坐标定位机器的制作方法

坐标定位机器
1.本发明涉及一种坐标定位机器。坐标定位机器包括例如坐标测量机器(cmm)和机床。
2.附图中的图1示出了一种已知类型的坐标测量机器1，其具有三条彼此正交串联布置的线性轴线x、y和z，其中，z轴与重力g对齐。测量探针3安装在可在滑架2内沿z方向滑动的竖直柱8上；这种相对移动限定了z轴。滑架2本身被支撑在水平梁7上，并且可沿梁7在y方向滑动；这种相对移动限定了y轴。进而，梁7可在一对导轨6上沿x方向滑动；这种相对移动限定了x轴。计算机控制器5操作以驱动每个部件(柱8、滑架2、梁7)沿着其对应的相应轴线到达适当的位置，以将测量探针3放置在机器的工作容积内的期望位置，并且将其移动以使其与支撑在固定平台4上的工件9成感测关系。测量探针3可以以如图所示的固定方式安装至竖直柱8上，或者测量探针可以经由如图1的插图部分所示的铰接探针头安装至竖直柱8上，其中铰接探针头除了提供三条线性轴线x、y、z之外，还提供两条转动轴线a、b。
3.每条轴线x、y、z由对应的相应马达(未示出)独立于每条其他轴线驱动。每条轴线x、y、z也由对应的相应传感器独立于每条其他轴线进行编码或感测，其中来自传感器的输出用于确定测量探针3(或附接到柱8的任何工具)的位置。每条轴线配备有长度测量换能器，该长度测量换能器具有与读取头(未示出)配对的编码器标尺(在图1中示意性地描绘为沿着每条轴线的一系列平行线)。为了测量两个零件之间的相对移动，编码器标尺适当地安装在一个零件上，而读取头适当地安装在另一个零件上。
4.图1的坐标测量机器1可以被称为笛卡尔坐标测量机器，因为它具有三条彼此正交布置的线性轴线x、y和z。对于如图1所示的笛卡尔或正交轴线布置，在没有来自分别与x、y、z轴相关联的马达的任何驱动(或其他制动力)的情况下，由于z轴与重力对齐，而x、y轴与重力正交，所以系统将沿着x、y轴稳定或自支撑，但是沿着z轴，竖直柱8将由于重力的力而自然地下落到其最低的可能位置。为了在z方向上稳定系统，已知的是提供专门针对z轴的平衡，以抵消竖直柱8(以及附接到其上的任何部件，比如测量探针3)的重量。例如，从us 6058618、us 5257461、us 4964221 a和us4229136中已知用于笛卡尔坐标测量或定位机器的这样的z轴平衡布置。
5.附图中的图2示意性地展示了另一种类型的坐标测量机器10。坐标测量机器10总体上包括可移动平台12和固定平台14，可移动平台和固定平台由设置在它们之间的多个伸缩腿或可伸出腿16支撑并相对于彼此移动。固定平台12形成机器10的固定结构的一部分。可移动平台12和固定平台14也可以被称为工作台(或结构或零件)，并且可伸出腿16也可以被称为支柱(或致动器)。在存在六个这样的可伸出腿16时(如图2所展示)，机器10通常被称为六足机器。
6.可伸出腿16通常经由球接头18安装在平台12、14上，其中，每个腿16在其一端或两端处具有各自的球接头18(如图2所展示)，或者在一端或两端处与相邻的腿16共享一个球接头18。每个可伸出腿16通常被形成为一对管，其中，通过驱动机构(例如，线性马达)使一个管在另一个管内伸缩地移动，以提供可伸出腿16的伸出和缩回，如每个可伸出腿16内的箭头所指示，并且如在wo 2017/174966中更详细描述的。如wo 2007/144573中所述，还可以
在每个支柱的驱动零件和度量零件之间提供一定程度的分离。如wo 2019/073246中所述，还可以提供不仅与度量布置分离而且不同的驱动布置。
7.通过将腿16以不同的量伸出可以实现可移动平台12与固定平台14之间的不同的相对位置。任意时刻的相对位置由多个长度测量换能器17监控，其中，每个可伸出腿16有一个这样的换能器。每个长度测量换能器17可以包括与读取头配对的编码器标尺，其中，编码器标尺适当地安装在一对伸缩管中的一个上，并且读取头适当地安装在另一个伸缩管上。腿16的延伸因此使编码器标尺移动经过读取头，从而允许来测量(或根据测量得出)可伸出腿16的长度。计算机控制器15操作来设定每个可伸出腿16的长度，以提供平台12、14之间所需的相对移动。通过具有六个这样的长度测量换能器17，可以在六个对应的相应自由度(三个平移自由度和三个转动自由度)上测量相对位置。
8.工件19安装在下(固定)平台14上，并且测量探针13安装在上(可移动)平台12上。在上(可移动)平台12和下(固定)平台14之间限定了工作容积(或操作容积)11，其中，通过操作这些可伸出腿16将测量探针13定位(即，被移动到期望位置)在工作容积11中。图2的布置可以被称为“自下而上”布置，因为可伸出腿16从固定平台14向上伸出到可移动平台12。在附图的图3中更示意性地展示了这种布置。
9.替代性地，如附图的图4中示意性地展示的，在“自上而下”布置的情况下，可伸出腿16从固定结构14向下延伸到可移动平台12，其中，测量探针13安装至可移动平台12的下表面，并且工件安装至固定结构14在可移动平台下方的另-部分。在wo 2019/073246中更详细地讨论了这些类型的布置，该文献还描述了非六足驱动布置与六足度量布置的结合使用。
10.测量探针13仅仅是可以安装在可移动平台12上以使得能够在工件19上执行操作的操作工具的一个示例。取决于预期的应用，在坐标测量机器的情况下，操作工具可以适于测量、探测或扫描，或者在机床的情况下适于机加工或钻孔。也可以将工件19安装在可移动平台12上，并且将测量探针13(或其他操作工具)安装在固定平台14上。
11.图2的坐标测量机器10可以被称为非笛卡尔坐标测量机器，因为与比如图1所展示的笛卡尔机器相比，其轴线不是根据笛卡尔坐标系正交布置的。图2的坐标测量机器10可以被认为具有六条移动轴线(或六条驱动轴线)，对应于六个可伸出腿16(并由其限定)。在这个意义上，坐标定位机器的轴线可以被认为与(例如，通过换能器或编码器)感测的自由度相关，注意轴线可以是线性的或旋转性的，并且坐标定位机器可以具有线性轴线和旋转轴线的组合。
12.图2的坐标测量机器10也可以被称为“平行运动学”坐标测量机器，因为其移动轴线并联布置。这与图1的坐标测量机器1形成对比，该坐标测量机器可以被称为“串联运动学”坐标测量机器，因为它的移动轴线反而是串联布置的。另一种类型的串联运动机器是检查机器人或手动铰接臂，其具有通过多个旋转式接头串联连接的多个铰接臂构件。
13.图2的坐标测量机器10的可移动平台12和测量探针13将具有需要由可伸出腿16支撑的相关联重量。因此，用于伸出和缩回可伸出腿16的马达将需要工作，甚至将可移动平台12保持在稳定的竖直位置，并且这将使用能量并产生热。能效在度量应用中尤为重要，因为马达产生的热会导致部件的热膨胀，这种热膨胀不受控制且未知，会以不能进行校准的方式影响度量结果。
14.因为这个原因，可以在这种机器中提供平衡，以支撑可移动平台12的至少一部分重量。在wo 2017/174966中披露了用于六足坐标定位机器的示例性平衡布置，并在附图的图5中示出。图5的六足坐标定位机器具有类似于图4的布置的自上而下布置，并且设置有平衡布置90，该平衡布置具有经由铰链93彼此连接的第一臂92和第二臂94。第一臂92经由球91连接到可移动平台12，该球插入到可移动平台12顶部上的保持元件26中，形成万向球接头，并且第二臂94经由旋转式接头95连接到机器10(未示出)的固定部分、并经由另一个旋转式接头97连接到铰链93。铰链93通过弹簧96的方式产生平衡力，该弹簧通过形成铰链93的壳体的片材中的开孔刚好可见；弹簧96在如图5的插图部分所示的平衡布置90的反向视图中更清楚明显。这些弹簧96产生作用在第一臂92与第二臂94之间的力，并且具体地，该力围绕旋转式接头98向第一臂92施加力矩(或扭矩)，该旋转式接头进而经由球91和保持元件26向平台12施加平衡力。当平台12在水平平面内移动时，第二臂94围绕旋转式接头95摆动，从而也在水平平面内以大弧度移动铰链93。当平台12在水平平面内移动时，铰链93和弹簧96也围绕旋转式接头97旋转，使得弹簧96与旋转式接头95之间的间距取决于平台12在工作容积中的位置而变化。
15.本技术人已经意识到，比如如图5所展示的用于非笛卡尔机器的平衡布置存在以下缺点中的一个或多个缺点。
16.首先，这样的平衡布置具有移动臂，移动臂在可移动平台12的某些位置时会延伸到正常工作容积之外，这增加了机器的整体尺寸，并且还会对操作员造成危险。例如，对于图5的机器来说，当平台12朝向旋转式接头95侧向地移动，推动l形第二臂94的上部部分在正常工作容积之外来回摆动时，会发生这种情况。
17.其次，这样的平衡布置可能存在非理想行为，特别是在其操作范围的某些部分中，使得可移动平台12的重量在工作容积11周围没有被均匀地支撑。例如，对于图5的平衡，由于涉及不同的弹簧拉伸，因此弹簧96提供的平衡力将取决于平台12的z位置而略微变化。
18.第三，在这样的平衡布置中，臂92、94和弹簧96相对于可移动平台12采用不同的位置和取向，这取决于可移动平台12在工作容积11中的位置。特别需要弹簧96相对庞大(并且因此相对偏重)，以便产生足够的平衡力来使重的可移动平台12(以及联接到其上的任何工具或部件)平衡。即使对于可移动平台12的水平移动，这些重的弹簧96也四处移动，并且对于可移动平台12在工作容积内的某些位置的某些移动，弹簧96可能经受非常高且高度不均匀的加速度。相应地，由于这些原因，系统的动态响应(例如，当被加速时)可能非常不一致。这是图5的平衡布置仅包括旋转轴线(没有线性轴线，即没有线性自由度)这个事实的后果，其中，至少两条旋转轴线在机器的重的弹簧96与固定结构之间，这引起弹簧96的复杂运动。对于图5的平衡布置，在力产生器(即，弹簧96)与地面(即，机器的固定结构)之间存在两条旋转平衡轴线95、97，但是在类似的已知类型的平衡布置中，在力产生器与地面之间可以有效地存在三条旋转平衡轴线。这将在下面参考附图的图11和图44进行更详细的讨论。
19.最后，如上结合笛卡儿机器所述的z轴平衡布置的类型根本不适用于非笛卡尔机器，因为非笛卡尔机器没有可以直接被平衡的固定z轴。例如，图2所示的六足坐标定位机器10实际上具有六条线性轴线(即，分别与六条可伸出腿16相关联的六条驱动轴线)，但是这些驱动轴线中没有一条驱动轴线是始终与重力对齐的，并且这些驱动轴线中没有一条驱动轴线独立于其他驱动轴线。而是，平台12在z方向上的移动涉及六足坐标定位机器10的所有
六条驱动轴线的改变(即，所有六个可伸出腿16的长度的变化)，因此不可能提供比如笛卡尔机器中使用的z轴平衡布置。
20.因此，期望提供一种用于坐标定位机器的改进的平衡布置，特别是、但不排他用于非笛卡尔坐标定位机器的改进的平衡布置。
21.形成本发明几个方面的基础的坐标定位机器包括：多条驱动轴线，用于将可移动结构定位在机器的工作容积内；多条平衡轴线，用于使可移动结构平衡；以及力产生器，用于产生施加到平衡轴线中的至少一条平衡轴线上的平衡力。
22.根据本发明的一个方面，平衡轴线包括线性平衡轴线，并且平衡力被施加到线性平衡轴线上。
23.根据本发明的另一个方面，平衡轴线和力产生器相互被布置成使得可移动结构在垂直于重力的方向上的移动，在除了由于力产生器围绕至多一条旋转平衡轴线的旋转之外，基本上不导致力产生器的(净)移动。
24.根据本发明的另一个方面，平衡轴线和力产生器相互被布置成使得可移动结构在垂直于重力的方向上的移动，在除了由于力产生器围绕至多一条旋转平衡轴线的旋转之外，基本上不导致对力产生器(总体上)做(净)功。
25.根据本发明的另一方面，平衡轴线串联布置，平衡轴线包括至少一条旋转平衡轴线，并且力产生器布置在串联的平衡轴线中的(或串联的平衡轴线的)第一旋转(或唯一的)平衡轴线的后面(当在朝向可移动结构的方向上观察时)。
26.根据本发明的另一个方面，平衡轴线串联布置，平衡轴线包括至少一条旋转平衡轴线，并且力产生器布置(或定位)在距串联的平衡轴线中的(或串联的平衡轴线的)第一旋转(或唯一的)平衡轴线预定水平距离(或间距或偏移)处(当在朝向可移动结构的方向观察时)。
27.根据本发明的另一方面，平衡轴线与在机器的力产生器与固定结构之间的(在串联的平衡轴线中的)至多一条旋转平衡轴线串联布置。
28.根据本发明的另一个方面，提供了一种坐标定位机器，其包括用于将可移动结构定位在机器的工作容积内的多条驱动轴线(其中的每一条是旋转驱动轴线或线性驱动轴线)、以及用于使可移动结构平衡的线性平衡轴线(其与驱动轴线中的任一条分开)。
29.根据本发明的另一个方面，提供了一种平衡坐标定位机器的方法，该坐标定位机器具有多条驱动轴线(其中的每一条是旋转驱动轴线或线性驱动轴线)，用于将可移动结构定位在机器的工作容积内，该方法包括提供线性平衡轴线(其与驱动轴线中的任一条分开)、以及经由线性平衡轴线使可移动结构平衡。
30.应当理解，上述方面可以彼此独立地使用，或者以任何合适的组合使用。
31.采用线性平衡轴线的本发明的实施例对于非笛卡尔坐标定位机器特别有利，在非笛卡尔坐标定位机器中，机器的驱动轴线中没有一条驱动轴线具有固定取向，并且没有一条驱动轴线可以因此直接被平衡。通过提供可以直接被平衡的单独的线性平衡轴线，该机器能够利用比如下面参考附图中的图6所描述的简单(但非常有效)的线性平衡布置的益处。这样的平衡布置能够提供理想的(或接近理想的)平衡行为，而不管可移动结构在工作容积内的位置(特别是z位置)如何，这不同于比如以上参考图5描述的已知平衡布置。这在本发明的实施例中是可能的，因为线性平衡轴线的取向基本上不随驱动轴线的取向变化而
变化，从而为平衡布置提供稳定且恒定的参考。
32.对于本发明的这样的实施例，即，当可移动结构水平地移动(除了可能由于力产生器围绕至多一条旋转平衡轴线的旋转之外)时，不导致力产生器移动(或者不对力产生器作净功)，由此与例如参考图5描述的平衡布置相比，驱动布置作功更少(使用的能量更少并且产生的热更少)。在这方面，力产生器通常相对较重(例如，大的配重或庞大的弹簧)，因此尽可能少地来回移动力产生器的益处会是显著的。与图5所示平衡布置类型相比，即使其中力产生器围绕至多一条旋转轴线移动，动态响应也更受控制和/或不那么极端，而力产生器的加速度没有快速变化。
33.对于力产生器布置在串联的平衡轴线中的第一旋转平衡轴线后面的实施例，对于可移动结构的任何移动，力产生器都不旋转，这再次使得驱动布置做的功更少。即使没有严格地串联布置在第一旋转轴线的后面，但是将力产生器靠近(优选地，沿着)旋转平衡轴线放置以减少在使力产生器旋转时所作的功的量是有利的。
34.减少驱动布置所做的功的量是有利的，因为这进而减少了驱动布置产生的热，从而减少了机器零件的热膨胀和收缩对度量结果的不利影响。对于六足坐标定位机器，避免使驱动布置特别是为平台的水平移动做额外的功是有益的，因为驱动支柱通常由于其主要的竖直取向而在竖直方向上比在水平方向上更有力。
35.除非已经说明是这种情况，否则平衡轴线可以串联布置。
36.除非已经说明是这种情况，否则坐标定位机器可以包括在机器的力产生器与固定结构之间的(在串联的平衡轴线中的)至多一条旋转平衡轴线。
37.除非已经说明是这种情况，否则平衡轴线可以包括至少一条线性平衡轴线。
38.平衡轴线包括至少两条线性平衡轴线。
39.平衡轴线包括两条线性平衡轴线。
40.该线性平衡轴线或每条线性平衡轴线可以具有相对于重力基本上恒定的取向。
41.坐标定位机器可以包括用于将平衡力传递给可移动结构的联动装置。
42.联动装置可以是刚性联动装置。
43.联动装置可以是机械联动装置。
44.联动装置可以包括通过多个接头连接的多个刚性互连联动装置。
45.联动装置可以适于提供可移动结构在垂直于重力的方向上的移动，同时使平衡力基本上不做功。
46.联动装置和力产生器可以相互被布置成当可移动结构围绕工作容积移动时将平衡力保持在相对于重力基本上恒定的取向上。
47.通过联动装置传递到可移动结构的平衡力可以基本上与重力对齐。
48.联动装置可以与驱动轴线中的任一条分开和/或与其独立。
49.力产生器和联动装置可以基本上相互布置在一个平面内，并且当可移动结构围绕工作容积移动时保持如此。
50.平面可以与重力基本上对齐。
51.联动装置和力产生器可以相互被布置成使得当可移动结构在工作容积中来回移动时，平衡力的方向基本上没有变化。
52.在可移动结构的竖直移动期间，联动装置在形式上不会显著变化。在可移动结构
的竖直移动期间，联动装置可以作为一个整体移动。
53.平衡轴线可以包括基本上彼此垂直布置的第一和第二线性平衡轴线。
54.第二线性平衡轴线可以由联动装置提供。
55.联动装置可以适于产生从线性到线性的基本上垂直的运动变化。
56.联动装置可以是scott russell联动装置。联动装置可以是scott russell型联动装置。
57.平衡力可以被施加到多条平衡轴线中的预定线性平衡轴线上。
58.预定线性平衡轴线的取向可以基本上不随驱动轴线取向的任何变化而变化。
59.预定线性平衡轴线的取向可以基本上不随驱动轴线的致动而变化。
60.预定线性平衡轴线可以具有相对于重力基本上恒定的取向。
61.预定线性平衡轴线可以与重力基本上对齐。
62.预定线性平衡轴线可以是第一线性平衡轴线。
63.预定线性平衡轴线可以在串联的平衡轴线中的任何旋转平衡轴线后面(沿朝向可移动结构的方向观察)。
64.预定线性平衡轴线可以在串联的平衡轴线中的至少一条旋转平衡轴线的前面(沿朝向可移动结构的方向观察)。
65.联动装置可以适于吸收可移动结构的水平移动并且将可移动结构的竖直移动转换成联动装置沿着预定线性平衡轴线的对应竖直移动。联动装置的这种竖直移动可以是整个联动装置沿着预定线性平衡轴线的竖直移动，而基本上没有形式上的变化。
66.联动装置可以适于在基本上平行于预定平衡轴线的方向上保持平衡力。
67.可移动结构可以经由联动装置沿着预定线性平衡轴线被平衡。
68.可移动结构的至少一部分重量可以经由联动装置由沿着预定线性平衡轴线施加到联动装置上的基本上恒定的平衡力(或其分量)支撑。
69.坐标定位机器可以包括至少一个(例如，可滑动地)联接到预定线性平衡轴线的支撑构件。平衡力可以布置成作用在至少一个支撑构件上，并且联动装置可以连接(或联接)在可移动结构与至少一个支撑构件之间(以将平衡力从至少一个支撑构件传递到可移动结构)。
70.至少一个支撑构件可以被布置成沿着预定线性平衡轴线(例如，沿着线性轨道)可滑动地移动。
71.该支撑构件或每个支撑构件可以提供多条平衡轴线中的旋转平衡轴线。
72.由驱动布置引起的可移动结构的竖直移动可以被联动装置转换成至少一个支撑构件的对应竖直移动，导致施加到(作用在)至少一个支撑构件上的平衡力做功，所做的功与作用在可移动结构上的重力的力所做的功基本上相等但方向相反。
73.如果第一值在第二值的20％以内、或更优选地在第二值的10％以内、或更优选地在第二值的5％以内、或更优选地在第二值的1％以内，则第一值可以被认为基本上等于第二值。
74.由驱动布置引起的可移动结构的水平移动可以由联动装置转换成至少一个支撑构件的至多竖直移动，导致施加到至少一个支撑构件的(一个或多个)力总体上基本上不做功。
75.坐标定位机器可以包括第一支撑构件和第二支撑构件，每个支撑构件被布置成沿着与重力基本上对齐的轨道可滑动地移动。可移动结构在垂直于该轨道或每个轨道的方向上的移动可以通过联动装置转化成第二支撑构件沿着其轨道的移动，而第一支撑构件基本上不沿着其轨道移动。可移动结构在平行于该轨道或每个轨道的方向上的移动可以通过联动装置转化成至少第一支撑构件沿着其轨道在相同方向上以相同量运动。
76.平衡力可以被施加到第一支撑构件而不是第二支撑构件。
77.力产生器可以在基本上与重力相反的方向上将力fi施加到每个支撑构件i上，其中，∑
ifi
～mg，联动装置将可移动结构中的变化dx、dy、dz转化或转换成每个支撑构件i中的变化dxi、dyi、dzi，使得∑
ifi
dzi～mg.dz、dxi～0并且dyi～0，其中，m是可移动结构的质量，g是重力加速度，并且i是大于或等于1的整数，并且其中，fi中至少一个可以是零。
78.由力产生器产生的平衡力可以作用在机器的至少一个支撑构件与固定结构之间。
79.除非已经说明是这种情况，否则平衡轴线可以包括至少一条旋转平衡轴线。
80.平衡轴线可以包括单条旋转轴线(例如，不包括任何可以作为万向接头的一部分提供的旋转轴线)或四条旋转平衡轴线(例如，其中三条可以作为万向接头的一部分提供)。
81.除非已经说明是这种情况，否则(当在朝向可移动结构的方向上观察时)力产生器可以布置在串联的平衡轴线中的(或串联的平衡轴线的)第一旋转平衡轴线的后面或距其预定水平距离(或间距或偏移)。
82.力产生器可以靠近第一旋转平衡轴线布置。换句话说，预定水平距离可以很小。预定水平距离可以基本上是零。
83.预定水平距离可以小于第一旋转平衡轴线与可移动结构之间的代表性水平距离(或间距或偏移)的50％(或更优选地小于其的25％、或更优选地小于其10％、或更优选地小于其的5％)。这可能是可移动结构在工作容积内的任何(正常或真实)位置的情况。
84.可以相对于可移动结构的代表性点(比如可移动结构的几何中心或其重心)来确定(第一旋转平衡轴线与可移动结构之间的)代表性水平距离。
85.替代性地，代表性水平距离可以在第一旋转平衡轴线与工作容积的中心之间，或者可以是工作容积的代表性宽度。
86.可以相对于力产生器的代表性点(比如力产生器的几何中心或其重心)来确定(第一旋转平衡轴线与力产生器之间的)预定水平距离。
87.(力产生器与第一旋转平衡轴线之间的)预定水平距离可以基本上恒定，并且这可以在可移动结构围绕工作容积移动时被保持。
88.除非已经说明是这种情况，否则平衡轴线和力产生器可以相互被布置成使得可移动结构在垂直于重力的方向上的移动，在除了由于力产生器围绕至多一条旋转平衡轴线的旋转之外，基本上不导致力产生器的净移动。
89.除非已经说明是这种情况，否则平衡轴线和力产生器可以相互被布置成使得可移动结构在垂直于重力的方向上的移动，在除了由于力产生器围绕至多一条旋转平衡轴线的旋转之外，基本上不导致对力产生器做功。
90.至多一条旋转平衡轴线可以是串联的平衡轴线中的第一(或唯一的)旋转平衡轴线(当在朝向可移动结构的方向上观察时)。
91.多条驱动轴线中的每条驱动轴线可以是旋转驱动轴线或线性驱动轴线。
92.多条平衡轴线中的每条平衡轴线可以是旋转平衡轴线或线性平衡轴线。
93.平衡轴线可以与驱动轴线分开。
94.每条平衡轴线可以与驱动轴线中的每一条分开和/或与其独立和/或不同。
95.力产生器产生的平衡力可以与重力基本上对齐。
96.平衡力所施加到的该平衡轴线或每条平衡轴线可以具有相对于重力基本上恒定的取向。
97.平衡力所施加到的该平衡轴线或每条平衡轴线可以与重力基本上对齐(例如，在线性平衡轴线的情况下)或基本上垂直于重力(例如，在旋转平衡轴线的情况下)。
98.平衡轴线和力产生器可以相互被布置成使得可移动结构在平行于重力的方向上的移动使对力产生器做的功基本上等于作用在可移动结构上的重力的力所做的功。
99.如上所述，如果第一值在第二值的20％以内、或更优选地在第二值的10％以内、或更优选地在第二值的5％以内、或更优选地在第二值的1％以内，则第一值可以被认为基本上等于第二值。
100.施加到平衡轴线上的力可以至少是由力产生器产生的实际平衡力的分量。例如，施加到平衡轴线上的力可以是平衡力关于平衡轴线的分量(例如，沿着线性平衡轴线或围绕旋转平衡轴线)。
101.向平衡轴线施加平衡力可以包括沿着或围绕平衡轴线(例如，沿着线性平衡轴线或围绕旋转平衡轴线)施加平衡力。
102.平衡轴线可以是被动的和/或不主动的和/或不被驱动的和/或无动力的。
103.使可移动结构平衡可以包括为可移动结构提供平衡力。使可移动结构平衡可以包括支撑可移动结构的至少一部分重量。
104.施加到平衡轴线上的平衡力可以经由其他平衡轴线中的至少一条平衡轴线传递到可移动结构上。
105.平衡力可以经由联动装置传递。
106.平衡力可以是基本上恒定的平衡力。
107.力产生器可以适于产生基本上恒定的平衡力。
108.平衡力(或至少其大小)可以基本上等于作用在可移动结构上的重力的力(或至少其大小)。力产生器可以适于产生(其大小)基本上等于作用在可移动结构上的重力的力的平衡力。
109.力产生器可以包括配重，该配重在联接到其上的细绳或绳索或缆绳或缆线或类似物中产生张力。
110.力产生器可以包括产生弹簧力的弹簧。弹簧可以是恒力弹簧，比如均力圆锥轮(fusee)弹簧。
111.(当可移动结构围绕工作容积移动时)每条平衡轴线(除了形成万向接头一部分的那些平衡轴线)可以具有(或保持)相对于重力基本上恒定的取向。
112.可能的情况是，(当可移动结构围绕工作容积移动时)驱动轴线中没有一条驱动轴线具有(或保持有)相对于重力基本上恒定的取向。
113.平衡轴线可以布置在机器的可移动结构与固定结构之间。
114.驱动轴线可以布置在机器的可移动结构与固定结构之间。
115.机器可以包括固定结构。
116.围绕旋转(驱动或平衡)轴线的相对移动可以由对应的旋转换能器感测。
117.沿着线性(驱动或平衡)轴线的相对移动可以由对应的线性换能器感测。
118.驱动轴线可以形成驱动布置的一部分，该驱动布置用于使可移动结构围绕工作容积移动，并且平衡轴线形成平衡布置的一部分，该平衡布置用于支撑可移动结构的至少一部分重量。
119.机器可以包括固定结构，并且驱动布置和平衡布置可以在可移动结构与固定结构之间分开和/或并联连接。
120.驱动布置和平衡布置可以分别连接到可移动结构上。
121.平衡布置可以被布置成其总质量(或力产生器的总质量)的至少80％在(串联的平衡轴线的)(线性和/或第一旋转)平衡轴线与工作容积的中心之间的水平间距的10％之内。
122.驱动布置可以包括连接在机器的可移动结构与固定结构之间的多个可伸出腿。
123.可伸出腿可以(平均地)定向为更接近竖直方向而不是水平方向(至少对于工作容积内的可移动结构的中心位置如此)。
124.坐标定位机器可以包括六个这样的可伸出腿。
125.线性(驱动或平衡)轴线可以是提供(驱动布置或平衡布置的，视情况而定)线性自由度的轴线。
126.线性(驱动或平衡)轴线可以是提供(驱动布置或平衡布置(视情况而定)的)两个机器元件之间的受约束的相对线性运动的轴线。
127.旋转(驱动或平衡)轴线可以是提供(驱动布置或平衡布置的，视情况而定)转动自由度的轴线。
128.旋转(驱动或平衡)轴线可以是提供(驱动布置或平衡布置的，视情况而定)两个机器元件之间的受约束的相对旋转运动的轴线。
129.可以沿着轴线产生平衡力，当可移动结构围绕工作容积移动时，该轴线与重力基本上恒定对齐或相对于重力保持基本上恒定对齐。
130.坐标定位机器可以包括制动器，该制动器用于当驱动轴线没有被控制成使可移动结构围绕工作容积移动时，将可移动结构保持在工作容积中的相同位置。
131.驱动轴线的每一条可以是线性驱动轴线。
132.驱动轴线可以分别与可伸出腿相关联。
133.坐标定位机器可以包括度量布置，该度量布置用于测量可移动结构在工作容积内的位置。
134.度量布置可能受到驱动布置产生的热的不利影响。
135.驱动布置和度量布置可以分别连接在可移动结构与固定结构之间。
136.度量布置可以包括多个长度测量换能器。
137.每个长度测量换能器可以包括与读取头配对的编码器标尺。
138.换能器可以分别与可伸出腿相关联。
139.坐标定位机器可以是非笛卡尔坐标定位机器。坐标定位机器的驱动轴线可以不相互正交。
140.坐标定位机器可以是并联运动学坐标定位机器。坐标定位机器的驱动轴线可以并
联布置。
141.坐标定位机器可以是六足坐标定位机器。
142.可移动结构可以包括可移动平台和支撑在可移动平台上的至少一个工具。
143.工具可以是或者可以包括测量探针。
144.坐标定位机器可以是坐标测量机器。
145.根据本发明的另一个方面，提供了一种坐标定位机器，其包括：可移动结构；驱动布置，用于使可移动结构在机器的工作容积内来回移动；以及平衡布置，用于支撑可移动结构的至少一部分重量(否则将由驱动布置支撑)。
146.平衡布置可以围绕平衡轴线旋转，该平衡轴线可以是固定的平衡轴线。平衡布置可以包括：力产生器，用于产生平衡力；以及联动装置，用于将平衡力传递到可移动结构。
147.平衡布置(例如，平衡布置的联动装置)可以被布置成和/或适于提供(或容纳或允许或启用)以下其中至少一项：
148.(a)可移动结构与平衡轴线之间在垂直于重力和/或垂直于平衡轴线的方向上的相对移动，而基本上不导致(通过驱动布置)对力产生器做(净)功，和/或基本上不导致力产生器移动或被移动，和/或基本上不导致力产生器的(净)移动；以及
149.(b)可移动结构的移动(例如，可移动结构与平衡轴线之间可选地在垂直于重力和/或垂直于平衡轴线的方向上的相对移动)，而基本上不改变(或更改或影响)力产生器和/或(由力产生器产生的)平衡力与平衡轴线(或相对取向情况下的重力)之间的间距(或偏移或距离)和/或相对取向。
150.可移动结构围绕平衡轴线移动预定角度可以使联动装置和/或力产生器和/或平衡力围绕平衡轴线移动对应的角度。
151.可移动结构在工作容积内竖直地移动预定量可以使联动装置竖直地移动(例如，或平移或滑动)对应的量。
152.力产生器和/或平衡力可以基本上布置在包含平衡轴线以及联动装置与可移动结构之间的连接的平面中或平面上、或沿着该平面布置，并且当可移动结构围绕工作容积移动时，这可以保持如此。
153.力产生器和/或平衡力、平衡轴线和联动装置可以基本上布置在一个平面内，并且当可移动结构围绕工作容积移动时，可以保持如此。
154.平衡轴线可以布置在工作容积之外，例如布置工作容积的侧面。
155.联动装置可以被布置成使得对于可移动结构相对于平衡轴线的这样的移动，力产生器(由其产生的平衡力)基本上不作功(或做功)(净功或总功)。
156.联动装置可以被布置成使得对于可移动结构相对于平衡轴线的这种移动，力产生器在垂直于重力的方向上基本上没有(净)移动。
157.联动装置可以被布置成使得对于可移动结构在与重力对齐的方向上的移动，力产生器(由力产生器产生的平衡力)所作的功与作用在可移动结构上的重力所作的功基本相等但方向相反。
158.联动装置可以适于将可移动结构相对于平衡轴线的移动与力产生器隔离或分离。
159.力产生器可以布置在平衡轴线上或靠近平衡轴线。
160.力产生器可以(紧密地)与平衡轴线相关联。
161.力产生器可以联接到平衡轴线。
162.力产生器的至少一部分可以布置在平衡轴线上或沿着平衡轴线布置。
163.平衡布置或力产生器可以使其总质量的至少80％在平衡轴线与工作容积中心之间的水平间距的10％之内。
164.力产生器移动的(净)距离(例如，在由驱动布置得到的或引起的或产生的力的作用下)可以小于可移动结构在相对于平衡轴线的这样的移动期间移动的距离的10％。
165.联动装置可以适于将可移动结构相对于平衡轴线的移动与至少一个支撑构件隔离或解开联接，以使得能够保持相对于重力基本上恒定的取向。
166.可以基于力产生器的代表性点(比如力产生器的几何中心或重心)来确定力产生器与平衡轴线之间的间距。在这方面，力产生器可以包括相对于彼此移动的多个零件，从而即使一个零件移动，另一个零件也可以在相反方向上对应移动，使得中心点不会移动。
167.联动装置可以被布置成和/或适于使得(或提供或允许)可移动结构在垂直于重力的方向上相对于平衡轴线移动，而不导致(通过驱动布置)对力产生器做任何功(或作任何功)(净功或总功)。
168.联动装置可以被布置成和/或适于使得(或提供或允许)可移动结构在垂直于重力的方向上相对于平衡轴线移动或被移动，而不导致(通过驱动布置)对力产生器做任何功(或作任何功)(净功或总功)。
169.联动装置可以被布置成和/或适于使得对于可移动结构在垂直于重力的方向上相对于平衡轴线的移动，而基本上没有对力产生器做功(或不导致驱动布置对力产生器做功或作功)(净功或总功)。
170.联动装置可以被布置成和/或适于使得对于可移动结构在垂直于重力的方向上的移动，力产生器相对于平衡轴线基本上没有移动(或至少没有净移动)，并且力产生器(或平衡力)基本上不做功(或不导致做功)。
171.联动装置可以被布置成和/或适于使得至少当可移动结构在垂直于重力的方向上的移动也在朝向/远离平衡轴线(或沿着与其相交的线)的方向上时，基本上不对力产生器做功或力产生器基本上不做功。
172.联动装置可以被布置成和/或适于使得对于可移动结构在垂直于重力的方向上的移动，相对于平衡轴线的移动基本上不对力产生器做功，并且力产生器基本上不做功(或不导致其做功)。
173.联动装置可以被布置成和/或适于使得对于可移动结构在垂直于重力的方向上的移动，力产生器相对于平衡轴线基本上没有净移动，并且力产生器基本上不做功(或不导致其做功)。
174.联动装置可以被布置成和/或适于使得对于可移动结构在垂直于重力的方向上的移动，而基本上不对力产生器做功(或不导致对力产生器做功)或者基本上力产生器不做功(或不导致力产生器做功)。
175.联动装置可以被布置成和/或适于将可移动结构的这样的移动与力产生器隔离(至少部分地隔离)，使得不导致对力产生器做功(或作功)。
176.当可移动结构通过驱动布置围绕工作容积移动时，联动装置可以被布置成和/或适于在基本上平行于或相对于平衡轴线平行的方向上保持平衡力。
177.力产生器也可以替代性地被称为(平衡)力源或(平衡)力起源。
178.可移动结构相对于其他物体(例如，平衡轴线)的移动可以被认为与可移动结构上的特定部分或点(例如，可移动结构与联动装置之间的连接(联动装置连接或联接到可移动结构的部分或点或位置)、或者可移动结构的重心、或者形成可移动结构的一部分的平台的中心)的移动有关。
179.相对于平衡轴线的移动可以被认为是(直接)朝向或远离平衡轴线的移动。相对于平衡轴线的移动可以被认为是在与平衡轴线相交的方向上(或沿着线)的移动。相对于平衡轴线的移动可以被认为是相对于平衡轴线的径向移动。相对于平衡轴线的移动可以被认为是沿着从平衡轴线延伸的半径的移动。相对于平衡轴线的移动可以被认为是沿着从平衡轴线径向延伸的线的移动。
180.对力产生器所做的功与力产生器所做的功是不同的。力产生器所做的功是力产生器自身内部产生的力所做的功(注意，所做的功可能是负的)；如果力施加到物体上，则力产生器所做的功(或力产生器产生的力)等于力乘以物体在该力的作用下移动的距离。另一方面，对力产生器所做的功是由在力产生器外部产生并施加到力产生器上的力所做的功，对力产生器所做的功等于力乘以力产生器在该力的作用下移动的距离。如果对于可移动结构的特定移动，力产生器根本不移动，则没有对力产生器做功，因为否则将已经导致它被移动(加速)。从下面的详细描述中将变得显而易见的是，只要总体上不存在净移动(从而没有做净功)，力产生器的零件就可能存在一些相对的内部移动。对于以上参考图5描述的已知平衡布置，尽管因为弹簧伸长没有变化所以弹簧(力)对水平平台的移动不做功，但是因为使弹簧移动(加速)所以肯定存在驱动支柱对弹簧(即，力产生器)做功。
181.如本文使用的术语“位置”可以被认为是指位置和/或取向。如本文使用的术语“竖直”可以被认为是指基本上与重力对齐的方向。如本文使用的术语“水平”或“侧向”可以被认为是指基本上垂直于重力的方向。
182.为了区别于所陈述特性仅针对可移动结构的人为限制的移动的一小部分(即，不是针对通常在正常工作例程中发生的全部类型和范围的移动)的情况，平衡布置的所陈述特性可以被认为适用于可移动结构在工作容积的至少一个邻接部分中的所有可能的移动(或者至少那些符合任何所陈述限制的移动，比如垂直于重力的移动)不小于工作容积的25％、更优选地不小于工作容积的50％、更优选地不小于工作容积的75％、更优选地为整个工作容积。
183.在力产生器包括相对于彼此可移动的多个零件(例如，多个配重)的情况下，对不存在力产生器的移动的提及可以被认为是指形成力产生器的零件的整体移动或净移动并不存在。例如，如果一个零件(例如，配重)向上移动并且另一零件向下移动，则可以认为存在整体移动或净移动。还将理解，在这种上下文中，仅仅一个零件(例如，滑轮)的旋转不算是该零件的移动，因为该零件的中心没有移动。
184.替代性地，力产生器可以被认为具有代表性点，并且力产生器的位置(以及因此的移动)可以基于该代表性点来确定。例如，代表性中心点可以是力产生器的几何中心或重心，或者考虑到作用在零件上的相应力(例如，力产生器可以包括由单个滑轮布置支撑的一个配重和由双滑轮布置支撑的两倍质量的另一个配重)的情况下是多个零件的加权平均位置。
185.当提到基本上没有由第二零件(可选地，相对于第三零件)的特定移动导致的第一零件的移动时，这可以理解为意味着第一零件的移动小于第二零件(可选地，相对于第三零件)的移动的10％、更优选地小于5％、更优选地小于1％。
186.类似地，当提到由于第二零件的特定移动而基本上不对第一零件做功时，这可以理解为意味着对第一零件所做的功小于这样的移动对第二零件所做的功的10％、更优选地小于5％、更优选地小于1％。
187.现在将通过示例的方式参考附图，在附图中：
188.上文讨论的图1是笛卡尔坐标定位机器的示意图；
189.上文讨论的图2是非笛卡尔坐标定位机器的示意图；
190.上文讨论的图3是对应于图2的布置的非笛卡尔坐标定位机器的自下而上布置的示意图；
191.上文讨论的图4是自上而下布置的示意图，该布置是图3的自下而上布置的替代方案；
192.上文讨论的图5展示了用于非笛卡尔坐标定位机器的已知类型的平衡；
193.图6和图7示意性地展示了用于非笛卡尔机器的平衡布置，该平衡布置在z方向上稳定，但在x方向和y方向上不稳定；这种布置不构成本发明的实施例；
194.图8是图6和图7的平衡布置的更具示意性的表示；
195.图9提供了图8的更广泛的表示，示出了代替图8所描绘的滑轮和平衡布置的通用力产生器；
196.图10是根据本发明实施例的坐标定位机器的示意性表示，是图9所展示方案的发展；
197.图11是图5的已知平衡布置的示意图，为了便于比较，该示意图的形式类似于图10的形式；
198.图12是用于如图1所展示的笛卡尔坐标定位机器的z轴的已知平衡布置的示意图，为了便于比较，该示意图的形式类似于图10的形式；
199.图13是用于笛卡尔坐标定位机器的z轴的已知平衡布置的示意图，该平衡布置具有与图12不同的x、y和z轴布置，为了便于比较，该示意图的形式类似于图10的形式；
200.图14提供了包括实施本发明的平衡布置的非笛卡尔坐标定位机器的侧视图；
201.图15提供了图14所示的非笛卡尔坐标定位机器的局部俯视图；
202.图16示出了平衡布置，其具有与图14和图15相比以不同方式布置的线性和旋转平衡轴线；
203.图17是图14、图15和图16的机器的更示意性的表示，并形成对平衡布置的固有稳定性进行分析的基础；
204.图18主要示出了图17中的联动装置和平台，以考虑作用在这些零件上的力；
205.图19展示了平台的侧向移动如何使下支撑件没有竖直移动，而使上支撑件仅有竖直移动；
206.图20基于图10所示的示意性表示，其中图10的支撑构件是图20中的一组一个或多个支撑构件；
207.图21和图22分别对应于图18和图19，但是示出了不适合在本发明的实施例中使用
的替代性联动装置布置；
208.图23和图24分别对应于图18和图19，示出了不适合在本发明的实施例中使用的另一个替代性联动装置布置；
209.图25至图27分别类似于图19、图22和图24，示出了当上支撑构件在下支撑构件固定在位的情况下竖直移动时平台如何移动；
210.图28展示了基于相同操作原理的图17的布置的“颠倒”替代方案；
211.图29展示了基于相同操作原理的图28的布置的“更长可及距离”的替代方案；
212.图30展示了类似于图29的实施例，但是使用了略微不同的联动装置布置；
213.图31展示了基于相同操作原理的图17的布置的“双滑轮”替代方案；
214.图32提供了形成图18的联动装置布置的连杆在实践中如何可能被成形的图示；
215.图33提供了形成图30的联动装置布置的连杆在实践中如何可能被成形的图示；
216.图34展示了平台如何可以被两个平衡布置支撑，在此示例中，两个平衡布置为图17所示的类型，每个平衡布置仅提供部分平衡力；
217.图35展示了替代性平衡布置，其中力被施加到两个支撑件上，并且其中，当平台侧向地移动时，两个支撑件竖直地移动，但沿相反方向；
218.图36展示了图35的布置的变体；
219.图37展示了基于相同操作原理的图35所示平衡布置的替代性平衡布置，并且还包括与每个支撑件相关联的双滑轮布置；
220.图38展示了在关于图37的实施例的这个示例中恒力弹簧(比如均力圆锥轮弹簧)如何可以被用在任何前述实施例中；
221.图39展示了恒力弹簧在图18的实施例中的使用；
222.图40展示了与前述实施例中所示不同形式的联动装置，其具有伸缩管并且还包括双滑轮布置；
223.图41展示了实施前述实施例中阐述的操作原理的平衡布置还可以被应用于平衡笛卡尔坐标定位机器；
224.图42展示了用于平衡串联运动学非笛卡尔机器人臂的图16的平衡布置；
225.图43展示了实施本发明的笛卡尔平衡布置，其用于平衡笛卡尔或非笛卡尔坐标定位机器；以及
226.图44展示了基于图5但是进行了修改使得平衡力的原点回到与第一旋转平衡轴线成直线的实施例。
227.图6是用于比如以上参考图2至图5所描述的非笛卡尔坐标定位机器的简单类型的平衡布置的示意图。实施本发明的平衡布置可以被认为是从图6所示的平衡布置中得到启发，但是图6的平衡布置本身并不构成本发明的实施例。图6的示例限于平台12在页面平面内的二维(x和z)中移动，即，所展示的平衡布置不能够解决在整个三维工作容积内移动的平台12。实际上，如以下将更详细讨论的，图6的平衡布置甚至不适于平台12在x方向上的平衡移动；更感兴趣的是平衡布置对平台12在z方向上的移动的响应。
228.不同于以上参考图5所描述的对于可移动平台12的不同z位置存在非理想平衡性能的已知平衡，本技术人已经意识到对比如图6所示的简单平衡布置的需要，因为它提供了恒定的平衡响应，而无论可移动平台12的z位置怎样。在这方面，设置的配重30的质量m与由
驱动布置移动的可移动结构(即，可移动平台12和测量探针13)的质量精确匹配(或实际上尽可能匹配)。驱动布置包括多个可伸出腿16，其中的每个可伸出腿具有相关联的线性驱动轴线61。
229.由于平台12在其中操作的工作容积必须基本上没有障碍物，所以配重30方便地定位在工作容积的侧面外，其中平台12经由在两个滑轮46上延伸的细绳32连接到配重30，这两个滑轮具有足以在平台12与配重30之间提供合适的侧向间距的侧向间距。
230.为了获得给定的加速度a，施加在物体上的力f必须等于其质量m乘以加速度a。因此，当物体在重力作用下下落时，作用在物体上的力f等于其质量m乘以重力加速度g，使得f＝mg，其中g是万有引力常数。
231.因此，假设没有来自可伸出腿16的支撑，重力力量mg将向下作用在平台12和配重30两者上，并且对应的张力将在细绳32中产生，该张力将提供同样为mg的向上力，使得系统在z方向上完全保持平衡。
232.此外，无论平台12的z位置如何，都将施加精确相同的平衡力，即系统不受图6所展示的变化dz的影响，这与图5所描绘的已知平衡布置不同。当可移动结构的质量改变时(例如，如果不同质量的工具附接到平台12)，配重30的质量也可以通过增加或去除质量(例如，以与老式称重秤使用的平衡砝码的方式)来方便地调节。
233.然而，如图7所展示，平衡布置对于在x方向上朝向和远离配重的移动肯定是不稳定的。当平台12的x位置发生变化dx时，因为细绳32具有恒定长度，所以配重30将不得不上升，并且这样做涉及做功。当考虑到本发明的实施例的操作时，在下面更详细地探讨施加到平衡系统的功的构思。
234.相应地，在图7所展示的这样的移动(dx)之后，当平台12被释放时，配重30将自然地倾向于回落到如图6所示的其先前(较低能量)状态，并且平台将向内(在x方向上)摆动回到中间(在左侧滑轮46的正下方)。
235.因此，尽管有一些有用的特性，但图6和图7所示的平衡布置并不特别适用于在使坐标定位机器的可移动结构稳定时使用，因为理想情况下，这样的机器中的可移动结构在没有来自驱动布置的驱动时在x、y和z方向上是稳定的，而不仅仅是沿着z方向上的单条轴线稳定。
236.图8提供了图6和图7的平衡布置的更具示意性的表示，示出了经由滑轮布置连接的可移动平台p和配重c，滑轮布置本身由机器的固定结构支撑(连接到该固定结构上)，方便地称为连接到“地面”g。可移动平台p经由驱动布置d和度量布置m分别连接到地面g。驱动布置d负责围绕工作容积移动或驱动平台p，并且度量布置负责测量平台p在工作容积中的位置。驱动布置d的多条驱动轴线示意性地表示为多条线(对应于例如图2的机器的六个驱动支柱或可伸出腿16或者图1的机器的x、y、z驱动轴线)，并且类似地对应于度量布置m的度量轴线；这些轴线可以是并联或串联的运动学轴线，运动学轴线为笛卡尔或非笛卡尔的。
237.如上所述，度量布置m可以与驱动布置一体形成，例如如图2所展示，或者度量布置可以至少在某种程度上与驱动布置d分离，例如如在wo 2007/144573和wo2019/073246中所描述。相应地，在图8的表示中，度量布置m和驱动布置d被示出为单独的实体，每个单独地连接到地面g，但是它们实际上可以是同一个实体(即驱动与度量组合布置d/m)。还将理解，平台p不仅表示平台12，还表示由平台12支撑的任何东西(比如工具，例如测量探针)。鉴于此，
术语“可移动平台”在本文中可以被认为等同于“可移动结构”并且可以与其互换。
238.图9提供了图8的更概括的表示，其中图8中所描绘的滑轮与平衡布置被力产生器q代替(或表示)，力产生器产生作用在平台p与地面g之间的平衡力mg。图9的表示完全等同于图8的表示，平衡力mg是图8的滑轮布置的左侧细绳中产生的张力。图8的滑轮布置可以被认为仅仅是为了使由配重c产生的平衡力(其向下作用，而平衡力必须向上作用在平台p上)的方向反向。应该注意，作用在地面g上的力将是2mg(还考虑到抵消图8中支撑配重c的右侧细线上产生的张力mg所需的力；尽管图中未示出，但细绳中的张力向下作用在滑轮上，并且向上作用在平台p和配重c上)。
239.图10示意性地展示了本发明的实施例。本技术人设计了新的机器架构，其借鉴了图9的简单平衡方案的有益方面，即在z(竖直)方向上的完全(或接近完全)平衡稳定性，不过修改了图9的方案以克服如上所述的缺点，从而也在x和y(水平)方向上提供平衡稳定性。
240.简单地说，来自图9的恒定平衡力mg被保持，但是在图10的方案中，这个力mg不直接作用在平台p与地面g之间，而是作用在中间支撑件s与地面g之间，支撑件s沿着竖直布置的线性平衡轴线l是可移动的(例如，可滑动的)。进而，平台p经由联动装置k由支撑件s支撑。利用这种布置，平台p仍然通过沿着线性平衡轴线l作用的平衡力mg在竖直方向上平衡，但是经由联动装置k而不是直接平衡。这样的机器架构因此提供了用于将平台p定位在工作容积内的多条驱动轴线，并且还提供了用于使平台p平衡的单独的线性平衡轴线l。
241.联动装置k将力产生器q产生的平衡力mg传递到平台p(或者替代性地，这可以被视为联动装置k将平台p的重量mg传递到支撑件s上)。如下面将更详细说明的，联动装置机构k提供或使得平台p能够相对于支撑件s水平移动(以及平衡力mg)，并且以不影响由作用在地面g与支撑件s之间的力mg提供的竖直平衡的方式这样做。联动装置k可以被认为将平台p的水平移动与支撑件s隔离开。联动装置k的这些特性使得能够采用图6的简单(并且非常有效)的竖直平衡方案，即使对于在工作容积内水平地和竖直地移动的平台p也是如此。
242.由于可以(例如，经由简单的平衡布置)产生与平台p(以及任何被支撑的部件)的重量相匹配的恒定平衡力mg，并且该恒定平衡力f作用在恒定的方向上，而不管平台p在工作容积中的位置如何，根据本发明实施例的平衡布置具有在整个工作容积中完全(或接近完全)平衡的益处，这与图5的已知平衡布置的情况不同。
243.应理解，在图10中，将平衡力(由力产生器q产生)仅称为f而不是mg是合适的，从而确认平衡力f并不严格需要与可移动平台p的重量mg精确匹配，但平衡力f足以支撑否则将必须由驱动布置支撑的至少一些重量mg(从而减少驱动布置产生的热和所做的功的量)。
244.为了使得平台p能够在工作容积内在所有三个维度上完全移动，包括进出附图页面，平衡布置可以设置有附加自由度，在图10中示出为围绕旋转平衡轴线r的转动自由度。附加自由度可以转而成为平移自由度。附加的自由度可以设置在联动装置k本身内或作为其一部分。对于如图10所示的旋转平衡轴线r，应该注意，线性平衡轴线l(和平衡力f)可以自旋转平衡轴线r偏移(并与其平行)，其中线性平衡轴线l和旋转平衡轴线r有效地串联布置，这将从下面参考图14描述的特定实施例中显而易见。线性平衡轴线l也可以与旋转平衡轴线r同轴，图16的实施例就是这种情况。
245.在串联布置中，旋转平衡轴线r也可以在线性平衡轴线l之前(后面)或之后(前面)(在从地面g到平台p的方向上)。线性平衡轴线l可以被认为是第一线性平衡轴线l1，并且联
动装置k可以被认为是为平衡布置提供第二线性平衡轴线l2。旋转平衡轴线r也可以被认为是第一旋转平衡轴线r1，其中三条附加的旋转平衡轴线r2/3/4由联动装置k与平台p之间的联接器提供。在图10右侧的插图部分中示意性地展示了这些轴线的两种可能的布置，并且将在下面分别参考图14和图16对其进行更详细地讨论。在两种布置中，平衡力f被施加到线性平衡轴线l1(沿着线性平衡轴线l1施加)。
246.联动装置k和力产生器q有利地相互布置，以确保对于平台p在垂直于重力g的方向上的移动，除了可能由于力产生器围绕至多一条旋转平衡轴线(其可以布置成穿过力产生器q或者至少靠近力产生器)的旋转之外，基本上不对力产生器q做净功(并且力产生器q没有净移动)。这是有利的，因为为了产生足够大的平衡力来支撑重的平台p，需要力产生器q相对庞大，具有大的质量。移动(加速)如此大的质量需要施加相当大的力(因为力等于质量乘以加速度)，这进而意味着驱动布置在这样做时做了相当大量的功(因为对物体所做的功等于施加到物体上的力乘以物体移动的距离)。
247.在坐标测量机器的上下文中，坐标测量机器需要高准确度，并且准确度受到未知和/或不受控制和/或不均匀的热源(以及机器关键零件的相关联热膨胀)的不利影响，期望减少驱动布置所做的功(产生的热)的量。在图2所示类型的六足坐标定位机器中，避免使驱动布置为平台的水平移动做额外的功是特别有益的，因为驱动支柱16由于其物理布置而在竖直方向上比在水平方向上更有力(因此竖直地使平台和任何辅助质量加速比水平地使其加速更容易)。
248.对于图5的平衡布置，即使当平台12被水平地移动时，也存在重的力产生器(即，由铰链93承载的弹簧96)的移动，这需要铰链93上的驱动支柱16做功(以使其加速)。此外，铰链93的加速度对于平台12在工作容积内的所有位置都是不均匀的，平台12的一些移动使铰链93的加速度非常高，而其他移动使加速度低得多；这对坐标定位机器的动态响应有不利影响。在本发明的实施例中，对于平台朝向和远离平衡轴线的径向移动，基本上没有对力产生器做功，并且对于平台围绕平衡轴线的圆周运动，加速度是均匀的，使得动态响应得到更好的控制。
249.当平台p通过驱动布置d围绕工作容积移动时，联动装置k和力产生器q还有利地协作以将平衡力f保持在相对于重力g(并且相对于平衡轴线l或r)基本上恒定的取向上。这极大地简化了力产生器q的技术要求，以使得力产生器能够产生恒定力的平衡力f。例如，在图5的平衡布置的情况下，对于平台12的竖直移动，臂92、94将改变相对于彼此的角度，并且弹簧96产生的弹簧力的方向将改变。这进而将引起来自弹簧96的变化的弹簧力以及用于平台12的平衡力，该平衡力不会在整个工作容积中保持恒定，除非使用复杂且庞大(重)的恒力弹簧。
250.通过与图10的方案相比较，图11中提供了图5的已知非笛卡尔平衡布置的示意性表示。平台p经由驱动与度量组合布置d/m连接到地面g，并且在另一侧，铰链h设置在围绕所指示的旋转轴线r1摆动的平衡臂a上，铰链h也围绕旋转轴线r2旋转，并且臂b围绕旋转轴线r3(加上由将臂b联接到平台p的万向接头提供的附加的三条旋转轴线r4至r6)旋转。力产生器q(例如，图5的弹簧96)产生平衡力f。平衡轴线的布置示意性地展示在图11下面的方框部分中，这也指示平衡力f施加到旋转平衡轴线r3(围绕旋转平衡轴线r3施加)。应注意，平衡臂a必须围绕标记的旋转轴线r1摆动，并且铰链h必须围绕旋转轴线r2摆动，即使对于平台p
在附图平面内的移动也是如此；这样的移动在固定联动装置的情况下是不可能的。与图10所表示的实施例不同，在图11所表示的已知平衡布置的情况下，平衡力f不在恒定方向上作用，并且不直接连接到地面g。此外，即使对于平台p朝向或远离臂a的移动，力产生器q也移动(加速)，这意味着驱动布置d对力产生器q做功，并且如上所述，这样的移动在工作容积四处也不均匀。这是由于图11的平衡布置仅包括旋转轴线，力产生器q在其与地面g之间具有至少两条旋转轴线(r1和r2)。
251.图12以类似形式提供了用于图1所展示的笛卡尔机器的已知平衡布置的示意性表示。如上所述，因为笛卡尔机器具有正交轴线的简单的x、y、z布置，所以z轴(即图1的柱8)可以经由有效地作用在z轴与相邻的y轴之间的平衡力f被单独平衡。对于具有不同的串联布置的轴线的笛卡尔机器(比如在us4229136中披露的)，平衡布置看起来更像图13的示意性表示，其中平衡力f作用在z轴与地面之间。然而，如上所述，这样的平衡布置如何适用于非笛卡尔机器并不显而易见，因为在图13的布置的情况下，z驱动轴线被直接平衡，但是非笛卡尔机器并不具有z驱动轴线来进行平衡。
252.现在将参考图14和图15描述图10的总体方案的更具体的实施例。如同前面描述的非笛卡尔坐标定位机器一样，可移动平台12支撑测量探针13，并被可伸出腿16在工作容积内来回驱动，特别是被(控制器，比如图2所示的控制器15)控制，以将测量探针13移动以使其与支撑在机器的固定结构14上的工件19成感测关系。固定结构14包括在如以上参考图4所说明的“自上而下”布置中的下部部分和上部部分，工件19被支撑在该下部部分上，该上部部分支撑可伸出腿。如上所述，每个可伸出腿16以线性方式伸出和缩回，使得图14的驱动布置可以被认为包括分别与多个可伸出腿16相关联的多条线性驱动轴线61。当平台12围绕工作容积移动时，这些线性驱动轴线61中的每一条线性驱动轴线的取向都变化。
253.图14的机器设置有平衡布置50，该平衡布置根据以上参考图10阐述的原理操作，具有经由滑轮布置连接到两个支撑构件24中的较低一个支撑构件的配重30。支撑构件24(包括上支撑构件和下支撑构件24)可以统称为支撑件。滑轮布置具有一端连接到配重30而另一端连接到下支撑构件24的细绳(或绳索或缆线)32，并且细绳32穿过两个本身由壳体40支撑的滑轮46。配重30可以被认为是用于平衡布置50的力产生器(具有相关联质量)，产生细绳32中的张力的形式的平衡力mg，细绳连接到下支撑构件24(经由滑轮46和细绳32)，以便将张力(平衡力)施加到下支撑构件24。由于配重30产生向下(沿重力方向)作用的平衡力，并且由于施加到下支撑构件24的平衡力必须向上(沿与重力相反的方向)作用，所以滑轮46和细绳32可以被认为提供了使向下作用在配重30上的重力mg的方向反转的功能，以提供向上作用在下支撑构件24上的平衡力mg。只要滑轮46具有足够的宽度以在配重30与轨道44之间提供所需的侧向间距，就可以使用单个滑轮46来代替两个滑轮。
254.支撑构件24可沿着贴附在壳体40上的竖直布置的轨道或导轨44滑动，从而为平衡布置50(相当于图10所示的平衡布置)限定了线性平衡轴线l。线性平衡轴线l与向上作用在下支撑构件24上的平衡力mg成直线(但是这些线性平衡轴线可以相对于彼此偏移和/或平衡力可以与平衡轴线l成一定角度施加到下支撑构件24上，其中平衡力的分量沿着平衡轴线l作用)。壳体40本身经由旋转式接头41可旋转地附接到机器的固定结构14，允许壳体40(带有配重30)围绕竖直旋转轴线r旋转。此旋转轴线r限定了平衡布置50(相当于图10所示的布置)的旋转平衡轴线r。
255.(在此实施例中)应注意，旋转平衡轴线r自线性平衡轴线l偏移(即，偏移施加到下支撑构件24的平衡力mg的线)，但是在其他实施例中，这两条轴线可以重合或同轴(参见图16中所示的替代方案)。尽管偏移，但在此实施例中，配重30本身设置在平衡轴线r上(或沿着平衡轴线r)(即，自平衡轴线r的偏移为零)，这是有利的，因为当平衡布置50围绕旋转平衡轴线r旋转时，由于平台12围绕平衡轴线r的圆周移动，期望尽可能多的旋转质量块尽量靠近旋转轴线r，以使这样的移动所做的功(通过移动质量块做功)最小化。
256.因此，如果不直接在旋转平衡轴线r上，则期望至少将配重30布置得尽可能靠近旋转平衡轴线。在这方面，与配重30本身的质量相比，平衡布置50的其他零件(比如支撑构件24、轨道44、滑轮46、细绳32甚至壳体40)的质量可以被认为是微不足道的。在任何情况下，期望将平衡布置50的尽可能多的质量尽可能靠近旋转平衡轴线r定位。
257.使用从图10借用的术语，图14展示了串联布置，其中当从地面g到平台p的方向观察时，元件的顺序如下：[g
→r→
l
→k→
p]，这在图14的插图部分(a)中示意性地展示。旋转轴线r可以被认为在线性轴线l之后(或之前)(当按照从g到p的顺序观察时)。由于串联布置中在r之后的所有物体都将围绕r旋转，并且由于力产生器q(配重30)与串联布置中在旋转轴线r之后的线性轴线l相关联(连接)，力产生器q(配重30)也将围绕旋转轴线r旋转。因此，当机器元件以此顺序布置时，旋转轴线r在线性轴线l之后，有利的是沿着旋转轴线r或至少靠近该旋转轴线布置力产生器q(配重30)。
[0258]
应该注意，联动装置k为平衡布置50有效地提供了第二线性轴线(即，第二线性自由度)，而万向接头26有效地提供了三条旋转轴线(三个转动自由度)，使得全部轴线有效地为如下：[g
→
r1
→
l1
→
l2
→
r2
→
r3
→
r4
→
p]。这在图14的插图部分(b)中示意性地展示。除了由万向接头26提供的旋转平衡轴线(r2至r4)之外，平衡布置50包括单条旋转平衡轴线(r1)和两条线性平衡轴线(l1和l2)。
[0259]
力产生器q产生的平衡力f被施加到线性平衡轴线l1(沿着线性平衡轴线l1施加)。力产生器q本身被容纳在壳体40内，该壳体在轴线的串联布置中在旋转轴线r1的前面。由于力产生器q串联在旋转轴线r1的前面，该力产生器与r1一起旋转。然而，如插图部分(b)所指示，尽管力产生器q串联在旋转轴线r1的前面，但是力产生器q在物理上基本上与旋转轴线r1成直线，使得力产生器q的质量尽可能接近旋转轴线r1。回想力产生器q的质量将是相当大的，因为在此实施例中，它与平台12以及附接到其上的任何东西的质量基本上相匹配，所以将力产生器g尽可能靠近旋转轴线r1放置是有益的。然而，将力产生器g直接放置在旋转轴线r1上并不是必要的，因为仅仅通过将力产生器g从线性轴线l1移向旋转轴线r1会获得一定益处。
[0260]
正如上所述，平衡布置50有效地具有两条线性平衡轴线(即两个线性自由度)和四条旋转平衡轴线(即四个转动自由度)，或者总共六条平衡轴线(即六个自由度)。通常，为了提供两个体之间的完全相对移动，需要六个自由度(例如，三个线性自由度和三个转动自由度，或者六个线性自由度，或者线性自由度和转动自由度的某个其他合适的组合)，因此图14的平衡布置50具有六个自由度的完整补充。图14的两条线性轴线(l1，l2)基本上彼此垂直，第一线性轴线(l1)与重力基本上对齐，并且第二线性轴线(l2)基本上垂直于重力，而第一旋转轴线(r1)基本上平行于第一线性轴线(l1)。万向接头的三条旋转轴线(r2到r4)可以被认为是串联布置的，即使它们平行地围绕同一点作用，因为两条不同的旋转轴线不能在
两个刚性结构之间平行作用，这是因为它们会彼此冲突(需要连接的结构的一些弯曲以避免这种冲突，但在这里不是这种情况)。
[0261]
平台12经由联动装置22连接到支撑构件24，该联动装置有效地提供了第二线性平衡轴线(l2)。在此实施例中使用的联动装置机构22被称为scott russell联动装置，其包括两个刚性杆，一个杆的长度是另一个杆的长度的两倍，并且较短的杆的一端可枢转地连接到较长的杆的中心。较短的杆的另一端可枢转地连接到下支撑构件24。较长的杆的一端可枢转地连接到上支撑构件24，并且另一端经由万向接头26连接到平台12。联动装置22经由万向接头26联接到平台12，万向接头在插图部分(c)中放大示出。
[0262]
如下面将参考图17更详细说明的，联动装置22和力产生器(配重30)相互被布置成当平台12通过驱动布置(可伸出腿16)围绕工作容积移动时将平衡力mg保持在相对于重力g基本上恒定的取向上。在这方面，联动装置22适于将平台12的侧向移动与下支撑构件24隔离或分离，以使得此恒定取向能够被保持，在此实施例中，这使得平台12能够在x、y和z轴上自由移动，而下支撑构件24被约束成沿着轨道44线性地移动，从而使得平衡力mg的恒定取向能够通过这样的平台移动被保持。这将在下面参考图17的说明中变得更加显而易见。
[0263]
显而易见的是，力产生器(配重30)基本上布置在由平衡轴线r以及联动装置22与平台12之间的连接26所限定的平面上，并且即使平台12围绕工作容积移动时也是如此。同样显而易见的是，力产生器(配重30)、平衡轴线r和联动装置22基本上被布置在一个平面内，并且即使当平台12围绕工作容积移动时也是保持如此。
[0264]
显而易见的是，线性平衡轴线l(也标记为l1)与旋转平衡轴线r(也标记为r1)串联布置。当在从固定结构14到可移动结构12的方向上观察时，在此实施例中，旋转轴线r在线性轴线l之前，但是这些轴线可以按其他顺序布置，例如在联动装置22与支撑构件24之间具有可枢转连接，这允许围绕竖直轴线旋转。在这样的实施例中，当从固定结构14到可移动结构12的方向观察时，旋转轴线r将在线性轴线l之后。下面参考图16描述这样的实施例。
[0265]
图15示出了图14的机器的俯视图，其中相同的零件由相同的附图标记表示。俯视图更清楚地展示了联动装置22如何提供平台12朝向和远离配重30的径向移动，而旋转式接头42提供平台12围绕旋转轴线r移动角度从而允许平台12在x和y两个方向上移动，或者更具体地通过r和两者移动。平台12可通过支撑构件24沿着竖直轨道44的移动而在z方向上移动，平台12的z方向移动经由联动装置22传递到支撑构件24。
[0266]
参考图11所示的已知平衡布置，上面已经提到了平衡臂a必须围绕旋转轴线r1摆动，即使对于平台p在附图平面内移动(即朝向和远离旋转轴线移动)也是如此。尽管在图14的实施例中也存在旋转轴线r，但与图11(和图5)的平衡布置不同，此旋转轴线r对于平台12在附图平面内的移动(即对于朝向和远离旋转轴线r的移动)是不需要的。不可避免的是，平衡布置需要附加的自由度以使得能够移动出附图的平面外，并且此实施例中的旋转轴线r是这种必然性的结果，而不是核心平衡设计的结果。在其他实施例中，不需要旋转轴线r(附加的自由度可以由线性轴线提供，与图43中的情况一样)。当被限制在附图平面内的二维移动时，对于图14的实施例，不需要旋转轴线r。此外，在此实施例中，施加到支撑构件24的平衡力始终与重力对齐，而不管平台12位于工作容积中的何处，并且作用在机器的固定结构14与下支撑构件24之间。在这方面，平衡力由细绳32中的张力提供，细绳进而由固定结构14(经由接头42)支撑，正如图10的表示中一样。
[0267]
在图14和图15所示的实施例中，旋转平衡轴线r自线性平衡轴线l偏移，并且串联在线性平衡轴线l之前(当从固定平台14到可移动平台12的方向观察时)。图16示出了替代性实施例，其中旋转平衡轴线r与线性平衡轴线l重合，并且串联在线性平衡轴线l之后。在图16所示的实施例中，壳体40固定地附接到机器的固定结构14上，而不是经由图14的旋转式接头41附接。而是，旋转式接头结合到支撑构件24中，如图16的插图部分(c)中最清楚地展示的。每个支撑构件24包括内部部分24b，该内部部分由外部部分24a围绕旋转轴线r可旋转地支撑。旋转轴线r串联在线性轴线l之后，因为支撑构件24的外部部分24a沿着线性轴线l滑动，并且内部部分24b相对于外部部分24a围绕旋转轴线r旋转。
[0268]
借用图10中使用的术语，图16展示了一种串联布置，其中当从地面g到平台p的方向观察时，元件的顺序如下：[g
→
l
→r→k→
p]，这在图16的插图部分(a)中示意性地展示。旋转轴线r可以被认为是在线性轴线l前面(或之后)。串联在r之后的任何东西都会围绕r旋转，在r之前的东西不会围绕其旋转。因此，由于力产生器q(配重30)与线性轴线l相关联，在此实施例中，力产生器q(配重30)将有利地不围绕旋转轴线r旋转。
[0269]
注意，如上所述，联动装置k为平衡布置50有效地提供了第二线性轴线(第二线性自由度)，而万向接头26有效地提供了三条旋转轴线(三个转动自由度)，使得全部轴线有效地为如下：[g
→
l1
→
r1
→
l2
→
r2
→
r3
→
r4
→
p]。这在图16的插图部分(b)中示意性地展示。在此布置中，当沿着串联的轴线从g到p的方向观察时，平衡力施加到其上的平衡轴线(l1)位于任何旋转平衡轴线(r1到r4)的后面。
[0270]
在插图部分(b)中还标记了力产生器q在平衡轴线布置中的位置。与图14不同，在图16中，力产生器q在平衡轴线的串联布置中位于旋转轴线r1的后面，平衡力仍然被施加到线性平衡轴线l1(沿着线性平衡轴线l1施加)。串联在旋转轴线r1后面的力产生器q不与r1一起旋转，这是有益的，因为不仅没有功用于移动力产生器q以使平台12随着页面平面水平移动(朝向和远离平衡轴线l1和/或r1)，而且对于平台12离开页面平面的水平移动(周向地围绕平衡轴线r1)也是如此。
[0271]
图17中更示意性地展示了图14和图16的布置，这些布置将用于说明这些实施例的操作原理，特别是scott russell联动装置机构22的特性，这些特性使其适合用作参考图10描述的联动装置k。平台12和由平台12支撑的任何工具(比如测量探针13)，在图17中示意性地表示为单个平台p，并且在此二维表示中简化了平台p与联动装置之间的连接，因为为了允许除了在y方向上的微小移动(进入和离开页面)之外的任何事，当然需要合适的接头，比如图14和图15中的接头26；这适用于下文描述的大多数示意性表示，这些示意性表示旨在示出二维操作的原理，第三维度(进入和离开页面)例如由旋转平衡轴线r处理。
[0272]
当力施加到物体上时，对物体所做的功w(或给予物体的能量)等于施加的力f乘以物体在力f的作用下移动的距离：
[0273]
w＝f
×
距离
[0274]
功使能量从一个地方传递到另一个地方，或者从一种形式传递到另一种形式；例如，由弹簧施加到物体上的力将以动能和/或重力势能的形式将存储在弹簧中的能量传递到物体上(例如，以沿z方向提升物体)。如果物体抵抗作用力移动，则功可能是负的；例如，当物体被竖直提升时，重力的力所做的功是负的，因为重力与位移的方向相反(但提升力所做的功是正的)。
[0275]
现在考虑图17所展示的布置，其中，平台p和配重c被认为是移动体，为了简单起见，联动装置被认为质量可忽略。两个体系统的重力势能e的变化de由重力的力对两个体所做的总功给出(f＝mg)：
[0276]
de＝f
×
距离
[0277]
＝mg
×
(dh dz)
[0278]
其中，m是平台p和配重c的质量，g是万有引力常数，dh是h的变化，并且dz是z的变化。对于正的dh和dz，变化de是正的，因为这两个值中的任何一个的正值都等于抵抗重力提升质量，从而将重力势能传递给质量。
[0279]
从图17中显而易见的是：
[0280]
h＝a-v
[0281]
＝a-(l-b-c-2q sinθ)
[0282]
＝a-l b c 2q sinθ
[0283]
其中，l是细绳(到配重的中心点)的固定长度。在以上表达式中，a、l和c是常数，而b将取决于机器内的联动装置k的总高度而变化。同样显而易见的是：
[0284]
z＝a-b-2q sinθ
[0285]
将这些代入以上de的表达式，得到de的以下表达式：
[0286]
de＝mg(db 2q cosθdθ-db-2q cosθdθ)＝0
[0287]
因此，变量θ的变化dθ不会产生系统总势能e的变化de，并且因此系统是稳定的；θ没有增加或减少的趋势，因为这样做不会引起较低能量状态，并且因此系统是稳定的，并且在没有任何外部施加力的情况下，平衡块执行其将系统保持在稳定配置中的预期功能。
[0288]
特别地，平台p在z方向(与重力对齐)以及x和y方向(垂直于重力)上都是稳定的，从而如果平台p被驱动布置d移动到机器的工作容积中的期望位置，然后驱动布置d被停用，则即使没有任何驱动，平台p也将保持在相同的位置。此外，与已知平衡布置相比，这是一种基本上“纯的”或“完全的”稳定形式，因为平台p在工作容积中的不同位置所涉及的力根本不变化。
[0289]
不考虑图17中从这些物体发出的向下箭头所表示的重力的力对平台p和配重c所做的功，现在仅考虑图18中略简化的版本中所示的力。特别地，考虑由滑轮系统的细绳中的张力在支撑构件上所做的功和由重力的力在平台上所做的功。由于系统是(理论上)完全保持平衡的，细绳中的张力等于mg，并且此力向上作用在下支撑构件上。上支撑构件没有附接到细绳上，并且因此在竖直方向上作用在该支撑构件上的力为零。向下作用在平台上的重力当然等于mg。
[0290]
通常，(一个或多个)张力对(一个或多个)支撑构件所做的总功由下式给出：
[0291][0292]
其中，fi是作用在支撑构件i上的力，并且dzi是支撑构件i沿z方向移动的距离。图20(其基于图10的示意性表示)中示意性地展示了这一构思。通常，可以认为存在n个支撑构件i＝0...(n-1)，其中，n是大于或等于1的整数，支撑构件i具有沿着线性平衡轴线li施加在支撑构件i与地面g之间的力fi。
[0293]
如图19图形地所展示的，scott russell联动装置的一个关键特性是，当平台p在
垂直于重力的方向上水平移动了量dx时，此水平移动被联动装置仅仅转化或转换成上支撑构件的竖直移动dz1(没有平衡力施加到其上)，而下支撑构件(有平衡力施加到其上)没有竖直移动dz0，并且每个支撑构件都没有水平移动dx、dy。
[0294]
因此，细绳中的张力对支撑构件所做的总功由下式给出：
[0295]
w＝f0×
dz0 f1×
dz1＝f0×
0 0
×
dz1＝0
[0296]
在上文中，下支撑构件已经被指配了索引i＝0，上支撑构件已经被指配了索引i＝1，并且dz0＝0(下支撑构件在z方向上不移动)和f1＝0(上支撑构件没有附接到滑轮细绳)的情况也是这样的。
[0297]
因此，对于平台的水平运动，施加到支撑构件上的平衡力所做的总功为零。换句话说，平台的水平移动不会引起总能量状态的变化，因此平台没有向侧边或水平地移动的动机或趋势，并且因此系统在垂直于重力的方向上是稳定的。
[0298]
当平台p在与重力对齐的方向上竖直地移动了量dz时，此竖直移动通过联动装置转化成每个支撑构件i的对应的竖直移动dzi。因此，作用于支撑构件的力fi所做的总功如下：
[0299][0300]
对于图18的示例，以上表达式等于：
[0301][0302]
相应地，力fi所做的功与作用在平台p上的重力所做的功精确匹配，即两者都等于mg
×
dz。相应地，随着平台的z位置上的变化dz，总能量状态没有变化，因此平台p没有竖直地移动的动机或趋势，并且系统在与重力对齐的方向上因此也是稳定的。
[0303]
同样，由于平衡布置的性质，这些力对于平台p在工作容积内的不同位置根本不变化，在假设平衡块c的重量与平台p的重量匹配或几乎匹配的情况下，可以认为平衡布置始终提供完全或接近完全的平衡。当然，在实践中，平衡块c可能不与平台p(或者，包括也附接到平台上的任何东西的可移动结构)的重量完全匹配，但是如果存在完全的匹配，则可以认为平衡块也是完美的或者至少是接近完美的。
[0304]
从以上分析中还显而易见的是，联动装置设计是这样的：对于平台的任何移动，任一个支撑构件都不存在水平移动，这使得支撑构件能够沿着它们相应的轨道运行，并且因此使得当平台围绕工作容积移动时，平衡力能够被保持在相对于重力基本上恒定的取向上。下支撑构件的任何侧向移动尤其会导致以上参考图6和图7所解释的那种问题，其中，当平台围绕工作容积移动时，平衡力不被保持在相对于重力基本上恒定的取向上。能够将平衡力保持在相对于重力基本上恒定的取向、同时仍然允许平台围绕工作容积移动提供了非常有效的平衡布置。对于非笛卡尔机器来说尤其如此，该机器本质上不具有任何相对于重力保持固定取向的驱动轴线。
[0305]
图21展示了一种不完美版的平衡，其具有更长的臂长3q，而不是2q。h的表达式与上面相同，而z的表达式变为：
[0306]
z＝a-b-3q sinθ
[0307]
因此：
[0308]
de＝mg(db 2q cosθdθ-db-3q cosθdθ)＝-mgq cosθdθ
[0309]
其中，θ在0
°
至90
°
的范围内(图21的布置就是这种情况)，cosθ在1至0的范围内(即cosθ为正)，使得对于θ的小的正变化dθ，系统的重力势能会减小，因为de为负。因此，在不存在任何其他作用力的情况下，趋势是θ减小，而不是保持稳定，因此图21的布置会自然地塌陷。因此，图21的布置不适合用作平衡块，并且不构成本发明的实施例。图22对应于图19，并且图形地示出了平台的水平移动如何引起两个支撑构件的z方向移动。
[0310]
图23展示了一种不完美版的平衡，其具有较短的臂长1.5q，而不是2q。de和h的表达式保持不变，而z的表达式变为：
[0311]
z＝a-b-1.5q sinθ
[0312]
因此：
[0313]
de＝mg(db 2q cosθdθ-db-1.5q cosθdθ)＝0.5mgq cosθdθ
[0314]
鉴于以上情况，显而易见的是，图23的布置也是不稳定的，其中自然趋势是θ增大；同样，图23的布置因此也不适合用作平衡块，并且也不构成本发明的实施例。图24对应于图19，并且以图形示出了平台的水平移动如何引起两个支撑构件的z方向移动。
[0315]
图25至图27分别类似于图19、图22和图24，但是改为示出了当上支撑构件在下支撑构件(即平衡力施加到其上的支撑构件)处于恒定z位置的情况下竖直地移动时，平台如何移动。对于没有实施本发明的平衡布置(图26和图27)，平台的z位置随着这种运动而变化，引起系统能量的整体变化，并且因此给这些布置带来固有的不稳定性。
[0316]
此外，图14和图16中的线性轴线l在图25中被标记为第一线性轴线l1，显而易见的是，图25的联动装置有效地提供了基本上垂直于第一线性轴线l1的第二线性轴线l2。由于第一线性轴线l1与重力基本上对齐(基本上竖直)，因此第二线性轴线l2基本上垂直于重力(基本上水平)。这是因为scott russell联动装置的性质使得其产生从线性到线性的直角运动变化。因此，当联动装置联接到第一线性轴线l1时，联动装置有效地产生第二线性轴线l2，从而为平衡布置提供两个(基本上正交的)线性自由度。另一方面，对于图26和图27中所展示的联动装置来说，情况并非如此，在这两种情况下，联动装置都产生了与线性(竖直)轴线l相联接的明显非线性轴线nl。
[0317]
图28示出了替代性平衡布置，其是以上参考图17描述的“颠倒”形式。在图28的布置中，上支撑构件附接到滑轮细绳，而不是下支撑构件。类似的分析适用于以上结合图17给出的分析：
[0318]
z＝u 2q sinα
[0319]
h＝a-v＝a-(l-c-b)＝a-(l-c-(a-u-2q sinθ))＝2a-l c-u-2q sinθ
[0320]
在以上表达式中，a、l和c是常数，而u将取决于机器内的联动装置k的总高度而变化。因此：
[0321]
d卣＝mg(du 2q cosθdθ-du-2q cosθdθ)＝0
[0322]
因此，变量θ的变化dθ不会产生系统总势能e的变化de，并且因此系统是稳定的；θ
没有增加或减少的趋势，因为这样做不会引起较低能量状态，并且因此系统是稳定的，并且在没有任何外部施加力的情况下，平衡块执行其将系统保持在稳定配置中的预期功能。如以上参考图25所说明的，图28的联动装置也有效地产生了两条正交布置的线性平衡轴线。
[0323]
现在将基于与以上阐述的相同的原理来描述本发明的另外的实施例。相应地，对这些另外的实施例的描述没有如以上给出的那样详细。
[0324]
图29展示了图28的布置的“更长可及距离”的替代方案，具有附加的连杆和接头。图29的联动装置具有与图28的联动装置相同的特性，即当平台仅水平地移动时，上支撑构件不移动，并且对于平台的任何移动都不试图水平地移动，从而将平衡力保持在相对于重力基本上恒定的取向上。如以上参考图25所说明的，图29的联动装置也有效地产生了两条正交布置的线性平衡轴线。
[0325]
图30展示了类似于图29的实施例，但是使用了略微不同的联动装置布置，该联动装置布置具有三个长度为1.5q的连杆和一个长度为0.5q的连杆。同样，图30的联动装置具有与上述其他联动装置相同的特性，即当平台仅水平地移动时，附接到平衡力的支撑构件不移动，并且对于平台的任何移动都不试图水平地移动，从而将平衡力保持在相对于重力基本上恒定的取向上。如以上参考图25所说明的，图30的联动装置也有效地产生了两条正交布置的线性平衡轴线。
[0326]
图31展示了与力产生器相关联的“双滑轮”布置，其与图17的单滑轮布置形成对比。使用两倍于平台重量的配重，因为配重仅移动平台竖直距离的一半，使得系统的总势能仍然稳定，并且支撑下支撑构件的滑轮细绳中的张力是作用在配重上的重力的一半，即等于作用在平台上的重力。如以上参考图25所说明的，图31的联动装置也有效地产生了两条正交布置的线性平衡轴线。
[0327]
图32提供了形成图18的联动装置布置的连杆在实践中如何可能被成形为仅使用片材或板状材料(例如铝或钢材料)为联动装置提供结构刚性的图示。类似地，图33提供了形成图30的联动装置布置的连杆在实践中如何可能被成形和形成的图示。
[0328]
图34展示了平台如何可以被两个平衡布置支撑，在此示例中，两个平衡布置是图17所示类型，每个平衡布置仅向平台提供一半的平衡力，使得总平衡力与先前的实施例相同。
[0329]
图35展示了替代性平衡布置，在该替代性平衡布置中，力施加到两个支撑构件上，而不是像前述实施例那样只施加到其中一个支撑构件上，并且其中，联动装置适于使得当平台水平移动时，两个支撑构件竖直地移动，但沿相反方向。力产生器(经由相应的滑轮布置)沿向上方向对每个支撑构件施加1/2mg的力，使得当一个支撑构件向上移动而另一个支撑构件向下移动时，一个平衡力所做的功为正，而另一个平衡力所做的功为负，随着所作的总功为零，即，∑
ifi
dzi＝0，使得在水平方向上存在平衡稳定性，并且力的总和fi仍然与平台的重量相匹配，即，∑
ifi
＝mg，从而在竖直方向上也存在平衡稳定性。如以上参考图25所说明的，图35的联动装置也有效地产生了两条正交布置的线性平衡轴线。
[0330]
图36展示了图35的布置的变体，其中配重被布置成在相应的倾斜支撑件上滑动，即在不与重力对齐的方向上滑动。然而，作用在支撑构件上的力保持不变。
[0331]
图37展示了图35所示布置的替代性平衡布置，在该替代性平衡布置中，力产生器用于分别向两个支撑构件施加平衡力，其中，联动装置被适配成使得当平台水平地移动时
两个支撑构件竖直地移动，但沿相反方向，并且其中，平台的竖直移动被转换成支撑构件的对应竖直移动。图37的平衡块包括与每个支撑构件相关联的双滑轮布置。如以上参考图25所说明的，图37的联动装置也有效地产生了两条正交布置的线性平衡轴线。
[0332]
在上述每个特定实施例中，配重已经被用于(以细绳中张力的形式)产生平衡力，该平衡力被施加到平衡布置的一个或多个支撑构件。使用与结构(平台加上支撑的工具)的重量精确匹配的配重是实现本发明的一种非常方便的方式，并且是提供精确平衡的一种直接方式(使用使可移动结构的重量精确保持平衡的恒定平衡力)。然而，使用平衡系统作为力产生器来提供正确大小的恒定平衡力并不是必要的，并且可以改为使用气动元件或恒力弹簧作力产生器。恒力弹簧是拉伸弹簧的变体，并且其特征在于不管伸长程度如何，都施加基本上恒定的力。恒力弹簧的示例是众所周知的均力圆锥轮弹簧布置，其利用带有螺旋槽的锥形滑轮，该螺旋槽缠绕有绳索；绳索附接到盘绕式主弹簧，该主弹簧提供随着伸长而减小的力，但是滑轮的螺旋特性补偿了当细绳松开时由主弹簧提供的减小的力，从而提供基本上恒定的力。就像配重一样，为了提供足够的力来作为配重，弹簧具有不可忽略的相关联质量，并且需要对其作显著量的功从而将它移动。
[0333]
图38示意性地展示了基于使用恒力弹簧作为力产生器的实施例，该实施例基于图37的实施例。类似地，图39展示了在图18的实施例中使用恒力弹簧作为力产生器。在一些应用中，使用这样的恒力弹簧作为力产生器可以被认为比使用物理配重30具有优势，因为使用物理配重30，当竖直地移动平台12时，必须使配重30加速。然而，在实践中，物理配重30提供了非常方便的解决方案，这是由于其易于使用，并且能够仅通过添加或去除附加的质量元件来对配重30的重量进行微调。此外，对于比如图2所描绘的非笛卡尔机器，可伸出腿16能够通过腿16的伸出和缩回在z方向上传递相当大的驱动力，因此必须使配重30的附加重量加速不是特别困难；另一方面，对于这种机器来说，必须水平地驱动附加质量会更加困难，但是本发明的实施例不是这种情况，因为随着平台12的水平移动，没有对配重30作功(或配重不作功)，并且例如在图14和图16的实施例中，当平台12水平地移动时，配重30根本不移动。
[0334]
图40展示了与前述实施例不同形式的联动装置，其具有水平布置的伸缩管(或相对可滑动的杆)72，伸缩管通过刚性联接器76刚性地联接到可竖直滑动的滑架74(平衡力施加到该滑架上)，并且还包括作为力产生器一部分的双滑轮布置。图40的联动装置也有效地产生了就像前述实施例一样并且如以上参考图25所说明的两条正交布置的线性平衡轴线。
[0335]
此外，尽管上述的平衡布置为非笛卡尔机器提供了有效的平衡，但是它也可以为笛卡尔机器提供平衡。图41展示了实施前述实施例中阐述的操作原理的平衡布置还可以应用于平衡笛卡尔坐标定位机器。这样的平衡布置也可以用于平衡非笛卡尔串联运动学坐标定位机器，比如具有多条旋转式驱动轴线的机械臂。
[0336]
例如，图42展示了与图16所示相同的平衡布置50的使用，但是其中使用机械臂60而不是六足驱动布置来使平台12移动。机械臂60包括通过横向旋转式接头(或“转动式接头”)64和直线旋转式接头(或“扭转接头”)66的混合体连接的多个段62，从而形成从一端到另一端的机械联动装置。相应地，与图16的多条线性驱动轴线16相比，图42的驱动布置具有多条旋转驱动轴线64、66。平衡布置同样适用于具有混合的线性驱动轴线和旋转式驱动轴线的坐标定位机器。
[0337]
尽管以上参考图14和图15说明了平衡布置50围绕旋转轴线r旋转，以便使平台12能够在三个维度x、y、z(或径向坐标中的r、、z)上运动，但这不是必需的。取而代之，不是基于如图14和图15所示的径向坐标系，平衡布置本身可以基于具有正交轴线x、y、z的笛卡尔x、y、z坐标系。利用这样的布置，z轴将被平衡，并且x、y轴将提供平台12的x、y轴移动，而不会干扰由竖直平衡力提供的平衡力。独立于机器的驱动布置，平衡布置设置在机器的固定结构14与可移动平台12之间。在图43中展示了这样的布置，其中实施本发明的笛卡尔平衡布置用于平衡笛卡尔坐标定位机器或非笛卡尔坐标定位机器。
[0338]
在以上基于图17所展示的布置给出的分析中，点s0和s1被约束成沿着竖直轨道或导轨移动，而点p在由刚性杆限定的移动范围内自由移动。然而，其他布置也是可能的，其中点s0和s1不受如此约束，或者以不同方式被约束。还将理解，尽管联动装置(例如scott russell联动装置)被描述为本质上是线性的(从而提供线性平衡轴线)，但是一系列旋转平衡轴线(例如每条旋转平衡轴线与重力对齐)可以代替此第二线性平衡轴线，就像自行车链条的节一样，使得仅存在单条线性平衡轴线(其中平衡力施加到其上)。
[0339]
如上所阐述的，实施本发明的平衡布置已经被证明在实践中非常有效，该平衡布置完全消除了对制动系统的需要，因为无论平台12在工作容积11中的什么地方，平衡块都提供了基本上完全的平衡，使得平台12是稳定的，而不需要制动器来防止平台在没有来自驱动布置的单独支撑的情况下从该位置移开。
[0340]
图44展示了更接近基于图5的平衡布置的实施例。平衡轴线的布置没有变化，使得有效地存在如图44所示的(如以上参考图5和图11所讨论的)六条旋转平衡轴线r1到r6。应注意，旋转平衡轴线r3基本上垂直于重力，使得当平衡力施加到旋转轴线r3(围绕旋转轴线r3施加)时，施加到连接臂92的合力处于基本上竖直平面中，而旋转平衡轴线r1和r2与重力基本上对齐。旋转轴线r3基本上垂直于旋转轴线r1和r2。旋转轴线r4到r6由将臂92联接到平台12的万向接头提供。
[0341]
与图5相比，关键的修改是，在图44中，产生平衡力的质量被带回，以便与第一旋转平衡轴线r1成直线，而不是位于旋转轴线r2之后。在这方面，在图44的实施例中，力产生器是简单的配重c，具有细绳99，该细绳将产生的平衡力通过臂94传递到铰链93，在铰链处，平衡力可以以与图5的布置类似的方式施加到旋转轴线r3(围绕旋转轴线r3施加)。区别在于，在此实施例中，平衡力经由细绳99中的张力提供给铰链93，力源(配重c)远离铰链93，而在图5的布置中，力源(弹簧96)位于铰链93本身处。
[0342]
图44的布置优于图5的布置的益处在于，通过使力产生器c的质量沿着(或在其旁边或至少靠近)串联的平衡轴线r1至r6中的第一平衡轴线r1定位(当在朝向平台12的方向上观察时)，当平台12围绕工作容积移动时，在除了由于质量通过细绳99的扭转/旋转仅围绕单条旋转平衡轴线r1的旋转(而不是如已知平衡布置中围绕两条或更多条旋转平衡轴线旋转)之外，质量不移动(或至少不会不一致地移动)。力产生质量仍然经由细绳99连接到铰链93，以便将平衡力传递到需要的地方(在旋转平衡轴线r3处)，但是力产生质量本身靠近(例如沿着)第一旋转轴线r1定位。
[0343]
这可以参考图44中的插图部分(a)至(c)在广义上进行说明，为了进行比较，这些插图部分与图14和图16中的插图部分相似。插图部分(a)用于图5的已知平衡布置，示出了平衡轴线r1至r6的布置以及力产生器q(配重c)在平衡轴线布置中的位置。力产生器q位于
旋转轴线r1和r2的前面(在铰链93内)，平衡力f施加到旋转平衡轴线r3(围绕旋转平衡轴线r3施加)。力产生器q串联在两条旋转轴线r1和r2的前面，与r1和r2一起以如上所述复杂的方式旋转。
[0344]
插图部分(b)所示的布置表示雷尼绍公司(renishaw plc)(以前也以incise商标名销售)销售的ds 10接触式扫描仪中使用的类似类型的平衡块，其也是一种平行运动学机器。平衡力f再次被施加到旋转平衡轴线r3(围绕旋转平衡轴线r3施加)，并且力产生器q同样位于串联布置中的旋转轴线r1和r2的前面。然而，力产生器q(实际上是弹簧)在物理上位于旋转轴线r3的稍前面，实际上连接到沿着相关联臂的一点(在r3与r4/5/6之间)，该点距轴线r3离开一定距离，更像图11中示意性地表示的那样。相应地，力产生器q有效地围绕三条旋转轴线r1、r2和r3旋转，但是围绕旋转轴线r3的旋转仅在平台12的移动具有竖直分量时发生，而不是针对纯水平移动发生。然而，即使针对平台12的纯水平移动，围绕旋转轴线r2的旋转的影响也可能更显著，因为力产生器q没有靠近旋转轴线r2定位。
[0345]
与插图部分(c)所示的布置形成对比，插图部分(c)表示图44所示的实施例。平衡力f仍然施加到旋转平衡轴线r3(围绕旋转平衡轴线r3施加)，但是力产生器q现在物理上位于旋转轴线r2和r3的后面，并且与旋转轴线r1基本上成直线。因此，力产生器q被有效地屏蔽或隔离于围绕旋转轴线r2和r3的转动运动，并且仅受到围绕旋转轴线r1的转动运动的影响，从而提供了与图14实施例类似的益处。
[0346]
尽管本发明的实施例已经主要关于接触式探针的使用进行了描述，其中接触式探针的触针与工件表面进行物理接触以进行测量，但是应当理解的是，本发明不限于接触式探针。相同的构思同样适用于比如光学探针等非接触式探针，其中在不进行物理接触的情况下对表面进行感测。本发明通常适用于适于对表面进行感测的任何表面感测装置，无论是否通过接触的方式。本发明还可以应用于除表面感测装置之外的部件的定位，例如用于在制品的制造期间对制品的部件进行定向。或者，该部件可以是工具或其一部分，例如是通常在机床中发现的用于对金属或其他刚性材料进行成型或机加工的工具。该部件可以是可移动结构本身。该部件可以包括用于对工件的表面成像的摄像头。该部件可以包括涡流探针，用于检测和/或测量工件的表面处或附近的涡流。许多其他可能性对于技术人员来说是显而易见的。
[0347]
应当理解，坐标测量机器的操作可以由在机器上运行的程序控制，并且特别是由在坐标测量机器控制器上运行的程序控制，比如分别在图1和图2中示意性地展示的控制器5和15。应当理解，对可伸出腿的控制可以通过在控制器5或15上运行的程序来提供。这样的操作程序可以被存储在计算机可读介质上，或者可以比如被体现在比如从互联网的网站提供的可下载数据信号等信号中。所附权利要求应被理解为本身涵盖了操作程序，或者被理解为是载体上的记录，或者被理解为是信号，或者为任何其他形式。
[0348]
尽管主要在坐标测量机器的上下文中描述了上述实施例，但是这些构思更普遍地适用于任何类型的坐标定位机器，比如比较仪、扫描机器、机床、机器人、(例如用于光学部件的)定位装置、原型制造机器和各种其他用途。