齒鏈。通過掃描系統(tǒng)12的各個(gè)構(gòu)件的上述結(jié)構(gòu)， 就可確保測(cè)量傳感器15可同時(shí)地在x、y和ζ方向上偏移，并從而使其本身只能與本身平行地位移。根據(jù)本發(fā)明的另一掃描頭的進(jìn)一步詳情可得自圖7。該掃描頭的構(gòu)造類似于圖6 所示的掃描頭，但在此涉及的只為一維掃描頭。因此，可使用相同的參考標(biāo)號(hào)。圖7涉及的則為另一示意性視圖。該測(cè)量傳感器15具有探針15. 2，其具有掃描滑動(dòng)件15. 3。就此而言，應(yīng)該注意，掃描滑動(dòng)件15. 3的形狀并不一定是完美的球形形狀。掃描滑動(dòng)件15. 3也可具有橢圓形或圓柱形或其它合適的具有大曲率半徑的形狀。根據(jù)本發(fā)明，掃描滑動(dòng)件15. 3 用作為轉(zhuǎn)子，其類似于轉(zhuǎn)子測(cè)量裝置1的轉(zhuǎn)子。掃描滑動(dòng)件15. 3在測(cè)量粗糙度時(shí)于掃描的表面F上移動(dòng)或活動(dòng)，并必須具有足夠大的曲率半徑。在優(yōu)選的實(shí)施例中，掃描滑動(dòng)件15. 3 在軸向方向(即在A2的方向)上具有10毫米的半徑以及在徑向方向上具有1毫米的半徑。 當(dāng)然，大的半徑是有利的。因?yàn)閽呙杌瑒?dòng)件15. 3的用作為轉(zhuǎn)子的部分只包含所述半徑的一部分，以使通往探測(cè)尖端15. 4的距離A短，所述半徑不應(yīng)被選擇成不必要的大，否則其風(fēng)險(xiǎn)在于，該轉(zhuǎn)子的邊緣會(huì)在表面F上滑動(dòng)。因此，誤差就會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)樗鲞吘壘哂蟹浅Ｐ〉陌霃健Ｌ綔y(cè)尖端15. 4最好具有幾微米的尖端半徑。尤其優(yōu)選的是，所述探測(cè)尖端具有的尖端半徑介于2-10微米。除了掃描滑動(dòng)件之外，測(cè)量傳感器15具有前述的一體式探測(cè)尖端15. 4。該探測(cè)尖端15. 4以小的距離A設(shè)置在掃描滑動(dòng)件15. 3的最低點(diǎn)之后(或旁邊)。距離A為0是最理想的。然而，這不可能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閽呙杌瑒?dòng)件15. 3是朝兩個(gè)方向成圓頂狀。對(duì)于球形掃描滑動(dòng)件15. 3而言，設(shè)置容納探測(cè)尖端15. 4的鏜孔并無意義，因?yàn)榈綍r(shí)鏜孔的邊緣會(huì)觸及表面F。在所示的實(shí)施例中，距離A為1.5毫米。大體上，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的距離A介于1. 5至5毫米之間。也如圖4所示，該探測(cè)尖端15. 4是浮動(dòng)地支承，以便能檢測(cè)或測(cè)量表面f的結(jié)構(gòu)、元件和特性，所述表面具有的大小介于納米至約500微米的范圍內(nèi)。探測(cè)尖端15. 4也可與掃描滑動(dòng)件15. 3直接成一體。然而，這僅適用于具有垂直于運(yùn)動(dòng)方向的半徑的掃描滑動(dòng)件15. 3。不過，該種掃描滑動(dòng)件15. 3有問題，因?yàn)閽呙杌瑒?dòng)件15. 3的并非彎曲的方向應(yīng)該以完全平行于表面F的方式定向。在如圖7所示的實(shí)施例中，測(cè)量傳感器15設(shè)置在平行四邊形結(jié)構(gòu)40上。測(cè)量傳感器15可選擇地通過(可更換式)盤形件15. 1和/或根據(jù)圖6的構(gòu)件17. 4,32. 4、36和 32. 3而連接到彈簧平行四邊形結(jié)構(gòu)40。該些構(gòu)件及結(jié)構(gòu)部分未在圖7的示意圖中示出。可選擇的(可更換式)盤形件15. 1用虛線顯示。平行四邊形結(jié)構(gòu)40包括兩個(gè)平行的構(gòu)件41和兩個(gè)另外的與其垂直的直立的平行構(gòu)件42。后面的構(gòu)件42可用作為參考基座。在該種情況下，所述的后面的構(gòu)件可以連接， 例如塔架18或掃描頭基座34。在參考基座上可設(shè)置指示器構(gòu)件43或臂件。現(xiàn)在，如果掃描滑動(dòng)件15. 3連同探針15. 2在平行于ζ方向下偏移，則前面的構(gòu)件42會(huì)在χ-z平面上位移。該在x-z平面的橫向運(yùn)動(dòng)會(huì)相對(duì)于一維傳感器44在指示器構(gòu)件43或臂件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中表達(dá)其本身。所述傳感器44以線性標(biāo)度的方式作程式化的表示。所述傳感器44因此可以提供信號(hào)f2，其允許對(duì)表面F的形狀下結(jié)論。測(cè)量裝置10可以引導(dǎo)掃描滑動(dòng)件15. 3，例如垂直地或徑向地接近待測(cè)試的結(jié)構(gòu)件11 (參照例如圖5中的筒形輪11)，從而使探針15. 2的縱軸A2具有水平位置。此外，測(cè)量裝置10從而可轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)結(jié)構(gòu)件11，直到掃描滑動(dòng)件15. 3在預(yù)定的表面F與其接觸。 那樣，例如結(jié)構(gòu)件11的弧形齒面就可觸及起點(diǎn)。為此，測(cè)量傳感器15可通過伺服運(yùn)動(dòng)而于 x-y-z坐標(biāo)系統(tǒng)中被伺服，并可因?yàn)樵诳臻g的一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)坐標(biāo)方向x、y、z中的特定平行四邊形結(jié)構(gòu)而可以偏移，正如上文所述。現(xiàn)在，掃描滑動(dòng)件15. 3在表面F上從起點(diǎn)移動(dòng)到終點(diǎn)。掃描滑動(dòng)件15. 3最好如圖7的箭頭P5所示般在該表面F上移動(dòng)。在掃描滑動(dòng)件15. 3移動(dòng)時(shí)，探測(cè)尖端15. 4在前面。如果掃描滑動(dòng)件15. 3被推過所述表面，則探測(cè)尖端15. 4在后面。根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置10提供兩個(gè)輸出信號(hào)f2和f3，其被設(shè)定成彼此相關(guān)聯(lián)。 第一輸出信號(hào)f2源自前述的一維、二維或三維測(cè)量裝置的掃描滑動(dòng)件15. 3對(duì)表面的掃描。 圖8B所示為范例性的測(cè)量信號(hào)f2。在此，涉及的測(cè)量信號(hào)f2在掃描滑動(dòng)件15. 3于表面F 上朝y方向移動(dòng)時(shí)業(yè)已產(chǎn)生。第二輸出信號(hào)f3源自探測(cè)尖端15. 4。在探測(cè)尖端15. 4于表面F上朝y方向移動(dòng)時(shí)，該測(cè)量信號(hào)f3同樣業(yè)已產(chǎn)生。所述的第一和第二輸出信號(hào)f2和 f3既在空間上又在時(shí)間上彼此相關(guān)聯(lián)。通過所述的測(cè)量結(jié)構(gòu)，根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置10收集所述掃描滑動(dòng)件15. 3沿著直線(在一維測(cè)量期間)、在X-Z平面(在二維測(cè)量期間)或在由三個(gè)坐標(biāo)方向X、y和Z 生成的空間(在三維測(cè)量期間)中的所有的偏移。在ζ平面中的偏移可以用一維測(cè)量裝置收集，正如例如圖7所示。在3維或2維空間中的偏移可由第一輸出信號(hào)f2表示(參見圖 8B)。在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，只使用空間關(guān)系，以使兩個(gè)輸出信號(hào)f2(參照?qǐng)D8B)和 f3(參照?qǐng)D8A)相關(guān)聯(lián)。在掃描滑動(dòng)件15. 3沿著與負(fù)y軸平行的直線于整個(gè)待掃描的表面 F上移動(dòng)時(shí)，則探測(cè)尖端15. 4的輸出信號(hào)f3正好以掃描滑動(dòng)件15. 3和探測(cè)尖端15. 4之間的距離A來線性地位移。f2的線性位移產(chǎn)生空間偏移信號(hào)f2*，其在圖8C中示意性地示出。然后，信號(hào)和f3可以通過加法來疊加。所述疊加產(chǎn)生信號(hào)Frff并可通過簡(jiǎn)單的加法Frff = f2、f3來影響。所述疊加還可使用其它函數(shù)。因此，信號(hào)f3可以例如比信號(hào)f2* 更多地被加權(quán)。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，既使用空間關(guān)系又使用時(shí)間關(guān)系。時(shí)間關(guān)系可從以下的事實(shí)得知，即掃描滑動(dòng)件15. 3連同探測(cè)尖端15. 4在所述表面F上以預(yù)定或已知的速度 v(t)來制導(dǎo)。由于掃描滑動(dòng)件15. 3并尤其是探測(cè)尖端15. 4的慣性，取決于速度ν (t)可得到有些不同的結(jié)果。這通過實(shí)例可變得明顯，其中移動(dòng)速度v(t)相當(dāng)高，以致于掃描滑動(dòng)件15. 3和/或探測(cè)尖端15. 4在表面F的形狀上跳動(dòng)。測(cè)量傳感器15非常敏感，而在快速測(cè)量中非常重要的是，在由坐標(biāo)軸X、y和ζ生成的空間中運(yùn)動(dòng)的期間或者在結(jié)構(gòu)件11圍繞軸Al運(yùn)動(dòng)的期間，測(cè)量傳感器15不會(huì)與所述結(jié)構(gòu)件11碰撞。此外，取決于特定的測(cè)量協(xié)議，必須能夠使用不同的測(cè)量傳感器15。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于所述探測(cè)尖端15. 4在一定程度上受到掃描器的“管” 15. 2保護(hù)。通過三維測(cè)量傳感器中的掃描器15結(jié)構(gòu)，其保護(hù)系統(tǒng)在碰撞期間最大程度地生效。
如前所述，最好使用可更換的測(cè)量傳感器15?？筛鼡Q的功能最好整合于更換式盤形件15. 1。另外，可使用一維、二維或三維測(cè)量傳感器15，其中探測(cè)尖端15. 4在不使用的情況下可以處于收起位置。為此，電磁鐵可以安裝在例如探針15. 2的內(nèi)部，所述電磁鐵在通電時(shí)可對(duì)探測(cè)尖端15. 4的向內(nèi)定向的一側(cè)或?qū)U臂13. 1施加磁吸引力。因此，就可以收回探測(cè)尖端15. 4。然后就可用掃描滑動(dòng)件15. 3進(jìn)行例如傳統(tǒng)的一維、二維或三維探測(cè)測(cè)量，以便可根據(jù)需要來關(guān)掉電磁鐵，并使探測(cè)尖端15. 4投入使用。在本發(fā)明中的另一實(shí)施例中，探測(cè)尖端15. 4連同桿臂13. 1橫向地設(shè)置在掃描滑動(dòng)件15. 3的旁邊。所述裝置10的確切的功能的進(jìn)一步詳情可從題為“Universeller Tastkopf fiir Verzahnungsmessungen，，(英文譯名為,Universal probe head for toothing measurements”)(用于裝齒測(cè)量的通用探頭)的專利說明書DE 19721015得知。參考標(biāo)號(hào)列表
權(quán)利要求
1.一種包括粗糙度傳感系統(tǒng)(1 和粗糙度測(cè)量傳感器(1 的裝置(10)，其中滑動(dòng)件和探測(cè)尖端(15. 4)共同工作，其特征在于-所述滑動(dòng)件以掃描滑動(dòng)件(15. 的形式設(shè)置在探針(15. 的最外端，-所述探測(cè)尖端(15. 4)與所述探針(15 成一體，其中所述掃描滑動(dòng)件(15. 3)和所述探測(cè)尖端(15.4)之間的距離(A)是預(yù)定的，-所述粗糙度傳感系統(tǒng)(12)為具有平行四邊形結(jié)構(gòu)(31，38 ；40)的一維、二維或三維掃描系統(tǒng)，-所述裝置(10)包括伺服裝置，所述伺服裝置使所述探針(15. 2)可與所述掃描滑動(dòng)件 (15. 3)和所述探測(cè)尖端(15.4)在待掃描的表面(F)上共同地移動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置(10)，其特征在于所述粗糙度傳感系統(tǒng)(12)-提供第一信號(hào)(f2)，所述第一信號(hào)允許對(duì)所述待掃描的表面(F)的形狀或幾何形狀下結(jié)論，-提供第二信號(hào)(f3)，所述第二信號(hào)允許對(duì)所述待掃描的表面(F)的粗糙度下結(jié)論。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(10)，其特征在于-所述第一信號(hào)( )可通過所述掃描滑動(dòng)件(15. 的應(yīng)用來獲得，以及-所述第二信號(hào)( )可通過所述探測(cè)尖端(15.4)的應(yīng)用來獲得。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置(10)，其特征在于所述第一信號(hào)( )和所述第二信號(hào)( )彼此在空間上和/或時(shí)間上相關(guān)聯(lián)，以便可提供與所述待掃描的表面(F)的紋理有關(guān)的信息。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求的其中一項(xiàng)所述的裝置(10)，其特征在于所述粗糙度測(cè)量傳感器(1 可以偏移多個(gè)自由度以及所述粗糙度傳感系統(tǒng)(1 產(chǎn)生信號(hào)(f2)，所述信號(hào)表示與撓度有關(guān)的信息。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求的其中一項(xiàng)所述的裝置(10)，其特征在于所述探針(15.2)與所述掃描滑動(dòng)件(15. 3)和所述探測(cè)尖端(15. 4) 一起繞著所述探針(15. 2)的縱軸線(A2)可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求的其中一項(xiàng)所述的裝置(10)，其特征在于所述探針(15.2)構(gòu)成為至少部分地中空，以使所述探針的內(nèi)部可容納桿臂(13. 1)，所述探測(cè)尖端(15.4)設(shè)置在所述桿臂的一端上。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的裝置(10)，其特征在于電磁鐵設(shè)置在所述探針 (15. 2)之內(nèi)或之上，以便可收回所述探測(cè)尖端(15. 4)。
9.一種掃描表面(F)的方法，所述方法包括以下步驟-伺服一個(gè)探針(15. 2)，所述探針的最外端具有掃描滑動(dòng)件(15. 3)，并包括與所述掃描滑動(dòng)件(15. 3)相隔一段距離(A)的探測(cè)尖端(15. 3)，以便使所述掃描滑動(dòng)件(15. 3)與所述表面(F)的一個(gè)點(diǎn)接觸，-沿著所述表面(F)至少朝一個(gè)坐標(biāo)方向移動(dòng)所述探針(15.幻，從而使所述掃描滑動(dòng)件(15. 3)和所述探測(cè)尖端(15. 4)于所述表面(F)上在相隔所述一段距離(A)的情況下一起移動(dòng)，-收集與所述掃描滑動(dòng)件(15. 3)相關(guān)聯(lián)的一維、二維或三維轉(zhuǎn)換器的第一輸出信號(hào) (f2)，-收集與所述探測(cè)尖端(15.4)相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)換器的第二輸出信號(hào)(f3)，以及-將所述第一輸出信號(hào)( )與所述第二輸出信號(hào)( )設(shè)定成相關(guān)聯(lián)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于通過在所述信號(hào)(f2，f!3)進(jìn)行疊加之前以所述距離(A)使所述第一輸出信號(hào)(f2)或所述第二輸出信號(hào)(f3)進(jìn)行空間位移來實(shí)現(xiàn)所述的設(shè)定成相關(guān)聯(lián)的步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于通過在所述信號(hào)(f2，f!3)進(jìn)行疊加之前使所述第一輸出信號(hào)( )或所述第二輸出信號(hào)( )進(jìn)行時(shí)間位移來實(shí)現(xiàn)所述的設(shè)定成相關(guān)聯(lián)的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求9、10或11所述的方法，其特征在于所述第一信號(hào)( )允許對(duì)所述表面(F)的形狀或幾何形狀下結(jié)論，而所述第二信號(hào)( )則允許對(duì)所述表面(F)的粗糙度下結(jié)論。
13.根據(jù)權(quán)利要求9、10、11或12所述的方法，其特征在于在伺服所述探針(15.2)期間，后者繞著所述探針(15. 的縱軸線m轉(zhuǎn)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括粗糙度測(cè)量系統(tǒng)和粗糙度測(cè)量傳感器的裝置(10)，其中使用滑動(dòng)件(15.3)和探測(cè)尖端(1.4)。所述滑動(dòng)件(15.3)以傳感滑動(dòng)件(15.3)的形式設(shè)置在探針(15.2)的最外端。所述探測(cè)尖端(15.4)與所述探針(15.2)成一體，其中所述傳感滑動(dòng)件(15.3)和所述探測(cè)尖端(15.4)之間的距離(A)是預(yù)定的。粗糙度傳感系統(tǒng)為具有平行四邊形結(jié)構(gòu)的一維、二維或三維傳感系統(tǒng)。所述裝置還包括一種伺服裝置，其使到所述探針(15.2)連同所述傳感滑動(dòng)件(15.3)可在待掃描的表面(F)作為一體地移動(dòng)。本發(fā)明還涉及一種相應(yīng)的使用所述裝置(10)的方法。
文檔編號(hào)G01B7/34GK102405393SQ200980156239
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2009年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者G·米斯 申請(qǐng)人:科林基恩伯格股份公司