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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Maschinen zum Messen
von dreidimensionalen Koordinaten. Sie bezieht sich insbesondere
auf eine verbesserte transportable Koordinatenmeßmaschine mit Gelenkarm.
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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 beschrieben werden.
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Die
gegenwärtig
für industrielle
Anwendungen benutzen Koordinatenmeßmaschinen sind 3-Achsen-Koordinatenmeßmaschinen
welche die Koordinaten X, Y und Z mittels drei linearen Meßskalen
messen. Diese Meßmaschinen
sind gewöhnlich nicht
transportabel, teuer und begrenzt hinsichtlich Größe und bequeme
Ausnutzung des meßbaren
Volumens.
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Die
FARO Technologies, Inc. in Lake Mary, Florida (USA) hat eine Reihe
von digitalisierenden Vorrichtungen vom Elektrogoniometertyp für medizinische
Anwendungen hergestellt. 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-Patentanmeldung USSN
562.213 beschrieben.
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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
Koordinatenmeßmaschine,
die eine ausreichende Genauigkeit und eine einfache Benutzung für mannigfaltige
industrielle und ähnliche
Anwendungen bietet.
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Aus
der US-Patentschrift N° 4,477,973
ist ein sehr einfaches 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 Drehgelenke, so daß die
Sondenspitze innerhalb eines ausgewählten Volumens beweglich ist.
Jedem dieser Drehgelenke ist ein Potentiometer zugeordnet. Die drei
oder vier Potentiometer werden an den "game-port". eines PCs angeschlossen, 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.
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Aus
der
DE 41 40 294 A1 ist
ebenfalls eine Koordinatenmeßvorrichtung
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, Universalgelenke. Jedes Universalgelenk
weist zwei senkrechte Drehachsen auf und verbindet zwei benachbarte Armsegmente.
Jeder Drehachse ist jeweils ein Winkelmeßfühler zur Messung der Winkelposition
der zwei verbunden Armsegmente zugeordnet. 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 Winkelpositionssignalen
und den vorgegebenen Längen
der Armsegmente 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.
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Aus
der Druckschrift: "Einbindung
von Koordinatenmeßgeräten in die
Fertigung, Anwendungstechnische Informationen" der Firma Carl ZEISS (Oberkochen) (RE-ZS-1/91P00),
ist bekannt, eine stationäre,
durch einen Rechner gesteuerte, 3-Achsen-Koordinatenmeßmaschine
mittels eines Rechnerkopplungsprogramms in einen komplexen Rechnerverbund
im Fertigungsbereich einzubinden, so daß das Koordinatenmeßgerät sowohl
Meßergebnisse
an Fremdrechner senden kann, als auch Solldaten aus CAD-Anlagen
und Kommandos von Fremdrechnern empfangen kann.
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In
der US-Patentschrift N°
US 4,888,877 wird ein Meßkopf mit
zwei Drehgelenken für
eine stationäre
3-Achsen-Koordinatenmeßmaschine
beschrieben.
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In
der US-Patentschrift N°
US 5,031,331 wird eine Kompensation
der temperaturbedingten Ausdehnungen der Meßlatten an einer 3-Achsen-Koordinatenmeßmaschine
vorgeschlagen.
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In
der
DE 26 03 376 A1 wird
ein Verfahren zum Berechnen der räumlichen Rechtwinkligkeit einer
3-Achsen-Koordinatenmeßmaschine
vorgeschlagen. Hierzu werden eine Kalibrierstange 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.
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Aus
US 3,944,789 ist eine Koordinatenmessvorrichtung
mit einem Arm, der mehrere Gelenke aufweist bekannt. In jedem Gelenk
des Arms ist ein Transducer vorgesehen, der den Winkel zwischen zwei
Armstücken
misst und als elektrisches Signal an eine Rechnereinheit überträgt, in der
die Position der Armspitze berechnet werden kann.
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Der
in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde,
die Zuverlässigkeit
einer Koordinatenmeßvorrichtung
mit einem Gelenkarm zu verbessern. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
einer Koordinatenmeßvorrichtung
mit einem Gelenkarm sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Messvorrichtung zum
Erfassen von dreidimensionalen Koordinaten umfasst einen beweglichen
Arm, der ein erstes und ein entgegengesetztes zweites Ende aufweist.
Der Arm umfasst eine Vielzahl von Gelenken, von denen jedes einem
Freiheitsgrad entspricht, so dass der Arm innerhalb eines ausgewählten Volumens
beweglich ist. Jedes dieser Gelenke weist ein drehbares Übertragungsgehäuse mit
Positionstransducern zum Erzeugen eines Positionssignals auf. Ferner
umfasst die transportable Messvorrichtung einen Untersatz, der an
dem ersten Ende des beweglichen Armes befestigt ist, eine Sonde,
die an dem zweiten Ende des beweglichen Armes befestigt ist sowie
elektronische Schaltungsmittel, die den Positionstransducern derart
zugeordnet sind, dass sie die Positionssignale von den Postitionstransducern
empfangen und eine digitale Koordinate liefern, die der Position
der Sonde entspricht. Erfindungsgemäß sind in den Arm Datenspeichermittel
integriert, die elektronisch lesbare armspezifische Identifizierungs- und Kalibrierungsdaten
erhalten.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung weist die neuartige, transportable Koordinatenmeßmaschine
einen manuell positionierbaren, mehrgelenkigen Meßarm (mit vorzugsweise
sechs Gelenken) auf, um 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 eine Controllerbox (bzw, eine
Serienbox) verwendet, die als elektronische Schnittstelle zwischen
dem Arm und einem Zentralcomputer dient.
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Der
mechanische Meßarm,
der bei der Koordinatenmeßmaschine
der vorliegenden Erfindung verwendet wird, weist eine Vielzahl von Übertragungsgehäusen (von
denen jedes ein Gelenk aufweist 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 neuartigen 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 Schutze vor mechanischer Überlastung
infolge Gewaltanwendung.
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Der
bewegliche Arm ist 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.
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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. Ebenso wie das dem Stand der Technik entsprechende
METRECOM-System umfaßt
das erfindungsgemäße System
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
Zusatzeinrichtungs-Anschlußbuchse
angeschlossenen Thermoelements).
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Die
Verwendung einer getrennten Controllerbox auf Mikroprozessor-Basis
ist ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung, da diese Controllerbox
die Vorverarbeitung von spezifischen Berechnungen ermöglicht,
die kein Zentralcomputer-Niveau erfordern. Dazu ist in der Controllerbox
ein intelligenter Vorprozessor vorgesehen, der programmierbare Anpaßbarkeit
und Kompatibilität
mit einer Vielzahl von externen Zentralsystemen (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
laufende Software von einem Hersteller Verbindungsanforderungen
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.
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Die
wirksame Kalibrierung der erfindungsgemäßen 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 Koordinatenmeßmaschine angeordnet ist, um
Montagekomplikationen zu vermeiden. Außerdem umfaßt die Koordinatenmeßmaschine
der vorliegenden Erfindung Mittel zum Erstellen eines Meßprotokolls über die
volumetrische Genauigkeit auf einer zwischenzeitlichen. Basis, wobei
vorzugsweise eine neuartige Konus/Kugel-Stabvorrichtung verwendet wird.
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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
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1, eine schematische Vorderansicht, die
das dreidimensionale Meßsystem
der vorliegenden Erfindung wiedergibt, das eine Koordinatenmeßmaschine,
eine Controllerbox und einen Zentralcomputer umfaßt.
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2, eine Seitenansicht, die
den auf der Serienbox angebrachten Zentralcomputer wiedergibt, wobei
diese Serienbox wiederum auf einem manövrierbaren Arm angebracht ist.
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3, eine Seitenansicht des
dreidimensionalen Meßsystems
der vorliegenden Erfindung, das auf einem Theodolitenstativ angebracht
ist.
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4, eine Rückansicht
der in der 1 wiedergegebenen
Koordinatenmeßmaschine.
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5, eine Längsansicht,
teilweise im Schnitt, der Koordinatenmeßmaschine der 1.
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6, eine explodierte Seitenansicht
eines bei der Koordinatenmeßmaschine
der 1 verwendeten Übertragungsgehäuses.
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6A und 6B, Schnittansichten gemäß der Schnittlinie
6A-6A bzw. 6B-6B der 6.
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7, ein vertikaler Schnitt
von zwei zusammengebauten, senkrecht zueinander angeordneten Übertragungsgehäusen.
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8, ist eine vergrößerte Seitenansicht
einer kompensierten Federvorrichtung, die bei der Koordinatenmeßmaschine
der 1 verwendet wird.
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9A und 9B, eine Draufsicht bzw. eine Druntersicht,
die die Griff/Sonden-Einheit der 1 wiedergeben.
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10A und 10B, Seitenansichten einer Kugelsonde
bzw. einer Spitzensonde.
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11, eine vergrößerte Vorderansicht
der Controllerbox der 1.
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12, eine vergrößerte Rückansicht
der Controllerbox der 1.
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13, eine schematische Ansicht
der elektronischen Komponenten für
das dreidimensionale Meßsystem
der 1.
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14, eine Seitenansicht der
Koordinatenmeßmaschine
der 1, wobei diese Seitenansicht ein
Sondenspitzen-Kalibriersystem wiedergibt.
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15, ene schematische Draufsicht,
die eine Methode zum Kalibrieren der Sondenspitze veranschaulicht.
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16, eine Seitenansicht der
Koordinatenmeßmaschine
der 1, wobei die Koordinatenmeßmaschine
mit einem Kugelstab kalibriert wird.
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17 und 18, Seitenansichten der Koordinatenmeßmaschine
der 1, wobei die Koordinatenmeßmaschine
mit einer neuartigen Konus/Kugel-Stabvorrichtung kalibriert wird.
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19, eine Seitenansicht,
die eine Methode zur Optimierung der Koordinatenmeßmaschine der 1 veranschaulicht, wobei
eine Optimierungs-Aufspannvorrichtung
verwendet wird.
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20A-E, eine Vorderansicht,
eine Rückansicht,
eine Draufsicht, eine fechte Seitenansicht bzw. eine linke Seitenansicht
der Präzisionsschrittlehre,
die bei der Aufspannvorrichtung der 19 verwendet
wird.
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21, eine schematische Ansicht,
die eine Methode zur Optimierung der Koordinatenmeßmaschine
der 1 veranschaulicht,
wobei bei dieser Optimierung die Vorrichtung der 19 verwendet wird.
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Zunächst wird
auf die 1 Bezug genommen.
Das dreidimensionale 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 elektronischer Verbindung mit der Serienbox 16 steht,
die wiederum in elektronischer Verbindung mit dem Zentralcomputer 18 steht.
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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 Gesamtanforderungen an den Zentralcomputer 18 hinsichtlich der
Ausführung
gewisser komplexer Berechnungen, und führt gewisse vorherige Datenverarbeitungen
aus. Wie in der 2 gezeigt
ist, ist vorgesehen, die Serienbox 16 unter dem Zentralcomputer 18 (wie
beispielsweise dem in der 2 wiedergegebenen
Notebook-Computer) anzuordnen. Die Serienbox 16 umfaßt EEPROMS,
die Datenverarbeitungs-Software enthalten,
einen Microcomputer-Prozessor, eine Signalverarbeitungs-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.
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Vorzugsweise
sind alle drei Komponenten, die das dreidimensionale Meßsystem
festlegen (das heißt,
die KMM 10, die Serienbox 16, und der Zentralcomputer 18)
entweder mittels einer starren Platte auf einer festen Montageoberfläche angebracht,
oder auf einem Standardgewinde eines optischen Meßgerätes, und
danach auf einem bekannten, mobilen Theodoliten-Standardstativ angebracht,
wie dies bei 22 in der 3 gezeigt
ist. Vorzugsweise weist das Theodolitenstativ 22 ein von
Brunson (USA) hergestelltes Teil Nr. MWS750 auf. Ein solches mobiles Stativ
ist gekennzeichnet durch eine stabile, Rollplattform mit einem ausziehbaren
vertikalen Turm, sowie mit üblichen
Zusatzeinrichtungen und Feststellvorrichtungen. Wie in den 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 angebrachten
Abdeckkappe 38 befestigt ist.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 und 4-9 wird nun die KMM 10 im einzelnen
beschrieben. Wie am besten in der 5 zu
sehen ist, weist die KMM 10 den Untersatz 14 auf,
der mit einem ersten Satz aus zwei Übertragungsgehäusen verbunden
ist, der ein erstes Übertragunggehäuse 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 Übertragungsgehäusen 42 und 46 senkrecht
zu diesen Übertragungsgehäusen 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 Übertragungsgehäuse 54 umfaßt. An dem
sechsten Übertragungsgehäuse 54 ist
eine Griff/Sonden-Einheit 56 befestigt.
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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 Lagergehäuse
und eine Transducerkammer auf, die so ausgelegt sind, daß sie mittels unter
45° angeordneter
Befestigungsschrauben zylindrisch miteinander verbunden werden (6). Bei dem Untersatz 14 ist
eine kompensierte Federvorrichtung 60 angeordnet, um den
Arm 12 in seiner vertikalen Standardkonfiguration zu halten
(8).
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Nun
wird zu den 6 und 7 übergegangen, um das Übertragungsgehäuse und
seine inneren Komponenten ausführlich
zu beschreiben. Die 6 ist
eine explodierte Darstellung eines Übertragungsgehäuses, während die 7 eine vergrößerte Ansicht
der senkrecht zueinander angeordneten 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 vorzugsweise
aus gehärtetem
Stahl, während
die Laufring-Sitze 70, 72 ebenfalls aus gehärtetem Stahl
bestehen.
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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 erforderlich,
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 Einstellschrauben 78 eingestellt
und bewirkt eine hohe Biegesteifigkeit. Der Transducer (vorzugsweise ein
Encoder 80, wie er bei Heidenhain unter der Bezeichnung "Mini-Rod", Teile-Nr. 450M-03600,
erhältlich
ist) wird an einer universellen Montageplatte 82 befestigt,
um ihn in das Übertragungsgehäuse einzubauen.
Die universelle Montageplatte 82 ist wichtig, um eventuelle
Probleme mit Komponenten, wie beispielsweise eine Änderung
bei der Fertigung des Transducers 80, zu vermeiden, wobei
eine Änderung der
Konfiguration der Montageschrauben durch Änderungen bei der Montageplatte 82 ausgeglichen werden
kann. Die Montageplatte 82 ist in der 6A als Platte von dreieckiger Form mit
verrundeten Ecken wiedergegeben. In der 6A sind außerdem Gewindeelemente 88 und 90,
eine Welle oder ein Stift 86, und ein Kuppler 84 wiedergegeben
(die alle nachstehend erklärt
werden).
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Drehungsmessungen
von hoher Genauigkeit unter Verwendung von Encodern 80 erfordern,
daß keine
Lasten auf die Encoder einwirken, und daß die Bewegung des Übertragungsgehäuses trotz
kleiner Falschausrichtungen der Achse des Übertragungsgehäuses und
der Achse des Encoders auf den Encoder genau übertragen wird. Die Winkelübertragungsfehler
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 7). Gemäß einem wichtigen Merkmal der
vorliegenden Erfindung wird 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 Übertragungsgehäuses gegenüber der
Umgebung erfolgt an der Verbindungsstelle 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 6B am besten
sichtbar ist, weist ein Metallgehäuse von quadratischer 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 Übertragungsgehäusen aufrechtzuerhalten.
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Nun
wird auf die 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 7 sind
zwei zusammengebaute Übertragungsgehäuse 46, 48 wiedergegeben,
die senkrecht zueinander miteinander verbunden sind, und bei denen
die Verlegung von Kabeln veranschaulicht ist. Es ist ersichtlich,
daß während der
Verwendung 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 Durchgänge
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 Drehbarkeit 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 Kabelaufwickel-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.
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Nun
wird zu der 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 Kompensationsvorrichtung 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 Gesamtvorspannung 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 Stoßbelastung
und eine langsame Rückführung in
die Ruheposition. Es ist ersichtlich, daß der Stoßdämpfer in der 8 in einer eingefahrenen Position wiedergegeben
ist, während
er in den 16-18 in der voll ausgefahrenen Position
wiedergegeben ist.
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In
den 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 9A) zur Datenerfassung,
einen Steckverbinder (Kennziffer 154 in der 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 annehmbar oder nicht annehmbar ist. Dies erfolgt
mit Hilfe von zwei Schaltern 150, 152. Der vordere
Schalter 150 wird verwendet, um die dreidimensionale Dateninformation
festzuhalten, und mit dem hinteren Schalter 152 wird die
Dateninformation 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 10A ist
eine Sonde 158 mit einer harten Kugel von 6,35 mm (1/4
inch) Durchmesser wiedergegeben, während in der 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 Schraubenschlüssels
leichter ein- und ausbauen zu können.
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Nun
wird zu den 11 und 12 übergegangen. Nachstehend wird
die Controllerbox bzw. die Serienbox 16 beschrieben. In
der 11 ist die Vorderseite
der Frontplatte 162 des Kontrollers bzw. der Serienbox
wiedergegeben. 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 Netzkontrollampe
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
der vorliegenden Erfindung sind die Transducer inkrementale digitale
optische Encoder 80, die die Festlegung einer Bezugsposition
erfordern. (Bei einer weniger bevorzugten Ausführungsform können die
Transducer analoge Vorrichtungen sein.) Zu Beginn der Messungen
muß daher
jedes der sechs Gelenke (das heißt, die Übertragungsgehäuse) gedreht
werden, bis die Bezugsposition erreicht wird, bei der alle sechs
Anzeigelampen erlöschen.
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Gemäß einem
wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung wird, wenn sich während der
Benutzung der KMM 10 einer der Transducer bis auf 2 Grad
dem Drehungs-Endanschlag 106 nähert, 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 Freiheitsgrades 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.
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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.
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Nun
wird zu der 12 übergegangen.
Eine Rückseitenplatte 168 der
Serienbox 16 umfaßt
eine Vielzahl von PC Standard-Steckverbindern und Schaltern, einschließlich: einer
Rückstelltaste 170, die
den Mikroprozessor zurückstellt;
eines Netzteil-Ventilators 172 für die Luftumwälzung; eines Steckverbinders 174 für eine PC
AT-Standardtastatur; 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.
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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
Komponenten infolge von Temperaturänderungen beschreiben. Zu diesem
Zweck ist gemäß einem
wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung eine Temperaturüberwachungs-Platine 182 (die
einen Temperatur Transducer umfaßt) bei dem zweiten Gelenk 42 innerhalb
einer Abdeckkappe 184 angeordnet (siehe die 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 verwirklicht,
mit Ausnahme der Montageschrauben, die aus rostfreiem 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 stabilisiert.
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Nun
wird auf die 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 angeordnet ist, um ein möglichst geringes Rauschen bei
der Signalübertragung
zu erhalten. Außerdem
ist eine Zusatzeinrichtungs-Anschlußbuchse 154 wiedergegeben,
die ein sechspoliger Steckverbinder ist und auf der Griffeinheit 56 angebracht
ist, um zahlreiche verschiedene Zusatzeinrichtungen anschließen zu können. Weiterhin
sind zwei Steuertasten 150 und 152 wiedergegeben, über die
der Serienbox 16 der Meßvorgang angezeigt wird.
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Der
Temperatur-Transducer ist mit einer Temperatur-Platine 182 versehen, die ebenfalls
in dem Arm 12 untergebracht ist, wie in der 5 gezeigt ist. Gemäß noch einem
weiteren wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung weist die
Temperatur-Platine 182 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 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.
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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, verarbeitet. 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 Anwenderprogrammen
erforderlich sind.
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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 Informationsanforderungen 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
Multiprotokoll-Emulation und automatische Umschaltung" bezeichnet und funktioniert
folgendermaßen:
In dem Zentralcomputer kann eine Vielzahl von Zentralcomputer-Programmen
installiert 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 Abrufanforderung, 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 beispielsweise 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.
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Die
dreidimensionale KMM der vorliegenden Erfindung 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 überstrichen
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 eingeleitet.
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.
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Nun
wird zu den 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 berücksichtigt
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
Falschausrichtung 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 Bearbeitung und ein unvollkommener Zusammenbau vollkommen
gemacht werden durch Identifizierung der Unvollkommenheiten und
Einbeziehung dieser Unvollkommenheiten in die Kinematik der Vorrichtung.
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Nachstehend
wird auf die 19 und 20A-E Bezug genommen. Um
die riesige Menge von Daten genau und bequem zu erfassen, wird eine
Kalibrier- und Test-Aufspannvorrichtung
verwendet, die in der 19 bei 320 wiedergegeben
ist. Die Aufspannvorrichtung 320 weist eine große Granitplatte 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.
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Es
wird weiterhin auf die 19 und 20 Bezug genommen. Die einstellbare,
dimensionale Test-Aufspannvorrichtung 320 weist
drei Grundkomponenten auf: einen 610 mm (24 inch) langen Stab 332,
auf dem ein Satz Präzisionskugeln 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 21 gezeigt ist.
Diese Daten werden dann optimiert. 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-Optimierungsprogramm
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 Kalibrierdatei 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.
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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 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 gemäß der vorliegenden
Erfindung durch die Positionierung der Spitzen entsprechend der 15 möglich, die Koordinaten der
Digitizer-Spitze 158 bezüglich 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.
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Da
die erfindungsgemäße 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 Orientierungen
angeordnet ist. Die 16 veranschaulicht
die Fähigkeit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
dies zu tun unter Verwendung einer ersten Kugelstabanordnung, während die 17 und 18 eine zweite Kugelstabanordnung wiedergeben.
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Die 16 gibt ein Standard-Kugelstab 196 wieder,
bei dem an jedem Ende eine Präzisionskugel 198, 200 angeordnet
ist, wobei diese Kugeln in zwei magnetische Kugelpfannen 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
Kugelpfanne 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.
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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-Kugelstab verwendet,
wie er bei 206 in der 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 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 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.