专利名称：反作用平衡旋转驱动机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种旋转驱动机构的反作用平衡。
本发明特别涉及一种活动连接探头，在用探针测量操作期间该头部件的旋转加速度被平衡，以便探头壳体上的反作用力，并因此探头安装在其上的机器上的反作用力大大减小。
背景技术：
从我们的国际申请公开号WO01/57473A1知道，通过在电机中设置一个自由旋转的定子而惯性平衡由活动连接探头中的电机产生的加速力。当电机的转子加速时该自由旋转的定子以相等的反向动量加速。当动力施加给主驱动转子以克服探针上的外力，例如探测摩擦力或重力时，为了防止自由旋转的定子过分加速，提供具有绕组组件和磁体组件的附加电机，其中之一设置在自由旋转的定子上，其中的另一个设置在壳体上。
该附加电机指的是“返回到地(BTE)”电机，对自由旋转的定子提供连续调节制动力，当该定子的转速误差增大时，该制动力增大，并且通过将电流提供给该附加电机能够提供动力以克服外力。
与这种结构相关的问题是支撑自由旋转的定子及主电机的轴承的公差以必须非常紧。
这是因为BTE电极的一个部件安装在主电机的部件上，并且自由旋转的定子或主驱动电机的任何横向或倾斜运动将改变两个电机的磁体和线圈之间的距离。这影响主驱动电机旋转轴的三自由度的位置和二自由度的取向，反过来，这又影响该头所装有的测量探针的触针的位置并产生测量误差。
但是，制造这种紧密公差的轴承，例如空气轴承，其生产成本高，并且不能完全克服这一问题，由于其有限的横向刚度，因此总是存在由作用在轴承上的磁力和其他外力产生的轴承变形。
另一种解决方案是在附加电机上设置编码器，当它们相互相对转动时以测绘该磁体和绕组的相对位置(这种编码器已经被设置在输出轴和壳体上，为了测量的目的确定输出轴的位置)。但是，独立地测绘两个旋转系统的位置是不够的，因为对于每个主驱动电机的位置还需要知道该BTE的绕组和磁体的相对位置。这是为了推断出该主驱动电机旋转轴的三自由度的位置和二自由度的取向。这不是很小的工作量。
发明内容
这些问题根据本发明通过提供第二电机代替现有技术系统中的旋转的定子组件被克服(至少在优选实施例中)，该第二电机机械上独立于主驱动电机并且在相反的方向被驱动。这使得第一电机的加速转距至少部分地被第二电机惯性平衡，即第一电机的加速转距被第二电机的反向加速度所部分抵消。在优选实施例中，第一电机基本上被第二电机惯性平衡。优选地，该惯性平衡是由第二电机相对于第一电机的相等的反向旋转实现的。三自由度的主驱动电机转子的位置和二自由度的其取向可以独立于惯性平衡电机的取向被测绘出。
优选地，设置控制装置以控制对每个电机的能量供给。
因此，在测量操作期间当快速增大的瞬态电流施加给主驱动电机以使该头快速加速时，成比例的电流也施加给第二电机。理想的是，在相反的方向在其转子上产生基本同样的加速度。这个成比例的电流值是每个电机所驱动的相关质量的函数，即，它可以是小于、大于或等于施加给第一电机的电流。在探头壳体上的反作用将是相等并相反的，因此其和为零，因此基本上没有由于这些加速度产生的力反作用在机器上。因此，本发明提供一种旋转驱动机构，其中，由于主驱动电机的旋转加速度产生的作用力被平衡。
本发明旋转驱动机构的主要优点是，由于轴承公差或转子弹性引起的无论哪个电机的绕组/磁体组件的旋转轴线的任何相对侧向运动或方向的变化对另一个电机不产生影响。这反过来又使得很容易测绘该机构的误差。
本发明机构的其他特征连同通过壳体例如，探针作用在该机构上的外力产生。这种力将使主驱动电机减速，并且因此其控制系统将对该机构施加更多的电流以克服这种力。这种附加的电流，如果施加给第二电机，因为没有任何外力作用在其上，将会引起其过速。但是由于动力的供给是独立控制的，因此这个附加电流不会施加给第二电机。通过这种方式，与作用在壳体上的力一起可以控制第二电机的速度。
下面将以举例方式参考附图更具体地描述本发明，其中图1是引入本发明的活动连接探头的示意图；图2是通过图1的探头的电机之一的剖视图；图3是方块图，示出该头部电机控制系统的元件。
具体实施例方式
参考图1，图1示出活动连接探头，其包括第一壳体部件10，其适于连接于位置确定装置(未示出)。壳体部件10包含本发明的旋转驱动机构，该机构包括电机12，提供旋转轴14绕第一轴线z的旋转。第二壳体部件16连接于该轴14，第二壳体部件16包含第二旋转驱动机构，该机构包括电机18，提供第二轴20绕正交于第一轴线z的第二轴线x的旋转。
表面检测装置(或触针)22连接于第二轴并与其一起旋转，在通常的扫描操作中，表面检测装置22被驱动经过工件的表面，以对工件表面上的点进行测量。
动力经过电连接装置24从控制器26供给该旋转驱动机构，该控制器是编程的以控制表面检测装置以所希望的移动顺序移动通过工件表面。该头中的传感器将表示驱动机构绕其各自轴线的角度位置信号发送回控制器中的伺服控制回路。该信号和来自该头安装在其上的该机器的测量装置的信号一起，使表面检测装置和工件表面的相关位置被精确地控制。
如上所述，由触针22和其旋转驱动机构的振动产生的该头的壳体上的反作用通过在至少一个旋转驱动机构中使用附加(惯性平衡)电机减小。
参考图2，图2示出包含本发明惯性平衡电机的旋转驱动机构的细节。但是，应当明白，下面的描述可以用于活动连接头的旋转驱动机构中的任何一个或两个，该旋转驱动机构可以与定位装置一起使用。
该机构包含在壳体10内，壳体10包括凸缘30，凸缘30使壳体10能够连接于测量机器的套管(quill)，或连接于另一旋转驱动机构的壳体。
所示的机构包括主驱动电机12，其具有主驱动磁体组件32和主驱动绕组组件34。动力通过电刷组件36提供给主驱动绕组组件，以驱动主驱动转子38，在这个例子中，转子38连接于主驱动绕组组件。主驱动转子38连接于输出轴14，输出轴14安装在轴承40上用于旋转。
在这个实施例中，旋转驱动机构安装在图1的活动连接头的壳体部件10内，使凸缘30能够被连接于该机器套管并且输出轴14连接于第二部件16。输出轴14的位置由编码器68连续地监测，在这个例子中，编码器68作为安装在壳体上的旋转刻度盘70和相关的读出头72设置。但是，也可以使用其他方式的编码器。
壳体部件10提供轴承40的部分球形轴承支撑面42和44，用于支撑主驱动机构的旋转元件。在这个例子中，主驱动电机的主驱动绕组组件34通过绕组组件上的一对反向的部分球轴承表面46和48被支撑在连接于壳体的轴承表面42和44以便旋转。表面46和48形成与轴承表面42和44相互作用的形状以形成空气轴承，其通过形成在主空气管49的喷嘴提供加压的空气。
主驱动电机的主驱动磁体组件32连接于壳体10。
附加的独立的惯性平衡电机50设置在壳体10内。该惯性平衡电机包括可旋转的绕组组件52和连接于壳体10的静止磁体组件54。绕组组件52通过壳体上的部分球形轴承表面60、62安装以便旋转，球形轴承表面60、62与绕组组件上的部分球形表面64、66共同作用。
动力通过电刷58供给绕组组件52。指令从供给动力的同一源供给主驱动电机，但是通过变换器供给，变换器确保惯性平衡电机的驱动指令与主电机驱动指令同相，但是方向相反，以便惯性平衡电机的加速力抵消主驱动电机的加速力。
对本发明的惯性旋转驱动机构执行控制策略的控制器26具有图3所示的结构。控制器执行三个主要任务a)根据输入指令控制主驱动电机的位置，b)相对于主驱动电机的速度控制惯性平衡电机的速度，以便在整个驱动系统中保持无反作用状态，和c)通过使两个电机的速度控制反馈回路相互脱离，允许作用在连接于探头的探针上的外力作用于壳体。
参考图3，主驱动电机12的转子38的控制利用外部位置反馈回路和内部速度反馈回路实现。位置指令信号70传输给比较器72，比较器72作为第二输入接收，位置反馈信号74，该信号是由编码器68的处理电子装置76产生的输出信号。比较器72产生误差信号78，该信号传输给位置回路补偿器80。
位置回路补偿器80输出速度指令信号82，该信号传输到比较器84。比较器84也接收来自编码器处理电子装置76的速度反馈信号86，并得到速度误差信号88，该信号传输给速度反馈回路。速度反馈回路运行以控制主驱动电机34的速度，以便达到位置指令信号所要求的主驱动电机的位置。速度反馈回路包括速度回路补偿器90和功率放大器92。速度回路比较器的输出是加速度指令信号91，该信号经过功率放大器92传输给主驱动电机12，以将其驱动到所要求的位置。
惯性平衡电机的速度控制从来自位置回路补偿器80的速度指令信号82得到。该速度指令信号82另外传输给转换器100，转换器100将其转换并将其传输给惯性比例乘法器102。该装置将转换的速度指令信号乘以两个反向旋转转子38和52的惯性比并产生用于惯性平衡电机50速度指令信号104。
这种策略在两个转子38和52之间提供“电子齿轮传动”，由于该作用是使惯性平衡电机的转子52从动于主驱动电机的转子，因此使其在与主驱动电机的转子38相反的方向旋转，但是速度取决于两个转子的惯性比。
然后，该转换的惯性补偿速度指定信号104在输送到惯性平衡电机50之前，经过比较器106传输给惯性平衡电机的速度反馈回路，该回路包括速度回路补偿器108和功率放大器110。惯性平衡电机的实际速度由任何合适的速度确定装置112确定，例如转速传感器，或者是测量该惯性平衡电机提供的电压和电流并根据这些量来计算其速度的装置。测量的速度作为速度反馈信号114被输送到比较器106。
当由于例如在触针22和被测量的工件表面之间的摩擦力产生的附加的外转距作用在该头的触针22上时，相关的电机的主驱动转子将趋向减速。结果，来自编码器电子处理装置76的速度反馈信号86将减弱，并且来自比较器84的速度误差信号88将增强。这将使主驱动电机的加速度与主驱动电机的趋势相反，从而减速，因此触针在恒测量速度下移动经过工件。
但是，由于惯性平衡电机的速度被其自己独立的速度反馈回路控制，因此这个电机的速度将不受主驱动电机的影响。结果，由外力引起的作用在主驱动电机的磁体组件上的附加的反作用力将不被惯性平衡电机所抵消并且直接作用在壳体上。
因此，与前面描述的现有技术的装置不一样，惯性平衡电机的速度被提供给它的指令所支配，而不受供给主驱动电机的电源的支配，并且因此不受通过旋转定子供给BTE电机的电源所支配。
虽然给出了用于控制惯性平衡电机的加速度的比较复杂的控制系统，以消除由主驱动电机的加速度引起的反作用，但是该头的测量将更好，因为上面提到的轴承问题大大地减少。
上面所述的控制策略的一种修改中，可以从主驱动电机和壳体的相关位置的资料(由编码器68测量的)，相对时间对位置信息积分两次，以确定主驱动转子在任何瞬间的加速度。从这个资料，可以计算出为抵消该加速度所需要供给惯性平衡电机的电流和电压。
权利要求
1.一种旋转驱动机构，包括壳体；具有第一转子和连接于该壳体的第一定子的第一电机；具有第二转子和连接于该壳体的第二定子的第二电机；其特征在于，该第二电机机械地独立于第一电机，并且在相反的方向被驱动，从而第一电机的加速转距至少部分地被第二电机惯性平衡。
2.根据权利要求1的机构，其中，该第一电机基本上被第二电机惯性平衡。
3.根据权利要求2的机构，其中，该惯性平衡是由第二电机的相等的反向旋转实现的。
4.根据前述权利要求中任何一项的机构，其中，电源为每个电机供给能量。
5.根据权利要求3的机构，其中，提供对每个电机能量供给的控制。
6.根据权利要求5的机构，其中，该控制装置为第二电机提供与提供给第一电机的电流成比例的电流。
7.根据前述权利要求中任何一项的机构，其中，第一电机连接于相对该壳体可旋转的输出轴。
8.包括根据任何前述任一项权利要求的机构的定位装置。
9.根据前述权利要求中任何一项的机构，其中，该第一电机是活动连接探针的驱动电机。
10.根据前述权利要求中任何一项的机构，其中，该壳体是活动连接探针的壳体。
全文摘要
本发明公开了一种旋转驱动机构，包括壳体(10)；具有第一转子(38)和连接于该壳体的第一定子(32)的第一电机；具有第二转子(52)和连接于该壳体的第二定子(54)的第二电机；其特征在于，该第二电机在机械上独立于第一电机，从而第一电机的加速转距至少部分地被第二电机惯性平衡。该平衡是由第二电机的相等的反向旋转实现的。设置控制装置，其为第二电机提供与提供给第一电机的电流成比例的电流。还公开了一种具有这种旋转驱动机构的定位装置和探针。
文档编号H02K23/02GK1605145SQ02825103
公开日2005年4月6日 申请日期2002年12月16日 优先权日2001年12月15日
发明者肯尼斯·郑－霍·奈, 尼古拉斯·约翰·文森特, 若弗雷·麦克法兰, 大卫·罗伯茨·麦克默特里 申请人:瑞尼斯豪公司