DE602004003396T3

DE602004003396T3 - Bereitstellung von sinn-rückmeldung für den bediener einer tragbaren koordinatenmessmaschine

Info

Publication number: DE602004003396T3
Application number: DE602004003396T
Authority: DE
Inventors: Simon Raab; Seyed Sajedi; Kenneth Hasloecher; Marc Barber
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2003-08-15
Filing date: 2004-08-13
Publication date: 2012-08-23
Anticipated expiration: 2024-08-14
Also published as: ATE346277T1; EP1654517B2; JP2007502984A; DE602004003396D1; EP1654517A1; US6973734B2; EP1654517B1; US20050188557A1; US20050016008A1; DE602004003396T2; CN100447529C; CN1839293A; US6988322B2; WO2005017451A1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Koordinaten-Messmaschinen (CMM) und insbesondere auf tragbare CMM mit einem Gelenkarm.
2. Stand der Technik
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.
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.
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.
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.
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 System-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.
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.
Zusammenfassung der Erfindung
Dies wird durch die beanspruchte Erfindung erreicht, wie sie im Verfahrensanspruch 1 und im Vorrichtungsanspruch 55 sowie in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben ist.
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.
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.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Es wird nun auf die Zeichnung Bezug genommen, in welcher gleiche Elemente in den verschiedenen Figuren gleiche Bezugsziffern tragen:
1 ist eine vordere Perspektivansicht der tragbaren CMM der vorliegenden Erfindung, die einen Gelenkarm und einen angebrachten Hauptrechner enthält;
2 ist eine hintere Perspektivansicht der CMM von 1;
3 ist eine rechtsseitige Ansicht der CMM von 1 (der Hauptrechner wurde entfernt);
3A ist eine rechtsseitige Ansicht der CMM von 1 mit geringfügig abgewandelter Schutzhülse, welche zwei der langen Gelenke bzw. Gelenkglieder abdecken;
4 ist eine teilweise auseinandergezogene Perspektivansicht der CMM der vorliegenden Erfindung und beschreibt die Basis sowie den ersten Gelenkarm-Abschnitt;
5 ist eine teilweise auseinandergezogene Perspektivansicht der CMM der vorliegenden Erfindung und beschreibt die Basis, einen ersten Armabschnitt und einen teilweise auseinandergezogenen zweiten Armabschnitt;
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;
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.
8 ist eine Vorderansicht der Lager/Codierer-Hülsen und der Doppelhülsen-Gelenke von 7;
9 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht einer kurzen Lager/Codierer-Hülse gemäß der vorliegenden Erfindung;
9A ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht ähnlich der 9, zeigt jedoch einen einzigen Lesekopf;
9B ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht ähnlich der 9, zeigt jedoch vier Leseköpfe;
9C ist eine Perspektivansicht der 9B nach dem Zusammenbau;
9D ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht ähnlich der 9, zeigt jedoch drei Leseköpfe;
9E ist eine Perspektivansicht von 9D nach dem Zusammenbau;
10 ist eine Querschnitt-Vorderansicht der Hülse von 9;
11 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht einer langen Lager/Codierer-Hülse gemäß der vorliegenden Erfindung;
11A ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht ähnlich der 11, zeigt jedoch einen einzigen Lesekopf;
12 ist eine Querschnitt-Vorderansicht der Hülse von 11;
12A ist eine Querschnitt-Varderansicht der Hülse von 12 und beschreibt die Doppel-Leseköpfe, die mit der Welle rotierbar sind;
13 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht einer weiteren Lager/Codierer-Hülse gemäß der vorliegenden Erfindung;
13A ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht ähnlich der 13, zeigt jedoch einen einzigen Lesekopf;
14 ist eine Querschnitt-Vorderansicht der Hülse von 13;
15 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht einer Lager/Codierer-Hülse und einer Ausgleichskraft-Feder gemäß der vorliegenden Erfindung;
15A ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht ähnlich der 15, zeigt jedoch einen einzigen Lesekopf;
16 ist eine Querschnitt-Vorderansicht der Hülse und des Ausgleichsgewichts von 15;
17 ist eine Draufsicht einer Doppel-Lesekopf-Anordnung für eine Lager/Codierer-Hülse größeren Durchmessers, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
18 ist eine Querschnitt-Vorderansicht entlang der Linie 18-18 von 17;
19 ist eine Bodenansicht der Doppel-Lesekopf-Anordnung von 17;
20 ist eine Draufsicht einer Doppel-Lesekopf-Anordnung für eine Lager/Codierer-Hülse kleineren Durchmessers gemäß der vorliegenden Erfindung;
21 ist eine Querschnitt-Vorderansicht entlang der Linie 21-21 von 20;
22 ist eine Boden-Ansicht der Doppel-Lesekopf-Anordnung von 20;
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;
24 ist eine Querschnitt-Vorderansicht in Längsrichtung durch die CMM der vorliegenden Erfindung (die Basis wurde entfernt);
24A ist eine Querschnitt-Vorderansicht der CMM von 3A;
25 ist eine vergrößerte Querschnitt-Ansicht eines Abschnitts von 24 und beschreibt die Basis sowie ein erstes langes Gelenksegment der CMM von 24;
25A ist eine Perspektivansicht der Verbindung zwischen einem langen und einem kurzen Gelenk bzw.
Gelenkstück gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
25B ist eine Querschnitt-Vorderansicht in Längsrichtung durch einen Abschnitt von 25A;
26 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Abschnitts von 24 und beschreibt das zweite sowie das dritte lange Gelenksegment;
26A und B sind vergrößerte Querschnittsansichten von Abschnitten der 24A und beschreiben das zweite und das dritte lange Gelenksegment sowie die Sonde;
27A ist eine auseinandergezogene Seitenansicht und beschreibt die erste Anordnung aus kurzem Gelenkstück und Ausgleichsgewicht gemäß der vorliegenden Erfindung;
27B ist eine Perspektivansicht und zeigt die Komponenten von 27A;
28 ist eine Querschnitt-Vorderansicht und zeigt das innere Ausgleichsgewicht der vorliegenden Erfindung;
29 ist eine Querschnitt-Seitenansicht durch ein erstes Ausführungsbeispiel der Mess-Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung;
29A ist eine Seitenansicht eines anderen Ausführungsbeispiels einer Mess-Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung;
29B ist eine Querschnitt-Vorderansicht entlang der Linie 295-295 von 29A;
29C ist eine Perspektivansicht von zwei ”Ausführungs”- oder ”Bestätigungs”-Schaltern, die in 29A–B verwendet werden;
30A–C sind sequenzielle Vorderansichten bzw. Aufrissansichten, welche die integrierte Berührungsproben-Anordnung und die Umwandlung zu der Hartproben-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung beschreiben;
31 ist eine Querschnitt-Seitenansicht durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Mess-Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung;
32 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht der integrierten Magnetbasis gemäß der vorliegenden Erfindung;
33 ist eine Querschnitt-Vorderansicht durch die magnetische Basis von 32;
34 ist eine Draufsicht auf die magnetische Halterung von 32;
35 ist eine Querschnitt-Vorderansicht eines CMM-Gelenks bzw. -Gelenkglieds von Raab '356 mit Doppel-Lesekäpfen;
36 ist eine Querschnitt-Vorderansicht eines CMM-Gelenks bzw. -Gelenkglieds von Eaton '148 mit Doppel-Leseköpfen;
37 ist eine Seitenansicht einer Mess-Sonde mit einem Siebente-Achse-Wandler;
38 ist eine Seitenansicht ähnlich der 37, jedoch mit einem abnehmbaren Griff;
39 ist eine Endansicht der Mess-Sonde von 38;
40 ist eine Querschnitt-Vorderansicht der Mess-Sonde von 38;
41 ist eine Draufsicht einer Lager/Codierer-Hülse, die einen Lesekopf verwendet, der mit einer Vielzahl von Sensoren gemäß der vorliegenden Erfindung kombiniert ist;
42 ist eine Perspektivansicht der Hülse von 41;
43 ist eine vergrößerte Ansicht des oberen Abschnitts der Hülse von 42.
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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.
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.
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.
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 Übereinstimmung 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.
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 begünstigen, 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.
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 Längsrichtung 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.
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.
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 inneren und äußeren Abstandshaltern 54, 56 die gewünschte Vorbelastung angelegt wird.
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.
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.
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.
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.
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 beschreiben 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).
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.
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.
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.
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.
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.
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 ”geometrietoleranten” Codierertechnologie führt zu einer CMM 10 mit beachtlichen Kostenverringerungen und einer leichten Herstellung.
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 Elements, die für die Messung von Bewegung sorgen. Derartige optische Elements 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. Beispiele 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.
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.
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.
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.
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 vorzugsweise 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.
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.
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.
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.
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 elenks, 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 wiederholbaren 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 S1 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 zusätzlichen 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.
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 zusätzliche 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.
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 Sensoren und Lesekopfe 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.
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.
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. 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.
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.
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.
23B ist ein Elektronik-Blockdiagramm, das der 23A ähnlich ist, jedoch das Ausführungsbeispiel mit doppeltem Lesekopf von 10, 12, 14 und 16–22 beschreibt.
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 aufgeweitet 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.
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 erkennt, dass die PC-Platine 114 an einer Halterung 146 befestigt ist, die wiederum an einer Halterung 142 der Doppel-Gelenkpfanne befestigt ist.
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 aufgeweiteten 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 aufgeweiteten Verbindungen für die Gelenke bzw. Gelenkglieder erzeugen im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Verbindungs-Grenzflächen.
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 einer 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.
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).
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).
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'.
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 könnte 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.
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 (Hast) 172 verwendet werden.
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.
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.
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.
3A, 24A, 26A–B beschreiben alternative Schutzhülsen 40', 41', die ebenfalls einen Muschelschalen-Aufbau haben, jedoch unter Verwendung von Gurten oder Federclipsen 167 anstatt durch Gewinde-Befestigungsvorrichtungen gehalten werden.
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.
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.
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.
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, weiche 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.
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.
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.
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.
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 Doppelbuchsen-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 Lichtquelle 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.
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.
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 des 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.
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.
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 stationäre 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.
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.
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 aufwendigeren 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.
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.
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 optische 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.
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-Abtastvorrichtungen und anderen Peripheriegeräten erleichtert.
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 funktionieren kann oder alternativ mit der Stromversorgungs-Einheit 254 der CMM 10 elektrisch verbunden werden kann.
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.
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).
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.
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.
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.
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.

Claims

Verfahren zum Bereitstellen einer Rückmeldung an einen Bediener einer tragbaren Koordinaten-Messmaschine (CMM), welche die Position eines Gegenstands in einem ausgewählten Volumen misst, wobei die CMM einen manuell positionierbaren Gelenkarm mit zueinander entgegengesetzten ersten und zweiten Enden enthält, wobei der Arm eine Vielzahl von Drehgelenken, eine an einem ersten Ende des Gelenkarms angebrachte Mess-Sonde und eine elektronische Schaltung enthält, welche die Positionssignale von Wandlern in dem Arm empfängt und welche eine der Position der Sonde in einem ausgewählten Volumen entsprechende digitale Koordinate bereitstellt; und wobei das Verfahren aufweist: Erfassen der Verformung eines Abschnitts des Gelenkarms mittels mindestens eines Wandlers, in Verbindung mit mindestens einem der Drehgelenke, fähig die Verformung dieses Gelenks zu messen, wenn der Arm belastet wird, wobei die Verformung ein Hinweis auf die Größe der an einem solchen Arm angelegten äußeren Kraft ist; und Bereitstellen einer Rückmeldung an den Bediener der CMM als Reaktion auf die erfasste äußere Kraft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückmeldung eine sensorische Rückmeldung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sensorische Rückmeldung mindestens eine auditive oder eine visuelle Rückmeldung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückmeldung mittels die CMM steuernder Software angezeigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückmeldung einen Überlast-Sensor definiert, der eine Überbeanspruchung des Gelenkarms verhindert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung in einer Lager-Anordnung auftritt, die mindestens einem der Gelenke zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung in Rohren auftritt, die dem Gelenkarm zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Gelenke ein periodisches Muster einer messbaren Charakteristik sowie mindestens zwei von dem Muster beabstandete und mit ihm kommunizierende Leseköpfe enthält, wobei das Muster und die mindestens zwei Leseköpfe innerhalb des Gelenks derart positioniert sind, dass sie in Bezug zueinander rotierbar sind, wobei das Verfahren den folgenden Schritt enthält: Verwenden der mindestens zwei Leseköpfe, um eine Verformung des Gelenkarms zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leseköpfe 180° voneinander entfernt positioniert sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster ein optisches Streifenmuster aufweist; und der mindestens eine Lesekopf einen optischen Lesekopf aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Streifenmuster auf einer optischen Codierscheibe angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikation aufweist: durch den Lesekopf Erfassen der Interferenz zwischen Beugungsordnungen, um sinusförmige Signale von dem Lesekopf in dem Streifenmuster zu erzeugen, wobei die sinusförmigen Signale elektronisch interpoliert werden, um eine Verschiebung zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Leseköpfe Auslöschungs-Effekte bewirken, die gemittelt werden können.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster der messbaren Charakteristik mindestens eine der Charakteristiken ist, welche aus der Gruppe bestehend aus Reflektivität, Opazität, Magnetfeld, Kapazität, Induktivität und Oberflächenrauhigkeit ausgewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenke lange Gelenke (Gelenkglieder) für eine Umlauf-Bewegung bzw. Drehbewegung sowie kurze Gelenke (Gelenkglieder) für eine Scharnier-Bewegung aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 15, welches drei Gelenkpaare enthält, wobei jedes Gelenkpaar ein langes Gelenk (Gelenkglied) und ein kurzes Gelenk (Gelenkglied) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenke in Gelenk-Konfigurationen angeordnet sind, welche aus der Gruppe bestehend aus 2-2-2, 2-1-2, 2-2-3 und 2-1-3 ausgewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster bezüglich der mindestens zwei Leseköpfe rotierbar ist; und die beiden Leseköpfe bezüglich des Musters stationär sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster bezüglich der mindestens zwei Leseköpfe stationär ist; und die mindestens zwei Leseköpfe bezüglich des Musters rotierbar sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenk außerdem aufweist: ein erstes und zweites Gehäuse sowie eine rotierbare Welle, die sich von dem zweiten Gehäuse in das erste Gehäuse erstreckt; ein Lager, das zwischen der Welle und dem ersten Gehäuse angeordnet ist und der rotierbaren Welle ermöglicht, innerhalb des ersten Gehäuses zu rotieren; wobei das Muster an der rotierbaren Welle angebracht ist; die mindestens zwei Leseköpfe innerhalb des ersten Gehäuses derart befestigt sind, dass eine Rotation des ersten Gehäuses bezüglich des zweiten Gehäuses bewirkt, dass sich die mindestens zwei Leseköpfe relativ zu dem Muster bewegen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gelenk aufweist: ein erstes Gehäuse; ein zweites Gehäuse; eine rotierbare Welle, die an dem zweiten Gehäuse befestigt ist und sich in das erste Gehäuse erstreckt; mindestens ein Lager, das innerhalb des ersten Gehäuses gelagert ist und die rotierbare Welle für die Rotation um ihre Achse abstützt; wobei das Muster oder die mindestens zwei Leseköpfe an einem Ende der Welle befestigt sind und die mindestens zwei Leseköpfe bzw. das Muster innerhalb des ersten Gehäuses befestigt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine der Gelenke ein periodisches Muster einer messbaren Charakteristik enthält, wobei mindestens ein Lesekopf von dem Muster beabstandet ist und mit ihm kommuniziert, wobei das Muster und der Lesekopf innerhalb des Gelenks derart positioniert sind, dass sie in Bezug zueinander rotierbar sind; und mindestens einen Sensor enthält, der eine Relativbewegung in dem periodischen Muster bezüglich des mindestens einen Lesekopfes misst; und wobei das Verfahren den folgenden Schritt aufweist: Verwenden des mindestens einen Sensors, um eine Verformung des Gelenkarms zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor eine Vielzahl beabstandeter Sensoren aufweist, die eine Verschiebung messen.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor einen Sensor aufweist, der eine Verschiebung misst.
Verfahren nach Anspruch 24, welches mindestens einen Sensor zum Messen der X-Achsen-Verschiebung des Musters enthält.
Verfahren nach Anspruch 24, welches mindestens einen Sensor zum Messen der Y-Achsen-Verschiebung des Musters enthält.
Verfahren nach Anspruch 25, welches mindestens einen Sensor zum Messen der Y-Achsen-Verschiebung des Musters enthält.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gelenk eine Welle enthält, die zumindest teilweise von einem Gehäuse umgeben ist, wobei die Welle und das Gehäuse dazu ausgelegt sind, um relativ zueinander zu rotieren, und wobei der mindestens eine Sensor mindestens einen Sensor zum Messen einer Relativbewegung zwischen der Welle und dem Gehäuse enthält.
Verfahren nach Anspruch 28, welches eine Vielzahl von Sensoren zum Messen einer Relativbewegung zwischen der Welle und dem Gehäuse enthält.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle rotierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle rotierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor enthält: mindestens zwei Sensoren zum Messen einer Relativbewegung der Welle einschließlich eines ersten Sensors zum Messen der X-Achsen-Verschiebung und eines zweiten Sensors zum Messen der Y-Achsen-Verschiebung.
Koordinaten-Messmaschine (CMM) bzw. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der Sensoren zum Messen einer Relativbewegung der Welle außerdem einen dritten Sensor zum Messen der X-Achsen-Rotation, einen vierten Sensor zum Messen der Y-Achsen-Rotation und einen fünften Sensor zum Messen der Z-Achsen-Verschiebung enthalten.
CMM nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lesekopf die Z-Achsen-Rotation der Welle misst.
CMM nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lesekopf die Z-Achsen-Rotation der Welle misst.
Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte, der vierte und der fünfte Sensor etwa 120° voneinander entfernt positioniert sind.
Verfahren nach Anspruch 28, welches mindestens fünf Sensoren enthält, die zusammen mit dem Lesekopf mindestens sechs Freiheitsgrade der Welle messen.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor enthält: mindestens zwei Sensoren, welche eine Bewegung in dem periodischen Muster bezüglich des mindestens einen Lesekopfes messen.
Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Sensoren etwa 90° voneinander entfernt positioniert sind.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Arm mindestens fünf Drehgelenke enthält, so dass der Gelenkarm mindestens fünf Freiheitsgrade hat.
Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine der Drehgelenke mindestens zwei der Drehgelenke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine der Drehgelenke mindestens drei der Drehgelenke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine der Drehgelenke mindestens vier der Drehgelenke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine der Drehgelenke mindestens fünf der Drehgelenke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 40, welches mindestens sechs Drehgelenke aufweist, so dass der Gelenkarm mindestens sechs Freiheitsgrade hat, und wobei das mindestens eine der Drehgelenke mindestens sechs Drehgelenke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 40, welches mindestens sieben Drehgelenke enthält, so dass der Gelenkarm mindestens sieben Freiheitsgrade hat, und wobei das mindestens eine der Drehgelenke mindestens sieben Drehgelenke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine der Drehgelenke alle der Drehgelenke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine der Drehgelenke mindestens zwei der Drehgelenke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine der Drehgelenke mindestens drei der Drehgelenke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine der Drehgelenke mindestens vier der Drehgelenke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine der Drehgelenke mindestens fünf der Drehgelenke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 22, welches mindestens sechs Drehgelenke enthält, so dass der Gelenkarm mindestens sechs Freiheitsgrade hat, und wobei das mindestens eine der Drehgelenke mindestens sechs Drehgelenke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 22, welches mindestens sieben Drehgelenke enthält, so dass der Gelenkarm mindestens sieben Freiheitsgrade hat, und wobei das mindestens eine der Drehgelenke mindestens sieben Drehgelenke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine der Drehgelenke alle der Drehgelenke aufweist.
Tragbare Koordinaten-Messmaschine (CMM) zum Messen der Position eines Gegenstands in einem ausgewählten Volumen, wobei die CMM enthält: einen manuell positionierbaren Gelenkarm mit entgegengesetztem ersten und zweiten Ende, wobei der Arm eine Vielzahl von Gelenken enthält; eine an einem ersten Ende des Gelenkarms angebrachte Mess-Sonde und eine elektronische Schaltung zum Empfangen der Positionssignale von Wandlern in dem Arm und zum Bereitstellen einer digitalen Koordinate, die der Position der Sonde in einem ausgewählten Volumen entspricht; und wobei die CMM aufweist: Mittel zum Erfassen der Verformung eines Abschnitts des Gelenkarms, wenn der Arm belastet wird, wobei die Verformung ein Hinweis auf die Größe der an einem solchen Arm angelegten äußeren Kraft ist, diese Mittel zum Erfassen der Verformung umfassend ein Wandler in Verbindung mit mindestens einem der Drehgelenke und fähig die Verformung dieses Gelenks zu messen; und Mittel zum Bereitstellen einer Rückmeldung an den Bediener der CMM als Reaktion auf die erfassten äußeren Kräfte.
CMM nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückmeldung eine sensorische Rückmeldung aufweist.
CMM nach Anspruch 56, dadurch gekennzeichnet, dass die sensorische Rückmeldung mindestens eine auditive oder eine visuelle Rückmeldung aufweist.
CMM nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückmeldung mittels die CMM steuernder Software angezeigt wird.
CMM nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückmeldung einen Überlast-Sensor definiert, der eine Überbeanspruchung des Gelenkarms verhindert.
CMM nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung in einer Lager-Anordnung auftritt, die mindestens einem der Gelenke zugeordnet ist.
CMM nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung in Rohren auftritt, die dem Gelenkarm zugeordnet sind.
CMM nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine der Gelenke ein periodisches Muster einer messbaren Charakteristik sowie mindestens zwei von dem Muster beabstandete und mit ihm kommunizierende Leseköpfe enthält, wobei das Muster und die mindestens zwei Leseköpfe innerhalb des Gelenks derart positioniert sind, dass sie in Bezug zueinander rotierbar sind, und: Verwenden der mindestens zwei Leseköpfe, um eine Verformung des Gelenkarms zu erfassen.
CMM nach Anspruch 62, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Leseköpfe 180° voneinander entfernt positioniert sind.
CMM nach Anspruch 62, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster ein optisches Streifenmuster aufweist; und der mindestens eine Lesekopf einen optischen Lesekopf aufweist.
CMM nach Anspruch 64, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Streifenmuster auf einer optischen Codierscheibe angeordnet ist.
CMM nach Anspruch 65, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikation aufweist: durch den Lesekopf Erfassen der Interferenz zwischen Beugungsordnungen, um sinusförmige Signale von dem Lesekopf in dem Streifenmuster zu erzeugen, wobei die sinusförmigen Signale elektronisch interpoliert werden, um eine Verschiebung zu erfassen.
CMM nach Anspruch 62, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Leseköpfe Auslöschungs-Effekte hervorrufen, die gemittelt werden können.
CMM nach Anspruch 62, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster einer messbaren Charakteristik mindestens eine der Charakteristiken ist, die aus der Gruppe bestehend aus Reflektivität, Opazität, Magnetfeld, Kapazität, Induktivität und Oberflächenrauhigkeit ausgewählt werden.
CMM nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenke lange Gelenke für eine Drehbewegung bzw. Umlauf-Bewegung sowie kurze Gelenke für eine Scharnier-Bewegung aufweisen.
CMM nach Anspruch 69, welche drei Gelenkpaare enthält, wobei jedes Gelenkpaar ein langes Gelenk und ein kurzes Gelenk aufweist.
CMM nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenke in Gelenk-Konfigurationen angeordnet sind, die von der Gruppe bestehend aus 2-2-2, 2-1-2, 2-2-3 und 2-1-3 ausgewählt werden.
CMM nach Anspruch 62, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster bezüglich der mindestens zwei Leseköpfe rotierbar ist; und die beiden Leseköpfe bezüglich des Musters stationär sind.
CMM nach Anspruch 62, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster bezüglich der mindestens zwei Leseköpfe stationär ist; und die mindestens zwei Leseköpfe bezügliche des Musters rotierbar sind.
CMM nach Anspruch 62, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenk außerdem aufweist: ein erstes und ein zweites Gehäuse sowie eine rotierbare Welle, die sich von dem zweiten Gehäuse in das erste Gehäuse erstreckt; ein Lager, das zwischen der Welle und dem ersten Gehäuse angeordnet ist und ermöglicht, dass die rotierbare Welle innerhalb des ersten Gehäuses rotiert; wobei das Muster an der rotierbaren Welle angebracht ist; die mindestens zwei Leseköpfe innerhalb des ersten Gehäuses derart befestigt sind, dass eine Rotation des ersten Gehäuses bezüglich des zweiten Gehäuses bewirkt, dass sich die mindestens zwei Leseköpfe bezüglich des Musters relativ bewegen.
CMM nach Anspruch 62, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gelenk aufweist: ein erstes Gehäuse; ein zweites Gehäuse; eine rotierbare Welle, die an dem zweiten Gehäuse befestigt ist und sich in das erste Gehäuse erstreckt; und mindestens ein Lager, das innerhalb des ersten Gehäuses gelagert ist und die rotierbare Welle für eine Rotation um ihre Achse abstützt; wobei das Muster oder die mindestens zwei Leseköpfe an einem Ende der Welle befestigt sind und die mindestens zwei Leseköpfe bzw. das Muster innerhalb des ersten Gehäuses befestigt sind.
CMM nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine der Gelenke ein periodisches Muster einer messbaren. Charakteristik sowie mindestens einen von dem Muster beabstandeten und mit ihm kommunizierenden Lesekopf enthält, wobei das Muster und der Lesekopf innerhalb des Gelenks derart positioniert sind, dass sie in Bezug zueinander rotierbar sind; und mindestens einen Sensor enthält, der eine Relativbewegung in dem periodischen Muster bezüglich des mindestens einen Lesekopfes misst; und: Verwenden des mindestens einen Sensors, um eine Verformung des Gelenkarms zu erfassen.
CMM nach Anspruch 76, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor eine Vielzahl beabstandeter Sensoren aufweist, die eine Verschiebung messen.
CMM nach Anspruch 76, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor einen Sensor aufweist, der eine Verschiebung misst.
CMM nach Anspruch 78, welcher mindestens einen Sensor zum Messen einer X-Achsen-Verschiebung des Musters enthält.
CMM nach Anspruch 78, welcher mindestens einen Sensor zum Messen einer Y-Achsen-Verschiebung des Musters enthält.
CMM nach Anspruch 80, welcher mindestens einen Sensor zum Messen einer Y-Achsen-Verschiebung des Musters enthält.
CMM nach Anspruch 76, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gelenk eine Welle enthält, die zumindest teilweise von einem Gehäuse umgeben ist, wobei die Welle und das Gehäuse dazu ausgelegt sind, um relativ zueinander zu rotieren, und wobei der mindestens eine Sensor mindestens einen Sensor zum Messen einer Relativbewegung zwischen der Welle und dem Gehäuse enthält.
CMM nach Anspruch 82, welche eine Vielzahl von Sensoren zum Messen einer Relativbewegung zwischen der Welle und dem Gehäuse enthält.
CMM nach Anspruch 82, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle rotierbar ist.
CMM nach Anspruch 83, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle rotierbar ist.
CMM nach Anspruch 85, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor enthält: mindestens zwei Sensoren zum Messen einer Relativbewegung der Welle einschließlich eines ersten Sensors zum Messen einer X-Achsen-Verschiebung und eines zweiten Sensors zum Messen einer Y-Achsen-Verschiebung.
CMM nach Anspruch 86, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Sensoren zum Messen einer Relativbewegung der Welle außerdem einen dritten Sensor zum Messen einer X-Achsen-Rotation, einen vierten Sensor zum Messen einer Y-Achsen-Rotation und einen fünften Sensor zum Messen einer Z-Achsen-Verschiebung enthält.
CMM nach Anspruch 86, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lesekopf eine Z-Achsen-Rotation der Welle misst.
CMM nach Anspruch 88, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lesekopf eine 2-Achsen-Rotation der Welle misst.
CMM nach Anspruch 87, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte, der vierte und der fünfte Sensor etwa 120° voneinander entfernt positioniert sind.
CMM nach Anspruch 82, welcher mindestens fünf Sensoren enthält, die zusammen mit dem Lesekopf mindestens sechs Freiheitsgrade der Welle messen.
CMM nach Anspruch 76, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor enthält: mindestens zwei Sensoren, welche eine Bewegung in dem periodischen Muster bezüglich des mindestens einen Lesekopfes messen.
CMM nach Anspruch 92, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Sensoren etwa 90° voneinander entfernt positioniert sind.
CMM nach Anspruch 62 oder 76, dadurch gekennzeichnet, dass der Arm mindestens fünf Drehgelenke enthält, so dass der Gelenkarm mindestens fünf Freiheitsgrade hat.
CMM nach Anspruch 62, 76 oder 94, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine der Drehgelenke mindestens zwei der Drehgelenke aufweist.
CMM nach Anspruch 62, 76 oder 94, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine der Drehgelenke mindestens drei der Drehgelenke aufweist.
CMM nach Anspruch 62, 76 oder 94, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine der Drehgelenke mindestens vier der Drehgelenke aufweist.
CMM nach Anspruch 62, 76 oder 94, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine der Drehgelenke mindestens fünf der Drehgelenke aufweist.
CMM nach Anspruch 62, 76 oder 94, welches mindestens sechs Drehgelenke enthält, so dass der Gelenkarm mindestens sechs Freiheitsgrade hat, wobei das mindestens eine der Drehgelenke mindestens sechs Drehgelenke aufweist.
CMM nach Anspruch 62, 76 oder 94, welches mindestens sieben Drehgelenke enthält, so dass der Gelenkarm mindestens sieben Freiheitsgrade hat, wobei das mindestens eine der Drehgelenke mindestens sieben Drehgelenke aufweist.
CMM nach Anspruch 62, 76 oder 94, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine der Drehgelenke alle der Drehgelenke aufweist.