CN87100768A - 测量和定位装置 - Google Patents

Abstract

用于测量工件的装置包含一个和测量滑架 14无机械连接的传感或扫描头10。一激光束20射 向传感头10上的镜面18，经反射折射到光电转换 器S1、S2。传感头10运动时，反射光束24，24′，24″ 的位置发生变化，通过光电转换器S1，S2测定这种 变化，使滑架14跟踪传感头10的运动，就能精确测 得滑架14移过的距离△X，从而推算出传感头10的 位移。本装置的传感头10并不需要任何复杂的机械 导向器，从而可得到高度精确近似值和相当高的传感 速度，并能用于定位刀具。

Description

本发明系关于一种用于测量特定工件的装置，它包括一个检测工件的传感头，一个传感头之驱动器和一个确定传感头走向距离（△X）的测量工具。本发明也同一种用于定位特定刀具的装置有关，它包括一个刀架，刀架驱动器和确定刀架行程的测量工具。

已知的用来测量工件的测量装置都有一个对工件感应的机械传感头，该传感头由一个结构复杂，高度精密的导向器控制。要达到高的测量精密度，必须使用十分精密的导向器和刚性导向轴承。显而易见，这些已知测量装置的显著缺点在于那些高度精密的导向器极为昂贵。结构复杂的导向器还意味着要移动相对较大的质量，因此只能以很低的传感速度进行工作。

本发明基于进一步研制一种测量特定工件的装置和一种定位特定工具的装置的问题。上述的测量装置具有对工件感应的传感头，用于传感头的驱动装置，及用于确定传感头行程（△X）的测量装置，而所述的定位装置包括刀架，用于刀架的驱动装置，及用于确定刀架行程的测量装置，从而可大大省去高度精密的机械导向器，而且可以提高传感速度。

依照本发明的测量特定工件装置是这样解决这个问题的，在传感头上装有一镜面，一束电磁波，例如一束激光，对准镜面，传感头运动时至少有一个光电转换器检测反射波束的变化。

依照本发明的定位特定刀具装置是这样解决这个问题，也即在刀架上装一镜面，一束电磁波，例如一束激光，对准镜面，刀架移动时，至少有一个光电转换器检测反射波束的变化。

因此，根据本发明，传感头或扫描头和刀架同实际的测量工具之间无任何机械连接。这种耦合是由一束电磁波来实现的，最好是一束激光，而与导向器无关。

本发明的较佳实施例中，一个或数个转换器配置于一滑架上，滑架装有一驱动器，根据反射波束的变化控制滑架位置，并且测得滑架的行程。

也可以不将光电转换器固定安装于运动的滑架上，而将光电转换器装成静止不动，在滑架上装一镜面而且使传感头的反射波束对准上述的静止光电转换器或若干转换器。

可以如下方式使得滑架跟踪传感头或者扫描头或刀架的反射光束运动：即将光电转换器或数个转换器的输出信号保持不变。同时，滑架的移动响应扫描头或传感头的运动，从而足以达到高精度地测量滑架的行程。

传感头或刀架的运动方向和滑架的运动方向最好相互平行。在本发明较佳的实施例中，一束激光对准一个五角棱镜，以致其90°的折射与滑架位置无关。

如果传感头或刀架的运动方向和滑架的运动方向相互并不完全平行，滑架测得的只是位移的平行分量。若已知传感头或者刀架和滑架运动之间的夹角，就可以从位移的平行分量确定传感头或刀架的实际位移。

要减少对传感头或刀架的机械导向器的要求，可使两束平行激光沿一个测量方向对准传感头或刀架上的镜面，传感头或刀架相互间可有垂直偏移，结果，借助于垂直地配置于彼此上方的光电转换器的输出信号，就可以确定传感头或刀架相对于滑架的倾斜度，并予以校正。

在定位一种刀具时，可将所需的位置值预置于一个和滑架相联的测量刻度标上，并且同时使刀架跟踪以使刀架处于此预置位置。

如果传感头或者刀具镜面的反射光束和其入射激光束平行，就能使数个光电转换器和滑架得到一种特别简单的配置。

作为光电转换器最好配备一个二象限检测器，通过处理二象限检测器的输出信号实现滑架的跟踪。例如，当二象限检测器的输出信号之差为零时，就会出现传感头或刀架相对于滑架的调整。

运用已知的手段，可以十分精确测得滑架对于测量刻度标的相对位移。

依照本发明的测量和定位装置也适用于二维或三维的测量和定位。为此，二维或三维测量滑架互相之间呈正交地移动。

本发明还提供一种特别适用于上述装置的传感头，这种传感头能以很高速度移至被测刀具。

借助于附图，在下文中将详细阐述本发明的一些实施例。

图1表示一维测量装置的示意图;

图2表示二维测量装置;

图3表示另一个一维测量装置的实施例;

图4至10表示各种测量设备的示意图;

图11和图12表示一种传感头的示意图。

在以下关于附图的说明中，将参照一种用于测量特定工件的测量装置来描述本发明。所测得的传感头位移精确度高于1μm。但是也可以在刀架上装置刀具来代替传感头。以下说明有关传感头的情况也可类似地应用于刀架。

根据图1中所说明的一维测量原理，该测量装置包含一个传感头或扫描头10，一个激光器12和一个滑架14。滑架14上装有一个五角棱形结构的折射镜16，还装有光电转换器S1和S2。图中，实线表示传感头10和滑架14的开始位置，而虚线表示这两个零件的行进后位置。传感头10装有一镜面18，根据图1的实施例，该镜面是一面角镜（反光镜）。

激光器12的光束20射向五角棱镜16，经90°折射，对准传感头10。实施例中所示之传感头10的运动方向（图中未说明驱动器）和滑架14运动方向平行，滑架14沿导轨28运动。在任何情况下，五角棱镜16都保证激光器发出的激光束20偏转90°，而与滑架14的实际位置完全无关。图1中，偏转光束22射向角镜18的左侧，经过其另一侧的再次反射，恰好转过180°返回。因而传感头10的镜面18所反射的光束24，24′，24″平行于入射光束22，22′。

如图1所示，传感头10经过的△X位移对应于反射光束24，24′，24″经过的2△X位移。在起始位置（如图1中实线所示）扫描头的反射光束24以这样的一种方式准确地射向二象限检测器S1，S2，就是使其输出信号完全对称，即各光电转换器S1，S2的输出信号之差恰好为零。一旦传感头10沿“X”方向移动，两个检测量S1，S2的输出信号“X”也随之改变。为了使两个光电转换器S1，S2，的输出信号等于起始值，可用滑架14的驱动器26来调整前者的位置。为此，测量滑架14移动的距离△X必须和传感头10移动的距离完全相同。从测量刻度表30上，可用已知的方式很精确地读出滑架14的移动量，其精度高于1μm。

图2表示一个二维的测量装置，而且其中用光电测量简化了以往所要求的传感头10的机械导向。

光学元件和传感头10由底座29和支柱29′支撑。传感头10由一个尖端和水平调整臂11组成。镜面18和传感头10固定连接，有关镜面18下文还将详尽描述。

激光器12的输出光束射向一个折射镜32和一个半透明镜34。按照图2，一分光束经半透明镜34折射后向下对准折射镜36。这样激光器12的初始光束在两个垂直偏移面之间分开。两个分光束37，37′射在两个半透明镜38，38′上。经过半透明镜38，38′偏转90°后的分光束39，39′射向第一反光镜40，该反光镜和传感头10相连接。反射光束41，41′有垂直方向的相互位移，并且各自射向二象限检测器（图中未示出），然后进行类似图1的处理。因此，和两个半透明的镜38，38′相连接的第一测量滑架14可以在X方向测量MX。

具有两个垂直重叠激光束39，39′的装置可以检测传感头相对于测量滑架14的倾斜度。这样就可以完全不依靠导向器来确定传感头10的位置。因为如果传感头10有垂直方向的倾斜，信号MX1和信号MX2就有差别。尤其是，传感头10移动后，受跟踪的滑架14的新位置也予以固定，而且作为第一反光镜40的反射光束MX1和MX2高度间的中心位置，可以确定该测量平面，从反射光束MX1，MX2之间位置的增量比和所说的两个反射光束间的距离，可以确定传感头10相对滑架14的角方位。通过经分光器38，38′折射到光电转换器的激光位置间的增量比和上述激光束之间的距离，可确定滑架14相对于测量平面的角方位。借助于传感头10和测量平面间的距离，及已知的镜面18相对于测量平面的角方位，则可以确定传感头10的倾斜度。

可在Y方向上进行相对应的测量。为此，半透明镜38，38′传输的光束偏转到两个折射镜44，44′，然后由折射镜46，46′又作90°偏转折射到第二反光镜42，并在此再被反射，这两个在垂直方向上互为偏移的反射光束MY1，MY2各自射向二象限检测器（图中未予表示），然后以上述关于X方向的测值方式予以处理。因此，第二滑架14′可以作Y方向的测量。

图3表示了另一测量装置的实施例，该装置提供了另一光束路径。根据图3激光器12的初始光束经过两个透镜50，52扩展后，射向半透明镜54。部分扩展的激光束经过半透明镜54偏转90°，对准传感头上的平面镜56。平面镜56有一遮光板（见图5）。射向平面镜56的扩展光束在其两侧与遮光板58交叠。相对于遮光板58调整滑架14以使平面镜56反射的二束分光束60和62完全对称地射向二象限检测器的两个光电转换器S1，S2。相对于传感头10，滑架14也作同样的调整，结果使得两个光电转换器S1，S2的输出信号之差为零。当传感头10沿X方向移动时，通过驱动器26使滑架14也移过完全相同的距离，此距离可用已知的方式在小于1μm情况下从测量刻度表30通过箭头31读出。

图4到图10表示各种测量变量的示意图。

图4和图4a的测量结果对应于图1所说明的实施例。图4a表示角镜18的入射光束和反射光束的位置63。如果传感头10随角镜18移动距离△X，则反射光束24，24′的位置改变2△X。此外，必须将测量滑架14连同所固定的光电转换器S1，S2作相应量的调整，以及使转换器S1，S2的输出信号之差重新对应于预置值，例如零。

图5和图5a说明使用装有遮光板58的平面镜56的实施例，此实施例借助图3已有介绍。如图5和图5a所示，为了确定传感头10的位移，当传感头10沿X方向移动时，反射的分光束60，62在两个光电转换器上的强度分布随着改变，以致使得滑架连同两个光电转换器作相应地跟踪。

图5，图6和图7表示一种变量的测量方法，其中光电转换器S1，S2并不固定地安装在可动滑架14上，而是静止地配置。激光器12的初始光束射向串联排列的两个半透明镜70，72，然后射向固定安装在可动滑架14上的折射镜76。在图6所示的起始位置，两个分光束22，24由固定于传感头上各自的平面镜18′，18″反射回去，并入其分光束本身，又经过折射镜76作90°偏转后到达两个光电转换器S1，S2。因而在这个位置，两个光电转换器S1，S2的输出信号大小相等。根据图7，如果传感头10沿“X”方向移动，两个分光后的激光束之一（分光束24）射向两个镜面18′，18″之间的非反射区74，结果只有分光束22被反射回去。因此，反射光只照射一个光电转换器S1，而另一个光电转换器并未受到光线的照射。因此，输出信号有所差别。按照图8，直至两个光电转换器S1，S2的输出信号之差重新为零时，否则滑架14要沿“X”方向移动和传感头10所移动的相同距离。

图9表示测量装置的另一个实施例，其中两个光电转换器S1，S2并不和滑架14固定连接，而是静止配置。如果传感头10（图中未予示出）连同角镜18移动时，如同上文描述的实施例，反射光束24予以偏移，两个光电转换器S1，S2的输出信号之比随之改变。滑架14沿X方向相应的移动和传感头10在测量刻度标处的位移，如前所述可予以确定。

图10说明一种特殊测量刻度的配置。激光器12的初始光束20，经过固定安装于滑架14上的折射镜80射向传感头10（图中未予表出）的角镜18。反射光束24射向半透明镜82并经偏转90°后射转换器S1，S2。光电转换器S1，S2的输出信号以类似图9的实施例予以处理。半透明镜82能让一分光束穿过，该分光束穿过测量刻度标30，因而被刻度标的每一条分度线所吸收。折射镜84将此穿过的分光束偏转，使之对准另一个光电转换器S3，该转换器确定滑架14的位移。因为如前文所说明的，假使滑架14跟随带有镜面18的传感头10的移动，则穿过半透明镜82的分光束可由测量刻度标30所调制，并且可由光电转换器S3和随动计数器予以检测。

图11，图12，图11a和图12a分别表示一种特别适用于前述测量装置传感头的概略视图。

传感头10（见图1-图3）包括一个传感器90，该传感器和被测工件相连接。传感器90弹性地装于一个传感器腔92中，以便使传感器在所有三个方向相对于中心位置94可倾斜约±5mm。这样传感头10就可使工件具有相对较高的速度，并可毫无扰动地完全吸收由于惯量引起的冲击。镜面18固定地和传感器90相连接（参看图1-图10）。光束22，24的反射和测定结合图1至图10已有详细的描述。以图11，11a和图12，12a进行比较，可以看出相对于由马达（图中未予表示）驱动的传感器腔92，（在冲击被测元件时）传感器90可移入位置96，而不影响测量结果。图11a和图12a概略地表示镜面18和传感器腔92之间相对位置的立视图。如同所述，虽然镜面18和传感器腔92之间的相对位置改变，但光束同感应器90和固定连接其上的镜面18之间的相对位置并不改变，而这正是测量结果精确度的决定性特点。

Claims (19)

1、用于测量特定工件的装置包括一个感应工件的传感头10，用于传感头10的一个驱动器和一个用来确定传感头移过的距离△X的测量装置14，30，

其特征是：传感头10上装有镜面18；一束电磁波22，例如一束激光，对准镜面18；传感头10运动时，通过至少一个光电转换器S1，S2来测量反射光束24，24′，24″的变化。

2、用于定位特定刀具的装置包含一个刀架，一个刀架驱动器和一个用来确定刀架移过距离的测量装置，

其特征是：刀架上装有一镜面;一束电磁波，例如一束激光对准此镜面;刀架运动时，通过至少一个光电转换器来测量反射光束的变化。

3、根据权利要求1或2的装置，其特征是：一个或数个光电转换器S1，S2装在滑架14上;滑架14配有一个驱动器26;根据反射光束24，24′，24″的变化控制滑架14的位置;同时测定滑架14经过的距离△X。

4、根据权利要求1或2的装置，其特征是：装在滑架14上的镜面76能使传感头10或刀架所反射的光束24对准至少一个静止的光电转换器S1，S2;滑架14配有一个驱动器26;对应于反射光束24的变化，控制滑架14的位置;同时测定滑架14经过的距离△X。

5、根据权利要求3或4的装置，其特征是：射向传感头10或刀架的光束是由滑架14通过配置在滑架14上的镜面16反射的，以使传感头10或刀架移动时，光束的入射方向和/或入射点相对于传感头或刀架并不改变。

6、根据权利要求3至5中任何一项权利要求的装置，其特征是：一镜面，最好是一个独立位置折射镜16配置在滑架14上，此折射镜使激光束20折射到传感头10或刀架上的镜面18;滑架14的运动方向X，Y和滑架14的镜面16上的激光束20的入射方向相同。

7、根据权利要求3至6中任何一项权利要求的装置，其特征是：传感头10或刀架的移动方向和滑架14的移动方向互相平行。

8、根据权利要求3至7中任何一项权利要求的装置，其特征是：一个五角棱镜16配置在滑架14上作为镜面。

9、根据前述诸权利要求中任何一项权利要求的装置，其特征是：一个角镜或反光镜18配置在传感头10或者刀架上。

10、根据权利要求9的装置，其特征是：传感头10或者刀架的镜面的反射光束24，24′，24″和其入射光束22，22′平行传播。

11、根据前述诸权利要求中任何一项权利要求的装置，其特征是：配置一个二象限检测器作为光电转换器S1，S2。

12、根据权利要求3至11中任何一项权利要求的装置，其特征是：反射光束24，24′，24″在传感头10或刀架运动时发生变化，滑架14则予以跟随。

13、根据权利要求3至12中任何一项权利要求的装置，其特征是：滑架14是线性移动的;相对于线性测量刻度标30的其位移可予以测出。

14、根据权利要求2至13中任何一项权利要求的装置，其特征是：有两个可呈相互正交移动的滑架14，14′。

15、根据权利要求1至14中任何一项权利要求的装置，其特征是：传感头10或刀架上的镜面56含有一块遮光板58;镜面56的入射光束以这样的方式扩展，也即使入射光束射向遮光板58的两侧;两束反射光束60，62射向光电转换器，特别是如二象限检测器构成的转换器S1，S2。

16、根据权利要求15的装置，其特征是：传感头10的镜面56的入射光束是由一个光束分光器54反射的。

17、根据权利要求16的装置，其特征是：光束分光器54做成半透明镜，双束反射光束60，62可穿过此半透明镜。

18、根据前述诸权利要求中任一项权利要求的装置，其特征是：沿每一个测量方向X.Y，至少两个接***行的激光束射向传感头或刀架。

19、根据权利要求1或权利要求3至18中任何一项权利要求，用于该装置的传感头，其特征是：传感器90和镜面18刚性连接，尤其是角镜或反光镜;传感器90至少在一个测量方向上弹性地装于传感器腔92内，最好是沿三个方向相对于中心位置94富有弹性;传感器腔92由一驱动器移动。

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