CN108885082A - 坐标定位机器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种非笛卡尔坐标定位机器，包括用于将如测量探针等部件定位在该机器的工作容积内的可延伸支腿组件。该可延伸支腿组件包括当该可延伸支腿组件改变长度时相对于彼此移动的第一构件(63)和第二构件。该第一构件(63)包括形成用于伸出和缩回该可延伸支腿组件的线性马达(70)的一部分的磁体(72)的轴向布置、以及用于吸收使用中的这些磁体(72)的任何轴向热膨胀或收缩的至少一部分的至少一个弹性构件(76)。

Description

坐标定位机器
本发明涉及一种坐标定位机器，具体地涉及一种非笛卡尔坐标定位机器，诸如六足坐标定位机器。坐标定位机器包括(例如)坐标测量机(CMM)和机床。
如在附图的图1中示意性地示出的，非笛卡尔坐标定位机器1一般包括第一和第二台或平台2、4，这些台或平台由设置在其之间的多个伸缩式或可延伸支腿6支撑并且相对于彼此移动。可延伸支腿6有时也被称为支杆或连杆，并且在有六个此类可延伸支腿6的情况下(如图1中所示出)，机器通常被称为六足型。
可延伸支腿6通常经由球接头8安装在平台2、4上，其中每个支腿6要么在其一端或两端处具有其自身的球接头8(如图1中所示出)，要么在一端或两端处与相邻的支腿6共用球接头8。
第一平台和第二平台2、4之间的不同相对位置和取向可以通过使支腿6延伸不同量来实现，如图1中用箭头7示出的。在任何时刻的相对位置和取向由多个测长传感器10来监控，例如其中一个传感器与每个可延伸支腿6相关联。测长传感器可以包括与读头配对的编码器标尺。
平台2、4之一通常被提供作为定位机器1的固定结构的一部分，而平台4、2中的另一个相对于该固定结构移动5、3。部件(例如，探针或工具)可以安装在移动平台上且工件安装到固定结构上，或反之亦然，以使得能够对工件执行操作(例如，在坐标测量机的情况下进行测量、探测或扫描，或在机床的情况下进行机加工)。
例如，如图1中所示出的，下平台4是固定的而上平台2是可移动的，其中，工件12被安装在下平台4上而探针部件14被安装在上平台2上。工作容积9被限定在上平台2与下平台4之间，其中探针部件14通过可延伸支腿6的操作被定位在工作容积9中。虽然垂直箭头3被示为指示移动，但通过适当控制各个支腿6，平台2当然也可水平地移动并且也可以是可倾斜的。
可替代地，上平台2可以是固定的而下平台4是可移动的，其中，探针被安装到下平台4的下表面而工件被安装到固定结构的一部分而位于下平台下方，使得机器的工作容积(或操作容积)在下平台4下方而不是在上平台2与下平台4之间。
在WO 91/03145、WO 95/14905、WO 95/20747、WO 92/17313、WO 03/006837、WO2004/063579、WO 2007/144603、WO 2007/144573、WO 2007/144585、WO2007/144602和WO2007/144587中更详细描述了各种类型的非笛卡尔坐标定位机器。
例如，WO 91/03145描述了一种六足机床，该六足机床包括通过六个液压型可延伸支腿附接到基座上的可移动上平台，原理上与上文描述的图1中示出的平台类似。这些可延伸支腿经由球接头附接到基座和可移动平台上。这些可延伸支腿是液压的、并且包括可在圆筒内移动的活塞杆。通过将磁性标尺安装到圆筒并且将合适的读头安装在活塞杆上来测量支腿延伸的量。因此，支腿的延伸致使标尺移动经过读头，从而允许测量支腿的长度。计算机控制器采取动作来设定每个支腿的长度以提供所需的平台移动。
就任何计量装置而言，位置精度和可重复性是重要的，并且之前已经提出了各种方案以便提高非笛卡尔坐标定位机器的位置精度和可重复性。
例如，WO 2007/144573认识到，使用期间出现在装置中的载荷力可能将畸变引入到装置的计量元件中，由此导致位置不准确。因此，WO 2007/144573描述了对WO91/03145的改进，其中，位置测量装置具备与推力(或载荷支承)框架分离的计量框架。由此，可能出现在载荷支承结构中的任何载荷力并未传递到计量结构，从而防止计量框架发生任何实质性畸变，由此确保测量精度不降低。载荷支承结构与计量结构的间隔适用于六个可延伸支腿中的每一个，其中，每个支腿具备载荷支承外结构和计量内结构，其中，这些支腿的计量结构与载荷支承结构机械地隔离。这从WO2007/144573的图3中尤为明显。
WO 95/14905描述了上述六足装置的变体，其中，每个可延伸支腿的长度用干涉测量测得。
本发明的第一方面提供了一种非笛卡尔坐标定位机器，该非笛卡尔坐标定位机器包括用于将部件定位在该机器的工作容积内的可延伸支腿组件，该可延伸支腿组件包括当该可延伸支腿组件改变长度时相对于彼此移动的第一构件和第二构件，该第一构件包括形成用于伸出和缩回该可延伸支腿组件的线性马达的一部分的磁体的轴向布置、以及用于吸收(被安排用于吸收)使用中的这些磁体的任何轴向热膨胀或收缩的至少一部分的至少一个弹性构件。
非笛卡尔坐标定位机器中使用的用于伸出和缩回可延伸支腿的驱动马达在使用中生成热量。如果因此生成的热量不被适当处理，则存在热量将引起计量结构热膨胀(以及随后收缩)的风险，这进而将对计量结果造成不利的影响。在驱动马达靠近计量结构或甚至形成计量结构的一部分的情况下尤其如此。
例如，在本发明的实施例中，该可延伸支腿组件形成该计量结构的一部分，并且在该可延伸支腿组件自身内提供形成用于伸出和缩回该可延伸支腿组件的线性马达的一部分的磁体布置。线性马达可以被认为是其中可移动部分以基本上直线(即线性)的方式移动的马达。与磁体布置相关联或作为其一部分的弹性构件的使用允许由该弹性构件吸收这些磁体的任何热膨胀或收缩的至少一部分，而不会影响该可延伸支腿组件的长度。这对改进非笛卡尔坐标定位机器的计量结果具有一定的作用。
这些磁体和该至少一个弹性构件可以被轴向地安排在该第一构件的第一止挡件与第二止挡件之间。该第一止挡件和该第二止挡件中的至少一个可以是该第一构件的端部、或者可以位于该第一构件的端部处或附近、或者可以形成该第一构件的端部。这些磁体可以沿着该第一构件的至少一部分长度来内部地安排。该至少一个弹性构件可以被认为是轴向布置或者作为轴向布置的一部分被提供；该轴向布置因此是轴向元件布置，其中，这些元件包括这些磁体以及该至少一个弹性构件。
该至少一个弹性构件可以包括弹簧。该至少一个弹性构件可以包括弹性材料。该弹性材料可以包括硅酮材料。该弹性材料可以是非磁性的。该弹性材料可以是非导电的。该弹性材料可以包括低粘度硅酮材料。该弹性材料可以设置在这些磁体中的至少一些磁体之间和/或在至少一个磁体与该第一构件的内壁之间。
该机器可以包括轴向地安排在该线性马达的至少一对对应磁体之间的至少一个非磁性间隔件，该至少一个非磁性间隔件有效地作为磁体布置的一部分。该至少一个非磁性间隔件可以被认为是轴向布置或者作为轴向布置的一部分被提供；该轴向布置因此是轴向元件布置，其中，这些元件包括这些磁体以及该至少一个非磁性间隔件。
该第一构件和/或该第二构件(例如，该第一构件和/或该第二构件的管)可以由复合材料形成。该复合材料可以包括石墨复合材料。该复合材料可以包括碳纤维材料。
该第一构件和该第二构件可以是细长性质的。该机器可以包括多个此类可延伸支腿组件，例如六个。
该机器可以是坐标测量机。该机器可以是比较器。
该坐标定位机器可以包括计量部件(例如，作为该可延伸支腿组件自身的一部分)，该计量部件用于测量该可延伸支腿组件的两端之间的间隔、或与该可延伸支腿组件相关联的某些其他长度。计量部件的一个此类实例是编码器标尺。
该机器可以包括用于测量与该可延伸支腿组件相关联的长度的计量部件。与该可延伸支腿组件相关联的长度可以是该可延伸支腿组件的两端之间的间隔或与这个间隔有关。该计量部件可以包括编码器标尺。该计量部件可以被固定到该第一构件。该计量部件可以被固定在该第一构件的外侧上，其中，该磁体的轴向布置被安排在该第一构件内。
该第一构件可以是以管的形式来提供的。
该线性马达可以是线性轴马达。这些磁体可以是永磁体。
该第一构件和该第二构件可以在该可延伸支腿组件改变长度时相对于彼此线性移动。例如，第一和第二构件可以滑动覆盖彼此或滑过彼此(例如，伸缩地)。第一和第二构件可以一同形成可延伸支腿组件的细长构件。
可延伸支腿组件可以在机器中由至少一个支撑件支撑(或固持)，诸如在可延伸支腿组件的一端(或接头)处。可延伸支腿组件可以设置在机器的第一平台与第二平台之间，其中，第一平台和第二平台相对于彼此由可延伸支腿组件定位。部件可以附接到第一平台和第二平台中的一个上。第一平台和第二平台中的一个可以是固定的(静止的)，其中，部件附接到第一平台和第二平台中的另一个上。术语“平台”是用于描述任何类型的结构的广义术语，且并非旨在暗示关于外形和形状的任何限制。
该机器可以包括平衡布置，该平衡布置用于支撑将会另外由该线性马达支撑的重量的至少一部分重量。该平衡布置可以支撑上述第一平台或第二平台例如非静止平台的至少一部分重量。
将了解，在本文中描述部件被移动到工作容积中的特定位置的情况下，这可以通过由坐标定位机器提供的驱动装置(例如，作为可延伸支腿组件自身的一部分，或至少与可延伸支腿组件自身相关联)来实现，或这可以通过某种外部影响(例如，由操作者手动定位部件)来实现。
并且，在描述可延伸支腿组件用于将部件定位在工作容积内的情况下，这将被理解为意指将部件的位置设定在工作容积内(通过将部件主动地移动到那个位置)，抑或意指确定部件在工作容积内的位置(部件已通过无论任何装置被移动到那个位置)，或这些情况的组合。在任一情况下，将部件定位在工作容积内与在工作容积内四处移动部件相关联，且并不旨在仅仅涵盖确定放置在工作容积内的静态部件(例如，工件)的位置。
部件可以直接或间接地附接到可延伸支腿组件的末端和/或与可延伸支腿组件的末端一起移动，使得可以通过可延伸支腿组件的操作使部件在工作容积内四处移动。部件可以是测量探针或其一部分(诸如触针或触针针尖)。部件可以是工具或其一部分，诸如通常在机床中发现的用于成形或机加工金属或其他刚性材料的工具。部件甚至可以被认为是可延伸支腿组件自身的一部分(例如，可移动端)，例如由那端处的球接头限定。
此外，术语‘工作容积’旨在仅仅意指工作容积中本发明对其具有影响的那一部分。术语‘工作容积’将相应地作出解释，且在适当情况下不应被当作为‘工作容积的至少一部分’。
定位在机器的工作容积内的部件可以包括计量部件或计量仪器，诸如测量探针。
本发明的第二方面提供了一种线性致动器，该线性致动器包括当该线性致动器改变长度时相对于彼此移动的第一构件和第二构件，该第一构件包括形成用于伸出和缩回该线性致动器的线性马达的一部分的磁体的轴向布置、以及用于吸收(被安排用于吸收)使用中的这些磁体的任何轴向热膨胀或收缩的至少一部分的至少一个弹性构件。该线性致动器可以用作用于将部件定位在非笛卡尔坐标定位机器的工作容积内的可延伸支腿组件或其一部分。
本发明的第三方面提供了一种非笛卡尔坐标定位机器，该非笛卡尔坐标定位机器包括用于将部件定位在该机器的工作容积内的可延伸支腿组件，该可延伸支腿组件包括当该可延伸支腿组件改变长度时相对于彼此移动的第一构件和第二构件，其中，该第一构件和/或该第二构件由复合材料形成。该复合材料可以包括石墨复合材料。该复合材料可以包括碳纤维材料。该第一构件可以包括形成用于伸出和缩回可延伸支腿组件的线性马达的一部分的磁体的轴向布置。弹性构件可以提供用于吸收使用中的这些磁体的任何轴向热膨胀或收缩的至少一部分。
本发明的第四方面提供了一种非笛卡尔坐标定位机器，该非笛卡尔坐标定位机器包括用于将部件定位在该机器的工作容积内的可延伸支腿组件，该可延伸支腿组件包括：当该可延伸支腿组件改变长度时相对于彼此移动的第一构件和第二构件、用于伸出和缩回该可延伸支腿组件的线性马达布置、以及用于支撑将会另外由该线性马达布置支撑的重量的至少一部分重量的平衡布置。该第一构件可以包括形成该线性马达布置的一部分的磁体的轴向布置。弹性构件可以提供用于吸收使用中的这些磁体的任何轴向热膨胀或收缩的至少一部分。
本发明的又一方面提供了一种非笛卡尔坐标定位机器，该非笛卡尔坐标定位机器包括用于将部件定位在该机器的工作容积内的可延伸支腿组件，该可延伸支腿组件由至少一个支撑件支撑在该机器中；以及用于将该可延伸支腿组件偏置成与该支撑件接合的固位元件。该固位元件可以包括弹簧构件。
本发明的又一方面提供了一种非笛卡尔坐标定位机器，该非笛卡尔坐标定位机器包括用于将部件定位在该机器的工作容积内的可延伸支腿组件，该可延伸支腿组件由至少一个支撑件支撑在该机器中，该支撑件包括与该可延伸支腿组件上的固位元件相协作的固位元件，以防止该可延伸支腿组件与该支撑件完全轴向脱离接合、同时允许通过基本径向(或非径向、或侧向)移动之后的微小轴向移动使该可延伸支腿组件与该支撑件脱离接合。
本发明的又一方面提供了一种非笛卡尔坐标定位机器，该非笛卡尔坐标定位机器包括用于将部件定位在该机器的工作容积内的可延伸支腿组件，该可延伸支腿组件包括当该可延伸支腿组件改变长度时相对于彼此移动的第一构件和第二构件，该第一构件包括形成用于伸出和缩回该可延伸支腿组件的线性马达的一部分的磁体布置；以及用于吸收(被安排用于吸收)使用中的这些磁体的任何热膨胀或收缩的至少一部分的至少一个弹性构件。这些磁体可以被轴向地安排，并且该至少一个弹性构件可以被安排用于吸收使用中的这些磁体的任何轴向热膨胀或收缩的至少一部分。
本发明的其他方面、针对本发明的上述方面中的每个方面、所涉及的方面提供了一种用于在坐标定位机器中使用的可延伸支腿组件。
现将通过实例来参考附图，在附图中：
上文中论述的图1是具有六个可延伸支腿的六足非笛卡尔坐标定位机器的示意性示出；
图2是根据本发明的实施例的非笛卡尔坐标定位机器的整体视图，该非笛卡尔坐标定位机器包括可延伸支腿组件；
图3是图2的机器的一部分的特写视图，更详细地示出了可延伸支腿组件与机器的下平台之间的连接；
图4是图2的机器的一部分的特写视图，示出了可延伸支腿组件与机器的上平台之间的连接，具体地示出了与可延伸支腿组件中的两个相关联的约束构件；
图5A至图5C是可延伸支腿组件的细长构件的示意性示出，示出了根据本发明的实施例的线性马达(或线性致动器)布置；
图6是图5A至5C中示出的可延伸支腿组件的仅第一构件的示意性示出；
图7示意性地示出了根据本发明实施例的位于线性轴马达的构件内部的不包括弹性构件的磁体布置；
图8A至图8L示出了图5A至图5C和图6中示出的第一构件的各种替代性实施例；
图9提供了更清楚地示出如何以本发明的实际实施方式安排磁体的视图；
图10是根据本发明的另一个实施例的非笛卡尔坐标定位机器的整体视图，该非笛卡尔坐标定位机器包括用于驱动触针的线性马达、以及平衡布置；
图11示出了图10的非笛卡尔坐标定位机器的又一个视图；并且
图12示出了图10的非笛卡尔坐标定位机器的又一个视图。
图2提供了实施本发明的非笛卡尔坐标定位机器100的整体视图。非笛卡尔坐标定位机器100原理上类似于上文参考图1所描述的非笛卡尔坐标定位机器。图2中所示出的非笛卡尔坐标定位机器100包括布置在上平台20与下平台40之间的六个可延伸支腿组件60，这些可延伸支腿组件一般具有相同的构造。六个可延伸支腿组件60中的每一个包括上管62和下管64，其中上管62在下管64内伸缩地滑动。
就图2中所示的具体实例而言，上平台20是固定的，而下平台40可通过操作六个可延伸支腿组件60而相对于上平台移动，其中探针14安装到下平台40的下表面。在这个构型中，工件(未示出)将被安装到机器100的固定结构的一部分上、位于下平台40的下方，使得机器100的工作容积是在下平台40的下方而非在上平台20与下平台40之间。
和图1的机器一样，可延伸支腿组件60用于将部件(在图2所示的实例中，部件是探针14，或至少部分地是探针14的特定部分，诸如探针14的针尖)定位在机器的工作容积内。分别与可延伸支腿组件60相关联的约束构件50防止(或至少减小)可延伸支腿组件60绕其对应纵向轴线发生不希望的旋转。
每个可延伸支腿组件60的上端和下端经由单独的球接头80分别连接到上平台20和下平台40。图2中仅可看见用于可延伸支腿组件60中的最前面两个可延伸支腿组件的下球接头80，而图3中更详细地示出了该下球接头。下球接头80由下平台40的支撑块42支撑，而上平台20经由上平台20的支撑块22被支撑在上球接头80上；图4更详细地示出了上平台20与可延伸支腿组件60之间的连接。
每个可延伸支腿组件60的上管62和下管64封闭细长构件66，在图2的其中一个可延伸支腿组件中用虚线轮廓线示出，其中编码器标尺10固定到细长构件66上。细长构件66自身是可延伸的，例如通过伸缩布置。每个细长构件66从其上接头80延伸到其下接头80，并且确定下平台40(及因此探针14)的精确定位和取向的正是细长构件66的相应长度。因此，在对工件进行测量或扫描操作期间必须精确测量的正是细长构件66的长度，以便在触针针尖接触工件表面时来确定触针针尖的精确位置。下文参考图5更详细地描述了可延伸的细长构件66的操作。
图3是特写视图，更详细地示出了可延伸支腿组件60与下平台40之间的连接。如在图3的底部以缩放视图具体所示，三个球84以三角形布置设置在细长构件66的下端，其中该三角形布置的平面基本上垂直于细长构件66的纵向轴线。支撑块42具备更大、固定的球82，该球采取动作来将三个球84支撑在细长构件66的末端上，其中更大的球82嵌套在这些更小的球84内。
在上端，每个可延伸支腿组件60具备约束构件50(或与其相关联)，该约束构件附接到可延伸支腿组件60的细长构件66上和设置在上平台20上的另外的构件(支撑块22)上。约束构件50有效地将细长构件66‘系结’到上平台20上，以便防止(或至少减少)细长构件66围绕其纵向轴线的不期望旋转。
图4是特写视图，更详细地示出了可延伸支腿组件60与机器100的上平台20之间的连接，具体地更详细地示出了与图2的可延伸支腿组件60中的两个相关联的约束构件50。一般可以将约束构件50描述为多部分或多区段铰链。所示出的实例包括四个部分或区段52、54、56和58，所述部分或区段通过具有基本上平行的旋转轴线的旋转接头或关节53、55和57相连接。接头53、55和57可以具有标准销和轴承构造，并且可以使用球轴承以便减少摩擦效应。共同未决的英国专利申请号1513850.6中更详细地描述了约束构件50的用途、构造和操作。
现在将参照图5、图6和图8更详细地描述用于伸出和缩回可延伸支腿组件60的线性马达(或线性致动器)。
图5是示出了可延伸支腿组件60之一的细长构件66的示意性示出。细长构件66包括当可延伸支腿组件60改变长度时相对于彼此移动的第一细长构件和第二细长构件63和65。第一细长构件和第二细长构件63、65使其各自的纵向轴线布置成基本上彼此成一直线，并且当可延伸支腿组件60延伸和缩回时滑动覆盖彼此或滑过彼此。在图5中所示的实例中，第一细长构件63在第二构件65内部伸缩地滑动。为简便起见，第一细长构件63和第二细长构件65将分别被称为第一构件63和第二构件65。
第一构件63包括沿着其至少一部分长度内部地安排的多个磁体72，这些多个磁体72形成用于伸出和缩回可延伸支腿组件60的线性马达70的一部分。这种类型的线性马达有时被称为线性轴马达。在所示出的实例中，磁体的N-S取向沿着一系列磁体72交替，其中一个磁体72的N极或S极分别面向该系列中的相邻磁体72的N极或S极，尽管其他布置是可能的。
第二构件65设置有线圈74，用于形成线性马达的另一部分。线圈74有时被称为施力器，并且在这个实例中被示出为具有由U、V和W表示的三个相位的三相线圈。这种类型的线性轴马达是已知的，因此此处不需要对三相U、V和W的线圈如何与磁体72的N极和S极位置相关进行详细解释，并且不需要关于如何控制这三个相位U、V和W以致动马达的细节。
图5A、图5B和图5C示出了可延伸支腿组件60针对探针部件14在工作容积中的三个相应位置具有三种不同的相应延伸情况L1、L2和L3。
在图5A中，可延伸支腿组件60完全伸出，或者至少在线性马达70将允许的程度上完全伸出。在图5B中，可延伸支腿组件60稍微缩回，其中，线圈74已经被控制用于生成磁场，该磁场与磁体72相互作用以产生使第一构件63相对于第二构件65移动的力，使得第一构件63进一步缩回第二构件65内部，从而缩短可延伸支腿组件60的整体长度。在图5C中，可延伸支腿组件60更进一步缩回。
图6示出了单独的、不受第二构件65干扰的第一构件63，并且因此更清楚地示出了第一构件63内部的磁体布置72。第一构件63呈具有任何合适横截面(例如，正方形或圆形)的中空管78的形式。如可以看见的，磁体72基本上从第一构件63的第一端77延伸到另一(第二)端79，这有利于最大化第一构件63与第二构件65之间的相对位移的范围、以及因此最大化可延伸支腿组件60的伸出和缩回范围。
为了提供本发明的关键益处，在本实施例中，在磁体72周围提供弹性材料76，即在磁体72之间、并且还在磁体72堆叠体与第一构件63的端部77、79之间。
通常，在线性致动器中，技术人员不需要或甚至不考虑这种弹性(或柔性或顺应性)材料76的存在。例如，图7示意性地示出了通常会如何构造线性轴马达的构件630(未体现本发明的第一方面)，其中，磁体720从一端延伸到另一端而没有任何间隙或“浪费的”空间。
然而，当在非笛卡尔坐标定位机器的背景下使用诸如图7中示出的线性致动器构件630时，本申请人发现，非常小的测量不准确性(尽管很小，但在高精度计量背景下很显著)可以归因于致动器构件的设计、并且具体地归因于其中的磁体布置。本申请人确定这些计量误差是由致动器构件内部磁体的热膨胀和收缩引起的，这进而导致致动器构件长度的微小改变，并且因此导致计量误差。通常这些影响在线性马达中是无关紧要的，因为线性马达的功能不会受到影响，但是在计量背景下这种影响是显著的。由于线性马达线圈中产生的热量非常靠近磁体，因此这个问题更加严重。
通过使用弹性材料(如图5和图6所示)来吸收使用中的磁体的任何热膨胀或收缩的至少一部分，本申请人已经克服了非常特定于计量背景的这个问题。已经发现这可以明显改进计量结果。在图6所示的实施例中，磁体有效地“浮动”在第一构件63内部，尽管弹性材料63存在足够的机械刚度，使得由于线圈74的作用而作用于磁体72的电磁力被传递至第一构件63的壳体，以便该第一构件(而不仅仅是磁体72)相对于第二构件65移动。
将可以理解的是，本发明并不限于图6示出的布置，在该布置中，线性马达磁体72有效地嵌入或浮动在弹性材料76内。现在将参照图8示出的示意性示出来描述实现与图6示出的技术益处类似的技术益处的各种替代性实施例。
为了易于比较，图6被重复为图8A。在图8B所示的实施例中，间隔件71被轴向地安排在磁体72之间，其中，每个间隔件71在每一侧上与磁体72接触。间隔件71与磁体72之间不存在间隙，并且因此磁体72之间不存在弹性材料76。然而，当被认为是堆(或组)时，堆的每一端处(在磁体72与构件63的第一和第二端77、79之间)存在填充有弹性材料76的间隙。每一端处的弹性材料76足以吸收磁体72的热膨胀。
甚至不需要磁体72堆叠体的每一端处的弹性材料76。图8C示出了一个实施例，其中弹性材料76仅设置在一端，在每个磁体72之间具有间隔体，并且在第一磁体72与构件63的第一端77之间还有间隔体。第二端79处的弹性材料76足以吸收磁体72的热膨胀。
针对弹性材料76，本申请人已经确定低粘度硅酮提供良好的结果。硅酮是包括由重复的硅氧烷单元组成的任何惰性、合成化合物的聚合物，硅氧烷是交替的硅原子和氧原子的链，通常与碳和/或氢结合。图8B和图8C的间隔件71是非磁性的(例如由铝形成)并且具有机械刚性。在一个实施例中，间隔件71是磁体72长度(在轴向方向上)的一半。
可以通过将磁体72和间隔件71交替地插入到第一构件63的开口第二端79中来构造图8C示出的实施例，其中，随着每个新的磁体72或间隔体被插入到第一端79中，不断变长的磁体72与间隔件71堆叠体朝向第一端77被不断推动到管78中。管78可以初始地在两端处开口，或者在一端处封闭并且在另一端处开口，以允许插入磁体72和间隔件71。
磁体和间隔件通常具有与第一构件63的内部轮廓的横截面类似、但略小的横截面，以允许这些磁体和间隔件从第二端79移动到第一端77而不会翻转(特别是考虑到由相邻磁体72施加的排斥磁力)，但是在径向方向上具有小的间隙以允许这些磁体和间隔件自由地移动。
所有磁体和间隔件像这样一起被推动，使得它们在轴向方向上彼此接触以形成伸出管78的大部分长度的堆叠体，但是在第二端79处留下小的间隙。然后将硅酮注入到管78中，填充堆叠体与管78内壁之间的上述径向间隙、以及第二端79处的轴向间隙。
在计量背景下，存在小的径向间隙并且因此在这个径向间隙中存在弹性材料76不是特别有利的，因为磁体72(以及因此管78)在径向方向上的热膨胀通常不会影响计量结果。然而，径向间隙中存在弹性材料76至少有利于防止磁体72在周围晃动，并且这么做是机械有利的。不仅仅是这种晃动噪音(并且在高精度仪器中令人不安)、还有相关联的振动也可能对计量造成消极影响。因此，防止这种径向移动也可以有利于计量结果，但是不像从具有安排用于吸收径向方向上的热膨胀和收缩的弹性材料所得到的益处那么明显或直接。
图8D示意性地示出了一个实施例，其中弹性构件以弹簧构件73的形式设置在最末端磁体72与第一构件63的第二端79之间。就像图8A至图8C的弹性材料76一样，图8D的弹簧构件73采取动作来吸收磁体72在轴向方向上的任何热膨胀和收缩的至少一部分。
图8D还示出了弹性材料76在径向方向上围绕磁体72不是必须的，因为图8D的实施例并不具有此特征。气隙应该理想地足够小以防止磁体72发生明显径向移动，但是不应该太小，否则磁体72在径向方向上的热膨胀将致使磁体膨胀到管78中。同时，管78在径向方向上的热膨胀将不会直接影响计量，因为这种热膨胀不会导致第一构件63的长度变化，如果磁体72径向推压管78的内壁，则摩擦接触结合磁体72的进一步热膨胀可能导致第一构件63的轴向膨胀(这可能直接影响计量)。然而，如果磁体72与管78之间的摩擦足够低以允许磁体72在轴向方向上自由地膨胀，则根本不需要任何径向间隙；这适用于图8示出的所有实施例。
图8E示意性地示出的实施例与图8D的实施例类似，其中，唯一的不同在于弹性材料76已经沿径向间隙向下注入，以防止磁体72的径向移动(例如，晃动)问题。
图8F示意性地示出的实施例与图8D的实施例类似，其中，弹簧构件73被可以采用任何合适形式的通用弹性构件75替代。例如，弹性构件75可以采用橡胶间隔件或橡胶块的形式。
图8G示出了弹性构件75不必位于磁体72堆叠体的任一端，而是可以位于中间的任何地方。图8H示出了弹簧构件73可以与图8B中介绍的非弹性间隔件71结合使用。图81示出了可以使用的弹性间隔体75与非弹性间隔体71的组合，而图8J示出了弹性间隔体75可以设置在堆叠体的每一端处并且设置在每对相邻磁体72之间。图8K是图8J的变体，其中，弹性材料76填充径向间隙。
最后，图8L示出了堆叠体不必从管78的一端延伸到另一端。磁体72的轴向布置与间隔件71通过两个止挡件69在管78内保持在位，这个位置可以从管78的两端偏移任何合适的距离。在图8L的展示中，这两个止挡件69都与管78的对应端部77、79偏离，但是这两个止挡件69之一或两者可以与端部77、79重合。止挡件69可以形成管78的端部77、79，例如形成帽。在图8A至图8K示出的实施例中，止挡件69设置在管78的对应端部77、79处。
根据图8明显的是，存在多种多样可以实施本发明的实施例的方式。共同特征是，第一构件63包括形成用于伸出和缩回可延伸支腿组件60的线性马达70的一部分的磁体72的轴向布置、以及被安排用于吸收使用中的磁体72的任何轴向热膨胀或收缩的至少一部分的弹性构件73、75、76。通常，可以认为是轴向元件布置，其中，该轴向布置的元件至少包括磁体72和弹性构件75(其中，弹性构件75表示任何合适的弹性构件，包括弹簧73或弹性材料76)、以及可选地像非磁性间隔件71一样的元件。弹性构件作为轴向元件布置的一部分的存在导致磁体的任何热膨胀和收缩的至少一部分在使用中被吸收。轴向元件布置可以设置在上述两个止挡件之间，这两个止挡件可以是构件的相应端部。
应当理解到的是，磁体不必如所示出地以NS-SN-NS-SN-NS的顺序来安排，并且其他布置是可能的。
虽然图5、图6和图8以相当示意性的方式示出了第一构件63，但是图9提供了更现实的(更少示意性的)视图，以更清楚地示出如何以本发明的实际实施方式安排磁体72。在图9中，第一构件63的中空管78被部分地切除，以显示交替安排的磁体72和间隔体71，例如正如图8C中示意性描绘的。中空管78具有总体上正方形的横截面。类似地，磁体72具有总体上正方形的横截面以与中空管78内部的横截面相匹配，然而前者更小以允许具有如上所述的小的径向间隙。在这个实例中，磁体72设置有倒角的角和边缘，使得当第一构件63被放在一起时这些磁体至少部分地易于通过管78。在这个实例中，间隔件71具有总体上圆形的横截面。还示出了被固定到管78外侧的编码器标尺10。
应当理解到的是，尽管在附图中磁体被示出成彼此分开、即形成为单独的元件，但是单块磁性材料可以以某种方式磁化，以便在同一块材料内形成多个磁体。因此，多个磁体不被解释为限于多个单独且分开的磁体元件。
正如磁体72的热膨胀进而导致第一构件63的长度增加一样，本申请人也已经意识到形成第一构件63的管78的材料自身可能存在热膨胀，并且实际上是第二构件65的材料。因此，本申请人已经发现，由复合材料(诸如碳纤维)形成第一构件63和/或第二构件65是有利的，该复合材料具有非常低的热膨胀系数、并且具有高的比刚度(刚度除以密度)和高的比强度(强度除以密度)。
本申请人已经发现，如上所述，使用线性马达(或线性致动器)70对于伸出和缩回非笛卡尔坐标定位机器的可延伸支腿组件60是非常方便且有效的。如根据图2明显的，下平台40和探针14的重量由可延伸支腿组件60支撑，这些可延伸支腿组件进而各自由第一伸缩构件63和第二伸缩构件65形成。如上所述，线性马达70被提供用于使构件63与构件65相对于彼此移动。不仅如此，还需要线性马达70来防止这两个第一构件63和第二构件65例如在作用于下平台40和探针14的重力的作用下拉开。因此，在这种情况下，线性马达70通常也充当某种制动器，施加与重力相等且相反的力，以便在系统“停置”时使平台40保持静止。
本申请人已经意识到，这呈现了计量背景下的与上述问题有关的问题，即来自线性马达70的热量生成。这种热量对计量具有消极的影响，因为其导致计量环中部件的热膨胀和收缩，从而导致不准确的测量结果。如图10至图12所示，本申请人已经通过引入平衡布置90解决了这个问题，此问题特定于非笛卡尔坐标定位机器与用于支腿延伸的线性马达的使用的组合。
平衡布置90采取动作来支撑下(移动)平台40以及附接至该下平台的任何部件的重量的至少一部分，由此减轻线性马达70上的负担(消除应力)。因为不再由线性马达70支撑重量，所以可以大大减小流过线圈74的电流，并且进而也减少了线圈生成的热量。之前还没有提出过非笛卡尔坐标定位机器、用于支腿延伸的线性马达、以及用于减小线性马达上的应力的平衡布置的组合。
应当理解到的是，平衡布置90不需要提供与由线性马达承载的重量精确地相等的支撑。这是理想的状况，但是实际上通过使此重量的至少一部分平衡实现了益处，因为流过线圈74的电流减小了。因此，平衡布置90的设计不是关键的，因为不需要提供精确的平衡，这在机器100的整个工作容积中是特别难以实现的。因此，基于已知的这类平衡布置，技术人员对于提供合适的平衡布置没有困难。
通过示出的方式，图10至图12示出了平衡布置90的一个实例设计，但是这决不认为是对本发明范围的限制。这个实例的平衡布置90包括经由接头93连接彼此的第一臂92和第二臂94。第一臂92经由接头92连接到下平台40的顶部，并且第二臂94经由接头95连接到机器100的固定部分(未示出)(如图11最清楚示出的)。图12示出了接头93的细节。
图10(在扩展子视图中最清楚)还示出了本实施例的两个附加有利特征，这两个有利特征可以独立于平衡布置90使用。首先，针对每个球接头80提供固位弹簧88，该固位弹簧在一侧上连接到下平台40的支撑块42、并且在另一侧上连接到可延伸支腿组件60的下端。固位弹簧88使细长构件66的端部上的这三个球84(参见图3的扩展子视图)偏置成与支撑块42上的球82接触，并且帮助防止可延伸支腿组件60在使用期间抬离支撑块42并且从支撑块上拆下(这可以通过下平台40的极大且无意移动意外地发生)。因此，这个固位元件采取动作来将可延伸支腿组件60偏置成与可延伸支腿组件60的支撑件接合。
其次，固位罩86被设置在支撑块42上，该固位罩至少部分地包围(捕获)设置在可延伸支腿组件60的下端处的固位凸缘87。当试图使可延伸支腿组件60直接抬离支撑块42时，由于固位凸缘87陷在罩86内，因此防止了可延伸支腿组件60与支撑块42完全脱离接合。这再次有助于避免可延伸支腿组件60在操作期间意外地抬离支撑块42并且从支撑块上拆下。然而，固位罩86向一侧开口，并且当接合时固位凸缘87上方存在小的间隙，由此允许通过轻微抬升之后的侧向移动而使固位凸缘87(以及因此可延伸支腿组件60)脱离接合。更一般地，此固位特征包括支撑件上的与可延伸支腿组件上的固位特征相协作的固位特征，以防止完全轴向脱离接合，同时允许通过小的轴向间隔之后的基本上径向移动而脱离接合。
上述两个固位特征的组合是特别有利的，因为固位罩86和固位凸缘87防止了严重脱离接合，同时固位弹簧88有助于通过将球82、84偏置成接合来防止凸缘87与固位帽86意外地分离(并且因此防止将凸缘87从帽86移除所需的径向移动)。
至少在图2和图10中示出的机器100的另一个有利特征为：上平台20(另外被称为“顶框”)是可从机器100移除(拆下)的。在已知的非笛卡尔机器中，顶框通常形成机器的整体部分，并且是不可移除的。在所示的实施例中，上平台20包括六个球，这六个球等效于图3中标记为82的那些球，并且其中，上平台20是可移除的，这允许出于校准目的使用CMM来测量平台20(包括球)、并且随后将该平台放回到机器100中，例如用于测量这些球的位置和/或间隔。
虽然附图中所示的非笛卡尔坐标定位机器具有六个可延伸支腿组件，但是实施本发明的非笛卡尔坐标定位机器当然并不限于具有六个可延伸支腿组件，其中可延伸支腿组件的数目和构型由所关注的应用来确定。
虽然已主要在坐标测量机和比较器的背景下描述了本发明的实施例，但是本发明更一般地适用于任何类型的坐标定位机器，诸如扫描机、机床、机器人、定位设备(例如，用于光学部件)、原型制造机和各种其他用途。

Claims (31)

1.一种非笛卡尔坐标定位机器，包括用于将部件定位在所述机器的工作容积内的可延伸支腿组件，所述可延伸支腿组件包括当所述可延伸支腿组件改变长度时相对于彼此移动的第一构件和第二构件，所述第一构件包括形成用于伸出和缩回所述可延伸支腿组件的线性马达的一部分的磁体的轴向布置、以及用于吸收使用中的所述磁体的任何轴向热膨胀或收缩的至少一部分的至少一个弹性构件。
2.如权利要求1所述的机器，其中，所述磁体和所述至少一个弹性构件被轴向地安排在所述第一构件的第一止挡件与第二止挡件之间。
3.如权利要求2所述的机器，其中，所述第一止挡件和所述第二止挡件中的至少一个是所述第一构件的端部、或者位于所述第一构件的端部处或附近、或者形成所述第一构件的端部。
4.如前述权利要求中任一权利要求所述的机器，其中，所述至少一个弹性构件包括弹性材料。
5.如权利要求4所述的机器，其中，所述弹性材料包括硅酮材料。
6.如权利要求5所述的机器，其中，所述弹性材料包括低粘度硅酮材料。
7.如前述权利要求中任一权利要求所述的机器，其中，所述至少一个弹性构件包括弹簧。
8.如前述权利要求中任一权利要求所述的机器，包括轴向地布置在所述线性马达的磁体之间的至少一个非磁性间隔件。
9.如前述权利要求中任一权利要求所述的机器，其中，所述第一构件和所述第二构件是细长的。
10.如前述权利要求中任一权利要求所述的机器，包括平衡布置，其用于支撑至少一些否则将由所述线性马达支撑的重量。
11.如前述权利要求中任一权利要求所述的机器，其中，所述第一构件和/或所述第二构件由复合材料形成。
12.如权利要求11所述的机器，其中，所述复合材料包括石墨复合材料。
13.如权利要求12所述的机器，其中，所述复合材料包括碳纤维材料。
14.如前述权利要求中任一权利要求所述的机器，包括用于测量与所述可延伸支腿组件相关联的长度的计量部件。
15.如权利要求14所述的机器，其中，与所述可延伸支腿组件相关联的长度与所述可延伸支腿组件两端之间的间隔有关。
16.如权利要求14或15所述的机器，其中，所述计量部件包括编码器标尺。
17.如权利要求14、15或16所述的机器，其中，所述计量部件被固定到所述第一构件。
18.如权利要求17所述的机器，所述计量部件被固定在所述第一构件的外侧上，其中，所述磁体的轴向布置被安排在所述第一构件内。
19.如前述权利要求中任一权利要求所述的机器，其中，所述第一构件呈管的形式。
20.如前述权利要求中任一权利要求所述的机器，其中，所述部件包括测量探针。
21.如前述权利要求中任一权利要求所述的机器，包括多个这样的可延伸支腿组件。
22.如前述权利要求中任一权利要求所述的机器，所述机器是坐标测量机。
23.如权利要求1至21中任一项所述的机器，所述机器是比较器。
24.一种非笛卡尔坐标定位机器，包括用于将部件定位在所述机器的工作容积内的可延伸支腿组件，所述可延伸支腿组件包括当所述可延伸支腿组件改变长度时相对于彼此移动的第一构件和第二构件，其中，所述第一构件和/或所述第二构件至少部分地由复合材料形成。
25.如权利要求24所述的机器，其中，所述复合材料包括石墨复合材料。
26.如权利要求25所述的机器，其中，所述复合材料包括碳纤维材料。
27.一种非笛卡尔坐标定位机器，包括用于将部件定位在所述机器的工作容积内的可延伸支腿组件，所述可延伸支腿组件包括：当所述可延伸支腿组件改变长度时相对于彼此移动的第一构件和第二构件、用于伸出和缩回所述可延伸支腿组件的线性马达布置、以及平衡布置，其用于支撑至少一些否则将由所述线性马达布置支撑的重量。
28.一种用于非笛卡尔坐标定位机器的可延伸支腿组件，所述可延伸支腿组件包括当所述可延伸支腿组件改变长度时相对于彼此移动的第一构件和第二构件，所述第一构件包括形成用于伸出和缩回所述可延伸支腿组件的线性马达的一部分的磁体的轴向布置、以及用于吸收使用中的所述磁体的任何轴向热膨胀或收缩的至少一部分的至少一个弹性构件。
29.一种用于非笛卡尔坐标定位机器的可延伸支腿组件，所述可延伸支腿组件包括当所述可延伸支腿组件改变长度时相对于彼此移动的第一构件和第二构件，其中，所述第一构件和/或所述第二构件至少部分地由复合材料形成。
30.一种线性致动器，包括当所述线性致动器改变长度时相对于彼此移动的第一构件和第二构件，所述第一构件包括形成用于伸出和缩回所述线性致动器的线性马达的一部分的磁体的轴向布置、以及用于吸收使用中的所述磁体的任何轴向热膨胀或收缩的至少一部分的至少一个弹性构件。
31.一种坐标定位机器，包括用于将部件定位在非笛卡尔坐标定位机器的工作容积内的可延伸支腿组件、包括如权利要求30所述的用于伸出和缩回所述可延伸支腿组件的线性致动器。
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