用于工件的线性尺寸检查的测头、系统和方法 【技术领域】
本发明涉及一种用于工件线性尺寸检查的测头，它包括一支承结构；一可相对于支承结构移动的臂组件，该臂组件带有一臂和连接在臂上的探针，以便接触被检查的工件的表面；以及一传感器，它连接在臂上和支承结构上，以便按照所述臂相对所述支承结构的位置产生信号。
本发明还涉及一种用于工件线性尺寸检查的系统，它包括前面提到的测头和一处理单元。
此外，本发明还涉及一种用于工件线性尺寸检查的方法，它利用包括所述测头和一处理单元的检查系统。
背景技术
例如，国际专利申请WO-A-98／20297公开了现有技术中的测头。
在已知的测头中，识别各测头地系列号通常表示在测头的壳体上或固定在壳体的板上。
涉及各测头具体特征的其它信息对于确定测头准备应用的型号来说是基本的。在如上述国际专利申请中所述的测头的情况下，必须知道(例如，其中包括)与臂比例(换句话说，就是存在于探针整体位移和传感器可移动元件的随之发生的整体位移之间的关系)、推力弹簧的作用力、预冲程和收回有关的数值。这些数值中的一些可在校准过程中被设定。
与这些和其它数值有关的信息通常出现在伴随着测头的技术资料上。此外，这种信息也可以字母数字顺序编码并与系列号一起显示在板上，以便以不能分解的和明确的方式匹配属于各测头的所有信息，并能使任何与此测头的具体用途有关、或必须进行操作以便给测头技术帮助的人以快速和安全的方式识别测头的性能。
从一方面讲，通过克服可能产生的遗失技术资料或在不同的测头之间的技术资料错配的问题，各测头的字母数字顺序(或“编码”)的提供、及编码与系列号匹配简化了一些操作方式，但从另一方面讲，在测头的使用寿命内将不允许修改由编码的数值识别的特征，除非放弃在测头上具有记录正确信息的可能性，或采取特殊的和复杂的程序来修改编码。
关于性能方面，如专利申请WO-A-98／20297所述的测头确保在相当大的测量范围内的高标准的测量可重复性(很显然，这取决于尺寸、所使用的测头的结构、传感器的类型)。某些不能达到非常高标准性能的因素(在特殊用途所需要的时候)与传感器输出信号的线性误差和范围、以及由于温度变化的而造成的所述信号的本质变化(然而它们可能较小)有关。
本发明的简要说明
本发明的一个目的是提供一种测头，以便克服现有技术中的测头的缺陷，特别在与测头的识别和使用规格有关的信息的处理方面。
权利要求1所述的一种测头可实现该目的并提供其它的优点。优点之一是，除了将前面所述的使用规格(例如)作为与测头在其使用寿命范围内接受的技术帮助和／或维修有关的信息外，可以简单、迅速和安全的方式保留和处理大量的、与测头有关的信息。这样，在已知的测头被加入用来识别和证明各测头的特定特征的资料的情况下，就不需要管理单独的资料(通常是纸张形式)。
本发明的另一目的是提供一种系统和一种检查方法，该系统具有至少一个测头，该测头能够克服由于线性误差和／或热量变化引起的传感器输出信号变化所产生的缺陷。
通过权利要求7和10所述的系统和检查方法可实现这些和其它的目的和优点。
附图的简要说明
现在，参考附图和非限制性的例子来详细描述本发明，其中：
图1是按照本发明的测量头的纵向剖视图；
图2是沿图1中的箭头II所示方向、即底部方向看去的测头局部视图；
图3是图1中的测头的一零件的放大视图；
图4是显示按照本发明的检查系统的框图；
图5是图4中的系统的两元件的电路框图；
图6是显示按照本发明另一检查系统的框图；
图7是显示在按照本发明的测头的输出信号中随热变化而发生的变化的图表；以及
图8是显示按照本发明的检查系统的一些元件的电路图。
实施本发明的较佳方式
图1和2显示的测头T具有一基本上是平行六面体形状的、带壳体1的支承结构，基本上设置在纵向方向上、带有臂2的移动臂组件，以及与臂的端部连接的探针3。支点4与壳体1和臂2连接，以便能使后者环绕着一横向轴线完成有限的转动位移，同时一传感器、具体地说就是位置传感器5检测臂2的位移并产生表示这些位移的电信号。传感器5是感应式的(LVDT或半电桥式的)，并包括与壳体1连接的线圈6和与臂2连接并可在线圈6里移动的磁铁芯7。推力弹簧8安装在壳体1和臂2之间，以便偏压探针3与被检查的工件10接触。至于这种类型的测量头、即特别适合于在机床(例如磨床)加工的过程中检查工件的测量头的更详细说明可参考国际专利申请WO-A-98／20297。
底座13位于壳体1的一侧，而两条耦合缝14和15位于底座13的相对壁上，并靠近壳体1的上述一侧。图3显示的电子识别和储存单元17安装在底座13里，并包括一基准和保护框架19，以及连接在该框架上的电子识别器27。框架19是用塑料制造的，并包括带有底部20和从底部突出的两弹性锁定部分22和两基准突出部24和25的整体结构。突出部24和25被用力插入耦合缝14和15，从而使它们位于底座13里，并将电子单元17锁定在底座13里。
所谓的“发送器”类型的电子识别器27位于并连接在弹性锁定部分22、23和框架19的底部20之间，并包括(例如，图5示意显示的)集成电路，它带有储存单元30、接受和传送单元31、动力供应单元32、驱动单元33和天线34。
所述的发送器27具有基本上象雪茄的形状，且长15mm。然而，发送器27和相关的框架19可具有另外的形状和尺寸。
天线34通常是用支承一线圈的铁素体芯子制造，天线34通过电感耦合方式与接受单元31和动力供应单元32连接。
储存单元30包括(例如)一具有大约1Kbit读写储存能力的EEPROM(电可擦除只读存储器)型存储器，并以双向方式、通过驱动单元33与接受和传送单元31连接。驱动单元33和储存单元30由动力供应单元32输送动力，该单元32仅包括由天线34接受的射频信号的磁场激活的被动电路。图4显示了一控制系统，除了图1所述的测头T之外，它包括一读写单元D和一与读写单元D连接的处理机、即通常所述的“个人电脑”PC。
读写单元D包括天线40和线路41，线路41带有连接单元42、编码／译码单元43和调制／解调单元44，如图5示意表示的。
当要求一单独测头、或更广泛地说是一“组”测头的特殊应用特征的校准和分辨率的操作完成时，与该测头的特殊构造有关的数值被收集起来(或，通过由一定数量的测头收集的数值的统计处理，确定适用于该“组”的平均数值)。在图1和2所示的测头T的情况下，这些数值可以表示(例如)臂比例、测量方向、相对预行程的设定和公差、以及测量力等等。
这些收集的(或这些统计确定的)数值、与通过简单的操作(图4)获得的识别各单独测头T(系列号)的数据一起被储存在发送器27的储存单元30里，它包括通过适当的软件和读写单元D将数据输入处理机PC和将数据传送给发送器27。具体地说，由射频通过天线40对数据进行编码、调制和传送。通过天线34被发送器27接受的信号一方面在动力供应单元32里产生供电电压，另一方面在储存单元30的适当区域内储存数据。用来传送的频率的一般数值是125KHz。
在(例如，操作者安排测头T的具体用途、或技术人员进行技术帮助和／或修理)需要知道储存的数据时，通过使用与类似的处理机PC连接的类似的读写单元D读出储存的数据。在这种情况下，处理机PC通过读写单元D将一信息需求信号传送给发送器27，而储存在储存单元30里的数据通过天线34传送给天线40，再通过读写单元D读出和在处理机PC中显示出来。
在数据和需求双向传送的过程中，天线34和40在几个毫米距离处相互面对。较适当的是，能够预见机械基准支座(图中未画出)，以便更快地限定天线40相对于测头T的壳体1的正确位置。
这种传送通过在测头T的壳体1一侧处的、用来支承发送器27的塑料框架19的底部20，并且不受在底部20外表面上可能存在的碎片或其它外来物体的影响。框架19除了能以简单快速方式将发送器28连接在壳体1上之外，还保证对发送器27里的零件适当保护，具体地说是在苛刻的环境条件下，如当它们出现在使用图1和2所示的测头T的工件里时。
因此，只需要非常有限空间的发送器27的存在就能够在测头T自身上储存识别的和表示特征的数据，并在需要时以非常简单和快速的方式提取这些数据。很明显，处理这些数据是方便的，从而能够利用这些数据来修改它们(例如，当测头T的性能变化时)，并总是维持正确的和更新的信息。此外，使防止储存在发送器27里的某些或所有数据(通过启动适当的操作键)被读出和／或写入的可能性得到保护，不让任何无权这样做的人不适当地获得或修改这些数据。
除了已经简要提到的数据，在发送器27里，还可以储存测头T在其寿命范围内经受的修整和操作有关的信息，以便具有经常及时的访问测头T的全部变化的可能性。这种类型的信息可包括(例如)关于维护或修理的数据(修理的日期、类型和所用的时间)，装运数据等等。
进行储存和然后读出的操作类似于前面所述的。
可储存在发送器27里的其它信息涉及在一测试设备上进行的校准过程中发现的、及在操作测头T以改进其性能的过程中准备使用的补偿数值。具体地说，这些数值可用来纠正传感器5输出信号的线性误差和／或由于热量变化而引起的后者的变化。
就线性误差来说，在测头T在特定的测试设备上进行校准的过程中可获得在线圈6里的芯子7操作位置的和通过传感器5输出的信号的对应的补偿数值的序列。将序列(例如)以表格形式通过处理机PC和读出／写入单元D、并通过执行类似于前面参考图4所述的操作储存在发送器27的储存单元30的适当区域里。
图6显示了一类似于图4的检查系统，它包括一处理、显示和控制单元U，并通过电缆与测头T和读写单元D连接。
当使用测头T(例如)来检查工件时和在实际的检查操作开始前，通过读写单元D从发送器27里读出补偿数值，并直接传送给处理、显示和控制单元U，单元U还接受测头T中的传感器5的输出信号。在检查操作过程中，传感器5的信号根据读出补偿数值在单元U里得到纠正。当这些数值表示出在传感器5里的芯子7和线圈6之间的相互位置的一离散的、虽然可能是高的数值的线性误差时，它还可能以已知的方式、以插入法处理这些数值，以便以基本连续的方式在测头T的整个操作范围内补偿传感器5的输出信号。
作为以表格形式形成和储存补偿数值的一种替换，可以处理在校准过程中发现的误差值，以便获得一补偿曲线，其多项式(一般是三次方)的系数可储存在发送器27里。
上述过程可使测头T在涉及的精度范围内、特别是接近传感器5的测量范围的终端处获得特别高标准的性能。此外，这种过程还能在不修改传感器机械性能的情况下获得较大的测量范围，同时精度基本保持不变。
在操作过程中储存在发送器27里并被测头T使用的补偿数值可在操作情况下直接读出，以便如上所述地校准测头T，或在属于同一“组”的、即具有共同性能的一定数量的测头的测试过程中由检测到的数据的统计学处理可获得。通过将由此获得的补偿数值供属于同一“组”的所有测头使用，可显著地改善精度，即使在不需要特别高水平的性能的情况下，此时，它将通过被补偿的线性误差的个别检测获得。
作为图6所示的、将读写单元D直接连接在处理、显示和控制单元U一种替换，也可通过图4所示的处理机PC读出储存在测头T的发送器27里的补偿数值，然后将这些数值以其它已知的方式输入处理单元U里。
另一种可能的补偿涉及由温度变化产生的测头T的可重复性误差，温度变化造成传感器5的性能变化。具体地说，如图7所示意表示的，S轴代表探针3的位移，M轴代表根据传感器5的输出信号得到的测量尺寸，直线Mo表示在基准温度to时位移S变化得到的测量尺寸，而直线MT表示在不同于to的基准tT时的同一尺寸。这些直线由下面的等式表示：
MT=Mo+[k1(tT-to)]+[Mok2(tT-to)]
这里不考虑较高次项，它们通常是可以忽略的。
[k1(tT-to)]项、或“零点漂移”表示当温度变化时、在传感器5的零位置处(S=0)处的测量尺寸变化，并用图7中的标号D0表示。
[k2(tT-to)]项、或“灵敏度漂移”表示因温度变化发生的传感器灵敏度的变化所引起的测量尺寸变化。
参看图7，可以发现[k1(tT-to)]项表示在S=0时两直线MT和Mo之间的距离，而[k2(tT-to)]项表示由两直接形成的角度。
系数k1和k2的值(由此可发现在已知基准直线M0和温度差(tT-to)时，测量尺寸MT的走向)可在测头T校准过程中通过实验方法得到。如按照传感器5的线性误差的补偿所介绍的，在这种情况下，系数k1和k2的值也可检测到并单独用于单个测头T、或在设计阶段被限定、或按照统计学处理得到，特别是与一定数量的、具有共同性能的、用来补偿具有这些性能的任何测头的测头有关的数据的平均值。这两种方法在测头的可重复性方面提供了有价值的改进，很显然，在第一种情况下提供的改进更明显。
至于将系数的数值储存在发送器27里所需要的操作、以及它们对处理、显示和控制单元U的传送是有关的，它们与先前关于其它信息储存和传送给发送器27所述的方式是相同的。
为了在处理单元U里补偿由于热量变化发生的误差，如先前所述，必须检测相对基准温度的温度变化(tT-to)。为此，可使用一种已知的温度传感器(例如“热敏电阻”)，将其插入测头T里。
另外，按照上面所述的测头T的性能，通过使用位置传感器5的零件来检测线圈6的电阻变化、并且用标志制造线圈材料性能相同的数据处理这些变化可获得与温度变化相关的指标。具体地说，温度变化可用以下方式计算出来：
(tT-to)=(RT-R0)／α
其中，(RT-R0)是传感器5的线圈6在温度t时相对于基准温度的电阻差，而α是取决于材料种类的一个常数。
图8显示了电源和配置电路，它可用所谓“半电桥型”的传感器5。图8显示了一交流电压电源50和一直流电压电源51，一加法器52，一带有分流电阻54的驱动电路53，一放大器55，一低通滤波器56，一第二加法器57，一衰减电路58和用来调节传感器5的输出信号的电路60。
通过电源50和51分别提供作为传感器电源的交流电压VAC和直流电压VDC，并进入加法器52里。在A点处，驱动电路53使电压保持基本稳定，而在分流电阻54两端处的电压降被放大器55放大和被滤波器56滤波，以便消除交流成分(在B点)。由电源51产生的直流电压通过衰减电路58获得的补偿电压Vos从这样获得的电压VB中减去(57)，从而在B＇点处得到电压VB＇，将电压VB＇提供给外部处理单元，以确定和计算温度变化。用已知的方式适当设置衰减电路58，使电压Vos基本上就是对应基准温度t0的VB的值。结果，当t=t0时，VB＇=0。
线圈6的电阻R在温度变化时发生的变化造成电流变化，以及随之发生的在分流电阻54两端处的电压降、及电压VB和VB＇的变化：通过周期性地检查后者的电压VB＇，就可计算对应温度t0时相对于基准值R0的电阻变化(RT-R0)，从而得到由这种电阻变化产生的温度变化。
按照方程式(因简化的缘故，这里不提供)，根据在B＇点处检测到的电压差进行的计算(RT-R0)包括如补偿电压Vos的数值、电流53和55的增益和电阻54的数值的已知参数。
调节电路60提供传感器在O点处的输出信号，它们属于已知类型，故这里不再详细介绍。
按照如上所述，使用安装在测头T的壳体1里的发送器27将提供储存的不同类型的信息(识别、性能、校准、补偿、…)的可能性，它们以不变的方式结合在测头T里，并可通过低价的普通单元、诸如读写单元D简单地、快速地和有序地读出。
本发明还可以有许多不同的实施例，例如，测头(可移动臂、探针和支点的形状和布置，可包括一开关的传感器的类型，等等)及基准和保护框架的结构。此外，发送器27可以不同的方式布置，例如，它可通过一适当的框架连接在测头的电缆的一部分上(图1和2显示了一条电缆)。这样，可将发送器27组装在一具有支承结构的测头上，而该支承结构没有专用底座13。