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Hintergrund
der Erfindung
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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf Koordinaten-Messmaschinen (CMM) und insbesondere auf
tragbare CMM mit einem Gelenkarm.
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2. Stand der
Technik
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Gegenwärtig werden
tragbare Gelenkarme als Mess-System mit einem Hauptrechner (Host)
und Anwendungs-Software bereitgestellt. Der Gelenkarm wird üblicherweise
verwendet, um Punkte auf einem Gegenstand zu messen, wobei diese
gemessenen Punkte mit rechnergestützten Entwurfsdaten (CAD-Daten)
verglichen werden, die auf dem Hauptrechner gespeichert sind, um
festzustellen, ob der Gegenstand innerhalb der CAD-Spezifikation ist.
Mit anderen Worten sind die CAD-Daten die Referenzdaten, mit denen
durch den Gelenkarm ausgeführte
tatsächliche
Messungen verglichen werden. Der Hauptrechner kann auch Anwendungs-Software
enthalten, die den Bediener durch den Inspektionsprozess führt. Für zahlreiche
Situationen, bei denen komplizierte Anwendungen auftreten, ist diese
Anordnung geeignet, da der Benutzer die dreidimensionalen CAD-Daten
auf dem Hauptrechner beobachtet, während auf komplexe Befehle
in der Anwendungs-Software reagiert wird.
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Ein
Beispiel einer tragbaren CMM des Stands der Technik zur Verwendung
in dem oben besprochenen Mess-System ist in dem US-Patent Nr. 5,402,582
('582) offenbart,
das ebenfalls auf den Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragen
wurde. Das '582-Patent
offenbart ein herkömmliches
dreidimensionales Mess-System, das aus einem manuell betätigten mehrgelenkigen
Gelenkarm mit einer Abstützung
an einem seiner Enden und einer Mess-Sonde am anderen Ende besteht.
Ein Hauptrechner steht mit dem Arm über eine zwischengeschaltete
Steuerungsvorrichtung oder eine serielle Box in Verbindung. Man
sieht, dass in dem '582-Patent
der Arm mit der seriellen Box elektronisch in Verbindung steht,
die wiederum mit dem Hauptrechner elektronisch in Verbindung steht.
Das gleichermaßen übertragene
US-Patent 5,611,147 ('147)
offenbart eine ähnliche
CMM mit einem Gelenkarm. In diesem Patent enthält der Gelenkarm eine Anzahl
wichtiger (?) mit entweder einer 2-1-3- oder einer 2-2-3-Gelenk-Konfiguration
(wobei es sich im letzteren Fall um einen 7-Achsen-Arm handelt)
sowie verbesserten vorbelasteten Lagerkonstruktionen für die Lager
in dem Arm.
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Noch
weitere relevante CMM des Stands der Technik umfassen das gleichermaßen übertragene US-Patent
Nr. 5,926,782 ('782),
das einen Gelenkarm bereitstellt, der verriegelbare Transfer-Gehäuse hat,
um einen oder mehrere Freiheitsgrade zu eliminieren, sowie das US-Patent
5,956,857 ('857),
das einen Gelenkarm bereitstellt, der ein Schnell-Löse-Montagesystem
hat.
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Aktuellere
tragbare CMM der hier beschriebenen Bauart erfordern nicht die Verwendung
einer zwischengeschalteten Steuerungsvorrichtung oder einer seriellen
Box, da deren Funktionalität
nun in die durch den Hauptrechner gelieferte Software eingebaut
ist. So offenbart z.B. das gemeinsam übertragene US-Patent 5978748
('748) einen Gelenkarm
mit einer Bord-Steuerungsvorrichtung, die ein oder mehrere ausführbare Programme
speichert und die den Benutzer mit Anweisungen (z.B. Inspektions-Prozeduren)
versorgt und die CAD-Daten, die als Referenz-Daten dienen, speichert.
In dem '748-Patent
ist eine Steuerungsvorrichtung an dem Arm montiert und lässt das
ausführbare
Programm ablaufen, das den Benutzer durch einen Prozess, wie z.B.
eine Inspektions-Prozedur, leitet. In einem derartigen System kann
ein Hauptrechner verwendet werden, um das ausführbare Programm zu erzeugen.
Die an dem Arm montierte Steuerungsvorrichtung wird verwendet, um
das ausführbare
Programm ablaufen zu lassen, kann jedoch nicht verwendet werden,
um ausführbare
Programme zu erzeugen oder ausführbare Programme
abzuwandeln. Analog zu Videospiel-Systemen dient der Hauptrechner
als Plattform zum Schreiben oder Abwandeln eines Videospiels, und
die am Arm montierte Steuerungsvorrichtung dient als Plattform zum
Spielen mit einem Videospiel. Die Steuerungsvorrichtung (z.B. Spielvorrichtung) kann
das ausführbare
Programm nicht abwandeln. Wie in dem '748-Patent
beschrieben, führt
dies zu einem kostengünstigeren
dreidimensionalen Koordinaten-Mess-System, indem man den Bedarf
eines Hauptrechners für
jeden Gelenkarm eliminiert. Die US-Anmeldung mit der Seriennummer
09/775,236 ('236),
die gleichermaßen
wie die vorliegende Erfindung übertragen
wurde, offenbart ein Verfahren und ein System zum Bereitstellen
ausführbarer
Programme an Benutzer von Koordinaten-Mess-Systemen der in dem '748-Patent offenbarten
Bauart. Das Verfahren enthält
das Empfangen einer Anfrage zum Erzeugen eines ausführbaren
Programms von einem Kunden und das Erhalten von Information bezüglich des
ausführbaren
Programms. Das ausführbare
Programm wird dann entwickelt und führt einen Bediener durch eine
Anzahl von Mess-Schritten, die mit dem dreidimensionalen Koordinaten-Mess-System
durchgeführt
werden sollen. Das ausführbare
Programm wird dem Bediener geliefert, und zwar vorzugsweise über ein
Online-Netzwerk, wie z.B. das Internet.
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Das
gleichermaßen übertragene
US-Patent Nr. 6,131,299 ('299)
offenbart einen Gelenkarm, der eine an ihm positionierte Anzeigevorrichtung
hat, um zu ermöglichen,
dass ein Bediener eine zweckmäßige Anzeige
von Positionsdaten und Sys tem-Menü-Aufforderungen erhält. Die
Anzeigevorrichtung enthält
z.B. LEDs, welche die Systemleistung, den Wandlerpositions-Status
und den Fehler-Status anzeigen. Das US-Patent 6,219,928 ('928), das gleichermaßen wie
die vorliegende Erfindung übertragen wurde,
offenbart ein serielles Netzwerk für den Gelenkarm. Das serielle
Netzwerk kommuniziert Daten von in dem Arm angeordneten Wandlern
zu einer Steuerungsvorrichtung. Jeder Wandler enthält eine Wandler-Schnittstelle
mit einem Speicher, der Wandler-Daten speichert. Die Steuerungsvorrichtung
bewirkt eine serielle Adressierung jedes Speichers, und die Daten
werden von dem Wandler-Schnittstellenspeicher
an die Steuerungsvorrichtung übertragen. Die
gleichermaßen übertragenen
US-Patente 6,253,458 ('458)
und 6,298,569 ('569)
offenbaren beide einstellbare Ausgleichsgewicht-Mechanismen für tragbare
Gelenkarm-CMM der hier beschriebenen Bauart.
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Obwohl
diese für
ihre beabsichtigten Zwecke geeignet sind, gibt es in der Industrie
einen fortbestehenden und wahrgenommenen Bedarf an verbesserten
tragbaren CMM, die sich leichter bedienen lassen, effizienter in
der Herstellung sind, verbesserte Eigenschaften besitzen und zu
geringeren Kosten verkauft werden können.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst eine tragbare CMM einen Gelenkarm, der mit Gelenken
verbundene Armsegmente besitzt. In einem Ausführungsbeispiel enthalten die
Armsegmente Lager/Codierer-Hülsen,
die in vorbestimmten Winkeln unter Verwendung einer Doppel-Gelenkpfanne
bzw. eines Doppelbuchsen-Gelenks aneinander angebracht sind. Jede
Hülse bzw.
Kartusche enthält
mindestens eine und vorzugsweise zwei vorbelastete Lager-Baugruppen
und einen Codierer, vorzugsweise einen optischen Codierer, die allesamt
in einem zylindrischen Gehäuse
zusammengebaut sind. Vorzugsweise werden zwei oder mehrere Codierer-Leseköpfe in jedem
Gelenk verwendet, um Auslöschungs-Effekte
zu bewirken, die gemittelt werden können. Die Armsegmente können über Gewinde miteinander
verbunden sein, wobei der Arm sich von einem größeren Durchmesser an seiner
Basis zu einem kleineren Durchmesser am Sondenende verjüngt.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung enthält
eines oder mehrere der mit Gelenken verbundenen Armsegmente des
Gelenkarms austauschbare Schutzabdeckungen und/oder Puffer, um starke
Schlageinwirkungen und Abrieb zu begrenzen und um einen ergonomisch
und ästhetisch
ansprechenden Griffort zu bilden.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung enthält
der Gelenkarm ein integriertes inneres Gegengewicht in einem der
Scharnier-Gelenke. Dieses Gegengewicht verwendet eine Schraubenfeder
mit relativ weiten Endringen und schmäleren Innenringen, die aus
einem Metallzylinder gefräst sind.
Die Feder enthält
außerdem
mindestens zwei (und vorzugsweise drei) Stützen zur Verriegelung in der
Gelenk- bzw. Scharnier-Konstruktion
des Arms sowie einen Feder-Einstellmechanismus.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung enthält
der Gelenkarm eine Mess-Sonde an einem seiner Enden. Diese Mess-Sonde
hat eine einstückig
montierte Berührungs-Auslösesonde, die
ohne weiteres in eine herkömmliche
Hartsonde umwandelbar ist. Die Mess-Sonde enthält auch verbesserte Schalter
und eine Messungs-Anzeigeleuchte. In einem Ausführungsbeispiel haben die Schalter eine
bogenförmige
längliche
Gestalt und sind durch den Bediener leicht betätigbar. Die verbesserten Schalter
enthalten eine unterschiedliche Farbe, Oberflächentextur und/oder Höhe, was
dem Bediener eine leichte Unterscheidung zwischen ihnen ermöglicht,
wobei die Anzeigeleuchte zur leichten Bedienung vorzugsweise farbcodiert
ist.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung enthält
einen Gelenkarm mit einer fest verbundenen bordeigenen Stromversorgungs-Aufladeeinheit.
Diese Stromversorgung/Ladegerät-Einheit
ermöglicht
eine vollständig
tragbare CMM und macht es viel leichter, die CMM an einem entlegenen
Ort und/oder ohne die Notwendigkeit eines direkt verkabelten Gelenkarms
zu verwenden.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung enthält
einen Gelenkarm, der eine Mess-Sonde an einem Ende besitzt. Die
Mess-Sonde enthält
eine rotierbare Griffabdeckung und Schalteranordnung, welche die
Mess-Sonde umgibt. Die rotierbare Griffabdeckung und Schalteranordnung
ermöglicht
ein leichteres Halten und Aktivieren der Mess-Sonde unabhängig von
der Handposition. Die Verwendung der rotierbaren Handabdeckung erübrigt eine
dritte Drehachse am Sondenende, wodurch eine kostengünstigere
und einfacher konstruierte tragbare CMM ermöglicht wird (bezüglich einer
siebenachsigen CMM oder CMM mit einem dritten Drehwinkel an der
Mess-Sonde).
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In
einem anderen Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung enthält
eine tragbare CMM einen Gelenkarm, der mit Gelenken verbundene Armsegmente
mit einer Mess-Sonde an seinem einen Ende und eine Basis an seinem
anderen Ende hat. Gemäß einem
neuartigen Merkmal dieses Ausführungsbeispiels
besitzt die Basis eine integrierte magnetische Halterung in ihr
zum Anbringen des Arms an einer magnetischen Oberfläche. Diese
integrierte magnetische Halterung ist vorzugsweise über ein
Gewinde mit dem Gelenkarm verbunden und besitzt einen Ein/Aus-Hebel zur einfachen
Benutzung (wobei der Hebel vorzugsweise automatisch umgelegt wird, wenn
die Halterung auf einer magnetischen Oberfläche positioniert wird).
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Die
oben besprochenen sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung ergeben sich für
den Fachmann aus der nun folgenden ausführlichen Beschreibung sowie
der Zeichnung.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung
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Es
wird nun auf die Zeichnung Bezug genommen, in welcher gleiche Elemente
in den verschiedenen Figuren gleiche Bezugsziffern tragen:
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1 ist
eine vordere Perspektivansicht der tragbaren CMM der vorliegenden
Erfindung, die einen Gelenkarm und einen angebrachten Hauptrechner
enthält;
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2 ist
eine hintere Perspektivansicht der CMM von 1;
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3 ist
eine rechtsseitige Ansicht der CMM von 1 (der Hauptrechner
wurde entfernt);
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3A ist eine rechtsseitige Ansicht der CMM von 1 mit
geringfügig
abgewandelter Schutzhülse,
welche zwei der langen Gelenke bzw. Gelenkglieder abdecken;
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4 ist
eine teilweise auseinandergezogene Perspektivansicht der CMM der
vorliegenden Erfindung und beschreibt die Basis sowie den ersten Gelenkarm-Abschnitt;
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5 ist
eine teilweise auseinandergezogene Perspektivansicht der CMM der
vorliegenden Erfindung und beschreibt die Basis, einen ersten Armabschnitt
und einen teilweise auseinandergezogenen zweiten Armabschnitt;
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6 ist
eine teilweise auseinandergezogene Perspektivansicht der CMM der
vorliegenden Erfindung und beschreibt die Basis, den ersten Armabschnitt,
den zweiten Armabschnitt und einen teilweise auseinandergezogenen
dritten Armabschnitt;
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7 ist
eine auseinandergezogene Perspektivansicht und beschreibt ein Paar
aus Codierer/Lager-Hülsen,
die zwischen zwei Doppelhülsen-Gelenken
(bzw. Gelenkpfannen) gemäß der vorliegenden
Erfindung montiert sind.
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8 ist
eine Vorderansicht der Lager/Codierer-Hülsen
und der Doppelhülsen-Gelenke
von 7;
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9 ist
eine auseinandergezogene Perspektivansicht einer kurzen Lager/Codierer-Hülse gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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9A ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht ähnlich der 9,
zeigt jedoch einen einzigen Lesekopf;
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9B ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht ähnlich der 9,
zeigt jedoch vier Leseköpfe;
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9C ist eine Perspektivansicht der 9B nach dem Zusammenbau;
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9D ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht ähnlich der 9,
zeigt jedoch drei Leseköpfe;
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9E ist eine Perspektivansicht von 9D nach dem Zusammenbau;
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10 ist eine Querschnitt-Vorderansicht der Hülse von 9;
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11 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht
einer langen Lager/Codierer-Hülse
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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11A ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht ähnlich der 11, zeigt jedoch einen einzigen Lesekopf;
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12 ist eine Querschnitt-Vorderansicht der Hülse von 11;
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12A ist eine Querschnitt-Vorderansicht der Hülse von 12 und beschreibt die Doppel-Leseköpfe, die
mit der Welle rotierbar sind;
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13 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht
einer weiteren Lager/Codierer-Hülse gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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13A ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht ähnlich der 13, zeigt jedoch einen einzigen Lesekopf;
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14 ist eine Querschnitt-Vorderansicht der Hülse von 13;
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15 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht
einer Lager/Codierer-Hülse
und einer Ausgleichskraft-Feder gemäß der vorliegenden Erfindung;
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15A ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht ähnlich der 15, zeigt jedoch einen einzigen Lesekopf;
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16 ist eine Querschnitt-Vorderansicht der Hülse und
des Ausgleichsgewichts von 15;
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17 ist eine Draufsicht einer Doppel-Lesekopf-Anordnung für eine Lager/Codierer-Hülse größeren Durchmessers,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird;
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18 ist eine Querschnitt-Vorderansicht entlang
der Linie 18-18 von 17;
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19 ist eine Bodenansicht der Doppel-Lesekopf-Anordnung von 17;
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20 ist eine Draufsicht einer Doppel-Lesekopf-Anordnung für eine Lager/Codierer-Hülse kleineren
Durchmessers gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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21 ist eine Querschnitt-Vorderansicht entlang
der Linie 21-21 von 20;
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22 ist eine Boden-Ansicht der Doppel-Lesekopf-Anordnung von 20;
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23A ist ein Blockdiagramm, das die elektronische
Konfiguration für
die CMM der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei ein Einzel-Lesekopf verwendet
wird, und 23B ist ein Blockdiagramm, das
die elektronische Konfiguration für die CMM der vorliegenden
Erfindung beschreibt, wobei ein Doppel-Lesekopf verwendet wird;
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24 ist eine Querschnitt-Vorderansicht in Längsrichtung
durch die CMM der vorliegenden Erfindung (die Basis wurde entfernt);
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24A ist eine Querschnitt-Vorderansicht der CMM
von 3A;
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25 ist eine vergrößerte Querschnitt-Ansicht eines
Abschnitts von 24 und beschreibt die Basis
sowie ein erstes langes Gelenksegment der CMM von 24;
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25A ist eine Perspektivansicht der Verbindung
zwischen einem langen und einem kurzen Gelenk bzw. Gelenkstück gemäß einem
alternativen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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25B ist eine Querschnitt-Vorderansicht in Längsrichtung
durch einen Abschnitt von 25A;
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26 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines
Abschnitts von 24 und beschreibt das zweite
sowie das dritte lange Gelenksegment;
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26A und B sind vergrößerte Querschnittsansichten
von Abschnitten der 24A und beschreiben das zweite
und das dritte lange Gelenksegment sowie die Sonde;
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27A ist eine auseinandergezogene Seitenansicht
und beschreibt die erste Anordnung aus kurzem Gelenkstück und Ausgleichsgewicht
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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27B ist eine Perspektivansicht und zeigt die Komponenten
von 27A;
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28 ist eine Querschnitt-Vorderansicht und zeigt
das innere Ausgleichsgewicht der vorliegenden Erfindung;
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29 ist eine Querschnitt-Seitenansicht durch ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Mess-Sonde gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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29A ist eine Seitenansicht eines anderen Ausführungsbeispiels
einer Mess-Sonde gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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29B ist eine Querschnitt-Vorderansicht entlang
der Linie 29B-29B von 29A;
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29C ist eine Perspektivansicht von zwei "Ausführungs"- oder "Bestätigungs"-Schaltern, die in 29A-B verwendet werden;
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30A-C sind sequenzielle Vorderansichten bzw. Aufrissansichten,
welche die integrierte Berührungsproben-Anordnung und die
Umwandlung zu der Hartproben-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung
beschreiben;
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31 ist eine Querschnitt-Seitenansicht durch ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer Mess-Sonde gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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32 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht
der integrierten Magnetbasis gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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33 ist eine Querschnitt-Vorderansicht durch die
magnetische Basis von 32;
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34 ist eine Draufsicht auf die magnetische Halterung
von 32;
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35 ist eine Querschnitt-Vorderansicht eines CMM-Gelenks bzw. -Gelenkglieds
von Raab '356 mit
Doppel-Leseköpfen;
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36 ist eine Querschnitt-Vorderansicht eines CMM-Gelenks bzw. -Gelenkglieds
von Eaton '148 mit
Doppel-Leseköpfen;
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37 ist eine Seitenansicht einer Mess-Sonde mit
einem Siebente-Achse-Wandler;
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38 ist eine Seitenansicht ähnlich der 37, jedoch mit einem abnehmbaren Griff;
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39 ist eine Endansicht der Mess-Sonde von 38;
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40 ist eine Querschnitt-Vorderansicht der Mess-Sonde von 38;
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41 ist eine Draufsicht einer Lager/Codierer-Hülse, die einen Lesekopf verwendet,
der mit einer Vielzahl von Sensoren gemäß der vorliegenden Erfindung
kombiniert ist;
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42 ist eine Perspektivansicht der Hülse von 41;
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43 ist eine vergrößerte Ansicht des oberen Abschnitts
der Hülse
von 42.
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Beschreibung
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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In 1 bis 3 ist
die CMM der vorliegenden Erfindung allgemein mit 10 bezeichnet.
Die CMM 10 umfasst einen mehrgelenkigen bzw. mehrgliedrigen,
manuell betätigten
Gelenkarm 14, der an seinem einen Ende an einem Basisabschnitt 12 angebracht
ist und an seinem anderen Ende an einer Mess-Sonde 28 angebracht
ist. Der Arm 14 ist im Wesentlichen aus zwei Arten von
Gelenken bzw. Gelenkgliedern aufgebaut, und zwar einem langen Gelenk
bzw. Gelenkglied (für
eine Umlauf-Bewegung) und einem kurzen Gelenk bzw. Gelenkglied (für eine Scharnier-Bewegung). Die langen
Gelenkglieder sind im wesentlichen axial oder in Längsrichtung
entlang des Arms positioniert, während
die kurzen Gelenkglieder im Wesentlichen unter 90° zur Längsachse
des Arms positioniert sind. Die langen und die kurzen Gelenkglieder
sind gepaart angeordnet, und zwar üblicherweise als 2-2-2-Konfiguration
(obwohl andere Gelenkglieder-Konfigurationen, wie z.B. 2-1-2, 2-1-3,
2-2-3, etc, verwendet werden können). Jedes
dieser Gelenkpaare ist in 4 bis 6 gezeigt.
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4 beschreibt
eine auseinandergezogene Ansicht des ersten Gelenkpaars, nämlich das
lange Gelenkglied 16 und das kurze Gelenkglied 18. 4 zeigt
auch eine auseinandergezogene Ansicht der Basis 12, die
eine tragbare Stromversorgungs-Elektronik 20, eine tragbare
Batteriepackung 22, eine magnetische Halterung 24 und
ein zweiteiliges Basisgehäuse 26A und 26B enthält. Alle
diese Komponenten werden im Folgenden ausführlicher diskutiert.
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Beachtlicherweise
erkennt man, dass die Durchmesser der verschiedenen Primär-Komponenten
des Gelenkarms 14 sich von der Basis 12 zur Probe 28 hin
verjüngen.
Eine derartige Verjüngung kann
kontinuierlich sein, oder die Abstufung kann wie in dem in den Figuren
gezeigten Ausführungsbeispiel diskontinuierlich
oder stufenweise sein. Zusätzlich kann
jede der Primär-Komponenten
des Gelenkarms 14 gewindeartig angebracht sein, wodurch
eine große
Anzahl von Befestigungsvorrichtungen der CMMs des Stands der Technik
eliminiert werden. So ist z.B., wie weiter unten diskutiert wird,
die magnetische Halterung 24 an einem ersten langen Gelenkglied 16 gewindemäßig befestigt.
Vorzugsweise ist ein derartiges Gewinde ein verjüngtes Gewinde, das selbstverriegelnd
ist und eine erhöhte
axiale bzw. Biegesteifigkeit erzeugt. Alternativ, wie in 25A und 25B und
im Anschluss daran diskutiert, können
die Primär-Komponenten
des Gelenkarms komplementäre, sich
verjüngende
Stecker- und Buchsen-Enden mit zugeordneten Flanschen haben, wobei
diese Flansche zusammengeschraubt sind.
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In 5 ist
der zweite Satz aus einem langen und einem kurzen Gelenkglied gezeigt,
der an dem ersten Satz angebracht ist. Der zweite Gelenkglied-Satz
enthält
ein langes Gelenkglied 30 und ein kurzes Gelenkglied 32.
In Übereinstim mung
mit der Anbringung der magnetischen Halterung an dem langen Gelenkglied 16 ist
das lange Gelenkglied 30 an dem Gewinde an der inneren
Oberfläche
des langen Gelenkglieds 16 gewindemäßig angebracht. In 6 enthält der dritte
Gelenkglied-Satz auf ähnliche
Weise ein drittes langes Gelenkglied 34 und ein drittes kurzes
Gelenkglied 36. Das dritte lange Gelenkglied 34 ist
an dem Gewinde an der Innenfläche
des zweiten kurzen Gelenkglieds 32 gewindemäßig befestigt. Wie
im Folgenden ausführlicher
diskutiert wird, ist die Sonde 28 an dem kurzen Gelenkglied 36 gewindemäßig angebracht.
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Vorzugsweise
ist jedes kurze Gelenkglied 18, 32 und 36 aus
gegossenen und/oder gefrästen Aluminium-Komponenten
oder alternativ aus einer steifen Leichtgewicht-Legierung oder einem
Verbundmaterial aufgebaut. Jedes lange Gelenkglied 16, 30 und 34 ist
vorzugsweise aus gegossenem und/oder gefrästem Aluminium, einer steifen
Leichtgewicht-Legierung und/oder einem faserverstärkten Polymer
aufgebaut. Die mechanischen Achsen der drei zuvor genannten Gelenkpaare
(d.h., das Paar 1 umfasst die Gelenkglied-Paare 16, 18,
das Paar 2 umfasst die Gelenkglied-Paare 30, 32,
und das Paar 3 umfasst die Gelenkglied-Paare 34, 36)
sind bezüglich
der Basis zur Erzielung eines sanften, gleichförmigen mechanischen Verhaltens
ausgerichtet. Die vorgenannte verjüngte Konstruktion von der Basis 12 zur
Sonde 28 wird bevorzugt, um eine erhöhte Steifigkeit an der Basis
zu begünstigen,
wo die Lasten größer sind,
und ein kleineres Profil an der Sonde oder dem Griff zu begünsti gen,
wo eine ungehinderte Benutzung wichtig ist. Wie im Folgenden ausführlicher
diskutiert wird, ist jedem kurzen Gelenkglied an dem einen und dem
anderen seiner Enden ein Schutzpuffer 38 zugeordnet, und
jede lange Sonde ist mit einer Schutzhülse 40 oder 41 bedeckt.
Man sieht, dass das erste lange Gelenkglied 16 durch das Basisgehäuse 26A,
B geschützt
ist, das dieselbe Art Schutz bietet wie die Hülsen 40, 41 für das zweite und
das dritte lange Gelenkglied 30, 34 bilden.
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Gemäß einem
wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung verwendet jedes der
Gelenkglieder des Gelenkarms eine modulare Lager/Codierer-Hülse, wie
z.B. die in 7 und 8 gezeigte kurze
Hülse 42 und
lange Hülse 44.
Diese Hülsen bzw.
Kartuschen 42, 44 sind in Öffnungen von Doppelbuchsen-Gelenken bzw. Doppel-Gelenkpfannen 46, 48 montiert.
Jede Gelenkpfanne 46, 48 enthält eine erste zylindrische
Verlängerung 47 mit
einer ersten Vertiefung oder Buchse bzw. Pfanne 120 und eine
zweite zylindrische Verlängerung 49 mit
einer zweiten Vertiefung oder Buchse bzw. Pfanne 51. Im Allgemeinen
sind die Pfannen 120 und 51 unter 90° zueinander
angeordnet, obwohl andere relative Winkelanordnungen verwendet werden
können.
Die kurze Hülse 42 ist
in jeder Pfanne 51 der Doppel-Gelenkpfannen 46 und 48 positioniert,
um ein Scharnier-Gelenk zu definieren, während die lange Hülse 44 in
der Pfanne 120 des Gelenks 46 positioniert ist (siehe 25) und die lange Hülse 44' (siehe 26)
in der Pfanne 120 des Gelenks 48 positioniert
ist, um jeweils ein Umlauf-Gelenkglied in Längs richtung zu bestimmen. Die
modularen Lager/Codierer-Hülsen 42, 44 ermöglichen
die gesonderte Herstellung einer vorgespannten oder vorbelasteten Doppel-Lagerhülse, an
der die modularen Codierer-Komponenten montiert sind. Diese Lager/Codierer-Hülse kann
dann an den äußeren Skelett-Komponenten (d.h.,
den Doppel-Gelenkpfannen 46, 48) des Gelenkarms 14 feststehend
angebracht werden. Die Verwendung derartiger Hülsen ist ein beachtlicher Vorteil
auf dem Gebiet, da es eine Herstellung dieser anspruchsvollen Subkomponenten
des Gelenkarms 14 mit hoher Qualität und hoher Geschwindigkeit
ermöglicht.
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In
dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
gibt es vier unterschiedliche Hülsenarten,
nämlich
zwei lange axiale Hülsen
für die
Gelenkglieder 30 und 34, eine axiale Basishülse für das Gelenkglied 16,
eine Basishülse
(die ein Gegengewicht bzw. eine Ausgleichskraft aufweist) für das kurze
Gelenkglied 18 und zwei Scharnier-Hülsen für die Gelenkglieder 32 und 36.
Außerdem
haben in Übereinstimmung
mit der Verjüngung
des Gelenkarms 14 die am nächsten bei der Basis angeordneten
Hülsen
(z.B. in dem langen Gelenkglied 16 und dem kurzen Gelenkglied 18 angeordnet)
einen größeren Durchmesser
bezüglich der
kleineren Durchmesser der Gelenkglieder 30, 32, 34 und 36.
Jede Hülse
enthält
eine vorbelastete Lager-Anordnung
und einen Wandler, der in diesem Ausführungsbeispiel einen digitalen
Codierer aufweist. In 9 und 10 wird
nun die in dem axialen langen Gelenkglied 16 positionierte
Hülse beschrieben.
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Die
Hülse 44 enthält zwei
Lager 50, 52, die durch eine innere Hülse und
eine äußere Hülse 56 getrennt
sind. Es ist wichtig, dass die Lager 50, 52 vorbelastet
sind. In diesem Ausführungsbeispiel
wird eine derartige Vorbelastung dadurch erzeugt, dass die Hülsen 54, 56 unterschiedliche
Längen
haben (die innere Hülse 54 ist
um ungefähr
0,0005 Zoll kürzer
als die äußere Hülse 56),
so dass beim Festspannen an den Lagern 50, 52 eine
vorab ausgewählte Vorbelastung
erzeugt wird. die Lager 50, 52 werden abgedichtet,
wobei Dichtungen 58 mit dieser Anordnung an der Welle 60 rotierbar
montiert werden. An dieser oberen Fläche endet die Welle 60 an
einem oberen Wellen-Gehäuse 62.
Ein Ring 63 ist zwischen der Welle 60 und dem
oberen Wellen-Gehäuse 62 definiert.
Diese Gesamtanordnung ist innerhalb eines äußeren Kartuschen-Gehäuses 64 positioniert,
wobei die Welle und ihre Lageranordnung unter Verwendung einer Kombination
einer inneren Mutter 66 und einer äußeren Mutter 68 an
dem Gehäuse 64 fest
angebracht sind. Man beachte, dass nach dem Zusammenbau der obere
Abschnitt 65 des äußeren Gehäuses 64 innerhalb
des Rings 63 aufgenommen wird. Man sieht, dass die vorgenannte
Vorbelastung an den Lagern 50, 52 nach dem Festspannen
der inneren und äußeren Muttern 66, 68 erzeugt
wird, die Kompressionskräfte
an den Lagern erzeugen, weshalb aufgrund der Längendifferenz zwischen den
in neren und äußeren Abstandshaltern 54, 56 die
gewünschte
Vorbelastung angelegt wird.
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Vorzugsweise
sind die Lager 50, 52 Doppel-Kugellager. Um die
passende Vorspannung zu erzielen, ist es wichtig, dass die Lagerflächen so
parallel wie möglich
sind. Die Parallelität
beeinflusst die Gleichmäßigkeit
der Vorbelastung am Umfang des Lagers. Eine ungleichmäßige Belastung
gibt dem Lager ein ungleichmäßiges Drehmoment-Laufgefühl und führt zu unvorhersagbarer
radialer Unrundheit sowie einer verringerten Codierer-Leistung.
Eine radiale Unrundheit (ein so genannter "Schlag") der modular montierten Codiererscheibe
(weiter unten diskutiert) führt
zu einer unerwünschten
Streifenmuster-Verschiebung
unterhalb des Lesekopfes. Dies führt
zu beachtlichen Winkel-Messfehlern des Codierers. Darüber hinaus
steht die Steifigkeit der vorzugsweise duplexartigen Lagerkonstruktion
in unmittelbarer Beziehung zum Abstand der Lager. Je weiter die Lager
voneinander weg sind, desto steifer wird die Anordnung. Die Abstandshalter 54, 56 werden
verwendet, um den Abstand der Lager zu erhöhen. Da das Kartuschen-Gehäuse 64 vorzugsweise
aus Aluminium ist, sind auch die Abstandshalter 54, 56 vorzugsweise
aus Aluminium gefertigt und in ihrer Länge und Parallelität mit Präzisionsmaschinen
bearbeitet. Dies führt
dazu, dass Temperaturänderungen
zu keiner unterschiedlichen Ausdehnung führen, wodurch die Vorbelastung
beeinträchtigt
würde.
Wie erwähnt, wird
die Vorbelastung erzeugt, indem man bei der Auslegung der Länge der
Abstandshalter 45, 56 eine bekannte Differenz
verwendet. Sobald die Muttern 66, 68 vollständig angezogen
sind, führt
diese Längendifferenz
zu einer Lager-Vorbelastung. Die Verwendung von Dichtungen 58 erzeugt
abgedichtete Lager, da jegliche Lagerverunreinigung die gesamte Drehbewegung
und Codierer-Genauigkeit sowie das Gelenkgefühl beeinflussen würde.
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Während die
Kartusche 44 vorzugsweise ein Paar beabstandeter Lager
enthält,
könnte
die Kartusche 44 alternativ ein einziges Lager oder drei
oder mehrere Lager enthalten. Somit benötigt jede Kartusche mindestens
ein Lager.
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Die
Gelenkglied-Kartuschen der vorliegenden Erfindung können entweder
ein unbegrenzte Rotation besitzen oder können alternativ eine begrenzte Rotation
besitzen. Für
eine begrenzte Rotation erzeugt eine Rille 70 an einem
Flansch 72 an der äußeren Fläche des
Gehäuses 64 eine
zylinderförmige Spur,
die ein Pendelschiffchen 74 enthält. Das Schiffchen 74 läuft innerhalb
der Spur 70, bis es an einem abnehmbaren Schiffchen-Anschlag,
wie z.B. den Rotationsstopp-Einstellschrauben 76, in Anschlag
gelangt, woraufhin die Rotation verhindert wird. Das Ausmaß der Rotation
kann je nach Wunsch unterschiedlich sein. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
würde die
Pendelschiffchen-Rotation auf weniger als 720° beschränkt werden. Pendelschiffchen-Rotationsanschläge dieser
Bauart werden in dem US-Patent 5,611,147 desselben Anmelders ausführlicher
beschrieben, dessen gesamter Inhalt hier durch Verweis enthalten
ist.
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Wie
erwähnt
kann in einem alternativen Ausführungsbeispiel
das in der vorliegenden Erfindung verwendete Gelenk bzw. Gelenkglied
eine unbegrenzte Rotation besitzen. In diesem Fall wird eine bekannte
Gleitring-Anordnung verwendet. Vorzugsweise hat die Welle 60 einen
Hohlraum oder eine Axialöffnung 78 durch
sie hindurch, die einen Abschnitt 80 größeren Durchmessers an ihrem
einen Ende hat. Im Anschlag an der Schulter, die an der Schnittstelle zwischen
den axialen Öffnungen 78 und 80 definiert ist,
befindet sich eine zylinderförmige
Gleitring-Anordnung 82. Die Gleitring-Anordnung 82 ist
nicht-tragend (das heißt,
sie erzeugt keine mechanische Funktion, sondern erzeugt nur eine
elektrische und/oder Signal-Übertragungsfunktion)
bezüglich
der vorbelasteten Lageranordnung, die in der modularen Gelenkglied-Kartusche
vorgesehen ist. Die Gleitring-Anordnung 82 kann zwar aus
einem kommerziell erhältlichen
Gleitring bestehen, doch umfasst die Gleitring-Anordnung 82 in
einer bevorzugten Ausführung
einen H-Serien-Gleitring, der IDM Electronics Ltd. aus Reading,
Berkshire, Großbritannien
erhältlich
ist. Derartige Gleitringe haben eine kompakte Abmessung und eignen
sich mit ihrer zylinderförmigen Auslegung
in idealer Weise zur Verwendung in der Öffnung 80 innerhalb
der Welle 60. Die axiale Öffnung 80 durch die
Welle 60 hindurch endet an einer Öffnung 84, die mit
einem Kanal 86 in Verbindung steht, der zur Aufnahme von Drähten von
der Gleitring-Anordnung 82 bemessen und konfiguriert ist. Eine
derartige Verdrahtung ist durch eine Drahtabdeckung 88 fixiert
und geschützt,
die auf dem Kanal 86 und der Öffnung 84 einrastet
und darin gehalten wird. Eine solche Verdrahtung ist in 10 bei dem Bezugszeichen 90 schematisch
gezeigt.
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Wie
erwähnt,
enthält
die modulare Kartusche 44 sowohl eine vorbelastete Lagerkonstruktion,
die weiter oben beschrieben wurde, sowie eine modulare Codierer-Konstruktion,
die nun beschrieben wird. Wie man in 9 und 10 ebenfalls
sieht, umfasst der in der vorliegenden Erfindung verwendete bevorzugte
Wandler einen modularen optischen Codierer mit zwei Primär-Komponenten,
einem Lesekopf 92 und einer Beugungsgitter-Scheibe 94.
In diesem Ausführungsbeispiel
sind zwei Leseköpfe 92 auf einer
Lesekopf-Anschlussplatte 96 positioniert. Die Anschlussplatte 96 ist
(über Befestigungsvorrichtungen 98)
an einer Montageplatte 100 angebracht. Die Scheibe 94 ist
vorzugsweise an der unteren Lagerfläche 102 der Welle 60 (vorzugsweise
unter Verwendung eines geeigneten Klebstoffs) angebracht und ist von
den Leseköpfen 92 (die
durch die Platte 100 abgestützt und von ihr gehalten werden)
beabstandet und mit ihnen ausgerichtet. Ein Drahttrichter 104 ergreift
und hält
die Verdrahtung 90, wie man am besten in 10 sieht. Man sieht, dass die Codiererscheibe 94 aufgrund
der Verwendung eines Klebstoffs bei 102 durch die Welle 60 gehalten
wird und sich mit ihr dreht. 9 und 10 be schreiben
einen Doppel-Lesekopf 92. Man sieht jedoch, dass mehr als
zwei Leseköpfe
verwendet werden können oder
alternativ ein Einzel-Lesekopf, wie in 9A gezeigt,
verwendet werden kann. 9B-E
beschreiben Beispiele modularer Kartuschen 44 mit mehr
als zwei Leseköpfen. 9B-C zeigen vier Leseköpfe 92, die in einer
Platte 100 enthalten sind und um 90°-Intervalle beabstandet sind
(obwohl andere bzw. unterschiedliche relative Beabstandungen geeignet
sein können). 9D-E zeigen drei Leseköpfe 92, die in einer
Platte 100 enthalten sind und in 120°-Intervallen beabstandet sind
(obwohl unterschiedliche bzw. andere relative Beabstandungen geeignet
sein können).
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Um
die Scheibe 94 richtig auszurichten, ist ein (nicht gezeigtes)
Loch durch das Gehäuse 64 an einem
Ort neben der Scheibe 94 vorgesehen. Ein (nicht gezeigtes)
Werkzeug wird dann verwendet, um die Scheibe 94 in die
richtige Ausrichtung zu schieben, woraufhin man den Klebstoff zwischen
der Scheibe 94 und der Welle 66 aushärten lässt, um
die Scheibe 94 zu fixieren. Ein Lochstöpsel 73 wird dann durch
das Loch in dem Gehäuse 64 angebracht.
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Wichtig
ist noch, dass die Anordnungen der Scheibe 94 und des Lesekopfs 92 umgekehrt
werden können,
wobei die Scheibe 94 an dem Gehäuse 56 angebracht
wird und der Lesekopf 92 sich mit der Welle 60 dreht.
Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist
in 12A gezeigt, bei der die Platte 96' (mittels Klebstoff)
an der Welle 60' angebracht
ist, um sich mit ihr zu drehen. Drei Leseköpfe 92' sind an der Platte 96' angebracht
und drehen sich somit mit der Welle 60'. Die Scheibe 94' ist auf einer
Unterlage 100' positioniert,
die an dem Gehäuse 64' angebracht
ist. Auf jeden Fall sieht man, dass entweder die Scheibe 94 oder
der Lesekopf 92 für
eine Drehung mit der Welle montiert werden kann. Es ist nur wichtig,
dass die Scheibe 94 oder der Lesekopf 92 in einer
Kartusche (oder einem Gelenkglied) positioniert ist, um bezüglich des
Lesekopfs bzw. der Scheibe rotierbar zu sein, wobei die optische
Kommunikation beibehalten wird.
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Vorzugsweise
ist der in der vorliegenden Erfindung verwendete Drehcodierer ähnlich wie
der in den US-Patenten 5,486,923 und 5,559,600 beschriebene. Derartige
modulare Codierer sind von MicroE Systems unter dem Handelsnamen
Pure Precision Optics kommerziell erhältlich. Diese Codierer basieren
auf physikalischer Optik, welche die Interferenz zwischen Beugungsordnungen
erfasst, um näherungsweise
perfekte sinusförmige
Signale von einer Photodetektor-Anordnung (z.B. Lesekopf bzw. Leseköpfe), die
in das Streifenmuster eingefügt
wird, zu erzeugen. Die sinusförmigen
Signale werden elektronisch interpoliert, um eine Erfassung der
Verschiebung zu gestatten, die nur ein Bruchteil des optischen Streifens
ist.
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Wenn
man eine Laser-Lichtquelle verwendet, wird der Laserstrahl zuerst
mittels einer Linse parallel gerichtet und anschließend mittels
einer Öffnung
auf die richtige Größe gebracht.
Der parallel gerichtete Strahl bestimmter Größe tritt durch ein Gitter hindurch,
welches das Licht in diskrete Ordnungen beugt, wobei die nullte
und alle geraden Ordnungen durch die Gitterkonstruktion unterdrückt werden.
Da die Null-Ordnung
unterdrückt
ist, gibt es einen Bereich jenseits der divergierenden dritten Ordnung,
bei dem nur die +/– ersten
Ordnungen überlappen,
um eine näherungsweise
reine sinusförmige
Interferenz zu erzeugen. Es werden ein oder mehrere Photodetektor-Anordnungen
(Leseköpfe)
innerhalb dieses Bereichs angeordnet, und es werden vier Kanäle mit einer
näherungsweise
reinen sinusförmigen
Ausgabe erzeugt, wenn eine Relativbewegung zwischen dem Gitter und
dem Detektor stattfindet. Eine Elektronik verstärkt, normiert und interpoliert
die Ausgabe auf den gewünschten
Auflösungsgrad.
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Die
Einfachheit dieser Codierer-Auslegung ergibt einige Vorteile gegenüber optischen
Codierern des Stands der Technik. Die Messung kann mit nur einer
Laserquelle sowie ihrer Parallelrichtungs-Optik, einem Beugungsgitter
und einer Detektoranordnung durchgeführt werden. Dies führt zu einem äußerst kompakten
Codierersystem gegenüber
den sperrigeren herkömmlichen
Codierern des Stands der Technik. Außerdem macht eine direkte Beziehung
zwischen dem Gitter und der Streifenbewegung den Codierer gegenüber durch
die Umwelt eingeleiteten Fehlern weniger empfindlich, für die Vorrichtungen des
Stands der Technik empfänglich
sind. Da der Bereich der Interferenz groß ist und da überall innerhalb dieses
Bereichs eine fast sinusförmige
Interferenz erzielt wird, sind darüber hinaus die Ausrichtungstoleranzen
viel lockerer als bezüglich
der Codierer des Stands der Technik.
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Ein
beachtlicher Vorteil des vorgenannten optischen Codierers besteht
darin, dass die Genauigkeit der Maximalabstand-Ausrichtung und des
Abstands oder der Abstand und die Ausrichtung des Lesekopfes bezüglich der
Codiererscheibe viel weniger streng ist. Dies ermöglicht eine
hoch genaue Rotationsmessung und eine leicht zusammenbaubare Packung.
Das Ergebnis der Verwendung dieser "geometrie-toleranten" Codierertechnologie führt zu einer CMM 10 mit
beachtlichen Kostenverringerungen und einer leichten Herstellung.
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Man
sieht, dass das oben beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel
zwar eine optische Scheibe 94 enthält, doch umfasst das bevorzugte Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung auch jedes optische Streifenmuster, das
es dem Lesekopf ermöglicht,
eine Relativbewegung zu messen. Im hier verwendeten Sinne versteht
man unter einem derartigen Streifenmuster jede periodische Anordnung
optischer Elemente, die für
die Messung von Bewegung sorgen. Derartige optische Elemente oder
ein derartiges Streifenmuster könnte
an einer rotierenden oder stationären Scheibe befestigt werden,
wie oben beschrieben, oder könnte
alternativ an jedem der sich relativ bewegenden Bestandteile (wie z.B.
die Welle, die Lager oder das Gehäuse) der Hülse befestigt oder anderweitig
positioniert oder darauf abgelegt werden.
-
Tatsächlich braucht
der Lesekopf und eine zugeordnete periodische Anordnung oder ein
Muster überhaupt
nicht notwendigerweise auf einer Optik beruhen (wie oben beschrieben).
Vielmehr könnte
im weiteren Sinne der Lesekopf ein anderes periodisches Muster irgendeiner
anderen messbaren Größe oder
Eigenschaft lesen (oder erfassen), die zum Messen von Bewegung,
vorwiegend Drehbewegung, verwendet werden kann. Derartige andere
messbare Eigenschaften können
z.B. die Reflektivität,
die Opazität,
das Magnetfeld, die Kapazität,
die Induktivität oder
die Oberflächenrauhigkeit
sein. (Man beachte, dass ein Oberflächenrauhigkeits-Muster unter
Verwendung eines Lesekopfes oder Sensors in Form einer Kamera, wie
z.B. einer CCD-Kamera gelesen werden könnte). In derartigen Fällen würde der
Lesekopf z.B. periodische Änderungen
des Magnetfeldes, der Reflektivität, der Kapazität, der Induktivität, der Oberflächenrauhigkeit
oder dergleichen messen. Im hier verwendeten Sinn steht daher der
Begriff "Lesekopf" für jeglichen
Sensor oder Wandler und zugeordnete Elektronik für die Analyse dieser messbaren Größen oder
Eigenschaften, wobei ein optischer Lesekopf lediglich ein bevorzugtes
Beispiel ist. Natürlich
kann sich das durch den Lesekopf gelesene periodische Muster auf
jeder beliebigen Oberfläche
befinden, solange es eine Relativbewegung (im Allgemeinen eine Drehbewegung)
zwischen dem Lesekopf und dem periodischen Muster gibt. Beispie le
des periodischen Musters beinhalten magnetische, induktive oder
kapazitive Medien, die auf einer rotierenden oder stationären Komponente
in einem Muster abgelegt sind. Falls das zu lesende periodische Muster
die Oberflächenrauhigkeit
ist, besteht darüber hinaus
keine Notwendigkeit, ein gesondertes periodisches Muster abzulegen
oder anderweitig bereitzustellen, da die Oberflächenrauhigkeit jeder mit dem zugeordneten
Lesekopf in Kommunikation stehenden Komponente (vorzugsweise eine
Kamera wie z.B. eine CCD-Kamera) verwendet werden kann.
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Wie
erwähnt,
beschreiben 9 und 10 die
Elemente des modularen Lagers und der Codiererhülse für das axial lange Gelenkglied 16. 11 und 12 beschreiben
das Lager und die Codiererhülse
für die
axial langen Gelenkglieder 30 und 34. Diese Hülsen-Baugruppen
sind im Wesentlichen ähnlich
wie die in 9 und 10 gezeigten
und werden daher mit 44' bezeichnet.
Geringfügige
Unterschiede ergeben sich aus den Figuren bezüglich der Hülse 44 z.B. im Hinblick
auf eine anders ausgebildete Draht-Kappe/Abdeckung 88', geringfügig andere
Draht-Trichter/Abdeckungen 104', 106' und die Positionierung des Flansches 72' am oberen Ende des
Gehäuses 64'. Außerdem sind
die Flansche zwischen dem Gehäuse 64' und dem oberen
Wellengehäuse 62 nach
außen
hin aufgeweitet. Natürlich
können
sich die relativen Längen
der in 11 und 12 gezeigten
verschiedenen Komponenten geringfügig von den in 9 und 10 gezeigten
unterscheiden. Da alle diese Komponenten im Wesentlichen ähnlich sind,
wurden die Komponenten mit denselben Bezugsziffern mit einem zusätzlichen Strich
versehen. 11A ist der 11 ähnlich,
beschreibt jedoch ein Ausführungsbeispiel
mit einem einzigen Lesekopf.
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In 13 und 14 sind ähnliche
auseinandergezogene Ansichten und Querschnittsansichten für das Lager
und die Codiererhülsen
in den kurzen Scharniergelenken 32 und 36 gezeigt.
Wie in den langen axialen Gelenkgliedern 44' von 11 und 12 sind
die Hülsen
für die
kurzen Scharniergelenke 32 und 36 im Wesentlichen ähnlich wie
die Hülse 44,
die weiter oben ausführlich
besprochen wurde, weshalb die Komponenten dieser Hülsen mit 44' bezeichnet
sind, wobei ähnliche
Komponenten unter Verwendung eines doppelten Strichs bezeichnet sind.
Man erkennt, dass wegen der beabsichtigten Verwendung der Hülsen 44'' in den kurzen Gelenken 32, 36 keine
Gleitring-Baugruppe
benötigt
wird, da wegen der angelenkten Bewegung dieser Gelenkglieder die
Verdrahtung einfach durch die axialen Öffnungen 78'', 80'' hindurchtritt. 13A ist ähnlich wie 13, beschreibt jedoch ein Ausführungsbeispiel mit einem einzigen
Lesekopf.
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Schließlich ist
in 15 und 16 die
modulare Lager/Codierer-Hülse
für das
kurze Scharniergelenk 18 mit 108 gezeigt. Man
erkennt, dass im Wesentlichen alle der Komponenten der Hülse 108 ähnlich oder
gleich wie die Komponenten in den Hülsen 44, 44' und 44'' sind, wobei die wichtige Ausnahme darin
besteht, dass eine Gegengewicht- bzw. Ausgleichskraft- Baugruppe enthalten
ist. Diese Gegengewicht-Baugruppe enthält eine Gegengewicht-Feder 110,
die über
dem Gehäuse 64'' aufgesetzt ist und eine wichtige
Gegengewicht- bzw. Ausgleichskraft-Funktion an der CMM 10 auf
eine Art und Weise erzeugt, die weiter unten anhand von 26 bis 28 ausführlicher
beschrieben wird. 15A ist ähnlich wie 15, beschreibt jedoch ein Ausführungsbeispiel mit einem einzigen
Lesekopf.
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Wie
erwähnt
können
in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
mehr als ein Lesekopf in dem Codierer verwendet werden. Man sieht,
dass eine Winkelmessung eines Codierers durch Scheiben-Auslauf und
eine radiale Bewegung aufgrund angelegter Lasten bewirkt wird. Es
wurde festgestellt, dass zwei in 180° zueinander positionierte Leseköpfe zu einem
Auslauf führen,
der Auslöschungseffekte
in jedem Lesekopf erzeugt. Diese Auslöschungseffekte werden für eine endgültige "immune" Winkelmessung gemittelt.
Somit führt
die Verwendung von zwei Leseköpfen
und der sich ergebenden Fehler-Auslöschung zu einer weniger fehleranfälligen und
genaueren Codierer-Messung. 17 bis 19 beschreiben
jeweils Ansichten von unten, im Querschnitt und von oben für ein Ausführungsbeispiel
mit Doppel-Lesekopf,
das z.B. in einer Hülse
mit größerem Durchmesser
nützlich
ist, wie man sie z.B. in den Gelenken 16 und 18 (d.h.,
den Gelenken am nächsten
zur Basis) vorfindet. Somit sind an einer Hülsen-Endkappe 100 ein
Paar Leiterplatten 96 montiert, wobei jede Leiterplatte 96 einen
an ihr mechanisch befestigten Lesekopf 92 hat. Die Leseköpfe 92 sind
vorzugs weise 180° voneinander
positioniert, um die Fehler-Auslöschung zu
erzeugen, die sich aus dem Auslauf oder der radialen Bewegung der
Scheibe ergibt. Jede Leiterplatte 96 enthält außerdem ein Verbindungsglied 93 zur
Anbringung der Leiterplatte 96 an dem internen Bus und/oder
der Verdrahtung, wie weiter unten besprochen wird. 20 bis 22 beschreiben
im Wesentlichen dieselben Komponenten wie 17 bis 19,
wobei der vorwiegende Unterschied in einer Hülsen-Endkappe 100 mit
kleinerem Durchmesser besteht. Dieses Ausführungsbeispiel mit doppeltem
Lesekopf kleineren Durchmessers würde den Hülsen kleineren Durchmessers von
z.B. den Gelenken 30, 32, 34 und 36 zugeordnet.
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Die
Verwendung von mindestens zwei Leseköpfen (oder mehreren, wie z.B.
die in 9D-E gezeigten drei Leseköpfe und
die in 9B-C gezeigten vier Leseköpfe) wird
auch in herkömmlicheren Koordinaten-Messmaschinen
vorteilhaft verwendet, um deren Kosten und Herstellungsaufwand beachtlich
zu verringern. So enthält
z.B. eine in dem US-Patent 5,794,356 beschriebene Koordinaten-Messmaschine
(im Folgenden "Raab '356") einen relativ simplen
Aufbau für
dieses Gelenk mit einem ersten Gehäuse, das mit einer Gelenkhälfte stationär bleibt und
einem zweiten Gehäuse,
das mit der zweiten Gelenkhälfte
stationär
bleibt, wobei das erste und das zweite Gehäuse vorgespannte Lager haben,
die es ihnen gestatten, miteinander zu rotieren. Das erste Gehäuse enthält einen
dicht gepackten Codierer bzw. eine Codierer-Packung, und das zweite Gehäuse enthält eine
axial angeordnete innere Welle, die sich in das erste Gehäuse erstreckt
und mit der Codierer-Welle zusammenpasst, die von der Codierer-Packung
hervorsteht. Die Codierer-Packung des Stands der Technik machte
es erforderlich, dass an ihr keine Lasten anliegen und dass die
Bewegung des zweiten Gehäuses
trotz kleiner Fehlausrichtungen der Achse der inneren Welle und
der Achse der Codierer-Packung genau auf den Codierer übertragen
werden, um die hochgenauen Rotationsmessungen beizubehalten. Um
Herstellungstoleranzen der axialen Fehlausrichtung auszugleichen,
ist eine spezielle Kopplungsvorrichtung zwischen der Codiererwelle
und der inneren Welle eingesetzt. Eine derartige Konstruktion ist
in 7 von Raab '356
gezeigt.
-
Im
Gegensatz hierzu zeigt 35 eine
abgewandelte Konstruktion 400, in der die Kopplungsvorrichtung
und die Codierer-Packung der CMM von Raab '356 beseitigt sind und durch eine Codiererscheibe 96 und
eine Endkappe 100 ersetzt sind. Hier sind die beiden Gelenke
(Gelenkglieder) mit 90° zueinander
positioniert, wobei jedes Gelenkglied ein erstes Gehäuse 420 und
ein zweites Gehäuse 410 hat.
Eine innere Welle 412 erstreckt sich von dem zweiten Gehäuse 420 in
das erste Gehäuse 410.
Wie gezeigt, ist die Codiererscheibe 96 z.B. unter Verwendung
von Klebstoff an dem Ende der inneren Welle 412 befestigt,
während
die Endkappe 100 innerhalb des ersten Gehäuses 420 befestigt
ist. Man erkennt jedoch, dass die Codiererscheibe 96 innerhalb
des ersten Gehäuses 420 befestigt sein
kann und die Endkappe 100 an der inneren Welle 412 befestigt
sein kann, ohne den Betrieb des Gelenks zu beeinträchtigen.
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Wie
zuvor beschrieben, führen
die Verwendung von zwei (oder mehreren) Leseköpfen) und die sich ergebende
Fehler-Auslöschung zu
einer weniger fehleranfälligen
und genaueren Codierer-Messung trotz kleiner axialer Fehlausrichtungen.
Darüber hinaus
macht eine direkte Beziehung zwischen dem Beugungsgitter und der
Streifenbewegung den Codierer weniger empfindlich für Fehler,
die von der Umwelt eingeleitet werden und für die Vorrichtungen des Stands
der Technik empfänglich
sind. Da der Bereich der Interferenz groß ist und da eine beinahe sinusförmige Referenz überall innerhalb
dieses Bereichs erzielt wird, sind darüber hinaus Ausrichtungstoleranzen
weitaus lockerer als im Zusammenhang mit Codierern des Stands der
Technik, wie zuvor beschrieben wurde.
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In
einem anderen Beispiel, dem US-Patent 5,829,148 von Eaton (im Folgenden "Eaton '148") wird eine CMM des
Stands der Technik beschrieben, in der eine Codierer-Packung ein
Bestandteil jedes Gelenks ist, in dem primäre Rotationslager bereitgestellt
werden, wodurch sich eine Kompensation axialer Fehlausrichtungen
erübrigt,
wie sie bei Raab '356 weiter
oben besprochen notwendig ist. Da jedoch der Codierer primäre Rotationslager
verwendet, ist es wichtig, dass der Codierer robust aufgebaut ist
und verschiedenen Belastungen ausgesetzt werden kann, ohne seine
Leistungsfähigkeit
zu beeinträchtigen.
Dies erhöht
die Kosten und das Volumen des Codierers. Ein derartiger Aufbau
ist in 4 von Eaton '148 gezeigt.
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Im
Gegensatz dazu zeigt 36 einen abgewandelten Aufbau 450,
bei dem die Codierer-Packung und die Verbindungswelle eines Gelenkglieds von
der CMM von Eaton '148
entfernt und durch eine Endkappe 100 und eine Codiererscheibe 96 ersetzt wurde.
Hier hält
ein erstes Gehäuse 470 eine
Endkappe 100 und hält
eine innere Welle 462 des zweiten Gehäuses 460 durch Lager 472.
Die innere Welle 462 hat eine Ausdehnung, die an der nahen
Endkappe 100 endet, und die Codiererscheibe 96 ist
z.B. unter Verwendung von Klebstoff an dem Ende der inneren Welle 462 befestigt.
Wie in dem in 35 gezeigten Ausführungsbeispiel
verringert die Verwendung von zwei (oder mehreren) Leseköpfen in
beachtlicher Weise die Kosten und die Komplexität des Gelenks, ohne Genauigkeit
zu opfern.
-
Man
erkennt, dass die Nicht-Kreisförmigkeit der
Bewegung des periodischen Musters die Hauptursache für Ungenauigkeiten
in einem Rotationswandler der hier beschriebenen Bauarten ist. Diese Nicht-Kreisförmigkeit
der Bewegung kann auf mehreren Phänomenen beruhen, wie z.B. Montagefehlern und äußeren Verformungen. Äußere Verformungen können überall in
der CMM auftreten und treten meistens im Zusammenhang mit der Lagerkonstruktion und/oder
dem Gelenkrohr auf. Eine derartige äußere Verformung kann sich z.B.
aus einem nicht wiederholba ren Lager-Auslauf, Lager-Wobbeln, einer
Lagerverformung, thermischen Wirkungen und einem Lagerspiel ergeben.
Wie bezüglich 17 bis 21 besprochen,
werden in einem Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung die Ungenauigkeiten der Rotationswandler korrigiert
durch Verwendung mindestens zweier Leseköpfe, die vorzugsweise 180° voneinander
entfernt montiert sind. In einem weiteren in 41 bis 43 gezeigten
Ausführungsbeispiel dieser
Erfindung werden der mögliche
Fehler, der aus Verformungen von der CMM herrührt und/oder Montagefehler
unter Verwendung einer Kombination mindestens eines Lesekopfes mit
einem oder mehreren Sensoren, vorzugsweise einer Vielzahl von Zustandssensoren
(oder irgendeinem anderen Sensor, der eine Verschiebung misst) korrigiert.
-
Man
erkennt, dass bei jeder gegebenen Hülse der hier beschriebenen
Bauart sechs Freiheitsgrade zwischen der Welle und dem Gehäuse der
Hülse vorliegen.
Das heißt,
die Welle enthält
sechs Freiheitsgrade, nämlich.
die Verschiebung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse
sowie die Rotation um die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse. In 41 bis 43 ist
eine Hülse
der oben beschriebenen Bauart bei 600 gezeigt. Die Hülse 600 enthält eine
innere Welle 602, die an (nicht gezeigten) Lagern innerhalb
eines Gehäuses 606 rotierbar montiert
ist. An einer Lesekopf-Platte 604 sind ein Codierer-Lesekopf 610 und
Sensoren S1-S5 an dem Gehäuse 606 befestigt.
Eine Codiererscheibe 608 mit einem optischen Streifenmuster
darauf ist an der Welle 602 für eine Rotation mit dieser
befestigt. Der Codierer-Lesekopf 610 (an der Lesekopf-Platte 604 angebracht)
ist oberhalb des optischen Streifenmusters 608 montiert
und funktioniert vorzugsweise derart, dass es eine Z-Achsen-Rotation
der Welle 602 misst. Zusätzlich zu dem Lesekopf 106 enthält die Hülse 600 fünf zusätzliche
Sensoren, die alle durch die Lesekopf-Platte 604 hindurch
an dem Gehäuse 606 befestigt
sind, und die allesamt dazu dienen, eine Relativbewegung zwischen
der Welle 602 und dem Gehäuse 606 zu messen.
Diese zusätzlichen Sensoren
enthalten einen Verschiebungs-Sensor S1 zum Messen einer Y-Achsen-Verschiebung der
Welle 602 (bezüglich
des Gehäuses 606)
und einen Verschiebungs-Sensor S2 zum Messen einer X-Achsen-Verschiebung der
Welle 602 (bezüglich
des Gehäuses 606).
Somit sind der Welle 602 drei Sensoren zugeordnet, nämlich der
Lesekopf 610 sowie die Sensoren 51 und S2 zum
Messen der Z-Achsen-Rotation
bzw. der X-Achsen- und der Y-Achsen-Verschiebung. Vorzugsweise enthält die Welle 602 drei weitere
ihr zugeordnete Sensoren zum Messen der X-Achsen- und Y-Achsen-Rotation und
der Z-Achsen-Verschiebung. Insbesondere messen die Sensoren S3,
S4 und S5 in Kombination die X-Achsen-Rotation
und die Y-Achsen-Rotation sowie die Z-Achsen-Verschiebung. In dem in 41 bis 43 gezeigten
Ausführungsbeispiel
sind die Sensoren S3, S4 und S5 entlang der Lesekopf-Platte 604 in 120°-Intervallen
beabstandet. Die Messungen von den gleichmäßig beabstandeten drei Sensoren
werden auf bekannte Art und Weise kombiniert, um die kombinierte
X- Achsen- und Y-Achsen-Rotation
sowie die Z-Achsen-Verschiebung zu bestimmen.
-
Somit
messen und korrigieren diese zusätzlichen
fünf Sensoren
S1-S5 jegliche Verformungen in der CMM einschließlich der Gelenkrohre oder
der Lagerkonstruktionen, und diese Sensoren können verwendet werden, um einen
derartigen Fehler bei der Messung zu korrigieren. Diese zusätzlichen
Sensoren können
daher verwendet werden, um Relativbewegungen zwischen der Welle
und dem Gehäuse
zu messen, um von der Drehbewegung der Scheibe unterschiedliche
Bewegungen zu bestimmen und daher jegliche Fehler zu korrigieren,
die durch diese "anderen" Bewegungen verursacht
werden. Jede geeignete Bauart eines Sensors zum Durchführen dieser
Verschiebungsmessungen kann in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Vorzugsweise sind
die Sensoren Abstandssensoren, wie z.B. Abstandssensoren, die den
Hall-Effekt verwenden, oder Abstandssensoren auf der Grundlage von magnetischen,
resistiven, kapazitiven oder optischen Eigenschaften.
-
Man
erkennt, dass, wenn z.B. ein Gelenk bzw. Gelenkglied belastet wird
und sich die Lagerkonstruktion verformt (und in Folge einer derartigen Verformung
die Welle 602, die das optische Muster 608 trägt, und
das Gehäuse 606 mit
dem Lesekopf 610 sich bezüglich einander bewegen), die
Winkelmessung, die durch eine derartige Bewegung beeinträchtigt wird,
unter Verwendung der Verschiebungs-Information von den zu sätzlichen
Sensoren S1-S5 "korrigiert" wird (man erkennt,
dass die vorliegende Erfindung die Verwendung aller oder weniger als
aller der Sensoren S1-S5 in Betracht zieht und darüber hinaus
außerdem
die Verwendung von Sensoren zusätzlich
zu S1 bis S5 in Betracht zieht. Diese Korrektur führt zu einer
wesentlich verbesserten Genauigkeit für die tragbare CMM. Man erkennt
außerdem,
dass die Erfindung zwar mindestens eine der Gelenk- bzw. Gelenkglied-Hülsen in
Betracht zieht, die zusätzliche
Sensoren S1-S5 enthalten, in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
jedoch alle der Hülsen
derartige zusätzliche
Sensoren enthalten würden.
Außerdem
ist das Ausführungsbeispiel
von 41-43 zwar
mit einem Rotations-Codierer bzw.
Dreh-Codierer gezeigt, der eine optische Beugungsgitter-Scheibe
enthält,
doch können
beliebige Arten der zuvor beschriebenen alternativen Rotations-Codierer,
die ein periodisches Musters einer messbaren Eigenschaft erfassen
und analysieren, wie z.B. solche, die messbare Eigenschaften wie
Reflektivität,
Opazität,
Magnetfeld, Kapazität,
Induktivität,
Oberflächenrauhigkeit
verwenden, mit den hier beschriebenen Sensoren S1-S5 verwendet werden. Das
Ausführungsbeispiel
von 41-43 beschreibt
zwar ein Ausführungsbeispiel,
bei dem die optische Scheibe mit der Welle 602 rotiert,
doch können
die Mehrfachsensoren S1-S5 auch mit einem Ausführungsbeispiel wie dem in 12A gezeigten verwendet werden, bei dem die optische
Scheibe stationär
ist.
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Obwohl,
wie oben besprochen, die zusätzlichen
Sensoren verwendet werden könnten,
um durch Lager- und andere Arm-Verformungen
hervorgerufene Fehler zu korrigieren, können die zusätzlichen
Sensoren auch verwendet werden, um die auf das Gelenk bzw. Gelenkglied
gerichteten äußeren Kräften zu
berechnen und zu messen, die tatsächlich eine derartige strukturelle
Verformung verursachen. Diese Messungen können vorteilhaft verwendet
werden, um dem Benutzer eine sensorische Rückmeldung zu liefern. So können z.B.
gewisse Bereiche der äußeren Kräfte an einer
speziellen Lagerkonstruktion oder einem Gelenk toleriert werden.
Die Erfassung der äußeren Kräfte durch
Verformung der Lager-Anordnung kann jedoch verwendet werden, um
anzuzeigen, dass diese Bereiche überschritten
wurden, woraufhin dem Benutzer eine sensorische Rückmeldung
geliefert wird, damit er Abhilfe schaffen kann, um derartige äußere Kräfte zu verringern.
Das heißt, dass
der Benutzer dann die Handhabung der CMM verändern kann, um die Messung
zu verbessern. Diese sensorische Rückmeldung kann in Form von auditiver
und/oder visueller Rückmeldung
erfolgen und kann durch die CMM steuernde Software angezeigt werden.
Somit können
die oben beschriebenen zusätzlichen
Sensoren S1-S5 als Überlast-Sensoren wirken,
um den Benutzer davon abzuhalten, den Arm zu sehr zu beanspruchen,
wodurch eine optimale Genauigkeit beibehalten wird, um eine genaue
Messung zu gewährleisten.
Tatsächlich
kann die Messung der äußeren Kraft
an einem gegebene Gelenk bzw. Gelenkglied nicht nur mit dem Ausführungsbeispiel
von 41-43 verwendet
werden (bei dem zu sätzliche
Sensoren S1-S5 verwendet werden), sondern auch mit den oben besprochenen
Ausführungsbeispielen,
bei denen zwei oder mehrere Leseköpfe verwendet werden. Im Falle
der Anordnung mit zwei Leseköpfen
wird die Winkelmessung von dem Mittelwert der beiden Leseköpfe abgeleitet.
Die Kraft der Verformung wird dann erhalten, indem man die Differenz
zwischen den beiden Lesekopf-Messwerten misst. Im Falle der Ausführungsbeispiele
von 41 bis 43 kann
die Verformung in der Richtung jedes der Abstandssensoren gemessen
werden. Dies ergibt zusätzliche
Richtungsinformation. Die Verwendung aller sechs Sensoren (S1-S5
und der Lesekopf) erzeugt eine vollständige Beschreibung der Verformungen
in jedem der Gelenke bzw. Gelenkglieder aufgrund der Messung aller
sechs Freiheitsgrade.
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Zusätzlich zu
den Verbesserungen der Winkelgenauigkeit des Wandlers, die entweder
durch Verwendung der beiden Leseköpfe oder durch Verwendung des
einzigen Lesekopfes zusammen mit einem oder mehreren Abstandssensoren
erzeugt wird, kann die durch Messen der Verformungskraft abgeleitete
Information auch verwendet werden, um die Kinematik des Arms zu
korrigieren, indem man derartige Verformungs-Information verwendet,
um die Abmessung des Arms in Echtzeit zu verändern und dadurch die Genauigkeit
der Messung zu verbessern. Wenn die Lager verformt werden, erzeugt
daher z.B. diese Verformung eine Änderung der Länge eines Segments
des Arms. Durch Messen dieser Verformung unter Verwendung der hier
beschriebenen Senso ren und Leseköpfe
kann diese Änderung
der Armlänge
in der der CMM zugeordneten Mess-Software berücksichtigt werden und dann
als Korrektur verwendet werden, um die endgültige Messgenauigkeit des Arms
zu verbessern.
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In 23A ist ein Blockdiagramm der Elektronik für das Ausführungsbeispiel
mit dem einzigen Lesekopf von 9A, 11A, 13A und 15A gezeigt. Man erkennt, dass CMM 10 vorzugsweise
einen externen Bus (vorzugsweise einen USB-Bus) 260 und
einen internen Bus (vorzugsweise RS-485) 261 enthält, der
so ausgelegt ist, dass er für mehrere
Codierer expandierbar ist, sowie entweder eine außen montierte
Schiene oder zusätzliche
Rotationsachsen, wie z.B. eine siebte Achse. Der interne Bus ist
vorzugsweise passend zu RS 485, und dieser Bus ist vorzugsweise
so ausgelegt, dass er als serielles Netzwerk in einer passenden
Weise mit dem seriellen Netzwerk zur Kommunikation von Daten von den
Wandlern in dem Arm einer tragbaren CMM verwendet wird, wie dies
in dem ebenfalls übertragenen US-Patent
6,219,928 offenbart ist.
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In 23A erkennt man, dass jeder Codierer in jeder
Hülse einer
Codierer-Platine zugeordnet ist. Die Codierer-Platine für die Hülse in dem Gelenk 16 ist
innerhalb der Basis 12 positioniert und in 25 mit 112 definiert. Die Codierer für die Gelenke 18 und 30 werden
in einer Dualcodierer-Platine verarbeitet, die sich in dem zweiten
langen Gelenkglied 30 befindet und in 26 mit 114 bezeichnet ist.
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26 zeigt auch eine ähnliche Dualcodierer-Platine 116 für die in
den Gelenken 32 und 34 verwendeten Codierer, wobei
die Platine 116 in dem dritten langen Gelenkglied 34 positioniert
ist, wie in 26 gezeigt. Schließlich ist
eine Endcodierer-Platine 118 innerhalb eines Mess-Sonden-Griffs 28 positioniert,
wie in 24 gezeigt, und wird verwendet, um
die Codierer in dem kurzen Gelenkglied 36 zu verarbeiten.
Jede der Platinen 114, 116 und 118 ist einem
Thermoelement zugeordnet, um eine thermische Kompensation wegen
Temperatur-Ausgleichsvorgängen zu
erzeugen. Jede Platine 112, 114, 116 und 118 enthält eine
eingebettete Analog/Digital-Wandlung, eine Codierer-Zählung sowie
serielle Anschluss-Kommunikationen.
Jede Platine hat auch einen leseprogrammierbaren Flash-Speicher,
um die lokale Speicherung von Betriebsdaten zu ermöglichen.
Die Hauptprozessor-Platine 112 ist auch durch den externen
USB-Bus 260 feldprogrammierbar (am Einsatzort programmierbar).
Wie erwähnt,
ist der interne Bus (RS-485) 261 dazu ausgelegt, um für mehrere
Codierer expandierbar zu sein, was ebenfalls entweder eine außen montierte
Schiene und/oder siebte Rotationsachse enthält. Ein Achsenanschluss wurde
vorgesehen, um eine interne Bus-Diagnose zu ermöglichen. Es können aufgrund
der Fähigkeiten des
externen USB-Kommunikationsprotokolls mehrere CMM der in diesen
Figuren bei 10 beschriebenen Bauart für eine einzige Anwendung angebracht werden.
Darüber
hinaus können
aus genau denselben Gründen
Mehrfach-Anwendungen an einer einzigen CMM 10 angebracht
werden.
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Vorzugsweise
enthält
jede Platine 112, 114, 116 und 118 einen
digitalen 16-Bit-Signalprozessor, wie z.B. den von Motorola unter
der Bezeichnung DSP56F807 erhältlichen
Prozessor. Diese Einzel-Verarbeitungs-Komponente kombiniert viele
Bearbeitungsmerkmale einschließlich
der seriellen Kommunikation, der Quadratur-Decodierung, A/D-Wandlern
und eines bordeigenen Speichers, wodurch eine Verringerung der Gesamtzahl
für jede
Platine benötigter
Chips erreicht wird.
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Gemäß einem
weiteren wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung ist jeder
der Codierer einem individualisierten Identifikations-Chip 121 zugeordnet.
Dieser Chip identifiziert jeden individuellen Codierer und identifiziert
daher jede individuelle modulare Lager/Codierer-Hülse, um
die Qualitätskontrolle,
das Testen und die Reparatur zu beschleunigen.
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23B ist ein Elektronik-Blockdiagramm, das der 23A ähnlich
ist, jedoch das Ausführungsbeispiel
mit doppeltem Lesekopf von 10, 12, 14 und 16-22 beschreibt.
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In 24-26 wird nun der Zusammenbau
bzw. die Baugruppe jeder Hülse
in dem Gelenkarm 14 beschrieben (man beachte, dass 24 den Arm 10 ohne Basis 12 beschreibt
und dass auch 24-26 die
Ausführungsbeispiele
mit einfachem Lesekopf von 9A, 11A, 13A und 15A verwenden). Wie in 25 gezeigt,
enthält das
erste lange Gelenkglied 16 eine relativ lange Hülse 44,
deren oberes Ende in eine zylinderförmige Buchse 120 eines
Doppel-Buchsenglieds 46 eingefügt wurde. Die Hülse 44 ist
innerhalb der Buchse 120 unter Verwendung eines geeigneten
Klebstoffes sicher befestigt. Das entgegengesetzte untere Ende der
Hülse 44 ist
in ein Verlängerungsrohr
eingesetzt, das in diesem Ausführungsbeispiel
eine Aluminium-Hülse
bzw. ein Aluminium-Mantel 122 sein kann (doch kann die
Hülse bzw.
der Mantel 122 auch aus einer steifen Legierung oder einem
Verbundmaterial bestehen). Die Hülse 44 ist
in dem Mantel 122 wiederum unter Verwendung eines geeigneten
Klebstoffes befestigt. Das untere Ende des Mantels 122 enthält einen
Abschnitt 124 mit größerem Außendurchmesser,
der ein an ihm ausgebildetes Innengewinde 126 hat. Ein
derartiges Gewinde ist nach außen
hin auf geweitet und so ausgelegt, dass es mit einem nach innen
hin verjüngten
Gewinde 128 an dem Gehäuse 130 der
magnetischen Befestigung gewindeschlüssig zusammenpasst, wie dies
in 4 deutlich gezeigt ist. Wie besprochen, sind alle
der mehreren Gelenke bzw. Gelenkglieder der CMM 10 unter
Verwendung derartiger aufgeweiteter bzw. verjüngter Gewinde miteinander verbunden.
Vorzugsweise ist das aufgeweitete bzw. verjüngte Gewinde ein Gewinde der
NPT-Bauart, das selbstspannend ist, weshalb keine Verriegelungsmuttern
oder andere Befestigungsvorrichtungen benötigt werden. Dieses Gewinde
ermöglicht
auch ein Gewinde-Verriegelungsmittel und
sollte ein solches enthalten.
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In 26 ist wie in dem ersten langen Gelenkglied 16 die
lange Hülse 44' durch Klebverbindung
in der zylinderförmigen Öffnung 120' der Doppel-Gelenkpfanne 46' befestigt.
Das äußere Gehäuse 64' der Hülse 44' enthält eine
Schulter 132, die durch die untere Fläche des Flansches 72' bestimmt wird.
Diese Schulter 132 stützt
das zylinderförmige Verlängerungsrohr 134 ab,
das über
der äußeren Fläche des
Gehäuses 64' vorgesehen
ist und dieses umgibt. Verlängerungsrohre
werden in den Gelenken bzw. Gelenkgliedern verwendet, um ein Rohr
veränderlicher
Länge für die Anbringung
an einer mit einem Gewinde versehenen Komponente zu erzeugen. Das
Verlängerungsrohr 134 erstreckt
sich somit vom Boden der Hülse 64' nach außen und
hat eine darin eingeführte
mit einem Gewinde versehene Hülse 136.
Ein geeigneter Klebstoff wird verwendet, um das Gehäuse 44' mit dem Verlängerungsrohr 134 zu verkleben
sowie die Hülse 136 und
das Rohr 134 miteinander zu verkleben. Die Hülse endet
an einem verjüngten
Abschnitt mit einem darauf angebrachten Außengewinde 138. Das
Außengewinde
ist mit dem Innengewinde 140 an dem Verbindungsstück 142 gewindemäßig in Eingriff,
das in der Öffnung 144 der Doppel-Gelenkpfanne 48 durch
Klebeverbindung befestigt wurde. Vorzugsweise besteht das Verlängerungsrohr 134 aus
einem Verbundmaterial, wie z.B. einem geeigneten Kohlefaser-Verbundmaterial,
während
die aufschraubbare Gewinde-Hülse 136 aus Aluminium
besteht, um eine Anpassung an die thermischen Eigenschaften der
Doppel-Gelenkpfanne 48 zu bewirken. Man er kennt, dass die
PC-Platine 114 an einer Halterung 146 befestigt
ist, die wiederum an einer Halterung 142 der Doppel-Gelenkpfanne befestigt
ist.
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Zusätzlich zu
den zuvor erwähnten
Gewinde-Verbindungen können,
einige oder alle der Gelenke bzw. Gelenkglieder miteinander verbunden
werden, indem man mit Gewinden versehene Verbindungsvorrichtungen
verwendet, wie sie in 25A-B gezeigt
sind. Anstelle der Gewinde-Hülse 136 von 26 hat die Hülse 136' von 25B ein glattes verjüngtes Ende 137, das
in einer komplementären auf
geweiteten Buchsenhalterung 142' aufgenommen ist. Ein Flansch 139 erstreckt
sich von der Hülse 136' in Umfangsrichtung
nach außen
mit einer Anordnung von Stiftlöchern
(in diesem Fall sechs) durch ihn hindurch zur Aufnahme von Gewindestiften 141. Die
Stifte 141 sind in entsprechenden Löchern entlang der oberen Fläche der
Buchsenhalterung 142' gewindemäßig aufgenommen.
Ein Verlängerungsrohr 134' ist über der
Hülse 136' wie in dem
Ausführungsbeispiel
von 26 aufgesetzt. Die komplementären verjüngten und
auf geweiteten Verbindungen für
die Gelenke bzw. Gelenkglieder erzeugen im Vergleich zum Stand der
Technik verbesserte Verbindungs-Grenzflächen.
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In 26 ist die lange Hülse 44'' des
dritten langen Gelenkglieds 34 an dem Arm 14 auf ähnliche Weise
wie die Hülse 44' des langen
Gelenkglieds 30 befestigt. Das heißt, der obere Abschnitt der
Hülse 44'' ist durch Klebverbindung in ei ner Öffnung 120'' der Doppel-Gelenkpfanne 46'' befestigt. Ein Verlängerungsrohr 148 (das
vorzugsweise aus einem Verbundmaterial besteht, wie bezüglich des
Rohrs 134 beschrieben) ist über dem äußeren Gehäuse 64'' positioniert
und erstreckt sich davon nach außen, um die passende Hülse 150 aufzunehmen,
die an dem Innendurchmesser des Verlängerungsrohrs 148 durch
Klebverbindung befestigt ist. Die passende Hülse 150 endet an einem
verjüngten
Abschnitt mit einem Außengewinde 152 und
passt mit einem komplementären
Innengewinde 153 an der Halterung 154 der Doppel-Gelenkpfanne
zusammen, die an einer zylinderförmigen
Buchse 156 innerhalb der Doppel-Gelenkpfanne 148' durch Klebeverbindung
angebracht worden ist. Die gedruckte Leiterplatte 116 ist auf ähnliche
Weise mit der Doppel-Gelenkpfanne unter Verwendung der PCB-Halterung 146' verbunden, die
an der Halterung 154 der Doppel-Gelenkpfanne befestigt
ist.
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Wie
bezüglich 7 und 8 besprochen, sind
die kurzen Hülsen 44' in 13 und 14 und 108 von 15 in einfacher Weise zwischen zwei Doppel-Gelenkpfannen 46, 48 positioniert
und sind innerhalb der Doppel-Gelenkpfannen unter Verwendung eines
geeigneten Klebstoffes befestigt. Folglich lassen sich die langen
und kurzen Hülsen
leicht in rechten Winkeln zueinander anbringen (oder, falls gewünscht, in
von rechten Winkeln verschiedenen Winkeln).
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Die
modularen Lager/Wandler-Hülsen,
wie sie oben beschrieben sind, bilden einen wichtigen technologischen
Fortschritt bei tragbaren CMMs, wie sie z.B. in den zuvor erwähnten Patenten
Raab '356 und Eaton '148 gezeigt sind.
Der Grund dafür
besteht darin, dass die Hülse
(oder das Gehäuse
der Hülse) tatsächlich ein
strukturelles bzw. tragendes Element jedes Gelenks bzw. Gelenkgliedes
definiert, das den Gelenkarm bildet. In dem hier verwendeten Sinn
bedeutet "strukturelles
Element", dass die
Oberfläche der
Hülse (z.B.
das Hülsen-Gehäuse) an
den anderen strukturellen Komponenten des Gelenkarms starr angebracht
ist, um eine Rotation ohne Verformung des Armes zu übertragen
(oder höchstens
mit lediglich minimaler Verformung). Dies steht im Gegensatz zu
herkömmlichen
tragbaren CMM (wie z.B. in den Patenten Raab '356 und Eaton '148 offenbart), bei denen getrennte
und gesonderte Gelenkelement und Übertragungselemente benötigt werden,
wobei die Rotations-Codierer ein Teil der Gelenkelemente (aber nicht
der Übertragungselemente)
sind. Im Wesentlichen hat die vorliegende Erfindung die Notwendigkeit
getrennter Übertragungselemente
(z.B. Übertragungsglieder)
erübrigt,
indem die Funktionalität der
Gelenke bzw. Gelenkglieder und der Übertragungselemente in einer
einzigen modularen Komponente (das heißt der Hülse) kombiniert wurde. Im Gegensatz
zu einem Gelenkarm, der aus getrennten und gesonderten Gelenken
bzw. Gelenkgliedern und Übertragungsgliedern
besteht, verwendet die vorliegende Erfindung einen Gelenkarm, der
aus einer Kombination längerer
und kürzerer
Gelenkelemente (das heißt
Hülsen) besteht,
die allesamt strukturelle Elemente des Arms sind. Dies führt im Vergleich
zum Stand der Technik zu besseren Effizienzen. So handelt es sich
z.B. bei der Anzahl von Lagern, die in einer Kombination aus Gelenk/Übertragungs-Glied
in dem Patent '148
und dem Patent '582
verwendet wird, um vier Stück
(zwei Lager in dem Gelenk bzw. dem Gelenkglied und zwei Lager in
dem Übertragungsglied),
während
die modulare Lager/Wandler-Hülse
der vorliegenden Erfindung minimal ein Lager verwenden kann (obwohl
zwei Lager bevorzugt sind) und dennoch dieselbe Funktionalität erzielen kann
(wenn auch auf andere und verbesserte Weise).
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24A und 26A-B
sind Querschnittsansichten ähnlich
wie die 24-26,
zeigen jedoch die Ausführungsbeispiele
mit doppeltem Lesekopf von 10, 12, 14 und 16-22 und
sind darüber
hinaus Querschnitte der in 3A gezeigten
CMM 10'.
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Die
Gesamtlänge
des Gelenkarms 14 und/oder der verschiedenen Armsegmente
kann je nach seiner beabsichtigten Anwendung unterschiedlich sein.
In einem Ausführungsbeispiel
kann der Gelenkarm eine Gesamtlänge
von etwa 24 Zoll (Inch) haben und Messungen in der Größenordnung
von etwa 0,0002 Zoll bis 0,0005 Zoll erzeugen. Diese Armdimension
und Messgenauigkeit erzeugen eine tragbare CMM, die sich für Messungen
gut eignet, die heute unter Verwendung typischer Handwerkzeuge durchgeführt werden,
wie z.B. Mikrometerschrauben, Höhenschieblehren,
Mess-Schiebern und dergleichen. Natürlich könn te der Gelenkarm 14 kleinere oder
größere Abmessungen
und Genauigkeitswerte haben. So können z.B. größere Arme
eine Gesamtlänge
von 8 oder 12 Fuß und
entsprechende Messgenauigkeiten von 0,001 Zoll haben, wodurch eine Verwendung
in den meisten Anwendungen der Echtzeit-Inspektion oder zur Verwendung
beim Rückwärts-Konstruieren
(Reverse Engineering) ermöglicht
wird.
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Die
CMM 10 kann auch mit einer daran montierten Steuerungsvorrichtung
verwendet werden und dann benutzt werden, um ein relativ vereinfachtes ausführbares
Programm laufen zu lassen, wie es in dem zuvor erwähnten Patent
5,978,748 und der Anmeldung mit der Seriennummer 09/775,226 offenbart ist,
oder sie kann mit komplexeren Programmen auf einem Hauptrechner
(Rost) 172 verwendet werden.
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In 1-6 und 24-26 sind
bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
alle der langen und der kurzen Gelenke bzw. Gelenkglieder durch
einen Puffer oder eine Abdeckung aus Elastomer geschützt, dessen
Wirkung darin besteht, starke Schläge zu begrenzen und ergonomisch
angenehme Griffstellen (sowie ein ästhetisch ansprechendes Erscheinungsbild)
zu erzeugen. Die langen Gelenkglieder 16, 30 und 34 sind
alle durch eine ersetzbare Abdeckung aus starrem Kunststoff (z.B.
ABS) geschützt,
die als Schlag- und Abrieb-Schutzvorrichtung dient. Für das erste
lange Gelenkglied 16 hat die ersetzbare Abdeckung aus starrem
Kunststoff die Form des zweiteiligen Basisgehäuses 26A und 26B, wie
dies auch in 4 gezeigt ist. Die langen Gelenkglieder 30 und 34 sind
jeweils durch zwei Abdeckungsteile 40 und 41 geschützt, die,
wie in 5 und 6 gezeigt,
muschelartig miteinander verbunden werden können, wobei geeignete Schrauben verwendet
werden, um eine Schutzhülse
zu bilden. Man erkennt, dass bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
diese ersetzbare bzw. abnehmbare Abdeckung aus starrem Kunststoff
für jedes
lange Gelenkglied 30 und 34 das vorzugsweise aus
Verbundmaterial (Kohlenstoff-Faser)
bestehende Verlängerungsrohr 134 bzw. 148 umgibt.
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Vorzugsweise
enthält
eine der Abdeckungen, in diesem Fall der Abdeckungsabschnitt 41,
einen abgeschrägten
Auflagestift 166, der mit ihr einstückig gegossen ist und die Rotation
am Ellbogen des Arms begrenzt, um die Sonde 28 davor zu
bewahren, in der Ruhestellung mit der Basis 12 zusammenzustoßen. Dies
ist in 3, 24 und 26 am
besten gezeigt. Man erkennt, dass der Stift bzw. die Stütze 166 somit
einen unnötigen
Aufschlag und Abrieb begrenzt.
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Wie
anhand von 29 und 31 besprochen
wird, kann die Sonde 28 auch eine ersetzbare bzw. abnehmbare
Kunststoff-Schutzabdeckung
enthalten, die aus einem starren Kunststoffmaterial besteht.
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3A, 24A, 26A-B beschreiben alternative Schutzhülsen 40', 41', die ebenfalls
einen Muschelschalen-Aufbau ha ben, jedoch unter Verwendung von Gurten
oder Federclipsen 167 anstatt durch Gewinde-Befestigungsvorrichtungen
gehalten werden.
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Jedes
der kurzen Gelenkglieder 18, 32 und 36 enthält ein Paar
Puffer 38 aus Elastomer (z.B. thermoplastisches Gummi wie
Santoprene®),
wie zuvor erwähnt
und in 1-3 und 5-6 deutlich
gezeigt. Die Puffer 38 können entweder unter Verwendung
einer Gewinde-Befestigungsvorrichtung, eines geeigneten Klebstoffes
oder auf eine andere geeignete Art und Weise angebracht sein. Der Elastomer-
oder Gummi-Puffer 38 begrenzt einen starken Schlag und
erzeugt ein ästhetisch
ansprechendes Erscheinungsbild sowie ergonomisch angenehme Griffstellen.
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Die
genannten Abdeckungen 40, 41, 40', 41' und die Puffer 38 sind
allesamt leicht ersetzbar (wie das Basisgehäuse 26A, 26B)
und ermöglichen
eine rasche und kostengünstige
Erneuerung des Arms 14 ohne Beeinflussung der mechanischen
Leistungsfähigkeit
der CMM 10.
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Wie
man ebenfalls in 1 bis 3 sieht, enthält das Basisgehäuse 26A,
B mindestens zwei zylinderförmige
Vorsprünge
für die
Montage einer Kugel, wie dies bei 168 in 3 gezeigt
ist. Die Kugel kann für
die Montage eines klammerartigen Rechner-Halters 170 verwendet
werden, der wiederum eine tragbare oder andere Rechner-Vorrichtung 172 (z.B.
den "Hauptrechner") trägt. Vorzugsweise
ist ein zylinderförmiger Vorsprung
an jeder Seite des Basisgehäuses 26A,
B vorgesehen, so dass die Kugel-/Klammer-Halterung des Rechners
an jeder Seite der CMM 10 montiert werden kann.
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In 15, 16, 27A,
B und 28 wird nun das bevorzugte
Gegengewicht bzw. die Ausgleichskraft zur Verwendung mit der CMM 10 beschrieben.
Herkömmlicherweise
wurde bei tragbaren CMM der hier beschriebenen Bauart eine außen montierte
Schraubenfeder verwendet, die gesondert und auslegerartig an der
Außenseite
des Gelenkarms zur Verwendung als Ausgleichsgewicht montiert wurde.
Im Gegensatz hierzu verwendet die vorliegende Erfindung ein vollständig integriertes
inneres Ausgleichsgewicht, das zu einem niedrigeren Gesamtprofil
für den
Gelenkarm führt.
Typischerweise haben Ausgleichsgewichte des Stands der Technik gewickelte
Schraubenfedern in dem Ausgleichsgewicht-Mechanismus verwendet.
Gemäß einem
wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung verwendet jedoch das
Ausgleichsgewicht eine gefräste
Schraubenfeder (im Gegensatz zu einer gewickelten Schraubenfeder).
Diese gefräste
Feder 110 ist in 16 und 27A-B gezeigt und wird aus einem einzigen Zylinder
aus Metall (Stahl) geformt, der gefräst wird, um ein Paar relativ
breiter Ringe 174, 176 an entgegengesetzten Enden
der Schraubenfeder zu erzeugen und relativ schmälere Ringe 178, welche die
Zwischenwindungen zwischen den Endwindungen 174, 176 bilden.
Man erkennt, dass die breiteren Endwindungen bzw. Endringe 174, 176 mit
den jeweiligen Seitenflächen 180 der
Welle 62' und 182 des Gehäuses 64'' in Eingriff sind, wodurch eine
seitliche Bewegung der Feder 110 verhindert wird. Die breiteren
stabilen Endwindungen 174, 176 wirken als Antiverdreh-Vorrichtung
und erzeugen eine im Vergleich zu den gewickelten Federn des Stands
der Technik bessere Funktion. Die Endwindung bzw. der Endring 174 enthält vorzugsweise
ein Paar Verriegelungsstifte 184, 186 (obwohl
auch nur ein Verriegelungsstift verwendet werden kann), während die
Endwindung bzw. der Endring 176 einen Verriegelungsstift 188 enthält.
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In 27B enthält
jede Doppel-Gelenkpfanne 46, 48 Kanäle, wie
bei 190 und 191 in der Doppel-Gelenkpfanne 46 gezeigt,
um einen jeweiligen Stift 184, 186 oder 188 aufzunehmen.
In 28 bleiben die Stifte 184, 186 zwar
in einer fixierten Position innerhalb des betreffenden Kanals oder
der betreffenden Rille der Doppel-Gelenkpfanne 48, doch
kann der Ort des Stifts 188 auch verändert werden, um die Gesamt-Aufwindung an der
Feder 110 zu optimieren und die wirkungsvollste Ausgleichskraft
zu erzeugen. Dies wird erreicht, indem man ein Gewindeloch 192 verwendet,
das eine Schraube bzw. einen Gewindebolzen 194 aufnimmt.
Wie in 25 gezeigt, kann die Schraube 194 betätigt werden,
um den Stift 188 zu kontaktieren und den Stift 188 im
Uhrzeigersinn in Umfangsrichtung entlang eines inneren Kanals 696 zu
bewegen, der in 27B gezeigt ist und senkrecht
zu der Stift-Zugangsrille 190 verläuft. Die Schraube 194 wird
vorzugsweise positioniert, um die Feder 110 in der Fabrik
zu optimieren.
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Man
erkennt, dass während
der Verwendung des Gelenkarms 14 die Codier-/Lager-Hülse 108 als Scharniergelenk
wirkt, und sobald sie in den Pfannen bzw. Buchsen der Doppel-Gelenkpfannen bzw.
Doppelbuchsen-Gelenke 46, 48 eingefügt und daran
festgeklebt sind, werden die Stifte 184, 186 und 188 in der
jeweiligen Rille verriegelt. Wenn die Gelenkpfanne bzw. das Buchsengelenk 48 bezüglich der
Gelenkpfanne bzw. des Buchsengelenks 46 (über das Scharniergelenk
der Hülse 108)
rotiert wird, wickelt sich die Feder 110 auf. Wenn es gewünscht wird, dass
die Gelenkpfanne bzw. das Buchsengelenk 48 in seine Ausgangsposition
zurückrotiert,
entfalten sich die Wickelkräfte
der Feder 110 und erzeugen die gewünschte Ausgleichskraft.
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Für den Fall,
dass gewünscht
wird, dass der Gelenkarm 14 verkehrt herum montiert wird,
wie z.B. auf einem Schleifer, einem Balken oder einer Decke, kann
die Orientierung der Feder 110 in ähnlicher Weise invertiert (oder
umgekehrt) werden, so dass die richtige Ausrichtung für das notwendige
Gegengewicht bzw. die Ausgleichskraft erzielt werden kann.
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In 29 und 30A-C
wird nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Mess-Sonde 28 beschrieben. Die Mess-Sonde 28 enthält ein Gehäuse 196 mit
einem Innenraum 198 darin zur Aufnahme der gedruckten Leiterplatte 118.
Man erkennt, dass das Gehäuse 196 eine
Doppel-Gelenkpfanne bzw. ein Doppelbuch sen-Gelenk der oben beschriebenen Bauart
bildet und eine Gelenkpfanne bzw. Buchse 197 enthält, in der
ein Halterungsglied 199 zum Abstützen der Leiterplatte 118 angeklebt
ist. Vorzugsweise enthält
die Sonde bzw. der Griff 28 zwei Schalter, nämlich einen
Ausführungs-Schalter 200 und
einen Bestätigungs-Schalter 202.
Diese Schalter werden von dem Bediener verwendet, um sowohl eine Messung
auszuführen
(Ausführungs-Schalter 200) und
die Messung zu bestätigen
(Bestätigungs-Schalter 202),
und zwar während
des Betriebs. Gemäß einem
wichtigen Merkmal dieser Erfindung sind die Schalter unterschiedlich
voneinander, um eine Verwirrung während des Betriebs zu minimieren.
Diese Unterscheidung kann verschiedene Formen annehmen, wie z.B.
Schalter 200, 202 mit unterschiedlicher Höhe und/oder
unterschiedlicher Textur (man beachte, dass der Schalter 202 eine
Vertiefung hat im Gegensatz zur glatten oberen Fläche des
Schalters 200) und/oder unterschiedlicher Farben (der Schalter 200 kann
grün sein,
während
der Schalter 202 rot sein kann). Ebenfalls gemäß einem
wichtigen Merkmal dieser Erfindung ist eine Anzeigeleuchte 204 den Schaltern 200, 202 zugeordnet,
um ein richtiges Sondieren bzw. eine richtige Probennahme anzuzeigen. Vorzugsweise
ist die Anzeigeleuchte 202 eine zweifarbige Leuchte, so
dass z.B. die Leuchte 204 beim Ausführen einer Messung grün ist, wenn
der grüne Ausführungs-Knopf 200 gedrückt wird)
und zum Bestätigen
einer Messung rot ist (und der rote Knopf 202 gedrückt wird).
Die Verwendung einer mehrfarbigen Leuchte lässt sich unter Verwendung einer
bekannten Leuchtdiode (LED) als Licht quelle für die Leuchte 204 ohne
weiteres erzielen. Um das Greifen zu unterstützen sowie eine verbesserte Ästhetik
und Schlagfestigkeit zu erzeugen, ist eine äußere Schutzabdeckung 206 der
oben beschriebenen Bauart vorgesehen und über einem Abschnitt der Sonde 28 angeordnet.
Eine Schalter-Leiterplatte 208 ist zum Befestigen der Knöpfe 200, 202 und
der Lampe 204 vorgesehen und wird durch das Halterungsglied 199 abgestützt. Die
Schalterplatine 208 ist mit der Platine 118 elektrisch
verbunden, welche Komponenten zum Verarbeiten der Schalter und Leuchtanzeige
sowie zum Verarbeiten des kurzen Scharnierglieds 36 enthält.
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Gemäß einem
weiteren wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung und wie sowohl
in 29 als auch in 30A-C gezeigt, enthält die Sonde 28 eine
dauerhaft installierte Berührauslöser-Sonde
sowie eine entfernbare Kappe zum Anpassen einer feststehenden Sonde,
während
die Berührauslöser-Sonde geschützt wird.
Der Berührsonden-Mechanismus
ist bei 210 in 29 gezeigt und beruht auf einem
vereinfachten Dreipunkt-Kinematiksitz. Dieser herkömmliche
Aufbau umfasst eine Nase 212, die eine durch eine Kontaktfeder 216 vorgespannte Kugel 214 kontaktiert.
Drei Kontaktstifte (ein Stift ist bei 218 gezeigt) sind
mit einer darunter liegenden elektrischen Schaltung in Kontakt.
Das Anlegen irgendwelcher Kräfte
gegen die Sondennase 212 führt zu einem Anheben eines
der drei Kontaktstifte 218, was zu einem Öffnen der
darunter liegenden elektrischen Schaltung und somit zu einer Aktivierung eines Schalters
führt.
Vorzugsweise wirkt die Berührauslöser-Sonde 210 mit
dem vorderen "Ausführungs"-Schalter 200 zusammen.
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Wie
in 30B gezeigt, wird beim Verwenden
der Berührauslöser-Sonde 210 eine
mit einem Gewinde versehene Schutzabdeckung 220 an dem die
Auslösersonde 210 umgebenden
Gewinde 220 angeschraubt. Wenn man jedoch die Verwendung
einer feststehenden Probe anstelle der Berührauslöser-Sonde wünscht, wird die abnehmbare
Kappe 220 entfernt, und eine gewünschte feststehende Probe, wie
z.B. die bei 224 in 29 und 30A-C gezeigte, wird an dem Gewinde 222 festgeschraubt. Man
erkennt, dass die feststehende Probe 224 zwar eine daran
angebrachte runde Kugel 226 hat, doch kann jede andere
und gewünschte
Konfiguration mit feststehender Probe ohne weiteres an der Sonde 28 über das
Gewinde 222 angeschraubt werden. Die Berührauslöser-Sonden-Anordnung 210 ist
in einem Gehäuse 228 montiert,
das in die Verbindungsvorrichtung 230 eingeschraubt ist,
die einen Teil des Sondengehäuses 196 bildet.
Diese Schraubverbindung ermöglicht
die vollständige
Integration der Berührauslöser-Sonde 210 in
die Sonde 28. Die Bereitstellung einer vollständig integrierten
Berührsonde stellt
ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung dar und unterscheidet
sich von ablösbaren
Berührsonden
des Stands der Technik in Verbindung mit CMM des Stands der Technik.
Außerdem
lässt sich die
permanent installierte Berührauslöser- Sonde auch ohne weiteres
in eine harte Sonde wie oben beschrieben umwandeln.
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29A-C offenbaren noch ein weiteres bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
für eine
Mess-Sonde gemäß der vorliegenden
Erfindung. In 29A-C ist eine Mess-Sonde bei 28' gezeigt und
ist im Wesentlichen ähnlich
zu der Mess-Sonde 28 in 29,
wobei der Hauptunterschied im Aufbau des "Ausführungs"-Schalters und des "Bestätigungs"-Schalters liegt.
Anstelle der in 29 gezeigten diskreten knopfartigen
Schalter verwendet die Mess-Sonde 28' zwei Paare bogenförmiger länglicher
Schalter 200a-b und 202a-b. Jedes der Paare länglicher
Schalter 202a-b und 200a-b entspricht dem Ausführungs-Schalter
bzw. dem Bestätigungs-Schalter,
wie weiter oben anhand von 29 beschrieben
wurde. Ein Vorteil des Ausführungsbeispiels
mit der Mess-Sonde 28' gegenüber dem
Ausführungsbeispiel
mit der Mess-Sonde 28 besteht darin, dass jedes Paar länglicher
Schalter 202 und 200 im Wesentlichen den gesamten
Umfang (oder zumindest den Großteil
des Umfangs) der Mess-Sonde umgeben und daher durch den Bediener
der tragbaren CMM leichter betätigbar
sind. Wie in dem Ausführungsbeispiel
von 29 ist eine Anzeigeleuchte 204 jedem Schalter
zugeordnet, wobei die Leuchte 204 und die Schalter 200, 202 auf
den jeweiligen Leiterplatinen 208' montiert sind. Wie in dem Ausführungsbeispiel von 29 können
die Schalter 200, 202 auch z.B. unter Verwendung
unterschiedlicher Höhen,
unterschiedlicher Texturen und/oder unterschiedlicher Farben unterschieden
werden. Vorzugsweise sind die Schalter 200, 202 leicht
schwimmend, so dass der Knopf sich auch betätigen lässt, wenn man an einem beliebigen
Ort entlang von ihm nach unten drückt. Wie in dem Ausführungsbeispiel
von 29 wird eine äußere Schutzabdeckung
der oben beschriebenen Bauart bei 206 verwendet und ist über einem
Abschnitt der Sonde 28' vorgesehen.
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In 31 ist eine alternative Mess-Sonde zur Verwendung
mit einer CMM 10 allgemein bei 232 gezeigt. Die
Mess-Sonde 232 ist
der Mess-Sonde 28 von 29 ähnlich,
wobei der Hauptunterschied darin besteht, dass die Sonde 232 eine
rotierende Griffabdeckung 234 hat. Die rotierende Abdeckung 234 ist
auf einem Paar beabstandeter Lager 236, 238 montiert,
die wiederum auf einem inneren Kern oder einer Halterung 240 derart
montiert sind, dass die Abdeckung 234 (über die Lager 236, 238)
um den inneren Kern 240 herum frei rotierbar ist. Die Lager 236, 238 sind
vorzugsweise Radiallager und minimieren störende Drehmomente an dem Arm
aufgrund der Sonden-Handhabung.
Es ist wesentlich, dass die Schalterplatine 208' und die entsprechenden
Schalter 200', 202' sowie die Leuchtdiode
(LED) 204' allesamt
an der rotierenden Griffabdeckung 234 montiert sind, um
mit ihr zu rotieren. Während
der Rotation wird die elektrische Anschließbarkeit an die Verarbeitungsschaltungs-Platine 118' unter Verwendung
eines herkömmlichen
Rutschring-Mechanismus 242 erzeugt, der eine bekannte Vielzahl
beabstandeter Federfinger 242 aufweist, die statio näre kreisförmige Kanäle 244 kontaktieren.
Diese Kontaktkanäle 244 sind
wiederum mit der Leiterplatte 118' elektrisch verbunden. Die rotierende
Griffabdeckung 234 und die Schalteranordnung sind daher
mit dem inneren Kern der Sondenwelle 240 und der Elektronik-Platine 118' unter Verwendung
des Rutschring-Leiters 242 elektrisch verbunden. Die Rotation
des Sondengriffs 234 ermöglicht eine passende Ausrichtung
der Schalter 200', 202' für den Benutzer.
Durch Minimieren nicht dokumentierter Kräfte ermöglicht dies, dass der Gelenkarm 14' während der
Handhabung genau misst. Die Abdeckung 234 besteht vorzugsweise
aus einem starren Polymer und ist mit geeigneten Vertiefungen 246 und 248 ausgestattet,
um ein einfaches und zweckmäßiges Greifen
und Handhaben durch den Sonden-Bediener zu ermöglichen.
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Man
erkennt, dass der Rest der Sonde 232 ziemlich ähnlich zur
Sonde 28 ist einschließlich
des Vorhandenseins einer dauerhaft und fest installierten Berührsonde 210 in
der Abdeckung 220. Man beachte, dass die Schalter 200', 202' unterschiedliche
Höhen und
Oberflächentexturen
haben, um eine leichte Identifizierung zu ermöglichen.
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Die
rotierende Abdeckung 234 ist ein beachtlicher Fortschritt
auf dem Gebiet der CMM, da sich dadurch eine siebte Rotationsachse
an der Sonde, wie in dem zuvor erwähnten US-Patent 5,611,147 beschrieben,
erübrigen
kann. Man erkennt, dass das Hinzufügen einer siebten Achse zu
einer auf wendigeren und teureren CMM sowie zur Hinzufügung eines
möglichen
Fehlers in dem System führt.
Die Verwendung der rotierbaren Sonde 232 macht eine "wirkliche" siebte Achse überflüssig, da
sie der Sonde ermöglicht,
die für
die Griffposition am Sondenende notwendige Rotation zu erzeugen,
und zwar ohne den Aufwand eines siebten Wandlers und der ihm zugeordneten
Lager, Codierer und Elektronik.
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Für den Fall,
dass man eine Mess-Sonde wünscht,
die eine "wirkliche" siebte Achse hat,
das heißt
eine Mess-Sonde mit einem siebten Rotations-Codierer zum Messen
der Rotation hat, ist eine derartige Mess-Sonde in 37-40 gezeigt. Wie man in den
Figuren sieht, ist eine Mess-Sonde 500 gezeigt, wobei eine
derartige Mess-Sonde im Wesentlichen ähnlich wie die Mess-Sonde in 29 ist, wobei der Hauptunterschied darin besteht,
dass eine modulare Lager/Wandler-Hülse 502 der oben beschriebenen
Bauart eingefügt
ist, die Ausführungs-/Bestätigungs-Schalter 504, 506 an
den Seiten der Mess-Sonde vorhanden sind und ein abnehmbarer Griff 508 enthalten
ist.
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Man
erkennt, dass die modulare Lager/Wandler-Hülse 502 im Wesentlichen ähnlich zu den
weiter oben ausführlich
beschriebenen Hülsen ist
und eine Rotationswelle, ein Paar Lager an der Welle, eine optische
Codierscheibe, mindestens einen und vorzugsweise zwei optische Leseköpfe, die von
der Codierscheibe beabstandet und mit ihr in optischer Verbindung
stehen, sowie ein Gehäuse
aufweist, das die Lager, die opti sche Codierscheibe, den Lesekopf
bzw. die Leseköpfe
und mindestens einen Abschnitt der welle umgibt, um die diskrete
modulare Lager/Wandler-Hülse
zu bilden. Eine Leiterplatte 503 für die Codierer-Elektronik sitzt
in einer Öffnung 504 bei
der Sonde 500. Es sind Ausführungs- und Bestätigungs-Knopfpaare 504, 506 an
jeder Seite eines nach unten ragenden Gehäuseabschnitts 510 der Sonde 500 positioniert,
wobei die Knöpfe
an eine geeignete PC-Platine 512 angeschlossen sind, wie
in der Mess-Sonde des Ausführungsbeispiels
von 29. In ähnlicher Weise ist eine Leuchtanzeige 513 zwischen
den Knöpfen 504, 506 wie
in den zuvor besprochenen Ausführungsbeispielen
positioniert. Ein Paar mit einem Gewinde versehener Öffnungen 514 in
dem Gehäuse 510 dienen
zur Aufnahme von Befestigungsvorrichtungen für eine abnehmbare Anbringung
des Griffs 508, wodurch eine leichte rotierende Handhabung
während
der Benutzung der Mess-Sonde 500 ermöglicht wird.
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Bezüglich aller
anderen wesentlichen Gesichtspunkte ist die Mess-Sonde 500 ähnlich zur Mess-Sonde 28 von 29 einschließlich
der bevorzugten Verwendung einer permanent installierten Berührauslöser-Sonde
bei 516 sowie einer abnehmbaren Kappe zum Anpassen einer
feststehenden Sonde 518, während die Berührauslöser-Sonde
geschützt
wird. Man erkennt, dass der in der Mess-Sonde 500 enthaltene
Rotations-Codierer 502 die Verwendung der CMM 10 in
Verbindung mit bekannten Laser-Linien-pbtastvorrichtungen und anderen
Peripheriegeräten
erleichtert.
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In 2-4, 23 und 25 ist
gemäß einem
wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung eine tragbare Stromversorgung
zur Versorgung der CMM 10 vorgesehen, wodurch eine vollständig tragbare
CMM bereitgestellt wird. Dies ist ein Gegensatz zu CMM des Stands
der Technik, bei denen die Stromversorgung nur mittels eines Wechselstrom-Kabels
erfolgt. Außerdem
kann die CMM 10 auch unmittelbar mittels eines Wechselstrom-Kabels durch
einen Wechselstrom/Gleichstrom-Adapter hindurch über eine herkömmliche
Steckdose versorgt werden. Wie in 2, 3 und 25 gezeigt,
ist eine herkömmliche
wiederaufladbare Batterie (z.B. Li-Ionen-Batterie) bei 22 gezeigt.
Die Batterie 22 ist mechanisch und elektrisch mit einer
herkömmlichen Batterie-Halterung 252 verbunden,
die wiederum mit einer herkömmlichen
Stromversorgung und einer auf der Leiterplatte 20 angeordneten
Schaltungs-Komponente 254 für ein Batterie-Ladegerät verbunden ist.
Mit der Platine 20 steht auch ein Ein/Aus-Schalter 258 (siehe 3)
sowie ein Hochgeschwindigkeits-Verbindungsanschluss 259 (vorzugsweise
ein USB-Anschluss)
in Verbindung. Die Gelenkglied- bzw. Gelenk-Elektronik des Arms 14 ist
unter Verwendung eines RS-485-Busses
mit der Platine 20 verbunden. Die Batterie 22 kann
an einem getrennten Ladegerät
geladen werden oder an der Maschine in einem Ladesitz 252 geladen
werden, wie man ihn üblicherweise
bei herkömmlichen
Videokameras vorfindet. Man erkennt, dass der tragbare Rechner 172 (siehe 2)
mehrere Stunden lang allein mit seinen eingebauten Batterien funktio nieren
kann oder alternativ mit der Stromversorgungs-Einheit 254 der
CMM 10 elektrisch verbunden werden kann.
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Die
bordeigene Stromversorgung/Ladegerät-Einheit gemäß der vorliegenden
Erfindung ist vorzugsweise als fester Bestandteil der CMM 10 angeordnet,
indem man diese Komponente als festen Teil der Basis 12 und
insbesondere als Teil des Kunststoff-Basisgehäuses 26A, B anbringt.
Man beachte auch, dass das Basisgehäuse 26A, B vorzugsweise einen
kleinen Aufbewahrungsbereich 260 enthält, der einen schwenkbaren
Deckel 262 zum Aufbewahren von Ersatzbatterien, Sonden oder dergleichen hat.
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In 4, 25 und 32-34 wird nun
die neuartige magnetische Befestigungsvorrichtung zur Verwendung
mit der CMM 10 beschrieben. Die magnetische Befestigungsvorrichtung
ist in 4, 25, 32 und 33 bei 24 allgemein gezeigt.
Die magnetische Halterung 24 enthält ein zylinderförmiges nicht-magnetisches Gehäuse 266, das
an seinem oberen Ende als ein Gewinde-Abschnitt 268 endet.
Wie bei allen der in der CMM 10 verwendeten bevorzugten
Gewinde ist auch das Gewinde 268 ein verjüngtes Gewinde,
das dazu bestimmt ist, um mit dem Gewinde 126 des ersten
langen Gelenkglieds 16 verschraubt zu werden, wie man am
besten in 25 sieht. Das nicht-magnetische
Gehäuse 266 hat
einen im Wesentlichen zylinderförmigen
Aufbau mit der Ausnahme zweier Verlängerungen 270, 272 in
Längsrichtung,
die um 180° entgegengesetzt
zueinander angeordnet sind und sich von dem Gehäuse 266 nach außen und
nach unten erstrecken. An jeder Seite der Verlängerungen 270, 272 in
Längsrichtung
befindet sich ein Paar halbzylindrischer Gehäuse 274, 276,
wovon jedes aus einem "magnetischen" Material besteht,
das heißt
aus einem Material, das magnetisierbar ist, wie z.B. Eisen oder
magnetischer Edelstahl. Zusammen bilden die "magnetischen" Gehäusehälften 274, 276 und
die Verlängerungen 270, 272 eine
zylindrische Kammer mit offenem Ende zum Aufnehmen und Unterbringen
eines magnetischen Kerns 278. Der magnetische Kern 278 hat
eine längliche
Form mit einem nicht-magnetischen Mittelteil 280, der zwischen
zwei Magneten 282, 284 aus seltenen Erden (z.B.
Neodymium-Eisen-Bor) sandwichartig eingebettet ist. Eine axiale Öffnung 286 ist
durch den nicht-magnetischen Mittelteil 280 hindurch vorgesehen.
Eine kreisförmige Abdeckplatte 288 ist
unterhalb des magnetischen Kerns 278 positioniert und innerhalb
des unteren Gehäuses
angeordnet, das durch die Elemente 274, 276 und
die Verlängerungen 270, 272 in
Längsrichtung
gebildet ist. Eine Welle 290 ist durch eine kreisförmige Öffnung 292 in
dem Gehäuse 266 hindurch positioniert
und erstreckt sich durch die axiale Öffnung 286 des magnetischen
Kerns 278 hindurch nach unten. Die Welle 290 ist
durch ein oberes Lager 292 und ein unteres Lager 294 rotativ
gelagert. Das obere Lager 291 ist in eine innere Zylinder-Vertiefung in
dem Gehäuse 266 eingesetzt,
und das untere Lager 294 ist in einer ähnlichen zylinderförmigen Vertiefung
in der Abdeckplatte 288 eingesetzt. Ein Hebel 296 erstreckt
sich nach unten und senkrecht von der Welle 290 und erzeugt,
wie weiter unten beschrieben ist, einen Ein/Aus-Mechanismus für die magnetische Halterung 264.
Der Hebel 296 erstreckt sich von dem Gehäuse 266 nach
außen
durch eine Nut 297 durch das Gehäuse 266 hindurch (siehe 25).
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Diese
gesamte Anordnung aus Hebel 296, Welle 290 und
Lagern 292, 294 ist miteinander verbunden unter
Verwendung einer oberen Gewinde-Befestigungsvorrichtung 298 und
eines unteren Halterings 300. Man erkennt, dass die verschiedenen Komponenten
der magnetischen Halterung 264 darüber hinaus befestigt sind z.B.
durch Gewinde-Befestigungsvorrichtungen 302, die das Gehäuse 266 mit Gehäuse-Abschnitten 274, 276 aus "magnetischem" Material verbinden,
und Gewinde-Befestigungsvorrichtungen 304,
welche die Gehäuse-Abschnitte 274, 276 mit
der Abdeckung 288 verbinden. Außerdem sind über die
Gewinde-Befestigungsvorrichtungen 306 die sich längs erstreckenden
Verlängerungen 270, 272 des
Gehäuses 266 an
der Abdeckung 288 befestigt. Ein Stift 308 ist
in einer seitlichen Öffnung in
dem Kern 278 und einer seitlichen Öffnung in der Welle 290 eingesetzt,
so dass die Welle 290 mit dem Kern 278 verriegelt
wird. Wenn der Hebel 296 rotiert wird, rotiert die Welle 290 den
Kern 278 über
die Wellen-Verbindung 308.
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Wie
in 1, 3 und 25 gezeigt,
ist der Hebel 296 mit einem Griff 310 verbunden,
der an der Außenseite
der Basis 12 leicht zugänglich
ist und verwendet wird, um die magnetische Halterung 264 zu
betätigen.
Um eine derartige Betätigung
zu bewerkstelligen, wird der Griff 296 einfach bewegt (von rechts
nach links in 1). Die Bewegung des Griffs 310 wiederum
dreht den Hebel 296, der wiederum die Welle 290 dreht,
die dann die Magneten 282, 284 aus seltenen Erden
aus ihrer Nicht-Betriebsstellung (in der die Magneten 282, 284 mit
den nicht-magnetischen Verlängerungen 270, 272 ausgerichtet
sind) in eine Betätigungsstellung,
bei der die Magneten 282, 284 mit dem magnetischen
Material 274, 276 ausgerichtet sind. Wenn die
Magneten mit dem magnetischen Material ausgerichtet sind, wie beschrieben,
wird ein Magnetfeld (Fluss) gebildet. Wenn die Magneten 282, 284 mit
dem magnetischen Material 274, 276 nicht ausgerichtet
sind, ist der Weg des Flusses unterbrochen. In diesem Zustand kann
die magnetische Basis von dem Tisch, auf dem sie aufliegt, getrennt
werden. Man beachte jedoch, dass selbst in der nicht-ausgerichteten
Stellung etwas restlicher magnetischer Fluss vorhanden ist. Dieser kleine
restliche magnetische Fluss in der "Aus"-Stellung ist ein
positives Merkmal dieser Erfindung, da ein kleiner Betrag an magnetischem
Fluss bewirkt, dass er mit dem Magnet reagiert und den Hebel 296 beim
Zurückstellen
auf den Tisch automatisch zurück in
die "Ein"-Stellung dreht.
Man erkennt, dass bei einer Ausrichtung der Magnete mit dem magnetischen Material
ein starkes Magnetfeld aufgebaut wird und die halbkreisförmigen Elemente 274, 276 an
der am Boden davon gebildeten ringförmigen Oberfläche magnetisch
haften, wie bei 312 in 25 und 33 gezeigt.
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Die
magnetische Halterung 264 der vorliegenden Erfindung bildet
eine vollständig
integrierte, jedoch abnehmbare Befestigungsvorrichtung, da sie (über das
Gewinde 268) abnehmbar montiert ist, und kann durch andere
Befestigungen, wie z.B. eine Schrauben-Befestigung oder eine Vakuum-Befestigung ersetzt
werden. Um richtig verwendet zu werden, muss eine magnetische Halterung 264 natürlich auf
eine magnetische Oberfläche
gebracht werden und (über
den Hebel 296) aktiviert werden, um betätigt zu werden. Für den Fall,
dass eine Befestigung an einer nicht-magnetischen Oberfläche (z.B.
Granit) benötigt
wird, müssen
Zwischenplatten oder andere geeignete Mechanismen zwischen der magnetischen Basis
und der nicht-magnetischen Oberfläche verwendet werden.
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Es
wurden zwar bevorzugte Ausführungsbeispiele
gezeigt und beschrieben, doch können
verschiedene Abwandlungen und Austauschungen an diesen durchgeführt werden,
ohne dass man den Bereich der in den beigefügten Ansprüchen definierten Erfindung
verlässt.