CN104105944A - 具有带弹簧的支撑梁的坐标测量机 - Google Patents

Abstract

一种坐标测量机具有：1)具有顶端和底端的锚梁；2)具有顶端和底端的至少一个支撑梁；以及3)横梁，该横梁支撑在所述锚梁的顶端和至少一个支撑梁的顶端上。另外，所述坐标测量机还具有4)基座，该基座支撑所述锚梁的底端和至少一个支撑梁的底端。至少一个支撑梁中的至少一个支撑梁具有第一弹簧和第二弹簧。在优选实施方式中，所述第一弹簧适于允许移动并且在大致平行于所述横梁的纵向轴线的方向上与所述第二弹簧间隔开。

Description

具有带弹簧的支撑梁的坐标测量机

优先权

本申请要求于2012年3月2日提交的标题为“具有带弹簧的支撑梁的坐标测量机”且申请号为61/605,831的临时申请的优先权，以及于2012年3月2日提交的标题为“具有约束配重的坐标测量机”且申请号为61/605,829的临时申请的优先权。这些申请整个引入此处作为参考。

技术领域

本发明总体涉及坐标测量机，并且更具体地，本发明涉及改善坐标测量机的精度。

背景技术

尤其，坐标测量机(“CMM”，还被称为表面扫描测量机)测量几何形状和表面轮廓，或者核验已知表面的形貌。例如，CMM可以测量推进器的拓扑轮廓以确保其表面适当地定尺寸和定形状为用于其特定任务(例如，以预定的速度穿过盐水移动24英尺的船)。

为此，常规CMM典型地具有基座，该基座与具有探针的可移动组件直接连接并且支撑该可移动组件，所述探针直接接触被测量的目标并且沿着该被测量的目标的表面移动。基座还支撑被测量的目标。通常，基座由热膨胀系数不同于可移动组件的其可直接接触的部分的热膨胀***的材料形成。这种不同会导致基座相对于所述组件移动几微米或者甚至移动几毫米。随站周围热环境的改变，尤其当测量微米级时，该不匹配会显著扭曲机器的几何形状并且使测量的结果偏移。

发明内容

根据本发明的一个实施方式，一种坐标测量机具有1)具有顶端和底端的锚梁；2)具有顶端和底端的至少一个支撑梁；以及3)横梁，该横梁支撑在所述锚梁的顶端和至少一个支撑梁的顶端上。另外，所述坐标测量机还具有4)基座，该基座支撑所述锚梁的底端和至少一个支撑梁的的底端。所述至少一个支撑梁中的至少一个支撑梁具有第一弹簧和第二弹簧。在优选实施方式中，所述第一弹簧在大致平行于所述横梁的纵向轴线的方向上与所述第二弹簧间隔开。在优选实施方式中，所述弹簧适于允许在大致平行于所述横梁的纵向轴线的方向上移动。

许多不同类型的弹簧应该足以补偿热膨胀问题。尤其，所述弹簧可以与所述至少一个支撑梁是一体的。例如，所述弹簧可以形成舒缓的S形形状。作为另一例子，两个弹簧可以协作形成动臂装置(pantograph)。所述横梁因而可以在大致平行于所述基座的平面的方向上移动。在一些实施方式中，所述横梁可以以这种方式移动达至大约15微米。如果所述横梁超过该极限，则其可以以大致发散的方式移动(相对于所述基座的所述平面)，即，朝向或者远离所述横梁移动。在可选实施方式中，所述支撑梁中的至少一个支撑梁可以具有第二对对置弹簧，该第二对对置弹簧取向并且构造为允许在大致正交于所述横梁的纵向轴线的方向上移动。

正如所指出的，所述坐标测量机可以具有多于一个的支撑梁。具体地，其可以具有多个支撑梁，其中所述多个支撑梁中的每个梁均具有第一弹簧和第二弹簧，所述第一弹簧和第二弹簧在大致平行于所述横梁的纵向轴线的方向上间隔开。而且，所述至少一个支撑梁可以至少部分地由金属形成，所述金属具有的梁热膨胀系数不同于所述基座的热膨胀系数。例如，所述基座可以包括花岗岩，而所述支撑梁(即，接触所述基座的部分)包括钢。而且，像许多其他这种设备一样，所述坐标测量机还可以具有与所述横梁以可移动的方式联接的探针臂。

根据本发明另一实施方式，一种坐标测量机具有1)具有顶端和底端的至少一个支撑梁；2)横梁，该横梁支撑在所述至少一个支撑梁的顶端上；以及3)基座，该基座支撑所述至少一个梁的底端。所述坐标测量机还具有固定至所述横梁的轨道，所述轨道的纵向轴线大致平行于所述横梁的纵向轴线。所述横梁被认为具有：主体；多个固定区域，这多个固定区域用于将所述轨道固定至所述横梁；以及至少一对弹簧。所述至少一对弹簧将所述固定区域中的一个固定区域连接至所述主体。

所述弹簧、主体以及固定区域可以形成所述横梁中的切口。因而，所述弹簧可以与所述横梁成一体。而且，所述横梁可以具有多个弹簧对，其中每个弹簧对均将其固定区域连接至所述主体。为了将所述轨道固定至所述横梁，所述坐标测量机还可以具有多个紧固件，每个紧固件均从所述轨道延伸至所述固定区域中的一个固定区域中。在一些实施方式中，所述固定区域中的一个固定区域与所述主体成一体并且与所述主体直接连接以形成锚固件。

根据本发明的另一实施方式，坐标测量机具有：1)至少两个支撑梁，每个支撑梁均具有位于一端处的刚性构件和位于另一端处的偏置立升件；2)横梁，该横梁被所述支撑梁支撑在第一端处；以及3)基座，该基座支撑在所述支撑梁的另一(第二)端处。所述刚性构件和所述偏置立升件彼此物理接触，并且所述偏置立升件适于在平行于对应于所述横梁的纵向轴线的方向上弹性弯折。这样，立升件的表面相对于其接触的表面静止，所述表面包括例如平台、支撑梁以及横梁。因而，当在热应力下时立升件可以弹性弯折并且仅在单个方向上偏移。第二立升件可以布置在第二支撑梁上以提供另一方向上的移动。所述第二立升件可以平行于移动方向的纵向轴线取向。所述立升件可以是具有第一弹簧和第二弹簧的支撑结构。每个弹簧均可以以允许沿单个方向移动的方式与另一弹簧间隔开。

根据本发明的另一实施方式，坐标测量机具有支撑结构，该支撑结构具有顶部和底部。所述顶部和底部可以相对于彼此布置并且适于在该顶部和底部之间进行摩擦滑动。所述支撑结构具有第一弹簧和第二弹簧。每个弹簧均与另一弹簧间隔开并且以允许在单个方向上移动的方式加接于所述顶部和所述底部。因而，在热应力下时支撑结构可以在一方向上弹性弯折。

根据本发明的另一实施方式，提供了校准坐标测量机的方法。所述方法包括提供根据本发明的各个实施方式所述的坐标测量机。在优选实施方式中，所述坐标测量机具有1)具有顶端和底端的锚梁；2)具有顶端和底端的至少一个支撑梁；以及3)横梁，该横梁支撑在所述锚梁的顶端和至少一个支撑梁的顶端上。另外，坐标测量机还具有4)基座，该基座支撑所述锚梁的底端和至少一个支撑梁的底端。所述支撑梁中的至少一个支撑梁具有第一弹簧和第二弹簧，优选地，所述第一弹簧在大致平行于所述横梁的纵向轴线的方向上与所述第二弹簧间隔开。所述测量方法包括：当所述坐标测量机静止时，由线性编码器测量空间偏移，所述线性编码器沿着大致平行于所述横梁的纵向轴线的方向取向。所述方法包括：确定所述平台和所述横梁之间的膨胀差或者收缩差。所述方法包括：将所述膨胀差的数据或收缩差的数据以及编码器数据存储于参数映射中，通过所述坐标测量机，该参数映射可以被检索并且应用于被测量对象的测量。

附图说明

通过参考附图讨论的以下“具体实施方式”，本领域技术人员应该更充分地理解本发明的不同实施方式的优势，附图总结为以下：

图1A示意地示出了根据示意实施方式的坐标测量机。

图1B示意地示出了根据本发明的示意实施方式构造的坐标测量机的一部分。

图1C示意地示出了根据本发明一些实施方式的横梁和轨道的顶视图。

图2A示意地示出了横梁的可能变形。

图2B示意地示出了图2A的可能弹性变形的有限元分析.

图3A示意地示出了根据本发明的示意实施方式构造的支撑梁的侧视图。

图3B示意地示出了图4A中所示的支撑梁沿横线H-H的剖视图。

图4A示意地示出了根据本发明的示意实施方式的支撑梁中的第一弹簧和第二弹簧。

图4B示意地示出了根据本发明示意实施方式的横梁和平台之间的平行移动。

图5A图示地示出了根据示意实施方式的横梁的总体运动反应。

图5B示意地示出了具有线性编码器的坐标测量机，线性编码器取向成沿大致平行于横梁的纵向轴线的方向进行测量。

图6A示意地示出了可以用于本发明的可选实施方式的弹簧的立体图。

图6B示意地示出了图6A的弹簧的侧视图，其横梁支撑在其顶端。

图6C示意地示出了可以用于本发明的可选实施方式的弹簧的侧视图。

图6D示意地示出了可以用于本发明的可选实施方式的另一弹簧的侧视图。

图6E示意地示出了可以用于本发明的可选实施方式的又一弹簧。

图7A示意地示出了可以用于本发明的另一示意实施方式的弹簧的立体图。

图7B示意地示出了可以用于本发明的另一示意实施方式的具有弹簧的立升件的立体图。

图7C示意地示出了根据本发明另一实施方式可以适于以预定方式并沿预定方向弯折的图7A和7B的立升件的侧视图。

图8A示意地示出了立升件对和支撑梁的立体图。

图8B示意地示出了构造为用于沿两个轴移动的补偿梁对的立体图。

图9示意地示出了根据本发明的示意实施方式的具有弹簧的横梁和轨道的顶视图。

图10示意地示出了图9中的布置的总体视图。

图11是根据示意实施方式的校准CMM的方法的流程图。

图12A示出了根据本发明的示意实施方式的布置在轨道和扫描装置之间的支架组件的正视图。

图12B是图12A的支架组件的图。

图12C和12D是当在热收缩或热膨胀下图12的支架组件和弹簧的图。

具体实施方式

在示意实施方式中，坐标测量机(即“CMM”)具有特定构造的梁以消除会引起错误测量的热差。为此，CMM具有带弹簧的支撑梁，所述弹簧能够使支撑梁的可移动组件大致平行于其基座移动一些预定的最大距离。弹簧可以被认为是这样的材料区域，该材料区域适于在支撑梁的刚性结构内弹性变形。在另一可选实施方式中，弹簧可以被采用在与支撑梁分离但与支撑梁锚固在一起的部件中。可替换地或者另外，还为了消除错误的测量，各实施方式在以下区域中形成弹簧，在所述区域中，可移动组件引导轨道被固定至下层的横梁。下面将讨论示意实施方式的细节。

图1A示意地示出了坐标测量机2。像其他CMM一样，CMM 2具有：大致矩形的基座(在本文中被称为“平台12”)，该基座用于支撑将被扫描的对象4；以及扫描装置6，该扫描装置以可移动的方式连接至平台12，用于收集被支撑的对象4的形貌信息。平台12能够由任何材料种类形成，诸如水泥或者花岗岩，该平台具有孔阵列，用于将对象4牢固地固定至其顶表面。

为了收集对象4的几何表面信息，扫描装置6具有接触或者探测对象4的可移动扫描探针臂8。扫描装置6及其臂8因而优选地能够在三个维度上移动，这三个维度为：X方向(平行于平台12的长度)；Y方向(平行于平台12的宽度)；以及Z方向(朝向以及远离平台12的顶表面)。为此，CMM 2具有驱动机构(未示出)，该驱动机构在X方向上沿着例如引导轨道14(图1中未示出，见于图1C和其他图)移动整个扫描装置6。尤其，驱动机构可以包括伺服控制器和其他精确移动装备。

图1B示意地示出了根据本发明示意实施方式构造的坐标测量机(下文称为“CMM 10”)的相关部分。在示意实施方式中，引导扫描装置6的引导轨道14(未示出，见于图1C和5B)安装在特定构造的支撑结构16上，该支撑结构使得可移动组件能够大致平行于平台12移动。具体地，支撑结构16具有：两个支撑梁18A和18B，它们在它们的相应底端处安装至平台12；以及横梁20，该横梁与支撑梁18A和18B的顶端联接并且延伸跨越支撑梁18A和18B的顶端。横梁20取向成使得其纵向轴线大致平行于平台12并且大致垂直于支撑梁18A和18B的纵向轴线。

图1C示意地示出了不带可移动扫描装置6的横梁20的顶视图，从而更清晰地显示了轨道14。如图所示，轨道14直接安装至横梁20的顶面并且与横梁20的顶面齐平，该轨道的纵向轴线大致平行于横梁20的纵向轴线。为此，三个螺栓或者紧固件22延伸通过轨道14而进入横梁20。事实上，能够使用多个紧固件22。

本领域的技术人员理解的是，轨道14应该是静止的和稳定的，以确保扫描装置6主要仅沿着x轴移动，即，扫描装置6沿任何其他方向的移动不超过可忽略的程度以确保精确测量。为此，示意实施方式特定地构造横梁20。参考图6和图7下文将更详细地讨论这些构造。

返回图1B，两个支撑梁18A和18B均通过任何常规的手段直接紧固至平台12。例如，常规的螺母、螺栓以及垫圈装置23可以服务于此目的。当然，能够使用其他紧固件，因而，螺母、螺栓、垫圈不过是进行这种连接的许多不同方式的例子。在示意实施方式中，梁18A、18B和20由中空金属管形成。发明人发现，它们直接接触平台12会不期望地添加误差至***。任何各种类型的材料都可以用作平台12，包括例如花岗岩、铸铁、钢、混凝土、铝以及各种类型的聚合物。

尤其，发明人注意到，扫描装置6产生的误差读数会造成许多微米的不精确性。在通常以微米单数位测量距离的精确度量空间中，这种误差是不可接受的。在一些分析之后，发明人发现，支撑结构16和平台12之间热膨胀系数差是这种误差的一个主要来源。具体地，在支撑梁18A和18B、横梁20及平台12的交界处之间生成的力会不期望地移动支撑梁18A和18B使得横梁20大致以弹性方式变形，从而产生非常大半径的弓形。如果横梁20以这种方式成弓形，那么轨道14以对应的并且潜在放大的方式成弓形，这会不利地影响扫描装置6的移动。

具体地，图2A示意地示出了横梁可能的弹性变形。在不同的温度(dT)条件下，平台12和横梁20经历长度的改变。平台长度的改变dL_平台被示为膨胀长度12a和收缩长度12a'。类似地，横梁长度的改变dL_梁被示为膨胀长度20a和收缩长度20a'。这样，横梁20和平台12之间长度(dL)的改变可以表示为方程1，其中“α”是热膨胀系数(m/m℃)；“dT”是温度差(℃)；以及“L”是平台12或横梁20的紧固位置之间的长度(m)。

dL_梁＝α_梁·dT·L(方程1)

dL_平台＝α_平台·dT·L

这样，平台12和横梁20之间的膨胀差(被称为△dL_平台-梁)可以表示为方程2。

△dL_平台-梁＝α_平台·dT·L-α_梁·dT·L

＝|α_平台-α_梁|(dT·L)(方程2)

这种膨胀差在每个支撑梁18A和18B以及横梁20之间生成剪切力17(此处，示为热膨胀)。作为刚性结构，支撑结构16弯折(高达15微米)以形成具有弯折分量(如弧线19所示)的梯形结构。当然，该结构可以以任何移动程度变形，包括在X方向、Y方向和Z方向上的偏移，以及对应于俯仰、偏摆以及旋转的角度弯折。假定横梁20和平台12之间的温度相同，则当CMM10被初始表征时温度会不同。

当在此处使用时，术语“俯仰(pitch)”指的是在x-z平面中的角度移动，术语“偏摆(yaw)”指的是在y-z平面中的角度移动，而术语“旋转”指的是在x-y平面中的角度移动。此外，术语“X方向”、“Y方向”和“Z方向”与对应术语“x轴”、“y轴”和“z轴”互换使用，其中轴是笛卡尔坐标系的方向。

图2B示意地示出了图2A的可能变形的有限元分析。从分析中，在横梁20的端部处，应力显示为最大，这促使横梁在靠近支撑梁18B的端部处向上弯折而在靠近支撑梁18A处向下弯折。

在分析和实验之后，发明人发现，在至少一个支撑梁(由附图标记18B标识)上形成弹簧24同时保持一个支撑梁(由附图标记18A标识)没有弹簧24消除这种不利结果。不具有弹簧24的所述一个支撑梁18A充当锚固件，因而可以称为“锚梁18A”，而另一支撑梁18B(或者几个梁)根据需要以受控方式挠曲以消除注意到的热膨胀系数差。具有弹簧24的支撑梁18B可以称为“补偿梁18B”。

为此，图1B、图3A和图3B示意地示出了这种布置和产生了这种期望的结果的弹簧24的更多细节。弹簧24示意地形成“舒缓的S形”布置以产生期望的受控移动和变形。具体地，这种弹簧形状(在图1B、图3A和图3B的构造中)提供了在X方向(即，平行于横梁20的纵向轴线)上线性移动预定距离，而在Y方向上提供刚性支撑。直白地说，补偿梁18B中的弹簧24提供单向弯折移动。弹簧24与锚梁18A、横梁20以及平台12结合形成了可拉伸弯折的机械连杆，类似于加长的动臂装置。类似于平行四边形，该连杆被连接成使得来自支撑机构16的微小变形的移动可以在预定距离内仅沿单个方向而在其他方向上没有移位。与产生枢转移动的单个弹簧相比时，这种移动大致更加线性。

补偿梁18B具有在X方向上隔开的至少两组对置的弹簧24。换句话说，补偿梁18B具有面向锚梁18A的第一弹簧24(或者弹簧组24)以及在相反侧(180度对置，图1B中未示出，但在图3A和图3B中更清晰地示出)的另一弹簧24(或者弹簧组24)。如下文参考图5A讨论的，示意实施方式需要这两组弹簧24，以补偿沿着x轴在两个方向的意外移动，正如注意到的，以及防止在不是X方向的方向上的意外移动。尽管补偿梁18B和弹簧24允许预定方向上的受控移动同时阻止其他方向上的移动，但它们并不旨在枢转。这样，补偿梁18B整体上与弹簧24一起在支撑机构16内提供了所有移动程度上的结构支撑。

在采用变形以补偿沿着期望轴线(例如，x轴)的意外移动的机械结构时，适应补偿梁18B和弹簧24的CMM可以用在恶劣的制造或者车间环境中。例如，尽管例如空气轴承可以适于通过提供用于X方向移动的低摩擦界面来降低热膨胀误差，但是由于各种技术和成本原因，空气轴承一般不适用于这种环境。

而且，可以采用根据示意实施方式的适于补偿梁18B和弹簧24的CMM以增强CMM的校准。CMM的校准可以通过一组参数确定，包括例如相对于各种自由度的移位和旋转。标题为“模块化校准”的美国专利No.8,290,733描述了CMM构造的例子，其整个内容并入此处。如上所述，弹簧24可以适于补偿沿着x轴在两个方向的意外移动，并且适于防止在不是X方向的方向上的意外移动。这样，补偿梁18B和弹簧24将支撑结构16降低至仅具有单个自由度，从而当校准热膨胀时，允许(i)CMM需要构造为在X方向上进行测量的单个线性编码器，以及(ii)CMM将用于静态校准的校准参数的数量减少至可以由单个参数构成的简化参数组。CMM的静态校准能够被视为CMM的参数空间之间的对应或者映射M，CMM的元素由参数的矢量代表，矢量值可以从CMM的编码器获知。

图5B示意地示出了坐标测量机10，该坐标测量机具有取向成沿着大致平行于横梁20和轨道14的纵向轴线的方向进行测量的线性编码器33。为了执行如上所述的CMM 10的静态校准，线性编码器33在平台12和横梁20之间的第一温差下测量扫描装置6的第一x位置33A，以及在两者间的第二温差下测量第二x位置33B。可以将位置33A和33B的编码器数据与第一温度差和第二温度差一起作为参数的矢量的一部分存储在上述的参数映射M中。平台12和横梁20的温度可以用温度传感器33C测量，并且存储在构造为执行静态校准的控制器33D中。

可替换地，平台12和横梁20之间的温度差不是使用温度传感器来测量，而是可以使用例如布置在支撑梁18A和18B上的应变仪通过由温度引起的应变来测量。

图11是根据示意实施方式的校准CMM的方法的流程图。参考图5B和图11描述此方法。使用此处描述的各种实施方式(步骤110)，校准可以开始于用线性编码器测量对应于编码器的空间偏移(步骤112)。***可以确定平台12和横梁20之间的膨胀差和收缩差(步骤114)。为此，***可以测量横梁20和平台12之间的给定温度差。可替换地，***可以使用应变仪或者位移传感器来测量支撑梁在弹簧24处的应变。可以将空间偏移与膨胀差数据与收缩差数据一起作为矢量的一部分存储于参数映射中(步骤116)。在操作期间，控制器33D可以应用参数映射(步骤118)。此操作可以对应于由CMM 10测量对象4。

测量可以是静态校准，其可以在组装CMM 10之后执行。线性编码器可以与在正常操作期间利用的编码器相同，或者其可以是特定用于校准的单独参考编码器(例如，激光干涉仪、线程边缘等)。编码器取向成平行于预定平行移动的轴线(例如，平行于横梁20的纵向轴线)进行测量。

各步骤可以在单个操作中被组合，这并不超出本公开的内容。例如，测量空间偏移的步骤112和确定收缩/膨胀的步骤114可以彼此独立或者分离地执行。

各实施方式能够使用许多不同类型的弹簧中的任何弹簧。例如，图1B、3A和3B中示出的弹簧24是加工至补偿梁18B的侧壁中的一体弹簧。为此，图3A示意地示出了当沿着x轴看时补偿梁18B的正视图，而图3B示意地示出了补偿梁18B的侧视图。侧壁可以由例如钢、铝、陶瓷以及其他通常用于CMM的材料制成。

图3B示意地示出了梁18B的沿着横线H-H的剖视图。如图所示，弹簧24简单地由补偿梁18B的壁的具有沿着x轴的降低厚度的区域形成。例如，壁厚通常可以为约12.7mm，而形成弹簧24的变薄区域可以为约2.5mm。根据示意实施方式可以采用各种壁厚，具体尺寸可以确定成使得来自注意到的剪切力的应力小于侧壁材料的最终屈服应变的15％，从而避免疲劳和机械寿命问题。

附图中示出的弹簧24在两个较薄区域之间还具有厚区域以进一步微调梁的移动。应该注意的是，本领域的技术人员能够构造且指定弹簧的类型以使当遭受预期应力时具有适当的行为。因此，对弹簧的特定尺寸和类型的讨论不旨在限制本发明的所有实施方式。

在使用期间，在锚梁18A、横梁20、补偿梁18B和平台12的交界处所产生的应力会引起影响补偿梁18B的聚合力。补偿梁18B接收此力，并且与其弹簧24一起提供了适当的应力释放以维持由CMM 10所进行的测量的保真度。从品质上讲，补偿梁18B接收力，并且由于弹簧24，可控地引起横梁20以大致平行于X轴的方式移动预定距离。弹簧24在材料中提供预定的弹性区域，该材料可以相对支撑结构16的其他刚性结构在X轴和Z轴上压缩、拉伸或者旋转。

图4A和4B以及图5A图示出这种现象，其中靠近图5A的原点的平坦区域27代表沿着X轴的这种平行移动。图5A还示出了在到达预定距离29之后横梁20如何以期望方式停止移动。换句话说，在近似行进了预定距离29之后，横梁20会不期望地开始以偏离平台12的平面的方式(称为“发散区域31”(即，沿着z轴)移动。平坦区域27和发散区域31可以是补偿梁18B在弹簧24处偏转的结果。图4A和图4B示意地图示了在热平衡(见4A)和热应力(见4B)作用下的支撑结构16。如图4B所示，弹簧24适于提供用于平行移动的单轴变形区域，这可以允许锚梁18A保持大致固定。当然，本领域的技术人员应该理解的是，如果可能的话，应该选择预定距离以确保该发散移动仅发生在罕见情况下。

期望的平行移动的预定距离能够基于底层***的多种特性来选择及构造。因而，应该实验测试或者计算分析热膨胀系数差及其影响以确定适当的距离，这促进弹簧的选择以及在某些情况下促进材料的选择。例如，在一些实施方式中，补偿梁18B产生大约15微米的平行移动27。如此小的量在如上所述的以单微米测量通常是关键的高精度计量应用下会是关键的。

图6A至6E示意地示出了各实施方式中使用的各种类型的弹簧。图6A和6B示意地示出了使用在可选实施方式中的另一类型弹簧24的立体图和侧视图。在那种情况下，弹簧24不是具有较薄侧壁，而是具有敞开的侧壁以形成功能类似于上述弹簧的板簧。这种可选类型的弹簧24是可以使用的多个不同类型之一。因此，各实施方式不限于这种类型的弹簧24或者上述特定类型的弹簧24。

图6C至6E示意地示出了可选实施方式使用的各种类型的弹簧的侧视图。在图6C中，弹簧25A包括导圆区域27。导圆区域27适于降低形成弹簧25A的正方形切口的角部处的应力，从而降低由于机械循环引起的破裂的传播或者开始。图6D示意地示出了彼此偏置的图2C的弹簧25A。图6E示意地示出了导圆区域27，其适于降低形成弹簧26A的三角形切口的角部处的应力。可以采用任何其他各种几何形状生产弹簧，包括例如圆形、椭圆形、狭槽、带等。

应该注意的是，各实施方式都具有定位成防止在Y方向上移动的弹簧对。能够执行所需功能的任何类型的弹簧应该是足够的，诸如图3A至3D和图6A至6E中示出的这些弹簧。

而且，CMM 10可以具有多于一个的补偿梁18B。但是，示意实施方式仅具有一个锚梁18A。

在另一实施方式中，支撑梁可以具有与其联接且具有弹簧24的单独构件。图7A至7C示意地示出了具有立升件34的支撑梁35。立升件34可以适于提供在X轴上的线性移动27，类似于如图5A所示的弹簧24。为了促进统一的移动，支撑梁35和立升件34应该做成所采用的支腿的数量是相同的。支撑梁35A和35B可以由与花岗岩平台12相同的材料制成，而立升件34可以由例如钢、铝或者不同等级的钢铝制成。立升件34可以是实心或者中空的圆柱。立升件34可以相对于其他支撑结构构造有可变形区域(即，具有顺从特性)以保持几何形状在预定方向不变形。这样，CMM 10可以构造为具有理想特性：可以移动而没有机械滞后(例如，由于打滑或者滑动)。当然，可以采用任何不同类型的形状，包括本领域公知的C形、U形、I形、O形、Z形等。

具体地，图7A示出了具有立升件34的单个支撑梁35。此处，支撑梁35可以由与平台12相同的材料制成，并且要以通过上述各种不同手段被紧固于平台上。立升件34可以是放置在其侧面上的铸造对象或者是管的一部分。立升件34可以具有可变壁厚度部段36和36B。这样，立升件34可以像弹簧24一样弹性弯折。图7B示出了单个支撑梁35，该支撑梁具有带弹簧24的立升件34。

图7C示意地示出了图7A和图7B中的立升件34的侧视图，根据本发明的另一实施方式，其可以适于以预定方式并沿预定方向弯折。如图7C所示(在热膨胀的情况下)，立升件34A布置在锚梁35A上，而立升件34B适于与弹簧24一起弹性移动。敞开的侧壁还可以形成如上所述的板簧。在仅允许其中一个立升件34移动时，将安置在横梁20的轨道14上的扫描结构6可以沿预定方向移动至平台12。立升件34A(不具有弹簧)布置在横梁20和支撑梁35A之间，并且以类似方式作用于锚梁18A。立升件34A在另一移动轴线(例如Z方向)与立升件34B对称，从而维持该结构在此方向上处于不变形状态。

立升件34可以紧固至横梁20或者支撑梁35中的任一者或者两者，或者其可以自由布置在它们之间并且通过预国加载而维持静止。

在具有至少两对立升件34的一些实施方式中，第一对立升件34A可以紧固以允许第二对立升件34B进行预定移动。图8A示意地示出了立升件对34A和34B以及支撑梁35A和35B的立体图。

一些实施方式具有额外的弹簧对，这些弹簧对定位成允许在其他纵向轴线(诸如Y方向)上进行移动。图8B示意地示出了构造为在两个轴向上移动的补偿梁对的立体图。能够执行所需功能的任何类型的弹簧应该是足够的，诸如图3A和图3B以及图6A至图6E、图7和图7B所示的这些弹簧。为此，这些额外的弹簧24B定位成从用于补偿在X方向上的移动的弹簧24A旋转或者偏移约90度。而且，这些Y轴弹簧24B优选定位在与X轴弹簧24A分离的梁上。相应地，除了在X方向上释放应力之外，该实施方式还在Y方向上更有效地释放应力。

可替换地，补偿梁可以具有第一段和堆叠在第一段上的第二段。这样，Y轴弹簧24B可以是第二段的一部分，而X轴弹簧24A可以是第一段的一部分。当然，可以设想到多个段，其中每个段均包括一组弹簧24，它们可以取向成使得补偿在预定方向上的变形。

发明人还发现，CMM 10的其他部分在***的其他部件的交界处具有与热膨胀系数差相关的类似应力问题。参考图9和图10，一个这种重要的区域是横梁20和轨道14的界面，该界面引导扫描装置6(未示出，见于图1A和5B)。尤其，虽然轨道14和横梁20都典型地由金属形成，但是用于每个这种部件的金属可以是不同的。它们的热膨胀系数因而会不同，像上面提到的在梁18A和18B、横梁20以及平台12中的应力那样，这会不利地影响CMM 10的最终测量。

发明人解决该问题是通过在横梁20内形成类似于上述这些的弹簧38和锚固件***。更具体地，如图10所示，从轨道14连接的视角看，横梁20可以被认为具有三个基本区段：

·主体42；

·多个固定区域44，所述固定区域用于接收紧固件46(如上所述)，紧固件46将轨道14固定至横梁20；以及

·多个弹簧对38，它们将一些固定区域44连接至主体42，并且消减热膨胀系数差。

图9示意地示出了这三个部件以及它们与其轨道14的关系。图10示意地示出了呈更通用方式的这些部件。如图所示及上述的，轨道14固定至横梁20的顶面，使得其纵向轴线大致平行于横梁20的纵向轴线。上文也提到(见关于图1C的讨论)的多个紧固件46提供了通过轨道14进入横梁20的固定区域44的该静止连接。可以使用适合于该应用的任何常规紧固件，诸如螺栓、螺钉或者铆钉。

每个固定区域44因而都接收单个紧固件46以固定轨道14。另外，除了一个这种固定区域44之外的所有固定区域44在轨道14的任一侧也具有一对对置弹簧38。在示意实施方式中，弹簧38仅通过横梁20中的切口形成。这样，它们与主体42一体融合并且并入固定区域44。当然，本领域的技术人员理解的是，可以使用其他类型的弹簧。但是，固定区域44中的一个固定区域不具有对置弹簧38。相反，该区域充当用于整个***40的锚固件，并且由附图标记40A标识。这种弹簧和固定区域布置40因而可消除在轨道和横梁的交界处引起的应力。这还有利地应当有助于维持扫描装置6沿着X轴的适当移动。

CMM 10的可能具有类似应力问题的另一部分可能位于轨道14和扫描装置6之间的交界处。图12A示出了根据本发明的示意实施方式的布置在轨道14和扫描装置6之间的支架组件48的正视图。具体地，图12A示出了具有弹簧24的支架组件48。支架组件48可以具有经由弹簧24彼此接合的顶部50A和底部50B。弹簧24可以弹性变形以允许顶部50A和底部50B由于热应力而在Y方向上移动。图12B是图12A的支架组件48的图。图12C和图l2D是当在热收缩或热膨胀下图12A和图12B的支架组件48和弹簧24的图。弹簧24形成平行四边形，并且确保如图5A所示的短距离的线性运动。

虽然上述讨论公开了本发明的各种示例性实施方式，但是明显的是，本领域技术人员能够进行能实现本发明某些优势的各种修改，这并不超出本发明的真正范围。例如，本发明的各种示例性实施方式尽管示出在龙门式CMM中，但是也可以类似地实施于其他类型的CMM中，包括桥型、卧型、悬臂型以及L桥型。

尽管讨论了有关静态校准，但是应该理解的是，本发明的各种示例性实施方式还可以解决动态校准问题，并且类似地降低动态加载应力和振动。

Claims (22)

1.一种坐标测量机，该坐标测量机包括：

具有顶端和底端的锚梁；

具有顶端和底端的至少一个支撑梁；

横梁，该横梁支撑在所述锚梁的顶端和所述至少一个支撑梁的顶端上，所述横梁具有纵向轴线；以及

基座，该基座支撑所述锚梁的底端和所述至少一个支撑梁的底端，

所述至少一个支撑梁中的至少一个支撑梁具有第一弹簧和第二弹簧，所述第一弹簧在大致平行于所述横梁的纵向轴线的方向上与所述第二弹簧间隔开。

2.根据权利要求1所述的坐标测量机，其中，所述弹簧与所述至少一个支撑梁是一体的。

3.根据权利要求1所述的坐标测量机，该坐标测量机包括多个支撑梁，所述多个支撑梁中的每个支撑梁均具有第一弹簧和第二弹簧，这些弹簧在大致平行于所述横梁的纵向轴线的方向上间隔开。

4.根据权利要求1所述的坐标测量机，其中，所述基座形成平面，所述横梁能够在大致平行于所述基座的所述平面的方向上移动。

5.根据权利要求1所述的坐标测量机，其中，所述横梁能够在大致平行于所述基座的平面的方向上移动不超过大约15微米，当移动得超过大约15微米时所述横梁以大致发散的方式移动。

6.根据权利要求1所述的坐标测量机，其中，所述横梁能够大致在正交于所述横梁的纵向轴线的方向上移动。

7.根据权利要求6所述的坐标测量机，其中，所述支撑梁中的至少一个支撑梁具有第二对对置的弹簧，以允许在正交于所述横梁的纵向轴线的方向上移动。

8.根据权利要求1所述的坐标测量机，其中，所述至少一个支撑梁包括具有梁热膨胀系数的金属，所述基座的基座热膨胀系数不同于所述梁热膨胀系数。

9.根据权利要求8所述的坐标测量机，其中，所述基座包括花岗岩，而所述支撑梁包括钢。

10.根据权利要求1所述的坐标测量机，其中，所述弹簧形成舒缓的S形形状。

11.根据权利要求1所述的坐标测量机，该坐标测量机还包括与所述横梁以可移动的方式联接的探针臂。

12.根据权利要求1所述的坐标测量机，该坐标测量机还包括固定至所述横梁的轨道，所述横梁具有至少一对弹簧，每一对弹簧均具有位于所述轨道的一侧的第一弹簧和位于所述轨道的另一侧的第二弹簧。

13.根据权利要求12所述的坐标测量机，该坐标测量机还包括第一紧固件和第二紧固件，所述第一紧固件和所述第二紧固件从所述轨道延伸至所述横梁的固定区域中，预定的弹簧对将所述固定区域联接至所述横梁的其余部分。

14.一种坐标测量机，该坐标测量机包括：

至少两个支撑梁，每个支撑梁均具有位于一端处的刚性构件和位于另一端处的偏置立升件，所述刚性构件和所述偏置立升件物理接触；

横梁，该横梁支撑在所述支撑梁的第一端上，所述横梁具有纵向轴线；以及

基座，该基座支撑所述支撑梁的第二端，

其中，所述偏置立升件适于在所述纵向轴线的方向上弹性弯折。

15.一种坐标测量机，该坐标测量机包括：

具有顶端和底端的至少一个支撑梁；

横梁，该横梁支撑在所述至少一个支撑梁的顶端上，所述横梁具有纵向轴线；

基座，该基座支撑所述至少一个支撑梁的底端；以及

轨道，该轨道固定至所述横梁，所述轨道的纵向轴线大致平行于所述横梁的纵向轴线，

所述横梁具有：主体；多个固定区域，这多个固定区域用于将所述轨道固定至所述横梁；以及至少一对弹簧，这至少一对弹簧将所述固定区域中的一个固定区域连接至所述主体。

16.根据权利要求15所述的坐标测量机，其中，所述弹簧、所述主体以及所述固定区域形成所述横梁中的切口。

17.根据权利要求15所述的坐标测量机，该坐标测量机还包括多个弹簧对，每个弹簧对均将其固定区域连接至所述主体。

18.根据权利要求15所述的坐标测量机，该坐标测量机还包括多个紧固件，所述多个紧固件中的每个紧固件均从所述轨道延伸至所述固定区域中的一个固定区域中。

19.根据权利要求18所述的坐标测量机，其中，所述固定区域中的一个固定区域与所述主体成一体并且与所述主体直接连接以形成锚固件。

20.一种校准坐标测量机的方法，所述坐标测量机具有：具有顶端和底端的锚梁；具有顶端和底端的至少一个支撑梁；横梁，该横梁支撑在所述锚梁的顶端和所述至少一个支撑梁的顶端上，所述横梁具有纵向轴线；以及基座，该基座支撑所述锚梁的底端和所述至少一个支撑梁的底端，其中所述至少一个支撑梁中的至少一个支撑梁具有第一弹簧和第二弹簧，所述第一弹簧在大致平行于所述横梁的纵向轴线的方向上与所述第二弹簧间隔开，所述方法包括：

在静止期间，由线性编码器测量(i)空间偏移，所述线性编码器沿着大致平行于所述横梁的纵向轴线的方向取向；

在静止期间，确定平台和所述横梁之间的膨胀差或者收缩差；

将所述空间偏移以及膨胀差的数据或收缩差的数据存储于参数映射中；以及

在由所述坐标测量机测量对象期间，应用所述参数映射。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，基于温度确定所述膨胀差和所述收缩差。

22.一种坐标测量机，该坐标测量机包括：

支撑结构，该支撑结构具有顶部和底部，所述顶部和所述底部相对于彼此布置并且适于在该顶部和所述底部之间进行摩擦滑动；

所述支撑结构具有第一弹簧和第二弹簧，每个弹簧均与另一弹簧间隔开并且以允许在单个方向上移动的方式加接于所述顶部和所述底部。