專利名稱：計量儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量探針，更具體地說是能夠對工件上的多軸變化作出反應的測量探針。
歐洲專利第240151A號中的一個實施例提供一個用于計量儀的多軸連續測量探針，更具體地說是一種與一個測量儀配合使用的對工件的三維變化作出反應的形狀測量裝置，這種測量儀帶有移動探針的裝置，因而所得到的數據是探測信號與位移信號的函數。
用于形狀測量的連續探針與觸發探針不同。連續探針通過與工件連續接觸來測量其形狀。整個測量工作可能對工件的每一給定面積進行一系列的測量，由于工件的三維形狀，探針必須在每兩次這種測量之間重新定位。這種探針易于與觸發探針區分，后者進行間歇的接觸，以獲得坐標測量讀數。此外，觸發探針有一個機械限定的靜止位置，由此靜止位置確定一個固定的基準位置，由這個基準位置出現所有的位移，而這個基準位置必須總是可復現的，即針頭的位移觸發一個給出接觸點坐標的輸出信號，而不是將探針自身的位移測量值作為輸出信號。
熟悉計量學專業的人都知道，測量探針在一個限定的位移范圍內操作，并且它們在這個范圍內的操作精確度是標定的。從英國專利第1499003號中得知，其針頭在X，Y和Z軸上位移的探針由分離的多組彈性懸浮裝置，即三組垂直的片簧提供，針頭的靜止位置就是每組彈簧的松弛狀態。對于這些探針，它們的大小限制了探針接觸復雜工件的能力，它們的運動部件的慣性又限定了數據收集的速率。
數據收集的速率直接與探針的頻率響應相關。該頻率響應是與探針針尖跟隨輪廓外形變化的速度相關的參數-如果頻率響應不足，針尖就可能與工件脫離接觸，在連續形狀測量中這點必須予以避免。例如在圓度測量中，工件是在一個轉盤上旋轉-旋轉的最大速度主要是由測量探針的頻率響應來控制。具有較高頻率響應的探針允許使用較大范圍的旋轉速度，并促進了在這種旋轉速度下探針跟隨輪廓外形變化的能力。因此，一個較高的旋轉速度增加了數據的獲得率以及用于工件檢查的儀器的能力，即合適的頻率響應增大了多軸探針相對于單軸探針的優越性，為完成所有的測量數據，后者需要數次重新定位。
探針的頻率響應受到探針運動部件的慣性和針頭測量剛度的影響。高的慣性減少頻率響應，而高的測量剛度增加頻率響應。因此良好的頻率響應只能在具有高測量剛度的高慣性探針上獲得。然而，高的測量剛度必然會引起由針尖施加到工件上的大的力，如果這個力太大勢必會降低用這種探針進行的測量準確性。
英國專利第2004656號公布了另一種具有多軸位移能力和基準點位置的測量探針的結構，這種探針用固定在殼體的邊緣上的彈性件將針頭裝在殼體上，其基準點位置由彈性件推動一塊安裝板使針頭接觸殼體來確定，針頭從這一位置繞著幾個不同的樞軸點移動。這一安排也同樣存在上述缺點，特別是在精確度和結果的重復性(由于由多于一個樞軸點而引起的機械變化)以及頻率響應方面。
英國專利GB2112139號公布了一種多根線纜和作用在包括一個針頭的各個部件上的彈簧結構。彈簧中沒有一個是反向的，而且似乎沒有東西可以阻止所有的彈簧同時閉合。所有部件似乎都能任意地扭轉，而且并沒有表示出針尖的運動如何能夠產生出測量輸出信號。
本發明的目的是克服這些缺點，提出一種探針，它具有更高的精確度，所獲的結果的可重復性和加強頻率響應的特點。此外，對于在一個圓度測量儀上進行的形狀測量而言，由本發明的實施例可以認識到，在針頭的軸向方向上(Z方向)探針的剛度要求比針頭在X，Y方向上移動的探針剛度更高。這個測量剛度是與施加在針頭上使其位移的測量力相連系的。
在一個實施例中，還保證了使用中的針頭重新定位不會損害結果的重復性。
本發明包括各種不同的方式。其中一個方式提出了一種測量工件用的探針，它包括由相反方向作用的回復力安裝懸置針頭的裝置，這些回復力中至少有一個是彈性力，以便確定一個平衡的靜止位置。
可以配置調整回復力中至少一個回復力的裝置。
所謂彈性力就是一種其強度隨著逆彈性力方向上的位移而增加的力，例如一般由彈簧施加的力。由于力的強度隨著位移而變化，所以，它可以用來抵抗一個或多個其它的力以確定一個平衡位置。應當注意到，雖然相對的一個力或幾個力在實際上一般都是彈性力，但并不一定要求他們是彈性力。如果一個彈性力被一個恒力所對抗，平衡將出現在彈性力等于恒力的位置。
本發明的另一種方式是提供了一種在工件上進行多軸連續測量的探針，它包括一個由相反方向作用的回復力懸置安裝的針頭，這些回復力中至少有一個是彈性力，以便確定一個平衡的靜止位置。
這種多軸探針可以在它的測量范圍內，在X，Y平面和沿著其Z軸自由活動。靜止位置名義上位于X，Y軸的交點(在X，Y平面范圍X，Y的假想中心)和在沿Z軸向外運行的終端。針頭沿任何方向位移后，它將回到該近似的靜止位置，實際上這個近似靜止位置將位于理論中心10個微米范圍內。某一靜止位置和上述靜止位置之間的差異并不構成測量上的誤差，因為針頭的正確靜止位置總是由傳感器信號讀數而知的。
這種探針的針頭的移動并不限于在X，Y或Z方向上不連續的平移運動，而是，例如，它可以跟隨一個在X，Y平面上的弧形路線移動。
在本說明中，探針針頭的運動被描述為弧形指的是在這種運動中針頭是傾斜的。這種運動可能，但并不一定是必然的對這種傾斜有一個單獨的恒定中心，使針尖在球面上移動。通常探針有一個沿著Z方向的縱向軸線，在其靜止位置時針頭沿這個方向垂直延伸。由于針頭的傾斜，在X和/或Y方向上的弧形運動常常會伴隨一些Z向位移。因此在本說明中提到針尖在XY平面內和在X，Y或XY方向的移動和位置并不意味著針頭的Z坐標值一定是固定不動，而是指在Z方向上不存在任何施加力的情況下，由于X和/或Y方向的力引起的針尖投射到XY平面上的運動和位置。XY方向是在XY平面上的任何方向。
根據本發明另一種方式，一種測量工件的探針包括一個主體和一個針頭或針頭固定性，該固定件帶有一個由許多力之間的平衡而限定的相對于主體的靜止位置。在這個實施例中，探針有一個針頭固定件，其上帶有針頭或可以安裝針頭，力首先作用在針頭固定件上。但是，使力直接作用在針頭上的安排也是可以的。
通常，探針包括第一和第二彈性件，第一彈性件按第一方向作用在針頭或針頭固定件上，而第二彈性件按與第一方向相反的第二方向作用在針頭固定件上。也可能還有一個或多個彈性件，每一個都以與第一方向相反的方向作用。
另一種方式是探針可以包括一個彈性件，其第一部分以第一方向作用在針頭或針頭固定件上，而其第二部以與第一方向相反的第二方向作用在針頭或針頭固定件上。
探針最好包括一個彈性膜片，該膜片在針頭或針頭固定件的靜止位置被預加應力形成一個圓錐形狀。這種預加應力使膜片穩定，并且如果它被用作針頭或針頭固定件弧形運動時的樞軸的話，改進了它的性能。
如果它的一個分力逆平行于另一個分力的話，一個方向被認為與另一個方向相反，也就是說它有一對平行分力但相互方向相反。如果兩個彈性件或部件不能同時被卸荷，它們就互相對持。
根據另一種方式，一種用于對工件進行多軸連續測量的探針包括一個殼體，一個針頭組件，一個彈性膜片，通過這個膜片針頭組件被安裝在殼體上以便在X，Y和Z方向上移動，若干個傳感器與針頭組件相連，被布置的所述傳感器根據針頭組件相對于殼體的移動產生傳感器信號，其中彈性偏壓裝置和所述膜片的安排使所述針頭組件由相反方向作用的回復力所懸置，這些回復力中至少有一個是彈性的以便確定一個平衡的靜止位置。
各種傳感器在本技術領域內是人們熟知的，此處用電感式傳感器作為例子，但其它型式的傳感器如電容或光學傳感器也能應用。
根據另一種方式，一種在工件上作多軸測量的探針包括一個殼體，一個針頭組件，一個籍此將針頭組件裝在殼體上，以便使其在X，Y和Z方向移動的彈性膜片，與針頭組件相連接的多個傳感器，被安排的所述傳感器根據針頭組件相對于殼體的運動發出信號，其中，所述膜片在針頭的靜止位置上預加應力。
根據另一種方式，一種在工件上作多軸測量的探針包括一個殼體，一個針頭組件，一個借此將針頭組件裝在殼體上，以便使其在X，Y和Z方向移動的彈性膜片，多個與針頭組件連接的傳感器，被安排的所述傳感器根據針頭組件相對于殼體的運動發出信號，其中，布置了一些連接機構，以根據針頭組件的運動將每個傳感器的移動元件的移動限制為基本上是直線移動。
在一個優選的實施例中，傳感器是電感式傳感器，而活動元件是一個電樞傳導管。
根據另一種方式，測量探針包括
一個主體;
一個針頭或針頭固定件;
第一回復裝置，這種裝置將針頭或針頭固定件相對地裝到主體上，以便移動通過一段測量范圍并在主體和針頭或針頭固定件之間施加一個第一回復力。
第二回復裝置，這種裝置作用在主體和針頭或針頭固定件上并在其間施加一個第二回復力以對抗第一回復力;和至少一個傳感器，這種傳感器根據針頭或針頭固定件的位置或移動發出一個輸出信號;
第一和第二回復裝置，這種裝置在整個所述的測量范圍之間提供相互對抗的第一和第二回復力。
針頭還包括一塊適合于磁性和可移動地安裝在一塊安裝板上的定位板。該定位板和安裝板通過在其中之一塊板上的間隔元件放置在其中另一塊板上的支座裝置中而予以對齊。該間隔元件可以是球狀件(例如球支承)，而支座裝置可以是一條凹槽或者是一種由幾個支座元件形成的支座，例如間隔開的滾柱支承。間隔元件可以等角度間隔安排。
根據本發明另一種方式，提出了一種將針頭安裝在一個用于形狀測量的探針上的方法，其中針頭由吸引力吸附在針頭固定件上，針頭和針頭固定件各有相互接觸精密定位的表面，這兩個表面在吸引力的影響下相互作用將針頭推壓在針頭固定件的一個預定位置上。
一般說來，為了要提供精確的測量輸出信號，測量儀需要進行校準工作。這對于弧形運動的探針似乎已成為一個特定的要求，但是除探針以外的儀器和非弧形運動的儀器也要求校準。
目前已知的校準坐標測量儀有Renishaw plc提供的檢查測量儀的檢驗儀器，基本上如1989年英國標準(British Standard)6808，第三部分中的

圖10所示。這個檢驗儀器包括一個其上有一個支承的底座，有一個支臂的一端裝在該支承的一端上，該支臂能有角度地自由活動，但在縱向上是固定的。一個其上裝上一個針頭的接觸觸發探針裝在一個坐標測量儀上進行校準，針頭在檢驗儀器支臂自由端處的叉形接頭上運動。操作坐標測量儀使針頭(連同其檢驗儀器支臂)繞檢驗儀器支承的頂部以各種角度轉動，并在每一個靠近支承頂部處的角度采集一個接觸觸發讀數。檢驗儀器支臂裝置的縱向坐標，即針尖在其向內移動的極限處所到達的所有各點都在一個共同的球面體上，該球面體的半徑由檢驗儀器支臂的長度確定并且其中心在檢驗儀器支承頂部的樞軸處。坐標測量儀對這些點中的每一個讀數可以作為比較，估計它操作中的體積誤差。
但是，這種方法只能用來校準一個坐標測量儀。在探針作為坐標測量儀的一部分的情況下，所有在校準過程中被比較的信號都是來自這個測量儀，沒有一個是來自一個獨立的校準設備。在探針與坐標測量儀分離的情況下，這個方法校準的是測量儀而不是探針，并且這個方法假定探針本身是精確的和已被校準的。這個方法的公開描述中只述及使用一個接觸觸發探針。
在國際專利WO 88/06714號中公布了一種測量儀的校準裝置，其中測量儀的兩個部件之間產生的相對移動使測量儀工具接觸觸發探針放在一個工件上。該測量儀包括移動工具或探針的裝置和沿著三個軸測量運動的刻度。在這個校準裝置中，工具或探針的真實位置是通過測量從它反射的一條激光束而得的。刻度的校準是通過將工具或探針沿著激光束朝著激光器或離開激光器的傳輸線移動，然后將刻度位置輸出信號與由激光束測量的真實的工具或探針位置作比較進行的。校準誤差可以貯存在一個誤差圖內。激光束可以沿著X軸方向，Y軸方向或沿著對角線方向引導。在這種校準裝置中，測量軸是由刻度來限定的而不能由校準工作來確定。同樣的，也沒有提出將這種校準裝置用在不能限定自己的軸的裝備上。此外，在每兩個校準活動之間必須移動激光裝置，因為這個校準活動一定要沿著激光束傳輸線進行。因此工具或探針的移動不可能根據由校準裝置限定的一個共同基準位置精確地給以校準。
對于一個具有其針頭可以在X和Y方向偏離軸線結構的探針進行精確的測量，如果探針的校準僅是使針尖沿著一條隨X軸校準X坐標的測量信號和沿Y軸校準Y坐標的測量信號的通路移動是不可能獲得最好的結果。因此，校準操作應當考慮在校準操作期間針尖的雙維移動，因而X和Y坐標都可以對在XY平面內針尖的任何位置予以校準。這個校準操作將根據探針輸出信號的非線性而有較大或較小的數值。
根據本發明的另一種方式，提出了一種校準一個其針尖能夠在至少兩維移動的連續測量探針的方法，它包括下列步驟a)由探針獲取其針頭在多個位置上的一系列探測數據，b)對應于上述多個位置獲取與探針無關的一系列位置數據，c)比較探測數據和位置數據，以得出用于將探測數據校正為校正過的探針位置數據的校準參數。
其特征在于所述多個位置中包括限定一條直線的第一點和第二點，和一個偏離這條直線的第三點，為第一，第二和第三點的每一個點所得出的位置數據限定探針相對于一個共同基準點的位置。
最好這多個位置中還包括一個第四點，它偏離由第一和第二點限定的直線，由第一和第三點限定的直線和由第二和第三點限定的直線中的每一條直線，以便第四點所得出的位置數據限定探針相對于所述共同基準點的位置。
因此校準可以考慮不在同一條直線上的多個點的探測數據，并且在所有這些點上的探針位置可以參考一個共同的基準，因而可以相對于一個共同基準點予以校準。探針最好沿著一條彎曲路線通過這些位置。
根據本發明的另一個方面，提出了一種校準一個其針頭能夠在至少兩維移動的連續測量探針的方法，它包括下列步驟a)由探針獲取其針頭在多個位置上的一系列探測數據，b)對應于上述多個位置獲取與探針無關的一系列位置數據，和c)比較探測數據和位置數據，以得出用于將探測數據校正為校正過的探針位置數據的校準參數。
其特征在于校正的針頭位置數據限定針頭相對于XY平面內的一條基準軸的位置，在這個平面內這條基準軸的方向由位置數據決定，該位置數據與探測數據的XY平面上的任何基準軸無關。
根據本發明的另一個方面，提供了一種校準一個具有能夠在至少兩維移動的針頭的連續測量探針的方法它包括下列步驟a)從探針獲取其針頭在多個位置上的一系列探測數據，b)對應于上述多個位置獲取與探針無關的一系列位置數據，和c)比較探測數據和位置數據，以得出用于將探測數據校正為校正過的探針位置數據的校準參數。
其特征在于校準參數為一個或多個轉換函數提供了參數，這些轉換函數將探測數據轉換成所述校正的針頭位置數據。
這些函數可以包括一個或多個多項式，校準參數為這些多項式提供系數。這些多項式可以在探測數據中包括二階或更高階項。這些系數可以分步確定，只有當一些系數保持為常數時，另一些系數值才能決定。
根據本發明的另一方面，提供了一種校準一個具有能夠在至少X，Y平面內移動的針頭的連續測量探針在X，Y軸位移的方法，它包括如下步驟從探針針頭在給定位置上的輸出信號獲得一系列的探測數據，對上述給定位置獲取獨立于探測輸出信號的一系列相應的位置數據，然后在探測數據和位置數據之間進行換算，以得出用于校正測量信號的校準參數，最后將用于測量操作中的測量函數與所述校準參數配合，由此，在隨后的測量操作中，探測輸出信號被處理以產生校正的測量信號。
在該方法的一個實施例中，校準操作是這樣進行的，即先將探針置于一個帶有一個工件轉盤的形狀測量儀上，然后從傳感器輸出一系列傳感器信號予以處理，從而確定在校準函數中的校準參數值。這個校準專門校正探針的X，Y測量平面。對于探針主要用于形狀測量的地方，針尖在X，Y(兩維)平面上的位移一般是至關重要的。
根據本發明的另一種方式，提供了一種校準測量探針的方法，以便用校正的X、Y軸測量信號的輸出分別表示探針針頭在X和Y軸方向上的位移，所述形狀測量探針包括針頭，相對于探針殼體的安裝方式允許針頭可以兩維移動;和若干個根據所述針頭移動輸出關于所述針頭位移的傳感器信號的傳感器，所述的校準使所述校正的測量信號輸出取自所述傳感器信號，其中所述探針的校準包括下列步驟1.將探針布置在相對于位移裝置的一個預定位置上，以便使針頭沿著一條限定的路線移動(在其操作范圍內)，2.驅動位移裝置使針頭沿著所述規定的路線移動，3.收集作為傳動數據的每個傳感器對針頭每一系列間斷的測量位置的每一位置的傳感器輸出信號，4.收集對于所述不連續的測量位置中的每一個給出針頭的測量位置的位置數據，5.在傳感器數據和位置數據之間進行換算，以便獲得校正測量信號的校準參數，6.將所述校準參數進行貯存，以便在隨后的測量操作中傳動機輸出信號被處理，以產生所述校正過的測量信號。
在一個優選的實施例中，位移裝置被驅動使針頭沿著所述限定的路線以間斷的間隔移動，而間斷的測量位置由所述間斷的間隔確定。
在另一種方式中，位移裝置被驅動，使針頭沿著所述限定的路線移動，而間斷的測量位置可以是傳感器數據被收集的位置。在一個實施例中，針頭沿著一系列同心圓移動，位移裝置的運動可以是連續性的，沿著一條圓形路線行進，傳感器數據在沿著該路線間斷的位置處收集，當旋轉的半徑需要調整到一系列同心圓中下一個圓形路線時。針頭的移動出現中斷。
通過將針頭安排在一個繞著形狀測量儀的旋轉盤旋轉中心的環路上(正如一個最佳實施例)，針頭相對于旋轉中心的位置就可以精確地定下來。可以認識到，旋轉半徑R和旋轉角θ可以使任何給定測量位置的X，Y坐標被計算出來，X＝R SINθ和Y＝R COSθ是公認的。
因此，對給定的一系列針頭的移動獲得傳感器輸出信號(并將其轉換成尺寸信號)，這些傳感器輸出信號與從旋轉半徑R和旋轉角θ測量的位置數據計算出的X，Y坐標作數學上的比較。使用已知的方法就可以將這些傳感器輸出信號從模擬信號轉換成數字信號，并調節這些數字信號，以對應于一個給定的測量范圍。例如，在對應于±2mm的徑向位移的探針針頭的操作移動范圍內，傳感器輸出信號可以調節到相當于一個數字輸出信號的±10，000畢特(bits)。在這個實施例中存在各種算法，其中有許多校準參數。這些參數被要求以便(調節和數字化的)傳感器輸出信號能夠被處理，給出尺寸測量信號。這種校正應考慮到針尖在X，Y平面上的實際移動和探針與傳感器的特性，否則這些因素可能會使測量信號失真。
X，Y坐標值是從一些表達式中計算出來的，在這些表達式中，常數(參數)是由探測數據(測量出的)和位置數據進行計算確定的。不論探針的傳感器的數目多少，這種方法是適用的。
假定探針有多個傳感器，其傳感器輸出信號為t1……tn。在換算步驟中，對每個測量位置的X，Y坐標值是從位置數據中得出的，并被用來為表達式X＝f1(t1……tn)和Y＝f2(t1……tn)得出校準參數，其中函數f1，f2中包含校準參數。
在已描述的探針實施例中，探針具有與一個稱為探針X軸的軸相連系的多個傳感器，其傳感器輸出信號為X1，X2和與一個稱為探針Y軸的軸相連系的多個傳感器，其傳感輸出信號為Y1，Y2。在這種情況下，對每一個測量位置的X，Y坐標的數值是從所述位置數據中得出的并用于為表達式X＝f1(X1，X2，Y1，Y2)和Y＝f2(Y1，Y2，X1，X2)得出校準參數，其中函數f1，f2中含有校準參數。
在另一實施例中，探針具有三個等角度安排的傳感器，其輸出信號為t1，t2，t3。在這種情況下，對每一個測量位置來自于X，Y坐標的數值是由位置數據中得出的，并用于為表達式X＝f1(t1，t2，t3)和Y＝f2(t1，t2，t3)得出校準參數，其中函數f1，f2中含有校準參數。
不論在哪一種情況，函數f1，f2的每一個都是從傳感器輸出信號得出的一個第一測量表達式和一個第二校正表達式的乘積中計算出來的，第一測量表達式與測量軸相關連，第二校正表達式與垂直于測量軸的軸相關連，以便校正由于探針非軸向運動引起的傳感器數據中的變化。
對于其傳感器輸出輸出為X1，X2，Y1，Y2的探針，X坐標的測量表達式為(A1·X1+A2·X2+B1·X21+B2·X22+C1)，其中A1，A2，B1，B2和C1都是校準參數，并且這個表達式可以與校正表達式(D1·Y1+D2·Y2+E1·Y21+E2·Y22+G1)相乘，其中D1，D2，E1，E2和G1都是校準參數。同樣情況，對于Y坐標的表達式在下文中給出。
對于其傳感器輸出信號為t1至t3的探針，X坐標的測量表達式可以是(A1t2+A2t3+B1t22+B2t23+C1)，其中A1，A2，B1，B2和C1都是校準參數，這些表達式可以被校正表達式所乘，校正表達式為(D1t1+D2t3+E1t21+E2t23+G1)，其中D1，D2，E1，E2和G1都是校準參數。對于Y坐標，相應的表達式為(A3·t1+A4·t3+B3·t21+B4·t23+C2)，其中A3，A4，B3，B4和C2是校準參數，和(D3·t+D4·t3+E3·t22+E4·t23+G2)，其中D3，D4，E3，E4和G2是校準參數。
如上所述，位置數據是從表達式X＝R(SINθ)和Y＝R(COSθ)中得出的，其中R是針尖從旋轉軸的所述徑向距離，θ是所述的角位移。對于探針相對旋轉軸位置上形成的誤差可以通過計算校正。這類誤差可以考慮在校準參數C1，C2，dR1，dR2和dθ1，dθ2中，其中C1，C2代表探針的允許偏心距，dR1，dR2為徑向距離R的偏移，dθ1，dθ2為角位移θ的偏移。確定表達式X＝(R+dR1)·SIN(θ+dθ1)和Y＝(R+dR2)·COS(θ+dθ2)中的dR1，dR2和dθ1，dθ2數值，就可實現校正。
用兩個偏移參數dR1，dR2的原因是進行了兩次換算，X，Y軸各做一次。將兩個值dR1，dR2做比較能對校準的精確度作進一步的核查(將在優選實施例中進一步予以敘述)。
根據本發明的另一個方面，提供了用于校準一個連續測量探針的校準設備，它包括使探針的針尖在XY平面上移動并根據針尖所移動到的位置提供位置信號的移動裝置;將探針相對移動裝置安裝的安裝裝置;和接收所述位置信號和來自探針的信號，并由此決定校準數據的裝置，以便根據所述位置信號校準來自探針的信號。
移動裝置可以被驅動使針尖穿過若干個在XY平面上的點移動，這些點包括確定一條直線的第一和第二點和一個偏離這直線的第三點，并提供相對于所述第一，第二和第三點中的每一個的所述位置信號，該信號指出針尖相對于一個共同基準點的位置。
根據本發明的另一個方面提供了校準一個測量探針的設備，校正的X和Y軸測量信號的輸出分別表示X和Y軸方向上探針的位移，所述測量探針包括一個針頭，針尖相對于探針殼體的安裝允許針頭作兩維的位移，還包括若干個根據所述針頭的移動輸出與針頭位移相關的傳感信號的傳感器，所述校準使校正的測量信號的輸出來自于所述傳感器信號。該設備包括將探針安排在相對于位移裝置的一個預定位置上的安排裝置，以便使針頭沿著一條限定的路線移動，所述位移裝置被操動，使針頭沿著所述確定的路線移動;輸出作為傳感器數據的每一傳感器對針頭一系列間斷的測量位置的每一位置的傳感器輸出信號的裝置;對所述測量位置的每一個輸出針頭的給定測量位置的位置數據的裝置;傳感器數據和位置數據之間進行一次換算，以便獲得校正測量信號的校準參數的裝置，和貯存所述校準參數以便在隨后的測量操作中傳感器輸出信號被處理以產生所述校正過的測量信號的裝置。安排裝置可由形狀測量儀攜帶的支臂提供。位移裝置可由形狀測量儀的旋轉工件轉盤提供。在所述旋轉轉盤上安排有導引裝置，用以與所述探針針頭的針尖相接觸。其安排使轉盤旋轉時，針尖沿著一條限定的路線移動。接著，測量位置的位置數據由針尖的旋轉半徑R和其角位移θ確定。
在一個實施例中，導引裝置與一個滑塊相連，使導引裝置的移動能變化所述旋轉半徑R。在這種情況下，旋轉半徑R的漸增變化是由嵌入插塊來確定的。
在另一種方式中，轉盤可以有與其相連的定心裝置，用于其沿它的XY軸移動。
一個角度編碼器可與位移裝置相連，以便提供不連續的角位移的測量信號。
申請人自己銷售了一種形狀測量儀，其商品名稱為TALYROND 300，該測量儀作為這類儀器的例子予以說明。該儀器裝有一個定心轉盤，由此工件的位置可以以1.0微米(μm)的遞增沿著轉盤的X和Y軸移動。這種儀器可以使放在工件盤上的導引裝置移動，以便繞著工件盤的旋轉軸遞增針尖的旋轉半徑。
這種校準方法的優選實施例的優點在于使針頭安裝在繞針頭平衡位置至少180°隔開的地方上，校準裝置不會與針頭脫離接觸。
根據本發明另一種方式，提供了用于在校準操作期間接納和導引一個連續測量探針的針頭的導引裝置，在這個操作期間針頭移動穿過許多從其靜止位置移開的位置，該導引裝置包括一對相互相對安置的支柱，使這兩個支柱同時接觸針頭并將釘頭壓靠在它們之間，在使用中，導引裝置的位置須使支柱朝著橫向于針頭離開其靜止位置的方向互相對齊，從而使促使針頭重回至其原來位置的力迫使針頭靠著支柱。
根據本發明的另一種方式，提供了用于校準一個帶有一個針頭及針尖的測量探針的導引裝置，它包括一對支柱(例如，固定的滾針支承)，其排列和間隔須使其能將準備校準的探針針尖以活動接觸的方式容納在其間。
一些實施例還公開了一種可拆卸安裝針頭的針頭組件，該組件利于針頭替換，不需要再校準。
下面將參照附圖，僅以舉例的方式對本發明多種實施例予以敘述，其中圖1表示測量探針的第一實施例的正面圖(大部分為剖視)，該探針包括一個殼體和一個針頭組件;
圖2表示圖1所示探針的分解透視圖，其中針頭已卸去;
圖2A表示圖1和圖2中的片簧的形狀;
圖3表示圖1中沿A-A線截取的剖面圖;
圖4和5是針頭組件可分開部件的平面圖;
圖6是圖1中探針的變更型的示意圖;
圖7是圖1中探針另一種變更型的示意圖;
圖8表示測量探針另一實施例的正面圖(大部分為剖視)，該探針也包括一個殼部和一個針頭組件;
圖9表示圖8所示探針的分解透視圖，其中針頭已卸去;
圖10表示圖8中沿AA線截取的剖面圖;
圖11表示圖8所示探針的部分放大斷開圖，局部為剖視;
圖12和13表示圖8所示針頭組件的可分開部件的平面圖;
圖14和15表示本發明第三個實施例的縱向剖面圖;
圖16表示圖15沿ⅩⅥ-ⅩⅥ線截取的水平面的端部視圖;
圖17表示一個膜片和預載彈簧組合體;
圖18示意地表示圖17中的組合彈簧的使用方法;
圖19表示一個實施例中的校準儀的部分透視圖，其中插有用于校準儀上的導引裝置的平面圖;
圖20表示與圖19中測量儀器相關的數據處理裝置的方框圖。
圖1至圖5表示一個與測量儀相結合使用的測量形狀和尺寸的測量探針10。探針10包括一個殼體20，一個包括一個彈性膜片40的針頭固定件或組件30，針頭50就是利用該針頭固定件或組件安裝在殼體20上的，以便在正交的X，Y，Z方向上移動。這種針頭的移動不是平移的，而是在XY平面上作弧形的移動，針尖的XY移動是通過傾斜針頭完成的。
四個傳感器60(圖1中只表示了兩個)裝在殼體20內，四個連接機構70將針頭組件30連接到傳感器60上，使其根據針頭組件30相對于殼體20移動產生電信號。針頭組件30使針頭50安裝在膜片40上，這樣，針頭50的任何移動都被傳遞(以后將作說明)到傳感器60。
針頭組件30包括一個安裝環32和一個安裝板34，它們將膜片40卡緊在其圓周上。膜片40同心地連接在殼體20上。從圖2中可以看到，安裝環32有一個圓周壁32A和一個下部徑向延伸面32B。安裝板34包括一個用于將膜片40卡緊在安裝環32的延伸面32B上的上部34A，和一個帶有一個圓周壁34C的直徑減小部分34B，圓周壁34C上裝有四個緊固調節器36。在安裝板的底面34D上有一塊磁鐵38和幾個球形件(例如球支承)39，以備安裝針頭50。針頭50包括定位板52，從定位板向下延伸至針尖56的針桿54，針尖56與工件接觸以實現測量目的。
從圖4和5中可以看到，安裝板34的球支承39與針頭50的定位板52上的定位凹槽58對準。針頭50可以從針頭組件30上卸下來，當它位于其應用的位置上時，就被磁鐵38吸住在該位置上。固定在安裝板34上的球支承39，其大小必須使磁鐵38與針頭定位板52的頂部之間能留出一個空氣間隙。這種安排的目的是，如果針頭50遇到過大的力或者在XY的方向上遭到障礙物，它就能自行從安裝板34上脫開，這種情況在安裝環32碰到殼體20時出現，它形成一個阻擋件，限制針頭組件30的傾斜(也包括向上的軸向運動)。這種安排保證了當任何一個針頭卸下又重新再定位時，它將會準確地再回到它原來固定的位置上，由此避免了再校準。
可以注意到球支承39和定位凹槽58是以120°的角度等角度間隔開的。
從圖2中可以注意到，安裝環32，膜片40和安裝板34上分別設有組裝孔32E，34E和40E由連接件(未顯示)將它們連接在一起。
殼體20的下端適合于安裝膜片40，并由此安裝針頭組件30。為此目的，從主殼體心部的徑向延伸底面20B(該表面構成上述的阻擋件)向下突出一個中央凸臺20A，主殼體心部由部件20C，20D和20E組成。膜片40用一個固定件24卡緊在殼體凸臺20A的中央，固定件上具有擰緊孔24A。殼體凸臺20A與安裝環32在探針軸向上各自的尺寸應當是這樣，即如圖1所示，在安裝環32的頂部和殼體底面20B之間必須有一個間隙，這個間隙提供針頭組件30的移動測量范圍。如前面所述，如果針頭組件30在運行途中在XY方向遇到障礙物時，底面20B就作為一個限制阻擋件使針頭50自行脫開。底面20B也作為向上Z方向運行的限制阻擋件，但在這種情形下，針頭50不會自行脫開。
殼體20的構形還設置有一個中心孔25以容納連接桿26，連接桿上裝有固定件24。連接桿26穿過殼體延伸從而使各部件對中，并由一個螺母固定。殼體20的構形還設置了容納剛性連接機構70的腔室27和容納傳感器60的腔室28。從圖中可以清楚看到殼體部分20C連同其底面20B具有一個十字構形，在這構形中四個連接腔室27有規則地間隔設置。連接腔室27具有一個直線圍著的構形，帶有一個內壁27A，朝外的壁27B，壁27C平行于壁27A，和更朝外的壁27D，它延伸至殼體的周邊，腔室27從探針向外敞開。腔室27是由每一個鄰接的殼體部分20C，20D和20E的凹進部分所形成的。這三個殼體部分20C，20D和20E將一對板簧或片簧80A，80B夾在它們之間，其形狀如圖2A所示。
最下面的片簧80A同心地夾在殼體部分20C和20D的中間。片簧80A有一個夾在殼體部分20C、20D的軸向端面之間的環形部分和徑向向外突出的肢狀部80C(圖3)，其構形類似于片簧，還有葉片80D。葉片80D也是有規則地間隔開，但是與肢狀部80C隔開，以便能夠被夾在殼體部分20C，D的那些延伸至周邊的部分之間，如圖3所示。片簧80B的構形與片簧80A的形狀相同，安裝在殼體部分20D和20E的端面之間。這對片簧80A，80B有幾個作用，其中之一是對針頭組件30的靜止位置加壓，另一個作用是作為導引裝置以保證針頭組件30和傳感器60之間的連接裝置(以后將予敘述)的直線運動，再一個作用是使線22處于張緊狀態從而對膜片40施加預應力。
傳感器60安裝在殼體部分20E的四個等角度間隔的腔室20G內。傳感器60包括線圈60A和支持在電樞傳導管60C上的電樞60B，電樞傳導管穿過殼體部分20E上的通道20H以與連接腔室27相通。張緊的線22從被緊固調節器36緊固的安裝板34延伸至電樞傳導管60C，兩者在60D處相連接(圖1)。剛性的連接機構70將一對片簧80A，80B夾緊在一起，并固定地連接在電樞傳導管60C上。可以看到，每個連接機構70都包括四個部件70A，B，C和D，它們由連接裝(一根螺栓)70E牢固地連續在一起(圖2)。部件70A和B夾緊片簧80B的肢狀部80C，而部件70C，D夾緊片簧80A的肢狀部80c。連接部件70C帶有與電樞傳導管60C相連接的裝置。如上所述，在剛性連接機構70和電樞傳導管60C之間的這一連接是剛性連接，因而針頭組件30由張緊線22傳到電樞傳導管的運動，也傳送到剛性連接機構70和片簧80A，80B。如以后將得知的，傳感器60具有穿過腔室20G的上部線路(未顯示)，因而傳感器的信號可以由測量儀來處理。
針頭組件30用膜片40來安裝并通過張緊線22連接到片簧80A，80B上，這種探針的結構使針頭50處于靜止位置時，片簧80A，80B和膜片40以及線22都處于預張緊狀態。在圖1中，膜片40和一對片簧80A，80B的放松位置(即未受力狀態)分別由線B，C和D指示。利用張緊的線22(每個傳感器和每個肢體物80C用一根)，膜片40和片簧80A，80B被保持在圖1所示的位置上，在這個位置它們被預加應力。針頭組件30的靜止位置，也就是針頭50的靜止位置是相對的彈性體，即膜片40和一對片簧80A，80B建立的一個平衡位置。在這個位置，由片簧80A，80B作用的彈力與膜片40作用的相對立的彈力是相平衡的。這意味著針頭組件30的靜止位置是這樣一個位置，即針頭組件30彈性地被保持在這個位置上，并且可從這個位置朝任何方向位移。
從圖3中可以注意到，連接件29在殼體部分20C，D和E界定連接腔室27的區域內穿過這些部分，從而將各部件以旋轉對準的方式夾緊在一起。還可以注意到剛性連接機構70由定位銷70F對齊定位，定位銷平行地配置在連接件70E的兩側。
應當注意到，張緊線22穿過安裝環32限定的開孔，并穿過膜片上的開孔40A和安裝板上的開孔34F(圖2)。開孔34F與緊固調節器36對齊以便在裝配階段可對張緊線22的長度進行調節，從而對片簧80A，80B和膜片40預加應力，這種調節是通過將一塊墊塊(未顯示)放在剛性連接機構70上面的連接腔室27內，將另一塊墊塊(未顯示)放在剛性連接機構的下面并使安裝環32與其相接完成的。這樣就保證張緊線確定在一個正確的長度，然后墊塊被移去。
在圖1至5中的探針，其針頭的長度通常為100mm，其針尖在XY方向上的最大偏移是±2mm。
在Z方向上的測量力可以較多地大于XY方向上的測量力，這樣對圓度測量儀上進行形狀測量是有利的。
圖1中的探針10的針頭組件30是連接在膜片40的周邊上的，膜片40對中地連接在殼體20上，張緊線22預加應力于片簧80A，80B和膜片40上，使它們處于張力下，因而它們彈性作用在相反的方向拉針頭組件30，由此使針頭50的靜止位置位于相反的力處于平衡的位置上。
上面所述的在相反的力處于平衡的靜止位置有一個彈性懸掛的針頭50具有很多實際優點。特別是在頻率響應方面和探針的精確度和可重復性方面之間的協調經過試驗發現較目前的多軸探針為優。
這種有利的協調所以能產生是因為相反的力使針頭獲得兩維穩定和可重復的運動，這種運動是兩維(XY)弧形(傾斜)運動模式。弧形運動可以用低慣性的小的可運動部件來完成，從而導致一個改進的頻率響應。用一個預加應力的膜片彈簧支持針頭固定件在這方面特別有利。
能滿足同樣設計標準的圖1中，探針的變更型示意地表示在圖6，7中，其中相同的部件用相同的標號標示。
在圖6所示的變更型中，片簧80A，80B以及電樞傳動管60C和針頭組件30并不是由張緊線22連接，而是由鋼性連接件22A(四個連接件如張緊線22一樣等距離地間隔開)連接，連接件22A包括作用在球形件(例如支承)22D上的連桿22B、C，球形件又固定地坐落在安裝板34的環形凹槽34G內。連桿22C有一條徑向凹槽22E以安置支承22D。徑向和環形凹槽22E和34G保證了支承22D的準確和自動的位置定位。膜片40仍舊相對于殼體20同心安裝，并由安裝環32和安裝板34將其周邊夾緊在針頭組件30上。為適應這種形式的剛性連接，膜片40上開有孔40B，通過該孔支承22D能夠活動自如而不致侵犯膜片40的活動部分。這個實施例展示出前面述及的彈性懸掛針頭組件30，但由片簧80A，80B和膜片40施加壓縮力。
圖7所示的變更型在片簧80A，B和針頭組件30之間的鋼性連桿22A方面與圖6所示相似。其不同點是膜片40相對于針頭組件30同心地安裝，針頭組件現在包括一個變更型的安裝板34(沒有安裝環32)。這個安裝板34有一個中央凸臺34H，膜片40安裝在其上(與圖1實施例的膜片40安裝在殼體20中央的方式相似)。膜片40和殼體20的一個懸垂外罩20M之間的連接是位于膜片40的周邊上，如圖所示。同樣地，靜止位置是由相反方向作用的彈性位置，即膜片40和片簧80A，B確定的，在這個實施例中彈性裝置施加的是壓縮力。在圖6和圖7中片簧80A和80B及膜片40的無應力的位置仍舊由線B，C和D表示。
在另一個未用圖顯示的安排方式中，膜片40和片簧80A，80B的連接方式如圖7所示，但是膜片40朝下和向外伸展，如圖6所示。在這種安排方式中，為了從膜片40按正確的方向提供力，膜片的靜止位置不是平面的而是圓錐形的，圓錐的角度比在片簧80A，80B作用下所展現的角度還要陡銳。
由上述可知，除了那些所述的利用張緊力或壓縮力維持針頭的懸置形式外，針頭的彈性懸置可以有許多其他不同的方式安排，在針頭的懸置形式中針頭的靜止位置是由相反的彈性偏壓裝置確定的。同樣，將膜片安裝到殼體和將膜片裝到針頭組件上的方式提供了一個可逆的選擇，即使用中央安裝和使用周邊安裝。很明顯，圖1實施例的優點也可以由這種變更型的實施例所獲得。
圖8至13表示與一個測量儀連用的測量多軸形狀或大小的探針第二個實施例，其中探測信號和測量儀信號被用來提供測量工件用的形狀測量數據。這種探針110包括一個殼體120，一個針頭組件130，一個用于將針頭組件130(包括一個針頭150)安裝在殼體120上以使其沿X，Y，Z方向移動的彈性膜片140，和三個安裝在殼體120上并直接連接在針頭組件130上的傳感器160(在圖10中顯示)，傳感器160根據針頭組件150相對于殼體120的移動產生電信號。
在針頭組件130中，針頭150可卸下地連接在一塊安裝板134上。膜片140的周邊被夾住在一個安裝環132和安裝板134之間。安裝板有一個從一塊下面板134B豎起的周邊壁134A(參看圖11)，周邊壁支承著一個中間件134C。在周邊上三個等距間隔開的位置，周邊壁134A支承著容納連接件134E的整體凸臺134D(圖8)，連接件134E擰入安裝環132中以便將安裝板134和安裝環132連接在一起，從而夾住膜片140。凸臺134D從中間件134C軸向延伸至周邊壁134A的頂部。中間件134C有開孔134F使其能相對于套筒160G移動，套筒內裝有傳感器160，每一個套筒160G都從一個插頭120H垂掛下來并有一個裝有傳感器線圈160A的心部。這些開孔134F是等角度間隔開的。中間件134C在其底面帶有一塊磁鐵134H，磁鐵可釋放地吸住針頭150。中間件134C上還裝有接觸元件(例如滾柱支承)134J，接觸元件固定地安排在等角度間隔開，徑向延伸的定位凹槽134K內(圖12)。針頭150包括一個定位板150A，在這塊板上三個等角度間隔開的位置處固定地裝有成對的相間隔開的球形件(例如球支承)150B。一對滾柱球支承的球支承150B之間的間隙(圖13)使球支承與安裝板134上的滾柱支承134J嚙合，以便將針頭150與安裝板134徑向和軸向同時對齊。球支承150B相對于定位板150A是固定的。針頭還包括針桿150C和針尖150D。
安裝板134的下面板134B上有一個中央圓形凹口134L(圖9)，凹口有一個軸向延伸的邊134M限定一個開孔以接納針頭150的定位板150A。此外，限定軸向延伸邊134P的凹口134N與圓形凹口134L相連通，從而在下面板134B的實體中限定出凸角134Q。凸角134Q在其徑向的內端上有邊134M。凸角134Q與為傳感器用的開孔134F對齊，這些凸角134Q還開有軸向孔134R，用于安裝傳感器電樞傳導管160C(以后將描述)。
安裝環132有一個周邊延伸的外壁132A和三個等角度間隔開的定位件132B(如圖9所示)，其構形必須能通過一個相應的孔132C提供一個杯狀形態以容納一個相應的壓縮彈簧180的一端。導向孔132E的凹口132D用于擰入連接件134E，從而將安裝板134和安裝環132偶合在一起并夾住膜片140。膜片140上有裝配孔140M用作連接件134E的通道和傳感器孔140B，該孔使傳感器能相對于套筒160G移動。一個安裝件124用來將針頭組件130連接到殼體120上去。安裝件124的形狀如一根螺栓，它穿過膜片140上的中央孔140C并擰入從殼體120主芯體120C向下延伸的凸臺120B中的一個孔120A(圖9)中。殼體主芯體120C有一個底面120D，在這個底面上開有傳感器腔室120E和定位器孔120F，該孔內容納壓縮彈簧180。再看圖8，定位器孔120F內擰入定位調節螺栓120G，用以調節壓縮彈簧180的壓力。傳感器腔室120E內擰入傳感器插頭120H，插頭備有與傳感器160相連的線路通道，籍此傳感器160的輸出信號就能聯接到數據收集設備上。傳感器套筒160G牢固地連接在插頭120H內的凹口內并支持傳感器線圈160A。傳感器本身包括一個線圈160A，一個電樞160B，每個電樞都裝在一個電樞傳導管160C上。電樞傳導管160C在相應的孔134R處直接和固定地與安裝板134相連。
殼體的主芯體120C還包括一個豎立的凸臺120J。凸臺有一個中央孔120K，用以容納一個將探針殼體連接至測量儀上的連接件(未顯示)。殼體還包括一塊頂板120L封住殼體的內部并還有一個下垂的裙邊120M，以引導它進入圍繞主芯體的外罩120N內。孔120T用上述連接件螺旋地與頂板連接。外罩120N基本上是圓筒形的，但在安置針頭定位器150A的平面處有一個徑向向內延伸的凸緣120R(參看圖8)。殼罩凸緣120R支承一個環狀圓盤120S，該圓盤封閉殼罩的底部。
這個探針110與前一實施例的共同特征在于針頭組件130，也即針頭150是這樣安裝的，即針頭的靜止位置，也就是當針頭從任何接觸中釋放后又回到的位置，是根據膜片140和壓縮彈簧180相反方向的力的平衡造成的安裝在其上的組件平衡位置所決定的。彈簧180的壓縮可以用調節螺栓120G來調節。膜片在不受應力的情況下應當與平面B(圖8)對齊，但由于它在中心被安裝件124夾持在B平面上，而在其周邊又被安裝板134和安裝環132夾持在另一不同的平面上。因而使其處于預加應力的狀態。由于它的撓曲位置產生一個與壓縮彈簧180產生的力相反的力，從而確定懸置的安裝組件130的平衡位置，這個位置確定了針頭的靜止位置。隨針頭150任何位移電樞傳導管160C的移動相對于傳感器160并不全是直線的。這種非線性成份在校準中可以予以校正。三個傳感器的輸出信號被校準以獲得X，Y和Z的測量值。使用三個而不是四個傳感器可以減少傳感器信號必須通過的電子通道的數量，因而也減少了相關連的電子設備。
與圖1至5的實施例一樣，本實施例的針頭150利用定位裝置(如圖12和13所示)可卸下地連接在安裝板134上，針頭是由磁鐵134H吸住，但也可從這個位置移去或替換。這一特點使針頭在XY方向無意中撞到工件時，其位移使安裝環132接觸殼體120，因而針頭150就松開。殼面120D和殼體凸緣120R對針頭組件130的移動形成限制性的阻擋件。當針頭重新定位時，具有重現性的針頭150易于重新定位。
與第一個實施例類似，本實施例用于形狀測量時也具有同樣的優點，即在Z或軸向的方向上測量力要大于在XY平面上所要求的測量力。本實施例特別有利于在圓度測量儀上用于工具的形狀測量。
這種探針110與圖1至5中的探針10的區別點在于傳感器160的位置和針頭組件的設計(特別是安裝板134和安裝環132)減少了移動部件的數量，并且把這些移動部件的重心移到靠近針頭組件的靜止位置。它也允許增加Z方向的行程，因為膜片140是向下預加應力的，對超越行程的危害提供了更大的保護。
兩種實施例都提供了緊湊的設計型式，有利于將探針110沿復雜的工件外形使用，并在精確度，再現性和頻率響應兩個方面之間有一個很好的協調。
結合在圖1至5和圖8至10的實施例的探針10，110中另一個特點是緩沖針頭運動的裝置。在第一個實施例中可以用一種粘性物質施加在連接機構70和毗鄰的連接腔室壁27D之間作為針頭組件的緩沖裝置27F。
同樣情況，在第二個實施例中可以用一種粘性物質施加在安裝環132和套筒160G(用于傳感器線圈160A)之間作為針頭組件的緩沖裝置132F，如圖8，10所示。作為例子，緩沖裝置27F和132F可以通過填充一種粘性物質，如硅酮潤滑脂來提供。
試驗證明在探針中加入緩沖裝置27F和132F可以擴大它在測量儀器上的應用。緩沖裝置有下述優點1)在儀器來回移動過程中當針頭與工件脫離接觸時，它可以大大地減少不必要的針頭移動和振動;
2)當檢測一個表面時，它可以減小針頭振動的影響;
3)在針頭偏移后。它可以允許針頭在很短的時間之內回復到穩定的靜止位置。
除了提供粘性物質之外，也可以用多種不同方式提供另外的緩沖裝置。此外，不同的探針用途可以要求不同的緩沖率。例如，一個用于圓度測量儀器上的探針可能要求一個比用于坐標測量儀器的探針低的緩沖率。
本發明的第三個實施例表示在圖14，15和16中。這個實施例結合了一些第一和第二實施例中較優的特點。
在第三個實施例中有四個傳感器200，圖16中表示的很清楚。這使傳感器直接對面成對的排列，這樣可以較大程度地免受探針內局部膨脹的影響。當得到四個傳感器信號時，校準和測量數字函數可以應用，在其中來自對面的兩對傳感器的信號大大地被減除，以推斷出探針的位移。以這種方式，所有傳感器共有的輸出信號的任何偏移都被抵消，因此提高了測量的穩定性。圖15是沿圖16中XV-XV線截取的探針剖面圖，因此顯示了兩個傳感器200的剖面。圖14是沿圖16中XIV-XIV線截取的探針剖面圖，但沒有顯示傳感器200。
探針包括一個帶有一個圓筒形罩204的主體202，和一個移動的針頭固定件，該固定件主要包括一塊安裝板206和一個安裝環208，膜片彈簧210的周邊夾在它們中間。安裝板206和安裝環208由螺栓212固定在一起。
代替圖8實施例中使用的壓縮彈簧，膜片210的預加載是由一個平的預載彈簧214來提供的，預載彈簧將線216拉緊，線穿過安裝環208并用一種簡便的方法，例如焊接固定在其上。線216穿過膜片210上相應的間隙孔。線216穿過安裝環208進入主體202內的孔218，一種粘性物質可以放在孔218內以緩沖針頭的移動。
預載彈簧214有四個從中央區徑向延伸的肢狀部(參看圖16)。膜片彈簧210和預載彈簧214由一個緊固螺栓220在它們的中心將它們夾緊在主體202上，螺栓220由一個在主體202后端的螺母222固定。預載彈簧214的中心放在膜片210的中心下面，并由一個間隔墊224將它們隔開。膜片210和預載彈簧214在未加應力時都是平面的。因此，在如圖14和15中所示的膜片210加應力后趨向于將針頭固定件朝著主體202向上移動，而加載彈簧214通過線216的張力作用在針頭固定件上，趨向于將其向下推動，脫離主體202。
正確的預載力可以在線216連接到安裝環208時用適當的工具予以設定。這樣就避免了如在圖8和9中設置預載調整裝置的需要。由于線216是牢固地固定在預載彈簧214和安裝環208上并處于張緊狀態，因此本實施例的預載安排提供了更好的穩定性，并避免了圖8和9中安排的壓縮彈簧180可能出現的側向移動，圖8和圖9中每個彈簧的至少一個端必須能自由移動，以便對其作預載調整。
如圖15中所示，四個傳感器線圈200配置在主體202內的套筒226內。套筒226突出于主體202的底面之外并且穿過膜片彈簧210的間隙孔。正好圖16中可以看到的，四個傳感器線圈200和套筒226從預載彈簧214的四個臂偏移了45°。套筒226，傳感器200和間隙孔在膜片210上的安排與圖8和9實施例中相應部件的安排是相似的。每個傳感器的電樞228由相應的桿230牢固地固定在安裝板206的背面。
一個撓性的環形密封圈231配置在可移動的針頭固定件的安裝板206和圓筒形罩204開口之間，以防止異物的進入。
針頭未在圖14和15中顯示。它安裝到安裝板206上的安排除了如圖14和15所示的安裝板206上裝有精密珠232之外，基本上與圖12和圖13中所示的相同。在先前的實施例中，針頭是由一塊磁鐵234的吸力固定在其位置上的。
圖14到16的實施例可以有各種不同的變更型式。例如，雖然預載彈簧214通常需要有至少三個工作支臂才能合適地確定針頭的平衡靜止位置，但傳感器的個數和預載彈簧214的工作支臂的個數可以變化。通常，這些支臂是等距離間隔開的以提供一個均勻的測量力特性。利用穿過安裝環208的線216的自由端作為緩沖裝置是方便和經濟的，但是其他緩沖布置也可以采用。
圖14至16所示的膜片彈簧210和預載彈簧214的布置已被選用，以使探針結構緊湊。其他的布置也是可能的，例如1)將針頭固定件夾在膜片彈簧210的中心，并將主體202夾在其周邊上;
2)將預載彈簧214安裝成為這樣，即徑向支臂在徑向外端處被夾住在主體202上，并徑向地朝著中心向內伸展;
3)將預載彈簧214安裝成使它向上施加應力于膜片210上而不是向下;
4)將連接在線216上的軸向定向的拉力彈簧替換預載彈簧214，并支持在主體202或圓筒形罩204的一個部件上;
5)將膜片彈簧210和預載彈簧214的作用合并在一個單一的部件上。
將膜片和預載彈簧的作用合并在一個部件上的一種可能的安排如圖17和18所示。圖17顯示一個合并的彈簧236的形狀。這個形狀基本上與圖14至16實施例中膜片彈簧210的形狀相同，除了其上通過U型切口形成的徑向延伸的臂238之外。圖18是使用圖17所示的合并彈簧236的一種安排的示意側視圖。彈簧236的中心由緊固螺栓220連接到主體202上，臂238連接在線216上并提供圖14至16中預載彈簧214的功能。合并彈簧236的其余部分提供膜片彈簧210的功能，其周邊被夾在安裝板206和安裝環208之間。
對于熟悉本行業技術的人都知道其他的各種變更形式也是可能的。例如，在所有圖解的實施例中至少有一個彈簧具有膜片的形狀。雖然一般都喜歡用這種安排方式但并不是必須要這樣。在一種可選擇的安排中，膜片形狀的彈簧可以用一種其中央區域連接在一個部件上并且徑向延伸的指狀部連接在另一個部件上的彈簧代替。或者，一種基本上是盤形的彈簧可以分成多個從一個中央區域延伸的徑向臂，各個相同的徑向臂可以連接在不同的部件上，而其中央區域則完全不受制約。一種與圖18中所示的合并彈簧236類似操作的合并彈簧配置有多個從一個中央區延伸的臂，中央區緊固在探針的主體上，而每個臂的最外端緊固在針頭固定件上，但是相間臂以不同的高度與針頭固定件相連，使一些臂朝上偏移而一些臂朝下偏移，形成一種與圖18中的安排相類似的作用。而且，也并不是一定要用片狀的彈簧。例如，有一種安排形式，其中一些彈性裝置是張緊的螺旋彈簧。
根據在本文中敘述的，圖8至13的實施例將傳感器/變換器的個數從四個減為三個，對熟悉本專業技術的人都會明了圖1至5實施例也可以加以變更使之裝有三個傳感器/變換器。
這些實施例中膜片在裝配前都是盤狀平面狀態(未受應力)，而當預加應力時它就成為一個圓錐狀的構形。可能的變更形式是將膜片預先制成非平面形狀，然后將其預加應力使其成為另一種不同形狀。
在每一個實施例中，膜片(40，140，210)都是厚度均勻的圓盤形狀，并且是由經過完全硬化的鈹銅合金制成。在每種情況下，膜片的構形都是使其在中心與主殼體相連接，在其周邊與針頭組件相連接(所提到的這些內容也可以倒過來安排)。
在圓形膜片的周邊內也提供了探針的其他機械性能。在第一個實施例中，如圖2所示，膜片40上有供張緊線22通過將連接機構70連接到安裝板34上的孔40A和用于裝配目的的開孔40E。在第二個實施例中，如圖9所示，膜片140除了供裝配用的開孔140M以外還有供帶有傳感器線圈160A的套筒134G通過的開孔140B。在第一和第二實施例中，膜片的厚度分別為0.003英寸(約0.08mm)和0.005英寸(約0.13mm)。厚度的選定需在給出所要求的膜片的大小和針頭臂長度，以及探針機構的其他部件的特性后，可以獲得針尖在XY方向上的合適的測量剛度。對這兩種探針當使用一個100mm的針頭時，一個標準的在XY方向上的測量剛度是每mm位移100mN。在所用的較小活動范圍內，不管位移和方向這一剛度基本上是不變的。
對于第一個實施例(圖2)，Z軸測量剛度主要由膜片本身的厚度和設計型式決定。對于第二個實施例(圖9)，Z軸測量剛度主要是偏壓裝置(也就是壓縮彈簧的性質及其安排)的函數。
當該探針用于一個圓度測量儀時，Z方向上的測量剛度最好是大于XY方向上的測量剛度一個數量級，更好的情況是兩個數量級。
特別適合于制造膜片的鈹銅合金的特性包括下述幾個方面1)在彈性限度內它比其他的對比材料允許更大的偏移;
2)它有一個高的疲勞極限，也就是它能在整個長的設計壽命內維持它的彈性;
3)它實際上不呈現彈性滯后現象。
在探針的圖解實施例中，它的活動部件具有較低的質量，而這個質量大部分情況下只離開針頭弧形運動的中心一個短的距離。這對針尖的移動造成較低的移動部件慣性，以獲得一個良好的頻率響應而沒有過份的測量力。例如，對圖1至5的實施例中用一個0.01N的測量力(XY)在一個100mm針頭的針尖上1mm的位移，所獲得的固有頻率大約為50Hz。
使用相對的回復力確定針頭的一個平衡靜止位置增強了針頭移動的重復性和穩固性，有助于用探針實現精確的測量。用預加應力使其成圓錐形的膜片(如圖所示的實施例所示)來支持針頭或針頭固定件是特別有價值的。該膜片提供了一個簡單，重量輕和價廉的支持針頭或針頭固定件的方法，為針頭的弧形移動提供了一個樞軸并且提供了一定的測量剛度。對膜片的預加應力穩定了它作為樞軸的性能，為此原因，探針的操作范圍最好是限定的，使膜片在它操作范圍內不會經過它的未預加應力的位置。這一操作范圍的限制可能會在探針的結構中反映出來。例如，傳感器可能會在膜片到達它未加應力的位置前超出范圍。
所述實施例的另一個重要的特征是針頭和探針體之間所有的連接都是撓性的。通過避免滑動接觸和使平面鄰接(除了對撓性連接件的連接鄰接)，提高了針頭移動的重復性。然而，針頭的弧形(傾斜的)移動與一些現有技術裝置的平移移動相反，趨向于使探針的校準對精確的測量結果是重要的。
參看圖19和20，下面將對校準測量探針10的儀器和方法加以敘述(例如，參考圖1的說明)，這種校準是用探針分別在X和Y軸方向上的位移表示成校正的XY軸測量信號輸出。如圖1所示，一個測量探針10的針頭50相對于探針殼體20的安裝允許針頭50的二維位移。傳感器60對針頭的移動做出反應從而輸出與所述針頭位移相關的傳感器信號。這里所描述的校準使得正確的測量信號輸出從所述傳感器信號中導出。
參看圖19，探針10的校準首先將探針10安置在一個相對于一個轉盤裝置250的預定位置上以便使針頭56(在其操作范圍內)沿著一條限定的圓形路徑移動。探針10的Z軸線是用一個其上裝有探針10的測量儀的探針裝載臂252與轉盤裝置250的旋轉軸線254對齊確定的。
轉盤裝置250上帶有一個滑塊裝置256，其上裝有一個導引裝置258，導引裝置258的徑向位置可以遞增地相對于軸線254移動。導引裝置258接觸探針10的針尖56。導引裝置258的徑向位移促使針作相對于旋轉軸線254的徑向位移。當轉盤裝置250旋轉時，它帶動導引裝置258，以及針尖58在一個圓形路線上。
為校準探針10，轉動轉盤裝置250使針尖以間斷的行程沿著一條圓形路線移動，相當于轉盤250的一個給定的角度運動θ。測量儀收集每個傳感器60(圖1)對針頭50的一系列測量位置中的每一個發出的傳感器輸出信號作為傳感器數據。測量位置是由轉盤裝置250的間斷行程所確定的。
位置數據也被搜集，給出針頭50每一測量位置的測量位置數據。這個位置數據的收集與針頭輸出信號無關。它可以針尖56的旋轉半徑R和間斷的角度運動θ，也可以從轉盤250的位置(例如由一個角度編碼器)和導引裝置258的位置來確定。
如前所敘述的，收集探頭(傳感器)數據和位置數據的間斷測量位置是由轉盤裝置250的間斷角度運動確定的。可以意識到轉盤裝置250的角度運動可以是連續性的(在一段給定的圓形路線上)，并且測量位置可以以收集傳感器信號和角度編碼器信號的間斷位置來確定。
然后，數據處理裝置400(參看圖20)在傳感器數據和位置數據之間進行換算，以便獲得用于校正測量信號的校準參數。接著，數據處理裝置400將這些校準參數以這樣的方式貯存，即在隨后的測量操作過程中，傳感器輸出信號被處理以產生校正的測量信號。
在這個意義上，位置數據是由測量所述導引裝置258的徑向位移(R)和轉盤裝置250的角度位置θ而獲得的，即，測量位置的XY坐標是由表達式X＝R·SINθ和Y＝R·COSθ得出的。
為了獲得用于校準的足夠的數據，導引裝置258由轉盤250旋轉順序地經過第一系列的測量位置(R·θ)，每一個位置都在離開旋轉軸心254一個第一徑向間隔R的地方。然后，導引裝置258徑向地移動，并旋轉經過第二系列的測量位置，就這樣繼續依次進行一系列的徑向位移。
導引裝置258的徑向位移是在一系列徑向位置的范圍內進行的。所以，一個極端位置由導引裝置258的一個徑向內部位置所限定，這個位置離旋轉軸心254有一個足夠的間隔，以允許導引裝置258將針尖56在一個旋轉路線內移動同時與其維持恒定接觸。如果半徑R太小的話，導引裝置258可能會在一些角度位置與針尖56脫離接觸。另一個極端位置是一個徑向朝外位置，這個位置不超越針頭50預定的測量范圍;作為例子，對這個探針10而言，用100mm的針頭長度，這個范圍由2mm的旋轉半徑決定。角度位移是每隔30°的規則位移。在這個實施例中，導引裝置258的徑向位移從徑向內部極端開始逐漸朝著探針測量范圍的徑向外部極端方向推進。
一個探針可能會有一個由半徑為Xmm決定的預定測量范圍。在這個意義上，導引裝置可能以連續的X/Nmm的間距逐漸地徑向向外移動，其中N是一個大于2和小于按實際需要而選定的任意數的整數，例如7。在這個實施例中，N被選定為4，也就是，連續的間隔距離為0.5mm。
由數據處理裝置400完成的換算可以用于帶有多個傳感器的探針。當探針有多個傳感器，其傳感器輸出信號為t1……tn時，對每個測量位置的XY坐標數值將從位置數據中導出，并用來為表達X＝f1(t1…tn)和Y＝f2(t1…tn)得出校準參數，其中函數f1，f2中包含校準參數。
探針10具有在一個方向上相間隔開的傳感器60，其傳感器輸出信號為X1，X2，和在一個橫向方向上相間隔開的傳感器，其傳感輸出信號為Y1，Y2。對每一個測量位置的X，Y坐標的數值是從位置數據中得出的并用于換算步驟，以得出為表達式X＝f1(X1，X2，Y1，Y2)和Y＝f2(Y1，Y2，X1，X2)的校準參數，其中f1、f2中含有校準參數。
對于X，Y坐標，表達式f1，f2，每一個都是以從傳感器輸出信號得出的第一測量表達式和第二校正表達式的乘積中計算出來的，第一測量表達式與測量軸相關連，而第二校正表達式與垂直于測量軸的軸相關連，以便校正傳感器數據中的變差。
在這實施例中，對于X坐標的測量，測量表達式由(A1·X1+A2·X2+B1·X21+B2·X22+C1)決定，其中A1，A2，B1，B2和C1是校準參數，被乘以校正表達式(D1·Y1+D2·Y2+E1·Y21+E2·Y22+G1)，其中D1，D2，E1，E2和G1是校準參數。同樣情況，對于Y坐標的測量，測量表達式由(A3·Y1+A4·Y2+B3·Y21+B4·Y22+C2)決定，其中A3，A4，B3，B4和C2是校準參數，并乘以校正表達式(D3·X1+D4·X2+E3·X21+E4·X22+G2)，其中D3，D4，E3，E4和G2是校準參數。
在這個實施例中，換算也校正位置數據，以建立探針50相對于旋轉軸254的位置誤差。如上所述，這些誤差用于對偏心作的校準參數C1和C2，和徑向距離R中的dR1，dR2以及角度位移θ中的dθ1，dθ2表達。通過在表達式X＝(R+dR1)·SIN(θ+dθ1)和Y＝(R+dR2)·COS(θ+dθ2)中確定dR1，dR2和dθ1和dθ2的值，產生的誤差也被校正。
對于這些偏移參數的解釋如下首先，當探針靜止位置與轉盤裝置250的旋轉軸254對齊時，實際上針尖相對于旋轉軸被偏心安排，校準參數C1，C2在函數f1和f2中對比進行校正。更加精確地說，由于測量表達式乘以校正表達式，偏心就由乘積C1·G1和C2·G2計算出。然而，G1和G2的數值接近于1，換句話說，因為它們將改變測量表達式的所得，因此，C1和C2的值提供了有效的偏心校正。
其次，(由于這個偏心)為了使導引裝置旋轉同時保持與針尖恒定的接觸，就必須從額定的靜止位置作出一微小的徑向偏離。這個偏離導致針尖旋轉半徑對轉盤的初始運動的dR。由于沒有基準點可以遵循(也就是說沒有絕對的靜止位置)，測量就從這個初始徑向偏離(即在這個徑向偏離處，R被取作零)開始。為了進行換算，必須分析所有的數據以確定dR。這就能夠校準，將位置數據調整到以針頭靜止位置為極點的純極坐標上。在實際操作中，由于進行了兩個獨立的換算，對于每一個軸中的一個，對dR使用兩個參數是方便的，即dR1和dR2，這兩個參數是單獨決定的。比較dR和dR的值，就可得到嚴格校準的正確讀數或值，因為實際上只有一個誤差dR，與軸無關。對于為這種探針作的高質量校準，推斷出的dR1和dR2值一般相差不會超過0.5微米(μm)。
第三，還有角度偏差dθ。這個偏差的出現是因為探針傳感器的配置可能會使這些傳感器和轉盤相聯系的X，Y坐標的軸沒有對齊(例如，由測量θ的編碼器限定)。因此，在探針傳感器X1，和X2，和Y1和Y2間隔開的方向和轉盤/編碼器理論上的X，Y軸之間可能會有一個角偏差(由此有位置數據)。此外，探針傳感器X1和X2間隔開的方向和探針傳感器Y1，Y2間隔開的方向可能并不是真正的90°的間隔。通過對X，Y軸分別決定偏差參數dθ1，dθ2，該換算避免了這種誤差。偏差參數dθ1，dθ2之間的不同與變換器相對于90°間隔的位置有關。
徑向和角偏差參數dR1，dR2，dθ1和dθ2沒有出現在X，Y的表達式內。這些參數用在校準工作中，但是一旦參數A1至G2已推斷出和貯存后，它們的數值就不需要了。
在這個優選的實施例中，為X的校準參數是在許多步驟中獲得的，然后為Y的校準參數在另一分開的許多步驟中獲得的。
通過操縱實際的位置數據和傳感器數據，同時使其他的所述校準參數保持不變，在為X(或Y)所作的換算步驟中進行一些校準參數的計算被認為是有用的。然后逐次變換計算，而校準參數仍保持不變，一直等到所有的校準參數都從位置和傳感器數據中確定出來為止。
下面將對校準程序作較詳細的說明。
在探針的每一個測量位置，對傳感器輸出X1，X2，Y1和Y2，和位置數據R和θ可獲得許多數值。因此，對第i次測量位置，數值X1(i)，X2(i)，Y1(i)，Y2(i)，R(i)和θ(i)獲得后被貯存。對這一測量位置，限定探針實際位置的X和Y的正確數值由下式給出X(i)＝[R(i)+dR1]·SIN[θ(i)+dθ1]和Y(i)＝[R(i)+dR2]·COS[θ(i)+dθ2]對X和Y的測量表達式和校正表達式的任何一個都是多項式，其系數是校準參數。確定多項式的系數值使多項式符合于實驗數據的各種手段是已知的，在本實施例中，高斯牛頓法最為適用。關于更多的資料請參看Gill P.E，Murray W.和Wright M.H.所著的“Practical Optimisation”Academic Press，London，1981。
X和Y軸是用相同的方法單獨設立的。因此，只需敘述對X軸的方法。使用在各個測量位置上獲得的數據，對每一個第i個測量點可以獲得下列表達式誤差(i)＝[R(i)+dR1]·SIN[θ(i)+dθ1]-f1[X1(i)，X2(i)，Y1(i)，Y2(i)]，其中 f1＝(X的測量表達式)·(X的校正表達式)。
這可以解釋為誤差(i)＝實際位置(i)-測量得到的位置(i)。
在校準計算開始之前，在函數f1中的校準參數dR1，dθ1和A1至G1都調整至其初始數值。如果一個已經校準的探針被再校準，將初始數值設定為先前獲得的校準參數數值是有利的。否則，使用欠缺值(default values)。對A1，A2和G1該欠缺值是“1”，對所有其它參數該欠缺值是零。
很明顯在這一階段，對數據點“i”的“誤差”值是大的并且反映探針的不希望有的特征，這個校準操作將被除去。將所有的數據點考慮進去，現在用“高斯牛頓”法來試圖確定校準參數的數值。使所有“誤差”數值減至最低值。但是，由于大量的校準參數需要確定，這樣做通常會造成不穩定的結果。因此這些參數是由下列步驟確定的。
步驟1 將校正表達式內的參數保持不變并使用“高斯牛頓”法進行配合，調整dR1，dθ1和在測量表達式內的參數，從而將“誤差”值減至最小。
步驟2 將dR1，dθ1和測量表達式內的參數保持不變并使用“高斯牛頓”法調整校正表達式內的參數，從而將“誤差”值減至最小。
步驟3 重復步驟1和2一直等到“誤差”值不再減小，該試配就完成了。
這個過程一經完成后，剩下的“誤差”值就是剩余誤差。
剩余誤差的范圍表示出整個兩維的針頭移動范圍內所涉及的軸的精度(或線性誤差)。可以注意到，有很多種圖解表示法可以用來說明在校準數據范圍內剩余誤差的性質。
剩余誤差反映出校準數據的特性，這是不能用數學方法調準的。剩余誤差可能是由各種不同的原因引起的，例如ⅰ)隨機的環境影響，例如機械振動，電機嘈音，針尖上的異物或溫度的改變。
ⅱ)探針和/或校準裝置由于制造的不同或缺陷而造成的結果。
ⅲ)探針設計的特點不能通過校準函數用數學式表達。
第(ⅲ)種原因引起的剩余誤差可以通過變化校準函數來減少，例如包括X1，X2，Y1，Y2的三次或更高次冪，但這樣就帶來在校準時和以后運用探針時大量增加計算工作的缺點。
再回過來看圖19，該設備本身可以包括一個形狀測量儀(例如以前述及的TALYROND 300)，還包括導引裝置258和數據處理裝置400(圖20)。
滑塊裝置256有一個利用人工調節的驅動器在一個滑座262上可移動的滑板260，驅動器包括一個微米調節器264，微米調節器相對于一個固定件266是可轉動的，從而將軸268移動至一個初始位置(前面說的內部極端)。滑塊裝置256隨后的位置由可拆下的插塊270(圖中顯示其中之一)來決定，插塊的插入增加了導引裝置258(和接觸的針尖56)相對于轉盤250的旋轉軸心254的旋轉半徑。插塊270(本身已知)是多個精密塊規，用來順序地增加半徑R，例如每次增加500微米(如前所述)。
測量儀未進行完整的描述，探針的裝載臂252示意性地與轉盤250和一個帶關聯傳感器的角度編碼器272表示在一起，該傳感器使信號輸入數據處理裝置400，指示出轉盤250在測量位置之間做出的角度增量。
導引裝置258在圖19內另有一插入的平面圖，它包括一個適合于支撐在轉盤250上(例如利用一個滑塊裝置256)的主體276，和一對由連結裝置280固定在其上的支柱278。連結裝置280可以由可凝結的粘接劑形成。支柱278可以是一對精密制造的支柱支承。它們被間隔安排以便在其間以活動與此接觸的方式接納探針10的針尖56。
轉盤250旋轉使導引裝置258繞著一個圓形路線移動，并同時旋轉它所面朝的方向。因此，對所有的θ值，導引裝置牢牢地夾持著針尖56離開其靜止位置。在這種方法中，針頭50在校準期間繞著其靜止位置移動至少180°(實際上360°)而不會脫離與導引裝置的接觸。這在一些現有技術校準體系中是很難辦到的，因為現有技術中的導引裝置并不是在所有的角度都是將針尖牢牢地夾持住的。導引裝置258的移動使針頭50在校準期間以它在測量操作期間移動的同樣方式在XY平面上移動。(雖然移動的方式可能不同，因為針尖56一般以滑動接觸通過一個工件，但它不通過導引裝置258)。
再看圖20，這里以方塊圖的方式描述了與形狀測量儀相連的數據處理裝置400。在校準期間，每一測量位置的位置數據(R，θ)被輸入。旋轉角θ從角度編碼機400輸入。測量的旋轉半徑R可以經由鍵盤402輸入，即，初始輸入仍定為零(并在校準中校正)，隨后的輸入就是由插塊270確定的在這半徑上逐漸增加的增量。另一種方式，如果轉盤對其X，Y漸增的位置變化有其自己的定心機構，那么半徑R的漸增變化(例如0.5mm)可以直接從定心機構402′輸入。為獲得傳感器數據403，需讀出每一個測量位置的傳感器信號X1，X2，Y1，Y2，(或t1，t2，t3……)。如上所述，傳感器60產生模擬傳感器信號，這些信號根據數據處理裝置400經數字化和換算，以用作輸入信號403。
數據處理裝置400從一個貯存器得到輸入信號，該儲存器對特定的探針結構儲存探測數據轉換函數f1和f2(沒有校準參數數值的“空白”形式);探針特性在鍵盤404輸入。一個貯存裝置406攜帶一個校準程序，該程序執行位置數據和探測數據的換算，計算出校準參數的數值。數據處理裝置400將校準參數輸出到貯存器407，該貯存器貯存校準表達式，其中包括那些用于探針測量操作的校準參數數值。測量程序貯存在貯存器408內。一旦探針被校準，測量操作就開始，數據處理裝置400就在貯存在貯存器408中的測量程序的控制下操作以輸出校正的測量信號409。這些信號409是從貯存在貯存器407內的函數，表達式和參數值根據在403′的測量輸入作為探測數據計算X，Y坐標而獲得的。貯存器405，406和貯存器407，408在圖中有虛線相連，這是用符號表示貯存在405，407的函數，表達式和參數可以貯存在貯存器406，408的相應程序中。可以了解到，數據處理裝置400可以配合一個模數單元，從而當不同的探針使用時，貯存器404至408可以互相替換。
同樣情況，可以了解到，校準參數，可能連同測量程序一起，貯存在一個可移動的介體內以傳送給一個使用者的測量儀內。或者，也可以從用于校準的測量儀將數據傳送給用該探針作測量用的測量儀。
權利要求
1.一種用于測量工件的探針，該探針包括一個主體和一個針頭或針頭固定件，該針頭或針頭固定件有一個由許多個回復力之間的平衡所限定的相對于主體的靜止位置，復原力中至少有一個其大小隨針頭或針頭固定件的位移而變化。
2.如權利要求1所述的探針，其特征在于其中許多個所述回復力的大小隨針頭或針頭固定件的位置移而變化。
3.如權利要求2所述的探針，其特征在于它包括第一和第二彈性件，第一彈性件以第一方向作用在所述針頭或針頭固定件上，而第二彈性件以與第一方向相反的第二方向作用在所述針頭或針頭固定件上。
4.如權利要求2所述的探針，其特征在于它包括一個彈性件，該彈性件有一個以第一方向作用在所述針頭或針頭固定件上的第一部分和以與第一方向相反的第二方向作用在所述針頭或針頭固定件上的第二部分。
5.如權利要求3或4所述的探針，其特征在于其中第一和第二方向基本上是反向平行的。
6.如權利要求3所述的探針，其特征在于其中第一彈性件是一個膜片彈簧。
7.如權利要求6所述的探針，其特征在于其中第二部件包括一個基本上是薄片狀的部件。
8.如權利要求7所述的探針，其特征在于其中第二部件包括一個或多個片簧部分。
9.如權利要求7或8所述的探針，其特征在于其中第二部件通過一個或多個張緊件作用在主體或針頭或針頭固定件上。
10.如權利要求4所述的探針，其特征在于彈性件的第一部分具有大致屬于膜片彈簧的形狀。
11.如權利要求6或10所述的探針，其特征在于其中探針有一個縱向的Z軸，而膜片彈簧定位在一個基本上橫向于Z軸的平面上。
12.如權利要求11所述的探針，其特征在于當針頭或針頭固定件位于其所述靜止位置時膜片彈簧受力成一個大致圓錐形狀。
13.如權利要求3所述的探針，其特征在于其中第二部件是一個壓縮彈簧。
14.如權利要求1至10中任一項所述的探針，其特征在于探針有一個縱向Z軸。
15.如權利要求11，12和14中任一項所述的探針，其特征在于在Z軸方向上的測量力至少比橫向于Z軸方向平面上的測量力要大一個數量級。
16.如權利要求3所述的探針，其特征在于它還包括一個或多個另外的彈性件，分別以與第一方向相反的方向作用在針頭或針頭固定件上。
17.一種測量探針，它包括一個主體;一個針頭或針頭固定件;一個將針頭或針頭固定件相對主體支承的第一回復裝置，以使其移動通過一個測量范圍，并在主體和針頭或針頭固定件之間施加一個第一回復力;作用在主體和針頭或針頭固定件上并在其間施加一個與第一回復力相反的第二回復力的第二回復裝置;至少一個根據針頭或針頭固定件的位置或移動發出一個輸出信號的傳感器，在整個所述測量范圍內第一和第二回復裝置提供相互相反的第一和第二回復力。
18.如權利要求17所述的探針，其特征在于其中所有在主體和針頭或針頭固定件之間的連接都是撓性的。
19.如權利要求17或18所述的探針，其特征在于其中第一和第二回復裝置包括一個共同件的若干部件。
20.一種校準連續測量探針的方法，該探針具有一個能在至少兩維方向位移的針頭，這種方法包括下列步驟a)由探針獲得針頭在多個位置上的一系列探測數據，b)對所述多個位置獲得相應的一系列與探針無關的位置數據，c)比較探測數據和位置數據，以獲得用于將探測數據校正為校正的針頭位置數據的校準參數，其特征在于所述多個位置包括確定一條直線的第一和第二點以及一個偏離該直線的第三點，對第一，第二和第三點中每一點所獲得的位置數據確定針頭相對于一個共同的基準點的位置。
21.如權利要求20所述的方法，其特征在于其中多個位置中包括一個第四點，它偏離由第一和第二點確定的直線，由第一點和第三點確定的直線，和由第二點和第三點確定的直線中的每一條直線，對第四點得出的位置數據確定了針頭相對于所述共同基準點的位置。
22.如權利要求20所述的方法，其特征在于其中針頭沿著一條彎曲路線通過所述多個位置移動。
23.一種校準連續測量探針的方法，該探針具有一個能在至少兩維方向移動的針頭，這種方法包括下列步驟a)由探針獲得其針頭在多個位置上的一系列探測數據，b)對所述多個位置獲得相應的一系列與探針無關的位置數據，c)比較探測數據和位置數據，以獲得用于將探測數據校正為校正的針頭位置數據的校準參數，其特征在于校正的針頭位置數據相對于XY平面上的一條基準軸確定針頭的位置，該基準軸在該平面上的方向對探測數據而言由與在XY平面上的任何基準軸無關的位置數據來確定。
24.一種校準連續測量探針的方法，該探針具有一個能在至少兩維方向移動的針頭，這種方法包括下列步驟a)由探針獲得其針頭在多個位置上的一系列探測數據，b)對所述多個位置獲得相應的一系列與探針無關的位置數據，c)比較探測數據和位置數據，以獲得用于將探測數據校正為校正的針頭位置數據的校準參數，其特征在于校準參數為一個或多個轉換函數提供參數，以便將探測數據轉換為所述校正的針頭位置數據。
25.如權利要求24所述的方法，其特征在于其中一個或多個函數包括一個或多個多項式，所述校準參數對這些多項式提供系數。
26.如權利要求25所述的方法，其特征在于其中的多項式或至少其中的一個多項式在探測數據中具有二階項或更高階項。
27.如權利要求25或26所述的方法，其特征在于其中將高斯牛頓法用于從探測數據和位置數據中確定所述多項式的系數。
28.如權利要求25至27中任一項所述的方法，其特征在于其中所述多項式的系數由多個步驟從探測數據和位置數據中確定，這些步驟中包括一個第一步驟，其中第一組系數保持恒定，確定出第二組系數的暫定值，和一個第二步驟，其中第二組系數被保持恒定，確定出第一組系數的暫定值。
29.校準一個連續測量探針的校準設備，該設備包括一個在XY平面上移動探針針尖，并根據針尖移到的位置提供位置信號的移動裝置，將探針相對于移動裝置上安裝的安裝裝置;和接收所述位置信號和來自探針的信號并從其確定校準數據，以便根據所述位置信號校準來自探針的信號的裝置，移動裝置可以被操動，使針尖移動穿過在XY平面上的多個點，這些點包括確定一條直線的第一點和第二點和偏離這條直線的第三點，并相對于所述第一，第二和第三點中每一個點提供所述位置信號，該位置信號指出針尖相對于一個共同基準點的位置。
30.如權利要求29所述的校準設備，其特征在于其中移動裝置使針尖在XY平面內沿著一條彎曲路線移動。
31.如權利要求30所述的校準設備，其特征在于其中彎曲路線包括至少一個環形部分。
32.在校準期間接受和導引一個連續測量探針的針頭的導引裝置，其中針頭通過由靜止位置位移的多個位置移動，該導引裝置包括一對彼此相對放置的支柱，以便使兩個支柱同時與針頭接觸并將針頭壓靠在它們之間設置，該導引裝置在使用時的安放須使其支柱在橫向于針頭從其靜止位置位移方向的方向相互對齊，然后安放在針頭和其靜止位置之間，以便使促使針頭回到其原來位置上的力使針頭壓在支柱上。
全文摘要
一種連續測量工件的多軸測量探針，它的針頭由相反方向作用的幾個彈性力懸置從而確定一個平衡的靜止位置。這種結構改進了探針的動態響應和精度的協調。在該探針的校準期間，沿著彎曲路線在探針給定的多個位置收集一系列探測數據，并收集一系列與探針無關的給定位置的位置數據，然后在探測數據和位置數據之間進行換算，以獲得用于校正測量信號的校準參數。這些校準參數與一個測量表達式被貯存起來以備與探測輸出信號一起應用，以獲得校正的測量信號。
文檔編號G01B3/00GK1051786SQ90109008
公開日1991年5月29日 申請日期1990年11月3日 優先權日1989年11月3日
發明者伊恩·肯尼思·巴克斯特 申請人:蘭克·泰勒·霍布森有限公司