铰接探针头部装置和方法

专利名称：铰接探针头部装置和方法
技术领域：
本发明涉及用在坐标定位设备诸如坐标测量设备(CMM)等上的类型 的铰接探针头部装置。更具体地说，本发明涉及的铰接探针头部装置包含温 度感测器件，用来实施温度控制和/或补偿。
背景技术：
铰接探针头部是已知的，并且以前已经在例如EP360853、 EP402440和 EP690286中进行过描述。常见铰接探针头部包括基体，该基体连接到坐标 定位设备诸如机床或坐标测量设备(CMM)的移动臂上。铰接探针头部布 置成支撑相对于坐标定位设备的移动臂具有一个或多个旋转自由度的测量 探针。这种布置具有许多优势，例如，允许测量探针感测取向不同的表面， 从而允许探测零件上原本不可触及的特征。
EP690286所述的那种铰接探针头部是所谓的"分度"头。这种分度头 包括一个或多个马达，这些马达用来在许多预定取向之间移动测量探针，所 述的预定取向相对于坐标定位设备的测量臂是固定的。 一旦该头部设定在希 望的位置，移动设备的测量臂(例如，沿着相互正交的X、 Y和Z轴移动该 臂)，利用测量探针进行零件的坐标测量。换句话说，在测量坐标时，分度 探针头部锁定在固定位置。
EP690286还说明了如何将恒定电流供应给分度探针头部，以努力将该 头部保持在热平衡状态。具体来说，EP690286说明了在该头部内提供热发 生装置，当驱动马达停用时，该热发生装置激活，以使恒定电流供应到探针 头部。但是，这种布置存在许多缺陷。例如，虽然热发生水平恒定，但是该 头部将稳定到取决于周围温度的温度。这样，如果设备在不同环境中操作， 则可能向测量坐标值中引入不确定性因素。
EP402440说明了另外一种铰接探针头部，通常称为"活动"头部或"伺 服"头部。在本文中，这种头部称为活动头部。在这种布置中，在进行测量 的同时，活动头部配置成相对于铰接头部的基体移动测量探针。这样将提供
4个或更多个轴向测量值，其中坐标定位设备3个线性轴的运动与铰接头的
一个或多个(例如，两个)旋转轴的运动相结合。 —

发明内容
根据本发明的第一方面，提供了用于坐标定位设备的装置，该装置包括 用于支撑测量探针的铰接探针头部，其中所述铰接探针头部包括至少一个电 动马达，并且该装置包括用于在该铰接探针头部内产生热量的加热器件，其 特征在于，该装置包括温度感测器件，用来确定铰接探针头部的温度。
因此，本发明提供一种适合安装在坐标定位设备诸如坐标测量设备
(CMM)、机床或单轴工作台上的铰接探针头部。该铰接探针头部还布置成 保持测量探针，并且所述至少一个电动马达在提供有适当驱动电流时，允许 所连接的测量探针相对于坐标定位设备上安装所述铰接探针的部分运动(例 如，围绕一个或多个轴转动)。
所述装置还包括加热器件，用于在所述铰接探针头部内产生热量。所述 加热器件可以置于铰接探针头部内侧，或者可以置于离铰接探针头部较远 处，例如连接到铰接探针头部的外壳体。所述加热器件可以方便地包括一个 或多个位于探针头部内的热源，并更优选布置成在所述至少一个电动马达处 和/或其附近产生热量。正如以下更为详细地说明，所述加热器件可以包括分 立的加热元件和/或至少一个电动马达本身。
此外，铰接探针头部包括温度感测器件，用于确定铰接探针头部处的温 度。例如，温度感测器件可以有利地包括至少一个安装在铰接探针头部内或 连接于其上的温度传感器，从而允许测量所述头部一个或多个区域的温度。 正如以下更为详细地说明，所述温度感测器件布置成感测所述铰接头部上离 开所述至少一个马达的一个或多个点的温度和/或所述至少一个马达附近的 温度。
本发明的装置相对于EP690286所述的装置具有许多优点。如上所述， EP690286说明了在铰接头部内的马达处于停用状态时，向该铰接头部提供 加热电流。这种加热电流选择为基本上等于驱动马达所需的电流，因此，认 为恒定的热量流入活动头部内，导致实现热平衡状态。
但是，已经发现EP690286所述的技术并不能总是让铰接探针头部保持 相同的温度曲线。具体来说，已经发现，铰接头部耗散的热量随着该头部的
取向而发生改变。此外，周围温度条件将会影响该探针头部达到的热平衡状 态。根据本发明采用直接温度测量，克服了这种缺陷并提供了一种改进的方 式来减小或确定因铰接探针头部内的热膨胀影响而引入坐标测量值中的误差。
优选所述装置进一步包括温度控制器，该温度控制器布置成从所述温度 感测器件接收温度信号，并有选择地激活所述加热器件，从而将所述温度感 测器件感测到的温度保持在第一预定范围内。例如，所述温度控制器可以布 置成将置于探针头部内的温度感测器件感测到的温度保持在第 一 目标温度 或者保持在第一温度范围内。因此，该温度控制器对所述头部内的热发生进 行控制，并允许探针头部内 一个或多个位置处的温度保持在特定的目标温 度，或者保持在特定的温度范围内。所述温度控制器可以布置成根据需要而 简单地激活或停用所述加热器件(例如，可以将所述加热器件切换到"打开" 或"关闭")。可以选择的是，所述温度控制器可以根据需要改变供应给所述 加热器件的动力。
所述温度控制器方便地布置成实施闭环反馈控制。这种闭合反馈环路的 时间常数可以根据需要设定，并且将取决于探针头部的热容量以及热源靠近 温度测量位置(例如，任何温度传感器的位置)的程度。所述温度控制器可 以至少局部置于所述铰接头部内和/或可以至少局部设置在远离所述铰接探 针头部的单独接口或控制器中。
所述第一温度范围的上下限两者都可以大于20°C，大于30。C,大于40 。C或大于50。C。第一预定温度范围的宽度(即，温度上下限之间的差)可以 有利地小于20。C,小于10。C,小于5。c或小于rc。对于给定的装置而言， 第一温度范围可以固定，或者可以让使用者进行选#^。所述温度控制器还可 以布置成例如参照周围温度或者该装置所处操作环境的历史温度数据而自 动选择所述温度范围。
所述温度控制器还可以布置成当设备启动时，加热器件激活并持续设定 的时间周期，或者持续到所述温度感测器件指示出已经达到或者即将达到所 述第一温度范围为止。为了使所述设备达到标称操作温度的时间最少，所述 温度控制器可以布置地让所述加热器件在启动时，较之随后用来将温度保持 在希望的范围内所用的热发生率而言，以提高到速率产生热量。换句话说， 初始的爆发性加热可以用来迅速将铰接探针头部加热到希望的操作温度。应
该注意，初始的爆发性加热可能足以将所述头部的某些区域的温度升高到高 于这些区域接下来所要维持的温度。
有利的是，所述铰接探针头部包括至少一个分立加热元件。例如，所述 探针头部可以包含一个或多电阻加热元件。所述加热元件可以置于所述一个 或多个电动马达附近或连接于其上。所述加热元件其中之一或多个可以方便 地连接到所述装置的其他发热部件或与之整体形成，例如，所述装置的电路 板或其他电气部件可以包括加热元件。可以有利地提供多个这种电阻加热元 件。例如，如果所述头部包括多个电动马达，则多个加热元件可以置于每个 电动马达附近(例如， 一个或多个加热元件可以连接到每个马达壳体)。如 果设置多个分立加热元件，则这些元件可以根据需要进行电气串联和/或并 联。所述加热元件可以方便地包括位于铰接:探针头部外部的热源，并且该热 源经由加热的流体流诸如空气流将热量传入所述头部。
如果设置一个或多个分立加热元件，则用于驱动铰接头部的电动马达的 控制系统可以与所述温度控制器分开设置。例如，构成温度控制器的电子件 可以置于所述铰接头部内。然后，可以从远程动力源诸如系统控制器向所述 温度控制器提供电力。这样例如允许马达脱开(例如，在测量过程之间响应 紧急停机，以减小非应用周期内的动力消耗等)而不需要停用所述装置的温 度稳定系统。在这种布置中，根据需要，甚至可以恒定地向温度控制器提供 动力，从而将所述铰接头部保持在希望的温度，并且不再需要任何的装置"暖 机"过程。
取代提供单独的加热元件，或者除此之外，加热元件可以方便地包括至 少一个电动马达。例如，所述装置可以有利地包括这样的加热器件，其布置
成使得供应给所述至少 一个马达以产生给定扭矩的电力可以发生改变。这 样，所述加热器件可以增加供应给所述至少一个马达的电力，从而增加所述 马达产生的热量，而不会改变所述马达产生的扭矩。换句话说，可以控制马 达的效率，从而针对任意给定的扭矩实现所需的热输入。
有利的是，所述至少一个电动马达是无刷电动马达，而所述加热器件布 置成控制供应给所述马达的多相电力分量之间的相对相位。所述无刷马达可
以是多相AC马达，例如三相、四相、五相或六相马达。而所述加热器件可 以布置成控制给所述马达提供动力的电力供应所产生的^F兹场和所述马达的 恒定磁场之间的相对相位角。换句话说，所述加热器件可以方便地布置成控
制施加在所述马达绕组上的所述多相电力分量所产生的^F兹场和相对于所述 马达绕组旋转的所述无刷电动马达的部件所产生的^F兹场之间的相对相位角。 所述无刷马达可以提供所需的热源，因为对于给定的总输入电流而言， 所述马达产生的扭矩与所述马达的磁场和流过定子绕组的电流产生的合成 磁场(或者相反的情况下，相绕组旋转而所述恒定磁场静止)之间的角度有
关。当磁极对的两个磁场彼此隔开90°时，扭矩最大(即，切向扭矩向量)，
而当它们平行时，不产生扭矩(即，径向扭矩向量)。换句话说，改变转子 磁场和供应给马达的电流分量所产生的磁场之间的相对相位角可以用来降 低电动马达的总体效率(即，电动马达每瓦特电力产生的扭矩量)。这样允 许针对给定的输出扭矩向马达提供更多的动力，并因此增加马达产生的热 量，而不会增大马达产生的扭矩。
应该注意，这种装置优选布置成在需要的时候电动马达仍旧可以产生最 大扭矩。此外，所述加热器件有利地布置成当其控制供应给马达的电流分量 的相对相位时，在所述装置的位置控制方面存在可忽略的关联效应。这很容 易实现，因为铰接头部的热学时间常数通常足够长，允许建立緩慢的(例如， 秒级)温度控制环路，不会干扰位置控制环路。换句话说，温度控制环路可 以布置成比位置控制环路具有更小的带宽。
如果采用多^f兹极无刷马达，也适用相同的原理，除了绕组;兹场和转子》兹 场(即，产生给定量的扭矩和热量所需的磁场)之间的物理角度必须除以适 合磁极数目的常数。
高频AC(即，电流频率足够高，以使不会感生出马达扭矩)或者直流 (DC)也可以供应给AC马达。可以选择的是，可以供应AC电流来在DC 马达中产生热量。换句话说，所述加热器件方便地布置成向所述至少一个电 动马达供应电流，该电流的频率分量仅导致马达线圈发热。
所述铰接探针头部方便地包括第 一 电动马达来围绕第 一 旋转轴线驱动 所述铰接头部。在这种情况下，所述温度感测器件可以布置成感测所述第一 电动马达附近的温度。所述温度感测器件可以包括置于所述电动马达附近的 温度传感器，例如温度传感器可以连接到第一电动马达的壳体。
所述铰接探针头部优选包括至少第一电动马达和第二电动马达。包括两 个马达可以用来围绕两个旋转轴线驱动所述铰接头部。而所述温度感测器件 则布置成感测第一和第二电动马达两者附近的温度。例如，所述铰接头部可
以方便地包括至少第一温度传感器和第二温度传感器。有利的是，所述第一 温度传感器置于所述第一电动马达附近而所述第二温度传感器置于所述第 二电动马达附近。例如，所述第一温度传感器可以连接到所述第一电动马达 的壳体和/或所述第二温度传感器可以连接到所述第二电动马达的壳体。
所述铰接探针头部可以有利地进一步包括第三电动马达。提供三个电动 马达允许围绕三个旋转轴线驱动所述铰接头部。所述温度感测器件则可以布 置成还感测第三电动马达附近的温度。例如，所述铰接头部可以方便地包括 至少第一、第二和第三温度传感器。所述第三温度传感器可以连接到第三电 动马达的壳体。
根据需要，还可以设置另外的马达(例如，第四、第五马达等等)。这 些马达可以为了任何额外的目的而围绕轴线驱动所述铰接头部。
具有超过一个马达(例如，具有第一、第二和第三马达)的所述装置可 以有利地包括上述那种温度控制器。该温度控制器可以布置成从置于第一马 达附近的第一温度传感器接收第一温度信号，并有选择地加热所述第一马 达，从而将第一温度传感器感测到的温度保持在第一预定温度范围内。便于 使用的是，所述温度控制器还布置成从置于第二马达附近的第二温度传感器 接收第二温度信号，并有选择地加热第二马达，从而将第二温度传感器感测 到的温度保持在第二预定温度范围内。所述温度控制器还可以有利地布置成 从置于第三马达附近的第三温度传感器接收第三温度信号，并有选择地加热 所述第三马达，从而将第三温度传感器感测到的温度保持在第三预定温度范 围内。
如上所述，所述铰接探针头部的电动马达(例如，第一、第二和第三马 达)可以通过向其施加适当的驱动信号而直接加热，和/或可以设置单独的加 热元件(例如，连接到马达壳体)来进行加热。所述温度控制器可以有利地 配置成建立单独的温度控制环路，将每个电动马达保持在选定的温度范围 内。例如，第一、第二和第三马达可以分别保持在第一、第二和第三预定温 度范围内的某温度。
所述温度控制器可以方便地将每个马达(例如，第一、第二和第三马达) 保持在基本上相同的温度。例如，上述第一、第二和第三预定温度范围可以 基本上相同。但是，所述温度控制器有利地布置成将每个马达保持在不同的 温度，或者保持在不同的温度范围内。通常优选将马达保持在不同的温度，
因为铰接探针头部的各个马达通常位于铰接头部内的不同热学环境中，并因 此在使用过程中耗散的热量不同。此外，探针头部可以布置成使得其中一个 马达平均来看需要比其他马达完成更多工作。例如， 一个马达可能需要持续 施加更高的扭矩来抵抗重力维持所需的探针位置。每个马达保持的温度范围 可以预设，也可以由使用者通过上述方式进行设置。
应该注意，如果提供两个或更多个马达，则每个马达可以是相同类型。 例如，马达可以是三相AC马达。可以选择的是， 一个马达可以不同于另一
个马达。例如， 一个马达(例如，第一马达)可以是AC马达，而另一个马 达(例如，第二马达)可以是不同类型的AC马达或者DC马达。不同的马 达还可以布置成产生基本上相同或不同的最大扭矩。技术人员应该理解，马
有利的是，铰接探针头部是活动头部或"伺服"头部，其在测量过程中 使得测量探针扫描经过零件。在这种活动头部设备中，供应给马达的动力随 着时间改变，从而在扫描过程中改变测量探针的位置和/或提供不同的扭矩。 换句话说，在活动头部中，马达并不是简单的接通或断开，而是在使用过程 中(即使在头部将测量探针相对于坐标定位设备保持在固定取向的时候)持 续提供有动力。
便于使用的是，所述铰接探针头部可以是分度头或者任何已知类型的铰 接探针头部。
有利的是，测量探针连接到该铰接探针头部。所述探针可以借助运动支 座连接和/或从所述铰接头部热学隔开。便于使用的是，测量探针可以轻易地 连接到铰接探针头部，并可以轻易地从其解脱。
所述测量探针可以有利地包括接触式探针或非接触式探针。优选所述接 触式探针包括光学传感器。例如，可以使用EP1086354中所述的那种探针。
所述至少一个电动马达方便地布置成在使用中控制测量探针的速度、位 置和加速度至少其中之一 项。
有利的是，所述温度感测器件包括至少一个温度传感器。每个温度传感 器可以包括热敏电阻(热敏电阻)、数字温度计芯片和双金属片至少其中之 一。但是，可以使用任何已知类型的温度传感器。这种温度传感器可以要求 与铰接头部存在物理接触，或者可以是非接触式热学传感器，诸如热(红外) 检测器。
坐标定位设备还可以设置成包括上述的铰接探针头部装置。所述铰接探 针头部可以包括基础部分，该基础部分可拆卸地连接到该坐标定位设备的主
轴。所述坐标定位设备可以有利地包括坐标测量设备(CMM)、机床或检查
机器人。
坐标定位设备通常包括设备控制器(诸如个人计算机)来控制它们的操 作。例如，设备控制器可以布置成向线性平动马达提供电力，保持铰接头部
的主轴沿着设备的X、 Y和Z轴移动。有利的是，坐标定位设备的设备控制 器适配成还控制所述铰接头部的所述至少一个马达。换句话说，所述设备控 制器适配成控制所述铰接头部的操作。这种控制可以是直接控制，或者可以 经由控制接口来完成。
便于使用的是，来自温度感测器件的温度信号也提供给所述设备控制 器。因此，所述设备控制器可以包括上述的温度控制器。
所述设备控制器还可以利用所述温度感测器件测量的温度来矫正坐标 测量值中的热膨胀影响，和/或指示与测量相关的不确定因素。例如，第一、 第二和第三马达的测量温度可以方便地用来矫正或确定铰接头部内的热膨 胀影响。还可以在所述探针头部内设置一个或多个额外的温度传感器(例如， 从所述马达隔开)，从而提供一个或多个一般温度读数。可以利用许多不同 温度下铰接头部获得的校准数据来实现温度矫正，或者所述设备控制器编制 有许多矫正因子，从而应对任何偏离标称水平的温度偏差。
所述至少一个温度传感器(特别是上述那种额外的温度传感器)测量的 温度值可以用来向使用者提供指示，表明所述装置已经达到标称热学水平 (即，已经完成"暖机")。
根据本发明的第二方面，提供了操作铰接探针头部的方法，所述铰接探 针头部包括至少一个电动马达，所述方法包括步骤(a)测量所述探针头部 一个或多个区域的温度；和(b)在所述铰接头部内产生热量。便于使用的 是，步骤(b)包括步骤在所述铰接头部内产生热量，从而将步骤(a)中 测量的温度保持在一温度范围内(例如，保持在高于周围温度的温度)。
根据本发明的另一方面，提供用于坐标定位设备的铰接头部装置，所述 装置布置成保持测量探针并包括至少一个马达，当测量探针连接到所述装置 时，所述至少一个马达用来控制所述测量探针的位置、速度和加速度至少其 中之一项，所述至少一个马达额外地布置成控制所述铰接头部装置至少一部
分的温度。利用马达产生热量而不影响其产生的扭矩，已经在上面进行了详 细说明。以这种方式，可以看出所述至少一个马达可以用来控制测量探针的 运动以及铰接头部的温度两者。
根据本发明的又一方面，提供了用于坐标定位设备的装置，该装置包括 用来支撑测量探针的铰接头部，所述铰接探针头部包括至少 一 个电动马达， 所述装置包括用来在所述铰接探针头部内产生热量的加热器和用于测量所 述铰接探针头部温度的至少 一个温度传感器。


以下将参照附图仅作为示例来说明本发明，其中 图1示出了包括活动头部的坐标测量设备(CMM); 图2更为详细地示出了图1中CMM的活动铰接头部；和 图3是示出CMM控制系统的框图。
具体实施例方式
参照图1,示出了坐标测量设备(CMM) 2。 CMM2包括基体4，该基 体支撑框架6,而该框架又保持主轴8。设置马达(未示出)沿着三个相互 正交的轴线X、 Y和Z移动主轴8。
主轴8保持铰接探针10。探针10具有连接到主轴8的基础部分20、中 间部分22和探针保持部分24。基础部分20包括围绕第一旋转轴线30旋转 中间部分22的第一马达(未示出)。中间部分22包括围绕第二旋转轴线旋 转探针保持部分24的第二马达(未示出)，该第二旋转轴线基本上垂直于所 述第一旋转轴线。虽然未示出，但是可以在铰接探针的移动部件之间设置轴 承。
测量探针12连接(例如采用运动支座)到探针保持部分24。测量探针 12可以是接触式触发探针或者包括触头的模拟探针。探针可以包括光学传感 器。可以选择的是，探针可以是非接触式探针，诸如光学探针。
还设置有控制CMM操作的设备控制器36。设备控制器可以是专用电子 控制系统和/或可以包括个人计算机。
探针头部10是所谓的"活动头部"，而且在使用过程中，探针头部10 允许测量探针12相对于主轴8进行两个自由度上的移动。探针头部10提供
的两个自由度和CMM的三个线性平动轴线(X、 Y、 Z)相结合，允许测量 探针12关于5个轴移动。这样就允许所谓"五轴"测量安装到设备基础部 分20的相关零件34。
设备控制器36布置成向第一和第二马达提供适当的驱动电流，从而在 使用过程中每个马达施加所需的扭矩。每个马达施加的扭矩可以用来导致围 绕关联旋转轴线的移动，或者用来保持特定的旋转位置。因此可以看出，对 于活动头部而言，在使用过程中，驱动电流需要连续施加到活动探针头部10 的每个马达，即需要为每个马达提供动力，即使不需要进行围绕关联旋转轴 线的移动也是一样。
应该注意，图1仅提供了包括活动头部的CMM的上位描述。可以在其 他地方发现对这种装置更为完整的说明，例如参见EP402440(特别是第6-20 栏)，该文件的内容通过引用方式包含在本文中。
发明人已经发现，参照图1所述这种活动铰接探针头部中存在的热膨胀 影响会显著降低坐标测量精度。具体来说，已经发现活动头部的马达必然产 生的热量加热了探针头部的部件。此外，这种热量取决于马达施加的扭矩，
因此随着扫描速度以及探针扫描经过零件表面时施加的力而发生变化。
除了供应给活动头部的马达的动力发生变化之外，还发现探针头部热耗 散总量和/或热耗散曲线可能随着探针头部取向而发生变化。换句话说，当活 动探针头部关于其两个轴线旋转到不同位置时，热损失可能不同。
已经发现，热发生率和热耗散量这两方面的变化导致了使用过程中活动 头部热学曲线方面出现不可预测的变化。此外，周围热学环境影响探针头部
的总体热学曲线。因此，可以看出，在使用过程中，铰接探针头部的热学曲 线可能发生显著的变化。这种温度变化反过来又导致活动头部内发生热膨 胀，这种热膨胀会严重降低测量精度。
在EP690286中早已说明了许多技术来克服分度铰接头部中的热膨胀所 导致的误差。现有方法包括提供热源，诸如电阻加热器，该热源具有恒定的 热输出，所述热输出显著大于头部电动马达所产生的热输出。在这种布置中， 马达所产生的额外热量导致的热膨胀量成比例地减小。
EP690286还说明了仅在分度头的电动马达停用时(即，铰接头锁定在 特定测量位置时)才激活的热源，这样在操作过程中能向探针头部供应恒定 电流。但是，可以看出，EP690286的这种技术通常仅适用于马达或处于接
通或处于断开的分度头(即，不适用于使用过程中供应给马达的动力发生变 化的活动头部)。此外，这种技术依赖于头部具有恒定的热耗散率以及周围 热学环境不发生改变。在需要高精度测量时，发现这些假设都无法成立。因 此，以下说明根据本发明来緩解铰接探针头部中热膨胀影响的改进技术。
参照图2，更为详细地说明本发明的活动头部。图2中所示并与参照图 1所述的共有特征赋予了类似的附图标记。因此，图2示出的活动头部10 具有基础部分20、中间部分22和探针保持部分24。
安装在基础部分20中的第一马达40用来相对于基础部分20围绕第一 旋转轴线30旋转中间部分22。安装在中间部分22中的第二马达42用来相 对于中间部分22围绕第二旋转轴线44旋转探针保持部分24。第一旋转轴线 30通常称为"D轴"，而第二旋转轴线44通常称为"E轴"。在本例中，第 一和第二马达都是三相交流(AC)马达。但是，其他类型的AC马达或者直 流(DC)马达也可以替代地使用。
探针头部10还包括连接于第一马达40壳体的第一热敏电阻46和连接 于第二马达42壳体的第二热敏电阻48。也可以在探针头部壳体内不同的地 方设置额外的热敏电阻50和52。虽然热敏电阻提供了筒单且廉价的测温方 式，但是技术人员应该理解，可以替代地使用各种温度传感器。
现在参照图3,给出了参照图1和2所述的CMM控制系统的电路布局 示意图。控制系统包括设备控制器36，该控制器例如可以包括个人计算机 (PC)。
设备控制器36向活动头部的第一马达40和第二马达42分别提供三相 动力供应。还向马达60提供适当的控制信号，控制主轴沿着X、 Y和Z轴 的移动。设备控制器36还从测量探针12以及第一、第二和额外的热敏电阻 46、 48、 50和52分别接收数据信号。
设备控制器36包括第一控制部分64，该第一控制部分布置成向第一马 达40提供三相驱动信号。第一控制部分64还从第一热敏电阻46接收指示 第一马达40壳体温度的信号。作为对该温度信号的响应，第一控制部分64 布置成改变供应给第一马达40的总电力，因此改变由第一马达40产生的热 量。但是，重要的是要注意，三相驱动信号经过选择，以使使用过程中马达 40产生需要的扭矩量。
技术人员应该理解，三相AC马达布置成接收三个交变电流信号。动力
供应的不同分量之间的相差在马达内形成旋转电磁场。如果电流分量彼此位
移120° ，则马达以最优效率操作。而且，三个AC分量之间的相位离开最
优水平则会降低马达效率。换句话说，马达需要更多的电力(即，增大电流) 来产生相同的扭矩量。因此，可以看出，可以增加三相马达产生的热量而并 不对应地增大马达所产生的扭矩。为了保持电流产生的磁场中心靠近马达旋 转轴线，优选改变电流分量的相位，从而控制电流产生的磁场与所述马达的 恒定磁场之间的相对相位角。虽然并不是必须，但是这样减小了原本将会存
在的中心力(centre force )。
因此，第一控制部分64布置成控制供应给第一马达40的三相动力供应 的相对相位以及幅值，从而致使(a)马达产生所需的扭矩和(b)马达内产 生所需的热量。控制由第一马达产生的热量允许建立闭合反馈控制环路，将 第一马达的温度保持在第一预定温度范围内。
第二控制部分66允许建立单独的反馈环路，将第二马达42的温度保持 在第二预定温度范围内。第一和第二预定温度范围可以相同或不同。温度范 围可以进行出厂设定，或者可以提供许多这种范围，用于在不同的周围环境 中进行操作。可以选择的是，可以相对于环境温度读数或其他温度读数限定 温度范围。
虽然说明了分开的控制环路，但是可以利用其中一个或多个热敏电阻对 两个马达实施单个温度控制系统。同样，来自额外的热敏电阻50和52任何 一个或多个的温度测量值可以用在第一和/或第二控制部分的反馈环路中。但 是，优选用于反馈环路的温度传感器位于热源附近，从而使得热迟滞效应引 发的任何控制环路不稳定性或振荡最小。
应该注意，虽然改变三相动力供应的相对相位能带来所需的热影响，但 是也可以在探针头部中采用其他发热方式。例如，可以给马达提供频率足够 高的AC分量来加热马达线圈，而不产生任何扭矩。这种高频AC加热也可 以用于不同类型的马达，例如DC马达或单相AC马达。如果不使用马达作 为热源，则还可以提供单独的热源。例如，可以提供一个或多个电阻加热元 件。这种加热元件可以位于探针头部机壳内或者连接到头部的外表面上。
除设置闭环温度控制之外，或者取而代之，设备控制器可以使用一个或 多热敏电阻测量得到的温度来补偿坐标测量值中的热学误差。例如，额外的 热敏电阻50和/或52可以用来提供活动头部温度的一般测量值。该测量温度
然后可以与以前获得的校准数据一起用来矫正该设备获得的坐标测量值。换 句话说，可以利用4卜偿系数针对活动头部的温度变化来矫正测量坐标值。
还应该记得，图3简单地示出了 CMM控制系统的功能。具体来说，设 备控制器36的各种部件在物理上可以不处于相同接线箱中，而且可以置于 设备的不同位置。例如，探针头部本身可以包含第一和第二控制部分64和 66的某些或全部电子件。
虽然以上说明了 "活动"铰接头部，但是本发明也适用于其他类型的铰 接头部。例如，分度头也会随头部取向而承受不同的加热量，也具有取决于 周围温度的温度曲线。因此，在应用于分度铰接头部时，可以认为本发明相 对于EP690286的技术具有优势。
应该注意，虽然参照图1-3所述的示例涉及CMM，但是铰接探针头部 可以安装在任何类型的坐标定位设备上。铰接探针头部例如可以安装在机床 上。
权利要求
1. 一种用于坐标定位设备的装置，所述装置包括用于支撑测量探针的铰接探针头部，所述铰接探针头部包括至少一个电动马达，且所述装置包括用于在所述铰接探针头部内产生热量的加热器件，其特征在于，所述装置包括温度感测器件，用于确定所述铰接探针头部的温度。
2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述铰接头部包括所述温度感测器件，所述温度感测器件包括至少 一个温度传感器。
3. 如权利要求2所迷的装置，其特征在于，所述至少一个温度传感器 包括热^:电阻。
4. 如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述温度感测 器件被布置成感测所述铰接头部上的离开所述至少一个电动马达的一个或 多个点的温度。
5. 如前述权利要求中任一项所述的装置，包括温度控制器，所述温度 控制器被布置成从所述温度感测器件接收温度信号，并有选择地激活所述加 热器件，从而将所述温度感测器件感测到的温度保持在第一温度范围内。
6. 如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述温度控制器被布置成 在所述装置启动时，与随后将所述温度保持在所述第一温度范围所用的热发 生速率相比，以提高的速率产生热量。
7. 如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述加热器件 包4舌至少 一个分立的加热元件。
8. 如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述加热器件 被布置成使得供应给所述至少一个马达以产生给定扭矩的总电力可以发生 变化。
9. 如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述至少一个电动马达是 无刷电动马达，且所述加热器件被布置成控制供应给所述马达的多相电力分 量之间的相对相位。
10. 如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述加热器件被布置成控 制施加到马达绕组的所述多项电力分量产生的磁场和相对于所述马达绕组 旋转的无刷电动马达部件产生的磁场之间的相对相位角。
11. 如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述加热器'件 被布置成向所述至少一个马达供应电流，该电流的频率分量仅引起所述马达 线圈发热。
12. 如前述权利要求中任一项所述的装置，包括铰接头部，该铰接头部 至少具有第一电动马达和第二电动马达。
13. 如权利要求12所述的装置，包括铰接头部，该铰接头部还包括至 少第三电动马达。
14. 如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述铰接头部 包括所述温度感测器件，所述温度感测器件至少包括第一温度传感器和第二温度传感器。
15. 如从属于权利要求12或13时的权利要求14所述的装置，其特征 在于，所述第一温度传感器置于所述第一电动马达附近，所述第二温度传感 器置于所述第二电动马达附近。
16. 如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述第一温度传感器连 接到所述第一电动马达的壳体，而所述第二温度传感器连接到所述第二电动 马达的壳体。
17. 如权利要求15或16所述的装置，包括温度控制器，该温度控制器 被布置成从所述第一温度传感器接收第一温度信号，并有选择地加热所述第 一马达，从而将所述第一温度传感器感测到的温度保持在第一预定温度范围内。
18. 如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述温度控制器被布置 成从所述第二温度传感器接收第二温度信号，并有选择地加热所述第二马 达，从而将所述第二温度传感器感测到的温度保持在第二预定温度范围内。
19. 如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述铰接探针 头部是活动探针头部。
20. 如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，测量探针连接 到所述铰接探针头部。
21. 如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述测量探针包括非接 触式探针。
22. 如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述测量探针包括接触 式探针。
23. 如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述接触式探针包括光 学传感器。
24. 如权利要求20至23任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一 个电动马达被布置成控制所述测量探针的速度、位置和加速度中的至少一项。
25. —种包括前述权利要求任一项所述装置的坐标定位设备。
26. 如权利要求25所述的设备，包括设备控制器，所述设备控制器适 于控制所述铰接头部的所述至少一个马达。
27. 如权利要求26所述的设备，其特征在于，来自所述温度感测器件 的信号提供给所述设备控制器。
28. 如权利要求27所述的设备，其特征在于，所述温度感测器件感测 到的温度由所述设备控制器用来矫正坐标测量值，消除热膨胀影响。
29. —种用于坐标测量设备的铰接头部装置，该装置被布置成保持测量 探针，并包括至少一个马达，当测量探针连接到所述装置时，所述至少一个 马达用来控制所述测量探针的位置、速度和加速度中的至少一项，所述至少 一个马达还被布置成控制所述铰接头部装置的至少一部分的温度。
30. —种操作铰接探针头部的方法，所述铰接探针头部包括至少一个电 动马达，所述方法包括如下步骤(a)测量所述探针头部的一个或多个区域 的温度；和(b)在所述铰接头部内产生热量。
31. 如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括步骤 在所述铰接头部内产生热量，从而将步骤(a)中测量的温度保持在一温度 范围内。
32. —种在上文中基本上参照图1至3所述的装置。
33. —种在上文中基本上参照图l至3所述的方法。
全文摘要
描述了一种用于坐标测量设备的装置，该装置包括用于支撑测量探针(12)的铰接探针头部(10)。所述铰接探针头部(10)包括至少一个电动马达(40，42)。提供加热器件来在所述铰接探针头部内产生热量。所述加热器件可以是所述马达(40，42)或者分立的加热元件。还提供温度感测器件诸如一个或多个温度传感器(46，48)来确定所述铰接探针头部(10)的温度。所述装置允许控制所述铰接探针头部(10)的温度。
文档编号G01B5/00GK101384879SQ200780005906
公开日2009年3月11日 申请日期2007年2月14日 优先权日2006年2月16日
发明者凯维恩·巴里·乔纳斯, 尼古拉斯·约翰·韦斯顿, 科林·雷·布雷德, 若弗雷·麦克法兰 申请人:瑞尼斯豪公司