Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft Maschinen, bei denen ein Träger oder eine
Plattform relativ zu einem anderen durch eine Vielzahl von ausfahrbaren
Beinen oder Kolben, die sich zwischen diesen erstrecken, gelagert und bewegt
werden kann. Es können beispielsweise drei oder sechs derartige Beine
oder Kolben vorgesehen sein, und wenn sechs vorgesehen sind, wird die
Maschine üblicherweise als ein Hexapod (Sechsbein) bezeichnet. Derartige
Anordnungen können für Werkzeugmaschinen,
Koordinatenmeßmaschinen, Abtastmaschinen, Roboter, Positionierungsvorrichtungen
(beispielsweise für optische Komponenten), Flugsimulatoren, Maschinen
zur Herstellung von Prototypen und verschiedene andere Anwendungen
verwendet werden.
Hinterrund der Erfindung
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Die internationale Patentanmeldung Nr. WO 91/03145 (Kearney &
Trekker) zeigt eine Hexapod-Werkzeugmaschine, die zwei Träger oder
Plattformen und sechs ausfahrbare, kraftbetriebene Beine oder Kolben umfaßt,
von denen jeder zwischen die beiden Träger oder Plattformen gekoppelt ist.
Ein Werkzeug auf einer der Plattformen ist relativ zu einem Werkstück auf
der anderen Plattform bewegbar. Durch Ausfahren der Beine um
verschiedene Beträge können verschiedene gewünschte Positionen und
Orientierungen zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück erreicht
werden.
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Bei derartigen Maschinen wird die Position und Orientierung zu einem
beliebigen Zeitpunkt mittels einer Vielzahl von Längenmeßwandlern
überwacht, beispielsweise ist jedem Bein ein Wandler zugeordnet. Die WO
91/03145 offenbart die Verwendung von sechs Instrumentenarmen, die
von den Beinen getrennt sind, wobei jeder Instrumentenarm einen
Längenmeßwandler umfaßt. Ein möglicher Typ eines Längenmeßwandlers ist
ein Laser-Interferometer in jedem Instrumentenarm. Die Erfassung von
sechs Längenmessungen von den sechs Instrumentenarmen ermöglicht
die Bestimmung der Position und Orientierung einer Plattform relativ zu
der anderen. In der Praxis werden derartige Längenmessungen in einer
Rückkopplungsschleife zu den kraftbetriebenen Beinen verwendet, um die
bewegbare Plattform genau zu der erforderlichen Position und
Orientierung einzustellen.
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Die in der WO 91/03145 offenbarten Instrumentenarme erfordern ein
allseitig schwenkbares Lager an jedem Ende, um den Arm mit der jeweiligen
Plattform zu verbinden. Damit werden, wenn irgendwelche
Ungenauigkeiten, wie beispielsweise ein Spiel, in diesen Lagern vorliegen, die
gemessenen Längen ungenau und dies hat eine entsprechende Ungenauigkeit bei
der Positionierung und Orientierung einer Plattform relativ zu der anderen
zur Folge.
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Ein Weg, dieses Problem zu umgehen, könnte in der Verwendung von
Anordnungen bestehen, die denjenigen, die in der US 4,621,926 und der WO
88/07656 (für herkömmliche Nicht-Hexapod-Koordinatenmeßmaschinen)
offenbart sind, ähnlich sind. Diese befestigen drei Retro-Reflektoren an
einem Sondenkopf der Maschine und sechs Interferometer an
verschiedenen Orten um den feststehenden Aufbau. Die sechs
Interferometerstrah
len werden jeweils (beispielsweise durch Schwenkspiegel) gesteuert und
gelenkt, um die Bewegung von einem der Retro-Reflektoren nachzuführen.
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Derartige bekannte Nachführungsinterferometeranordnungen besitzen
jedoch den Nachteil, daß es, wenn sich der Sondenkopf um das Werkstück
herum bewegt, möglich ist, daß einer oder mehrere der
Interferometerstrahlen unterbrochen wird. Wenn ein Interferometerstrahl auf diese
Weise unterbrochen wird, verliert das Interferometer seine Meßzählung und
kann auch die Nachführung seines Retro-Reflektors beenden. Der
Meßvorgang muß somit erneut gestartet werden.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung sieht eine Maschine vor, die umfaßt:
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zwei Trägeraufbauten, die relativ zueinander bewegbar sind;
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eine Vielzahl von ausfahrbaren Beinen, die zwischen die Trägeraufbauten
gekoppelt sind, wobei die Position und Orientierung eines Trägeraufbaus
relativ zu einem anderen durch die relativen Längen der ausfahrbaren
Beine definiert ist;
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eine Vielzahl von Interferometern, die zwischen den Trägeraufbauten
wirken, wobei jedes eine lichtemittierende Einheit, die einem Trägeraufbau
zugeordnet ist, und einen Reflektor umfaßt, der dem anderen
Trägeraufbau zugeordnet ist, wobei jedes Interferometer einem jeweiligen der
ausfahrbaren Beine zugeordnet und im wesentlichen parallel zu diesem
angeordnet ist;
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dadurch gekennzeichnet,
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daß der Reflektor fest mit seinem zugeordneten Trägeraufbau befestigt ist.
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Vorzugsweise ist der Lichtstrahl der lichtemittierenden Einheit in
Richtung des entsprechenden Reflektors durch eine mechanische Verbindung
gelenkt, die mit einem der ausfahrbaren Beine verbunden ist, oder diese
bildet selbst ein ausfahrbares Bein, das zwischen die Trägeraufbauten
gekoppelt ist.
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Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Interferometer zur
Verwendung in einer derartigen Maschine vorgesehen, das umfaßt:
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eine lichtemittierende Einheit zur Verbindung mit einem der
Trägeraufbauten der Maschine;
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einen Reflektor, der an den anderen Trägeraufbauten der Maschine
befestigbar ist;
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wobei das Interferometer auch umfaßt:
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eine mechanische Verbindung zur Kopplung mit einem ausfahrbaren
Bein, das zwischen die Trägeraufbauten gekoppelt ist, oder die selbst ein
derartiges ausfahrbares Bein bildet, und dazu dient, den Lichtstrahl der
lichtemittierenden Einheit in eine Richtung im wesentlichen parallel zu
dem ausfahrbaren Bein in Richtung des Reflektors zu lenken.
Zeichnungskurzbeschreibung
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft
unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in
welchen:
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Fig. 1 eine Draufsicht einer Koordinatenmeßmaschine ist;
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Fig. 2 eine Seitenansicht der Maschine von Fig. 1 ist;
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Fig. 3 ein Schnitt an der Linie III-III in Fig. 2 ist;
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Fig. 4 einen Kolben zur Verwendung in der Maschine zeigt, die
annähernd an der Linie IV-IV in Fig. 1 betrachtet ist;
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Fig. 5 ein schematisches Blockdiagramm ist, das die
Steuerung der Maschine veranschaulicht;
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Fig. 6 eine Seitenansicht einer modifizierten
Koordinatenmeßmaschine ist;
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Fig. 7 den Kolben von Fig. 4 mit einer modifizierten
Meßanordnung zeigt;
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Fig. 8 eine Ansicht an der Linie VIII-VIII in Fig. 6 ist;
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Fig. 9 eine isometrische Ansicht einer Komponente der Fig. 7
und 8 ist;
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Fig. 10 einen Kolben mit einer alternativen Meßanordnung
zeigt; und
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Fig. 11 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform
einer Koordinatenmeßmaschine ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Der größte Teil der folgenden Beschreibung betrifft
Koordinatenmeßmaschinen (CMMs), die Erfindung ist aber auch auf Werkzeugmaschinen
anwendbar. Somit kann der Aufbau der Maschine für eine
Werkzeugmaschine verwendet werden, und die beschriebenen Werkstückmeßverfahren
können durch Austausch des üblichen Schneidewerkzeugs gegen eine
geeignete Sonde und/oder einen geeigneten Sondenkopf auf einer
Werkzeugmaschine verwendet werden. In ähnlicher Weise ist die Beschreibung
auch auf Abtastmaschinen anwendbar, die zur Abtastung oder
Digitalisierung der Oberflächenkonturen eines Werkstückes konstruiert sind; und
sind auf Roboter; auf Maschinen zur Herstellung von Prototypen; auf
Positionierungsvorrichtungen; und auf Flugsimulatoren, etc. anwendbar.
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Wie in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigt ist, umfaßt die Maschine einen
dreieckigen Basisaufbau 11 mit drei Eckelementen 10, die durch drei steife
Streben 12 starr miteinander verbunden sind. Selbstverständlich sind andere
Wege zur Bildung eines starren Basisaufbaues möglich, wie beispielsweise
die Ausbildung der Eckelemente 10 an dreieckig beabstandeten Orten auf
einem steifen Tisch, beispielsweise aus Granit.
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Oberhalb der Basis ist ein anderer dreieckiger Rahmen 15 beabstandet,
der drei Eckelemente 14 umfaßt, die durch steife Streben 16 starr
miteinander verbunden sind. Dieser dreieckige Aufbau 15 ist als ein Spiegelbild
der dreieckigen Basis 11 so orientiert, daß die Draufsicht von Fig. 1 einem
Davidstern oder Hexagramm ähnelt.
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Der obere dreieckige Aufbau 15 ist oberhalb des Basisaufbaues 11 mittels
sechs kraftbetriebenen, ausfahrbaren Beinen oder Kolben 18 (in den Fig. 1
und 2 nur als gestrichelte Linien gezeigt) gelagert. Jedes Eckelement 10 ist
mit zwei benachbarten Eckelementen 14 durch jeweilige Kolben 18
verbunden und umgekehrt. Die Kolben 18 können herkömmliche
hydraulische Kolben sein, aber vorzugsweise verwenden sie Reibungsantriebe, wie
unten in bezug auf Fig. 4 beschrieben ist. Es ist auch möglich, daß eine
manuell betätigte Maschine ausfahrbare Beine aufweist, die nicht
fremdbetrieben sind.
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Der obere dreieckige Aufbau 15 besitzt sechs Bewegungsfreiheitsgrade
relativ zu der Basis 11. Durch Betätigung der einzelnen Kolben 18 in bezug
zueinander auf eine geeignete Art und Weise kann der Aufbau 15 im
Ganzen entlang einer der drei senkrechten Achsen X, Y, Z verschoben werden.
Ferner kann durch geeigneten Betrieb der Kolben 18 der Aufbau 15 auch
um eine der drei Achsen X, Y, Z gekippt oder gedreht werden. Es können
beispielsweise Kipp- oder Drehbewegungen bis zu ± 45º um jede Achse
vorgesehen werden. Diese Translations-, Kipp- und Drehbewegungen
können computergesteuert ausgeführt werden, wobei der Computer mit
den erforderlichen Algorithmen zur Steuerung jedes einzelnen Kolbens 18
auf die erforderliche Art und Weise programmiert ist, um den
gewünschten Bewegungstyp zu erzeugen.
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Ein Sondenkopf 20 ist starr an den oberen dreieckigen Aufbau 15
gekoppelt. Es ist erwünscht, daß er an den sowohl starren als auch leichten
Aufbau so gekoppelt sein sollte, daß sich der Sondenkopf 20 mit dem
Rahmenaufbau 15 im Ganzen mit der mindest möglichen Ablenkung
infolge von Trägheit bewegen kann, wenn der Aufbau Beschleunigungs- oder
Verzögerungsbewegungen unterzogen wird. Bei der in den Fig. 1-3
gezeigten Ausführungsform umfaßt der Rahmenaufbau 15 einen räumlichen
Rahmen aus dreieckig verbundenen Streben. Der Sondenkopf 20 ist an
dem Scheitel eines umgedrehten Tetraeders angeordnet, das aus drei
Streben 22 gebildet ist, die von weiteren drei Streben 24 abhängig sind.
Die Streben 24 sind in einem Dreieck angeordnet und bilden die Basis
sowohl dieses Tetraeders als auch die eines anderen, sich aufwärts
erstreckenden Tetraeders, das aus Streben 26 zusammengesetzt ist. Drei
Streben 28 verbinden die Ecken des Dreieckes aus Streben 24 direkt mit
den Verbindungselementen 14. Drei weitere Streben 30 bilden einen
Überbau, der den Scheitel des oberen Tetraeders mit den
Verbindungselementen 14 verbindet.
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Es ist gezeigt, daß die beiden durch die Streben 22, 24, 26 gebildeten
Tetraeder einen starren, leichten, räumlichen Rahmen bilden. Die sechs
Streben 28, 30 bilden die kinematisch erforderliche Mindestanzahl, um
den Ort dieses Doppel-Tetraeders relativ zu den Verbindungselementen 14
zu definieren. Selbstverständlich können alle Streben 16, 22-30 aus
Gewichtsgründen rohrförmig ausgebildet sein.
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Der Sondenkopf 20 trägt eine Sonde 32 mit einem Taster 34, der mit
einem Werkstück in Kontakt treten kann. Um zu ermöglichen, daß die
Sonde 32 in ungünstige Orte gelangen kann, beispielsweise in die Bohrung 38
des in Fig. 2 gezeigten Werkstückes 40, kann sie über einen
Verlängerungsarm 36 an dem Sondenkopf 20 befestigt sein. Die Sonde 32 kann
von einem beliebigen gewünschten Typ sein. Beispielsweise kann sie eine
Berührungsauslösesonde sein oder sie kann eine Abtast- oder
Analogmeßsonde sein (welche die Ablenkung des Tasters 34 mißt, die durch
Kontakt mit der Werkstückoberfläche erzeugt wird). Alternativ dazu kann
die Sonde 32 durch eine Nicht-Kontakt-Sonde, wie beispielsweise eine
optische Abtastsonde z. B. vom Lasertriangulationstyp ersetzt sein. Der
Sondenkopf 20 ist vorzugsweise vom Zwei-Wege-Gelenktyp, wie beispielsweise
der Typ PH 10M, der von der vorliegenden Anmelderin Renishaw erhältlich
ist.
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Nun wird der Aufbau der Kolben 18 diskutiert.
Diese können einfach herkömmliche hydraulische Kolben, wie bereits
erwähnt, sein. Ein bevorzugter Aufbau ist jedoch in Fig. 4 gezeigt. Die
Verbindungselemente 10 des Basisaufbaus 11 sind mit zwei kugelförmigen
Lagern (vorzugsweise Luftlagern) versehen, von denen eines für jeden der
Kolben 18 vorgesehen ist, die mit dem Element 10 verbunden sind. Jedes
kugelförmige Luftlager umfaßt eine allseitig drehbare Kugel 44, an der ein
rohrförmiges Gehäuse 46 befestigt ist. Ein rohrförmiges Kolbenelement 48
gleitet teleskopartig innerhalb des Gehäuses 46 und innerhalb einer
Zentralbohrung 50 durch die Kugel 44. An dem freien Ende des rohrförmigen
Elementes 48 ist eine weitere Kugel 52 vorgesehen, die in einem
kugelförmigen Luftlager 90 des entsprechenden Verbindungselementes 14 des
sich bewegenden Aufbaus 15 aufgenommen ist.
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Das rohrförmige Element 48 wird teleskopartig in das Gehäuse 46 und die
Bohrung 50 und aus diesen heraus mittels eines Reibungsantriebes 55
getrieben. Dieser umfaßt eine motorisierte Antriebsrolle 54 und eine
gegenüberliegende Gegenrolle 56, wobei beide mit dem rohrförmigen
Element 48 in Eingriff stehen, so daß eine Drehung der motorisierten
Antriebsrolle 54 das Element 48 ausfährt oder zurückzieht. Die Gegenrolle
56 kann ein Paar von Stabilisierungsrollen 58 aufweisen, um einen
richtigen Reibungseingriff sicherzustellen.
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Der in Fig. 4 gezeigte Kolbenaufbau ist wesentlich leichter und billiger, als
ein hydraulischer Kolben, und ist deshalb bevorzugt, da die in der
vorliegenden Maschine vorliegenden Lasten wesentlich kleiner sind, als bei
(beispielsweise) einer Werkzeugmaschine.
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Es ist selbstverständlich erforderlich, den Ort und die Orientierung des
sich bewegenden Aufbaus 15 zu messen, um die Koordinaten jedes
Punktes auf einer Werkstückoberfläche bestimmen zu können, wenn sie
durch die Sonde 32 erfaßt wird. Dies kann durch die Ausbildung einer
Skala und eines Lesekopfes in oder an jedem der sechs Kolben 18 erreicht
werden. Es sei aus den Prinzipien der Kinematik angemerkt, daß sechs
lineare Messungen, die zwischen einzelnen Punkten an dem feststehenden
Aufbau 11 zu einzelnen Punkten an dem sich bewegenden Aufbau 15
genommen sind, ausreichend sind, um die Position und Orientierung des
sich bewegenden Aufbaues genau bestimmen zu können, da der Aufbau
sechs Bewegungsfreiheitsgrade aufweist. Es kann erforderlich sein, daß
die Abstände zwischen den einzelnen Punkten an dem feststehenden
Aufbau und zwischen den einzelnen Punkten an dem sich bewegenden
Aufbau bekannt sind; oder daß alternativ dazu jede Position und Orientierung
des sich bewegenden Aufbaus auf den entsprechenden Satz von sechs
linearen Messungen vorkalibriert oder zugeordnet ist. Derartige
Betrachtungen können in die Algorithmen einbezogen werden, mittels denen die
Kolben computergesteuert betrieben werden.
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Es wird von uns jedoch bevorzugt, sechs Interferometer anstelle von sechs
Skalen und Leseköpfen zu verwenden. Fig. 4 zeigt eine mögliche
Anordnung, bei der eine lichtemittierende und -detektierende Einheit 60 des
Interferometers an dem Bodenende des Gehäuses 46 angeordnet ist. Ein
Retro-Reflektor 62 ist an einer Halterung 92 innerhalb des kugelförmigen
Luftlagers 90 vorgesehen und ist in bezug auf den sich bewegenden
Aufbau 15 fest angeordnet. Der Retro-Reflektor 62 sollte von einem Typ wie
beispielsweise einem Katzenaugen-Retro-Reflektor sein, der einen
Lichtstrahl aus einem breiten Winkelbereich empfangen und diesen in der
entgegengesetzten Richtung zurück zu der lichtemittierenden und
-detektierenden Einheit 60 zurückführen kann. Der breite Winkelbereich sollte so
gewählt sein, daß alle möglichen Winkel angepaßt werden, die zwischen
dem Kolben 18 und dem sich bewegenden Aufbau 15 auftreten können.
Der Retro-Reflektor 62 sollte an der Halterung 92 so befestigt sein, daß er
an oder nahe dem Drehzentrum der Kugel 52 in dem Luftlager 90
angeordnet ist. Die Kugel 52 besitzt eine konisch erweiterte Bohrung 94, durch
welche der Lichtstrahl zu dem Retro-Reflektor gelangt. Die konische
Erweiterung dieser Bohrung 94 paßt den Bereich der Winkelbewegung der
Kugel 52 ohne Zusammenstoßen mit der Halterung 92 und dem Retro-
Reflektor 62 an.
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Im Gebrauch sind alle sechs Interferometer 60 in einem Servokreis
verbunden, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Jedes Interferometer 60 führt sein Signal
zu einer Computersteuereinheit 63, die auch den entsprechenden
Reibungsantrieb 55 steuert. Die Computersteuerung 63 betreibt ein
Programm zur computernumerischen Steuerung (CNC-Programm) zur
Steuerung der erwünschten Bewegung der Sonde 32. Der Computer umfaßt
auch die erforderlichen Algorithmen, die oben erwähnt wurden und jede
erwünschte Position und Orientierung der Sonde 32, die durch das CNC-
Programm angewiesen wird, in Anforderungssignale für jeden der
Reibungsantriebe 55 umwandeln, um den erforderlichen Ausfahrbetrag der
entsprechenden Kolben 18 zu erzeugen. Die Interferometer 60 messen den
somit erzeugten Ausfahrbetrag in jedem Kolben und führen diesen
zurück, so daß die Steuerung 63 jeden Kolben in die erforderliche Position
einstellen kann.
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Es ist nicht erforderlich, daß die Interferometer 60 so nahe den Kolben 18
zugeordnet sind, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Tatsächlich kann es erwünscht
sein, daß sie nicht so zugeordnet sein sollen. Wenn die Interferometer wie
in Fig. 4 gezeigt angeordnet sind, werden sie durch irgendwelche
Ablenkungen der Kolben 18 oder der Lager beeinflußt, in denen sie an jedem
Ende befestigt sind, und können somit die tatsächliche Position des sich
bewegenden Aufbaus 15 nicht genau wiedergeben.
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Gemäß eines anderen bevorzugten Merkmales der vorliegenden Erfindung
sind deshalb sechs Nachführungsinterferometer 64 an dem feststehenden
Aufbau 11 benachbart der Lager für entsprechende Kolben 18 befestigt,
wie in Fig. 2 gezeigt ist. Sechs entsprechende Retro-Reflektoren 66 sind an
dem sich bewegenden Aufbau 15 benachbart der gegenüberliegenden
Enden der Kolben 18 befestigt. Die Interferometer 64 und Reflektoren 66
sollten in stabilen Positionen befestigt sein, in denen es nicht möglich ist,
daß sie durch unbeabsichtigte Ablenkungen im Gebrauch beeinflußt
werden können. Jedes Nachführungsinterferometer 64 führt den Abstand zu
seinem entsprechenden Retro-Reflektor 66 nach und mißt diesen, und
aus den sechs erhaltenen linearen Messungen kann die
Computersteuerung 64 die Position und Orientierung des sich bewegenden Aufbaues
berechnen, der die Sonde 32 umfaßt.
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Ggf. können weitere Nachführungsinterferometer zwischen den
feststehenden und sich bewegenden Aufbauten vorgesehen sein. Die
zusätzlichen Abstandsmessungen, die diese bilden, können das Erfordernis
vermeiden, daß die Abstände zwischen einzelnen Interferometern 64 und
zwischen einzelnen Reflektoren 66 bekannt sein müssen oder können das
Erfordernis einer Vorkalibrierung oder Zuordnung der Positionen und
Orientierungen des sich bewegenden Aufbaues beseitigen. Siehe
beispielsweise das U. S. Patent Nr. 4,457,625, bei dem die Position eines einzelnen
Punktes durch drei Interferometer nachgeführt wird, die Vorkehrung eines
vierten Nachführungsinterferometers aber derartige
Vorkalibrierungsschritte vermeidet.
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Bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung von Interferometern und Reflektoren
64, 66 bleibt jeder Interferometerstrahl ungefähr parallel zu einem der
Kolben 18. Es ist deshalb nicht möglich, daß er gebrochen wird, wenn
sich der bewegende Aufbau bewegt. Eine Befestigung der Interferometer
und Reflektoren 64, 66 an relativ stabilen Teilen der feststehenden und
sich bewegenden Aufbauten hat zur Folge, daß die Wahrscheinlichkeit der
Beeinflussung durch Ablenkungen der Kolben 18 und der Lager, in denen
die Kolben befestigt sind, geringer ist. Fig. 6 veranschaulicht eine weitere
Entwicklung davon. Die Streben des sich bewegenden Aufbaus 15 sind in
einem weiteren räumlichen Rahmenaufbau 68 verdoppelt. Der weitere
räumliche Rahmen 68 ist mit dem sich bewegenden Aufbau 15 nur an
dem Sondenkopf 20 verbunden. Er ist so leicht und starr wie möglich
konstruiert, um so die geringst möglichen Trägheitsablenkungen zu
erfahren, wenn der Sondenkopf 20 beschleunigt. Die Retro-Reflektoren 66 sind
an dem doppelten räumlichen Rahmen 68 befestigt.
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Da der doppelte Rahmen 68 nur wenig oder gar keine
Trägheitsablenkungen erfährt, sehen die Interferometerausgänge nun ein sehr genaues Maß
der Position und des Ortes des Sondenkopfes 20 und der befestigten
Sonde 32 vor. Die Messungen sind durch irgendwelche Ablenkungen in den
Streben 16, 22-30 des sich bewegenden Aufbaus 15 gänzlich
unbeeinflußt. Sollten Ablenkungen in diesem sich bewegenden Aufbau auftreten,
wirkt die Servowirkung der Steuerung 64, um die Reibungsantriebe 55 auf
eine solche Art und Weise zu betätigen, daß die korrekte Position und
Orientierung des Sondenkopfes 20 und der Sonde 32 trotz derartiger
Ablenkungen sichergestellt ist.
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Selbstverständlich kann der doppelte räumliche Rahmen 68 ggf.
vereinfacht werden, beispielsweise dadurch, daß nur die Streben 16, 20 und 30
verdoppelt sind. Ein derartig vereinfachter doppelter Rahmen kann dann
mit den lasttragenden Tetraederstreben 24, 26 der in Fig. 2 gezeigten
Maschine auf die gleiche Weise, wie die lasttragenden Streben 28, 30
verbunden sein.
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Die Fig. 7-9 zeigen einen Kolben 18 gemäß Fig. 4, aber mit einer
modifizierten Meßanordnung. Benachbart der Luftlagerkugel 44 des Kolbens 18
ist ein weiteres kugelförmiges Luftlager 70 vorgesehen. Dies trägt ein
kurzes rohrförmiges Gehäuse 72, das die Interferometerkomponente 60 von
Fig. 4 umfaßt. Oberhalb der Kugel 44 besitzt das Gehäuse 46 des Kolbens
18 eine kurze Verlängerung 46'. Ein Parallelogramm-Verbindungselement
74 ist an jedem der Gehäuse 72, 46' gelagert, wodurch sichergestellt wird,
daß sich das Gehäuse 72 zusammen mit den Bewegungen des Kolbens 18
bewegt. Somit ist der Interferometerstrahl von dem Interferometer 60
in
nerhalb des Gehäuses 72 stets an einen Retro-Reflektor 66 gerichtet, der
an dem Element 14 des sich bewegenden Aufbaues benachbart der
Luftlagerkugel 52 des Kolbens 18 befestigt ist.
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Da das Parallelogramm-Verbindungselement 74 stets bewirkt, daß das
Interferometer 60 an den Retro-Reflektor 66 gerichtet ist, besteht kein
Bedarf für die teuren Schwenkspiegelanordnungen eines
Nachführungsinterferometers, wie bei 64 in den Fig. 2 und 6 gezeigt ist.
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Das Parallelogramm-Verbindungselement 74 sollte so ausgebildet sein,
daß es das Gehäuse 72 dazu zwingt, allen erlaubten Kippbewegungen des
Kolbens 18 zu folgen. Wie in den Fig. 8 und 9 gezeigt ist, kann dies durch
Verwendung eines Kanalabschnittes zur Steifigkeit erreicht werden. Somit
umfaßt das Element 74 zwei Seiten 76 des Kanalabschnittes, die durch
einen Steg 75 verbunden sind. Die Seiten 76 besitzen verlängerte
Abschnitte 77 an jedem Ende, die geringfügig elastisch sind, und jeweils ein
dreieckiges Loch 78 umfassen. Kugeln 80 sind an diametral
gegenüberliegenden Lagerpunkten an jedem der Gehäuse 72, 46' befestigt. Die Kugeln
80 können aus einem harten Material, beispielsweise synthetischem
Rubin, gefertigt sein. Im Gebrauch werden die verlängerten Endabschnitte 77
der Seitenelemente 76 über die Kugeln 80 geschnappt, wie in Fig. 8 gezeigt
ist, wobei eine Kugel 80 in jedes der dreieckigen Löcher 78 einrückt. Dies
ergibt einen äußerst genauen Drei-Punkt-Kontakt zwischen jeder Kugel 80
und jedem Loch 78, wobei sichergestellt ist, daß das Parallelogramm-
Verbindungselement 74 an den Gehäusen 72, 46' ohne Spiel gelagert ist.
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Selbstverständlich können für das Parallelogramm-Verbindungselement
74 andere Konstruktionen in Betracht gezogen werden. Beispielsweise
kann es durch zwei parallele Streben ersetzt werden, die den
Seitenelementen 76 entsprechen. Diese Streben können durch eine oder zwei
diagonale Streben verbunden sein, um die erforderliche Quersteifigkeit
anstelle des Steges 75 des Kanalabschnittelementes 74 zu schaffen. Anstatt
der dreieckigen Löcher 78 können Lager, deren Genauigkeit einstellbar ist,
vorgesehen sein, welche die entsprechenden Kugeln 80 lagern.
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Selbstverständlich kann Fig. 7 auf anderen Wegen modifiziert sein.
Beispielsweise besteht kein Bedarf, daß das Lager 70 an dem Gehäuse 72
identisch mit dem Lager 44 für den Kolben 18 ist. Da es nur sehr leicht
belastet ist, ist ein einfacheres Lager möglich. Es ist auch möglich, andere
Lager anstelle von Luftlagern zu verwenden. Ferner kann der Retro-
Reflektor 66, wie in Fig. 6 gezeigt ist, an einem doppelten Rahmen 68
befestigt sein. Es ist jedoch bei der genauen Positionierung und Größe dieses
Retro-Reflektors darauf zu achten, daß sichergestellt wird, daß er
weiterhin den Interferometerstrahl von dem Interferometer 60 empfängt, sogar,
wenn der sich bewegende Aufbau 15 Trägheitsablenkungen erfährt.
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Fig. 10 zeigt eine Modifikation der Anordnung von Fig. 7. Hier kann der
Kolben 18 ein herkömmlicher hydraulischer Kolben sein, der für in
Werkzeugmaschinen übliche Lasten geeignet ist. Parallel zu dem Kolben 18 ist
ein Paar von teleskopartig ineinanderpassenden Gehäusen 82, 84
vorgesehen. Eine interferometerlichtemittierende und -detektierende Einheit 60
ist an einem Ende des Gehäuses 84 in Verbindung mit dem
Aufbauelement 10 befestigt. Ein Retro-Reflektor 62 ist an dem Zentrum eines
kugelförmigen Elementes 96 befestigt, das an dem Aufbauelement 14 des
sich bewegenden Aufbaues befestigt ist. Das kugelförmige Element 96
bildet einen Teil eines kugelförmigen Lagers 97 (beispielsweise eines
Luftla
gers), durch welches das obere Ende des Gehäuses 82 in einer allseitig
schwenkbaren Art und Weise an dem Element 14 befestigt ist.
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Das Interferometer 60, 62 mißt die Länge zwischen den Enden der
Gehäuse 82, 84, wenn sie sich teleskopartig verschieben, anstelle einer Messung
der Länge des Kolbens 18, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Dies ist wesentlich
genauer, als die Anordnung von Fig. 4, da die Gehäuse 82, 84 nicht den
Ablenkungen unterzogen sind, die durch die Belastungen bewirkt werden,
welche der Kolben 18 und die Lager an jedem Ende des Kolbens 18
erfahren.
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Selbstverständlich werden, wenn der sich bewegende Aufbau gekippt wird,
die teleskopartig verschiebbaren Gehäuse 82, 84 zu dem Kolben 18 nicht
parallel bleiben und werden eine andere Länge als der Kolben 18
aufweisen. Das gleiche gilt in Fig. 7. Dennoch müssen die Algorithmen, die die
Position und Orientierung des sich bewegenden Aufbaues 15 berechnen,
nicht direkt auf die Längen der Kolben bezogen sein.
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Wenn es erwünscht ist, das Interferometer in den Kolben 18 einzubauen,
wobei die Gehäuse 82, 84 überflüssig werden, dann kann das
kugelförmige Lager 96, 97 mit seinem Retro-Reflektor 62 anstelle des Lagers 52, 90
von Fig. 4 verwendet werden.
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Fig. 11 zeigt eine andere Ausführungsform. Hier besitzt eine
Koordinatenmeßmaschine eine feststehende Basis 100, von der drei dreieckig
beabstandete aufrechte Stützen 105 emporragen. Die oberen Teile der
Stützen 105 sind durch Streben miteinander verbunden, wodurch ein
dreiec
kiger Rahmen 111 aufgebaut wird. Dies entspricht dem Basisrahmen 11
der Fig. 1-3.
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Unter dem feststehenden dreieckigen Rahmen 111 und zwischen den
Stützen 105 ist ein bewegbarer dreieckiger Rahmenaufbau 115
vorgesehen. Dies entspricht dem bewegbaren Rahmen 15 der Fig. 1-3. Wie
vorher ist der Rahmen 115 als ein Spiegelbild des Rahmens 111 angeordnet,
obwohl er selbstverständlich etwas kleiner ist. Jede Ecke des dreieckigen
Rahmens 115 ist mit zwei Ecken des feststehenden dreieckigen Rahmens
111 (und umgekehrt) durch sechs Kolben 118 verbunden. Dies kann auf
eine ähnliche Art und Weise wie bei den Kolben 18 in den Fig. 1-3
gesteuert werden, um den dreieckigen Rahmen 115 relativ zu dem
feststehenden Rahmen 111 zu positionieren und zu orientieren. Wie vorher kann
der dreieckige Rahmen 115 entlang einer der drei Achsen X, Y, Z
verschoben werden, oder er kann um eine dieser Achsen gekippt oder gedreht
werden.
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Ein Sondenkopf 20 und eine Sonde 32 sind gleich denen, die in bezug auf
die Fig. 1-3 beschrieben sind. Der Sondenkopf 20 ist starr mit dem
dreieckigen Rahmen 115 durch drei Tetraederstreben 122 verbunden.
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Im Betrieb wird die Maschine von Fig. 11 auf eine ähnliche Art und Weise
wie die der Fig. 1-3 verwendet. Es können auch alle Meßanordnungen
und anderen Varianten, die oben beschrieben und in den Fig. I-10
gezeigt sind, in Verbindung mit der Maschine von Fig. 11 mit geeigneten
Modifikationen verwendet werden. Der Aufbau von Fig. 11 kann auch in
einer Werkzeugmaschine, einer Abtastmaschine, einem Roboter, einem
Flugsimulator, einer Positionierungsvorrichtung, einer Maschine zur
Herstellung von Prototypen, etc. verwendet werden.
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Die beschriebenen Ausführungsformen waren Hexapod-Maschinen mit
sechs ausfahrbaren Beinen oder Kolben 18. Die Erfindung ist jedoch
gleichermaßen auf Maschinen anwendbar, die eine größere oder kleinere
Anzahl von Beinen oder Kolben, beispielsweise drei aufweisen. Sie kann auch
in einzelnen Beinen oder Kolben verwendet werden.