申请/专利权人：业纳工业计量德国公司

申请日：2017-07-19

公开（公告）日：2020-07-03

公开（公告）号：CN107643066B

主分类号：G01B21/20(20060101)

分类号：G01B21/20(20060101);G01B21/30(20060101);G01D11/14(20060101)

优先权：["20160720 DE 102016113398.1","20161124 DE 102016122695.5"]

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.07.03#授权;2018.07.31#实质审查的生效;2018.01.30#公开

摘要：本发明涉及一种用于对工件10的表面进行测量的表面测量设备2，所述表面测量设备具有设备基体4和通过进给装置14能够沿着进给轴相对于待测量工件10运动的测量探头11，所述测量探头11具有探头基体12和与所述探头基体12连接的用于沿着测量轴方向与所述工件10的表面感测的探测元件13，所述探头基体12通过所述进给装置14与所述设备基体4连接。根据本发明，所述测量探头11配有减振装置，所述减振装置被设计并设置成用于对所述测量探头11的探头基体12的振动进行依赖于振动速度的衰减并且在所述探头基体12与所述设备基体4之间起作用。

主权项：1.一种用于对工件10的表面进行测量的表面测量设备2，所述表面测量设备2具有设备基体4，具有通过进给装置14能够沿着进给轴相对于待测量工件运动的测量探头11，所述测量探头11具有探头基体12，在所述探头基体12上设有用于沿着进给轴感测所述工件10的探测元件13，其中，所述测量探头11通过所述进给装置14与所述设备基体4连接并沿着测量轴可偏移，其特征在于，所述测量探头11配有减振装置，所述减振装置被设计并设置成用于对所述探头基体12的振动进行依赖于振动速度的衰减并且在所述探头基体12和所述设备基体4之间起作用，所述进给轴垂直于所述测量轴，所述减振装置具有至少一个在所述探头基体12与所述设备基体4之间起作用的涡流制动器20，所述涡流制动器20被设计并设置成用于非对称地起作用，使得所述涡流制动器20的衰减作用沿着所述测量轴方向比沿着所述进给轴更强。

全文数据：表面测量设备技术领域[0001]本发明涉及一种用于对工件的表面进行测量的表面测量设备。背景技术[0002]这种表面测量设备是众所周知的并且例如用于对工件表面的轮廓或者粗糙度进行测量。[0003]工件表面的测量常常使用运动的测量探头来实现。在这里，可以使用触觉式机械探头或者以无接触方式工作的探头，例如以光学或者气动方式工作的间隔传感器。[0004]较大的测量范围在这里受到外部和内部干扰，这些干扰作为测量噪声或者说基本干扰是可以察觉的。这些干扰作为振动而产生，这些振动与探头偏移平行且与进给方向垂直的分量与被扫描的工件轮廓叠加作为测量偏差。[0005]—方面，这些振动在外部是由通过地基或者通过空气传递到表面测量设备的部件上，主要是传递到表面测量设备的基板上的震动所激励。为了阻止这些振动的传递，基板往往是隔离振动地支承，但是隔离的程度在将表面测量设备安置在生产设备附近时经常是不够的。[0006]另一方面，振动是由表面测量设备本身的进给装置的传动装置的马达或者组成部分所激励。[0007]激励的强度在这里通常随着进给速度的增大而变大。当测量场所或者说表面测量设备处于实验室条件下，该振动份额通常在全部干扰中占首位。相反地，在表面测量设备安置在生产设备附近时，外部干扰份额占优势。[0008]探头在测量范围内对这些振动的反应程度决定性地通过机械共振或者说自振的存在进行确定。在这里不利的是，在要被传递的频带中，来自振动激励的频率分量与测量结构的共振线重合。[0009]汽车工业的部件测量任务经常要求位于多个分米的范围内的测量范围或者说尺寸。与诸如所使用材料的弹性模量、阻尼和比重之类的特征相结合，测量结构在探头所在位置上产生固有谐振已超过几十Hz。但是这些频率完全落在电测量系统的通常使用的带宽内。在使用光学探头的情况下，电测量系统的极限频率经常是在大约100Hz的范围内，甚至处在更高频率下。[0010]因此，产生的振动导致测量偏差，这些测量偏差叠加在与被扫描表面的轮廓对应的有效信号上。在测量完成之后，由通过表面测量设备测量得到的表面轮廓计算出表面特征值。特别是在表面测量设备安置在生产设备附近的情况下，这样确定的表面特征值可能被歪曲，使得不再能够对表面特征作出过程可靠的判断。[0011]因此，就高测量精度而言，值得期望的是，以尽可能大的程度降低振动对测量结果的影响。[0012]就减少振动而言，测量场所应当具有尽可能高的固有谐振频率。关于这点，由DE102010023354A1公开了提供产生刚度更大且重量更轻的探测臂结构的措施，这些措施尤其在更高自振的范围内也具有积极的影响。[0013]对于由外部源引起的振动，使用振动隔离系统。在这里，相应的振动隔离系统通常设置在表面测量设备的安置地点的地基与表面测量设备的测量系统的基板之间。这样的振动隔离系统经常作为软弹簧装置相对于重的质量块的组合而实现。在高于隔离系统的固有谐振频率的范围内，被引入地基的振动仅仅是削弱地被传递到测量系统的基板中。[0014]但是，相应的振动隔离系统始终是对于每种激励频率只提供一个最终的阻尼系数。也就是说，振动不是严格按隔离的字义被阻止，而是仅仅是削弱地被传递。因此，对于靠近生产设备的安置来说，在实验室或者说测量室条件下完成其任务的振动隔离系统作为一个整体经常是不再够用了。[0015]相应振动隔离系统的另一缺点在于，它们在测量场所或者说表面测量设备的安置位置上要求高的结构或者说设备费用。因此，对于可以安置在不同位置上的移动表面测量设备，相应的振动隔离系统不能被合理地应用。发明内容[0016]本发明的目的在于，提供一种表面测量设备，该表面测量设备在缩小由振动引起的测量误差方面得到改进。[0017]该目的通过以下发明得以解决。[0018]本发明提供一种表面测量设备，其具有设备基体以及具有能够沿着进给轴相对于待测量工件运动的测量探头，该测量探头具有探头基体和设置在探头基体上的用于沿着测量轴感测工件的表面的探测元件。根据本发明，测量探头配有减振装置，减振装置被设计并设置成用于对探头基体的振动进行依赖于振动速度的衰减并且在探头基体与设备基体之间起作用。就此而言，本发明基于以下构思：如果探头基体的振动依赖于振动速度地被衰减，那么可以特别有效地降低振动对测量精度的影响。[0019]例如且特别是，可以用特别简单且有效的方式通过以下方式实现对振动进行依赖于振动速度的衰减:减振装置具有至少一个在探头基体与设备基体之间起作用的涡流制动器。已经令人惊讶地表明，以这种方式可以明显地降低由振动引起的测量误差。因此，本发明提供一种用相对较低的设备费用来实现对表面测量设备的测量精度的显著提高的可能方案。[0020]适合的涡流制动器作为相对简单且成本低廉的标准部件供使用，从而根据本发明的表面测量设备的制造成本相对于不具有涡流制动器的表面测量设备或者其它的依赖于振动速度地起作用的减振装置而言仅仅是相对适度地提高了。[0021]根据本发明的测量设备的另一优点在于，比如在使用用于对测量信号进行过滤的过滤器时可能出现的测量信号歪曲得到避免。此外还有利的是，通过根据本发明的设计方案，测量过程不会或者仅仅是稍微受到影响。[0022]本发明的一个特别的优点在于，基于根据本发明的依赖于振动速度的衰减实现了进给运动的真正稳定。[0023]另外，测量过程不会因根据本发明的设计而变慢。基于根据本发明实现的进给运动的稳定，相反地甚至更高的测量速度是可能的。[0024]根据本发明使用的减振原理是普遍适用的并且可应用到不同测量设备中。[0025]如果测量设备是在制造设备附近使用，也就是说由外部引入测量设备的振动的份额是特别高的，那么将产生根据本发明的设计方案的一种特别大的积极效果。[0026]根据本发明所使用的减振作用也可被设计成，使得减振作用直接作用在测量设备的轴上。[0027]利用根据本发明的减振装置对现有测量设备的改装可以容易地实现。[0028]原则上，根据本发明，可以设有任何合适的减振装置，也就是说原则上也可以设有在探头与表面测量设备的基体之间存在机械连接的减振装置。为了以尽可能小的程度对探测元件的测量功能并且特别是在采用触觉式工作的探头的情况下对它的与待测量工件的表面形状对应的偏移量产生影响，有利的是，减振装置被设计成无接触式工作的减振装置，如本发明的一种有利的改进方案所规定的那样。[0029]本发明的一种特别有利的改进方案规定，减振装置具有至少一个在探头基体与设备基体之间起作用的涡流制动器。可产生上面描述的优点和特征。[0030]适宜地，涡流制动器沿着测量轴，也就是说在具有触觉式探测元件的探头中沿着探测元件在测量过程期间的偏移方向起作用。如果进给轴例如是X轴，其中，探头沿着作为测量轴的Z轴偏移，那么涡流制动器沿着Z轴起作用。[0031]根据表面测量设备的相应情况以及特别是表面测量设备的进给装置的进给轴，涡流制动器可以沿着任何合适的轴起作用，例如旋转轴。就此而言，本发明的一种有利的改进方案规定，涡流制动器沿着直线轴起作用。[0032]涡流制动器具有由导电材料构成的涡流体，该涡流体与磁性装置共同作用，该磁性装置具有至少一个磁体。另外，涡流制动器的结构和工作方式对于本领域普通技术人员来说是众所周知的并且因此在这里不进行详细说明。[0033]根据本发明，原则上可行的是，测量探头的探头基体在振动技术上与磁性装置连接以及涡流体在振动技术上与表面测量设备在下文被简称为测量设备的设备基体连接。但是，为了使测量探头受到尽可能小的附加重力，另一种有利的改进方案规定，涡流制动器具有在振动技术上与探头基体连接的涡流体，该涡流体和在振动技术上与设备基体连接的磁性装置共同作用，该磁性装置具有至少一个磁体。[0034]根据本发明，在振动技术上的连接是指有关部件直接或者在中间连接有其它部件的条件下相互连接，使得振动在部件之间以涡流制动器对振动的衰减有效的程度进行传递。[0035]前面提到的实施方式的一种有利的改进方案规定，涡流体与测量探头的探头基体，特别是探测元件支架或者探头壳体连接。根据本发明，特别优选的是，涡流体固定在探测元件支架上，也就是说固定在探测元件可以相对于进给装置进行更换所在的机电接口上。在这里，有利的是，引起振动的力的引入点通过固定在探头支座区域中的电导体来限定。[0036]另一有利的改进方案规定，涡流体被设计成涡流板以及磁性装置容纳或者能够容纳在磁性装置的极靴之间。[0037]涡流体和磁性装置的形状、大小和设置可以根据相应情况在很宽的范围内进行选择。为了确保涡流体仅仅或者至少占优势地沿着期望的方向起作用，以及为了防止涡流以不受欢迎的方式沿着进给轴起作用，该实施方式的另一有利的改进方案，涡流板沿着进给轴的长度小于极靴的长度，使得涡流板在沿着进给轴的进给运动期间始终全部容纳在磁性装置的极靴之间。[0038]根据本发明的另一有利的改进方案，磁性装置的磁体被磁化成，使得磁力线与进给轴并且与测量探头的测量轴垂直地或者近似垂直地延伸。如果进给轴例如是x轴并且测量轴是Z轴，那么磁体被磁化成，使得磁力线沿着y方向延伸。[0039]原则上，涡流体和磁性装置可以相对地设置在表面测量设备的部件上，使得涡流制动器始终是起作用的。但是，本发明的一种有利的改进方案规定，磁性装置通过调整装置相对于涡流体可调整地设置在基体上。通过调整装置，磁性装置可以相对于涡流体在接合位置和静止位置之间进行调整，在接合位置上，涡流制动器是起作用的，而在静止位置上，涡流制动器是不起作用的。也就是说根据相应要求，在这种设计方案中，测量设备可以在具有或不具有减振作用的条件下进行工作。[0040]为了在其进给轴可立体调整的测量设备中在测量轴的立体调整中对涡流制动器进行跟踪，前面提到的实施方式的一种有利的改进方案规定，进给装置被设计成，使得进给轴是可立体调整的，其中，磁性装置在调整技术上与进给轴联接，使得磁性装置在对进给轴进行立体调整时一起被调整。[0041]在根据本发明的测量设备中，可以使用任意的合适的测量探头。就此而言，本发明的一种有利的改进方案规定，测量探头是具有相对于探头基体可运动地支承的探测元件的触觉式测量探头、或者是无接触式工作的测量探头、特别是光学或者气动间隔传感器。[0042]本发明的一种特别有利的改进方案规定，涡流制动器被设计成用于非对称作用，使得衰减作用沿着测量轴比沿着横向于测量轴的方向，特别是沿着进给轴更强，优选是明显更强。以这种方式可以对探头基体沿着测量轴的振动进行衰减并且以这种方式可减小相应振动对测量精度的影响，而沿着进给轴的进给运动不会或者仅仅以在测量精度范围内允许的程度被衰减。附图说明[0043]图1示出了根据本发明的表面测量设备。具体实施方式[0044]下面根据极度简化的附图对本发明进行详细说明，在附图中示出了根据本发明的表面测量设备的一种实施例。在这里，所有在说明书中描述、在附图中示出以及在权利要求书中要求保护的特征单独地或者按照任意合适的相互组合方式构成本发明的内容，而不依赖于它们在权利要求书的概括及其引用关系以及不依赖它们的描述以及在附图中的图示。权利要求的亚组合方案也属于本发明内容和公开内容，在这些亚组合方案中，权利要求的特征被省去和或被其它特征代替。[0045]在附图中的唯一的图中，用立体图极度简化地示出了根据本发明的表面测量设备2在下文中也被简称为测量设备）的一种实施例。测量设备2具有带有基板6的基体4,用于待测量工件10的支架8与该基板6连接。[0046]测量设备2还具有用于对工件10的表面进行感知的测量探头11。测量探头11具有探头基体12并且在该实施方式中被设计成触觉式测量探头，该触觉式测量探头具有能够相对于探头基体12运动的例如形式为探测尖端的探测元件13。[0047]探测元件13能够沿着z轴测量轴偏移并且通过与探头基体12连接的进给装置14沿着进给轴在该实施例中相当于x轴相对于工件10运动。在测量期间，通过进给装置14使测量探头11运动，其中，探测元件13对表面进行扫描，并且测量探头11的探测元件13的分别依赖于位置的偏移被记录作为测量值。[0048]然后，根据记录的测量值可以在未示出的评价装置中对工件10的表面形状进行重构。相应测量设备或者更确切地说相应测量探头的结构和测量值的记录和表面重构的细节对于本领域普通技术人员来说是众所周知的并且因此在这里不进行详细说明。[0049]为了能够将测量探头11在其高度上，也就是说沿着测量轴z轴相对于工件10进行定位，进给装置14连同测量探头11比如通过箭头16表示的那样高度可调地设置在测量柱18上。[0050]根据本发明，测量探头11配有减振装置，减振装置被设计并设置成用于对测量探头11的振动进行依赖于振动速度的衰减并且在探头基体12与设备基体4之间起作用。[0051]在所示的实施例中，减振装置具有在探头基体12与基体4之间起作用的涡流制动器20。涡流制动器20在所示的实施例中具有在振动技术上与探头基体12连接的涡流体22，该涡流体在该实施例中由板状电导体涡流板构成。探头基体12与涡流体22之间的在振动技术上的连接在所示实施例中通过以下方式构成，涡流体22固定在用于探测元件13的探头支架24上。探测元件13通过探测臂25可更换地与探头支架24连接。如从附图中可见，涡流体22与z-x平面平行地延伸。[0052]涡流制动器20还具有在振动技术上与设备基体4连接的磁性装置26,该磁性装置在所示的实施例中具有带有极靴3〇、32的圆柱形磁体28。磁体28被磁化成，使得磁力线沿着y方向延伸。[0053]磁性装置26通过调整装置34高度可调地与基板6连接。[0054]在测量设备的工作中，涡流体22在位于极靴30、32之间的间隙中运动。在涡流体22沿着z轴的运动中产生涡流，这些涡流使涡流制动器20起作用。为了避免可能不受欢迎地沿着x方向作用的涡流力，涡流体22沿x轴的长度尺寸被设计成使得涡流体22在沿着进给轴x轴的进给运动期间始终全部容纳在极靴3〇、32之间。因此，涡流体22位于极靴30、32之间的表面部分没有受到磁场随时间的变化，从而避免产生沿x方向的涡流力。[0055]根据本发明的表面测量设备2的工作方式如下：[0056]探头基体12连同固定在其上的涡流体22在测量期间出现的无意的振动导致涡流体22沿z方向短时间地离开位于极靴30、32之间的磁场并且重新进入。在沿z方向的下边缘和上边缘上看，该作用相反地进行。在这些进入和离开的表面部分中的磁场随时间的变化引起涡流的形成，这些涡流本身形成磁场，该磁场抵抗磁体28的静态磁场。因此，对于沿z方向，也就是说沿着测量轴的振动产生与速度成比例的制动力，这些制动力以衰减的方式对振动的振幅产生影响。[0057]以这种方式，减小了探头基体12的振动对测量结构的影响，从而提高了测量设备2的测量精度。

权利要求：1.用于对工件（10的表面进行测量的表面测量设备2，所述表面测量设备具有设备基体4，具有通过进给装置能够沿着进给轴相对于待测量工件运动的测量探头（11，所述测量探头（11具有探头基体12，在所述探头基体12上设有用于沿着测量轴感测所述工件（10的探测元件（13，其中，所述测量探头（11通过所述进给装置（14与所述设备基体⑷连接，其特征在于，所述测量探头（12配有减振装置，所述减振装置被设计并设置成用于对所述探头基体（12的振动进行依赖于振动速度的衰减并且在所述探头基体（12和所述设备基体⑷之间起作用。2.如权利要求1所述的表面测量设备，其特征在于，设有以无接触方式工作的减振装置。3.如权利要求1或2所述的表面测量设备，其特征在于，所述减振装置具有至少一个在所述探头基体12与所述设备基体⑷之间起作用的涡流制动器20。4.如权利要求3所述的表面测量设备，其特征在于，所述涡流制动器20沿着所述测量轴起作用。5.如权利要求3或4所述的表面测量设备，其特征在于，所述涡流制动器20沿着直线轴起作用。6.如权利要求3至5中任一项所述的表面测量设备，其特征在于，所述涡流制动器20具有在振动技术上与所述探头基体（12连接的由导电材料制成的涡流体22，该涡流体22与在振动技术上与所述设备基体4连接的磁性装置共同作用，所述磁性装置具有至少一个磁体28。7.如权利要求6所述的表面测量设备，其特征在于，所述涡流体22与所述测量探头11的探头基体12，特别是探测元件支架24或者探头壳体连接。8.如权利要求6或7所述的表面测量设备，其特征在于，所述涡流体22被设计成涡流板，所述涡流板容纳或者能够容纳在所述磁性装置26的极靴30、32之间。9.如权利要求8所述的表面测量设备，其特征在于，所述涡流板沿着所述进给轴的长度小于所述极靴30、32的长度，从而所述涡流板在沿着所述进给轴的进给运动期间始终全部容纳在所述磁性装置26的极靴30、32之间。10.如权利要求6至9中任一项所述的表面测量设备，其特征在于，所述磁性装置26的磁体23被磁化，使得磁力线与所述进给轴并且与所述测量探头的测量轴（12垂直或者近似垂直地延伸。11.如权利要求6至10中任一项所述的表面测量设备，其特征在于，所述磁性装置26通过调整装置相对于所述涡流体34可调整地设置在所述设备基体⑷上。12.如权利要求6至11中任一项所述的表面测量设备，其特征在于，所述进给装置（14被设计成，使得所述进给轴是可立体调整的，以及所述磁性装置26在调整技术上与所述进给轴联接，使得所述磁性装置26在对所述进给轴进行立体调整时一起被调整。13.如前述权利要求中任一项所述的表面测量设备，其特征在于，所述测量探头（12是具有相对于所述探头基体12可运动地支承的探测元件的触觉式测量探头，或者是以无接触方式工作的测量探头，特别是光学或者气动间隔传感器。14.如权利要求3至13中任一项所述的表面测量设备，其特征在于，所述涡流制动器被设计并设置成用于非对称地起作用，使得所述涡流制动器的衰减作用沿着所述测量轴方向比沿着横向于所述测量轴的方向，特别是沿着所述进给轴更强。

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