DE4447753C2 - Verfahren zum Erfassen von dreidimensionalen Koordinaten - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Erfassen von dreidimensionalen Koordinaten mit einer Sonde an einem Meßarm mit mehreren Gelenken vorgestellt. Die Stellungen der Gelenke werden von Transducern erfaßt und durch elektronische Schaltkreise in digitale Positionsdaten umgewandelt. Ein Rechner wandelt diese digitalen Positionsdaten anhand von kinematischen Formeln in Positionskoordinaten der Sonde um. Die initiale Kalibrierung des Meßarms umfaßt hierbei folgende Schritte: (a) Messen mit dem Meßarm einer Vielzahl vorgegebener Positionen und Orientierungen von Objekten innerhalb des Meßvolumens; (b) Errechnen der Abmessungen des Meßarms und der Fehlausrichtungen von Komponenten des Meßarms anhand der digitalen Positionsdaten für die vorgegebenen Positionen und Orientierungen mittels eines Optimierungsprogramms; (c) Erstellen einer Kalibrierungsdatei mit optimierten Kalibrierungsdaten für den Meßarm. Der Rechner kombiniert, beim Errechnen der Positionskoordinaten der Sonde, die optimierten Kalibrierungsdaten in den kinematischen Formeln mit den von den Transducern erfaßten Positionsdaten.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Erfassen von dreidimensionalen Koordi­ naten. Sie bezieht sich insbesondere auf ein verbessertes Verfahren zum Erfassen von dreidimensionalen Koordinaten mit einer Koordinatenmeßvorrichtung mit Gelenkarm.

Dreidimensionale Objekte werden durch ihre Position und ihre Orientierung beschrieben; das heißt, es wird nicht nur angegeben, wo sich ein Objekt befindet, sondern auch, in welche Richtung es ausgerichtet ist. Die Position eines Punktes im Raum kann durch seine Koordinaten X, Y und Z festgelegt werden. Die Orientierung eines Objektes kann durch die Ausrichtungswinkel des Objekts oder durch die Angabe der Position von drei Punkten des Objektes beschrie­ ben werden.

Die gegenwärtig für industrielle Anwendungen benutzen Koordinatenmeßmaschinen sind 3-Achsen-Koordinatenmeßma­ schinen welche die Koordinaten X, Y und Z mittels drei linearen Meßskalen messen. Diese Meßmaschinen sind gewöhn­ lich nicht transportabel, teuer und begrenzt hinsichtlich Größe und bequeme Ausnutzung des meßbaren Volumens.

Die FARO Technologies, Inc. in Lake Mary, Florida (USA) hat eine Reihe von digitalisierenden Vorrichtungen vom Elektrogoniometertyp für medizinische Anwendungen herge­ stellt. Insbesondere hat die FARO Technologies, Inc. unter der Bezeichnung METRECOM® bekannte Systeme für die Skelettuntersuchung, und unter der Bezeichnung SURGICOM® bekannte Systeme für chirurgische Anwendungen hergestellt. Elektrogoniometer von der in den Systemen METRECOM und SURGICOM verkörperten Art sind in dem US-Patent 4.670.851 und in der am 31. Juli 1990 eingereichten US-Patentan­ meldung USSN 562.213 beschrieben.

Die digitalisierenden Systeme METRECOM und SURGICOM sind zwar für ihre bestimmungsgemäßen Anwendungen gut geeignet, eignen sich jedoch schlecht für allgemeine industrielle Anwendungen. Es besteht folglich weiterhin ein Bedürfnis für eine preiswerte, transportable Koordinaten­ meßmaschine, die eine ausreichende Genauigkeit und eine einfache Benutzung für mannigfaltige industrielle und ähnliche Anwendungen bietet.

Aus der US-Patentschrift N° 4,477,973 ist ein sehr ein­ faches System zum Digitalisieren von dreidimensionalen Körpern bekannt. Ein beweglicher Arm ist mit einem Ende auf einer Grundplatte montiert und trägt an seinem freien Ende eine Sondenspitze. Dieser Arm umfaßt drei oder vier Dreh­ gelenke, so daß die Sondenspitze innerhalb eines ausge­ wählten Volumens beweglich ist. Jedem dieser Drehgelenke ist ein Potentiometer zugeordnet. Die drei oder vier Potentiometer werden an den "game-port" eines PCs ange­ schlossen, der die Widerstandswerte in digitale Größen umgewandelt und die Positionskoordinaten der Sondenspitze errechnet. Diese Positionskoordinaten werden in dem PC für einen späteren Gebrauch abgespeichert. Eine ähnliche Koordinatenmeßvorrichtung mit Gelenkarm ist in der US- Patentschrift N° 4,593,470 beschrieben.

Aus der DE 41 40 294 A1 ist ebenfalls eine Koordinatenmeß­ vorrichtung mit Gelenkarm bekannt. Ein Ende des Armes ist über zwei Drehgelenke mit einem Sockel verbunden. Das andere Ende des Arms trägt eine Abtastsonde. Der Gelenkarm selbst umfaßt vier, relativ einfach aufgebaute, Universal­ gelenke. Jedes Universalgelenk weist zwei senkrechte Dreh­ achsen auf und verbindet zwei benachbarte Armsegmente. Jeder Drehachse ist jeweils ein Winkelmeßfühler zur Messung der Winkelposition der zwei verbunden Armsegmente zuge­ ordnet. Die Auslösung der Messung erfolgt manuell sobald die Abtastspitze auf der Fläche aufsitzt. Alternativ kann eine automatische Auslösung der Messung erfolgen. Die einzelnen Winkelpositionssignale der Winkelmeßfühler werden zur einer Auswerteinheit geleitet, welche aus den Winkel­ positionssignalen und den vorgegebenen Längen der Arm­ segmente die Position der Abtastsonde errechnen. Die auf diese Weise bestimmten Koordinaten werden einzeln in der Auswerteinheit gespeichert und zu einer Gesamtinformation über die Kontur der abgetasteten Fläche zusammengeführt.

Die Vorrichtung ist folglich auf die Bestimmung einer Flächenkontur begrenzt.

Aus der Druckschrift: "Einbindung von Koordinaten­ meßgeräten in die Fertigung, Anwendungstechnische Informa­ tionen" der Firma Carl ZEISS (Oberkochen), ist bekannt, eine stationäre, durch einen Rechner gesteuerte, 3-Achsen- Koordinatenmeßmaschine mittels eines Rechnerkopplungs­ programms in einen komplexen Rechnerverbund im Fertigungs­ bereich einzubinden, so daß das Koordinatenmeßgerät sowohl Meßergebnisse an Fremdrechner senden kann, als auch Soll­ daten aus CAD-Anlagen und Kommandos von Fremdrechnern empfangen kann.

In der US-Patentschrift N° US 4,888,877 wird ein Meß­ kopf mit zwei Drehgelenken für eine stationäre 3-Achsen- Koordinatenmeßmaschine beschrieben.

In der US-Patentschrift N° US 5,031,331 wird eine Kompensation der temperaturbedingten Ausdehnungen der Meßlatten an einer 3-Achsen-Koordinatenmeßmaschine vorge­ schlagen.

In der DE 26 03 376 A1 wird ein Verfahren zum Berechnen der räumlichen Rechtwinkligkeit einer 3-Achsen-Koordinaten­ meßmaschine vorgeschlagen. Hierzu werden eine Kalibrier­ stange mit zwei Kugeln und zwei Stützen mit konischen Lagersitzen für die Kugeln benutzt. Die Stützen werden frei auf einen zu eichenden Koordinatenmeßtisch aufgestellt. Die Höhe einer der Stützen ist verstellbar.

Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Pro­ blem zugrunde, ein Verfahren für ein optimiertes Erfassen von dreidimensionalen Koordinaten mit einer Koordinatenmeß­ vorrichtung mit Gelenkarm vorzuschlagen.

Mit der Erfindung wird insbesondere erreicht, daß eine unvollkommene maschinelle Bearbeitung und ein unvoll­ kommener Zusammenbau des Meßarms, durch Identifizierung der Unvollkommenheiten und Einbeziehung dieser Unvollkommen­ heiten in die Kinematik der Vorrichtung, softwaremässig vollkommen gemacht werden. Hierdurch wird in der Praxis eine optimierte Genauigkeit beim Erfassen von dreidimen­ sionalen Koordinaten mit dem Gelenkarm erzielt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung weist die Koordinatenmeßmaschine einen manuell positionierbaren, mehrgelenkigen Meßarm (mit vorzugsweise sechs Gelenken) auf. Dieser Meßarm ermöglicht ein Volumen genau und bequem zu messen, das beispielsweise eine Kugel umfaßt, die vorzugsweise einen Durchmesser von 183 bis 244 cm (6 bis 8 feet) hat (aber auch einen größeren oder kleineren Durchmesser als dieser Bereich haben kann), wobei die Meßgenauigkeit vorzugsweise 2 Sigma +/-127 µm (+/-0,005 inch) [und optimal 2 Sigma +/-25,4 µm (+/-0,001 inch)] beträgt. Außer dem Meßarm wird bei der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine Controllerbox (bzw. eine Serienbox) verwendet, die als elektronische Schnittstelle zwischen dem Arm und einem Zentralcomputer dient.

Der mechanische Meßarm, der bei der Koordinatenmeß­ maschine verwendet wird, weist vorzugsweise eine Vielzahl von Übertragungsgehäusen (von denen jedes ein Gelenk auf­ weist und einen Drehungs-Freiheitsgrad festlegt) und Verlängerungselementen auf, die aneinander befestigt sind, wobei aneinander angrenzende Übertragungsgehäuse unter einem rechten Winkel angeordnet sind, um einen beweglichen Arm festzulegen, der vorzugsweise fünf oder sechs Freiheitsgrade hat. Jedes Übertragungsgehäuse umfaßt Meßtransducer und neuartige Lageranordnungen. Diese neuar­ tigen Lageranordnungen umfassen vorgespannte Lager, die aus in Gegenposition angeordneten Kegelrollenlagern gebildet sind, und versteifende Axialdrucklager von niedrigem Profil, um eine hohe Biegesteifigkeit zu erhalten. Außerdem umfaßt jedes Übertragungsgehäuse optische und akustische Endanschlag-Indikatoren zum Schütze vor mechanischer Über­ lastung infolge Gewaltanwendung.

Der bewegliche Arm ist vorzugsweise an einem Untersatz oder Sockel befestigt, der folgende Elemente umfaßt: (1) eine Temperaturüberwachungs-Platine zum Überwachen der Temperaturstabilität; (2) eine Encoder-Montageplatte zur Auswahl eines universellen Encoders; (3) eine EEPROM- Platine mit Kalibrier- und Identifizierungsdaten, um eine Vertauschung der Einheiten zu vermeiden; und (4) eine nahe bei der Encoder-Montageplatte angebrachte Vorverstärker- Platine zur Übertragung hochverstärkter Signale nach einer Fernzähler-Platine in dem Kontroller.

Wie bei dem Stand der Technik entsprechenden METRECOM- System sind die Übertragungsgehäuse in modularer Bauweise verwirklicht, wodurch variable Zusammenbaukonfigurationen möglich sind, und ist der gesamte bewegliche Arm aus einem einzigen Material verwirklicht, um einen gleichmäßigen Wärmeausdehnungskoeffizienten sicherzustellen. Ähnlich wie bei dem METRECOM-System ermöglicht eine interne Verkabelung mit Drehungs-Anschlägen und Kabelaufwickel-Hohlräumen die vollständige Umhüllung einer großen Anzahl von Kabeln. Der Meßam umfaßt vorzugsweise einen federkompensierten und stoßgedämpften Tragmechanismus, um den Benutzerkomfort zu erhöhen, und eine Dateneingabevorrichtung mit zwei Schaltern (Erfassen/Annehmen), um Messungen mit hoher Präzision bei manueller Handhabung zu ermöglichen. Außerdem ist eine verallgemeinerte Zusatzeinrichtung von der Art wie in dem dem Stand der Technik entsprechenden METRECOM-System vorgesehen zur Messung von Variablen in drei Dimensionen (beispielsweise kann die Temperatur in drei Dimensionen gemessen werden unter Verwendung eines an die Zusatzein­ richtungs-Anschlußbuchse angeschlossenen Thermoelements).

Die Verwendung einer getrennten Controllerbox auf Mikroprozessor-Basis ermöglicht die Vorverarbeitung von spezifischen Berechnungen, die kein Zentralcomputer-Niveau erfordern. Dazu ist in der Controllerbox ein intelligenter Vorprozessor vorgesehen, der programmierbare Anpaßbarkeit und Kompatibilität mit einer Vielzahl von externen Zentral­ systemen (beispielsweise externen Computern) bietet. Die Serienbox bietet außerdem eine intelligente Multiprotokoll- Auswertung und eine automatische Umschaltung durch Abtasten der Übertragungsanforderungen von dem Zentralcomputer. Beispielsweise erzeugt eine auf dem Zentralcomputer lau­ fende Software von einem Hersteller Verbindungs­ anforderungen von einer Form, die von der Controllerbox automatisch abgetastet werden. Weitere Merkmale der Controllerbox umfassen Serienport-Verbindungen für standardisierte Fernverbindungen in einer Vielzahl von industriellen Umgebungen, und neuartige Analog/Digital- Digitalzähler-Platinen für die gleichzeitige Erfassung aller (in den Übertragungsgehäusen untergebrachten Encoder), wodurch hochpräzise Messungen erhalten werden.

Die wirksame Kalibrierung der Koordinatenmeßmaschine an Ort und Stelle wird durch die Verwendung einer Bezugskugel zur Bestimmung der Genauigkeit des Systems verbessert, wobei diese Bezugskugel bei dem Untersatz der Koordinaten­ meßmaschine angeordnet ist, um Montagekomplikationen zu vermeiden. Außerdem umfaßt die Koordinatenmeßmaschine vorzugsweise Mittel zum Erstellen eines Meßprotokolls über die volumetrische Genauigkeit auf einer zwischenzeitlichen Basis, wobei vorzugsweise eine neuartige Konus/Kugel-Stab­ vorrichtung verwendet wird.

Die obenerwähnten und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute auf diesem Gebiet aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:

Fig. 1, eine schematische Vorderansicht, die das dreidimensionale Meßsystem der vorliegenden Erfindung wiedergibt, das eine Koordinatenmeßmaschine, eine Controllerbox und einen Zentralcomputer umfaßt.

Fig. 2, eine Seitenansicht, die den auf der Serien­ box angebrachten Zentralcomputer wiedergibt, wobei diese Serienbox wiederum auf einem manövrierbaren Arm angebracht ist.

Fig. 3, eine Seitenansicht des dreidimensionalen Meßsystems, das auf einem Theodolitenstativ ange­ bracht ist.

Fig. 4, eine Rückansicht der in der Fig. 1 wieder­ gegebenen Koordinatenmeßmaschine.

Fig. 5, eine Längsansicht, teilweise im Schnitt, der Koordinatenmeßmaschine der Fig. 1.

Fig. 6, eine explodierte Seitenansicht eines bei der Koordinatenmeßmaschine der Fig. 1 verwendeten Über­ tragungsgehäuses.

Fig. 6A und 6B, Schnittansichten gemäß der Schnittlinie 6A-6A bzw. 6B-6B der Fig. 6.

Fig. 7, ein vertikaler Schnitt von zwei zusammenge­ bauten, senkrecht zueinander angeordneten Über­ tragungsgehäusen.

Fig. 8, ist eine vergrößerte Seitenansicht einer kompensierten Federvorrichtung, die bei der Koordi­ natenmeßmaschine der Fig. 1 verwendet wird.

Fig. 9A und 9B, eine Draufsicht bzw. eine Drunter­ sicht, die die Griff/Sonden-Einheit der Fig. 1 wiedergeben.

Fig. 10A und 10B, Seitenansichten einer Kugelsonde bzw. einer Spitzensonde.

Fig. 11, eine vergrößerte Vorderansicht der Control­ lerbox der Fig. 1.

Fig. 12, eine vergrößerte Rückansicht der Control­ lerbox der Fig. 1.

Fig. 13, eine schematische Ansicht der elektroni­ schen Komponenten für das dreidimensionale Meßsystem der Fig. 1.

Fig. 14, eine Seitenansicht der Koordinatenmeß­ maschine der Fig. 1, wobei diese Seitenansicht ein Sondenspitzen-Kalibriersystem wiedergibt.

Fig. 15, eine schematische Draufsicht, die eine Methode zum Kalibrieren der Sondenspitze veran­ schaulicht.

Fig. 16, eine Seitenansicht der Koordinatenmeß­ maschine der Fig. 1, wobei die Koordinatenmeß­ maschine mit einem Kugelstab kalibriert wird.

Fig. 17 und 18, Seitenansichten der Koordinaten­ meßmaschine der Fig. 1, wobei die Koordinatenmeß­ maschine mit einer neuartigen Konus/Kugel-Stabvor­ richtung kalibriert wird.

Fig. 19, eine Seitenansicht, die eine Methode zur Optimierung der Koordinatenmeßmaschine der Fig. 1 veranschaulicht, wobei eine Optimierungs-Aufspann­ vorrichtung verwendet wird.

Fig. 20A-E, eine Vorderansicht, eine Rückansicht, eine Draufsicht, eine rechte Seitenansicht bzw. eine linke Seitenansicht der Präzisionsschrittlehre, die bei der Aufspannvorrichtung der Fig. 19 verwendet wird.

Fig. 21, eine schematische Ansicht, die eine Methode zur Optimierung der Koordinatenmeßmaschine der Fig. 1 veranschaulicht, wobei bei dieser Optimierung die Vorrichtung der Fig. 19 verwendet wird.

Zunächst wird auf die Fig. 1 Bezug genommen. Das drei­ dimensionale Meßsystem der vorliegenden Erfindung weist im allgemeinen eine Koordinatenmeßmaschine (KMM) 10 auf, die aus einem manuell betätigten, mehrgelenkigen Arm 12 und einem Untersatz bzw. einem Sockel 14, einer Controllerbox bzw. einer Serienbox 16, und einem Zentralcomputer 18 besteht. Es ist ersichtlich, daß die KMM 10 in elektroni­ scher Verbindung mit der Serienbox 16 steht, die wiederum in elektronischer Verbindung mit dem Zentralcomputer 18 steht.

Wie nachstehend ausführlicher erklärt wird, umfaßt die KMM 10 Transducer (beispielsweise einen Transducer für jeden Freiheitsgrad), die Drehungspositionsdaten sammeln und diese Daten nach der Serienbox 16 weiterleiten. Die Serienbox 16 bewirkt eine Verringerung der Gesamt­ anforderungen an den Zentralcomputer 18 hinsichtlich der Ausführung gewisser komplexer Berechnungen, und führt gewisse vorherige Datenverarbeitungen aus. Wie in der Fig. 2 gezeigt ist, ist vorgesehen, die Serienbox 16 unter dem Zentralcomputer 18 (wie beispielsweise dem in der Fig. 2 wiedergegebenen Notebook-Computer) anzuordnen. Die Serien­ box 16 umfaßt EEPROMS, die Datenverarbeitungs-Software enthalten, einen Microcomputer-Prozessor, eine Signalver­ arbeitungs-Platine, und eine Reihe von Anzeigelampen 20. Wie erwähnt wurde, werden die grundlegenden Transducerdaten von der KMM 10 nach der Serienbox 16 weitergeleitet. Die Serienbox 16 verarbeitet dann die Transducer-Ursprungsdaten auf fortlaufender Basis und antwortet auf die Abfragen des Zentralcomputers mit der gewünschten dreidimensionalen Positions- und Orientierungsinformation.

Vorzugsweise sind alle drei Komponenten, die das drei­ dimensionale Meßsystem festlegen (das heißt, die KMM 10, die Serienbox 16, und der Zentralcomputer 18) entweder mittels einer starren Platte auf einer festen Montage­ oberfläche angebracht, oder auf einem Standardgewinde eines optischen Meßgerätes, und danach auf einem bekannten, mobilen Theodoliten-Standardstativ angebracht, wie dies bei 22 in der Fig. 3 gezeigt ist. Vorzugsweise weist das Theodolitenstativ 22 ein von Brunson (USA) hergestelltes Teil Nr. MWS750 auf. Ein solches mobiles Stativ ist gekenn­ zeichnet durch eine stabile, Rollplattform mit einem aus­ ziehbaren vertikalen Turm, sowie mit üblichen Zusatzein­ richtungen und Feststellvorrichtungen. Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, ist der Untersatz 14 der KMM 10 mittels eines Gewindes oder auf andere Weise auf einem vertikalen Tragelement 24 des Stativs 22 angebracht, während die Serienbox 16/der Zentralcomputer 18 von einem Tablett 26 getragen wird, das bei einem ersten Gelenk 28 mit einem Arm 30 schwenkbar verbunden ist, der mit einem zweiten Gelenk 32 schwenkbar verbunden ist. Das Verbindungselement 34 verbindet das Gelenk 32 mit einer Drehgelenkverbindung 36, die an einer auf dem oberen Ende des Tragelements 24 ange­ brachten Abdeckkappe 38 befestigt ist.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 4-9 wird nun die KMM 10 im einzelnen beschrieben. Wie am besten in der Fig. 5 zu sehen ist, weist die KMM 10 den Untersatz 14 auf, der mit einem ersten Satz aus zwei Übertragungsgehäusen verbun­ den ist, der ein erstes Übertragungsgehäuse 40 und ein damit verbundenes, zweites Übertragungsgehäuse 42 umfaßt (das senkrecht zu dem Übertragungsgehäuse 40 angeordnet ist). Ein erstes Verlängerungselement 44 ist an einem zweiten Satz aus zwei Übertragungsgehäusen starr befestigt, der ein drittes Übertragungsgehäuse 46 und ein senkrecht dazu befestigtes, viertes Übertragungsgehäuse 48 umfaßt. Das erste Verlängerungselement 44 ist zwischen den Übertra­ gungsgehäusen 42 und 46 senkrecht zu diesen Übertragungs­ gehäusen angeordnet. Ein zweites Verlängerungselement 50 ist entsprechend dem Übertragungsgehäuse 48 ausgerichtet und daran starr befestigt. Das starre Verlängerungselement 50 ist starr befestigt an einem dritten Satz aus zwei Übertragungsgehäusen, der ein fünftes Übertragungsgehäuse 52 und ein senkrecht dazu befestigtes, sechstes Übertra­ gungsgehäuse 54 umfaßt. An dem sechsten Übertragungsgehäuse 54 ist eine Griff/Sonden-Einheit 56 befestigt.

Im allgemeinen (und wie nachstehend ausführlicher erklärt wird) ist in jedem der sechs Übertragungsgehäuse 40, 42, 46, 48, 52, 54 ein Positionsfühler-Transducer angebracht. Jedes Übertragungsgehäuse weist ein Lagerge­ häuse und eine Transducerkammer auf, die so ausgelegt sind, daß sie mittels unter 45° angeordneter Befestigungs­ schrauben zylindrisch miteinander verbunden werden (Fig. 6). Bei dem Untersatz 14 ist eine kompensierte Federvor­ richtung 60 angeordnet, um den Arm 12 in seiner vertikalen Standardkonfiguration zu halten (Fig. 8).

Nun wird zu den Fig. 6 und 7 übergegangen, um das Übertragungsgehäuse und seine inneren Komponenten aus­ führlich zu beschreiben. Die Fig. 6 ist eine explodierte Darstellung eines Übertragungsgehäuses, während die Fig. 7 eine vergrößerte Ansicht der senkrecht zueinander ange­ ordneten und miteinander verbundenen Übertragungsgehäuse (das heißt, der Gehäuse 46 und 48) ist. Jedes Gehäuse umfaßt einen inneren Träger 62 und eine äußere Hülse 64. Die mechanische Stabilität zwischen dem inneren Träger 62 und der äußeren Hülse 64 wird durch zwei in Gegenposition angeordnete (das heißt, entgegengesetzt angeordnete), Kegelrollenlager 66, 68 sichergestellt, die so angeordnet sind, daß sie gegen ihre konischen Laufring-Sitze 70, 72 gepreßt werden. Die konischen Laufring-Sitze 70 und 72 sind in die Hülse 64 dauerhaft eingepreßt. Der innere Träger 62 umfaßt eine Welle 122, die sich bis zu dem Gewinde 74 erstreckt. Die Kegelrollenlager 66, 68 bestehen vorzugs­ weise aus gehärtetem Stahl, während die Laufring-Sitze 70, 72 ebenfalls aus gehärtetem Stahl bestehen.

Während des Zusammenbaus des Übertragungsgehäuses 48 wird eine Druckkraft mittels einer Mutter 73 ausgeübt, die auf dem Gewinde 74 bis zu einem spezifischen Drehmoment 74 festgezogen wird, wodurch ein vorgespanntes Lager erhalten wird, das unter üblichen Belastungen keine andere Bewegung als eine axiale Drehung ausführt. Da ein niedriges Profil für einen solchen Arm während der manuellen Handhabung erforderlich ist, und mit diesem niedrigen Profil eine Verminderung der Gesamtsteifigkeit verbunden ist, ist es besser, und bei gewissen Anwendungen in der Tat erforder­ lich, außerdem ein Axialdrucklager 76 an der Grenzfläche zwischen dem inneren Träger 62 und der Hülse 64 einzubauen. Das Axialdrucklager 76 bewirkt eine zusätzliche mechanische Steifigkeit zwischen dem Träger 62 und der Hülse 64 des Übertragungsgehäuses. Das Axialdrucklager 76 weist fünf Elemente auf, die einen Axialdruck-Einstellring 300, einen ersten, flachen, ringförmigen Laufring 302, Rollelemente mit Käfig 304, einen zweiten, ringförmigen Laufring 306, und eine entgegenwirkende Axialdruckkappe 308 umfassen. Das Axialdrucklager 76 wird durch eine Reihe von Einstell­ schrauben 78 eingestellt und bewirkt eine hohe Biege­ steifigkeit. Der Transducer (vorzugsweise ein Encoder 80, wie er bei Heidenhain unter der Bezeichnung "Mini-Rod", Teile-Nr. 450M-03600, erhältlich ist) wird an einer uni­ versellen Montageplatte 82 befestigt, um ihn in das Über­ tragungsgehäuse einzubauen. Die universelle Montageplatte 82 ist wichtig, um eventuelle Probleme mit Komponenten, wie beispielsweise eine Änderung bei der Fertigung des Trans­ ducers 80, zu vermeiden, wobei eine Änderung der Konfi­ guration der Montageschrauben durch Änderungen bei der Montageplatte 82 ausgeglichen werden kann. Die Montage­ platte 82 ist in der Fig. 6A als Platte von dreieckiger Form mit verrundeten Ecken wiedergegeben. In der Fig. 6A sind außerdem Gewindeelemente 88 und 90, eine Welle oder ein Stift 86, und ein Kuppler 84 wiedergegeben (die alle nachstehend erklärt werden).

Drehungsmessungen von hoher Genauigkeit unter Verwendung von Encodern 80 erfordern, daß keine Lasten auf die Encoder einwirken, und daß die Bewegung des Über­ tragungsgehäuses trotz kleiner Falschausrichtungen der Achse des Übertragungsgehäuses und der Achse des Encoders auf den Encoder genau übertragen wird. Die Winkelüber­ tragungsfehler sind Fachleuten auf diesem Gebiet aus den Veröffentlichungen über Encoder gut bekannt. Ein Kuppler 84, wie er bei Rembrandt (USA) unter der Bezeichnung B1004R51R erhältlich ist, steht mit dem Encoder 80 in Verbindung. Eine Verlängerungswelle 86 wird verwendet, um den Encoder 80 schließlich mit dem Träger 62 zu verbinden. Die Welle 86 wird sowohl über das Gewinde 74 mit dem Träger 62, als auch mittels der Einstellschrauben 88, 90 mit dem Kuppler 84 verbunden (siehe Fig. 7). Eine Vorverstärker- Platine 92 nahe bei dem Encoder 80 angeordnet und (mittels Schrauben 94) auf der inneren Seite einer Abdeckkappe 96 befestigt. Die Abdeckkappe ist mit der Schraube 97 an der Hülse 64 befestigt. Ein Übergangsgehäuse 98 verbindet die Abdeckkappe 96 mittels der Schraube 97 und der Schrauben 100 mit der Hülse 64. Die Abdichtung des Übertragungs­ gehäuses gegenüber der Umgebung erfolgt an der Verbindungs­ stelle mit Hilfe einer O-Ring-Nut 102, in der ein Standard- Gummi-O-Ring 104 angebracht wird. Eine Drehungs-Endanschlag 106 (wird weiter unten erklärt), der in der Fig. 6B am besten sichtbar ist, weist ein Metallgehäuse von quadra­ tischer Form mit einer durchgehende Öffnung auf, das mit der Schraube 108 über diese Öffnung auf der Hülse 64 befestigt ist. Kabel-Durchführungstüllen zur Verhinderung von Abrieb bei längerer Verwendung sind bei 110 bzw. 112 auf dem Träger 62 und der Hülse 64 angebracht. Ein Positionierungsstift 114 wird in eine komplementär geformte Aussparung 116 in dem Träger 62 eingeschoben, um die relative Orientierung von zwei aneinandergrenzenden Über­ tragungsgehäusen aufrechtzuerhalten.

Nun wird auf die Fig. 7 Bezug genommen. Zum Schutze vor der Umgebung und aus anderen Gründen ist es wichtig, daß alle Kabel vollständig verborgen sind und folglich innerhalb des Armes 12 untergebracht sind. In der Fig. 7 sind zwei zusammengebaute Übertragungsgehäuse 46, 48 wiedergegeben, die senkrecht zueinander miteinander verbun­ den sind, und bei denen die Verlegung von Kabeln veran­ schaulicht ist. Es ist ersichtlich, daß während der Verwen­ dung der KMM 10 die Encoderinformation von dem Encoder 80 nach der Prozessor-Platine 92 weitergeleitet wird über das Kabel 118, das danach über maschinell angebrachte Durch­ gänge durch den Arm hindurchgeführt wird. Das Kabel 118 wird dann durch einen Kanal in der Welle 122 des inneren Trägers 62 des Übertragungsgehäuses 46 und durch eine mit einer Kabeldurchführungstülle versehene Bohrung 124 geführt, wonach es in einen großen Hohlraum 126 gelangt, der in der äußeren Hülse 64 des Übertragungsgehäuses 46 maschinell angebracht ist. Der Hohlraum 126 ermöglicht die Aufwicklung der Kabel während der Drehung der Hülse und ist so ausgelegt, daß kein Kabelabrieb und nur eine minimale Kabelbiegung hervorgerufen wird. Da das Kabel die Dreh­ barkeit begrenzt, ist eine sich nicht über den vollen Umfang erstreckende, kreisförmige Nut 128 vorgesehen, in der eine Endanschlagschraube 130 angeordnet ist, die die Drehung begrenzt, und zwar in diesem Fall auf 330°. Es ist ersichtlich, daß der Durchgangskanal 120 und die Kabelauf­ wickel-Hohlräume 122 in jedem Übertragungsgehäuse vorgesehen sind, wodurch die Kabel bis hinunter zu dem bei dem Untersatz 14 angebrachten Steckverbinder geführt werden können, so daß kein Kabel offen verlegt ist.

Nun wird zu der Fig. 8 übergegangen. Die Bauweise des Aluminiumarms, sowie der verschiedenen Lager und Transducer ergibt ein Gesamtgewicht von ungefähr 4,5 bis 6,8 kg (10 bis 15 pounds) bei der Sonden/Griff-Einheit 56 der KMM 10. Unter normalen Umständen würde dieses Gewicht eine beträchtliche Ermüdung des Benutzers hervorrufen, und daher muß es kompensiert werden. Eine Kompensation durch Gewichte ist im Hinblick auf die Transportierbarkeit nicht zu empfehlen, da dadurch das Gesamtgewicht der Vorrichtung wesentlich erhöht würde. Daher ist die Kompensation bei einer bevorzugten Ausführungsform mittels der Kompen­ sationsvorrichtung 60 verwirklicht, die eine in einem Kunststoffgehäuse 134 untergebrachte Torsionsfeder 132 aufweist und um das Übertragungsgehäuse 42 herum bei dem Untersatz 14 angebracht ist, um den Arm 12 aufzurichten. Die spiralförmige Torsionsfeder 132 kann in vielen verschiedenen Positionen angebracht werden, die die Gesamt­ vorspannung beeinflussen, und kann daher bei vielen verschiedenen Längen und Gewichten des Armes 12 verwendet werden. Infolge des Gewichts des Armes 12 und der Wirkung der aufgewickelten Feder können in ähnlicher Weise erhebliche Stoßbelastungen auftreten, wenn der Arm in die Aufbewahrungsposition zurückbewegt wird. Um eine große Stoßwirkung beim Einfahren des Armes zu verhindern, ist in dem Kunststoffgehäuse 134 der Kompensationsfedervorrichtung 60 außerdem ein Luftkolben-Stoßdämpfer 136 vorgesehen. Dieser Stoßdämpfer 136 bewirkt eine Absorption der Stoß­ belastung und eine langsame Rückführung in die Ruheposi­ tion. Es ist ersichtlich, daß der Stoßdämpfer in der Fig. 8 in einer eingefahrenen Position wiedergegeben ist, wäh­ rend er in den Fig. 16-18 in der voll ausgefahrenen Position wiedergegeben ist.

In den Fig. 9A und 9B ist eine Draufsicht bzw. eine Druntersicht der Sonden/Griff-Einheit 56 wiedergegeben. Die Sonden/Griff-Einheit 56 kann wie ein Bleistift oder ein Pistolengriff gehalten werden und weist zwei Schalter (Kennziffer 150 und 152 in der Fig. 9A) zur Daten­ erfassung, einen Steckverbinder (Kennziffer 154 in der Fig. 9B) zum Anschluß von wahlfreier Elektronik, und einen Gewindeansatz 156 zur Aufnahme einer Vielzahl von Sonden auf. Da die KMM 10 eine manuelle Meßvorrichtung ist, muß der Benutzer die Möglichkeit haben, zunächst einen Meßwert zu erfassen, und dann zu bestätigen, ob die Messung annehm­ bar oder nicht annehmbar ist. Dies erfolgt mit Hilfe von zwei Schaltern 150, 152. Der vordere Schalter 150 wird verwendet, um die dreidimensionale Dateninformation festzu­ halten, und mit dem hinteren Schalter 152 wird die Daten­ information bestätigt und nach dem Zentralcomputer 18 weitergeleitet. Auf der Rückseite des Schaltergehäuses 58 (Schalter 150, 152) ist ein Steckverbinder 154 angebracht, der eine Reihe von Spannungsleitungen und Analog/Digital- Konverter-Leitungen für den Anschluß verschiedener Zusatzeinrichtungen, wie beispielsweise ein Laserscanner oder eine Berührungssonde aufweist. Auf die Griffeinheit 56 kann eine Vielzahl von Sonden aufgeschraubt werden. In der Fig. 10A ist eine Sonde 158 mit einer harten Kugel von 6,35 mm (1/4 inch) Durchmesser wiedergegeben, während in der Fig. 10B eine Spitzensonde 160 wiedergegeben ist. Beide Sonden 158, 160 sind, beispielsweise mittels eines Außengewindes, auf dem Ansatz 156 angebracht, während der Ansatz 156 mittels eines Gewindes auf dem Sondengehäuse 58 angebracht ist. Der Ansatz umfaßt außerdem eine Vielzahl von Abflachungen 159, um die Sonden mit Hilfe eines Schrau­ benschlüssels leichter ein- und ausbauen zu können.

Nun wird zu den Fig. 11 und 12 übergegangen. Nachstehend wird die Controllerbox bzw. die Serienbox 16 beschrieben. In der Fig. 11 ist die Vorderseite der Front­ platte 162 des Kontrollers bzw. der Serienbox wieder­ gegeben. Die Frontplatte 162 weist 8 Anzeigelampen auf, und zwar eine Netzkontrollampe 164, eine Fehlerzustandslampe 166, und sechs Anzeigelampen 20, nämlich eine für jeden der sechs Transducer (bezeichnet mit den Ziffern 1-6), die in den einzelnen Übertragungsgehäusen untergebracht sind. Wenn die Netzspannung eingeschaltet wird, leuchtet die Netz­ kontrollampe auf, um anzuzeigen, daß der Arm 12 Spannung erhält. Dann zeigen die sechs Transducer-Anzeigelampen den Zustand der einzelnen Transducer an. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Transducer inkrementale digitale optische Encoder 80, die die Festlegung einer Bezugs­ position erfordern. (Bei einer weniger bevorzugten Aus­ führungsform können die Transducer analoge Vorrichtungen sein.) Zu Beginn der Messungen muß daher jedes der sechs Gelenke (das heißt, die Übertragungsgehäuse) gedreht wer­ den, bis die Bezugsposition erreicht wird, bei der alle sechs Anzeigelampen erlöschen.

Wenn sich während der Benutzung der KMM 10 einer der Transducer bis auf 2 Grad dem Drehungs-Endanschlag 106 nähert, wird der Benutzer durch eine Anzeigelampe und einen Piepton für den betreffenden Transducer darauf aufmerksam gemacht, daß der Transducer zu nahe bei dem Endanschlag ist, und daß die Orientierung des Armes für die laufende Messung neu eingestellt werden sollte. Die Serienbox 16 mißt weiterhin, aber die Erfassung von Daten ist erst dann wieder möglich, wenn dieser Endanschlag-Zustand aufgehoben ist. Eine typische Situation, in der dieses Endanschlag- Merkmal erforderlich ist, ist der Verlust eines Freiheits­ grades infolge Drehung eines bestimmten Transducers bis zu seiner Endanschlag-Grenze, und folglich die Ausübung von Kräften auf den Arm, die nicht erfaßte Abweichungen und Ungenauigkeiten bei der Messung verursachen.

Während des Meßvorgangs können jederzeit viele verschiedene Übertragungs- und Berechnungsfehler vorkommen, auf die der Benutzer durch Blinken der Fehler-Anzeigelampe aufmerksam gemacht wird, wobei durch eine Kombination der Anzeigelampen der sechs Transducer gemäß einem Code der betreffende Fehlerzustand angezeigt wird. Es ist ersichtlich, daß anstelle der Frontplatte 162 wahlweise eine alphanumerische Flüssigkristallanzeige verwendet werden kann, auf der alphanumerische Fehler- und Endanschlag-Warnungen wiedergegeben werden.

Nun wird zu der Fig. 12 übergegangen. Eine Rückseiten­ platte 168 der Serienbox 16 umfaßt eine Vielzahl von PC Standard-Steckverbindern und Schaltern, einschließlich: einer Rückstelltaste 170, die den Mikroprozessor zurück­ stellt; eines Netzteil-Ventilators 172 für die Luftum­ wälzung; eines Steckverbinders 174 für eine PC AT-Standard­ tastatur; eines Steckverbinders 176 für eine wahlfreie VGA- Platine zur Überwachung der inneren Vorgänge der Serienbox 16; eines Steckverbinders 178 für den Anschluß der vielen verschiedenen Signalleitungen zur Übertragung der Meßdaten; und eines Steckverbinders 180 als Standard-RS232-Anschluß für den Zentralcomputer 18.

Die Serienbox 16 überwacht die Temperatur der KMM 10 und modifiziert in Echtzeit die Kinematik oder Mathematik, die die Bewegung der KMM gemäß Formeln berechnet, die die Ausdehnung und die Zusammenziehung der verschiedenen Kompo­ nenten infolge von Temperaturänderungen beschreiben. Zu diesem Zweck ist eine Temperaturüberwachungs-Platine 182 (die einen Temperatur Transducer umfaßt) bei dem zweiten Gelenk 42 innerhalb einer Abdeckkappe 184 angeordnet (siehe die Fig. 4 und 5). Die KMM 10 wird vorzugsweise aus Flugzeug-Aluminium gebaut und außen eloxiert. Vorzugsweise wird der gesamte Arm 12 aus dem gleichen Material verwirk­ licht, mit Ausnahme der Montageschrauben, die aus rost­ freiem Stahl bestehen. Das gleiche Material wird verwendet, um gleichmäßige Ausdehnungs- und Zusammenziehungsmerkmale bei dem Arm 12 zu erhalten, und ihn geeigneter für eine elektronische Kompensation zu machen. Noch wichtiger ist, daß wegen der äußerst großen Stabilität, die zwischen allen Teilen über den weiten Temperaturbereich erforderlich ist, keine differentielle Wärmeausdehnung zwischen den Teilen erfolgen darf. Wie erwähnt wurde, wird der Temperatur- Transducer 182 vorzugsweise in dem Übertragungsgehäuse 42 angeordnet; es wird nämlich angenommen, daß an dieser Stelle die größte Masse gelegen ist, und diese Stelle sich daher nach einer großen Temperaturschwankung zuletzt stabi­ lisiert.

Nun wird auf die Fig. 13 Bezug genommen, in der die gesamte elektronische Schaltungsanordnung für die KMM 10 und die Serienbox 16 wiedergegeben ist. Es sind sechs Encoder 80 wiedergegeben, wobei jeder Encoder mit einer Verstärker-Platine 92 versehen ist, die nahe bei ihm ange­ ordnet ist, um ein möglichst geringes Rauschen bei der Signalübertragung zu erhalten. Außerdem ist eine Zusatzein­ richtungs-Anschlußbuchse 154 wiedergegeben, die ein sechs­ poliger Steckverbinder ist und auf der Griffeinheit 56 angebracht ist, um zahlreiche verschiedene Zusatzeinrich­ tungen anschließen zu können. Weiterhin sind zwei Steuer­ tasten 150 und 152 wiedergegeben, über die der Serienbox 16 der Meßvorgang angezeigt wird.

Der Temperatur-Transducer ist mit einer Temperatur- Platine 182 versehen, die ebenfalls in dem Arm 12 unterge­ bracht ist, wie in der Fig. 5 gezeigt ist. Die Temperatur- Platine 182 weist vorteilhaft eine EEPROM-Platine auf. Ein EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory) ist eine kleine Computer-Speichereinheit, die hier benutzt wird, um eine Vielzahl von spezifischen Kalibrier- und Seriennummer-Daten über den Arm zu speichern (siehe die Erklärung bezüglich der Fig. 19-21). Dies ist ein sehr wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung, das eine sehr gute Steuerung der KMM 10 ermöglicht, und was wichtig ist, die versehentliche Vertauschung von Software und Armen verhindert. Dies bedeutet auch, daß der Arm 12 der KMM eine unabhängige Vorrichtung ist, für die keine spezifischen Kalibrierdaten in der Controllerbox 16 gespeichert werden müssen, die daher getrennt gewartet werden kann und/oder bei anderen Maschinen verwendet werden kann.

Die Elektronik- und Impulsdaten von der Arm-Elektronik werden dann nach einer kombinierten Analog/Digital- Konverter-Digitalzähler-Platine 186 übertragen, die eine kombinierte Einheit mit einem 12 Bit-Analog/Digital- Konverter und einem Multikanal-16 Bit-Digitalzähler ist. Die Platine 186 ist an den Standard-Bus der Controllerbox angeschlossen. Die Zählinformation wird von dem Kernmodul 188 (der einen im Handel bei Ampro erhältlichen Intel 286- Mikroprozessor, beispielsweise mit der Teile-Nr. CMX-281- Q51 aufweist) und Programmen, die in einem ebenfalls in der Controllerbox enthaltenen EEPROM gespeichert sind, verar­ beitet. Die sich ergebenden Daten werden dann über den Serienübertragungs-Port 189 übertragen. Die Serienbox 16 auf Mikroprozessor-Basis ermöglicht eine Vorverarbeitung von für die KMM 10 spezifischen Berechnungen, die keine Verarbeitung auf Zentralcomputer-Niveau erfordern. Typische Beispiele für solche Vorprozessor-Berechnungen sind: Koordinatensystem-Transformationen; Umwandlung von Einheiten; Bocksprungtest von einem Koordinatensystem nach einem anderen unter Verwendung einer Zwischenvorrichtung; Ausführung gewisser Bestätigungsprozeduren, einschließlich Berechnung des Abstandes zwischen zwei Kugeln (wie beispielsweise bei dem ANSI B89-Kugelstab); und Ausgeben der Daten in spezifischen Formaten, die für die Übertragung nach vielen verschiedenen Zentralcomputern und Anwender­ programmen erforderlich sind.

Die Serienbox ist für die Kommunikation mit einer Vielzahl von Zentralcomputer-Formaten, einschließlich PC, MSDOS, Windows, Unix, Apple, VME und andere ausgelegt. Die Serienbox verarbeitet dabei die Transducer-Ursprungsdaten auf fortlaufender Basis und antwortet auf die Informa­ tionsanforderungen oder die Abfragung des Zentralcomputers mit der gewünschten dreidimensionalen Positions- oder Orientierungsinformation. Die Sprache der Serienbox hat eine solche Form, daß Treiber von Computer-Kommunikations- Subroutinen in dem Mikroprozessor 188, beispielsweise für die Steuerung des Serienports oder die Kommunikation mit dem KMM 10, in der Sprache des Zentralcomputers geschrieben werden. Diese Funktion wird als die "intelligente Multi­ protokoll-Emulation und automatische Umschaltung" bezeich­ net und funktioniert folgendermaßen: In dem Zentralcomputer kann eine Vielzahl von Zentralcomputer-Programmen instal­ liert werden. Diese Zentralcomputer-Programme rufen bei dem Serienport eine Vielzahl von Anforderungen ab, auf die die Serienbox antworten muß. In der Serienbox wurde für eine Vielzahl von weit verbreiteten Softwares eine Reihe von Protokollen vorprogrammiert, um auf Abrufungen oder Abfragungen bei dem Serienport zu antworten. Eine Abrufanforderung durch eine Software erfordert eine bestimmte Antwort. Die Serienbox empfängt die Abrufan­ forderung, stellt fest, zu welchem Protokoll sie gehört, und antwortet auf die entsprechende Weise. Dies ermöglicht eine transparente Kommunikation zwischen der KMM 10 und einer großen Vielfalt von Anwendungssoftware, wie Computer Aided Design und Qualitätskontrolle-Softwares, wie bei­ spielsweise die CAD-Programme AutoCadR von der Autodesk, Inc., CADKEYR von der Cadkey, Inc., und andere, sowie die Qualitätskontrolle-Programme GEOMETR von der Geomet Systems, Inc., und Micromeasure III von der Brown und Sharpe, Inc.

Die dreidimensionale KMM funktioniert folgendermaßen: Beim Einschalten der Netzspannung führt der Mikroprozessor 188 in der Serienbox 16 Einschalt-Selbstkontrollprozeduren aus und gibt über den Meßgerät-Port Spannung auf den Arm 12 der KMM 10. Der Mikroprozessor und die in dem EEPROM 182 gespeicherte Software stellen fest, daß beim Einschalten der Netzspannung keiner der Encoder initialisiert war. Daher sendet der Mikroprozessor 188 ein Signal nach der Anzeige-Platine, wodurch alle Anzeigelampen 20 aufleuchten, was bedeutet, daß die Bezugsposition festgelegt werden muß. Der Benutzer bewegt dann den Arm mechanisch, wodurch die Transducer einzeln ihren Bereich abtasten, wobei eine Bezugsmarke überstrichen wird. Wenn die Bezugsmarke über­ strichen wird, antwortet die Platine 186 des digitalen Zählers durch Erfassen der Position dieser Bezugsmarke und Meldung der Festlegung der Bezugsposition des Transducers an die Frontplatten-Anzeige 20, und dann erlischt die betreffende Anzeigelampe. Wenn die Bezugsposition bei allen Transducern festgelegt wurde, stellt das System die seriell Verbindung mit dem Zentralcomputer her und wartet auf weitere Befehle. Wenn die vordere oder hintere Taste der Griffeinheit 56 gedrückt wird, wird ein Meßvorgang einge­ leitet. Wenn die vordere Taste 150 gedrückt wird, werden die gegenwärtigen Transducer-Meßwerte erfaßt. Wenn die hintere Taste 152 gedrückt wird, wird dem Mikroprozessor gemeldet, daß diese Werte in dimensionelle Koordinaten übersetzt werden sollen und über den Serienport nach dem Zentralcomputer 18 ausgegeben werden sollen. Der Zentralcomputer 18 und die Serienbox 16 werden dann entsprechend den gegenseitigen Serienleitungs-Anforderungen reagieren.

Nun wird zu den Fig. 19, 20 und 21 übergegangen. Nach dem Zusammenbau der KMM 10 wird die Vorrichtung optimiert oder kalibriert, wozu die Programm-Software so verändert wird, daß eventuelle gemessene Unvollkommenheiten beim Zusammenbau oder der maschinellen Bearbeitung berück­ sichtigt werden. Diese anfängliche Kalibrierung ist ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung und wird in zwei Stufen durchgeführt. Zunächst wird eine Vielzahl von dimensionalen Messungen ausgeführt, die Positionen, Orientierungen und Abmessungen über das gesamte Volumen der Vorrichtung umfassen. Danach wird ein Optimierungs- Softwareprogramm verwendet, um die tatsächliche Falschaus­ richtung zu bestimmen, die bei jeder der Gelenkachsen vorhanden ist, und die kinematischen Formeln anzupassen, die die Bewegung des Armes beschreiben. Das allgemeine . Ergebnis ist, daß eine unvollkommene maschinelle Bearbei­ tung und ein unvollkommener Zusammenbau vollkommen gemacht werden durch Identifizierung der Unvollkommenheiten und Einbeziehung dieser Unvollkommenheiten in die Kinematik der Vorrichtung.

Nachstehend wird auf die Fig. 19 und 20A-E Bezug genommen. Um die riesige Menge von Daten genau und bequem zu erfassen, wird eine Kalibrier- und Test-Aufspannvorrich­ tung verwendet, die in der Fig. 19 bei 320 wiedergegeben ist. Die Aufspannvorrichtung 320 weist eine große Granit­ platte 322 auf, auf der in einem gewissen Abstand zwei Türme 324, 326 befestigt sind, die sich in der horizontalen Ebene um 360 Grad drehen können. Die KMM 10 ist auf dem Turm 326 angebracht, und die einstellbare, dimensionale Test-Aufspannvorrichtung 320 ist auf dem anderen Turm 324 angebracht. Die Aufspannvorrichtung 320 ist auf einem ausfahrbaren, vertikalen Arm 328 befestigt, der in einer Öffnung 330 des Turms 324 vertikal verschiebbar ist. Der Arm ist in der voll ausgefahrenen Position dargestellt.

Es wird weiterhin auf die Fig. 19 und 20 Bezug genommen. Die einstellbare, dimensionale Test-Aufspannvor­ richtung 320 weist drei Grundkomponenten auf: einen 610 mm (24 inch) langen Stab 332, auf dem ein Satz Präzisionsku­ geln 334 angebracht ist, eine Reihe von über seine Länge angeordneten Löchern 336, und eine Präzisionsschritt-Lehre 338 von 610 mm (24 inch) Länge. Der Arm 332 wird verwendet, um die Positionen der Löcher, Stufen und Kugeln bei einer Vielzahl von Positionen der Test-Aufspannvorrichtung und in allen Gebieten des Volumens des Armes zu messen, wie dies in der Fig. 21 gezeigt ist. Diese Daten werden dann opti­ miert. Die wichtige Optimierungsprozedur kann kurzgefaßt folgendermaßen beschrieben werden: Die Standard-Test- Aufspannvorrichtung 320 mit vorgegebenen Positionen und Orientierungen von Objekten wird von dem Arm 10 gemessen.

Die Daten werden dann durch ein Multivariablen-Optimie­ rungsprogramm verarbeitet, das entwickelt wurde, um die relative Falschausrichtung und die Abmessungen aller großen Komponenten des Armes zu bestimmen. Danach wird die Optimierung ausgeführt, und anschließend eine Kali­ brierdatei erstellt, die die Gesamtmerkmale des Armes enthält. Diese Gesamtmerkmale und die späteren Transducer- Meßwerte werden in einer Vielzahl von kinematischen Formeln miteinander kombiniert, wobei die Werte X, Y und Z in einem absoluten Koordinatensystem erhalten werden.

Um die Leistungsfähigkeit noch weiter zu optimieren, ist eine neuartige Bezugskugel 192 vorgesehen, die seitlich von einem abnehmbaren Ansatz 194 angeordnet ist, der an dem Untersatz 14 der KMM 10 befestigt ist (siehe die Fig. 14 und 15). Wenn die Bezugskugel 192 bei dem Untersatz 14 angeordnet wird, repräsentiert sie den absoluten Ursprung (0, 0, 0) der Vorrichtung für die X-, Y- und Z-Achse. Infolge der bekannten Position der Bezugskugel 192 ist es durch die Positionierung der Spitzen entsprechend der Fig. 15 möglich, die Koordinaten der Digitizer-Spitze 158 bezüg­ lich des letzten Gelenks der KMM 10 zu bestimmen. Wenn diese Position bekannt ist, kann die KMM 10 die Position des Mittelpunktes dieser Kugel bestimmen, wenn die späteren Messungen gemacht werden. Allgemein ausgedrückt bedeutet dies, daß dann entsprechend der betreffenden Anwendung viele verschiedene Sonden befestigt werden können, und jede Sonde bezüglich der Bezugskugel kalibriert werden kann.

Da die Koordinatenmeßmaschine transportabel ist, wird sie einer rauhen Behandlung und einer Positionierung in vielen verschiedenen Umgebungen unterworfen werden. Daher ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Protokoll vorgesehen, mit dem der Benutzer entsprechend einem bequemen Wartungsplan den Grad der volumetrischen Genauigkeit bestimmen kann, bevor er eine Vorrichtung verwendet. Die volumetrische Genauigkeit ist gemäß dem ASME-Standard ANSI B89.1.12 (1989) definiert als die Fähigkeit einer Vorrichtung, eine feste Länge zu messen, die in ihrem Arbeitsvolumen in einer Vielzahl von Orientie­ rungen angeordnet ist. Die Fig. 16 veranschaulicht die Fähigkeit der Vorrichtung, dies zu tun unter Verwendung einer ersten Kugelstabanordnung, während die Fig. 17 und 18 eine zweite Kugelstabanordnung wiedergeben.

Die Fig. 16 gibt ein Standard-Kugelstab 196 wieder, bei dem an jedem Ende eine Präzisionskugel 198, 200 ange­ ordnet ist, wobei diese Kugeln in zwei magnetische Kugel­ pfannen 202 und 204 eingesetzt sind. Die Kugelpfanne 202 ist bei dem Untersatz 14 der KMM 10 angeordnet, und die Kugelpfanne 204 ist bei dem Sondengriff 56 angeordnet. Wenn der Arm 12 umherbewegt wird, erfolgt eine Drehung zwischen den Kugelpfannen 202, 204 und den Kugeln 198, 200, um die Bewegung aufzunehmen, wobei die KMM 10 den festen Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Kugel 200 bzw. der Kugelpfanne 204 bei dem Griff 56, und den Mittelpunkt der Kugel 198 bzw. der Kugelpfanne 202 bei dem Untersatz 14 messen soll. Dabei muß natürlich daran erinnert werden, daß die Kugel­ pfanne 202 bei dem Untersatz 14 den Ursprung (0, 0, 0) der KMM 10 repräsentiert. Die Kalibrierungs-Software in der Steuerbox 16 berechnet dann die Vektorlänge von dem Ursprung (0, 0, 0) bis zu dem Mittelpunkt der Kugel bei der Sonde, und diese Länge, die während des Tests natürlich unveränderlich ist, muß innerhalb des gesamten Volumens bei vielen Konfigurationen und Drehungen des Griffs und anderer Gelenke einen konstanten Wert ergeben.

Es ist ersichtlich, daß die Kugelpfanne 204 bei dem Griff unbequem und ungeeignet sein kann, wenn gewünscht wird, die Genauigkeit einer bestimmten Sonde des Griffs zu überprüfen. Daher wird gemäß einem wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung ein neuartiger Kegelpfannen-Kugel­ stab verwendet, wie er bei 206 in der Fig. 17 wiedergegeben ist. Der Kegelpfannen-Kugelstab 206 umfaßt an einem Ende einen Kegel 208, und an dem anderen Ende zwei Kugeln 210, 212. Der Kegel und die Kugeln sind durch einen Stab 207 miteinander verbunden, der einen abgewinkelten Bereich 207 aufweist, wobei der Winkel Ó vorzugsweise 160 Grad beträgt. Die Kugel 212 ist an einem Ansatz 209 befestigt, der sich seitlich von dem Stab 206 erstreckt.

Eine Kugelsonde 158 oder Spitzensonde 160 ist in der Kegelpfanne 208 positioniert, und die Kugel 210 kann in der magnetischen Standardpfanne 202 des Untersatzes 14 der KMM 10 angebracht werden. Wie bei der Kalibriermethode der Fig. 16 werden verschiedene Positionen der Kugel und des Stabes, sowie Gelenkpositionen gemessen, wobei der Abstand zwischen der Kegelpfanne 208 und der Kugel 210 konstant bleiben muß. Aufgrund der Anordnung der Kugelpfanne 202 ist es natürlich nicht möglich, die abgelegene Seite der Maschine (die mit der Kennziffer 214 bezeichnete Position) zu erreichen. Zu diesem Zweck wird die Kugel 212 verwendet, wie dies in der Fig. 18 gezeigt ist. Der Benutzer kann dabei den Kegelpfannen-Kugelstab 206 so positionieren, daß die abgelegene Seite der KMM 10 erreicht wird, um den Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Kugel 212 und dem Mittelpunkt der Kegelpfanne 208 zu messen.

Claims (32)

1. Verfahren zum Erfassen von dreidimensionalen Koordinaten mit einer Sonde (56, 158, 160) an einem Meßarm (12) mit meh­ reren Gelenken (40-54), wobei die Stellungen der Gelenke (40-54) von Transducern (80) erfaßt werden und durch elek­ tronische Schaltkreise in digitale Positionsdaten umgewan­ delt werden, und ein Rechner diese digitalen Positions­ daten, anhand von kinematischen Formeln, in welche die Ab­ messungen des Meßarms einfließen, in Positionskoordinaten der Sonde am Meßarm umwandelt, gekennzeichnet durch eine initiale Kalibrierung des Meßarms (12), die folgende Schritte umfaßt:

• a) Messen mit dem Meßarm einer Vielzahl vorgegebener Po­ sitionen und Orientierungen von Objekten innerhalb des Meßvolumens;
• b) Errechnen der Abmessungen des Meßarms und der Fehlaus­ richtungen von Komponenten des Meßarms anhand der digi­ talen Positionsdaten für die vorgegebenen Positionen und Orientierungen mittels eines Optimierungsprogramms;
• c) Erstellen einer Kalibrierungsdatei mit optimierten Ka­ librierungsdaten für den Meßarm; und
• d) Abspeichern der Kalibrierungsdatei in einen Daten­ speicher im Meßarm, auf den der Rechner Zugriff hat;

wobei der Rechner, beim Errechnen der Positionskoordinaten der Sonde, die optimierten Kalibrierungsdaten in den kine­ matischen Formeln mit den von den Transducern erfaßten Po­ sitionsdaten kombiniert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenspeicher im Meßarm durch eine EEPROM-Platine in einem Untersatz oder Sockel des Meßarms ausgebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner eine separate Einheit ist, die an den Arm ange­ schlossen wird und die armspezifische Kalibrierungsdatei aus dem Datenspeicher im Meßarm (12) liest.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass bei der Kalibrierung des Meßarms in Schritt a) die vorgegebenen Positionen und Orientierungen von Ob­ jekten innerhalb des gesamten Meßvolumens des Meßarms ge­ messen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass als Meßobjekt für den Schritt a) eine Präzi­ sionsschrittlehre (338) benutzt wird, wobei mit dem Meßarm Messungen an der Präzisisonsschrittlehre (338) in vier Quadranten bei unterschiedlichen Ausrichtungen der Präzi­ sionsschrittlehre (338) vorgenommen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass als Meßobjekt für den Schritt a) eine Vor­ richtung benutzt wird, die folgende Teile aufweist:

• a) einen Turm (324), der um eine vertikale Achse drehbar ist und eine vertikal verschiebbare Säule (328) auf­ weist;
• b) einen Kalibrierstab (320), der an der vertikal ver­ schiebbaren Säule (328) befestigt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Kalibrierstab (320) ein Satz Präzisionskugeln (334) als Re­ ferenzpositionen angebracht ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass über die Länge des Kalibrierstabs (320) eine Reihe Löcher (336) als Referenzpositionen für die Sonde des Meß­ arms angeordnet sind.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Meßarm für den Schritt a) auf einem zweiten Turm (326) montiert ist, welcher mit dem ersten Turm (324) zusammen auf einer Aufspannplatte (322) montiert ist, wobei mit dem Meßarm Messungen am Kalibrierstab (320) in vier Quadranten bei unterschiedlicher Ausrichtung des Kalibrierstabs (320) vorgenommen werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zur Durchführung des Schrittes a) der Meßarm einen Untersatz (14) aufweist, an dem eine Bezugskugel (192) angeordnet ist, wobei der Mittelpunkt der Bezugskugel (192) den Koordinatennullpunkt eines absoluten Koordinaten­ systems der Meßvorrichtung definiert.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelpunkt der Bezugskugel (192) durch Abtasten mit der Sonde des Meßarms von verschiedenen Punkten an der Kugeloberfläche ermittelt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, dass zum Bestimmen der volumetrischen Ge­ nauigkeit des Meßarms ein Kalibrierstab (196) verwendet wird, der an seinen beiden Enden jeweils eine Präzisions­ kugel (198, 200) aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der volumetrischen Genauigkeit der Meßarm an seinem ersten Ende einen Untersatz (14) aufweist, an dem eine erste Kugelpfanne (202) angeordnet ist, deren Mittel­ punkt den absoluten Koordinatennullpunkt der Meßvorrichtung darstellt, und an seinem zweiten Ende einen Sondengriff (56) aufweist, an dem eine zweite Kugelpfanne (202) ange­ ordnet ist, wobei eine der beiden Kugeln (198) des Kali­ brierstabs (196) in die erste Kugelpfanne (202) eingesetzt ist und die zweite Kugel (200) des Kalibrierstabs (196) in die zweite Kugelpfanne (204) eingesetzt ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelpfannen (202, 204) magnetisch ausgebildet sind.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, dass zum Bestimmen der volumetrischen Ge­ nauigkeit des Meßarms ein Kalibrierstab (206) verwendet wird, der an einem Ende zwei Präzisionskugeln (210, 212) aufweist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der volumetrischen Genauigkeit die erste Präzisionskugel (210) in axialer Verlängerung des Kalibrierstabs (206) montiert ist und die zweite Präzi­ sionskugel (212) in entgegengesetzter Richtung zur ersten Präzisionskugel (210) montiert ist.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der volumetrischen Genauigkeit die zweite Präzisionskugel (212) an einem seitlichen Ansatz des Kali­ brierstabs (206) montiert ist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch ge­ kennzeichnet, dass zum Bestimmen der volumetrischen Ge­ nauigkeit der Kalibrierstab (206) am anderen Ende eine kegelförmige Mulde (209) aufweist.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der volumetrischen Genauigkeit der Meßarm an seinem ersten Ende einen Untersatz (14) aufweist, an dem eine Kugelpfanne (202) angeordnet ist, die einen absoluten Koordinatennullpunkt der Meßvorrichtung definiert, und an seinem zweiten Ende eine Kugelsonde oder Spitzensonde (158, 160) aufweist, wobei eine der beiden Kugeln (210, 212) des Kalibrierstabs (196) in die Kugelpfanne (202) einge­ setzt ist und die Kugelsonde oder Spitzensonde (158, 160) des Meßarms in die zweite kegelförmige Mulde (208) ein­ gesetzt ist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der volumetrischen Genauigkeit die zweite Präzisionskugel (210) derart an einem Ansatz seitlich vom Kalibrierstab (206) montiert ist, dass mit der in die kegelförmige Mulde (208) des Kalibrierstabs (206) einge­ setzten Kugelsonde (158) oder Spitzensonde (160) des Meß­ arms die von der Kugelpfanne (202) am Untersatz (214) ab­ gewandte Seite erreichbar ist.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Koordinatenerfassung an einem Meß­ objekt folgende Schritte umfaßt:

• a) Aufsetzen der Sonde (56) auf das Meßobjekt;
• b) gezielte manuelle Auslösung einer Meßwerterfassung;
• c) gezielte manuelle Bestätigung des erfaßten Meßwerts, wodurch dieser für eine Weiterverarbeitung freigegeben wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Meßarm, zum Aufsetzen der Sonde (56) auf das Meßobjekt eine Sonden/Griff-Einheit (56) aufweist, an der Steuer­ tasten (150, 152) für die Auslösung einer Meßwerterfassung und die Bestätigung des erfaßten Meßwerts vorgesehen sind.

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der für eine Weiterverarbeitung freigegebene Meßwert, über eine intelligente Schnittstelle (16) mit einer An­ schlußstelle (189) für einen Computer (18), an einen ange­ schlossenen Computer (18) weitergeleitet wird, auf dem min­ destens ein vorgegebenes Anwendungsprogramm installiert ist, das dreidimensionale Koordinaten als Eingangsdaten verarbeitet, wobei die intelligente Schnittstelle (16) der­ art vorprogrammiert ist, dass sie an der Anschlußstelle (189) dem angeschlossenen Computer (18) spezifisch für das Anwendungsprogramm vorverarbeitete dreidimensionale Koordi­ naten auf Abruf zur Verfügung stellt.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass in die intelligente Schnittstelle (16) spezifische Protokolle für eine Vielzahl von vorgegebenen Anwendungsprogrammen einprogrammiert sind, so dass gewährleistet ist, dass die Schnittstelle (16) an ihrer Anschlußstelle (189) dem ange­ schlossenen Computer (18) spezifisch für das jeweilige An­ wendungsprogramm vorverarbeitete dreidimensionale Koordi­ naten auf Abruf zur Verfügung stellt.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle (16) derart vorprogrammiert ist, dass sie feststellt, welchem in der Schnittstelle (16) gespeicherten Protokoll eine Abrufanforderung eines angeschlossenen Com­ puters (18) entspricht und anschließend auf die dem Proto­ koll entsprechende Weise antwortet.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Schnittstelle vorprogrammiert ist, um Koordinatensystem-Transformationen auszuführen.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Schnittstelle mit einem Protokoll vorprogrammiert ist, das es dem Benutzer erlaubt, den Grad der volumetrischen Genauigkeit der Meßvorrichtung zu be­ stimmen.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Temperatur des Meßarms gemessen wird, und die gemessene Temperatur in den kinematischen Formeln, welche die Position der Sonde am Meßarm angeben, berücksichtigt wird.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Gelenke Drehgelenke mit einer Dreh­ begrenzung umfassen, wobei den jeweiligen Drehbegrenzungen Anzeigemittel zugeordnet sind, die den Benutzer warnen, falls sich ein Drehgelenk einem Dreh-Endanschlag nähert.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Benutzer den Meßarm für die Messung stets derart anord­ net, dass keines der Drehgelenke an seinem Endanschlag an­ gelangt ist.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die kinematischen Formeln X-, Y- und Z- Koordinaten in einem absoluten Koordinatensystem liefern.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Meßarm sechs Drehgelenke umfaßt.