DE112013003076T5 - Koordinatenmessgeräte mit entfernbaren Zusatzteilen - Google Patents

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Abstract

Es ist ein tragbares Gelenkarm-Koordinatenmessgerät zum Messen der Koordinaten eines Objekts im Raum vorgesehen. Das Gelenkarm-KMG umfasst einen Sockel und einen Arm mit entgegengesetzten ersten und zweiten Enden. Der Arm umfasst mehrere verbundene Armsegmente, die jeweils mindestens ein Positionsmessgerät zur Erzeugung eines Positionssignals umfassen. Eine elektronische Schaltung empfängt das Positionssignal des mindestens einen Positionsmessgeräts und stellt Daten bereit, die einer Position der Messvorrichtung entsprechen. Eine kontaktlose Messvorrichtung ist an das erste Ende gekoppelt, wobei die Vorrichtung einen Sender elektromagnetischer Strahlung aufweist und dafür konfiguriert ist, einen Abstand zu einem Objekt basierend zumindest teilweise auf der Lichtgeschwindigkeit in Luft zu ermitteln. Ein Prozessor ist dafür konfiguriert, die dreidimensionalen Koordinaten eines Punkts auf dem Objekt als Reaktion auf den Empfang der Positionssignale und des Abstands zum Objekt zu ermitteln.

Description

  • Hintergrund
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Koordinatenmessgerät und insbesondere ein tragbares Gelenkarm-Koordinatenmessgerät mit einem Verbinder auf einem Sondenende des Koordinatenmessgeräts, der es ermöglicht, dass Zusatzvorrichtungen, welche die Durchgangslaufzeit für eine kontaktlose dreidimensionale Messung nutzen, mit dem Koordinatenmessgerät verbunden werden.
  • Tragbare Gelenkarm-Koordinatenmessgeräte (Gelenkarm-KMGs) fanden 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 von Dimensionsmessungen 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. 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 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).
  • Dreidimensionale Oberflächen können auch mit kontaktlosen Verfahren gemessen werden. Ein Typ einer kontaktlosen Vorrichtung, der manchmal als „Laserliniensonde” bezeichnet wird, emittiert ein Laserlicht entweder auf einen Punkt oder entlang einer Linie. Eine Bildgebungsvorrichtung wie beispielsweise ein ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD; charge-coupled device) wird angrenzend an den Laser positioniert, um ein Bild des von der Oberfläche reflektierten Lichts aufzunehmen. Die Oberfläche des zu messenden Objekts ruft eine diffuse Reflexion hervor. Das Bild auf dem Sensor ändert sich, während sich der Abstand zwischen dem Sensor und der Oberfläche ändert. Wenn die Beziehung zwischen dem Bildgebungssensor und dem Laser und der Position des Laserbilds auf dem Sensor bekannt ist, kann man Triangulationsverfahren einsetzen, um Punkte auf der Oberfläche zu messen.
  • Obwohl bereits existierende KMGs für ihre beabsichtigten Zwecke geeignet sind, besteht Bedarf an einem tragbaren Gelenkarm-KMG, das bestimmte Merkmale von Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung aufweist.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein tragbares Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG) zum Messen der Koordinaten eines Objekts im Raum vorgesehen. Das Gelenkarm-KMG umfasst einen Sockel und einen manuell positionierbaren Armabschnitt mit entgegengesetzten ersten und zweiten Enden. Der Armabschnitt ist drehbar an den Sockel gekoppelt, wobei der Armabschnitt mehrere verbundene Armsegmente umfasst, wobei jedes Armsegment mindestens ein Positionsmessgerät zur Erzeugung eines Positionssignals umfasst. Eine elektronische Schaltung ist dafür konfiguriert, das Positionssignal des mindestens einen Positionsmessgeräts zu empfangen. Ein Sondenende ist an das erste Ende gekoppelt. Eine kontaktlose dreidimensionale Messvorrichtung ist an das Sondenende gekoppelt. Die kontaktlose dreidimensionale Messvorrichtung weist einen Sender elektromagnetischer Strahlung auf, wobei die kontaktlose dreidimensionale Messvorrichtung dafür konfiguriert ist, einen Abstand zu einem Objekt basierend zumindest teilweise auf der Lichtgeschwindigkeit in Luft zu ermitteln. Ein Prozessor ist elektrisch an die elektronische Schaltung gekoppelt, wobei der Prozessor dafür konfiguriert ist, die dreidimensionalen Koordinaten eines Punkts auf dem Objekt als Reaktion auf den Empfang der Positionssignale von der elektronischen Schaltung und als Reaktion auf den Empfang des Abstands zum Objekt von der kontaktlosen dreidimensionalen Messvorrichtung zu ermitteln.
  • Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines tragbaren Gelenkarm-Koordinatenmessgeräts zum Messen dreidimensionaler Koordinaten eines Objekts im Raum vorgesehen. Das Verfahren umfasst den Schritt zum Bereitstellen eines manuell positionierbaren Armabschnitts mit entgegengesetzten ersten und zweiten Enden, wobei der Armabschnitt mehrere verbundene Armsegmente umfasst, wobei jedes Armsegment mindestens ein Positionsmessgerät zur Erzeugung eines Positionssignals umfasst. Eine elektronische Schaltung empfängt die Positionssignale der Positionsmessgeräte. Es wird eine kontaktlose dreidimensionale Messvorrichtung mit einem elektrisch an die elektronische Schaltung gekoppelten Steuergerät bereitgestellt, wobei die dreidimensionale Messvorrichtung einen Sender elektromagnetischer Strahlung und einen Sensor aufweist. Eine elektromagnetische Strahlung wird von der dreidimensionalen Messvorrichtung auf das Objekt übertragen. Eine reflektierte elektromagnetische Strahlung wird mit dem Sensor empfangen. Ein Abstand zum Objekt wird aus der durch den Sensor empfangenen reflektierten elektromagnetischen Strahlung ermittelt, wobei der Abstand zumindest teilweise auf der Lichtgeschwindigkeit in Luft und auf einer Zeit für die elektromagnetische Strahlung bei der Bewegung von dem Sender elektromagnetischer Strahlung zu dem Objekt und der Rückkehr zum Sensor basiert.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein anderes tragbares Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG) zum Messen dreidimensionaler Koordinaten eines Objekts im Raum vorgesehen. Das Gelenkarm-KMG umfasst einen Sockel und einen manuell positionierbaren Armabschnitt mit entgegengesetzten ersten und zweiten Enden. Der Armabschnitt ist drehbar an den Sockel gekoppelt, wobei der Armabschnitt mehrere verbundene Armsegmente umfasst, wobei jedes Armsegment mindestens ein Positionsmessgerät zur Erzeugung eines Positionssignals umfasst. Es ist eine elektronische Schaltung vorgesehen, welche das Positionssignal des mindestens einen Positionsmessgeräts empfängt. Ein Sondenende ist zwischen der Messvorrichtung und dem ersten Ende angeordnet, wobei das Sondenende eine Anschlussstelle auf einer Seite aufweist. Eine kontaktlose dreidimensionale Messvorrichtung ist entfernbar an die Anschlussstelle gekoppelt, wobei die kontaktlose dreidimensionale Messvorrichtung eine Lichtquelle und einen optischen Empfänger aufweist. Die kontaktlose dreidimensionale Messvorrichtung ist dafür konfiguriert, einen Abstand zu einem Punkt auf dem Objekt basierend zumindest teilweise auf einer Lichtgeschwindigkeit in Luft und auf einer Zeit für das Licht der Lichtquelle bei der Bewegung von der Lichtquelle zum Objekt und der Rückkehr zum optischen Empfänger zu ermitteln. Ein Prozessor ist elektrisch an die elektronische Schaltung gekoppelt, wobei der Prozessor dafür konfiguriert ist, die dreidimensionalen Koordinaten des Punkts auf dem Objekt basierend zumindest teilweise auf den von den Positionsmessgeräten empfangenen Positionssignalen und auf dem ermittelten Abstand zu ermitteln.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, wobei beispielhafte Ausgestaltungen dargestellt sind, die nicht als den gesamten Schutzbereich der Offenbarung einschränkend aufzufassen sind und wobei die Elemente in mehreren Figuren gleich nummeriert sind. Es zeigen:
  • 1: einschließlich 1A und 1B, perspektivische Darstellungen eines tragbaren Gelenkarm-Koordinatenmessgeräts (Gelenkarm-KMG), das Ausgestaltungen verschiedener Aspekte der vorliegenden Erfindung darin aufweist;
  • 2: einschließlich 2A–2D zusammengenommen, ein Blockdiagramm der Elektronik, die als Teil des Gelenkarm-KMG von 1 gemäß einer Ausgestaltung verwendet wird;
  • 3: einschließlich 3A und 3B zusammengenommen, ein Blockdiagramm, das detaillierte Merkmale des elektronischen Datenverarbeitungssystems von 2 gemäß einer Ausgestaltung beschreibt;
  • 4: eine isometrische Ansicht des Sondenendes des Gelenkarm-KMG von 1;
  • 5: eine Seitenansicht des Sondenendes von 4 mit dem daran gekoppelten Griff;
  • 6: eine Seitenansicht des Sondenendes von 4 mit dem daran befestigten Griff;
  • 7: eine vergrößerte Teilseitenansicht des Anschlussstellenabschnitts des Sondenendes von 6;
  • 8: eine andere vergrößerte Teilseitenansicht des Anschlussstellenabschnitts des Sondenendes von 5;
  • 9: eine isometrische Ansicht, teilweise im Querschnitt, des Griffs von 4;
  • 10: eine isometrische Ansicht des Sondenendes des Gelenkarm-KMG von 1 mit einer befestigten kontaktlosen Distanzmessvorrichtung;
  • 11: eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung, bei der die Vorrichtung von 10 ein Interferometersystem ist;
  • 12: eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung, bei der die Vorrichtung von 10 ein Absolutdistanzmessersystem ist;
  • 13: eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung, bei der die Vorrichtung von 10eine Distanzmessvorrichtung vom Fokussierungstyp ist; und
  • 14: eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung, bei der die Vorrichtung von 10 eine Distanzmessvorrichtung vom Kontrastfokussierungstyp ist.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Tragbare Gelenkarm-Koordinatenmessgeräte („Gelenkarm-KMGs”) werden bei einer Vielzahl von Anwendungen benutzt, um Messungen von Objekten zu erhalten. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung bieten Vorteile, indem sie einem Bediener das leichte und schnelle Koppeln von Zusatzvorrichtungen, die strukturiertes Licht zur Bereitstellung der kontaktlosen Messung eines dreidimensionalen Objekts nutzen, an ein Sondenende des Gelenkarm-KMG ermöglichen. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung stellen weitere Vorteile zur Verfügung, indem sie die Kommunikation von Daten bereitstellen, die einen Abstand zu einem durch das Zusatzteil gemessenen Objekt repräsentieren. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung schaffen noch weitere Vorteile, indem sie einem entfernbaren Zusatzteil Energie und Datenkommunikation ohne externe Verbindungen oder Verdrahtungen bereitstellen.
  • 1A und 1B veranschaulichen in der Perspektive ein 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 eine Gelenkmessvorrichtung mit sechs oder sieben Achsen mit einem Sondenende 401 (4) umfassen kann, das ein Messsondengehäuse 102 umfasst, 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 einen Sockel 116, der 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 Sondenende 401 kann auch ein Messsondengehäuse 102 umfassen, das die Welle einer Drehachse für das Gelenkarm-KMG 100 umfasst (z. B. einen Einsatz, der ein Kodierersystem enthält, das die Bewegung der Messvorrichtung, beispielsweise einer Sonde 118, in einer Drehachse für das Gelenkarm-KMG 100 ermittelt). Das Sondenende 401 kann sich bei dieser Ausgestaltung um eine Achse drehen, die sich durch die Mitte des Messsondengehäuses 102 erstreckt. Der Sockel 116 ist bei der Verwendung des Gelenkarm-KMG 100 normalerweise an einer Arbeitsfläche befestigt.
  • Jeder Lagereinsatz in jeder Lagereinsatzgruppierung 110, 112, 114 enthält normalerweise ein Kodierersystem (z. B. ein optisches Winkelkodierersystem). Das Kodierersystem (d. h. ein Positionsmessgerät) 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 den Sockel 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, also beispielsweise, aber 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 den Sockel 116 zu positionieren, wobei ein Armabschnitt 104 bereitgestellt wird, der leicht von dem Bediener gehandhabt werden kann. Es versteht sich jedoch, 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 einer Schnellverbinder-Anschlussstelle entfernbar. Wie nachstehend ausführlicher erörtert wird, kann der Griff 126 durch eine andere Vorrichtung ersetzt werden, die dafür konfiguriert ist, eine kontaktlose Distanzmessung eines Objekts bereitzustellen, wodurch Vorteile zur Verfügung gestellt werden, indem dem Bediener sowohl Kontaktmessungen als auch kontaktlose Messungen mit demselben Gelenkarm-KMG 100 ermöglicht werden. Die Sonde 118 ist bei beispielhaften Ausgestaltungen eine Kontaktmessvorrichtung und entfernbar. Die Sonde 118 kann verschiedene Spitzen 118 aufweisen, die das zu messende Objekt physisch berühren und folgende umfassen, aber ohne darauf beschränkt zu sein: Sonden vom Typ Kugel, berührungsempfindlich, gebogen und verlängert. Bei anderen Ausgestaltungen wird die Messung beispielsweise durch eine kontaktlose Vorrichtung wie beispielsweise ein Interferometer- oder ein Absolutdistanzmessersystem (ADM-System) durchgeführt. Der Griff 126 ist bei einer Ausgestaltung durch das Scannergerät mit kodiertem strukturiertem Licht ersetzt, wobei die Schnellverbinder-Anschlussstelle verwendet wird. Andere Typen von Messvorrichtungen können den entfernbaren Griff 126 ersetzen, um eine zusätzliche Funktionalität bereitzustellen. Die Beispiele für solche Messvorrichtungen umfassen, aber 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 entfernbaren Griff 126 umfasst, der die Vorteile bereitstellt, dass Zusatzteile oder Funktionalitäten ausgetauscht werden können, ohne dass das Messsondengehäuse 102 von der Lagereinsatzgruppierung 112 entfernt wird. Wie anhand von 2 detaillierter erörtert wird, kann der entfernbare Griff 126 auch einen elektrischen Verbinder umfassen, der es gestattet, dass elektrische Energie und Daten mit dem Griff 126 und der im Sondenende 401 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 zu 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.
  • Der Sockel 116 kann eine Befestigungs- bzw. Montagevorrichtung 120 umfassen. Die Montagevorrichtung 120 ermöglicht die entfernbare Montage des Gelenkarm-KMG 100 an einer gewünschten Stelle wie beispielsweise einem Inspektionstisch, einem Bearbeitungszentrum, einer Wand oder dem Boden. Der Sockel 116 umfasst bei einer Ausgestaltung einen Griffabschnitt 122, der eine zweckmäßige Stelle ist, an welcher der Bediener den Sockel 116 hält, während das Gelenkarm-KMG 100 bewegt wird. Bei einer Ausgestaltung umfasst der Sockel 116 ferner einen beweglichen Abdeckungsabschnitt 124, der herunterklappbar ist, um eine Benutzerschnittstelle wie beispielsweise einen Anzeigeschirm freizugeben.
  • Gemäß einer Ausgestaltung enthält bzw. beherbergt der Sockel 116 des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 eine elektronische Schaltung mit einem elektronischen 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 implementiert sein muss.
  • Das elektronische Datenverarbeitungssystem im Sockel 116 kann mit den Kodierersystemen, Sensoren und anderer peripherer Hardware, die entfernt vom Sockel 116 angeordnet ist (z. B. eine kontaktlose Distanzmessvorrichtung, die am entfernbaren 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 werden.
  • 2 ist ein Blockdiagramm der Elektronik, die gemäß einer Ausgestaltung in einem Gelenkarm-KMG 100 verwendet wird. Die in 2A 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 2A 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 2B und 2C 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 2D 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-/Vorrichtungs-Schnittstellenbus 240, der bei einer Ausgestaltung über eine Schnellverbinder-Anschlussstelle mit dem Griff 126 oder der kontaktlosen Distanzmessvorrichtung 242 verbindet, und eine Sondenschnittstelle 226. Die Schnellverbinder-Anschlussstelle ermöglicht den Zugang des Griffs 126 auf den Datenbus, die Steuerleitungen, den von der kontaktlosen Distanzmessvorrichtung 242 benutzten Energiebus und andere Zusatzteile. 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 der Schnellverbinder-Anschlussstelle entfernt werden und die Messung kann mit der kontaktlosen Distanzmessvorrichtung 242, die über den Schnittstellenbus 240 mit der Sondenende-Elektronik 230 des Gelenkarm-KMG 100 kommuniziert, durchgeführt werden. Bei einer Ausgestaltung sind das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 im Sockel 116 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.
  • 3A ist ein Blockdiagramm, das detaillierte Merkmale des elektronischen Datenverarbeitungssystems 210 des Gelenkarm-KMG 100 gemäß einer Ausgestaltung beschreibt. Das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 ist bei einer Ausgestaltung im Sockel 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 3A 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 Zusatzteilen wie beispielsweise einer kontaktlosen Distanzmessvorrichtung 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 zu externen (Host-Computer) und internen (Anzeigeprozessor 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 Anzeigeprozessor 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 3B, werden die vom Basisprozessor empfangenen Winkel- und Positionsdaten von auf dem Anzeigeprozessor 328 ausgeführten Anwendungen verwendet, um ein autonomes messtechnisches System in dem Gelenkarm-KMG 100 zur Verfügung zu stellen. Die Anwendungen können auf dem Anzeigeprozessor 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 Anzeigeprozessor 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 globale Positionsbestimmungssystem (GPS; global positioning system) gehören.
  • Das in 3A abgebildete elektronische Datenverarbeitungssystem 210 umfasst ferner 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 (12C) 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 Funkidentifikations-Modul (Funk-ID-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.
  • Nun Bezug nehmend auf 4–9, ist dort eine beispielhafte Ausgestaltung eines Sondenendes 401 veranschaulicht, das ein Messsondengehäuse 102 mit einer mechanischen und elektrischen Schnellverbinder-Anschlussstelle aufweist, die das Koppeln einer entfernbaren und austauschbaren Vorrichtung 400 mit dem Gelenkarm-KMG 100 ermöglicht. Die Vorrichtung 400 umfasst bei der beispielhaften Ausgestaltung eine Umschließung 402, die einen Griffabschnitt 404 umfasst, der derart bemessen und geformt ist, dass er in einer Hand des Bedieners gehalten wird, also beispielsweise wie ein Pistolengriff. Die Umschließung 402 ist eine dünnwandige Struktur mit einem Hohlraum 406 (9). Der Hohlraum 406 ist derart bemessen und konfiguriert, dass er ein Steuergerät 408 aufnimmt. Das Steuergerät 408 kann eine digitale Schaltung, die beispielsweise einen Mikroprozessor aufweist, oder eine analoge Schaltung sein. Das Steuergerät 408 steht bei einer Ausgestaltung in asynchroner bidirektionaler Kommunikation mit dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 (2 und 3). Die Kommunikationsverbindung zwischen dem Steuergerät 408 und dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 kann drahtgebunden (z. B. über ein Steuergerät 420), eine direkte oder indirekte drahtlose Verbindung (z. B. Bluetooth oder IEEE 802.11) oder eine Kombination aus drahtgebundenen und drahtlosen Verbindungen sein. Bei der beispielhaften Ausgestaltung ist die Umschließung 402 in zwei Hälften 410, 412 ausgebildet, beispielsweise aus einem spritzgegossenen Kunststoffmaterial. Die Hälften 410, 412 können mit Befestigungsmitteln wie beispielsweise Schrauben 414 aneinander befestigt werden. Die Umschließungshälften 410, 412 können bei anderen Ausgestaltungen beispielsweise durch Klebstoffe oder Ultraschallschweißen aneinander befestigt werden.
  • Der Griffabschnitt 404 umfasst ferner Knöpfe bzw. Aktoren 416, 418, die der Bediener manuell einschalten kann. Die Aktoren 416, 418 sind an das Steuergerät 408 gekoppelt, das ein Signal zu einem Steuergerät 420 in dem Sondengehäuse 102 überträgt. Die Aktoren 416, 418 führen bei den beispielhaften Ausgestaltungen die Funktionen von Aktoren 422, 424 durch, die auf dem Sondengehäuse 102 gegenüber der Vorrichtung 400 angeordnet sind. Es versteht sich, dass die Vorrichtung 400 zusätzliche Schalter, Knöpfe oder andere Aktoren aufweisen kann, die ebenfalls zur Steuerung der Vorrichtung 400, des Gelenkarm-KMG 100 verwendet werden können oder umgekehrt. Die Vorrichtung 400 kann auch Anzeigevorrichtungen wie beispielsweise Leuchtdioden (LEDs), Schallerzeuger, Messgeräte, Anzeigen oder Prüfvorrichtungen umfassen. Die Vorrichtung 400 kann bei einer Ausgestaltung ein digitales Sprachaufzeichnungsgerät umfassen, das die Synchronsation von Sprachkommentaren mit einem gemessenen Punkt gestattet. Bei noch einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung 400 ein Mikrofon, das dem Bediener die Übertragung von durch Sprache aktivierten Befehlen an das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 gestattet.
  • Der Griffabschnitt 404 kann bei einer Ausgestaltung für die Benutzung mit einer der beiden Hände des Bedieners oder für eine bestimmte Hand (z. B. die linke Hand oder die rechte Hand) konfiguriert sein. Der Griffabschnitt 404 kann auch dafür konfiguriert sein, Bedienern mit Behinderungen (z. B. Bedienern mit fehlenden Fingern oder Bedienern mit Armprothesen) die Benutzung zu erleichtern. Ferner kann der Griffabschnitt 404 entfernt werden und das Sondengehäuse 102 allein benutzt werden, wenn der freie Raum begrenzt ist. Wie oben erörtert wurde, kann das Sondenende 401 auch die Welle einer Drehachse für das Gelenkarm-KMG 100 umfassen.
  • Das Sondenende 401 umfasst eine mechanische und elektrische Anschlussstelle 426 mit einem ersten Verbinder 429 (8) auf der Vorrichtung 400, der mit einem zweiten Verbinder 428 auf dem Sondengehäuse 102 zusammenwirkt. Die Verbinder 428, 429 können elektrische und mechanische Merkmale umfassen, die das Kuppeln der Vorrichtung 400 an das Sondengehäuse 102 gestatten. Die Anschlussstelle 426 umfasst bei einer Ausgestaltung eine erste Oberfläche 430 mit einem mechanischen Koppler 432 und einem elektrischen Verbinder 434 darauf. Die Umschließung 402 umfasst ferner eine zweite Oberfläche 436, die angrenzend an die erste Oberfläche 430 positioniert und versetzt davon angeordnet ist. Die zweite Oberfläche 436 ist bei der beispielhaften Ausgestaltung eine flächige Oberfläche, die um einen Abstand von ungefähr 12 mm gegenüber der ersten Oberfläche 430 versetzt ist. Diese Versetzung stellt einen freien Raum für die Finger des Bedieners bereit, wenn ein Befestigungsmittel wie beispielsweise ein Bund 438 festgedreht oder gelöst wird. Die Anschlussstelle 426 stellt eine relativ schnelle und sichere elektronische Verbindung zwischen der Vorrichtung 400 und dem Sondengehäuse 102 zur Verfügung, ohne dass Verbinderstifte ausgerichtet werden müssen und ohne dass separate Kabel oder Verbinder erforderlich sind.
  • Der elektrische Verbinder 434 erstreckt sich von der ersten Oberfläche 430 aus und umfasst einen oder mehrere Verbinderstifte 440, die, beispielsweise über einen oder mehrere Armbusse 218, in asynchroner bidirektionaler Kommunikation elektrisch mit dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 (2 und 3) gekoppelt sind. Die bidirektionale Kommunikationsverbindung kann drahtgebunden (z. B. über den Armbus 218), drahtlos (z. B. Bluetooth oder IEEE 802.11) oder eine Kombination aus drahtgebundenen und drahtlosen Verbindungen sein. Bei einer Ausgestaltung ist der elektrische Verbinder 434 elektrisch an das Steuergerät 420 gekoppelt. Das Steuergerät 420 kann in asynchroner bidirektionaler Kommunikation mit dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 stehen, beispielsweise über einen oder mehrere Armbusse 218. Der elektrische Verbinder 434 ist derart positioniert, dass er eine relativ schnelle und sichere elektronische Verbindung mit einem elektrischen Verbinder 442 auf dem Sondengehäuse 102 zur Verfügung stellt. Die elektrischen Verbinder 434, 442 werden miteinander verbunden, wenn die Vorrichtung 400 am Sondengehäuse 102 befestigt wird. Die elektrischen Verbinder 434, 442 können jeweils ein in Metall eingekapseltes Verbindergehäuse umfassen, das eine Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen bereitstellt, die Verbinderstifte schützt und die Ausrichtung der Stifte während des Vorgangs der Befestigung der Vorrichtung 400 am Sondengehäuse 102 unterstützt.
  • Der mechanische Koppler 432 stellt eine relativ starre mechanische Kopplung zwischen der Vorrichtung 400 und dem Sondengehäuse 102 bereit, um relativ genaue Anwendungen zu halten, bei denen sich die Position der Vorrichtung 400 am Ende des Armabschnitts 104 des Gelenkarm-KMG 100 vorzugsweise nicht verschiebt bzw. bewegt. Ein etwaige solche Bewegung kann typisch zu einer unerwünschten Verschlechterung bei der Genauigkeit des Messergebnisses führen. Diese erwünschten Ergebnisse werden mit verschiedenen Strukturmerkmalen des mechanischen Befestigungs-Konfigurationsabschnitts der mechanischen und elektronischen Schnellverbinder-Anschlussstelle einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erzielt.
  • Der mechanische Koppler 432 umfasst bei einer Ausgestaltung einen ersten Vorsprung 444, der auf einem Ende 448 (der Vorderkante bzw. der „Front” der Vorrichtung 400) angeordnet ist. Der erste Vorsprung 444 kann eine gekehlte, gekerbte oder abgeschrägte Anschlussstelle umfassen, die eine Lippe 446 bildet, die sich von dem ersten Vorsprung 444 aus erstreckt. Die Lippe 446 ist derart bemessen, dass sie in einem Schlitz 450 aufgenommen wird, der durch einen Vorsprung 452 definiert ist, der sich von dem Sondengehäuse 102 aus erstreckt (8). Es versteht sich, dass der erste Vorsprung 444 und der Schlitz 450 zusammen mit dem Bund 438 eine Koppleranordnung derart bilden, dass, wenn die Lippe 446 in dem Schlitz 450 positioniert ist, der Schlitz 450 dazu benutzt werden kann, sowohl die Längsals auch die Seitenbewegung der Vorrichtung 400 zu beschränken, wenn sie am Sondengehäuse 102 befestigt ist. Wie im Folgenden ausführlicher erörtert wird, kann man die Drehung des Bunds 438 zum Befestigen der Lippe 446 im Schlitz 450 verwenden.
  • Gegenüber dem ersten Vorsprung 444 kann der mechanische Koppler 432 einen zweiten Vorsprung 454 umfassen. Der zweite Vorsprung 454 kann eine gekehlte, eine gekerbte Lippe aufweisende oder eine abgeschrägte Anschlussstellenoberfläche 456 umfassen (5). Der zweite Vorsprung 454 ist derart angeordnet, dass er ein dem Sondengehäuse 102 zugeordnetes Befestigungsmittel, beispielsweise den Bund 438, in Eingriff nimmt. Wie unten ausführlicher erörtert wird, umfasst der mechanische Koppler 432 eine über der Oberfläche 430 hervorstehende erhöhte Oberfläche, die an den elektrischen Verbinder 434 angrenzt oder rings um den elektrischen Verbinder 434 angeordnet ist, der einen Schwenkpunkt für die Anschlussstelle 426 bildet (7 und 8). Dieser dient als dritter von drei Punkten des mechanischen Kontakts zwischen der Vorrichtung 400 und dem Sondengehäuse 102, wenn die Vorrichtung 400 daran befestigt ist.
  • Das Sondengehäuse 102 umfasst einen Bund 438, der koaxial auf einem Ende befestigt ist. Der Bund 438 umfasst einen Gewindeabschnitt, der zwischen einer ersten Position (5) und einer zweiten Position (7) bewegt werden kann. Der Bund 438 kann durch seine Drehung zum Befestigen oder Entfernen der Vorrichtung 400 benutzt werden, ohne dass externe Werkzeuge erforderlich sind. Die Drehung des Bunds 438 bewegt ihn entlang eines Zylinders 474 mit einem relativ groben Flachgewinde. Die Verwendung eines solchen relativ großen Flachgewindes und solcher konturierter Oberflächen ermöglicht eine signifikante Klemmkraft bei minimalem Drehmoment. Die grobe Steigung der Gewinde des Zylinders 474 ermöglicht ferner das Festdrehen oder Lösen des Bunds 438 bei minimaler Drehung.
  • Zum Koppeln der Vorrichtung 400 an das Sondengehäuse 102 wird die Lippe 446 in den Schlitz 450 eingebracht und die Vorrichtung geschwenkt, um den zweiten Vorsprung 454 zu einer Oberfläche 458 hin zu drehen, wie es durch den Pfeil 464 angezeigt ist (5). Der Bund 438 wird gedreht, was dazu führt, dass er in der durch den Pfeil 462 angezeigten Richtung in Eingriff mit der Oberfläche 456 bewegt bzw. verschoben wird. Die Bewegung des Bunds 438 gegen die gewinkelte Oberfläche 456 führt den mechanischen Koppler 432 gegen die erhöhte Oberfläche 460. Dies hilft dabei, potentielle Probleme beim Verziehen der Anschlussstelle oder im Falle von Fremdobjekten auf der Oberfläche der Anschlussstelle zu überwinden, die den starren Sitz der Vorrichtung 400 am Sondengehäuse 102 beeinträchtigen könnten. Die Ausübung von Kraft durch den Bund 438 auf den zweiten Vorsprung 454 bewirkt, dass der mechanische Koppler 432 nach vorne bewegt wird, wobei er die Lippe 446 in einen Sitz auf dem Sondengehäuse 102 drückt. Während der Bund 438 weiter festgedreht wird, wird der zweite Vorsprung 454 unter Aufbringung von Druck auf einen Schwenkpunkt nach oben zu dem Sondengehäuse 102 hin gedrückt. Dies stellt eine Wippanordnung bereit, die Druck auf den zweiten Vorsprung 454, die Lippe 446 und den mittleren Schwenkpunkt aufbringt, um ein Verschieben oder Schaukeln der Vorrichtung 400 zu verringern oder zu eliminieren. Der Schwenkpunkt drückt direkt gegen die Unterseite des Sondengehäuses 102, während die Lippe 446 eine nach unten gerichtete Kraft auf das Ende des Sondengehäuses 102 ausübt. 5 enthält Pfeile 462, 464, um die Richtung der Bewegung der Vorrichtung 400 und des Bunds 438 anzuzeigen. 7 enthält Pfeile 466, 468, 470, um die Richtung des aufgebrachten Drucks in der Anschlussstelle 426 anzuzeigen, wenn der Bund 438 festgedreht wird. Es versteht sich, dass der Versetzungsabstand der Oberfläche 436 der Vorrichtung 400 einen Zwischenraum 472 zwischen dem Bund 438 und der Oberfläche 436 bildet (6). Der Zwischenraum 472 gestattet dem Bediener, den Bund 438 fester zu greifen, wobei sich zugleich das Risiko verringert, dass seine Finger während der Drehung des Bunds 438 eingeklemmt werden. Das Sondengehäuse 102 besitzt bei einer Ausgestaltung eine ausreichende Steifigkeit, um das Verziehen beim Festdrehen des Bunds 438 zu reduzieren oder zu verhindern.
  • Die Ausgestaltungen der Anschlussstelle 426 ermöglichen die korrekte Ausrichtung des mechanischen Kopplers 432 und des elektrischen Verbinders 434 und schützen außerdem die elektronische Anschlussstelle vor aufgebrachten Belastungen, die sonst wegen der Klemmwirkung des Bunds 438, der Lippe 446 und der Oberfläche 456 entstehen können. Daraus ergeben sich Vorteile bei der Reduzierung oder Eliminierung einer durch Belastung verursachten Beschädigung einer Leiterplatte 476, auf der die elektrischen Verbinder 432, 442 angebracht sind, die eventuell gelötete Anschlüsse aufweisen. Ferner bieten die Ausgestaltungen dahingehend Vorteile gegenüber bekannten Vorgehensweisen, dass ein Benutzer keine Werkzeuge benötigt, um die Vorrichtung 400 mit dem Sondengehäuse 102 zu verbinden oder sie davon zu lösen. Dies gibt dem Bediener die Möglichkeit, relativ leicht die Vorrichtung 400 manuell mit dem Sondengehäuse 102 zu verbinden oder sie davon zu lösen.
  • Wegen der relativ großen Anzahl abgeschirmter elektrischer Anschlüsse, die mit der Anschlussstelle 426 möglich sind, kann man eine relativ große Anzahl von Funktionen zwischen dem Gelenkarm-KMG 100 und der Vorrichtung 400 aufteilen. Beispielsweise können Schalter, Knöpfe oder andere Aktoren, die auf dem Gelenkarm-KMG 100 angeordnet sind, zur Steuerung der Vorrichtung 400 verwendet werden oder umgekehrt. Ferner können Befehle und Daten von dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 zu der Vorrichtung 400 übertragen werden. Die Vorrichtung 400 ist bei einer Ausgestaltung eine Videokamera, die Daten eines aufgenommenen Bilds überträgt, das in einem Speicher auf dem Basisprozessor 204 zu speichern oder auf der Anzeigevorrichtung 328 anzuzeigen ist. Bei einer anderen Ausgestaltung ist die Vorrichtung 400 ein Bildprojektor, der Daten von dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 empfängt. Zusätzlich dazu können Temperatursensoren, die entweder im Gelenkarm-KMG 100 oder in der Vorrichtung 400 angeordnet sind, untereinander aufgeteilt werden. Es versteht sich, dass Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung Vorteile bei der Bereitstellung einer flexiblen Anschlussstelle bieten, die das schnelle, leichte und zuverlässige Koppeln einer großen Vielfalt von Zusatzvorrichtungen 400 an das Gelenkarm-KMG 100 erlaubt. Ferner kann die Fähigkeit zur Aufteilung von Funktionen zwischen dem Gelenkarm-KMG 100 und der Vorrichtung 400 eine Reduzierung der Größe, des Energieverbrauchs und der Komplexität des Gelenkarm-KMG 100 ermöglichen, indem eine doppelte Bereitstellung verhindert wird.
  • Das Steuergerät 408 kann bei einer Ausgestaltung den Betrieb oder die Funktionalität des Sondenendes 401 des Gelenkarm-KMG 100 ändern. Das Steuergerät 408 kann beispielsweise Anzeigeleuchten auf dem Sondengehäuse 102 dahingehend ändern, dass sie, wenn die Vorrichtung 400 befestigt ist, entweder ein andersfarbiges Licht oder eine andere Lichtintensität emittieren oder sich zu anderen Zeitpunkten an-/ausschalten als bei alleiniger Benutzung des Sondengehäuses 102. Bei einer Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung 400 einen Entfernungsmesssensor (nicht dargestellt), der den Abstand zu einem Objekt misst. Das Steuergerät 408 kann bei dieser Ausgestaltung die Anzeigeleuchten auf dem Sondengehäuse 102 ändern, um dem Bediener anzuzeigen, wie weit das Objekt von der Sondenspitze 118 entfernt ist. Bei einer anderen Ausgestaltung kann das Steuergerät 408 die Farbe der Anzeigeleuchten auf Basis der Qualität des Bilds ändern, das von dem Scannergerät mit kodiertem strukturiertem Licht erfasst wurde. Dies bietet Vorteile bei der Vereinfachung der Anforderungen des Steuergeräts 420 und ermöglicht durch die Hinzufügung von Zusatzvorrichtungen eine verbesserte oder höhere Funktionalität.
  • Bezug nehmend auf 10–14, ist dort eine Vorrichtung 500 dargestellt, welche die kontaktlose Messung eines Objekts gestattet. Bei einer Ausgestaltung ist die Vorrichtung 500 über den Kopplermechanismus und die Anschlussstelle 426 entfernbar an das Sondenende 401 gekoppelt. Bei einer anderen Ausgestaltung ist die Vorrichtung 500 einstückig mit dem Sondenende 401 verbunden. Wie im Folgenden ausführlicher erörtert wird, kann die Vorrichtung 500 ein Interferometer (11), eine Absolutdistanzmesser-Vorrichtung (ADM-Vorrichtung) (12), eine fokussierende Messvorrichtung (13 und 14) oder ein anderer Typ einer kontaktlosen Distanzmessvorrichtung sein.
  • Die Vorrichtung 500 umfasst des Weiteren eine Umschließung 501 mit einem Griffabschnitt 510. Bei einer Ausgestaltung kann die Vorrichtung 500 ferner eine Anschlussstelle 426 auf einem Ende umfassen, die wie vorstehend beschrieben die Vorrichtung 500 mechanisch und elektrisch an das Sondengehäuse 102 koppelt. Die Anschlussstelle 426 schafft dadurch Vorteile, dass die Vorrichtung 500 schnell und leicht an das Gelenkarm-KMG 100 gekoppelt oder davon entfernt werden kann, ohne dass zusätzliche Werkzeuge erforderlich sind. Die Vorrichtung 500 kann bei anderen Ausgestaltungen in das Sondengehäuse 102 integriert sein.
  • Die Vorrichtung 500 umfasst einen Sender elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise eine Lichtquelle 502, die kohärentes oder inkohärentes Licht wie z. B. ein Laserlicht oder weißes Licht emittiert. Das Licht der Lichtquelle 502 wird aus der Vorrichtung 500 hinaus zu einem zu messenden Objekt geführt. Die Vorrichtung 500 kann eine optische Baugruppe 504 und einen optischen Empfänger 506 umfassen. Die optische Baugruppe 504 kann eine oder mehrere Linsen, Strahlteiler, dichromatische Spiegel, Viertelwellen-Verzögerungsplatten, eine polarisierende Optik und dergleichen umfassen. Die optische Baugruppe 504 teilt das von der Lichtquelle emittierte Licht und führt einen Teil zu einem Objekt wie beispielsweise einem Retroreflektor und einen Teil zu dem optischen Empfänger 506. Der optische Empfänger 506 ist dafür konfiguriert, reflektiertes Licht und das von der optischen Baugruppe 504 zurückgeführte Licht zu empfangen und das Licht in elektrische Signale umzuwandeln. Die Lichtquelle 502 und der optische Empfänger 506 sind beide an ein Steuergerät 508 gekoppelt. Das Steuergerät 508 kann einen oder mehrere Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren, Speicher- und Signalkonditionierschaltungen umfassen.
  • Es versteht sich ferner, dass die Vorrichtung 500 relativ zur Sondenspitze 118 im Wesentlichen derart feststehend ist, dass auf den Griffabschnitt 510 einwirkende Kräfte nicht die Ausrichtung der Vorrichtung 500 relativ zu der Sondenspitze 118 beeinflussen. Bei einer Ausgestaltung kann die Vorrichtung 500 einen zusätzlichen Aktor (nicht dargestellt) aufweisen, der es dem Bediener ermöglicht, zwischen dem Erfassen von Daten von der Vorrichtung 500 und der Sondenspitze 118 umzuschalten.
  • Die Vorrichtung 500 kann außerdem Aktoren 512, 514 umfassen, die der Bediener manuell einschalten kann, um den Betrieb und die Datenerfassung durch die Vorrichtung 500 zu starten. Bei einer Ausgestaltung wird die optische Verarbeitung zur Ermittlung des Abstands zum Objekt durch das Steuergerät 508 durchgeführt und werden die Abstandsdaten über den Bus 240 zu dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 übertragen. Bei einer anderen Ausgestaltung werden optische Daten zu dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 übertragen und wird der Abstand zum Objekt durch das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 ermittelt. Es versteht sich, dass – weil die Vorrichtung 500 an das Gelenkarm-KMG 100 gekoppelt ist – das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 die Position und die Orientierung der Vorrichtung 500 ermitteln kann (über Signale der Kodierer), wodurch bei einer Kombination mit der Distanzmessung die Ermittlung der x-, y- und z-Koordinaten des Objekts relativ zum Gelenkarm-KMG ermöglicht wird.
  • Die in 11 dargestellte Vorrichtung 500 ist bei einer Ausgestaltung ein Interferometer. Ein Interferometer ist ein Typ einer Distanzmessvorrichtung, der einen Strahl kohärenten Lichts wie beispielsweise Laserlicht zu einem Punkt auf einem Objekt sendet. Bei der beispielhaften Ausgestaltung ist das Objekt zum Beispiel ein externer Retroreflektor 516. Das Interferometer kombiniert das zurückkehrende Licht mit einem Referenzlichtstrahl, um eine Änderung des Abstands eines Objekts zu messen. Ordnet man den Retroreflektor 516 an einer Anfangsposition an, bei der der Abstand D bekannt ist, kann man während der Bewegung des Retroreflektors 516 zu einer neuen Position den Abstand D' ermitteln. Mit einem gewöhnlichen bzw. inkrementellen Interferometer wird der Abstand gemessen, indem die halben Wellenlängen gezählt werden, weil sich das Interferenzmuster des Lichts bei jeder halben Wellenlänge der Bewegung des Objektpunkts relativ zur Distanzmessvorrichtung wiederholt. Der Retroreflektor 516 kann ein sphärisch montierter Retroreflektor sein, der eine Metallkugel umfasst, in welche ein Würfelecken-Retroreflektor eingebettet ist. Der Würfelecken-Retroreflektor umfasst drei senkrechte Spiegel, die sich an einem gemeinsamen Scheitelpunkt treffen. Der Scheitelpunkt ist bei einer Ausgestaltung in der Mitte der Metallkugel angeordnet. Wird die Kugel in Kontakt mit einem Objekt gehalten, lässt sich der Abstand zu Oberflächenpunkten des Objekts mit dem Interferometer messen. Der Retroreflektor 516 kann auch ein beliebiger anderer Gerätetyp sein, der das Licht parallel zum ausgehenden Licht zurücksendet.
  • Bei einer Ausgestaltung ist die Vorrichtung 500 ein inkrementelles Interferometer. Das inkrementelle Interferometer hat einen gemessenen Abstand D, der mittels D = a + (n + p)·(lambda/2)·c/n berechnet wird, wobei „a” eine Konstante ist, „n” die ganze Zahl von Zählergebnissen ist, die sich bei der Bewegung eines Ziels ereigneten, „p” der Bruchteil eines Zyklus ist (eine Zahl zwischen 0 und 1, die einem Phasenwinkel zwischen 0 und 360 Grad entspricht), „lambda” die Wellenlänge des Lichts im Vakuum ist, „c” die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist und „n” der Brechungsindex der Luft bei der Wellenlänge des Lichts 524 bei der Temperatur, dem Barometerdruck und der Feuchtigkeit der Luft ist, durch welche das Licht 524 durchgeht. Der Brechungsindex ist definiert als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum dividiert durch die Lichtgeschwindigkeit in einem lokalen Medium (in diesem Falle Luft), woraus sich ergibt, dass der berechnete Abstand D von der Lichtgeschwindigkeit in Luft, „c/n”, abhängt. Das Licht 518 einer Lichtquelle 502 geht bei einer Ausgestaltung durch eine Interferometeroptik 504, bewegt sich zu einem entfernten Retroreflektor 516, geht in einem Rückkehrweg durch die Interferometeroptik 504 und tritt in einen optischen Empfänger ein. Der optische Empfänger ist an einen Phaseninterpolator angeschlossen. Zusammen umfassen der optische Empfänger und der Phaseninterpolator eine Optik und Elektronik für die Dekodierung der Phase des zurückkehrenden Lichts und die Beobachtung der Anzahl von Zählergebnissen halber Wellenlängen. Die Elektronik in dem Phaseninterpolator oder an einer anderen Stelle im Gelenkarm-KMG 100 oder in einem externen Computer ermittelt den inkrementellen Abstand, um den sich der Retroreflektor 516 bewegt hat. Der vom Retroreflektor 516 von 11 zurückgelegte inkrementelle Abstand beträgt D'–D. Ein Abstand D' zu irgendeinem bestimmten Zeitpunkt kann ermittelt werden, indem zuerst die Position des Retroreflektors an einer Referenzposition gefunden wird, die beispielsweise ein Abstand D von einem Referenzpunkt auf dem Gelenkarm-KMG sein könnte. Wenn sich der Retroreflektor zum Beispiel in einem sphärisch montierten Retroreflektor (SMR) befindet, kann ein Abstand D' gefunden werden, indem zuerst der Retroreflektor 516 an der Referenzposition angeordnet wird, die beispielsweise eine magnetische Aufnahme sein könnte, die für das Halten des SMR konfiguriert ist. Danach kann, solange der Strahl zwischen der Lichtquelle 502 und dem Retroreflektor 516 nicht unterbrochen wird, der Gesamtabstand D' gefunden werden, indem man einen Referenzabstand wie den Wert „a” in der vorstehend behandelten Gleichung verwendet. Ein Referenzabstand könnte zum Beispiel ermittelt werden, indem eine Referenzkugel mit dem Scanner, der in verschiedenen Orientierungen gehalten wird, gemessen wird. Der Referenzabstand kann durch selbstkonsistente Auflösung nach den Koordinaten der Referenzkugel ermittelt werden.
  • 11 zeigt einen emittierten ausgehenden Lichtstrahl 524, der sich parallel, aber versetzt zu dem zurückkehrenden Lichtstrahl 524B bewegt. Es ist eventuell in einigen Fällen von Vorteil, wenn man das Licht derart in sich selbst zurückkehren lässt, dass die Lichter 524 und 524B sich entlang desselben Wegs, aber in entgegengesetzten Richtungen bewegen. In diesem Fall kann es von Bedeutung sein, dass man ein Isolierverfahren benutzt, um das reflektierte Licht nicht in die Lichtquelle 520 eintreten und diese destabilisieren zu lassen. Ein Mittel zur Isolierung des Lasers vor dem zurückkehrenden Licht besteht darin, einen Faraday-Isolator in dem optischen Weg zwischen der Lichtquelle 502 und dem zurückkehrenden Licht 524B anzuordnen.
  • Bei einer Ausgestaltung eines inkrementellen Interferometers ist das Interferometer derart ein homodyner Vorrichtungstyp, dass die Lichtquelle 502 ein Laser ist, der auf einer einzigen Frequenz arbeitet. Die Vorrichtung kann bei anderen Ausgestaltungen ein heterodyner Vorrichtungstyp sein und der Laser arbeitet auf mindestens zwei Frequenzen, um zwei sich überlappende Strahlen zu erzeugen, die polarisiert und orthogonal sind. Die Lichtquelle 502 emittiert ein Licht 518, das in eine Strahlteilungsvorrichtung 520 geführt wird. Hier wird ein erster Teil 522 des Lichts reflektiert und zum optischen Empfänger 506 übertragen. Der erste Teil 522 wird von mindestens einem Spiegel 523 reflektiert, um ihn zum optischen Empfänger 506 zu führen. Der erste Teil 522 wird bei der beispielhaften Ausgestaltung von mehreren Spiegeln 523 und dem Strahlteiler 520 reflektiert. Dieser erste Teil 522 ist ein Referenzlichtstrahl, der für den Vergleich mit einem zurückkehrenden bzw. reflektierten Licht verwendet wird.
  • Ein zweiter Teil 524 des Lichts wird durch die Strahlteilungsvorrichtung 520 hindurch übertragen und zum Retroreflektor 516 geführt. Es versteht sich, dass die optische Baugruppe 504 ferner andere optische Bauteile wie beispielsweise Linsen, Viertelwellen-Verzögerungsplatten, Filter und dergleichen (nicht dargestellt) umfassen kann, aber ohne darauf beschränkt zu sein. Der zweite Teil 524 des Lichts bewegt sich zum Retroreflektor 516, der ihn entlang eines Wegs 527, der parallel zu dem ausgehenden Licht ist, zurück zur Vorrichtung 500 reflektiert. Das reflektierte Licht wird wieder durch die optische Baugruppe empfangen, wo es durch die Strahlteilungsvorrichtung 520 hindurch zum optischen Empfänger 506 übertragen wird. Während das zurückkehrende Licht bei der beispielhaften Ausgestaltung durch die Strahlteilungsvorrichtung 520 hindurch übertragen wird, trifft es in einem gemeinsamen optischen Weg mit dem Licht des ersten Teils 522 zum optischen Empfänger 502 zusammen. Es versteht sich, dass die optische Baugruppe 504 ferner zusätzliche optische Bauteile (nicht dargestellt) wie beispielsweise eine Optik umfassen kann, die z. B. eine sich drehende Polarisationsebene zwischen der Strahlteilungsvorrichtung 520 und dem optischen Empfänger 506 bildet. Bei diesen Ausgestaltungen kann der optische Empfänger 506 aus mehreren polarisationsempfindlichen Empfängern bestehen, die eine Funktionalität für die Energienormalisierung ermöglichen.
  • Der optische Empfänger 506 empfängt sowohl den ersten Teil 522 als auch den zweiten Teil 524 des Lichts. Da die zwei Lichtteile 522, 524 jeweils eine unterschiedliche optische Weglänge aufweisen, hat der zweite Teil 524 am optischen Empfänger 506 eine Phasenverschiebung im Vergleich zum ersten Teil 522. Bei einer Ausgestaltung, bei der die Vorrichtung 500 ein homodynes Interferometer ist, erzeugt der optische Empfänger 506 ein elektrisches Signal, das auf der Änderung der Intensität der zwei Lichtteile 522, 524 basiert. Bei einer Ausgestaltung, bei der die Vorrichtung 500 ein heterodynes Interferometer ist, kann der optische Empfänger 506 eine Phasen- oder Frequenzmessung mit einer Methode wie beispielsweise einem Signal mit Dopplerverschiebung ermöglichen. Der optische Empfänger 506 kann bei einigen Ausgestaltungen ein faseroptischer Aufnehmer sein, der das empfangene Licht beispielsweise zu einem Phaseninterpolator 508 oder Spektrumanalysator leitet. Der optische Empfänger 506 erzeugt bei noch weiteren Ausgestaltungen ein elektrisches Signal und überträgt das Signal zu einem Phaseninterpolator 508.
  • Bei einem inkrementellen Interferometer muss die Änderung der Anzahl von Zählergebnissen n (aus der vorstehend beschriebenen Gleichung) beobachtet werden. Bei dem Fall, in dem der Lichtstrahl auf einem Retroreflektor 516 gehalten wird, können die Optik und die Elektronik in dem optischen Empfänger 506 zur Beobachtung von Zählergebnissen benutzt werden. Bei einer anderen Ausgestaltung wird ein anderer Typ einer Messung verwendet, bei dem das von dem Distanzmesser kommende Licht direkt auf das zu messende Objekt gesendet wird. Das Objekt, das beispielsweise metallisch sein könnte, kann Licht derart diffus reflektieren, dass nur ein relativ kleiner Anteil des Lichts zu einem optischen Empfänger zurückkehrt. Das Licht kehrt bei dieser Ausgestaltung derart direkt in sich selbst zurück, dass das zurückkehrende Licht im Wesentlichen mit dem ausgehenden Licht zusammentrifft. Infolgedessen ist es unter Umständen erforderlich, dass ein Mittel zur Reduzierung der in die Lichtquelle 502 zurückkehrenden Lichtmenge vorgesehen wird, beispielsweise ein Faraday-Isolator.
  • Eine der Schwierigkeiten beim Messen des Abstands zu einem diffusen Ziel besteht darin, dass man keine Interferenzstreifen zählen kann. Es ist im Falle eines Retroreflektorziels 516 bekannt, dass sich die Phase des Lichts kontinuierlich ändert, während der Retroreflektor vom Tracker fortbewegt wird. Falls jedoch ein Lichtstrahl über ein Objekt bewegt wird, kann die Phase des zurückkehrenden Lichts zum Beispiel diskontinuierlich sein, wenn das Licht eine Kante passiert. Es ist in diesem Fall eventuell erwünscht, einen anderen Interferometertyp zu benutzen, der als Absolutinterferometer bekannt ist. Ein Absolutinterferometer emittiert gleichzeitig mehrere Lichtwellenlängen, wobei die Wellenlängen dafür konfiguriert sind, eine „synthetische Wellenlänge” zu erzeugen, die beispielsweise in der Größenordnung von einem Millimeter liegt. Ein Absolutinterferometer hat die gleiche Genauigkeit wie ein inkrementelles Interferometer, außer dass keine Interferenzstreifen für jede halbe Wellenlänge der Bewegung gezählt werden müssen. Die Messungen können irgendwo innerhalb eines Bereichs durchgeführt werden, der einer synthetischen Wellenlänge entspricht.
  • Die optische Baugruppe 504 kann bei einer Ausgestaltung einen Lenkspiegel (nicht dargestellt) wie beispielsweise einen ein mikroelektromechanisches System aufweisenden Spiegel (MEMS-Spiegel) umfassen, der es dem von einem Absolutinterferometer kommenden Licht ermöglicht, von dem Scanner reflektiert und wieder durch den Scanner empfangen zu werden, um schnell über einen Bereich zu messen.
  • Bei einer Ausgestaltung kann die Vorrichtung eine optische Bilderfassungsvorrichtung wie beispielsweise eine Kamera 529 umfassen, die in Kombination mit einem Absolutinterferometer verwendet wird. Die Kamera 529 umfasst eine Linse und eine photosensitive Anordnung. Die Linse ist dafür konfiguiert, den beleuchteten Objektpunkt auf einer photosensitiven Anordnung abzubilden. Die photosensitive Anordnung ist dafür konfiguriert, auf die Wellenlängen des von dem Absolutinterferometer emittierten Lichts anzusprechen. Durch Feststellen der Position des abgebildeten Lichts auf der photosensitiven Anordnung ist es möglich, den Mehrdeutigkeitsbereich des Objektpunkts zu ermitteln. Nimmt man beispielsweise an, dass ein Absolutinterferometer einen Mehrdeutigkeitsbereich von 1 mm aufweist, dann besteht kein Problem bei der Verwendung des Interferometers für die Ermittlung des Abstands zum Ziel, solange der Abstand zum Ziel auf einen Millimeter genau bekannt ist. Nimmt man jedoch an, dass der Abstand zum Ziel in einem Mehrdeutigkeitsbereich von einem Millimeter unbekannt ist, dann besteht bei einer Ausgestaltung ein Weg zu Ermittlung des Abstands zum Ziel innerhalb des Mehrdeutigkeitsbereichs darin, die Kamera 529 in der Nähe des Punkts der Emission des Lichtstrahls anzuordnen. Die Kamera erzeugt ein Bild des gestreuten Lichts auf der photosensitiven Anordnung. Die Position des abgebildeten Lichtflecks hängt von dem Abstand zum optischen Ziel ab und stellt somit einen Weg zur Ermittlung des Abstands zum Ziel innerhalb des Mehrdeutigkeitsbereichs zur Verfügung.
  • Die Distanzmessvorrichtung nutzt bei einer Ausgestaltung kohärentes Licht (z. B. einen Laser) bei der Ermittlung des Abstands zum Objekt. Bei einer Ausgestaltung verändert die Vorrichtung die Wellenlänge eines Lasers in Abhängigkeit von der Zeit, also beispielsweise linear in Abhängigkeit von der Zeit. Ein Teil des ausgehenden Laserstrahls wird zu einem optischen Detektor gesendet und ein anderer Teil des ausgehenden Laserstrahls, der sich zum Retroreflektor bewegt, wird ebenfalls zu dem Detektor gesendet. Die optischen Strahlen werden in dem Detektor optisch gemischt und eine elektrische Schaltung wertet das Signal des optischen Detektors aus, um den Abstand von der Distanzmessvorrichtung zu dem Retroreflektorziel zu ermitteln.
  • Die Vorrichtung 500 ist bei einer Ausgestaltung eine Absolutdistanzmesser-Vorrichtung (ADM-Vorrichtung). Eine ADM-Vorrichtung nutzt typisch ein inkohärentes Licht und ermittelt einen Abstand zu einem Objekt auf Basis der Zeit, die für die Bewegung vom Distanzmesser zum Ziel und zurück erforderlich ist. Obwohl ADM-Vorrichtungen normalerweise eine geringere Genauigkeit als Interferometer aufweisen, bietet ein ADM dahingehend einen Vorteil, dass er den Abstand zu einem Objekt direkt misst, statt eine Veränderung des Abstands zum Objekt zu messen. Ein ADM benötigt daher im Gegensatz zu einem Interferometer keine bekannte Anfangsposition.
  • Ein Typ eines ADM ist ein Pulslaufzeit-ADM (TOF-ADM; time-of-flight ADM), Bei einem Pulslaufzeit-ADM emittiert ein Laser einen Lichtimpuls. Ein Teil des Lichts wird zu einem Objekt gesendet, von dem Objekt gestreut und von einem optischen Detektor aufgenommen, der das optische Signal in ein elektrisches Signal umwandelt. Ein anderer Teil des Lichts wird direkt zu dem Detektor (oder einem separaten Detektor) gesendet, wo es in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Die Zeit dt zwischen der Vorderflanke der zwei elektrischen Impulssignale dient dazu, den Abstand vom Distanzmesser zum Objektpunkt zu ermitteln. Der Abstand D beträgt lediglich D = a + dt·c/(2n), wobei a eine Konstante ist, c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist und n der Brechungsindex des Lichts in Luft ist.
  • Ein anderer Typ eines ADM ist ein phasenbasierter ADM. Ein phasenbasierter ADM ist einer, bei dem eine sinusförmige Modulation direkt auf einen Laser aufgebracht wird, um die optische Energie des emittierten Laserstrahls zu modulieren. Die Modulation wird entweder als Sinuskurve oder als Rechteck aufgebracht. Die Phase, die zu der Grundfrequenz der erfassten Wellenform gehört, wird extrahiert. Die Grundfrequenz ist die Hauptfrequenz oder die niedrigste Frequenz der Wellenform. Normalerweise erhält man die zu der Grundfrequenz gehörende Phase, indem man Licht zu einem optischen Detektor sendet, um ein elektrisches Signal zu erhalten, das Licht konditioniert (was das Senden des Lichts durch Verstärker, Mischer und Filter beinhalten könnte), die elektrischen Signale mit einem Analog-Digital-Wandler in digitalisierte Abtastwerte umwandelt und anschließend die Phase mit einem computergestützten Verfahren berechnet.
  • Der phasenbasierte ADM hat einen gemessenen Abstand D, der D = a + (n + p)·c/(2·f·n) ist, wobei „a” eine Konstante ist, „n” und „p” ganze Zahlen und Bruchteile des „Mehrdeutigkeitsbereichs” eines Objektpunkts sind, „f” die Modulationsfrequenz ist, „c” die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist und „n” der Brechungsindex ist. Die Größe R = c/(2·f·n) ist der Mehrdeutigkeitsbereich. Wenn beispielsweise die Modulationsfrequenz f = 3 GHz ist, dann beträgt der Mehrdeutigkeitsbereich gemäß der Formel ungefähr 50 mm. Die Formel für „D” zeigt, dass der berechnete Abstand von der Lichtgeschwindigkeit in Luft, „c/n”, abhängt. Wie im Falle des Absolutinterferometers ist einer der Parameter, der für die Ermittlung erwünscht ist, der Mehrdeutgkeitsbereich für den untersuchten Objektpunkt. Bei einem Gelenkarm-KMG 100, das zum Messen der Koordinaten einer diffusen Oberfläche verwendet wird, kann der Lichtstrahl der Vorrichtung 500 im Laufe einiger Millisekunden zu Objekten geführt werden, die um einige Meter voneinander getrennt sind. Falls der Mehrdeutigkeitsbereich nicht ermittelt wurde, würde eine solche große Änderung wahrscheinlich den Mehrdeutigkeitsbereich der Vorrichtung überschreiten und würde der ADM somit den Abstand zu dem Objektpunkt weiterhin nicht kennen.
  • Bei einer Ausgestaltung wird das emittierte Licht derart an mehreren Frequenzen moduliert, dass der Mehrdeutigkeitsbereich in Echtzeit ermittelt werden kann. Bei einer Ausgestaltung können beispielsweise vier unterschiedliche Modulationsfrequenzen gleichzeitig auf das Laserlicht aufgebracht werden. Mit bekannten Mitteln von Abtast- und Extraktionsverfahren lässt sich der absolute Abstand zum Ziel durch Berechnen der Phase bei jeder dieser vier Frequenzen ermitteln. Bei anderen Ausgestaltungen werden weniger als vier Frequenzen benutzt. Phasenbasierte ADMs können sowohl bei nahen als auch weiten Entfernungen verwendet werden. Es sind Modulations- und Verarbeitungsverfahren mit anderen Typen von inkohärenten Distanzmessern möglich. Solche Distanzmesser sind in der Technik weithin bekannt und werden nicht weiter behandelt.
  • Bei einer in 12 dargestellten Ausgestaltung ist die Vorrichtung 500 eine ADM-Vorrichtung, die eine Lichtquelle 528, einen Isolator 530, eine ADM-Elektronik 546, ein Fasernetz 536, eine Fasereinkopplung 538 und gegebenenfalls einen Strahlteiler 540 und einen Positonsdetektor 542 umfasst. Die Lichtquelle 528 kann ein Laser wie beispielsweise eine rote oder infrarote Laserdiode sein. Das Laserlicht kann durch einen Isolator 530 gesendet werden, der beispielsweise ein Faraday-Isolator oder ein Dämpfungsglied sein kann. Der Isolator 530 kann an seinen Eingangs- und Ausgangsanschlüssen fasergekoppelt sein. Eine ADM-Elektronik 532 moduliert die Lichtquelle 528 durch Anlegen eines elektrischen Funksignals (RF signal; radio frequency signal) an einen Eingang des Lasers. Das Funksignal wird bei einer Ausgestaltung durch das Kabel 532 angelegt, das die optische Energie des vom Laser emittierten Lichts an einer oder mehreren Modulationsfrequenzen sinusförmig moduliert. Das durch den Isolator durchgehende modulierte Licht bewegt sich zum Fasernetz 536. Ein Teil des Lichts bewegt sich über eine Lichtleitfaser 548 zu dem Referenzkanal der ADM-Elektronik 546. Ein anderer Teil des Lichts bewegt sich aus der Vorrichtung 500 hinaus, wird von dem Ziel 516 reflektiert und kehrt zur Vorrichtung 500 zurück. Das Ziel 516 ist bei einer Ausgestaltung ein nicht zusammenwirkendes Ziel wie beispielsweise ein diffus reflektierendes Material wie z. B. Aluminium oder Stahl. Bei einer anderen Ausgestaltung ist das Ziel 516 ein zusammenwirkendes Ziel wie beispielsweise ein Retroreflektorziel, das den größten Teil des Lichts zu der Vorrichtung 500 zurückkehren lässt. Das Licht, das in die Vorrichtung 500 eintritt, kehrt durch die Fasereinkopplung 538 und das Fasernetz 536 hindurch zurück und tritt durch das faseroptsche Kabel 550 hindurch in den Messkanal der ADM-Elektronik 546 ein. Die ADM-Elektronik 546 umfasst optische Detektoren, die die von den Lichtleitfasern 548 und 550 empfangenden optischen Referenz- und Messsignale in elektrische Referenz- und Messsignale umwandeln. Diese Signale werden mit der Elektronik verarbeitet, um einen Abstand zu dem Ziel zu ermitteln.
  • Das Licht der Vorrichtung 500 wird bei einer Ausgestaltung zu einem Retroreflektor statt zu einem nicht zusammenwirkenden (diffus streuenden) Ziel gesendet. In diesem Fall kann ein Positionsdetektor 542 mit einbezogen werden, um eine kleine Menge des Lichts zu empfangen, das von einem Strahlteiler 540 reflektiert wird. Das durch den Positionsdetektor 542 empfangene Signal kann von einem Steuersystem benutzt werden, um zu bewirken, dass der Lichtstrahl der Vorrichtung 500 einen sich bewegenden Retroreflektor 516 verfolgt. Wenn ein streuendes Ziel statt eines retroreflektierenden Ziels verwendet wird, können der Strahlteiler 540 und der Positionsdetektor 542 entfallen.
  • Die ADM-Vorrichtung 500 enthält bei einer Ausgestaltung eine Konfiguration wie beispielsweise die in dem US-Patent 7,701,559 des gleichen Inhabers beschriebene. Es versteht sich, dass sowohl die Interferometervorrichtungen als auch die ADM-Vorrichtungen den Abstand zum Objekt zumindest teilweise auf Basis der Lichtgeschwindigkeit in Luft ermitteln.
  • Ein anderer Typ eines Distanzmessers ist einer, der auf einem Fokussierverfahren basiert. Beispiele für fokussierende Distanzmesser sind eine Messvorrichtung mit chromatischer Fokussierung, eine Messvorrichtung mit Kontrastfokussierung und eine fokussierende Messvorrichtung mit Erfassung der Anordnung. Eine Vorrichtung, bei der ein Verfahren mit chromatischer Fokussierung wie beispielsweise das in 13 dargestellte zum Einsatz kommt, wird inkohärentes weißes Licht durch die Lichtquelle 552 erzeugt. Wegen des Farbfehlers einer Linse 554 in der optischen Baugruppe wird das Licht in einer „Brennlinie” auf dem Objekt 556 fokussiert, die auf der Wellenlänge des Lichts basiert. Infolgedessen werden verschiedene Wellenlängenbestandteile des weißen Lichts in verschiedenen Abständen fokussiert. Mit einem Spektrometer 557 wird der Abstand zum Objekt 556 ermittelt.
  • Ein anderer Typ eines in 14 dargestellten fokussierenden Distanzmessers ist eine Vorrichtung mit Kontrastfokussierung. Der Abstand zum Objekt wird bei dieser Ausgestaltung durch Fokussieren bis zu einem maximalen Kontrast bzw. einer maximalen Bildschärfe ermittelt. Die Fokussierung wird durch Bewegen einer Kamera 558 entlang einer Achse in der Richtung des Objekts 560 erzielt. Sobald die Position mit dem größten Kontrast gefunden wurde, liegt das Objekt 560 auf der optischen Achse des Sensors 562 in einem bekannten Abstand. Dieser bekannte Abstand wird vorher während eines Kalibrierverfahrens ermittelt.
  • Bei einer Ausgestaltung kann die Vorrichtung 500 eine fokussierende Messvorrichtung mit Erfassung der Anordnung sein. Bei diesem Typ der Vorrichtung sendet eine Lichtquelle Licht durch eine Linse und einen Strahlteiler. Ein Teil des Lichts trifft auf das Objekt auf, wird von dem Strahlteiler reflektiert und bewegt sich zu einer photosensitiven Anordnung. Falls sich das Prüfobjekt an der Fokuslage des Lichtflecks befindet, ist das Licht auf der photosensitiven Anordnung sehr klein. Daher könnte das Gelenkarm-KMG 100 benutzt werden, um die 3D-Koordinaten jedes Mal dann zu erfassen, wenn der Lichtfleck auf der Anordnung ausreichend klein war.
  • Bei noch einer anderen Ausgestaltung kann die Vorrichtung 500 eine konoskopische Holographievorrichtung sein. Bei diesem Vorrichtungstyp wird die Oberfläche des Objekts durch einen Laserpunkt abgetastet. Das Laserlicht wird von der Oberfläche diffus reflektiert, wobei sich eine Punktlichtquelle bildet. Der von diesem Punkt austretende Lichtkegel wird durch ein optisches System aufgeweitet. Ein doppelbrechender Kristall ist zwischen zwei zirkularen Polarisatoren angeordnet, um das Licht in einen ordentlichen Strahl und einen außerordentlichen Strahl zu teilen. Die zwei Strahlen überlagern sich nach der Übertragung durch die zweite polarisierende Linse derart, dass sie ein holographisches Streifenmuster bilden, das durch einen photosensitiven Sensor wie beispielsweise eine CCD-Kamera erfasst werden kann. Der Abstand zum Objekt wird mittels Bildverarbeitung aus den Interferenzstreifen ermittelt.
  • Es versteht sich, dass, obwohl die fokussierenden Vorrichtungen und die konoskopischen Holographievorrichtungen vom Brechungsindex des Lichts in Luft abhängen, die Ermittlung des Abstands bei diesen Vorrichtungen unabhängig von der Lichtgeschwindigkeit in Luft ist.
  • Obwohl die Erfindung anhand von Beispielausgestaltungen beschrieben wurde, versteht sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente an Stelle von Merkmalen 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 die 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 Merkmals 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.

Claims (26)

  1. Tragbares Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG) zum Messen der Koordinaten eines Objekts im Raum, umfassend: einen Sockel; einen manuell positionierbaren Armabschnitt mit entgegengesetzten ersten und zweiten Enden, wobei der Armabschnitt drehbar an den Sockel gekoppelt ist, wobei der Armabschnitt mehrere verbundene Armsegmente umfasst, wobei jedes Armsegment mindestens ein Positionsmessgerät zur Erzeugung eines Positionssignals umfasst; eine elektronische Schaltung, die dafür konfiguriert ist, das Positionssignal des mindestens einen Positionsmessgeräts zu empfangen; ein an das erste Ende gekoppeltes Sondenende; eine an das Sondenende gekoppelte kontaktlose Messvorrichtung, wobei die kontaktlose Messvorrichtung einen Sender elektromagnetischer Strahlung aufweist, wobei die kontaktlose Messvorrichtung dafür konfiguriert ist, einen Abstand zu einem Objekt basierend zumindest teilweise auf einer Lichtgeschwindigkeit in Luft zu ermitteln; und einen elektrisch an die elektronische Schaltung gekoppelten Prozessor, wobei der Prozessor dafür konfiguriert ist, die dreidimensionalen Koordinaten eines Punkts auf dem Objekt als Reaktion auf den Empfang der Positionssignale von der elektronischen Schaltung und als Reaktion auf den Empfang des Abstands zum Objekt von der kontaktlosen Messvorrichtung zu ermitteln.
  2. Gelenkarm-KMG nach Anspruch 1, wobei die kontaktlose dreidimensionale Messvorrichtung eine Absolutinterferometer-Vorrichtung ist.
  3. Gelenkarm-KMG nach Anspruch 2, wobei das Absolutinterferometer eine Kamera angrenzend an den Sender umfasst.
  4. Gelenkarm-KMG nach Anspruch 1, wobei die kontaktlose Messvorrichtung eine phasenbasierte ADM-Vorrichtung ist.
  5. Gelenkarm-KMG nach Anspruch 1, wobei die kontaktlose Messvorrichtung eine Pulslaufzeit-ADM-Vorrichtung ist.
  6. Gelenkarm-KMG nach Anspruch 1, wobei die kontaktlose Messvorrichtung entfernbar an das Sondenende gekoppelt ist.
  7. Gelenkarm-KMG nach Anspruch 1, wobei der Sender elektromagnetischer Strahlung ein Laser ist.
  8. Gelenkarm-KMG nach Anspruch 1, ferner umfassend eine an das Sondenende gekoppelte Kontaktmessvorrichtung.
  9. Gelenkarm-KMG nach Anspruch 1, wobei die kontaktlose Messvorrichtung entfernbar an das Sondenende gekoppelt ist.
  10. Verfahren zum Betrieb eines tragbaren Gelenkarm-Koordinatenmessgeräts zum Messen dreidimensionaler Koordinaten eines Objekts im Raum, umfassend: Bereitstellen eines manuell positionierbaren Armabschnitts mit entgegengesetzten ersten und zweiten Enden, wobei der Armabschnitt mehrere verbundene Armsegmente umfasst, wobei jedes Armsegment mindestens ein Positionsmessgerät zur Erzeugung eines Positionssignals umfasst; Empfangen der Positionssignale der Positionsmessgeräte an einer elektronischen Schaltung; Bereitstellen einer kontaktlosen Messvorrichtung mit einem elektrisch an die elektronische Schaltung gekoppelten Steuergerät, wobei die kontaktlose Messvorrichtung einen Sender elektromagnetischer Strahlung und einen Sensor aufweist; Übertragen einer elektromagnetischen Strahlung von der kontaktlosen Messvorrichtung auf das Objekt; Empfangen einer reflektierten elektromagnetischen Strahlung mit dem Sensor; Ermitteln eines Abstands zum Objekt aus der durch den Sensor empfangenen reflektierten elektromagnetischen Strahlung, wobei der Abstand zumindest teilweise auf einer Lichtgeschwindigkeit in Luft und auf einer Zeit für die elektromagnetische Strahlung bei der Bewegung von dem Sender elektromagnetischer Strahlung zu dem Objekt und der Rückkehr zum Sensor basiert; und Ermitteln der dreidimensionalen Koordinaten eines Punkts auf dem Objekt basierend zumindest teilweise auf den von den Positionsmessgeräten empfangenen Positionssignalen und auf dem ermittelten Abstand.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei in dem Schritt zum Bereitstellen einer kontaktlosen Messvorrichtung die kontaktlose Messvorrichtung eine Absolutinterferometer-Vorrichtung ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei in dem Schritt zum Bereitstellen einer kontaktlosen Messvorrichtung das Absolutinterferometer eine Kamera angrenzend an den Sender umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, wobei in dem Schritt zum Bereitstellen einer kontaktlosen Messvorrichtung die kontaktlose Messvorrichtung eine phasenbasierte ADM-Vorrichtung ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 10, wobei in dem Schritt zum Bereitstellen einer kontaktlosen Messvorrichtung die kontaktlose Messvorrichtung eine Pulslaufzeit-ADM-Vorrichtung ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 10, wobei in dem Schritt zum Bereitstellen einer kontaktlosen Messvorrichtung die kontaktlose Messvorrichtung entfernbar an das erste Ende gekoppelt ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend: Bereitstellen eines an das erste Ende gekoppelten Sondenendes; und entfernbares Koppeln der kontaktlosen Messvorrichtung an das Sondenende.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei: in dem Schritt zum Bereitstellen eines Sondenendes das Sondenende ferner ein Befestigungselement und einen elektrisch an die elektronische Schaltung gekoppelten ersten elektrischen Verbinder umfasst; und in dem Schritt zum Bereitstellen einer kontaktlosen Messvorrichtung die kontaktlose Messvorrichtung ferner einen Koppler und einen elektrisch an das Steuergerät gekoppelten zweiten elektrischen Verbinder aufweist.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend: mechanisches Koppeln der kontaktlosen Messvorrichtung an das Sondenende mit dem Koppler und dem Befestigungselement; und elektrisches Koppeln des ersten elektrischen Verbinders an den zweiten elektrischen Verbinder.
  19. Verfahren nach Anspruch 10, wobei in dem Schritt zum Bereitstellen einer kontaktlosen Messvorrichtung der Sender elektromagnetischer Strahlung ein Laser ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend das Bereitstellen einer an das erste Ende gekoppelten Kontaktmessvorrichtung.
  21. Tragbares Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG) zum Messen dreidimensionaler Koordinaten eines Objekts im Raum, umfassend: einen Sockel; einen manuell positionierbaren Armabschnitt mit entgegengesetzten ersten und zweiten Enden, wobei der Armabschnitt drehbar an den Sockel gekoppelt ist, wobei der Armabschnitt mehrere verbundene Armsegmente umfasst, wobei jedes Armsegment mindestens ein Positionsmessgerät zur Erzeugung eines Positionssignals umfasst; eine elektronische Schaltung, welche das Positionssignal des mindestens einen Positionsmessgeräts empfängt; ein zwischen der Messvorrichtung und dem ersten Ende angeordnetes Sondenende, wobei das Sondenende eine Anschlussstelle auf einer Seite aufweist; und eine entfernbar an die Anschlussstelle gekoppelte kontaktlose Messvorrichtung, wobei die kontaktlose Messvorrichtung eine Lichtquelle und einen optischen Empfänger aufweist, wobei die kontaktlose Messvorrichtung dafür konfiguriert ist, einen Abstand zu einem Punkt auf dem Objekt basierend zumindest teilweise auf einer Lichtgeschwindigkeit in Luft und auf einer Zeit für das Licht der Lichtquelle bei der Bewegung von der Lichtquelle zum Objekt und der Rückkehr zum optischen Empfänger zu ermitteln; und einen elektrisch an die elektronische Schaltung gekoppelten Prozessor, wobei der Prozessor dafür konfiguriert ist, die dreidimensionalen Koordinaten des Punkts auf dem Objekt basierend zumindest teilweise auf den von den Positionsmessgeräten empfangenen Positionssignalen und auf dem ermittelten Abstand zu ermitteln.
  22. Gelenkarm-KMG nach Anspruch 21, wobei die kontaktlose Messvorrichtung eine Absolutinterferometer-Vorrichtung ist.
  23. Gelenkarm-KMG nach Anspruch 22, wobei das Absolutinterferometer eine Kamera angrenzend an den Sender umfasst.
  24. Gelenkarm-KMG nach Anspruch 21, wobei die kontaktlose Messvorrichtung eine phasenbasierte ADM-Vorrichtung ist.
  25. Gelenkarm-KMG nach Anspruch 21, wobei die kontaktlose Messvorrichtung eine Pulslaufzeit-ADM-Vorrichtung ist.
  26. Gelenkarm-KMG nach Anspruch 21, ferner umfassend eine an das Sondenende gekoppelte Kontaktsonde.
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