DE112011100223T5

DE112011100223T5 - Verfahren und Vorrichtung zur Synchronisation von durch mehrere messtechnische Geräte durchgeführten Messungen

Info

Publication number: DE112011100223T5
Application number: DE112011100223T
Authority: DE
Inventors: Frederick John York
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2010-01-11
Filing date: 2011-01-10
Publication date: 2013-01-24
Also published as: JP2013516928A; JP5571802B2; GB2489136A; WO2011085283A1; CN102668424B; GB201210423D0; US20110170534A1; CN102668424A; US8630314B2

Abstract

Eine Vorrichtung umfasst mindestens zwei Geräte, die miteinander kommunizieren, wobei ein erstes der mindestens zwei Geräte eine Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588 aufweist, wobei die Schnittstelle eine oder mehrere Komponenten umfasst, die für Kommunikationen sowohl in drahtgebundener Weise als auch in drahtloser Weise mit einem zweiten der mindestens zwei Geräte konfiguriert sind. Das zweite der mindestens zwei Geräte weist eine Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588 auf, wobei die Schnittstelle eine oder mehrere Komponenten umfasst, die für Kommunikationen sowohl in drahtgebundener Weise als auch in drahtloser Weise mit dem ersten der mindestens zwei Geräte konfiguriert sind. Wobei eines der mindestens zwei Geräte eine Master-Uhr umfasst und das andere der mindestens zwei Geräte eine Slave-Uhr umfasst, wobei die Master-Uhr der Slave-Uhr eine Zeit mitteilt und die Slave-Uhr auf die mitgeteilte Zeit von der Master-Uhr anspricht, um erforderlichenfalls eine Zeit der Slave-Uhr derart einzustellen, dass sie im Wesentlichen der Zeit der Master-Uhr entspricht, wodurch die mindestens zwei Geräte zusammen zeitsynchronisiert werden.

Description

Querverweis auf verwandte Patentanmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorteil der am 11. Januar 2010 angemeldeten vorläufigen Patentanmeldung, Aktenzeichen 61/293,838, und der am 20. Januar 2010 angemeldeten vorläufigen Patentanmeldung, Aktenzeichen 61/296,555, deren Inhalte hiermit in ihrer Gesamtheit einbezogen werden.
Hintergrund
Die Erfindung betrifft allgemein die Zeitsynchronisation von durch mehrere Messgeräte durchgeführten Messungen und insbesondere die Zeitsynchronisation von Messungen, die von mehreren messtechnischen Geräten wie beispielsweise Gelenkarm-Koordinatenmessgeräten, Lasertrackern, Laserscannern und anderen Typen von für Messungen von Teilen vorgesehenen messtechnischen Präzisionsgeräten.
Beispielsweise kann eines dieser messtechnischen Geräte einer Klasse von Instrumenten angehören, die die Koordinaten von jedem mehrerer Punkte auf einem zu messenden Objekt oder Teil messen, indem sie den Punkt mit einer mechanischen Gelenkstruktur mit einer Sonde untersuchen. Die Untersuchung mit der Sonde kann mit einer berührenden mechanischen Sondenspitze und/oder mit einem berührungslosen Scanner [z. B. einer Laserliniensonde (LLP; laser line probe)] durchgeführt werden. Die Position der Sondenspitze bzw. des Scanners relativ zu dem Unterteil der Struktur (d. h. in einem bestimmten Bezugskoordinatensystem) wird durch die Messwerte der Winkelkodierer ermittelt, die an den Verbindungspunkten (z. B. Lagereinsätzen) der Gelenkarmsegmente angeordnet sind. Dieser Typ von Gerät wird unabhängig davon, ob er eine mechanische Sondenspitze oder einen Scanner benutzt, als „Gelenkarm-Koordinatenmessgerät” bezeichnet.
Tragbare Gelenkarm-Koordinatenmessgeräte (Gelenkarm-KMGs) fanden eine weit verbreitete Verwendung bei der Fertigung bzw. Herstellung von Teilen, wo ein Bedarf daran besteht, die Abmessungen des Teils während verschiedener Schritte der Fertigung bzw. Herstellung (z. B. der mechanischen Bearbeitung) des Teils schnell und genau nachzuprüfen. Tragbare Gelenkarm-KMGs stellen eine weitgehende Verbesserung gegenüber bekannten unbeweglichen bzw. feststehenden, kostenintensiven und relativ schwer zu bedienenden Messeinrichtungen dar, und zwar insbesondere hinsichtlich des Zeitaufwands, der für die Durchführung der Messungen der Dimensionen relativ komplexer Teile anfällt. Normalerweise führt ein Bediener eines tragbaren Gelenkarm-KMG einfach eine Sonde entlang der Oberfläche des zu messenden Teils oder Objekts. Die Messdaten werden dann aufgezeichnet und dem Bediener bereitgestellt. In einigen Fällen werden die Daten dem Bediener in optischer Form bereitgestellt, beispielsweise in dreidimensionaler (3-D) Form auf einem Computerbildschirm. In anderen Fällen werden die Daten dem Bediener in numerischer Form bereitgestellt, beispielsweise wenn bei der Messung des Durchmessers eines Lochs der Text „Durchmesser = 1,0034” auf einem Computerbildschirm angezeigt wird.
Ein Beispiel eines tragbaren Gelenkarm-KMG des Stands der Technik wird in dem US-Patent Nr. 5,402,582 ('582) des gleichen Inhabers offenbart, welches hierin in seiner Gesamtheit einbezogen wird. Das Patent '582 offenbart ein 3-D-Messsystem, das ein manuell bedientes Gelenkarm-KMG mit einem Tragunterteil an einem Ende und einer Messsonde am anderen Ende umfasst. Das US-Patent Nr. 5,611,147 ('147) des gleichen Inhabers, welches hierin in seiner Gesamtheit einbezogen wird, offenbart ein ähnliches Gelenkarm-KMG. In dem Patent '147 umfasst das Gelenkarm-KMG mehrere Merkmale einschließlich einer zusätzlichen Drehachse am Sondenende, wodurch für einen Arm eine Konfiguration mit zwei-zwei-zwei oder zwei-zwei-drei Achsen bereitgestellt wird (wobei Letztere ein Arm mit sieben Achsen ist).
Ein anderer Typ dieser Geräte kann ein Instrument sein, das als „Lasertracker” bezeichnet wird und die Koordinaten eines Punkts misst, indem es einen Laserstrahl zu einem Retroreflektorziel sendet, das sich mit dem Punkt in Kontakt befindet. Der Lasertracker ermittelt die Koordinaten des Punkts, indem er die Distanz und die zwei Winkel zu dem Retroreflektor misst. Die Distanz wird mit einem Distanzmessgerät wie beispielsweise einem Absolutdistanzmesser oder einem Interferometer gemessen. Die Winkel werden mit einem Winkelmessgerät wie beispielsweise einem Winkelkodierer gemessen. Ein kardanisch aufgehängter Strahllenkungsmechanismus in dem Instrument lenkt den Laserstrahl zu dem interessierenden Punkt. Beispielhafte Systeme, die dieser Klasse von Instrumenten angehören, werden von dem an Brown et al. erteilten US-Patent Nr. 4,790,651 und dem an Lau et al. erteilten US-Patent Nr. 4,714,339 beschrieben.
Ein Lasertracker kann relativ große Teile (d. h. Teile, die größer sind als das, was ein tragbares Gelenkarm-KMG ohne seine Versetzung messen kann) und innerhalb eines kürzeren Zeitraums messen als ein tragbares Gelenkarm-KMG, und zwar insbesondere dann, wenn das tragbare Gelenkarm-KMG versetzt werden muss, um das Teil vollständig zu messen. Moderne Lasertracker können relativ große Teile mit einer 3-D-Einzelpunkt-Genauigkeit von 0,0254 mm (0,001'') messen. Ein solcher Lasertracker nutzt normalerweise seinen Laser zur Messung der 3-D-Koordinaten oder eines Punkts bei einer Entfernung von bis zu 70 m (230 ft.), indem er der Bewegung eines Retroreflektors wie beispielsweise eines sphärisch montierten Retroreflektors (SMR; spherically mounted retroreflector) folgt und die gemessene Position in Echtzeit angibt. Einige moderne Lasertracker können Echtzeit-Aktualisierungen von SMR-Positionen bereitstellen.
Es gibt mehrere Typen von Laserscannern, wobei jedoch alle Typen Licht auf die zu prüfenden oder zu messenden Objekte projizieren. Die meisten Oberflächen dieser Objekte streuen diffus und Messungen erfolgen gewöhnlich ohne Unterstützung durch ein zusammenwirkendes Ziel wie beispielsweise einen Retroreflektor. Manche Scanner wie beispielsweise derjenige, der am Ende des oben beschriebenen Gelenkarm-KMG befestigt wird (z. B. eine LLP), werden mit der Hand bewegt, wobei das Laserlicht über eine Oberfläche des Objekts geführt wird. Die Kontaktsonde des tragbaren Gelenkarm-KMG und die berührungslose Laserliniensonde können Daten untereinander digitalisieren, ohne dass eine der beiden Komponenten von dem Gelenkarm-KMG entfernt werden muss. Eine Laserliniensonde stellt mehrere Abtastpunkte bereit, die gleichzeitig entlang einer Oberfläche des Objekts erfasst werden, die von der Laserscanlinie angestrahlt wird. Bediener können die prismatischen Merkmale mit der Kontaktsonde des Gelenkarm-KMG ohne Hinzufügen oder Entfernen von Halterungen genauer messen als Laserscanabschnitte, die größere Datenmengen (detaillierte Merkmalsextraktion) bei über 19.000 Punkten pro Sekunde benötigen. Ein beispielhafter berührungsloser Scanner dieses Typs wird in dem an Raab et al. erteilten US-Patent Nr. 6,965,843 des gleichen Inhabers beschrieben, welches hierin in seiner Gesamtheit einbezogen wird.
Andere Scanner sind feststehend und beleuchten eine gesamte interessierende Fläche. Ein beispielhafter Scanner dieses Typs wird in dem an Dillon et al. erteilten US-Patent Nr. 7,599,071 beschrieben. Ein dritter Laserscanner-Typ sendet einen Laserstrahl über ein Abtastmuster, das sich über ein großes Volumen erstreckt. Ein Laserscanner dieses Typs kann manchmal in wenigen Minuten die 3-D-Koordinaten eines relativ großen Volumens messen. Ein beispielhafter Laserscanner dieses Typs wird in dem an Becker et al. erteilten US-Patent Nr. 7,430,068 des gleichen Inhabers beschrieben, welches hierin in seiner Gesamtheit einbezogen wird.
Es gibt viele Situationen, in denen mehrere messtechnische Geräte, die alle gleichen oder verschiedenen Typs sind und in einem verteilten Netzwerksystem angeschlossen, angeordnet oder kombiniert sind, davon profitieren können, dass sie zeitlich miteinander synchronisiert sind. Da Technologien mit verteilten Netzwerken in Bezug auf die Anzahl und Komplexität allgemein zunehmen, werden diese für Messungen und Steuerungen eingesetzten Systemtechnologien umso komplexer, je mehr Knoten (d. h. messtechnische Geräte) das System umfasst. Es ist mittlerweile üblich, dass lokale Echzeituhren in den unterschiedlichen Geräten verwendet werden, um eine relativ genaue systemweite Zeit zu erzielen. Allerdings neigen diese einzelnen Uhren jeweils dazu, voneinander abzuweichen (d. h. ihre systemweite Synchronisation zu verlieren), beispielsweise bedingt durch anfänglichen Frequenzversatz, Unbeständigkeit bei den Uhrenoszillatoren und Umgebungsbedingungen wie z. B. Temperatur, Alterung, Vibrationen, mechanische Belastungen usw. Die Messungen als solche, die durch diese verschiedenen Geräte durchgeführt werden, sowie eine beliebige daraus resultierende, auf das Gesamtsystem übertragene Steuerung werden durch die Zeitungenauigkeiten der einzelnen Uhren beeinträchtigt. Daher wird eine Art von Korrektur bzw. Einstellung der Uhrzeitsynchronisation benötigt, um die einzelnen Uhren richtig zu synchronisieren und dadurch ein genaues und gemeinsames Maß der systemweiten Zeit aufrechtzuerhalten.
Im Folgenden werden fünf Beispiele zusammengefasst, bei denen die präzise Zeitsynchronisation Systemkombinationen von messtechnischen Präzisionsgeräten begünstigt.
Tracker und Arm: Das tragbare Gelenkarm-KMG kann in mehreren unterschiedlichen Orientierungen bewegt oder positioniert werden. Das tragbare Gelenkarm-KMG ist demzufolge in der Lage, „verborgene” Punkte – d. h. Punkte, die vor der Sichtlinie eines Messgeräts wie z. B. eines Lasertrackers verborgen sind – zu messen. Andererseits kann der Lasertracker über ein weitaus größeres Volumen messen als das Gelenkarm-KMG. Man kann einen Lasertracker verwenden, um ein tragbares Gelenkarm-KMG zu versetzen, indem man einen Retroreflektor an dem Armabschnitt des Gelenkarm-KMG befestigt. Auf diese Weise werden die besten Merkmale jedes Geräts beibehalten, während ermöglicht wird, dass das kombinierte System verborgene Punkte über ein relativ großes Volumen genau misst.
Ein beispielhaftes Verfahren zur physischen Versetzung des tragbaren Gelenkarm-KMG auf diese Weise wird in dem an Raab erteilten US-Patent Nr. 7,804,602 des gleichen Inhabers beschrieben, welches hierin in seiner Gesamtheit einbezogen wird. Zur Erzielung der bestmöglichen Versetzung ist es von Bedeutung, dass das tragbare Gelenkarm-KMG und der Lasertracker genau derart miteinander zeitsynchronisiert sind, dass die von jedem Gerät vorgenommenen entsprechenden Messungen (z. B. der Position des Retroreflektors) während des Versetzungsverfahrens genau synchronisiert sind.
Simultane Multilateration: Durch den Einsatz der hochgenauen Distanzmesser (z. B. Interferometer oder Absolutdistanzmesser) mehrerer Lasertracker zur simultanen Messung eines einzigen Weitwinkel-Retroreflektorziels können die 3-D-Koordinaten des Ziels bis zu einem relativ hohen Grad an Genauigkeit gemessen werden. Es wird bevorzugt, dass eine derartige simultane Multilaterationsmessung bei einem sich bewegenden Ziel erfolgt. Dies ermöglicht die Bewegung des Ziels über Oberflächen interessierender Objekte, wodurch eine Abbildung der Oberflächenkonturen erzeugt wird. Um die mit diesem Verfahren erzielte relativ hohe Genauigkeit aufrechtzuerhalten, müssen die mehreren Tracker zeitlich genau synchronisiert sein.
Drahtlose Synchronisation des Scanners am Ende des Gelenkarm-KMG: Die technologischen Fortschritte führten zu einem schnellen Anstieg des Durchsatzes der Daten, die von an Gelenkarm-KMGs – normalerweise am Sondenende – befestigten Scannern erfasst werden. Dieser zunehmende Datendurchsatz macht es relativ schwieriger, die Daten von dem an einem Ende (z. B. dem Sondenende) des Gelenkarm-KMG angeordneten Scanner zu den Berechnungselementen erfolgreich zu übertragen, die normalerweise in dem Unterteil am anderen Ende des Gelenkarm-KMG angeordnet sind. Eine Möglichkeit zur Umgehung dieses Problems besteht darin, Daten drahtlos vom Scanner zu dem Computer bzw. den Berechnungselementen zu senden. Damit diese drahtlose Methode zweckmäßig ist, ist es wichtig, dass die Teilemessdaten des Scanners genau mit den Sondenpositionsdaten der Winkelkodierer in dem Gelenkarm-KMG synchronisiert werden.
Kompensation und Kalibrierung des Laserscanners: Ein Laserscanner des oben beschriebenen Typs, der einen Laserstrahl über ein Abtastmuster sendet, das sich über ein relativ großes Volumen erstreckt, muss häufig kompensiert oder kalibriert werden. Dieser Scannertyp kann manchmal innerhalb weniger Minuten die 3-D-Koordinaten eines derart großen Volumens messen. Ein Weg dazu besteht darin, die Messwerte des Scanners mit denen eines genaueren Instruments wie z. B. eines Lasertrackers zu vergleichen. Dies kann dadurch erfolgen, dass man ein Ziel auf einem Schlitten anordnet, der auf einer motorisierten Schiene angebracht ist. Der Scanner wird auf einem Ende der Schiene positioniert und richtet seinen Laserstrahl auf ein geeignetes diffuses Ziel. Ein Lasertracker wird auf dem anderen Ende der Schiene angeordnet und richtet seinen Laserstrahl auf ein geeignetes Retroreflektorziel. Das diffuse Ziel und das Retroreflektorziel werden rückseitig zueinander angeordnet und weisen in entgegengesetzten Richtungen voneinander weg. Zur Beschleunigung der Datenerfassung werden die Daten vorzugsweise sowohl vom Scanner als auch vom Tracker erfasst, während die Zielbaugruppe sich bewegt. Dies ist nur möglich, wenn der Scanner und der Tracker genau synchronisiert sind.
Kompensation des Gelenkarm-KMG: Die Kompensationsparameter eines Gelenkarm-KMG können gefunden werden, indem die Armsegmente des Gelenkarmabschnitts des Gelenkarm-KMG zu mehreren verschiedenen Positionen bewegt werden, während ein Lasertracker einem Retroreflektorziel folgt, das an dem Arm befestigt ist. Die Kompensationsparameter werden dadurch gefunden, dass die 3-D-Messwerte des Lasertrackers mit den Messwerten der Kodierer im Gelenkarm-KMG verglichen werden. Damit dieses Verfahren zweckmäßig ist, müssen die Armsegmente zu vielen verschiedenen Positionen bewegt werden, während der Tracker die Positionsdaten des Retroreflektors bei einer relativ hohen Geschwindigkeit aufzeichnet. Dieses Verfahren ist nur dann genau, wenn der Lasertracker und das Gelenkarm-KMG genau synchronisiert sind.
Bei allen obigen Beispielfällen ist ein Weg zur Synchronisation der Messungen notwendig, die zwischen mehreren messtechnischen Geräten – in einigen Fällen verschiedenen Typen mehrerer messtechnischer Geräte, in anderen Fällen ähnlichen Typen mehrerer messtechnischer Geräte – durchgeführt wurden.
Die Zeitsynchronisation ist erforderlich und steht bereits in einem tragbaren Gelenkarm-KMG zur Verfügung. Die in einem Gelenkarm-KMG verwendeten mehreren Winkelkodierer werden beispielsweise simultan abgefragt. In ähnlicher Weise werden das Laserinterferometer und der Absolutdistanzmesser bei einem Lasertracker derart abgefragt, dass die Messergebnisse von jedem denselben Zeitpunkten entsprechen. Eine derartige Synchronisation ist bei einem einzigen Ausrüstungsstück relativ leicht durchzuführen, da eine gemeinsame Uhr verfügbar ist. Diese Situation ändert sich jedoch, wenn mehrere tragbare Gelenkarm-KMGs und/oder andere Messgeräte in einer koordinierten Messweise verwendet werden. In diesem Fall sind normalerweise auch eine Master-Uhr sowie ein Mittel, welches die Geräte mit der Master-Uhr synchronisiert, vorgesehen.
Frühere Verfahren der Zeitsynchronisation von Präzisionsmessgeräten haben das ihnen eigene Problem, dass ein relativ großer und nicht akzeptabler Synchronisationsfehler auftritt. Um die durch einen Synchronisationsfehler entstehenden Probleme aufzuzeigen, betrachte man den Fall, in welchem der Zeitfehler eine Millisekunde bei der Synchronisation beträgt. Wenn eines der Messgeräte in einem System mehrerer Messgeräte ein Lasertracker ist, der einen sich einen Meter pro Sekunde bewegenden Retroreflektor misst, beträgt der daraus resultierende Fehler bei der gemessenen Distanz einen Millimeter. Der Fehler ist jedoch hundertmal größer als akzeptabel, wenn eine Genauigkeit von 10 Mikrometer erforderlich ist. Bei dieser Situation (wie in einem Fall des Stands der Technik) ohne jedwede Synchronisation der Uhren, die die einzelnen messtechnischen Geräte ansteuern, bringt außerdem die Tatsache, dass eine Messung auf die jeweiligen „Sync”-Signale warten muss, zusätzliche Synchronisationsverzögerungen mit ein. Der gesamten Ausbreitungsverzögerung wird eventuell z. B. eine weitere Millisekunde hinzuaddiert.
Ein System des Stands der Technik nutzte z. B. einen Lasertracker als Master-Tracker und einen zweiten Lasertracker als Slave-Tracker. Der Master sendete ein Abtastsignal aus, das vom Slave empfangen wurde. Die Abtastung wurde über Kabeltreiber gesendet und von Empfängern im Tracker erfasst. Dieses Signal wurde zu einem Mikroprozessor geleitet, der einen Messauftrag auf dem Slave-Tracker und dem Master-Tracker implementierte. Dieses Verfahren führte zu einer Verzögerung von ungefähr einer Millisekunde. Die Ausbreitung im Kabel und die Kapazität/Resistanz der Schaltungskomponenten waren für einen großen Teil dieser Verzögerung verantwortlich.
Das Precision Time Protocol (PTP; Präzisionszeitprotokoll) gemäß IEEE 1588, welches eine Master-Uhr über einen Phasenregelkreis implementiert, wurde auch für den Einsatz in der Robotertechnik vorgeschlagen, beispielsweise wie in der Besprechung der veröffentlichten US-Patentanmeldung Nr. 2006/0287769 an Yanagita. Genau genommen empfiehlt Yanagita in Absatz [0007] allerdings nicht die Verwendung von IEEE 1588. Yanagita gibt statt dessen an, dass die IEEE 1588 spezialisierte und teure Hardware benötigt und schlägt dafür eine Lösung mit programmierter Software vor, bei der eine Master- und Slave-Taktzählung für die Synchronisation von zwei oder mehr Roboterarmen verwendet wird. Im Allgemeinen müssen Robotervorrichtungen in der Herstellung selten eine Genauigkeit der Zeitsynchronisation von 500 ns (Nanosekunden) erreichen, welche die messtechnischen Instrumente für Anwendungen der oben beschriebenen Typen benötigen. Die Gebiete der Roboter- und Messtechnik haben demzufolge nicht so viel gemeinsam, wie es eine oberflächliche Untersuchung andeuten würde.
Was nun benötigt wird, sind eine Vorrichtung und ein Verfahren für die relativ präzise Zeitsynchronisation (z. B. maximal 500 Nanosekunden) der Echtzeituhren in mehreren ähnlichen oder verschiedenen messtechnischen Geräten, die das Precision Time Protocol (PTP) gemäß IEEE 1588 verwenden, um dadurch die von messtechnischen Geräten vorgenommenen Messungen bis zu einem gewünschten relativ hohen Grad an Genauigkeit präzise zu synchronisieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß den Ausgestaltungen eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung mindestens zwei Geräte, die miteinander kommunizieren, wobei ein erstes der mindestens zwei Geräte eine Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588 aufweist, wobei die Schnittstelle eine oder mehrere Komponenten umfasst, die für Kommunikationen sowohl in drahtgebundener Weise als auch in drahtloser Weise mit einem zweiten der mindestens zwei Geräte konfiguriert sind. Das zweite der mindestens zwei Geräte weist eine Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588 auf, wobei die Schnittstelle eine oder mehrere Komponenten umfasst, die für Kommunikationen sowohl in drahtgebundener Weise als auch in drahtloser Weise mit dem ersten der mindestens zwei Geräte konfiguriert sind; wobei eines der mindestens zwei Geräte eine Master-Uhr umfasst und das andere der mindestens zwei Geräte eine Slave-Uhr umfasst, wobei die Master-Uhr der Slave-Uhr eine Zeit mitteilt und die Slave-Uhr auf die mitgeteilte Zeit von der Master-Uhr anspricht, um erforderlichenfalls eine Zeit der Slave-Uhr derart einzustellen, dass sie im Wesentlichen der Zeit der Master-Uhr entspricht, wodurch die mindestens zwei Geräte zusammen zeitsynchronisiert werden.
Gemäß den Ausgestaltungen eines zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Kommunizieren zwischen mindestens zwei Geräten folgende Schritte: Versehen eines ersten der mindestens zwei Geräte mit einer Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588, die für Kommunikationen sowohl in drahtgebundener Weise als auch in drahtloser Weise mit einem zweiten der mindestens zwei Geräte konfiguriert ist; Versehen des zweiten der mindestens zwei Geräte mit einer Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588, die für Kommunikationen sowohl in drahtgebundener Weise als auch in drahtloser Weise mit dem ersten der mindestens zwei Geräte konfiguriert ist; und wobei eines der mindestens zwei Geräte eine Master-Uhr umfasst und das andere der mindestens zwei Geräte eine Slave-Uhr umfasst, wobei die Master-Uhr der Slave-Uhr eine Zeit mitteilt und die Slave-Uhr auf die mitgeteilte Zeit von der Master-Uhr anspricht, um erforderlichenfalls eine Zeit der Slave-Uhr derart einzustellen, dass sie im Wesentlichen der Zeit der Master-Uhr entspricht, wodurch die mindestens zwei Geräte zusammen zeitsynchronisiert werden.
Gemäß den Ausgestaltungen eines dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung umfasst ein Computerprogrammprodukt zur Implementierung von Kommunikationen zwischen mindestens zwei Geräten ein Speichermedium mit einem darauf ausgebildeten computerlesbaren Programmcode, welcher, wenn er durch einen Computer ausgeführt wird, bewirkt, dass der Computer ein Verfahren implementiert, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Versehen eines ersten der mindestens zwei Geräte mit einer Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588, die für Kommunikationen sowohl in drahtgebundener Weise als auch in drahtloser Weise mit einem zweiten der mindestens zwei Geräte konfiguriert ist; Versehen des zweiten der mindestens zwei Geräte mit einer Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588, die für Kommunikationen sowohl in drahtgebundener Weise als auch in drahtloser Weise mit dem ersten der mindestens zwei Geräte konfiguriert ist; und wobei eines der mindestens zwei Geräte eine Master-Uhr umfasst und das andere der mindestens zwei Geräte eine Slave-Uhr umfasst, wobei die Master-Uhr der Slave-Uhr eine Zeit mitteilt und die Slave-Uhr auf die mitgeteilte Zeit von der Master-Uhr anspricht, um erforderlichenfalls eine Zeit der Slave-Uhr derart einzustellen, dass sie im Wesentlichen der Zeit der Master-Uhr entspricht, wodurch die mindestens zwei Geräte zusammen zeitsynchronisiert werden.
Die oben besprochenen und anderen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen zu erkennen und verständlich.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen, sind beispielhafte Ausgestaltungen dargestellt, welche nicht als den gesamten Schutzbereich der Offenbarung einschränkend aufzufassen sind und wobei die Elemente in mehreren Figuren gleich nummeriert sind:
1 einschließlich 1A und 1B sind perspektivische Darstellungen eines tragbaren Gelenkarm-Koordinatenmessgeräts (Gelenkarm-KMG), das Ausgestaltungen verschiedener Aspekte der vorliegenden Erfindung darin aufweist;
2 einschließlich 2A–2D zusammengenommen sind Blockschaltbilder der Elektronik, die als Teil des Gelenkarm-KMG von 1 gemäß einer Ausgestaltung verwendet wird;
3 einschließlich 3A und 3B zusammengenommen sind Blockschaltbilder, die detaillierte Merkmale des elektronischen Datenverarbeitungssystems von 2 gemäß einer Ausgestaltung beschreiben;
4 ist eine perspektivische Darstellung des tragbaren Gelenkarm-KMG von 1, das in Verbindung mit einem Lasertracker bei Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
5 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Retroreflektor-Klemmbaugruppe, die mit dem tragbaren Gelenkarm-KMG von 1 bei den Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung von 4 verwendet wird;
6 ist eine perspektivische Darstellung des tragbaren Gelenkarm-KMG von 1, das durch den Einsatz des Lasertrackers bei den Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung von 4 zu einer zweiten Position versetzt wurde;
7 ist eine perspektivische Darstellung einer montierten Kugelbaugruppe, die mit dem tragbaren Gelenkarm-KMG von 1 bei den Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung von 4 verwendet wird;
8 einschließlich 8A und 8B sind perspektivische Darstellungen des tragbaren Gelenkarm-KMG von 1 in Kontakt mit der montierten Kugelbaugruppe von 5 bei Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung von 4;
9 einschließlich 9A und 9B sind denen von 8 ähnliche perspektivische Darstellungen des tragbaren Gelenkarm-KMG von 1 in Kontakt mit der montierten Kugelbaugruppe von 5 bei Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung von 4, wobei auf ein Bezugskoordinatensystem Bezug genommen wird;
10 ist eine Grafik, die eine Grandmaster Clock zeigt, die mit einer oder mehreren Slave-Uhren zeitsynchronisiert ist, wobei das Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588 verwendet wird;
11 und 12 sind Grafiken, die die Offset- und Delay-Messung gemäß IEEE 1588 als Teil des Zeitsynchronisationsverfahrens zwischen der Grandmaster Clock und der einen oder den mehreren Slave-Uhren von 10 zeigen;
13 ist ein Blockschaltbild einer variablen Hardware-Uhr, die mit einer Slave-Uhr verwendet wird und einen Phasenakkumulator wie beim Stand der Technik aufweist;
14 ist ein Blockschaltbild einer Taktsteuerung nach dem PTP gemäß IEEE 1588, bei der ein Phasenakkumulator wie beim Stand der Technik verwendet wird;
15 ist ein Blockschaltbild, das mehrere messtechnische Geräte zusammen mit anderen Geräten zeigt, die durch drahtgebundene und drahtlose Anschlüsse mit einem drahtlosen Router und weiter mit einem Netzwerk verbunden sind;
16 einschließlich 16A–16C zusammengenommen sind Blockschaltbilder, die eine vereinfachte Ansicht eines drahtlosen Routers zeigen, der eine Unterstützung durch eine Master-Uhr, Boundary Clock oder optionale Transparent Clock nach dem PTP gemäß IEEE 1588 aufweist;
17 ist ein Blockschaltbild, das die Hierarchie der von dem PTP gemäß IEEE 1588 genutzten Uhren in einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit verschiedenen drahtgebundenen Knoten in einer LAN-Domäne und verschiedenen drahtlosen Stationen in einer WLAN-Domäne zeigt, die durch drahtgebundene und drahtlose Anschlüsse mit einem zentralen Router verbunden sind;
18 ist ein Blockschaltbild, das die Funktionen zeigt, die in einem Slave-Gerät durchgeführt werden, das das PTP gemäß IEEE 1588 implementiert;
19 ist ein detaillierteres Blockschaltbild eines Hardware-Zeitstempels in einem PHY-Gerät nach dem PTP gemäß IEEE 1588;
20 einschließlich 20A und 20B zusammengenommen sind Funktionsdiagramme einer Taktsteuerung und einer externen Signalerzeugung in einem PHY-Gerät nach dem PTP gemäß IEEE 1588;
21 ist ein Funktions-Blockschaltbild einer synchronen Ethernet-Konfiguration mehrerer Knoten;
22 ist ein Funktions-Blockschaltbild der Funktionen in einem Gerät nach dem PTP gemäß IEEE 1588 zur Unterstützung der synchronen Ethernet-Konfiguration von 21; und
23 ist ein Funktions-Blockschaltbild einer drahtlosen Station, die ein drahtloses LAN-Modul umfasst, das als Mittel zur Überbrückung zwischen einem drahtlosen Netzwerk und einem drahtgebundenen Ethernet-Netzwerk verwendet wird.
Detaillierte Beschreibung
1A und 1B veranschaulichen in der Perspektive ein tragbares Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG) 100 gemäß verschiedenen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, wobei ein Gelenkarm ein Typ des Koordinatenmessgeräts ist. 1A und 1B zeigen, dass das beispielhafte Gelenkarm-KMG 100 ein Gelenkmessgerät mit sechs oder sieben Achsen umfassen kann, das ein Messsondengehäuse 102 aufweist, das an einem Ende an einen Armabschnitt 104 des Gelenkarm-KMG 100 gekoppelt ist. Der Armabschnitt 104 umfasst ein erstes Armsegment 106, das durch eine erste Gruppierung von Lagereinsätzen 110 (z. B. zwei Lagereinsätze) an ein zweites Armsegment 108 gekoppelt ist. Eine zweite Gruppierung von Lagereinsätzen 112 (z. B. zwei Lagereinsätze) koppelt das zweite Armsegment 108 an das Messsondengehäuse 102. Eine dritte Gruppierung von Lagereinsätzen 114 (z. B. drei Lagereinsätze) koppelt das erste Armsegment 106 an ein Unterteil 116, das am anderen Ende des Armabschnitts 104 des Gelenkarm-KMG 100 angeordnet ist. Jede Gruppierung von Lagereinsätzen 110, 112, 114 stellt mehrere Achsen der Gelenkbewegung bereit. Das Messsondengehäuse 102 kann auch die Welle des siebten Achsenabschnitts des Gelenkarm-KMG 100 umfassen (z. B. einen Einsatz, der ein Kodierersystem enthält, das die Bewegung des Messgeräts, beispielsweise einer Sonde 118, in der siebten Achse des Gelenkarm-KMG 100 bestimmt). Das Unterteil 116 ist bei der Verwendung des Gelenkarm-KMG 100 normalerweise an einer Arbeitsfläche befestigt.
Jeder Lagereinsatz in der Lagereinsatzgruppierung 110, 112, 114 enthält normalerweise ein Kodierersystem (z. B. ein optisches Winkelkodierersystem). Das Kodierersystem (d. h. ein Messumformer) stellt eine Angabe der Position der jeweiligen Armsegmente 106, 108 und der entsprechenden Lagereinsatzgruppierungen 110, 112, 114 bereit, die alle zusammen eine Angabe der Position der Sonde 118 in Bezug auf das Unterteil 116 (und somit die Position des durch das Gelenkarm-KMG 100 gemessenen Objekts in einem bestimmten Bezugssystem – beispielsweise einem lokalen oder globalen Bezugssystem) bereitstellen. Die Armsegmente 106, 108 können aus einem in geeigneter Weise starren Material bestehen, beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, einem Kohlefaserverbundmaterial. Ein tragbares Gelenkarm-KMG 100 mit sechs oder sieben Achsen der Gelenkbewegung (d. h. Freiheitsgraden) stellt die Vorteile bereit, dass dem Bediener gestattet wird, die Sonde 118 an einer gewünschten Stelle in einem 360°-Bereich rings um das Unterteil 116 zu positionieren, wobei ein Armabschnitt 104 bereitgestellt wird, der leicht von dem Bediener gehandhabt werden kann. Es ist jedoch zu erkennen, dass die Darstellung eines Armabschnitts 104 mit zwei Armsegmenten 106, 108 als Beispiel dient und dass die beanspruchte Erfindung nicht dadurch eingeschränkt sein sollte. Ein Gelenkarm-KMG 100 kann eine beliebige Anzahl an Armsegmenten aufweisen, die durch Lagereinsätze (und somit mehr oder weniger als sechs oder sieben Achsen der Gelenkbewegung bzw. Freiheitsgrade) miteinander gekoppelt sind.
Die Sonde 118 ist abnehmbar am Messsondengehäuse 102 angebracht, welches mit der Lagereinsatzgruppierung 112 verbunden ist. Ein Griff 126 ist in Bezug auf das Messsondengehäuse 102 beispielsweise mittels eines Schnellverbinders abnehmbar. Der Griff 126 kann durch ein anderes Gerät ersetzt werden (z. B. eine Laserliniensonde, einen Strichcodeleser), wodurch die Vorteile bereitgestellt werden, dass dem Bediener die Verwendung verschiedener Messgeräte mit demselben Gelenkarm-KMG 100 gestattet wird. Das Messsondengehäuse 102 beherbergt bei beispielhaften Ausgestaltungen eine abnehmbare Sonde 118, die ein Kontaktmessgerät ist und verschiedene Spitzen 118 aufweisen kann, die das zu messende Objekt physisch berühren und folgende umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein: Sonden vom Typ Kugel, berührungsempfindlich, gebogen oder verlängert. Bei anderen Ausgestaltungen wird die Messung beispielsweise durch ein berührungsloses Gerät wie z. B. eine Laserliniensonde (LLP) durchgeführt. Der Griff 126 ist bei einer Ausgestaltung durch die LLP ersetzt, wobei der Schnellverbinder verwendet wird. Andere Typen von Messgeräten können den abnehmbaren Griff 126 ersetzen, um eine zusätzliche Funktionalität bereitzustellen. Die Beispiele für solche Messgeräte umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, z. B. eine oder mehrere Beleuchtungslampen, einen Temperatursensor, einen Thermoscanner, einen Strichcodescanner, einen Projektor, eine Lackierpistole, eine Kamera oder dergleichen.
In 1A und 1B ist ersichtlich, dass das Gelenkarm-KMG 100 den abnehmbaren Griff 126 umfasst, der die Vorteile bereitstellt, dass Ausrüstungsteile oder Funktionalitäten ausgetauscht werden können, ohne dass das Messsondengehäuse 102 von der Lagereinsatzgruppierung 112 entfernt werden muss. Wie unter Bezugnahme auf 2 detaillierter besprochen wird, kann der abnehmbare Griff 126 auch einen elektrischen Anschluss umfassen, der es gestattet, dass elektrische Energie und Daten mit dem Griff 126 und der im Sondenende angeordneten entsprechenden Elektronik ausgetauscht werden.
Bei verschiedenen Ausgestaltungen ermöglicht jede Gruppierung von Lagereinsätzen 110, 112, 114, dass der Armabschnitt 104 des Gelenkarm-KMG 100 um mehrere Drehachsen bewegt wird. Wie bereits erwähnt, umfasst jede Lagereinsatzgruppierung 110, 112, 114 entsprechende Kodierersysteme wie beispielsweise optische Winkelkodierer, die jeweils koaxial mit der entsprechenden Drehachse z. B. der Armsegmente 106, 108 angeordnet sind. Das optische Kodierersystem erfasst eine Drehbewegung (Schwenkbewegung) oder Querbewegung (Gelenkbewegung) beispielsweise von jedem der Armsegmente 106, 108 um die entsprechende Achse und überträgt ein Signal zu einem elektronischen Datenverarbeitungssystem in dem Gelenkarm-KMG 100, wie hierin im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Jede einzelne unverarbeitete Kodiererzählung wird separat als Signal zu dem elektronischen Datenverarbeitungssystem gesendet, wo sie zu Messdaten weiterverarbeitet wird. Es ist kein von dem Gelenkarm-KMG 100 selbst getrennter Positionsberechner (z. B. eine serielle Box) erforderlich, der in dem US-Patent Nr. 5,402,582 ('582) des gleichen Inhabers offenbart wird.
Das Unterteil 116 kann eine Befestigungs- bzw. Montagevorrichtung 120 umfassen. Die Montagevorrichtung 120 ermöglicht die abnehmbare Montage des Gelenkarm-KMG 100 an einer gewünschten Stelle wie beispielsweise einem Inspektionstisch, einem Bearbeitungszentrum, einer Wand oder dem Boden. Das Unterteil 116 umfasst bei einer Ausgestaltung einen Griffabschnitt 122, der eine zweckmäßige Stelle ist, an welcher der Bediener das Unterteil 116 hält, während das Gelenkarm-KMG 100 bewegt wird. Bei einer Ausgestaltung umfasst das Unterteil 116 ferner einen beweglichen Abdeckungsabschnitt 124, der herunterklappbar ist, um eine Benutzerschnittstelle wie beispielsweise einen Bildschirm freizugeben.
Gemäß einer Ausgestaltung enthält bzw. beherbergt das Unterteil 116 des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 ein elektronisches Datenverarbeitungssystem, das zwei Hauptkomponenten umfasst: ein Basisverarbeitungssystem, das die Daten der verschiedenen Kodierersysteme im Gelenkarm-KMG 100 sowie Daten, die andere Armparameter zur Unterstützung der dreidimensionalen (3-D) Positionsberechnungen repräsentieren, verarbeitet; und ein Benutzerschnittstellen-Verarbeitungssystem, das ein integriertes Betriebssystem, einen berührungssensitiven Bildschirm und eine residente Anwendungssoftware umfasst, welche die Implementierung relativ vollständiger messtechnischer Funktionen innerhalb des Gelenkarm-KMG 100 gestattet, ohne dass dabei eine Verbindung zu einem externen Computer vorhanden sein muss.
Das elektronische Datenverarbeitungssystem im Unterteil 116 kann mit den Kodierersystemen, Sensoren und anderer peripherer Hardware, die entfernt vom Unterteil 116 angeordnet ist (z. B. eine LLP, die am abnehmbaren Griff 126 an dem Gelenkarm-KMG 100 montiert werden kann), kommunizieren. Die Elektronik, die diese peripheren Hardwarevorrichtungen oder -merkmale unterstützt, kann in jeder der in dem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 angeordneten Lagereinsatzgruppierungen 110, 112, 114 angeordnet sein.
2 ist ein Blockschaltbild der Elektronik, die gemäß einer Ausgestaltung in einem Gelenkarm-KMG 100 verwendet wird. Die in 2 dargestellte Ausgestaltung umfasst ein elektronisches Datenverarbeitungssystem 210, das eine Basisprozessorkarte 204 zur Implementierung des Basisverarbeitungssystems, eine Benutzerschnittstellenkarte 202, eine Basisenergiekarte 206 zur Bereitstellung von Energie, ein Bluetooth-Modul 232 und eine Basisneigungskarte 208 umfasst. Die Benutzerschnittstellenkarte 202 umfasst einen Computerprozessor zum Ausführen der Anwendungssoftware, um die Benutzerschnittstelle, den Bildschirm und andere hierin beschriebene Funktionen durchzuführen.
In 2 ist ersichtlich, dass das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 über einen oder mehrere Armbusse 218 mit den vorgenannten mehreren Kodierersystemen kommuniziert. Jedes Kodierersystem erzeugt bei der in 2 dargestellten Ausgestaltung Kodiererdaten und umfasst: eine Kodierer-Armbus-Schnittstelle 214, einen digitalen Kodierer-Signalprozessor (DSP) 216, eine Kodierer-Lesekopf-Schnittstelle 234 und einen Temperatursensor 212. Andere Geräte wie beispielsweise Dehnungssensoren können an den Armbus 218 angeschlossen werden.
In 2 ist auch die Sondenende-Elektronik 230 dargestellt, die mit dem Armbus 218 kommuniziert. Die Sondenende-Elektronik 230 umfasst einen Sondenende-DSP 228, einen Temperatursensor 212, einen Griff-/LLP-Schnittstellenbus 240, der bei einer Ausgestaltung über einen Schnellverbinder mit dem Griff 126 oder der LLP 242 verbindet, und eine Sondenschnittstelle 226. Der Schnellverbinder ermöglicht den Zugang des Griffs 126 zu dem Datenbus, den Steuerleitungen, dem von der LLP 242 benutzten Energiebus und anderen Ausrüstungsteilen. Die Sondenende-Elektronik 230 ist bei einer Ausgestaltung in dem Messsondengehäuse 102 an dem Gelenkarm-KMG 100 angeordnet. Der Griff 126 kann bei einer Ausgestaltung von dem Schnellverbinder entfernt werden und die Messung kann mit der Laserliniensonde (LLP) 242, die über den Griff-/LLP-Schnittstellenbus 240 mit der Sondenende-Elektronik 230 des Gelenkarm-KMG 100 kommuniziert, durchgeführt werden. Bei einer Ausgestaltung sind das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 im Unterteil 106 des Gelenkarm-KMG 100, die Sondenende-Elektronik 230 im Messsondengehäuse 102 des Gelenkarm-KMG 100 und die Kodierersysteme in den Lagereinsatzgruppierungen 110, 112, 114 angeordnet. Die Sondenschnittstelle 226 kann durch ein beliebiges geeignetes Kommunikationsprotokoll, das im Handel erhältliche Produkte von Maxim Integrated Products, Inc., die als 1-Wire^®-Kommunikationsprotokoll 236 ausgebildet sind, umfasst, mit dem Sondenende-DSP 228 verbunden werden.
3 ist ein Blockschaltbild, das detaillierte Merkmale des elektronischen Datenverarbeitungssystems 210 des Gelenkarm-KMG 100 gemäß einer Ausgestaltung beschreibt. Das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 ist bei einer Ausgestaltung im Unterteil 116 des Gelenkarm-KMG 100 angeordnet und umfasst die Basisprozessorkarte 204, die Benutzerschnittstellenkarte 202, eine Basisenergiekarte 206, ein Bluetooth-Modul 232 und ein Basisneigungsmodul 208.
Bei einer in 3 dargestellten Ausgestaltung umfasst die Basisprozessorkarte 204 die verschiedenen hierin dargestellten funktionellen Blöcke. Eine Basisprozessorfunktion 302 wird beispielsweise verwendet, um die Erfassung von Messdaten des Gelenkarm-KMG 100 zu unterstützen, und empfängt über den Armbus 218 und eine Bussteuermodulfunktion 308 die unverarbeiteten Kodiererdaten (z. B. Daten des Kodierersystems). Die Speicherfunktion 304 speichert Programme und statische Armkonfigurationsdaten. Die Basisprozessorkarte 204 umfasst ferner eine für eine externe Hardwareoption vorgesehene Portfunktion 310, um mit etwaigen externen Hardwaregeräten oder Ausrüstungsteilen wie beispielsweise einer LLP 242 zu kommunizieren. Eine Echtzeituhr (RTC; real time clock) und ein Protokoll 306, eine Batteriesatzschnittstelle (IF; interface) 316 und ein Diagnoseport 318 sind ebenfalls in der Funktionalität bei einer Ausgestaltung der in 3 abgebildeten Basisprozessorkarte 204 enthalten.
Die Basisprozessorkarte 204 leitet auch die gesamte drahtgebundene und drahtlose Datenkommunikation mit externen (Host-Rechner) und internen (Bildschirmprozessor 202) Geräten. Die Basisprozessorkarte 204 ist in der Lage, über eine Ethernet-Funktion 320 mit einem Ethernet-Netzwerk [wobei z. B. eine Taktsynchronisations-Norm wie beispielsweise IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 1588 verwendet wird], über eine LAN-Funktion 322 mit einem drahtlosen Local Area Network (WLAN; wireless local area network) und über eine Parallel-Seriell-Kommunikations-Funktion (PSK-Funktion) 314 mit dem Bluetooth-Modul 232 zu kommunizieren. Die Basisprozessorkarte 204 umfasst des Weiteren einen Anschluss an ein Universal-Serial-Bus-Gerät (USB-Gerät) 312.
Die Basisprozessorkarte 204 überträgt und erfasst unverarbeitete Messdaten (z. B. Zählungen des Kodierersystems, Temperaturmesswerte) für die Verarbeitung zu Messdaten, ohne dass dabei irgendeine Vorverarbeitung erforderlich ist, wie sie beispielsweise bei der seriellen Box des vorgenannten Patents '582 offenbart wird. Der Basisprozessor 204 sendet die verarbeiteten Daten über eine RS485-Schnittstelle (IF) 326 zu dem Bildschirmprozessor 328 auf der Benutzerschnittstellenkarte 202. Bei einer Ausgestaltung sendet der Basisprozessor 204 auch die unverarbeiteten Messdaten an einen externen Computer.
Nun Bezug nehmend auf die Benutzerschnittstellenkarte 202 in 3, werden die vom Basisprozessor empfangenen Winkel- und Positionsdaten von auf dem Bildschirmprozessor 328 ausgeführten Anwendungen verwendet, um ein autonomes messtechnisches System in dem Gelenkarm-KMG 100 bereitzustellen. Die Anwendungen können auf dem Bildschirmprozessor 328 ausgeführt werden, um beispielsweise folgende, aber nicht darauf beschränkte Funktionen zu unterstützen: Messung von Merkmalen, Anleitungs- und Schulungsgrafiken, Ferndiagnostik, Temperaturkorrekturen, Steuerung verschiedener Betriebseigenschaften, Verbindung zu verschiedenen Netzwerken und Anzeige gemessener Objekte. Die Benutzerschnittstellenkarte 202 umfasst zusammen mit dem Bildschirmprozessor 328 und einer Schnittstelle für einen Flüssigkristallbildschirm (LCD-Bildschirm; liquid crystal display) 338 (z. B. ein berührungssensitiver LCD-Bildschirm) mehrere Schnittstellenoptionen, zu denen eine Secure-Digital-Karten-Schnittstelle (SD-Karten-Schnittstelle) 330, ein Speicher 332, eine USB-Host-Schnittstelle 334, ein Diagnoseport 336, ein Kameraport 340, eine Audio-/Video-Schnittstelle 342, ein Wähl-/Funkmodem 344 und ein Port 346 für das Global Positioning System (GPS) gehören.
Das in 3 abgebildete elektronische Datenverarbeitungssystem 210 umfasst des Weiteren eine Basisenergiekarte 206 mit einem Umgebungsaufzeichnungsgerät 362 zur Aufzeichnung von Umgebungsdaten. Die Basisenergiekarte 206 stellt auch Energie für das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 bereit, wobei ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 358 und eine Batterieladegerät-Steuerung 360 verwendet werden. Die Basisenergiekarte 206 kommuniziert über einen seriellen Single-Ended-Bus 354, der eine Inter-Integrated Circuit (I2C) aufweist, sowie über eine serielle Peripherieschnittstelle einschließlich DMA (DSPI) 357 mit der Basisprozessorkarte 204. Die Basisenergiekarte 206 ist über eine Ein-/Ausgabe-Erweiterungsfunktion (I/O-Erweiterungsfunktion) 364, die in der Basisenergiekarte 206 implementiert ist, mit einem Neigungssensor und einem Radiofrequenzidentifikations-Modul (RFID-Modul) 208 verbunden.
Obwohl sie als getrennte Komponenten dargestellt sind, können alle oder eine Untergruppe der Komponenten bei anderen Ausgestaltungen physisch an verschiedenen Stellen angeordnet sein und/oder die Funktionen auf andere Art als bei der in 3 dargestellten kombiniert sein. Beispielsweise sind die Basisprozessorkarte 204 und die Benutzerschnittstellenkarte 202 bei einer Ausgestaltung in einer physischen Karte kombiniert.
Mehrere verschiedene Typen messtechnischer Geräte oder mehrere ähnliche messtechnische Geräte, welche, beispielsweise als System, zusammen angeordnet, verknüpft, verbunden, zugeordnet, konfiguriert oder eingerichtet sind (ob physisch in irgendeiner Weise befestigt oder nicht), können Ausgestaltungen der hierin offenbarten Zeitsynchronisations-Vorrichtung und des hierin offenbarten Zeitsynchronisations-Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung nutzen, um die verschiedenen Messungen genau zu synchronisieren, die von den mehreren messtechnischen Geräten in dem System durchgeführt werden. Bei einigen Ausgestaltungen können sogar nicht-messtechnische Geräte wie beispielsweise ein Roboter oder eine Kamera in Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Eine beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst ein System, das ein Gelenkarm-Koordinatenmessgerät wie beispielsweise das hierin oben in Bezug auf 1–3 beschriebene tragbare Gelenkarm-KMG 100 und einen Lasertracker umfasst, die in Bezug zueinander zusammen konfiguriert sind, wie nachfolgend im Detail beschrieben wird. Das tragbare Gelenkarm-KMG 100 und der Lasertracker werden unter Verwendung der Norm Precision Time Protocol (PTP) gemäß IEEE 1588 zeitsynchronisiert, um beispielsweise Messungen eines Objekts durchzuführen. Die nachfolgend beschriebene beispielhafte Ausgestaltung betrifft insbesondere ein tragbares Gelenkarm-KMG 100 und einen Lasertracker, die zusammen verwendet werden, um das tragbare Gelenkarm-KMG 100 derart zu verschiedenen physischen Stellen zu versetzen, dass es ein relativ großes Teil oder Objekt (z. B. ein Kraftfahrzeug) in den Fällen vollständig messen kann, wo eine solche vollständige Messung unmöglich ist, wenn das tragbare Gelenkarm-KMG 100 nicht zu weiteren physischen Stellen versetzt wird.
Wie hierin oben beschrieben wurde, werden tragbare Gelenkarm-KMGs 100 verwendet, um dreidimensionale Positionsdaten in Bezug auf ein Objekt wie beispielsweise ein Teil, das gerade gemessen wird, zu erhalten. Das tragbare Gelenkarm-KMG 100 wandelt das physische Objekt in einen Datensatz um, der das physische Objekt repräsentiert. Die weiteren Details bezüglich tragbarer Gelenkarm-KMGs finden sich in dem vorgenannten an Raab erteilten US-Patent Nr. 5,402,582 ('582) des gleichen Inhabers, welches hierin in seiner Gesamtheit einbezogen wird.
Ein modernes tragbares Gelenkarm-KMG 100 kann in einem Volumen messen, das innerhalb eines Bereichs definiert ist, der sich bis zu der maximalen Reichweite des Armabschnitts 104 des Gelenkarm-KMG 100 erstreckt. Diese maximale Reichweite des Arms kann normalerweise z. B. 1,80 oder 3,60 m betragen, was hauptsächlich von der Länge der Armsegmente 106, 108 abhängt. Messungen außerhalb dieses Volumens bzw. darüber hinaus bei gleichzeitiger Beibehaltung eines originalen oder globalen Koordinatensystems bzw. Bezugssystems erfordern die physische Versetzung des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 zu einer oder mehreren anderen verschiedenen physischen Stellen sowie die Durchführung eines Verfahrens zur Übertragung des Koordinatensystems an jeder Stelle, beispielsweise das als „Bocksprung” bezeichnete Verfahren. Bei dem Bocksprungverfahren dienen Merkmale in dem ersten Messvolumen (d. h. mit dem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 an seiner physischen Anfangsposition) dazu, das Koordinatensystem des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 neu einzustellen, nachdem es zu einer zweiten, neuen bzw. verschiedenen physischen Stelle bewegt wurde, um das Teilemessverfahren fortzuführen (z. B. bei der Messung eines Kraftfahrzeugs oder ähnlich großen Objekts). Das tragbare Gelenkarm-KMG 100 kann gegebenenfalls auch zu einer dritten, vierten oder weiteren verschiedenen physischen Stelle versetzt werden, um das Teilemessverfahren erfolgreich abzuschließen. Das Nettoergebnis des Bocksprungverfahrens ist das Mitführen eines etwaigen Fehlers, da das tragbare Gelenkarm-KMG 100 fortlaufend zur Wiederherstellung seines Koordinatensystems verwendet wird. Eine ausführlichere Beschreibung des Bocksprungverfahrens findet sich in dem US-Patent Nr. 4,430,796 , welches hierin in seiner Gesamtheit einbezogen wird.
In 4 ist ein Beispiel für ein relativ groß angelegtes Koordinaten-Abtastmesssystem 400 dargestellt, das dem Messsystem ähnlich ist, das in dem vorgenannten US-Patent Nr. 7,804,602 des gleichen Inhabers offenbart wird, welches hierin in seiner Gesamtheit einbezogen wird. Das Abtastsystem 400 von 4 umfasst ein tragbares Gelenkarm-KMG 100, das dem hierin oben unter Bezugnahme auf 1–3 beschriebenen ähnlich ist und in 4 in vereinfachter Form dargestellt ist. Das System umfasst ferner eine Retroreflektor-Klemmbaugruppe 410, die auf dem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 an oder nahe dem Sondenende 420 des Gelenkarm-KMG 100 angeordnet ist, und einen Lasertracker 430. In Abhängigkeit von beispielsweise der spezifischen Anwendung in dem Gebiet sind andere Orientierungen, Anordnungen, Einrichtungen und Variationen mehrerer Messgeräte des gleichen oder verschiedenen Typs möglich und durch Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung vorgesehen. Das beispielhafte System 400 von 4 sollte demzufolge nicht als einschränkend aufgefasst werden.
5 zeigt eine Explosionsdarstellung der Retroreflektor-Klemmbaugruppe 410, die einen sphärisch montierten Retroreflektor (SMR) 500, eine kinematische Aufnahme 510 und eine Klemme 520 umfasst. Der SMR 500 umfasst einen Würfelecken-Retroreflektor 530, der in eine Teilkugel 540 eingebettet ist. Der Würfelecken-Retroreflektor 530 umfasst drei flache Spiegelsegmente (M1, M2, M3), welche derart miteinander verbunden sind, dass jedes Glassegment einen 90°-Winkel in Bezug auf die anderen zwei Glassegmente aufweist. Der gemeinsame Schnittpunkt der drei Glassegmente wird als Scheitelpunkt „A” des SMR 500 bezeichnet. Der Scheitelpunkt „A” befindet sich an dem Kugelmittelpunkt der Teilkugel 540.
Die kinematische Aufnahme 510 wird an der Oberseite der Klemme 520 befestigt, welche wiederum auf dem letzten Verbindungs- bzw. Armsegment 550 des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 an oder nahe dem Sondenende 420 arretiert wird. Die Klemme 520 ermöglicht somit, dass die Retroreflektor-Klemmbaugruppe 410 auf dem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 an einer gewünschten Stelle angeordnet werden kann.
Die kinematische Aufnahme 510 hat drei punktartige Kontakte (nicht dargestellt), auf welchen die Kugeloberfläche des SMR 500 aufliegt. Diese punktartigen Kontakte gewährleisten, dass der Mittelpunkt des SMR 500 an derselben Stelle im Raum bleibt, während der SMR 500 gedreht wird. Die kinematische Aufnahme 510 enthält vorzugsweise einen Magneten in ihrem Unterteil, um zu gewährleisten, dass der SMR 500 in anhaltendem Kontakt mit den drei punktartigen Kontakten bleibt.
Man sieht in 4, dass der Lasertracker 430 einen Laserstrahl 440 zu dem SMR 500 sendet. Der Würfelecken-Retroreflektor 530 reflektiert das vom Lasertracker 430 gesendete Licht entlang derselben Linie 440 wie der ausgehende Laserstrahl zurück zum Lasertracker 430. Der Lasertracker 430 überwacht die Position des zurückkehrenden Laserstrahls und stellt die Position des Trackerkopfes 450 ein, um den Laserstrahl zentriert auf dem SMR 500 zu halten, sogar während der SMR 500 von Punkt zu Punkt bewegt wird. Der Bediener bewegt bei diesem Beispiel den SMR 500 zu drei verschiedenen Positionen (wobei das tragbare Gelenkarm-KMG 100 an der selben physischen Stelle gehalten wird), kann aber auch den SMR 500 zu zwölf oder mehr Positionen oder eventuell nur zu einer Position bewegen. Bei jeder SMR-Position nehmen das tragbare Gelenkarm-KMG 100 und der Lasertracker 430 Messungen der Koordinaten des SMR 500 vor. Das tragbare Gelenkarm-KMG 100 tut dies, indem es seine eingebauten Winkelkodierer benutzt, die normalerweise miteinander und mit dem Unterteil 116 des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 oder mit dem letzten Verbindungsstück 550 in den Kupplungen (z. B. Lagereinsätzen) der Armsegmente 106, 108 des Gelenkarm-KMG 100 angeordnet sind. Der Lasertracker 430 tut dies, indem er seinen Distanzmesser und seine Winkelkodierer (nicht dargestellt) benutzt. Es können auch andere Typen von Kodierern und Distanzmessern verwendet werden.
Durch einen Vergleich dieser SMR-Messdaten, die von dem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 und dem Lasertracker 430 erfasst wurden, kann eine Transformationsmatrix für die Umwandlung des Koordinatensystems des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 in das Koordinatensystem des Lasertrackers 430 oder umgekehrt bestimmt werden. Alternativ dazu können beide Datensätze in irgendein anderes bevorzugtes Koordinatensystem (x, y, z) umgewandelt werden.
Bei der Messung eines relativ großen Objekts (z. B. eines Kraftfahrzeugs) mit einem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 muss oft das gesamte tragbare Gelenkarm-KMG 100 (oder der Abschnitt des Gelenkarm-KMG 100, der die Messfunktion durchführt – d. h. der Armabschnitt, wobei vielleicht ein Laptop-Computer während des gesamten Vorgangs an derselben physischen Stelle bleibt) zu einer anderen physischen Stelle bewegt werden. Dies wird durchgeführt, um das tragbare Gelenkarm-KMG 100 zu einer oder mehreren anderen verschiedenen physischen Stellen in Bezug auf das zu messende Objekt derart zu versetzen, dass das tragbare Gelenkarm-KMG 100 andere Abschnitte des großen Objekts messen kann, die von der ersten physischen Stelle des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 aus nicht für eine Messung zugänglich sind. Dieser Vorgang des Bewegens des gesamten tragbaren Gelenkarm-KMG 100 oder eines Teils davon zu einer anderen physischen Stelle wird als „Versetzung” bezeichnet. Dies bedeutet, dass die „Versetzung” sich nicht darauf bezieht, dass das tragbare Gelenkarm-KMG 100 an einer einzigen physischen Stelle gehalten wird, während der Benutzer einen oder mehrere Abschnitte des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 (z. B. Armsegmente, Sonde usw.) zu anderen Positionen bewegt.
Das obige Verfahren der simultanen Messung der Position des SMR 500 sowohl mit dem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 als auch mit dem Lasertracker 430 wird immer dann durchgeführt, wenn das tragbare Gelenkarm-KMG 100 versetzt wird (siehe 6, wo beispielsweise das tragbare Gelenkarm-KMG 100 von der „Position A” zu der „Position B” bewegt wird – d. h. von einer ersten physischen Stelle zu einer zweiten physischen Stelle). Dadurch wird ermöglicht, dass die von den mehreren verschiedenen Stellen des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 erfassten Messdaten in Bezug auf ein relativ großes Objekt 600 nahtlos in dem gleichen gemeinsamen Koordinatensystem in dem gleichen Bezugssystem (z. B. einem globalen Bezugssystem) „zusammengenäht” werden können. Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren kann das tragbare Gelenkarm-KMG 100 schnell und genau zu einer beliebigen physischen Stelle innerhalb des Messvolumens des Lasertrackers 430 versetzt werden.
Dieses Verfahren verkörpert eine Verbesserung gegenüber anderen Lösungen, wo ein derartiges relativ problemloses Versetzungsverfahren nicht möglich ist, weil normalerweise mehrere Ziele (d. h. Aufnahmen), z. B. vier Ziele, auf einem Boden als Bezugssystem für ein tragbares Gelenkarm-KMG 100 angeordnet werden. Die Aufnahmen müssen somit auch versetzt werden, wenn ein tragbares Gelenkarm-KMG 100 versetzt wird, und alle Bezugspunkte müssen relativ nachkalibriert werden.
Es können auch die folgenden Verfahren implementiert werden, um die Genauigkeit der Versetzung eines tragbaren Gelenkarm-KMG 100 zu verbessern: (1) Messen von zahlreichen Punkten (beispielsweise mehr als drei) mit dem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 und dem Lasertracker 430; (2) Messen von Punkten, die so weit wie möglich im dreidimensionalen Raum voneinander getrennt sind (d. h. nahe den Außenrändern des Messvolumens bzw. Arbeitsraums des Gelenkarm-KMG); und (3) Messen von Punkten, die sich in allen drei Dimensionen erstrecken (d. h. Vermeidung der Erfassung von Punkten, die ganz auf oder nahe einer Ebene liegen).
Wenn die Retroreflektor-Klemmbaugruppe 410 zuerst an dem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 befestigt wird, müssen die Koordinaten des SMR 500 relativ zu dem Bezugssystem des letzten Verbindungsstücks 550 des Gelenkarm-KMG 100 gefunden werden (siehe 9B). Dazu wird ein Kompensationsverfahren mit der montierten Kugel 700 durchgeführt, die in 7 dargestellt ist. Man kann dies auch als „Anfangskompensations”-Verfahren bezeichnen, da es nur durchzuführen ist, wenn die Retroreflektor-Klemmbaugruppe 410 zuerst am tragbaren Gelenkarm-KMG 100 befestigt wird.
Die montierte Kugel 700 umfasst eine Metallkugel 710, eine magnetische Aufnahme 720 und einen Sockel 730. Die Metallkugel 710 kann den gleichen Durchmesser wie beispielsweise der SMR 500 aufweisen. Die magnetische Aufnahme 720 hat drei punktartige Kontakte (nicht dargestellt), auf welchen die Metallkugel 710 aufliegt. Ein Magnet (nicht dargestellt) hält die Metallkugel 710 fest an den drei punktartigen Kontakten. Die magnetische Aufnahme 720 ist an dem Sockel 730 befestigt, welcher wiederum an dem Boden auf einer anderen stabilen Oberfläche befestigt ist.
Zu Beginn des Kompensationsverfahrens zum Auffinden der SMR-Position wird der SMR 500 aus der kinematischen Aufnahme 510 entfernt. Die kinematische Aufnahme 510 wird mit der Metallkugel 710 in Kontakt gebracht, die auf der magnetischen Aufnahme 720 sitzt. Dies ist in 8A dargestellt. Anschließend werden die Armsegmente 106, 108 des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 zu einer anderen Position bewegt (in 8B dargestellt). Die exakte Position der kinematischen Aufnahme 510 ist dabei nicht von Bedeutung. Durch eine Neupositionierung der Armsegmente mindestens einmal, aber vorzugsweise mehrere Male, können die Winkel bei den Winkelkodierern des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 zur Bestimmung der Position des Mittelpunkts des SMR 500 verwendet werden.
Die mathematischen Grundlagen zur Bestimmung von Koordinaten mit Gelenkarmsegmenten wie denjenigen, die beispielsweise an Robotern oder tragbaren Gelenkarm-KMGs vorkommen, sind weithin bekannt. Die relevanten Gleichungen werden beispielsweise in den Kapiteln 3 und 4 von Robot Modeling and Kinematics von Rachid Manseur beschrieben. Mit diesen Gleichungen kann man die Position r' des Mittelpunkts der Metallkugel 710 in dem Bezugssystem des letzten Verbindungsstücks 550 zu der Positon r des Mittelpunkts der Metallkugel 710 in dem festen Bezugssystem des Unterteils 116 des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 in Bezug setzen. Die möglichen Vektoren r' und r für ein spezielles Gelenkarm-KMG sind in 9A und 9B dargestellt. Zur Erklärung der Bedeutung dieser Vektoren sind lokale Koordinatensysteme (x_A, y_A, z_A) und (x_B, y_B,z_B) für das tragbare Gelenkarm-KMG 100 bzw. das letzte Verbindungsstück 550 in 9A und 9B dargestellt. Im Falle des oben beschriebenen Kompensationsverfahrens zum Auffinden der Koordinaten des SMR 500 bewirkt die Einschränkung der Metallkugel 710, dass die Vektoren r' und r sogar dann konstant bleiben, während die Armsegmente des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 herumbewegt werden. Die Gleichung, die die zwei Vektoren in Bezug zueinander setzt, lautet: r = T(θ _i)·r' (Gl. 1)
In dieser Gleichung ist T(θ_i) eine 4×4-Transformationsmatrix, die von den so genannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parametern) für jedes Verbindungsstück abhängt, wie es in dem oben angegebenen Buch von Manseur erklärt wird. Bei jedem Verbindungsstück variiert nur einer der DH-Parameter, nämlich der Verbindungsstückwinkel θ, während des Kompensationsverfahrens. Die anderen DH-Parameter sind charakteristisch für ein spezielles tragbares Gelenkarm-KMG 100 und wurden bereits durch ein werkseitiges Kompensationsverfahren bestimmt, das zum Zeitpunkt der Herstellung des Gelenkarm-KMG 100 durchgeführt wurde. Die festen Parameter werden durch ein separates werkseitiges Kompensationsverfahren bestimmt. Die Vektorschreibweise θ _i gibt an, dass T eine Funktion der Winkelkodierer-Messwerte für alle Kupplungspunkte in dem Gelenkarm-KMG 100 sind; ferner gibt i die i-te Messung an, wobei jede Messung einer verschiedenen Position des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 entspricht, wovon zwei Beispielpositionen in 8A und 8B dargestellt sind. Wenn das tragbare Gelenkarm-KMG 100 zu einer großen Anzahl verschiedener Positionen bewegt wird, gibt es keine eindeutige Lösung für die Gleichung (1). Statt dessen erfolgt die beste Schätzung der Vektoren r' und r durch die Minimierung des gesamten Restfehlers. Für die i-te Messung wird der Restfehler folgendermaßen definiert: a. rest_i = |T(θ _i)·r' – r| (Gl. 2)
Zur Minimierung des gesamten Restfehlers werden r' und r derart ausgewählt, dass sie die Summe des Quadrats der rest_i-Werte minimieren. In diesem Fall werden r' und r jeweils durch drei Koordinatenwerte (z. B. x, y und z) repräsentiert, so dass es sechs Parameterwerte gibt, die aufzufinden sind. Das Verfahren zur Auswahl der Parameter für die Minimierung einer Summe quadrierter Werte ist in der Technik weithin bekannt und wird ohne Weiteres mit einer überall erhältlichen Software durchgeführt. Dieses Verfahren wird deshalb nicht weiter besprochen.
Wie zuvor erwähnt wurde, wird das tragbare Gelenkarm-KMG 100 zweckmäßigerweise versetzt, indem die Position des SMR 500 simultan sowohl mit dem Gelenkarm-KMG 100 als auch mit dem Lasertracker 430 gemessen wird, wobei der SMR 500 zu mehreren verschiedenen Positionen bewegt wird.
Die von dem Gelenkarm-KMG 100 erfassten Messungen werden durch folgende Gleichung zu den Messungen des Lasertrackers 430 in Bezug gesetzt: s = M(rx, ry, rz, tx, ty, tz)·s' (Gl. 3)
In dieser Gleichung sind s und s' die Koordinaten des SMR 500 in dem Bezugssystem des Lasertrackers 430 bzw. dem Bezugssystem des tragbaren Gelenkarm-KMG 100. Die Größen rx, ry, rz sind die eulerschen Winkel, die die Drehungen um die X-, Y- bzw. Z-Achse repräsentieren, während tx, ty, tz die Verlagerungen in X, Y bzw. Z sind. Die Matrix M(rx, ry, rz, tx, ty, tz) transformiert die Koordinaten des SMR 500, die von dem versetzten tragbaren Gelenkarm-KMG 100 gemessen wurden, in das Bezugssystem des Lasertrackers 430, welches in diesem Beispiel das gemeinsame Bezugskoordinatensystem ist. Man kann allerdings ein beliebiges Bezugssystem derart verwenden oder zuordnen, dass es das gemeinsame Bezugskoordinatensystem sein soll. Diese Matrix M(rx, ry, rz, tx, ty, tz) ist die durch das Versetzungsverfahren bestimmte Einheit und kann in einem beliebigen Mittel wie beispielsweise in einem Prozessor oder in Software berechnet werden. Sobald sie bekannt ist, kann sie gleichermaßen für eine Messung einer Sondenspitze 420 angewendet werden, die an dem letzten Verbindungsstück 550 befestigt ist. Die von dem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 gemessene Koordinate der Sondenspitze 420 wird durch die Matrix M(rx, ry, rz, tx, ty, tz) derart transformiert, dass sich die Koordinaten der Sondenspitze 420 im Bezugssystem des Lasertrackers 430 ergeben.
Um M(rx, ry, rz, tx, ty, tz) aufzufinden, wird der Restfehler für die i-te Messung folgendermaßen definiert: rest_i = |M(rx, ry, rz, tx, ty, tz)·s' – s (Gl. 4)
Es wird eine Standardberechnung der kleinsten Quadrate durchgeführt, um die Werte der sechs passenden Parameter rx, ry, rz, tx, ty, tz zu finden, die die Summe der Quadrate der Restfehler minimieren.
In Anbetracht der Lehren hierin können andere Vorrichtungen und Verfahren zur Durchführung einer Versetzung des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 unter Einsatz des tragbaren Gelenkarm-KMG und eines Lasertrackers verwendet werden.
Bei der obigen Offenbarung hierin wird die Position des SMR 500 simultan von dem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 und dem Lasertracker 430 gemessen, wenn das tragbare Gelenkarm-KMG 100 zu einer anderen physischen Stelle versetzt wird. Diese „simultane Messung” wird jedes Mal durchgeführt, wenn der SMR 500 zu einer oder mehreren anderen Positionen bewegt wird. Es ist entsprechend von Bedeutung, dass das tragbare Gelenkarm-KMG 100 und der Lasertracker 430 so genau wie möglich derart zeitsynchronisiert sind, dass ein etwaiger Fehler bei der Position des SMR 500, die simultan von dem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 und vom Lasertracker 430 gemessen wird, so klein wie möglich ist und einen akzeptablen Wert für solche präzisen messtechnischen Anwendungen darstellt.
Die Vorrichtungen und Verfahren gemäß Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können das Precision Time Protocol (PTP) gemäß IEEE 1588 für die Zeitsynchronisation sowohl des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 als auch des Lasertrackers 430 nutzen. Solche Vorrichtungen und Verfahren können sowohl bei dem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 als auch bei dem Lasertracker 430 der hierin oben besprochenen Ausgestaltung der Versetzung von 4–9 implementiert werden. Solche Vorrichtungen und Verfahren gemäß Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können das PTP gemäß IEEE 1588 für die Zeitsynchronisation der Echtzeituhren vieler anderer verteilter Netzwerksystem-Kombinationen von „Knoten” (z. B. messtechnischen Geräten) nutzen, die alle ähnlich (z. B. mehrere gleichartige Lasertracker) oder verschieden (z. B. ein tragbares Gelenkarm-KMG und ein Lasertracker) sind oder die sogar nicht-messtechnische Geräte wie beispielsweise Kameras, Roboter oder andere industrielle Ausrüstungen umfassen.
Neben den hierin oben beschriebenen Versetzungs-Ausgestaltungen eines tragbaren Gelenkarm-KMG und eines Lasertrackers ist es möglicherweise erforderlich, dass eine derartige Systemkombination von messtechnischen Geräten manchmal kalibriert wird. Zur Durchführung einer solchen Kalibrierung kann ein SMR 500 an dem letzten Verbindungsstück 550 oder an irgendeiner anderen Stelle auf dem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 befestigt werden (4). Der Lasertracker 430 misst anschließend die Position des SMR 500 relativ zu seinem Bezugssystem, während das tragbare Gelenkarm-KMG 100 simultan die Position seiner Sonde 420 (und somit des SMR 500) misst. Aus dieser Information kann das Bezugssystem des Gelenkarm-KMG 100 relativ zu dem Lasertracker 430 ermittelt werden. Nach der Kalibrierung können das tragbare Gelenkarm-KMG 100 und der Lasertracker 430 dann unabhängig voneinander messen. Ab und zu kann die Position des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 neu erfasst werden (d. h., dass der SMR 500 neu erfasst wird), um die Kalibrierung zu überprüfen und zu bestätigen oder um das tragbare Gelenkarm-KMG 100, wie hierin oben beschrieben, zu einer neuen Stelle zu versetzen. Wie bei den Ausgestaltungen der Versetzung wird bei den Kalibrierungs-Ausgestaltungen des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 und des Lasertrackers 430 bevorzugt, dass das tragbare Gelenkarm-KMG 100 und der Lasertracker 430 so genau wie möglich derart zeitsynchronisiert sind, dass ein etwaiger Fehler bei der Position des SMR 500, die simultan von dem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 und von dem Lasertracker 430 gemessen wurde, so klein wie möglich ist und daher einen akzeptablen Wert für derartige präzise messtechnische Anwendungen darstellt.
Wie hierin oben bei den Versetzungs- und Kalibrierungs-Ausgestaltungen eines kombinierten tragbaren Gelenkarm-KMG 100 und Lasertrackers 430 bereits erwähnt wurde, wird die Messung bzw. „Erfassung” des auf dem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 angeordneten SMR 500 dazu verwendet, die Bezugsstelle des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 derart zu ermitteln, dass, wenn sich der SMR 500 außerhalb der Sichtlinie des Lasertrackers befindet (z. B. durch zu schnelles Bewegen des SMR 500 oder durch eine Sichtbehinderung des SMR 500 durch ein dazwischenliegendes Objekt), die von dem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 durchgeführten Messungen dennoch ununterbrochen fortgeführt werden können. Mit mehreren Lasertracker-Messungen des SMR 500 auf dem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 während der Bewegung des Gelenkarm-KMG wird die Genauigkeit bei der Bestimmung der Bezugsstelle des tragbaren Gelenkarm-KMG verbessert. Dafür gibt es zwei Gründe. Erstens reduziert die Statistik mit N Abfragen die Mehrdeutigkeit jeder Position um den Faktor 1 / √N.
Ferner reduziert die Verwendung mehrerer Orientierungen des Gelenkarm-KMG statt einer einzigen Orientierung des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 die Wahrscheinlichkeit, dass ein einziger Gelenkarm-KMG-Positionsfehler mit den ungünstigsten Folgen das Ergebnis beeinflusst. Das gleichmäßige Bewegen des SMR 500 und demnach der Kodierer im tragbaren Gelenkarm-KMG 100 sorgt dafür, dass die Bezugsposition des Gelenkarm-KMG 100 mittels dessen Mittelwertposition genauer bestimmt werden kann. Dies ist das gleiche Konzept wie das bei einer Einzelpunktkalibrierung angewendete.
In Bezug auf mehrere Geräte (z. B. messtechnische Präzisionsgeräte wie tragbare Gelenkarm-KMGs und Lasertracker), die in einem verteilten Netzwerksystem miteinander verbunden sind (durch drahtgebundene und/oder drahtlose Kommunikationskapazitäten), muss ein Kommunikationsnetzwerk normalerweise ein deterministisches Verhalten zeigen, um eine dynamisch koordinierte Messung und/oder Steuerung zu erzielen. Dies bedeutet, dass es immer in der Lage sein muss, die notwendige Datenmenge in einem vordefinierten Zeitraum mit der Fähigkeit zur präzisen Zeitsynchronisation aller beteiligten Geräte (z. B. der Echtzeituhren in dem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 und dem Lasertracker 430 in den oben offenbarten Ausgestaltungen) auszutauschen.
Einige der repräsentativen Netzwerkanforderungen, die an die Hard- und Softwareelemente gestellt werden, umfassen die Uhr und Zeitplanung, das Datenmanagement und Meldungsprotokolle, die Bandbreite, die Pufferung und die Synchronisation. Die aktuellen Normen für drahtgebundene (IEEE 802.3) und drahtlose (IEEE 802.11) Übertragungen stellen die relativ besten Netzwerklösungen bereit. Gegenwärtig ist das Ethernet (IEEE 802.3) der führende Kandidat für Anwendungen mit drahtgebundener Netzwerkkonnektivität, während das drahtlose WiFi (IEEE 802.11) der führende Kandidat für Anwendungen mit lokaler drahtloser Netzwerkkonnektivität ist.
Zu einigen Vorteilen des Ethernet gehört, dass es relativ preiswert zu implementieren ist und eine weit verbreitete Verwendung beispielsweise in Büro- und Industrieanwendungen bietet. Das Ethernet ist zudem vielseitig; beispielsweise können Draht- und Glasfaserkonfigurationen sowie Halb- und Vollduplex-Implementierungen realisiert werden. Ferner sind industrielle Ethernet-Protokolle (z. B. Echtzeit-Ethernet) und mehrere Topologien verfügbar. Außerdem ermöglicht Power over Ethernet (PoE; Energie über das Ethernet), dass ein einziges Kabel Signale und Energie bereitstellt. Das Ethernet ist außerdem relativ leicht zu sichern und zu segmentieren und stellt auch eine Unterstützung für das PTP gemäß IEEE 1588 bereit, welches nachfolgend ausführlicher besprochen wird.
Zu einigen Vorteilen des drahtlosen WiFi gehört, dass es relativ preiswert zu implementieren ist und eine weit verbreitete Verwendung beispielsweise in Büro- und Industrieanwendungen bietet. Ferner können drahtlose WiFi-Stationen relativ leicht bewegt werden. Die Funkabdeckung kann durch eine Verzögerung von Meldungen erweitert werden. Das drahtlose WiFi bietet auch einen relativ geringen Energieverbrauch; beispielsweise kann Batterieenergie verwendet werden. Es gibt darüber hinaus eine Fülle an Hard- und Software für die Unterstützung und das drahtlose WiFi unterstützt auch das PTP gemäß IEEE 1588.
Bei den verschiedenen Ausgestaltungen der Vorrichtungen und Verfahren der vorliegenden Erfindung wird der relativ hohe Grad an Genauigkeit in Bezug auf die Zeitsynchronisation zwischen den mehreren messtechnischen Präzisionsgeräten durch den Einsatz des hardwaregestützten Zeitsynchronisationsbetriebs gemäß IEEE 1588 erzielt, der nachfolgend detailliert beschrieben wird. Eine Ausgestaltung kann beispielsweise ein tragbares Gelenkarm-KMG mit einer an das Sondenende des Gelenkarm-KMG angeschlossenen LLP zusammen mit einem vom Gelenkarm-KMG getrennten Lasertracker umfassen. Wenn die Bewegung des tragbaren Gelenkarm-KMG mit der LLP einen Meter pro Sekunde und der Zeitfehler bei der Synchronisation eine Millisekunde betragen (typisch für ein System mit dem PTP gemäß IEEE 1588, bei dem lediglich eine Softwaremethode zum Einsatz kommt), ist der daraus resultierende Positionsfehler, der durch den Zeitfehler bei der Synchronisation verursacht wird, durch das Produkt aus der Größe der Armgeschwindigkeit und der Änderung des Synchronisationsfehlers gegeben. In diesem Beispiel beträgt der Positionsfehler einen Millimeter, welcher relativ weitaus größer (zwei Größenordnungen) als die kombinierten Fehler des Lasertrackers und des tragbaren Gelenkarm-KMG ist. Für die dreidimensionale Präzisionsmesstechnik wird bevorzugt, dass der Zeitfehler bei der Synchronisation weniger als eine Mikrosekunde (und vorzugsweise ungefähr höchstens 500 Nanosekunden) beträgt, um einen vernachlässigbaren Positionsfehler zu erhalten. Eine hardwaregestützte Methode nach dem PTP gemäß IEEE 1588 kann generell den gewünschten Grad an Genauigkeit erfüllen, wohingegen eine softwaregestützte Methode nach dem PTP gemäß IEEE 1588 dies im Allgemeinen nicht kann.
Eine Uhr ist normalerweise ein zweiteiliges Gerät. Der erste Teil ist ein Oszillator, der (zeitlich) gleich beabstandete periodische Ereignisse bereitstellt. Der zweite Teil ist ein Zähler, der diese Ereignisse addiert (auch als Integrator, Addierer oder Akkumulator bekannt). Die erfasste Zeit einer Uhr wird hauptsächlich durch drei Elemente beeinflusst. Das erste wird durch Verzögerungsstörungen (Störungen des Kommunikationswegs von der Uhr zu dem Empfänger der Zeitinformation) verursacht. Das zweite ist die Veränderlichkeit der Zeitbasis der Uhr selbst (Art der Zeitbasis). Das dritte Element ist ein beliebiger Einfluss der Umgebung auf die Zeitsteuerung der Uhr.
Um den gewünschten Grad an Präzision bei der Zeitsynchronisation (z. B. ein maximal akzeptabler Fehler von ungefähr höchstens 500 Nanosekunden) zwischen mehreren ähnlichen oder verschiedenen messtechnischen Präzisionsgeräten (z. B. Lasertrackern, tragbaren Gelenkarm-KMGs) und/oder anderen Typen von Geräten (z. B. Industrierobotern und industrieller Ausrüstung), die beispielsweise in einem System verbunden, angeordnet oder anderweitig miteinander kombiniert sind, für drahtgebundene und/oder drahtlose Kommunikationen zwischen den Geräten zu erreichen, wird aus den nachfolgend hierin besprochenen Gründen bevorzugt, dass statt einer auf Software basierenden Implementierung eine auf Hardware basierende Implementierung des PTP gemäß IEEE 1588 bei beispielhaften Ausgestaltungen der Vorrichtungen und Verfahren der vorliegenden Erfindung realisiert wird.
Als Hintergrundinformation bezüglich des PTP gemäß IEEE 1588 sei erwähnt, dass eine erste Version (Version 1) der Norm im Jahre 2002 veröffentlicht wurde, wohingegen eine überarbeitete Version (Version 2) im Jahre 2008 veröffentlicht wurde. Das PTP gemäß IEEE 1588 beschreibt eine hierarchische Master-Slave-Architektur für die Taktverteilung in einem Gerätenetzwerk. Das PTP gemäß IEEE 1588 synchronisiert Echtzeituhren in verteilten Netzwerken. Die vernetzten Uhren werden in einer Master-Slave-Hierarchie organisiert, bei welcher ein Zweiweg-Informationsaustausch zwischen dem Master-Uhr-Gerät und jedem der Slave-Uhr-Geräte erfolgt, um alle Uhren in dem gewünschten präzisen Grad der Zeitsynchronisation zu halten. Unter der hierarchischen Master-Slave-Architektur umfasst ein Zeitverteilungssystem ein oder mehrere Kommunikationsmedien (Netzwerksegmente) sowie eine oder mehrere Uhren. Eine Ordinary Clock (gewöhnliche Uhr) ist eine Uhr mit einem einzigen Netzwerkanschluss und ist entweder (als Master) die Quelle einer Synchronisationsreferenz oder (als Slave) das Ziel für eine Synchronisationsreferenz. Eine Boundary Clock (Uhr, die Information über Grenzen transportiert) hat mehrere Netzwerkanschlüsse und kann die Synchronisation von einem Netzwerksegment zu einem anderen genau überbrücken. Für jedes Netzwerksegment im System wird ein Synchronisations-Master ausgewählt. Eine Grandmaster Clock (Grandmaster-Uhr) ist die Stamm-Zeitreferenz für das gesamte System. Die Grandmaster Clock überträgt die Synchronisationsinformation zu den anderen Uhren, die sich im selben Netzwerksegment wie der Grandmaster befinden. Die in diesem Segment vorhandenen Boundary Clocks leiten dann die genaue Zeit zu den anderen Segmenten weiter, mit denen sie ebenfalls verbunden sind.
In IEEE 1588, Version 2, wurde ein als Transparent Clock (transparente Uhr) bezeichneter Uhrentyp als ein verbessertes Verfahren zur Bildung von kaskadierten Segmenttopologien definiert. Es handelt sich dabei eigentlich um einen verbesserten Ethernet-Switch. Eine Transparent Clock kann eine Boundary Clock ersetzen. Eine Transparent Clock überwacht PTP-Meldungen (PTP Messages) zwischen Master und Slaves und fügt die lokalen Zeitverzögerungsdaten (Residenzzeit) in den aktuellen PTP Frame (Rahmen) ein. Es gibt zwei Typen von Transparent Clocks, nämlich End-to-End (E2E) und Peer-to-Peer (P2P). P2P-Transparent-Clocks unterscheiden sich dahingehend von E2E, dass jeder Port einer P2P-Transparent-Clock zusätzlich die Verknüpfungspfad-Verzögerung des Peers mit seinem Verknüpfungspartner (an der Eintritts- oder Upstream-Seite) berechnet und diese Daten in das Korrekturfeld des PTP Frame einbringt.
Ein vereinfachtes PTP-System umfasst häufig eine Anzahl von Ordinary Clocks, die in einem einzigen Netzwerk verbunden sind. In diesem Fall werden keine Boundary Clocks verwendet. Es wird eine Grandmaster Clock ausgewählt und alle anderen Uhren werden direkt nach ihr synchronisiert. Generell ermittelt in dem PTP gemäß IEEE 1588 ein „Best Master Clock”-Algorithmus die „beste” bzw. genaueste Uhr in dem System, nach der alle anderen Uhren in dem System anschließend synchronisiert werden. Diese Bestimmung der Master-Uhr erfolgt auf der Grundlage mehrerer unterschiedlicher Eigenschaften jeder Uhr. Uhren können beispielsweise paarweise angeordnet werden und die eingebetteten Uhrattribute vergleichen. Alle Uhren arbeiten nach derselben Information und ziehen dieselben Schlussfolgerungen.
10 zeigt ein vereinfachtes PTP-System, bei dem eine Grandmaster Clock 1000 als Zeitbasis für das gesamte System dient, welches eine oder mehrere Slave-Uhren 1010 umfasst. Das PTP gemäß IEEE 1588, Version 2, fügt den Uhrentypen von Version 1 einige zusätzliche Uhrentypen hinzu. In einem messtechnischen Präzisionsgerätesystem kann sich die Grandmaster Clock 1000 in einem der messtechnischen Geräte wie beispielsweise dem tragbaren Gelenkarm-KMG von 4 befinden, während die Slave-Uhr 1010 sich in einem anderen der messtechnischen Geräte wie beispielsweise dem Lasertracker 430 von 4 befinden kann. Die Slave-Uhr 1010 in dem Lasertracker 430 kann dann das PTP gemäß IEEE 1588 nutzen, um sich selbst zeitlich mit der Grandmaster Clock 1000 in dem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 zu synchronisieren. Auf diese Weise kann die Messgenauigkeit zwischen den zwei messtechnischen Präzisionsgeräten 100, 430 innerhalb eines akzeptablen Werts von 500 Nanosekunden liegen.
Die zeitliche Synchronisation und Leitung eines Systems, das ein hardwaregestütztes PTP gemäß IEEE 1588 implementiert, wird durch den Informationsaustausch in Form von Paketen oder Meldungen (z. B. „PTP Packets” oder „PTP Messages”) im gesamten Kommunikationsmedium [z. B. dem lokalen Netzwerk (LAN) oder drahtlosen LAN, das einen Master und jeden Slave verbindet] erzielt werden. Zu diesem Zweck nutzt das PTP gemäß IEEE 1588 die folgenden Basismeldungen, die zwischen den verschiedenen Geräten ausgetauscht werden: Sync (Synchronisieren), Delay_Req (Abfrage der Verzögerung), Follow_Up (Weiterverfolgen) und Delay_Resp (Beantwortung der Verzögerung). Diese Meldungen werden von den verschiedenen Uhren benutzt, um die zeitbezogene Information („Timestamps”; Zeitstempel) im gesamten Netzwerk mitzuteilen, damit jede der Slave-Uhren zeitlich nach der Grandmaster Clock synchronisiert wird. Bei beiden Versionen des PTP gemäß IEEE 1588 stehen andere Meldungen oder Pakete zur Verfügung. Einige Meldungen sind als Ereignismeldungen dadurch gekennzeichnet, dass sie zeitkritische Meldungen sind, bei denen die Genauigkeit bei der Übertragung und dem Empfang von Zeitstempeln direkt die Genauigkeit der Taktverteilung beeinträchtigt. Andere Meldungen sind als allgemeine Meldungen dadurch gekennzeichnet, dass sie allgemeinere Protokolldateneinheiten sind und dass die Daten dieser Meldungen für das PTP von Bedeutung sind, ihre bertragungs- und Empfangs-Zeitstempel dagegen nicht. Die im PTP gemäß IEEE 1588 definierten unterschiedlichen Meldungen können unter Verwendung des Multicast (Gruppenruf) übertragen werden, welches der Typ des verteilten Systems ist, das durch Ethernet unterstützt wird.
11 und 12 zeigen ein Beispiel dafür, wie eine Slave-Uhr 1010 das PTP gemäß IEEE 1588 verwendet, um sich selbst zeitlich nach der Master-Uhr 1000 zu synchronisieren. Dazu muss jede Slave-Uhr 1010 genau die Netzwerklaufzeit der von der Master-Uhr 1000 gesendeten Sync-Meldungen bestimmen. Die Laufzeit wird indirekt ermittelt, indem die Umlaufzeit von jeder Slave-Uhr 1010 zu ihrer Master-Uhr 1000 gemessen wird.
Die Master-Uhr 1000 sendet bei der Zeit t0 die Sync-Meldung über Multicast (in jeder von Version 1 oder Version 2 des PTP gemäß IEEE 1588) zu allen Slave-Uhren 1010 oder in Version 2 des PTP gemäß IEEE 1588 über Unicast zu einer spezifischen Slave-Uhr 1010. Dies kann regelmäßig durch die Master-Uhr 1000 erfolgen (z. B. wird es in Version 1 des PTP gemäß IEEE 1588 bis zu einmal pro Sekunde durchgeführt, während die Version 2 gestattet, dass die Sync-Meldung bis zu zehnmal pro Sekunde von der Master-Uhr 1000 rundgesendet wird). Wenn eine Slave-Uhr 1010 die Sync-Meldung empfängt, zeitstempelt sie die lokale Zeit t1 von sich selbst. Die Master-Uhr 1000 sendet dann die Meldung Follow_Up zur Slave-Uhr 1010. Die Follow_Up-Meldung enthält die Zeit, die die Master-Uhr 1000 in der vorherigen Sync-Meldung sendete. Jede Slave-Uhr 1010 berechnet anschließend die Zeitdifferenz zwischen t1 und t0, um den Wert für den Offset (Versatz) plus die Delay (Verzögerung) zu erhalten, welcher beispielsweise die Größe A ist.
Als Nächstes (in 12 dargestellt) sendet die Slave-Uhr 1010 bei der Zeit t2 die Meldung Delay_Req an die Master-Uhr 1000. Die Master-Uhr 1000 sendet dann die Meldung Delay_Resp an die Slave-Uhr 1010, wobei die Delay_Resp-Meldung die Zeit t3 enthält, welche die Master-Uhr 1000 in der Delay_Req-Meldung von der Slave-Uhr 1010 empfing. Die Slave-Uhr 1010 berechnet danach die Zeitdifferenz zwischen t3 und t2, um den Wert für den Offset minus die Delay zu erhalten, welcher beispielsweise die Größe B ist.
Die Slave-Uhr 1010 kann anschließend den Offset als (A – B)/2 und ferner die Delay als (A + B)/2 berechnen. Sobald die Slave-Uhr 1010 den Offset zwischen sich selbst und ihrer Master-Uhr 1000 kennt, kann sie sich selbst um die Größe des Offsets korrigieren, um sich mit der Master-Uhr 1000 in Übereinstimmung zu bringen. Dies bedeutet, dass die Tageszeit der Slave-Uhr 1010 auf die Tageszeit der Master-Uhr 1000 eingestellt werden kann.
Zusätzlich dazu ermöglicht das PTP gemäß IEEE 1588 einer Slave-Uhr 1010 die Berechnung einer etwaigen Drift bzw. Frequenzdifferenz zwischen dem Oszillator in der Slave-Uhr 1010 und dem Oszillator in der Master-Uhr 1000. Dies kann bewerkstelligt werden, indem man die Master-Uhr 1000 aufeinanderfolgende zeitgestempelte Sync- und Follow_Up-Meldungen zu der Slave-Uhr 1010 senden lässt.
Es ist bekannt, dass bei der Verwendung des PTP gemäß IEEE 1588 die Hardware-Zeitstempelung in Bezug auf die Zeitsynchronisation genauer als die Software-Zeitstempelung ist. Dies wird hauptsächlich durch die Reduzierung des Protokollstapel-Jitters erzielt. Jitter (Schwankungen) beschreibt normalerweise Zeitabweichungen zyklischer Ereignisse. Der Netzwerk-Jitter ist der Jitter, der durch das Netzwerk und dessen Komponenten einschließlich aller angeschlossenen Geräte verursacht wird. Die Ethernet-Software wird beispielsweise in unterschiedliche Schichten (Layers) unterteilt, wobei jede Schicht einen als „Header” bezeichneten Informationsblock entfernt oder hinzufügt, bevor sie ihn im Ethernet-Protokollstapel bzw. „Switch Fabric” (Schaltmatrix) nach oben oder unten übergibt. Es gibt zwei dokumentierte Modelltypen, und zwar das OSI-Modell (veraltet) und das TCP/IP-Modell (Internet). Bei jedem Modell ist die oberste Schicht des Protokollstapels diejenige Schicht, die von der physischen Netzwerkschnittstelle am weitesten entfernt ist, wobei die der physischen Netzwerkschnittstelle nächstgelegene Schicht allgemein als „PHY-Schicht” bezeichnet wird, wo sich ein physisches Gerät wie beispielsweise ein Hub (Knotenpunkt) eines Netzwerks befindet.
Die Software-Zeitstempelung bei dem PTP gemäß IEEE 1588 führt zu einer relativ geringeren Synchronisationsgenauigkeit als die Hardware-Zeitstempelung, da die Zeitstempelung an der obersten Schicht des Prokollstapels in der Master-Uhr und in allen Slave-Uhren erfolgt. Der Zeitstempel als solcher muss nach unten durch den gesamten Ethernet-Protokollstapel der Master-Uhr geleitet werden, bevor er ins Netzwerk gestellt wird. Anschließend muss der Zeitstempel nach oben durch den gesamten Protokollstapel jeder Slave-Uhr geleitet werden. Während der Zeitstempel durch den Protokollstapel geleitet wird, werden wegen des Protokollstapel-Jitters normalerweise viele Millisekunden Abweichung mit eingeführt. Während der Zeitstempel durch das Netzwerk geleitet wird, werden außerdem Hunderte Nanosekunden bis Mikrosekunden Abweichung durch Repeater und Switch-Jitter mit eingeführt, während durch Router-Jitter normalerweise Millisekunden mit eingeführt werden.
Im Gegensatz dazu wird die Hardware-Zeitstempelung generell näher an der PHY-Ebene im Ethernet-Protokollstapel durchgeführt. In der Master-Uhr kann z. B. die MAC-Schicht, welche normalerweise direkt über der PHY-Schicht in dem Protokollstapel angeordnet ist, die Zeitstempelung durchführen, während in der Slave-Uhr die PHY-Schicht die Zeitstempelung vornehmen kann. Auf diese Weise entfallen beim Hardware-Zeitstempelungsverfahren viele Millisekunden Abweichung, die durch den der Software-Zeitstempelung eigenen Protokollstapel-Jitter eingeführt werden. Es sind Geräte mit integrierten Halbleiterschaltungen erhältlich (z. B. das Modell DP83640 von der National Semiconductor Corporation), welche die Hardware-Zeitstempelung an der PHY-Schicht implementieren, indem sie der PHY-Schicht im Ethernet-Protokollstapel diese Funktionalität hinzufügen.
Das PTP gemäß IEEE 1588 spezifiziert einen Algorithmus für die Einstellung bzw. Kompensation von Uhren. Ein viel verwendeter Algorithmus im PTP gemäß IEEE 1588 besteht darin, eine Slave-Uhr auf der Grundlage von PTP-Messungen einzustellen. Dies kann bewerkstelligt werden, indem die Slave-Uhr 1010 beschleunigt oder verlangsamt wird (d. h. eine Einstellung der Geschwindigkeit), bis ihr Offset in Bezug auf die Master-Uhr 1000 gegen Null geht [beispielsweise durch die Verwendung eines Proportional-Integral-Servoreglers (PI-Servoreglers)]. Der Servoregler-Eingang ist der „Offset”, der aus den mitgeteilten Zeitstempeln in den Meldungen berechnet wird. Siehe dazu auch den Anwendungshinweis der Intel Corporation mit dem Titel „Utilizing IEEE with Intel® EP80579 Integrated Process Product Line" (September 2008), der hierin in seiner Gesamtheit einbezogen wird.
Ein üblicher bekannter Weg beim Stand der Technik zur Implementierung einer variablen Hardware-Uhr in einem Prozessor in einer Slave-Uhr 1010 ist der Einsatz eines Phasenakkumulators 1300, der in 13 dargestellt ist. Der Phasenakkumulator ist ein Modulo-M-Zähler mit der Länge 2ⁿ. Dies bedeutet, dass der Wert des 2^Q-Bit-Zählers (bzw. -Akkumulators) jedes Mal um den Wert M (Tuning Word; der Abstimmung dienendes Datenwort) erhöht wird, wenn ein Referenz-Taktimpuls empfangen wird. Wenn das Überlaufbit (Bit wird gesetzt, wenn die Zählung 2ⁿ überschreitet) als Ausgang verwendet wird, ist das folgende Verhältnis zwischen der Ausgangsfrequenz und der Referenzfrequenz gegeben durch: F_Aus = (M × F_Ref)/2ⁿ (Gl. 5) wobei: F_Aus der Ausgangsfrequenz des Phasenakkumulators entspricht, F_Ref der Referenz-Taktfrequenz (z. B. des Prozessortakts) entspricht, n der Länge des Phasenakkumulators entspricht und M dem Tuning Word entspricht.
Nun Bezug nehmend auf 14, ist dort ein Blockschaltbild einer Taktsteuerung nach dem PTP gemäß IEEE 1588 dargestellt, wobei ein Phasenakkumulator verwendet wird, der im Stand der Technik bekannt ist. Einige der in der folgenden Diskussion benutzten Definitionen umfassen: FreqOsz ist die Eingangstaktfrequenz; FreqTakt ist der frequenzkompensierte Takt (d. h. die gewünschte Ausgangsfrequenz); FreqTeilVerh ist das Frequenzteilungsverhältnis, das FreqOsz/FreqTakt entspricht; und FreqKompWert ist der Wert, der zur Einstellung des FreqTeilVerh verwendet wird. Die für die Berechnung vorgesehenen Verknüpfungsglieder, die in 14 enthalten sind, sind ein Q-Bit-Akkumulator 1400, ein R-Bit-Summandenregister 1404, ein P-Bit-System-Taktzähler 1408, eine IEEE-1588-Taktreferenz 1412 und eine Meldungs- und Zeitstempel-Logik 1416.
Der Phasenakkumulator ist ein Q-Bit-Akkumulator, dem ein Summandenwert bei einer Frequenz gleich 1/FreqOsz hinzuaddiert wird, woraus sich eine Übertragsfrequenz von 1/FrqTakt ergibt. Dies bedeutet, dass sich ein Übertrag ergibt, der FreqKompWert mal in 2^Q Uhrtakten stattfindet, wobei sich ein Uhrtakt alle 1/FrqOsz Sekunden ereignet. Falls der Ausgangsübertrag als FreqTakt (die gewünschte Nenntaktfrequenz) verwendet wird, dann lässt sich Folgendes ableiten. Wenn FreqKompWert gleich dem Summanden ist, gilt für R ≤ Q:
Wiederholungsmuster: ein regelmäßiges Muster (beginnt und endet mit dem Akkumulator gleich 0) ereignet sich mit einer Anzahl von Überträgen pro Zyklus gleich FreqKompWert/ggT (FreqKompWert, 2^Q) bei einer Anzahl von Uhrtakten (Additionen) gleich 2^Q/ggT (FreqKompWert, 2^Q). Es ist anzumerken, dass der größte gemeinsame Teiler (ggT) von zwei oder mehr ganzen Zahlen ungleich Null die größte positive ganze Zahl ist, durch welche sich beide Zahlen ohne Rest dividieren lassen.
Auflösung der Frequenz- und Zeiteinstellung: nach den obigen Definitionen:
Frequenz: für eine Änderung des FreqKompWert ergibt sich die Änderung von FreqTakt wie folgt:
Zeit: die Zeiträume von FreqOsz und FreqTakt sind: T_FreqOsz = ( 1 / FreqOsz) T_FreqTrakt = ( 1 / FreqTakt)
Eine Änderung des FrqKompWert führt folgendermaßen zu einer Änderung des Zeitraums von FreqTakt:
Mit Gleichung 7 ergibt sich:
Das Dividieren jeder Seite von T_FreqTakt ergibt die relative Änderung von FreqTakt als Funktion von ΔFreqKompWert:
Mit FreqTeilVerh = FreqOsz/FreqTakt ergibt sich:
Annäherung:
Es ist anzumerken, dass der Jitter Folgendes beträgt (Phasenschrittkorrektur): Jitter(ε) = ± 1 / FreqOsz (Gl. 15)
Spezifisch für die vorgenannte integrierte Schaltung DP83640 gilt: FreqOsz = 125 MHz, Q = 35, FreqTeilVerh = 1,00006399.
Mit Gleichung 8 ergibt sich:
Die Änderung von FreqTakt kann als Funktion von FreqOsz (Referenz) ausgedrückt werden:
Die Auflösung der Änderungen von FreqTakt relativ zu FreqOsz können gefunden werden, wenn man FreqKompWert = 1 (d. h. pro Inkrement) gelten lässt.
je ΔFreqKompWert Inkrement.
Durch Umstellen der Gleichung 15 ergibt sich: ΔFreqKompWert = 2^Q·(ΔFreqTakt)/FreqOsz)
Da FreqOsz/FreqTakt = FreqTeilVerh, lässt sich die benötigte Änderung von ΔFreqKompWert für eine Änderung von ΔFreqTakt/FreqTakt ausdrücken, indem man die linke Seite mit dem FreqTeilVerh multipliziert: ΔFreqKompWert = 2^Q·FreqTeilVerh·(ΔFreqTakt/FreqTakt) (Gl. 17)
Beispiel: Nach ΔFreqKompWert auflösen, um ΔFreqTakt/FreqTakt auf 1953 ppm einzustellen: ΔFreqKompWert = 2^Q·FreqTeilVerh·(1953·10^–6), also ΔFreqKompWert = 67108863 (Korrekturwert 3FF FFFFh DP83640).
In Bezug auf drahtlose Netzwerktypen ist die Netzwerktopologie eines drahtlosen lokalen Infrastruktur-Netzwerks (WLAN) eine Punkt-zu-Punkt-Mehrpunkt-Sterntopologie mit einem einzigen zentralen Controller [z. B. einem drahtlosen Access Point (Zugangspunkt) oder einem drahtlosen Router] sowie einem oder mehreren drahtlosen Clients (z. B. Stationen). Die Clients können sich nur mit einem Access Point verbinden und nicht mit anderen Clients. Ein Access Point kann sich nur mit Clients verbinden und nicht mit anderen Access Points. Ein Access Point ähnelt einer Basistation in einem Mobilfunknetz und kann eine Überbrückung von drahtlos zu drahtgebunden durchführen. Ein Access Point kann sich mit einem Distribution System (Verteilungssystem) oder Backbone-Netzwerk verbinden, welches normalerweise das Ethernet ist. In einem größeren Büro oder einem großen und ungewöhnlich gestalteten Wohnhaus kann ein einziger Access Point möglicherweise keine Funkabdeckung zu den Ecken des Bereichs bereitstellen. Die gesamte Norm 802.11 sieht ein Netzwerk vor, bei dem mehrere Access Points an den drahtgebundenen Teil des Netzwerks angeschlossen sind, der von demselben Router aus betrieben wird. Ein derartiges Netzwerk wird als „Extended Service Set” (ESS; Verbund aus mehreren miteinander verbundenen Access Points) bezeichnet. In einem ESS teilen sich alle Access Points denselben Netzwerknamen bzw. „Service Set Identifier” (SSID). In einem Basic Service Set (BSS) ist eine Gruppe von kommunizierenden Stationen in einem einfachen Servicebereich angeordnet, und zwar ähnlich wie eine Funkzelle in einem Mobilfunknetz. Man kann zwischen verschiedenen Betriebsarten umschalten: beispielsweise entweder ein Access Point oder ein Client, aber nicht beide gleichzeitig.
Im Gegensatz zu einem Infrastruktur-Netzwerk (WLAN) ist die Netzwerktopologie eines Ad-hoc-WLAN eine voll verbundene Matrix mit zwei oder mehr drahtlosen Clients, die sich ohne einen zentralen Controller miteinander verbinden. Bei dem Anschluss eines Ad-hoc-Netzwerks an andere Netzwerke (z. B. das Internet) wird das Überbrücken bzw. Routing in einem der drahtlosen Clients (z. B. eine Internetverbindungsfreigabe von Windows) zu irgendeinem anderen Netzwerkanschluss mit einbezogen.
Bei Ausgestaltungen der Vorrichtungen und Verfahren der vorliegenden Erfindung kann ein Infrastruktur-Netzwerk verwendet und bevorzugt werden, da ein derartiges Netzwerk relativ leichter für die Sicherheitswartung und Entwicklung des Algorithmus der Master-Uhr nach dem PTP gemäß IEEE 1588 zu handhaben ist. Andere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, die ein Ad-hoc-Netzwerk nutzen, werden jedoch nicht ausgeschlossen.
Ein drahtloser Access Point ist das zentrale Überbrückungsgerät, das in einem drahtlosen Infrastruktur-Netzwerk (im Gegensatz zu einem Ad-hoc-Netzwerk) verwendet wird. Der Datenverkehr von der drahtlosen Seite der Überbrückung wird zu dem Ethernet bzw. der drahtgebundenen Seite der Überrückung gesendet und umgekehrt. Der Access Point steuert typischerweise den gesamten drahtlosen Datenverkehr. Ein drahtloser Router umfasst normalerweise drei Abschnitte: (1) einen Ethernet-Router mit einem DHCP-Client und -Server, eine Network Address Translation (NAT; Netzwerkadressenübersetzung), die IP-Adressen übersetzt, eine Port Address Translation (PAT; Portadressenübersetzung), die Ports übersetzt, und gegebenfalls eine Firewall; (2) einen Ethernet-Switch; und (3) einen Access Point. Weitere Elemente können ein DSL-Modem, ein Kabelmodem oder einen Port für das Wide Area Network (WAN; Weitverkehrsnetz), der mit dem DSL-Modem oder dem Kabelmodem verbunden wird, umfassen. Es ist anzumerken, dass ein drahtloser Router, der meist preisgünstiger als ein Access Point ist, derart konfiguriert werden kann, dass er als Access Point arbeitet.
Bei beispielhaften Ausgestaltungen der Vorrichtungen und Verfahren der vorliegenden Erfindung kann ein für das PTP gemäß IEEE 1588 konfiguriertes Netzwerk die folgenden Attribute aufweisen. Beispielsweise kann die Trennung von Domänen ein einziges Subnetz umfassen (d. h. nur eine Master-Uhr/Boundary Clock). 15 ist ein Blockschaltbild, das mehrere messtechnische Geräte zusammen mit anderen Geräten zeigt, die durch drahtgebundene und drahtlose Anschlüsse mit einem drahtlosen Router und weiter mit einem Netzwerk verbunden sind. Beispielsweise kann ein tragbares Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG) 1500, das dem von 1 ähnlich ist, zusammen mit einem Gelenkarm-KMG, das einen an ihm befestigten Scanner (d. h. Arm plus Scanner 1504) aufweist, und einem Lasertracker 1508 jeweils durch einen drahtgebundenen Anschluss mit einem drahtlosen Router 1512 verbunden sein (in 15 durch die gestrichelten Linien gekennzeichnet). Andere Fremdgeräte 1516 wie beispielsweise Sensoren, Roboter usw. können ebenfalls durch einen drahtgebundenen oder drahtlosen Anschluss mit dem drahtlosen Router 1512 verbunden sein. Ferner kann eine Scanner- und/oder Kamerastation 1520 nicht direkt mit dem Router 1512 verbunden sein, aber dennoch drahtlos kommunizieren. Der drahtlose Router 1512 fungiert als Access Point für das LAN, das die verschiedenen durch den drahtgebundenen Anschluss damit verbundenen Geräte 1500, 1504, 1508, 1512 umfasst, wobei diese Geräte wegen ihres drahtgebundenen Anschlusses an den Router 1512 als „Knoten” bezeichnet werden und wobei die Scanner- und/oder Kamerastation 1520 wegen ihres drahtlosen Anschlusses an andere Geräte, mit denen sie kommuniziert, als „Station” bezeichnet wird. Der Router 1512 wirkt auch als Schutz für die drahtgebundenen Geräte 1500, 1504, 1508, 1516, die drahtgebunden in einem Ethernet-LAN-Anschlusstyp mit dem Router 1516 verbunden sind. Das heißt, dass der Router 1512 die über Ethernet angeschlossenen Geräte vor dem Unternehmensnetzwerk oder Echtzeit-Industrienetzwerk schützt, an welches der Router ebenfalls angeschlossen ist.
In 15 können die Geräte 1500, 1504, 1508, 1516 WiFi-Stationen sein, die als „verteidigtes” bzw. geschütztes Netzwerk-Cluster oder „Cloud” (Wolke) implementiert sind. Während diese Geräte also an den Router 1512 angeschlossen sind, können sie dennoch drahtlos mit dem Access Point des Routers kommunizieren, um Messdaten auszutauschen. Es ist entsprechend von Bedeutung, dass diese Geräte genau unter Einsatz des PTP gemäß IEEE 1588 bei Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung zeitsynchronisiert sind. Die Geräte 1500, 1504, 1508, 1516 nutzen im Wesentlichen Messdaten im Vordergrund und tauschen die Daten untereinander über den Access Point im Vordergrund aus, wohingegen die Ausgestaltungen der Vorrichtungen und Verfahren der vorliegenden Erfindung die Geräte 1500, 1504, 1508, 1512 im Hintergrund zeitsynchronisieren.
Die resultierende drahtlose Netzwerkgruppe nach dem PTP gemäß IEEE 1588 wird derart konfiguriert, dass keine „verborgenen Knoten” zulässig sind. Außerdem dürfen keine Weiterleitung (Routing) von Stationsdaten sowie keine mobilen Stationen (die in den Funkabdeckungsbereich gelangen und ihn verlassen) unterstützt werden. Die Sicherheit muss gemäß 802.11i implementiert werden (ein bevorzugtes Verfahren ist WPA2).
16 ist ein Blockschaltbild, das eine vereinfachte Darstellung eines drahtlosen Routers zeigt, der eine Unterstützung nach dem PTP gemäß IEEE 1588 einer Master-Uhr, Boundary Clock oder gegebenenfalls Transparent Clock (PTP gemäß IEEE 1588, Version 2) aufweist. Der WAN-Ethernet-Anschluss 1600 enthält die aktuelle Boundary-Clock-Hardware. Ferner erfolgt bei jeder Ethernet-LAN-Verbindung 1604 der Zeitstempel nach dem PTP gemäß IEEE 1588 zwischen der PHY-Schicht 1608 und der MAC-Schicht 1612 in dem Ethernet-Protokollstapel 1616 bzw. „Switch Fabric”.
17 ist ein Blockschaltbild, das die Hierarchie der von dem PTP gemäß IEEE 1588 verwendeten Uhren in einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit verschiedenen drahtgebundenen Knoten 1700 in einer LAN-Domäne und verschiedenen drahtlosen Stationen 1704 in einer WLAN-Domäne zeigt, die durch drahtgebundene und drahtlose Anschlüsse mit einem zentralen Router 1708 verbunden sind. Router 1708 mit Unterstützung für das PTP gemäß 1588 wie beispielsweise der in 17 dargestellte sind im Handel erhältlich.
Die Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sorgen dafür, dass mehrere ähnliche oder verschiedene messtechnische und/oder andere nicht-messtechnische Geräte (z. B. Roboter, Kameras, industrielle Ausrüstung usw.) relativ präzise derart zeitsynchronisiert werden, dass sich die Geräte Daten untereinander genau teilen können, wobei sowohl drahtgebundene als auch drahtlose Kommunikationen über ein verteiltes Netzwerk der Geräte verwendet werden. Die untereinander geteilten Daten können beispielsweise Messdaten der messtechnischen Geräte sein. Die Zeitsynchronisation wird vorzugsweise mit dem PTP gemäß IEEE 1588 durchgeführt. Es wird entsprechend für messtechnische Präzisionsgeräte wie z. B. Gelenkarm-Koordinatenmessgeräte, Lasertracker usw. bevorzugt, dass das Netzwerk eine Genauigkeit von unter zwei Mikrosekunden und einen Spitze-Spitze-Jitter von unter 250 Nanosekunden zwischen Router/Boundary Clock 1708 (17) und allen Slave-Knoten 1700 und/oder drahtlosen Stationen 1704 bereitstellt, um eine relativ präzise messtechnische Leistung zu erzielen.
Was bisher beschrieben und dargestellt wurde, ist als „On-Path”-Implementierung (Implementierung mit Weiterleitung) nach dem PTP gemäß IEEE 1588 bekannt. Dies bedeutet, dass alle Elemente (z. B. Router, Knoten und Stationen) die Zeitstempelung nach dem PTP gemäß IEEE 1588 unterstützen. Es gibt im Grunde genommen eine Grand Master/Boundary Clock oder Master-Uhr oder einen Netzwerk-Switch mit Transparent-Clock-Tauglichkeit. Es ist anzumerken, dass eine Transparent Clock (ein verbesserter Ethernet-Switch und nur bei dem PTP gemäß IEEE 1588, Version 2) die PTP-Zeitstempel misst und derart einstellt, dass sie eine Paketverzögerung im Switch angeben. PTP-Meldungen werden weitergeleitet, aber in Bezug auf die Residenzzeit modifiziert, die für die Meldung bei der Ausbreitung vom Eingangsport zum Ausgangsport anfällt. Korrekturen müssen sowohl für Sync_msg-Meldungen als auch für Delay_Req-Meldungen vorgenommen werden. Die in 15 dargestellten gestrichelten IEEE-1588-Zeitstempel-Elemente unterstützen diese Fähigkeit.
Es müssen nicht alle der hierin oben beschriebenen PTP-Komponenten implementiert werden. In einem Netzwerk, dass alle oder einige Standard-Ethernet-Geräte (wenig oder keine IEEE-1588-Unterstützung) umfasst, kann das PTP genau durchgeführt werden, indem nur ein Master-Knoten und ein Endknoten (Slave) verwendet wird. Dies lässt sich dadurch bewerkstelligen, dass der Durchsatz der Meldungen Sync_msg und Delay_Req (bis 124 Transaktionen/Sek. nach dem PTP gemäß IEEE 1588, Version 2) erhöht wird und „Lucky Packets” (minimale Verzögerung; „glückliche Pakete”) erfasst werden. Ein ”Lucky-Packet”-Algorithmus, der hauptsächlich als Verbesserung eines drahtgebundenen Netzwerks gilt, kann zur Verbesserung der Stabilität der zeitlichen Abstimmung der drahtgebundenen/drahtlosen Verbindung verwendet werden. Dies erfolgt dadurch, dass die minimalen Verzögerungen der „Lucky Packets” erfasst und die Ergebnisse dieser Pakete dazu verwendet werden, Durchsatz- und Zeitkorrekturen vorzunehmen. Für weitere Informationen siehe den Anwendungshinweis 1963 der National Semiconductor Corporation: „IEEE 1588 Synchronization over Standard Networks Using the DP83640”, welcher hierin in seiner Gesamtheit einbezogen wird. Auch VLAN-Verfahren (Virtuelles LAN – dies ist eine Kommunikation zwischen Teilnehmern einer Gruppe so, als ob sie an die gleiche Rundsendedomäne angeschlossen wären) könnten ebenfalls hilfreich sein. Es ist des Weiteren nicht erforderlich, dass die Boundary Clock in dem drahtlosen Router resident ist. Für diesen Zugang können WLAN- oder LAN-Ports benutzt werden.
Bezug nehmend auf 18, ist dort ein Blockschaltbild der Funktionen dargestellt, die in einem Slave-Knoten-Gerät (z. B. einem messtechnischen Gerät wie denjenigen, die hierin oben beschrieben wurden) durchgeführt werden, welches das PTP gemäß IEEE 1588 implementiert. Der Knoten ist jeweils entweder ausschließlich ein Ethernet-Knoten (LAN-Konfiguration) oder eine WLAN-Station, aber niemals beide gleichzeitig. Dies bedeutet, dass Pakete einschließlich PTP-Paketen unabhängig davon, ob sie von einem drahtgebundenen oder drahtlosen Netzwerk kommen, dazu gezwungen werden, sich ein gemeinsames PHY-Gerät 1800 gemäß IEEE 1588 wie beispielsweise das Modell DP836450 von der National Semiconductor Corporation zu teilen. PTP-Pakete werden im Wesentlichen ohne Berücksichtigung der verwendeten Medien (d. h. drahtgebunden oder drahtlos) behandelt. Dies bedeutet, dass eine LAN- oder WLAN-Verbindung dasselbe PHY-Gerät 1800 gemäß IEEE 1588 unabhängig davon benutzt, ob die Daten von einem drahtgebundenen oder einem drahtlosen Anschluss stammen. Pakete oder Meldungen nach dem PTP gemäß IEEE 1588 als solche werden unabhängig davon, ob es sich um eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung handelt, für die das PHY-Gerät 1800 gemäß IEEE 1588 zuständig ist, auf die gleiche Weise zeitgestempelt. Ein LAN-Switch (Multiplexer) 1804 bestimmt, welches Netzwerk zwischen dem LAN (z. B. Ethernet) oder WLAN (WiFi) ausgewählt wird. Soweit der Knoten betroffen ist, erscheint er jedoch stets als ein Ethernet-LAN. Die verwendeten Zeitstempelungs-Algorithmen sind unter jeder der beiden Einstellungen unabhängig. Beispielsweise würde ein „Lucky-Packet”-Algorithmus unabhängig von den ausgewählten Medien gleich arbeiten.
Alternativ dazu kann das tragbare Gelenkarm-KMG 100 selbst derart programmiert werden, dass es Daten direkt von dem PHY-Gerät 1800 gemäß IEEE 1588 erfasst. Beispielsweise kann ein Ereigniszeitgeber über eine PTP-Uhr eingestellt werden, um die Datenerfassung zu erleichtern. Desgleichen können Triggersignale von internen oder externen Quellen zeitgestempelt werden.
Das Signal des drahtgebundenen Ethernet-LAN geht von einem Ethernet-Verbinder 1808 ein, während die drahtlose WLAN-Verbindung durch eine Antenne 1812 und anschließend in ein drahtloses RF-Modul 1816 eingeht. Das Ausgangssignal des PHY-Geräts 1800 gemäß IEEE 1588 wird einer Verarbeitungseinheit 1820 zugeführt. Siehe ferner 3A bezüglich der PTP-Funktion 320 gemäß IEEE 1588 in der Basisprozessorkarte 204.
Die Benutzerschnittstelle 1824 kann bei einer Ausgestaltung ein separater Prozessor sein, der von dem Prozessor 1820 getrennt ist. Daraus ergeben sich mehrere Vorteile einschließlich der Beibehaltung der älteren Konfiguration; dies bedeutet, dass für den Basisprozessor 204 kein Echtzeit-Betriebssystem (RTOS; real-time operating system) erforderlich ist. Ferner können sich die relativ niedrigsten Kosten ergeben, indem man eine Implementierung mit dem Basisprozessor 204 allein verwendet. Außerdem können die Benutzerschnittstelle und die drahtlosen Funktionen entfernt vom Basisprozessor 204 angeordnet und relativ einfache serielle Schnittstellen implementiert werden. Dies ermöglicht darüber hinaus die relativ beste Anordnung im Hinblick auf Formgebungs- und Funktionsfragen und gestattet eine modulare Entwicklung der Hardware und Software. Des Weiteren werden die drahtlosen Kommunikationen am besten als separate Funktion gehalten und erfolgt wegen eines oder beider der zwei anderen Module kein Echtzeitzugriff auf die Leistung bei dem Basisprozessor 204. Abschließend wäre ein TCP/IP-Stapel für den Basisprozessor 204 erforderlich.
Bezug nehmend auf 19, ist dort ein detaillierteres Blockschaltbild eines Hardware-Zeitstempels in einem PHY-Gerät nach dem PTP gemäß IEEE 1588 dargestellt.
Bezug nehmend auf 20, ist dort ein Funktionsdiagramm der Zeitsteuerung und der externen Signalerzeugung in einem PHY-Gerät nach dem PTP gemäß IEEE 1588 dargestellt. Das bei der National Semiconductor Corporation erhältliche Modell DP83640 hat eine Architektur, die nicht nur die Zeitstempelung an der PHY-Ebene unterstützt, sondern auch einen synchronisierten Takt bereitstellt, der für externe Geräte zu erzeugen ist. Diese externe Nenntaktfrequenz kann irgendeine Frequenz sein, die auf 250 MHz dividiert durch n bezogen ist, wobei n eine ganze Zahl im Bereich von 2 bis 255 ist. Dieser Takt wird von einem von zwei auswählbaren analogen Oszillatoren erzeugt und um die Durchsatzinformation in den PTP_RATE-Registern versetzt. Er ist demzufolge frequenzgenau mit der Taktzeit nach dem PTP gemäß IEEE 1588. Er hat in Bezug auf seine Bezugsfrequenz (125 MHz) auch keine Frequenzsprünge, wie sie ein vom Phasenakkumulator abgeleitetes Signal hätte.
Bezug nehmend auf 21 und 22, ist ein weiteres Merkmal der Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung die Unterstützung des synchronen Ethernet (SyncE). „Synchrones Ethernet” bezieht sich auf die Taktrückgewinnung (und Phasenregelkreis-Filterung) von dem Empfangsknoten und leitet diese zu den Knoten, die die Synchronisation übertragen. Es ist anzumerken, dass das synchrone Ethernet nur eine Frequenzsynchronisation erzeugt, während das PTP eine Zeit- und Frequenzsynchronisation erzeugt. Das synchrone Ethernet und das PTP gemäß IEEE 1588 können gleichzeitig auf einem drahtgebundenen Ethernet-Netzwerk betrieben werden (aber nicht auf dem drahtlosen Netzwerk, da es keinen „Upstream”-Takt gibt). Wenn die synchrone Ethernet-Betriebsart auf PTP-Slave-Knoten (und nur Slave-Knoten) aktiviert ist, wird die Leistung bei Zeitversatz und Jitter verbessert. Für weitere Informationen siehe den Anwendungshinweis 1730 der National Semiconductor Corporation: „Synchronous Ethernet Mode: Achieving Sub-nanosecond Accuracy in PTP Applications”, welcher hierin in seiner Gesamtheit einbezogen wird.
Bezug nehmend auf 23, ist dort eine drahtlose Station dargestellt, die ein eingebettetes System 2300, ein im Handel erhältliches WIZnet-WIZ610wi-WLAN-WiFi-Modul 2304 und einen Router 2308 umfassen kann. Das WiFi-Modul 2304 stellt ein Mittel zur Überbrückung von drahtgebundenen (Ethernet-LAN) und drahtlosen (WLAN) Netzwerken bereit. Die Überbrückung ist eine Weiterleitungsmethode, die bei paketvermittelten Netzwerken verwendet wird und bei der keine Voraussetzungen in Bezug auf Netzwerkadressen (wie bei einem Router) gestellt werden. Das WiFi-Modul 2304 stellt drei Schnittstellen bereit: eine langsame serielle TTL-Schnittstelle (für Einrichtung und Status des Geräts); eine MII-Schnittstelle (für Ethernet auf MAC-Ebene); und eine drahtlose Funkschnittstelle. Aus der Sicht des Systems erfolgt ein Übergang von Ethernet zu drahtlos und zurück zu Ethernet, indem eine nicht auf IEEE 1588 bezogene PHY-Schicht (z. B. eine Standard-Ethernet-PHY-Schicht) mit der MII-Schnittstelle verbunden wird (wie in 18).
In dem obigen Abschnitt über den technischen Hintergrund wurden Beispiele für Anwendungen angegeben, bei denen eine relativ hohe Genauigkeit der Zeitsynchronisation benötigt wird, wenn mehrere messtechnische Instrumente zusammen verwendet werden. Eine dieser Anwendungen wurde hierin oben ausführlich besprochen. Die anderen Anwendungen werden weiter unten beschrieben.
Simultane Multilateration: Die simultane Multilateration ist ein Verfahren zur relativ hochgenauen Messung der Position eines Retroreflektorziels durch simultanes Messen der Distanz zum Ziel mit mindestens drei, vorzugsweise vier Lasertrackern. Lasertracker können einen oder beide der zwei Typen von Distanzmessern enthalten: Interferometer und Absolutdistanzmesser. Die Distanz zum Retroreflektorziel wird normalerweise mit dem Interferometer des Trackers gemessen, aber alternativ dazu kann der ADM verwendet werden. Ein Beispiel für die Multilateration mit Tracking-Interferometern wird in dem an Greenleaf erteilten US-Patent Nr. 4,457,625 angegeben.
Radialabstände, die von Interferometern oder Absolutdistanzmesern in Lasertrackern gefunden werden, sind normalerweise mindestens fünfmal genauer als Querabstände, die durch die Winkelmessgeräte in Trackern gefunden werden. Aus diesem Grund ist die simultane Multilateration, die auf Messungen von Radialabständen angewiesen ist, genauer als Tracker-Messungen auf Basis von Winkelmesswerten.
Die Synchronisation ist für die simultane Multilateration eines feststehenden Retroreflektorziels nicht von Bedeutung. Für die Multilateration eines sich bewegenden Ziels ist die genaue Synchronisation jedoch wesentlich. Nimmt man beispielsweise an, dass sich das Ziel mit einem Meter pro Sekunde bewegt und die Synchronisation bis auf fünf Millisekunden genau ist, liegt der daraus resultierende Fehler bei der 3-D-Positon dann in der Größenordnung von 5 mm, was für diese Anwendung relativ zu hoch ist. Falls andererseits die Synchronisation bis auf zehn Mikrosekunden genau wäre, läge der Fehler in der Größenordnung von zehn Mikrometer, wobei dieser Fehler mit einer Kalman-Filterung oder ähnlicher Verfahren noch weiter reduziert werden könnte. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, die das PTP gemäß IEEE 1588 benutzen, würden diese verbesserte Synchronisation ermöglichen.
Drahtlose Synchronisation: Wie hierin oben beschrieben wurde, wird ein Scanner üblicherweise am Ende eines Gelenkarm-KMG befestigt. Die vom Scanner bereitgestellten gescannten Daten müssen nach den Daten synchronisiert werden, die von den Winkelkodierern im Gelenkarm-KMG erfasst wurden. Da Drähte zur Herstellung dieser Verbindungen verwendet werden und da die Elektronik durch eine einzige Master-Uhr gesteuert werden kann, ist eine relativ genaue Synchronisation möglich. Zukünftig werden die sehr hohen Datendurchsätze, die von Scannern erfasst werden, die Übertragung der großen Datenmenge durch eine geringe Anzahl an Drähten wahrscheinlich aber erschweren. Ferner schränkt die Verwendung von dedizierten Drähten durch die Armsegmente die Flexibilität beim Befestigen unterschiedlicher Gerätetypen am Ende des Arms ein. Ein besseres Verfahren besteht darin, dass ein schnelles, jedoch genau synchronisiertes Verfahren der drahtlosen Datenübertragung eingesetzt wird, welches Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung bereitstellen.
Kompensation und Kalibrierung des Scanners mit mittlerer Reichweite: Ein Scanner ist ein Gerät, das die 3-D-Koordinaten von Objekten misst, indem es eine Lichtquelle abtastend über die interessierenden Oberflächen fährt. Ein Laserscanner mit mittlerer Reichweite ist ein Scanner, der bis zu einer Maximaldistanz von irgendwo zwischen einigen Metern und einigen hundert Metern misst. Scanner, die über dieser Reichweite arbeiten, benötigen eine Kompensation und Kalibrierung ihres Abstandssensors. Die von solchen Scannern gemessene Distanz kann beispielsweise von der zum Scanner zurückkehrenden Lichtenergie abhängen oder periodisch in Abhängigkeit vom Abstand des Scanners zum Ziel variieren. Derartige Distanzvariationen können mittels der Kompensationsparameter korrigiert werden, die in die Firmware oder Software des Scanners eingegeben werden. Um diese Kompensationsparameter zu erhalten, kann man ein diffuses Ziel mit bekannten Eigenschaften auf einem Schlitten montieren, der auf einer Schiene sitzt. Dieser Schlitten kann mit der Hand entlang der Schiene oder vorzugsweise automatisch mittels eines Motors bewegt werden. Auf der Rückseite des diffusen Ziels kann ein Retroreflektor für eine Messung durch ein Gerät wie beispielsweise einen Lasertracker angebracht werden. Es sollte möglich sein, das Ziel schnell schrittweise von Punkt zu Punkt oder vorzugsweise kontinuierlich zu bewegen, um die Datenerfassung so zweckmäßig wie möglich zu machen. Dies ist möglich, wenn die Synchronisation zwischen Scanner und Tracker hochgenau ist, beispielsweise bis auf ungefähr zehn Mikrosekunden. Neben der Kompensation des Scanners muss der Laserscanner auch kalibriert werden. Die Kalibrierung ist ein Verfahren, bei welchem die Leistung des Scanners nachgeprüft wird. Es kann die gleiche Einstellung wie oben beschrieben für die Kalibrierung und die Kompensation verwendet werden, obwohl die Bedingungen etwas verändert werden sollten, damit gewährleistet wird, dass die Korrekturen bei allen Scannerentfernungen richtig angewendet werden.
Kompensation eines Gelenkarm-KMG: Zur Kompensation von Gelenkarm-KMGs wird üblicherweise ein zweiteiliges Verfahren eingesetzt. Der erste Teil des Verfahrens besteht darin, die am Ende des Arms befestigte kugelförmige Sondenspitze in einem kegelförmigen Sitz oder einer kugelförmigen Drei-Punkt-Aufnahme zu positionieren. Die verschiedenen Segmente des Arms werden anschließend zu mehreren verschiedenen Positionen gedreht, um die Winkelkodierer im Arm vollständig über ihren gesamten Bewegungsbereich zu bewegen. Der zweite Teil des Verfahrens besteht darin, einen oder mehrere kalibrierte Messstäbe zu messen. Mit der aus diesen beiden Teilen erhaltenen Information können die Parameter für die Längen des Armsegments (Verbindungsstücks), den Nullwinkel jedes Kodierers, den Gelenkversatz und dergleichen ermittelt werden. Ein alternatives Verfahren, das die Armgenauigkeit verbessern kann, besteht darin, den Lasertracker zur Messung der Position eines Retroreflektors zu verwenden, während die verschiedenen Segmente des Arms zu mehreren verschiedenen Positionen gedreht werden. Damit dieses Verfahren durchführbar ist, müssen die Messwerte des Trackers und Arms sehr präzise synchronisiert werden.
Zu einigen der Vorteile der Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung zählen: (1) das resultierende Netzwerk unterstützt jedwede Mischung aus drahtgebundenen/drahtlosen Medien (wobei „drahtgebundene” Medien nicht nur herkömmliche physische Drähte oder dergleichen umfassen können, sondern auch Lichtleitfasern); (2) alle Knoten unterstützen das Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588; (3) es ist eine Genauigkeit der Zeitsteuerung von unter einer Mikrosekunde zwischen Knoten/Stationen und Router/Boundary Clock erzielbar; (4) Industrienetzwerke wie beispielsweise Ethernet/IP, Powerelink, EtherCAT und PROFIINET können unterstützt werden; (5) es können mehrere simultane Messanwendungen laufen; (6) es wird eine einzige Host-Schnittstelle unterstützt; (7) eine Netzwerkspeicherung und -pufferung kann integriert werden; (8) eine einzige „Messungs”-Domäne (eine Boundary Clock, die in dem drahtgebundenen und drahtlosen Netzwerk vereinheitlicht ist) beseitigt Genauigkeitsprobleme, wenn hierarchische Boundary Clocks benutzt werden; (9) bei den PTP-Slaves kann die Betriebsart synchrones Ethernet (SyncE) ausgewählt werden; (10) Unterstützung für eine externe Grandmaster Clock einschließlich, aber ohne darauf beschränkt zu sein, GPS; (11) Bereitstellung einer Lösung mit mehreren Frequenzbändern für Anwendungen mit hoher Bandbreite (Scanner); (12) die Topologie kann auf andere messtechnische Anwendungen erweitert werden; (13) eine zukünftige Verwendung von 802.11n (MIMO – Multiantenne) mit Tauglichkeit für das PTP gemäß IEEE 1588 kann ohne Weiteres integriert werden.
Zur Inspektion von Wärmeschutzblechen kann ein 3-D-Roboter-Scanner verwendet werden. Es könnte eine Lösung eingesetzt werden, bei der das PTP gemäß IEEE 1588 zur Synchronisation einer Laserliniensonde und eines gewerblichen Roboters dient. Die Software kann den Roboter steuern und 3-D-Scans in Echtzeit anzeigen und korrigieren, wodurch ein Zooming, eine Messung von Defekten und eine Analyse der Minderungsrate der Ablation (Oberflächenverschlechterung unter Belastung) bereitgestellt werden.
Ausgestaltungen der Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung stellen eine relativ genaue Zeitsynchronisation von Messungen durch mehrere messtechnische Geräte wie beispielsweise Gelenkarm-Koordinatenmessgeräte, Lasertracker und andere messtechnische Präzisionsgeräte und sogar nicht-messtechnische Geräte wie beispielsweise Roboter, Kameras und industrielle Ausrüstungen bereit. Der Einsatz des Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588 reduziert in hohem Maße Verzögerungen bei der Zeitsynchronisation, indem eine Master-Uhr für alle verbundenen Geräte, Slave-Uhren für die übrigen verbundenen Geräte und eine Zeitstempel-Routine verwendet sowie Verzögerungen und Versätze angegeben werden. Das Ziel besteht darin, im Betrieb eine Synchronisation von besser als 500 Nanosekunden zu erreichen.
Ferner ist die Synchronisation für ihre vollständige Flexibilität sowohl über drahtgebundene als auch drahtlose Medien verfügbar. Wenn dies erzielt wird, können tragbare Gelenkarm-KMGs ohne Weiteres gemischt werden und gemeinsame 3-D-Messungen erfolgen. Das hierin präsentierte Verfahren wird auf tragbare messtechnische Einrichtungen wie beispielsweise Gelenkarm-KMGs und Lasertracker angewendet. Es kann jedoch auf andere Typen messtechnischer Geräte wie beispielsweise diejenigen, die Verfahren mit Ist-Laufzeit (ATOF; Actual Time of Flight) oder Zeitdifferenz des Empfangs (DTOA; Difference of Time of Arrivals) nutzen, erweitert werden.
Es ist für den Fachmann zu erkennen, dass die Aspekte der vorliegenden Erfindung als ein System, Verfahren oder Computerprogrammprodukt ausgebildet sein können. Die Aspekte der vorliegenden Erfindung können demgemäß die Form einer ganz aus Hardware bestehenden Ausgestaltung, einer ganz aus Software bestehenden Ausgestaltung (einschließlich Firmware, residenter Software, Mikrocode usw.) oder einer Ausgestaltung, welche alle allgemein hierin als „Schaltung”, „Modul” oder „System” bezeichneten Software- und Hardware-Aspekte kombiniert, aufweisen. Darüber hinaus können die Aspekte der vorliegenden Erfindung die Form eines Computerprogrammprodukts aufweisen, das in einem oder mehreren computerlesbaren Medien ausgebildet ist, auf denen ein computerlesbarer Programmcode ausgebildet ist.
Es kann eine beliebige Kombination von einem oder mehreren computerlesbaren Medien benutzt werden. Das computerlesbare Medium kann ein computerlesbares Signalmedium oder ein computerlesbares Speichermedium sein. Ein computerlesbares Speichermedium kann beispielsweise ein(e) elektronische(s), magnetische(s), optische(s), elektromagnetische(s), Infrarot- oder Halbleiter-System, Vorrichtung oder Gerät oder eine beliebige geeignete Kombination der vorstehenden sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Zu den spezifischeren Beispielen (keine erschöpfende Auflistung) für das computerlesbare Speichermedium würde Folgendes zählen: ein elektrischer Anschluss mit einem oder mehreren Drähten, eine tragbare Computerdiskette, eine Festplatte, ein Direktzugriffsspeicher (RAM), ein Nurlesespeicher (ROM), ein löschbarer programmierbarer Nurlesespeicher (EPROM oder Flash-Speicher), eine Lichtleitfaser, ein tragbarer CD-Nurlesespeicher (CD-ROM), ein optisches Speichergerät, ein magnetisches Speichergerät oder eine beliebige geeignete Kombination der vorstehenden. Im Zusammenhang mit diesem Dokument kann ein computerlesbares Speichermedium ein beliebiges physisch vorhandenes Medium sein, das ein Programm enthalten oder speichern kann, damit es von oder in Verbindung mit einem System, einer Vorrichtung oder einem Gerät verwendbar ist, welches bzw. welche Anweisungen ausführt.
Ein computerlesbares Signalmedium kann ein sich ausbreitendes Datensignal mit einem darin ausgebildeten computerlesbaren Programmcode sein, beispielsweise im Basisband oder als Teil einer Trägerwelle. Ein solches sich ausbreitendes Signal kann irgendeine von unterschiedlichen Formen annehmen, die elektromagnetische, optische oder eine beliebige geeignete Kombination davon umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Ein computerlesbares Signalmedium kann ein beliebiges computerlesbares Medium sein, das kein computerlesbares Speichermedium ist und das ein Programm kommunizieren, ausbreiten oder transportieren kann, damit es von oder in Verbindung mit einem System, einer Vorrichtung oder einem Gerät verwendbar ist, welches bzw. welche Anweisungen ausführt.
Der auf einem computerlesbaren Medium ausgebildete Programmcode kann mit irgendeinem geeigneten Medium übertragen werden, das ein drahtloses Medium, eine Drahtleitung, ein Lichtleitfaserkabel, eine Funkfrequenz usw, oder eine beliebige geeignete Kombination der vorstehenden umfasst, aber nicht darauf beschränkt ist.
Der Computerprogrammcode zur Durchführung der Rechenvorgänge für die Aspekte der vorliegenden Erfindung kann in einer beliebigen Kombination einer oder mehrerer Progammiersprachen geschrieben sein, zu denen eine objektorientierte Programmiersprache wie beispielsweise Java, Smalltalk, C++, C# oder dergleichen und herkömmliche Verfahrensprogrammiersprachen wie beispielsweise die Programmiersprache „C” oder ähnliche Programmiersprachen gehören. Der Programmcode kann vollständig auf dem Computer des Benutzers, teilweise auf dem Computer des Benutzers, als unabhängiges Softwarepaket, teilweise auf dem Computer des Benutzers und teilweise auf einem Ferncomputer oder vollständig auf dem Ferncomputer oder -server ausgeführt werden. Im letzteren Szenarium kann der Ferncomputer durch irgendeinen Netzwerktyp einschließlich eines lokalen Netzwerks (LAN) oder eines Weitverkehrsnetzes (WAN) mit dem Computer des Benutzers verbunden sein oder kann die Verbindung zu einem externen Computer erfolgen (beispielsweise über das Internet durch einen Internet-Dienstanbieter).
Die Aspekte der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf Ablaufdiagramm-Darstellungen und/oder Blockschaltbilder von Verfahren, Vorrichtungen (Systemen) und Computerprogrammprodukten gemäß den Ausgestaltungen der Erfindungen beschrieben. Es versteht sich, dass jeder Block der Ablaufdiagramm-Darstellungen und/oder Blockschaltbilder und Kombinationen von Blöcken in den Ablaufdiagramm-Darstellungen und/oder Blockschaltbildern durch Computerprogramm-Anweisungen implementierbar sind.
Diese Computerprogramm-Anweisungen können einem Prozessor eines universell einsetzbaren Computers, Spezialcomputers oder einer anderen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtung zur Bildung eines Geräts derart bereitgestellt werden, dass die Anweisungen, welche über den Prozessor des Computers oder der anderen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden, Mittel zur Implementierung der Funktionen/Vorgänge erzeugen, die in dem Block oder den Blöcken des Ablaufdiagramms und/oder Blockschaltbilds vorgegeben sind. Diese Computerprogramm-Anweisungen können auch auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sein, das einen Computer, eine andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung oder andere Geräte derart für eine bestimmte Funktionsweise steuern kann, dass die auf dem computerlesbaren Medium gespeicherten Anweisungen einen Herstellungsartikel einschließlich Anweisungen erzeugen, welche die Funktion bzw. den Vorgang implementieren, die bzw. der in dem Block oder den Blöcken des Ablaufdiagramms und/oder Blockschaltbilds vorgegeben ist.
Die Computerprogramm-Anweisungen können ferner derart auf einen Computer, eine andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung oder andere Geräte geladen werden, dass sie eine Reihe von Arbeitsschritten bewirken, die auf dem Computer, der anderen programmierbaren Vorrichtung oder anderen Geräten so durchzuführen sind, dass sie ein computerimplementiertes Verfahren derart erzeugen, dass die Anweisungen, welche auf dem Computer oder der anderen programmierbaren Vorrichtung ausgeführt werden, Verfahren zur Implementierung der Funktionen/Vorgänge bereitstellen, die in dem Block bzw. den Blöcken des Ablaufdiagramms und/oder Blockschaltbilds vorgegeben sind.
Die Ablauf- und Blockschaltbilder in den Figuren zeigen die Architektur, die Funktionalität und den Betrieb möglicher Implementierungen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten gemäß verschiedenen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung. In dieser Hinsicht kann jeder Block in den Ablaufdiagrammen oder Blockschaltbildern ein Modul, ein Segment oder einen Teil eines Codes repräsentieren, welches bzw. welcher eine oder mehrere ausführbare Anweisungen zur Implementierung der vorgegebenen logischen Funktion(en) umfasst. Es ist ferner anzumerken, dass die in dem Block angegebenen Funktionen bei einigen alternativen Implementierungen in einer anderen als der in den Figuren angegebenen Reihenfolge erfolgen können. Beispielsweise können zwei hintereinander dargestellte Blöcke eigentlich im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden oder können die Blöcke je nach der betreffenden Funktionalität manchmal in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden. Es ist ebenfalls anzumerken, dass jeder Block der Blockschaltbilder und/oder der Ablaufdiagramm-Darstellung und Kombinationen von Blöcken in den Blockschaltbildern und/oder der Ablaufdiagramm-Darstellung durch spezielle Systeme auf Hardware-Basis implementierbar sind, die die vorgegebenen Funktionen oder Vorgänge sowie Kombinationen von speziellen Hardware- und Computeranweisungen durchführen.
Obwohl die Erfindung anhand beispielhafter Ausgestaltungen beschrieben wurde, versteht sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente an Stelle von Elementen davon eingesetzt werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Ferner können zahlreiche Modifikationen erfolgen, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Schutzbereich abzuweichen. Es ist demzufolge beabsichtigt, dass sie Erfindung nicht auf die bestimmte Ausgestaltung beschränkt ist, die als die zur Durchführung dieser Erfindung beste Ausführungsform erachtete offenbart wurde, sondern dass die Erfindung alle Ausgestaltungen umfasst, die im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche liegen. Ferner bedeutet die Verwendung der Begriffe „erster”, „zweiter” usw. nicht irgendeine Reihenfolge oder Bedeutsamkeit, sondern werden die Begriffe „erster”, „zweiter” usw. vielmehr zur Unterscheidung eines Elements von einem anderen verwendet. Darüber hinaus bedeutet die Verwendung der Begriffe „ein”, „eine” usw. nicht eine Beschränkung der Menge, sondern vielmehr das Vorhandensein von mindestens einem des Gegenstands, auf den Bezug genommen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Claims

Vorrichtung umfassend mindestens zwei Geräte, die miteinander kommunizieren, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: ein erstes der mindestens zwei Geräte mit einer Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588, wobei die Schnittstelle eine oder mehrere Komponenten umfasst, die für Kommunikationen sowohl in drahtgebundener Weise als auch in drahtloser Weise mit einem zweiten der mindestens zwei Geräte konfiguriert sind; das zweite der mindestens zwei Geräte mit einer Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588, wobei die Schnittstelle eine oder mehrere Komponenten umfasst, die für Kommunikationen sowohl in drahtgebundener Weise als auch in drahtloser Weise mit dem ersten der mindestens zwei Geräte konfiguriert sind; und wobei eines der mindestens zwei Geräte eine Master-Uhr umfasst und das andere der mindestens zwei Geräte eine Slave-Uhr umfasst, wobei die Master-Uhr der Slave-Uhr eine Zeit mitteilt und die Slave-Uhr auf die mitgeteilte Zeit von der Master-Uhr anspricht, um erforderlichenfalls eine Zeit der Slave-Uhr derart einzustellen, dass sie im Wesentlichen der Zeit der Master-Uhr entspricht, wodurch die mindestens zwei Geräte zusammen zeitsynchronisiert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei Geräte in einem verteilten Netzwerk verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die drahtgebundenen Kommunikationen über ein lokales Ethernet-Netzwerk erfolgen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die drahtlosen Kommunikationen über ein WiFi-Netzwerk erfolgen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jedes der mindestens zwei Geräte ein messtechnisches Gerät umfasst, wobei jedes messtechnische Gerät einen Parameter misst und wobei die durch jedes messtechnische Gerät durchgeführten Messungen in einer zeitsynchronisierten Weise als Folge der Zeit der Slave-Uhr, die im Wesentlichen der Zeit der Master-Uhr entspricht, erfolgen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei jedes messtechnische Gerät ein Gerät aus der Gruppe umfasst, die ein Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG), ein Gelenkarm-KMG mit einem daran befestigten Scanner, einen Lasertracker und einen Laserscanner umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei jedes messtechnische Gerät ein Gerät aus der Gruppe umfasst, die ein Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG) mit einem daran befestigten Scanner und einen Lasertracker umfasst, wobei jedes von dem Gelenkarm-KMG und dem Lasertracker die Position des am Gelenkarm-KMG befestigten Scanners verfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei jedes von dem Gelenkarm-KMG und dem Lasertracker die Position des am Gelenkarm-KMG befestigten Scanners während eines von einem Gelenkarm-KMG-Versetzungsverfahren oder einem Gelenkarm-KMG-Kalibrierverfahren verfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste der mindestens zwei Geräte ein messtechnisches Gerät umfasst, welches einen Parameter misst, wobei das zweite der mindestens zwei Geräte ein nicht-messtechnisches Gerät umfasst und wobei die durch das messtechnische Gerät durchgeführten Messungen in einer zeitsynchronisierten Weise mit einer Aktion des nicht-messtechnischen Geräts als Folge der Zeit der Slave-Uhr, die im Wesentlichen der Zeit der Master-Uhr entspricht, erfolgen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das nicht-messtechnische Gerät ein Gerät aus der Gruppe umfasst, die einen Sensor, eine Kamera, einen Roboter und eine industrielle Ausrüstung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das verteilte Netzwerk eines aus der Gruppe umfasst, die ein industrielles Echtzeitnetzwerk und ein Unternehmensnetzwerk umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das verteilte Netzwerk eines aus der Gruppe umfasst, die ein Infrastruktur-Netzwerk und ein Ad-hoc-Netzwerk umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Router, der in drahtgebundener und/oder drahtloser Weise mit jedem der mindestens zwei Geräte verbindet, wobei der Router eine Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588 umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die drahtgebundenen Kommunikationen über ein lokales Ethernet-Netzwerk mit synchronem Ethernet erfolgen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588 in jedem der zwei Geräte eine hardwaregestützte Zeitstempelung implementiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588 in jedem der zwei Geräte ferner einen Switch umfasst, der an einem ersten Eingang davon einen drahtgebundenen Anschluss von dem anderen der mindestens zwei Geräte aufweist und an einem zweiten Eingang davon einen drahtlosen Anschluss von dem anderen der mindestens zwei Geräte aufweist, wobei der drahtlose Anschluss von dem anderen der mindestens zwei Geräte eine oder mehrere Komponenten umfasst, die den drahtlosen Anschluss in einen drahtgebundenen Anschluss umwandeln, der an den zweiten Eingang des Switches angelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588 in jedem der zwei Geräte die hardwaregestützte Zeitstempelung derart implementiert, dass sie, wenn die Master-Uhr der Slave-Uhr eine Zeit mitteilt und die Slave-Uhr auf die mitgeteilte Zeit von der Master-Uhr anspricht, erforderlichenfalls eine Zeit der Slave-Uhr derart einstellt, dass sie der Zeit der Master-Uhr entspricht, wobei eine Differenz zwischen der Zeit der Master-Uhr und der Zeit der Slave-Uhr höchstens 500 Nanosekunden beträgt.
Verfahren zum Kommunizieren zwischen mindestens zwei Geräten, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Versehen eines ersten der mindestens zwei Geräte mit einer Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588, die für Kommunikationen sowohl in drahtgebundener Weise als auch in drahtloser Weise mit einem zweiten der mindestens zwei Geräte konfiguriert ist; Versehen des zweiten der mindestens zwei Geräte mit einer Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588, die für Kommunikationen sowohl in drahtgebundener Weise als auch in drahtloser Weise mit dem ersten der mindestens zwei Geräte konfiguriert ist; und wobei eines der mindestens zwei Geräte eine Master-Uhr umfasst und das andere der mindestens zwei Geräte eine Slave-Uhr umfasst, wobei die Master-Uhr der Slave-Uhr eine Zeit mitteilt und die Slave-Uhr auf die mitgeteilte Zeit von der Master-Uhr anspricht, um erforderlichenfalls eine Zeit der Slave-Uhr derart einzustellen, dass sie im Wesentlichen der Zeit der Master-Uhr entspricht, wodurch die mindestens zwei Geräte zusammen zeitsynchronisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend das Verbinden der mindestens zwei Geräte in einem verteilten Netzwerk.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die drahtgebundenen Kommunikationen über ein lokales Ethernet-Netzwerk erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die drahtlosen Kommunikationen über ein WiFi-Netzwerk erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei jedes der mindestens zwei Geräte ein messtechnisches Gerät umfasst, ferner umfassend, dass jedes messtechnische Gerät einen Parameter misst, und wobei die durch jedes messtechnische Gerät durchgeführten Messungen in einer zeitsynchronisierten Weise als Folge der Zeit der Slave-Uhr, die im Wesentlichen der Zeit der Master-Uhr entspricht, erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei jedes messtechnische Gerät ein Gerät aus der Gruppe umfasst, die ein Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG), ein Gelenkarm-KMG mit einem daran befestigten Scanner, einen Lasertracker und einen Laserscanner umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei jedes messtechnische Gerät ein Gerät aus der Gruppe umfasst, die ein Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG) mit einem daran befestigten Scanner und einen Lasertracker umfasst, ferner umfassend, dass jedes von dem Gelenkarm-KMG und dem Lasertracker die Position des am Gelenkarm-KMG befestigten Scanners verfolgt.
Verfahren nach Anspruch 24, ferner umfassend, dass jedes von dem Gelenkarm-KMG und dem Lasertracker die Position des am Gelenkarm-KMG befestigten Scanners während eines von einem Gelenkarm-KMG-Versetzungsverfahren oder einem Gelenkarm-KMG-Kalibrierverfahren verfolgt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das erste der mindestens zwei Geräte ein messtechnisches Gerät umfasst, welches einen Parameter misst, wobei das zweite der mindestens zwei Geräte ein nicht-messtechnisches Gerät umfasst und wobei die durch das messtechnische Gerät durchgeführten Messungen in einer zeitsynchronisierten Weise mit einer Aktion des nicht-messtechnischen Geräts als Folge der Zeit der Slave-Uhr, die im Wesentlichen der Zeit der Master-Uhr entspricht, erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das nicht-messtechnische Gerät ein Gerät aus der Gruppe umfasst, die einen Sensor, eine Kamera, einen Roboter und eine industrielle Ausrüstung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das verteilte Netzwerk eines aus der Gruppe umfasst, die ein industrielles Echtzeitnetzwerk und ein Unternehmensnetzwerk umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das verteilte Netzwerk eines aus der Gruppe umfasst, die ein Infrastruktur-Netzwerk und ein Ad-hoc-Netzwerk umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend einen Router, der in drahtgebundener und/oder drahtloser Weise mit jedem der mindestens zwei Geräte verbindet, wobei der Router eine Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588 umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die drahtgebundenen Kommunikationen über ein lokales Ethernet-Netzwerk mit synchronem Ethernet erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588 in jedem der zwei Geräte eine hardwaregestützte Zeitstempelung implementiert.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588 in jedem der zwei Geräte ferner einen Switch umfasst, der an einem ersten Eingang davon einen drahtgebundenen Anschluss von dem anderen der mindestens zwei Geräte aufweist und an einem zweiten Eingang davon einen drahtlosen Anschluss von dem anderen der mindestens zwei Geräte aufweist, wobei der drahtlose Anschluss von dem anderen der mindestens zwei Geräte eine oder mehrere Komponenten umfasst, die den drahtlosen Anschluss in einen drahtgebundenen Anschluss umwandeln, der an den zweiten Eingang des Switches angelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588 in jedem der zwei Geräte die hardwaregestützte Zeitstempelung derart implementiert, dass sie, wenn die Master-Uhr der Slave-Uhr eine Zeit mitteilt und die Slave-Uhr auf die mitgeteilte Zeit von der Master-Uhr anspricht, erforderlichenfalls eine Zeit der Slave-Uhr derart einstellt, dass sie der Zeit der Master-Uhr entspricht, wobei eine Differenz zwischen der Zeit der Master-Uhr und der Zeit der Slave-Uhr höchstens 500 Nanosekunden beträgt.
Computerprogrammprodukt zur Implementierung von Kommunikationen zwischen mindestens zwei Geräten, wobei das Computerprogrammprodukt ein Speichermedium mit einem darauf ausgebildeten computerlesbaren Programmcode umfasst, welcher, wenn er durch einen Computer ausgeführt wird, bewirkt, dass der Computer ein Verfahren implementiert, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Versehen eines ersten der mindestens zwei Geräte mit einer Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588, die für Kommunikationen sowohl in drahtgebundener Weise als auch in drahtloser Weise mit einem zweiten der mindestens zwei Geräte konfiguriert ist; Versehen des zweiten der mindestens zwei Geräte mit einer Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588, die für Kommunikationen sowohl in drahtgebundener Weise als auch in drahtloser Weise mit dem ersten der mindestens zwei Geräte konfiguriert ist; und wobei eines der mindestens zwei Geräte eine Master-Uhr umfasst und das andere der mindestens zwei Geräte eine Slave-Uhr umfasst, wobei die Master-Uhr der Slave-Uhr eine Zeit mitteilt und die Slave-Uhr auf die mitgeteilte Zeit von der Master-Uhr anspricht, um erforderlichenfalls eine Zeit der Slave-Uhr derart einzustellen, dass sie im Wesentlichen der Zeit der Master-Uhr entspricht, wodurch die mindestens zwei Geräte zusammen zeitsynchronisiert werden.
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 35, wobei das Verfahren ferner das Verbinden der mindestens zwei Geräte in einem verteilten Netzwerk umfasst.
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 35, wobei die drahtgebundenen Kommunikationen über ein lokales Ethernet-Netzwerk erfolgen.
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 35, wobei die drahtlosen Kommunikationen über ein WiFi-Netzwerk erfolgen.
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 35, wobei jedes der mindestens zwei Geräte ein messtechnisches Gerät umfasst, ferner umfassend, dass jedes messtechnische Gerät einen Parameter misst, und wobei die durch jedes messtechnische Gerät durchgeführen Messungen in einer zeitsynchronisierten Weise als Folge der Zeit der Slave-Uhr, die im Wesentlichen der Zeit der Master-Uhr entspricht, erfolgen.
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 39, wobei jedes messtechnische Gerät ein Gerät aus der Gruppe umfasst, die ein Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG), ein Gelenkarm-KMG mit einem daran befestigten Scanner, einen Lasertracker und einen Laserscanner umfasst.
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 39, wobei jedes messtechnische Gerät ein Gerät aus der Gruppe umfasst, die ein Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG) mit einem daran befestigten Scanner und einen Lasertracker umfasst, ferner umfassend, dass jedes von dem Gelenkarm-KMG und dem Lasertracker die Position des am Gelenkarm-KMG befestigten Scanners verfolgt.
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 41, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass jedes von dem Gelenkarm-KMG und dem Lasertracker die Position des am Gelenkarm-KMG befestigten Scanners während eines von einem Gelenkarm-KMG-Versetzungsverfahren oder einem Gelenkarm-KMG-Kalibrierverfahren verfolgt.
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 35, wobei das erste der mindestens zwei Geräte ein messtechnisches Gerät umfasst, welches einen Parameter misst, wobei das zweite der mindestens zwei Geräte ein nicht-messtechnisches Gerät umfasst und wobei die durch das messtechnische Gerät durchgeführten Messungen in einer zeitsynchronisierten Weise mit einer Aktion des nicht-messtechnischen Geräts als Folge der Zeit der Slave-Uhr, die im Wesentlichen der Zeit der Master-Uhr entspricht, erfolgen.
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 43, wobei das nicht-messtechnische Gerät ein Gerät aus der Gruppe umfasst, die einen Sensor, eine Kamera, einen Roboter und eine industrielle Ausrüstung umfasst.
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 36, wobei das verteilte Netzwerk eines aus der Gruppe umfasst, die ein industrielles Echtzeitnetzwerk und ein Unternehmensnetzwerk umfasst.
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 36, wobei das verteilte Netzwerk eines aus der Gruppe umfasst, die ein Infrastruktur-Netzwerk und ein Ad-hoc-Netzwerk umfasst.
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 35, ferner umfassend einen Router, der in drahtgebundener und/oder drahtloser Weise mit jedem der mindestens zwei Geräte verbindet, wobei der Router eine Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588 umfasst.
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 35, wobei die drahtgebundenen Kommunikationen über ein lokales Ethernet-Netzwerk mit synchronem Ethernet erfolgen.
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 35, wobei die Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588 in jedem der zwei Geräte eine hardwaregestützte Zeitstempelung implementiert.
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 35, wobei die Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588 in jedem der zwei Geräte ferner einen Switch umfasst, der an einem ersten Eingang davon einen drahtgebundenen Anschluss von dem anderen der mindestens zwei Geräte aufweist und an einem zweiten Eingang davon einen drahtlosen Anschluss von dem anderen der mindestens zwei Geräte aufweist, wobei der drahtlose Anschluss von dem anderen der mindestens zwei Geräte eine oder mehrere Komponenten umfasst, die den drahtlosen Anschluss in einen drahtgebundenen Anschluss umwandeln, der an den zweiten Eingang des Switches angelegt ist.
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 35, wobei die Schnittstelle nach dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588 in jedem der zwei Geräte die hardwaregestützte Zeitstempelung derart implementiert, dass sie, wenn die Master-Uhr der Slave-Uhr eine Zeit mitteilt und die Slave-Uhr auf die mitgeteilte Zeit von der Master-Uhr anspricht, erforderlichenfalls eine Zeit der Slave-Uhr derart einstellt, dass sie der Zeit der Master-Uhr entspricht, wobei eine Differenz zwischen der Zeit der Master-Uhr und der Zeit der Slave-Uhr höchstens 500 Nanosekunden beträgt.