DE69631144T2 - Verfahren zur nullstellung der aufnehmer eines tastkopfgerätes eines 3-d koordinaten messgerätes - Google Patents

Verfahren zur nullstellung der aufnehmer eines tastkopfgerätes eines 3-d koordinaten messgerätes Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Eingabevorrichtungen zur Schnittstellenverbindung mit Computersystemen und insbesondere auf Computereingabevorrichtungen, die räumliche Informationen eines dreidimensionalen Gegenstandes an Computersysteme liefern, die eine Darstellung des Gegenstandes bereitstellen, nämlich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Stand der Technik
  • Dreidimensionale (3D) Digitalisierung ist der Prozess des Abtastens eines dreidimensionalen Gegenstandes und des Erstellens einer dreidimensionalen Darstellung des Gegenstandes, welche in Form von digitalen Daten durch ein Computersystem manipuliert werden kann. Es können detaillierte und akkurate dreidimensionale Modelle durch Computersysteme erstellt und manipuliert werden, welche von Trickfilmzeichnern, Ingenieuren, Wissenschaftlern, Designern, Architekten und anderen, die ein realistisches dreidimensionales, manipulierbares Modell abgeleitet von einem realen, körperhaften Gegenstand benötigen, verwendet werden können.
  • Viele Arten von Vorrichtungen sind zur dreidimensionalen Digitalisierung von Gegenständen verfügbar. Bei einer geläufigen Art eines Digitalisierungsgerätes wird eine Tastkopfvorrichtung verwendet, wie ein Stift oder anderer Zeiger, um die Oberflächen eines dreidimensionalen Gegenstandes nachzuzeichnen und dabei die Daten der Raumkoordinaten des Gegenstandes an ein Hauptrechnersystem zu liefern. Das Hauptrechnersystem kann die Abtastvorrichtung abfragen, um einzelne Datenpunkte von verschiedenen räumlichem Koordinaten zu erhalten. Die Punkte können zusammengesetzt und als "Gitterdarstellung" gezeigt werden, was ein drahtrahmenartiges Modell ist, welches eine Anordnung von Spitzen mit Verbindungslinien oder Polygonen (typischerweise "Datensatz" genannt) umfasst. Ein realistisches, dreidimensional abgestuftes Modell kann von einem Computersystem ausgehend von der Gitterdarstellung eines Gegenstandes erstellt werden.
  • Bei einer geläufigen Art von Tastkopfgeräten werden mechanische Verbindungssysteme und Messfühler verwendet, um die Position des Stiftes oder anderen Tastkopfes, die den dreidimensionalen Gegenstand nachzeichnen, zu bestimmen. Der Stift ist an einem Ende einer Reihe von mechanischen Gestängen fest angebracht und das andere Ende der Gestängekette ist mit einer Basis verbunden, die an einer ortsfesten Oberfläche angebracht ist. Messfühler können in Gelenken der Gestängekette beinhaltet sein, um abzutasten, wie die relative Ausrichtung der Gestänge und somit der Stift mit Bezug auf die Basis angeordnet ist. Die Winkeldaten, die von den Messfühlern gelesen werden, können durch eine Mikroprozessorschnittstelle oder durch das Hauptrechnersystem zu Koordinatendaten umgewandelt werden. Solch ein System ist in der EP-A-0 640 902 offenbart.
  • Mit 3D-Digitalisierungsverfahren des Standes der Technik treten oft Probleme auf, weil der Benutzer beim Nachzeichnen eines zu digitalisierenden Gegenstandes zu eingeschränkt ist. Typischerweise wird der Benutzer dazu angehalten, den Gegenstand entlang bestimmter Gegenstandsoberflächen oder in einer bestimmten Richtung entlang der Oberflächen nachzuzeichnen. Dies kann oft zu Fehlern in der resultierenden Gitterdarstellung führen, wenn eine Oberfläche in der falschen Richtung nachgezeichnet wird oder Punkte nicht richtig verbunden werden. Darüber hinaus kann ein Benutzer die resultierende Gitterdarstellung oft nicht betrachten, bis der gesamte Gegenstand oder ein großer Teil des Gegenstandes von der Digitalisierungsvorrichtung nachgezeichnet ist. Das erlaubt die Einbringung von weiteren Fehlern in die Gitterdarstellung und bewirkt, dass mehr Zeit benötigt wird, um die Gitterdarstellungen zu korrigieren, da der Benutzer nicht sofort bestimmen kann, ob ein Punkt falsch übernommen wurde.
  • Es können bei der Anwendung von Verfahren und Vorrichtungen zur Digitalisierung von dreidimensionalen Gegenständen gemäß dem Stand der Technik auch andere Fehler passieren. Ein Benutzer könnte zum Beispiel einen Gegenstand, der erst teilweise digitalisiert wurde, bewegen oder drehen wollen, um an Gegenstandsoberflächen heranzukommen, die schwer zu erreichen sind. Der Gegenstand kann zum Beispiel auf einer Drehscheibe platziert werden, um den Vorgang des Drehens des Gegenstandes zu unterstützen. Sobald jedoch der Gegenstand einmal bewegt wurde, kann das Hauptrechnersystem keine Gitterdarstellung von der alten Position des Gegenstandes aus mehr entwickeln. Bei Digitalumsetzern gemäß dem Stand der Technik muss ein Benutzer zuerst drei oder mehr Punkte auf dem Gegenstand auswählen, den Gegenstand in die gewünschte neue Position bringen und dann dieselben drei oder mehr Punkte auf dem Gegenstand in der neuen Position wieder auswählen. Der Hauptrechner kann die Koordinaten unter Berücksichtigung der neuen Position des Gegenstands umwandeln und somit mit der Entwicklung der Gitterdarstellung fortfahren. Jedoch verursacht ein derartiges Vorgehen typischerweise Fehler in der Gitterdarstellung, da es schwierig ist, in der neuen Position des Gegenstandes wieder genau dieselben Punkte auszuwählen. Darüber hinaus ist die Ausführung eines derartigen Vorgehens zeitaufwändig und unterbricht den Digitalisierungsprozess in unzulässiger Weise.
  • Bei vielen Digitalisierungsgeräten gemäß dem Stand der Technik wird der Benutzer ferner durch die Gelenke der Gestängeanordnung eingeschränkt. Da Drähte durch die Gelenke gelegt sind, um elektrische Signale der daran angebrachten Messfühler zu leiten, beinhalten die Gelenke typischerweise Anschläge, welche die Bewegung eines Gelenks auf unter 360 Grad beschränken, um das Verdrehen und Dehnen der Drähte zu verhindern. Jedoch kann diese eingeschränkte Bewegungsmöglichkeit für den Benutzer beim Nachzeichnen eines Gegenstandes Unannehmlichkeiten verursachen, vor allem wenn eine Grenze eines Gelenks in einer bestimmten Richtung erreicht wird und eine weitere Bewegung des Stiftes in diese Richtung zum Nachzeichnen der Oberfläche des Gegenstandes erforderlich ist.
  • Es gibt weitere Probleme bei Digitalisierungsgeräten gemäß dem Stand der Technik. Da die Digitalisierungsgeräte den Gegenstand akkurat abtasten müssen, um gültige Koordinatendaten zum Computersystem zu liefern, ist die Kalibrierung der Messfühler der Anlagen von sehr großer Bedeutung, um die Abweichungen in der mechanischen Struktur der Gestänge und Gelenke zu kompensieren. Beim Stand der Technik wird die Kalibrierung typischerweise durch Platzieren des Stiftes oder einer anderen Tastkopfvorrichtung an bekannten Standorten im Raum und Aufzeichnung der Positionsablesungen an diesen bekannten Standorten vorgenommen. Abweichungen zwischen den bekannten Standorten und den gemessenen Positionsablesungen können als Fehlerparameter verwendet werden, um die Kalibrierungsparameter fein abzustimmen. Jedoch verlangt ein derartiges Kalibrierungsverfahren, dass bekannte Standorte definiert sind und dass der Stift akkurat auf jene bekannten Orte fixiert wird. Dies kann teure Präzisionsinstallationsteile erforderlich machen. Zusätzlich ist dieses Kalibrierungsverfahren langsam und bedächtig und kann ermüdend sein.
  • Zusätzlich können andere Initialisierungsvorgänge gemäß dem Stand der Technik schwerfällig oder zeitaufwändig sein. Bei Digitalisierungsgeräten werden oft weniger teure relative Messfühler verwendet, die eher einen Positionswechsel eines Gestänges des Digitalisierungsgerätes ermitteln als einen absoluten Winkel für die Position des Gestänges abzulesen. Bei der Verwendung derartiger Relativ-Messfühler wird ein "Nullstellungs"-Vorgang oft jedes Mal ausgeführt, wenn die Anlage angeschaltet wird, um Bezugsanfangswinkel für die Relativ-Messfühler bereitzustellen. Gemäß dem Stand der Technik kann die Nullstellung zum Beispiel durch Bewegen jedes einzelnen Gelenks bis zu einem Anschlag des Gelenks erfolgen und die Anfangswinkel werden an diesen Punkten "nullgestellt". Jedoch kann bei Digitalisierungsgeräten mit vier, fünf oder sechs Freiheitsgraden dieser Vorgang, jedes einzelne Gelenk jedes Mal zu bewegen, wenn die Anlage angeschaltet wird, sehr zeitaufwändig sein. Bei anderen Digitalisierungsgeräten wird eine "Ausgangsstellung" verwendet, um Anfangswinkel bereitzustellen. Der Stift wird in einer Aufnahme am Sockel des Gerätes platziert, so dass die Bezugsanfangswinkel für alle Messfühler bekannt sind, wenn das Gerät angeschaltet wird. Jedoch erfordert die Aufnahme für eine Ausgangsstellung auf dem Sockel des Geräts typischerweise einen größeren Sockel, der einen größeren Flächenbereich einer Lageroberfläche, wie einer Tischplatte bedeckt, was unpraktisch sein kann. Zudem gilt, je mehr Freiheitsgrade bei einem Digitalisierungsgerät vorhanden sind, desto mehr Gelenke müssen zwischen dem Sockel und dem Tastkopf nullgestellt werden. Je größer die Anzahl der nullzustellenden Gelenke ist, desto höher ist das Risiko, Fehler in den Nullstellungsvorgang einzubringen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Nullstellung der Aufnehmer eines Tastkopfgerätes eines dreidimensionalen (3D) Koordinaten-Messgerätes bereit, wie in Anspruch 1 definiert.
  • Das Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Nullstellung der Messfühler eines Tastkopfgerätes eines dreidimensionales Koordinaten-Messgerätes mit relativen Messfühlern, wie das Tastkopfgerät, beinhaltet die Platzierung des Stiftes (oder eines anderen Tastkopfes) in einer Aufnahme, die an einem der Gelenke oder einem der Gestänge des Tastkopfgerätes angeordnet ist. Diese Aufnahme hat vorzugsweise die Form einer kleinen Bohrung oder einer flachen Schablone. Der Gestängeschwenkarm kann, während der Stift in der Aufnahme platziert wird, nur in einer möglichen Anordnung sein; diese eine Anordnung ist als "Ausgangsstellung" bekannt. Dann wird eine Weisung zur Nullstellung der Messfühler des Tastkopfgerätes empfangen, wie z. B. Anschalten des Tastkopfgerätes. Die Anfangswinkel werden dann an die Messfühler übertragen, wenn das Tastkopfgerät in der Ausgangsstellung ist. Die Anfangswinkel liefern einen Nullwinkelbezug für die Messfühler des Tastkopfgerätes. Vorzugsweise wurden die Anfangswinkel vorher für das jeweilige Tastkopfgerät, das dem Nullstellungsvorgang unterzogen wird, kalibriert.
  • Die Merkmale der vorliegenden Erfindung ermöglichen ein genaueres, bequemeres und weniger teures Koordinaten-Messgerät und dreidimensionales Digitalisierungssystem als die Systeme gemäß dem Stand der Technik. Das Nullstellungsverfahren ist genauer und erlaubt in der Ausgangsstellung nur eine mögliche körperliche Anordnung des Tastkopfarms.
  • Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann beim Lesen der folgenden Beschreibung der Erfindung und Studieren der verschiedenen Figuren der Zeichnungen deutlich werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Mess- und Digitalisierungssystems;
  • 1a ist ein Blockdiagramm von Schnittstellenelektronik zur Verwendung mit dem Digitalisierungssystem von 1;
  • 2 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren zur Initialisierung und Verwendung des Digitalisierungssystems von 1 zeigt;
  • 3a ist ein Ablaufdiagramm, das einen Nullstellungsvorgang für das Tastkopfgerät des Digitalisierungssystems zeigt;
  • 3b ist ein Ablaufdiagramm, das einen alternativen Nullstellungsvorgang zu dem Vorgang in 3a zeigt;
  • 4 ist eine perspektivische Ansicht des Tastkopfgerätes von 1 in einer Ausgangsstellung;
  • 4a ist eine Detailansicht des Ausschnitts zum Festhalten des Stiftes in der Ausgangsstellung;
  • 5 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Kalibrierungsvorgang für das Tastkopfgerät von 1 zeigt;
  • 6 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Initialisierungsvorgang einer Rotationsplatte und einer Auswahlpalette zeigt;
  • 7 ist eine perspektivische Ansicht der Rotationsplatte;
  • 8 ist eine Draufsicht der Auswahlpalette;
  • 9 ist eine perspektivische Ansicht eines zu digitalisierenden Gegenstands;
  • 10 ist eine Diagrammansicht einer Gitterdarstellung des Gegenstandes, der in 9 gezeigt wurde;
  • 11 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Vorgang zur Entwicklung einer Gitterdarstellung zeigt, wie sie in 10 gezeigt ist;
  • 12 ist ein Ablaufdiagramm, das den Schritt von 11 zum Erstellen von Dreiecken in einer Gitterdarstellung zeigt;
  • 13 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel einer Gitterdarstellung, wie im Vorgang von 11 entwickelt, zeigt;
  • 14 ist ein Ablaufdiagramm, das den Schritt von 12 zum Einfügen von Dreiecken zwischen zwei Konturlinien der Gitterdarstellung zeigt;
  • 15a, 15b, 15c, 15d und 15e sind Diagramme, die das Verfahren der 12 zum Hinzufügen von Dreiecken unter Verwendung der Gitterdarstellung von 13 zeigen;
  • 16 ist ein Diagramm, das die Normalvektoren für Dreiecke, die zur Gitterdarstellung hinzugefügt werden, zeigt;
  • 17 ist ein Ablaufdiagramm, das den Schritt von 11 zum Abschließen der Gitterdarstellung zeigt;
  • 18a und 18b sind Diagramme einer Gitterdarstellung, die den Vorgang von 17 zum Abschließen einer Gitterdarstellung zeigen;
  • 19 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Anordnung der Gestängeanordnungen zeigt, die beim Tastkopfgerät von 1 verwendet werden;
  • 20 ist ein schematisches Diagramm, welches das Verfahren von 19 zeigt; und
  • 21a und 21b sind Front- und Seitenansichten eines Mehrstufenanschlag-Gelenkes der vorliegenden Erfindung zur Verwendung mit dem Tastkopfgerät von 1.
  • Beste Arten zur Ausführung der Erfindung
  • In 1 umfasst ein Digitalisierungssystem 10 zum Messen eines dreidimensionalen (3D) Gegenstandes und Bereitstellen einer Darstellung des dreidimensionalen Gegenstandes in einem Computersystem ein Tastkopfgerät 12, eine Rotationsplatte 14, eine elektronische Schnittstelle 16 und einen Hauptrechner 18. Ein dreidimensionaler Gegenstand 20 ist auf einer Rotationsplatte 14 liegend gezeigt. Das dargestellte Digitalisierungssystem 10 ist darauf ausgerichtet, eine hochgenaue Darstellung des Gegenstandes 20 zu liefern, die der Hauptrechner 18 anzeigen, herausgeben, kopieren, an andere Computersysteme weiterliefern oder auf sonstige Art und Weise manipulieren kann.
  • Das Tastkopfgerät 12 wird bereitgestellt, um einem Benutzer zu erlauben, Standortinformationen des Gegenstandes 20 zu messen und an den Hauptrechner 18 zu liefern. Wie es dem Fachmann hinlänglich bekannt ist, kann ein Tastkopf, mit welchem ein dreidimensionaler Gegenstand, wie Gegenstand 20, nachgezeichnet wird, Koordinateninformationen liefern, welche die dreidimensionale Geometrie des Gegenstandes 20 beschreiben. Beim bevorzugten Tastkopfgerät wird diese Koordinateninformation durch Verwendung von Messfühlern geliefert, die betriebsfähig sind, Messungen der Positionen des Tastkopfgerätes bei der Bewegung zu verschiedenen Standorten in Bezug auf den festen Sockel vorzunehmen. Dies wird im Folgenden detaillierter beschrieben.
  • Das Tastkopfgerät 12 beinhaltet vorzugsweise einen Stift-Tastkopf 22 und eine mechanische Gestängeanordnung 25. Der Stift 22 ist ein stiftähnlicher Stab, der zwischen den Fingern eines Benutzers gehandhabt werden kann, um einen feinen Grad der Steuerung des Tastkopfgerätes zu erlauben. Der Stift 22 beinhaltet eine Spitze 23, welche zur Verweisung auf die Lage eines Punktes, auf welchen das Tastkopfgerät zeigt, verwendet wird. Andere Tastköpfe als der Stift 22 können in anderen Ausführungen verwendet werden. Zum Beispiel kann ein geschwungener, eckiger, handgriffartiger oder handflächengeformter Stift oder andere Arten von einem Tastkopf verwendet werden.
  • Der Stift 22 ist mit einer mechanischen Gestängeanordnung 25 gekoppelt. Die Gestängeanordnung 25 (oder "Arm") beinhaltet vorzugsweise Gelenkglieder 24, 26 und 28, Gestänge 30, 32 und 34 und einen Sockel 33. Der Sockel 33 beinhaltet vorzugsweise auch ein Sockelgelenk 35, welches den Sockel und das Gestänge 34 verbindet. Der Stift 22 ist mit dem Gestänge 30 durch das Gelenkglied 24 verbunden und das Gestänge 30 ist mit dem Gestänge 32 durch Gelenkglied 26 verbunden. Das Gestänge 32 ist mit dem Sockel 33 durch das Gelenkglied 28 verbunden. Der Ausdruck "Gelenkglied", wie hier verwendet, bezieht sich auf einen Verbindungsmechanismus zwischen einzelnen Gestängekomponenten, die mindestens ein "Gelenk" beinhalten, das einen Freiheitsgrad bereitstellt. Der Sockel 33 ist vorzugsweise auf einer Lagerfläche 37, wie einer Tischplatte, sicher platziert oder befestigt.
  • Jedes Gelenkglied 24, 26, 28 und 35 stellt einen oder mehr Freiheitsgrade für den Stift 22 innerhalb des dreidimensionalen Koordinatenraums bereit, der durch die x-Achse 36, y-Achse 38 und z-Achse 40 in Bezug auf den befestigten Sockel 33 definiert ist. Zum Beispiel beinhaltet das Gelenkglied 24 zwei Gelenke, die dem Stift 22 erlauben, sich um die Achse A1 zu bewegen, wie durch Pfeile 42 gezeigt, und sich um die Achse A2 zu bewegen, wie durch Pfeile 44 gezeigt. Vorzugsweise können das Gelenkglied 24 und der Stift 22 um die Achse A2 gedreht werden, während das Gestänge 30 im Gelenkglied 26 befestigt bleibt. Das Gelenkglied 26 beinhaltet ein Gelenk, das dem Stift 22, dem Gelenkglied 24 und dem Gestänge 30 erlaubt, sich um die Achse A3 zu bewegen, wie durch Pfeile 46 gezeigt. Das Gelenkglied 28 beinhaltet zwei Gelenke, die dem Stift 22, den Gelenkgliedern 24 und 26 und den Gestängen 30 und 32 erlauben, sich um die Achse A4 zu bewegen, wie durch Pfeile 48 gezeigt und um die Achse A5, wie durch Pfeile 50 gezeigt. Das Gelenkglied 28 beinhaltet eigentlich ein Glied 31, welches sich um die Achse A4 dreht und ein Glied 34, welches vom Sockel 33 durch das Gelenk 35 getrennt wird und sich dreht, um der Gestängeanordnung 23 zu erlauben, sich in Bezug auf Sockel 33 zu drehen. Das Gelenk 35 erlaubt den Gelenkgliedern 24, 26 und 28, den Gestängen 30 und 32 und dem Stift 22, sich um die Achse A5 zu bewegen. Der Stift 22 des bevorzugten Tastkopfgerätes 12 kann so in fünf Freiheitsgraden um die Achsen A1–A5 bewegt werden.
  • In anderen Ausführungen können zusätzliche Freiheitsgrade hinzugefügt werden. Zum Beispiel kann der Stift 22 um eine Achse A6 gedreht werden, die parallel zur Längsrichtung des Stiftes angeordnet ist, um einen sechsten Freiheitsgrad zur Verfügung zu stellen. Umgekehrt können dem Stift 22 in einigen Ausführungen auch weniger Freiheitsgrade zur Verfügung gestellt werden, wenn nicht mehr als drei oder vier Freiheitsgrade notwendig sind.
  • Die Gestängeanordnung besitzt einzigartige Funktionsmerkmale. Das Gelenkglied 28 beinhaltet zwei Gelenke und stellt zwei Freiheitsgrade um die Achsen A4 und A5 bereit. Das Gelenkglied 26 ist von den anderen Gelenkgliedern durch die Gestänge 30 und 32 isoliert und stellt nur einen Freiheitsgrad um die Achse A3 bereit. Das Gelenkglied 24 beinhaltet zwei Gelenke, wobei jedes dem Stift 22 jeweils einen Freiheitsgrad um die Achsen A1 und A2 bereitstellt. Somit weist die Gestängeanordnung folgenden Aufbau auf: zwei Gelenke, Gestänge, ein Gelenk, Gestänge, zwei Gelenke. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Gestänge 30 und 32 sich nicht um eine Längsachse durch das Zentrum eines jeden Gestänges drehen müssen, das heißt, das Gestänge 30 dreht sich nicht um die Achse A2 und das Gestänge 32 dreht sich nicht um eine Achse A7, die sich der Länge nach durch das Zentrum des Gestänges 32 erstreckt. Die Gestänge 30 und 32 sind somit starr mit dem Gelenkglied 26 bzw. Gelenkglied 28 verbunden und daran befestigt. Da die Gestänge 30 und 32, wie beschrieben, sich nicht drehen müssen, bringen irgendwelche Exzentrizitäten (Schwingungen, Krümmungen, Verwindungen etc.) im Gestänge 30 und 32 somit keine Fehler in die Abtastung des Stiftes 22 ein, wenn der Stift 22 bewegt wird.
  • Zusätzlich beinhaltet das Glied 31 des Gelenkgliedes 28 vorzugsweise ein gewichtsbelastetes Ende 29. Ein schweres Material, wie Blei oder ein anderes Metall, ist im Ende 29 enthalten, um die Balance zur Gestängeanordnung 23 zu halten. Wenn das Ende 29 richtig beschwert ist, bleibt das Gelenkglied 26 (der "Ellbogen" des Arms) in einer ganz ausgestreckten Stellung nicht so leicht "stecken" wie wenn das Ende 29 nicht beschwert ist, das heißt, dass das Gewicht die Gestängeanordnung ausbalanciert, so dass es einfacher ist, das Gelenk 26 aus der ausgestreckten Position zu bewegen. Die ausgestreckte Stellung tritt auf, wenn die Gestänge 30 und 32 ungefähr in einer geraden Linie angeordnet sind. Das beschwerte Ende 29 erlaubt es auch, den Stift 22 innerhalb des Arbeitsraumes leichter zu bewegen.
  • Vorzugsweise sind Messfühler 54 (oder ähnliche Arten von Aufnehmern) in den Gelenkgliedern 24, 26, 28 und 35 enthalten, um die Winkelveränderung der Gestänge nach dem Anschalten des Tastkopfgerätes 12 zu messen. Dabei bezieht sich der Ausdruck "Position" auf die lineare Koordinatenposition der Spitze 23 des Stifts 22 entlang der x-Achse 36, y-Achse 38 und z-Achse 40 in Bezug auf einen Ursprung O am Sockel 33. Zum Beispiel besitzt jeder Punkt im Raum eine einzigartige Position mit x-, y- und z-Koordinaten. Der Ausdruck "Ausrichtung", wie hier verwendet, bezieht sich auf das Verdrehen, Neigen und Gieren des Stiftes 22 in einer bestimmten Position in Bezug auf den Ursprung am Sockel 33. Zum Beispiel kann die Spitze 23 des Stiftes 22 in einer Position (x, y, z) sein, während der Stift 22 eine bestimmte Ausrichtung hat, die einen Winkel beinhaltet, der durch Gier- und Neigungs-Koordinaten definiert wird und einen Spinimpuls, der durch eine Schlinger-Koordinate bestimmt wird. Jeder der Aufnehmer liefert deshalb vorzugsweise Winkelpositionssignale oder "Ringsignale" für einen der Freiheitsgrade des Geräts.
  • Ein Messfühler 54a ist vorzugsweise im Gelenkglied 24 enthalten, zwei Messfühler 54b und 54c sind im Gelenkglied 26 enthalten, ein Messfühler 54d ist im Gelenkglied 28 enthalten, und ein Messfühler 54e ist im Sockel 33 (oder Glied 34) enthalten. Der Messfühler 54b ist vorzugsweise mit dem Gelenkglied 24 durch ein Gelenkrohr 55 verbunden, das durch das Innere des Gestänges 30 geführt ist. Auf diese Weise dreht sich, wenn das Gelenkglied 24 um die Achse A2 gedreht wird, auch das Gelenkrohr 55, und diese Drehung wird von dem Messfühler 54b erfasst. Die Position des Messfühlers 54b im Gelenkglied 26 erlaubt dem Gelenkglied 24 so klein wie möglich zu sein, wodurch der Stift 22 vom Benutzer bequemer gehandhabt werden kann. Ein zusätzlicher Messfühler kann im Gelenkglied 24 enthalten sein, um die Bewegung von Stift 22 um eine Achse A6 in anderen Ausführungen zu messen. Alternativ dazu, um das Gelenkglied 24 so klein wie möglich zu halten, kann dieser zusätzliche Messfühler im Gelenkglied 26 angebracht werden und mit Kabeln oder Gelenkrohren ähnlich dem Gelenkrohr 55 mit dem Stift 22 verbunden werden. Die Messfühler können in anderen Ausführungen an anderen Standorten der Gestängeanordnung 23 platziert werden. Die Messfühler 54 sind vorzugsweise relative optische Codeumsetzer zum Messen der Drehwinkelveränderung eines Messfühlergelenkrohrs, das mit einer besonderen Achse A1–A5 ausgerichtet ist, wie es dem Fachmann hinlänglich bekannt ist. Ein passender Messfühler 54 ist zum Beispiel ein optischer Codeumsetzer, der von Hewlett Packard hergestellt wird. Alternativ dazu können andere Messfühler verwendet werden, wie absolute Codeumsetzer, Kompensatoren, magnetische Messfühler etc., genau wie Messfühler, die eher eine lineare Bewegung als eine Winkeldrehung erfassen.
  • Ein Benutzer kann die Konturen, Kanten und Oberflächen des Gegenstandes 20 mit dem Stift 22 "nachzeichnen", um die Positions- und Ausrichtungsinformationen des Stiftes an den Hauptrechner 18 weiterzugeben, das heißt der Benutzer kann den Gegenstand 20 digitalisieren". Hierin bezieht sich "nachzeichnen" auf die Kontaktierung der Spitze 23 des Stiftes 22 mit einer Oberfläche des Gegenstandes 20 und Bewegen des Stiftes entlang der Oberfläche. Die Messfühler 54 des Tastkopfgerätes übertragen relative Winkelausrichtungen der Gestängeanordnung 25 und des Stiftes 22, wenn der Stift zum Hauptrechner 18 bewegt wird, was die Winkelinformationen in Koordinaten und in eine Gitterdarstellung (eine Art der geometrischen Darstellung) der abgetasteten Oberfläche umwandelt. Verfahren zum Nachzeichnen eines Gegenstandes mit einem Stift für einen derartigen Zweck sind dem Fachmann hinlänglich bekannt und mit Bezug auf 9 detaillierter beschrieben.
  • Das Tastkopfgerät 12 kann für eine Menge verschiedener anderer Anwendungen als die Digitalisierung von 3D-Objekten verwendet werden. Zum Beispiel kann eigentlich jedes Gerät, das einen Gegenstand räumlich vermisst und die Koordinateninformation an einen Hauptrechner weitergibt, mit der Rotationsplatte 14 verwendet werden.
  • Die Rotationsplatte 14 ist auf der Lagerfläche 37 innerhalb des Arbeitsraums des Tastkopfgerätes 12 gelagert, wobei der "Arbeitsraum" hier als das gesamte Volumen definiert wird, welches das Tastkopfgerät 12 umgibt und durch die Spitze 23 des Stifts 22 erreicht werden kann. Andere Arten von 3D-Messgeräten haben Arbeitsräume, die durch das erreichbare Volumen eines Tastkopfelements, das den Gegenstand kontaktiert, definiert wird. Die Rotationsplatte ist vorzugsweise so platziert, dass die gesamte Platte 14 im Arbeitsraum enthalten ist. Überdies kann bei anderen Ausführungen die Rotationsplatte 14 mit dem Sockel 33 des Tastkopfgerätes 12 verbunden sein, was ausführlicher mit Bezug auf 6 erläutert wird.
  • Die Rotationsplatte 14 beinhaltet eine Drehscheibe 60 und einen Plattensockel 62. Die Drehscheibe 60 kann um eine Achse B1 gedreht werden, wie durch Bezugszeichen 64 angezeigt wird, während der Plattensockel 62 ortsfest an seinem Platz bleibt. Der Gegenstand 20 liegt auf einer Oberfläche der Drehscheibe 60 und ist vorzugsweise durch Schnüre, Kleber, Schrauben oder andere Befestigungsmittel mit der Oberfläche verbunden, um zu verhindern, dass sich der Gegenstand in Bezug auf die Drehscheibe 60 bewegt. Zusätzlich gibt die Rotationsplatte 14 Signale auf einer Vielfachleitung 66 an eine Schnittstellenverbindung 16 oder an den Hauptrechner 18 aus, die jede Veränderung des Standortes des Gegenstandes 20 um die Achse B1 anzeigen. Dies wird mit Bezug auf 6 detaillierter beschrieben. Die Rotationsplatte 14 erlaubt einem Benutzer, den Gegenstand 20 so zu verschieben, dass der Gegenstand in einem besseren Winkel zum Nachzeichnen mit dem Stift 22 steht. Zum Beispiel, falls der Gegenstand 20 einige Oberflächen aufweist, die mit der Spitze 23 des Stifts 22 schwer zu kontaktieren sind, kann der Gegenstand durch die Drehscheibe 60 um die Achse B1 bewegt werden, bis die gewünschte Oberfläche des Gegenstands für den Stift 22 zugänglicher ist. Das Bewegen des Gegenstandes 20 auf der Rotationsplatte verursacht keine Fehler in weiteren Koordinatenmessungen des Gegenstandes 20.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die Rotationsplatte 14 mit einer großen Vielfalt von dreidimensionalen Digitalisierungsgeräten verwendet werden kann. Eigentlich kann jedes Gerät, das einen Gegenstand räumlich ausmisst und die Messwertinformationen an einen Hauptrechner sendet, mit der Rotationsplatte 14 verwendet werden.
  • Ein Fußpedal 68 ist vorzugsweise mit dem Tastkopfgerät 12 durch eine Vielfachleitung 70 verbunden. Das Fußpedal 68 beinhaltet ein Aktivierungspedal 71 oder eine ähnliche Steuerung, wie einen Knopf, Schalter etc. Das Fußpedal 68 ist vorzugsweise unter oder neben der Lagerfläche 37 platziert, um einem Benutzer des Tastkopfgerätes 14 den Zugang zu dem Pedal leicht zu machen. Wenn das Fußpedal 68 von einem Benutzer aktiviert wird, werden die relativen Winkel, die von den Messfühlern 54 aus einer Bezugsposition abgelesen werden, vom Hauptrechner 18 abgelesen und der Hauptrechner berechnet die momentane Position und Ausrichtung des Stiftes 22 und der Spitze 23 unter Verwendung der Winkelinformationen. Position und Ausrichtung sind durch einen Koordinaten-"Punkt" ausgedrückt, das heißt ein Satz von x-, y-, z-, Verdrehungs-, Neigungs- und Gier-Koordinaten. Das Fußpedal ist bequem platziert, so dass ein Benutzer seinen Fuß benutzen kann, um das Pedal zu aktivieren. Der Benutzer muss so seine Hände nicht vom Stift 22 oder vom Tastkopfgerät 12 wegnehmen, wenn er Koordinateninformationen zum Hauptrechner 18 sendet. Alternativ dazu kann das Fußpedal 68 als Knopf oder Schalter vorgesehen sein, der am Stift 22, an einem anderen Ort der Gestängeanordnung 25, auf der Rotationsplatte 14 oder als separate Handsteuerung platziert ist. Das Fußpedal 68 kann auch an das Tastkopfgerät 12 und separat an den Hauptrechner 18 oder an die Schnittstelle 16 angeschlossen sein, oder es könnte auch über die Rotationsplatte 14 mit dem Hauptrechner verbunden sein. Ein Verfahren zum Digitalisieren des Gegenstandes 20 unter Verwendung des Fußpedals 68 wird mit Bezug auf 11 detaillierter beschrieben.
  • Die Elektronikschnittstelle 16 ist mit dem Tastkopfgerät 12 durch eine Vielfachleitung 72 verbunden. Bei der bevorzugten Ausführung ist die Schnittstelle 16 im Außenmantel des Sockels 33 (oder des Gliedes 34) des Tastkopfgerätes enthalten. Alternativ dazu kann die Schnittstelle 16 für das Tastkopfgerät 12 sowie den Hauptrechner 18 extern vorgesehen sein, oder die Schnittstelle kann innerhalb des Hauptrechners 18 vorgesehen sein. Bei der bevorzugten Ausführungsart besitzt die Schnittstelle 16 eine Ein-Ausgabe-(I/O)-Vorrichtung, um Winkel von Messfühlern 54 des Tastkopfgerätes 12 zu empfangen und diese Winkel an den Hauptrechner 18 zu senden sowie die Befehle des Hauptrechners 18 an das Tastkopfgerät 12 zu senden. Alternativ dazu kann die Schnittstelle 16 Koordinatendaten, die aus den Ausgangswinkeldaten berechnet wurden, an den Hauptrechner 18 senden. Die Schnittstelle 16 kann auch Befehle des Fußpedals 68, der Rotationsplatte 14 oder anderer Knöpfe und/oder Steuerungen des Tastkopfgeräts 12 empfangen. Die Schnittstelle 16 ist mit Bezug auf 1a detaillierter beschrieben.
  • Der Hauptrechner 18 empfängt Koordinatendaten vom Tastkopfgerät 12, welche den Gegenstand 20 beschreiben. Der Computer 18 verwendet die Koordinatendaten, um eine Darstellung des Gegenstandes 20 zu entwickeln. In der beschriebenen Ausführungsform kann der Computer zum Beispiel eine hochgenaue bildliche Darstellung des Gegenstandes 20 formen und darstellen, "Gitter"-Darstellung genannt, die präzise Messungen, Winkel und andere räumliche Informationen beinhaltet. Ein Hauptrechner beinhaltet vorzugsweise Standardkomponenten wie einen Mikroprozessor, einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Festspeicher (ROM), Eingabe/Ausgabe-Elektronik und Speichervorrichtungen wie ein Festplattenlaufwerk, CD-ROM-Laufwerk etc. Vorzugsweise ist der Hauptrechner 18 ein Personalcomputer oder eine Arbeitsstation, wie ein IBM-PC AT oder Macintosh Personalcomputer, oder eine SUN oder Silicon Graphics Arbeitsstation. Gewöhnlich ist das Hauptrechnersystem ein Personalcomputer, der unter den Betriebssystemen MS-DOS oder Windows in Übereinstimmung mit einem IBM-PC-AT-Standard arbeitet.
  • Der Hauptrechner 18 ist vorzugsweise mit einem Bildschirm 76 verbunden, der dazu verwendet werden kann, dem Benutzer eine Gitterdarstellung 78 des Gegenstandes 20 anzuzeigen. Die Gitterdarstellung wird mit Bezug auf 10 detaillierter gezeigt. Die Gitterdarstellung 78 kann angezeigt werden, wenn der Benutzer den Gegenstand 20 nachzeichnet, so dass der Benutzer zunehmend sehen kann, wie der Gegenstand im Computersystem 18 dargestellt wird. Dies hilft einem Benutzer, Nachzeichnungsfehler sofort beim Entstehen zu erkennen, anstatt dass er warten muss, bis der gesamte Gegenstand nachgezeichnet ist und dann eine resultierende Gitterdarstellung ansieht. Dieses bevorzugte Verfahren ist mit Bezug auf 11 detaillierter beschrieben.
  • Der Bildschirm 76 zeigt einem Benutzer vorzugsweise auch eine Schnittstelle zu einem Betriebssystem, das vom Hauptrechner 18 implementiert wird. Software kann auf dem Hauptrechner 18 ausgeführt werden, so dass dem Benutzer auf dem Bildschirm 76 Befehle gezeigt werden, um ihm verschiedene Auswahlmöglichkeiten beim Nachzeichnen eines Gegenstandes, Eingeben von Koordinaten, Darstellen der Gitterdarstellung oder eines umrisshaften Modells von der Gitterdarstellung abgeleitet etc. zu geben, wie es dem Fachmann hinlänglich bekannt ist.
  • Ein Cursor oder Zeiger 77, der vom Betriebssystem oder dem Anwendungsprogramm, das auf dem Computersystem 18 läuft, angezeigt wird, wird vorzugsweise angezeigt, um auf Funktionen zum Manipulieren der dargestellten Gitterdarstellung oder auf Funktionsmerkmale des Tastkopfgerätes 12 und der Rotationsplatte 14 zuzugreifen. Der Zeiger kann üblicherweise durch eine Eingabezeigervorrichtung wie eine Maus, Rollkugel, Sensortastenfeld oder Ähnliches verändert werden. In der vorliegenden Erfindung kann der Stift 22 des Tastkopfgerätes 12 vorzugsweise auch als Steuerungszeiger 77 verwendet werden. Wenn der Stift durch den 3D-Raum bewegt wird, kann der Hauptrechner die Positionsdaten für den Stift 22 empfangen und die Daten in zweidimensionale Koordinaten umwandeln. Der Hauptrechner 18 würde dann den Zeiger 77 zu diesen zweidimensionalen Koordinaten bewegen, wie es dem Fachmann hinlänglich bekannt ist. Die Umwandlung von 3D-Koordinaten in 2D-Koordinaten kann einfach durch Weglassen einer dritten Koordinate, wie die z-Koordinate, durchgeführt werden; oder alle drei Koordinaten können durch die Projizierung der Daten in eine gegebene Ebene in 2D-Koordinaten umgewandelt werden. Das Fußpedal 71 kann ebenso wie eine Maus oder eine andere Zeigevorrichtungsschaltfläche verwendet werden. Die Steuerung des Zeigers 77 durch den Stift 22 kann als Modus verwirklicht werden, in welchem der Benutzer auswählen kann, ob er sich im Computercursorsteuerungsmodus oder im 3D-Nachzeichnungsgittermodus befindet. Diese Modi können durch eine Software, die auf dem Hauptrechner 18 läuft, durch Befehl in einem Betriebssystem oder durch Verwendung einer Auswahlpalette 80 (unten beschrieben) ausgewählt oder verschränkt werden.
  • Die Auswahlpalette 80 stellt eine Kollektion von Auswahlbereichen 82 innerhalb der Palette 80 dar, die Auswahlmöglichkeiten, Befehle und andere Funktionen, die sich auf das Tastkopfgerät 12 und den Hauptrechner 18 beziehen, beschreiben. Diese Funktionen sind vorzugsweise unter Verwendung einer Software, die auf dem Hauptrechner 18 läuft, implementiert; jedoch können die Funktionen auch auf einem Steuerungs-Mikroprozessor im Tastkopfgerät 12 oder einer anderen angeschlossenen Steuerungseinheit oder einem Computersystem für das Digitalisierungssystem 10 implementiert sein. Die Palette 80 besitzt vorzugsweise eine dünne, planare Form mit einer flachen Oberfläche und besteht aus einem Material wie Kartenmaterial, Kunststoff oder einem anderen dauerhaften Material. Alternativ dazu kann die Palette 80 geradlinig, würfelförmig oder in einer anderen dreidimensionalen Form sein, die eine flache Oberfläche besitzt, um Auswahlbereiche 82 anzuzeigen. Die Auswahlbereiche 82 können Hinweise wie Wortbefehle beinhalten, zum Beispiel "Starte neues Gitter" genauso wie Symbole, Formen und andere Bilder. Wenn ein Benutzer die Spitze 43 des Stiftes 22 auf oder über einen Auswahlbereich der Palette 80 bewegt, wird eine Funktion des Tastkopfgerätes 12 oder eine Steuersoftware, die auf dem Hauptrechner 18 läuft, ausgeführt. Wenn der Benutzer zum Beispiel den Stift 22 auf ein Quadratsymbol mit der Beschriftung "Gitter sichern" bewegt, wird das dreidimensionale Gitter, das momentan auf dem Bildschirm 76 gezeigt wird, auf einer an den Hauptrechner 18 angeschlossenen Speichervorrichtung gespeichert, z. B. einer Festplatte. Wie unten mit Bezug auf 8 beschrieben wird, können andere Befehle ausgewählt werden, um ein Gitter zu löschen, ein neues Gitter zu starten, ein Gitter aus einer Speichervorrichtung zu laden, ein Gitter zu kopieren, Modi des Tastkopfgerätes 12 wie den sog. "Autotrigger"-Modus (im Folgenden beschrieben) auszuwählen etc.
  • Eine separate Abtastvorrichtung wie die herkömmliche Art eines berührungsempfindlichen Tabletts, das zum Erkennen eines Stiftes verwendet wird, ist nicht mit der Palette 80 gekoppelt, um die Funktionen oder Befehle, auf welche mit dem Stift 22 gezeigt wird, zu bestimmen. Dies verhält sich so, weil die Position und Ausrichtung der Spitze 43 des Stiftes 22 in Bezug auf den Sockel 33 dem Hauptrechner 18 durch die Messfühler 54 des Tastkopfgerätes 12 schon bekannt sind. Der Bereich, der durch die Palette 80 im Arbeitsraum des Tastkopfgerätes 12 bestimmt wird, wird vorzugsweise in einem Einrichtungsvorgang für das Tastkopfgerät 12 initialisiert, welcher die Position und Ausrichtung der Palette in Bezug auf den festen Sockel (beschrieben mit Bezug auf 6 und 8) bestimmt. Die Palette und die Standorte der Auswahlbereiche 82 werden im Installationsvorgang definiert, so dass wenn die Spitze 43 des Stiftes 22 auf diese definierten Auswahlbereiche zeigt, der Hauptrechner 18 eine festgelegte Funktion für diesen Auswahlbereich implementiert. Dies stellt ein sehr bequemes Verfahren für den Benutzer bereit, um Befehle während des Nachzeichnens des Gegenstandes 20 auszuwählen, da der Benutzer nicht eine separate Eingabevorrichtung manipulieren muss, wie eine Maus oder eine Rollkugelvorrichtung, und nicht einen Cursorbildschirm betrachten und bewegen muss. Der Benutzer kann einfach den Stift 22 auf den gewünschten Befehl führen. Palette 80 wird in 1 an der Lagerfläche 37 angebracht gezeigt. Die Palette 80 kann auch zum Beispiel an dem Sockel 33 oder dem Gestänge 34 des Tastkopfgerätes 12, der Rotationsplatte 14 oder einer anderen passenden Oberfläche innerhalb des Arbeitsraums des Tastkopfgeräts 12 mit einer bekannten Lage in Bezug auf den Sockel 33 angebracht sein.
  • 1a ist ein Blockdiagramm, das eine bevorzugte Elektronikschnittstelle 16 für das Digitalisierungssystem 10 zeigt, dargestellt in 1. Die Schnittstellenverbindung 16 beinhaltet vorzugsweise einen Mikroprozessor 86, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 88, einen Festspeicher (ROM) 90 und eine Eingabe-Ausgabe-(I/O)-Schaltung 92. Der Mikroprozessor 86 empfängt digitale Signale von den Messfühlern 54 des Tastkopfgerätes und liefert Winkeldaten an den Hauptrechner 18 und kann auch Befehle vom Hauptrechner 18 entgegennehmen.
  • Alternativ dazu kann der Mikroprozessor 86 auch Koordinatendaten aus den Winkeldaten berechnen. Der RAM 88 kann einen Speicher für Buchhaltungs- und Zeitdaten bereitstellen. Der ROM 90 speichert Befehle, denen der Mikroprozessor 86 folgt, und kann zum Beispiel ein löschbarer, programmierbarer Festspeicher sein (EPROM). Der ROM 90 speichert vorzugsweise auch Kalibrierungsparameter und andere Parameter, wie im Folgenden beschrieben. Mikroprozessor 86, RAM 88 und ROM 90 können miteinander durch einen Adress/Daten/Steuerbus 87 verbunden sein. Vorzugsweise sind diese Komponenten alle in einem Mikroprozessor-Chip integriert, wie der Motorola 68HC11, dessen Verwendung dem Fachmann hinlänglich bekannt ist.
  • Die I/O-Schaltung 92 ist mit dem Bus 87 gekoppelt und kann verschiedene Schaltungen und Prozessoren für die Verwendung mit dem Tastkopfgerät 12 beinhalten. Messfühler 54, Peripheriegeräte 94 und der Hauptrechner 18 sind mit der I/O-Schaltung 92 gekoppelt. Die I/O-Schaltung 92 kann Prozessoren zur Umwandlung von digitalen Messfühler-Informationen in Winkelveränderungen und zum Senden dieser Winkelinformationen an den Mikroprozessor 86 beinhalten, genauso wie andere Messfühler-Schnittstellenschaltungen. Zum Beispiel können Quadraturzähler wie der Quadratur-Chip LS7166 von Hewlett Packard verwendet werden, um die Ausgabe eines optischen Codeumsetzer-Messfühlers kontinuierlich zu lesen und eine Winkelveränderung bei der Messfühlerposition zu bestimmen. Der Mikroprozessor 86 kann dann die Gelenkwinkel an den Hauptrechner 18 liefern oder die Winkel in die räumliche Lage des Stifts umwandeln.
  • Es können auch andere Arten von Schnittstellenschaltungen verwendet werden. Zum Beispiel wird eine elektronische Schnittstelle in der US-Patentanmeldung Nr. 08/092,974 vom 16. Juli 1993 mit dem Titel " Mechanische 3D-Maus" beschrieben, die auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen wurde. Die elektronische Schnittstellenverbindung, die darin beschrieben wird, wurde für die mechanische 3D-Maus PROBETM von Immersion entworfen und besitzt sechs Kanäle, die den sechs Freiheitsgraden der PROBE von Immersion entsprechen.
  • Die Peripheriegeräte 94 sind auch mit der I/O-Schaltung 92 gekoppelt und beinhalten das Fußpedal 71, die Rotationsplatte 14 (in einigen Ausführungen) und irgendwelche anderen Knöpfe oder andere Eingabevorrichtungen, die dem Tastkopfgerät 12 Informationen eingeben. Die Peripheriegeräte 94 können auch irgendwelche Ausgabevorrichtungen beinhalten, die an das Tastkopfgerät gekoppelt sind, wie Lichter, Lautsprecher, Anzeigen etc. Der Hauptrechner 18 ist auch an die I/O-Schaltung 92 gekoppelt. In der bevorzugten Ausführung verbindet ein serieller Anschluss des Computersystems 18, wie ein RS-232-Anschluss, die I/O-Schaltung mit dem Computersystem 18. Alternativ dazu kann ein paralleler Anschluss des Hauptrechnersystems 18 an die I/O-Schaltung 92 oder an eine Einsteckkarte und Steckplatz oder einen anderen Zugang des Computersystems 18 gekoppelt werden.
  • 2 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren 100 zur Initialisierung und Verwendung des Tastkopfgerätes 12 und der Rotationsplatte 14 und die Entwicklung einer Gitterdarstellung des Gegenstandes 20 zeigt, welcher vom Hauptrechner 18 manipulierbar ist. Der Prozess setzt voraus, dass der Benutzer das Tastkopfgerät 12 und die Rotationsplatte 14 mit dem Hauptrechner 18 und der Schnittstelle 16 verbunden hat. Der Vorgang 100, wie beschrieben, zeigt eine Beispielfolge, um die enthaltenen Schritte auszuführen. In anderen Ausführungen können diese Schritte in anderen Reihenfolgen ausgeführt werden oder einige Schritte ausgelassen werden.
  • Der Prozess beginnt bei 102, und bei Schritt 104 werden die Messfühler des Tastkopfgerätes 12 vorzugsweise "nullgestellt", so dass sich die Messfühler auf eine bekannte relative Ausrichtung der Gestänge und Gelenkglieder des Tastkopfgerätes beziehen können. Ein derartiges Verfahren ist typischerweise nötig, wenn relative Messfühler verwendet werden, wie in der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Relative Messfühler messen nur Veränderungen in der Winkeldrehung (oder Verschiebung), einen absoluten Winkel nicht. Der Nullstellungsvorgang liefert Bezugswinkel für die Messfühler, welche die Messfühler als Bezugspunkt, von welchem aus sie messen können, verwenden können. Der bevorzugte Nullstellungsvorgang der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 3a und 3b detaillierter beschrieben.
  • Im nächsten Schritt 106 wird das Tastkopfgerät 12, falls nötig, kalibriert. Typischerweise wird dieser Schritt vom Hersteller des Tastkopfgerätes 12 durchgeführt, bevor das Tastkopfgerät für den Benutzer verfügbar ist, und somit wird der Schritt 106 gewöhnlich ausgelassen, wenn ein typischer Benutzer das Tastkopfgerät verwendet. Jedoch ist es möglich, dass das Tastkopfgerät körperlich überlastet wird, so dass Gestänge oder Gelenke verbogen werden oder in anderer Weise bezüglich anderer Gestänge verschoben werden und somit Fehler bei der Messung verursachen. Das Tastkopfgerät könnte dann erneut in Schritt 106 kalibriert werden. Ein bevorzugter Kalibrierungsvorgang der vorliegenden Erfindung für das Tastkopfgerät 12 (oder andere 3D-Tastkopfgeräte) wird mit Bezug auf 5 detaillierter beschrieben.
  • Im nächsten Schritt 108 wird die Position und Ausrichtung der Rotationsplatte 14, falls sie verwendet wird, mit Bezug auf den Ursprung am Sockel 33 festgelegt. Dieser Schritt erlaubt der Schnittstelle 16 und/oder dem Hauptrechner 18, die Rotationsplatte auf das Tastkopfgerät zu beziehen. Wenn die Rotationsplatte 14 vom Benutzer gedreht wird, kann der Hauptrechner 18 dann den Positions- und Ausrichtungswechsel des Gegenstandes 20 bestimmen und kompensieren, so dass der Benutzer mit dem Nachzeichnen des Gegenstandes an dem neuen Standort fortfahren kann, ohne Fehler in die Gitterdarstellung 78 einzubringen, die auf dem Bildschirm 76 gezeigt wird. Zusätzlich kann die Position und Ausrichtung der Auswahlpalette 80 in Bezug auf den Sockel 33 in Schritt 108 gefunden werden, falls die Palette verwendet wird. Schritt 108 wird mit Bezug auf 6 detaillierter beschrieben.
  • Im nächsten Schritt 110 wird eine Gitterdarstellung 78 des Gegenstandes 20 im Hauptrechnersystem 18 entwickelt, wenn der Gegenstand mit Stift 22 des Tastkopfgerätes 12 nachgezeichnet wird. Der Benutzer zeichnet die Oberflächen des Gegenstandes 20 vorzugsweise entlang sich nicht überschneidenden Konturlinien nach, wie im Folgenden beschrieben. Die Datenpunkte werden an den Hauptrechner 18 geliefert, wenn mit dem Stift nachgezeichnet wird, und die 3D-Gitterdarstellung wird aus den Datenpunkten entwickelt. Ein bevorzugtes Verfahren zur Entwicklung einer 3D-Gitterdarstellung eines 3D-Gegenstandes wird mit Bezug auf 11 detaillierter beschrieben. Schritt 108 kann viele Male mit verschiedenen Gegenständen 20 oder demselben Gegenstand 20 durchgeführt werden, ohne nochmals die Schritte 104–108 ausführen zu müssen (außer das Tastkopfgerät wird abgeschaltet). Der Vorgang 100 ist dann bei 112 komplett.
  • 3a ist ein Ablaufdiagramm, welches den Schritt 104 von 2 zeigt, in welchem die Messfühler des Tastkopfgerätes 12 "nullgestellt" werden. Dieser Prozess setzt voraus, dass relative Messfühler in den Gelenkgliedern 24, 26 und 28 des Tastkopfgerätes 12 verwendet werden. Relative Messfühler, wie relative optische Codeumsetzer sind typischerweise weniger teuer und somit den absoluten Messfühlern wie absolute Kodiereinrichtungen, Potentiometer und Koordinatenwandler vorzuziehen. Da relative Messfühler nur Veränderungen der Winkeldrehung oder -verschiebung messen, wird ein absoluter Winkel abgeleitet. Bei diesem Vorgang sind Ausgangsbezugswinkel gegeben, so dass absolute Winkel von relativen Veränderungen der Winkel abgeleitet werden können. Der Prozess des Bestimmens der Ausgangsbezugswinkel ist als "Nullstellung" der Messfühler bekannt, da der bekannte Ausgangsbezugswinkel typischerweise als 0 Grad (oder gleichwertig) angesehen wird und alle Winkelveränderungen bezüglich des Nullwinkels behandelt werden.
  • Der bevorzugte Nullstellungsvorgang der vorliegenden Erfindung beginnt bei 114, in welchem das Tastkopfgerät 12 noch nicht angeschaltet ist. In Schritt 116 wird der Stift 22 vom Benutzer in einer "Ausgangsstellung" platziert, indem er in einer Aufnahme platziert wird, welche sich vorzugsweise am ersten Gelenk oder Gestänge des Tastkopfgerätes nach dem Sockel 33 befindet. Dieses Gelenk/Gestänge ist das Glied 34 des Gelenkgliedes 28 des Tastkopfgeräts 12, gezeigt in 1. Die Ausgangsstellung ist eine Standardposition, in welcher die Verbindungen der Gestängeanordnung 23 des Tastkopfgeräts immer mit bekannten, festgelegten Anfangswinkeln zueinander und zum Sockel 33 bereitgestellt werden. Ein Beispiel einer Ausgangsstellung ist in 4 dargestellt.
  • 4 ist eine perspektivische Ansicht des Tastkopfgerätes 12, wobei das Tastkopfgerät 12 in einer Ausgangsstellung der vorliegenden Erfindung ist. Der Stift 22 wurde in einer Öffnung 122 auf einem Anschlag 124 platziert, wobei der Anschlag 124 mit dem Glied 34 verbunden ist, wie mit Bezug auf 4a genauer gezeigt wird. Der Anschlag 124 hindert das Gelenkglied 28 daran, sich an einem bestimmten Punkt der Achse A4 vorbeizudrehen. Wenn sich der Stift 22 in der Öffnung 122 befindet, dann sind das Gestänge 32, das Gestänge 30 und der Stift 22 an bekannten "Anfangswinkeln" platziert. Das heißt, es wird vorausgesetzt, dass der Stift in der Öffnung 122 platziert wurde und dass sich die Gestängeanordnung in dieser Ausgangsstellung befindet, wenn das Tastkopfgerät angeschaltet wird. Jedes Gelenkglied 24, 26 und 28 befindet sich in einer bestimmten Ausgangsposition und weist einen bekannten Anfangswinkel auf. Diese Anfangswinkel werden als Nullposition für die Messfühler des Tastkopfgerätes 12 angesehen. Wenn der Stift 22 von einem Benutzer bewegt wird, wird die Winkelveränderung der Gestängeanordnung 23 ausgehend von den Anfangswinkeln der Ausgangsstellung von den Messfühlern 54 abgelesen. Jede neue Position des Stiftes 22, wird, nachdem sie abgetastet wurde, bezogen auf die Winkelveränderung von der Ausgangsstellung definiert. Die Winkelveränderungen können dann in Koordinatenwerte umgewandelt werden.
  • Die Ausgangsstellung der 4 ist insbesondere so angeordnet, dass der Stift 22 nur in die Öffnung 122 passen kann, wenn die Ausgangsstellung, dargestellt in 4, durch die Gestängeanordnung 23 übernommen wird, das heißt es gibt nur eine mögliche körperliche Anordnung der Gestängeanordnung, wenn der Stift 22 in der Öffnung 122 platziert ist. So kann der Stift 22, wenn zum Beispiel das Gestänge 24 um 180 Grad um die Achse A2 gedreht wird, nicht in die Öffnung 22 passen. Dies verhindert unerwünschte Anordnungen der Gestängeanordnung, die den Gelenken des Tastkopfgerätes andere Winkel als die vorausgesetzten Anfangswinkel bereitstellen.
  • In der vorliegenden Erfindung ist der Stift 22 in einer Öffnung des Gliedes 34 platziert, das am nächsten und ein Gelenk vom Sockel 33 entfernt ist. Dies hat den Vorteil, dass der Messfühler 54e in der Ausgangsstellung nicht enthalten ist und ihm kein vorausgesetzter Anfangswinkel zugewiesen werden muss. Je weniger Gelenkwinkel vorausgesetzt werden, desto weniger Fehler können in den Nullstellungsvorgang eingebracht werden. Auch kann die Gestängeanordnung 23 um die Achse A5 gedreht werden, ohne die Ausgangsstellung des Tastkopfgerätes 12 zu beeinträchtigen. Das Glied 34 befindet sich nicht an einem bekannten Anfangswinkel; jedoch ist es nicht nötig, den Anfangswinkel für das Glied 34 bezüglich des Sockels 33 zu kennen, da der Winkel in Bezug auf die Lagerfläche 37 oder andere Bereiche außerhalb des Tastkopfgerätes 12 für die Nullstellung des Messfühlers nicht erforderlich ist. Das Glied 34 kann somit passend in jedem Winkel bezüglich des Sockels 33 platziert werden und dieser Winkel wird als Nullwinkel betrachtet.
  • Rückbezüglich auf 3a wird im nächsten Schritt 118 das Tastkopfgerät 12 angeschaltet. Der Benutzer kann zum Beispiel einen Netzschalter betätigen, der am Sockel 33 des Tastkopfgerätes 12 platziert ist. Normale Kalibrierungsparameter für die Tastkopf-Gestänge-Längen etc., wie in Bezug auf 5 beschrieben, können auch durch das Anschalten geladen werden. Im nächsten Schritt 120 liest die Schnittstelle 16 (oder der Hauptrechner 18) die kalibrierten Anfangswinkel von einer Internspeicher- oder Speichervorrichtung, wie EPROM 90, des Tastkopfgerätes 12 ab und weist die kalibrierten Anfangswinkel den momentanen Positionen der Gelenke zu. Die kalibrierten Anfangswinkel sind fein abgestimmte Anfangswinkel, die leichte herstellungsbedingte Abweichungen in den Gestängen und Gelenken des Tastkopfgerätes kompensieren. Zum Beispiel kann ein Tastkopfgerät generell an den gewünschten Winkeln platziert werden, kann aber ein paar Grad oder Bruchteile eines Grades von den gewünschten Anfangswinkeln weg platziert werden (zum Beispiel wegen der herstellungsbedingten Verschiedenheit). Um eine größere Genauigkeit beim Digitalisieren eines 3D-Gegenstandes zu gewährleisten, werden die kalibrierten Anfangswinkel eines Tastkopfarms in einer Speichervorrichtung eines jeden Tastkopfarms gespeichert. Diese Anfangswinkel sind bei jedem hergestellten Tastkopfgerät 12 ein klein wenig anders. In der beschriebenen Ausführung wird ein Anfangswinkel für jedes der Gelenke der bereitgestellten fünf Freiheitsgrade gespeichert, außer für Glied 34 (da der Winkel für den Messfühler 54e nicht bekannt ist). Bei anderen Ausführungen brauchen für n Gelenke mit einem bekannten Anfangswinkel nur n – 1 Anfangswinkel gespeichert werden. Dies verhält sich so, da der finale (n-te) Anfangswinkel durch geometrische Techniken von den anderen bekannten Anfangswinkeln abgeleitet werden kann. Derartige geometrische Techniken sind dem Fachmann hinlänglich bekannt.
  • Der Mikroprozessor 86 weist den momentanen Messfühlerpositionen der Gelenke die Anfangswinkel vorzugsweise durch das Setzen von Winkelwerten auf bekannte Werte zu. In der bevorzugten Ausführung werden zum Beispiel Quadratur-Chips verwendet, um Winkelwerte von den Messfühlern abzulesen. Der Mikroprozessor kann die Werte in den Quadratur-Chips löschen oder die Initialzählungen auf kalibrierte Anfangswinkelzählungen setzen (in denen die "Zählungen" zum Beispiel Zählungen von Kerben innerhalb der optischen Codeumsetzer-Messfühler sein können, die in gewöhnliche Winkelwerte umgewandelt werden können). Der Nullstellungsprozess ist dann komplett.
  • 3b ist ein Ablaufdiagramm, das einen zweiten, alternativen Nullstellungsvorgang 104' zum oben beschriebenen Vorgang 104 darstellt. Im Vorgang 104' wird keine Ausgangsstellung bereitgestellt. In dieser Ausführung wird eine Strichmarke oder ein Signal für jeden Messfühler 54 verwendet, um zu bestimmen, wo sich die Bezugsnullwinkel auf den Gelenken des Tastkopfgerätes 12 befinden. Diese Ausführung eignet sich am besten für Messfühler wie rotierende optische Codeumsetzer, in denen ein Rad mit Kerben durch das Drehen des Gelenkrohres der Kodiereinrichtung gedreht wird. Ein entsprechender Sender strahlt einen Strahl von elektromagnetischer Energie durch die Kerbungen im Rad aus und ein Anzeigegerät erfasst auf diese Weise, wenn sich die Kerbungen vorbeidrehen, um die Winkelveränderung des Messfühlergelenkrohres abzulesen. Derartige Kodiereinrichtungen und ähnliche Arten von Messfühlern sind dem Fachmann hinlänglich bekannt.
  • Diese zweite Ausführung eines Nullstellungsvorgangs verwendet die Kerbungen oder ähnliche erfasste Marken von Messfühlern wie dem optischen Codeumsetzer. Eine Anzeigemarke ist an einer festgelegten Position im Abtastbereich eines jeden Messfühlers an jedem Gelenk des Tastkopfgerätes 12 platziert. Zum Beispiel kann in den optischen Codeumsetzern eine breitere Anzeigekerbe auf dem Rad innerhalb der Kodiereinrichtung angebracht werden. Der Messfühler kann bestimmen, wann die breitere Kerbe erfasst wird, da sie sich von allen anderen Kerben unterscheidet. Somit erkennt die Schnittstelle 16, wo im Bereich eines Messfühlers die Anzeigemarke liegt. Wenn die Anzeigemarke erfasst wird, ist der Anfangswinkel des Gelenks bestimmt und dieser Position des Gelenks ein angenommener Anfangswinkelwert zugewiesen worden.
  • Der Prozess 104' beginnt bei 124, und in Schritt 126 wird das Tastkopfgerät angeschaltet. Im nächsten Schritt 128 bewegt der Benutzer den Stift 22 des Tastkopfgerätes 12 zwischen zwei festgelegten Standorten innerhalb des Arbeitsraums mit Bezug auf den Sockel 33, und die Schnittstelle 16 liest die Messfühler ab, während der Benutzer den Stift bewegt. Vorzugsweise sind die beiden festgelegten Standorte so gestaltet, dass eine natürliche, fließende Bewegung des Stiftes 22 gewährleistet ist, welche sicherstellt, dass jede Anzeigemarke eines jeden Messfühlers am Tastkopfgerät von jedem Messfühler erfasst und an die Schnittstelle 16 ausgegeben wird. Zum Beispiel können die zwei Standorte ein Punkt auf dem Sockel 33 des Tastkopfgeräts und ein Punkt geradeaus vom Sockel in Richtung des Randes des Arbeitsraums sein. Die Punkte müssen nicht präzise sein, da die Anzeigemarken so gestaltet sein sollten, dass sie von den Messfühlern gut innerhalb der durch den Benutzer bereitgestellten Bewegungsbreite erfasst werden. Dies erlaubt eine einfache, leichte Bewegung, um alle Messfühler des Tastkopfgerätes nullzustellen. Der Benutzer kann den Stift leicht in einer flüssigen und natürlichen Bewegung bewegen, ohne jedes einzelne Gelenk separat bewegen zu müssen.
  • Im nächsten Schritt 130 werden die gespeicherten kalibrierten Anfangswinkel von einer Speichervorrichtung des Tastkopfgerätes (oder einer anderen angeschlossenen Speichervorrichtung) abgelesen und den erfassten Anzeigemarkenpositionen der Gelenke zugeordnet. Die kalibrierten Anfangswinkel sind den in Bezug auf Schritt 120 der 3a beschriebenen ähnlich und liefern eine zusätzliche Genauigkeit für den Nullstellungsvorgang. Die kalibrierten Anfangswinkel wurden in Bezug auf leichte physikalische Unterschiede eines speziellen Messfühlers ausgeglichen. Jeder Anzeigemarkenposition eines jeden Gelenks wird der entsprechende Anfangswinkel zugewiesen. Der Vorgang ist dann komplett, wie in 132 angezeigt.
  • 5 ist ein Ablaufdiagramm, das den Schritt 106 der 2 darstellt, in welchem das Tastkopfgerät, falls nötig, kalibriert wird. Dieser Kalibrierungsvorgang wird typischerweise für jedes einzelne Tastkopfgerät durch den Hersteller ausgeführt, bevor ein Endbenutzer das Tastkopfgerät bekommen kann. Es könnte sein, dass auch der Endbenutzer den Kalibrierungsvorgang ausführen möchte, für den Fall, dass ein Fehler in das Tastkopfgerät eingebracht wurde.
  • Die Kalibrierung erlaubt es, dass Abweichungen in den hergestellten Teilen des Tastkopfgerätes 12 Rechnung getragen wird und Fehler im Zusammenhang mit den Abweichungen weitgehend entfernt werden. Abweichungen, zu denen die Gestängelängen, Winkelabweichungen zwischen Gestängen (Verdrehungen) und Linearverschiebungen zwischen Achsen gehören, können durch die Speicherung von Kalibrierungsparametern für jedes der Gelenke und Gestänge des Tastkopfgerätes kompensiert werden. Zum Beispiel kann der hierin beschriebene Kalibrierungsvorgang die Genauigkeit des Tastkopfgerätes mehr als verdoppeln. Beim Kalibrierungsprozess werden lieber relative Fehler an jedem gewünschten Tastkopf-Standort verwendet als das langwierigere und teurere Kalibrierungsverfahren gemäß dem Stand der Technik, bei welchem absolute Fehler bei zwei bekannten Tastkopf-Standorten verwendet werden.
  • Der Prozess beginnt bei 138. In Schritt 139 werden die vorherigen Kalibrierungsparameter geladen, die aus der letzten Kalibrierung berechnet und im Speicher gespeichert wurden. Wenn das Tastkopfgerät zum ersten Mal kalibriert wird, dann werden nominale Kalibrierungsparameter geladen, die zum Beispiel ideale Abmessungen für das Tastkopfgerät voraussetzen. In der bevorzugten Ausführung werden die Kalibrierungsparameter aus dem EPROM 90 der Schnittstelle 16 geladen. Da eine gegebene Stelle im EPROM nur einmal beschrieben (eingebrannt) und nicht wieder gelöscht werden kann, sind die Kalibrierungsparameter vorzugsweise so organisiert, dass ein Satz von Parametern nur in einem genau festgelegten Teil des EPROM gespeichert wird. Zum Beispiel, je aktueller die Kalibrierungsparameter berechnet wurden, desto höher ist die Adresse des EPROM 90, wo der Satz von Parametern gespeichert wird. Im Schritt 139 können auf diese Art die letzten, aktuellsten vorherigen Kalibrierungsparameter aus dem EPROM abgerufen werden. Alternativ dazu können andere Arten von Speicher, wie batteriebetriebene RAM oder andere Arten von ROM zum Speichern der Kalibrierungsparameter verwendet werden; oder der Hauptrechner 18 kann die Kalibrierungsparameter speichern.
  • In Schritt 140 wird die Stiftspitze 43 vom Benutzer, Hersteller etc. in einer frei gewählten Position innerhalb des Arbeitsraums des Stiftes platziert. Zum Beispiel kann zu diesem Zweck eine flache Schablone auf einer Oberfläche, wie die Lagerfläche 37, bereitgestellt werden. Im nächsten Schritt 140 werden die Messfühler des Tastkopfgerätes abgelesen und die momentane Position und Ausrichtung des Stiftes aufgezeichnet. Im nächsten Schritt 144 manipuliert der Benutzer den Stift so, dass die Position des Stiftes fest bleibt und die Ausrichtung des Stiftes verschieden ist, das heißt dass die x-, y- und z-Koordinaten der Stiftspitze sich nicht verändern, während der Stift 22 in verschiedene Ausrichtungen bewegt wird. Dies kann zum Beispiel durch das Platzieren der Spitze 43 in der oben erwähnten flachen Schablone und Drehen des Endes gegenüber der Spitze 43 des Stiftes 22 in einer kegelartigen Form um die Schablone ausgeführt werden. Im nächsten Schritt 146 werden die Messfühler an einer oder mehr abgetasteten Ausrichtungen des Stiftes abgelesen. Eine abgetastete Ausrichtung beinhaltet Winkelwerte von allen Messfühlern auf dem Tastkopfgerät in einer bestimmten Stiftausrichtung. Die Position (x-, y-, z-Koordinate) des Stiftes sollte bei jeder abgetasteten Ausrichtung dieselbe sein. Wenn der Benutzer den Stift zum Beispiel in der kegelförmigen Bewegung bewegt, können mindestens zwei Anordnungen von der Schnittstelle 16 oder dem Hauptrechner 18 abgetastet werden.
  • In Schritt 148 werden eine oder mehr räumliche Koordinaten der Stiftspitze 43 für jede abgetastete Ausrichtung des Stiftes bestimmt. Die Winkelwerte bei jeder Ausrichtung, die in Schritt 146 abgelesen wurden, werden mit hinlänglich bekannten kinematischen Gleichungen verwendet, um die x-, y- und z-Position der Koordinatenwerte für jede abgetastete Ausrichtung abzuleiten (wie es normalerweise durchgeführt wird, wenn die Position und Ausrichtung des Stiftes 22 während des Digitalisierungsvorgangs bestimmt werden). Die vorherigen (oder nominalen) Kalibrierungsparameter werden in diesen kinematischen Gleichungen verwendet. Im nächsten Schritt 150 werden Fehlerwerte zwischen den x-, y- und z-Koordinaten der abgetasteten Ausrichtungen bestimmt und gespeichert, vorzugsweise in der Speichervorrichtung des Tastkopfgerätes. Wenn das Tastkopfgerät perfekt kalibriert wäre, gäbe es keinen Unterschied zwischen den x-, y- und z-Koordinaten der verschiedenen abgetasteten Ausrichtungen, da die Stiftspitze fest in einer Position gehalten wurde. Jedoch verursachen kleine Abweichungen im Tastkopfgerät das Einbringen von Fehlern, wenn die Gelenke gedreht werden, wie wenn die Ausrichtung des Stiftes variiert wird. Auf diese Weise werden kinematische Gleichungen typischerweise x-, y- und z-Koordinaten herausbringen, die für jede abgetastete Variation ein wenig anders sind. Die Unterschiede zwischen diesen abgeleiteten Koordinaten werden gespeichert. Wenn zum Beispiel drei abgetastete Ausrichtungen abgelesen werden, werden die x-Koordinaten von allen abgetasteten Ausrichtungen miteinander verglichen. Der Unterschied zwischen der ersten und zweiten abgetasteten Ausrichtung wird als ein Fehlerwert gespeichert, der Unterschied zwischen der ersten und der dritten Ausrichtung wird als anderer Fehlerwert gespeichert etc.
  • In Schritt 152 untersucht der Prozess, ob die oben genannten Schritte wiederholt werden sollten, wenn der Stift in eine neue, frei gewählte (x, y, z)-Position gebracht wird, die anders als die davor gewählte Position ist. Dies hängt von der gewünschten Genauigkeit der Kalibrierung ab; Daten, die in mehr als einer Stiftposition gesammelt wurden, können zusammengefügt werden, um genauere Ergebnisse zu erhalten. Falls ein Wiederholungsprozess gewünscht wird, beginnt der Prozess wieder mit Schritt 140, wo die Stiftspitze in einer neuen Position platziert wird und die Daten in dieser Position gesammelt werden. Falls kein Wiederholungsvorgang gewünscht wird, wird Schritt 154 ausgeführt, in welchem die vorherigen oder nominalen Kalibrierungsparameter unter Verwendung aller aufgezeichneten Fehlerwerte angepasst werden, und die angepassten Kalibrierungsparameter werden in einer Arbeitsspeicher- oder Internspeichervorrichtung gespeichert. Zum Beispiel kann ein Optimierungsverfahren durchgeführt werden, welches die Kalibrierungsparameter anpasst, bis die Fehlerwerte bei einem Minimalwert oder unter einer festgelegten Schwelle liegen. Derartige Optimierungsverfahren mit Verwendung bekannter Kalibrierungsparameter und Fehlerwerte sind dem Fachmann hinlänglich bekannt. Wenn die Kalibrierungsparameter einmal auf den gewünschten Betrag eingestellt sind, werden sie gespeichert. Diese Kalibrierungsparameter können somit jedes Mal verwendet werden, wenn das Tastkopfgerät angeschaltet und verwendet wird. In der bevorzugten Ausführung werden die Kalibrierungsparameter in einen bestimmten Abschnitt des EPROM 90 gebrannt, wie oben beschrieben. Wann immer das Tastkopfgerät angeschaltet wird, wie im Nullstellungsprozess der 3a oder 3b, werden nur die aktuellsten, zuletzt bestimmten Kalibrierungsparameter geladen. Unter Verwendung eines solchen Verfahrens kann der EPROM 90 eine Anzahl von Sätzen von Kalibrierungsparametern speichern, bevor der Speicherraum erschöpft ist. Der Prozess ist dann bei 156 komplett.
  • Der Kalibrierungsvorgang erlaubt einem Benutzer, einen willkürlichen oder zufälligen Punkt innerhalb des Arbeitsraums des Tastkopfgerätes auszusuchen und die Ausrichtung des Stiftes an diesem Punkt zu variieren. Somit hat der Stift vorzugsweise mindestens fünf Freiheitsgrade, die ein Variieren der Stiftausrichtung erlauben. Diese Verfahrensweise stellt hochgenaue Kalibrierungswerte bereit und vermeidet die teuren, langwierigen Verfahren gemäß dem Stand der Technik, in welchem der Stift an verschiedenen Stellen platziert werden muss, deren Standorte präzise bekannt sind.
  • 6 ist ein Ablaufdiagramm, welches Schritt 108 der 2 darstellt, in welchem die Position und Ausrichtung der Rotationsplatte 14 und der Auswahlpalette 80 in Bezug auf den Ursprung am Sockel 33 bestimmt werden, so dass diese Einzelheiten während eines Digitalisierungsprozesses verwendet werden können. Die Bestimmung der Koordinateninformation für die Rotationsplatte wird zuerst beschrieben, obwohl die Paletten- und Platteninitialisierungen in jeder gewünschten Reihenfolge ausgeführt werden können. Zusätzlich kann in alternativen Ausführungen abhängig von der gewünschten Genauigkeit einer der Schritte 162 und 164 beim vorliegenden Vorgehen ausgelassen werden.
  • Die Schritte 162–165 sind vorgesehen, um die Rotationsplatte 14 bezüglich des Tastkopfgerätes 12 zu platzieren. Der Prozess beginnt bei 160, und in Schritt 162 wird die Position der Rotationsplatte 14 bestimmt und in einer Internspeicher- oder Speichervorrichtung gespeichert, wie eine Vorrichtung des Hauptrechners 18. Insbesondere wird die Position des Zentrums der Rotationsplatte unter Verwendung des Stiftes 22 des Tastkopfgerätes 12 bestimmt. Vorzugsweise wird eine Hülse, eine Öffnung oder eine andere Aufnahme in der Mitte der Rotationsplatte platziert, in welche der Stift eingeführt werden kann, um eine präzise Position der Rotationsplatte 14 in Bezug auf den Sockel der Gestängeanordnung 23 bereitzustellen. Zum Beispiel beinhaltet die Drehfläche 60 der Rotationsplatte 14 mit Bezug auf 7 eine vertiefte Hülse oder Schablone 170, welche im Zentrum der Drehfläche 60 angeordnet und geeignet ist, die Spitze 43 des Stiftes 22 aufzunehmen. Wenn der Stift 22 einmal in der Hülse 170 platziert ist, kann die Tastkopfsteuerung die Winkel der Messfühler 54 des Tastkopfgerätes 12 ablesen und nachzeichnen.
  • Im nächsten Schritt 164 der 6 werden vielfache Anordnungen des Stiftes abgelesen und aufgezeichnet, wenn der Stift mit der Platte gedreht wird. In Bezug auf 7 ist eine flache Schablone 172 oder ähnliche Aufnahme vorzugsweise nahe am Außenumfang der Rotationsplatte 14 platziert. Der Benutzer platziert die Spitze 43 des Stiftes 22 auf der Schablone 172 und dreht die Platte, während er den Stift 22 auf der Schablone platziert hält. Wenn der Stift vom Benutzer gedreht wird, liest die Schnittstelle 16 die Messfühler-Winkelwerte an vielen verschiedenen Positionen des Stiftes, sowohl von den Messfühlern 54 des Tastkopfgerätes 12 als auch vom Messfühler 174 der Rotationsplatte ab und speichert sie (im Folgenden beschrieben). Vorzugsweise werden mindestens drei unterschiedliche Winkelsätze abgelesen und als Koordinaten gespeichert, wenn der Stift gedreht wird. In einer alternativen Ausführung kann der Benutzer den Stift eher durch Aufnehmen des Stiftes und Bewegen zu neuen Punkten zu vielen Punkten am Rande der Drehfläche 60 bewegen als durch Drehen der Fläche 60 mit dem Stift.
  • In Schritt 165 werden vorzugsweise die Position des Zentrums der Rotationsplatte 14 in Bezug auf den Sockel 33 und die Ausrichtung der Ebene der Oberfläche der Drehscheibe 60 in Bezug auf die Ausrichtung der Ebene des Armsockels 33 bestimmt. In einigen Ausführungen kann die Ausrichtungsdifferenz der Drehscheibe 60 und des Sockels 33 mit Null angenommen werden, wenn die Platte 14 und das Tastkopfgerät 12 beide auf einer platten Oberfläche ruhen. Diese Funktionsmerkmale der Rotationsplatte werden von den in den Schritten 162 und 164 unter Verwendung von geometrischen Techniken abgelesenen Winkelwerten abgeleitet, wie es dem Fachmann hinlänglich bekannt ist. Das Zentrum der Platte kann auch unter Verwendung der in Schritt 164 gesammelten Daten bestimmt werden; jedoch liefern die Daten von Schritt 162 eine genauere Bestimmung. Auf diese Weise werden Ort und Ausrichtung der Rotationsplatte mit Bezug auf den Sockel des Tastkopfgerätes bestimmt.
  • In einer anderen Ausführung können die Schritte 162–164 durch Verbinden der Rotationsplatte 14 mit dem Sockel 33 des Tastkopfgerätes 12 ausgelassen werden. Zum Beispiel kann ein Verbindungsglied an einem Ende mit dem Sockel 33 und am anderen Ende mit dem Plattensockel 62 verbunden werden. Die Rotationsplatte wäre somit in einer befestigten bekannten Position und Ausrichtung mit Bezug auf das Tastkopfgerät 12, und der Platzierungsvorgang der Schritte 162–166 wäre nicht notwendig. In einer derartigen Ausführung können die Kalibrierungsfaktoren auch für die Rotationsplatte bestimmt und gespeichert werden, ähnlich wie die Anfangswinkel für die Ausgangsstellung des Tastkopfgerätes, wie in
  • 3a beschrieben, um die Abmessungsabweichungen der einzelnen Tastkopf/Platten-Geräte zu kompensieren.
  • Wiederum bezogen auf 7 beinhaltet die Rotationsplatte 14 einen Messfühler 174, der vorzugsweise am Zentrum der Platte 14 liegt und mit dem Sockel 62 verbunden ist. Das Messfühlergelenkrohr kann mit der rotierenden Fläche 60 verbunden werden. Der Messfühler 174 kann ein optischer Codeumsetzer wie oben beschrieben sein, oder eine andere Art von Messfühler, wie ein Potentiometer, Koordinatenwandler, Halleffekt-Messfühler etc. Alternativ dazu kann der Messfühler 174 nahe dem Rand der rotierenden Fläche 60 platziert werden.
  • Der Messfühler 174 ist betriebsfähig, um die Rotation der rotierenden Fläche 60 abzutasten. Wenn zum Beispiel der Benutzer die Fläche 60 um θ Grad in die Richtung dreht, die durch den Pfeil 176 angezeigt wird, so dass der Gegenstand 20 in einer neuen Position (und Ausrichtung) ist, erfasst der Messfühler 170 diese Menge der Drehung und überträgt die Information zur Schnittstelle 16 und/oder zum Hauptrechner 18. Wenn das Tastkopfgerät Winkelwerte beim Nachzeichnen des Gegenstands in einer neuen Position bereitstellt, kann somit eine Koordinatentransformation auf die Winkeldaten unter Verwendung des bekannten θ-Wertes angewendet werden, um die neue Position und Ausrichtung des Gegenstandes abzuleiten. Eine derartige Koordinatentransformation ist dem Fachmann hinlänglich bekannt. Dies erlaubt dem Benutzer, den Gegenstand zu drehen, um einen einfacheren Zugang zu unterschiedlichen Oberflächen des Gegenstandes zu erhalten und dann mit einer minimalen Ablenkung und einem sehr geringen Verlust an Genauigkeit mit dem Nachzeichnen des Gegenstandes fortzufahren. Dies vermeidet die zeitaufwändigen und fehlerbehafteten Verfahren gemäß dem Stand der Technik, welche von einem Benutzer verlangen, neue Koordinateninformationen über einen Gegenstand in seiner neuen gedrehten Position durch Zeigen mit dem Stift auf verschiedene Punkte auf dem Gegenstand bereitzustellen. Die Koordinatentransformation kann durch den Hauptrechner 18 ausgeführt werden, welcher unabhängige Daten von dem Tastkopfgerät 12 und der Rotationsplatte 14 empfängt. Oder die Schnittstelle 16 kann die Transformation ausführen und transformierte Koordinaten an den Hauptrechner 18 liefern.
  • Die Schnittstelle 16 ist auch in 7 dargestellt. Die Rotationsplatte 14 ist vorzugsweise mit der Schnittstellenelektronik 16 verbunden, welche innerhalb des Tastkopfgerätes 12 platziert ist. Das Tastkopfgerät 12 liefert somit Signale von den Messfühlern des Tastkopfgerätes 12 ebenso wie vom Messfühler 174 der Rotationsplatte 14 zu einem einzigen I/O-Anschluss des Hauptrechners 18. Alternativ dazu kann die Schnittstellenelektronik in einer einzelnen Box getrennt von dem Tastkopfgerät 12 und der Rotationsplatte 14 untergebracht sein, wie in 7 dargestellt ist. Alternativ dazu kann die Schnittstellenelektronik 16 innerhalb der Rotationsplatte 14 untergebracht sein. In noch einer anderen Ausführung kann die Rotationsplatte 14 eine Messfühler-Schnittstellenschaltung nur für die Rotationsplatte 14 beinhalten und Winkelinformationen zur Schnittstellenelektronik 16 liefern.
  • In einer anderen Ausführungsform kann die Rotationsplatte mit einer eigenen Schnittstellenelektronik ausgestattet sein, welche unabhängig zu einem zweiten I/O-Anschluss des Hauptrechners 18 führt, ein anderer als der I/O-Anschluss, welcher Informationen vom Tastkopfgerät 12 empfängt.
  • Rückbezogen auf 6 wird im nächsten Schritt 166 die Position der Auswahlpalette 80 mit Bezug auf das Tastkopfgerät 12 abgetastet und gespeichert. Ein Beispiel für eine Auswahlpalette 80 ist in 8 dargestellt. Die Palette 80 beinhaltet Auswahlbereiche 82, welche Symbole, Formen, Buchstaben, Zahlen, Wörter etc. enthalten können. Der Benutzer kann die Spitze 43 des Stiftes 22 zum Beispiel innerhalb des Symbols 180 platzieren, um eine Funktion der Software, die auf dem Hauptrechner 18 läuft oder eine Funktion des Tastkopfgerätes 12 oder sogar der Rotationsplatte 14 zu aktivieren. Wie oben erklärt, benötigt die Palette 80 kein separates Erfassungsgerät wie ein Computertablett oder Ähnliches, da das Tastkopfgerät 12 verwendet werden kann, um die Auswahlbereiche 82 einzeln zu lokalisieren und Befehle, auf der Auswahl des Stiftes 22 beruhend, bereitzustellen.
  • Um die Position der Auswahlpalette 80 mit Bezug auf den Sockel 33 zu erfassen und aufzuzeichnen, können verschiedene Verfahren verwendet werden. Zum Beispiel kann der Benutzer den Stift an einem oberen oder unteren Rand 182 und an einem linken oder rechten Rand 184 platzieren. Der Hauptrechner würde so über den präzisen Standort der flachen, geraden Palette 80 innerhalb des Arbeitsraums des Tastkopfgerätes 12 informiert werden. Oder der Stift kann an drei Bezugspunkten platziert werden, zum Beispiel an den Ecken der Palette. Dem Hauptrechner können festgelegte Funktionen bereitgestellt werden, welche auszuführen sind, wenn sich der Stift innerhalb eines bestimmten Auswahlbereiches 82 befindet, der als von einem Rand der Palette 80 versetzte Position bezeichnet wird. Zum Beispiel kann der "Autotriggermodus" unter Verwendung der Palette, gezeigt in 8, aktiviert werden, falls die Stiftspitze 43 zuerst innerhalb der Palettenränder 182 und 184 entdeckt wird und auch eine Versetzung innerhalb Δx, Δy vom linken und oberen Rand (das heißt innerhalb des Auswahlbereiches 82) entdeckt wird. Die Beispiele der Auswahlbereiche 82 der 8 beinhalten Befehle, um die Gitterdarstellung 78 zu manipulieren, wie "Gitter beenden", "Linie beenden", "Gitter löschen" etc. Viele dieser Befehle werden mit Bezug auf 11 detaillierter beschrieben. Es können auch andere Verfahren zur Platzierung der Palette 80 mit Bezug auf das Tastgerät 12 und zur Bestimmung ausgewählter Funktionen innerhalb der Palette 80 verwendet werden. Der Prozess der 6 ist dann bei 168 komplett.
  • 9 ist eine detaillierte Ansicht des nachzuzeichnenden Gegenstandes 20, um eine Gitterdarstellung zu entwickeln. Der Gegenstand 20 besitzt eine Oberfläche 190, welche durch darauf gezeigte Oberflächenlinien 192 dargestellt ist. Der Benutzer kann die Oberfläche 190 des Gegenstandes 20 mit dem Stift 22 berühren und mit dem Stift diese Gberflächenlinien 192 verfolgen, wie es durch den Pfeil 191 gezeigt wird. Typischerweise müssen die Oberflächenlinien 192 eigentlich nicht auf den Gegenstand 20 gezeichnet werden; der Benutzer muss nur mit dem Stift 22 allgemein die Oberfläche 190 unter Folgen von Bahnen ähnlich der Linien 192 nachzeichnen. Alternativ dazu kann der Benutzer Oberflächenlinien 192 auf die Oberfläche 190 zeichnen oder ritzen, die bei der Führung des Stiftes 22 auf dem Gegenstand helfen. Wenn der Benutzer die Oberflächenlinien 192 nachzeichnet, werden Datenpunke entlang der Oberflächenlinien von den Messfühlern 54 des Tastkopfgerätes 12 abgetastet, wie im Folgenden beschrieben. Die Datenpunkte werden dann vom Tastkopfgerät 12 zum Hauptrechner 18 gesendet. Die Daten werden entweder als Ausgangswinkeldaten von der Schnittstellenverbindung 16 gesendet, welche der Hauptrechner zu Koordinaten (x, y, z und Verdrehen, Neigen, Gieren) umwandelt; oder die Winkeldaten werden von der Schnittstellenverbindung 16 in Koordinatenwerte umgewandelt und dann zum Computersystem 18 gesendet.
  • Beim Nachzeichnen der Oberflächenlinien 192 auf der Oberfläche 190 eines Gegenstandes sind allgemein bevorzugte Richtlinien zu befolgen. Die Oberflächenlinien 192 sollten nacheinander auf dem Gegenstand 20 nachgezeichnet werden, das heißt eine Oberflächenlinie sollte nicht zwischen zwei anderen Oberflächenlinien nachgezeichnet werden, die beide schon vorher nachgezeichnet wurden und als Konturlinien (siehe 10) definiert wurden. Auch sollten die Datenpunkte einer Oberflächenlinie 192 nacheinander eingegeben werden, das heißt ein Punkt sollte nicht zwischen zwei Punkten angegeben werden, die schon vorher auf derselben Oberflächenlinie 162 definiert wurden. Das Verfahren erlaubt jedoch, dass die Oberflächenlinien in beiden von zwei möglichen Richtungen nachgezeichnet werden können, ohne Berücksichtigung der Richtung, in welcher die vorherigen Oberflächenlinien nachgezeichnet wurden (im Folgenden detailliert).
  • 10 ist eine Darstellung einer Gitterdarstellung 78 (auch als "Gitter" bezeichnet), welche vom Hauptrechner 18 entwickelt wird, nachdem ein Benutzer die Oberflächenlinien 192 des Gegenstandes 20, dargestellt in 9, nachgezeichnet hat. Die Gitterdarstellung 78 beinhaltet Konturlinien 194, welche Computer-erzeugte Linien sind, die im Allgemeinen den entsprechenden Oberflächenlinien 192 auf dem Gegenstand 20 folgen, welchen der Benutzer nachgezeichnet hat. Die Konturlinien 194 beinhalten jeweils eine Anzahl von Punkten 196, welche vom Tastkopfgerät 12 als Winkelwerte oder Koordinaten an den Hauptrechner 18 geliefert wurden. Jeder Punkt 196 beschreibt einen entsprechenden Oberflächenpunkt auf der Oberfläche 190 des Gegenstandes 20. Hierbei bezieht sich "Punkt" oder "Datenpunkt" auf Daten, wie Winkelwerte oder Koordinaten, welche die momentane Position und Ausrichtung des Stiftes 22 beschreiben, während sich "Oberflächenpunkt" auf den entsprechenden Teil der Oberfläche des Gegenstandes bezieht, auf weichen der Stift 22 zeigt. Jeder Punkt beinhaltet, nachdem er von Winkeldaten in Koordinatendaten umgewandelt wurde, x-, y- und z-Positionsdaten genauso wie Verdrehungs-, Neigungs- und Gier-Ausrichtungsdaten.
  • Das Computersystem 18 erhält Punkte 196 und verbindet die Punkte, damit sie Konturlinien bilden. Gitterlinien 198 werden ebenfalls hinzugefügt, um die Punkte 196 einer Konturlinie mit den Punkten 196 einer angrenzenden Konturlinie zu verbinden. Das Erzeugen von Gitterlinien für die vorliegende Erfindung wird im Prozess der 11 detaillierter beschrieben. Die Gitterlinien 198 und die Konturlinien 194 definieren Dreiecke 199, wie im Folgenden beschrieben. Die Gitterdarstellung 78 kann durch das Hauptrechnersystem 18 auf viele Arten manipuliert werden, wie es dem Fachmann hinlänglich bekannt ist. Zum Beispiel kann die Gitterdarstellung in Farbe und mit einer Oberflächenschattierung wiedergegeben und dargestellt werden, um eine realistisch aussehende 3D-Darstellung zu erstellen; oder die Gitterdarstellung 78 kann gedreht, kopiert oder herausgegeben werden, wenn der Benutzer Funktionen des Computersystems 18 verwenden will.
  • 11 ist ein Ablaufdiagramm, das den Schritt 110 der 2 darstellt, in welchem eine Gitterdarstellung des Gegenstandes 20 von einem Computersystem 18 unter Verwendung eines bevorzugten Verfahrens der vorliegenden Erfindung entwickelt wird. Der Prozess beginnt bei 200. In Schritt 202 wird vom Hauptrechnersystem 18 ein Befehl "Neues Gitter erstellen" vom Benutzer empfangen. Dieser Befehl kann vom Benutzer unter Verwendung von Standard-Schnittstellenvorrichtungen oder unter Verwendung der Auswahlpalette 80 eingegeben werden. Im nächsten Schritt 204 überprüft der Vorgang, ob das Fußpedal 71 unten ist, das heißt ob es vom Benutzer betätigt wurde. In anderen Ausführungsformen können andere Aktivierungssteuerungen kontrolliert werden, wie ein Knopf auf dem Stift 22 etc. Wenn das Fußpedal nicht betätigt ist, wartet der Vorgang weiter bei Schritt 204, dass der Benutzer das Fußpedal betätigt. Sobald das Fußpedal betätigt ist, wird Schritt 206 ausgeführt, in welchem der momentane Punkt, auf welchen die Spitze 43 des Stiftes 22 zeigt, in das Hauptrechnersystem 18 eingegeben wird und zu der momentanen Konturlinie hinzugefügt wird. Wenn dies der erste Punkt ist, der für eine Linie eingegeben wird, dann beginnt dieser Punkt eine neue Konturlinie.
  • Im nächsten Schritt 208 wird für den aktuellen Punkt zwischen der momentanen Konturlinie und der letzten Konturlinie unter Verwendung der Ausrichtung des Stiftes 22 oder anderen Tastkopfvorrichtung ein Dreieck erstellt. Das erstellte Dreieck wird in diesem Schritt vorzugsweise auch angezeigt, obwohl das Dreieck bei anderen Ausführungsformen nicht angezeigt werden muss. Dieser Schritt wird mit Bezug auf 12 detaillierter beschrieben. Einer der Vorteile des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist, dass der Gitterdarstellung 78 immer mehr Punkte und Dreiecke hinzugefügt und dem Benutzer angezeigt werden, während der Benutzer jeden neuen Punkt beim Nachzeichnen hinzufügt. Der Benutzer kann somit den Bildschirm 76 betrachten und schnell bestimmen, ob ein Gitter während des Nachzeichnungsvorganges richtig erstellt wird, das heißt der Benutzer muss nicht warten, bis der gesamte Gegenstand nachgezeichnet ist, bevor er die resultierende Gitterdarstellung betrachten kann. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Ausrichtung des Stiftes (oder eines anderen Tastkopfes) verwendet wird, um das Erstellen von Dreiecken in dem Gitter zu unterstützen. Dies wird im Folgenden detaillierter beschrieben.
  • Im nächsten Schritt 210 überprüft der Prozess, ob der sog. Autotriggermodus vom Benutzer ausgewählt wurde. Der Autotriggermodus erlaubt die automatische Eingabe von Punkten in das Computersystem 18 des Tastkopfgerätes 12, während der Benutzer die Oberflächenlinien 192 nachzeichnet. Wenn der Autotriggermodus vom Benutzer ausgewählt wurde (entweder bevor die aktuelle Konturlinie begonnen wurde oder während der Eingabe der aktuellen Konturlinie), dann wird Schritt 212 ausgeführt, in welchem der Prozess überprüft, ob das Fußpedal 71 "oben" ist, das heißt, deaktiviert ist. In der bevorzugten Ausführungsform, im Autotriggermodus, werden Punkte vom Tastkopfgerät 12 automatisch in das Hauptrechnersystem 18 eingegeben, solange der Benutzer das Fußpedal 71 weiterbetätigt (und der Stift sich um einen Mindestabstand bewegt, wie im Folgenden erklärt). Sobald der Benutzer das Fußpedal loslässt (deaktiviert), werden keine Punkte mehr automatisch eingegeben. Wenn das Fußpedal oben ist, dann geht der Prozess weiter zu Schritt 222, der im Folgenden detailliert ist. Wenn das Fußpedal in Schritt 212 immer noch unten ist, geht der Prozess zu Schritt 214 weiter, wo der Prozess überprüft, ob mit dem Stift 22 der Mindestabstand nachgezeichnet wurde. In der bevorzugten Ausführungsform wird ein Punkt automatisch in das Computersystem 18 eingegeben, wenn der Stift 22 eine kleinste festgelegte Entfernung vom Benutzer über eine Oberflächenlinie bewegt wurde. Zum Beispiel kann der Mindestabstand bei 0,2 Zoll festgelegt werden. Während der Autotriggermodus ausgewählt wurde und das Fußpedal betätigt wird, wird ein Punkt in das Computersystem 18 eingegeben, sobald der Benutzer den Stift 22 um 0,2 Zoll weiterbewegt. In anderen Ausführungen können andere Kriterien verwendet werden, um zu bestimmen, wann Punkte eingegeben werden. Zum Beispiel kann eine kleinste Zeiteinheit wie z. B. 2 Sekunden angegeben werden. Auf diese Weise wird, während der Autotriggermodus und das Fußpedal 71 aktiviert werden, alle 2 Sekunden automatisch ein neuer Punkt in den Hauptrechner 18 eingegeben, unabhängig von der momentanen Stiftposition.
  • Wenn der Stift 22 in Schritt 214 nicht um den Mindestabstand bewegt wurde, dann beginnt der Prozess wieder bei Schritt 212, um zu überprüfen, ob das Fußpedal immer noch aktiviert ist. Tatsächlich können die Schritte 212 und 214 (und 210) vom Hauptrechnersystem 18 gleichzeitig als "Ereignisse", die zu jeder Zeit auftreten können, überprüft werden, wie es dem Fachmann hinlänglich bekannt ist. Eine Fußpedal-Deaktivierung in Schritt 212 hat Priorität vor den anderen Überprüfungen. Sobald der Tastkopf in Schritt 214 um den Mindestabstand bewegt wurde, beginnt der Vorgang wieder bei Schritt 206, um den aktuellen Punkt an der momentanen Position der Stiftspitze 43 zur momentanen Linie hinzuzufügen.
  • Falls der Autotriggermodus nicht vom Benutzer ausgewählt wurde, wie in Schritt 210 überprüft, überprüft der Vorgang in Schritt 216, ob ein Befehl "Gitter beenden" eingegeben wurde. Ein Befehl "Gitter beenden" zeigt an, dass der Benutzer mit der Dateneingabe fertig ist und dass entweder die Gitterdarstellung komplett ist oder dass der Benutzer mit der Dateneingabe zu einem späteren Zeitpunkt fortfahren wird. Somit ist der Vorgang bei 217 komplett, wenn ein Befehl "Gitter beenden" eingegeben wurde. Wenn kein Befehl "Gitter beenden" eingegeben wurde, dann überprüft der Prozess in Schritt 218, ob ein Befehl "Linie beenden" vom Benutzer eingegeben wurde. Der Befehl "Linie beenden" zeigt an, dass der Benutzer die aktuelle Konturlinie beendet hat und eine neue Konturlinie eingeben wird. Wenn ein Befehl "Linie beenden" eingegeben wurde, geht der Prozess zu Schritt 222 weiter, detailliert im Folgenden. Wenn kein Befehl "Linie beenden" eingegeben wurde, dann überprüft der Prozess in Schritt 220, ob das Fußpedal oben ist. In der bevorzugten Ausführungsform wird ein Punkt, wenn nicht der Autotriggermodus verwendet wird, durch die einmalige Aktivierung und dann Deaktivierung des Fußpedals eingegeben, das heißt Herunterdrücken und Loslassen des Fußpedals. Wenn das Fußpedal nicht losgelassen wurde, kann kein neuer Punkt eingegeben werden, und so geht der Prozess wieder zu Schritt 216, um zu überprüfen, ob ein Befehl "Gitter beenden", ein Befehl "Linie beenden" oder eine Deaktivierung des Fußpedals vorliegt. Ähnlich wie die oben beschriebenen Schritte 210, 212 und 214 können die Schritte 216, 218 und 220 vorzugsweise gleichzeitig überprüft werden. Sobald das Fußpedal in Schritt 220 einmal losgelassen wurde, geht der Prozess wieder zu Schritt 204 zurück, um zu kontrollieren, ob das Fußpedal wieder betätigt wurde, um einen neuen Datenpunkt einzugeben.
  • Wenn das Fußpedal von Schritt 212 aus im Autotriggermodus deaktiviert wurde oder wenn ein Befehl "Linie beenden" in Schritt 218 empfangen wird, dann wird Schritt 222 ausgeführt. In Schritt 222 wird die Gitterdarstellung 78 abgeschlossen. Abhängig davon, welche Punkte auf der aktuellen Konturlinie eingegeben wurden, kann dies dazu führen, dass zusätzliche Dreiecke in dem Gitter erstellt werden. Der Schritt 222 wird in Bezug auf 17 detaillierter beschrieben. Im nächsten Schritt 224 kontrolliert der Prozess, ob ein Befehl "Gitter beenden" empfangen wurde. Dies ist ähnlich wie Schritt 216, wie oben beschrieben. Falls ein Befehl "Gitter beenden" empfangen wurde, ist der Vorgang bei 217 komplett. Wenn kein Befehl "Gitter beenden" empfangen wurde, dann wird angenommen, dass der Benutzer eine weitere Konturlinie einzugeben wünscht, und in Schritt 226 wird die letzte Linie gleich der aktuellen Linie gesetzt, und eine neue aktuelle Linie ist bereit, empfangen zu werden. Der Prozess geht dann zu Schritt 204 zurück und wartet, dass das Fußpedal betätigt wird.
  • 12 ist ein Ablaufdiagramm, das Schritt 208 der 11 darstellt, in welchem ein Dreieck erstellt und vorzugsweise für den aktuellen Punkt zwischen der aktuellen Linie und der letzten Linie unter Verwendung der Ausrichtung des Tastkopfes angezeigt wird. Die folgende Erklärung bezieht sich auf eine Gitterdarstellung 230, wie in 13 dargestellt, und auf zusätzliche Figuren. Die Gitterdarstellung 230 beinhaltet vier Konturlinien: die Linie A-F, welche die Punkte A, B, C, D, E und F beinhaltet; die Linie G-J, welche die Punkte G, H, 1 und J beinhaltet; die Linie K-P, welche die Punkte K, L, M, N, O und P beinhaltet; und die Linie Q-S, welche die Punkte Q, R und S beinhaltet. Die Gitterlinien sind zwischen den Punkten einer jeden angrenzenden Konturlinie gezeigt. Mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung können die Konturlinien in jeder Richtung eingegeben werden, so dass die Linien zum Beispiel in der Reihenfolge A-B-C-D-E-F oder in der Reihenfolge F-E-D-C-B-A eingegeben werden können. Die Punkte einer Gitterdarstellung werden aufeinander bezogen durch die Untersuchung des (x, y, z)-Teils eines jeden Punktes vom Hauptrechner 18 platziert. Der Verdrehungs-, Neigungs-und Gier-Teil eines jeden Punktes wird verwendet, um die Normalvektoren, wie im Folgenden beschrieben, zu finden.
  • Rückbezogen auf 12 beginnt der Vorgang bei 234. In Schritt 236 kontrolliert der Prozess, ob die momentane Konturlinie die erste Linie der Gitterdarstellung ist. Wenn dem so ist, dann können zwei mögliche Dreiecke noch nicht erzeugt und keines der Dreiecke ausgewählt werden (detailliert im Folgenden), so ist der Prozess bei 235 komplett. Wenn die aktuelle Linie in Schritt 236 nicht die erste Linie des Gitters ist, dann überprüft der Prozess in Schritt 238, ob der aktuelle Punkt der erste Punkt der aktuellen Linie ist. Da im beschriebenen Verfahren ein Dreieck nicht erstellt werden kann, bis der zweite oder spätere Punkt der aktuellen Linie eingegeben wird, ist der Vorgang bei 235 komplett, wenn der aktuelle Punkt der erste Punkt ist.
  • Wenn der aktuelle Punkt nicht der erste Punkt ist, dann überprüft der Prozess in Schritt 240, ob der aktuelle Punkt der zweite Punkt der aktuellen Linie ist. Wenn dem so ist, dann wird Schritt 242 ausgeführt, in welchem der erste Punkt der letzten Linie entschieden wird. Da die letzte Linie zwei Endpunkte besitzt, wird einer dieser Endpunkte als erster Punkt der letzten Linie ausgewählt. Dies bestimmt die "Gitterrichtung", d. h. die Reihenfolge der Punkte in der letzten Linie, die mit der aktuellen Linie verbunden werden sollen. In der bevorzugten Ausführungsform wird der Punkt auf der letzten Linie, der dem aktuellen Punkt am nächsten ist, als erster Punkt der letzten Linie ausgewählt. So spielt es keine Rolle, in welcher Reihenfolge der Benutzer die Punkte auf der letzten Linie eingab, da der nächstliegende Punkt ausgewählt wird. In anderen Ausführungen können andere Kriterien bestimmen, welcher Punkt der letzten Linie als erster Punkt ausgewählt wird. Zum Beispiel kann der Prozess auch überprüfen, ob die Punkte der letzten Linie, wenn sie in der bestimmten Gitterrichtung beginnend vom ausgewählten ersten Punkt untersucht werden, einem Weg folgen, der ungefähr in dieselbe Richtung wie die Punkte der aktuellen Linie geht. Wenn die Richtungen nicht dieselben sind, sollte der entgegengesetzte Endpunkt der letzten Linie als erster Punkt der letzten Linie gewählt werden.
  • Im nächsten Schritt 244 wird ein variabler INDEX dem ersten Punkt der letzten Linie gleichgesetzt. Der INDEX hat den/die Werte (das heißt Koordinaten- oder Winkelwerte) eines bestimmten Punktes in einer Konturlinie. Nach dem Schritt 244 oder wenn der aktuelle Punkt nicht der zweite Punkt der aktuellen Linie ist, wird dann Schritt 246 ausgeführt, in welchem ein oder mehr Dreiecke zwischen der aktuellen Linie und der letzten Linie für den aktuellen Punkt hinzugefügt werden. Dies wird mit Bezug auf 14 detaillierter beschrieben.
  • Zum Beispiel wird in der Gitterdarstellung 230, dargestellt in 13, die Linie A-F als erste eingegeben und dann als die letzte Linie angesehen. Punkt G ist der aktuelle Punkt. Der Prozess der 12 endet nach dem Schritt 238, da Punkt G der erste Punkt der Linie ist. Als Nächstes wird Punkt H eingegeben und als aktueller Punkt betrachtet. Da H der zweite Punkt der aktuellen Linie ist, entscheidet Schritt 242, dass Punkt A der erste Punkt der letzten Linie ist, da der Punkt A näher an Punkt N als an Punkt F ist. Dreiecke werden dann zwischen der letzten und der aktuellen Linie hinzugefügt, wie im Folgenden detailliert beschrieben wird.
  • 14 ist ein Ablaufdiagramm, das den Schritt 246 der 12 darstellt, in welchem Dreiecke zwischen der aktuellen Linie und der letzten Linie für den aktuellen Punkt eingefügt werden. Der Prozess beginnt bei 250. In Schritt 252 überprüft der Prozess, ob INDEX der letzte Punkt der letzten Linie ist. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, dann brauchen keine Dreiecke zwischen der aktuellen Linie und der letzten Linie mehr hinzugefügt werden, und der Prozess ist bei 258 komplett. Falls INDEX nicht der letzte Punkt der letzten Linie ist, dann überprüft der Prozess in Schritt 254, ob der Abstand zwischen INDEX und dem aktuellen Punkt geringer als die Entfernung zwischen INDEX + 1 und dem letzten Punkt der aktuellen Linie ist ("letzter Punkt"). Dieser Schritt überprüft die Hypotenusen von zwei möglichen Dreiecken, die unter Verwendung des aktuellen Punktes hinzugefügt werden können, wie im Folgenden erklärt.
  • 15a ist eine schematische Darstellung, die einen Teil eines Gitters 230 der 13 als Beispiel bereitstellt. Die Konturlinie A-F wurde vorher vom Benutzer eingegeben und wird als letzte Linie bezeichnet. Punkt G wird als Anfang einer neuen Konturlinie hinzugefügt und beginnt die aktuelle Linie. Dann wird Punkt H hinzugefügt, und Punkt A wird als erster Punkt der letzten Linie A-F ausgewählt. Nachdem Punkt N eingegeben wurde, können zwei mögliche Dreiecke zwischen der aktuellen Linie und der letzten Linie erzeugt werden: Dreieck ABG und Dreieck AHG. In diesem Beispiel wurde INDEX gleich dem Punkt A gesetzt, INDEX + 1 ist der nächste Punkt nach INDEX, das heißt Punkt B, und der letzte Punkt ist Punkt G. Somit überprüft der Prozess in Schritt 254 der 14, ob der Abstand zwischen Punkt A (INDEX) und Punkt H (der aktuelle Punkt) geringer als die Entfernung zwischen Punkt B (INDEX + 1) und Punkt G (letzter Punkt) ist, das heißt, ob die Hypotenuse AH kleiner ist als die Hypotenuse BG.
  • Rückbezogen auf die 14, falls die Entfernung zwischen INDEX und dem aktuellen Punkt den geringeren Wert hat, dann wird Schritt 256 ausgeführt, in welchem das Dreieck bei (INDEX, aktueller Punkt, letzter Punkt) zur Gitterdarstellung hinzugefügt wird. Vorzugsweise werden die Punkte des Dreiecks, wenn ein Dreieck hinzugefügt wird, zu einer Aufstellung von Dreiecken für das Gitter hinzugefügt. Der Schritt 256 fügt auch einen Normalvektor für die hinzugefügten Dreiecke zu der Aufstellung von Dreiecken hinzu. Der Normalvektor wird im Folgenden detaillierter beschrieben. Zum Beispiel entspricht dieses Dreieck dem Dreieck AHG, wie in 15a dargestellt. Im gezeigten Beispiel würde dieses Dreieck allerdings nicht hinzugefügt werden, da die Hypotenuse AH nicht kleiner ist als die Hypotenuse BG. Nach Schritt 256 ist der Prozess bei 258 komplett.
  • Falls der Abstand zwischen INDEX + 1 und dem letzten Punkt in Schritt 254 einen geringeren Wert hat, dann wird in Schritt 260 das Dreieck bei (INDEX, INDEX + 1, letzter Punkt) zur Gitterdarstellung hinzugefügt. Dieser Schritt ist dem Schritt 256 ähnlich, das heißt das Dreieck und der Normalvektor werden der Dreiecksaufstellung hinzugefügt. Wie in 15a dargestellt, entspricht dieses Dreieck dem Dreieck ABG. Im Beispiel der 15a würde dieses Dreieck hinzugefügt werden, wobei die Ergebnisse in 15b gezeigt werden. Nach dem Schritt 260 wird INDEX in Schritt 262 bis zum nächsten Punkt der letzten Linie vergrößert. Zum Beispiel wird INDEX gleich dem Punkt B gesetzt, sobald das Dreieck ABG hinzugefügt ist und INDEX + 1 wird somit zu Punkt C.
  • Nach dem Schritt 262 geht der Prozess wieder zu Schritt 254 zurück, um die Hypotenusen für die neuen INDEX-Punkte zu überprüfen. Der Prozess ist nach dem Schritt 262 nicht komplett, da er, falls der Schritt 254 falsch ist, anzeigt, dass mehr als ein Dreieck für den aktuellen Punkt hinzugefügt werden kann. Somit werden zusätzliche Dreiecke durch Überprüfung der Bedingungen von Schritt 254 mit dem neuen INDEX-Punkt hinzugefügt.
  • Zum Beispiel ist in 15b das Dreieck ABG hinzugefügt. INDEX ist jetzt Punkt B, und INDEX + 1 ist Punkt C. Schritt 254 überprüft, ob die Hypotenuse BH eine kürzere Länge hat als die Hypotenuse CG. In diesem Beispiel hat die Hypotenuse CG eine kürzere Länge, also wird das Dreieck BCG zur Gitterdarstellung hinzugefügt, wie in 15c gezeigt. Der INDEX wird wiederum heraufgesetzt und ist somit jetzt Punkt C. In Schritt 254 überprüft der Prozess, ob die Hypotenuse CH eine kürzere Länge hat als die Hypotenuse DG. Die Hypotenuse CH ist kürzer, also wird im Schritt 256 das Dreieck CHG hinzugefügt, wie in 15d dargestellt. Der Prozess ist dann bei 258 komplett, so dass schließlich vom Benutzer ein neuer Punkt in Schritt 206 der 11 eingegeben wird. Der Prozess 246 wird dann wiederum für den neuen Punkt 1 als aktuellen Punkt ausgeführt, wie in 15d dargestellt ist. In Schritt 254 der 14 überprüft der Prozess, ob die Hypotenuse Cl eine kürzere Länge hat als DH. DH hat eine kürzere Länge, so dass das Dreieck CDH in Schritt 260 hinzugefügt wird und INDEX in Schritt 262 heraufgesetzt wird. Wie in 15e dargestellt, werden so lange Dreiecke hinzugefügt, bis der letzte Punkt J der aktuellen Linie eingegeben ist. Dann wird eine neue Konturlinie mit der Eingabe der Punkte K und L begonnen, und die letzte Linie wird auf die Linie G-J festgelegt. Es wird damit fortgefahren, in einer ähnlichen Art Dreiecke zur Gitterdarstellung 230 hinzuzufügen. Somit beinhaltet ein Dreieck in der entwickelten Gitterdarstellung der vorliegenden Endung einen Punkt der aktuellen Konturlinie, einen Punkt der letzten Konturlinie und einen dritten Punkt, welcher entweder von der aktuellen Linie oder der letzten Linie stammt, abhängig von den Abständen zwischen den untersuchten Hypotenusen.
  • In anderen Ausführungen können in Schritt 254 verschiedene Bedingungen geprüft werden, um zu bestimmen, welches Dreieck zu der Gitterdarstellung hinzugefügt wird. Zum Beispiel kann die Fläche des Dreiecks (INDEX, aktueller Punkt, letzter Punkt) mit der Fläche des Dreiecks (INDEX, INDEX + 1, letzter Punkt) verglichen werden. Das Dreieck mit der kleinsten Fläche kann zum Gitter hinzugefügt werden. Alternativ dazu kann der Randabstand der zwei möglichen Dreiecke miteinander verglichen werden, wobei das Dreieck mit dem kleineren Randabstand zur Gitterdarstellung hinzugefügt wird. Andere Bedingungen können in anderen Ausführungen geprüft werden.
  • Wenn in Schritt 256 oder Schritt 260 ein Dreieck zur Gitterdarstellung hinzugefügt wird, wird für dieses Dreieck auch ein Normalvektor bestimmt. 16 zeigt den Stift 22 beim Nachzeichnen einer Oberflächenlinie 192 auf dem Gegenstand 20. Ein Teil der Gitterdarstellung 78, die gerade im Hauptrechner 18 entwickelt wird, ist ebenfalls auf den entsprechenden Teil der Oberfläche des Gegenstandes 20 gelegt gezeigt. Die Dreiecke 199 werden zu der Gitterdarstellung 78 hinzugefügt, wenn sich der Stift 22 bewegt. Ein Normalvektor 270 wird ebenfalls für jedes hinzugefügte Dreieck 199 bestimmt. Der Normalvektor wird durch Gestaltungsverfahren und andere Vorgänge verwendet, die eine Gitterdarstellung verändern, um zu bestimmen, welche Seite eines Dreiecks 199 (oder eines anderen Polygons) "nach außen" schaut, das heißt welche Seite des Dreiecks die Außenfläche des 3D-Gegenstandes ist, der durch die Gitterdarstellung gezeigt wird. Der Normalvektor 270 zeigt nach außen, um zu zeigen, welche Seite eines Dreiecks die Außenfläche ist. Zum Beispiel kann in den Prozessen die Normalvektorinformation dazu verwendet werden, einem wiedergegebenen Gegenstand von einer virtuellen Lichtquelle aus Schatten und Schattierungen zu verleihen.
  • In der vorliegenden Erfindung wird der Normalvektor 270 für ein Dreieck schnell und leicht bestimmt. Die x-, y- und z- Koordinaten der Punkte eines Dreiecks 199 definieren die Position des Dreiecks im Raum, aber sie definieren nicht die Ausrichtung des Dreiecks. Somit ist die Position des Normalvektors bekannt, aber nicht die Ausrichtung des Vektors. Da jedoch der Stift in der bevorzugten Ausführungsform fünf Freiheitsgrade besitzt, ist die Ausrichtung des Stiftes in den Punkten genauso wie in der Position bekannt und aufgezeichnet. Die Ausrichtung eines Dreiecks kann somit ausgehend von den Ausrichtungskoordinaten beim Verdrehen, Neigen und Gieren, welche in jedem Punkt enthalten sind, bestimmt werden. Vorzugsweise ist die Ausrichtung eines Normalvektors zu der Zeit, wenn der Stift gerade die Punkte des Dreiecks hinzufügt, als gegensätzlich zur Ausrichtung des Stiftes definiert. Dies setzt voraus, dass die Außenfläche des Gegenstandes 20 nachgezeichnet wird (wie in 16 dargestellt). In anderen Ausführungen kann der Normalvektor in derselben Ausrichtung wie der Stift definiert sein. Die Ausrichtungskoordinaten von 1–3 Punkten des Dreiecks 199 können untersucht werden, um den Normalvektor zu bestimmen; da alle diese Punkte vom Benutzer auf derselben Seite des Gegenstandes (der Außenseite) nachgezeichnet wurden, kann jeder der Punkte verwendet werden, um diese Richtung zu bestimmen.
  • 17 ist ein Ablaufdiagramm, das den Schritt 222 der 11 zeigt, in welchem ein Gitterschließvorgang ausgeführt wird. Der Prozess beginnt bei 274. In Schritt 276 überprüft der Prozess, ob INDEX der letzte Punkt der letzten Linie ist. Wenn dem so ist, dann ist der Vorgang bei 278 komplett. Wenn INDEX nicht der letzte Punkt der letzten Linie ist, dann wird in Schritt 280 ein Dreieck (INDEX, INDEX + 1, aktueller Punkt) zu der Gitterdarstellung und der Dreiecksaufstellung mit einem Normalvektor hinzugefügt, ähnlich den Schritten 256 und 260, mit Bezug auf 14 beschrieben. Im nächsten Schritt 282 wird INDEX zum nächsten Punkt der letzten Linie heraufgesetzt, und der Prozess geht wieder zu Schritt 276 zurück, um zu überprüfen, ob INDEX der letzte Punkt der letzten Linie ist. Ein Beispiel dieses Vorgangs wird in Bezug auf die 18a und 18b beschrieben.
  • 18a ist eine schematische Darstellung, die einen Teil einer Gitterdarstellung 284 zeigt, welche vom Gitterschließprozess von 17 Gebrauch macht. Die Linie A-F ist die letzte Linie, G-I ist die aktuelle Linie, und Punkt C ist der INDEX. Der Benutzer hat durch einen Befehl "Linie beenden" angezeigt, dass Punkt 1 der letzte Punkt der aktuellen Linie ist; somit wird der Gitterschließvorgang von 17 ausgeführt. Da Punkt C nicht der letzte Punkt der letzten Linie ist, fügt Schritt 280 der 17 das Dreieck bei (INDEX, INDEX + 1, aktueller Punkt) hinzu, welches in diesem Beispiel das Dreieck CDI ist. INDEX wird dann in Schritt 282 heraufgesetzt. In der nächsten Iteration wird das Dreieck DEI hinzugefügt, und in der letzten Iteration wird das Dreieck EFI hinzugefügt. In dieser Phase der Iteration stellt sich INDEX (Punkt F) in Schritt 276 als letzter Punkt der letzten Linie heraus, so dass der Prozess bei 278 komplett ist. Die endgültige Gitterdarstellung 284 ist in 18b dargestellt.
  • 19 ist ein Ablaufdiagramm, das einen bevorzugten Zusammenbauprozess 300 zum Zusammenbau der Präzisionsgestänge und -gelenke des Tastkopfgerätes 12 oder einer ähnlichen Vorrichtung mit derartigem Gestänge und Gelenken zeigt. Der Prozess beginnt bei 302. In Schritt 304 werden Gelenkbefestigungen in einem präzisen Abstand voneinander und präzisen Winkeln zueinander bereitgestellt. Derartige Gelenkhalter sind geeignet, um sicherzustellen, dass ein Gelenk in seiner Stellung bleibt, und sie sind dem Fachmann hinlänglich bekannt. Der präzise Abstand ist die gewünschte Länge eines Gestänges in der Gestängeanordnung. Der präzise Winkel ist der gewünschte Winkel oder die Versetzung aus einer linearen Stellung zwischen den Gelenken. Im nächsten Schritt 306 wird eine Gelenk-Gestänge-Anordnung mit den Befestigungen verbunden, so dass die Gelenke in der Anordnung in dem präzisen Abstand und Winkel zueinander platziert werden. Zum Beispiel kann eine Gelenk-Gestänge-Anordnung verbunden werden, welche die Gelenkglieder 24, 26 und 28 und die Gestänge 30 und 32 beinhaltet, wie in 1 dargestellt. Die Gestänge sind vorzugsweise lose mit den Gelenken verbunden, so dass die Gelenkglieder so eingestellt werden können, dass sie in die Gelenkhalter passen. In Schritt 308 werden die Gestänge mit den Gelenkgliedern im präzisen Abstand und Winkel verbunden. Ein derartiger Prozess ist dem Fachmann hinlänglich bekannt. Der Bindungsvorgang liefert eine vernachlässigbare Restspannung, so dass sich die Gelenkglieder beim Entfernen aus den Gelenkhaltern nicht durchbiegen oder verbiegen.
  • Zum Beispiel ist 20 ein schematisches Diagramm, das die Gelenkhalter 312a und 312b zeigt. Die Gelenkhalter sind mit einem präzisen Abstand d voneinander vorgesehen, wobei d eine gewünschte Länge für ein Gestänge in der Gelenk-Gestänge-Anordnung ist. Die Halter sind ebenfalls um einen präzisen Winkel α versetzt zueinander vorgesehen, wenn eine derartige Versetzung erwünscht ist. Die Gelenkbefestigungen können durch ein Glied 313 verbunden sein, um eine präzise Stellung der Befestigungen zueinander bereitzustellen. Die Gelenk-Gestänge-Anordnung 314 wird in den Haltern so platziert, dass jedes Gelenkglied 316a und 316b in einem Halter ist und in dieser Stellung gehalten ist. Nachdem die Gelenkglieder 316 gesichert wurden, ist das Gestänge 318 an seinen Platz gebunden. Das Beschriebene liefert somit ein einfaches, günstiges Verfahren zum Zusammenbau von Gelenken und Gestängen mit einem hohen Genauigkeitsgrad.
  • Das Gestänge 318, welches im Prozess 300 montiert wird, und die Gestänge 30 und 32 des Tastkopfgerätes der 1 sind in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus Graphit. Graphit erlaubt es Gestängen, ein geringeres Gewicht und eine steifere Struktur zu haben und weitaus temperaturbeständiger zu sein als Gestänge gemäß dem Stand der Technik, welche typischerweise aus Aluminium bestehen. Bei der Verwendung von Gestängen aus Graphit ist das Ergebnis ein präzises Instrument, das vom Gewicht her leicht ist, einfach im Gebrauch ist und seine Präzision über die Zeit beibehält. Daneben funktioniert Graphit in dem Anordnungsbindevorgang gut, der in 19 beschrieben wird, da Graphit-Gestänge ja nicht so gut für andere Befestigungsverfahren geeignet sind. Zum Beispiel ist Graphit nicht gut geeignet, um in Gelenkglieder geschraubt oder auf ähnliche Weise mit Dreh- oder Linear-Spannung befestigt zu werden.
  • 21a und 21b zeigen eine Vorderansicht beziehungsweise eine Seitenansicht eines Mehrstufenanschlag-Gelenks 320 für die vorliegende Erfindung. Der mehrstufige Anschlag der vorliegenden Erfindung erlaubt einem Gestänge oder Tastkopf des Tastkopfgerätes 12, wie der Stift 22, um mehr als 360 Grad um eine Achse gedreht zu werden, die durch den mehrstufigen Anschlag bereitgestellt wird. Dies erlaubt eine größere Bewegungsfreiheit für den Benutzer, wenn er den Gegenstand 20 mit dem Tastkopfgerät nachzeichnet.
  • Das Gelenk 320 beinhaltet ein erstes Glied 322 des Gelenks 320 und ein zweites Glied 324 des Gelenks 320. In den Beispielen der 21aund 21b ist das erste Glied 322 mit dem Stift 22 verbunden; das erste Glied kann auch mit anderen Gestängen 30, 32 oder 34 des Tastkopfgerätes 12 verbunden sein. Typischerweise kann ein Benutzer den Stift 22 durch Drehen des ersten Gliedes 322 um eine Achse A1 um eine Achse A1 drehen. Das zweite Glied 324 bleibt typischerweise fest an seinem Ort der Gestängeanordnung 23. 21b zeigt das zweite Glied 324, das mit dem Gestänge 30 verbunden ist. Alternativ dazu kann das erste Glied 322 fest bleiben, während das zweite Glied 324 um die Achse A1 gedreht wird. Das erste Glied 322 beinhaltet einen ersten Anschlag 326, und das zweite Glied 324 beinhaltet einen zweiten Anschlag 328. Zusätzlich kann ein Messfühler 336 im zweiten Glied 324 angeordnet sein, welches mit dem ersten Glied 322 durch ein Gelenkrohr 337 verbunden ist.
  • Ein mittleres Glied 330 ist vorzugsweise mit dem ersten Glied 322 verbunden. Alternativ dazu kann das mittlere Glied 330 mit einem zweiten Glied 324 verbunden sein. Das mittlere Glied 326 dreht sich unabhängig vom ersten Glied 322 und vom zweiten Glied 324 um eine Achse A1 und beinhaltet einen dritten Anschlag 332.
  • Wenn das erste Glied 322 zum Beispiel gegen den Uhrzeigersinn um die Achse A1 gedreht wird, wie durch den Pfeil 334 angezeigt, schlägt der erste Anschlag 326 schließlich am dritten Anschlag 332 an. Wenn der dritte Anschlag 332 keine Hindernisse auf seinem Weg aufweist, wird das mittlere Glied 330 in Verbindung mit dem ersten Glied 322 in die Richtung des Pfeils 334 gedreht. Sobald der dritte Anschlag am zweiten Anschlag anschlägt, ist jedoch keine weitere Drehung des ersten Gliedes 322 und des mittleren Gliedes 330 möglich, da das zweite Glied 324 fest in seiner Lage angeordnet ist. Diese Anordnung des mittleren Gliedes beim Anschlagen am zweiten Anschlag 328 ist in 21a dargestellt.
  • Das erste Glied 322 kann von der Position, die in 21a gezeigt wird, in die entgegengesetzte Richtung zum Pfeil 334 (im Uhrzeigersinn) gedreht werden. Das erste Glied 322 kann im Uhrzeigersinn fast 360 Grad gedreht werden, bevor es an der dritten Führung 322 anschlägt. Beide, das erste Glied 322 und das mittlere Glied 330, werden dann in Verbindung im Uhrzeigersinn gedreht. Wieder kann das mittlere Glied 330 fast um 360 Grad gedreht werden, bis es an der zweiten Führung 324 anschlägt, welche eine weitere Drehung blockiert.
  • Somit werden dem ersten Glied 322 fast 720 Rotationsgrade erlaubt (das heißt zwei volle Umdrehungen) in der entgegengesetzten Richtung zum Pfeil 334 von der Position aus, die in 21a gezeigt ist, bis der Anschlag am zweiten Anschlag erfolgt. Das Mehrstufenanschlag-Gelenk 320 erlaubt dem Stift 22 und allen anderen Gestängen, die mit ähnlichen Gelenken verbunden sind, somit einen größeren Bewegungsbereich. Der Stift 22 ist in seiner Bewegung immer noch durch Anschläge eingeschränkt, jedoch ist es wichtig, dass ein Drahtbündel, das durch das Gelenk 320 geführt ist, nicht übermäßig gespannt oder verdreht wird (was auftreten würde, wenn das Gelenk 320 gar keine Anschläge hätte).
  • Während diese Erfindung bezogen auf mehrere bevorzugte Ausführungen beschrieben wurde, wird damit gerechnet, dass Andersartigkeiten, Modifizierungen und Veränderungen davon für den Fachmann beim Lesen der Beschreibung und Studieren der Zeichnungen offenkundig werden. Zum Beispiel kann eine große Bandbreite von verschiedenen Arten von Multi-Freiheitsgrad-Abtastgeräten neben dem offenbarten Tastkopfgerät mit mehreren Funktionsmerkmalen, wie der Rotationsplatte, dem Nullstellungsvorgang, der Auswahlpalette, dem Mehrstufenanschlag-Gelenk und dem Gitterentwicklungsverfahren verwendet werden. Zusätzlich können einzelne der Merkmale, die hierin offenbart sind, für besondere Anwendungen einzeln oder in Kombination mit den anderen hierin offenbarten, erfinderischen Merkmalen ausgewählt werden. Zusätzlich kann das Tastkopfgerät und andere Verfahren, wie das Kalibrierungsverfahren, für andere Anwendungen als die Digitalisierung von 3D-Gegenständen verwendet werden. Zum Beispiel kann das Tastkopfgerät 12 verwendet werden, um Gegenstände, wie z. B. einen virtuellen Stift, in einer Virtuelle-Realität-Simulation zu steuern.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Nullstellung der Aufnehmer eines Tastkopfgerätes (12) eines Raumkoordinaten-Messgerätes, wobei das Tastkopfgerät einen Gestängeschwenkarm (25) einschließt, an dessen erstem Ende ein Tastkopf angeordnet ist, an dessen zweitem Ende ein Lagersockel (33) angeordnet ist und mindestens fünf Gelenke (24, 26, 28, ...) zwischen dem Tastkopf und dem Sockel angeordnet sind, wobei die Gelenke mit einer Vielzahl von Messfühlern verbunden sind, von denen jeder Messfühler (54) zum Messen eines Winkeldifferentials wirksam ist, das sich aus der Bewegung eines zugeordneten Gelenkes ergibt, und das Verfahren umfasst: – Platzieren des Tastkopfes (22) in einer Aufnahme (122, 170), die an dem Tastkopfgerät (12) angeordnet ist, wobei die Aufnahme so angeordnet ist, dass beim Anordnen des Tastkopfes in der Aufnahme vier der fünf Drehgelenke weitgehend in einer bekannten Winkelstellung festgelegt werden und ein fünftes (34) der Drehgelenke in einer beliebigen Winkelstellung angeordnet werden kann, wobei die bekannte Winkelstellung eine Ausgangsstellung ist; – Empfangen einer Weisung zur Nullstellung der Messfühler (54) des Tastkopfgerätes (12); und – Zuweisen eines bekannten Winkels an jedes der Gelenke (24, 26, 28, ...) beim Anordnen des Tastkopfes in der Aufnahme (122, 170).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Tastkopf (22) ein Stift ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Weisung zur Nullstellung der Messfühler die Aufnahme elektrischer Leistung für das Tastkopfgerät (12) einschließt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das fünfte (34) der Drehgelenke mit dem Sockel (33) verbunden ist, wobei das fünfte Drehgelenk (34) von der bekannten Winkelstellung ausgenommen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das fünfte Drehgelenk (34) zur Anordnung in einer Drehstellung bezüglich des Sockels (33) betriebsfähig ist, wenn die Weisung zur Nullstellung der Messfühler (54) erhalten wird, wobei die Drehstellung als bekannter Winkel für das fünfte Drehgelenk betrachtet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein örtlicher Mikroprozessor das Nullstellungsverfahren durchführt, so dass Werte festgesetzt werden, die den Gelenken in der Ausgangsstellung zugeordnet sind, wobei der örtliche Mikroprozessor die Einstellung festgelegter Startzählungen einschließt, die den Gelenken in der Ausgangsstellung zugeordnet sind.
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