铰接头的制作方法

铰接头
1.本发明涉及一种铰接头，特别是用于计量设备中的铰接头。例如，本发明涉及一种分度式铰接头，该分度式铰接头被配置成将测量探头支撑在坐标定位设备上，使得测量探头可以被布置为多个不同的旋转取向。
2.如在坐标定位设备的领域中、特别是在坐标测量机(cmm)的领域中众所周知的，用于测量探头(或物体)的铰接头(或旋转台)包括可旋转/可铰接/可重新定向构件，这些构件有助于安装在其上的测量探头(或物体)关于至少一条旋转轴线重新定向。典型地，铰接头将提供两条正交的旋转轴线，但也可以提供更少或更多的旋转轴线。
3.us 5185936描述了一种具有一条旋转轴线的铰接头，并且ep 2889573、us 7213344和wo 2006/079794描述了提供两条正交的旋转轴线的铰接头。如这些文件中所描述的，还已知的是提供具有分度机构的铰接头，该分度机构使得铰接头的可相对旋转的部分能够被锁定到限定的分度位置。可以通过提供两组相互啮合的构件(在铰接头的每个可相对旋转/铰接的构件上有一组)来提供分度机构。当相互啮合的构件相接合时，它们锁定从而防止可旋转构件的相对旋转。当相互啮合的构件脱接合时，可旋转构件相对于彼此自由旋转，使得它们(以及安装在其上的测量探头)可以在重新接合之前重新定位到新的取向，以便将可旋转构件(以及安装在其上的测量探头)锁定在新的取向。然后可以在测量探头被固持在限定的、已知的旋转取向的情况下进行测量操作。
4.本技术描述了一种用于锁定和解锁分度式铰接头的多条轴线的改进的布置。
5.根据本发明的第一方面，提供了一种有助于将安装在其上的工具重新定向(关于第一旋转轴线和第二旋转轴线)的铰接头，该铰接头包括：用于将铰接头安装在定位设备上的第一构件；第二构件，该第二构件联接至第一构件，使得该第二构件关于第一轴线相对于第一构件的取向(换言之，旋转位置/构型)可以在多个预定义可分度取向(关于第一轴线的旋转位置)之间改变并被锁定在其中一个预定义可分度取向，其中可以通过沿第一轴线将第一构件和第二构件分开来解锁第一构件和第二构件，从而使得第二构件能够关于第一轴线相对于第一构件重新定向(旋转)；第三构件，该第三构件联接至第二构件，使得该第三构件关于第二轴线相对于第二构件的取向(换言之，旋转位置/构型)可以在多个预定义可分度取向(关于第二轴线的旋转位置)之间改变并被锁定在其中一个预定义可分度取向，其中可以通过沿着第二轴线将第二构件和第三构件分开解来锁第二构件和第三构件，从而使得第三构件能够相对于第二构件关于第二轴线重新定向(旋转)，其中第一轴线和第二轴线不平行；以及至少一个动力机构，用于控制第一构件和第二构件沿着第一轴线的分开以及第二构件和第三构件沿着第二轴线的分开，该至少一个动力机构被配置成使得第一构件和第二构件的分开以及第二构件和第三构件的分开可以彼此独立地被控制。
6.根据本发明，第一轴线和第二轴线的锁定/解锁可以彼此独立地(换言之，“单独地”)被控制/致动。相应地，例如，可以操作铰接头来解锁第一轴线但保持第二轴线被锁定，或者反过来。当然，这种配置并不排除第一轴线和第二轴线一起/同时解锁，但是根据本发明配置的铰接头提供了分开地/彼此独立地解锁/锁定该铰接头的不同轴线的能力(即，它们不必同时都被解锁)。除了能够减小该/每个动力机构(例如马达)上的负载(这可以提供
在热产生、电力消耗、动力机构的所需大小等方面的好处)之外，特别地，本发明减少了不必要的轴线解锁。这不仅可以减少不必要的磨损，而且解锁和重新锁定轴线的动作可能会导致重复性误差(由于构件没有重新安置在与之前完全相同的位置)，从而导致安装在铰接头上的工具的定位不准确。相应地，根据本发明的铰接头可以提供对安装在其上的工具的改进的定位控制，并且因此可以提供改进的计量。
7.该至少一个动力机构可以包括至少一个(“锁”)马达。在本发明的有利实施例中，该至少一个动力机构包括用于控制第一构件和第二构件沿着第一轴线的分开的第一(“锁”)马达、以及用于控制第二构件和第三构件沿着第二轴线的分开的第二(“锁”)马达。相应地，第一(“锁”)马达和第二(“锁”)马达可以是可独立操作的。
8.该至少一个动力机构可以容纳/安放在第二构件内。第一(“锁”)和第二(“锁”)马达可以容纳/安放在第二构件内。这可以有助于提供紧凑的铰接头构型。相应地，该至少一个动力机构(例如，第一“锁”马达和第二“锁”马达两者)可以被配置成在第二构件关于第一轴线相对于第一构件旋转时与第二构件一起旋转。
9.铰接头可以包括至少一个(“驱动”)马达，用于实现可相对重新定向的构件的重新定向/旋转，例如用于实现第一构件和第二构件的重新定向/旋转和/或用于实现第二构件和第三构件的重新定向/旋转。铰接头可以包括用于在第一构件和第二构件解锁时实现第二构件关于第一轴线相对于第一构件的重新定向/旋转的第一(“驱动”)马达、以及用于在第二构件和第三构件解锁时实现第三构件关于第二轴线相对于第二构件的重新定向/旋转的第二(“驱动”)马达。该至少一个(“驱动”)马达(例如第一(“驱动”)马达和第二(“驱动”)马达)可以安放在第二构件内。这可以有助于提供紧凑的铰接头构型。相应地，该至少一个(“驱动”)马达(例如，第一(“驱动”)马达和第二(“驱动”)马达)可以被配置成在第二构件关于第一轴线相对于第一构件旋转时与第二构件一起旋转。
10.如将理解的，术语“动力机构”用于意指构件(例如，第一构件和第二构件，或者第二构件和第三构件)的分开不是手动操作/控制的。相应地，例如，该至少一个动力机构可以包括电动、气动、动力或液压动力机构/马达。相应地，可以存在用于该动力机构的电源。用于该动力机构的电源可以位于铰接头中/由铰接头提供(例如，电源可以包括位于铰接头中的电池)，或者可以位于铰接头外部/从铰接头外部提供(例如，并且经由电线供应到铰接头)。优选地，该至少一个动力机构包括电动机构。例如，在本发明的有利实施例中，该至少一个(例如第一和第二)“锁”马达可以包括电动马达。类似地，该至少一个(例如第一和第二)驱动马达可以包括电动马达。
11.第一轴线和第二轴线可以基本上正交。
12.铰接头可以包括用于将工具可移除地安装在其上的工具安装座。铰接头可以包括两轴铰接头。相应地，第三构件可以包括所述工具安装座。在三轴铰接头的情况下，可以存在第四构件，该第四构件联接到第三构件，使得第四构件关于第三轴线相对于第三构件的取向可以在多个预定义可分度取向之间改变并锁定在其中一个预定义可分度取向。在这样的实施例中，第四构件可以包括所述工具安装座。在这样的实施例中，第一轴线、第二轴线和第三轴线可以相互正交。
13.工具安装座可以形成运动学安装座的一部分，该运动学安装座的另一部分由要安装在其上的工具提供。如将理解的，运动学安装座以下安装座：该安装座在一个部分上具有
布置成与另一部分上的元件协作以提供可高度重复定位的元件。这些元件被布置成彼此协作，以便优选地通过六个接触点或约束点在所有六个自由度(即，三个垂直线性自由度和三个垂直旋转自由度)上约束这些部分之间的相对运动。在一个特定实施例中，这些部分中的一个部分上的元件可以布置成在三个隔开的位置中的每一个处提供一对相互会聚的表面，从而提供与另一个部分上的元件的总共六个接触点。这限制了一个部分相对于另一部分的六个可能的自由度。这种运动学安装座有时被称为boys支撑件，并且在例如h.j.j.braddick的“mechanical design of laboratory apparatus[实验室设备的机械设计]”,chapman and hall,伦敦,1960年,第11页至第30页中进行了描述。下面提供了用于提供这种运动学定位/连接的示例配置的进一步细节。
[0014]
工具安装座可以包括用于磁力地保持安装在其上的工具的一个或多个磁体。
[0015]
用于安装在铰接头上的合适工具包括测量探头。合适的测量探头包括用于测量工件的尺寸的探头。合适的测量探头可以是接触式或非接触式测量探头。合适的测量探头包括触摸触发式测量探头还以及扫描或“模拟”测量探头。
[0016]
第一构件和第二构件和/或第二构件和第三构件的分度增量可以是10
°
或更小，例如5
°
或更小，例如4
°
或更小。第一构件和第二构件和/或第二构件和第三构件的分度增量可以是至少0.5
°
，例如至少1
°
。例如，第一构件和第二构件和/或第二构件和第三构件的分度增量可以是约2.5
°
。
[0017]
第一构件和第二构件可以提供可相互接合的接合元件/特征的第一对协作组，该第一对协作组可以关于第一轴线以多个不同的角度取向锁定在一起，以便提供所述预定义可分度取向。第二构件和第三构件可以提供可相互接合的接合元件/特征的第二对协作组，该第二对协作组可以关于第二轴线以多个不同的角度取向锁定在一起，以便提供所述预定义可分度取向。如将理解的，可相互接合的接合元件的一对协作组可以包括两组相互啮合的构件/特征，每个构件上有一组。例如，可相互接合的接合元件的第一对协作组可以包括在第一构件和第二构件中的一个构件上(例如第一构件上)的环形系列的特征，例如一系列球或一系列锥形齿(例如从而提供端面花键构件)。第一构件和第二构件中的另一个构件(例如，第二构件)也可以包括环形系列的特征，但可以优选的是，第一构件和第二构件中的另一个构件(例如，第二构件)的接合元件被配置成使得当处于锁定状态时，它们仅在多个离散的、环形隔开的位置处与第一构件和第二构件中的所述一个构件上(例如，第一构件上)的环形系列的特征的齿系列的子集接合。
[0018]
可相互接合的接合元件/分度机构的一对协作组可以被配置成在其间提供运动学定位/连接。
[0019]
铰接头可以包括第一支柱，该第一支柱可由该至少一个动力机构在缩回构型与伸出构型之间致动，在该缩回构型中，第一构件和第二构件处于其锁定状态，在该伸出构型中，第一构件和第二构件由第一支柱沿着第一轴线固持分开，使得第一构件和第二构件解锁。第二构件可以包括/安放第一支柱。第一支柱可以在处于其伸出构型时联接到第一构件(例如，经由如下面更详细地描述的对应接合特征)，并且在处于其缩回构型时与第一构件解联接。
[0020]
铰接头可以包括第二支柱，该第二支柱可由该至少一个动力机构在缩回构型与伸出构型之间致动，在该缩回构型中，第二构件和第三构件处于其锁定状态，在该伸出构型
中，第二构件和第三构件由第二支柱沿着第二轴线固持分开，使得第二构件和第三构件解锁。第二构件可以包括/安放第二支柱。第二支柱可以在处于其伸出构型时联接到第三构件(例如，经由如下面更详细地描述的对应接合特征)，并且在处于其缩回构型时与第三构件解联接。
[0021]
第一支柱可以在其伸出构型与缩回构型之间被可由该至少一个动力机构致动的第一杠杆轴向驱动。第二构件可以包括/安放第一杠杆。第二支柱可以在其伸出构型与缩回构型之间被可由该至少一个动力机构致动的第二杠杆轴向驱动。第二构件可以包括/安放第二杠杆。
[0022]
第一杠杆可以朝向其第一端可枢转地安装至锚固至第二构件的第一挠曲件，并且朝向其第二端附接到该至少一个动力机构，该至少一个动力机构被配置成升高和降低第一杠杆的第二端。第一杠杆可以在其第一端和第二端之间的点处附接到第一支柱。第二杠杆可以朝向其第一端可枢转地安装至锚固至第二构件的第二挠曲件，并且朝向其第二端附接到该至少一个动力机构，该至少一个动力机构被配置成升高和降低第一杠杆的第二端。第二杠杆可以在其第一端和第二端之间的点处附接到第二支柱。
[0023]
第一构件和第二构件可以被朝向彼此磁力地偏置，以便将第一构件和第二构件保持在一起。第二构件和第三构件可以被朝向彼此磁力地偏置，以便将第二构件和第三构件保持在一起。
[0024]
第一支柱和第一构件可以被朝向彼此磁力地偏置，以便至少当第一构件和第二构件处于解锁构型时至少辅助保持第一构件和第二构件。第二支柱和第三构件可以被朝向彼此磁力地偏置，以便至少当第二构件和第三构件处于解锁构型时至少辅助保持第二构件和第三构件。
[0025]
铰接头可以进一步包括被配置成将第一支柱朝向其缩回构型偏置的至少一个补充偏置构件。铰接头可以进一步包括被配置成将第二支柱朝向其缩回构型偏置的至少一个补充偏置构件。铰接头可以进一步包括被配置成将第一支柱朝向其缩回构型偏置的至少一个第一补充偏置构件。铰接头可以进一步包括被配置成将第二支柱朝向其缩回构型偏置的至少一个第二补充偏置构件。该至少一个(第一和/或第二)补充偏置构件可以包括磁性材料，例如磁体。第一支柱、第一构件和第二构件可以包括布置成提供以下项的磁性材料：i)作用在第一支柱上、将第一支柱朝向其伸出构型推动的磁力；以及ii)作用在第一支柱上、将第一支柱朝向其缩回构型推动的磁力。第二支柱、第二构件和第三构件可以包括布置成提供以下项的磁性材料：i)作用在第二支柱上、将第二支柱朝向其伸出构型推动的磁力；以及ii)作用在第二支柱上、将第二支柱朝向其缩回构型推动的磁力。
[0026]
该定位设备可以包括坐标定位设备，例如坐标测量机(cmm)。坐标定位设备(例如cmm)可以是笛卡尔坐标定位设备，即，包括串联布置的两个或三个可线性移动的构件，每一个构件都可沿着与其他构件正交的线性轴线移动，以便为安装在其上的铰接头提供在两个或三个相互正交的维度(例如x、y和z)上的移动。相应地，该定位设备可以被配置成有助于将铰接头在至少两个、例如三个正交的线性自由度上重新定位。铰接头可以经由一个或多个可释放紧固件(比如一个或多个螺栓)可移除地安装到定位设备(例如，到cmm的z柱或套管轴)。典型的笛卡尔坐标定位设备包括桥式、门式、悬臂式、水平臂式和龙门式机器。
[0027]
根据本发明的另一方面，提供了一种包括安装在其上的如上所述的铰接头的设
备、特别是定位设备。相应地，铰接头的第一构件可以安装在定位设备上，例如经由一个或多个可释放的紧固件。该设备可以包括至少一个电子控制器，该至少一个电子控制器被配置成控制/操作该至少一个动力机构(以便由此控制铰接头的第一构件和第二构件和/或第二构件和第三构件的分开)。可选地，相同的或另一个控制器可以被配置或设置成控制/操作至少一个驱动马达，以用于控制第一构件和第二构件和/或第二构件和第三构件在解锁时的相对取向。
[0028]
根据本发明的另一方面，提供了一种操作被安装在定位设备上的如上所述的铰接头的方法，该方法包括：i)操作该至少一个动力机构以使第一构件和第二构件解锁、同时保持第二构件和第三构件锁定，使第一构件和第二构件关于第一轴线相对旋转到新的旋转位置，然后操作该至少一个动力机构以使第一构件和第二构件锁定在该新的旋转位置处；或者ii)操作该至少一个动力机构以使第二构件和第三构件解锁、同时保持第一构件和第二构件锁定，使第二构件和第三构件关于第二轴线相对旋转到新的旋转位置，然后操作该至少一个动力机构以使第二构件和第三构件锁定在该新的旋转位置处。
[0029]
现在将参考以下附图仅通过举例来描述本发明的实施例，在附图中：
[0030]
图1展示了安装在坐标测量机(cmm)上的根据本发明的分度头；
[0031]
图2单独展示了图1的分度头；
[0032]
图3展示了图1的分度头处于其锁定构型时的截面图；
[0033]
图4展示了图1的分度头处于其解锁构型时的截面图；
[0034]
图5a展示了图1的分度头的分度机构；
[0035]
图5b单独展示了图5a的分度机构的一个部分；
[0036]
图6是图5a所示的分度机构的详细视图；
[0037]
图7a、图7b和图7c展示了图5b所示的分度机构的该部分的单一齿；
[0038]
图8是图1的分度头的分度机构和解锁机构的不同部分的分解图。
[0039]
图9和图10a示出了图1的分度头的分度机构和解锁机构的不同部分的剖视图；
[0040]
图10b示出了图1的分度头的分度机构的铰接部分之一的底侧；
[0041]
图11a至图11d示出了图1的分度头的分度机构和解锁机构的不同部分在解锁操作和锁定操作期间的不同阶段的示意性截面图；
[0042]
图12至图15示出了根据替代性实施例的分度机构和解锁机构的、特别是带有不同磁体布置的不同部分的示意性截面图；
[0043]
图16是展示用于图3、图4和图11的三个环磁体的实施例的支柱力和固持力的曲线图；
[0044]
图17是展示用于图12的两个环磁体的实施例的支柱力和固持力的曲线图；
[0045]
图18是展示用于两个盘磁体的实施例的支柱力和起动扭矩的曲线图；以及
[0046]
图19是在z-x平面中截取的铰接头100的截面图，其中第一轴线“d”和第二轴线“e”均处于解锁构型。
[0047]
参考图1，示出了安装在定位设备200上的根据本发明的铰接头100。
[0048]
定位设备200包括移动结构，在这种情况下呈坐标测量机(“cmm”)的形式。cmm 200包括支撑着框架204的基座202，该框架进而固持了托架206，该托架进而固持了套管轴208(或“z柱”)。提供了马达(未示出)来使套管轴208沿着三条相互正交的轴线x、y和z移动(例
如，通过使框架沿着y轴移动、使托架206沿着x轴移动、并且使得套管轴208沿着z轴移动)。
[0049]
套管轴208固持铰接头100，该铰接头进而固持探头300。在该实施例中，铰接头100有助于将安装在其上的探头300关于第一旋转轴线d和第二旋转轴线e重新定位，如下面更详细地解释的。
[0050]
由铰接头100提供的两条旋转轴线(d，e)与cmm 200的三条线性平移轴线(x、y、z)的组合允许探头300在五个自由度上移动/定位(两个旋转自由度以及三个线性自由度)。
[0051]
虽然未示出，但可以提供测量编码器，以用于测量基座202、框架204、托架206、套管轴208与铰接头100的部分的相对位置，从而可以确定测量探头300相对于位于基座202上的工件的位置。
[0052]
提供了控制器220以用于控制cmm 200的操作，比如控制探头300在cmm体积内的位置和取向(手动地，例如经由输入装置、比如操纵杆216；或自动地，例如在检查程序的控制下)并且从cmm 200接收信息(例如，测量信息)。可以提供显示装置218，以用于帮助用户与控制器220交互。控制器220可以是例如专用电子控制系统和/或可以包括个人计算机。
[0053]
在所示的实施例中，探头300是包括探头本体302和触针304的接触探头。触针304具有用于接触要检查的工件的球形端头306，并且在该实施例中，触针304相对于探头本体302是可偏转的。接触探头300可以是通常被称为接触触发探头的探头，或者可以是扫描(或模拟)探头。如将理解的，包括非接触式探头在内的其他类型探头也可以安装在铰接头100上。
[0054]
在当前实施例中，铰接头100包括探头安装座108，以有助于在其上更换不同探头。特别地，这可以是有助于在cmm的操作体积内将探头到机架或从机架自动更换的安装座。例如，探头安装座108和探头本体302可以包括用于将探头保持在安装座上的磁体。
[0055]
铰接头100可以包括内置传感器元部件，以用于检测安装在其上的接触探头的触针304的偏转。然而，在本实施例中，所有这样的传感器元部件都设置在探头300本身的本体302内。探头300被配置成将触针偏转信号发送到控制器220。正如常见的，这可以通过探头300与探头安装座108之间的接触信号接口来完成，其中此类信号然后经由铰接头100和cmm 200的布线被中继到控制器220。这样的接口还可以用于向探头300供电。相应地，如将理解的，铰接头100本身将具有与套管轴208的信号接口(例如，铰接头和套管轴上的一个或多个对应的电触点)，该信号接口可以用于中继探头信号以及接收电力和马达控制指令，以便控制铰接头100(例如，以便控制下面更详细描述的电动锁马达190、190'和驱动马达192、192'的操作)。相应地，虽然为了简化说明而未示出，但如将理解的，在所描述的实施例中，cmm 200和铰接头100将包括用于来自铰接头100的信号(例如，探头信号、位置信息、错误消息等)和/或用于向铰接头100提供电力和指令(例如，以用于控制铰接头的马达从而控制可相对旋转的构件的旋转位置)的电线。如将理解的，在其他实施例中，铰接头可以包括一个或多个其自身的电源(例如，一个或多个电池)，以用于为铰接头供电。还将理解，在其他实施例中，铰接头可以与控制器220无线通信。
[0056]
现在参考图2至图19，现在将更详细地描述铰接头100。
[0057]
如图2所示，铰接头100包括第一构件102或“安装板”、可关于第一旋转轴线“d”相对于第一构件102铰接/旋转的第二构件104、以及可关于第二旋转轴线“e”相对于第二构件104铰接/旋转的第三构件，该第三构件在此该施例中呈探头臂106的形式。第二旋转轴线“e”与第一旋转轴线“d”正交。在所描述的实施例中，第一旋转轴线“d”被布置成平行于cmm的z轴，但是不一定必须是这种情况。
[0058]
第一构件/安装板102包括孔103，螺栓可以穿过这些孔，以便将铰接头100紧固至cmm 200的套管轴208。探头臂106包括探头安装座108，探头(比如接触探头300)可以可互换地安装在该探头安装座上。
[0059]
在替代性实施例中，探头臂106及其探头安装座108本身可以是可互换构件。例如，探头臂106可以设置为探头的一部分，而不是作为铰接头100的一部分，使得其可以(例如自动地)与探头一起互换。在这种情况下，铰接头100的第三构件可以包括用于探头/探头臂106的安装座构件106'，安装座构件106'可关于第二旋转轴线“e”相对于第二构件104铰接/旋转。安装座构件106'和探头臂106可以设置有相协作的安装特征，以使探头臂106能够可拆卸地安装到安装座构件106'。例如，此类相协作的安装特征可以包括限定运动学安装的特征150(参见图19)。可以提供一个或多个磁体来将探头臂106保持在安装座构件106'上。
[0060]
图3和图4示出了在z-y平面中截取的铰接头100的截面图，并且图19示出了在z-x平面中截取的铰接头100的截面图。图3和图4基本上相同并且是同一铰接头的共同视图，但是在图3中示出了第一构件/安装板102和第二本体105处于其锁定状态时的铰接头100，而在图4中示出了第一构件/安装板102和第二本体105处于其解锁状态时的铰接头100。图4中省略了许多附图标记以帮助观察铰接头100的各种特征。
[0061]
现在将解释第一轴线“d”和第二轴线“e”(即，第一构件/安装板102和第二构件104)的锁定/解锁、旋转和分度机构。在该实施例中，第二轴线“e”(即，第二构件104和第三构件106/106')的锁定/解锁和分度机构基本上相同(但是布置成垂直于第一轴线“d”的锁定/解锁和分度机构)。相应地，在该实施例中，第一轴线“d”和第二轴线“e”的锁定/解锁、旋转和分度机构具有基本相同的部分。为了简洁和清楚起见，下面的描述主要集中于第一轴线“d”，但是如将理解的，第一轴线“d”的大部分描述也适用于第二轴线“e”，并且第二轴线“e”中与第一轴线“d”相同的部分在附图中用与第一轴线“d”相同但后缀带有撇号'符号的附图标记来标记。根据本发明，第一轴线“d”和第二轴线“e”的锁定/解锁可以彼此独立地被控制/致动。换言之，铰接头可以被操作来解锁第一轴线“d”但保持第二轴线“e”锁定，或者反过来。当然，如果需要，仍然可以控制铰接头以一起/同时解锁第一轴线“d”和第二轴线“e”。
[0062]
第一轴线“d”的分度机构包括设置在第一构件/安装板102和第二构件104上的可相互接合的接合元件的布置。特别地，提供了具有一系列连续锥形齿112的第一环形构件110(例如，详细视图请参见图5a和图6)。齿112基本上径向延伸，因为齿的范围主要沿着径向方向(相对于第一环形构件的半径；也相对于第一轴线“d”)延伸。相应地，在该实施例中，第一环形构件110呈“端面花键构件”的形式，并且之后将这样命名(特别注意，在所描述的实施例中，端面花键构件具有端面齿接头构件的构型)。端面花键构件110的齿是径向长形的并且具有大致锥形的截面轮廓(垂直于其长度截取)。在该实施例中，齿112的每个侧面111基本上是平的/平面的，尽管不一定必须是这种情况(例如它们可以是弯曲的或者是冠状的，如下面描述的冠状齿118)。
[0063]
分度机构/可相互接合的接合元件进一步包括第二环形构件114，该第二环形构件具有被配置成与端面花键构件110的齿112相互啮合的特征。第二环形构件114具有被配置
5185936中所描述的。在另一替代性实施例中，分度机构/可相互接合的接合元件可以包括端面齿接头(即，两个部分均包括端面齿接头/端面花键构件)。
[0068]
现在将描述用于锁定和解锁第一轴线“d”的分度机构的机构。总之，在所描述的特定实施例中，锁定/解锁机构仅依靠磁体来提供第一环形构件/端面花键构件110与具有冠状齿118的第二环形构件114之间的保持力，并且使用马达驱动的致动器来推动第一构件/安装板102和第二构件104彼此远离，以便将第一环形构件/端面花键构件110和具有冠状齿118的第二环形构件114分开。下面即将更详细地描述该机构。
[0069]
在所描述的实施例中，锁定/解锁机构包括一组三个堆叠磁体。特别地，第一环磁体140设置在第二构件104的壳体105的顶面115上，第二环磁体142设置在支柱130的接触板134上(下面更详细地描述)，并且第三磁体144设置在第一构件/安装板102上。第一环磁体140、第二环磁体142和第三环磁体144的形状和大小相同，堆叠成彼此同轴，并且布置成使得第一环磁体140和第三环磁体144两者吸引夹在它们之间的第二磁体142。环磁体的磁极轴向布置(即，使得两个磁极位于环的平坦表面的顶部和底部上)。特别地，环磁体被配置成使得第一磁体140的北极面对第二磁体142的南极，并且使得第二磁体142的北极面对第三磁体144的南极。如下文更详细地解释的，当处于锁定和解锁位置时，第二构件104仅通过磁吸引力被保持，并且特别地仅通过第三磁体144、第二磁体142和第一磁体140之间的磁吸引力被保持。
[0070]
锁定/解锁机构包括支柱130，该支柱包括轴132和“头部”或“接触板”134。支柱130的轴132被支撑在由第二构件104的壳体105的顶面115构件提供的线性圆柱形轴承壳体107内。轴承(在这种情况下为滚珠轴承109的阵列)设置在轴132和圆柱形轴承壳体107之间，以便有助于轴132与圆柱形轴承壳体107之间的相对线性运动和旋转运动(即，沿着以及关于第一轴线“d”)。接触板134包括夹在第一构件/安装板102的本体与第二构件104的本体之间的径向延伸面。
[0071]
提供了马达驱动的杠杆170以实现轴132沿着第一轴线“d”的所述线性移动/轴向移动。杠杆170朝向其第一端可枢转地安装至挠曲件178，该挠曲件经由安装块179锚固至第二构件的壳体105(在该实施例中锚固至顶板115)。杠杆170朝向其第二端附接到导螺杆机构172，该导螺杆机构被配置成升高和降低杠杆170的第二端。杠杆在其第一端和第二端之间的点处经由线轴146附接至轴132的远离接触板134的端部(这有助于轴132和杠杆170的相对旋转)。电动锁马达190被配置成驱动导螺杆机构172。具体地，锁马达190被配置成驱动第一齿轮171，该第一齿轮被配置成接合并转动第二驱动齿轮173，该第二驱动齿轮转动导螺杆174。当导螺杆174转动时，其引起螺母176(其经由销175附接到杠杆170)沿着导螺杆174轴向行进。导螺杆174还经由安装支架177和轴承179锚固至第二构件的壳体105(在该实施例中锚固至圆柱形轴承壳体107)，使得该导螺杆可以关于其旋转轴线旋转，但使得该导螺杆在z维度上相对于第二构件的壳体105固定(如图3和图4所示)。
[0072]
可能有利的是，用于支柱130的驱动机构抵抗反向驱动(换言之，其不容易被手动反向驱动)，尤其是如果不采用下面描述的三磁体设计的话。这是因为，如果支柱130上的净外力足够低，则不容易被手动反向驱动的驱动机构将倾向于保持其位置，即使当马达/电源未启动时也是如此。这可以避免需要伺服驱动机构/马达来保持固定位置，并且因此可以减少铰接头的功耗。相应地，这可以减少由驱动机构/马达产生的热量，这进而可以通过减少
热变形来改进铰接头的计量性能。具有高齿轮节距的导螺杆机构是不容易被反向驱动的驱动机构的一个示例。
[0073]
如下面更详细地解释，提供了具有齿轮布置(未示出)的电动驱动马达192，该齿轮布置被配置成接合设置在轴132上的驱动齿轮148并朝向轴的远离接触板134的端部驱动该驱动齿轮，并且可以被操作来使第一构件104的壳体105(以及锚固到其的所有东西)关于第一轴线“d”绕轴132旋转/自旋。提供了第一(或“主”)旋转编码器装置135(例如磁性绝对旋转编码器装置)以测量/监测第一构件104的壳体105和轴132关于第一轴线“d”的相对角度位置。
[0074]
支柱的接触板134和第一构件/安装板102具有对应的接合元件。特别地，对应的接合元件包括被配置成这样的特征：这些特征在接合时在支柱的接触板134与第一构件/安装板102之间提供可重复的、特别是运动学的联接。在所描述的实施例中，支柱的接触板134包括彼此间隔120
°
定位的三个接合球152，并且第一构件/安装板102具有三对接合球154，这些对彼此间隔120
°
定位(参见图10b)。第一构件/安装板102上的每对接合球154限定了用于接纳位于接触板134上的接合球152之一的通道或凹槽。
[0075]
还如图3和图4所示，提供了第二旋转编码器装置，该第二旋转编码器装置包括设置在第一构件/安装板102的底侧上的环形标尺162以及设置在第二构件104的壳体105的顶面115上的第一读取头160和第二读取头(未示出)(尽管如将理解的，它们可以以相反的方式设置)。在所描述的实施例中，第一读取头160和第二读取头(未示出)彼此环形地间隔开90
°
。在所描述的实施例中，第二旋转编码器装置是增量式光学旋转编码器装置。在所描述的特定实施例中，第二编码器装置是高分辨率编码器，该高分辨率编码器使得能够在10nm(纳米)内建立第一构件/安装板102和第二构件104的本体105的相对位置。本文件稍后将更详细地描述其目的。
[0076]
现在将描述第一构件/安装板102和第二构件104的解锁/重新定向/锁定过程。图3示出了处于锁定状态的第一构件/安装板102和第二构件104。在锁定状态下，安装在探头安装座108上的探头300可以被固持在稳定且明确的角度位置，使得其可以在测量操作中用于检查制品。然而，可能期望对安装在探头安装座108上的探头进行重新定向，例如出于触及的原因。为此，将需要将第一构件/安装板102和第二构件104解锁，使它们进行相对的重新定向，然后将它们在新的取向下锁定在一起。
[0077]
解锁第一构件/安装板102和第二构件104涉及将支柱130沿着第一轴线“d”朝向第一构件/安装板102轴向地驱动。在所描述的实施例中，这是如下实现的：控制器220向铰接头100发送指令，以操作锁马达190来驱动导螺杆174以便在z维度上向上驱动导螺杆螺母176(在图3和图4所示的取向上)。进而，杠杆170(其连接至导螺杆螺母176并因此被其致动)在z维度上向上推动支柱的轴132(在图3和图4所示的取向上)。在短距离之后，支柱130的接触板134上的接合球152将接触并接合第一构件/安装板102上的成对接合球154，此后继续驱动导螺杆174将引起杠杆170和导螺杆机构172轴向向下推动壳体105(经由导螺杆174被锚固至的圆柱形轴承壳体107)，从而引起第二构件104的壳体105与第一构件/安装板102分开。操作导螺杆174以将第二构件104和第一构件/安装板102分开受控的预定义量，该量足以使得冠状齿118脱离齿112，但如下面更详细地解释的，该量不是太大，因为期望第一磁体140仍旧足够靠近第二磁体，以便即使在解锁状态下也对第二磁体142具有合理量的拉力。
图4展示了处于这种解锁状态的分度头100。根据本发明，第一轴线“d”的锁马达190可以独立于第二轴线“e”的电动锁马达190'来操作，使得第二轴线“e”可以保持锁定，同时第一轴线“d”被解锁。
[0078]
一旦已经达到解锁状态，驱动该导螺杆机构172的锁马达190就停止，并且与轴132的驱动齿轮148接合的第一轴线“d”驱动马达192运行，以实现铰接头100的第二构件105的旋转位置的改变。如上所述，在解锁状态下，支柱130经由接合球152、154与第一构件/安装板102接合，并且因此相对于其在旋转意义上被固定(在解锁状态下)。相应地，当与轴132的驱动齿轮148接合的驱动马达192运行时，其引起第二构件104的整个壳体105、107、115(以及锚固至其的所有部件，包括上述马达)绕轴132被驱动，并且因此引起第二构件104的整个壳体105、107、115(以及锚固至其的所有部件)关于第一轴线“d”旋转。
[0079]
从第一(“主”)编码器设备135已知i)第二构件104的壳体105、107、115以及ii)轴132(因此以及第一构件/安装板102)的相对旋转位置。相应地，控制器220可以使用来自第一编码器设备135的输出来控制与轴的驱动齿轮148接合的马达(未示出)，从而将第一构件/安装板102和第二构件104带到期望的相对取向。如将理解的，需要以足够高的精确度来控制旋转位置，使得当处于新的期望相对取向时，第二环形构件114上的冠状齿118与第一环形构件/端面花键构件110上的齿112的谷相对，使得当它们锁定在一起时，冠状齿118完美位于第一环形构件/端面花键构件110的两个齿112之间。
[0080]
现在将描述锁定第一构件/安装板102和第二构件104的过程。在所描述的实施例中，这是如下实现的：操作该锁马达190以驱动导螺杆174以便向下驱动导螺杆螺母176(在图3和图4所示的取向上)。这将引起第二构件104的壳体105被朝向第一构件/安装板102上拉，直到第二环形构件114上的冠状齿118接合端面花键构件110的齿112，此后继续操作该锁马达190将引起支柱130背离第一构件/安装板102缩回，从而使设置在接触板134和第一构件/安装板102上的接合球152、154脱接合。相应地，在接合球152、154的脱接合点处，第一构件/安装板102和第二构件104经由在三个冠状齿118与第一环形构件/端面花键构件110的齿112之间的六个接触点提供的运动学约束被固持。
[0081]
将参考图11a至图11d描述第一磁体140、第二磁体142和第三磁体144彼此相互作用的方式，这些图示意性地展示了支柱的轴132和接触板134、第二构件的顶板115、第一构件/安装板102、第二环形构件114(作为三个冠状齿118)、第一环形构件/端面花键构件110(其具有连续系列的齿112)、以及第一环磁体140、第二环磁体142和第三环磁体144。图11a展示了处于锁定位置的第一构件/安装板102和第二构件104；即，此时第一环形构件/端面花键构件110上的齿112与第二环形构件114上的齿118完全接合。图11b展示了处于锁定位置的第一构件/安装板102和第二构件104，但是此时支柱130已经被致动至以下点：接触板134上的接合球152已经接合第一构件/安装板102上的接合球154并且即将开始将第一环形构件/端面花键构件110上的齿112与第二环形构件114上的齿118分开。图11c展示了第一构件/安装板102和第二构件104，其中它们已经开始分开，但尚未达到其完全解锁构型。图11d展示了处于解锁位置的第一构件/安装板102和第二构件104，此时第一环形构件/端面花键构件110上的齿112和第二环形构件114上的齿118完全彼此脱离，使得第一构件/安装板102和第二构件104的壳体105关于第一轴线“d”相对于彼此可自由旋转。
[0082]
在图11a所示的配置中，第三磁体144被吸引至第二磁体142和第三磁体144两者，
因此从而将第一构件/安装板102拉向支柱130和第二构件104的壳体105。在所描述的实施例中，该设备被配置成使得当处于锁定位置时第一构件/安装板102和第二构件104之间存在大约120n的总锁定力(这结合适当的头部尺寸、特别是分度机构和环磁体的直径和位置，提供2nm的起动扭矩)。如将理解的，起动扭矩是在第一本体和第二本体开始彼此剥离之前可以施加的力矩。这一点可能重要，因为铰接头常常受到偏心加载。如还将理解的，起动扭矩取决于除保持力/固持力/锁定力之外的因素，比如端面花键构件110的直径或这一圈接合球152、154的直径。
[0083]
为了转变到解锁状态，支柱130需要朝向第一构件/安装板102移动。虽然看起来第一磁体140的存在将至少在最初增加锁马达190这样做所需的功(与不存在第一磁体的情况相比)，但应当注意的是，该设备被配置成使得在图11a所示的锁定状态下，支柱的接触板134被固持在预定位置，这将第二磁体142置于第一磁体140和第三磁体144之间。这确保了第一磁体140对第二磁体142的拉力显著小于它们彼此接触时的拉力。而且，第三磁体144对第二磁体142具有一定程度的磁拉力。相应地，与第一磁体140和第二磁体142接触时相比，将第二磁体(以及因此接触板134)背离第一磁体140移动所需的功/功率显著较小。
[0084]
特别地，在所描述和示出的实施例中，支柱的接触板134被固持在预定位置，这将第二磁体142置于第一磁体140和第三磁体144之间的大致中间，但是使得第二磁体142比起第三磁体144稍微更靠近第一磁体140。这意味着由第一磁体140和第三磁体144施加在第二磁体上的磁力几乎(但不完全)平衡。相应地，锁马达190需要非常小的功/功率来将支柱130朝向第一构件/安装板102移动。实际上，一旦第二磁体142已经到达第一磁体140与第三磁体144之间的中间点，第三磁体144对第二磁体142的磁拉力将大于第一磁体140的磁拉力。随着接触板134朝向第一构件/安装板102前进，第三磁体144对第二磁体142的磁拉力逐渐增加。
[0085]
当支柱130已经移动至图11b所示的配置时，接着锁马达190必须将第二构件104的本体105/115上的齿118背离第一构件/安装板102上的齿112拉动。虽然此时存在足够大的固持/保持力(至少160n)将第二构件104保持在第一构件/安装板102上(经由接合球152、154)，但锁马达190需要施加比该固持力/保持力小的力，因为现在仅需要施加足够的力(在该实施例中为约95n)来克服第一磁体140拉动第二磁体142和第三磁体144的吸引力。
[0086]
锁马达190继续驱动支柱130，直到第二构件104的壳体105已经移动离开了第一构件/安装板102这样的量：该量足以使第一环形构件110的齿112脱离第二环形构件114上的齿118，如图11d所示。此时，将支柱130和第二构件104的壳体105固持到第一构件/安装板102上的保持力为大约160n。通过控制第一磁体140、第二磁体142和第三磁体144之间的间隙，与图11a相比，在图11d所示的构型实现了更高的保持力。特别地，尽管在图11d的解锁状态下第一磁体140和第二磁体142之间存在相对大的间隙，但第二磁体142和第三磁体144之间存在相对小的间隙(与处于图11a的锁定状态时第一磁体140和第二磁体142之间的间隙相比)，从而实现更高的总保持力。在解锁位置期望较高的总保持力，因为接合球152、154的圈的直径s小于第一环形构件110和第二环形构件114的直径s'，这意味着它们需要更高的拉动力/保持力来确保约2nm(牛顿米)的相同或相似的起动扭矩。
[0087]
当处于图11d所示的解锁状态时，第一构件102和第二构件104可以关于d轴线相对旋转到新的相对旋转位置/取向。如上所述，这涉及驱动该接合了轴的驱动齿轮148的驱动
马达192(未示出)，以使第二构件104的本体105绕轴132旋转。第一编码器设备135的输出被用于测量/监测第二构件104的本体105和轴132(以及因此第一构件/接触板102，该第一构件/接触板关于d的旋转取向是固定的)的相对位置。当第一编码器设备135的输出指示第二构件104的本体105现在处于期望的分度位置时，驱动马达192停止，并且第一构件102和第二构件104被锁定在一起，如下所述。
[0088]
为了将第一构件102和第二构件104锁定在其新的旋转位置/取向，运行锁马达190以驱动导螺杆机构172，以便驱动导螺杆螺母176沿着导螺杆174向下。
[0089]
这最初会引起第二构件104的壳体105被朝向第一构件/安装板102上拉。如将理解的，锁马达190需要非常小的功率，因为第二构件104的壳体105已经被第一磁体140、第二磁体142和第三磁体144朝向第一构件/安装板102拉动。这继续进行到第一环形构件110的齿112接合第二环形构件114的齿118(图11b所示)，此时锁马达190和导螺杆机构172必须开始抵抗磁力推动以将支柱的接触板134与第一构件/安装板102分开。然而，此时，第一磁体140离第二磁体142近得多，因此第一磁体对第二磁体施加相对大的力。实际上，此时在图11b所示的状态下第二磁体142上的净力仅为95n。相应地，锁马达190和导螺杆机构172由磁体辅助并且可以容易得多地拉动第二磁体142(并且因此支柱130)远离第三磁体144(并且因此远离第一构件/安装板102)，直到接触板134到达图11a所示的预定轴向位置/z位置。
[0090]
从第一旋转编码器135的输出已知第一构件/安装板102和第二构件104处于什么样的分度旋转位置。检查第一构件/安装板102和第二构件104已经正确锁定在一起也可能是有用的。这可以以各种方式实现，例如通过使用可以检查第一构件/安装板102和第二本体105的相对面之间的间隔的一个或多个传感器，并且如果该间隔大于固定阈值量(其对于所有分度位置都是相同的)，则可以采取矫正措施(例如，可以报告错误/警告和/或采取措施以试着纠正问题，比如通过尝试解锁操作/重新锁定操作，例如从不同的位置/方向，和/或要求重新校准)。
[0091]
在所描述的本实施例中，提供了被配置成测量处于其锁定状态的第一本体和第二本体的相对空间构型并提供关于此相对空间构型的信息的传感器(在下文中标记为“验证”传感器，因为是用于检查/验证第一构件/安装板102和第二本体105已经正确锁定在一起)。将验证传感器的输出与它们被锁定在的特定分度位置所关联的预定信息进行比较。如果验证传感器的输出与该预定信息的差异超过预定量，则可以采取这样的矫正措施。
[0092]
在所描述的特定实施例中，验证传感器是上述第二旋转编码器装置。相应地，第二旋转编码器装置的第一读取头160和第二读取头(未示出)的输出被用于确保第一构件/安装板102和第二构件104已经正确锁定在一起。特别地，当锁定时，第一读取头160和第二读取头(未示出)的输出被传递到读取头内的电子器件400，该电子器件例如包括处理装置402(例如cpu(中央处理器单元)、fpga(现场可编程门阵列)或asic(专用集成电路)等)和存储器404。处理装置402将从第一读取头160和第二读取头(未示出)接收的值与存储在位于存储器404中的查找表中的值进行比较。特别地，处理装置402比较第一读取头160和第二读取头(未示出)的输出以确定它们的输出是否与存储在与特定分度位置相关联的查找表的元素中的那些值基本相同。如果第一读取头160或第二读取头(未示出)中的任一者或两者的输出与查找表中存储的值显著不同(例如，差异大于100nm)，则这可能指示出现了问题，例如：第一构件/安装板102和第二本体105没有正确锁定在一起；齿112/118已经撞坏；齿112/
118之间有碎屑；齿/118之间存在过度磨损等。相应地，设备(例如控制器)然后可以在这种情况下采取矫正措施。这种矫正措施可以包括：使第一构件/安装板102和第二本体105再次解锁并重新锁定；向操作员和/或其他过程输出警告信号；停止当前操作等。
[0093]
如上所述，第二旋转编码器装置是增量式编码器装置。因此，第一读取头160和第二读取头(未示出)的输出不包括任何绝对位置信息。相应地，处理器402不是比较绝对位置信息，而是比较相对(位置)数据/信息。特别地，例如，如位置测量编码器领域的技术人员将理解的，增量式位置编码器的标尺典型地包括以特定间距或“周期”(其在所描述的实施例中是20μm，但是如将理解的，可以使用具有其他周期的标尺)布置的规则间隔开的特征的阵列。读取头可以读取这些特征(例如光学地、磁力地、感应地，具体取决于所使用的技术)，并且读取头或其输出通常用于“计算”读取头和标尺在相对于彼此移动时的相对位置。还众所周知的是，可以对由读取头接收和/或由读取头输出的信号进行插值，来以比标尺的实际周期精细得多的分辨率来提供对读取头和标尺的相对位置的测量结果。这种插值读数通常称为“相位”读数。例如，典型地，由标尺信号生成正交(例如，sin和cos)信号和/或由读取头输出。可以对此类正交(例如，sin和cos)信号进行插值以提供此类“相位”读数。在所描述的实施例中，处理器402使用的是插值或“相位”读数并将其与存储在与特定值相关联的查找表的元素中的预存“相位”读数进行比较。
[0094]
相应地，当第一104构件/安装板102和第二本体105随着分度位置改变而相对于彼此移动时，第一读取头160或第二读取头(未示出)不必读取标尺162(但如果配置允许的话，可以这样做)。更确切地说，当锁定操作已经完成时，第一读取头160和第二读取头(未示出)可以获取并输出单一读数，并且这些读数的插值或“相位”值可以与存储在与特定值相关联的查找表的元素中的预存“相位”读数进行比较。如果相位读数之一或二者相差超过预定量(例如，按照上述示例为100nm)，则可以如上所述采取矫正措施。
[0095]
相应地，查找表中的数据元素可以说是每个校准分度位置的“相位识别标志(phase-signature)”，并且如果第一读取头160和第二读取头(未示出)的相位读数的值与针对给定分度位置的查找表中相位识别标志足够不同，则可以采取矫正措施。
[0096]
在使用铰接头100进行测量操作之前，填充查找表(例如可以在校准程序期间填充)。这可以包括以下步骤：将第一104构件/安装板102和第二本体105相对于彼此锁定在给定分度位置，以及将第一读取头160和第二读取头(未示出)的相位读数记录/存储在与给定分度位置关联的元素/数据单元中。然后，对于铰接头的分度位置中的每一个(或者至少对于要使用该头并且期望进行这种验证的分度位置)重复这个步骤。
[0097]
可选地，查找表可以随时间更新，以允许随时间的小程度漂移。这可以连续发生或定期发生。这可以作为专用校准过程的一部分来完成，或者可以在测量操作期间完成。例如，每次第一构件/安装板102和第二本体105在任何给定分度位置处成功地锁定在一起(例如，它们通过上述100nm测试)，由第一读取头160和第二读取头(未示出)输出的相位读数可以取代先前的值被存储在查找表中。
[0098]
如将理解的，如果需要，可以用描述查找表中的值的函数来代替查找表。然而，查找表可以是优选的，因为它易于生成并且因为容易保持其为最新版。
[0099]
如将理解的，除了两个读取头之外，还可以使用单一读取头，或者可以使用不止两个读取头。多个读取头不必绕标尺162彼此隔开90
°
放置。然而，已经发现，提供彼此不完全
相对(即不成180
°
)的多个读取头是特别有利的，因为它可以提供关于第一构件/安装板102和第二本体105在多个维度上的空间构型的信息，并且出于效率和最佳性能的原因，以基本上/大约90
°
设置它们可以是优选的。
[0100]
上述第二旋转编码器装置是增量式编码器，但是如将理解的，其可以由绝对编码器装置代替。
[0101]
在上述实施例中，验证传感器是旋转编码器装置。然而，不一定必须是这种情况。可以使用其他类型的传感器，比如位置灵敏装置(psd)，该位置灵敏装置的输出取决于第一构件/安装板102和第二本体105在被锁定在一起时的相对空间位置。在这种情况下，可以在校准阶段期间填充查找表，以便记录针对每个感兴趣的分度位置(例如，可以是所有分度位置或仅打算在后续测量操作期间使用的那些分度位置)的psd输出。随后，在使用中，当第一构件/安装板102和第二本体105被锁定在特定分度位置时，psd可以向处理器402提供输出，该输出然后与存储在存储器404中的查找表的与特定分度位置相关联的特定元素中存储的值进行比较。如果psd的输出相差超过阈值量，则可以采取矫正措施。
[0102]
在替代性实施例中，验证传感器被配置成仅测量第一本体和第二本体的相对高度/间隔(例如经由电容传感器)。然而，有利地，当第一本体和第二本体锁定在一起时，将验证传感器的输出与查找表的与第一本体和第二本体锁定在一起时的特定分度位置相关联的元素中的预存值进行比较。
[0103]
如将理解的，上述铰接接头的进一步变化和替代性实施例是可能的。例如，第一磁体140、第二磁体142和第三磁体144中的一个或两个可以用可磁性吸引的(例如含铁)材料代替。这将提供与提供三个磁体时的效果相似(虽然较弱)的效果。相应地，留下的一个或两个磁体将需要更强，因此更大，这也可能(取决于配置)意味着需要更大的峰值马达力。
[0104]
在另一个类似的实施例中，第一磁体140位于其他地方。例如，第一磁体140可以位于轴132的远离接触板134的端部处/朝向该端部定位。再次，这将在锁定/解锁过程期间辅助该锁马达190方面提供类似的效果，但是因为第一磁体140远离第一构件/安装板102定位，所以其将提供很小的保持力(如果有的话)，因此需要提供更大/更强的第二磁体142和/或第三磁体144。
[0105]
图12示意性地展示了替代性实施例，其中省略了第一磁体140，使得第二构件104仅通过一对磁体(即，设置在第一构件/安装板102上的第三磁体144和设置在支柱132的接触板134上的第二磁体142)被磁力地保持在第一构件/安装板102上。虽然这是可能的，但第二磁体142和第三磁体144自身需要提供所有锁定力/保持力，因此它们中的任一者或两者将需要比上述三个磁体的布置强得多，这接着需要锁马达190在锁定过程期间、在支柱的接触板134要被拉离第一构件/安装板102拉动时(即，在从图11b转变到图11a时)更加努力地工作。而且，在没有第一磁体140的情况下，将第二构件104的壳体105保持到第一构件/安装板102的所有力必须通过支柱130、杠杆170和导螺杆机构172以及相关联的轴承来承载。这将需要这些部分更大/更强，并且理想情况下将需要防止反向驱动的马达。
[0106]
图13展示了另一替代性实施例，其中省略了第三磁体144，使得第二构件104仅通过一对磁体(即，设置在壳体的顶板115上的第一磁体140和设置在支柱的接触板134上的第二磁体142)被磁力地保持在第一构件/安装板102上。在这种情况下，第一构件/安装板102(至少其一部分)必须由能够被磁体吸引的材料(例如含铁材料)制成。该实施例的缺点在
于，与存在第三磁体的情况相比，固持/保持和起动扭矩较低(因此，如果期望相同的固持/保持和起动扭矩，则需要更大/更强的第一磁体140和/或第二磁体142)。
[0107]
图14展示了另一替代性实施例，其中省略了第二磁体144，使得第二构件104仅通过一对磁体(即，设置在壳体的顶板115上的第一磁体140和设置在第一构件/安装板102上的第三磁体144)被磁力地保持在第一构件/安装板102上。该实施例的缺点在于，与存在第二磁体的情况相比，固持/保持和起动扭矩较低(因此，如果期望相同的固持/保持和起动扭矩，则需要更大/更强的第一磁体140和/或第三磁体144)。在该实施例中，接触板134可以包括能够被磁体吸引的材料(例如含铁材料)，以辅助磁性保持，但这不如包括磁体的接触板134好。
[0108]
图15展示了另一替代性实施例。在该实施例中，展示了磁体不必直接堆叠成彼此成一直线。例如，图15展示了第一磁体140和/或第三磁体144 140的替代性位置(例如，它们可以位于比第二磁体142径向更远的位置)。
[0109]
磁体还可以以彼此排斥的布置来使用，以便提供必要的锁定力/保持力。
[0110]
然而，已经发现，所描述的根据图1至图11的实施例具有至少三个成一直线的堆叠磁体(所有磁体均布置成彼此吸引)的布置可以是有利的。特别地，已经发现这显著减少了当支柱130处于其锁定状态时控制支柱的线性位置的锁马达190所需的功，并且可以帮助减少锁马达190在锁定动作期间所需的峰值功。这不仅可以减小所需锁马达190的大小并有助于保持铰接头紧凑和轻型，而且还可以减少锁马达190的热输出(这进而可以通过减少/避免热变形来改进铰接头的计量性能)。事实上，当图1至图11的实施例的磁体可以被配置成在锁定时提供120n的拉力，在解锁时提供160n(以便提供2nm的起动扭矩)时，由于三个成一直线的堆叠磁体，锁马达190只需要产生峰值95n的力。
[0111]
图16是展示图3、图4和图11的三个磁体的实施例的支柱力和固持力的曲线图，图17是展示图12的两个磁体的实施例的支柱力和固持力的曲线图(除了省略了第一磁体140之外，在各方面都是等同的)。固持力(上文也称为“保持力”或“锁定力”)是将第一构件102和第二构件104拉到一起的净力。支柱力是支柱130所经历的/被施加的净磁力。相应地，这是为了将支柱130固持在适当位置而必须克服的磁力。这种力可以通过由锁马达190施加在支柱上的力与齿轮装置/马达/支柱系统中的任何摩擦力的组合来克服(如将理解的，如果排除齿轮装置/马达/支柱系统中的摩擦力，则支柱力与锁马达190所需的功成正比；例如与马达电流成正比)。
[0112]
如图16所示，当第一构件/安装板102和第二构件104处于其锁定状态时，支柱力非常低(小于10n)。相应地，将支柱130固持在适当位置所需的力较低。事实上，它低到使得取决于齿轮装置/马达/支柱系统，摩擦力可能足以将支柱130固持在适当位置(例如，如果其非常抵抗反向驱动)。相应地，需要很少甚至为零的马达功率来将支柱130固持在适当位置。此外，如上所述，图1至图11的构型布置成使得在锁定位置，支柱130定位成使得将第二磁体142朝向第一磁体140偏置的磁力大于将第二磁体142朝向第三磁体144偏置的磁力。相应地，即使控制支柱130的线性位置的锁马达190被关掉，并且即使摩擦力不足以抵抗磁偏置将支柱130固持在适当位置，将发生的也只是支柱130将进一步缩回，直到接触板134抵接壳体顶面115，这不会对第一构件/安装板102和第二构件104的齿112、118的接合产生不利影响。
[0113]
这与图12的两个磁体的实施例中支柱130所经历的支柱力形成对比。如图17所示，当处于锁定状态(为如图12所示的状态)时，存在显著的净磁力(大约110n)将第二磁体142朝向第三磁体144偏置。相应地，在锁定位置，锁马达190需要显著的功/功率来将支柱130固持在适当位置。事实上，支柱力大到使得即使非常抵抗反向驱动的导螺杆机构的摩擦力也不足以克服支柱力，因此如果锁马达190断电，则支柱130将朝向第一构件/安装板102蠕动，直到它们相接触，接着这会干扰第一构件/安装板102和第二构件104的齿112、118的接合。
[0114]
如从图16和图17中的曲线图可以看到的，三个磁体的实施例存在一些缺点，因为当支柱130和第一构件/安装板102相接合时存在显著的支柱力。相应地，需要显著的马达功/功率来推挤支柱力，以便将第一构件/安装板102与第二本体104分开(例如，在图11b和图11d所示的状态之间)，还将第一构件/安装板102和第二本体104固持在其解锁状态(例如，图11d所示的状态)。相比之下，对于图12的两个磁体的实施例，支柱力为零，因此一旦支柱130和第一构件/安装板102已经接合，只需要非常小的马达功/功率来分开第一构件/安装板102与第二本体104。
[0115]
然而，在正常情况下，铰接头在其解锁状态下度过的时间量显著小于铰接头在其锁定状态下度过的时间量，因此三个磁体的实施例在锁定状态下需要显著更少(或甚至为零)的马达功率的好处超过了在解锁状态下需要更加努力地工作的成本。
[0116]
图1至图11的三个磁体的实施例还具有以下好处：锁马达190所需的峰值马达功/功率小于两个磁体的实施例。在两个磁体的实施例中，锁马达190所需的最大量的功是当其重新锁定第一构件/安装板102和第二本体104时出现，并且特别地在第一构件/安装板102和第二本体104的齿112、118相接合并且锁马达190试着将支柱的接触板134与第一构件/安装板102分开时需要峰值马达功/功率。此时，锁马达190必须全部靠自身克服第二磁体142和第三磁体144的吸引拉力(并克服齿轮装置/马达/支柱系统中的任何摩擦力)，因此需要施加大于150n的力。相比之下，对于三个磁体的实施例，在锁定操作期间在第一构件/安装板102和第二本体104的齿112、118相接合并且锁马达190试着将支柱的接触板134与第一构件/安装板102分开时(即，在图11b所示的点)，第一磁体140和第二磁体142已更靠近在一起(与当它们如图11d所示完全解锁时相比)。相应地，第一磁体140足够靠近第二磁体142从而在第二磁体142上施加显著量的拉力，并且因此辅助锁马达190将支柱的接触板134与第一构件/安装板102分开。这使得锁马达190只需施加约95n来实现这种分开(参见图16中的点a)。
[0117]
如将理解的，可以提供替代性装置来保持第一构件/安装板102和第二构件104和/或保持第三构件106/106'和第二构件104。例如，可以使用机械弹簧来将第二构件104的壳体105和第一构件/安装板102拉到一起，和/或可以使用机械弹簧来将第三构件106/106'和第二构件104拉到一起。然而，已经发现，由于可能存在由摩擦引起的磁滞问题，因此磁体比此类机械解决方案更优选(磁体可以避免第一构件/安装板102与第二构件104之间和/或第三构件106/106'与第二构件104之间需要任何移动部分)。在另一实施例中，可以使用一个或多个机械杆(比如us 7213344中描述的那些)来将第二构件104的壳体105和第一构件/安装板102拉到一起(即，以便能够锁定/解锁轴线d)，和/或可以使用机械杆(同样，比如us 7213344中描述的那些)来将第三构件106/106'和第二构件104的壳体105拉到一起(即，以便能够锁定/解锁轴线e)。然而，与us 7213344相比，并且根据本发明，用于不同轴线的杆将
需要是可独立操作的，使得不同轴线(d、e)可以独立地被锁定/解锁。例如，可以提供单独的马达；不同轴线的杆各一个，这些马达可以独立操作，以便独立驱动这些杆。
[0118]
有利地，上述实施例依赖于环磁体的使用。可能的是，环磁体中的一个或多个可以被盘磁体代替，但是，有点违反直觉的是，发明人已经发现，与盘磁体相比，环磁体具有基本上不同的力/距离分布，这在本情况下是显著有利的(特别是与盘磁体相比，环磁体似乎针对给定的表面积提供了更有效的设计)。事实上，已经发现，在这种配置中，环磁体可以提供比相同外直径和深度(正交于环的直径来测量)的盘磁体大得多的力(约多50％)。图18是展示两个盘磁体的实施例的支柱力和起动扭矩的曲线图，除了第二磁体142和第三磁体144是盘磁体而不是环(其中，盘磁体的外直径与环磁体的外直径相同)之外，其在各方面都与图12所示的等同。如图所示，支柱力以及至关重要的起动扭矩比等效的环磁体实施例中显著更小。
[0119]
这一发现使它们能够为铰接头提供非常高的保持力/锁定力，这进而使铰接头在磁耦合失效之前能够承受更高的负载/更高的力矩。例如，可能期望承载非常重的探头(比如相机/视频探头)和/或可能期望承载非常长的触针，其在磁耦合上提供大的力矩，尤其是在探测期间。过去，对如此大的力的需求迫使适合承载大负载/力矩的铰接头的设计者放弃使用磁体。例如，us 7263780和us 9494403中披露的铰接头使用机械杆来提供锁定力。然而，发明人发现，使用环磁体可以提供适当大的保持负载，而不需要物理上较大的磁体，因此可以被适当地装配到要安装到定位设备(比如cmm)上的铰接头中。
[0120]
作为连续环磁体的替代方案，布置成环形状的一系列小的盘磁体可以优于具有与环形状相同直径的单一盘磁体提供优点，但已经发现连续的环提供了最有效的设计(对于给定的表面积)。
[0121]
如上所述，第一环形构件/端面花键构件110的平面齿112和第二环形构件114的冠状齿118提供第一构件/安装板102和第二构件104的稳定且可重复的定位。当处于锁定状态时，第一构件/端面花键构件102与第二构件104之间的唯一物理/机械约束是第一环形构件/端面花键构件110的平面齿112与第二环形构件114的冠状齿118之间的接触点。这种构型的特别优点在于，在每一个分度位置处，第二构件104通过由第二环形构件114的冠状齿118和第一环形构件/端面花键构件110的平面齿112提供的六个接触点而相对于第一构件/安装板102在所有六个自由度上受到约束，从而提供运动学约束。对于每个可能的分度位置都是如此。这为安装在铰接头100上的探头300在每个分度位置处提供了最大的位置可重复性。还有利的是，端面花键构件110和第二环形构件114具有作为分度元件和保持元件的双重功能。
[0122]
如可以在图3、图4和图19中看到的，提供了安全掣子136或“销”。提供安全掣子136仅是充当安全机构，以在磁性保持机构失效时(例如，由于第二构件104的过载，例如由于碰撞)防止第一构件102与第二构件104完全脱离。安全掣子136的一端固定至支柱的接触板134，另一“头”端宽松地位于第一构件/安装板102中的空隙138内。由于其宽松地位于第一构件/安装板102中的空隙内，所以它不充当第一构件/安装板102与支柱130/第二构件104之间的约束(并且因此不干扰第一构件/安装板102与第二构件104在处于锁定构型时的上述运动学联接，也不干扰第一构件/安装板102与支柱130在处于解锁构型时的运动学联接)。然而，安全掣子136具有扩大的头部构件137，在第二磁性环142与第三磁性环144之间
的磁耦合失效的情况下，该头部构件将接合空隙中的凸耳139，从而防止第一构件/安装板102与第二构件104的进一步分开。
[0123]
在上述实施例中，端面花键构件110设置在铰接头的第二构件104上，并且冠状齿118设置在第一构件/安装板102上。然而，不一定必须是这种情况，并且可以以相反的方式设置它们。
[0124]
在上述实施例中，第一构件/安装板102和第二构件104经由磁体的布置被磁力地保持，这意味着不需要使用机械装置(例如臂/杠杆)来将第一构件/安装板102和第二构件104拉动并固持在一起。相应地，当处于锁定状态时，第一构件/安装板102与第二构件104之间的唯一机械约束由端面花键构件110的齿和第二环形构件114的齿提供。因此，当处于锁定构型时，支柱130与第一构件/安装板102解联接，使得支柱130不干扰第一构件/安装板102与第二构件104的上述运动学联接。然而，不一定必须是这种情况。例如，在其他实施例中，可以提供机械推/拉杠杆臂机构，其中臂的一端封装在第一构件/安装板102的轴承内，并且臂的另一端封装在第二构件104的轴承内。
[0125]
上文详细描述了第一轴线“d”的解锁和锁定。在该实施例中，第二轴线“e”(即，第二构件104和第三构件106/106')的锁定/解锁和分度机构与第一轴线“d”基本相同，因此以上针对第一轴线“d”的描述也适用于第二轴线“e”。相应地，概括地说，与上述的第一轴线“d”类似，控制器220可以向铰接头100发送指令，以操作第二轴线“e”的锁马达190'，以便驱动导螺杆(未示出)从而在x维度上水平地驱动导螺杆螺母176'(在图19所示的取向上)。进而，杠杆170'(其连接至导螺杆螺母176'并因此被其致动)在z维度上向上推动支柱的轴132(在图3和图4所示的取向上)在短距离之后，支柱130'的接触板134'上的接合球152'将接触并接合第三构件106/106'上的成对接合球154'，此后继续驱动导螺杆174'将引起杠杆170'和导螺杆机构172'轴向向外推动第三构件106/106'，从而引起第二构件104的壳体105和第三构件106/106'分开。操作导螺杆174’以便将第二构件104与第三构件106/106'分开受控的预定义量，该量足以使得第三构件106/106'的冠状齿118'脱离第二构件104上的配合齿112'，但如上面结合第一轴线“d”解释的，该量不是太大，因为期望第一磁体140'仍旧足够靠近第二磁体142'，以便即使在解锁状态下也对第二磁体142'具有合理量的拉力。图19展示了处于这种解锁状态的铰接头100的第二轴线“e”。
[0126]
一旦已经达到解锁状态，驱动该导螺杆机构172'的锁马达190'就停止，并且与轴132'的驱动齿轮148'接合的第二轴线“e”电动驱动马达192'运行，以实现第三构件106/106'相对于第二构件105的旋转位置的改变。在解锁状态下，支柱130'经由接合球152'、154'与第三构件106/106'接合，并且因此相对于其在旋转意义上被固定(在解锁状态下)。相应地，当与轴132'的驱动齿轮148’接合的第二轴线“e”驱动马达192'运行时，其引起第三构件106/106'关于由轴132'限定的旋转轴线e被驱动。
[0127]
从第二轴线“e”的第一(“主”)编码器设备135'已知了i)第二构件104的壳体105、107、115以及ii)第二轴线“e”的轴132'(因此以及第三构件106/106')的相对旋转位置。相应地，控制器220可以使用来自第二轴线“e”的第一编码器设备135'的输出来控制与轴的驱动齿轮148'接合的第二轴线“e”驱动马达192'，从而将第二构件104和第三构件106/106'带到期望的相对取向。如将理解的，需要以足够高的精确度来控制旋转位置，使得当处于新的期望相对取向时，第三构件106/106'上的冠状齿118'与第二轴线“e”的环形构件/端面花键
构件110'上的齿112的谷相对，使得当它们锁定在一起时，冠状齿118'完美位于第二轴线“e”的环形构件/端面花键构件110'的两个齿112'之间。
[0128]
与第一轴线“d”一样，第一磁体140'、第二磁体142'和第三磁体144'设置在第二轴线“e”的第二构件104的壳体105、支柱130'和第三构件106/106'上，并且因此受益于第一轴线“d”的被磁力地辅助的解锁和锁定布置。而且，与第一轴线“d”一样，为第二轴线“e”提供了第二旋转编码器装置，该第二旋转编码器装置包括设置在第三构件106/106'上的环形标尺162'、以及设置在第二构件104的壳体105上第一读取头160'和第二读取头(未示出)，并且可以以与上面结合第一轴线“d”描述的相同的方式来使用，以用于检查第二构件104和第三构件106/106'已正确锁定在一起。此外，第二轴线“e”的分度机构与第一轴线“d”的分度机构相似，因为它包括具有基本上径向延伸的连续系列的锥形齿的第一环形构件110'(例如，它呈“端面花键构件”的形式)和具有三个冠状齿的第二环形构件114'，这些冠状齿被配置成在三个等角度隔开的位置处接合被设置在端面花键构件110'上的连续系列的齿。
[0129]
在上述实施例中，为第一轴线“d”和第二轴线“e”提供单独的锁马达。然而，不一定必须是这种情况。例如，可以提供一个“锁”马达，并且可以提供用于选择它将引起哪一条轴线分开的装置。例如，可以提供齿轮系统(例如齿轮箱)并将其配置成使得马达可以被选择成仅控制第一轴线“d”的锁定/解锁，或者被选择成仅控制第二轴线“e”的锁定/解锁，或者被选择成一起控制第一轴线“d”和第二轴线“e”两者的锁定/解锁。然而，为了简单起见，可以优选使用单独的马达，并且因为如果仅提供一个马达，则其需要足够大/足够强大，以便在需要时应对两条轴线的同时解锁。类似地，在上述实施例中，为第一轴线“d”和第二轴线“e”提供单独的驱动马达。然而，不一定必须是这种情况。例如，可以提供一个“驱动”马达，并且可以提供用于选择它将驱动哪条轴线的装置(例如齿轮箱))。同样，单独的驱动马达可以是优选的。以上描述了两轴铰接头。然而，如将理解的，本发明不限于两轴铰接头。例如，铰接头可以是三轴铰接头，其中提供了第四构件，该第四构件联接到第三构件，使得该第四构件关于第三轴线相对于第三构件的取向可以改变(例如在多个预定义可分度取向之间改变并锁定在其中一个预定义可分度取向)。在这种情况下，上述特征可以在适当时适用于第三构件和第四构件。第一轴线、第二轴线和第三轴线可以相互正交。在这种情况下，第四构件可以包括用于接纳工具的工具安装座。在这种情况下，第一旋转轴线、第二旋转轴线和第三旋转轴线可以相互正交。