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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf dreidimensionale
Koordinatenmessvorrichtungen (oder CMMs). Insbesondere bezieht sich
die Erfindung auf eine neue und verbesserte dreidimensionale CMM,
die tragbar ist und verbesserte Genauigkeit und leichtere Handhabung
bereitstellt.
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Alle
physischen Gegenstände
beanspruchen für
sich Volumen oder Raum. Die Position in einem Raum kann durch Länge, Breite
und Höhe
definiert werden, welche in der Technik oftmals als X-, Y- und Z-Koordinaten
bezeichnet werden. Die X-, Y- und Z-Zahlen stellen die Dimensionen
von Länge,
Breite und Höhe
oder drei Dimensionen dar. Dreidimensionale Objekte werden durch
Position und Ausrichtung beschrieben; d. h. nicht nur, wo ein Objekt
sich befindet, sondern auch in welche Richtung es zeigt. Die Ausrichtung
eines Objekts im Raum kann durch die Position dreier Punkte auf
dem Objekt definiert werden. Die Ausrichtung kann auch die Ausrichtungswinkel
des Objekts im Raum beschrieben werden. Die X-, Y- und Z-Koordinaten können am
einfachsten durch drei lineare Maßstäbe gemessen werden. Anders
gesagt wird ein Maßstab
an Länge,
Breite und Höhe
eines Raums angelegt, um so die Position eines Punkts im Raum zu
messen.
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Gegenwärtig messen
Koordinatenmessvorrichtungen oder CMMs Objekte im Raum mit Hilfe von
drei linearen Maßstäben. Diese
Vorrichtungen sind gewöhnlich
nicht tragbar, teuer und in der Größe oder dem Volumen, die bzw.
das leicht gemessen werden kann, begrenzt.
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FARO
Technologies, Inc., Lake Mary, Florida (USA) (der Anmelder der vorliegenden
Erfindung), hat mit Erfolg eine Reihe von digitalisierenden Vorrichtungen
vom Elektrogoniometertyp für
den medizinischen Bereich hergestellt. Insbesondere hat FARO Technologies,
Inc., Systeme zur Skelettanlayse, auch als METRECOM® bekannt,
und Systeme zur Verwendung in chirurgischen Anwendungen, SURGICOMTM, hergestellt. Elektrogoniometrische Vorrichtungen
vom Typ der METRECOM- und SURGICOM-Systeme sind in den US-Patenten
Nr. 4.670.851, 5.251.127 und 5.305.203 offenbart, welche alle dem
Anmelder übertragen
worden sind. FR2702043 offenbart eine tragbare CMM-Vorrichtung mit
einem manuell positionierbaren Messarm und einer Sonde.
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Während sie
für ihre
beabsichtigten Zwecke gut geeignet sind, zeigen die digitalisierenden
METRECOM- und SURGICOM-Systeme vom Elektrogoniometertyp für allgemeine
industrielle Anwendungen, wo oftmals dreidimensionale Messungen
von Teilen und Anordnungen erforderlich sind, keine gute Eignung.
Somit gibt es einen kontinuierlichen Bedarf an verbesserten, genauen
und kostengünstigen CMMs
für industrielle
und damit in Beziehung stehende Anwendungsgebiete.
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Die
obig angesprochenen und anderen Probleme und Mängel des Stands der Technik
werden durch das dreidimensionale Messinstrument (z. B. Elektrogoniometer)
der vorliegenden Erfindung gelöst
oder gemindert. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine neue, tragbare Koordinatenmessvorrichtung, wie
in Anspruch 1 dargelegt, bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst
einen durch zahlreiche Gelenke (vorzugsweise sechs oder sieben Gelenke) verbundenen,
manuell positionierbaren Messarm für das genaue und leichte Messen
eines Volumens, das in einer bevorzugten Ausführungsform eine Kugel mit einem
Durchmesser von vorzugsweise 6 bis 12 Fuß umfasst (wobei dabei aber
auch Durchmesser unter- und oberhalb dieses Bereichs abgedeckt werden können) und
eine Messgenauigkeit von vorzugsweise 2 Sigma +/– 7,62 × 10–6 m
(0,0003 Zoll) (und optimal 2 Sigma +/– 2,54 × 10–5 m
(0,001 Zoll) umfasst. Zusätzlich
zum Messarm verwendet die vorliegende Erfindung gegebenenfalls eine
Steuerung (oder einen seriellen Kasten), die als elektronische Schnittstelle
zwischen dem Arm und einem Host-Computer agiert.
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Der
im CMM dieser Erfindung verwendete mechanische Messarm besteht im
Allgemeinen aus einer Vielzahl von Transfergehäusen (wobei jedes Transfergehäuse ein
Gelenk umfasst und einen Grad an Rotationsfreiheit definiert) sowie
aus Verlängerungselementen,
die jeweils mit aneinander angrenzenden Transfergehäusen aneinander
befestigt sind, die z. B. in rechten Winkeln angeordnet sind, um
einen beweglichen Arm mit vorzugsweise fünf, sechs oder sieben Freiheitsgraden
zu definieren. Jedes Transfergehäuse
umfasst Messwandler und gegebenenfalls neue Lageranordnungen, wie
sie in den Ansprüchen
2 bis 5 definiert sind. Diese neuen Lageranordnungen können vorgespannte
Lager umfassen, die aus einander entgegengesetzten konischen Rollenlagern
gebildet sind, sowie Versteifungsschublagern oder alternativ dazu
Standard-Duplex-Lagern für
eine hohe Biegungsfestigkeit mit einer geringen Profilstruktur.
Zusätzlich
dazu kann jedes Transfergehäuse
physikalische audiovisuelle Endanschlag-Indikatoren umfassen, um
gegen eine mechanische Überbelastung
auf Grund mechanischer Belastung zu schützen.
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Bevorzugte
Transfer- bzw. Übertragungsgehäuse sind
in den Ansprüchen
6 bis 9 und 21 definiert.
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Der
bewegliche Arm ist an einem Sockel oder einer Säule befestigt, der bzw. die
(1) eine Temperaturüberwachungs-Leiterplatte
zum Überwachen der
Temperaturstabilität;
(2) eine Kodierer-Montageplatte für eine universelle Kodiererauswahl;
(3) eine EEPROM-Leiterplatte, die Kalibrierungs- und Identifizierungsdaten
enthält,
um somit eine Verwechslung der Einheiten zu verhindern; und (4)
eine Vorverstärker-Leiterplatte, die
nahe der Kodierer-Montageplatte montiert ist, um hochverstärkte Signale
zu einem entfernten Counterboard in der Steuerung zu übertragen,
umfassen kann.
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Wie
im METRECOM-System nach dem Stand der Technik können die Transfergehäuse modular
sein und somit variable Anordnungskonfigurationen zulassen, wobei
die gesamte bewegliche Armanordnung gegebenenfalls aus einem Material
besteht, um einen konsistenten Koeffizienten der thermischen Ausdehnungen
(CTE) sicherzustellen. Ähnlich
wie im METRECOM-System ermöglichen
innere Drahtführungen
mit Rotationsanschlägen
und Drahtwindungshohlräumen
einen vollständigen
Einschluss einer großen
Anzahl an Drähten.
Auch kann das in den Ansprüchen
definierte CMM-System in Einklang mit dem METRECOM-System nach dem
Stand der Technik auch einen durch eine Feder ausgeglichenen und
stoßgedämpften Lagermechanismus,
um dem Benützer
Komfort zu bieten, sowie eine Dateneingabevorrichtung mit Doppelschalter
(TAKE/ACCEPT), um hochpräzise
Messungen durch manuelle Handhabung zu ermöglichen, umfassen. Auch ist eine
verallgemeinerte Option des im METRECOM-System nach dem Stand der Technik verwendeten
Typs bereitgestellt, um Variablen in drei Dimensionen zu messen
(so kann z. B. die Temperatur dreidimensional unter Verwendung eines
am Optionsanschluss befestigten Thermoelements gemessen werden).
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Die
Verwendung eines diskreten Steuerkastens auf Basis eines Mikroprozessors
stellt ein bevorzugtes Merkmal dieser Erfindung dar, als dadurch
die Vorverarbeitung von spezifischen oder integrierten Steuerungsberechnungen
ohne Anforderungen an eine Host-Verarbeitung möglich sind. Dies wird dadurch
erreicht, dass ein intelligenter Präprozessor im Steuerkasten angeordnet
wird, der programmierbare Adaptierbarkeit und Kompatibilität mit einer
Vielzahl externer Hoste (z. B. externe Computer) bereitstellt. Der
serielle Kasten kann auch eine intelligente Multi-Protokoll-Berechnung und automatische
Umschaltung bereitstellen, indem vom Host Kommunikationsanforderungen
geprüft
werden. So erzeugt ein Host-Computer, der die Software von einem
Hersteller verwendet, abgehende Rufe einer Form, die vom Steuerkasten
automatisch geprüft
werden. Auch können
andere Merkmale des Steuerkastens serielle Anschlusskommunikationen
für standardisierte
Fernkommunikationen in einer Vielzahl industrieller Umgebungen sowie
neue Analog-Digital/Digital-Counterboards für die simultane Speicherung
jedes Kodierers (im Transfergehäuse
angeordnet) umfassen, was zu sehr genauen Messergebnissen führt.
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Bevorzugte
Systeme, die einen seriellen Kasten umfassen, sind in den Ansprüchen 17
und 18 definiert.
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Gegebenenfalls
wird die effiziente Kalibrierung der CMM der vorliegenden Erfindung
vor Ort durch die Verwendung einer Bezugskugel verbessert, die am
Sockel der CMM positioniert ist, um möglichen Montagekomplikationen
für die
Systemgenauigkeitsberechnung zuvorzukommen. Zusätzlich dazu können die
CMM dieser Erfindung Mittel zum Durchführen eines volumetrischen Genauigkeitsmessungsprotokolls
auf einer Interimsbasis umfassen, wobei vorzugsweise eine neue konische
Kugel-Stab-Vorrichtung verwendet wird.
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Die
obig ausgeführten
und anderen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden von
Fachleuten auf dem Gebiet der Technik aus der folgenden detaillierten
Beschreibung und den Zeichnungen erkannt und verstanden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Mit
Bezug auf die Zeichnungen, worin ähnliche Elemente in den verschiedenen
Figuren gleich nummeriert sind, ist/sind
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1 eine
Vorderansicht, die das dreidimensionale Messsystem der vorliegenden
Erfindung ohne Schlag-Sonde, umfassend eine Koordinatenmessvorrichtung,
einen Steuerkasten und einen Host-Computer, darstellt;
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2 eine
Seitenansicht, die den Host-Computer auf dem seriellen Kasten darstellt, welcher
wiederum auf einem beweglichen Arm montiert ist;
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3 eine
Seitenansicht des dreidimensionalen Messsystems der vorliegenden
Erfindung ohne Schlag-Sonde, das auf einem Theodolit-Ständer montiert
ist;
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4 eine
Hinteransicht der in 1 dargestelltem CMM;
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5 ein
Längsansicht,
teils im Querschnitt, der CMM der 1;
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6 eine
Explosions-Seitenansicht eines Transfergehäuses, das in der CMM der 1 verwendet
wird;
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6A und 6B Ansichten
entlang der Linien 6A-6A bzw. 6B-6B der 6;
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7 ein
Querschnitt zweier angeordneter, quer ausgerichteter Transfergehäuse;
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8 eine
vergrößerte Seitenansicht
einer ausgeglichenen Federvorrichtung, die in der CMM der 1 verwendet
wird;
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9A und 9B Drauf-
und Unteransichten, welche die Griff-Sonden-Anordnung der 1 darstellen;
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10 eine
vergrößerte Vorderansicht
des Steuerkastens der 1;
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11 eine
vergrößerte Hinteransicht
des Steuerkastens der 1;
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12 eine
schematische Ansicht der elektronischen Komponenten für das dreidimensionale Messsystem
der 1;
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13 eine
Seitenansicht der CMM der 1, die ein
Sondenspitzen-Kalibriersystem
darstellt;
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14 eine
schematische Draufsicht, die ein Verfahren zum Kalibrieren der Sondenspitze
veranschaulicht;
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15 eine
Seitenansicht der CMM der 1, die mit
einem Kugelstab geeicht wird;
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16 und 17 Seitenansichten
der CMMM der 1, die durch eine neue konische
Kugelstabvorrichtung geeicht wird;
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18 eine
Seitenansicht, die ein Verfahren zum Optimieren der CMM der 1 unter
Verwendung eine Optimierungsvorrichtung darstellt;
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19A–E jeweils Vorder-, Hinter-, Drauf- sowie
rechte und linke Seitenansichten der in der Vorrichtung des 18 verwendeten
Präzisionsstufen-Messgeräts;
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20 eine
schematische Ansicht, die ein Verfahren zum Optimieren der CMM der 1 unter Verwendung
der Vorrichtung der 18 zeigt;
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21 eine
Vorderansicht des Messarms der vorliegenden Erfindung, die Verstrebungslager für die Stabilität zwischen
dem Messarm und dem gemessenen Objekt darstellt;
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22A eine Vorderansicht der CMM der 1,
wobei die CMM, der serielle Kasten und der Host-Computer mit Kabeln
miteinander verbunden sind;
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22B eine Vorderansicht einer alternativen CMM,
worin der serielle Kasten-Schaltkreis
miniaturisiert und direkt auf der Seite (oder dem Sockel) des Messarms
montiert wurde, und worin sowohl der serielle Kasten als auch der
Host-Computer Signale mittels Telemetrie prüfen und empfangen können;
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23A und 23B Querschnitte
entlang der Mittellinie eines Abschnitts des Transfergehäuses der 6,
die eine bevorzugte alternative Lagerkonstruktion der vorliegenden
Erfindung darstellen;
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24 eine
Vorderansicht, teilweise im Querschnitt, einer automatischen Schlag-Sonde gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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25A eine Teilansicht, teilweise im Querschnitt,
einer zweiten bevorzugten alternativen Anschlaganordnung des Transfergehäuses und
des Schafts, die eine Rotation um 660° an jeder Freiheitsbewegung
in der CMM gemäß der vorliegenden
Erfindung zulässt;
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25B ein Querschnitt entlang der Linie 25B-25B
der 25A vor der Rotation;
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25C ein Querschnitt entlang der Linie 25C-25C
der 25A vor der Rotation;
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25D ein Querschnitt entlang der Linie 25D-25D
der 25A nach der Rotation um 330° gegen den
Uhrzeigersinn;
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25E ein Querschnitt entlang der Linie 25E-25E
der 25A nach der Rotation um 330° gegen den
Uhrzeigersinn;
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26A eine Draufsicht auf einen Pendelschlitten
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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26B eine Vorderansicht eines Pendelschlittens
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Mit
Bezug auf 1 umfasst das dreidimensionale
Messsystem der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen eine Koordinatenmessvorrichtung (CMM) 10,
die aus einem manuell betriebenen vielgelenkigen Arm 12 und
einem Lagersockel oder Säule 14 besteht,
einer Steuerung oder einem seriellen Kasten 16 sowie einem
Host-Computer 18. Es ist anzumerken, dass die CMM 10 elektronisch
mit dem seriellen Kasten 16 kommuniziert, welcher wiederum elektronisch
mit dem Host-Computer 18 kommuniziert.
Die CMM ist ohne eine angeordnete Schlag-Sonde dargestellt.
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Wie
nachfolgend detailliert hierin dargestellt ist, umfasst die CMM 10 Wandler
(z. B. einen Wandler für
jeden Freiheitsgrad), der Rotationspositionsdaten sammelt und diese
Basisdaten zum seriellen Kasten 16 weiterleitet. Der serielle
Kasten 16 stellt eine Verringerung für die allgemeinen Anforderungen eines
Host-Computers 18 bereit, um komplexe Berechnungen durchzuführen und
gewisse vorläufige Datenmanipulationen
bereitzustellen. Wie in 2 dargestellt, soll der serielle
Kasten 16 unter dem Host-Computer 18 positioniert
sein (so wie der Notebook-Computer
in 2), und er umfasst EEPROMS, die Software zur Bearbeitung
von Daten enthalten, einen Mikrocomputer-Prozessor, eine Signalverarbeitungs-Platine
und eine Reihe von Anzeigesignallichtern 20. Wie bereits
erwähnt,
werden Wandler-Basisdaten
von der CMM 10 zum seriellen Kasten 16 gesendet.
Der serielle Kasten 16 verarbeitet daraufhin die Wandler-Rohdaten
auf einer weitergehenden Basis und antwortet auf die Anfragen des Host-Computers
mit der erwünschten
dreidimensionalen Positions- oder Ausrichtungsinformation.
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Vorzugsweise
sind alle drei Komponenten, die das dreidimensionale Messsystem
dieser Erfindung (z. B. CMM 10, serieller Kasten 16 und Host-Computer 18)
definieren, entweder auf einer fixen Montagefläche unter Verwendung einer
festen Platte und/oder auf einem standardisierten optischen Messinstrumentgewinde
montiert, wonach sie auf einem bekannten und standardisierten mobilen
Theodolit-Ständer, wie
jenem bei 22 in 3 dargestellt, montiert sind.
Vorzugsweise umfasst der Theodolit-Ständer 22 einen von
Brunson Art. Nr. MWS750. Ein solcher mobiler Ständer ist durch eine stabile Rollplattform
mit verlängerbarem
vertikalen Turm und mit gemeinsamen Befestigungen und Verschlussmechanismen
charakterisiert. Wie in den 2 und 3 dargestellt,
ist der Lagersockel 14 der CMM 10 durch ein Gewinde
oder anders auf einem vertikalen Lagerelement 24 des Ständers 22 befestigt,
während der
serielle Kasten 16/der Host 18 auf einer Unterlage 26 befestigt
ist, die schwenkbar an einem ersten Gelenk 28 an einem
Arm 30 befestigt ist, welcher schwenkbar mit einem zweiten
Gelenk 32 verbunden ist. Das Verbindungselement 34 verbindet
das Gelenk 32 mit einem Schwenkelement 36, das
an einer Kappe 38 befestigt ist, die an der Oberseite des
Elements 24 montiert ist.
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Die
CMM 10 ist nun in Bezug auf die 1 und 4–9 detailliert beschrieben. Wie am besten in 5 ersichtlich
ist, umfasst die CMM 10 einen Sockel 14, der mit
einer ersten Gruppe von zwei Transfergehäusen verbunden ist, die ein
erstes Transfergehäuse 40 umfasst,
das wiederum mit einem zweiten Transfergehäuse 42 (das quer zum
Gehäuse 40 positioniert
ist) verbunden ist. Ein erstes Verlängerungselement 44 ist
fest an einer zweiten Gruppe von zwei Transfergehäusen, die
ein drittes Transfergehäuse 46 umfassen,
das querstehend mit einem vierten Transfergehäuse verbunden ist, befestigt.
Das erste Verlängerungselement 44 ist
lotrecht zwischen den Transfergehäusen 42 und 46 positioniert.
Ein zweites Verlängerungselement 50 ist
fest am Transfergehäuse 48 befestigt
angebracht. Das rechte Verlängerungselement 50 ist
fest an einer dritten Gruppe von zwei Transfergehäusen befestigt,
die ein fünftes
Transfergehäuse 52 umfassen,
das querstehend an einem sechsten Transfergehäuse 54 befestigt ist.
Das fünfte
Transfergehäuse 54 weist
eine Griff-Sondenanordnung 56 auf, die daran befestigt
ist und an welcher eine Schlag-Sonde befestigt ist, die in Verwendung
in 24 dargestellt ist.
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Im
Allgemeinen (und wie hierin nachfolgend im Detail dargestellt) sind
Positionsprüfwandler
in jedem der sechs Transfergehäuse 40, 42, 46, 48, 52 und 54 montiert.
Jedes Gehäuse
besteht aus Stützlagern
und Wandler-Einheiten, die so ausgeführt sind, dass sie zylindrisch
aneinander befestigt sind, wobei dabei 45°-winkelige Befestigungsschrauben verwendet
werden (6). Am Sockel 14 befestigt
ist eine Ausgleichs-Federvorrichtung 60, um den Arm 12 in seiner
vertikalen Standardkonfiguration zu stützen (8).
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In
Hinblick nun auf die 6 und 7 folgt eine
detaillierte Beschreibung eines Transfergehäuses und seiner Innenkomponenten.
Es ist anzumerken, dass die 6 eine Explosionsdarstellung
eines Transfergehäuses
ist, während 7 eine
vergrößerte Ansicht
der quer ausgerichteten und befestigten Transfergehäuse zeigt
(z. B. Gehäuse 46 und 48).
Jedes Gehäuses
umfasst einen Innenträger 62 und
einen äußere Schale 64.
Die mechanische Stabilität
zwischen dem Innenträger 62 und
der äußeren Schale 64 wird
durch einander entgegengesetzte (z. B. einander gegenüberliegende)
konische Rollenlager 66, 68 bereitgestellt, die
so positioniert sind, um gegen ihre jeweiligen konischen Laufschalen 70, 72 zu
drücken.
Die konischen Laufschalen 70 und 72 sind permanent
in der externen Transferschale 64 befestigt. Der Träger umfasst
einen Schaft 122, der sich davon erstreckt und an einem
Gewinde 74 endet. Die konischen Lager 66, 69 bestehen
vorzugsweise aus gehärtetem
Stahl, während
die Laufschalen 70, 72 ebenfalls aus gehärtetem Stahl
ausgeführt sind.
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Eine
zweite bevorzugte alternative Lageranordnung ist nachfolgend im
Anschluss an die detaillierte Beschreibung der ersten bevorzugten
Ausführungsform
zum Zweck der klaren Verständlichkeit
beschrieben.
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Während des
Zusammenbaus der Transferschale 48 wird eine Druckkraft
unter Verwendung einer Mutter 73 angelegt, die bis zu einem
bestimmten Drehmoment auf dem Gewinde 74 festgezogen wird, wodurch
eine vorgespannte Lagersituation bereitgestellt wird, die zu keiner
anderen Bewegung als der axialen Rotation unter typisch angelegten
Belastungen führt.
Aufgrund der Erfordernis eines solchen Arms mit geringem Profil
oder so während
des händischen
Betriebs und der begleitenden Reduzierung der Gesamtsteifigkeit
wird bevorzugt, und in gewissen Anwendungen ist dies auch erforderlich,
ein Drucklager 76 an der Übergangsstelle zwischen dem Träger 62 und
der Schale 64 anzubringen. Das Drucklager 76 stellt
weitere mechanische Steifigkeit zwischen dem Träger 63 und der Schale 64 des Transfergehäuses bereit.
Das Drucklager 76 umfasst fünf Elemente, die einen Druckeinstellring 300,
eine flache ringförmige
Laufrille 302, Rolllager, einen Käfig 304, eine ringförmige Laufschale 306 und
eine gegenüberliegende
Druckabdeckung 308 umfassen. Das Drucklager 76 wird
durch eine Reihe von Einstellschrauben 78 eingestellt und
stellt eine hohe Biegefestigkeit bereit. Der Wandler (vorzugsweise
ein Kodierer (Encoder) 80, wie er von Heinderhain unter der
Bezeichnung Mini-Rod, Artikel Nr. 450M-03600 erhältlich ist), ist auf einer
universellen Montageplatte 82 montiert, um in der Transferschale
montiert zu werden. Die universelle Montageplatte 82 ist
insofern wichtig, als sie mögliche
Probleme bezüglich
der Verfügbarkeit
von Komponenten löst,
so dass eine Änderung
der Herstellung des Wandlers 80 und somit die Änderung
der Montagekonfiguration der Schraube durch Modifikationen in der
Montageplatte 82 begleitet werden kann. Die Montageplatte 82 ist
in 6A als dreieckige Platte mit abgerundeten Ecken
dargestellt. 6A zeigt auch Gewindeelemente 88 und 90,
einen Stift 86 und eine Kupplung 84 (welche alle nachfolgend
beschrieben sind).
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Für sehr genaue
Rotationsmessungen unter Verwendung von Kodierern 80 ist
es erforderlich, dass keine Belastungen auf die Kodierer erfolgen und
dass die Bewegung des Transfergehäuses trotz kleinerer Fehlausrichtungen
der Achse der Transferschale und der Kodiererachse genau zum Kodierer übermittelt
werden kann. Die winkeligen Transferfehler sind für Fachleute
auf dem Gebiet der Technik aus der veröffentlichten Literatur zum
Thema Kodierer bekannt. Mit dem Kodierer 80 kommuniziert
eine Kupplung 84, wie sie von Renbrandt unter der Bezeichnung
B1004R51 erhältlich
ist. Ein Verlängerungsschaft 86 wird
verwendet, um den Kodierer 80 endgültig mit der Transferschale 64 zu
verbinden. Der Schaft 86 ist sowohl an der Kupplung 84 als
auch am Ende des Trägers 62 am
Gewinde 74 unter Verwendung von Einstellschrauben 88, 90 befestigt
(siehe 7). Gemäß einem
bevorzugten Merkmal dieser Erfindung ist eine elektronische Vorverstärker-Platine 92 in
unmittelbarer Nähe
zum Kodierer 80 positioniert und auf der Innenseite der
Kappenabdeckung 96 (mit Schrauben 94) montiert.
Die Kappenabdeckung 96 ist an der Schale 64 mit
Hilfe von Schrauben 97 befestigt. Ein Transfer- bzw. Übergangsgehäuse 98 verbindet
die Kappenabdichtung 96 mit der Schale 64 über eine
Schraube 97 und Schrauben 100. Die Abdichtung
des Transfergehäuses
gegen die Umgebung erfolgt am Gelenk unter Verwendung einer O-Ring-Rille 102,
in welcher eine Standard-Gummi-O-Ring-Rille 104 angeordnet
ist. Ein Rotationsendanschlag 106 (nachfolgend hierin ausgeführt) ist
am besten in 6B dargestellt und umfasst ein
quadratisches Metallgehäuse
mit einer hindurchgehenden Öffnung,
die auf der Schale 64 unter Verwendung eines Bolzens 108 montiert
ist, der durch die Öffnung
des Gehäuses
mit einem Gewinde befestigt ist. Ein Draht läuft durch die Durchführungen,
die auf dem Träger 62 und
der Schale 64 bei 110 und 112 montiert
sind, um den Abrieb bei einer längerfristigen
Verwendung zu stoppen. Ein Positionierungsstift 114 ist
von einer passend geformten Ausnehmung 116 im Träger 62 aufgenommen,
um somit die relative Ausrichtung der zwei angrenzenden Transferschalen
zu halten.
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Mit
Bezug auf 7 ist es aufgrund von Umwelteinflüssen und
anderen Gründen
wichtig, dass der gesamte Draht völlig unsichtbar ist und somit
im Arm 12 enthalten ist. 7 zeigt
zwei zusammengebaute Transfergehäuse 46, 48,
die lotrecht zueinander montiert sind und den Durchgang der Drähte zeigen.
Es ist anzumerken, dass während
der Verwendung von CMM 10 die Kodiererinformation vom Kodierer 80 zur
Prozessor-Platine 92 über
den Draht 118 geleitet wird, welcher daraufhin verstärkt und durch
den Arm über
die bearbeiteten Durchgänge 120 geleitet
wird. Der Draht 118 verläuft daraufhin durch einen Kanal 120 im
Schaft 122 des Innenträgers 62 des
Transfergehäuses 46 und
durch ein Durchgangsloch 124, wo er in einen großen Hohlraum 126 einmündet, der
auf der Außenschale 64 des
Transfergehäuses 46 ausgeführt ist.
Der Hohlraum 126 ermöglicht
das Verwinden von Drahtsträngen
während
der Rotation der Transferschale und ist so konfiguriert, dass kein
Drahtabrieb und nur eine Minimum an Verbiegung des Drahts erzeugt
wird. Da der Draht aber insgesamt die vollständige Rotation begrenzt, wird
eine unvollständige
kugelförmige
Nut 128 erzeugt, in welcher eine Endanschlag-Schraube 130 positioniert
ist, welche die vollständige
Rotation begrenzt, in diesem Fall auf 330°. Eine zweite bevorzugte alternative
Konfiguration des Endanschlags, die eine 660E Rotation ermöglicht,
ist hierin nachfolgend im Anschluss an die vollständige Beschreibung der
ersten bevorzugten Ausführungsform
zum Zweck der Verständlichkeit
beschrieben. Es ist anzumerken, dass das Durchlaufen durch den Kanal 120 und
den Drahtwindungshohlraum 122 in jedem Transfergehäuse wiederholt
wird, wodurch die Drähte
ihren Weg nach unten zum Verbindungsstück machen können, das am Sockel 14 montiert
ist, wodurch sich keine Verwicklung der Drähte ergibt.
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Wendet
man sich nunmehr 8 zu, so führen die Konstruktion des Aluminiumarms
wie auch die verschiedenen Lager und Wandler zu einem Gesamtgewicht
von insgesamt etwa 10 bis 15 Pfund an der Sondengriffanordnung 56 der
CMM 10. Unter normalen Umständen würde dies zu einer beträchtlichen
Ermüdung
während
der Verwendung führen, was
somit ausgeglichen werden muss. Ausgleichsgewichte sind aber nicht
bevorzugt, da sie das Gesamtgewicht der Vorrichtung in Hinblick
auf die Transportierbarkeit beträchtlich
erhöhen.
Somit erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform der Gewichtsausgleich
durch eine Ausgleichsgewichtvorrichtung 60, die eine Drehfeder 132 umfasst,
die in einer Kunststoffschale 134 angeordnet ist und am Transfergehäuse 42 am
Sockel 14 montiert ist, um ein Anheben des Arms 12 bereitzustellen.
Die Wickeldrehfeder 132 kann in einer Vielzahl von Positionen
montiert sein, wodurch die Vorspannung insgesamt beeinflusst wird,
und sie kann somit bei verschiedenen Armlängen und -gewichten verwendet werden. Ähnlich kann
aufgrund des Gewichts des Arms 12 und der Wirkung der gewickelten
Feder eine beträchtliche
Stoßbelastung
auftreten, wenn der Arm in die Lagerposition zurückpositioniert wird. Um eine beträchtliche
Stoßwirkung
auf den Arm bei dessen Einziehen zu verhindern, ist auch ein Luftkolben-Stoßabsorbierer 134 im
Kunststoffgehäuse 142 der
Ausgleichs-Federvorrichtung 60 vorgesehen. Dies führt zu einer
Absorption der Stoßbelastung
und zu einer langsamen Entspannung in die Ruheposition. Es ist anzumerken,
dass 8 den Stoßabsorbierer 134 in
einer zusammengedrückten
Konfiguration darstellt, während
die 15 bis 17 den Stoßabsorbierer 134 in
seiner vollständig
ausgestreckten Position zeigen.
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In
den 9A und 9B sind
Drauf- und Unteransichten der Sondengriffanordnung 56 dargestellt.
Die Sondengriffanordnung 56 soll entweder als Stift- oder
Kolbengriff gehalten werden und besitzt zwei Schalter (Punkt Nr. 150 und 152 in 9A)
zum Aufnehmen von Daten, ein Verbindungsstück (Punkt Nr. 154 in 9B)
zum Befestigen der fakultativen elektronischen Teile und eine Gewindefassung 156, um
eine Schlag-Sonde aufzunehmen. (Die 9A und 9B zeigen
eine Kugelsonde, die an einer Gewindefassung befestigt ist, um in
einem nachfolgend ausgeführten
und in 16 dargestellten Kalibrierverfahren
verwendet zu werden, wobei dies aber bei einer normalen Verwendung
gemäß der Erfindung
durch eine Schlag-Sonde ersetzt ist). Da die CMM 19 eine
händische
Messvorrichtung ist, muss es dem Benützer möglich sein, eine Messung vorzunehmen
und daraufhin der CMM 10 zu bestätigen, ob die Messung akzeptabel
ist oder nicht. Dies erfolgt durch die Verwendung zweier Schalter 150, 152.
Der vordere Schalter 150 wird verwendet, um die dreidimensionale
Dateninformation aufzunehmen, während
der hintere Schalter 152 deren Akzeptanz bestätigt und
diese zum Host-Computer 18 übermittelt. Auf der Rückseite
der Schaltereinfassung 158 (Gehäuse 150, 152)
befindet sich das Verbindungsstück 154,
das eine Vielzahl von Spannungsleitungen und Analog-Digital-Umwandlungsleitungen
aufweist, um auf diese Weise an einer Vielzahl von Optionen befestigt
zu werden, so etwa an einer Laserscan-Vorrichtung oder einer berührungsempfindlichen
Sonde.
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In
Hinblick auf die 10 und 11 folgt nun
eine Beschreibung der Steuerung oder des seriellen Kastens 16. 10 zeigt
die Frontplatten-Fläche 162 der
Steuerung oder des seriellen Kastens 16. Die Frontplatte 162 weist
acht Signal-Lichter auf, umfassend dabei ein Energieanzeigelicht 164,
einer Fehlerbedingungslicht 166 und sechs Signal-Lichter 20,
davon jeweils eins für
die sechs Wandler (als Nr. 1–6
identifiziert), die in jedem Transfergehäuse angeordnet sind. Nach dem
Einschalten zeigt das Energieanzeigelicht 164 Betriebsbereitschaft
des Arms 12 an. Zu diesem Zeitpunkt zeigen alle sechs Wandlersignallichter
den Status jedes der sechs Wandler an. In einer bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung sind die Wandler digitale optische Inkrementalkodierer 80 und
erfordern eine Referenzermittlung. (In einer weniger bevorzugten
Ausführungsform
können
die Wandler analoge Vorrichtungen sein.) Somit muss beim Starten
jedes der sechs Gelenke (z. B. Tansfergehäuse) rotiert werden, um die
Bezugsposition zu finden, zu welchem Zeitpunkt die sechs Signal-Lichter
sich abschalten sollen.
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Gemäß einem
bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung sollte während der
Verwendung jeder der Wandler sich seinem Rotationsendanschlag 106 innerhalb
von 2 Grad nähern,
wobei ein Licht und ein hörbarer
Signalton für
diesen bestimmten Wandler dem Benützer anzeigen, dass der Benützer sich
zu nahe beim Endanschlag befindet; und dass die Ausrichtung des
Arms für
die gegenwärtige Messung
neueingestellt werden sollte. Der serielle Kasten 16 misst
weiter, erlaubt aber kein Einholen von Daten, bis ein solcher Endanschlag-Zustand
entfernt ist. Eine typische Situation, in welcher dieses Endanschlag-Merkmal
notwendig ist, ist der Verlust eines Freiheitsgrads durch die Rotation
eines bestimmten Wandlers zu seiner Endanschlag-Grenze und somit
durch das Anlegen von Kräften
auf den Arm, wodurch sich ungemessene Abweichungen und Ungenauigkeiten
bei der Messung ergeben.
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Zu
jedem Zeitpunkt während
des Messvorgangs können
eine Vielzahl verschiedener Kommunikations- und Berechnungsfehler
auftreten. Diese werden dem Benützer
durch das Aufleuchten des Fehlersignallichts und im Anschluss daran
durch die Kombination von Signal-Lichtern der sechs Wandler, die über einen
Code den bestimmten Fehlerzustand anzeigen, übermittelt. Es ist anzumerken,
dass die Frontplatte 162 alternativ eine alphanumerische LCD-Anzeige
verwenden kann, wodurch sich alphanumerische Fehler- und Endanschlag-Warnungen ergeben.
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In
Hinblick auf 11 umfasst die Hinterplatte 168 des
seriellen Kastens 16 eine Vielzahl von Standard-PC-Anschlüssen und
Schaltern, einschließlich
dabei eines Reset-Knopfs 170, der den Mikroprozessor rücksetzt;
ein Wechselstrom-Eingabe-Gebläse 172 für die Luftzirkulation;
einen Anschluss 174 für
eine Standard-PC-AT-Tastatur,
einen Anschluss 176 für
eine fakultative VGA-Platine zum Überwachen der internen Operationen
des seriellen Kastens 16; einen Anschluss 178 zum
Aufnehmen der Vielzahl von Signalleitungen für die CMM-Daten sowie einen
Anschluss 180 für
den Standard-RS232-Anschluss für
den Host 18.
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Der
serielle Kasten 16 ist für die Überwachung der Temperatur der
CMM und in Echtzeit das Modifizieren der Kinematik oder Mathematik,
die seine Bewegung gemäß den Formeln
beschreiben, welche Expansion und Kontraktion der verschiedenen Komponenten
aufgrund von Temperaturänderungen beschreiben, verantwortlich.
Für diesen
Zweck und in Einklang mit einem bevorzugten Merkmal dieser Erfindung
ist eine Temperaturüberwachungs-Leiterplatte 182 (die
einen Temperaturwandler umfasst) an der Position des zweiten Gelenks 42 auf
der Innenseite einer Abdeckung 184 positioniert (siehe 4 und 5).
Die CMM 10 besteht vorzugsweise außen aus einem anodisierten
Aluminium von der Art, wie es für
Flugzeuge verwendet wird. Vorzugsweise besteht der gesamte Arm 12 aus
demselben Material, mit Ausnahme der Montageschrauben, die aus Edelstahl
gefertigt sind. Dasselbe Material wird überall in der gesamten Vorrichtung
verwendet, um die Expansions- und Kontraktionsmerkmale des Arms 12 einheitlich
und diese für
eine elektronische Kompensation besser zugänglich zu machen. Noch wichtiger
ist, dass der extreme Stabilitätsgrad,
der zwischen allen Teilen durch den großen Temperaturbereich erforderlich
ist, erfordert, dass es keine unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen den
Teilen gibt. Wie bereits erwähnt,
ist der Temperaturwandler 182 vorzugsweise am Transfergehäuse 42 angeordnet,
da man davon ausgeht, dass diese Position die Fläche der höchsten Masse definiert und
somit die letzte Fläche darstellt,
die nach einer großen
Temperaturschwankung stabilisiert wird.
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Mit
Bezug auf 12 ist die gesamte schematische
Elektronik-Konfiguration für
die CMM 10 und den seriellen Kasten 16 dargestellt.
Sechs Kodierer 80 sind dargestellt, wobei jeder Kodierer über eine
Verstärkungs-Leiterplatte 92 verfügt, die
in unmittelbarer Nähe
davon angeordnet ist, um Rauschen beim Signaltransfer zu minimieren.
Es ist ein Optionsanschluss 154 dargestellt, der ein Anschluss mit
sechs Stiften ist, verfügbar
am Griff 56, um dadurch eine Vielzahl von Optionen befestigen
zu können.
Zwei Steuerknöpfe 150 und 152 sind
ebenfalls dargestellt, die während
des Messvorgangs am seriellen Kasten 16 anzeigen.
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Der
Temperatunwandler ist mit einer Temperatur-Leiterplatte 182 verbunden,
die ebenfalls im Arm angeordnet ist, wie dies in 12 dargestellt
ist. Gemäß einem
weiteren bevorzugten Merkmal dieser Erfindung umfasst die Temperatur-Leiterplatte 182 eine
EEPROM-Platine. Die EEPROM ist eine kleine computerisierte Speichervorrichtung
(elektrisch löschbarer
programmierbarer Speicher nur zum Lesen) und wird verwendet, um
eine Vielzahl spezifischer Kalibrier- und Seriennummerdaten auf
dem Arm zu enthalten (siehe Abhandlung bezüglich 18–20).
Dies ermöglicht
eine hochqualitative Steuerung der CMM 10 und beugt dem
ungewollten Vermischen von Software und Armen vor. Dies bedeutet
auch, dass die CMM 12 eine freistehende Vorrichtung ist,
die keinerlei spezifische Kalibrierdaten im seriellen Kasten 16 benötigt, die
getrennt davon betrieben und/oder mit anderen Maschinen umgeschaltet
werden muss.
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Die
elektronischen und Impulsdaten aus der Armelektronik werden daraufhin
zu einer kombinierten Analog-Digital-Umsetzer/Digital-Zählleiterplatte 186,
die ein Paarset ist, das aus einem 12 Bit-Analog-Digital-Umsetzer
und einem 16 Bit-Vielfachkanal-Digitalzähler besteht,
geleitet. Die Leiterplatte 186 ist auf dem Standard-Datenbus
des Steuerkastens positioniert. Die Zählinformation wird unter Verwendung
des Kernmoduls 188 (umfassend einen im Handel erhältlichen
Intel-286-Mikroprozessor
wie einem Art. Nr. CMX-286-Q51 von Ampro) und von auf EEPROM, die
sich ebenfalls auf dem Steuerkasten befindet, gespeicherten Programmen
verarbeitet. Die nachfolgenden Daten werden daraufhin durch den seriellen
Kommunikationsanschluss 189 übertragen.
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Der
auf dem Mikroprozessor basierende serielle Kasten 16 ermöglicht die
Vorverarbeitung von Berechnungen, die für die CMM 10 spezifisch
sind, ohne dass dabei eine Host-Verarbeitung erforderlich ist. Typische
Beispiele für
solche Präprozessor-Berechnungen
umfassen Koordinatensystemtransformationen; Umwandlung von Einheiten;
Springen von einem Koordinatensystem zu einem anderen unter Verwendung
einer Zwischenvorrichtung; Durchführen gewisser Zertifizierungsvorgänge, einschließlich Berechnungen
der Distanz zwischen zwei Kugeln (wie in einem ANSI B89-Kugelstab);
und Ausgabe von Daten in spezifischen Formaten, die zum Downloaden
für eine
Vielzahl von Hosts und Benützerprogrammen
erforderlich sind.
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Der
serielle Kasten ist so konfiguriert, dass er mit einer Vielzahl
von Host-Formaten kommuniziert, umfassend dabei PC, MSDOS, Windows,
Unix, Apple, VME und andere. Somit verarbeitet der serielle Kasten
die Wandler-Rohdaten auf einer weitergehenden Basis und antwortet
auf die Informationsanfragen oder ruft den Host-Computer mit den
erwünschten
dreidimensionalen Positions- oder Ausrichtungsinformationen ab.
Die Sprache des seriellen Kastens ist in einer solchen Form, dass
Treiber oder Computer-Kommunikations-Subroutinen im Mikroprozessor 188 in
der Sprache des Host-Computers geschrieben sind, so dass der serielle
Anschluss angetrieben und mit der CMM 10 kommuniziert wird.
Die Funktion wird als "intelligent
multiprotocol emulation and autoswitching" Funktion bezeichnet und arbeitet wie
folgt: Eine Vielzahl von Host-Programmen kann auf dem Host-Computer
installiert werden. Diese Host-Programme fragen den seriellen Anschluss
mit einer Vielzahl von Anfragen ab, auf welche der serielle Kasten
antworten muss. Eine Vielzahl von Protokollen wurde in den seriellen
Kasten vorprogrammiert, um Abfragen oder Anfragen auf dem seriellen
Anschluss für
eine Vielzahl verschiedener allgemein bekannter Software-Programme
zu beantworten. Eine Abfrageanfrage durch eine Software erfordert
eine spezifische Antwort. Der serielle Kasten empfängt die
Abfrageanfrage, etabliert sich mit dem dazugehörigen Protokoll und antwortet
in der geeigneten Weise. Dies ermöglicht eine transparente Kommunikation
zwischen CMM 10 und einer großen Vielzahl von Anwendungs-Softwareprogrammen
wie computerunterstützte
Design- und Qualitätskontrolle-Softwares,
z. B. AutoCad® von
Autodesk, Inc., CADKEX® von Cadkey, Inc., und
andere CAD-Programme; wie auch Qualitätskontrolle-Programmen wie
GEOMET® von
Geomet Systems, Inc., und Micromeasure III von Brown and Sharpe,
Inc.
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Die
dreidimensionale CMM der vorliegenden Erfindung arbeitet wie folgt.
Nach dem Einschalten durchläuft
der Mikroprozessor 188 im seriellen Kasten 16 Selbstprüfungsvorgänge und
liefert durch den Instrumentenanschluss dem Arm 12 der
CMM 10 Energie. Der Mikroprozessor und die Software im
EEPROM 182 bestimmen, dass nach dem ersten Einschalten
keiner der Kodierer 80 initialisiert wurde. Somit sendet
der Mikroprozessor 188 ein Signal an die Anzeigetafel,
wodurch alle Signal-Lichter 20 aufleuchten, wodurch angezeigt
wird, dass eine erneute Bezugsermittlung erforderlich ist. Daraufhin
bewegt der Benützer
händisch
den Arm, wodurch die Wandler individuell ihren Bereich abtasten,
wobei er zu diesem Zeitpunkt über
eine Bezugsmarkierung bewegt wird. Wird die Bezugsmarkierung erreicht,
antwortet die digitale Zähler-Leiterplatte 186,
indem die Position aufgenommen und der Front-Anzeigetafel 20 mitgeteilt
wird, dass der Wandler bezugsermittelt wurde, und das Signal-Licht
erlischt. Wurden alle Wandler bezugsermittelt, so baut das System
eine serielle Kommunikation mit dem Host auf und wartet auf weitere
Instruktionen. Wird der vordere oder hintere Knopf des Griffes 56 gedrückt, so
wird ein Messvorgang ausgelöst.
Wird der vordere Knopf 150 gedrückt, so werden die aktuellen
Lesungen des Wandlers aufgenommen. Wird der hintere Knopf 152 gedrückt, so
zeigt dies dem Mikroprozessor, dass diese Werte in dreidimensionale
Koordinaten übersetzt
und durch den seriellen Anschluss dem Host 18 übermittelt
werden sollen. Der Host 18 und der serielle Kasten 16 reagieren
daraufhin weiter auf ihre gegenseitigen seriellen Leitungsanfragen.
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Mit
Bezug nun auf die 18, 19 und 20 nach
dem Zusammenbau der CMM 10 wird die Vorrichtung optimiert
oder kalibriert, indem die Programm-Software so geändert wird,
dass sie auch jegliche gemessene Fehler im Zusammenbau oder der Verarbeitung
in Betracht zieht. Diese anfängliche
Kalibrierung stellt ein wichtiges Merkmal der Erfindung dar und
wird in zwei Schritten durchgeführt.
Zuerst wird eine Vielzahl dreidimensionaler Messungen gemacht, welche
Positionen, Ausrichtungen und Dimensionen des gesamten Volumens
der Vorrichtung umfassen. Im Anschluss daran wird ein Optimierungs-Softwareprogramm
verwendet, um die tatsächlichen
Fehlausrichtungen zu ermitteln, die an jeder der gemeinsam Achsen
bestehen, und somit die kinematischen Formeln einzustellen, welche
die Bewegung des Arms beschreiben. Das allgemeine Ergebnis ist ein
solches, dass eine fehlerhafte Verarbeitung und ein fehlerhafter
Zusammenbau durch die Identifizierung dieser Mängel und durch den Einschluss
dieser in die Kinematik der Vorrichtung fehlerfrei gemacht werden.
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Mit
Bezug auf die 18 und 19A–E wird aufgrund der enormen Datenmenge
und der Erfordernis, dass diese genau und leicht erhalten werden,
eine Kalibrier- und Testvorrichtung bei 320 dargestellt.
Die Vorrichtung 320 besteht aus einer großen Granitplatte 322,
an welcher zwei beabstandete Türme 324, 326 befestigt
sind, die um 360° in
der horizontalen Ebene rotieren können. Die CMM 10 wird auf
dem Turm 326 montiert, und die einstellbare Dimensionstestvorrichtung 320 wird
auf dem anderen Turm 324 angeordnet. Die Vorrichtung 320 ist
auf einem verlängerbaren
vertikalen Arm 328 montiert, der in einer Öffnung 330 durch
den Turm 324 verschoben werden kann. Der Arm 328 ist
in seiner völlig
ausgefahrenen Position abgebildet.
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Noch
immer mit Bezug auf die 18 und 19 besteht die einstellbare Dimensionstestvorrichtung 320 aus
drei Grundkomponenten: einem 24-Zoll-Stab 332, auf welchem
sich eine Gruppe aus Präzisionskugeln 334 befindet,
eine Reihe von Löchern 336,
die entlang seiner Länge
positioniert sind, sowie ein 24-Zoll-Präzisionsstufen-Messgerät 338 (im
Detail in den 19A–E dargestellt).
Der Arm 332 wird verwendet, um die Positionen der Löcher, Stufen
und Kugeln in einer Vielzahl von Positionen für die Testvorrichtung sowie
in allen Volumsflächen des
Arms, wie in 20 dargestellt, zu messen. Die Daten
werden daraufhin optimiert. Die Standard-Testvorrichtung 320 mit
den vorbestimmten Positionen und Ausrichtungen der Objekte wird
durch den Arm 10 gemessen. Die Daten werden daraufhin mit
einem multivariablen Optimierungsprogramm verarbeitet, das erzeugt
wird, um die relative Fehlausrichtung und Dimension aller Hauptkomponenten
des Arms zu liefern. Die Optimierung wird durchgeführt, wobei
gleichzeitig eine Kalibrierungsdatei erzeugt wird, welche die gesamten
Eigenschaften des Arms enthält.
Diese gesamten Eigenschaften und nachfolgenden Wandler-Ablesungen
werden in einer Vielzahl kinetischer Formeln kombiniert, welche daraufhin
die X-, Y- und Z-Werte
in einem absoluten Koordinatensystem erzeugen.
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Um
die Leistung noch weiter zu optimieren, erstreckt sich eine neue
Referenz- bzw. Bezugskugel 192 seitlich von einer abnehmbaren
Fassung 194, die am Sockel 14 der CMM 10 befestigt
ist (siehe 13 und 14). Indem
die Bezugskugel 192 am Sockel positioniert wird, stellt
die Kugel 192 den absoluten Ursprung der Vorrichtung (0,0,0)
entsprechend der X-, Y- und Z-Achsen dar. Aufgrund der bekannten
Position der Bezugskugel 192 ermöglicht die Positionierung der
Spitzen, wie dies in 14 dargestellt ist, der vorliegenden
Erfindung, die Koordinaten der Spitze des Digitalisiergeräts 158 in
Bezug auf das letzte Glied der CMM 10 zu bestimmen. Kennt
man diese Position, so ist es der CMM 10 möglich, die
Position des Mittelpunkts dieser Kugel zu bestimmen, wenn nachfolgende
Messungen durchgeführt
werden.
-
Da
die vorliegende Erfindung tragbar ist, ist sie in vielen Umgebungen
einer fehlerhaften Handhabung und einer Repositionierung unterworfen.
Somit kann die vorliegende Erfindung ein Protokoll umfassen, mit
welchem der Benützer
einen Grad der volumetrischen Genauigkeit vor der Verwendung einer Vorrichtung
gemäß einem
herkömmlichen
Wartungsschema einstellen kann. Die volumetrische Genauigkeit wird
gemäß dem Standard
nach ASME ANSI B891.1.12 (1989) als die Fähigkeit der Vorrichtung definiert,
eine fixe Länge,
die in ihrem Arbeitsvolumen in vielen verschiedenen Ausrichtungen
positioniert ist, zu messen. 15 zeigt
die Fähigkeit
dieser Erfindung, dies unter Verwendung eines ersten Kugelstab-Lösungsansatzes
durchzuführen,
während 17 und 18 einen
zweiten Lösungsansatz
mit einem Kugelstab darstellen.
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15 zeigt
einen Standard-Kugelstab 196, an dessen Enden Präzisionskugeln 198, 200 positioniert
sind, die jeweils in zwei magnetischen Muffen 202 und 204 montiert
sind. Die Muffe 202 ist am Sockel 14 der CMM 10 und
die Muffe 204 am Sondengriff 56 angeordnet. Wird
der Arm 12 bewegt, so rotieren die Muffen 202, 204 und
die Kugeln 198, 200, um diese Bewegung aufzunehmen,
und die CMM 10 muss den fixen Abstand zwischen dem Kugelmittelpunkt 200 und
der Muffe 204 am Griff 56 und dem Kugelmittelpunkt 198 am
Sockel messen. Unter Berücksichtigung,
dass die Muffe 202 am Sockel 14 die 0,0,0-Koordinaten
der CMM 10 darstellt, berechnet die Kalibrier-Software
im Steuerkasten 16 daraufhin die Vektorlänge von
0,0,0 zum Mittelpunkt der Kugel an der Sonde, und diese Länge, die
sich während des
Tests natürlich
nicht ändert,
muss konstant durch das gesamte Volumen durch zahlreiche Konfigurationen
und Rotationen des Griffs und anderer Gelenke gemessen werden.
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Es
ist anzumerken, dass die Muffe 204 am Griff wahrscheinlich
unpraktisch und nicht schlüssig erscheint,
wenn man die Genauigkeit einer bestimmten Sonde auf dem Griff verifizieren
will. Somit wird in Einklang mit einem bevorzugten Merkmal dieser
Erfindung ein neuer konischer Muffen-Kugelball, wie er bei 206 in
den 16 und 17 dargestellt
ist, verwendet. Der konische Muffen-Kugelstab 206 umfasst an
einem Ende einen Konus 208 und am anderen Ende zwei Kugeln 210, 212.
Der Konus und die Kugeln sind mit einem Stab 207 verbunden,
der einen winkeligen Abschnitt 209 umfasst, dessen Winkel ∀ 20 Grad
umfasst. Die Kugel 212 ist an einer Muffe 211 befestigt,
die sich seitlich vom Stab 207 erstreckt. Eine Kugelsonde 158 oder
eine Punktsonde 160 ist in der konischen Muffe 208 montiert,
während
eine Kugel 210 in der magnetischen Standard-Muffe 202 des Sockels 14 der
CMM 10 angeordnet werden kann. Wie im Kalibrierverfahren
der 15 werden eine Reihe von Positionen der Kugel-
und Stab- und Gelenkspositionen gemessen, während der Abstand zwischen
konischer Muffe 208 und Kugel 210 konstant bleiben
muss. Es liegt in der Natur der Positionierung der Kugelmuffe 202,
dass der Benützer
die entfernte Seite der Maschine nicht erreichen kann (Position
durch 214 dargestellt). Aus diesem Grund wird die Kugel 212 wie
in 17 dargestellt verwendet. Dies ermöglicht es
dem Benützer,
den konischen Kugelstab 206 so zu positionieren, dass er
die entfernte Rückseite
der CMM 10 erreichen kann, um somit den Abstand zwischen
dem Mittelpunkt der Kugel 212 und dem Mittelpunkt der konischen
Muffe 208 zu messen.
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Bei
der Verwendung einer CMM (tragbaren Koordinatenmessvorrichtung)
ist eines der häufigsten
Probleme, dass der Ständer
oder der Sockel, auf welchem der Arm durch eine Lastplatte montiert
ist, in Bezug auf das zu messende Objekt nicht gänzlich stabil sein kann. Dies
geht auf die Tatsache zurück, dass
die Lastplatte, auf welcher der Sockel des Arms montiert ist, in
Bezug auf das zu messende Objekt nicht völlig stabil ist, da das gemessene
Objekt auf einem getrennten Montagetisch befestigt ist oder einen Teil
einer größeren Anordnung
darstellt. Die Instabilität
kann die hohe Genauigkeit der CMM nachteilig beeinflussen. Um dieses
Problem zu lösen,
können Verstrebungsstützen, wie
in den Ansprüchen
10 und 12 bis 16 definiert, bereitgestellt sein. Gegebenenfalls
werden Verstrebungen bereitgestellt, die am einen Ende der Gewindelöcher, die
radial vom Sockel der Ladeplatte nach außen zielen, befestigt und am anderen
Ende mit universellen Klemmen (z. B. Schraubzwingen) fixiert sind.
Die Verstrebungsstütze ist
mit einer Einstellschraube versehen, um die Länge der Verstrebung einzustellen,
um somit das gemessene Objekt richtig zu erreichen. Die Verstrebung
soll paarweise vorzugsweise mit einer identischen Verstrebung auf
der gegenüberliegenden
Seite der Sockelladeplatte verwendet werden.
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Mit
Bezug nun auf die 21 sind die Details der Verstrebung
sowie deren Verwendung beschrieben. Der Sockel 14 des Messarms 10 ist
in dieser Sockelplatte 38 eines Theodolit-Ständers 22 oder
einer anderen geeigneten steifen Platte auf bekannte Weise montiert.
Die Sockelplatte 38 weist mit Gewinden versehene Löcher 400 einer
bekannten Größe auf, die
sich an zumindest zwei Stellen direkt einander gegenüber nach
außen
erstrecken. Die Verstrebung 402 besteht im Allgemeinen
aus vier Elementen. Dabei handelt es sich, wie dargestellt, um zwei
Armelemente 404, eine Einstellschraube 406 sowie
eine universelle Klemme 408 (z. B. Schraubzwingen). Natürlich können anstelle
der dargestellten Schraubzwinge eine Reihe von adaptierbaren Befestigungsvorrichtungen
wie etwa Magnetklemmen und Ansaugklemmen verwendet werden. Wie in 21 dargestellt
ist, wird ein durch den dreidimensionalen Messarm 10 zu
messendes Objekt 410 auf einer zweiten Montageplatte 412 montiert,
oder es wird auf andere Weise fest fixiert. Somit werden beide Sockelplatten 38 und 412 in
Bezug aufeinander steif und fest gehalten, und die Instabilität wird auf
ein absolutes Mindestmaß reduziert.
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Die 22A und 22B sind
Diagrammdarstellungen der zwei bevorzugten Mittel gemäß der vorliegenden
Erfindung, um die Signalwege zwischen der CMM 10 (Koordinatenmessvorrichtung) oder
der Steuerung oder dem seriellen Kasten 16 und dem Host-Computer 18 zu
verbinden. In 22A (auch in Bezug auf 1)
ist die CMM 10 elektronisch mit dem seriellen Kasten 16 über bekannte
Verkabelungsmittel 460 verbunden, und der serielle Kasten 16 wiederum
ist über
bekannte Verkabelungsmittel 462 mit dem Host-Computer 18 verbunden.
Dieses Verfahren, die CMM 10, die Steuerung oder den seriellen
Kasten 16 und den Host-Computer 18 miteinander
zu verbinden, hat sich bis dato für unzählige Anwendungen der vorliegenden
Erfindung als ziemlich zufriedenstellend erwiesen. Es gibt aber
auch Anwendungen, die gegenwärtig
bereits bekannt oder für
die Zukunft prognostiziert sind, in welchen Distanz oder Umgebungs-
oder andere Bedingungen die drahtlose Telemetrie zum einzigen oder
bevorzugten Verfahren zum Verbinden der Signale zwischen CMM 10,
seriellem Kasten 16 und Host-Computer 18 machen.
Dies wird gemäß der vorliegenden
Erfindung mit Hilfe der in 22B dargestellten
Mittel durchgeführt.
Der Schaltkreis und die Komponenten sind miniaturisiert und direkt
auf dem Anschlusssockel 14 der Vorrichtung 10,
die als 464 bezeichnet ist, montiert. Der miniaturisierte
serielle Kasten 464 umfasst eine Telemetrievorrichtung 466,
die mit Mittel versehen ist, die telemetrische Signale 468 übermitteln
können,
die von einem telemetrischen Empfänger 470, der auf
dem Host-Computer 18 montiert ist, empfangen werden. Somit
besteht für die
Teile 10 und 18 kein Bedarf mehr an Verkabelungen 460, 462.
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Die 23A und 23B zeigen
zwei bevorzugte Lagerausführungen.
Die Lagerausführung der 23A wurde hierin bereits zuvor detailliert, wie in
den 6 und 7 dargestellt, ausgeführt. Zusammenfassend
wird ein Paar einander entgegengesetzter geschichteter Lager mit
innerer Laufschale 480 und äußerer Laufschale 482 um
einen Schaft herum positioniert und unter Verwendung einer Mutter 484 vorgespannt.
Diese Vorspannung wird zur Gänze
durch die Stärke
des auf die Mutter 484 angelegten Drehmoments bestimmt.
Die Konfiguration ist für viele
Anwendungen zufriedenstellend und wurde bereits mit bemerkenswertem
Erfolg eingesetzt. Unter gewissen Bedingungen und Anwendungen ist
es jedoch schwierig, konsistente Spannungsparameter zu halten. In
diesen Fällen
ist eine zweite bevorzugte alternative Ausführungsform der Lagerkonfiguration gemäß der vorliegenden
Erfindung bereitgestellt.
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Diese
zweite bevorzugte alternative Ausführungsform der Lagerkonfiguration
ist in 23B dargestellt. In 23B ersetzt ein Paar Lager (gewöhnlich werden
sie als Duplex-Lager bezeichnet) 486, die gewöhnlich radiale
Kugellager und vorgeschliffen sind, die konischen Lager der 23A, wodurch eine sehr spezifische Vorspannung
möglich
wird. Die Vorspannung wird durch die Verwendung von fixierten Abstandhaltern 488, 490 voreingestellt,
und diese fixierten Abstandhalter 488, 490 werden
durch eine Mutter 492 vollständig angezogen. Der Unterschied zwischen
der Duplex-Lager-Schale wird aufgenommen, und das Ausmaß der Vorspannung
wird durch die Verformungen in der Transferschale zum Zeitpunkt
des Anziehens der Mutter 492 bestimmt. Ein vorteilhaftes
Merkmal dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform besteht darin, dass
die Mutter 492 so weit wie möglich angezogen werden kann,
ohne dass dabei für
die Lager 486 entlang des Schafts 494 ein Schaden
durch Überbeanspruchung
entsteht.
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Eine
Sondenausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist im Detail mit Bezug auf die 24 und 9A–B beschrieben. Die 9A–B sind vordere und hintere Seitenansichten
der Sondengriffanordnung 56.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
einer Schlag-Sonde gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in 24 und allgemein bei 560 dargestellt.
Eine automatische Schlag-Sonde 560 besteht
aus einer standardisierten Rückstoß-Schlag-Sonde.
Der Montageabschnitt 562 der Schlag-Sonde 560 weist
ein Außen-Gewinde 564 auf,
das so groß ausgeführt ist, dass
es in das Innen-Gewinde 566 der Sondengriffanordnung 56 eingebracht
werden kann. Im Inneren enthält
die automatische Schlag-Sonde 560 eine Rückstoßfeder und
eine Auslöseranordnung 568,
die eine Positionierung des Schlagpunkts 570 entlang der
axialen Richtung, wie dies durch die Pfeile 572 dargestellt
ist, ermöglicht.
Die Positionierung der automatischen Schlag-Sonde 560 in
die erwünschte Position
und das darauffolgende Drücken
des Schlagpunkts 570 in die axiale Richtung zur Sondengriffanordnung 56 hin
betätigt
auf diese Weise einen Federlösemechanismus
(der Teil der Rückstoßfeder und
der Auslöseranardnung 568 ist),
durchdringt ohne Verwendung eines Hammers einen Schlagstichpunkt
und erreicht somit eine Position innerhalb der sehr genauen Fehlergrenzen
der CMM 10, die jenen Fehlergrenzen gleich oder angenähert sind,
die mit derselben CMM 10 möglicht sind, wenn diese nur für Messungen
verwendet wird.
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In
erneutem Bezug auf die 7 und die darauf folgende detaillierte
Beschreibung der Fähigkeit,
die verschiedenen Transferschalen des Arms zu rotieren, wenn eine
unvollständige
Kugelschale 128 und eine Endanschlag-Schraube 130 bereitgestellt sind,
welche die Elemente des Arms schützt,
indem die vollständige
Rotation und das jeweilige Set der Transferschalen auf maximal 330° begrenzt
ist. Diese Anordnung ist vollkommen zufriedenstellend für eine Vielzahl
von Verwendungen der CMM 10. Wie nachstehend diskutiert
wird, ermöglicht
eine zweite bevorzugte Ausführungsform
der gegenständlichen Erfindung
eine 660°-Rotation
anstelle einer 330°-Rotation
jeder Transfer-Schalen-Gruppe.
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Dieser
neue Mechanismus umfasst die Erzeugung zweier unvollständiger kreisförmiger Nuten in
den zwei Hälften
der Transferschale, in welchen ein bogenförmiger Pendel-Schlitten angeordnet
ist, der sich durch die jeweiligen zwei zuvor erwähnten Nuten
verschieben kann und einen harten Anschlag an den unvollständigen Nutenenden
nach einer vollständigen
660° Drehung
bereitstellt. Mit Bezug nun auf die 25A–25E ist eine Transferschalen-Gruppe schematisch
bei 700 dargestellt. 26A ist
eine Draufsicht auf den bogenförmigen Schlitten,
während 26B eine Seitenansicht des bogenförmigen Schlittens
ist, der in dieser zweiten bevorzugten Konstruktion verwendet wird
und eine vollständige
660° Rotation
in jedem der Transferschalen-Sets der vorliegenden Erfindung zulässt. Passende
Kanäle
sind bis zu einer geeigneten Tiefe in der Schulter des Transferschalenschafts
und der passenden Schulter des Transferschalengehäuses, das
so groß ist,
dass es den Schlitten 701 aufnehmen kann (siehe 26A und 26B),
einarbeitet. In einem Beispiel hat der Schlitten 702 vorzugsweise eine
Höhe von
0,246 Zoll, einen Innenradius von vorzugsweise 1.042 und einen Außenradius
von vorzugsweise 1,187 Zoll, wobei die Länge des Schlittens 702 einen
20° Bogen
bei diesen Radii beschreibt. Der Schlitten 702 besteht
vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial. Der X-Bogen stellt den
30° Anschlagbogen
in der Transferschalen-Gehäuseschulter
und Y den 30° Anschlagbogen
in der Transferschalen-Schaftschulter dar. Die Nut 504 im
Transferschalengehäuse
ist so groß ausgeführt, dass
sie eine Hälfte
der Erhebungshöhe
des Schlittens 702 aufnehmen kann, und sie ist geeigneterweise
so gearbeitet, dass sich der Schlitten 702 in der Nut 704 des Transferschalengehäuses (siehe 23B) und der Rille 706 des Transferschalenschafts
frei bewegt (siehe 25C). Der Schlitten 702 ist
in den 25B–25E schraffiert
dargestellt. Wie aus den 25B und 25C ersichtlich ist, kann die Schlittennut sich
frei von der an das X-Anschlag-Segment angrenzenden Position P in 25B (welche die Schlittennut im Transferschalen-Schalengehäuse darstellt)
und der an das Y-Anschlag-Segment angrenzenden Position P in 25C (welche die Schlittennut in der Transferschalen-Gehäuseschulter
darstellt) 330E zur an das X-Anschlag-Segment angrenzenden Position
P1 in der 25B und der an das Y-Anschlag-Segment
angrenzenden Position P1 in 25C bewegen.
Wie aus 25D ersichtlich, ist der Schlitten 702 nun
steif zwischen dem Segment Y und dem Segment X fixiert, wie dies
in 25D nach einer Rotation um 330° im Uhrzeigersinn erkennbar ist.
In 25E kann die Transferschalenanordnung somit um
zusätzlich
330° im
Uhrzeigersinn rotieren. Es ist anzumerken, dass der Schlitten 702 so
ausgeführt
ist, dass er eine Scherfestigkeit aufweist, um auf diese Weise die
Elemente der CMM 10 vor einer Verformung zu schützen, sollte
der Arm über
die 660° hinaus
bewegt werden; dies stellt eine Sicherheitsvorkehrung der Erfindung
dar. Nicht dargestellt ist ein Fensterschlitz, der für das leichte
Einsetzen des Verschiebers 702 bereitgestellt ist.