CN85107031A - 坐标测量仪 - Google Patents

Abstract

一种坐标测量仪包括：安放在底板10上，可沿Y轴方向移动的工作台50；借助立柱90和横梁100，可沿X轴方向移动的滑座110；用滑座110支承并能沿Z轴方向移动的Z轴装置180；固定在工作台50上的测量头存放装置，其上能够安放多个测量头夹持装置250，而每个测量头夹持装置都装有发信号测量头280；安装在Z轴装置180内的测量头装拆机构200，该机构200能够根据被测工件形状选出最适宜的发信号测量头280装到Z轴装置上。

Description

本发明涉及一种坐标测量仪，更准确地说是涉及一种测量头自动装拆机构，该机构能够自动地安装和拆卸发信号测量头。

到目前为止，公知的坐标测量仪，其发信号测量头是使用接触信号测量头直接地产生信号，或者使用接近信号测量头间接地产生预定的接近信号，通过三维的移动测量出被测工件的形状。通常，这种类型的坐标测量仪是按下列方式布置：龙门架置于底板上，它能沿纵向，即Y轴方向移动;一个滑座安装在该龙门架顶端的横梁上，它能沿横向，即X轴方向移动;而Z向测量轴能沿垂直方向，即Z轴方向移动。这类坐标测量仪，采用了一种积木式结构，即首先将龙门架安装在底板上，再装滑座在该龙门架上，最后将Z向测量轴装在该滑座上。

其结果是，除非从底板至Z向测量轴都采用刚性结构，否则要保证仪器的准确度是非常困难的。在各测量轴都采用自动驱动方式的自动坐标测量仪上，这种结构将产生如下一些缺点：由于重载，需要提高驱动电源的功率;由于惯量大，需要采用高级的控制***;而且高速进给也变得十分困难。此外，总体结构尺寸大，不够经济。

还有，在坐标测量仪中，需要经常更换接触信号测量头，装拆的方式常采用螺旋或者类似的结构，这种方式不是自动的，需要占用工时。此外，这种接触信号测量头要根据使用情况进行更换，每次更换测量头都必须做好准备，而且安装的接触信号测量头的测量元件的角度还要根据工件的形状变化。总之，涉及接触信号测量头的操作需要占用工时是一个缺点。

本发明的目的是提供一种坐标测量仪，它能够在坐标测量仪上安装和拆卸接触信号测量头、在改变测量元件的方向以及类似的操作上提高工作效率。

为了达到上述目的，本发明的设想是：工作台相对于底板做成可移动的;一种能够自动安装或者拆卸发信号测量头的测量头装拆机构装在Z轴装置内，以便达到自动装拆的实际效果;一种测量头存放装置安装在上述的移动工作台上;而装有发信号测量头的一种测量头夹持装置放置在上述测量头存放装置上。凭借上述设想，由于移动部件尺寸紧凑，因此进给机构的结构可以做成小型的;而驱动机构，例如用于移动工件的工作台用的，就可用来安装和拆卸测量头，从而在上述测量头装拆机构中省去了执行进给用的专门机构、控制线路或者类似的装置。

图1是本发明一种实施例的总体布置透视图;

图2是图1局部剖截后的前视图;

图3至图5是图2主要部分的放大视图;

图6是Y轴方向驱动机构的放大剖视图;

图7和图8是X轴方向驱动机构的放大俯视图和局部剖面的放大前视图;

图9是滑座的放大局部剖视图;

图10是锁紧装置的放大剖视图;

图11是空气配重机构的放大剖视图;

图12是测量头装拆机构的放大剖视图;

图13是测量头夹持装置的放大剖视图;

图14是图13的俯视图;

图15是测量头存放装置的放大俯视图;

图16是图15主要部分的局部剖截后的放大俯视图;

图17是图15局部剖截后的放大前视图;

图18是图16从下面看上去的放大剖视图;

图19是本发明另一种实施例中，测量头装拆机构的放大剖视图;

图20是图19的底视图;

图21和图22是图20中主要部分的放大剖视图;

图23是本发明又一种实施例中，测量头装拆机构的放大剖视图;

图24是本发明另一种实施例的总体布置透视图。

下面将参照各附图就本发明的各种实施例进行描述。

在图1和图2中示出了该仪器的总体布置。由类似石头（例如，天然石料或者陶瓷）制成的底板10，通过多个水平调整机具30，水平放置在安装台面1上。通常，该底板10做成中央部分凸起的形状。第一导向件11由类似于底板10的石料做成，在Y轴方向形成导向面，它由螺钉固定到带有中央凸起部分的底板10的顶面中心上。此外，一对平直的，由类似石料制成的第二导向件12，用螺钉对称地固定到与第一导向件11相对的两个侧面上，並从底板10的中央凸起部分的顶面向上部分地凸出。在如同图3所示的那种情况下，第一导向件11或者第二导向件12中的一个是通过螺钉16穿过第一导向件11或者第二导向件12，旋入胶结在底板10上的盲孔13内的固定件14的螺孔15内而固定到底板10上的。此外，在本描述中，X轴方向是指图2中所示的由右到左的方向;Y轴方向是指与图2所处的纸面垂直的方向;而Z轴方向是指从顶端到底部的方向，即图2中的垂直方向。其结果是，X、Y和Z轴是三个坐标轴，其中X、Y轴在水平面内，而Z轴是垂直于该水平面的，三个轴彼此相互垂直。

如图4所示，每个水平调整机具30包括：基座31，通常做成U型;滑块33装在该基座31内，其顶面做成斜面32;被旋入基座31向上伸出的部分的螺钉34，呈直线移动造成滑块33沿着基座31的底面移动;支承件36置于底座31上两个相对的侧面构成的侧壁内，並能在垂直方向上滑动，它有一个与滑块33上的斜面32相接合的斜面35，它紧紧顶在底板10的下面;通过转动螺钉34，经斜面32和35，可以调整底板10相对于安装台面1的高度，以便使底板10调整到水平位置上。

在第一导向件11的两个相对的侧面位置上，排列有多个直线度调整装置40，例如三对或多于三对，实际上采用16对或者32对这种调整装置，以便达到第一导向件11的直线度。如图5所示，每个直线度调整装置40都包括：固定块42，它采用胶结方式固定到底板10的上表面的槽17的侧面上，在该固定块上与其固定面相对的侧面是一个斜面41;活动块45上也有一个与固定块42的斜面41相接合的斜面43，活动块45上还有一个垂直面44，它紧靠在平行导向面18上，用于调节第一导向件11在X轴方向上，在与斜面43相对的一侧上的移动;固定件47采用胶结的方式固定在底板10上的盲孔19内，在该固定件上有螺孔46;而螺钉48穿过活动块45旋入固定件47的螺孔46内;为改变斜面41和43之间的接合位置，靠螺钉48旋入的多少来调节，从而使平行导向面18靠垂直面44的推移来调整第一导向件11的直线度。

金属工作台50置于底板10上，並能沿Y轴方向移动。与第一导向件11的平行导向面18相对的空气轴承51，固定在该工作台下面伸出的托架52上。在上下平行导向面20的外面，对着上导向面20装有相对来说较大的空气轴承53，用于调节第二导向件12在Z轴方向上移动。此外，在平行导向面20的外面，对着下导向面20还装有空气轴承54，该轴承经托架55固定到工作台50上，该工作台50借助于各空气轴承51、53和54靠很小的力就能在底板10上移动，靠第一导向件11和空气轴承51，可调整工作台在X轴方向上的位移，靠第二导向件12和空气轴承53和54，可调整工作台在Z轴方向上的位移，从而使工作台能够沿着Y轴方向直线移动。

此外，在底板10和工作台50之间，在Y轴方向上装有Y轴方向驱动机构60，用于驱动工作台50。如图6所示，Y轴方向驱动机构60包括：电动机62，它通过托架61固定到底板10上;进给丝杠64，它通过离合器63与电动机62的输出轴连接;丝杠螺母66，它与进给丝杠64啮合，並能在其上移动，该丝杠螺母经托架65固定在工作台50上;电磁制动器67，它包括一个固定在进给丝杠64上的回转圆盘和停止该圆盘转动的制动部分，用于停止进给丝杠64的转动;轴承68，它装在托架61上，並支承着进给丝杠64的一端;轴承69，它固定在第一导向件11上形成的槽21内，並支承着进给丝杠64的另一端;电气线路部分70，它装在托架61的下面，用于传递预定的电信号至电动机62等等。

如图2所示，由电动机62驱动的工作台50的进给量，由Y轴方向位移测量装置75测量出来，该装置包括装在第一导向件11上的刻度尺76和装在工作台50的托架52上的检测部件77，而为了测量工作台50的起始位置，即绝对位置，由置零装置80置于零点位置，该置零装置包括装在第一导向件11上的零点标记81和装在工作台50上的检测开关82。此外，工作台50的移动范围由配置在底板10上的挡块85和配置在工作台50上的限位开关进行调节（图中没有画出）。

参照图2，两个立柱90分别固定在底板10相对的两个侧面上。这些立柱是由螺钉25穿过通孔24旋入固定件23内，使其固定在底板10上，这些固定件通常呈双头杵（double-headed    pounders）式样，将它们分别镶入位于底板10相对的两侧面，沿Y轴方向多个位置上的孔22内。这些立柱由金属（例如铸铁）制成，而横梁100是由类似底板10的一种结构材料制成的，它做为不移动件横向地架在立柱90的顶端，並固定在其上。该横梁100固定到立柱90上的方式与立柱90固定到底板10上的方式相类似，其固定结构包括：由类似天然石料的材料制成的横梁100上的孔101，通常呈双头杵102式样的固定件102和螺钉104，该螺钉穿过通孔103旋入固定件102上的螺孔中。

滑座110支承在横梁100上，並能沿X轴方向移动，在横梁100的后面有一根导轨105，它用于沿X轴方向引导滑座110，还有一根刻度尺106用于检测滑座100的移动量。

如图7和图8所示，在横梁100的背面，有一个X轴方向驱动机构120，它用于在X轴方向驱动滑座110。该X轴方向驱动机构120包括：电动机122，它经托架121支承在一个立柱90上;进给丝杠124，它由电动机122经牙轮皮带（同步皮带）123带动其转动;轴承126，它回转地支承着进给丝杠124的一端，并经上托架125固定到托架121上;轴承128，它回转地支承着进给丝杠124的另一端，并经托架127固定到另一根立柱90上;丝杠螺母129，它与进给丝杠124螺旋啮合，并能轴向地移动;连接板130，它被固定到该丝杠螺母129上;托架133，它在俯视图上呈倒U型，它被固定到滑座110上，並支承着连接板130凸出部分的相对面。其支承方式是，连接板130在进给丝杠124轴向上不能移动，而在其径向上通过推力轴承131和调整螺钉132（在其前端有一个球形部分）则可以移动;以其一端固定在连接板130上的连接器134，在其俯视图中呈曲柄状;一对可滚动的滚子135，它们固定在连接器134的另一端，紧靠在横梁100后面的导轨105上，並将其夹紧，在摩擦力低的条件下，丝杠螺母129可沿进给丝杠124的轴向移动，並能锁住丝杠螺母129的转动;电磁制动器139，它包括一个固定在进给丝杠124另一端的前端的回转圆盘136和经托架137固定在托架127上的制动部件138，通过电磁力的作用，它可以将回转圆盘停住;靠电动机122的转动，驱动滑座110沿X轴方向移动，这样可以通过刻度尺106和与其相对的置于滑座110上的光学的或者类似的传感器118（参照图9）测量出该滑座110的位移量。此外，丝杠螺母129的回转锁紧不是由滑座110完成的，而且，丝杠螺母129由横梁100支承，它成为不动部件一侧上的一个装置，从而消除了在回转方向上作用到滑座110上的力，使得支承在滑座110上的测量元件部分的测量准确度不受影响。此外，推力轴承131、调整螺钉132和托架133构成了连接装置。

如图9所示，滑座110包括：一个X轴方向导向轴承箱112，它将横梁110围住，其中装有空气轴承111，每个空气轴承对着方形横梁100的每个面;在该X轴方向导向轴承箱112的前面，装有上下一对Z轴方向导向轴承盒114，其中装有空气轴承113，在俯视图中这些轴承呈方形排列;插在这些Z轴方向导向轴承盒114内，並能沿Z轴方向移动的Z轴装置180;Z轴方向驱动机构140，它由垂直装在X轴方向导向轴承箱112上的支架115支承;和一个锁紧机构160，它安装在支架115的顶端上，以阻止Z轴方向驱动机构自由转动，从而防止Z轴装置180降落。

Z轴方向驱动机构140包括：电动机141，它支承在支架115上;进给丝杠145，它具有较大的螺距，例如4毫米或者更大些，它由电动机141通过同步皮带142带动其转动，该丝杠在其上、下两端，由装在支架115的上部和下部的轴承143和144转动地支承住;丝杠螺母146，它由该丝杠145支承，并可轴向转动;一对可转动的滚子148，它们由该丝杠螺母146回转地支承着，並紧靠在导轨147的两个相对的侧面上，该导轨固定在壁面上（图中未画出），在图9中，支架115的这一侧面上，上述的一对滚子夹住导轨147的相对的侧面，並引导丝杠螺母不费力地在Z轴方向上移动，但是不能转动;一块连接板149，它固定在丝杠螺母146上;托架152，它通过推力轴承150和调整螺钉151（每个螺钉的前端呈球状）与连接板149的凸出端的顶面和底面相连，並被固定在Z轴装置180的顶端部分，由此Z轴装置通过托架152能够在Z轴方向被驱动。在这种情况下，由于推力轴承150部分做成在进给丝杠145相对于连接板149在轴向上不能移动，而在径向上可以移动的结构，结果是，因进给丝杠145的猛力移动、偏心或者类似的毛病造成的不良影响被吸收掉。

如图10所示，锁紧机构160包括：一个园盘161，它被固定在进给丝杠145的顶端上;一对摆动件163，它们彼此间分开一个预定的距离，该摆动件由一个托架摆动地支承在其中央部分，而该托架162被固定在支架115的顶端，而且摆动件的两个端部相对地置于圆盘161的一侧;螺栓164靠螺纹在摆动件163的一端与其端部相连接，螺栓164的前端呈球形对着圆盘161，在摆动件的另一端，由一根弹簧165限制在摆动件163的端部之间，用来给螺栓164偏置加压，使压在圆盘161的上、下两面上的压力相等並保持其不变;细长件166，它固定在这一对摆动件163中之一的另一端上;而一个气缸169经托架167固定到这一对摆动件163中另一个的另一端上，而且活塞杆168的前端与细长件166相连。当压缩空气送入气缸169中时，活塞杆168缩回，这一对摆动件克服弹簧165的弹力动作，使安装在螺栓164的该摆动件那一端张开，于是圆盘161就可以自由转动了。反之，切断送入气缸169中的压缩空气，这一对摆动件163朝着与上述相反的方向动作，通过弹簧165将圆盘161夹紧在螺栓164的前端部之间，于是进给丝杠就不能自由转动了，与此同时，与进给丝杠145啮合的丝杠螺母146也不能转动了，这样就阻止了经连接板149、托架152等与该丝杠螺母146连接的Z轴装置180由于重力作用而降落。

如图9所示，该Z轴装置180有一个外壳181，它是一个横截面呈方形的管筒，在其内部依次装有空气配重机构190和测量头装拆机构200。此外，一根刻度尺185装在该图中外壳181的后面，在支架115上装有检测器186用来读取刻度尺185的刻度值，这样Z轴装置180沿Z轴方向的移动量就可以由刻度尺185和检测器186检测出来。

如图11所示，空气配重机构190包括：一个气缸191，在其底端朝下呈开口式;一个活塞192，它可在该气缸内滑动;一个活塞杆194，其一端与活塞192连接，向外伸出的另一端，即活塞杆的顶端，穿过气缸191，並经过推力轴承193转动地支承在支架115的顶端部分;一个顶板196，它将气缸191的顶端封闭住，该顶板上还有一个管接头195，经电磁阀可以使气缸191内部与压缩空气源或者大气相通，（图中未画出）。使用这样的结构，储存在空气配重机构190的气缸191中的空气，就起到如同缓冲材料的作用，平衡了Z轴装置180的重量，这样一来，只要用很小的力就能在Z轴方向上驱动Z轴装置180。

如图12所示，测量头装拆机构200包括：分度电动机202，它封装並支承在上罩201内，该上罩固定在外壳181上;中间套筒204，它经齿轮系203与该分度电动机202的输出轴相连，並转动地支承在上罩201上;套筒207，它经联接器205与该中间套筒204呈以可轴向移动的同时传递回转运动的方式连接，並转动地支承在下罩206上，而该下罩支承在外壳181上，该套筒207与电动机202、齿轮系203，中间套筒204和联接器205共同构成回转驱动机构;第一齿轮211，它固定在套筒207的底端，构成作为多角位置啮合机构的联接器210的一个啮合件;第二齿轮212，它可以与第一齿轮211在多角位置上啮合，並构成联接器210的另一个啮合件;一膜片213，它是作为回转锁紧件，确保第二齿轮212能垂直移动而不转动;一个垂直移动活塞214的机构，在其底部与该膜片213刚性固定，並能与套筒207的外园垂直移动地配合;一个垂直移动气缸215的机构，在其内有滑动安放垂直移动活塞214的机构，並与固定在下罩206上的活塞214一起组成轴向驱动装置;一根弹簧216，它限制在该垂直移动气缸215的机构与该垂直移动活塞214的机构之间，用于使第二齿轮（经膜片213固定到垂直移动活塞214的机构的底端）朝着第一齿轮211方向固定偏移;一根中空的Z向测量轴220，其顶端固定到套筒207的底端上，以便使其与第一齿轮211一起转动，该测量轴经垂直安置的一个径向空气轴承217和一个推力空气轴承218可转动地支承在下罩206上，在该中空的Z向测量轴的底部有一个锥孔219，成为测量头夹持装置的安装部分，能够使测量头夹持装置250的一端放入其中;空气管道222用于将压缩空气分别经下罩206内的各通道供给上径向空气轴承217和下推力空气轴承218;一根驱动杆，它装在Z向测量轴220内，並可轴向滑动，在其底部有一个球座226，作为测量头支承装置，该装置有很多径向可移动、並可防止其掉出来的球体225;一种具氏弹簧228，它作为牵引装置，限制在驱动杆227的顶部和Z向测量轴220之间，使球座226移入Z向测量轴220内，由于在Z向测量轴220上有小直径导向孔221，致使所有的球体225向内凸出，由此与测量头夹持装置250的栓头部251接合;中间轴230，其底端经球体229与驱动杆227的顶端紧靠在一起，並能在套筒207内轴向地移动;活塞杆232，其底端经球体231与中间轴230的顶端紧靠在一起，並能垂直地移动;促动器235，其内封装多个可滑动的活塞233，这些活塞固定在活塞杆232的上端部，並将各个活塞233放置在用隔板234分隔成的多个室内，使其具有多个排成一串的多级压力接收面，並将该促动器固定在上罩201上;活塞杆轴向位置探测装置238，它有固定在活塞杆232中间部分的挡块236和一对相对安置的探测器237，该挡块236放在这一对探测器的中间，而整个探测装置则支承在上罩201上;凸起239，由Z向测量轴220的底端向外突出，用于测量头夹持装置250的定位;销钉241，隐藏在Z向测量轴220的底端，其作用与上述的凸起相似，在突出的方向上，靠弹簧240的弹性使销钉恒定偏移，它与测量头夹持装置有电传导联系;一个回转编码器245，它包括一个固定在中间套筒204上的转盘242和一个支承在上罩201上的检测器243，用于检测由分度电动机202引起的中间套筒204的回转角度，进而得知第一齿轮211的回转角度。

在具有上述装置的测量头装拆机构200中，促动器235克服贝氏弹簧228的弹力而动作，驱动杆227下降，球座226从导向孔221中松脱，使得各球体225能径向移动，这时测量头夹持装置250的栓头部251***该球座226中。在这种情况下，当促动器235由工作状态释放时，驱动杆227受贝氏弹簧228的作用上升，测量头夹持装置250的栓头部251被球座226拉入Z向测量轴的孔219中，受导向孔221和各球体225的作用，该栓头部251能接合並被握住，而垂直移动气缸215的机构，在接合並握住测量头夹持装置250，或者没有握住测量头夹持装置250的状态下动作，使垂直移动活塞214的机构克服弹簧216的弹力提起，于是联接器210的第二齿轮212和第一齿轮211彼此脱开，在这种情况下，当分度电动机202转动时，第一齿轮211靠齿轮系203、中间套筒204、联接器205和套筒207而转动。当垂直移动气缸215的机构由它的工作状态松开时，在转过一个预定角的状态下，第二齿轮212与垂直移动活塞214的机构一起受弹簧216和膜片213的偏置力而下降，致使第二齿轮212和第一齿轮211彼此在不同于初始位置的其他位置上啮合，于是第一齿轮211和第二齿轮212之间啮合的角度发生变化。在第一齿轮211转动的同时，Z向测量轴220经套筒207也一起转动，于是被球座226紧握的测量头夹持装置也转动，这样就能改变测量头夹持装置250的角位置，或者改变固定在Z向测量轴220底端的凸起239的位置，以便在下次安装时，改变测量头夹持装置250的安置角度。在这种情况下，第一齿轮211的转角由回转编码器245检测出来，该编码器包括固定在中间套筒204的中间部分的转盘242和装在上罩201上的检测器243。

如图13和图14所示，测量头夹持装置250包括：一个由上部零件254和下部零件255组成的座体256，其中上部零件254在其顶端带有栓头部251，在其底部有一个法兰盘252，在其中间部分有一个锥面253，下部零件255固定在该上部零件254的底面上;在上部零件254的法兰盘252上开有能与测量头装拆机构200的底端上的凸起239相接合的凹槽257，並与凸起239构成定位装置;导电套筒260，它经绝缘套筒258***並固定在下部零件255的底部，在其下部带有内螺纹259;导电销263，它可在该导电套筒260内的一绝缘衬套261内轴向地移动，並在伸出的方向上，靠弹簧262的作用保持恒定偏移;接触销266，它经一绝缘衬套265装在法兰盘252上，通过与装在测量头装拆机构200的底端上的销钉241接触导电，並与导电销263电气连接;在法兰盘252的底面上设有销孔268和接合槽269。在测量头夹持装置250下部的内螺纹259，是用来旋紧接触信号测量头270或者280的，这两种测量头都是发信号测量头，只是外形不同而已。每种测量头的底部都装有测量元件271或者281，而其顶部都有外螺纹272或者282。此外，接触信号测量头280还具有带测量元件281的可回转部分283，该回转部分283做成能够转动，並能在相对于有外螺纹282的主体284转动的某一位置上固定。

参照图1和图2，测量头存放装置290，装在工作台50上。如图15至18所示，该测量头存放装置包括：存放装置基座291，它固定在工作台的一端，也就是工作台50的后端;多块存放板293，它们固定在该基座291的顶部，每块存放板都有一个切口292，其开口朝着另一端，也就是朝着工作台50的前端，存放板距工作台50有一个预定的距离;在存放板293的顶面上，在切口292的相对两侧装有凸出的销钉294和295，使其与测量头夹持装置250的法兰盘252的底面上的销孔268和接合槽269相接合，並与销孔268和接合槽269一起构成测量头姿态保持装置;成对法兰支架296，它们装在存放板293切口292的相对的两侧，它们是由绝缘材料制成的，用于支承测量头夹持装置250的法兰盘252的底面;探测器297，它是一种舌簧接点或者类似元件，放在每对法兰支架296的切口内，用来探测测量头夹持装置250的存在;夹紧件300，它们当中的每一个在其一端回转地支承在托架298上，该托架固定在存放板293的底面上切口相对两侧中的每一侧上，夹持件另一端可以在置于托架298上的摆动控制销299限定的角度内摆动，並将其内表面伸到切口292的里面;片簧301限制在夹紧件300和托架298之间，用于使夹紧件300产生偏移，从而使其朝着切口292的里面伸出。经调整好位置的测量头夹持装置250置于该测量头存放装置290的存放板293上。在这种情况下，由于片簧301的作用，使夹紧件300产生偏移，从而阻止各测量头夹持装置250从存放板293上掉下来。

参照图1，标号310表示一个带有显示部分311的控制装置，通过外部设备，例如打印机、阴极射线管等等可以进行图像显示（图中没有画出），进而组成了具有计算、存储等功能的计算机***。可按照预定的程序来控制各部分的操作，放在工作台50上的是被测工件320，编号26是用于Y轴方向驱动机构60的褶叠式防尘罩，而编号27是侧盖板。此外，测量头装拆机构200和测量头存放装置290组成一个测量头自动装拆装置。

下面将描述该实施例的操作情况。测量头夹持装置250与具有预定形状的接触信号测量头270或280装在一起，置于固定在工作台50台面的测量头存放装置290的存放板293上，工件300也安放在工作台50的台面上並固定好。在这种状态下，当控制装置310发出预定指令时，Y轴方向驱动机构60的电动机62按该指令驱动，于是在图1中的工作台50，通过进给丝杠64等朝左运动，以便使测量头存放装置290置于Z轴装置180的正下方。另一方面，与Y轴方向驱动机构120执行驱动的同时，滑座110沿X轴方向运动，以便使Z轴装置180移至置于测量头存放装置290上的预选的测量头夹持装置250的正上方位置上。

在这种状态下，在滑座110内的Z轴方向驱动机构的电动机141动作，降下Z轴装置180，于是测量头夹持装置250进入孔219中，该孔是装在Z轴装置180中的Z向测量轴220的测量头安装部分。促动器235动作，克服贝氏弹簧228的弹力推下驱动杆227，于是球座226从导向孔221移出，所有球体225处于自由状态，以便使测量头夹持装置250顶端的栓头部251能容易地***球座226中。

随后，当促动器235脱离工作状态时，驱动杆227靠贝氏弹簧228的弹力提起，于是栓头部251被球座226拉入，此时测量头夹持装置250的锥面253与孔219接合，测量头装拆机构200底部上的凸起239***测量头夹持装置上的接合凹槽257内，进而测量头夹持装置250上的接触销266与测量头装拆机构200的销钉241接触，以便导电。

如上所述的测量头夹持装置，在由Z轴装置180的测量头装拆机构200握住的状态下，为改变接触信号测量头280的测量元件281的位置，可以采用下列步骤：使测量装拆机构200上的垂直移动气缸215的机构动作，克服弹簧216的弹力，向上提起垂直移动活塞214的机构，第一和第二齿轮211和212彼此脱开，这时，驱动分度电动机202通过齿轮系203和中间套筒204带动第一齿轮211转过一个预定的角度。

将测量头夹持装置250装在测量头装拆机构200上，如上所述调整好给定的角度，然后Y轴方向驱动机构60，X轴方向驱动机构120和Z轴方向驱动机构140按照控制装置310的指令驱动，装在Z轴装置180底端的接触信号测量头280的测量元件281，同工件320的预定位置接触，在接触时，该测量元件281在X、Y和Z轴方向上的位置由控制装置310存储起来，而该测量元件281与工作320的各接触点的测量工作是连续进行的，就这样完成了工件320的测量。当在测量该工件320需要更换接触测量头280时，如前所述的那样，Z轴装置180要置于测量头存放装置290的上方，放置在测量头存放装置290上的预选测量头夹持装置250安装到Z轴装置180上。在这种情况下，将使用过的测量头夹持装置250放回到测量头存放装置290上空出的切口292上。然而，放回操作应当这样进行：将Z轴装置180置于切口292的空位上，在此之后，使促动器235动作，克服贝氏弹簧228的弹力，降下驱动杆227，由球座226夹紧的栓头部251被放开，在松开的状态下，将Z轴装置180升起。

上述的实施例具有以下的一些优点：

更准确地说，在本实施例中，工作台做成可移动的，这样笨重的立柱90等就不需要移动了，而驱动机构，即Y轴方向驱动机构60需要的功率就小，而且由于惯量小，工作台50停止的位置可以精确。因为工作台50是分别靠两个平行平面导向的，该两个平行面由装在底板10上、作为X轴方向运动控制部件的第一导向件11和作为Z轴方向运动控制部件的第二导向件12构成，两个导向件能各自独立地调整，这与传统的V型导轨不同，因此工作台50的导向精度能得到改善。此外，在第一导向件11中，平行导向面18的直线度，可以通过校直装置40进行调整，由此，同样也可以提高导向精度。再有，第一导向件11和第二导向件12，是分别装在底板10上的。这样在加工导向面时，相对来说各面精修容易些，而且可以具有高精度。还有，测量头装拆机构200装在Z轴装置180里面，测量头存放装置放置在工作台上，而工作台做成可移动的，因此就能方便地实现接触信号测量头270和280的相互自动更换。此外，多个接触信号测量头是以其调整成不同姿态后放置在测量头存放装置290上的，接触信号测量头270和280互相更换所需的时间，实际上等于用接触信号测量头270或者280测量一个点所需的时间，因此，尽管接触信号测量头270和280互相更换，但是测量操作还是能够很快地完成。在这种情况下，每次互相更换接触信号测量头270和280时，接触信号测量头270或者280可以与原点位置接触（图中未画出），以便进行原点位置检查。如上所述，如果每次更换测量头后都进行原点位置检查的话，那么测量准确度还可以进一步提高。此外，用类似石头的材料制成的底板10、横梁100和立柱90之间的连接结构，采用螺钉25和104分别穿过通孔23和103，旋入镶在孔22和101中的固定件23和102中，这样，可以通过简单的装置达到可靠的紧固。此外，在用于沿X轴方向移动滑座110的X轴方向驱动机构中，与进给丝杠124啮合的丝杠螺母129的回转锁紧是靠装在固定横梁100上的导轨105，通过连接器134和滚子135实现的，因此，与传统的结构比较，滑座110在扭转方向上变形而降低准确度的缺点被消除了，在传统的结构中，回转锁紧是由滑座本身完成的。而且，将丝杠螺母129的运动引导到滑座上，是通过固定到丝杠螺母129上的连接板130实现的，在该连接板130、调整螺钉132和托架133上的推力轴承131在进给丝杠124的径向上是可以移动的，于是，由于进给丝杠124的径向偏移、偏心等影响测量准确度的所有有害因素都由连接板130和推力轴承131的径向位移而被吸收掉，这样加到滑座110上的不利影响得到避免。此外，在Z轴装置180上装有空气配重机构190，为此驱动Z轴装置180的工作力能够减到最小，这样用于驱动该Z轴装置180的电动机可以变成小型尺寸的电动机，随之滑座110的尺寸也可变小，重量变轻。再有，在Z轴方向驱动机构140中，由于进给丝杠145的偏心等不利影响，可以借助于连接板149和推力轴承150吸收掉，这与X轴方向驱动机构120的情况相似，因此，对测量准确度的不利影响可以避免。为了高速驱动Z轴装置180，要求进给丝杠145的螺距采用4毫米或者更大些。然而，当采用这样大的螺距时，如果在空气配重机构190中的平衡用空气，由于某种原因跑掉的话，那末就有可能出现由于Z轴装置的重力作用，使进给丝杠145转动，造成丝杠螺母146和Z轴装置180一侧发生自重降落。因此，在本实施例中，当压缩空气跑掉时，锁紧装置160能够依靠锁紧装置160的弹簧165，通过摆动件163和螺栓164强有力地夹紧固定在进给丝杠145的顶部的园盘161。这样，在空气跑掉时，进给丝杠145的反向转动能被有效地阻止，而且避免了由于Z轴装置的降落所造成的部件损坏。此外，在测量头装拆机构200中，驱动杆227的驱动源是采用有多个压力接收面的促动器235，因此，即使由于使用一般工厂的低压压缩空气，使得夹住测量头夹持装置250的贝氏弹簧变成强力弹簧时，该贝氏弹簧228的弹力也能被满意地克服而驱动驱动杆227，並将测量头夹持装置250可靠地装上。此外，由于采用测量头装拆机构200、分度电动机202的装置、联接器210以及垂直移动气缸215的机构，使得Z向测量轴转换角度成为可能。因此，固定到测量头夹持装置250上的接触信号测量头280的方向能够精确地和可靠地调整。测量头装拆机构200的中间套筒204和套筒207彼此通过可轴向移动的联接器205连接起来，于是，套筒207的轴向移动以及联接器210的第二齿轮的上升不会对装在中间套筒204一侧的回转编码器245产生影响，这样该回转编码器245的精度不会降低。Z向测量轴220和测量头夹持装置250用凸起239和接合凹槽257定位，因此安装到Z向测量轴220上的位置能精确地控制。当测量头夹持装置250安装到测量头存放装置290上时，定位是在销孔268、接合凹槽269和销钉294、295之间进行的，安装的位置能精确地得到。包括一对夹紧件300的夹紧装置，装在测量头存放装置290上，从而限制了由于工作台运动等原因产生的惯性力使得测量头夹持装置250从测量头存放装置290掉下来的可能性，这样就事先避免了意外事故。测量头存放装置290装有探测器297，从而能马上判断出测量头夹持装置250是否被安放，这样当已经使用过的测量头夹持装置250被放回时，从切口292能很容易地探测出来。另外，底板10和横梁100是由类似石头的材料制成的，这样可以有效地防止出现随着时间的变化精度下降的情况。底板10与第一导向件11或者第二导向件12之间的连接，是用螺钉16穿过第一导向件11或者第二导向件12与胶结在底板10上的盲孔13中的固定件14旋接固定的。这样的固定方便可靠。当压缩空气跑掉时，防止Z轴装置降落是这样实现的：当Z轴装置本身未停止运动时，而进给丝杠145停止运动，这样用很小的力量就能实现锁紧，而且锁紧机构160的结构也简单。

图19至图22是本发明的另一个实施例。在该实施例中，Z轴装置180的Z向测量轴是不能转动的。在本实施例中，与在前面的实施例中所示的各组成部分相同或者相对应时，在下面的描述中，将使用同样的***数编号，以便简化描述。

参照这些附图，空气配重机构190装在Z轴装置180的外壳181的上部，而Z向测量轴220固定到外壳181的下部。Z向测量轴220有一个锥孔219，作为测量头安装部分，並在其内部装有在轴向可移动的球座226，作为测量头支承装置。该球座226靠活塞杆232可垂直地移动。该活塞杆232置于带有隔板234的促动器235内，在促动器235动作的条件下，它能克服贝氏弹簧228的弹力，从小直径导向孔221内推出球座226，从而放开测量头夹持装置250的栓头部。该活塞杆232的移动可以由包括挡块236和一对探测部分237在内的轴向位置探测装置238探测出来。

在Z向测量轴220的底面有凸起239和两种类型的触点。更准确地说，如图21所示，在图20中的NO.1和NO.2位置上的两个触点是销钉241的样子，它与Z向测量轴220绝缘，做成隐蔽式的，並靠弹簧240使其偏移。另一方面，在图20中NO.3到NO.12位置上的各触点是固定的销钉243的样子，它们绝缘地固定在Z向测量轴220上。

与上述的坐标测量仪一样，测量头夹持装置250的更换方式与上述实施例的方式一样，不同的只是在本例中，测量头夹持装置250不能转动。然而，更准确地说在不需要回转的测量条件下，这种测量仪的结构简单，而且相应地生产成本也低，这就是本实施例的优点。

图23示出了本发明的又一种实施例。在该实施例中，Z向测量轴220不是用空气轴承支承，而是用普通滚珠轴承支承。另外，驱动杆227被省略了，活塞杆232的功能与驱动杆227相同，而且沿着活塞杆232安装的轴向位置探测装置238也被省略了。中间套筒204也被省略了，套筒207的功能与中间套筒204相同，其他各部分与在前面的实施例中的各部分基本上相同，只是在形状等方面有差别。

与上述坐标测量仪一样，测量头夹持装置250的更换与前面各实施例的方式一样能方便地实现。

图24示出了本发明的又一实施例。其中一种由普通回转驱动机构（图中未画出）驱动的自动回转转台58装在工作台50上。该仪器的其他各部分与图1中示出的实施例相同。使用该仪器能更满意地实现自动测量。

此外，在实施本发明时，在测量头装拆机构200中，栓头部251的支承部分，即球座226不一定非得采用上述结构，也可采用电磁机构支承或者弹簧夹头支承。此外，在测量头装拆机构200中，支承栓头部251的方法不一定被限制在上述实施例中所采用的那种方法，即栓头部251被固定支承，而可以采用下述方法，即在完全缩回时，栓头部251由测量头夹持装置250的锥面253与Z向测量轴220的锥孔219夹住。再有，X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的驱动机构60、120和160采用的电动机62、122和141，不仅可以采用交流电动机、直流电动机、脉冲电动机，也可采用空气马达、液压马达等。此外，在三根彼此垂直正交的X轴、Y轴和Z轴中，Z轴不一定被限制为垂直轴，X轴可以是垂直轴，在这种情况下，Z向测量轴应是水平布置。此外，在已结合实例的描述中，依据本发明接触信号测量头采用发信号测量头。然而，检测信号的方式不一定非得采用接触信号，也可以采用光电检测或者非接触式检测。此外，接触信号测量头不一定限于接触信号测量头270或者280本身，而是包括安装在测量头夹持装置250上的各种装置这一概念。再有，在前述的几种实施例中，在Y轴方向驱动机构60中，丝杠螺母64和托架65之间的连接是固定式的，但是本发明不限于此，也可以采用类似于X轴方向或者Y轴方向驱动机构120或140那样一种结构，即Y轴方向驱动机构60，仅容许在径向方向移动。

正如以上所描述的那样，本发明提供的坐标测量仪，在发信号测量头的装拆操作上，以及在测量元件的工作方向的变更上都表现出优点，工作效率也得到了提高。

本发明可在对工件进行三维测量时使用，而特别适用于在测量中，为使测量头适合于被测工件的形状，需要互相更换发信号测量头的情况。

Claims (18)

1、一种坐标测量仪。其中安装在工作台上面的被测工件和一个发信号测量头彼此相对地在三维方向运动，直接或者间接地建立起两者相互间的关系，而上述工件的尺寸和形状由两者间的相对位移量测量出来，其特征在于，上述测量仪包括：

一个工作台，它支承在一个底板上，工作台至少能在Y轴方向运动，而Y轴是相互垂直正交的X、Y和Z轴三根轴中处于水平面中的一根轴；

一个测量头存放装置，它固定在上述工作台上，用于直立地存放装有彼此各异的发信号测量头的多个测量头夹持装置；

一个Z轴装置，它安装在与上述工作台台面相平行且横向架装的横梁上，並在Z轴方向上呈滑动支承方式；和

一个测量头装拆机构，它装在上述Z轴测量装置上，並能将上述发信号测量头装在该机构上或者将其拆下；利用它从上述测量头存放装置上所存放的多个发信号测量头中选出的一个发信号测量头，能自地更换並安装在上述Z轴装置中。

2、在权利要求1所述的坐标测量仪中，其中上述测量头存放装置有多个朝着Y轴方向一侧开的测量头存放切口，並且在每个切口的周缘上与上述测量头夹持装置相接合。

3、在权利要求1所述的坐标测量仪中，其中上述的测量头存放装置包括：

一个存放装置基座，它固定在上述工作台的一端;

一种存放板，它与上述存放装置基座彼此留有预定的间距，並有朝着上述工作台另一端开的切口;和

姿态保持装置，它用于测量头夹持装置以一个预定的位置与上述切口接合。

4、在权利要求1所述的坐标测量仪中，其中上述测量头存放装置包括一个探测器，用于探测放在该测量头存放装置上的上述测量头夹持装置的存在。

5、在权利要求1所述的坐标测量仪中，其中上述Z轴装置经能沿X轴方向移动的一个滑座安装到上述横梁上。

6、在权利要求1所述的坐标测量仪中，其中上述测量头装拆机构包括：

一个中空的Z向测量轴，它有用于安装上述测量头夹持装置的部分;和

一个驱动杆，它能轴向滑动地安装在上述Z向测量轴内，並具有能径向移动的测量头支承机构。

7、在权利要求6所述的坐标测量仪中，其中上述测量头支承机构是一个有多个球体的球座。

8、在权利要求7所述的坐标测量仪中，其中当上述驱动杆被拉入上述Z向测量轴内时，由于在上述Z向测量轴的内表面上有小直径导向孔，上述球座的各球体部分地向上述球座的中空部分凸出，借此，将位于中空部分里的接触信号测量头的轴柄部分夹紧，而当上述驱动杆从Z向测量轴向外推出时，各球***于Z向测量轴的大直径孔内，使其能自由移动。

9、在权利要求6所述的坐标测量仪中，其中上述驱动杆在弹簧作用下，在轴向的一个方向上保持固定偏移，而上述驱动杆靠促动器克服上述弹簧的偏移力，在轴向的另一个方向上能强制移动。

10、在权利要求9所述的坐标测量仪中，其中上述弹簧的偏移方向是接触信号测量头被拉入上述Z向测量轴内的方向。

11、在权利要求9所述的坐标测量仪中，其中上述促动器的多个压力接收面排成一串地固定在上述驱动杆的轴向上，而工作空气同时输给各压力接收面。

12、在权利要求1所述的坐标测量仪中，其中上述测量头装拆机构包括用于探测上述测量头夹持装置是否安装在上述Z向测量轴的安装部分上的机构。

13、在权利要求1所述的坐标测量仪中，其中上述工作台是能转动的。

14、一种坐标测量仪，它包括：

一个工作台，它支承在一个底板上，它至少能在Y轴方向运动，而Y轴是相互垂直正交的X、Y和Z轴三根轴中处于水平面中的一根轴;

一个测量头存放装置，它固定在上述工作台的Y轴方向上的一端，用于存放装有彼此各异的发信号测量头的多个测量头夹持装置;

一个Z轴装置，它由滑座支承，能沿X轴方向移动的该滑座由横向架在一对立柱上的横梁支承，而该对立柱则固定在上述底板上，该Z轴装置能沿Z轴方向移动;

一个测量头装拆机构，它装在Z轴装置上，並装有能将上述测量头夹持装置装到该Z轴装置上，或者将其拆下的Z向测量轴;和

一个角度定位机构，用于转动改变上述发信号测量头的测量元件的方向。

15、在权利要求14所述的坐标测量仪中，其中上述角度定位机构包括：

一个回转锁紧件，它装在上述Z轴装置上，可轴向地移位但不能转动;

一个多角位置啮合机构，它有一对啮合件，彼此能够在圆周方向的多角位置上紧密啮合，其中一个啮合件装在上述Z向测量轴上，另一个啮合件装在回转锁紧件上;

偏置机构，用于在固定啮合方向上，偏移上述多角位置啮合机构的一对啮合件;

轴向驱动机构，用于克服上述偏置机构，使啮合件中的一件与另一件从啮合状态脱离;和

回转驱动机构，用于将与Z向测量轴一起的啮合件中的一件，在该对啮合件靠上述轴向驱动装置处于脱离状态下，转过一个预定的角度，从而改变该对啮合件啮合的角位置。

16、在权利要求15所述的坐标测量仪中，其中上述的啮合件包括第一齿轮和第二齿轮，而且上述第二齿轮可以在多角位置与上述第一齿轮啮合，並能垂直地移动但不能转动。

17、在权利要求15和16所述的坐标测量仪中，其中上述角度定位机构包括一个回转编码器，用于检测上述第一齿轮的回转角度。

18、一种坐标测量仪，它包括：

一个工作台，它支承在一个底板上，至少能在Y轴方向运动，而Y轴是相互垂直正交的X、Y和Z轴三根轴中处于水平面中的一根轴;

一个测量头存放装置，它包括一个存放装置基座，该基座固定在上述工作台的Y轴方向上的一端，用于在其上存放多个装有彼此各异的发信号测量头的多个测量头夹持装置;一种存放板，它与上述存放装置基座彼此留有预定的间距，並有朝着上述工作台的另一端开的多个切口;多个销钉，它们从上述每块存放板上伸出，用来与上述测量头夹持装置接合，以保持其在预定的位置上;一个探测器，用来探测在切口部位放置的上述测量头夹持装置的存在;以及多个夹紧件，它们装在上述存放板上，用于夹紧上述测量头夹持装置;

一对立柱，它们固定在上述底板上，以及一个滑座，它支承在横梁上，该滑座能够在X轴方向上沿着横架在上述立柱上的上述横梁移动;和

一个Z轴装置，它支承在上述滑座上，能够沿Z轴方向移动，而且其中装有一个测量头装拆机构，其中上述测量头装拆机构包括：

一个中空的Z向测量轴，它具有用于安装上述测量头夹持装置的部分;

一个带有测量头支承机构的驱动杆，它能轴向移动地安装在上述Z向测量轴内，通过上述轴向移动实现测量头夹持装置的安装和拆卸;

一个促动器，它有排成一串的多个压力接收面，用于沿轴向移动上述驱动杆;

驱动机构，用于旋转驱动上述Z向测量轴;

第一齿轮，它靠上述驱动机构驱动与上述Z向测量轴一道转动;

第二齿轮，它能与第一齿轮在多角位置上啮合，它通过一膜片能垂直地移动但不能转动;

一个弹簧，用来在啮合方向上固定地偏移上述齿轮;和

轴向驱动机构，它包括一个气缸和一个活塞，用于脱开上述第二齿轮与上述第一齿轮的啮合状态。

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