DE60318396T2

DE60318396T2 - Tragbare koordinatenmessmaschine mit gelenkarm

Info

Publication number: DE60318396T2
Application number: DE60318396T
Authority: DE
Inventors: Simon Maitland Raab; Seyed Ali Winter Park SAJEDI; Kenneth J. Deltona HASLEOCHER; Marc Deltona BARBER
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2023-02-14
Also published as: US7017275B2; US20030208919A1; US20050222803A1; AU2003213046A1; US7174651B2; CN100473940C; US20050144799A1; US6925722B2; EP1474649A1; US20030172537A1; AU2003213046A8; DE60318396D1; US6935036B2; US20030191603A1; EP1474649B1; EP1474650A2; US20030221326A1; CN100523709C; ATE365903T1; DE60314598T2

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft im allgemeinen Koordinatenmessgeräte (CMMs) und insbesondere tragbare CMMs mit einem angelenkten Arm.
2. Stand der Technik
Derzeit sind tragbare angelenkte Arme als ein Messsystem mit einem Hostcomputer und Anwendungssoftware vorgesehen. Der angelenkte Arm wird üblicherweise verwendet, um Punkte auf einem Objekt zu messen, und diese gemessenen Punkte werden mit aus durch rechnerunterstütztem Zeichnen und Konstruieren (CAD) gewonnenen Daten, die auf dem Hostcomputer gespeichert sind, verglichen, um zu bestimmen, ob das Objekt innerhalb der CAD-Spezifizierung liegt. Mit anderen Worten sind die CAD-Daten die Referenzdaten, mit denen tatsächliche Messungen, die von dem angelenkten Arm durchgeführt werden, verglichen werden. Der Hostcomputer kann auch Anwendungssoftware enthalten, die den Bediener durch das Prüfverfahren führt. Bei vielen Situationen im Zusammenhang mit komplizierten Anwendungen ist diese Anordnung geeignet, da der Benutzer die dreidimensionalen CAD-Daten auf dem Hostcomputer betrachten wird, während er auf komplexe Befehle in der Anwendungssoftware reagiert.
Ein Beispiel für ein tragbares CMM des Stands der Technik zur Verwendung in dem vorstehend besprochenen Messsystem ist in dem US-Patent Nr. 5,402,582 ('582) offenbart, das an den Rechtsinhaber dieser Anmeldung vergeben wurde. Das Patent '582 offenbart ein herkömmliches dreidimensionales Messsystem, das aus einem manuell betriebenen, mehrfach gegliederten angelenkten Arm mit einer Stützbasis an dessen einem Ende und einer Messsonde an dem anderen Ende besteht. Ein Hostcomputer kommuniziert mit dem Arm über einen zwischengeschalteten Controller oder eine Serienbox. Es ist ersichtlich, dass der Arm in dem Patent '582 elektronisch mit der Serienbox kommunizieren wird, welche wiederum mit dem Hostcomputer elektronisch kommuniziert. Das ebenfalls vergebene US-Patent 5,611,147 ('147) offenbart ein ähnliches CMM mit einem angelenkten Arm. In diesem Patent schließt der angelenkte Arm eine Reihe von wichtigen Merkmalen ein, einschließlich einer zusätzlichen Rotationsachse an dem Sondenende, wodurch somit ein Arm mit entweder einer zwei-eins-drei oder einer zwei-zwei-drei-Gelenkkonfiguration vorgesehen ist (wobei der letztere Fall ein Arm mit 7 Achsen ist), sowie verbesserten vorgespannten Lagerkonstruktionen für die Lager im Arm.
Noch weitere relevante CMMs des Stands der Technik umfassen das ebenfalls vergebene US-Patent Nr. 5,926,782 ('782), das einen angelenkten Arm mit verriegelbaren Überführungsgehäusen zum Eliminieren von einem oder mehreren Freiheitsgraden vorsieht, und das US-Patent 5,956,857 ('857), das einen angelenkten Arm mit einem schnell abnehmbaren Aufbausystem vorsieht.
Aktuellere tragbare CMMs der hier beschriebenen Art erfordern nicht die Verwendung eines zwischengeschalteten Controllers oder einer zwischengeschalteten Serienbox, da deren Funktionalität nun in der von dem Hostcomputer bereitgestellten Software inkorporiert ist. Zum Beispiel offenbart das ebenfalls vergebene US-Patent 5,978,748 ('748) einen angelenkten Arm mit einem integrierten Controller, der eine oder mehrere ausführbare Programme speichert und der dem Benutzer Anweisungen gibt (z.B. Prüfverfahren) und die CAD-Daten, die als die Referenzdaten dienen, speichert. In dem Patent '748 ist ein Controller an dem Arm angebracht und führt das ausführbare Programm aus, das den Benutzer durch ein Verfahren, wie ein Prüfverfahren, führt. In einem derartigen System kann ein Hostcomputer verwendet werden, um das ausführbare Programm zu erstellen. Der an dem Arm angebrachte Controller wird verwendet, um das ausführbare Programm durchzuführen, er kann jedoch nicht verwendet werden, um ausführbare Programme zu erstellen oder ausführbare Programme zu ändern. Analog zu Videospielsystemen dient der Hostcomputer als Plattform zum Schreiben oder Ändern eines Videospiels, und der an dem Arm angebrachte Controller dient als Plattform zum Spielen eines Videospiels. Der Controller (z.B. Spieler) kann das ausführbare Programm nicht ändern. Wie in dem Patent '748 beschrieben ist, führt dies durch Eliminieren der Notwendigkeit eines Hostcomputers für jeden angelenkten Arm zu einem kostengünstigeren dreidimensionalen Koordinatenmesssystem. Die US-Anmeldung mit dem Aktenzeichen 09/775,236 ('236), die an den Rechtsinhaber dieser Anmeldung vergeben wurde, offenbart ein Verfahren und ein System zum Bereitstellen von ausführbaren Programmen für Benutzer von Koordinatenmesssystemen der Art, die in dem Patent '748 offenbart ist. Das Verfahren umfasst das Empfangen einer Anforderung zum Erstellen eines ausführbaren Programms von einem Kunden und das Erhalten von Informationen in Bezug auf das ausführbare Programm. Das ausführbare Programm wird dann entwickelt und führt einen Bediener durch eine Reihe von Messschritten, die mit dem dreidimensionalen Koordinatenmesssystem durchzuführen sind. Das ausführbare Programm wird dem Kunden, vorzugsweise über ein Online-Netzwerk, wie das Internet, geliefert.
Das ebenfalls vergebene US-Patent Nr. 6,131,299 ('299) offenbart einen angelenkten Arm mit einer Anzeigevorrichtung, die auf diesem positioniert ist, damit ein Bediener eine bequeme Anzeige von Positionsdaten und System-Menüeingabeaufforderungen hat. Die Anzeigevorrichtung enthält zum Beispiel LEDs, die die Systemleistung, den Status der Wandlerposition und den Fehlerstatus anzeigen. Das US-Patent 6,219,928 ('928), das an den Rechtsinhaber vergeben wurde, offenbart ein serielles Netzwerk für den angelenkten Arm. Das serielle Netzwerk kommuniziert Daten von Wandlern, die sich in dem Arm befinden, an einen Controller. Jeder Wandler enthält eine Wandlerschnittstelle mit einem Speicher, der Wandlerdaten speichert. Der Controller adressiert seriell jeden Speicher und die Daten werden von dem Speicher der Wandlerschnittstelle an den Controller übertragen. Die ebenfalls vergebenen US-Patente 6,253,458 ('458) und 6,298,569 ('569) offenbaren jeweils einstellbare Gegengewichtsmechanismen für tragbare CMMs mit angelenktem Arm der hier beschriebenen Art.
Während sie für ihren beabsichtigten Zweck gut geeignet sind, besteht in der Industrie ein anhaltender und empfundener Bedarf an verbesserten tragbaren CMMs, die leichter zu verwenden und effizienter in der Herstellung sind, die verbesserte Merkmale bieten und zu geringeren Kosten verkauft werden können.
Die US 5 402 582 beschreibt ein tragbares Koordinatenmessgerät, das einen mehrfach gegliederten, manuell positionierbaren Messarm und eine Codiereinrichtung unter Verwendung eines einzelnen Lesekopfes aufweist. Zusätzlich zu dem Messarm verwendet das tragbare Koordinatenmessgerät einen Controller, oder eine Serienbox, der/die als elektronische Schnittstelle zwischen dem Arm und einem Hostcomputer wirkt.
Die EP 0 302 194 sieht eine Messvorrichtung vor, in der eine Skalenscheibe an mindestens zwei Abtaststellen eingescannt wird. Die Platte wird an mindestens zwei Abtaststellen eingescannt. Die Abtastsignale von den verschiedenen Abtaststellen werden an eine Prüfschaltung übertragen, die bestimmt, ob die Phasenverschiebung zwischen den Abtastsignalen einen Grenzwert übersteigt. Wenn der Grenzwert überschritten wird, wird eine der Abtaststellen höher gewichtet als die andere. Das Gewichten wird durch Erhöhen der Komponenten der Signale von einer Abtaststelle, während die Komponenten der Signale von der anderen Abtaststelle verringert werden, implementiert.
In diesem Dokument wird eine derartige besondere Signalverarbeitung dargestellt, wie sie für zuverlässige Messablesungen geeignet ist, selbst wenn sie bei Vorrichtungen verwendet wird, die kurzen Stößen oder anderen Rüttelbewegungen unterworfen sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das tragbare Koordinatenmessgerät (CMM) zum Messen der Position eines Objekts in einem ausgewählten Volumen auf:
einen manuell positionierbaren, angelenkten Arm mit entgegen gesetzten ersten und zweiten Enden, wobei der Arm eine Vielzahl von Gelenken einschließt;
eine Messsonde, die an einem ersten Ende des angelenkten Arms angebracht ist;
eine elektronische Schaltung, die die Positionssignale von Wandlern in dem Arm empfängt und eine digitale Koordinate entsprechend der Position der Sonde in einem ausgewählten Volumen bereitstellt; und
wobei mindestens eines der Gelenke ferner aufweist:
ein periodisches Bild einer messbaren Charakteristik;
mindestens zwei Leseköpfe, die von dem Bild beabstandet sind und mit diesem in Verbindung stehen; und
wobei das Bild und die mindestens zwei Leseköpfe so innerhalb des Gelenks positioniert sind, dass sie in Bezug aufeinander drehbar sind, und
wobei das Gelenk ferner aufweist:
ein erstes und ein zweites Gehäuse und eine drehbare 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 ein Drehen der drehbaren Welle innerhalb des ersten Gehäuses ermöglicht;
wobei das Bild direkt an der drehbaren Welle angebracht ist;
wobei die mindestens zwei Leseköpfe so innerhalb des ersten Gehäuses befestigt sind, dass die Drehung des ersten Gehäuses in Bezug auf das zweite Gehäuse bewirkt, dass sich die mindestens zwei Leseköpfe relativ zum Bild bewegen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
Nun mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Elemente gleich nummeriert sind, zeigen in den mehreren Figuren:
1 eine Perspektivansicht des tragbaren CMMs der vorliegenden Erfindung von vorne mit einem angelenkten Arm und einem angeschlossenen Hostcomputer;
2 eine Perspektivansicht des CMMs aus 1 von hinten;
3 eine Seitenansicht des CMMs aus 1 von rechts (wobei der Hostcomputer entfernt ist);
3A eine Seitenansicht des CMMs aus 1 von rechts mit leicht modifizierten Schutzhülsen, die zwei der langen Gelenke bedecken;
4 eine Perspektivansicht des CMMs der vorliegenden Erfindung, teilweise in aufgelösten Einzelteilen, die die Basis und den ersten angelenkten Armabschnitt zeigt;
5 eine Perspektivansicht des CMMs der vorliegenden Erfindung in teilweise aufgelösten Einzelteilen, die die Basis, den ersten Armabschnitt und den zweiten Armabschnitt teilweise in aufgelösten Einzelteilen zeigt;
6 eine Perspektivansicht des CMMs der vorliegenden Erfindung teilweise in aufgelösten Einzelteilen, die die Basis, den ersten Armabschnitt, den zweiten Armabschnitt und den dritten Armabschnitt teilweise in aufgelösten Einzelteilen zeigt;
7 eine Perspektivansicht in aufgelösten Einzelteilen, die ein Paar von Codierer/Lager-Kassetten zeigt, die zwischen zwei zweifachen Muffenverbindungen gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut sind;
8 einen Aufriss der Lager/Codierer-Kassetten und zweifachen Muffenverbindungen aus 7 von vorne;
9 eine Perspektivansicht einer kurzen Lager/Codierer-Kassette gemäß der vorliegenden Erfindung in aufgelösten Einzelteilen;
9B eine Perspektivansicht in aufgelösten Einzelteilen ähnlich wie 9, die jedoch vier Leseköpfe zeigt;
9C eine Perspektivansicht von 9B nach dem Zusammenbau;
9D eine Perspektivansicht in aufgelösten Einzelteilen ähnlich wie 9, die jedoch drei Leseköpfe zeigt;
9E eine Perspektivansicht von 9D nach dem Zusammenbau;
10 eine Querschnittsansicht der Kassette aus 9 im Aufriss;
11 eine Perspektivansicht in aufgelösten Einzelteilen einer langen Lager/Codierer-Kassette gemäß der vorliegenden Erfindung;
11A eine Perspektivansicht in aufgelösten Einzelteilen ähnlich wie 11, die jedoch einen einzelnen Lesekopf zeigt;
12 eine Querschnittsansicht der Kassette aus 11 im Aufriss;
12A eine Querschnittsansicht der Kassette aus 12 im Aufriss, die die zweifachen Leseköpfe zeigt, die mit der Welle drehbar sind;
13 eine Perspektivansicht in aufgelösten Einzelteilen noch einer weiteren Lager/Codierer-Kassette gemäß der vorliegenden Erfindung;
13A eine Perspektivansicht in aufgelösten Einzelteilen ähnlich wie 13, die jedoch einen einzelnen Lesekopf zeigt;
14 eine Querschnittsansicht der Kassette aus 13 im Aufriss;
15 eine Perspektivansicht einer Lager/Codierer-Kassette und einer Gegengewichtsfeder gemäß der vorliegenden Erfindung in aufgelösten Einzelteilen;
15A eine Perspektivansicht in aufgelösten Einzelteilen ähnlich wie 15, die jedoch einen einzelnen Lesekopf zeigt;
16 eine Querschnittsansicht der Kassette und des Gegengewichts aus 15 im Aufriss;
17 eine Draufsicht eines Aufbaus des zweifachen Lesekopfes für eine Lager/Codierer-Kassette mit größerem Durchmesser, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
18 eine Querschnittsansicht im Aufriss entlang der Linie 18-18 aus 17;
19 eine Draufsicht des zweifachen Lesekopfaufbaus aus 17 von unten;
20 eine Draufsicht eines Aufbaus des zweifachen Lesekopfes für eine Lager/Codierer-Kassette mit kleinerem Durchmesser gemäß der vorliegenden Erfindung von oben;
21 eine Querschnittsansicht im Aufriss entlang der Linie 21-21 aus 20;
22 eine Draufsicht des zweifachen Lesekopfaufbaus aus 20 von unten;
23A ein Blockdiagramm, das die elektronische Konfiguration für das CMM der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines einzelnen Lesekopfes zeigt, und 23B ein Blockdiagramm, das die elektronische Konfiguration für das CMM der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines zweifachen Lesekopfes zeigt;
24 eine Querschnittsansicht im Aufriss längs durch das CMM der vorliegenden Erfindung (wobei die Basis entfernt ist);
24A eine Querschnittsansicht des CMMs aus 3A im Aufriss;
25 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils von 24, die die Basis und ein erstes langes Gelenksegment des CMMs aus 24 zeigt;
25A eine Perspektivansicht der Verbindung zwischen einem langen und einem kurzen Gelenk gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
25B eine Querschnittsansicht im Aufriss längs durch einen Teil von 25A;
26 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils von 24, die das zweite und das dritte lange Gelenksegment zeigt;
26A und B vergrößerte Querschnittsansichten von Teilen von 24A, die das zweite und das dritte lange Gelenk sowie die Sonde zeigen;
27A einen Seitenaufriss in aufgelösten Einzelteilen, der den Aufbau des ersten kurzen Gelenks mit Gegengewicht gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
27B eine Perspektivansicht, die die Komponenten aus 27A zeigt;
28 eine Querschnittsansicht im Aufriss, die das innere Gegengewicht der vorliegenden Erfindung zeigt;
29 eine Querschnittsansicht im Aufriss von der Seite durch eine erste Ausführungsform der Messsonde gemäß der vorliegenden Erfindung;
29A einen Seitenaufriss einer weiteren Ausführungsform einer Messsonde gemäß der vorliegenden Erfindung;
29B eine Querschnittsansicht im Aufriss entlang der Linie 29B-29B aus 29A;
29C eine Perspektivansicht eines Paares von "Aufnahme-" oder "Bestätigungsschaltern", die in den 29A–B verwendet werden;
30A–C aufeinanderfolgende Draufsichten im Aufriss, die den Aufbau mit integriertem Tastkopf und den Umbau zum Aufbau mit Festsonde gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
31 eine Querschnittsansicht von der Seite im Aufriss durch noch eine weitere Ausführungsform einer Messsonde gemäß der vorliegenden Erfindung;
32 eine Perspektivansicht der integrierten Magnetbasis gemäß der vorliegenden Erfindung in aufgelösten Einzelteilen;
33 eine Querschnittsansicht im Aufriss durch die Magnetbasis aus 32;
34 eine Draufsicht der magnetischen Halterung aus 32 von oben;
35 eine Querschnittsansicht eines CMM-Gelenks von Raab '356 mit zweifachen Leseköpfen im Aufriss;
36 eine Querschnittsansicht eines CMM-Gelenks von Eaton '148 mit zweifachen Leseköpfen im Aufriss;
37 einen Seitenaufriss einer Messsonde mit einer siebten Achse mit Wandler;
38 einen Seitenaufriss ähnlich wie 37, jedoch mit einem entfernbaren Griff;
39 eine Endansicht der Messsonde aus 38; und
40 eine Querschnittsansicht der Messsonde aus 38 im Aufriss.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform:
Mit Bezug zunächst auf die 1–3 ist das CMM der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen bei 10 gezeigt. Das CMM 10 weist einen mehrfach gegliederten, manuell betriebenen angelenkten Arm 14 auf, der an einem Ende an einem Basisabschnitt 12 und an dem anderen Ende an einer Messsonde 28 angebracht ist. Der Arm 14 ist grundsätzlich aus zwei Arten von Gelenken aufgebaut, nämlich einem langen Gelenk (zur Schwenkbewegung) und einem kurzen Gelenk (zur Klappbewegung). Die langen Gelenke sind im Wesentlichen axial oder längs entlang des Arms positioniert, während die kurzen Gelenke vorzugsweise in einem Winkel von 90° zur Längsachse des Arms positioniert sind. Das lange und das kurze Gelenk sind in einer allgemein als 2-2-2-Konfiguration bekannten Konfiguration gepaart (obwohl andere Gelenkkonfigurationen, wie 2-1-2, 2-1-3, 2-2-3, usw. auch verwendet werden können). Diese Gelenkpaare sind jeweils in den 4–6 gezeigt.
4 zeigt eine Ansicht des ersten Gelenkpaars, nämlich des langen Gelenks 16 und des kurzen Gelenks 18, in aufgelösten Einzelteilen. 4 zeigt auch eine Ansicht der Basis 12 in aufgelösten Einzelteilen einschließlich einer tragbaren Stromversorgungselektronik 20, eines tragbaren Batteriesatzes 22, einer magnetischen Halterung 24 und eines zweiteiligen Basisgehäuses 26A und 26B. Diese Komponenten werden jeweils nachstehend genauer besprochen.
Es ist in erster Linie ersichtlich, dass sich die Durchmesser der verschiedenen primären Komponenten des angelenkten Arms 14 von der Basis 12 zur Sonde 28 verjüngen. Eine derartige Verjüngung kann kontinuierlich oder, wie in der in den Figuren gezeigten Ausführungsform, diskontinuierlich oder schrittweise erfolgen. Außerdem kann jede der primären Komponenten des angelenkten Arms 14 durch ein Gewinde angebracht sein, wodurch eine große Zahl von Verbindungselementen in Verbindung mit CMMs des Stands der Technik überflüssig wird. Zum Beispiel ist, wie es später besprochen wird, die magnetische Halterung 24 mit einem Gewinde an dem ersten langen Gelenk 16 angebracht. Vorzugsweise ist ein derartiges Gewinde ein kegeliges Gewinde, das selbstverriegelnd ist und eine erhöhte axiale/Biegesteifigkeit bereitstellt. In einer anderen Ausführungsform, wie sie in den 25A und 25B gezeigt ist und nachstehend besprochen wird, können die primären Komponenten des angelenkten Arms komplementäre kegelige männliche und weibliche Enden mit zugeordneten Flanschen aufweisen, wobei derartige Flansche miteinander verschraubt sind.
Mit Bezug auf 5 ist der zweite Satz eines langen und eines kurzen Gelenks an dem ersten Satz angebracht gezeigt. Der zweite Gelenksatz beinhaltet ein langes Gelenk 30 und ein kurzes Gelenk 32. Wie bei der Anbringung der magnetischen Halterung 24 an dem langen Gelenk 16, ist das lange Gelenk 30 durch ein Gewinde an einem Gewinde an der Innenfläche des langen Gelenks 16 angebracht. Auf ähnliche Weise, und mit Bezug auf 6, umfasst der dritte Gelenksatz ein drittes langes Gelenk 34 und ein drittes kurzes Gelenk 36. Das dritte lange Gelenk 34 ist durch ein Gewinde an einem Gewinde an der Innenfläche des zweiten kurzen Gelenks 32 angebracht. Wie es nachstehend genauer besprochen wird, ist die Sonde 28 mit einem Gewinde an dem kurzen Gelenk 36 angebracht.
Vorzugsweise ist jedes kurze Gelenk 18, 32 und 36 aus Aluminiumguss und/oder maschinell bearbeiteten Aluminiumkomponenten oder alternativ aus einer leichtgewichtigen steifen Legierung oder einem Verbundstoff gefertigt. Jedes lange Gelenk 16, 30 und 34 ist vorzugsweise aus Aluminiumguss und/oder maschinell bearbeitetem Aluminium, einer leichtgewichtigen steifen Legierung und/oder faserverstärktem Polymer gefertigt. Die mechanischen Achsen der drei vorstehend erwähnten Gelenkpaare (d.h. Paar 1 umfasst die Gelenkpaare 16, 18, Paar 2 umfasst die Gelenkpaare 30, 32 und Paar 3 umfasst die Gelenkpaare 34, 36) sind in Bezug auf die Basis ausgerichtet, um ein glattes, gleichförmiges mechanisches Verhalten zu gewährleisten. Es wird bevorzugt, dass die vorstehend erwähnte kegelige Konstruktion von der Basis 12 zur Sonde 28 eine erhöhte Steifigkeit an der Basis, wo die Lasten größer sind, und ein kleineres Profil an der Sonde oder dem Griff fördert, wo eine unbehinderte Verwendung wichtig ist. Wie es nachstehend genauer besprochen wird, ist jedes kurze Gelenk einem Schutzpuffer 38 an jedem seiner Enden zugeordnet, und jede lange Sonde ist mit einer Schutzhülse 40 oder 41 bedeckt. Es ist ersichtlich, dass das erste lange Gelenk 16 durch das Basisgehäuse 26A, B geschützt ist, das die gleiche Art von Schutz bereitstellt, wie ihn die Hülsen 40, 41 für das zweite und das dritte lange Gelenk 30, 34 bereitstellt.
Gemäß einem wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung verwendet jedes der Gelenke des angelenkten Arms eine modulare Lager/Codierer-Kassette, wie die kurze Kassette 42 und die lange Kassette 44, die in den 7 und 8 gezeigt sind. Diese Kassetten 42, 44 sind in den Öffnungen der zweifachen Muffenverbindungen 46, 48 angebracht. Jede Muffenverbindung 46, 48 weist eine erste zylindrische Verlängerung 47 mit einer ersten Ausnehmung oder Muffe 120 und eine zweite zylind rische Verlängerung 49 mit einer zweiten Ausnehmung oder Muffe 51 auf. Im Allgemeinen sind die Muffen 120 und 51 in einem Winkel von 90° zueinander positioniert, obwohl andere relative winkelige Konfigurationen verwendet werden können. Die kurze Kassette 42 ist in jeder Muffe 51 der zweifachen Muffenverbindungen 46 und 48 positioniert, um eine Gelenkverbindung zu definieren, während die lange Kassette 44 in der Muffe 120 des Gelenks 46 positioniert ist (siehe 25), und die lange Kassette 44' (siehe 26) in der Muffe 120 des Gelenks 48 positioniert ist, um jeweils eine längliche Schwenkverbindung zu definieren. Die modularen Lager/Codierer-Kassetten 42, 44 ermöglichen die separate Herstellung einer vorgespannten oder vorgeladenen Kassette mit zweifachem Lager, auf der die modularen Codiererkomponenten montiert sind. Diese Lager/Codierer-Kassette kann dann fest an den äußeren Rahmenkomponenten (d.h. den zweifachen Muffenverbindungen 46, 48) des angelenkten Arms 14 angebracht werden. Die Verwendung solcher Kassetten ist ein wesentlicher Vorsprung auf dem Gebiet, da sie die Herstellung dieser hochentwickelten Unterkomponenten des angelenkten Arms 14 mit hoher Qualität und großer Geschwindigkeit ermöglicht.
In der hier beschriebenen Ausführungsform gibt es vier verschiedene Kassettenarten, zwei lange axiale Kassetten für die Gelenke 30 und 34, eine axiale Basiskassette für das Gelenk 16, eine Basiskassette (die ein Gegengewicht beinhaltet) für das kurze Gelenk 18 und zwei Scharnierkassetten für die Gelenke 32 und 36. Wie bei der Verjüngung des angelenkten Arms 14 haben die Kassetten, die der Basis am nächsten sind (z.B. in dem langen Gelenk 16 und dem kurzen Gelenk 18) außerdem einen größeren Durchmesser im Verhältnis zu den kleineren Durchmessern der Gelenke 30, 32, 34 und 36. Jede Kassette beinhaltet eine vorgespannte Lageranordnung und einen Wandler, der in dieser Ausführungsform einen digitalen Codierer auf weist. Nun mit Bezug auf die 9 und 10 wird die Kassette 44, die sich in dem axialen langen Gelenk 16 befindet, beschrieben.
Die Kassette 44 weist ein Paar von Lagern 50, 52 auf, die durch eine Innenhülse 54 und eine Außenhülse 56 getrennt sind. Es ist wichtig, dass die Lager 50, 52 vorgespannt sind. In dieser Ausführungsform ist eine derartige Vorspannung durch die Hülsen 54, 56 mit unterschiedlichen Längen gegeben (die Innenhülse 54 ist um etwa 0,0005 Inch (≅ 12,7 μm) kürzer als die Außenhülse 56), so dass beim Spannen eine vorgewählte Vorspannung auf die Lager 50, 52 erzeugt wird. Die Lager 50, 52 werden unter Verwendung von Dichtungen 58 abgedichtet, wobei dieser Aufbau drehbar auf der Welle 60 montiert ist. An ihrer oberen Oberfläche endet die Welle 60 an einem oberen Wellengehäuse 62. Ein Ring 63 ist zwischen der Welle 60 und dem oberen Wellengehäuse 62 definiert. Dieser gesamte Aufbau ist innerhalb eines äußeren Kassettengehäuses 64 positioniert, wobei die Welle und ihr Lageraufbau an dem Gehäuse 64 unter Verwendung einer Kombination aus einer Innenmutter 66 und einer Außenmutter 68 sicher angebracht ist. Es ist zu beachten, dass beim Aufbau der obere Teil 65 des äußeren Gehäuses 64 in dem Ring 63 aufgenommen wird. Es ist ersichtlich, dass die vorgenannte Vorspannung beim Anziehen der Innen- und der Außenmutter 66, 68 auf die Lager 50, 52 vorgesehen wird, wobei die Muttern Druckkräfte auf die Lager ausüben, und auf Grund des Unterschieds der Länge zwischen dem inneren und dem äußeren Abstandhalter 54, 56, wird die gewünschte Vorspannung aufgebracht.
Vorzugsweise sind die Lager 50, 52 doppelte Kugellager. Um die geeignete Vorspannung zu erreichen ist es wichtig, dass die Lagerflächen möglichst parallel sind. Die Parallelität beeinflusst die Gleichmäßigkeit der Vorspannung um den Umfang des Lagers. Eine ungleichmäßige Belastung gibt dem Lager ein raues, ungleichmäßiges Drehmomentgefühl beim Laufen und führt zu einer unvorhersehbaren Rundlaufabweichung und einer verringerten Codierleistung. Die Rundlaufabweichung der modular montierten Impulsscheibe (was nachstehend besprochen wird) führt zu einer unerwünschten Verschiebung des spannungsoptischen Bilds unterhalb des Lesekopfes. Dies führt zu erheblichen Winkelmessfehlern des Codierers. Ferner steht die Steifheit der vorzugsweise doppelten Lagerstruktur in unmittelbarem Zusammenhang mit der Trennung der Lager. Je weiter die Lager auseinander sind, desto steifer wird der Aufbau. Die Abstandhalter 54, 56 werden verwendet, um die Trennung der Lager zu verbessern. Da das Kassettengehäuse 64 vorzugsweise aus Aluminium besteht, sind die Abstandhalter 54, 56 vorzugsweise auch aus Aluminium gefertigt und in Bezug auf Länge und Parallelität durch maschinelles Präzisionsbearbeiten bearbeitet. Dadurch führen Temperaturunterschiede nicht zu einer Eigenausdehnung, welche die Vorspannung beeinträchtigen würde. Wie erwähnt entsteht die Vorspannung durch Gestalten der Lange der Abstandhalter 54, 56 mit einem bekannten Unterschied. Sobald die Muttern 66, 68 vollständig angezogen sind, führt dieser Längenunterschied zu einer Lagervorspannung. Die Verwendung von Dichtungen 58 schaffen abgedichtete Lager, da jede Verunreinigung derselben jede Drehbewegung und Codiergenauigkeit sowie das Gelenkgefühl beeinflussen würde.
Während die Kassette 44 vorzugsweise ein Paar von beabstandeten Lagern enthält, könnte die Kassette 44 alternativ ein einzelnes Lager oder drei oder mehr Lager enthalten. Somit benötigt jede Kassette mindestens ein Lager als Minimum.
Die Gelenkkassetten der vorliegenden Erfindung können entweder eine unbegrenzte Drehung oder alternativ eine begrenzte Drehung haben. Für eine begrenzte Drehung schafft eine Nut 70 auf einem Flansch 72 auf der Außenfläche des Gehäuses 64 eine zylindrische Spur, in der ein Shuttle 74 aufgenommen ist. Das Shuttle 74 läuft innerhalb der Spur 70, bis es an einen abnehmbaren Shuttleanschlag anstößt, wie zum Beispiel die Stellschrauben des Drehanschlags 76, woraufhin die Drehung behindert wird. Der Betrag der Drehung kann nach Wunsch schwanken. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wäre die Shuttledrehung auf weniger als 720° begrenzt. Drehanschläge für Shuttles der hier enthaltenen Art sind genauer in dem US-Patent 5,611,147 beschrieben, das ebenfalls dem vorliegenden Anmelder gehört.
Wie erwähnt kann in einer alternativen Ausführungsform das bei der vorliegenden Erfindung verwendete Gelenk eine unbegrenzte Drehung haben. In diesem letzteren Fall wird ein bekannter Schleifringaufbau verwendet. Vorzugsweise erstreckt sich eine hohle oder axiale Öffnung 78 durch die Welle 60, die an deren einem Ende einen Abschnitt mit größerem Durchmesser 80 aufweist. Ein zylindrischer Schleifringaufbau 82 liegt an der Schulter an, die an der Kreuzung zwischen den axialen Öffnungen 78 und 80 definiert ist. Der Schleifringaufbau 82 ist in Bezug auf den vorgespannten Lageraufbau, der sich in der modularen Gelenkkassette fortsetzt, nicht strukturell (das heißt, er bietet keine mechanische Funktion, sondern nur eine elektrische und/oder Signalübertragungsfunktion). Während der Schleifringaufbau 82 aus irgendeinem handelsüblichen Schleifring bestehen kann, weist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Schleifringaufbau 82 einen Schleifring der H-Serie auf, der von der Firma IDM Electronics Ltd., Reading, Berkshire, Großbritannien, erhältlich ist. Derartige Schleifringe haben eine kompakte Größe, und mit ihrer zylindrischen Gestalt sind sie zur Verwendung in der Öffnung 80 innerhalb der Welle 60 ideal geeignet. Die axiale Öffnung 80 durch die Welle 60 endet an einem Schlitz 84, der mit einem Kanal 86 kommuniziert, der so bemessen und konfiguriert ist, dass er eine Verdrahtung von dem Schleifringaufbau 82 aufnimmt. Eine derartige Verdrahtung ist durch einen Drahtüberzug 88, der in dem Kanal 86 und dem Schlitz 84 einrastet und von diesen aufgenommen wird, sicher am Platz gehalten und geschützt. Eine derartige Verdrahtung ist schematisch bei 90 in 10 gezeigt.
Wie erwähnt enthält die modulare Kassette 44 sowohl eine vorgespannte Lagerstruktur, die vorstehend beschrieben wurde, als auch eine modulare Codiererstruktur, die nun beschrieben wird. Immer noch mit Bezug auf die 9 und 10 weist der bevorzugte Wandler, der bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, einen modularen optischen Codierer mit zwei primären Komponenten, einem Lesekopf 92 und einer Gitterscheibe 94 auf. In dieser Ausführungsform sind ein Paar von Leseköpfen 92 auf einer Anschlussleiste 96 für einen Lesekopf positioniert. Die Anschlussleiste 96 ist (über Verbindungselemente 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 in Ausrichtung mit diesen beabstandet (wobei die Leseköpfe von der Platte 100 getragen und gehalten werden). Ein Drahttrichter 104 und eine Verschlusskappe 106 schaffen die abschließende äußere Umhüllung des unteren Endes des Gehäuses 64. Der Drahttrichter 104 nimmt die Verdrahtung 90 auf und hält diese, wie es am besten in 10 gezeigt ist. Es ist ersichtlich, dass die Impulsscheibe 94 durch die Aufbringung von Klebstoff bei 102 von der Welle 60 gehalten wird und sich mit dieser dreht. Die 9 und 10 zeigen einen doppelten Lesekopf 92; es ist jedoch ersichtlich, dass mehr als zwei Leseköpfe verwendet werden können. Die 9B–E zeigen Beispiele für modulare Kassetten 44 mit mehr als zwei Leseköpfen. Die 9B–C zeigen vier Leseköpfe 92, die in einer Platte 100 aufgenommen und mit Abständen von 90° beabstandet sind (obwohl andere relative Zwischenräume geeignet sein können). Die 9D–E zeigen drei Leseköpfe 92, die in einer Platte 100 aufgenommen und mit Abständen von 120° voneinander beabstandet sind (obwohl andere relative Zwischenräume geeignet sein können).
Um die Scheibe 94 richtig auszurichten, ist an einer Stelle neben der Scheibe 94 ein Loch (nicht gezeigt) durch das Gehäuse 64 vorgesehen. Ein Werkzeug (nicht gezeigt) wird dann verwendet, um die Scheibe 94 in die richtige Ausrichtung zu schieben, woraufhin Klebstoff zwischen der Scheibe 94 und der Welle 66 gehärtet wird, um die Scheibe 94 an ihrer Stelle zu verriegeln. Ein Lochstopfen 73 wird dann durch das Loch in dem Gehäuse 64 vorgesehen.
Es ist wichtig anzumerken, dass die Plätze für die Scheibe 94 und den Lesekopf 92 umgekehrt werden können, wobei die Scheibe 94 an dem Gehäuse 56 angebracht wird und der Lesekopf 92 sich mit der Welle 60 dreht. Eine derartige Ausführungsform ist in 12A gezeigt, wo die Leiste 96' (durch Klebstoff) an der Welle 60' angebracht ist, um sich mit dieser zu drehen. Ein Paar von Leseköpfen 92' ist an der Leiste 96' angebracht und dreht sich somit mit der Welle 60'. Die Scheibe 94' ist auf einem Träger 100' positioniert, der an dem Gehäuse 64' befestigt ist. Auf jeden Fall ist es ersichtlich, dass entweder die Scheibe 94 oder der Lesekopf 92 zur Drehung mit der Welle montiert werden kann. Das Wesentliche ist, dass die Scheibe 94 und der Lesekopf 92 in einer Kassette (oder einem Gelenk) angeordnet sind, um zueinander verdrehbar zu sein, während eine optische Kommunikation erhalten bleibt.
Vorzugsweise ist der drehbare Codierer, der bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ähnlich zu demjenigen, der in den US-Patenten mit den Nummern 5,486,923 und 5,559,600 offenbart ist. Derartige modulare Codierer sind im Handel unter der Handelsbezeichnung Pure Precision Optics von MicroE Systems erhältlich. Diese Codierer basieren auf physikalischer Optik, die die Interferenz zwischen Beugungsordnungen erfasst, um nahezu perfekte sinusförmige Signale von einer Photodetektorgruppierung (z.B. Lesekopf (Leseköpfe)), die in dem spannungsoptischen Bild eingefügt ist, zu erzeugen. Die sinusförmigen Signale werden elektronisch interpoliert, um eine Verschiebungserfassung zu ermöglichen, die nur einen Bruchteil des spannungsoptischen Bildes darstellt.
Unter Verwendung einer Laserlichtquelle wird der Laserstrahl zunächst durch eine Linse parallel gerichtet und dann durch eine Öffnungsblende dimensioniert. Der parallel gerichtete dimensionierte Strahl geht durch ein Gitter hindurch, das das Licht in diskrete Ordnungen beugt, wobei die 0. und alle geradzahligen Ordnungen durch die Gitterkonstruktion unterdrückt werden. Wenn die 0. Ordnung unterdrückt wird, besteht ein Bereich jenseits der divergierenden 3. Ordnung, wo nur die ± 1. Ordnungen überlappen, um eine nahezu reine sinusförmige Interferenz zu schaffen. Eine oder mehrere Photodetektorgruppierungen (Leseköpfe) werden innerhalb dieses Bereichs, platziert und erzeugen vier Kanäle von nahezu reinen sinusförmigen Ausgaben, wenn eine relative Bewegung zwischen dem Gitter und dem Detektor besteht. Eine Elektronik verstärkt, normalisiert und interpoliert die Ausgabe auf den gewünschten Auflösungsgrad.
Die Einfachheit dieser Codierergestaltung ergibt mehrere Vorteile gegenüber optischen Codierern des Stands der Technik. Es können Messungen nur mit einer Laserquelle und ihrer parallel richtenden Optik, einem Beugungsgitter und einer Detektorgruppierung durchgeführt werden. Dies führt zu einem äußerst kompakten Codierersystem im Vergleich zu den sperrigeren herkömmlichen Codierern des Stands der Technik. Außerdem desensibilisiert eine direkte Beziehung zwischen dem Gitter und der Streifenverschiebung den Codierer gegenüber durch die Umwelt induzierte Fehler, für welche die Vorrichtungen des Stands der Technik anfällig sind. Ferner sind, da der Interferenzbereich groß ist und da überall innerhalb dieses Bereichs eine nahezu sinusförmige Interferenz erhalten wird, Ausrichtungstoleranzen weit lockerer als in Verbindung mit Codierern des Stands der Technik.
Ein wesentlicher Vorteil des vorstehend erwähnten optischen Codierers besteht darin, dass die Präzision der Abstandsausrichtung und des Abstands oder des Abstands und der Orientierung des Lesekopfs in Bezug auf die Impulsscheibe viel weniger streng ist. Dadurch werden eine Drehmessung mit hoher Genauigkeit und ein leicht zusammenzubauendes Paket ermöglicht. Das Ergebnis der Verwendung dieser "Geometrie-toleranten" Codierertechnologie ergibt ein CMM 10, das wesentlich kostengünstiger und leicht herzustellen ist.
Es ist ersichtlich, dass, während die vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsform eine optische Scheibe 94 einschließt, die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch jedes spannungsoptische Bild umfasst, das die Messung einer relativen Bewegung durch den Lesekopf ermöglicht. Wie es hier verwendet wird, bedeutet ein derartiges spannungsoptisches Bild jede periodische Gruppierung von optischen Elementen, die die Messung von Bewegung ermöglicht. Derartige optische Elemente oder spannungsoptische Bilder könnten auf einer sich drehenden oder ortsfesten Scheibe wie vorstehend beschrieben montiert werden, oder sie könnten alternativ aufgebracht, befestigt oder anderweitig positioniert werden oder auf einer der sich relativ zueinander bewegenden Komponenten (wie die Welle, Lager oder das Gehäuse) der Kassette sitzen.
In der Tat müssen der Lesekopf und die zugeordnete periodische Gruppierung oder das Bild überhaupt nicht unbedingt auf Optik basieren (wie vorstehend beschrieben). Im weiteren Sinne könnte der Lesekopf eher ein anderes periodisches Bild einer anderen messbaren Größe oder Charakteristik lesen (oder fühlen), die verwendet werden kann, um eine Bewegung, im Allgemeinen eine Drehbewegung, zu messen. Derartige andere messbare Charakteristika können zum Beispiel das Reflexionsvermögen, die Trübung, das Magnetfeld, die Kapazität, die Induktivität oder die Rautiefe einschließen. (Es ist zu beachten, dass ein Rautiefenbild unter Verwendung eines Lesekopfes oder Sensors in Form einer Kamera, wie einer CCD-Kamera, gelesen werden könnte.) In solchen Fällen würde der Lesekopf zum Beispiel periodische Änderungen des Magnetfelds, des Reflexionsvermögens, der Kapazität, der Induktivität, der Rautiefe oder dergleichen messen. Wie er hier zuvor verwendet wurde, bedeutet der Begriff "Lesekopf" jeden Sensor oder Wandler und zugehörige Elektronik zur Analyse dieser messbaren Mengen oder Charakteristika mit einem optischen Lesekopf, was nur ein bevorzugtes Beispiel ist. Natürlich kann sich das gerade von dem Lesekopf gelesene periodische Bild auf irgendeiner Oberfläche befinden, solange eine relative (im Allgemeinen Dreh-) Bewegung zwischen dem Lesekopf und dem periodischen Bild vorliegt. Beispiele für das periodische Bild umfassen ein magnetisches, induktives oder kapazitives Medium, das auf einer drehbaren oder ortsfesten Komponente in einem Bild aufgebracht ist. Außerdem ist es, wenn die Rautiefe das zu lesende periodische Bild ist, nicht notwendig, ein separates periodisches Medium aufzubringen oder anderweitig vorzusehen, da die Rautiefe jeder Komponente in Verbindung mit dem zugeordneten Lesekopf (wahrscheinlich einer Kamera, wie einer CCD-Kamera) verwendet werden kann.
Wie erwähnt zeigen die 9 und 10 die Elemente der modularen Lager- und Codiererkassette für das axiale lange Gelenk 16. Die 11 und 12 zeigen die Lager- und Codiererkassette für die axialen langen Gelenke 30 und 34. Diese Kassettenaufbauten sind im Wesentlichen ähnlich zu denjenigen, die in den 9 und 10 gezeigt sind, und sie werden daher mit 44' bezeichnet. Kleinere Unterschiede im Vergleich zur Kassette 44 zum Beispiel hinsichtlich einer anders konfigurierten Drahtkappe/Abdeckung 88', leicht unterschiedlichen Drahttrichtern/Abdeckungen 104', 106' und der Positionierung des Flansches 72' an dem oberen Ende des Gehäuses 64', werden aus den Figuren ersichtlich. Die Flansche zwischen dem Gehäuse 64' und dem oberen Wellengehäuse 62 sind außerdem trichterförmig nach außen aufgeweitet. Natürlich können sich die relativen Längen der verschiedenen in den 11 und 12 gezeigten Komponenten etwas von denjenigen unterscheiden, die in den 9 und 10 gezeigt sind. Da alle diese Komponenten im Wesentlichen ähnlich sind, wurden den Komponenten die gleichen Bezugszeichen unter Hinzufügung eines Striches gegeben. 11A ist ähnlich wie 11, zeigt jedoch eine Ausführungsform mit einem einzelnen Lesekopf.
Mit Bezug auf die 13 und 14 sind ähnliche Querschnittsansichten in aufgelösten Einzelteilen für die Lager- und Codierer-Kassetten in den kurzen Gelenkverbindungen 32 und 36 gezeigt. Wie bei den langen axialen Gelenken 44' der 11 und 12 sind die Kassetten für die kurzen Gelenkverbindungen 32 und 36 im Wesentlichen ähnlich wie die Kassette 44, die vorstehend genau besprochen wurde, und daher sind die Komponenten dieser Kassetten mit 44'' bezeichnet, wobei ähnliche Komponenten unter Verwendung eines Doppelstri ches bezeichnet sind. Es ist ersichtlich, dass, da die Kassetten 44'' zur Verwendung in den kurzen Gelenken 32, 36 gedacht sind, kein Schleifringaufbau erforderlich ist, da die Verdrahtung auf Grund der Klappbewegung dieser Gelenke einfach durch die axialen Öffnungen 78'', 80'' hindurch geht. 13A ist ähnlich wie 13, zeigt jedoch eine Ausführungsform mit einem einzelnen Lesekopf.
Schließlich ist mit Bezug auf die 15 und 16 die modulare Lager-/Codierer-Kassette für die kurze Gelenkverbindung 18 bei 108 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass im Wesentlichen alle Komponenten der Kassette 108 ähnlich oder gleich sind wie die Komponenten in den Kassetten 44, 44' und 44'', wobei die wichtige Ausnahme in der Einfügung eines Gegengewichtaufbaus besteht. Dieser Gegengewichtaufbau schließt eine Gegengewichtsfeder 110 ein, die über das Gehäuse 64'' aufgenommen ist und eine wichtige Gegengewichtsfunktion für das CMM 10 derart vorsieht, wie es im Folgenden anhand der 26 und 28 beschrieben wird. 15A ist ähnlich wie 15, zeigt jedoch eine Ausführungsform mit einem einzelnen Lesekopf.
Wie erwähnt kann bei einer bevorzugten Ausführungsform mehr als ein Lesekopf in dem Codierer verwendet werden. Es ist ersichtlich, dass die Winkelmessung eines Codierers durch ein unrundes Laufen der Scheibe oder eine radiale Bewegung auf Grund von aufgebrachten Lasten erfolgt. Es wurde festgestellt, dass zwei Leseköpfe, die sich in einem Winkel von 180° voneinander befinden, zu einer Unrundheit führen, was in jedem Lesekopf Aufhebungswirkungen verursacht. Der Durchschnitt dieser Aufhebungswirkungen wird für eine abschließende "immune" Winkelmessung ermittelt. Somit ergeben die Verwendung von zwei Leseköpfen und die resultierende Fehleraufhebung eine weniger fehleranfällige und genauere Codierermes sung. Die 17–19 zeigen jeweils eine Ansicht von unten, eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht einer Ausführungsform mit zwei Leseköpfen, die zum Beispiel bei einer Kassette mit einem größeren Durchmesser nützlich ist, wie sie sich in den Gelenken 16 und 18 befindet (das heißt in den Gelenken, die der Basis am nächsten sind). Somit ist auf einer Kassettenendkappe 100 ein Paar von Leiterplatten 96 montiert, wobei an jeder Leiterplatte 96 ein Lesekopf 92 mechanisch angebracht ist. Die Leseköpfe 92 befinden sich vorzugsweise in einem Winkel von 180° voneinander, um für die Fehleraufhebung zu sorgen, die sich aus dem unrunden Lauf oder der radialen Bewegung der Platte ergibt. Jede Leiterplatte 96 weist zusätzlich ein Verbindungsstück 93 zum Anbringen der Leiterplatte 96 an dem internen Bus und/oder einer anderen Verdrahtung auf, wie es hier nachstehend besprochen wird. Die 20–22 zeigen im Wesentlichen die gleichen Komponenten wie in den 17–19, wobei der primäre Unterschied in einer Kassettenendkappe 100 mit einem kleineren Durchmesser besteht. Diese Ausführungsform mit zwei Leseköpfen mit einem kleineren Durchmesser würde den Kassetten mit kleinerem Durchmesser zum Beispiel der Gelenke 30, 32, 34 und 36 zugeordnet werden.
Die Verwendung von mindestens zwei Leseköpfen (oder mehr, wie die drei Leseköpfe, die in den 9D–E gezeigt sind, und die vier Leseköpfe, die in den 9B–C gezeigt sind) wird auch vorteilhafterweise in herkömmlicheren Koordinatenmessgeräten eingesetzt, um die Kosten und die Komplexität ihrer Herstellung erheblich zu verringern. Zum Beispiel hat ein Koordinatenmessgerät, das in dem US-Patent 5,794,356 beschrieben ist (nachstehend "Raab '356") eine relativ einfache Konstruktion für jedes Gelenk einschließlich eines ersten Gehäuses, das ortsfest mit einer Gelenkhälfte bleibt, und eines zweiten Gehäuses, das ortsfest mit der zweiten Gelenkhälfte bleibt, wobei das erste und das zweite Gehäuse vorgespannte Lager aufweisen, wodurch sie sich miteinander drehen können. Das erste Gehäuse nimmt einen kompakten Codierer auf, und das zweite Gehäuse weist eine axial angeordnete interne Welle auf, die sich in das erste Gehäuse erstreckt und zu der Codiererwelle passt, die von dem kompakten Codierer vorsteht. Bei dem kompakten Codierer des Stands der Technik ist es notwendig, dass keine Lasten an ihn angelegt werden und dass die Bewegung des zweiten Gehäuses genau an den Codierer übertragen wird, und zwar trotz kleiner Verlagerungen der Achse der internen Welle und der Achse des kompakten Codierers, um die höchst genauen Drehmessungen beizubehalten. Um Herstellungstoleranzen bei einem axialen Versatz auszugleichen, ist eine spezielle Kopplungsvorrichtung zwischen der Codiererwelle und der internen Welle angeschlossen. Eine derartige Struktur ist aus 7 von Raab '356 ersichtlich.
Im Gegensatz dazu zeigt 35 eine modifizierte Struktur, bei der die Kopplungsvorrichtung und der kompakte Codierer des CMMs von Raab '356 entfernt sind und durch eine Impulsscheibe 96 und eine Endkappe 100 ersetzt sind. Hier befinden sich zwei Gelenke in einem Winkel von 90° zueinander, wobei jedes Gelenk ein erstes Gehäuse 420 und ein zweites Gehäuse 410 aufweist. Die interne Welle 412 erstreckt sich von dem zweiten Gehäuse 420 in das erste Gehäuse 410. Wie gezeigt ist, ist die Impulsscheibe 96 zum Beispiel unter Verwendung von Klebstoff an dem Ende der internen Welle 412 angebracht, während die Endkappe 100 innerhalb des ersten Gehäuses 420 befestigt ist. Es ist jedoch klar, dass die Impulsscheibe 96 innerhalb des ersten Gehäuses 420 und die Endkappe 100 an der internen Welle 412 befestigt sein kann, ohne den Betrieb des Gelenks zu beeinträchtigen.
Wie zuvor beschrieben wurde, führen die Verwendung von zwei (oder mehr) Leseköpfen und die resultierende Fehleraufhebung trotz kleiner axialer Verlagerungen zu einer weniger fehleranfälligen und genaueren Codierermessung. Außerdem desensibilisiert eine direkte Beziehung zwischen dem Gitter und der Streifenverschiebung den Codierer gegenüber durch die Umgebung induzierte Fehler, für welche Vorrichtungen des Stands der Technik anfällig sind. Ferner sind, da der Interferenzbereich groß ist und da eine nahezu sinusförmige Interferenz überall innerhalb dieses Bereichs erhalten wird, Ausrichtungstoleranzen weit lockerer als in Verbindung mit Codierern des Stands der Technik, wie zuvor beschrieben wurde.
Bei einem weiteren Beispiel beschreibt das US-Patent 5,829,148 von Eaton (nachstehend Eaton '148) ein CMM des Stands der Technik, bei dem ein kompakter Codierer einen festen Bestandteil jedes Gelenks bildet, indem er primäre drehbare Lager vorsieht und daher die Notwendigkeit der Kompensierung von axialen Verlagerungen vermeidet, die bei Raab '356 wie vorstehend besprochen erforderlich ist. Da jedoch der Codierer primäre drehbare Lager vorsieht, ist es wichtig, dass der Codierer strukturell robust und in der Lage ist, verschiedenen Lasten unterworfen zu werden, ohne dass dessen Leistung beeinträchtigt wird. Dies kommt noch zu den Kosten und der Sperrigkeit des Codierers hinzu. Eine derartige Struktur ist in 4 von Eaton '148 zu sehen.
Im Gegensatz dazu zeigt 36 eine modifizierte Struktur, bei der der kompakte Codierer und die Verbindungswelle eines Gelenks des CMMs von Eaton '148 entfernt und durch die Endkappe 100 und die Impulsscheibe 96 ersetzt ist. Hier hält ein erstes Gehäuse 470 die Endkappe 100 und hält die interne Welle 462 des zweiten Gehäuses 460 durch Lager 472. Die interne Welle 462 ist verlängert, um nahe der Endkappe 100 zu enden, und die Impulsscheibe 96 ist zum Beispiel unter Verwendung von Klebstoff an dem Ende der internen Welle 462 angebracht. Wie bei der Ausführungsform, die in 35. gezeigt ist, verringert die Verwendung von zwei (oder mehr) Leseköpfen die Kosten und Komplexität des Gelenks erheblich, ohne dass die Genauigkeit darunter leidet.
Nun mit Bezug auf 23A ist ein Blockdiagramm der Elektronik für die Ausführungsform mit dem einzelnen Lesekopf der 9A, 11A, 13A und 15A gezeigt. Es ist ersichtlich, dass das CMM 10 vorzugsweise einen externen Bus (vorzugsweise einen USB-Bus) 260 und einen internen Bus (vorzugsweise RS485) 261, der so gestaltet ist, dass er auf mehrere Codierer erweitert werden kann, sowie entweder eine außen angebrachte Schiene oder zusätzliche Drehachsen, wie eine siebte Achse, einschließt. Der interne Bus entspricht vorzugsweise RS485, und dieser Bus ist vorzugsweise so konfiguriert, dass er als ein serielles Netzwerk entsprechend dem seriellen Netzwerk zum Übertragen von Daten von Wandlern in einem tragbaren CMM-Arm, wie in dem ebenfalls vergebenen US-Patent 6,219,928 offenbart ist, verwendet werden kann.
Mit Bezug auf 23A ist es ersichtlich, dass jeder Codierer in jeder Kassette einer Codiererplatine zugeordnet ist. Die Codiererplatine für die Kassette im Gelenk 16 ist innerhalb der Basis 12 positioniert und in 25 mit 112 gekennzeichnet. Die Codierer für die Gelenke 18 und 30 werden auf einer zweifachen Codiererplatine verarbeitet, die sich in dem zweiten langen Gelenk 30 befindet und in 26 mit 114 gekennzeichnet ist. 26 zeigt auch eine ähnliche zweifache Codiererplatine 116 für die Codierer, die in den Gelenken 32 und 34 verwendet werden, wobei die Platine 116 in dem dritten langen Gelenk 34 positioniert ist, wie in 26 gezeigt ist. Schließlich ist die Endcodiererplatine 118 in nerhalb des Griffs 28 der Messsonde positioniert, wie in 24 gezeigt ist, und wird verwendet, um die Codierer in dem kurzen Gelenk 36 zu verarbeiten. Jede der Platinen 114, 116 und 118 ist einem Thermoelement zugeordnet, um auf Grund von Temperaturschwankungen einen Wärmeausgleich vorzusehen. Jede Platine 112, 114, 116 und 118 enthält eine eingebettete Analog-Digital-Umsetzung, eine Codiererzählung und serielle Schnittstellenanschlüsse. Jede Platine weist auch einen durch Eingabe programmierbaren Flash-Speicher auf, um eine lokale Speicherung von Betriebsdaten zu ermöglichen. Die Hauptprozessorplatine 112 ist auch durch den externen USB-Bus 260 feldprogrammierbar. Wie erwähnt ist der interne Bus (RS-485) 261 so gestaltet, dass er für mehr Codierer erweiterbar ist, was auch entweder eine außen montierte Schiene und/oder eine siebte Drehachse einschließt. Eine Achsenschnittstelle wurde vorgesehen, um eine interne Busdiagnose zur Verfügung zu stellen. Mehrere CMMs der in diesen Figuren bei 10 gezeigten Art können auf Grund der Kapazitäten des externen USB-Kommunikationsprotokolls an einer einzelnen Anwendung angebracht werden. Außerdem können aus genau den gleichen Gründen mehrere Anwendungen an einem einzelnen CMM 10 angebracht werden.
Vorzugsweise schließt jede Platine 112, 114, 116 und 118 einen 16-Bit-Digitalsignalprozessor ein, wie den Prozessor, der von Motorola unter der Bezeichnung DSP56F807 erhältlich ist. Diese einzelne Verarbeitungskomponente kombiniert viele Verarbeitungsmerkmale, einschließlich einer seriellen Kommunikation, der Decodierung von Phasenverschiebungen, A/D-Umsetzern und eines integrierten Speichers, wodurch eine Verringerung der Gesamtzahl von für jede Platine erforderlichen Chips ermöglicht wird.
Gemäß eines weiteren wichtigen Merkmals der vorliegenden Erfindung ist jeder der Codierer einem individualisierten Kennungschip 120 zugeordnet. Dieser Chip identifiziert jeden individuellen Codierer und identifiziert daher jede individuelle modulare Lager/Codierer-Kassette, um die Qualitätskontrolle, das Testen und Reparaturen zu vereinfachen und zu beschleunigen.
23B ist ein Elektronik-Blockdiagramm, das ähnlich wie in 23A ist, jedoch die Ausführungsform der 10, 12, 14 und 16–22 mit zweifachem Lesekopf zeigt.
Mit Bezug auf die 24–26 wird nun der Aufbau jeder Kassette in dem angelenkten Arm 14 beschrieben (es ist zu beachten, dass 24 den Arm 10 ohne Basis 12 zeigt. Es ist auch zu beachten, dass die 24–26 die Ausführungsformen mit einzelnem Lesekopf der 9A, 11A, 13A und 15A verwenden. Wie in 25 gezeigt ist, schließt das erste lange Gelenk 16 eine relativ lange Kassette 44 ein, deren oberes Ende in eine zylindrische Muffe 120 der zweifachen Muffenverbindung 46 eingeführt worden ist. Die Kassette 44 ist unter Verwendung eines geeigneten Klebstoffs sicher innerhalb der Muffe 120 gehalten. Das gegenüberliegende untere Ende der Kassette 44 ist in ein Verlängerungsrohr eingeschoben, welches in dieser Ausführungsform eine Aluminiumhülse 122 sein kann (aber die Hülse 122 kann auch aus einer steifen Legierung oder einem Verbundstoffmaterial bestehen). Die Kassette 44 ist in der Hülse 122 wiederum unter Verwendung eines geeigneten Klebstoffs gesichert. Das untere Ende der Hülse 122 schließt einen Abschnitt 124 mit größerem Außendurchmesser und mit einem Innengewinde 126 auf diesem ein. Ein derartiges Gewinde ist nach außen verjüngt und ist so konfiguriert, dass es in Bezug auf das Gewinde zu einem sich nach innen verjüngenden Gewinde 128 auf einem magnetischen Trägergehäuse 130 passt, wie es in 4 deutlich gezeigt ist. Wie besprochen wurde, sind alle der mehreren Gelenke des CMMs 10 unter Verwendung eines derartigen sich verjüngenden Gewindes miteinander verbunden. Vorzugsweise ist das kegelige Gewinde vom NPT-Typ, welches selbstdichtend ist, und daher sind keine Sicherungsmuttern oder andere Befestigungsvorrichtungen erforderlich. Dieses Gewinde ermöglicht auch ein Gewindeverriegelungsmittel und sollte dieses einschließen.
Nun mit Bezug auf 26 ist, wie bei dem ersten langen Gelenk 16, die lange Kassette 44' mit einem Klebstoff in der zylindrischen Öffnung 120' der zweifachen Muffenverbindung 46' gesichert. Das äußere Gehäuse 64' der Kassette 44' schließt einen Absatz 132 ein, der durch die untere Oberfläche des Flansches 72' definiert ist. Dieser Absatz 132 trägt das zylindrische Verlängerungsrohr 134, das über der Außenfläche des Gehäuses 64' vorgesehen ist und dieses umgibt. Verlängerungsrohre werden in den Gelenken verwendet, um ein Rohr mit variabler Länge zum Anbringen an einer mit Gewinde versehenen Komponente zu schaffen. Das Verlängerungsrohr 134 erstreckt sich somit von dem Boden der Kassette 64' nach außen, und eine mit Gewinde versehene Hülse 136 ist in dieses eingeschoben. Es wird ein geeigneter Klebstoff verwendet, um das Gehäuse 44' an das Verlängerungsrohr 134 zu binden und die Hülse 136 und das Rohr 134 zu verbinden. Die Hülse 136 endet an einem kegeligen Abschnitt mit einem Außengewinde 138 auf diesem. Das Außengewinde passt in Bezug auf das Gewinde zu dem Innengewinde 140 auf dem Verbindungsstück 142, das mit Klebstoff in der Öffnung 144 der zweifachen Muffenverbindung 48 gesichert wurde. Vorzugsweise besteht das Verlängerungsrohr 134 aus einem Verbundstoffmaterial, wie einem geeigneten Kohlefaserverbundstoff, während die mit Gewinde versehene Hülse 136 aus Aluminium besteht, um zu den Wärmeeigenschaften der zweifachen Muffenverbindung 48 zu passen. Es ist ersicht lich, dass die PC-Platine 114 an einem Träger 146 befestigt ist, der wiederum an dem Träger 142 der zweifachen Muffenverbindung gesichert ist.
Zusätzlich zu den vorstehend erwähnten Gewindeverbindungen kann ein oder können einige oder alle der Gelenke unter Verwendung von mit Gewinde versehenen Befestigungsmitteln miteinander verbunden sein, wie in den 25A–B gezeigt ist. Im Gegensatz zu der mit Gewinde versehenen Hülse 136 aus 26 hat die Hülse 136' aus 25B ein glattes kegeliges Ende 137, das in einem komplementären kegeligen Muffenträger 142' gehalten ist. Ein Flansch 139 erstreckt sich um den Umfang nach außen von der Hülse 136' mit einer Gruppierung von Bolzenlöchern (in diesem Fall 6) durch diese zur Aufnahme von Gewindebolzen 141. Die Bolzen 141 werden mit dem Gewinde in entsprechenden Löchern entlang der Oberfläche des Muffenträgers 142' aufgenommen. Ein Verlängerungsrohr 134' ist über der Hülse 136' aufgenommen, wie bei der Ausführungsform aus 26. Die komplementären kegeligen männlichen und weiblichen Verbindungen für die Gelenke schaffen verbesserte Verbindungsgrenzflächen im Vergleich zum Stand der Technik.
Immer noch mit Bezug auf 26 ist die lange Kassette 44'' des dritten langen Gelenks 34 auf ähnliche Weise wie die Kassette 44' des langen Gelenks 30 an dem Arm 14 gesichert. Das heißt, der obere Abschnitt der Kassette 44'' ist mit Klebstoff in einer Öffnung 120'' der zweifachen Muffenverbindung 46'' gesichert. Ein Verlängerungsrohr 148 (vorzugsweise bestehend aus einem Verbundstoffmaterial, wie in Bezug auf das Rohr 134 beschrieben wurde) ist über dem äußeren Gehäuse 64'' positioniert und erstreckt sich nach außen von diesem, um eine Gegenhülse 150 aufzunehmen, die mit einem Klebstoff in dem Innendurchmesser des Verlängerungsrohrs 148 gesichert ist. Die Gegenhülse 150 endet an einem kegeligen Abschnitt mit einem Außengewinde 152 und passt zu einem komplementären Innengewinde 153 auf dem zweifachen Muffenverbindungsträger 154, der mit Klebstoff an einer zylindrischen Muffe 156 innerhalb der zweifachen Muffenverbindung 148' angebracht wurde. Die gedruckte Schaltung 116 ist auf ähnliche Weise unter Verwendung des PCB-Trägers 146' mit der zweifachen Muffenverbindung verbunden, wobei der Träger an dem zweifachen Muffenverbindungsträger 154 gesichert ist.
Wie in Bezug auf die 7 und 8 besprochen wurde, sind die kurzen Kassetten 44' in den 13 und 14 und 108 der 15 einfach zwischen zwei zweifachen Muffenverbindungen 46, 48 positioniert und unter Verwendung eines geeigneten Klebstoffs innerhalb der zweifachen Muffenverbindungen gesichert. Dadurch können die lange und die kurze Kassette leicht in rechten Winkeln miteinander verbunden werden (oder falls gewünscht in anderen als rechten Winkeln).
Die modularen Lager/Wandler-Kassetten, wie sie vorstehend beschrieben wurden, bilden einen wichtigen technologischen Vorsprung bei tragbaren CMMs, wie zum Beispiel in den vorstehend genannten Patenten Raab '356 und Eaton '148 gezeigt. Das liegt daran, dass die Kassette (oder das Gehäuse der Kassette) tatsächlich ein Strukturelement jedes Gelenks definiert, das den angelenkten Arm bildet. Wie es hier verwendet wird, bedeutet "Strukturelement", dass die Oberfläche der Kassette (z.B. das Kassettengehäuse) starr an den anderen Strukturkomponenten des angelenkten Arms angebracht ist, um die Drehung ohne Verformung des Arms (oder höchstens unter minimaler Verformung) zu übertragen. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen tragbaren CMMs (wie in den Patenten Raab '356 und Eaton '148 offenbart ist), wobei separate und verschiedene Gelenkelemente und Übertragungselemente erforderlich sind, wobei die drehbaren Codierer Teil der Gelenkelemente sind (aber nicht der Übertragungselemente). Kurz gesagt hat die vorliegende Erfindung durch Kombinieren der Funktionalität der Gelenk- und Übertragungselemente zu einer einzigen modularen Komponente (d.h. Kassette) die Notwendigkeit für separate Übertragungselemente (z.B. Übertragungsglieder) eliminiert. Somit verwendet die vorliegende Erfindung statt eines angelenkten Arms, der aus separaten und verschiedenen Gelenken und Übertragungselementen besteht, einen angelenkten Arm, der aus einer Kombination aus längeren und kürzeren Gelenkelementen (d.h. Kassetten) besteht, die jeweils Strukturelemente des Arms sind. Dies führt zu besseren Nutzeffekten im Vergleich zum Stand der Technik. Zum Beispiel betrug die Anzahl der Lager, die in den Patenten '148 und '582 in einer Kombination aus Gelenk und Übertragungsglied verwendet wurde, vier (zwei Lager in dem Gelenk und zwei Lager in dem Übertragungsglied), während die modulare Lager/Wandler-Kassette der vorliegenden Erfindung ein Minimum von einem Lager verwenden kann (obwohl zwei Lager bevorzugt werden) und immer noch die gleiche Funktionalität erfüllt (wenn auch auf eine andere und verbesserte Weise).
Die 24A und 26A–B sind Querschnittsansichten, ähnlich wie die 24–26, aber sie zeigen die Ausführungsformen der 10, 12, 14 und 16–22 mit zweifachem Lesekopf und sind weitere Querschnitte des in 3A gezeigten CMMs 10'.
Die Gesamtlänge des angelenkten Arms 14 und/oder die verschiedenen Armsegmente können je nach ihrer beabsichtigten Anwendung schwanken. In einer Ausführungsform kann der angelenkte Arm eine Gesamtlänge von etwa 24 Inch aufweisen und Messungen im Bereich von etwa 0,0002 Inch bis 0,0005 Inch (≅ 5,1 μm–12,7 μm) bieten. Diese Armabmessung und Messgenauigkeit stellt ein tragbares CMM zur Verfügung, welches für Mes sungen, die nun unter Verwendung von typischen Handwerkzeugen, wie Mikrometern, Höhenmessgeräten, Tastern und dergleichen, durchgeführt werden, gut geeignet ist. Natürlich könnte der angelenkte Arm 14 kleinere oder größere Abmessungen und Genauigkeitsgrade aufweisen. Zum Beispiel können größere Arme eine Gesamtlänge von 8 oder 12 Fuß (≅ 2,44 m–3,66 m) und zugehörige Messgenauigkeiten von 0,001 Inch (≅ 25 μm) aufweisen, wodurch die Verwendung in den meisten Echtzeit-Prüfanwendungen oder die Verwendung beim Reverse Engineering möglich ist.
Das CMM 10 kann auch mit einem Controller verwendet werden, der auf diesem montiert ist und verwendet wird, um ein relativ vereinfachtes ausführbares Programm ablaufen zu lassen, wie es in dem vorgenannten Patent 5,978,748 und der Anmeldung mit dem Aktenzeichen Nr. 09/775,226 offenbart ist; oder es kann mit komplexeren Programmen auf einem Hostcomputer 172 verwendet werden.
Mit Bezug auf die 1–6 und 24–26 sind bei einer bevorzugten Ausführungsform jedes der langen und kurzen Gelenke durch einen elastomeren Puffer oder eine elastomere Abdeckung geschützt, der bzw. die dahingehend wirkt, große Aufprallstöße zu begrenzen und ergonomisch angenehme Greifstellen vorzusehen (und eine ästhetisch angenehme Erscheinung bietet). Die langen Gelenke 16, 30 und 34 sind jeweils durch eine starre austauschbare Kunststoffabdeckung (z.B. ABS) geschützt, die als ein Schutz gegen Aufprall und Abrieb dient. Für das erste lange Gelenk 16 liegt diese starre austauschbare Kunststoffabdeckung in Form des zweiteiligen Basisgehäuses 26A und 26B vor, wie es auch in 4 gezeigt ist. Die langen Gelenke 30 und 34 sind jeweils durch ein Paar von Abdeckungsteilen 40 und 41 geschützt, die, wie in den 5 und 6 gezeigt ist, unter Verwendung von geeigneten Schrauben zweischalig miteinander verbunden werden können, um eine Schutzhülse zu bilden. Es ist ersichtlich, dass bei einer bevorzugten Ausführungsform diese starre austauschbare Kunststoffabdeckung für jedes lange Gelenk 30 und 34 das vorzugsweise zusammengesetzte (Kohlefaser-) Verlängerungsrohr 134 bzw. 148 umgeben wird.
Vorzugsweise schließt eine der Abdeckungen, in diesem Fall der Abdeckungsabschnitt 41, einen abgeschrägten Trägerpfosten 166 ein, der einstückig in diesem geformt ist und die Drehung an dem Ellbogen des Arms begrenzt, um die Sonde 28 so einzuschränken, dass sie in der Ruheposition nicht mit der Basis 12 kollidiert. Dies ist am besten in den 3, 24 und 26 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass der Pfosten 166 somit einen unnötigen Aufprall und Abrieb begrenzt.
Wie mit Bezug auf die 29 und 31 besprochen wird, kann die Sonde 28 auch eine austauschbare Schutzabdeckung aus Kunststoff aufweisen, die aus einem starren Kunststoffmaterial gefertigt ist.
Die 3A, 24A und 26A–B zeigen alternative Schutzhälsen 40', 41', die auch eine zweischalige Konstruktion aufweisen, aber unter Verwendung von Bändern oder Quetschklemmen 167 anstelle von mit Gewinde versehenen Befestigungsmitteln an Ort und Stelle gehalten werden.
Jedes der kurzen Gelenke 18, 32 und 36 schließt ein Paar von elastomeren Puffern 38 ein (z.B. aus thermoplastischem Gummi, wie Santoprene^®), wie es zuvor erwähnt wurde und deutlich in den 1–3 und 5–6 gezeigt ist. Die Puffer 38 können entweder unter Verwendung eines mit einem Gewinde versehenen Befestigungsmittels, eines geeigneten Klebstoffs oder auf eine andere geeignete Weise angebracht werden. Der elastomere oder Gummipuffer 38 begrenzt den großen Aufprallstoß und bietet eine ästhetisch und ergonomisch angenehme Greifstelle.
Die vorstehenden Abdeckungen 40, 41, 40', 41' und die Puffer 38 sind jeweils leicht austauschbar (ebenso wie das Basisgehäuse 26A, 26B) und ermöglichen eine schnelle und kostengünstige Instandsetzung des Arms 14, ohne die mechanische Leistung des CMMs 10 zu beeinflussen.
Immer noch mit Bezug auf die 1–3 schließt das Basisgehäuse 26A, B mindestens zwei zylindrische Ansätze für das Montieren einer Kugel ein, wie es in 3 bei 168 gezeigt ist. Die Kugel kann zum Montieren eines klammerartigen Computerhalters 170 verwendet werden, der wiederum eine tragbare oder andere Computervorrichtung 172 (z.B. den "Hostcomputer") trägt. Vorzugsweise ist ein zylindrischer Ansatz auf jeder Seite des Basisgehäuses 26A, B vorgesehen, so dass die Kugel-Klammer-Computerhalterung auf jeder Seite des CMMs 10 montiert werden kann.
Nun mit Bezug auf die 15, 16, 27A, B und 28 wird jetzt das bevorzugte Gegengewicht zur Verwendung mit dem CMM 10 beschrieben. Herkömmlicherweise wurde bei tragbaren CMMs der hier beschriebenen Art eine außen montierte Schraubenfeder verwendet, die separat wie ein Ausleger an der Außenseite des angelenkten Arms zur Verwendung als ein Gegengewicht montiert wurde. Im Gegensatz dazu verwendet die vorliegende Erfindung ein vollständig integriertes inneres Gegengewicht, das zu einem niedrigeren Gesamtprofil für den angelenkten Arm führt. Typischerweise wurden in Gegengewichten des Stands der Technik gewundene Schraubenfedern in dem Gegengewichtmechanismus verwendet. Gemäß einem wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung verwendet jedoch das Gegengewicht eine maschinell bearbeitete Schraubenfeder (im Gegensatz zu einer gewundenen Schraubenfeder). Diese maschinell bearbeitete Feder 110 ist in den 16 und 27A–B gezeigt und wird aus einem einzelnen Zylinder aus Metall (Stahl) gebildet, der so maschinell bearbeitet wird, dass er ein Paar von relativ breiten Ringen 174, 176 an entgegen gesetzten Enden der Wicklung und relativ engere Ringe 178, die die Zwischenwicklungen zwischen den Endwicklungen 174, 176 bilden, aufweist. Es ist ersichtlich, dass die breiteren Endringe 174, 176 mit den jeweiligen Seitenflächen 180 der Welle 62' und 182 des Gehäuses 64'' im Eingriff sind, wodurch eine seitliche Bewegung der Feder 110 verhindert wird. Die breiteren festen Endringe 174, 176 wirken als eine Verdrehsicherung und schaffen eine bessere Funktion im Vergleich zu gewundenen Federn des Stands der Technik. Der Endring 174 weist vorzugsweise ein Paar von Verriegelungspfosten 184, 186 auf (obwohl auch nur ein Verriegelungspfosten verwendet werden kann), während der Endring 176 einen Verriegelungspfosten 188 aufweist.
Mit Bezug auf die 27B weist jede zweifache Muffenverbindung 46, 48 Kanäle auf, wie sie bei 190 und 191 in der zweifachen Muffenverbindung 46 gezeigt sind, um einen jeweiligen Pfosten 184, 186 oder 188 aufzunehmen. Mit Bezug auf die 28 kann, während die Stifte 184, 186 in einer festen Position innerhalb des passenden Kanals oder der passenden Nut der zweifachen Muffenverbindung 48 bleiben, die Position des Stifts 188 so geändert werden, dass die gesamte Aufwicklung auf der Feder 110 optimiert wird und die effizienteste Gegengewichtskraft zur Verfügung gestellt wird. Dies wird durch Verwendung eines Gewindelochs 192 erreicht, das eine Gewindeschraube 194 aufnimmt. Wie in 28 gezeigt ist, kann die Schraube 194 so betätigt werden, dass sie den Stift 188 berührt und den Stift 188 in Umfangsrichtung im Uhrzeigersinn entlang eines Innenkanals 196 bewegt, der in 27B als senkrecht zu der Stiftzugangsnut 190 gezeigt ist. Die Schraube 194 ist vorzugsweise so positioniert, dass sie die Feder 110 im Betrieb optimiert.
Es ist ersichtlich, dass während der Verwendung des angelenkten Arms 14 die Codierer/Lager-Kassette 108 als eine Gelenkverbindung dient, und sobald sie in die Muffen der zweifachen Muffenverbindungen 46, 48 eingeführt und mit Klebstoff in diesen gesichert ist, die Stifte 184, 186 und 188 in ihren jeweiligen Nuten verriegelt werden. Wenn die Muffenverbindung 48 relativ zur Muffenverbindung 46 (über die Gelenkverbindung der Kassette 108) gedreht wird, wird sich die Feder 110 aufwickeln. Wenn es gewünscht ist, dass sich die Muffenverbindung 48 in ihre ursprüngliche Position zurück dreht, werden sich die gewundenen Kräfte der Feder 110 abwickeln und dadurch die gewünschte Gegengewichtskraft zur Verfügung stellen.
Für den Fall, dass es gewünscht ist, dass der angelenkte Arm 14 verkehrt herum montiert wird, wie auf einem Zerkleinerer bzw. einer Schleifmaschine, einem Balken oder einer Decke, kann die Ausrichtung der Feder 110 ähnlich umgedreht (oder umgekehrt) werden, so dass die richtige Ausrichtung für das notwendige Gegengewicht erreicht werden kann.
Nun mit Bezug auf die 29 und 30A-C wird jetzt eine bevorzugte Ausführungsform der Messsonde 28 beschrieben. Die Sonde 28 umfasst ein Gehäuse 196 mit einem Innenraum 198 in diesem, um eine gedruckte Schaltung 118 aufzunehmen. Es ist ersichtlich, dass das Gehäuse 196 eine zweifache Muffenverbindung der vorstehend beschriebenen Art darstellt und eine Muffe 197 einschließt, in die ein Trägerelement 199 zum Tragen der gedruckten Schaltung 118 eingebunden ist. Vorzugsweise weist der Griff 28 zwei Schalter auf, nämlich einen Aufnahmeschalter 200 und einen Bestätigungsschalter 202. Diese Schalter werden von dem Bediener verwendet, um eine Messung aufzunehmen (Aufnahmeschalter 200) und um die Messung während des Betriebs zu bestätigen (Bestätigungsschalter 202). Gemäß einem wichtigen Merkmal dieser Erfindung werden die Schalter voneinander differenziert, um eine Verwechslung bei der Verwendung zu vermeiden. Diese Differenzierung kann in einer oder mehreren Formen vorliegen, einschließlich zum Beispiel, dass die Schalter 200, 202 eine unterschiedliche Höhe und/oder unterschiedliche Strukturen (es ist zu beachten, dass der Schalter 202 eine Vertiefung aufweist, im Gegensatz zu der glatten oberen Oberfläche des Schalters 200) und/oder unterschiedliche Farben aufweisen (zum Beispiel kann der Schalter 200 grün sein, und der Schalter 202 kann rot sein). Ebenfalls gemäß einem wichtigen Merkmal dieser Erfindung ist den Schaltern 200, 202 ein Anzeigelicht 204 zum Anzeigen der richtigen Sondenanwendung zugeordnet. Vorzugsweise ist das Anzeigelicht 204 ein zweifarbiges Licht, so dass zum Beispiel das Licht 204 beim Aufnehmen einer Messung (und beim Drücken des grünen Aufnahmeknopfes 200) grün ist, und zum Bestätigen einer Messung (und beim Drücken des roten Knopfes 202) rot ist. Die Verwendung eines vielfarbigen Lichts wird leicht durch Verwendung eines bekannten LEDs als Lichtquelle für das Licht 204 erreicht. Um das Greifen zu unterstützen, eine verbesserte Ästhetik zur Verfügung zu stellen, und als Aufprallschutz ist eine äußere Schutzabdeckung der vorstehend beschriebenen Art bei 206 angezeigt und über einen Teil der Sonde 28 vorgesehen. Eine Schalterstromkreisplatte 208 ist zum Montieren der Knöpfe 200, 202 und der Lampe 204 vorgesehen und wird durch das Trägerelement 199 gehalten. Die Schalttafel 208 ist elektrisch mit der Platine 118 verbunden, die Komponenten zur Verarbeitung der Schalter und des Lichtanzeigers sowie zur Verarbeitung der kurzen Gelenkverbindung 36 aufnimmt.
Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung, und mit Bezug auf die 29 und die Figuren 30A–C, weist die Sonde 28 einen dauerhaft installierten Tastkopf sowie eine abnehmbare Kappe zum Einstellen einer festen Sonde, während der Tastkopf geschützt wird, auf. Der Tastkopfmechanismus ist in 29 bei 210 gezeigt und basiert auf einem vereinfachten kinematischen Dreipunktsitz. Diese herkömmliche Konstruktion weist eine Nase 212 auf, die eine Kugel 214 berührt, die durch eine Kontaktfeder 216 vorgespannt ist. Drei Kontaktstifte (wobei ein Stift bei 218 gezeigt ist) sind mit einem Grundstromkreis in Berührung. Das Anlegen irgendwelcher Kräfte an die Sondennase 212 führt zum Anheben einer der drei Kontaktstifte 218, was zu einem Öffnen des Grundstromkreises und somit zur Aktivierung eines Schalters führt. Vorzugsweise arbeitet der Tastkopf 210 zusammen mit dem vorderen "Aufnahme"-Schalter 200.
Wie in 30B gezeigt ist, ist bei Verwendung des Tastkopfes 210 eine mit Gewinde versehene Schutzabdeckung 220 durch das Gewinde an dem Gewinde 222 angebracht, das den Tastkopf 210 umgibt. Wenn es gewünscht ist, an Stelle des Tastkopfes eher eine feste Sonde zu verwenden, wird die abnehmbare Kappe 220 jedoch entfernt und eine gewünschte feste Sonde, wie sie in den 29 und 30A–C bei 224 gezeigt ist, wird mit einem Gewinde an dem Gewinde 222 angebracht. Es ist ersichtlich, dass, während an der festen Sonde 224 eine runde Kugel 226 angebracht ist, jede andere und gewünschte feste Sondenkonfiguration mit Gewinde über das Gewinde 222 an der Sonde 28 leicht angebracht sein kann. Der Tastkopfaufbau 210 ist in einem Gehäuse 228 montiert, welches mit Gewinde in dem Gewindeverbindungsstück 230 aufgenommen ist, das einen Teil des Sondengehäuses 196 bildet. Diese Gewindeverbindung bietet die vollständige Integration des Tastkopfes 210 in der Sonde 28.
Das Vorsehen eines vollständig integrierten Tastkopfes stellt ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung dar und unterscheidet sich von abnehmbaren Tastköpfen des Stands der Technik bei CMMs des Stands der Technik. Außerdem ist der dauerhaft installierte Tastkopf auch leicht zu einer Festsonde umzubauen, wie vorstehend beschrieben.
Die 29A–C offenbaren noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform für eine Messsonde gemäß der vorliegenden Erfindung. In den 29A–C ist bei 28' eine Messsonde gezeigt und ist im Wesentlichen ähnlich der Messsonde 28 in 29, wobei der Hauptunterschied in der Konfiguration des "Aufnahme-" und "Bestätigungs"-Schalters besteht. Die Messsonde 28' verwendet an Stelle der unterschiedlichen Knopfschalter, die in 29 gezeigt sind, zwei Paare von bogenförmigen länglichen Schaltern 200a–b und 202ab. Jedes jeweilige Paar von länglichen Schaltern 202a–b und 200a–b entsprechen jeweils dem Aufnahmeschalter und dem Bestätigungsschalter, wie vorstehend mit Bezug auf 29 beschrieben. Ein Vorteil der Ausführungsform der Messsonde 28' im Vergleich zur Ausführungsform der Messsonde 28 besteht darin, dass jedes Paar von länglichen Schaltern 202 und 200 nahezu den gesamten Umfang (oder zumindest den Großteil des Umfangs) der Messsonde umgibt und daher durch den Bediener des tragbaren CMMs leichter betätigbar ist. Wie bei der Ausführungsform aus 29 ist jedem Schalter ein Anzeigelicht 204 zugeordnet, wobei das Licht 204 und die Schalter 200, 202 auf jeweiligen gedruckten Leiterplatten 208' montiert sind. Außerdem können, wie bei der Ausführungsform aus 29, die Schalter 200, 202 durch Verwendung von zum Beispiel unterschiedlichen Höhen, unterschiedlichen Strukturen und/oder unterschiedlichen Farben unterschieden werden. Vorzugsweise schwimmen die Schalter 200, 202 etwas, so dass der Knopf betätigt werden kann, wenn er an irgendeiner Stelle entlang desselben ge drückt wird. Wie bei der Ausführungsform aus 29 wird bei 206 eine äußere Schutzabdeckung der vorstehend beschriebenen Art verwendet und über einem Teil der Sonde 28' vorgesehen.
Nun mit Bezug auf 31 ist eine alternative Messsonde zur Verwendung mit dem CMM 10 im Allgemeinen bei 232 gezeigt. Die Messsonde 232 ist ähnlich zur Messsonde 28 aus 29, wobei der Hauptunterschied darin liegt, dass die Sonde 232 eine drehbare Griffabdeckung 234 aufweist. Die drehbare Abdeckung 234 ist auf einem Paar von beabstandeten Lagern 236, 238 montiert, die wiederum auf einem Innenkern oder Träger 240 montiert sind, so dass die Abdeckung 234 (über die Lager 236, 238) um den Innkern 240 frei drehbar ist. Die Lager 236, 238 sind vorzugsweise Radiallager und minimieren die parasitären Drehmomente auf dem Arm auf Grund der Handhabung der Sonde. Was wesentlich ist, ist dass die Schalterabdeckplatte 208' und die entsprechenden Schalter 200', 202' und die LED 204' jeweils an der drehbaren Griffabdeckung 234 montiert sind, um sich mit diesen zu drehen. Während der Drehung ist eine elektrische Netzwerkfähigkeit zur verarbeitenden Platine 118' unter Verwendung eines herkömmlichen Schleifringmechanismus 242 vorgesehen, der eine bekannte Vielzahl von beabstandeten Federfingern 242 aufweist, die die feststehenden kreisförmigen Kanäle 244 berühren. Diese Kontaktkanäle 244 sind wiederum mit der Platine 118' elektrisch verbunden. Die drehbare Griffabdeckung 234 und der Schalteraufbau sind somit unter Verwendung des Schleifringleiters 242 elektrisch mit dem Innenkern oder dem Sondenschaft 240 und der Elektronikplatine 188' gekoppelt. Die Drehung des Sondengriffs 234 ermöglicht eine für den Benutzer zweckmäßige Ausrichtung der Schalter 200', 202'. Dadurch kann der angelenkte Arm 14' während der Handhabung genau messen, indem undokumentierte Kräfte minimiert werden. Die Abdeckung 234 besteht vorzugsweise aus ei nem steifen Polymer und wird mit geeigneten Vertiefungen 246 und 248 versehen, um ein leichtes und bequemes Greifen und Handhaben durch den Sondenbediener zu ermöglichen.
Es ist ersichtlich, dass der Rest der Sonde 232 der Sonde 28 ziemlich ähnlich ist, einschließlich des Vorsehens eines dauerhaft und einstückig installierten Tastkopfes 210 in der Abdeckung 220. Es ist zu beachten, dass die Schalter 200', 202' unterschiedliche Höhen und Oberflächenstrukturen aufweisen, so dass die Erkennung leicht möglich ist.
Die drehbare Abdeckung 234 ist ein wesentlicher Vorsprung im Bereich von CMMs, da sie die Notwendigkeit einer siebten Drehachse an der Sonde überflüssig macht, wie sie in dem vorstehend genannten US-Patent 5,611,147 offenbart ist. Es ist ersichtlich, dass das Hinzufügen einer siebten Achse zu einem komplexeren und kostspieligeren CMM führt und außerdem eine weitere mögliche Fehlerquelle in das System einbringt. Die Verwendung der drehbaren Sonde 232 mindert die Notwendigkeit einer "echten" siebten Achse, da sie ermöglicht, dass die Sonde die Drehung bereitstellt, die für die Griffposition an dem Sondenende notwendig ist, und zwar ohne die Komplexität eines siebten Wandlers und den zugeordneten Lagern, Codierern und der Elektronik.
Für den Fall, dass es gewünscht ist, eine Messsonde mit einer "echten" siebten Achse zu verwenden, das heißt, dass man eine Messsonde mit einem siebten drehbaren Codierer zur Messung von drehender Drehung hat, ist eine derartige Messsonde in den 37–40 gezeigt. Mit Bezug auf diese Figuren ist eine Messsonde 500 gezeigt, wobei eine derartige Messsonde im Wesentlichen ähnlich zu der Messsonde aus 29 ist, wobei der Hauptunterschied in dem Einfügen einer modularen Lager/Wandler-Kassette 502 der vorstehend beschriebenen Art, dem Vorliegen der Aufnahme- und Bestätigungsschalter 504, 506 an den Seiten der Messsonde und dem Einschließen eines abnehmbaren Griffs 508 besteht.
Es ist ersichtlich, dass die modulare Lager/Wandler-Kassette 502 im Wesentlichen ähnlich zu den vorstehend im Einzelnen beschriebenen Kassetten ist und eine drehbare Welle, ein Paar von Lagern auf der Welle, eine optische Impulsscheibe, mindestens einen und vorzugsweise zwei optische Leseköpfe, die von der Impulsscheibe beabstandet sind und mit dieser in optischer Verbindung stehen, und ein die Lager, die optische Impulsscheibe, den Lesekopf (die Leseköpfe) und zumindest einen Abschnitt der Welle umgebendes Gehäuse einschließt, um die diskrete modulare Lager/Wandler-Kassette zu begrenzen. Eine Leiterplatte 503 für die Codiererelektronik befindet. sich in einer Öffnung 504 bei der Sonde 500. Paare von Aufnahme- und Bestätigungsknöpfen 504, 506 sind auf jeder Seite eines nach unten vorstehenden Gehäuseteils 510 der Sonde 500 positioniert, wobei die Knöpfe mit einer geeigneten PC-Platine 512 verbunden sind, wie bei der Messsonde der Ausführungsform aus 29. Ähnlich ist ein Anzeigelicht 513 zwischen den Knöpfen 504, 506 wie in den vorstehend besprochenen Ausführungsformen positioniert. Ein Paar von Gewindeöffnungen 514 in dem Gehäuse 510 nimmt Verbindungselemente zum lösbaren Anbringen des Griffs 508 auf, der eine leichte Handhabung zum Drehen während der Verwendung der Messsonde 500 vorsieht.
In allen anderen wesentlichen Hinsichten ist die Messsonde 500 ähnlich zur Messsonde aus 29, einschließlich der bevorzugten Verwendung eines dauerhaft installierten Tastkopfes bei 516 sowie einer abnehmbaren Kappe zum Anpassen einer festen Sonde 518, während der Tastkopf geschützt wird. Es ist ersichtlich, dass der siebte drehbare Codierer 502, der in der Messsonde 500 eingeschlossen ist, die Verwendung des CMMs 10 in Verbindung mit bekannten Lichtschnittsensoren und anderen periphären Vorrichtungen erleichtert.
Nun mit Bezug auf die 2–4, 23 und 25 ist gemäß einem wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung eine tragbare Stromversorgung vorgesehen, um das CMM 10 mit Strom zu versorgen und somit ein vollständig tragbares CMM vorzusehen. Dies steht im Gegensatz zu CMMs des Stands der Technik, bei denen die Stromversorgung nur auf einem Wechselstromkabel basierte. Außerdem kann das CMM 10 auch durch einen AC/DC-Adapter über eine herkömmliche Steckfassung direkt mit einem Wechselstromkabel betrieben werden. Wie in den 2, 3 und 25 gezeigt ist, ist bei 22 eine herkömmliche aufladbare Batterie (z.B. Li-Innenbatterie) gezeigt. Die Batterie 22 ist mechanisch und elektrisch mit einem herkömmlichen Batterieträger 252 verbunden, der wiederum elektrisch mit einer herkömmlichen Stromversorgung und einer Batterieaufladekreiskomponente 254 verbunden ist, die sich auf der Leiterplatte 20 befindet. Ebenfalls in Verbindung mit der Platine 20 sind ein Ein/Aus-Schalter 258 (siehe 3) und eine Hochgeschwindigkeitsverbindungsschnittstelle 260 (vorzugsweise eine USB-Schnittstelle). Die Gelenkelektronik des Arms 14 ist unter Verwendung eines RS-485-Bus mit der Platine 20 verbunden. Die Batterie 22 kann auf einem separaten Ladegerät oder am Ort in dem Gestell 252 aufgeladen werden, wie man es üblicherweise bei herkömmlichen Videokameras findet. Es ist ersichtlich, dass der tragbare Computer 172 (siehe 2) mehrere Stunden mit seinen eingebauten Batterien betrieben werden kann und/oder in einer anderen Ausführungsform elektrisch mit der Stromversorgungseinheit 254 des CMMs 10 verbunden werden kann.
Die integrierte Stromversorgungs-/Aufladeeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise als ein fester Be standteil des CMMs 10 positioniert, indem diese Komponente als ein fester Bestandteil der Basis 12 und insbesondere als ein Teil des Basisgehäuses 26A, B aus Kunststoff platziert wird. Es ist auch zu beachten, dass das Basisgehäuse 26A, B vorzugsweise einen kleinen Lagerbereich 259 mit einem schwenkbaren Deckel 262 zum Lagern von Ersatzbatterien, Sonden oder dergleichen aufweist.
Nun mit Bezug auf die 4, 25, 32–34 wird jetzt die neue magnetische Montagevorrichtung zur Verwendung mit dem CMM 10 beschrieben. Diese magnetische Montagevorrichtung ist im Allgemeinen bei 24 in den 4, 25, 32 und 33 gezeigt. Die magnetische Halterung 24 weist ein zylindrisches nicht magnetisches Gehäuse 266 auf, das an seinem oberen Ende in einem Gewindeabschnitt 268 mündet. Wie bei allen bevorzugten Gewinden, die in dem CMM 10 verwendet werden, ist das Gewinde 268 ein kegeliges Gewinde, das mit dem Gewinde 126 des ersten langen Gelenks 16 durch das Gewinde verbunden werden soll, wie es am besten in 25 gezeigt ist. Das nicht magnetische Gehäuse 266 hat eine im Wesentlichen zylindrische Konfiguration, mit der Ausnahme von zwei länglichen Erweiterungen 270, 272, die einander mit einem Winkel von 180° gegenüber liegen und sich von dem Gehäuse 266 nach außen und unten erstrecken. Auf jeder Seite der länglichen Erweiterungen 270, 272 ist ein Paar von halbzylindrischen Gehäusen 274, 276 angebracht, die jeweils aus einem "magnetischen" Material gebildet sind, das heißt, einem Material, das magnetisiert werden kann, wie Eisen oder magnetischer rostfreier Stahl. Zusammen bilden die "magnetischen" Gehäusehälften 274, 276 und die länglichen Erweiterungen 270, 272 eine zylindrische Umfassung mit offenem Ende, um einen Magnetkern 278 aufzunehmen und zu bergen. Der Magnetkern 278 hat eine längliche Form mit einer nicht magnetischen Mitte 280, die zwischen einem Paar von seltenen Erdmagneten (z.B. Neodym-Eisen-Bor) 282, 284 eingefasst ist. Eine axiale Öffnung 286 ist durch die nicht magnetische Mitte 280 vorgesehen. Eine kreisförmige Abdeckplatte 288 ist unterhalb des Magnetkerns 278 positioniert und befindet sich innerhalb des unteren Gehäuses, das durch die Elemente 274, 276 und die länglichen Erweiterungen 270, 272 gebildet ist. Eine Welle 290 ist durch eine kreisförmige Öffnung 292 in dem Gehäuse 266 positioniert und erstreckt sich nach unten durch die axiale Öffnung 286 des Magnetkerns 278. Die Welle 290 ist zur Drehung durch ein oberes Lager 292 und ein unteres Lager 294 gehalten. Das obere Lager 292 wird durch eine interne zylindrische Ausnehmung in dem Gehäuse 266 aufgenommen, und das untere Lager 294 wird durch eine ähnliche zylindrische Ausnehmung in der Abdeckplatte 288 aufgenommen. Ein Hebel 296 erstreckt sich nach außen und senkrecht von der Welle 290 und stellt, wie nachstehend beschrieben wird, einen Ein/Aus-Mechanismus für die magnetische Halterung 264 zur Verfügung. Der Hebel 296 erstreckt sich nach außen aus dem Gehäuse 266 durch eine Nut 297 durch das Gehäuse 266 (siehe 25).
Dieser gesamte Aufbau des Hebels 296, der Welle 290 und der Lager 292, 294 ist unter Verwendung eines oberen, mit Gewinde versehenen Befestigungselements 298 und eines unteren Halterings 300 aneinander gesichert. Es ist ersichtlich, dass die verschiedenen Komponenten der magnetischen Halterung 264 weiterhin zum Beispiel durch mit Gewinde versehene Befestigungsmittel 302, die das Gehäuse 266 an Gehäuseteile 274, 276 aus "magnetischem" Material binden, und durch mit Gewinde versehene Befestigungsmittel 304 gesichert sind, die die Gehäuseteile 274, 276 mit der Abdeckung 288 verbinden. Außerdem bringen die mit Gewinde versehenen Befestigungsmittel 306 die länglichen Erweiterungen 270, 272 des Gehäuses 266 an der Abdeckung 288 an. Ein Stift 308 wird durch eine seitliche Öffnung in dem Kern 278 und eine seitliche Öffnung in der Welle 290 aufgenommen, um die Welle 290 an dem Kern 278 zu verriegeln. Auf diese Weise wird, wenn der Hebel 296 gedreht wird, die Welle 290 den Kern 278 über die Wellenverbindung 208 drehen.
Wie in den 1, 3 und 25 gezeigt ist, ist der Hebel 296 mit einem Griff 310 verbunden, der leicht auf der Außenseite der Basis 12 zugänglich ist und verwendet wird, um die magnetische Halterung 264 zu betätigen. Um eine derartige Betätigung vorzunehmen, wird einfach der Griff 296 bewegt (von rechts nach links in 1). Die Bewegung des Griffs 310 wird wiederum den Hebel 296 drehen, der wiederum die Welle 290 drehen wird, die dann die seltenen Erdmagnete 282, 284 aus ihrer Ruheposition (in der die Magnete 282, 284 mit den nicht magnetischen Erweiterungen 270, 272 ausgerichtet sind) in eine betätigte Position drehen wird, in denen die Magnete 282, 284 mit dem magnetischen Material 274, 276 ausgerichtet sind. Wenn die Magnete wie beschrieben mit dem magnetischen Material ausgerichtet sind, bildet sich ein Magnetfeld (Fluss). Wenn ähnlich die Magnete 282, 284 nicht mit dem magnetischen Material 274, 276 ausgerichtet sind, ist der Flussweg unterbrochen. In diesem Zustand kann die Magnetbasis von dem Tisch, auf dem sie ruht, getrennt werden. Es ist jedoch zu beachten, dass selbst in der nicht ausgerichteten Position ein gewisser restlicher magnetischer Fluss vorhanden sein wird. Dieser geringe restliche magnetische Fluss in der "Aus"-Position ist ein positives Merkmal dieser Erfindung, da eine geringe Menge an magnetischem Fluss dahingehend wirkt, dass sie mit dem Magneten reagiert und automatisch den Hebel 296 zurück in die "Ein"-Position dreht, wenn er auf den Tisch zurückgestellt wird. Es ist ersichtlich, dass, wenn die Magnete mit dem magnetischen Material ausgerichtet sind, ein starkes Magnetfeld aufgebaut wird und die halbkreisförmigen Elemente 274, 276 magnetisch an der ringförmigen Oberfläche, die an deren Unterseite gebildet ist, haften, wie bei 312 in den 25 und 33 gezeigt ist.
Die magnetische Halterung 264 der vorliegenden Erfindung stellt eine vollständig integrierte und dabei abnehmbare Montagevorrichtung zur Verfügung, da sie lösbar (über das Gewinde 268) montiert ist und durch andere Anbringungen ersetzt werden kann, wie eine Schraubenhalterung oder eine Vakuumhalterung. Natürlich muss, damit sie richtig verwendet wird, die magnetische Halterung 264 auf einer magnetisierbaren Oberfläche platziert und (über den Hebel 296) aktiviert werden, um zu arbeiten. Für den Fall, dass eine Montage auf einer nicht magnetischen Oberfläche (z.B. Granit) erforderlich ist, müssen Platten an den Grenzflächen oder andere geeignete Mechanismen zwischen der Magnetbasis und der nicht magnetischen Oberfläche verwendet werden.
Während bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, können verschiedene Modifikationen und Substitutionen vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Ansprüche zu verlassen. Demnach ist klar, dass die vorliegende Erfindung anhand von Erläuterungen und ohne Beschränkung beschrieben wurde.

Claims

Tragbares Koordinatenmessgerät, CMM, zum Messen der Position eines Objekts in einem ausgewählten Volumen, aufweisend: einen manuell positionierbaren, angelenkten Arm (14) mit entgegengesetzten ersten und zweiten Enden, wobei der Arm (14) eine Vielzahl von Gelenken (16, 18, 30, 32, 34, 36) einschließt; eine Messsonde (28), die an einem ersten Ende des angelenkten Arms (14) angebracht ist; eine elektronische Schaltung (172), die die Positionssignale von Wandlern (92, 94) in dem Arm (14) empfängt und eine digitale Koordinate entsprechend der Position der Sonde (28) in einem ausgewählten Volumen bereitstellt; und wobei mindestens eines der Gelenke (16) ferner aufweist: ein periodisches Bild (94) einer messbaren Charakteristik; mindestens zwei Leseköpfe (92), die von dem Bild (94) beabstandet sind und mit diesem in Verbindung stehen; und wobei das Bild (94) und die mindestens zwei Leseköpfe (92) innerhalb des Gelenks (16) so positioniert sind, dass sie zueinander drehbar sind, und wobei das Gelenk ferner aufweist: ein erstes (62) und ein zweites (64) Gehäuse, und eine drehbare Welle (60), die sich von dem zweiten Gehäuse (62) in das erste Gehäuse (64) erstreckt; ein Lager (52, 60), das zwischen der Welle (60) und dem ersten Gehäuse (64) angeordnet ist und es der drehbaren Welle (60) erlaubt, sich innerhalb des ersten Gehäuses (64) zu drehen; wobei das Bild (94) direkt an der drehbaren Welle (60) angebracht ist; wobei die mindestens zwei Leseköpfe (94) so innerhalb des ersten Gehäuses (64) befestigt sind, dass die Drehung des ersten Gehäuses (64) in Bezug auf das zweite Gehäuse (62) bewirkt, dass sich die mindestens zwei Leseköpfe (92) relativ zum Bild (94) bewegen.
CCM nach Anspruch 1, wobei: das Lager ein vorgespanntes Lager (52, 50) aufweist.
CMM nach Anspruch 2, wobei das vorgespannte Lager aufweist: ein erstes Lager (52); ein zweites Lager (50); ein inneres Abstandsrohr (54) zwischen dem ersten und dem zweiten Lager (50, 52); ein äußeres Abstandsrohr (56) zwischen dem ersten und dem zweiten Lager (50, 52); wobei das innere und das äußere Abstandsrohr (54, 56) verschiedene vorbestimmte Längen aufweisen; und wobei das innere und das äußere Abstandsrohr (54, 56) gegen das erste und das zweite Lager (54, 52) gedrückt sind, um eine vorbestimmte Vorspannung zu definieren.
CMM nach Anspruch 2, wobei: das mindestens eine Lager (50, 52) abgedichtet ist.
CMM nach Anspruch 1, wobei die zwei Leseköpfe (92) um 180° auseinander positioniert sind.
CMM nach Anspruch 1, wobei das Gelenk (16) mindestens drei Leseköpfe (92) aufweist.
CMM nach Anspruch 6, wobei die drei Leseköpfe (92) um 120° auseinander sind.
CMM nach Anspruch 1, wobei das Gelenk (16) mindestens vier Leseköpfe (92) aufweist.
CMM nach Anspruch 8, wobei die vier Leseköpfe (92) um 90° auseinander positioniert sind.
CMM nach Anspruch 1, wobei: das Bild (94) ein spannungsoptisches Bild aufweist; und die mindestens zwei Leseköpfe (92) einen optischen Lesekopf aufweisen.
CMM nach Anspruch 10, wobei: das spannungsoptische Bild auf einer optischen Impulsscheibe (94) angeordnet ist.
CMM nach Anspruch 10, wobei: die mindestens zwei Leseköpfe (92) die Interferenz zwischen Beugungsordnungen erfassen, um sinusförmige Signale von den Leseköpfen (92) zu erzeugen, die in dem spannungsoptischen Bild (94) eingefügt sind, wobei die sinusförmigen Signale elektronisch interpoliert werden, um eine Verschiebung zu erfassen.
CMM nach Anspruch 12, wobei jeder der Leseköpfe (92) einen Laser, einen Kollimator und eine Öffnungsblende aufweist, wobei der Laser einen Strahl aussendet, der von dem Kollimator parallel gerichtet und dann von der Öffnungsblende di mensioniert wird, wobei das spannungsoptische Bild (94) ein Gitter einschließt, das Licht in diskrete Ordnungen beugt.
MM nach Anspruch 13, wobei jeder der Leseköpfe (92) ferner eine Photodetektorgruppierung aufweist, wobei die Photodetektorgruppierung vier Kanäle mit nahezu reiner sinusförmiger Ausgabe erzeugt, wenn eine relative Bewegung zwischen dem spannungsoptischen Bild (94) und dem Lesekopf (92) besteht.
CMM nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei Leseköpfe (92) Löschungswirkungen verursachen, die gemittelt werden können.
CMM nach Anspruch 1, wobei: das Bild (94) einer messbaren Charakteristik mindestens eine der Charakteristika ist, die ausgewählt sind aus Reflexionsvermögen, Opazität, Magnetfeld, Kapazität, Induktivität und Rautiefe.
CMM nach Anspruch 1, enthaltend: einen Kontaktringaufbau (92) in dem mindestens einen Gelenk (16).
CMM nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine der Gelenke (16) eine Endlosdrehung aufweist.
CMM nach Anspruch 1, wobei: mindestens zwei der Gelenke (16, 18, 30, 32, 34, 36) mit Gewinde miteinander verbunden sind.
CMM nach Anspruch 1, wobei: mindestens zwei der Gelenke (16, 18, 30, 32, 34, 36) unter Verwendung von Befestigungselementen mit Gewinde aneinander befestigt sind.
CMM nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei Gelenke (16, 18, 30, 32, 34, 36) komplementär kegelige Abschnitte einschließen, die aneinander befestigt werden.
CMM nach Anspruch 1, wobei die Gelenke (16, 18, 30, 32, 34, 36) lange Gelenke (16, 30, 34) für eine Schwenkbewegung und kurze Gelenke (18, 32, 36) für eine Klappbewegung aufweisen.
CMM nach Anspruch 22, einschließend drei Gelenkpaare, wobei jedes Gelenkpaar ein langes Gelenk und ein kurzes Gelenk aufweist.
CMM nach Anspruch 23, wobei das lange Gelenk in jedem Gelenkpaar um 90° zu dem kurzen Gelenk angeordnet ist.
CMM nach Anspruch 1, enthaltend ein siebtes Gelenk in der Messsonde (28).
CMM nach Anspruch 1, wobei die Gelenke (16, 18, 30, 32, 34, 36) in den Gelenkkonfigurationen angeordnet sind, die aus 2-2-2, 2-1-2, 2-2-3 und 2-1-3 ausgewählt sind.
CMM nach Anspruch 1, einschließend: einen elektronischen Kennungschip (120), der dem mindestens einen Gelenk (16) zum alleinigen Identifizieren dieses Gelenks (16) zugeordnet ist.
CMM nach Anspruch 1, wobei die zwei Leseköpfe (92) um etwa 180° auseinander um eine Achse der drehbaren Welle (60) positioniert sind.
CMM nach Anspruch 1, wobei die zwei Leseköpfe (92) Löschungswirkungen verursachen, die gemittelt werden können, um eine fertige feste Winkelmessung zu erhalten.
CMM nach Anspruch 1, wobei die drehbare Welle (60) an dem zweiten Gehäuse (62) befestigt ist, und wobei das Lager (50, 52) innerhalb des ersten Gehäuses (64) gehalten ist und die drehbare Welle (60) zur Drehung um ihre Achse hält.
CMM nach Anspruch 30, wobei die Leseköpfe (92) um etwa 180° auseinander um die Achse der drehbaren Welle (60) positioniert sind.
CMM nach Anspruch 30, wobei die mindestens zwei Leseköpfe (92) Löschungswirkungen verursachen, die gemittelt werden können, um eine fertige feste Winkelmessung zu erhalten.