接触感测探头制造技术

描述了一种接触感测探头装置（２），包括工件接触触针（６）、以机械方式连接到触针（６）的换能器（８；１０８）以及用于将交流电施加到换能器（８；１０８）上以便引起触针（６）发生振动的振荡器（３０，３１）。还提供有接触传感器，用于监测施加到换能器（８；１０８）上的电压和通过所述换能器的电流之间的相位差。所述振荡器（３０，３１）设置为在接触感测期间向所述换能器（８；１０８）提供第一频率的交流电。这个第一频率（４６）选择为引起机械共振但偏离机械共振顶部的最大值（４０）。所述探头可用于坐标定位机，例如便携式铰接测量臂、坐标测量机（ＣＭＭ）及类似装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种接触感测或"触碰"探头，其包括使用时发生振动的触 针。具体地，本专利技术涉及在坐标定位机上使用的探头，所述坐标定位机例如为便携式铰接测量臂、坐标测量机(CMM)等。
技术介绍
接触感测探头是已知的。GB2006435公开了一种具有接触元件(例如触 针)和压电换能器的接触探头，所述压电换能器用于在其共振频率上振动所 述接触元件。还提供有传感电路，通过感测施加到所述压电换能器上或由所 述压电换能器生成的电信号中的参数变化，所述传感电路检测所述接触元件 与物体的接合。US5247751描述了另 一种接触探头装置。US5247751所公开的装置还包 括换能器，RF信号施加在所述换能器上以便在其共振频率上引入所安装触 针的超声波振动。对施加在所述压电换能器上的表示触针与物体相接触的电 信号的变化进行监测。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，接触感测探头装置包括触针、以机械方式与所 述触针连接的换能器、用于向所述换能器提供交流电以引起所述触针振动的 振荡器以及用于监测施加到换能器上的电压与流过换能器的电流之间的相 位差，其中，所述振荡器在接触感测期间向所述换能器提供第一频率的交流 电，其特征在于，所述第一频率选择为引起机械振动但偏离机械共振顶点的 最大值。因此，本专利技术包括接触感测探头或触碰探头，所述探头包括触针和换能 器(例如，压电换能器)，所述换能器以机械方式连接到所述触针。还提供 有振荡器(例如，包括频率合成器)，用于生成交流电(AC)信号，所述交流电信号用于驱动所述换能器。在接触感测期间，所述振荡器向换能器提供 具有第一频率的交流电，从而使得所述触针在第一频率上发生振动。还提供 有接触传感器，用于监测施加到换能器上的电压(V)和通过换能器的电流 (I)之间的相位差，即，所述接触传感器监测所谓的V/I相位差。如果触针 与表面接触，则系统的共振属性发生改变，这阻止或改变了所述换能器的特 有振动，从而导致由所述接触传感器测量到的V/I相位差中的可检测的变化。探头具有对应于一个或多个不同振动模式的一个或多个固有振动频率。 因而机械共振将会在所述换能器在某个振动频率或振动模式上被驱动的任何时候发生。之前在GB2006435和US5247751所描述类型的振动接触探头 在未受阻挡(即，自由振动)的共振频率上，即在尽可能接近未受阻挡机械 共振顶部中的最大值的频率上，被驱动。然而，根据本专利技术，已经发现，在 引起共振但不同于固有频率中的最大值的频率上驱动所述换能器能够增加 所述探头的触针接触表面时出现的V/I相位差中的变化。这具有这样的优点， 即提供了一种与已知装置相比具有增强灵敏度的接触探头。有利地，所述第一频率选择为便得所述触头接触表面时施加在换能器上 的电压与通过所述换能器的电流之间的相位差中的变化最大。换句话说，所 述第一频率设定为使得在所述触针与表面接触时由接触传感器测量到的V/I 相位差中的变化最大。所述表面可以为要测量的物体或工件的表面、参考表 面等。方便地，所述装置包括频率调节器或频率设定装置，用于执行建立程序 来确定第一频率(即，将用于接触感测期间的频率)。有利地，所述频率调 节器设置为控制振荡器以便改变施加到所述换能器上的交流电的频率。所述 频率调节器还可以设置为分析施加到换能器上的电压与通过所述换能器的 电流之间的相位差，所述相位差为频率的函数。方便地，然后由频率调节器 将第一频率选择为等于与相对于触针的频率特性的相位差的局部梯度中的 绝对最大值对应的频率。有利地，所述第一频率选择为等于与相对于频率特 性的V/I相位差中正局部梯度和负局部梯度中至少 一个对应的频率。换句话说，所述第一频率优选地设定为小于或大于触针的固有振动频率 的最大值和/或对应于V/I相位差图形中最大梯度区域的频率。这可以通过在 频率增加时测量相邻频率步骤之间的V/I相位差中的变化而实现。如果它大于当前存储的最大值，则该相位差(及其相关频率)用于代替所存储的最大 值。然后步进到下一个频率并且重复以上过程，直至达到最大频率。有利地，所述频率调节器设置为在第 一频率范围上执行初始频率扫描。 这可以由用户启动或自动启动。例如，初始频率扫描可以在打开电源时或重 新启动时、更换电池之后、触针改变之后或检测到某种操作错误时执行。所 述第一频率范围可以较宽并可以包含装置的整个工作范围(例如，15-35KHz)。方便地，所述频率调节器设置为在第二频率范围上执行微调频率扫描， 所述第二频率范围比所述第一频率范围窄。所述微调频率扫描的第二频率范围优选地包含之前确定的第一频率。在初始化及微调频率扫描期间使用的频 率步进可以根据需要不相同或相同。在频率扫描期间频率步进还可以改变以 使得确定第 一 频率的正确性最大化并且执行频率扫描所需的全部时间最d 、 化。因而可以执行所述微调频率扫描以重新计算用于接触感测的第一频率。 如果随着时间的推移在探头的共振频率中出现微小变化，则执行所述微调频 率扫描可能会是必要的。由于已经在初始频率扫描期间确定了第一频率，所 以可以在窄得多的频率范围上执行微调频率扫描。例如，第二频率范围可以 为500Hz的范围并且可以以之前确定第一频率为中心。因为在比初始频率扫 描短得多的频率范围上执行微调频率扫描，所以通常执行比较快。这种微调 操作可以周期性地执行，例如，在探头离开备用模式以便进行测量的任何时 候均可执行。有利地，接触传感器设置为对施加到换能器上的电压与通过所述换能器 的电流之间的相位差和阈值相位差进行比较。阈值相位差值可以在计算第一 频率时由频率调节器确定。通常，所述阈值相位差设定为当未经阻挡的触针 在第一频率上振动时一定比例的V/I相位差。例如，对于正梯度，所述阈值 可以设定为所述频率调节器在第一频率上确定的V/I相位差值之下的第 4/180个数值。阈值的准确值将依赖于各种探头及操作环境因素；太高的阈 值会导致错误触发，而太低的阈值则会导致轻微的表面接触或与软性表面的 接触^l忽略。另外，所述阈值可以在使用时改变，这增加了例如在预计有表 面接触时的感测灵壽文度。有利地，所述装置包括接触信号线，所述接触信号线能够在施加到换能 器上的电压与通过所述换能器的电流之间的电位差降至所述阈值相位差以 下的任何时候可用。因此，接触信号线提供了触针何时与表面接触的指示。 在所述接触信号线与其相关的装有探头的坐标测量臂或测量机之间可以提供电连接；这允许所述坐标测量装置在发生表面接触的任何时候存储或输出位置数据。所述接触传感器可以包括用于测量所述换能器上电流的电流表以及用于 测量所述换能器上的电压的电压表。所述电流表可以包括用于测量与换能器和振荡器串联的电阻上的电压的电压表。正弦电压(V)信号和电流(I)信号可以被转换为方波信号，可以对这些信号的上升边缘和/或下降边缘之间的时间延迟进行测量以确定相位差。V/I相位差可以用绝对时间间隔表示或者用参考时钟产生的计数表示。所述接触传感器可以包括现场可编程门阵列(FPGA),所述FPGA配置为监测电压和电流相关信号之间的相位差。所述 FPGA还可以被编程以实现频率调节器或控制振荡器的操作。有利地，所述换能器包括至少一层压电材料。优选地，所述换能器包括 压电堆叠，所述压电堆叠包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种接触感测探头装置，包括触针、以机械方式安装到所述触针上的换能器、将交流电提供给所述换能器以便引发所述触针振动的振荡器以及用于监测施加到所述换能器上的电压和流到所述换能器的电流之间的相位差的接触传感器，其中，所述振荡器在接触感测期间向所述换能器提供第一频率的交流电，其特征在于，选择所述第一频率以便引起机械共振但是将该第一频率选择为偏离机械共振顶部的最大值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：尼古拉斯约翰韦斯顿，詹姆斯弗格斯罗伯逊，
申请(专利权)人：瑞尼斯豪公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]