DE69632840T2 - Dreidimensionales Koordinatenmessgerät - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf dreidimensionale Koordinatenmessvorrichtungen (oder CMMs). Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine neue und verbesserte dreidimensionale CMM, die tragbar ist und verbesserte Genauigkeit und leichtere Handhabung bereitstellt.
  • Alle physischen Gegenstände beanspruchen für sich Volumen oder Raum. Die Position in einem Raum kann durch Länge, Breite und Höhe definiert werden, welche in der Technik oftmals als X-, Y- und Z-Koordinaten bezeichnet werden. Die X-, Y- und Z-Zahlen stellen die Dimensionen von Länge, Breite und Höhe oder drei Dimensionen dar. Dreidimensionale Objekte werden durch Position und Ausrichtung beschrieben; d. h. nicht nur, wo ein Objekt sich befindet, sondern auch in welche Richtung es zeigt. Die Ausrichtung eines Objekts im Raum kann durch die Position dreier Punkte auf dem Objekt definiert werden. Die Ausrichtung kann auch die Ausrichtungswinkel des Objekts im Raum beschrieben werden. Die X-, Y- und Z-Koordinaten können am einfachsten durch drei lineare Maßstäbe gemessen werden. Anders gesagt wird ein Maßstab an Länge, Breite und Höhe eines Raums angelegt, um so die Position eines Punkts im Raum zu messen.
  • Gegenwärtig messen Koordinatenmessvorrichtungen oder CMMs Objekte im Raum mit Hilfe von drei linearen Maßstäben. Diese Vorrichtungen sind gewöhnlich nicht tragbar, teuer und in der Größe oder dem Volumen, die bzw. das leicht gemessen werden kann, begrenzt.
  • FARO Technologies, Inc., Lake Mary, Florida (USA) (der Anmelder der vorliegenden Erfindung), hat mit Erfolg eine Reihe von digitalisierenden Vorrichtungen vom Elektrogoniometertyp für den medizinischen Bereich hergestellt. Insbesondere hat FARO Technologies, Inc., Systeme zur Skelettanlayse, auch als METRECOM® bekannt, und Systeme zur Verwendung in chirurgischen Anwendungen, SURGICOMTM, hergestellt. Elektrogoniometrische Vorrichtungen vom Typ der METRECOM- und SURGICOM-Systeme sind in den US-Patenten Nr. 4.670.851, 5.251.127 und 5.305.203 offenbart, welche alle dem Anmelder übertragen worden sind. FR2702043 offenbart eine tragbare CMM-Vorrichtung mit einem manuell positionierbaren Messarm und einer Sonde.
  • Während sie für ihre beabsichtigten Zwecke gut geeignet sind, zeigen die digitalisierenden METRECOM- und SURGICOM-Systeme vom Elektrogoniometertyp für allgemeine industrielle Anwendungen, wo oftmals dreidimensionale Messungen von Teilen und Anordnungen erforderlich sind, keine gute Eignung. Somit gibt es einen kontinuierlichen Bedarf an verbesserten, genauen und kostengünstigen CMMs für industrielle und damit in Beziehung stehende Anwendungsgebiete.
  • Die obig angesprochenen und anderen Probleme und Mängel des Stands der Technik werden durch das dreidimensionale Messinstrument (z. B. Elektrogoniometer) der vorliegenden Erfindung gelöst oder gemindert. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine neue, tragbare Koordinatenmessvorrichtung, wie in Anspruch 1 dargelegt, bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst einen durch zahlreiche Gelenke (vorzugsweise sechs oder sieben Gelenke) verbundenen, manuell positionierbaren Messarm für das genaue und leichte Messen eines Volumens, das in einer bevorzugten Ausführungsform eine Kugel mit einem Durchmesser von vorzugsweise 6 bis 12 Fuß umfasst (wobei dabei aber auch Durchmesser unter- und oberhalb dieses Bereichs abgedeckt werden können) und eine Messgenauigkeit von vorzugsweise 2 Sigma +/– 7,62 × 10–6 m (0,0003 Zoll) (und optimal 2 Sigma +/– 2,54 × 10–5 m (0,001 Zoll) umfasst. Zusätzlich zum Messarm verwendet die vorliegende Erfindung gegebenenfalls eine Steuerung (oder einen seriellen Kasten), die als elektronische Schnittstelle zwischen dem Arm und einem Host-Computer agiert.
  • Der im CMM dieser Erfindung verwendete mechanische Messarm besteht im Allgemeinen aus einer Vielzahl von Transfergehäusen (wobei jedes Transfergehäuse ein Gelenk umfasst und einen Grad an Rotationsfreiheit definiert) sowie aus Verlängerungselementen, die jeweils mit aneinander angrenzenden Transfergehäusen aneinander befestigt sind, die z. B. in rechten Winkeln angeordnet sind, um einen beweglichen Arm mit vorzugsweise fünf, sechs oder sieben Freiheitsgraden zu definieren. Jedes Transfergehäuse umfasst Messwandler und gegebenenfalls neue Lageranordnungen, wie sie in den Ansprüchen 2 bis 5 definiert sind. Diese neuen Lageranordnungen können vorgespannte Lager umfassen, die aus einander entgegengesetzten konischen Rollenlagern gebildet sind, sowie Versteifungsschublagern oder alternativ dazu Standard-Duplex-Lagern für eine hohe Biegungsfestigkeit mit einer geringen Profilstruktur. Zusätzlich dazu kann jedes Transfergehäuse physikalische audiovisuelle Endanschlag-Indikatoren umfassen, um gegen eine mechanische Überbelastung auf Grund mechanischer Belastung zu schützen.
  • Bevorzugte Transfer- bzw. Übertragungsgehäuse sind in den Ansprüchen 6 bis 9 und 21 definiert.
  • Der bewegliche Arm ist an einem Sockel oder einer Säule befestigt, der bzw. die (1) eine Temperaturüberwachungs-Leiterplatte zum Überwachen der Temperaturstabilität; (2) eine Kodierer-Montageplatte für eine universelle Kodiererauswahl; (3) eine EEPROM-Leiterplatte, die Kalibrierungs- und Identifizierungsdaten enthält, um somit eine Verwechslung der Einheiten zu verhindern; und (4) eine Vorverstärker-Leiterplatte, die nahe der Kodierer-Montageplatte montiert ist, um hochverstärkte Signale zu einem entfernten Counterboard in der Steuerung zu übertragen, umfassen kann.
  • Wie im METRECOM-System nach dem Stand der Technik können die Transfergehäuse modular sein und somit variable Anordnungskonfigurationen zulassen, wobei die gesamte bewegliche Armanordnung gegebenenfalls aus einem Material besteht, um einen konsistenten Koeffizienten der thermischen Ausdehnungen (CTE) sicherzustellen. Ähnlich wie im METRECOM-System ermöglichen innere Drahtführungen mit Rotationsanschlägen und Drahtwindungshohlräumen einen vollständigen Einschluss einer großen Anzahl an Drähten. Auch kann das in den Ansprüchen definierte CMM-System in Einklang mit dem METRECOM-System nach dem Stand der Technik auch einen durch eine Feder ausgeglichenen und stoßgedämpften Lagermechanismus, um dem Benützer Komfort zu bieten, sowie eine Dateneingabevorrichtung mit Doppelschalter (TAKE/ACCEPT), um hochpräzise Messungen durch manuelle Handhabung zu ermöglichen, umfassen. Auch ist eine verallgemeinerte Option des im METRECOM-System nach dem Stand der Technik verwendeten Typs bereitgestellt, um Variablen in drei Dimensionen zu messen (so kann z. B. die Temperatur dreidimensional unter Verwendung eines am Optionsanschluss befestigten Thermoelements gemessen werden).
  • Die Verwendung eines diskreten Steuerkastens auf Basis eines Mikroprozessors stellt ein bevorzugtes Merkmal dieser Erfindung dar, als dadurch die Vorverarbeitung von spezifischen oder integrierten Steuerungsberechnungen ohne Anforderungen an eine Host-Verarbeitung möglich sind. Dies wird dadurch erreicht, dass ein intelligenter Präprozessor im Steuerkasten angeordnet wird, der programmierbare Adaptierbarkeit und Kompatibilität mit einer Vielzahl externer Hoste (z. B. externe Computer) bereitstellt. Der serielle Kasten kann auch eine intelligente Multi-Protokoll-Berechnung und automatische Umschaltung bereitstellen, indem vom Host Kommunikationsanforderungen geprüft werden. So erzeugt ein Host-Computer, der die Software von einem Hersteller verwendet, abgehende Rufe einer Form, die vom Steuerkasten automatisch geprüft werden. Auch können andere Merkmale des Steuerkastens serielle Anschlusskommunikationen für standardisierte Fernkommunikationen in einer Vielzahl industrieller Umgebungen sowie neue Analog-Digital/Digital-Counterboards für die simultane Speicherung jedes Kodierers (im Transfergehäuse angeordnet) umfassen, was zu sehr genauen Messergebnissen führt.
  • Bevorzugte Systeme, die einen seriellen Kasten umfassen, sind in den Ansprüchen 17 und 18 definiert.
  • Gegebenenfalls wird die effiziente Kalibrierung der CMM der vorliegenden Erfindung vor Ort durch die Verwendung einer Bezugskugel verbessert, die am Sockel der CMM positioniert ist, um möglichen Montagekomplikationen für die Systemgenauigkeitsberechnung zuvorzukommen. Zusätzlich dazu können die CMM dieser Erfindung Mittel zum Durchführen eines volumetrischen Genauigkeitsmessungsprotokolls auf einer Interimsbasis umfassen, wobei vorzugsweise eine neue konische Kugel-Stab-Vorrichtung verwendet wird.
  • Die obig ausgeführten und anderen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden von Fachleuten auf dem Gebiet der Technik aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen erkannt und verstanden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Mit Bezug auf die Zeichnungen, worin ähnliche Elemente in den verschiedenen Figuren gleich nummeriert sind, ist/sind
  • 1 eine Vorderansicht, die das dreidimensionale Messsystem der vorliegenden Erfindung ohne Schlag-Sonde, umfassend eine Koordinatenmessvorrichtung, einen Steuerkasten und einen Host-Computer, darstellt;
  • 2 eine Seitenansicht, die den Host-Computer auf dem seriellen Kasten darstellt, welcher wiederum auf einem beweglichen Arm montiert ist;
  • 3 eine Seitenansicht des dreidimensionalen Messsystems der vorliegenden Erfindung ohne Schlag-Sonde, das auf einem Theodolit-Ständer montiert ist;
  • 4 eine Hinteransicht der in 1 dargestelltem CMM;
  • 5 ein Längsansicht, teils im Querschnitt, der CMM der 1;
  • 6 eine Explosions-Seitenansicht eines Transfergehäuses, das in der CMM der 1 verwendet wird;
  • 6A und 6B Ansichten entlang der Linien 6A-6A bzw. 6B-6B der 6;
  • 7 ein Querschnitt zweier angeordneter, quer ausgerichteter Transfergehäuse;
  • 8 eine vergrößerte Seitenansicht einer ausgeglichenen Federvorrichtung, die in der CMM der 1 verwendet wird;
  • 9A und 9B Drauf- und Unteransichten, welche die Griff-Sonden-Anordnung der 1 darstellen;
  • 10 eine vergrößerte Vorderansicht des Steuerkastens der 1;
  • 11 eine vergrößerte Hinteransicht des Steuerkastens der 1;
  • 12 eine schematische Ansicht der elektronischen Komponenten für das dreidimensionale Messsystem der 1;
  • 13 eine Seitenansicht der CMM der 1, die ein Sondenspitzen-Kalibriersystem darstellt;
  • 14 eine schematische Draufsicht, die ein Verfahren zum Kalibrieren der Sondenspitze veranschaulicht;
  • 15 eine Seitenansicht der CMM der 1, die mit einem Kugelstab geeicht wird;
  • 16 und 17 Seitenansichten der CMMM der 1, die durch eine neue konische Kugelstabvorrichtung geeicht wird;
  • 18 eine Seitenansicht, die ein Verfahren zum Optimieren der CMM der 1 unter Verwendung eine Optimierungsvorrichtung darstellt;
  • 19A–E jeweils Vorder-, Hinter-, Drauf- sowie rechte und linke Seitenansichten der in der Vorrichtung des 18 verwendeten Präzisionsstufen-Messgeräts;
  • 20 eine schematische Ansicht, die ein Verfahren zum Optimieren der CMM der 1 unter Verwendung der Vorrichtung der 18 zeigt;
  • 21 eine Vorderansicht des Messarms der vorliegenden Erfindung, die Verstrebungslager für die Stabilität zwischen dem Messarm und dem gemessenen Objekt darstellt;
  • 22A eine Vorderansicht der CMM der 1, wobei die CMM, der serielle Kasten und der Host-Computer mit Kabeln miteinander verbunden sind;
  • 22B eine Vorderansicht einer alternativen CMM, worin der serielle Kasten-Schaltkreis miniaturisiert und direkt auf der Seite (oder dem Sockel) des Messarms montiert wurde, und worin sowohl der serielle Kasten als auch der Host-Computer Signale mittels Telemetrie prüfen und empfangen können;
  • 23A und 23B Querschnitte entlang der Mittellinie eines Abschnitts des Transfergehäuses der 6, die eine bevorzugte alternative Lagerkonstruktion der vorliegenden Erfindung darstellen;
  • 24 eine Vorderansicht, teilweise im Querschnitt, einer automatischen Schlag-Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 25A eine Teilansicht, teilweise im Querschnitt, einer zweiten bevorzugten alternativen Anschlaganordnung des Transfergehäuses und des Schafts, die eine Rotation um 660° an jeder Freiheitsbewegung in der CMM gemäß der vorliegenden Erfindung zulässt;
  • 25B ein Querschnitt entlang der Linie 25B-25B der 25A vor der Rotation;
  • 25C ein Querschnitt entlang der Linie 25C-25C der 25A vor der Rotation;
  • 25D ein Querschnitt entlang der Linie 25D-25D der 25A nach der Rotation um 330° gegen den Uhrzeigersinn;
  • 25E ein Querschnitt entlang der Linie 25E-25E der 25A nach der Rotation um 330° gegen den Uhrzeigersinn;
  • 26A eine Draufsicht auf einen Pendelschlitten gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • 26B eine Vorderansicht eines Pendelschlittens gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Mit Bezug auf 1 umfasst das dreidimensionale Messsystem der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen eine Koordinatenmessvorrichtung (CMM) 10, die aus einem manuell betriebenen vielgelenkigen Arm 12 und einem Lagersockel oder Säule 14 besteht, einer Steuerung oder einem seriellen Kasten 16 sowie einem Host-Computer 18. Es ist anzumerken, dass die CMM 10 elektronisch mit dem seriellen Kasten 16 kommuniziert, welcher wiederum elektronisch mit dem Host-Computer 18 kommuniziert. Die CMM ist ohne eine angeordnete Schlag-Sonde dargestellt.
  • Wie nachfolgend detailliert hierin dargestellt ist, umfasst die CMM 10 Wandler (z. B. einen Wandler für jeden Freiheitsgrad), der Rotationspositionsdaten sammelt und diese Basisdaten zum seriellen Kasten 16 weiterleitet. Der serielle Kasten 16 stellt eine Verringerung für die allgemeinen Anforderungen eines Host-Computers 18 bereit, um komplexe Berechnungen durchzuführen und gewisse vorläufige Datenmanipulationen bereitzustellen. Wie in 2 dargestellt, soll der serielle Kasten 16 unter dem Host-Computer 18 positioniert sein (so wie der Notebook-Computer in 2), und er umfasst EEPROMS, die Software zur Bearbeitung von Daten enthalten, einen Mikrocomputer-Prozessor, eine Signalverarbeitungs-Platine und eine Reihe von Anzeigesignallichtern 20. Wie bereits erwähnt, werden Wandler-Basisdaten von der CMM 10 zum seriellen Kasten 16 gesendet. Der serielle Kasten 16 verarbeitet daraufhin die Wandler-Rohdaten auf einer weitergehenden Basis und antwortet auf die Anfragen des Host-Computers mit der erwünschten dreidimensionalen Positions- oder Ausrichtungsinformation.
  • Vorzugsweise sind alle drei Komponenten, die das dreidimensionale Messsystem dieser Erfindung (z. B. CMM 10, serieller Kasten 16 und Host-Computer 18) definieren, entweder auf einer fixen Montagefläche unter Verwendung einer festen Platte und/oder auf einem standardisierten optischen Messinstrumentgewinde montiert, wonach sie auf einem bekannten und standardisierten mobilen Theodolit-Ständer, wie jenem bei 22 in 3 dargestellt, montiert sind. Vorzugsweise umfasst der Theodolit-Ständer 22 einen von Brunson Art. Nr. MWS750. Ein solcher mobiler Ständer ist durch eine stabile Rollplattform mit verlängerbarem vertikalen Turm und mit gemeinsamen Befestigungen und Verschlussmechanismen charakterisiert. Wie in den 2 und 3 dargestellt, ist der Lagersockel 14 der CMM 10 durch ein Gewinde oder anders auf einem vertikalen Lagerelement 24 des Ständers 22 befestigt, während der serielle Kasten 16/der Host 18 auf einer Unterlage 26 befestigt ist, die schwenkbar an einem ersten Gelenk 28 an einem Arm 30 befestigt ist, welcher schwenkbar mit einem zweiten Gelenk 32 verbunden ist. Das Verbindungselement 34 verbindet das Gelenk 32 mit einem Schwenkelement 36, das an einer Kappe 38 befestigt ist, die an der Oberseite des Elements 24 montiert ist.
  • Die CMM 10 ist nun in Bezug auf die 1 und 4–9 detailliert beschrieben. Wie am besten in 5 ersichtlich ist, umfasst die CMM 10 einen Sockel 14, der mit einer ersten Gruppe von zwei Transfergehäusen verbunden ist, die ein erstes Transfergehäuse 40 umfasst, das wiederum mit einem zweiten Transfergehäuse 42 (das quer zum Gehäuse 40 positioniert ist) verbunden ist. Ein erstes Verlängerungselement 44 ist fest an einer zweiten Gruppe von zwei Transfergehäusen, die ein drittes Transfergehäuse 46 umfassen, das querstehend mit einem vierten Transfergehäuse verbunden ist, befestigt. Das erste Verlängerungselement 44 ist lotrecht zwischen den Transfergehäusen 42 und 46 positioniert. Ein zweites Verlängerungselement 50 ist fest am Transfergehäuse 48 befestigt angebracht. Das rechte Verlängerungselement 50 ist fest an einer dritten Gruppe von zwei Transfergehäusen befestigt, die ein fünftes Transfergehäuse 52 umfassen, das querstehend an einem sechsten Transfergehäuse 54 befestigt ist. Das fünfte Transfergehäuse 54 weist eine Griff-Sondenanordnung 56 auf, die daran befestigt ist und an welcher eine Schlag-Sonde befestigt ist, die in Verwendung in 24 dargestellt ist.
  • Im Allgemeinen (und wie hierin nachfolgend im Detail dargestellt) sind Positionsprüfwandler in jedem der sechs Transfergehäuse 40, 42, 46, 48, 52 und 54 montiert. Jedes Gehäuse besteht aus Stützlagern und Wandler-Einheiten, die so ausgeführt sind, dass sie zylindrisch aneinander befestigt sind, wobei dabei 45°-winkelige Befestigungsschrauben verwendet werden (6). Am Sockel 14 befestigt ist eine Ausgleichs-Federvorrichtung 60, um den Arm 12 in seiner vertikalen Standardkonfiguration zu stützen (8).
  • In Hinblick nun auf die 6 und 7 folgt eine detaillierte Beschreibung eines Transfergehäuses und seiner Innenkomponenten. Es ist anzumerken, dass die 6 eine Explosionsdarstellung eines Transfergehäuses ist, während 7 eine vergrößerte Ansicht der quer ausgerichteten und befestigten Transfergehäuse zeigt (z. B. Gehäuse 46 und 48). Jedes Gehäuses umfasst einen Innenträger 62 und einen äußere Schale 64. Die mechanische Stabilität zwischen dem Innenträger 62 und der äußeren Schale 64 wird durch einander entgegengesetzte (z. B. einander gegenüberliegende) konische Rollenlager 66, 68 bereitgestellt, die so positioniert sind, um gegen ihre jeweiligen konischen Laufschalen 70, 72 zu drücken. Die konischen Laufschalen 70 und 72 sind permanent in der externen Transferschale 64 befestigt. Der Träger umfasst einen Schaft 122, der sich davon erstreckt und an einem Gewinde 74 endet. Die konischen Lager 66, 69 bestehen vorzugsweise aus gehärtetem Stahl, während die Laufschalen 70, 72 ebenfalls aus gehärtetem Stahl ausgeführt sind.
  • Eine zweite bevorzugte alternative Lageranordnung ist nachfolgend im Anschluss an die detaillierte Beschreibung der ersten bevorzugten Ausführungsform zum Zweck der klaren Verständlichkeit beschrieben.
  • Während des Zusammenbaus der Transferschale 48 wird eine Druckkraft unter Verwendung einer Mutter 73 angelegt, die bis zu einem bestimmten Drehmoment auf dem Gewinde 74 festgezogen wird, wodurch eine vorgespannte Lagersituation bereitgestellt wird, die zu keiner anderen Bewegung als der axialen Rotation unter typisch angelegten Belastungen führt. Aufgrund der Erfordernis eines solchen Arms mit geringem Profil oder so während des händischen Betriebs und der begleitenden Reduzierung der Gesamtsteifigkeit wird bevorzugt, und in gewissen Anwendungen ist dies auch erforderlich, ein Drucklager 76 an der Übergangsstelle zwischen dem Träger 62 und der Schale 64 anzubringen. Das Drucklager 76 stellt weitere mechanische Steifigkeit zwischen dem Träger 63 und der Schale 64 des Transfergehäuses bereit. Das Drucklager 76 umfasst fünf Elemente, die einen Druckeinstellring 300, eine flache ringförmige Laufrille 302, Rolllager, einen Käfig 304, eine ringförmige Laufschale 306 und eine gegenüberliegende Druckabdeckung 308 umfassen. Das Drucklager 76 wird durch eine Reihe von Einstellschrauben 78 eingestellt und stellt eine hohe Biegefestigkeit bereit. Der Wandler (vorzugsweise ein Kodierer (Encoder) 80, wie er von Heinderhain unter der Bezeichnung Mini-Rod, Artikel Nr. 450M-03600 erhältlich ist), ist auf einer universellen Montageplatte 82 montiert, um in der Transferschale montiert zu werden. Die universelle Montageplatte 82 ist insofern wichtig, als sie mögliche Probleme bezüglich der Verfügbarkeit von Komponenten löst, so dass eine Änderung der Herstellung des Wandlers 80 und somit die Änderung der Montagekonfiguration der Schraube durch Modifikationen in der Montageplatte 82 begleitet werden kann. Die Montageplatte 82 ist in 6A als dreieckige Platte mit abgerundeten Ecken dargestellt. 6A zeigt auch Gewindeelemente 88 und 90, einen Stift 86 und eine Kupplung 84 (welche alle nachfolgend beschrieben sind).
  • Für sehr genaue Rotationsmessungen unter Verwendung von Kodierern 80 ist es erforderlich, dass keine Belastungen auf die Kodierer erfolgen und dass die Bewegung des Transfergehäuses trotz kleinerer Fehlausrichtungen der Achse der Transferschale und der Kodiererachse genau zum Kodierer übermittelt werden kann. Die winkeligen Transferfehler sind für Fachleute auf dem Gebiet der Technik aus der veröffentlichten Literatur zum Thema Kodierer bekannt. Mit dem Kodierer 80 kommuniziert eine Kupplung 84, wie sie von Renbrandt unter der Bezeichnung B1004R51 erhältlich ist. Ein Verlängerungsschaft 86 wird verwendet, um den Kodierer 80 endgültig mit der Transferschale 64 zu verbinden. Der Schaft 86 ist sowohl an der Kupplung 84 als auch am Ende des Trägers 62 am Gewinde 74 unter Verwendung von Einstellschrauben 88, 90 befestigt (siehe 7). Gemäß einem bevorzugten Merkmal dieser Erfindung ist eine elektronische Vorverstärker-Platine 92 in unmittelbarer Nähe zum Kodierer 80 positioniert und auf der Innenseite der Kappenabdeckung 96 (mit Schrauben 94) montiert. Die Kappenabdeckung 96 ist an der Schale 64 mit Hilfe von Schrauben 97 befestigt. Ein Transfer- bzw. Übergangsgehäuse 98 verbindet die Kappenabdichtung 96 mit der Schale 64 über eine Schraube 97 und Schrauben 100. Die Abdichtung des Transfergehäuses gegen die Umgebung erfolgt am Gelenk unter Verwendung einer O-Ring-Rille 102, in welcher eine Standard-Gummi-O-Ring-Rille 104 angeordnet ist. Ein Rotationsendanschlag 106 (nachfolgend hierin ausgeführt) ist am besten in 6B dargestellt und umfasst ein quadratisches Metallgehäuse mit einer hindurchgehenden Öffnung, die auf der Schale 64 unter Verwendung eines Bolzens 108 montiert ist, der durch die Öffnung des Gehäuses mit einem Gewinde befestigt ist. Ein Draht läuft durch die Durchführungen, die auf dem Träger 62 und der Schale 64 bei 110 und 112 montiert sind, um den Abrieb bei einer längerfristigen Verwendung zu stoppen. Ein Positionierungsstift 114 ist von einer passend geformten Ausnehmung 116 im Träger 62 aufgenommen, um somit die relative Ausrichtung der zwei angrenzenden Transferschalen zu halten.
  • Mit Bezug auf 7 ist es aufgrund von Umwelteinflüssen und anderen Gründen wichtig, dass der gesamte Draht völlig unsichtbar ist und somit im Arm 12 enthalten ist. 7 zeigt zwei zusammengebaute Transfergehäuse 46, 48, die lotrecht zueinander montiert sind und den Durchgang der Drähte zeigen. Es ist anzumerken, dass während der Verwendung von CMM 10 die Kodiererinformation vom Kodierer 80 zur Prozessor-Platine 92 über den Draht 118 geleitet wird, welcher daraufhin verstärkt und durch den Arm über die bearbeiteten Durchgänge 120 geleitet wird. Der Draht 118 verläuft daraufhin durch einen Kanal 120 im Schaft 122 des Innenträgers 62 des Transfergehäuses 46 und durch ein Durchgangsloch 124, wo er in einen großen Hohlraum 126 einmündet, der auf der Außenschale 64 des Transfergehäuses 46 ausgeführt ist. Der Hohlraum 126 ermöglicht das Verwinden von Drahtsträngen während der Rotation der Transferschale und ist so konfiguriert, dass kein Drahtabrieb und nur eine Minimum an Verbiegung des Drahts erzeugt wird. Da der Draht aber insgesamt die vollständige Rotation begrenzt, wird eine unvollständige kugelförmige Nut 128 erzeugt, in welcher eine Endanschlag-Schraube 130 positioniert ist, welche die vollständige Rotation begrenzt, in diesem Fall auf 330°. Eine zweite bevorzugte alternative Konfiguration des Endanschlags, die eine 660E Rotation ermöglicht, ist hierin nachfolgend im Anschluss an die vollständige Beschreibung der ersten bevorzugten Ausführungsform zum Zweck der Verständlichkeit beschrieben. Es ist anzumerken, dass das Durchlaufen durch den Kanal 120 und den Drahtwindungshohlraum 122 in jedem Transfergehäuse wiederholt wird, wodurch die Drähte ihren Weg nach unten zum Verbindungsstück machen können, das am Sockel 14 montiert ist, wodurch sich keine Verwicklung der Drähte ergibt.
  • Wendet man sich nunmehr 8 zu, so führen die Konstruktion des Aluminiumarms wie auch die verschiedenen Lager und Wandler zu einem Gesamtgewicht von insgesamt etwa 10 bis 15 Pfund an der Sondengriffanordnung 56 der CMM 10. Unter normalen Umständen würde dies zu einer beträchtlichen Ermüdung während der Verwendung führen, was somit ausgeglichen werden muss. Ausgleichsgewichte sind aber nicht bevorzugt, da sie das Gesamtgewicht der Vorrichtung in Hinblick auf die Transportierbarkeit beträchtlich erhöhen. Somit erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform der Gewichtsausgleich durch eine Ausgleichsgewichtvorrichtung 60, die eine Drehfeder 132 umfasst, die in einer Kunststoffschale 134 angeordnet ist und am Transfergehäuse 42 am Sockel 14 montiert ist, um ein Anheben des Arms 12 bereitzustellen. Die Wickeldrehfeder 132 kann in einer Vielzahl von Positionen montiert sein, wodurch die Vorspannung insgesamt beeinflusst wird, und sie kann somit bei verschiedenen Armlängen und -gewichten verwendet werden. Ähnlich kann aufgrund des Gewichts des Arms 12 und der Wirkung der gewickelten Feder eine beträchtliche Stoßbelastung auftreten, wenn der Arm in die Lagerposition zurückpositioniert wird. Um eine beträchtliche Stoßwirkung auf den Arm bei dessen Einziehen zu verhindern, ist auch ein Luftkolben-Stoßabsorbierer 134 im Kunststoffgehäuse 142 der Ausgleichs-Federvorrichtung 60 vorgesehen. Dies führt zu einer Absorption der Stoßbelastung und zu einer langsamen Entspannung in die Ruheposition. Es ist anzumerken, dass 8 den Stoßabsorbierer 134 in einer zusammengedrückten Konfiguration darstellt, während die 15 bis 17 den Stoßabsorbierer 134 in seiner vollständig ausgestreckten Position zeigen.
  • In den 9A und 9B sind Drauf- und Unteransichten der Sondengriffanordnung 56 dargestellt. Die Sondengriffanordnung 56 soll entweder als Stift- oder Kolbengriff gehalten werden und besitzt zwei Schalter (Punkt Nr. 150 und 152 in 9A) zum Aufnehmen von Daten, ein Verbindungsstück (Punkt Nr. 154 in 9B) zum Befestigen der fakultativen elektronischen Teile und eine Gewindefassung 156, um eine Schlag-Sonde aufzunehmen. (Die 9A und 9B zeigen eine Kugelsonde, die an einer Gewindefassung befestigt ist, um in einem nachfolgend ausgeführten und in 16 dargestellten Kalibrierverfahren verwendet zu werden, wobei dies aber bei einer normalen Verwendung gemäß der Erfindung durch eine Schlag-Sonde ersetzt ist). Da die CMM 19 eine händische Messvorrichtung ist, muss es dem Benützer möglich sein, eine Messung vorzunehmen und daraufhin der CMM 10 zu bestätigen, ob die Messung akzeptabel ist oder nicht. Dies erfolgt durch die Verwendung zweier Schalter 150, 152. Der vordere Schalter 150 wird verwendet, um die dreidimensionale Dateninformation aufzunehmen, während der hintere Schalter 152 deren Akzeptanz bestätigt und diese zum Host-Computer 18 übermittelt. Auf der Rückseite der Schaltereinfassung 158 (Gehäuse 150, 152) befindet sich das Verbindungsstück 154, das eine Vielzahl von Spannungsleitungen und Analog-Digital-Umwandlungsleitungen aufweist, um auf diese Weise an einer Vielzahl von Optionen befestigt zu werden, so etwa an einer Laserscan-Vorrichtung oder einer berührungsempfindlichen Sonde.
  • In Hinblick auf die 10 und 11 folgt nun eine Beschreibung der Steuerung oder des seriellen Kastens 16. 10 zeigt die Frontplatten-Fläche 162 der Steuerung oder des seriellen Kastens 16. Die Frontplatte 162 weist acht Signal-Lichter auf, umfassend dabei ein Energieanzeigelicht 164, einer Fehlerbedingungslicht 166 und sechs Signal-Lichter 20, davon jeweils eins für die sechs Wandler (als Nr. 1–6 identifiziert), die in jedem Transfergehäuse angeordnet sind. Nach dem Einschalten zeigt das Energieanzeigelicht 164 Betriebsbereitschaft des Arms 12 an. Zu diesem Zeitpunkt zeigen alle sechs Wandlersignallichter den Status jedes der sechs Wandler an. In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung sind die Wandler digitale optische Inkrementalkodierer 80 und erfordern eine Referenzermittlung. (In einer weniger bevorzugten Ausführungsform können die Wandler analoge Vorrichtungen sein.) Somit muss beim Starten jedes der sechs Gelenke (z. B. Tansfergehäuse) rotiert werden, um die Bezugsposition zu finden, zu welchem Zeitpunkt die sechs Signal-Lichter sich abschalten sollen.
  • Gemäß einem bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung sollte während der Verwendung jeder der Wandler sich seinem Rotationsendanschlag 106 innerhalb von 2 Grad nähern, wobei ein Licht und ein hörbarer Signalton für diesen bestimmten Wandler dem Benützer anzeigen, dass der Benützer sich zu nahe beim Endanschlag befindet; und dass die Ausrichtung des Arms für die gegenwärtige Messung neueingestellt werden sollte. Der serielle Kasten 16 misst weiter, erlaubt aber kein Einholen von Daten, bis ein solcher Endanschlag-Zustand entfernt ist. Eine typische Situation, in welcher dieses Endanschlag-Merkmal notwendig ist, ist der Verlust eines Freiheitsgrads durch die Rotation eines bestimmten Wandlers zu seiner Endanschlag-Grenze und somit durch das Anlegen von Kräften auf den Arm, wodurch sich ungemessene Abweichungen und Ungenauigkeiten bei der Messung ergeben.
  • Zu jedem Zeitpunkt während des Messvorgangs können eine Vielzahl verschiedener Kommunikations- und Berechnungsfehler auftreten. Diese werden dem Benützer durch das Aufleuchten des Fehlersignallichts und im Anschluss daran durch die Kombination von Signal-Lichtern der sechs Wandler, die über einen Code den bestimmten Fehlerzustand anzeigen, übermittelt. Es ist anzumerken, dass die Frontplatte 162 alternativ eine alphanumerische LCD-Anzeige verwenden kann, wodurch sich alphanumerische Fehler- und Endanschlag-Warnungen ergeben.
  • In Hinblick auf 11 umfasst die Hinterplatte 168 des seriellen Kastens 16 eine Vielzahl von Standard-PC-Anschlüssen und Schaltern, einschließlich dabei eines Reset-Knopfs 170, der den Mikroprozessor rücksetzt; ein Wechselstrom-Eingabe-Gebläse 172 für die Luftzirkulation; einen Anschluss 174 für eine Standard-PC-AT-Tastatur, einen Anschluss 176 für eine fakultative VGA-Platine zum Überwachen der internen Operationen des seriellen Kastens 16; einen Anschluss 178 zum Aufnehmen der Vielzahl von Signalleitungen für die CMM-Daten sowie einen Anschluss 180 für den Standard-RS232-Anschluss für den Host 18.
  • Der serielle Kasten 16 ist für die Überwachung der Temperatur der CMM und in Echtzeit das Modifizieren der Kinematik oder Mathematik, die seine Bewegung gemäß den Formeln beschreiben, welche Expansion und Kontraktion der verschiedenen Komponenten aufgrund von Temperaturänderungen beschreiben, verantwortlich. Für diesen Zweck und in Einklang mit einem bevorzugten Merkmal dieser Erfindung ist eine Temperaturüberwachungs-Leiterplatte 182 (die einen Temperaturwandler umfasst) an der Position des zweiten Gelenks 42 auf der Innenseite einer Abdeckung 184 positioniert (siehe 4 und 5). Die CMM 10 besteht vorzugsweise außen aus einem anodisierten Aluminium von der Art, wie es für Flugzeuge verwendet wird. Vorzugsweise besteht der gesamte Arm 12 aus demselben Material, mit Ausnahme der Montageschrauben, die aus Edelstahl gefertigt sind. Dasselbe Material wird überall in der gesamten Vorrichtung verwendet, um die Expansions- und Kontraktionsmerkmale des Arms 12 einheitlich und diese für eine elektronische Kompensation besser zugänglich zu machen. Noch wichtiger ist, dass der extreme Stabilitätsgrad, der zwischen allen Teilen durch den großen Temperaturbereich erforderlich ist, erfordert, dass es keine unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen den Teilen gibt. Wie bereits erwähnt, ist der Temperaturwandler 182 vorzugsweise am Transfergehäuse 42 angeordnet, da man davon ausgeht, dass diese Position die Fläche der höchsten Masse definiert und somit die letzte Fläche darstellt, die nach einer großen Temperaturschwankung stabilisiert wird.
  • Mit Bezug auf 12 ist die gesamte schematische Elektronik-Konfiguration für die CMM 10 und den seriellen Kasten 16 dargestellt. Sechs Kodierer 80 sind dargestellt, wobei jeder Kodierer über eine Verstärkungs-Leiterplatte 92 verfügt, die in unmittelbarer Nähe davon angeordnet ist, um Rauschen beim Signaltransfer zu minimieren. Es ist ein Optionsanschluss 154 dargestellt, der ein Anschluss mit sechs Stiften ist, verfügbar am Griff 56, um dadurch eine Vielzahl von Optionen befestigen zu können. Zwei Steuerknöpfe 150 und 152 sind ebenfalls dargestellt, die während des Messvorgangs am seriellen Kasten 16 anzeigen.
  • Der Temperatunwandler ist mit einer Temperatur-Leiterplatte 182 verbunden, die ebenfalls im Arm angeordnet ist, wie dies in 12 dargestellt ist. Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal dieser Erfindung umfasst die Temperatur-Leiterplatte 182 eine EEPROM-Platine. Die EEPROM ist eine kleine computerisierte Speichervorrichtung (elektrisch löschbarer programmierbarer Speicher nur zum Lesen) und wird verwendet, um eine Vielzahl spezifischer Kalibrier- und Seriennummerdaten auf dem Arm zu enthalten (siehe Abhandlung bezüglich 18–20). Dies ermöglicht eine hochqualitative Steuerung der CMM 10 und beugt dem ungewollten Vermischen von Software und Armen vor. Dies bedeutet auch, dass die CMM 12 eine freistehende Vorrichtung ist, die keinerlei spezifische Kalibrierdaten im seriellen Kasten 16 benötigt, die getrennt davon betrieben und/oder mit anderen Maschinen umgeschaltet werden muss.
  • Die elektronischen und Impulsdaten aus der Armelektronik werden daraufhin zu einer kombinierten Analog-Digital-Umsetzer/Digital-Zählleiterplatte 186, die ein Paarset ist, das aus einem 12 Bit-Analog-Digital-Umsetzer und einem 16 Bit-Vielfachkanal-Digitalzähler besteht, geleitet. Die Leiterplatte 186 ist auf dem Standard-Datenbus des Steuerkastens positioniert. Die Zählinformation wird unter Verwendung des Kernmoduls 188 (umfassend einen im Handel erhältlichen Intel-286-Mikroprozessor wie einem Art. Nr. CMX-286-Q51 von Ampro) und von auf EEPROM, die sich ebenfalls auf dem Steuerkasten befindet, gespeicherten Programmen verarbeitet. Die nachfolgenden Daten werden daraufhin durch den seriellen Kommunikationsanschluss 189 übertragen.
  • Der auf dem Mikroprozessor basierende serielle Kasten 16 ermöglicht die Vorverarbeitung von Berechnungen, die für die CMM 10 spezifisch sind, ohne dass dabei eine Host-Verarbeitung erforderlich ist. Typische Beispiele für solche Präprozessor-Berechnungen umfassen Koordinatensystemtransformationen; Umwandlung von Einheiten; Springen von einem Koordinatensystem zu einem anderen unter Verwendung einer Zwischenvorrichtung; Durchführen gewisser Zertifizierungsvorgänge, einschließlich Berechnungen der Distanz zwischen zwei Kugeln (wie in einem ANSI B89-Kugelstab); und Ausgabe von Daten in spezifischen Formaten, die zum Downloaden für eine Vielzahl von Hosts und Benützerprogrammen erforderlich sind.
  • Der serielle Kasten ist so konfiguriert, dass er mit einer Vielzahl von Host-Formaten kommuniziert, umfassend dabei PC, MSDOS, Windows, Unix, Apple, VME und andere. Somit verarbeitet der serielle Kasten die Wandler-Rohdaten auf einer weitergehenden Basis und antwortet auf die Informationsanfragen oder ruft den Host-Computer mit den erwünschten dreidimensionalen Positions- oder Ausrichtungsinformationen ab. Die Sprache des seriellen Kastens ist in einer solchen Form, dass Treiber oder Computer-Kommunikations-Subroutinen im Mikroprozessor 188 in der Sprache des Host-Computers geschrieben sind, so dass der serielle Anschluss angetrieben und mit der CMM 10 kommuniziert wird. Die Funktion wird als "intelligent multiprotocol emulation and autoswitching" Funktion bezeichnet und arbeitet wie folgt: Eine Vielzahl von Host-Programmen kann auf dem Host-Computer installiert werden. Diese Host-Programme fragen den seriellen Anschluss mit einer Vielzahl von Anfragen ab, auf welche der serielle Kasten antworten muss. Eine Vielzahl von Protokollen wurde in den seriellen Kasten vorprogrammiert, um Abfragen oder Anfragen auf dem seriellen Anschluss für eine Vielzahl verschiedener allgemein bekannter Software-Programme zu beantworten. Eine Abfrageanfrage durch eine Software erfordert eine spezifische Antwort. Der serielle Kasten empfängt die Abfrageanfrage, etabliert sich mit dem dazugehörigen Protokoll und antwortet in der geeigneten Weise. Dies ermöglicht eine transparente Kommunikation zwischen CMM 10 und einer großen Vielzahl von Anwendungs-Softwareprogrammen wie computerunterstützte Design- und Qualitätskontrolle-Softwares, z. B. AutoCad® von Autodesk, Inc., CADKEX® von Cadkey, Inc., und andere CAD-Programme; wie auch Qualitätskontrolle-Programmen wie GEOMET® von Geomet Systems, Inc., und Micromeasure III von Brown and Sharpe, Inc.
  • Die dreidimensionale CMM der vorliegenden Erfindung arbeitet wie folgt. Nach dem Einschalten durchläuft der Mikroprozessor 188 im seriellen Kasten 16 Selbstprüfungsvorgänge und liefert durch den Instrumentenanschluss dem Arm 12 der CMM 10 Energie. Der Mikroprozessor und die Software im EEPROM 182 bestimmen, dass nach dem ersten Einschalten keiner der Kodierer 80 initialisiert wurde. Somit sendet der Mikroprozessor 188 ein Signal an die Anzeigetafel, wodurch alle Signal-Lichter 20 aufleuchten, wodurch angezeigt wird, dass eine erneute Bezugsermittlung erforderlich ist. Daraufhin bewegt der Benützer händisch den Arm, wodurch die Wandler individuell ihren Bereich abtasten, wobei er zu diesem Zeitpunkt über eine Bezugsmarkierung bewegt wird. Wird die Bezugsmarkierung erreicht, antwortet die digitale Zähler-Leiterplatte 186, indem die Position aufgenommen und der Front-Anzeigetafel 20 mitgeteilt wird, dass der Wandler bezugsermittelt wurde, und das Signal-Licht erlischt. Wurden alle Wandler bezugsermittelt, so baut das System eine serielle Kommunikation mit dem Host auf und wartet auf weitere Instruktionen. Wird der vordere oder hintere Knopf des Griffes 56 gedrückt, so wird ein Messvorgang ausgelöst. Wird der vordere Knopf 150 gedrückt, so werden die aktuellen Lesungen des Wandlers aufgenommen. Wird der hintere Knopf 152 gedrückt, so zeigt dies dem Mikroprozessor, dass diese Werte in dreidimensionale Koordinaten übersetzt und durch den seriellen Anschluss dem Host 18 übermittelt werden sollen. Der Host 18 und der serielle Kasten 16 reagieren daraufhin weiter auf ihre gegenseitigen seriellen Leitungsanfragen.
  • Mit Bezug nun auf die 18, 19 und 20 nach dem Zusammenbau der CMM 10 wird die Vorrichtung optimiert oder kalibriert, indem die Programm-Software so geändert wird, dass sie auch jegliche gemessene Fehler im Zusammenbau oder der Verarbeitung in Betracht zieht. Diese anfängliche Kalibrierung stellt ein wichtiges Merkmal der Erfindung dar und wird in zwei Schritten durchgeführt. Zuerst wird eine Vielzahl dreidimensionaler Messungen gemacht, welche Positionen, Ausrichtungen und Dimensionen des gesamten Volumens der Vorrichtung umfassen. Im Anschluss daran wird ein Optimierungs-Softwareprogramm verwendet, um die tatsächlichen Fehlausrichtungen zu ermitteln, die an jeder der gemeinsam Achsen bestehen, und somit die kinematischen Formeln einzustellen, welche die Bewegung des Arms beschreiben. Das allgemeine Ergebnis ist ein solches, dass eine fehlerhafte Verarbeitung und ein fehlerhafter Zusammenbau durch die Identifizierung dieser Mängel und durch den Einschluss dieser in die Kinematik der Vorrichtung fehlerfrei gemacht werden.
  • Mit Bezug auf die 18 und 19A–E wird aufgrund der enormen Datenmenge und der Erfordernis, dass diese genau und leicht erhalten werden, eine Kalibrier- und Testvorrichtung bei 320 dargestellt. Die Vorrichtung 320 besteht aus einer großen Granitplatte 322, an welcher zwei beabstandete Türme 324, 326 befestigt sind, die um 360° in der horizontalen Ebene rotieren können. Die CMM 10 wird auf dem Turm 326 montiert, und die einstellbare Dimensionstestvorrichtung 320 wird auf dem anderen Turm 324 angeordnet. Die Vorrichtung 320 ist auf einem verlängerbaren vertikalen Arm 328 montiert, der in einer Öffnung 330 durch den Turm 324 verschoben werden kann. Der Arm 328 ist in seiner völlig ausgefahrenen Position abgebildet.
  • Noch immer mit Bezug auf die 18 und 19 besteht die einstellbare Dimensionstestvorrichtung 320 aus drei Grundkomponenten: einem 24-Zoll-Stab 332, auf welchem sich eine Gruppe aus Präzisionskugeln 334 befindet, eine Reihe von Löchern 336, die entlang seiner Länge positioniert sind, sowie ein 24-Zoll-Präzisionsstufen-Messgerät 338 (im Detail in den 19A–E dargestellt). Der Arm 332 wird verwendet, um die Positionen der Löcher, Stufen und Kugeln in einer Vielzahl von Positionen für die Testvorrichtung sowie in allen Volumsflächen des Arms, wie in 20 dargestellt, zu messen. Die Daten werden daraufhin optimiert. Die Standard-Testvorrichtung 320 mit den vorbestimmten Positionen und Ausrichtungen der Objekte wird durch den Arm 10 gemessen. Die Daten werden daraufhin mit einem multivariablen Optimierungsprogramm verarbeitet, das erzeugt wird, um die relative Fehlausrichtung und Dimension aller Hauptkomponenten des Arms zu liefern. Die Optimierung wird durchgeführt, wobei gleichzeitig eine Kalibrierungsdatei erzeugt wird, welche die gesamten Eigenschaften des Arms enthält. Diese gesamten Eigenschaften und nachfolgenden Wandler-Ablesungen werden in einer Vielzahl kinetischer Formeln kombiniert, welche daraufhin die X-, Y- und Z-Werte in einem absoluten Koordinatensystem erzeugen.
  • Um die Leistung noch weiter zu optimieren, erstreckt sich eine neue Referenz- bzw. Bezugskugel 192 seitlich von einer abnehmbaren Fassung 194, die am Sockel 14 der CMM 10 befestigt ist (siehe 13 und 14). Indem die Bezugskugel 192 am Sockel positioniert wird, stellt die Kugel 192 den absoluten Ursprung der Vorrichtung (0,0,0) entsprechend der X-, Y- und Z-Achsen dar. Aufgrund der bekannten Position der Bezugskugel 192 ermöglicht die Positionierung der Spitzen, wie dies in 14 dargestellt ist, der vorliegenden Erfindung, die Koordinaten der Spitze des Digitalisiergeräts 158 in Bezug auf das letzte Glied der CMM 10 zu bestimmen. Kennt man diese Position, so ist es der CMM 10 möglich, die Position des Mittelpunkts dieser Kugel zu bestimmen, wenn nachfolgende Messungen durchgeführt werden.
  • Da die vorliegende Erfindung tragbar ist, ist sie in vielen Umgebungen einer fehlerhaften Handhabung und einer Repositionierung unterworfen. Somit kann die vorliegende Erfindung ein Protokoll umfassen, mit welchem der Benützer einen Grad der volumetrischen Genauigkeit vor der Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem herkömmlichen Wartungsschema einstellen kann. Die volumetrische Genauigkeit wird gemäß dem Standard nach ASME ANSI B891.1.12 (1989) als die Fähigkeit der Vorrichtung definiert, eine fixe Länge, die in ihrem Arbeitsvolumen in vielen verschiedenen Ausrichtungen positioniert ist, zu messen. 15 zeigt die Fähigkeit dieser Erfindung, dies unter Verwendung eines ersten Kugelstab-Lösungsansatzes durchzuführen, während 17 und 18 einen zweiten Lösungsansatz mit einem Kugelstab darstellen.
  • 15 zeigt einen Standard-Kugelstab 196, an dessen Enden Präzisionskugeln 198, 200 positioniert sind, die jeweils in zwei magnetischen Muffen 202 und 204 montiert sind. Die Muffe 202 ist am Sockel 14 der CMM 10 und die Muffe 204 am Sondengriff 56 angeordnet. Wird der Arm 12 bewegt, so rotieren die Muffen 202, 204 und die Kugeln 198, 200, um diese Bewegung aufzunehmen, und die CMM 10 muss den fixen Abstand zwischen dem Kugelmittelpunkt 200 und der Muffe 204 am Griff 56 und dem Kugelmittelpunkt 198 am Sockel messen. Unter Berücksichtigung, dass die Muffe 202 am Sockel 14 die 0,0,0-Koordinaten der CMM 10 darstellt, berechnet die Kalibrier-Software im Steuerkasten 16 daraufhin die Vektorlänge von 0,0,0 zum Mittelpunkt der Kugel an der Sonde, und diese Länge, die sich während des Tests natürlich nicht ändert, muss konstant durch das gesamte Volumen durch zahlreiche Konfigurationen und Rotationen des Griffs und anderer Gelenke gemessen werden.
  • Es ist anzumerken, dass die Muffe 204 am Griff wahrscheinlich unpraktisch und nicht schlüssig erscheint, wenn man die Genauigkeit einer bestimmten Sonde auf dem Griff verifizieren will. Somit wird in Einklang mit einem bevorzugten Merkmal dieser Erfindung ein neuer konischer Muffen-Kugelball, wie er bei 206 in den 16 und 17 dargestellt ist, verwendet. Der konische Muffen-Kugelstab 206 umfasst an einem Ende einen Konus 208 und am anderen Ende zwei Kugeln 210, 212. Der Konus und die Kugeln sind mit einem Stab 207 verbunden, der einen winkeligen Abschnitt 209 umfasst, dessen Winkel ∀ 20 Grad umfasst. Die Kugel 212 ist an einer Muffe 211 befestigt, die sich seitlich vom Stab 207 erstreckt. Eine Kugelsonde 158 oder eine Punktsonde 160 ist in der konischen Muffe 208 montiert, während eine Kugel 210 in der magnetischen Standard-Muffe 202 des Sockels 14 der CMM 10 angeordnet werden kann. Wie im Kalibrierverfahren der 15 werden eine Reihe von Positionen der Kugel- und Stab- und Gelenkspositionen gemessen, während der Abstand zwischen konischer Muffe 208 und Kugel 210 konstant bleiben muss. Es liegt in der Natur der Positionierung der Kugelmuffe 202, dass der Benützer die entfernte Seite der Maschine nicht erreichen kann (Position durch 214 dargestellt). Aus diesem Grund wird die Kugel 212 wie in 17 dargestellt verwendet. Dies ermöglicht es dem Benützer, den konischen Kugelstab 206 so zu positionieren, dass er die entfernte Rückseite der CMM 10 erreichen kann, um somit den Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Kugel 212 und dem Mittelpunkt der konischen Muffe 208 zu messen.
  • Bei der Verwendung einer CMM (tragbaren Koordinatenmessvorrichtung) ist eines der häufigsten Probleme, dass der Ständer oder der Sockel, auf welchem der Arm durch eine Lastplatte montiert ist, in Bezug auf das zu messende Objekt nicht gänzlich stabil sein kann. Dies geht auf die Tatsache zurück, dass die Lastplatte, auf welcher der Sockel des Arms montiert ist, in Bezug auf das zu messende Objekt nicht völlig stabil ist, da das gemessene Objekt auf einem getrennten Montagetisch befestigt ist oder einen Teil einer größeren Anordnung darstellt. Die Instabilität kann die hohe Genauigkeit der CMM nachteilig beeinflussen. Um dieses Problem zu lösen, können Verstrebungsstützen, wie in den Ansprüchen 10 und 12 bis 16 definiert, bereitgestellt sein. Gegebenenfalls werden Verstrebungen bereitgestellt, die am einen Ende der Gewindelöcher, die radial vom Sockel der Ladeplatte nach außen zielen, befestigt und am anderen Ende mit universellen Klemmen (z. B. Schraubzwingen) fixiert sind. Die Verstrebungsstütze ist mit einer Einstellschraube versehen, um die Länge der Verstrebung einzustellen, um somit das gemessene Objekt richtig zu erreichen. Die Verstrebung soll paarweise vorzugsweise mit einer identischen Verstrebung auf der gegenüberliegenden Seite der Sockelladeplatte verwendet werden.
  • Mit Bezug nun auf die 21 sind die Details der Verstrebung sowie deren Verwendung beschrieben. Der Sockel 14 des Messarms 10 ist in dieser Sockelplatte 38 eines Theodolit-Ständers 22 oder einer anderen geeigneten steifen Platte auf bekannte Weise montiert. Die Sockelplatte 38 weist mit Gewinden versehene Löcher 400 einer bekannten Größe auf, die sich an zumindest zwei Stellen direkt einander gegenüber nach außen erstrecken. Die Verstrebung 402 besteht im Allgemeinen aus vier Elementen. Dabei handelt es sich, wie dargestellt, um zwei Armelemente 404, eine Einstellschraube 406 sowie eine universelle Klemme 408 (z. B. Schraubzwingen). Natürlich können anstelle der dargestellten Schraubzwinge eine Reihe von adaptierbaren Befestigungsvorrichtungen wie etwa Magnetklemmen und Ansaugklemmen verwendet werden. Wie in 21 dargestellt ist, wird ein durch den dreidimensionalen Messarm 10 zu messendes Objekt 410 auf einer zweiten Montageplatte 412 montiert, oder es wird auf andere Weise fest fixiert. Somit werden beide Sockelplatten 38 und 412 in Bezug aufeinander steif und fest gehalten, und die Instabilität wird auf ein absolutes Mindestmaß reduziert.
  • Die 22A und 22B sind Diagrammdarstellungen der zwei bevorzugten Mittel gemäß der vorliegenden Erfindung, um die Signalwege zwischen der CMM 10 (Koordinatenmessvorrichtung) oder der Steuerung oder dem seriellen Kasten 16 und dem Host-Computer 18 zu verbinden. In 22A (auch in Bezug auf 1) ist die CMM 10 elektronisch mit dem seriellen Kasten 16 über bekannte Verkabelungsmittel 460 verbunden, und der serielle Kasten 16 wiederum ist über bekannte Verkabelungsmittel 462 mit dem Host-Computer 18 verbunden. Dieses Verfahren, die CMM 10, die Steuerung oder den seriellen Kasten 16 und den Host-Computer 18 miteinander zu verbinden, hat sich bis dato für unzählige Anwendungen der vorliegenden Erfindung als ziemlich zufriedenstellend erwiesen. Es gibt aber auch Anwendungen, die gegenwärtig bereits bekannt oder für die Zukunft prognostiziert sind, in welchen Distanz oder Umgebungs- oder andere Bedingungen die drahtlose Telemetrie zum einzigen oder bevorzugten Verfahren zum Verbinden der Signale zwischen CMM 10, seriellem Kasten 16 und Host-Computer 18 machen. Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung mit Hilfe der in 22B dargestellten Mittel durchgeführt. Der Schaltkreis und die Komponenten sind miniaturisiert und direkt auf dem Anschlusssockel 14 der Vorrichtung 10, die als 464 bezeichnet ist, montiert. Der miniaturisierte serielle Kasten 464 umfasst eine Telemetrievorrichtung 466, die mit Mittel versehen ist, die telemetrische Signale 468 übermitteln können, die von einem telemetrischen Empfänger 470, der auf dem Host-Computer 18 montiert ist, empfangen werden. Somit besteht für die Teile 10 und 18 kein Bedarf mehr an Verkabelungen 460, 462.
  • Die 23A und 23B zeigen zwei bevorzugte Lagerausführungen. Die Lagerausführung der 23A wurde hierin bereits zuvor detailliert, wie in den 6 und 7 dargestellt, ausgeführt. Zusammenfassend wird ein Paar einander entgegengesetzter geschichteter Lager mit innerer Laufschale 480 und äußerer Laufschale 482 um einen Schaft herum positioniert und unter Verwendung einer Mutter 484 vorgespannt. Diese Vorspannung wird zur Gänze durch die Stärke des auf die Mutter 484 angelegten Drehmoments bestimmt. Die Konfiguration ist für viele Anwendungen zufriedenstellend und wurde bereits mit bemerkenswertem Erfolg eingesetzt. Unter gewissen Bedingungen und Anwendungen ist es jedoch schwierig, konsistente Spannungsparameter zu halten. In diesen Fällen ist eine zweite bevorzugte alternative Ausführungsform der Lagerkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt.
  • Diese zweite bevorzugte alternative Ausführungsform der Lagerkonfiguration ist in 23B dargestellt. In 23B ersetzt ein Paar Lager (gewöhnlich werden sie als Duplex-Lager bezeichnet) 486, die gewöhnlich radiale Kugellager und vorgeschliffen sind, die konischen Lager der 23A, wodurch eine sehr spezifische Vorspannung möglich wird. Die Vorspannung wird durch die Verwendung von fixierten Abstandhaltern 488, 490 voreingestellt, und diese fixierten Abstandhalter 488, 490 werden durch eine Mutter 492 vollständig angezogen. Der Unterschied zwischen der Duplex-Lager-Schale wird aufgenommen, und das Ausmaß der Vorspannung wird durch die Verformungen in der Transferschale zum Zeitpunkt des Anziehens der Mutter 492 bestimmt. Ein vorteilhaftes Merkmal dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform besteht darin, dass die Mutter 492 so weit wie möglich angezogen werden kann, ohne dass dabei für die Lager 486 entlang des Schafts 494 ein Schaden durch Überbeanspruchung entsteht.
  • Eine Sondenausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist im Detail mit Bezug auf die 24 und 9A–B beschrieben. Die 9A–B sind vordere und hintere Seitenansichten der Sondengriffanordnung 56.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform einer Schlag-Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 24 und allgemein bei 560 dargestellt. Eine automatische Schlag-Sonde 560 besteht aus einer standardisierten Rückstoß-Schlag-Sonde. Der Montageabschnitt 562 der Schlag-Sonde 560 weist ein Außen-Gewinde 564 auf, das so groß ausgeführt ist, dass es in das Innen-Gewinde 566 der Sondengriffanordnung 56 eingebracht werden kann. Im Inneren enthält die automatische Schlag-Sonde 560 eine Rückstoßfeder und eine Auslöseranordnung 568, die eine Positionierung des Schlagpunkts 570 entlang der axialen Richtung, wie dies durch die Pfeile 572 dargestellt ist, ermöglicht. Die Positionierung der automatischen Schlag-Sonde 560 in die erwünschte Position und das darauffolgende Drücken des Schlagpunkts 570 in die axiale Richtung zur Sondengriffanordnung 56 hin betätigt auf diese Weise einen Federlösemechanismus (der Teil der Rückstoßfeder und der Auslöseranardnung 568 ist), durchdringt ohne Verwendung eines Hammers einen Schlagstichpunkt und erreicht somit eine Position innerhalb der sehr genauen Fehlergrenzen der CMM 10, die jenen Fehlergrenzen gleich oder angenähert sind, die mit derselben CMM 10 möglicht sind, wenn diese nur für Messungen verwendet wird.
  • In erneutem Bezug auf die 7 und die darauf folgende detaillierte Beschreibung der Fähigkeit, die verschiedenen Transferschalen des Arms zu rotieren, wenn eine unvollständige Kugelschale 128 und eine Endanschlag-Schraube 130 bereitgestellt sind, welche die Elemente des Arms schützt, indem die vollständige Rotation und das jeweilige Set der Transferschalen auf maximal 330° begrenzt ist. Diese Anordnung ist vollkommen zufriedenstellend für eine Vielzahl von Verwendungen der CMM 10. Wie nachstehend diskutiert wird, ermöglicht eine zweite bevorzugte Ausführungsform der gegenständlichen Erfindung eine 660°-Rotation anstelle einer 330°-Rotation jeder Transfer-Schalen-Gruppe.
  • Dieser neue Mechanismus umfasst die Erzeugung zweier unvollständiger kreisförmiger Nuten in den zwei Hälften der Transferschale, in welchen ein bogenförmiger Pendel-Schlitten angeordnet ist, der sich durch die jeweiligen zwei zuvor erwähnten Nuten verschieben kann und einen harten Anschlag an den unvollständigen Nutenenden nach einer vollständigen 660° Drehung bereitstellt. Mit Bezug nun auf die 25A–25E ist eine Transferschalen-Gruppe schematisch bei 700 dargestellt. 26A ist eine Draufsicht auf den bogenförmigen Schlitten, während 26B eine Seitenansicht des bogenförmigen Schlittens ist, der in dieser zweiten bevorzugten Konstruktion verwendet wird und eine vollständige 660° Rotation in jedem der Transferschalen-Sets der vorliegenden Erfindung zulässt. Passende Kanäle sind bis zu einer geeigneten Tiefe in der Schulter des Transferschalenschafts und der passenden Schulter des Transferschalengehäuses, das so groß ist, dass es den Schlitten 701 aufnehmen kann (siehe 26A und 26B), einarbeitet. In einem Beispiel hat der Schlitten 702 vorzugsweise eine Höhe von 0,246 Zoll, einen Innenradius von vorzugsweise 1.042 und einen Außenradius von vorzugsweise 1,187 Zoll, wobei die Länge des Schlittens 702 einen 20° Bogen bei diesen Radii beschreibt. Der Schlitten 702 besteht vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial. Der X-Bogen stellt den 30° Anschlagbogen in der Transferschalen-Gehäuseschulter und Y den 30° Anschlagbogen in der Transferschalen-Schaftschulter dar. Die Nut 504 im Transferschalengehäuse ist so groß ausgeführt, dass sie eine Hälfte der Erhebungshöhe des Schlittens 702 aufnehmen kann, und sie ist geeigneterweise so gearbeitet, dass sich der Schlitten 702 in der Nut 704 des Transferschalengehäuses (siehe 23B) und der Rille 706 des Transferschalenschafts frei bewegt (siehe 25C). Der Schlitten 702 ist in den 25B–25E schraffiert dargestellt. Wie aus den 25B und 25C ersichtlich ist, kann die Schlittennut sich frei von der an das X-Anschlag-Segment angrenzenden Position P in 25B (welche die Schlittennut im Transferschalen-Schalengehäuse darstellt) und der an das Y-Anschlag-Segment angrenzenden Position P in 25C (welche die Schlittennut in der Transferschalen-Gehäuseschulter darstellt) 330E zur an das X-Anschlag-Segment angrenzenden Position P1 in der 25B und der an das Y-Anschlag-Segment angrenzenden Position P1 in 25C bewegen. Wie aus 25D ersichtlich, ist der Schlitten 702 nun steif zwischen dem Segment Y und dem Segment X fixiert, wie dies in 25D nach einer Rotation um 330° im Uhrzeigersinn erkennbar ist. In 25E kann die Transferschalenanordnung somit um zusätzlich 330° im Uhrzeigersinn rotieren. Es ist anzumerken, dass der Schlitten 702 so ausgeführt ist, dass er eine Scherfestigkeit aufweist, um auf diese Weise die Elemente der CMM 10 vor einer Verformung zu schützen, sollte der Arm über die 660° hinaus bewegt werden; dies stellt eine Sicherheitsvorkehrung der Erfindung dar. Nicht dargestellt ist ein Fensterschlitz, der für das leichte Einsetzen des Verschiebers 702 bereitgestellt ist.

Claims (21)

  1. Dreidimensionales Koordinatenmesssystem umfassend: einen beweglichen Arm (12) mit einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Enden, wobei der Arm eine Vielzahl von Gelenken beinhaltet, wobei jedes Gelenk einem Freiheitsgrad entspricht, so dass der Arm innerhalb eines ausgewählten Volumens bewegbar ist, wobei jedes der Gelenke ein Rotationsübertragungsgehäuse (40, 42, 46, 48, 54) zum Unterbringen eines Positionswandlers umfasst, wobei der Wandler ein Positionssignal erzeugt; einen Lagersockel (14), der am ersten Ende des beweglichen Arms angebracht ist; eine Sonde, die am zweiten Ende des beweglichen Arms angebracht ist; einen elektronischen Schaltkreis zum Aufnehmen der Positionssignale vom Wandler und zum Bereitstellen einer digitalen Koordinate, die der Position und Orientierung der Sonde in einem ausgewählten Volumen entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde eine Schlag-Sonde (560) ist, die eine Rückstoßfeder und eine Auslöseranordnung (568) aufweist, wobei die Sonde weiters eine Anordnung aufweist, durch welche die Sonde automatisch vom Koordinatenmesssystem (10) identifiziert wird.
  2. Messsystem nach Anspruch 1, worin das Übertragungsgehäuse weiters Folgendes beinhaltet: einen Satz vorgespannter Duplex-Lager, wobei die Vorspannung durch ein spezielles Schleifen des Innen- und des Außenlaufrings (70, 72) bestimmt wird, so dass beim Spannen während des Einbaus ein fixes Ausmaß an Vorspannung auf die Anordnung aufgebracht wird.
  3. Messsystem nach Anspruch 2, worin der Satz an Duplexlagerlaufringen dauerhaft am Gehäuse (64) befestigt ist.
  4. Messsystem nach Anspruch 2 Folgendes einschließend: Kompressionsmittel zum Vorspannen des Satzes an Duplex-Lagern.
  5. Messsystem nach Anspruch 4, worin das Kompressionsmittel Folgendes umfasst: eine Kompressionsmutter (73), die durch ein Gewinde am Schaft des Gehäuses befestigt ist und die Duplexrollenlager dazwischen einklemmt.
  6. Messsystem nach Anspruch 1, worin das Übertragungsgehäuse eine Gehäuseschulter und eine Schaftschulter beinhaltet und weiters Folgendes umfasst: Rillenmittel in der Übertragungsgehäuseschulter sowie der Übertragungswellenschulter, um eine 660°-Drehung jedes Übertragungsgehäuses zuzulassen, das weiters Folgendes einschließt: ein Scherpendelmittel zum Verhindern mechanischer Überlastung aufgrund mechanischer Beanspruchung des Übertragungsgehäuses.
  7. Messsystem nach Anspruch 1, worin das Übertragungsgehäuse eine Gehäuseschulter und eine Wellenschulter beinhaltet und weiters Folgendes umfasst: Rillenmittel in der Übertragungsgehäuseschulter sowie der Übertragungswellenschulter, um eine 330°-Drehung jedes Übertragungsgehäuses zuzulassen, das weiters Folgendes einschließt: ein Scherpendelmittel zum Verhindern mechanischer Überlastung aufgrund mechanischer Beanspruchung des Übertragungsgehäuses.
  8. Messsystem nach Anspruch 6, worin das Scherpendel aus Kunststoff besteht.
  9. Messsystem nach Anspruch 6, worin die Pendellänge 20° des durch das Rillenmittel in der Übertragungsgehäuseschulter sowie der Übertragungswellenschulter des Übertagungsmittels definierten Bogenradius beträgt.
  10. Messsystem nach Anspruch 1, worin einstellbare Verstrebungsmittel bereitgestellt sind, um Festigkeit und Stabilität zwischen dem Lagersockel und einem zu messenden Objekt bereitzustellen.
  11. Messsystem nach Anspruch 1, worin die Signale durch Telemetrie übertragen werden und vom Host-Computer über ein Telemetriesignal empfangen werden.
  12. Messsystem nach Anspruch 1, worin der Lagersockel weiters eine Verstrebung einschließt, die sich von diesem zu einem Tragelement für einen zu messenden Gegenstand erstreckt, wobei die Verstrebung erhöhte Stabilität zwischen dem beweglichen Arm und dem zu messenden Gegenstand bereitstellt.
  13. Messsystem nach Anspruch 12, worin die Verstrebung zumindest zwei Segmente umfasst, die durch zumindest ein einstellbares Element axial befestigt sind, wobei die Verstrebung an jedem eines ersten und eines zweiten Endes der Verstrebung eine Schwenkanbringung aufweist, wobei das erste Ende schwenkbar am Lagersockel befestigt ist und das zweite Ende schwenkbar am Tragelement für den zu messenden Gegenstand angebracht ist.
  14. Messsystem nach Anspruch 13, worin sich zumindest ein einstellbares Element in Gewindeeingriff mit zumindest zwei Segmenten befindet.
  15. Messsystem nach Anspruch 13, worin die Schwenkanbringung am zweiten Ende des Tragelements eine Klemme beinhaltet, um das Tragelement zu ergreifen, und die Klemme schwenkbar am zweiten Ende befestigt ist.
  16. Messsystem nach Anspruch 15, worin die Klemme eine Schraubzwinge ist.
  17. Messsystem nach Anspruch 1, worin das System einen seriellen Kasten (16) und einen Host-Computer beinhaltet, die sequentiell wirksam mit dem beweglichen Arm verbunden sind.
  18. Messsystem nach Anspruch 17, worin der bewegliche Arm, der serielle Kasten und der Computer über eine Telemetriesignal-Übertragungsvorrichtung und einen Telemetriesignal-Empfänger miteinander verbunden sind.
  19. Messsystem nach Anspruch 1, worin der Arm von einem Paar entgegengesetzter geschichteter Lager gelagert ist.
  20. Messsystem nach Anspruch 19, worin die Lager durch eine Gewindemutter vorgespannt sind.
  21. Messsystem nach Anspruch 6, worin das Übertragungsgehäuse eine Stopbogen von etwa 30° beinhaltet.
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