(57)【要約】      （修正有）【課題】自立型発電システムを備えた工作物表面上の点の座標を測定する工作機械または座標測定機械用の座標測定プローブを提供する。【解決手段】工作機械１２の回転スピンドル１５に連結可能とし、巻線２０を伴う固定子１８との関係において相対的に回転する駆動要素であるフライホイール２８および永久磁石１９を担持した回転子１７を有する発電機１６を備え、工作機械１２の回転スピンドル１５を作動させることで発電機１６が電気または電子回路である接触検出回路２２に電力を供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械用の座標プローブであって、
−工作機械の回転軸に連結可能な支持要素、
−工作物表面上の点の座標を測定するための、電気または電子回路を使用する座標センサ、
−巻線を伴う固定子を有する、前記電気または電子回路に電力を供給する発電機を含む座標プローブであり、
発電機の前記固定子との関係において、一本の軸を中心にして少なくとも部分的に自由に回転できる駆動要素、
前記駆動要素と前記固定子との間の角速度の相対的差異から電気エネルギーを生成するように作動可能なように配置されている前記発電機、
駆動要素が座標プローブに対し回転可能な形で連結されたフライホイールである、ということを特徴とする座標プローブ。
【請求項２】
電気または電子回路が、遠隔測定システムユニットおよび／または座標プローブの入出力無線伝送ユニットの一部である、請求項１に記載の座標プローブ。
【請求項３】
前記工作機械の回転軸が、第一の方向に駆動された場合にフライホイールに対して支持要素の回転を伝達し、
工作機械の回転軸が、第一の方向とは反対の方向に駆動された場合にはフライホイールの係合を解除する、単方向性クラッチを含む、請求項１に記載の座標プローブ。
【請求項４】
フライホイールが、発電機の回転子と一体化されており、永久磁石または希土類磁石またはネオジム−鉄−ホウ素磁石を担持している、請求項１に記載の座標プローブ。
【請求項５】
プローブハウジングが、フライホイールの役割を果たしている、請求項１に記載の座標プローブ。
【請求項６】
駆動要素が、空力ブレーキを含む、請求項１に記載の座標プローブ。
【請求項７】
駆動要素が、工作機械の基準座標系上の定位置に設置可能である、請求項１に記載の座標プローブ。
【請求項８】
駆動要素が、ツールホルダーにより駆動可能であり、前記ツールホルダーが、定位置であるときに駆動要素に作用する、請求項１に記載の座標プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業用工作機械または座標測定機械と共に使用することを目的とし、特にコンピュータによる数値制御（ＣＮＣ）式工作機械の中で使用するように適合された測定用プローブに関するものである。
特に、本発明は、工作物上での測定目的で使用するための自己動力供給式ツールを扱っている。
【背景技術】
【０００２】
工作物上でさまざまな機械加工または測定作業を実施するために異なるタイプのツールを自動的に交換する能力を有する機械は、かなり広く普及しており、当該技術分野において周知である。
モジュール式ツールは解除可能な形で単純に機械に固定されており、これにより、各々の特定の作業について特定の機械を使用しなくてすむようになっている。
【０００３】
かかるツールが電気回路を有している場合、回路に対し電源を具備する必要があり、そうでなければツールとツールサポートとの間に少なくとも一定の形態の解除可能な電気接続を想定する必要がある。
【０００４】
モジュール式プローブヘッドは往々にして標準的なツールホルダー上、例えばモールステーパーシャンク上に組立てられており、そしてこれがあらゆる種類の測定および寸法制御を実施するようにスピンドルまたは回転軸工作機械に解除可能な形で連結される。
これは、フライス加工、中ぐりまたはその他のあらゆる機械加工作業といったような加工作業が工作物に対して実施される前に行われることが多い。
このようなモジュール式プローブヘッドは、例えば工作物の適切な位置づけを確保するように、または機械加工作業の開始前にその寸法が許容可能な範囲内にあることをチェックするように作られている。
【０００５】
かかるプローブヘッド用の電源は、プローブハウジングが取付けられているシャンクが通常いかなる電気エネルギー源または電気接続も含まないことから、問題となることが多い。
プローブが回転軸に連結される場合、ほぼ必ずそうであるように、そのときプローブにはいかなる電線も接続することができなくなり、電源に関するかぎりは、これは完全に自立していなければならない。
【０００６】
測定作業を行なうため、そして場合によっては機械制御ユニットに情報を伝送するためにも、プローブヘッドに対しエネルギーを供給する目的で内蔵バッテリが通常用いられる。
しかしながら、バッテリの寿命には限界があることから、それらを定期的に再充電しかつ／または手作業で交換することが必要であり、これは綿密で時間のかかるものである。
【０００７】
バッテリの代替物として、この電力供給の問題を解決するため、発電機によって機械的エネルギーを電気エネルギーに転換するさまざまなシステムが提案されてきた。
【０００８】
米国特許第５５６４８７２号明細書は、電気機械的変換器として流体の圧縮空気の補給を受ける内蔵式流体タービンを用いた無線プローブについて記述している。
同様にして、米国特許第４７１６６５７号明細書および米国特許出願公開第２００７／００６４７３号明細書は、電力を生成するため加圧流体の供給を受けるタービンが具備された測定プローブを開示している。
【０００９】
これらの解決法には、流体流を運ぶための密閉ダクトと同様に、流体の漏出または圧力損失を回避するために組立て時点におけるツールサポートとプローブとの精密な封止が必要とされる。
これは容易に実現できることではなく、ツールホルダーの特殊な設計が関与する。
大部分の場合において、流体導路（例えば切削液ライン）に対するプローブの連結は、仮に可能である場合、手作業でかつ個別に実施されなくてはならない。
【００１０】
発電についてのもう一つの解決法は、特開平３−２２３６０２号公報によって開示されており、これにおいては、工作機械のスピンドルは、プローブのハウジングが工作機械のヘッドの非回転要素に固定されている一方で、プローブ内の発電機を直接回転駆動させる。
これには、標準的なテーパーシャンクに加えて第二の機械的連結が必要であり、かくして、一つの工作作業からもう一つの作業へ移行する場合にツールの迅速で容易な交換が妨げられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、上述の制限が全て無い、電気回路を有するモジュール式プローブヘッド用の自立型発電システムに対するニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に従うと、これらの目的は、独立請求項の特徴をもつ発電方法およびタッチプローブを用いて達成される。
好ましい実施形態は、従属請求項の中で規定されている。
特に、これらの目的は、工作機械の回転軸に連結可能な支持要素、工作物の表面上の点の座標を測定するための電気または電子回路を使用する座標センサ、前記電気または電子回路に電力を供給する発電機、を含む工作機械用の座標プローブによって達成されるのであって、該座標プローブは、発電機の固定子との関係において、一本の軸を中心にして少なくとも部分的に自由に回転できる駆動要素、前記駆動要素と前記固定子との間の角速度の相対的差異から電気エネルギーを生成するように作動可能なように配置されている前記発電機により特徴づけられている。
【００１３】
提案されている解決法は、第一に、電力消費に関してシステム全体の効率を改善する。
機械によりすでに生成されたエネルギーを変換し、それを貯蔵しもう一つの形態に再利用することで、実際にあらゆる付加的なエネルギー源を使用せずにすませることができるようになり、さらに、機械側ではいかなる電力自立性の問題にも遭遇しないことから、プローブ上に送出される機械エネルギーは理論的には制約がない。
したがって、一次エネルギー源としてのフライホイールの使用は、システムの既存の機械エネルギーを発電へと向ける上でのこのエネルギーの作用を最大限にする。
【００１４】
開示されている解決法のもう一つの利点は、さまざまな作業目的のために利用可能な自立式の電源を有するモジュール式タッチプローブに対する汎用解決法を提供するということにある。
取付けたプローブのハウジング内部で独立して生成される運動エネルギーを使用することから、それを工作機械に連結するためにいかなる特殊な設計または調整装置も必要とせず、つまりこの解決法はどのような規格通りの支持用工具にも適合する。
【００１５】
提供される解決法のさらなる利点は、その使用が便利で簡単であること、ならびにその動作がほぼメンテナンスを必要としないことにある。
【００１６】
本発明は、例として与えられる図によって例示されている実施形態についての記述を用いてより良く理解されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の好ましい実施形態に従ったプローブの断面図を示す。
【図２】本発明の好ましい実施形態に従ったプローブの斜視図を示す。
【図３】本発明の好ましい実施形態に従った発電ユニットの平面図を示す。
【図４】本発明の変形実施形態に従った発電ユニットを示す。
【図５】本発明のさらなる実施形態を示す。
【図６】本発明のさらなる実施形態を示す。
【図７】本発明のもう一つの実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、本発明の好ましい実施形態および使用例に従ったプローブ１１の断面を例示している。
我々は、単純さを期して、プローブ１１が三本の線形軸ＸＹＺと回転スピンドル１５を有する従来のＣＮＣフライス加工機において使用されるものと仮定するが、これは本発明を制限するものではなく、本発明は全ての様式の工作機械１２において使用することのできるものであると理解すべきである。
【００１９】
図示された実施例においては、プローブ１１は、使用されている工作機械と適合性のある標準的なテーパーシャンク１３を含むホルダーを介して工作機械１２の回転スピンドル１５に解除可能な形で固定されている。
図中、テーパーは単純さを期して、プローブと一体化されているものとして描かれている。
しかしながら、本発明のプローブは、特定の連結形式に制限されないことを理解すべきである。
テーパーシャンクは、一般に、異なる機械との相互動作を可能にするため、離脱可能なツールホルダーの一部を成すものとする。
回転スピンドル１５は、回転スピンドル１５からプローブを取外し、それに導入する方向も同様に規定している回転軸１４を中心として、回転駆動される。
【００２０】
工作機械１２に作業用ツールを固定するための上述のクランプ機構は、きわめて広く用いられている。
したがって、プローブ１１のテーパーシャンク１３は、好ましくは、規格通りの工作機械１２と相互動作するためにいかなる特定の設計も必要としない。
本発明に従った締結システムは、工作機械１２のＸＹＺ軸を適切にプログラミングすることにより３次元測定空間内の任意の位置でプローブ１１を移動させることのみならず、工作機械の回転スピンドル１５と共にプローブ１１を回転駆動することを可能にする。
この回転駆動の特長を有するプローブを、解除可能な形で連結するためのあらゆるシステムが、本発明に適するものであることがわかる。
【００２１】
テーパーシャンク１３の反対側の端部において、プローブハウジング２７は、タッチトリガによるプローブ１１といったような表面検知および／または測定用装置を支持しており、該プローブは、接触検出回路２２に結合された細長いプローブスタイラス２６を含み、好ましくは接触検出回路自体が、測定結果を遠隔制御ユニット（図示せず）に伝送しかつ／または測定プロセスのための命令を受信するために遠隔測定システムユニット２４に結合されている。
プローブスタイラス２６が偏向した場合、接触検出回路２２の電気的接触２３が破断すると直ちに電気信号がトリガされる。
しかしながら、本発明は、この特定の種類のプローブに限定されるわけではなく、測定中の工作物の表面上の点の座標の尺度を生成する、アナログプローブおよび例えばレーザープローブといった非接触プローブも利用することができる。
【００２２】
適切に符号化された測定座標は、次に、無線データ伝送のため遠隔測定システムユニット２４に転送され得る。
データ伝送は、例えば赤外線を介した光学または無線周波数伝送を通して、または例えばブルートゥース技術または短距離伝送のために用いられるあらゆる無線技術を用いて、例示された通りの無線伝送リンク３４で実施可能である。
好ましいのは、低出力伝送システムである。
より高い帯域幅および／またはより長い距離が必要とされる場合には、ＷＬＡＮといったようなその他の無線データ伝送技術もまた想定できる。
好ましくは、遠隔測定システムユニット２４の入出力インタフェースは、電力節約のため定期的にオフ切換えされ得、または、デフォルトによりアイドル状態にされ得、予め定められたタイムスロットの間のみ伝送するように準備完了状態となり得る。
ＧＰＲＳまたはＥＤＧＥといったような、その他の無線伝送技術もまた考慮可能である。
また以上で言及された無線技術リストは、網羅的なものではない。
【００２３】
接触検出回路２２および／または遠隔測定システムユニット２４のための電力は、主として発電機１６により供給される。
図１に例示されている好ましい実施形態に従うと、発電機１６の回転子１７は、この実施形態に従って、プローブに対し回転可能な形で連結されたフライホール２８である駆動要素より下に設置されている。
これには、プローブハウジング２７の回転とは独立して角速度を維持するために充分な慣性モーメントが提供される。
フライホイール２８は、例えば、発電機１６の回転軸に連結可能なアド・オンモジュールであり得、したがって、既存の発電モジュール１６を用いて拡張可能性を改善できる。
【００２４】
回転子１７は、固定子１８と回転子１７の間に相対的回転が存在する場合に、固定子１８の巻線２０内に誘導電流を流すための永久磁石１９を担持する。
【００２５】
本発明のプローブ１１は、工作機械のスピンドル上に組立てられ、したがって高速で回転していてよい。
本発明の実施形態においては、固定子および回転子の両方が同時に回転してよく、その他の実施形態では、回転子が静止している間、発電機の固定子は回転していてよい。
したがって「固定子」および「回転子」という用語は、任意の特定の基準座標系内での絶対的静止または絶対的回転を表わすものとみなされるべきではなく、相対的な意味をもつとみなされるべきである。
エネルギー生成サイクルの一例について、ここで記述する。
ＣＮＣ機械の回転スピンドル１５が最初に起動され、プローブハウジング２７を回転させる。
フライホイール２８は、その高い慣性モーメントのため、プローブハウジング２７の運動に追従しない。
プローブハウジングに固定された基準座標系内においてシステムを考慮すると、発電機１６では回転子１７とフライホイール２８が反対方向に相対的に回転するのが「見られる」。
【００２６】
スピンドルが回転し続けるかぎり、好ましくは低摩擦軸受上に組立てられるフライホイールは、かなり長時間にわたり（プローブハウジング２７との関係において）回転し続けると考えられる。
また一方、回転子の永久磁石１９は、固定子の巻線２０の中に起電力を誘起する。
ここで電流が巻線内を循環して正味正電力を発生させたならば、電気制動が結果として起こり、フライホイールは（プローブハウジングに固定された基準座標系内で）ハウジングの角速度に到達し、その運動エネルギーは電気エネルギーに転換される。
【００２７】
フライホイール２８の回転速度がひとたびハウジングの回転速度と等しくなったならば、回転スピンドル１５、そしてそれと共にプローブハウジング２７が停止させられるかもしれない。
このとき、フライホイール２８は、発電機１６の固定子との関係においてスピンドルの初期回転方向で回転するのが見られる。
ここでもまた、フライホイール２８が再びハウジングの角速度となるまで、フライホイール２８の運動エネルギーを電気エネルギーへと転換することができる。
記述されたエネルギー生成サイクルは、必要な回数だけ反復可能である。
【００２８】
記述された実施形態は、スピンドルの角加速または角減速が存在する場合は常に、そしてスピンドル速度の突然の変化後の過渡期において、電気エネルギーを生成するためにフライホイール２８の慣性を活用する。
スピンドルが恒常な角速度で回転しフライホイールが同じ速度で回転する場合、エネルギーを生成することは全くできない。
【００２９】
同様に、もう一つの変形形態に従うと、スピンドルの回転を単に停止させるのではなく、むしろそれを反転させ、かくして固定子との関係におけるフライホイールの回転速度を倍加させることも可能である。
反転は、エネルギーを持続的に生成するように周期的に反復させることができる。
所与の毎分回転数（ｒｐｍ）についてより多くの運動エネルギーが貯えられることができることを意味する、フライホイール２８の慣性モーメントの上昇のために、フライホイール２８用に選ばれる材料は、例えば、鉄、白金、タングステン、鉛などといったあらゆる重金属など、可能なかぎり重くなるように選択されるべきである。
一方、発電機１６のサイズを縮小させその出力を増大させるためには、永久磁石１９を、好ましくは、例えばサマリウムコバルト磁石またはＮＩＢ（ネオジム−鉄−ホウ素）磁石などの高磁気エネルギー積を有する希土類永久磁石とするべきである。
【００３０】
発電機１６は、上述の接触検出回路２２、遠隔測定システムユニット２４のいずれかに対し、そしてより一般的には遠隔測定システムユニットおよび／または座標のプローブ１１の入出力の遠隔測定システムユニット２４の電気または電子いずれかの回路部分に対して電力を供給することができる。
給電は、フライホイール２８とプローブハウジング２７との間の相対回転速度がゼロでない場合は常に、すなわち回転子１７が固定子１８との関係において実際に回転している場合に行なわれる。
これは、例えばプローブハウジング２７が、加速または減速されるときなどに起こる。
【００３１】
当該技術分野において公知の解決法で通常提供される空気圧システムとは異なり、固定子１８との関係における回転子１７の相対的回転を与えるのに慣性の効果が用いられることから、工作機械とプローブの間にはいかなる気密機構も必要とされない、ということがわかる。
その結果、プローブ１１を、より容易かつ迅速に組立て、交換することができる。
【００３２】
図１に例示されている好ましい実施形態に従うと、プローブ１１は、さらに、発電機１６により生成される電圧を増幅し、接触検出回路２２、遠隔測定システムユニット２４を適切に作動させるのに許容可能なレベルまで電圧を上昇させることを目的として、電圧変換器２５といったようなもう一つの電気回路を含んでいる。
電気回路を作動させるのに許容可能なレベルというのは、通常少なくとも３〜４ボルト前後になる。
電圧変換器は、半導体電圧増幅器または、入力電圧よりも高い出力電圧を供給することができるあらゆる半導体交流／直流変換器であり得る。
その結果として、前記発電機１６によって生成される電圧よりも高い直流電圧を発生させることができる。
電圧変換器２５は、好ましくは、発電機１６の出力端と伝送および受信段階のためにより大きい電圧が必要である遠隔測定システムユニット２４の入力端との間に設置される。
直流電圧へと発電機１６の出力を変換するステップは、必要な場合は常に、そしてそれを要求し得る電気または電子回路である接触検出回路２２、遠隔測定システムユニット２４いずれのためにでも、より高い直流電圧状態で実施可能である。
【００３３】
プローブヘッド１１が、いかなるエネルギー貯蔵機構も備えていないことも考えられる。
しかしこの場合、測定作業および／またはデータ伝送作業が実施されている間、エネルギーを生成する必要があり、これは大きな制約である。
発電機１６により供給された電力を貯蔵するために、プローブ１１の内部にエネルギー貯蔵ユニット３２を具備することが望ましい。
このとき、エネルギー発生サイクルは、間隔をおいてのみ、そして好ましくは実際の測定中以外の時に実行される必要がある。
【００３４】
エネルギー貯蔵ユニット３２は、プローブ内部で接触検出回路２２、遠隔測定システムユニット２４に電力を供給するための一次エネルギー源として役立ち、発電機１６がオフ切換えされている場合にのみ使用され得る。
このユニットは同様に、発電機１６が動作している間および／またはプローブ１１が測定目的で使用されている間に発電機１６により生成された余剰分のエネルギーを貯蔵する補助エネルギー源またはバッファとしても使用可能である。
したがってこのようなエネルギー貯蔵ユニット３２は、発電機１６と交替で、または発電機１６と組み合わせた形で使用することができ、こうして、より大きな運転柔軟性が得られる。
こうして例えば、プローブのいずれの部分の回転も全く必要とせずに許容可能な測定時間だけ測定を実施すること、そしてより一般的には、絶対的に必要な場合にのみ発電機の作動を要求することが可能になる。
【００３５】
本発明の好ましい実施形態に従うと、エネルギー貯蔵ユニット３２は、生成された電気エネルギーを貯蔵し、そして例えば充電式蓄電池またはバッファコンデンサである。
この目的では、貯蔵特性がより優れていることから電気化学二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）を使用してよい。
【００３６】
プローブ１１に電気エネルギーを供給するためのメンテナンス必要条件を最小限におさえる目的で、電力の欠如が検出された場合は常に、貯蔵用手段であるエネルギー貯蔵ユニット３２の充電プロセスを自動化することを想定することができる。
このために、任意の所与の時点で利用可能な貯蔵エネルギーの量を標示する目的で、エネルギー貯蔵ユニット３２に対しエネルギー計量ユニット３３を結合させることができる。
好ましくは、このエネルギー計量ユニット３３は、遠隔測定システムユニット２４にもまた結合され、ひとたび最低の電力レベルに達した時点で制御ユニット（図示せず）に対する警告信号の送信をトリガすることができる。
このような警告信号を受信した時点で、制御ユニットは、発電機１６をオン切換えするべく、回転軸１４を中心とした工作機械の回転スピンドル１５を回転させ、かくして充分なエネルギーを供給し貯蔵手段であるエネルギー貯蔵ユニット３２内に貯蔵できるようにする。
工作機械１２の回転軸１４を駆動させ運動エネルギーを電気エネルギーに転換するステップは、所望のエネルギーレベルを達成するのに必要な回数だけ反復できる。
【００３７】
図２は、もう一つの好ましい実施形態に従ったプローブ１１の斜視図を示しており、ここでは内部の発電機１６の機構が開示されている。
テーパーシャンク１３の真下のプローブハウジング２７における切断により、ここでは回転子１７と一体化されているフライホイール２８、そして永久磁石１９が好ましくは収容されている穴を見ることができる。
回転子１７に対面して、固定子１８とそこに埋込み式の巻線２０が見える。
【００３８】
固定子１８の下には、バッファコンデンサまたは当該技術分野において公知のその他のあらゆるタイプのエネルギー貯蔵ユニット３２が、生成された電気エネルギーを貯蔵するために組立てられている。
バッファコンデンサであるエネルギー貯蔵ユニット３２は、例えばＣＰＵ３６および接触検出回路２２の構成要素ならびに遠隔測定システムユニット２４（図示せず）を含めたさまざまな電子構成要素が組立てられている回路基板３５に接続可能である。
ＣＰＵを除いて、その他の構成要素は、好ましくは、それらを収容するための必要な場所を提供するケーシング２１の内部の回路の下に設置されているので見えなくなっている。
例えばアンテナまたは赤外線ポートなどで構成された遠隔測定システムユニット２４の無線伝送部分は、好ましくは、信号減衰効果を最小限にするためにケーシング２１の外部表面上に組立てられている。
それは、ケーシング２１の側面上に見ることができる。
【００３９】
ＣＰＵ３６は、好ましくは、プローブスタイラス２６が、その組立て軸にしたがって偏向させられた場合には、常に接触検出回路２２が受信する信号を処理するために使用することができる。
図２では、この軸は、工作機械１２およびプローブ１１の回転軸１４の両方に対応している。
このとき、信号は、遠隔測定システムユニット２４に送られ、遠隔制御ユニットへと伝送され得る。
しかしながら、この文書中で先に言及した通り、ＣＰＵ３６は、データ送信および受信の両方のためのインタフェースとしても使用可能である。
それは、無線伝送リンク３４で受信された命令の解析時点で、プローブ１１用の測定プログラムの実行のために、発電機１６の起動をトリガすることができる。
ＣＰＵは、エネルギー計量ユニット３３が関与する好ましい実施形態においては、好ましくはかかる要素にも結合される。
その場合、ＣＰＵ３６は、電荷レベルが過度に低い場合には常に、送られた警報信号を処理し、そして、それを無線伝送リンク３４で遠隔制御ユニット（図示せず）に伝送する。
ＣＰＵ３６は、同様に、電気エネルギーを消費する、どの作業を貯蔵エネルギーで実行するべきか、およびどの作業が発電機１６を介した実時間の電力エネルギー供給を必要とすると思われるかについて決定を下すことをも担当する。
【００４０】
図３は、回転子１７に埋込まれた一連の永久磁石１９を含む発電機１６の平面図を例示している。
この一連の磁石のうちの各々の連続する永久磁石１９は、巻線２０内の誘導電流が交番させられるように、反転された磁極の配置（Ｎ、ＳはＮ極およびＳ極を表わす）を有する。
開示された発電機１６は、一方向のみで回転子１７のフライホイール２８に対し、支持要素であるテーパーシャンク１３の回転を伝達するための単方向クラッチ２９を含む。
単方向クラッチ２９は、この実施例においては、プローブハウジング２７にしっかりと固定されている爪３１と回転子１７の周囲の波形歯３０の連動に基づいている。
この実施形態は、単なる例として示されており、オーバーランニングクラッチまたはフライホイールの数多くのその他の変形形態が同様に本発明の枠内で応用可能である、ということは明らかに認識できる。
クラッチは、工作機械１２の回転スピンドル１５が自由方向に、すなわち例示された実施形態については時計回り方向に駆動された場合にプローブハウジング２７と同じ速度で回転子１７のフライホイール２８を駆動すること、そして工作機械の回転軸１４が第一の方向と反対の方向に駆動された場合にはフライホイール２８を係合解除することを可能にする。
回転スピンドル１５の回転がひとたびオフ切換えされたならば、プローブハウジング２７は、その慣性モーメントに起因して回転し続ける回転子１７よりもはるかに速く減速し、フライホイール２８は係合解除される。
結果として得られる回転子１７の相対回転速度は、以上のように電流を生成するために使用可能である。
【００４１】
単方向クラッチ２９を含み入れることで、フライホイール２８はプローブと同じｒｐｍ数で瞬間的に加速されることから、発電サイクルが短縮される。
発電機１６は、一つの回転方向のみで作動される必要があり、これにより、その構造および付属回路は簡略化され得る。
【００４２】
発電機１６が生成するエネルギーを最大限にするためには、回転子１７の回転における摩擦損失を可能なかぎり低く保つべきである。
このため、回転子１７の軸上に、転がり軸受、針状ころ軸受または玉軸受（図示せず）を想定することができ、阻止機構の波形歯３０部分および爪３１部分の両方に適切なあらゆる潤滑材料を塗布することができると考えられる。
【００４３】
図３に例示された実施形態においては、回転子１７は、同様に、固定子の巻線内に電流を誘導するため永久磁石１９を担持するフライホイール２８に一体化されている。
図４に例示された変形実施形態は、プローブハウジング２７およびフライホイール２８が、一つの同じ部品で実現されており、かくしてプローブハウジング２７の内部表面上に永久磁石１９が固定されるかまたは組込まれるようになっている代替的実施形態を示している。
したがって、符号１７、２７および２８は、プローブハウジング上にまとめられている。
この実施形態においては、固定子１８の巻線は、好ましくは、円形分布した全てのコイルを用いて適切な誘導電流量を供給するように最小限のギャップを伴って配置される。
複数の永久磁石１９の代りに、環状多極磁石を含むカラーを、プローブハウジング２７の内側に組立てることもできる。
【００４４】
図４を見ればわかるように、本発明のこの実施形態のためには、テーパーシャンク１３は、好ましくは直接に固定子１８に結合され、回転軸１４を中心にして、それを回転駆動させ、一方玉軸受といったような軸受継手３７は、プローブハウジング２７に回転運動を追従させないようにすることができる。
【００４５】
プローブ１１について開示された設計アプローチは、ほぼメンテナンスのいらない運転が可能な自己動力供給機構を提供する。
本発明に従ったプローブ１１は、エネルギーに関して完全に自給自足で作動するものと想定されており、かくしてシステムの全体的利用可能性を増大するために使用され得る蓄電池の変更が必要とされることは一切ない。
必要に応じて、すなわち予め定められたタイムスロットの外を含め必要とされる場合には常に間欠的に、そして同じく場合によってはどの電気回路の動作のためにでも電流を発生させるように最大限の柔軟性が提供されている。
また、開示されている自己動力供給機構のエネルギー効率は、エネルギーの変換のために使用される運動エネルギーを供給するのに例えば空気圧システムなどの付加的なシステムが全く必要とされないことから、利用可能な従来の解決法よりも優れている。
【００４６】
図５に例示されている本発明のもう一つの実施形態に従うと、駆動要素であるフライホイール２８は、プローブ本体に回転可能な形で連結され、その空力抵抗を最大限にする突出した羽根１２１が備わった状態で、プローブの外部ケーシングの一部となっている。
このようにして、スピンドルであるテーパーシャンク１３が回転させられた時、駆動要素は同じ速度で回転せず、より低い速度で回転する。
この角速度の差異により、巻線２０が電気エネルギーを発生させるようにすることができる。
この実施形態は、先行する実施形態のものと同じ原理、すなわちプローブの固定子要素と駆動要素の間、ひいては発電機の回転子と固定子の間の回転速度差を活用することに依存しているということがわかる。
先の実施形態との違いは、速度の差が慣性によって誘発されるのではなく、羽根１２１により構成された空力ブレーキによって誘発されるという点にある。
有利にも、先の慣性ベースの変形形態ではエネルギーの生成が加速および減速段階に限定され、その結果必然的に間欠的であったのに対して、速度差および電気エネルギーの生成は無限に、つまり必要とされるかぎり維持させることが可能である。
この実施形態において発生させることのできる電力は、理想的な場合では、空力ブレーキで散逸した機械力に等しい。
【００４７】
図５にある羽根の形状および配置は、単なる一例として提供されており、本発明の範囲から逸脱することなくその他の種類の空力ブレーキで代用することができる、ということは明白である。
好ましい変形形態においては、羽根は、プローブ本体近くに羽根が折畳まれている、スピンドルが回転しない場合のコンパクトな構造、そして抗力を最大限にするべく羽根がプローブ本体から突出している拡張構成を伴って、自己展開式であり得る。
羽根の展開は、遠心力、空気力またはその他のいずれかの手段またはそれらの組合せによって駆動され得る。
【００４８】
図６に例示されている本発明のさらなる変形形態に従うと、駆動要素であるフライホイール２８は、ＣＮＣ機がプローブを予め定められた制動位置にもっていくように起動させられた時点で、制動される。
例示された実施例において、駆動要素であるフライホイール２８は、プローブ本体に回転可能な形で連結されたプローブの外部ケーシングの一部であり、機械のテーブルに固定された制動要素１３０は、駆動要素であるフライホイール２８と接触させられ、かくしてその動きを妨害する。
この位置でスピンドルが回転させられた場合、磁石を担持する駆動要素であるフライホイール２８は、この動きに追従せず、電気エネルギーが巻線２０によって生成される。
【００４９】
制動要素１３０の形状および位置については、本発明がその数多くの変形形態および代替案を包含すること、そして図６に例示されている指状形状が単に一例として与えられているにすぎないものであることは明白である。
制動要素１３０の位置も、同様に自由である。
好ましい変形形態においては、制動要素１３０は、ＣＮＣ機がツールとプローブを自動的につかみ取るツールマガジンの中に組込まれると考えられる。
【００５０】
本発明のこの変形形態には、この変形形態における制動効果を向上させるために、数多くの任意の特長を付加することができる。
例えば、駆動要素であるフライホイール２８および／または固定指状部である制動要素１３０は、ゴムのような表面または高い摩擦係数をもつ材料の表面を有することができる。
さらに付加的にまたは代替的に、駆動要素であるフライホイール２８は、図６に概略的に示されているように、固定指状部である制動要素１３０と相互動作する凹部１３５と突出部を有することができる。
【００５１】
図７に例示されている実施形態に従うと、駆動要素であるフライホイール２８は、プローブ本体に連結されず、例えばツールマガジン内といったように機械の基準テーブル上の予め定められた定位置にある。
この変形形態においては、プローブには巻線２０が具備されており、駆動要素であるフライホイール２８は、数多くの永久磁石１９を担持している。
電気エネルギーを生成するために、ＣＮＣ機は、プローブを駆動要素内に挿入するかまたは少なくとも駆動要素と磁気関係になるように挿入するべく駆動され、その後、スピンドルは、蓄電池に所望の量のエネルギーを貯えるのに充分な時間回転させられる。
この有利な実施形態は、より軽量のプローブを提供する。
【００５２】
プローブが組立てられているＣＮＣ機または座標機械の位置づけ精度は、一般に、駆動要素６８の内部へのプローブの正しい挿入、そしてこれら二つの要素間での接触が全くない状態での自由な回転を確保するのに充分なものである。
駆動要素内へのプローブの挿入は、望ましくない接触を回避するよう入念にプログラミングされるべきである。
【００５３】
プローブの挿入をさらに容易にするため、プローブを上に据えつけてよい一つ以上の回転可能な要素を駆動要素に具備することが有利であり得る。
この場合、駆動要素は、好ましくは、プローブのあらゆる心ずれを補償するため弾性マウントを含むものとする。
図６の実施形態についてそうであったように、駆動要素は、有利にはツールマガジン内またはツールホルダーの一時収容場所内に内蔵されてよい。
この有利な構成により、測定作業の開始時点で必要とされる電力を発生させることが可能になる。
【００５４】
本発明のさまざまな実施形態は、電気または電子回路である接触検出回路２２に電力を供給する発電機１６と発電機の固定子との関係において相対的に回転する能力をもつ駆動要素であるフライホイール２８とを有する、工作機械に連結可能なプローブに関するものである。
駆動要素の回転軸は、好ましくは、プローブ自体の対称軸である。
駆動要素は、いかなる外部エネルギー源にも連結されず、単に工作機械の回転軸を活動化させることだけで回転させることができる。
【００５５】
有利にも、本発明の駆動要素は、工作機械のいずれの可動要素とも直接連結されておらず、プローブ自体に回転可能な形で組立てられているか、または工作機械の基準テーブル上に固定されているかのいずれかである。
重要なことに、本発明のプローブは、標準化されたテーパーシャンクを伴う従来のツールホルダーで実現できる回転スピンドルに対する連結以外には、プローブが組立てられている工作機械に対する付加的な連結を全く必要としない。
このようにして、本発明のプローブは、標準的なプローブと完全に互換性があり、いかなる適合化もなく標準的なツールホルダーと共に組立て使用することができる。
プローブの自己動力供給機能は、単に、工作機械のスピンドルに適切な回転命令を送るだけで起動され得る。
【００５６】
本発明の異なる実施形態に従うと、駆動要素の散逸制動により、駆動要素の相対的回転が得られる。
その他の変形形態においては、駆動要素の相対的回転は、単に、機械のテーブル上の定位置、もしくはツールホルダーまたはツールマガジンなどのような保持用装置に由来するものである。
【００５７】
本発明のさまざまな変形形態および実施形態に従うと、エネルギーは、任意の位置で、またはプローブが制動装置または駆動要素との関係において同一かつ特定の位置まで移動させられた場合にのみ発生させることができる。
【符号の説明】
【００５８】
１１  プローブ
１２  工作機械
１３  テーパーシャンク
１４  回転軸
１５  回転スピンドル
１６  発電機
１７  回転子
１８  固定子
１９  永久磁石
２０  巻線
２１  ケーシング
２２  接触検出回路
２３  電気的接触
２４  遠隔測定システムユニット
２５  電圧変換器
２６  プローブスタイラス
２７  プローブハウジング
２８  フライホイール
２９  単方向クラッチ
３０  波形歯
３１  爪
３２  エネルギー貯蔵ユニット
３３  エネルギー計量ユニット
３４  無線伝送リンク
３５  回路基板
３６  ＣＰＵ
３７  軸受継手
１２１  羽根
１３０  制動要素
１３５  凹部
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５９】
【特許文献１】米国特許第５５６４８７２号明細書
【特許文献２】米国特許第４７１６６５７号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／００６４７３号明細書
【特許文献４】特開平０３−２２３６０２号公報
【図１】
2009265103.tif 000003
【図２】
2009265103.tif 000004
【図３】
2009265103.tif 000005
【図４】
2009265103.tif 000006
【図５】
2009265103.tif 000007
【図６】
2009265103.tif 000008
【図７】
2009265103.tif 000009
【外国語明細書】
Self-powered coordinate probe
Field of the invention
The present invention relates to measuring probes for use with industrial machine tools or coordinate measuring machines and specially adapted to use in computerized numerically controlled (CNC) machine tools. In particular, the present invention deals with a self-powered tool for used for measuring purposes on a workpiece.
Technical Background
Machines that have the capability of automatically substituting different types of tools in order to perform various machining or measuring operations on a workpiece are quite widespread and well known in the art. Modular tools are simply releasably secured to the machine, which allows dispensing with the use of specific machines for each specific operation.
Whenever such tools contain an electric circuit, power supply need to be provided to the circuit, or at least some form of releasable electrical connection between the tool support needs to be foreseen.
Modular probe heads are often mounted on a standard tool-holder, for example a Morse tapered shank, which is then releasably connected to a spindle or a rotary axis machine tool, to carry out all sorts of measurements and dimensional controls. This is often done before a working operation such as milling, boring or any other machining operation is carried out on a workpiece. Such modular probe heads are meant e.g. to ensure the proper positioning of the workpiece, or to check that its dimensions lie within an acceptable range, before starting the machining operation.
The power supply for such probe heads is often problematic, insofar as the shanks to which the probes’ housings are attached usually do not contain any electrical energy source or electrical connexions. When the probe is connected to a rotary axis, as it is almost invariably the case, it is then impossible to connect any electrical wire to the probe, which must be fully autonomous insofar as power supply is concerned.
Built in batteries are regularly used for supplying energy to the probe head in order to perform the measuring operations, and possibly also for transmitting information to a machine control unit. The limited lifetime of the batteries requires though their regular recharging and/or manual replacement, which is fastidious and time-consuming.
As an alternative to batteries, various systems have been proposed to solve this electric power supply problem, in converting mechanical energy into electrical energy thanks to generators.
US5564872 describes a wireless probe using a built-in hydraulic turbine fed by compressed air of fluids as an electromechanical converter. Similarly US4716657 and US2007006473 disclose a measuring probe provided with a turbine supplied by a pressurised fluid for generating electric power.
Those solutions require hermetic ducts to carry the fluid flow, and also a precise sealing of the tool support with the probe when mounting it in order to avoid fluid leakage or pressure loss. This is not easily realized and involves a particular design of the tool-holder. In most cases the connection of the probe to the fluid circuit (e.g. a cutting fluid line) must be performed manually and separately, when it is possible at all.
Another solution for the power generation is disclosed by JP3223602, where the spindle of the machine tool drives directly an electric generator in the probe in rotation, while the housing of the probe is fixed to a non-rotating element of the machine tool's head. This requires a second mechanical connection in addition to the standard tapered shank, and thus prevents from a quick and easy change of the tools when passing from one machine operation to another.
There is hence a need for an autonomous electric power generation system for modular probe heads containing an electric circuit, free of all the limitations above.
Brief summary of the invention
According to the invention, these aims are achieved by means of a touch probe and a method for power generation with the features of the independent claims. Preferred embodiments are specified in the dependent claims. In particular these aims are achieved by a coordinate probe for a machine tool, comprising:  a support element, connectable to a rotary axis of the machine tool; a coordinate sensor for measuring coordinates of points on a surface of a workpiece, the coordinate sensor using an electric or electronic circuit;  an electric generator, supplying said electric or electronic circuit with electric power, characterized by a driving element, at least partially free to turn about an axis relative to the stator of the electric generator said electric generator being  operatively arranged to generate electric energy from the relative difference of angular speed between said driving element and said stator.
The proposed solution first improves the overall system efficiency in terms of power consumption. Transforming energy already produced by the machine, storing and reusing it into another form, dispenses indeed with the use of any additional energy source; furthermore, since no power autonomy problem is encountered at the machine side, the mechanical energy delivered on the probe is theoretically not bounded. The use of a flywheel as a primary energy source hence maximises the effects of the existing mechanical energy of the system in turning it into electrical power generation.
Another advantage of the disclosed solution is to provide a universal solution for a modular touch probe with an autonomous electrical power source, which can be utilized for various operation purposes. Thanks to the use of kinetic energy generated in a standalone manner within the housing of the attached probe, no special design or adjustment device is required for connecting it to the machine tool; the solution complies with any regular support tool.
Further advantages of the provided solution are its convenience and simplicity of use, as well as an almost maintenance-free operation.
Brief Description of the Drawings
The invention will be better understood with the aid of the description of an embodiment given by way of example and illustrated by the figures, in which:
Fig. 1 shows a cut view of a probe according to a preferred embodiment of the invention.
Fig. 2 shows a perspective view of a probe according to a preferred embodiment of the invention.
Fig 3 shows a top view of a power generating unit according to a preferred embodiment of the invention.
Fig 4 shows a power generating unit according to an alternative embodiment of the invention.
Fig 5 and 6 illustrate a further embodiment of the invention.
Fig. 7 shows another embodiment of the invention.
Detailed Description of possible embodiments of the Invention
Fig. 1 illustrates a section of a probe 11 according to a preferred embodiment and example of use of the invention. We will assume, for sake of simplicity, that the probe 11 is used in a conventional CNC milling machine 12 having three linear axis XYZ and a rotary spindle 15, though it must be understood that this is not a limitation of the present invention, which can be used in all manners of machine tools 12.
In the represented example the probe 11 is releasably secured to the spindle 15 of the machine tool 12 through a holder comprising a standard taper 13 compatible with the machine tool in use. In the figures the taper is drawn, for simplicity, as integral with the probe. It must be understood, however, that the probe of the invention is not limited to a particular style of connection. The tapered shank will, in general, be part of a detachable tool-holder, to allow interoperability with different machines. The spindle 15 is driven into rotation around the rotating axis 14, defining also the direction in which the probe is removed and introduced to the spindle 15.
The clamping mechanism described above for securing working tools on machine tools 12 is quite widespread; the shank 13 of the probe 11 hence preferably does not need any specific design to interoperate with regular machine tools 12. The fastening system according to the invention allows to move the probe 11 in any position in a three-dimensional measure space, by programming appropriately the XYZ axes of the machine 12, but also to drive the probe 11 in rotation along with the spindle 15 of the machine tool; it will be appreciated that any system for releasably connecting the probe having this rotational driving feature would be suitable for the invention.
At the opposite end of the tapered shank 13, the housing 27 supports a surface sensing and/or measuring device, such as e.g. a touch trigger probe 11, comprising an elongate stylus 26 coupled to a detection circuit 22, preferably coupled itself to a telemetry system unit 24, for transmitting measurement results to a remote control unit (not shown) and/or receiving instructions for the measurement process. In case of a deflection of the probe stylus 26, an electric signal is triggered as soon as an electrical contact 23 of the detection circuit 22 is broken. The invention is not however limited to this particular kind of probe, and can employ also analogue probes and non-contact probes, for example laser probes, generating a measure of coordinates of points on the surface of the workpiece under measure.
The measured coordinates, appropriately encoded, can then be forwarded to the telemetry system unit 24 for wireless data transmission. The data transmission can performed through optical or radio frequency transmission, for example via infrared, or over a wireless link 34, as illustrated, using e.g. the Bluetooth technology, or any wireless technology used for short distance transmission. Preference will be given to low-power transmission systems. Other wireless data transmission technologies like WLAN could also be foreseen in case a higher bandwidth and/or longer distances are required. Preferably the I/O interface of the telemetry system 24 may be regularly switched off for the sake of power saving, or set to idle by default and ready for transmission only during predefined time slots. Other wireless transmission technologies such as GPRS or EDGE could also be considered; the list of wireless technologies mentioned above is not exhaustive.
The electrical power for the contact detection circuit 22 and/or the telemetry unit 24 is primarily supplied by an electric generator 16. According to a preferred embodiment illustrated on Fig. 1, the rotor 17 of the power generator 16 is located below a driving element 28, which is, according to this embodiment, a flywheel, rotatably connected to the probe. It is provided with sufficient inertia moment to maintain its angular speed independently from the rotation of the probe housing 26. The flywheel 28 can be e.g. an add-on module connectable to the rotating axis of a power generator 16, hence allowing for an improved scalability with existing power generation modules 16.
The rotor 17 carries permanent magnets 19 for providing inducted current in the windings 20 of the stator 18 when there is a relative rotation between stator 18 and rotor 17.
The probe 11 of the invention is mounted on a spindle of a machine tool and, therefore, may be revolving at high speed. In embodiments of the present invention, both stator and rotor may turn at the same time, and in others the stator of the generator may be spinning, while the rotor is at a standstill. The terms "stator" and "rotor", therefore, should not be construed as indicating absolute stillness or absolute rotation in any particular reference frame, but in a relative sense. An example of energy generation cycle will be now described. The spindle 15 of the CNC machine is first actuated, putting the probe housing 27 in rotation. The flywheel 28, due to its high inertia moment, does not follow the motion of the housing 26. If one considers the system in a reference frame fixed to the probe housing, the electric generator 16 "sees" the rotor 17 and the flywheel 28 in relative rotation in a direction opposite.
As long as the spindle keeps on turning, the flywheel, which is preferably mounted on low-friction bearings, would continue spinning (relative to the probe's housing 27) for a quite long time. The permanent magnets 19 of the rotor induce however an electromotive force in the stator's windings 20. If now an electrical current is allowed to circulate in the windings, generating a net positive electric power, an electric braking ensues, the flywheel reaches the angular speed of the housing (in the reference frame fixed to the probe housing), and its kinetic energy is converted into electric energy.
Once the rotation speed of the flywheel 28 has equalled that of the housing, the spindle 15, and with it the probe's casing 27, may be stopped. The flywheel 28 is now seen to spin in the  initial rotation direction of the spindle with respect to the stator of the electric generator 16. Once again, the kinetic energy of the flywheel 28 can be converted into electric energy, until the flywheel 28 is again at the angular speed of the housing. The described energy generation cycle can be repeated as many times as necessary.
The described embodiment exploits the inertia of the flywheel 28 to generate electric energy whenever there is an angular the acceleration or deceleration of the spindle, and in transient phases following a sudden change of spindle speed. If the spindle rotates with constant angular speed and the flywheel turns at the same speed, no energy can be produced.
It is possible also, according to another variant, to invert the rotation of the spindle, rather than simply stopping it, thereby doubling the rotation speed of the flywheel relative to the stator. The inversions can be repeated cyclically, to generate energy in a sustained way. For the sake of raising of the inertia moment of the flywheel 28, which means that more kinetic energy can be stored for a given number of revolutions per minute (rpm), the material chosen for the flywheel 28 should be chosen as heavy as possible, e.g. any heavy metal such as iron, platinum, tungsten, lead etc. On the other hand, in order reduce the size of the electric generator 16 and increase its output, the magnets 19 should preferably be rare-earth permanent magnets with a high magnetic energy product, for example samarium-cobalt magnets or NIB (Neodymium-Iron-Boron) magnets.
The power generating unit 16 can supply electric power to any of the electric circuits 22, 24 mentioned above and more generally to any electric or electronic circuit part of a telemetry system unit and/or of an I/O wireless transmission unit 24 of the coordinate probe 11. Power supply occurs whenever the relative rotating speed between the flywheel 28 and the probe housing 27 is not equal to zero, i.e. when the rotor 17 actually rotates with respect to the stator 18. This occurs e.g. when the probe housing 27 is accelerated or decelerated.
Since inertia effects are used to provide the relative rotation of the rotor 17 with respect to the stator 18, as opposed to pneumatic system usually provided in the solutions known in the art, it will be appreciated that no air sealing mechanism is required between the machine tool and the probe. As a result, probes 11 can be more easily and quickly mounted and interchanged.
According to the preferred embodiment illustrated on Fig. 1, the probe 11 further comprises another electrical circuit, such as a voltage converter 25, in order to amplify the voltage produced by the generator 16 and raise it to an acceptable level for the other circuits 22, 24 to work properly. An acceptable level for the electric circuits to work usually amounts around at least 3-4 volts. The voltage converter can be a solid-state voltage multiplier, or any solid state AC/DC converter, which can provide an output voltage higher than the input voltage. As a result, a DC voltage higher than the voltage produced by said electric generator 16 can be generated. The converter 25 is preferably placed between the output of the generator 16 and the input of the telemetry system 24, for which a greater voltage is necessary for the transmission and reception stages. The step of converting an output of the electric generator 16 into a DC voltage, with a higher DC voltage can be performed for whenever necessary and for whichever electric or electronic circuit 22, 24 which may require it.
It is conceivable to have a probe head 11 without any energy storage mechanism. Yet in this case, energy needs to be produced while the measuring operation and/or a data transmission operation is carried out, which is a strong constraint. It is desirable to provide an energy storing unit 32 within the probe 11 in order to store power supplied by the generator 16. The energy-generation cycles need then to be executed only at intervals, and preferably not during actual measurements.
The energy storing unit 32 may serve as a primary energy source for supplying the electric power to the electric circuits 22, 24 within the probe, and be used only when the generator 16 is switched off; it could also be used as an auxiliary energy source or buffer storing a surplus of energy generated by the generator 15 while the generator 16 is operated and/or while the probe 11 is used for measurement purposes. Such a storing unit 32 can hence be used alternatively or in combination with the generator 16, so that a greater flexibility for operation is provided. This allows e.g. to perform measurements for an acceptable measuring time without requiring any rotation of any part of the probe, and more generally to require the actuation of the generator only when it is absolutely necessary.
According to a preferred embodiment of the invention, the energy storing unit 32 stores the produced electrical energy, and is e.g. a rechargeable accumulator or a buffer capacitor. Electrochemical double-layer capacitors (EDLCs) may be used in that purpose due to their superior storing properties.
In order to minimize the maintenance requirements for supplying the probe 11 with electrical energy, it can be foreseen to automate the charging process of the storing means 32, whenever a lack of power is detected. To this end, an energy metering unit 33 can be coupled to the energy storing means 32 in order to indicate the amount of stored energy available at any given time. Preferably this energy metering unit 33 is also coupled to the telemetry system 24 and can trigger the sending of a warning signal to a control unit (not shown) once a minimum power level is reached. Upon reception of such a warning signal, the control unit will set of the machine tool spindle 15 in rotation around the rotation axis 14 in order to switch the generator 16 on, so that enough energy can be supplied and stored in the storing means 32. The steps of driving the rotary axis 14 of the machine tool 12 and transforming kinetic energy into electric energy can be repeated as many times as it is needed to achieve the desired energy level.
Figure 2 shows a perspective view of the probe 11 according to another preferred embodiment, where the inner power generator 16 mechanism is disclosed. The cut in the housing 27 right under the shank 13 allows to see the inertia mass 28, which is here integral with the rotor 17, and holes where the permanent magnets 19 are preferably lodged. Facing the rotor 17, one can distinguish the stator 18 and its embedded windings 20.
Below the stator 18 is mounted a buffer capacitor, or any other type of energy storing unit known in the art 32, for storing the produced electrical energy. The buffer capacitor 32 can be connected to a circuit board 35 on which various electronic components are mounted, including e.g. a CPU 36 and the components of the contact detection circuit 22 as well as the telemetry system unit 24 (not shown). Beside the CPU, the other components are not visible since they are preferably located below the circuit inside the casing 21 which provides the necessary place for lodging them. The wireless transmission part of the telemetry system 24, made up by e.g. an antenna or an infrared port, is preferably mounted on the outer surface of the casing 21 for minimizing signal attenuation effects. It is visible on the side of the casing 21.
The CPU 36 can preferably be used for processing the signal received by the detection circuit 22 whenever the probe stylus 26 is deflected according to its mounting axis. On Fig. 2, this axis corresponds jointly to the rotation axis 14 of the probe 11 and the machine tool 12. The signal can then be routed to the telemetry system unit 24 for transmission to a remote control unit. However, as mentioned earlier already in this document, the CPU 36 can also be used as an interface for both data emission and reception. It could trigger the actuation of the generator 16 of even a measurement program execution for the probe 11 upon analysis of the instructions received over the wireless link 34. A CPU is also preferably coupled to the energy metering unit 33 in the preferred embodiment involving such an element. In that case, the CPU 36 processes the alarm signal sent whenever the charge level is too low, and transmits it over the wireless link 34 to a remote control unit (not shown). A CPU 36 could also be in charge of deciding which operations consuming electrical energy should be run on stored energy and which ones would require real-time electrical power energy provisioning through the generator 16.
Fig. 3 illustrates a top view of a generator 16 comprising a series of magnets 19 embedded on a rotor 17. Each consecutive magnets 19 of the series have an inverted disposition of their poles (N, S standing for North and South poles) so that the inducted flow in the windings 20 is alternated. The generator 16 disclosed comprises a unidirectional clutch 29 for transmitting the rotation of the support element 13 to the flywheel 28 of the rotor 18 in one direction only. The clutch 29 is based, in this example, on the cooperation of corrugated teeth 30 at the periphery of the rotor 18 with the pawl 31 secured to the probe housing 27. It will obviously be appreciated that this embodiment is given by way of example only, and that many other variants of overrunning clutch or freewheel could also be applied in the frame of this invention. The clutch allows driving the flywheel 28 of the rotor 17 at the same speed as the housing 27 when the spindle 15 of the machine tool 12 is driven in the free sense, i.e. clockwise for the embodiment illustrated, and to disengage the flywheel 28 when the machine tool rotary axis 14 is driven in a direction opposite to the first direction. Once the rotation of spindle 15 is switched off, the deceleration of the probe housing 27 is much faster than the one of the rotor 18, which continues spinning around due to its inertia moment, and the flywheel 28 is disengaged. The resulting relative rotation speed of the rotor 17 can be used to produce electric current as above.
The inclusion of the unidirectional clutch 29 shortens the power generation cycles, as the flywheel 28 is instantaneously accelerated at the same number of rpm of the probe. The electric generator 16 needs to be operated in one rotation direction only, which may simplify its construction and the annexed circuitry.
In order to maximize the energy produced by the generator 16, the friction losses in the rotation of the rotor 17 should be kept as low as possible. To that end, roll, needle or ball bearings (not shown) could be foreseen on the axis of the rotor 17, and any appropriate lubricant material applied on both pawl part 31 and teeth parts 30 of the blocking mechanism.
In the embodiment illustrated by Fig. 3, the rotor 17 is also integrated to a flywheel 28 bearing magnets 19 for inducting current into the windings of the stator. The variant embodiment illustrated on Fig. 4 shows an alternative embodiment in which the flywheel 28 and the housing 27 of the probe are realized in one and same piece, whereby magnets 19 would be fixed or incorporated on the inner surface of the housing 27. The references 17, 27 and 28 are hence merged on the probe housing. In this embodiment, the windings of the stator 18 are preferably be disposed with a minimal gap to provide an adequate inducted current flow with all the circularly distributed coils. Instead of a plurality of magnets 19, a collar including an annular multipolar magnet could also be mounted on the inside of the housing 27.
As it can be seen on Fig. 4, for this embodiment of the invention the support 13 is preferably coupled directly to the stator 18 and drives it in rotation around the axis 14, while bearing joints 37 such as ball bearings allow the housing 27 not to follow the spinning movement.
The design approach disclosed for the probe 11 provides a self-powering mechanism with possibly an almost maintenance-free operation. The probe 11 according to the invention is supposed to work completely self-sufficiently in terms of energy, such that a change of accumulators, which may be used to increase the overall availability of the system, is never required. A maximal flexibility is provided for generating current on demand, i.e. intermittently whenever needed including outside predefined time slots, and also for possibly whichever electrical circuit operation. The energetic efficiency of the self-powering mechanism disclosed is also better than the usual solutions available, since no additional system, e.g. a pneumatic system, is required for provisioning the kinetic energy used for energy transformation.
According to another embodiment of the present invention, illustrated in figure 5, the driving element 28 is part of the outer casing of the probe, rotatably connected to the probe body, and provided with projecting vanes 121 that maximise its aerodynamic drag. In this way, when the spindle 13 is put in rotation, the driving element will not spin at the same speed, but at a lower velocity. This difference of angular speed allows the windings 20 to generate electrical energy. It will be perceived that this embodiment relies on the same principle of the previous ones, that is to exploit a differential rotation speed between the driving element and a stator element of the probe, hence between the stator and the rotor of the electric generator; the difference with respect to the previous embodiments lies in that the difference of speed is not induced by inertia, but by an aerodynamic brake composed by the vanes 121. Advantageously, speed difference and electric energy production can be maintained indefinitely or as long as required, while in the previous inertia-based variants, energy production was limited to the acceleration and deceleration phases, and was, as a consequence, necessarily intermittent. The electric power that can be generated in this embodiment is, in the ideal case, equal to the mechanical power dissipated in the aerodynamic brake.
It is clear that the shape and disposition of the vanes in figure 5 is provided by way of example only, and that other kinds of aerodynamic brakes could be substituted, without departing from the scope of the invention. In a preferred variant, the vanes could be self-deploying, with a compact configuration, when the spindle does not turn, in which the vanes are folded close to the probe's body, and an extended configuration in which the vanes project from the probe body, as to maximise the drag. The deployment of the vanes could be driven by a centrifugal force, an aerodynamic force, or any other means or combination thereof.
According to a further variant of the invention illustrated in figure 6, the driving element 28 is braked when the CNC machine is actuated to bring the probe to a predefined braking location.  In the illustrated example the driving element 28 is part of the outer casing of the probe, rotatably connected to the probe body, and a braking element 130, fixed to the machine's table, is brought into contact with the driving element 28, thereby hindering its motion. If, in this position, the spindle is set into rotation, the driving element 28 carrying the magnets will not follow this motion, and electric energy will be produced by the winding 20.
As to the shape and location of braking element 130, it is clear that the present invention encompasses many variants and alternatives thereof, and that finger the shape illustrated on figure 6 is given by way of example only. The position of the braking element 130 is also free. In a preferred variant, the braking element 130 would be incorporated in a tool magazine, from which the CNC machine fetches tools and probes automatically.
Many optional features could be added to this variant of the invention, to improve the braking effect in this variant. For example the driving element 28 and/or the stationary finger 130 could have a rubbery surface, or a surface of a material having a high friction coefficient. In addition or alternative, the driving element 28 could have nooks and protrusions, interoperating with the finger 130, as it is schematically indicated on the figure 6.
According to the embodiment  illustrated on figure 7, the driving element 28 is not be connected to the probe body, but is at a predetermined fixed position on the machine's reference table, for example in the tool magazine. In this variant, the probe is equipped with the windings 20, and the driving element 68 carries a number of permanent magnets 19. To produce electric energy, the CNC machine is driven to insert the probe into the driving element, or at least in a magnetic relationship with the driving element, and then the spindle is set into rotation for a sufficient time to store the desired amount of energy in the accumulators. This advantageous embodiment gives lighter probes.
The positioning accuracy of the CNC or coordinate machine, on which the probe is mounted, will be sufficient in general, to ensure a correct insertion of the probe inside the driving element 68, and a free rotation without any contact between these two elements. The insertion of the probe into the driving element should be carefully programmed to avoid unwanted contacts.
To make insertion of the probe even easier, it may be advantageous to provide the driving element with one or more rotatable elements, onto which the probe may seat. In this case, the driving element shall preferably include an elastic mount, to compensate for any misalignment of the probe. As it was the case for the embodiment of figure 6, the driving element may advantageously be integrated in a tool magazine or in a lodging of a tools-holder. This advantageous configuration permit to generate the power needed at the beginning of the measuring operations.
Various embodiments of the present invention, relate to a probe, connectable to a machine tool, having an electric generator 16, supplying an electric or electronic circuit 22 with electric power, and a driving element 28, capable of relative rotation with respect to the stator of the electric generator. The rotation axis of the driving element is preferably a symmetry axis of the probe itself. The driving element is not connected to any external energy source, and can be set in rotation simply by activating the rotary axis of the machine tool.
Advantageously, the driving element of the present invention is not directly connected with any mobile element of the machine tool, but is either rotatably mounted on the probe itself, or fixed on the reference table of the machine tool. Importantly, the inventive probe requires no additional connections to the machine tool on which it is mounted, besides the connection to the rotary spindle, which can be realized with a conventional tool-holder with a standardised tapered shank. In this way the inventive probe is fully compatible with standard probes, and can be mounted and used with standard tool-holders, without any adaptation. The self-powering function of the probe can be activated simply by sending appropriate rotation instructions to the machine tool's spindle.
According to the different embodiments of the invention, relative rotation of the driving element is obtained by a dissipative braking of the driving element. In other variant, the relative rotation of driving element is simply issue from a fixed position on the machine table or from a holding device like a tool-holder or a tool magazine.
According to the various variants and embodiments of the invention, energy can be generated at any position, or only when the probe is moved to same special position in relationship with a braking device or with the driving element.
References' list
11 Probe
12 Machine tool
13 Support element (tapered shank)
14 Rotating axis of the machine tool
15 Spindle of the machine tool
16 Power generating unit
17 Rotor of the generator
18 Stator of the generator
19 Magnets
20 Windings
21 Casing for electrical circuits
22 Contact detection circuit
23 Electrical contacts
24 Telemetry system unit
25 Voltage converter circuit
26 Probe stylus
27 Probe housing
28 Flywheel, Driving element
29 Unidirectional blocking apparatus
30 Corrugated teeth
31 Pawl
32 Energy storing unit
33 Energy metering unit
34 Wireless transmission link
35 Circuit Board
36 CPU
37 Bearing joint
121 Aerodynamic braking vane
130 Braking finger
135 Nook
1. A coordinate probe for a machine tool, comprising:
- a support element, connectable to a rotary axis of the machine tool;
- a coordinate sensor for measuring coordinates of points on a surface of a workpiece, the coordinate sensor using an electric or electronic circuit;
- an electric generator, supplying said electric or electronic circuit with electric power, having a stator with a winding.
characterized by
a driving element, at least partially free to turn about an axis relative to said stator of the electric generator, said electric generator being operatively arranged to generate electric energy from the relative difference of angular speed between said driving element and said stator, the driving element being a flywheel, rotatably connected to the coordinate probe
2. The coordinate probe of claim 1, wherein the electric or electronic circuit is part of a telemetry system unit and/or of an I/O wireless transmission unit of the coordinate probe.
3. The coordinate probe of claim 1, comprising a unidirectional clutch transmitting rotation of the support element to the flywheel when said machine tool rotary axis is driven in a first direction, and disengaging the flywheel when the machine tool rotary axis is driven in a direction opposite to the first direction.
4. The coordinate probe of claim 1, wherein the flywheel is integral to the rotor of electric generator and carries permanent magnets or rare-earth magnets or Neodymium-Iron-Boron magnets.
5. The coordinate probe of claim 1, wherein the housing of the probe take the role of the flywheel.
6. The coordinate probe of claim 1, wherein the driving element includes an aerodynamic brake.
7. The coordinate probe of claim 1, wherein the driving element is placeable at a fixed position on a reference frame of the machine tool.
8. The coordinate probe of claim 1, wherein the driving element is drivable by the tool-holder. Said tool-holder acting on the driving element as a fixed position.
1. Abstract
A probe, connectable to a machine tool, having an electric generator (16), supplying an electric or electronic circuit (22) with electric power, and a driving element (28), capable of relative rotation with respect to the stator of the electric generator. The driving element is not connected to any external energy source,  and can be set in rotation simply by activating the rotary axis of the machine tool.
2. Representative Drawing
Fig1
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