接触感测探头的制作方法

专利名称：接触感测探头的制作方法
技术领域：
本发明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，本发明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。
背景技术：
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。

发明内容
根据本发明的第一方面，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，本发明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，根据本发明，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，所述压电堆叠包括至少两层压电材料。在堆叠中提供两层或多层 压电材料降低了进行一定量的运动所需的最大电压。所述压电堆叠可以包括 两层压电材料，所述两层压电材料之间夹有第一电极并且在其最外面的表面 上具有一对外电极(通常与之电气连接)。
有利地，所述第一频率选择为位于超声波频率带中。方便地，所述第一 频率大于15KHz或大于20KHz。优选地，所述第一频率小于40KHz、 35KHz 或30KHz。
优选地，所述装置包括探头主体及可释放地安装的触针。所述探头主体 还可以包括换能器、振荡器、接触传感器、电池等。所述触针可以通过螺丝 钉安装到探头主体的触针底座上，所述触针底座通过机械方式连接到换能器 上。然后，具有不同长度、硬度等的各种触针可以根据需要安装到探头的头 部上。有利地，所述触针的轴具有中空芯。在所述中空芯中提供附加的块状 物(mass)允许该块状物有效地添加到所述触针的末梢。该块状物优选地仅 安装在所述触针中空芯的远端。将额外的块状物添加到触针的末梢降低了其 轴向固有频率，从而可以用于限定所述触针的固有频率。例如，额外的块状物可以位于所述中空芯中，以便确保所述固有频率位于所述装置的可操作频
率范围中(例如，低于35KHz)。
各种振动模式可发生在不同的驱动频率。有利地，所述第一频率选择为 与纵向触针共振模式相一致。对于接触感测应用而言，触针中激发的纵向(轴 向)振动模式而不是横向(径向)振动模式是优选的，因为这种模式的阻尼 不受接触方向的影响。
坐标定位机可以包括本发明的接触感测探头装置。所述坐标定位机可以 包括手动测量机(例如，在EP0730210中描述的铰接臂)、电动CMM或机 床。
根据本发明的第二方面，提供了一种配置振动探头的方法，所述探头包 括以机械方式连接到触针的换能器，所述方法包括以下步骤(i)将交流电 施加到所述探头的换能器上以使所述触针发生振动，(ii)监测施加到换能器 上的电压和通过所述换能器的电流之间的相位差，以及(iii)确定用于在接触 感测操作期间驱动所述换能器的第一频率，其特征在于，所述步骤(iii)包 括确定？ 1起机械共振但偏离机械共振顶部中的最大值的第 一频率。
优选地，所述步骤(iii)包括步骤选择第一频率使得当所述触针接触 物体时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中的 变化最大化。可以通过以前面所述的方式对作为频率函数的V/I相位差进行 分析进行频率的选4%。例如，可以执行一个或多个频率扫描以确定相对于未 受阻挡的触针的频率特性在V/I相位差中局部梯度中的正值或负值最大值。
方便地，所述方法还包括步骤(iv)操作振动探头以便检测其与表面的 接触，其中，所述第一频率的交流驱动信号在所述操作期间被施加到所述换 能器上。


现在将借助示例，参照附图来描述本发明，其中 图1示出了本发明的探头的截面图； 图2示出了用于驱动图1所示探头的压电堆叠的电路图； 图3示出了如何从所施加的电压(V)和驱动电流(I)方波信号产生有 效计数的示意图；图4表示作为施加到图1所示探头上的驱动信号的频率的函数的V/I相
位差；
图5表示当探头与各种表面接触时在I-V相位差上的作用的示意图6示出了对探头的振动频率进行微调的示意图7为示出如何确定探头装置的操作频率的流程图；以及
图8示出了用于驱动单个压电元件的电路图。
具体实施例方式
参照图1，其中示出了本发明的探头2。
探头2包括探头主体4，用于安装在坐标定位机上。在这个实施例中， 探头2为手动扫描探头，适用于安装在便携式铰接测量臂上。探头2包括可 释放安装的触针6以及压电堆叠8，所述压电堆叠8由驱动电路IO驱动。这 种设置允许触针6在需要的频率上发生振动。下面参照图2对压电堆叠8及 其相关的驱动IO进行更加详细地描述。
在探头主体4中提供有壳体12,壳体12具有前膜片14和后膜片16。壳 体12构造为与压电堆叠8以机械方式隔离。压电堆叠8通过螺栓18连接到 探头主体4，所述螺栓穿过后膜片16上的孔。触针通过前膜片14上形成的 孔连接到压电堆叠8。在这种方式中，装置的振动部件可以与固定的探头主 体以机械方式相隔离。因此，压电堆叠8的快速膨胀和收缩可以被转换为触 针的纵向振动，其中探头主体发生最小的相关振动。
在与本申请一同处于未决状态的英国专利申请0608998.1的优先权的国 际专利申请(PCT)中，更加详细地描述了探头2的机械振动隔离特性；该 国际申请的内容在此引入作为参考。
参照图2，其中更加详细地示出了用于驱动压电堆叠8的电路。
压电堆叠8包括极化压电材料形成的第一层20和第二层22。所述极化 压电材料形成的第一层和第二层之间夹有第一电极24。另外，极化压电材料 形成的所述第一层20和所述第二层22中的每层构造为使得它们的正极化表 面(图2中用"+，，示出)与第一电极24相接触。外部电极26和28相互电 连接并且均4妄地。
频率合成器30生成交流电(正弦波)信号，所述交流电信号由放大器31进行放大从而提供AC驱动信号。频率合成器30和放大器31 —起提供振 荡或AC发生器。AC驱动信号经过电阻36通到第一电极24。当AC驱动信 号施加到第一电极24时，压电堆叠8将被驱动发生振动。频率合成器30设 置为提供具有可变频率输出的AC驱动信号，从而允许压电堆叠8在引起所 需要的触针振动的驱动频率上发生振动。
压电堆叠8还用作换能器。在电阻36之前，从放大器41的输出中分出 电压参考信号("Ref. Sine")。还在电阻36和压电堆叠8之间的点上对表示 流经压电堆叠8的电流("Piezo sine")的电压进行测量。电压参考信号(Ref. Sine)和电流信号(Piezo sine)均通过过零纟企测器34并且被分别转换为方 波信号"Ref In"和"Piezo In"。方波信号"Refln"和"Piezo In"流到现场 可编程门阵列(FPGA) 38, FPGA 38包括嵌入的微处理器内核。FPGA 38 还控制频率合成器30的操作，并且包含定时电路(未示出)，所述定时电路 用于测量相位差和操作者传感器的电容，如下所述。
参照图3，其中更加详细地描述了 FPGA38的操作。如上所述，使用过 零检测电路34将指示通过压电堆叠的电压(V)和流过压电堆叠的电流(I) 转换为方波。这些方波然后^f皮输入到FPGA38。
在FPGA38中，"Ref. In"和"Piezo In"信号被同步到主时钟，所述主 时钟比输入信号运行在高得多的频率上。在"Piezo In"信号的上升边缘上， 计数器清零。然后，当"Ref. In"和"Piezo In"信号处于"高"逻辑值时计 数器增加，直至在"Piezo In"输入的下一个边缘上计数器清零。计数器锁 定在"Ref. In"信号的下降边缘上，在时周期上给出一个"有效计数"。
从图3A中可以看出，有效时钟周期计数给出参考信号和压电信号之间 的时间延时或相位差。具体地，图3A表示当所述压电堆叠在非共振频率上 被驱动时"Ref. In"和"Piezo In"之间的相位关系。由于"Ref. In"和"Piezo In"信号分别指示电压(V)和电流(1)，所以这里对所测量的相位差也命 令为V/I相位差。
图3B示出了当"Piezo In"信号的相位由于驱动频率接近机械共振频率 而相对于"Ref. In"信号发生漂移时所出现的相位关系。在这个机械共振频 率上，可以看出，V/I相位差(即，有效计数)被最大化。
如上所述，图3示出了在"Piezo In"信号的上升边缘对信号计数器清零，以及在"Ref.In"信号的下降边缘上对计数器进行锁定。但是，应当注意， 也可以在"Ref. In"信号的上升边缘对信号计数器进行清零以及在"Piezo In" 信号的下降边缘对计数器进行锁定。这也可以产生指示所述V/I相位差的计 数值。
在开始或清零时，频率合成器30设置为执行初始频率扫描。这使得能够 将所述V/I相位差确定为施加在压电堆叠上的AC驱动信号的频率的函数。
参照图4，电压-电流(V/I)相位差表示为施加到压电堆叠8上的驱动电 流的频率的函数。虽然初始频率扫描通常在一个宽的频率范围(例如， 15-35KHz)上执行，为清楚起见，图4仅表示了在频率范围17-18KHz上的 V/I相位差。可以看出，V/I相位差中的顶部40出现在结构的共振频率的位 置上。
在共振顶部40周围，对于小的频率变化，会出现大的V/I相位差。该装 置包括驱动频率调节器，用于确定在与共振顶部相关的转折点周围的曲线梯 度为正及为最大值处的频率；这个频率被认为是最佳驱动频率，在图中显示 为线44。这个区域的梯度用线42表示。然后设定振荡器以将AC驱动信号 施加到具有第一驱动频率的压电堆叠。这个第一驱动频率设定为等于或尽可 以接近最佳驱动频率。在这个实施例中，频率合成器30可以仅在5Hz的步 进中设定，因此最接近最佳驱动频率的频率步进被设为第一驱动频率(如线 46所示)。FPGA38可以配置为实现驱动频率调节器或可以由单独的处理器 实现的装置。
如上所述，当振动触针接触到表面时，压电堆叠的振动被阻挡或者改变 了它们的振动特有模式。这改变了压电堆叠的阻抗，从而在V/I相位差中产 生了可以测量的变化。
图5表示作为探头驱动频率函数的V/I相位差特性，所述探头处于自由 空间中或与不同表面接触。图5中的曲线50表示未受到阻挡的探头(即包 括在空中自由振动的触针的探头)的V/I相位特性。曲线52、曲线54和曲 线56表示相同探头的触针分别与橡皮泥、金属和塑料相接触时的V/I相位 差特性。应当注意，获得图5中数据的探头与参照图4所描述的探头具有不 同的固有频率。
在使用中，振荡器用于在频率调节器确定的第一驱动频率上振动探头；这个第一驱动频率在图中用虚线58表示。V/I相位阈值(用虚线60表示) 被设定在为第一驱动频率上未受阻挡的探头所测量的V/I相位差以下的一个 数值上。可以看出，对探头的任何显著的阻挡(例如，由曲线52、 54和56 中任一曲线所示)导致V/I相位差降至V/I阈值之下，从而提供这样的指示， 即触针已经与表面相接触。当V/I相位差降到这个阈值之下时，探头触针被 认为与表面相接触，并且接触信号线能够指示相关的测量臂获取位置数据 点。如果V/I相位差高于阈值，则接触信号线被禁用。
阈值根据经验进行设定，从而给出足够的灵敏度但是避免错误触发。将 接触阈值计数设定得太高可能会导致探头过于灵敏，从而有可能产生错误触 发。反之，将接触阈值计数设定得太低则可能会降低探头的灵敏度，这可能 意味着不能测量与某些软材料(例如，像皮泥)的接触。在这个实施例中， 所测量的平均相位计数被测量并且乘以因子4/180。这个因子对应于四级相 位变化；从所测量的平均相位计数中减去作为结果的第4/180个相位计数值， 成为接触阈值计数。测量过程使用这个接触阈值计数值来确定探头是否与表 面相4妾触。
正如参照图4所作的描述，探头执行初始宽频扫描(例如，在15-35KHz 的范围上)以确定最佳驱动频率。 一旦这个宽频扫描结束，根据需要随后可 以在较窄的频率范围上(例如，在500Hz的范围上)执行频率扫描，以便在 需要时重新测量或调整最佳驱动频率。
在这个例子中，探头还设置为在保持通电但没有实际使用时进入睡眠模 式。在睡眠模式中，压电驱动电压和相位监测停止而操作者传感器被监测。
操作者传感器包括电容传感器，所述电容传感器用于在操作者接触探头 时进行感测。 一个简单的脉冲发生器向FPGA38提供一定频率的脉冲，所述 频率依赖于电阻-电容网络的充电时间。电容为柔性电路板的形状，在一侧 上包括两个平行的铜轨，而在另一侧上没有铜，其包裹在4果头主体周围。所 述铜轨通过其塑料壳体与探头主体绝缘，并且通过电路板材料与操作者绝 缘。 一个铜轨通过导线连接到发生器的感测输入端，另一个铜轨通过导线连 接到探头的地端。铝制标签覆盖电路板没有铜的一侧。标签通过电导使得操 作者在铜轨环形换能器上的作用最大。
当操作者接触标签时，操作者到地端之间的电容改变了连接到脉冲发生器的整个电容。这导致较低的频率脉冲输出。在开始时，通过同步脉冲及计
数其持续时间，FPGA以与测量相位相类似的方式测量所生成的脉冲的输出 频率。触碰阈值设为其当前读数的125%。当所测量的计数超出这个阈值计 数时，假定操作者正手握探头。
上述情况是假定在"打开"状态下操作者没有手握探头。通过向软件添 加一些更高的复杂度，可以使系统与在打开状态下被握住的探头一同工作。 例如，在"打开"状态时，可以测量电容并计算两个阈值； 一个处于当前所 测量脉冲持续时间的90%,另一个处于125%，如前所述。系统与通常情况 一样经过其初始调节过程以及阈值设定，然后进入等待操作者传感计数中的 变化的状态。显示一个"睡目民，，LED以向操作者表示探头还没准备好进行测 量。如果计数超出上限阈值，则假定探头没有被握住并且将恢复正常操作。 如果计数下降，则假定操作者已经注意到探头没有准备好测量并让其工作。 现在系统将阈值重新计算为当前所测量值的125%,并在之后为正常操作作 好准备。
虽然前面描述了电容传感器，但是各种其它装置也可以作为操作者传感 器用于相同的目的。例如，可使用倾斜开关、加速器、使能按钮或接近度换 能器，以取代电容传感器。
当在"睡眠"模式期间对操作者进行感测时，可以随后在整个频率范围 的一部分和前面所确定的最佳驱动频率附近的中心频率上对堆叠进行更短 的频率扫描。这种短频率扫描或"微调"频率扫描的例子显示在图6中，其 中，线64和66分别表示低微调频率限制和高微调频率限制。通常，这个窄 带频率扫描将在花费操作者手握并定位探头的时间以内执行。
这种类型的电源关闭方案将降低电源消耗，从而延长电池使用寿命，同 时能够维持探头的正确性。然而，这种方案并非是必不可少的。如果电源消 耗不是问题或者如果需要连续使用探头，则可以关闭睡眠模式或从探头装置 中去除。
压电堆叠的机械特性和电气特征可以随温度变化，从而发生器的机械特 性和电气特征也是如此。这可以通过在用户握住探头的任何时间执行短时重 新调节得以补偿。关于温度补偿的更多细节可以在我们的国际(PCT)专利 申请中找到，所述国际专利申请要求英国专利申请0608999.9的优先权，其内容引入本说明书作为参考。
参照图7的流程图，以下描述一种用于执行频率扫描以确定用于接触感 测的第一频率的方法。应当注意，所描述的方法用于在正梯度中找到一个最 大值。
在开始，步骤70将所需频率步进的大小设定为大。步骤71确定是否需 要进行整个频率扫描或是短频率扫描。当探头打开或重设时，选择整个频率 扫描并且执行步骤72(b)。在所有其它情况下(例如，在退出睡眠模式之后) 选择短频率扫描并执行步骤72(a)。因此，频率扫描的开始频率和结束频率 (分别为start—freq和end—freq )根据是否需要宽频扫描还是窄频扫描设定。 参考驱动频率被设定为开始频率。
步骤73等待直到平均V/I相位差测量可以进行。当这种测量可以进行时， 步骤74将数值保存为先前相位计数值(Previous_phase—count )，并且增加所 需要的频率步进正在驱动的压电堆叠所在的参考驱动频率。
现在进入主频率扫描环路。步骤75等待直到平均V/I相位差测量在新的 频率上可以进行。当这种测量可以进行时，步骤76将新的相位计数保存为 当前相位计#t值(Current_phase_count ) ， 乂人先前的相位计凄t值 (Previous_phase—count)中减去当前相位计数值从而得到相位差计数值 (Delta_phase—count )。
步骤77确定是否存在足够的读数来执行移动平均梯度计算。如果回答是 "否，，,则步骤78(a)将相位差计数值(Delta_phase—count)添加到累加器中， 增加累加器计数并将当前的平均梯度(Current_av_gradient)设为零。如果存 在足够的读数，则步骤78(b): (i)对累加器读数进行平均化处理并将值保 存为平均读#t ( av—rdg ) ， (ii)将Delta—phase—count加到累加器中并从中减去 av_rdg ，以及(iii)将累加器凄K直寸呆存为Current—av_gradient 。
步骤79检测步骤78 (a)或78 ( b )中确定的Current_av_gradient值是 否小于零。如果Current—av—gradient值小于零，则频率对应于负梯度，从而 不是我们所感兴趣的(即，由于在这个例子中需要正梯度区域)。在这个实 施例中，步骤80将频率步进设定为大，并且直接执行步骤83和84(即，不 执行步骤81和82 (a)或82 (b))。
如果Current_av_gradient值不为负值，则当前设定的振荡器驱动频率可以对应于感兴趣的区域。然后执行步骤81以便确定Current—av一gradient是否 大于或等于所存储的之前的最大梯度值(Max—gradient)。如果回答是否，则 步骤82(a)在执行步骤83之前将频率步进大小设定为小。如果 Current_av_gradient值大于或等于Max—gradient值，则步骤82 ( b ): (i)将 Max—gradient设定为等于Current—av—gradient值，(ii)将当前驱动频率设为 最佳驱动频率(optimum—freq_setting), (iii)将频率步进设为小。步骤83将 Current_phase—count值保存为Previous_phase—count值。
步骤84将当前参考驱动频率与最后频率进行比较。如果它们相等，则步 骤85(a)将参考驱动频率增加所需的步进，并从步骤75重复执行上述方法。 当频率相等时，扫描结束。然后步骤85(b)将第一频率(即，将用于接触感 测期间的频率)设为等于optimum—freq_setting值。
虽然前面描述了 V/I相位差中的最大、正值梯度，但是应当注意，驱动 频率调节器和相关的频率扫描方法可选择地设置为，确定与共振顶部相关的 转折点周围的曲线梯度所在的频率是否为负值及是否为最大值。正如从图5 中可以看到的，如果选择了负梯度上的频率，则V/I相位阈值应当设定为大 于在自由空间中测量的未受阻挡的V/I相位值。
作为另一个替代方案，驱动频率调节器和相关的频率扫描方法可以设置 为确定绝对值最大(即与正负符号无关)梯度。在所找到的绝对值最大梯度 的情况下，与这个最大值相关的梯度的符号可用于表示V/I相位阔值是否应 当比自由空间的振动相位更高或更低；对于正梯度，阈值应当更低，而对于 负梯度则需要更高的阔值。
前面参照图1和图2描述的探头包括两层压电堆叠8。但是，应当记住， 也可以提供单个压电元件。
参照图8，其中示出了用于驱动单个压电元件的电路。与参照图2所描 述的部件类似的电路部件采用相同的参考标号。
电路包括单个压电元件108，其夹在电极110和112之间。频率合成器 30提供正弦波输出，所述正弦波输出被馈送到差分放大器131中以提供反相 驱动信号和正相驱动信号。反相驱动信号通过第一电阻136到达电极110， 并被用于驱动压电元件的第一侧。正相驱动信号通过第二电阻137到达电极 112,并被用于驱动压电元件的第二侧。正相驱动信号和反相驱动信号的电极范围为最大正向电压和最大反向电压之间。由于两个驱动信号相反，所以 极化元件的两侧将在所施加的正弦运动的频率上膨胀和收缩。因此，运动量
类似于参照图2的双元件压电堆叠，在图2所示的双元件压电堆叠中每个元
件的一侧由单^f及驱动信号驱动而另 一侧则"f妄地。
来自频率合成器30的参考信号"Ref. sine"被输入到过零检测器34。 通过元件的差分信号被输入到仪表放大器140。放大器140的输出为"Piezo sine"信号，所述"Piezosine"信号也被输入到过零检测器34中。从这个点 而言，"Ref. sine"和"Piezo sine"的处理与上述情况相同。使用单个元件的 好处在于，探头的制造成本将更加便宜并且可以缩短其长度。多个元件的压
绝缘。因此可以根据需要为具体应用选择用在探头中的压电元件。
虽然上述实施例描述了手动定位臂的探头的使用，但是应当注意，这样 的探头可用于任何类型的测量机上。例如，这里所描述类型的探头可用在任 何手动测量机、电动CMM或机床上。事实上，这种探头可以在需要低压力 接触感测的任何时候有利地使用。如果使用了电动信号，则探头可进一步包 括超程机构(例如，被动运动支撑)，所述超程机构可重复地返回给定位置 和方位以便在接触感测期间防止损伤。
权利要求
1. 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。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一频率被选择以使得当所述触针接触表面时施加到换能器的电压和通过所述换能器的电流 之间的相位差的变化最大化。
3. 根据前面任一权利要求所述的装置，包括频率调节器，用于执行建 立程序以确定所述第一频率，所述频率调节器设置为控制所述振荡器，从而 改变施加到所述换能器上的交流电的频率。
4. 根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述频率调节器设置为 分析施加到换能器的电压和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，所述第一频率选择为等于与相对于所述触针的频率特性的 相位差的局部梯度中的绝对最大值对应的频率。
5. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一频率选择为等 于与相对于频率特性的相位差中正局部梯度和负局部梯度中的至少一个对应的频率。
6. 根据权利要求3-5中任一权利要求所述的装置，其特征在于，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。
7. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，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。
8. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述微调频率扫描的第 二频率范围包含前面所确定的第一频率。
9. 根据前面任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述接触传感器 设置为将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与阈值相位差进行比较。
10. 根据权利要求9所述的装置，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。
11. 根据前面任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述换能器包括 至少一层压电材料。
12. 根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述换能器包括压电堆叠，所述压电堆叠包括至少两层压电材料。
13. 根据前面任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述第一频率大 于15KHz。
14. 根据前面任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述第一频率小 于35KHz。
15. 根据前面任一权利要求所述的装置，包括可释放地进行安装的触针。
16. 根据前面任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述触针的轴具 有中空芯。
17. 根据权利要求16所述的装置，其特征在于，块状物保持在所述中 空芯中。
18. 根据前面任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述第一频率选 择为与纵向触针共振模式相一致。
19. 一种配置振动探头的方法，所述探头包括以机械方式连接到触针的 换能器，所述方法包括以下步骤(i) 将交流电施加到所述探头的换能器上以使所述触针发生振动，(ii) 监测施加到换能器上的电压和通过所述换能器的电流之间的相位 差，以及(iii) 确定用于在接触感测操作期间驱动所述换能器的第一频率， 其特征在于，所述步骤(iii)包括确定引起机械共振但偏离机械共振顶部中的最大值的第一频率。
20. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述步骤(iii)包括步 骤选择第一频率使得当所述触针接触物体时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中的变化最大化。
21.根据权利要求19或20所述的装置，包括步骤(iv)操作振动探头 以便检测其与表面的接触，其中，所述第一频率的交流驱动信号在所述操作 期间被施加到所述换能器上。
全文摘要
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。
文档编号G01B5/012GK101443626SQ200780017010
公开日2009年5月27日 申请日期2007年5月8日 优先权日2006年5月8日
发明者尼古拉斯·约翰·韦斯顿, 詹姆斯·弗格斯·罗伯逊 申请人:瑞尼斯豪公司