JP2015513093A - Coordinate measuring machine with removable accessories - Google Patents
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Abstract
空間中の物体の座標を測定する可搬型関節アーム座標測定機が提供される。AACMMは、基部と、反対側にある第1の端部と第2の端部とを有するアームとを備える。アームは、複数の接続されたアームセグメントを含み、各アームセグメントが、位置信号を生成するための少なくとも1つの位置トランスデューサを含む。電子回路が、少なくとも1つの位置トランスデューサからの位置信号を受信して、測定装置の位置に対応するデータを提供する。非接触測定装置が、第1の端部に連結され、この装置は、電磁放射トランスミッタを有し、空気中の光の速度に少なくとも部分的に基づいて物体までの距離を決定するように構成されている。プロセッサが、位置信号および物体までの距離の受信に応答して物体上の点の3次元座標を決定するように構成されている。A portable articulated arm coordinate measuring machine for measuring the coordinates of an object in space is provided. The AACMM includes a base and an arm having a first end and a second end on opposite sides. The arm includes a plurality of connected arm segments, each arm segment including at least one position transducer for generating a position signal. Electronic circuitry receives position signals from at least one position transducer and provides data corresponding to the position of the measurement device. A non-contact measuring device is coupled to the first end, the device having an electromagnetic radiation transmitter and configured to determine a distance to the object based at least in part on the speed of light in the air. ing. A processor is configured to determine a three-dimensional coordinate of a point on the object in response to receiving the position signal and the distance to the object.
Description
本開示は、座標測定機に関し、より具体的には、非接触3次元測定のための光の飛行経過時間(transit time of flight)を利用するアクセサリ装置を座標測定機に接続することを可能にするコネクタを座標測定器のプローブ端に有する可搬型関節アーム座標測定機に関する。 The present disclosure relates to a coordinate measuring machine, and more specifically, enables an accessory device that utilizes a transit time of flight for non-contact three-dimensional measurement to be connected to the coordinate measuring machine. The present invention relates to a portable joint arm coordinate measuring machine having a connector to be connected to a probe end of a coordinate measuring machine.
可搬型関節アーム座標測定機(AACMM)は、部品の製造または生産(例えば、機械加工)の様々な段階の間に部品の寸法を迅速かつ正確に検査する必要がある部品の製造や生産において、広く使用されている。可搬型関節アーム座標測定機は、既知の静止型または固定型でコストのかかる使用が比較的難しい測定設備に対して、特に、比較的複雑な部品の寸法測定を行うのにかかる時間に関して大きな改善を示している。通常、可搬型関節アーム座標測定機のユーザは、部品または測定対象物の表面に沿ってプローブをただ導くだけである。測定データは、記録され、ユーザに提供される。場合によっては、データは、コンピュータ画面上に3次元(3D)形式などの視覚的な形態でユーザに提供される。その他の場合には、データは数値形態でユーザに提供され、例えば、穴の直径を測定するときには、「直径=1.0034」がコンピュータ画面上に表示される。 Portable Articulated Arm Coordinate Measuring Machine (AACMM) is used in the manufacture and production of parts that need to quickly and accurately inspect the dimensions of the parts during the various stages of the manufacture or production (eg machining) of the parts. Widely used. The portable articulated arm coordinate measuring machine is a significant improvement over known stationary or fixed and costly measuring equipment that is relatively difficult to use, especially with respect to the time taken to measure the dimensions of relatively complex parts Is shown. Normally, a user of a portable articulated arm coordinate measuring machine simply guides the probe along the surface of the part or measurement object. Measurement data is recorded and provided to the user. In some cases, the data is provided to the user in a visual form, such as a three-dimensional (3D) format, on a computer screen. In other cases, the data is provided to the user in numerical form, for example, when measuring the diameter of a hole, “Diameter = 1.0034” is displayed on the computer screen.
先行技術の可搬型関節アーム座標測定機の一例が、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第5,402,582号(‘582号)に開示されている。‘582号特許には、一端に支持ベース、他端に測定プローブを有する手動操作式関節アーム座標測定機からなる3D測定システムが開示されている。本発明の譲受人に譲渡された米国特許第5,611,147号(‘147号)に同様の関節アーム座標測定機が開示されている。‘147号特許では、プローブ端における追加回転軸を含む複数の特徴を備え、それによって、2−2−2または2−2−3の軸構成のいずれかをもつアームを提供している(後者の場合は7軸アームとなる)。 An example of a prior art portable articulated arm coordinate measuring machine is disclosed in US Pat. No. 5,402,582 ('582), assigned to the assignee of the present invention. The '582 patent discloses a 3D measurement system comprising a manually operated articulated arm coordinate measuring machine having a support base at one end and a measurement probe at the other end. A similar articulated arm coordinate measuring machine is disclosed in US Pat. No. 5,611,147 ('147) assigned to the assignee of the present invention. The '147 patent provides an arm with multiple features including an additional axis of rotation at the probe end, thereby providing either a 2-2-2 or 2-2-3 axial configuration (the latter In this case, it becomes a 7-axis arm).
3次元表面は、非接触技術を用いても測定することができる。レーザラインプローブと呼ばれることもある、非接触装置の一種は、点の上または線に沿ってレーザ光を出射する。例えば、電荷連結素子(CCD)等の撮像素子が、表面からの反射光を撮像するためにレーザに隣接して配置される。測定中の物体の表面が乱反射を生じさせる。センサ上の画像は、センサと表面との間の距離が変化するにしたがって変化する。撮像センサとレーザとの関係およびセンサ上のレーザ画像の位置を知ることによって、三角測量法を使用して表面上の点を測定することができる。 Three-dimensional surfaces can also be measured using non-contact techniques. One type of non-contact device, sometimes referred to as a laser line probe, emits laser light over a point or along a line. For example, an imaging device such as a charge coupled device (CCD) is placed adjacent to the laser to image the reflected light from the surface. The surface of the object being measured causes irregular reflection. The image on the sensor changes as the distance between the sensor and the surface changes. By knowing the relationship between the imaging sensor and the laser and the position of the laser image on the sensor, it is possible to measure points on the surface using triangulation.
既存の座標測定機はそれらの本来の目的には適しているものの、本発明の実施形態の特定の特徴を有する可搬型関節アーム座標測定機が必要とされている。 While existing coordinate measuring machines are suitable for their original purpose, there is a need for portable articulated arm coordinate measuring machines having the specific features of embodiments of the present invention.
本発明の一実施形態によれば、空間内の物体の座標を測定するための可搬型関節アーム座標測定機(AACMM)が提供される。AACMMは、基部と、反対側にある第1の端部と第2の端部とを有する手動で位置付け可能なアーム部とを備える。アーム部は、基部に回転可能に連結され、複数の接続されたアームセグメントを含み、各アームセグメントが、位置信号を生成するための少なくとも1つの位置トランスデューサを含む。電子回路が、少なくとも1つの位置トランスデューサからの位置信号を受信するように構成されている。プローブ端が第1の端部に連結されている。非接触3次元測定装置がプローブ端に連結されている。非接触3次元測定装置は、電磁放射トランスミッタを有し、空気中の光の速度に少なくとも部分的に基づいて物体までの距離を決定するように構成される。プロセッサが、電子回路に電気的に連結され、電子回路からの位置信号の受信に応答して、また非接触3次元測定装置から物体までの距離の受信に応答して物体上の点の3次元座標を決定するように構成される。 According to one embodiment of the present invention, a portable articulated arm coordinate measuring machine (AACMM) for measuring the coordinates of an object in space is provided. The AACMM includes a base and a manually positionable arm having a first end and a second end on opposite sides. The arm portion is rotatably coupled to the base and includes a plurality of connected arm segments, each arm segment including at least one position transducer for generating a position signal. The electronic circuit is configured to receive a position signal from at least one position transducer. The probe end is connected to the first end. A non-contact three-dimensional measuring device is connected to the probe end. The non-contact three-dimensional measuring device has an electromagnetic radiation transmitter and is configured to determine a distance to an object based at least in part on the speed of light in the air. A processor is electrically coupled to the electronic circuit and is responsive to receiving a position signal from the electronic circuit, and in response to receiving a distance from the non-contact 3D measuring device to the object, a three-dimensional point on the object. Configured to determine coordinates.
本発明の一実施形態によれば、空間内の物体の3次元座標を測定するための可搬型関節アーム座標測定機を動作させる方法が提供される。上記方法は、反対側にある第1の端部および第2の端部を有する手動で位置付けることが可能なアーム部を設けるステップあって、アーム部が、複数の接続されたアームセグメントを含み、各アームセグメントが、位置信号を生成するための少なくとも1つの位置トランスデューサを含む、ステップを含む。電子回路が、トランスデューサから位置信号を受信する。電子回路に電気的に連結されたコントローラを有する非接触3次元測定装置が提供され、この3次元非接触測定装置は、電磁放射トランスミッタとセンサとを有する。上記3次元測定装置から電磁放射が物体へ送出される。反射された電磁放射はセンサで受け取られる。物体までの距離は、センサによって受け取られた反射された電磁放射から決定され、その場合、距離は、空気中の光の速度と、電磁放射が電磁放射トランスミッタから物体へ進行してセンサに戻って来るまでの時間とに少なくとも部分的に基づいている。 According to one embodiment of the present invention, a method is provided for operating a portable articulated arm coordinate measuring machine for measuring the three-dimensional coordinates of an object in space. The method includes providing a manually positionable arm having opposite first and second ends, the arm including a plurality of connected arm segments; Each arm segment includes a step including at least one position transducer for generating a position signal. Electronic circuitry receives the position signal from the transducer. A non-contact three-dimensional measurement device having a controller electrically coupled to an electronic circuit is provided, the three-dimensional non-contact measurement device having an electromagnetic radiation transmitter and a sensor. Electromagnetic radiation is sent from the three-dimensional measuring device to the object. The reflected electromagnetic radiation is received by the sensor. The distance to the object is determined from the reflected electromagnetic radiation received by the sensor, in which case the distance is the speed of light in the air and the electromagnetic radiation travels from the electromagnetic radiation transmitter to the object and returns to the sensor. Based at least in part on the time to come.
本発明の別の実施形態によれば、空間内の物体の3次元座標を測定するための別の可搬型関節アーム座標測定機(AACMM)が提供される。AACMMは、基部と、反対側にある第1の端部と第2の端部とを有する手動で位置付け可能なアーム部とを備える。アーム部は、基部に回転可能に連結され、複数の接続されたアームセグメントを含み、各アームセグメントが、位置信号を生成するための少なくとも1つの位置トランスデューサを含む。電子回路が提供され、この電子回路は、少なくとも1つの位置トランスデューサからの位置信号を受信する。プローブ端が測定装置と第1の端部との間に配置され、一方の面にインターフェースを有する。光源と、光受信器とを有する非接触3次元測定装置が、インターフェースに取り外し可能に連結される。非接触3次元測定装置は、空気中の光の速度と、光源からの光が光源から物体へ進行して光受信器へ戻る時間とに少なくとも部分的に基づいて物体上の点までの距離を決定するように構成されている。プロセッサが、電子回路に電気的に連結され、トランスデューサから受信された位置信号と、決定された距離とに少なくとも部分的に基づいて物体上の点の3次元座標を決定するように構成される。 According to another embodiment of the present invention, another portable articulated arm coordinate measuring machine (AACMM) for measuring the three-dimensional coordinates of an object in space is provided. The AACMM includes a base and a manually positionable arm having a first end and a second end on opposite sides. The arm portion is rotatably coupled to the base and includes a plurality of connected arm segments, each arm segment including at least one position transducer for generating a position signal. An electronic circuit is provided that receives a position signal from at least one position transducer. A probe end is disposed between the measuring device and the first end and has an interface on one side. A contactless three-dimensional measuring device having a light source and an optical receiver is detachably connected to the interface. A non-contact 3D measurement device determines the distance to a point on an object based at least in part on the speed of light in the air and the time that the light from the light source travels from the light source to the object and returns to the optical receiver. Is configured to determine. A processor is electrically coupled to the electronic circuit and is configured to determine a three-dimensional coordinate of the point on the object based at least in part on the position signal received from the transducer and the determined distance.
図面を参照すると、代表的な実施形態が図示されているが、これらの図面は、本開示の全範囲について限定的なものではなく、また構成要素は、いくつかの図面において、同じ番号が付されている。 Referring to the drawings, representative embodiments are shown, but the drawings are not limiting with respect to the full scope of the disclosure, and components are numbered the same in several drawings. Has been.
可搬型関節アーム座標測定機(「AACMM」)は、物体の測定値を取得するために様々な用途で使用されている。本発明の実施形態は、オペレータに対して、AACMMのプローブ端に、パターン投影(structured light)を使用して3次元物体の非接触測定を行うアクセサリ装置を容易かつ迅速に連結することを可能にするという利点を提供する。本発明の実施形態は、アクセサリによって測定された物体までの距離を表すデータの通信を行うというさらなる利点を提供する。本発明の実施形態は、また、外部接続や配線を有することなく、取り外し可能なアクセサリに対して電力およびデータ通信を提供するというさらなる利点を提供する。 Portable articulated arm coordinate measuring machines (“AACMM”) are used in a variety of applications to obtain measurements of objects. Embodiments of the present invention enable an operator to easily and quickly connect an accessory device that performs non-contact measurement of a three-dimensional object to a probe end of an AACMM using a structured projection. Provides the advantage of Embodiments of the present invention provide the further advantage of communicating data representing the distance to an object measured by an accessory. Embodiments of the present invention also provide the additional advantage of providing power and data communication for removable accessories without having external connections or wiring.
図1Aおよび図1Bは、本発明の様々な実施形態によるAACMM100の斜視図であって、関節アームは、座標測定機の1種である。図1Aおよび図1Bに示されるように、代表的なAACMM100は、プローブ端401(図4)を有する6軸または7軸の関節測定装置であって、プローブ端401は、一端でAACMM100のアーム部104に連結された測定プローブ筐体102を含む。アーム部104は、軸受カートリッジ(例えば、2つの軸受カートリッジ)からなる第1の群110によって第2のアームセグメント108に連結された第1のアームセグメント106を備える。軸受カートリッジ(例えば、2つの軸受カートリッジ)からなる第2の群112は、第2のアームセグメント108を測定プローブ筐体102に連結する。軸受カートリッジ(例えば、3つの軸受カートリッジ)からなる第3の群114は、第1のアームセグメント106を、AACMM100のアーム部104の他端に配置された基部116に連結する。軸受カートリッジの各群110、112、114は、関節動作の複数の軸を提供する。また、プローブ端401は、AACMM100の回転軸のシャフトを備えた測定プローブ筐体102(例えば、AACMM100の回転軸内のプローブ118などの測定装置の移動を決定するエンコーダシステムを含むカートリッジ)を含んでもよい。この実施形態において、プローブ端401は、測定プローブ筐体102の中心を貫通する軸を中心として回転する。AACMM100を使用する際、基部116は、通常、作業台に固定される。
1A and 1B are perspective views of an
各軸受カートリッジの群110、112、114の中の各軸受カートリッジは、通常、エンコーダシステム(例えば、光学式角度エンコーダシステム)を収容している。エンコーダシステム(すなわち、トランスデューサ)は、基部116に対するプローブ118の位置(ひいては、例えば、AACMM100によって測定されている物体の局所または大域基準系などの特定の基準系における位置)を一緒になって示すそれぞれのアームセグメント106、108および対応する軸受カートリッジの群110、112、114の位置を示す。アームセグメント106、108は、例えば、炭素複合材料などの好適な剛性のある材料で作製されてもよいが、それに限定されない。関節動作の6軸または7軸(すなわち、自由度)を有する可搬型AACMM100は、オペレータによって簡単に扱われうるアーム部104を提供しつつ、オペレータが基部116の周りの360度の領域内の所望の位置にプローブ118を位置付けることを可能にするという利点をもたらす。しかし、2つのアームセグメント106、108を有するアーム部104の説明は例示を目的とするものであり、請求される発明はそのように限定されるべきでないことを理解されたい。AACMM100が有する軸受カートリッジによって連結されたアームセグメントの数は任意でよい(したがって、関節動作または自由度の6軸または7軸より多くても少なくてもよい)。
Each bearing cartridge in each bearing
プローブ118は、測定プローブ筐体102に取り外し可能なように取り付けられ、測定プローブ筐体102は、軸受カートリッジの群112に接続される。ハンドル126は、例えば、クイック接続インターフェース(quick-connect interface)を用いて測定プローブ筐体102に対して取り外し可能である。以下により詳細に説明するように、ハンドル126は、物体の非接触距離測定を提供するように構成された別の装置に置き換えることが可能であり、それによってオペレータが同じAACMM100を用いて接触および非接触測定を行うことを可能にするという利点をもたらす。代表的な実施形態において、プローブ108は、接触式の測定装置であり、取り外し可能である。プローブ118は、測定対象物に物理的に接触する種々のチップ118を有してもよく、ボール形で接触感知式の湾曲した伸長式のプローブを含むが、それらに限定されない。その他の実施形態では、測定は、例えば、干渉計または絶対距離測定(ADM)装置などの非接触装置によって実行される。一実施形態において、ハンドル126は、クイック接続インターフェースを用いてコード化パターン投影スキャナ装置と置き換えられる。追加的な機能を提供するために、取り外し可能なハンドル126を別の種類の測定装置と取り換えてもよい。このような測定装置の例としては、1つまたは複数の照明、温度センサ、熱スキャナ、バーコードスキャナ、プロジェクタ、ペイントスプレーヤ、カメラなどが含まれるが、それらに限定されない。
The
図1Aおよび図1Bに示されるように、AACMM100は、軸受カートリッジの群112から測定プローブ筐体102を取り外すことなくアクセサリまたは機能を変更することを可能にする利点をもたらす取り外し可能なハンドル126を含む。図2に関して以下により詳細に記載されるように、取り外し可能なハンドル126は、電力およびデータを、ハンドル126およびプローブ端401に配置された対応する電子機器とやりとりすることを可能にする電気コネクタを含んでもよい。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the
様々な実施形態において、軸受カートリッジの各群110、112、114は、AACMM100のアーム部104が複数の回転軸を中心として動くことを可能にする。既述のように、各軸受カートリッジの群110、112、114は、例えば、アームセグメント106、108の対応する回転軸と同軸上にそれぞれ配置される、光学式角度エンコーダなどの対応するエンコーダシステムを含む。光学式エンコーダシステムは、本明細書において以下により詳細に説明されるように、例えば、アームセグメント106、108の各々の対応する軸を中心とする回転(スイベル)動作または側方(蝶番)動作を検出し、AACMM100内の電子データ処理システムに信号を送信する。個々の未処理のエンコーダカウントが信号として電子データ処理システムに別々に送信され、そのカウントは電子データ処理システムにおいて測定データへとさらに処理される。本発明の譲受人に譲渡された米国特許第5,402,582号(‘582号)に開示されているような、AACMM100自体から分離した位置計算機(例えば、シリアルボックス)は必要とされない。
In various embodiments, each
基部116は、装着装置または取り付け装置120を含んでもよい。取り付け装置120は、AACMM100が、例えば、検査台、マシニングセンター、壁、または床などの所望の位置に取り外し可能に取り付けられることを可能にする。一実施形態において、基部116は、AACMM100を動かしているときに、オペレータが基部116を持つのに好都合な位置を提供するハンドル部122を含む。一実施形態において、基部116は、折りたたむとディスプレイスクリーンなどのユーザインターフェースが見えるようになる可動式のカバー部124をさらに含む。
一実施形態によれば、可搬型AACMM100の基部116は、2つの主要な構成要素、すなわち、AACMM100内の種々のエンコーダシステムからのデータ、および3次元(3D)位置計算をサポートするためのその他のアームパラメータを表すデータを処理する基部処理システムと、比較的完全な計測機能が外部コンピュータへの接続を必要とせずにAACMM100内で実施されることを可能にする、搭載オペレーティングシステム、タッチスクリーンディスプレイ、および常駐アプリケーションソフトウェアを含むユーザインターフェース処理システムと、を含む電子データ処理システムを含むかまたは収容する。
According to one embodiment, the
基部116内の電子データ処理システムは、基部116から離れて配置されたエンコーダシステム、センサ、およびその他の周辺ハードウェア(例えば、AACMM100上の取り外し可能なハンドル126に取り付け可能な非接触距離測定装置)と通信することができる。これらの周辺ハードウェア装置または機能をサポートする電子機器は、可搬型AACMM100内にある軸受カートリッジの群110、112、114のそれぞれに配置されてもよい。
The electronic data processing system within the
図2は、一実施形態による、AACMM100で利用される電子機器のブロック図である。図2Aに示される実施形態は、基部処理システムを実装するための基部プロセッサ基板204と、ユーザインターフェース基板202と、電力を供給するための基部電源基板206と、Bluetoothモジュール232と、基部傾斜基板208と、を含む電子データ処理システム210を含む。ユーザインターフェース基板202は、ユーザインターフェース、表示、および本明細書において説明されるその他の機能を実行するアプリケーションソフトウェアを実行するためのコンピュータプロセッサを含む。
FIG. 2 is a block diagram of electronic equipment utilized in
図2Aに示されるように、電子データ処理システム210は、1つまたは複数のアームバス218を介して上述の複数のエンコーダシステムと通信状態にある。図2B、図2Cに示された実施形態において、各エンコーダシステムは、エンコーダデータを生成し、エンコーダアームバスインターフェース214と、エンコーダデジタル信号プロセッサ(DSP)216と、エンコーダ読み取りヘッドインターフェース234と、温度センサ212と、を含む。歪みセンサなどのその他の装置をアームバス218に装着してもよい。
As shown in FIG. 2A, the electronic
また図2Dに示されているのは、アームバス218と通信状態にあるプローブ端電子機器230である。プローブ端電子機器230は、プローブ端DSP228と、温度センサ212と、一実施形態においてはクイック接続インターフェースを介してハンドル126または非接触距離測定装置242に接続するハンドル/装置インターフェースバス240と、プローブインターフェース226とを含む。クイック接続インターフェースは、非接触距離測定装置242およびその他のアクセサリによって使用されるデータバス、制御線、および電源バスへのハンドル126によるアクセスを可能にする。一実施形態において、プローブ端電子機器230は、AACMM100の測定プローブ筐体102に配置される。一実施形態において、ハンドル126は、クイック接続インターフェースから取り外されることができ、測定は、インターフェースバス240を介してAACMM100のプローブ端電子機器230と通信する非接触距離測定装置242によって実行されてよい。一実施形態において、電子データ処理システム210は、AACMM100の基部116に配置され、プローブ端電子機器230は、AACMM100の測定プローブ筐体102に配置され、エンコーダシステムは、軸受カートリッジの群110、112、114に配置される。プローブインターフェース226は、1−wire(登録商標)通信プロトコル236を実施する、Maxim Integrated Products,Inc.から販売されている製品を含む任意の好適な通信プロトコルによってプローブ端DSP228に接続することができる。
Also shown in FIG. 2D is
図3Aは、一実施形態による、AACMM100の電子データ処理システム210の詳細な特徴を説明するブロック図である。一実施形態において、電子データ処理システム210は、AACMM100の基部116に配置され、基部プロセッサ基板204と、ユーザインターフェース基板202と、基部電源基板206と、Bluetoothモジュール232と、基部傾斜モジュール208とを含む。
FIG. 3A is a block diagram illustrating detailed features of the electronic
図3Aに示される実施形態において、基部プロセッサ基板204は、図中に示される様々な機能ブロックを含む。例えば、基部プロセッサ機能302は、AACMM100からの測定データの収集をサポートするために利用され、アームバス218およびバス制御モジュール機能308を介して未処理のアームデータ(例えば、エンコーダシステムのデータ)を受信する。メモリ機能304は、プログラムおよび静的なアーム構成データを記憶する。また、基部プロセッサ基板204は、非接触距離測定装置242などの任意の外部ハードウェア装置またはアクセサリと通信するための外部ハードウェアオプションポート機能310を含む。リアルタイムクロック(RTC)およびログ306と、バッテリパックインターフェース(IF)316と、診断ポート318もまた、図3に示される基部プロセッサ基板204の実施形態の機能に含まれる。
In the embodiment shown in FIG. 3A,
また、基部プロセッサ基板204は、外部(ホストコンピュータ)および内部(ディスプレイプロセッサ202)装置との全ての有線および無線データ通信を管理する。基部プロセッサ基板204は、(例えば、米国電気電子学会(IEEE)1588などのクロック同期規格を用いて)イーサネット(登録商標)機能320を介してイーサネットネットワークと、LAN機能322を介して無線ローカルエリアネットワーク(WLAN)と、およびパラレル・シリアル通信(PSC)機能314を介してBluetooth(登録商標)モジュール232と通信する能力を有する。基部プロセッサ基板204は、ユニバーサルシリアルバス(USB)装置312への接続も含む。
The
基部プロセッサ基板204は、上述の‘582号特許のシリアルボックスで開示されたようないかなる前処理も必要とせずに測定データへと処理するために、未処理の測定データ(例えば、エンコーダシステムのカウント、温度の読み取り値)を送信および収集する。基部プロセッサ204は、RS485インターフェース(IF)326を介して、ユーザインターフェース基板202のディスプレイプロセッサ328に処理されたデータを送信する。一実施形態において、基部プロセッサ204は、また、未処理の測定データを外部コンピュータへ送信する。
次に、図3Bのユーザインターフェース基板202を見ると、基部プロセッサによって受信された角度および位置データが、AACMM100内の自律的な計測システムを提供するためにディスプレイプロセッサ328で実行されるアプリケーションによって利用される。アプリケーションは、これらに限定されないが、特徴の測定、研修および指導の画像、遠隔診断、温度修正、様々な動作機能の制御、様々なネットワークへの接続、ならびに測定済み物体の表示などの機能をサポートするためにディスプレイプロセッサ328で実行されてもよい。ディスプレイプロセッサ328および(例えば、タッチスクリーンLCDなどの)液晶ディスプレイ(LCD)338ユーザインターフェースとともに、ユーザインターフェース基板202は、セキュアデジタル(SD)カードインターフェース330と、メモリ332と、USBホストインターフェース334と、診断ポート336と、カメラポート340と、音声/映像インターフェース342と、ダイヤルアップ/セルモデム344と、全地球測位システム(GPS)ポート346とを含むいくつかのインターフェースオプションを含む。
Next, looking at the
図3Aに示される電子データ処理システム210は、環境データを記録するための環境レコーダ362を有する基部電源基板206も含む。また、基部電源基板206は、AC/DCコンバータ358およびバッテリ充電器制御360を用いて、電子データ処理システム210に電力を供給する。基部電源基板206は、集積回路間(inter-integrated circuit)(I2C)シリアルシングルエンドバス354を用いて、およびDMAシリアル周辺インターフェース(DMA serial peripheral interface)(DSPI)357を介して、基部プロセッサ基板204と通信する。基部電源基板206は、基部電源基板206に実装された入力/出力(I/O)拡張機能364を介して傾斜センサおよび無線周波数識別(RFID)モジュール208に接続される。
The electronic
別個の構成要素として示されているが、その他の実施形態において、これらの構成要素の全てまたは一部は、図3に示された位置とは異なる位置に物理的に配置されても、および/または図3に示された方法とは異なる方法で組み合わされた機能であってもよい。例えば、一実施形態において、基部プロセッサ基板204およびユーザインターフェース基板202は、1つの物理的な基板に組み合わされている。
Although shown as separate components, in other embodiments, all or some of these components may be physically located at a location different from the location shown in FIG. Alternatively, the functions may be combined in a manner different from that shown in FIG. For example, in one embodiment,
ここで図4〜図9を参照すると、取り外し可能で交換可能な装置400をAACMM100に連結することを可能にするクイック接続機械電気インターフェース(quick-connect mechanical and electrical interface)をもつ測定プローブ筐体102を有するプローブ端401の代表的な実施形態が示されている。代表的な実施形態において、装置400は、例えば、ピストルの持ち手のようにオペレータの手で握られるようなサイズおよび形状に作製されたハンドル部404を含む格納カバー402を含む。格納カバー402は、空洞406(図9)を有する薄壁構造体である。空洞406は、コントローラ408を収容するようなサイズに作製され、構成される。コントローラ408は、例えば、マイクロプロセッサを有するデジタル回路かまたはアナログ回路でよい。一実施形態において、コントローラ408は、電子データ処理システム210(図2および3)と非同期双方向通信の状態にある。コントローラ408と電子データ処理システム210の間の通信接続は、(例えば、コントローラ420を介した)有線であってもよいし、あるいは直接的または間接的な無線接続(例えば、BluetoothまたはIEEE802.11)か、または有線接続と無線接続との組み合わせでもよい。代表的な実施形態において、格納カバー402は、例えば、射出成形プラスチック材料などから2つの半分410、412で形成される。半分410、412は、例えば、ねじ414などの締め具によって1つに固定されてもよい。その他の実施形態において、格納カバーの半分410、412は、例えば、接着剤または超音波溶接によって1つに固定されてもよい。
4-9, the
ハンドル部404は、また、オペレータによって手動で作動されることができるボタンまたは操作部416、418を含む。操作部416、418は、プローブ筐体102内のコントローラ420に信号を送信するコントローラ408に連結される。代表的な実施形態において、操作部416、418は、プローブ筐体102の装置400とは反対側に配置された操作部422、424の機能を実行する。装置400は、装置400、AACMM100を制御あるいはその逆を制御するために使用することができる追加的なスイッチ、ボタン、またはその他の操作部を有してもよいことを理解されたい。また、装置400は、例えば、発光ダイオード(LED)、音源、メータ、ディスプレイ、または計器などのインジケータを含んでよい。一実施形態において、装置400は、測定点と同時に口頭のコメントを残すことを可能にするデジタルボイスレコーダを含んでもよい。さらに別の実施形態において、装置400は、オペレータに音声による作動コマンドを電子データ処理システム210に送信することを可能にするマイクロホンを含む。
The
一実施形態において、ハンドル部404は、オペレータの手または(左利きまたは右利きなど)特定の手で使用されるように構成されてもよい。ハンドル部404は、(指の欠けたオペレータまたは義手を着けたオペレータなど)障害を持ったオペレータを助けるように構成されることもできる。さらに、ハンドル部404は、空間的隙間が限られるときには取り外されることができ、プローブ筐体102が単体で使用されることができる。上述したように、プローブ端401は、AACMM100の回転軸のシャフトを備えてもよい。
In one embodiment, the
プローブ端401は、プローブ筐体102の第2のコネクタ428と協調する、装置400の第1のコネクタ429(図8)を有する機械的および電気的インターフェース426を含む。コネクタ428、429は、装置400のプローブ筐体102への連結を可能にする電気的および機械的特徴を含む。一実施形態において、インターフェース426は、機械的連結部432および電気コネクタ434を上に有する第1の表面430を含む。格納カバー402は、第1の表面430に近接して配置され、第1の表面430から段差を付けられた第2の表面436も含む。代表的な実施形態において、第2の表面436は、第1の表面430から約0.5インチ差の段差を付けられた平面である。この段差は、カラー438などの締め具を締めるかまたは緩めるときにオペレータの指のための隙間をもたらす。インターフェース426は、コネクタのピンを位置合わせすることを必要とせずに、および別個のケーブルまたはコネクタを必要とせずに、装置400とプローブ筐体102の間の比較的迅速で安定した電子的接続を提供する。
The
電気コネクタ434は、第1の表面430から延伸し、例えば、1つまたは複数のアームバス218などを介して電子データ処理システム210(図2および図3)と非同期双方向通信するように電気的に連結される1つまたは複数のコネクタピン440を含む。双方向通信接続は、(例えば、アームバス218を介した)有線、無線(例えば、BluetoothまたはIEEE802.11)、あるいは有線接続と無線接続の組み合わせでよい。一実施形態において、電気コネクタ434は、コントローラ420に電気的に連結される。コントローラ420は、例えば、1つまたは複数のアームバス218などを介して電子データ処理システム210と非同期双方向通信してもよい。電気コネクタ434は、プローブ筐体102の電気コネクタ442と比較的迅速で安定した電子的接続を提供するように配置される。電気コネクタ434、442は、装置400がプローブ筐体102に装着されるときに互いに接続する。電気コネクタ434、442は、それぞれ、電磁干渉からの遮蔽と、コネクタピンの保護と、装置400をプローブ筐体102に装着するプロセスの際にピンの位置合わせの補助を提供する金属で覆われたコネクタ筐体を含んでよい。
The
機械的連結部432は、AACMM100のアーム部104の端部の装置400の位置がずれないまたは動かないことが好ましい比較的高精度な適用をサポートするために、装置400とプローブ筐体102との間の比較的強固な機械的連結を提供する。通常、そのようないかなる動きも測定結果の精度の望ましくない低下を招く可能性がある。これらの所望の結果は、本発明の実施形態のクイック接続機械電気インターフェースの機械的装着構成部分の様々な構造的特徴を用いて達成される。
The
一実施形態において、機械的連結部432は、一端448(装置400の前縁または「最前部」)に配置された第1の凸部444を含む。第1の凸部444は、第1の凸部444から延伸する唇縁446を形成する突起、切欠き、または勾配を付けられたインターフェースを含み得る。唇縁446は、プローブ筐体102から延伸する凸部452によって画定される溝450(図8)に受容されるような大きさに作製される。第1の凸部444および溝450は、カラー438とともに、唇縁446が溝450内に位置付けられるときに、溝450を用いて装置400がプローブ筐体102に装着されるときの長手方向と横方向の両方の動きを制限するように連結部構成を形成することを理解されたい。以下により詳細に説明されるように、カラー438の回転を用いて唇縁446をスロット450内に固定してよい。
In one embodiment, the
第1の凸部444の反対側に、機械的連結部432は、第2の凸部454を含んでよい。第2の凸部454は、突起をもつ切欠き唇縁かまたは勾配を付けられたインターフェース面456(図5)を有してよい。第2の凸部454は、例えば、カラー438などの、プローブ筐体102に関する締め具を係合するように配置される。以下により詳細に検討されるように、機械的連結部432は、インターフェース426のための支点を提供する、電気コネクタ434に近接するかまたは電気コネクタ434周りに配置された、表面430から突出する持ち上げられた表面を含む(図7および8)。これは、装置400がプローブ筐体102に装着されるときに、装置400とプローブ筐体102との間の3つの機械的接点のうちの第3の接点として機能する。
On the opposite side of the first
プローブ筐体102は、同軸上に配置されたカラー438を一端に含む。カラー438は、第1の位置(図5)と第2の位置(図7)との間を動くことができるねじ部を含む。カラー438を回転させることによって、カラー438を使用して、外部の道具を必要とせずに装置400を固定したりまたは取り外したりすることができる。カラー438の回転では、比較的粗く四角にねじ山が切られた円筒474に沿ってカラー438が動く。このような比較的大きなサイズの四角にねじ山が切れられまた外形表面の使用によって、最小限の回転トルクで非常に大きな締め付け力がもたらされる。さらに、円筒474のねじの粗いピッチは、カラー438が最小限の回転で締められるかまたは緩められることを可能にする。
The
装置400をプローブ筐体102に連結するために、唇縁446が溝450に挿入され、装置は、第2の凸部454が矢印464(図5)に示されるように表面458に向かって回転するように枢動される。カラー438を回転しながら、カラー438を矢印462によって示される方向に動かすかまたは平行移動させて表面456と係合させる。角度のついた面456に対するカラー438の動きが、機械的連結部432を持ち上げられた表面460に向かって押し付ける。これは、装置400をプローブ筐体102に強固に固定することを妨げる可能性があるインターフェースの変形またはインターフェースの表面上の異物という潜在的な問題を克服するのに役立つ。カラー438によって第2の凸部454に力を加えることは、機械的連結部432を前方に動かしながら、唇縁446をプローブ筐体102上の座部へと押し込む。カラー438が締められ続けるにつれて、第2の凸部454は、プローブ筐体102に向かって上向きに押されながら、支点に圧力をかける。これは、圧力を第2の凸部454、唇縁446、および中央の支点に加えて、装置400のずれまたは揺れを軽減するかまたは取り除いて、シーソー型の構成をもたらす。支点は、プローブ筐体102の底を直接押し、一方、唇縁446は、プローブ筐体102の端部に下向きの力をかける。図5は、装置400およびカラー438の動きの方向を示す矢印462、464を含む。図7は、カラー438が締められるときにインターフェース426内でかけられる圧力の方向を示す矢印466、468、470を含む。装置400の表面436の段差距離が、カラー438と表面436の間の間隙472(図6)をもたらすことを理解されたい。間隙472は、カラー438が回転されるときに指を挟む危険性を軽減しながら、オペレータがカラー438をよりしっかりと握ることを可能にする。一実施形態において、プローブ筐体102は、カラー438が締められるときの変形を軽減するかまたは防止するのに十分なだけの剛性がある。
To connect the
インターフェース426の実施形態は、機械的連結部432および電気コネクタ434の適切な位置合わせを可能にし、また加えられた圧力から電子機器のインターフェースを保護するが、この圧力は、カラー438、唇縁446、および表面456の締め付け動作によって生じうる。これは、はんだ付けされた端子を有する回路基板476に取り付けられた電気コネクタ434、442に対する力による損傷を軽減するかまたは取り除く利点をもたらす。また、実施形態は、ユーザが装置400をプローブ筐体102対して接続したりまたは切り離したりするために道具を必要としないという点で、公知の手法に対して有利である。これは、オペレータが手動で比較的簡単に装置400をプローブ筐体102に接続し、プローブ筐体102から切り離すことを可能にする。
Embodiments of the
インターフェース426によって可能な比較的多数の遮蔽された電気接続のおかげで、AACMM100と装置400の間で比較的多数の機能を共有することができる。例えば、AACMM100に配置されたスイッチ、ボタン、またはその他の操作部を使用して装置400を制御してもよく、またはその逆でもよい。さらに、コマンドおよびデータが、電子データ処理システム210から装置400に送信されてもよい。一実施形態において、装置400は、基部プロセッサ204のメモリに記憶されるべき、またはディスプレイ328に表示されるべき記録画像のデータを送信するビデオカメラである。別の実施形態において、装置400は、電子データ処理システム210からデータを受信する画像プロジェクタである。また、AACMM100または装置400のいずれかに配置される温度センサは、他方によって共有されてもよい。本発明の実施形態は、幅広い種類のアクセサリ装置400をAACMM100に迅速、簡単、かつ確実に連結することを可能にする柔軟なインターフェースを提供する利点をもたらすことを理解されたい。さらに、AACMM100と装置400との間で機能を共有する能力は、重複をなくすことによってAACMM100のサイズ、電力消費、および複雑性を削減することを可能にする。
Thanks to the relatively large number of shielded electrical connections possible by the
一実施形態において、コントローラ408は、AACMM100のプローブ端401の動作または機能を変更してよい。例えば、装置400が装着されるときと、プローブ筐体102が単体で使用されるときでは、コントローラ400は、異なる色の光を放つ、異なる強さの光を放つ、または異なるタイミングで点灯/消灯することのいずれかを行うようにプローブ筐体102のインジケータライトを変更してよい。一実施形態において、装置400は、物体までの距離を測定する測距センサ(図示せず)を含む。この実施形態において、コントローラ408は、物体がプローブチップ118からどのぐらい遠いかをオペレータに示すためにプローブ筐体102のインジケータライトを変更してもよい。これによって、コントローラ420の要件を簡素化する利点がもたらされ、アクセサリ装置の追加による機能のアップグレードまたは向上が可能になる。
In one embodiment, the
次に、図10〜図14を参照すると、物体の非接触測定を可能にする装置500が示されている。一実施形態では、装置500が、連結部機構およびインターフェース426を介してプローブ端401に取り外し可能に連結されている。別の実施形態では、装置500がプローブ端401に一体的に接続されている。以下により詳細に説明するように、装置500は、干渉計(図11)、絶対距離測定(ADM)装置(図12)、フォーカスメータ(図13および図14)、またはその他の種類の非接触距離測定装置であってよい。
Referring now to FIGS. 10-14, an
装置500は、さらに、ハンドル部分510をもつ格納カバー501を含む。一実施形態では、装置500は、本明細書において上述されたように、プローブ筐体102に装置500を機械的および電気的に連結するインターフェース426を一方の端部に含む。インターフェース426は、装置500が、追加のツールを必要とせずに、迅速かつ容易にAACMM100に連結されまたそこから取り外されることを可能にするという利点を提供する。別の実施形態では、装置500は、プローブ筐体102内に一体化されてもよい。
The
装置500は、例えば、レーザ光または白色光などのコヒーレントまたはインコヒーレント光を発する光源502などの電磁放射トランスミッタを含む。光源502からの光は測定対象物に向けて装置500の外に配向されている。装置500は、光学アセンブリ504および光受信器506を含んでもよい。光学アセンブリ504は、1つまたは複数のレンズ、ビーム分割器、二色ミラー、1/4波長板、偏光光学系などを含んでよい。光学アセンブリ504は、光源によって出射された光を分割し、一部を、例えば、再帰反射器などの物体へ、また一部を光受信器506へ方向付ける。光受信器506は、光学アセンブリ504からの反射光と再指向光とを受光して、光を電気信号に変換するように構成される。光源502と光受信器506は、両方ともコントローラ508に連結されている。コントローラ508は、1つまたは複数のマイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、メモリ、および信号調節回路を含んでよい。
The
また、ハンドル部分510にかかる力が、装置500のプローブチップ118に対する位置合わせに影響を及ぼさないように、装置500がプローブ先端118に対して実質的に固定されていることを理解されたい。一実施形態では、装置500は、オペレータに、装置500およびプローブチップ118からのデータの取得を切り替えることを可能にする、追加の操作部(図示せず)を有していてもよい。
It should also be understood that the
装置500は、装置500による動作およびデータ取得を開始するために、オペレータによって手動で作動されることのできる操作部512、514をさらに含んでもよい。一実施形態において、物体までの距離を決定するための光学的処理がコントローラ508によって実行され、距離データはバス240を介して電子データ処理システム210に送信される。別の実施形態において、光学データは電子データ処理システム210に送信され、物体までの距離は電子データ処理システム210によって決定される。装置500はAACMM100に連結されているので、電子処理システム210は、(エンコーダからの信号を介して)装置500の位置および向きを決定することができ、それらを距離測定と組み合わせた場合には、AACMM100に対する物体のX、Y、Z座標の決定が可能になることを理解されたい。
The
一実施形態において、図11に示された装置500は、干渉計である。干渉計は、物体上の点に、例えば、レーザ光などのコヒーレント光線を送出する、距離計の一種である。代表的な実施形態において、物体とは、例えば、外部の再帰反射器516である。干渉計は、物体の距離の変化を測定するために、戻り光と参照ビーム光とを結合する。距離Dが既知である初期位置に再帰反射器516を配置することによって、再帰反射器516が新しい位置に移動するときにも、距離D’を決定することができる。通常のまたは増分の干渉計を用いれば、距離計に対する物体点の移動の半波長ごとにコヒーレント光パターンが繰り返されるので、半波長を計数することによって距離が決定される。再帰反射器516は、キューブコーナー再帰性反射器が埋め込まれた金属球を備える、球形取り付け型再帰反射器であってもよい。キューブコーナー再帰反射器は、共通の頂点で一緒になる3つの垂直ミラーを備える。一実施形態において、その頂点は金属球の中心に配置されている。球を物体と接触する状態に保持することによって、物体表面の点までの距離を干渉計によって測定することができる。再帰反射器516は、出射光と平行に光を送り返す別の種類の装置であってもよい。
In one embodiment, the
一実施形態において、装置500は増分干渉計である。増分干渉計は、D=a+(n+p)*(ラムダ/2)*c/nを用いて算出される測定距離Dを有し、ここで、「a」は定数、「n」はターゲットの動きにおいて明らかとなったカウントの整数、「p」は、周期(0〜360度の位相角に対応する0〜1の数)の小数部分、「ラムダ」は、真空中の光の波長、「c」は、真空中の光の速度、「n」は、光524が通過する空気の温度、気圧、および湿度での光524の波長における空気の屈折率である。屈折率は、局所媒体(この場合は空気)内の光の速度で割った真空中の光の速度として定義され、したがって、算出された距離Dは、空気内の光の速度「c/n」に依存するということになる。一実施形態において、光源502からの光518は、光学干渉計504を通過して、離れた再帰反射器516に進行し、復路では光学干渉計504を通過して光受信器に入射する。光受信器は、位相補間器に取り付けられている。光受信器および位相補間器は、全体で、戻り光の位相を復号し、半波長カウントの数を追跡するための光学系および電子機器を含む。関節アーム100内の位相補間器などの電子機器、あるいは外部のコンピュータ内の電子機器が、再帰反射器516が移動した増分距離を決定する。図11の再帰反射器516が移動した増分移動距離は、D’−Dである。任意のある時点における距離D’は、例えば、関節アームCMMの基準点からの距離Dである基準位置における再帰反射器の位置をまず見つけることによって決定することができる。例えば、再帰反射器が球状取り付け再帰反射器(SMR)内に存在する場合には、距離D’は、まず再帰反射器516を基準位置に配置することによって見出すことができ、基準位置は、例えば、SMRを保持するように構成された磁気ネストでもよい。その後、光源502と再帰反射器516との間で光線が破壊されない限り、総距離D’は、本明細書において上述された式における「a」の値としての基準距離を用いて決定することができる。基準距離は、例えば、スキャナが様々な向きで保持された状態で基準球を測定することによって決定することができる。自己整合的に基準球の座標を求めることにより、基準距離を決定することができる。
In one embodiment,
図11は、戻り光線524Bと平行に進行するものの、戻り光線524Bからずれた外部への射出光ビーム524を示している。場合によっては、光524および524Bは、反対方向ではあるが同じ経路に沿って進行して、自身に光が戻って来るのが好ましい。この場合、反射光が光源520に対して入射したり不安定化させたりすることがないように分離方法を使用することが重要である。戻り光からレーザを分離する1つの方法としては、光源502と戻り光524Bとの間の光経路にファラデーアイソレータを配置することがある。
FIG. 11 shows an
増分干渉計の一実施形態において、干渉計が単一周波数で動作するレーザとなるように、光源502はホモダイン方式の装置である。その他の実施形態では、装置は、ヘテロダイン方式の装置であってもよく、分極され直交する2つの重複するビームを生成するために、レーザは、少なくとも2つの周波数で動作する。光源502は、ビーム分割器520内へ向けられる光518を出射する。ここで、光の第1の部分522は反射されて光受信器506へ送られる。光の第1の部分を光受信器506に配向するように、光の第1の部分522は、少なくとも1つのミラー523で反射される。代表的な実施形態において、第1の部分522は、複数のミラー523およびビーム分割器520で反射される。この第1の部分522は、戻り光または反射光との比較に使用される参照ビーム光である。
In one embodiment of the incremental interferometer, the
光の第2の部分524は、ビーム分割器520を透過して、再帰反射器516に向けられる。光学アセンブリ504は、これらに限定されないが、レンズ、1/4波長板、フィルタなどの他の光学部品(図示せず)をさらに含んでいてもよいことを理解されたい。光の第2の部分524は、再帰反射器516へ進行し、再帰反射器516は、第2の部分524を反射して、出射光と平行な経路527に沿って装置500に戻す。反射光は、光学アセンブリを通して戻り、光学アセンブリではビーム分割器520を透過して、光受信器506に送出される。代表的な実施形態において、戻り光はビーム分割器520を透過するときに、光の第一の部分522との共通である光受信器502への光路に合流する。光学アセンブリ504が、例えば、ビーム分割器520と光受信器506との間に、偏光面の回転を生成する光学系などの追加の光学部品(図示せず)をさらに含んでもよいことを理解されたい。これらの実施形態において、光受信器506は、パワー正規化機能を可能にする複数の偏光感受型受信器で構成されてもよい。
The second portion of light 524 passes through the
光受信器506は、光の第1の部分522と第2の部分524の両方を受光する。光の2つの部分522、524は、各々、異なる光路長を有するので、光受信器506における第1の部分522と比較した場合、第2の部分524は、位相シフトを有することになる。装置500が、ホモダイン式干渉計である実施形態において、光受信器506は、光の2つの部分522、524の強度の変化に基づいて電気信号を生成する。装置500が、ヘテロダイン式干渉計である実施形態において、受信機506は、例えば、ドップラーシフト信号などの技術を用いて位相または周波数測定を可能にすることができる。いくつかの実施形態では、光受信器506は、例えば、受けた光を位相補間器508またはスペクトラムアナライザに伝達する光ファイバピックアップであってよい。さらに別の実施形態では、光受信器506は、電気信号を生成し、位相補間器508にその信号を送信する。
The
増分干渉計では、(本明細書の上述の式から)カウント数nの変化を追跡する必要がある。光線が再帰反射器516に保持された場合、光受信器506内の光学素子および電子機器を使用してカウントを追跡してよい。別の実施形態では、別の種類の測定が使用され、その測定では、距離計からの光が測定対象物に直接送出される。物体は、金属でもよく、比較的少量の光のみを光受信器へ戻すように、例えば、光を拡散反射してもよい。この実施形態では、戻り光が出射光と実質的に一致するように、光は、自身へと直接戻る。その結果、例えば、ファラデーアイソレータなどの付いた光源502内へ送り戻される光量を減少させる手段を提供する必要があるかもしれない。
In an incremental interferometer, it is necessary to track the change in the number of counts n (from the equations herein above). If the light beam is held in
拡散ターゲットまでの距離を測定するときの難しさの1つに、干渉縞をカウントすることができないということがある。再帰反射器ターゲット516の場合、再帰反射器がトラッカから離れるにつれて、光の位相が連続的に変化することが知られている。光ビームが物体上に移動された場合、戻り光の位相は、例えば、光が縁部付近を通過するときに、不連続に変化してもよい。この場合、絶対干渉計として知られているタイプの干渉計を使用することが望ましい。絶対干渉計は、複数の波長の光を同時に放出し、その複数の波長は、例えば、ミリメートルの単位の「合成波長」を作成するように構成される。絶対干渉計は、移動の半波長ごとに干渉縞をカウントする必要がない点以外は、増分干渉計と同様の精度を有する。測定は、1つの合成波長に対応する領域内のどこでも行うことができる。
One of the difficulties in measuring the distance to the diffusion target is that interference fringes cannot be counted. For the
一実施形態において、光学アセンブリ504は、領域を迅速に測定するために、絶対干渉計からの光がスキャナで照り返され、スキャナで再び受光されることを可能にするマイクロ電気機械システム(MEMS)ミラーなどのステアリングミラー(図示せず)を含んでもよい。
In one embodiment, the
一実施形態では、装置は、絶対干渉計と組み合わせて使用されるカメラ529などの画像取得装置を任意で含んでもよい。カメラ529は、レンズと感光性アレイとを含む。レンズは、感光性アレイ上に照射された物点を結像するように構成されている。感光性アレイは、絶対干渉計によって出射される光の波長に反応するように構成されている。感光性アレイ上に結像する光の位置に注目することによって、物点の曖昧性範囲を決定することができる。例えば、絶対干渉計の曖昧性範囲が1mmであると仮定する。その場合、1ミリメートル以内のターゲットまでの距離が既知である場合、干渉計を使用してターゲットまでの距離を見つけることには問題はない。一方で、1ミリメートルの曖昧性範囲以内のターゲットまでの距離が未知であると仮定する。一実施形態において、曖昧性範囲以内にあるターゲットまでの距離を見つけるための方法は、カメラ529を光線の出射点近傍に配置することである。カメラは、感光性アレイ上に散乱光の像を結像する。結像された光スポットの位置は光学的ターゲットまでの距離に依存し、それによって曖昧性範囲内にある物体までの距離を決定する方法を提供する。
In one embodiment, the apparatus may optionally include an image acquisition device such as a
一実施形態において、距離測定装置は、物体までの距離の決定においてコヒーレント光(例えば、レーザ)を使用する。一実施形態において、この装置は、時間関数、例えば、線形の時間関数としてレーザの波長を変化させる。出射レーザ光の一部は光検出器に送られ、再帰性反射板に向かう出射レーザ光の別の一部もまた検出器に送られる。光ビームは、検出器において光学的に混合され、電気回路は、距離計から再帰反射器ターゲットまでの距離を決定するために光検出器からの信号を評価する。 In one embodiment, the distance measuring device uses coherent light (eg, a laser) in determining the distance to the object. In one embodiment, the apparatus changes the wavelength of the laser as a time function, eg, a linear time function. Part of the emitted laser light is sent to the photodetector, and another part of the emitted laser light toward the retroreflector is also sent to the detector. The light beam is optically mixed at the detector and an electrical circuit evaluates the signal from the photodetector to determine the distance from the rangefinder to the retroreflector target.
一実施形態では、装置500は、絶対距離計(ADM)装置である。ADM装置は、通常、インコヒーレント光を使用し、距離計からターゲットまで移動してまた戻るのに必要な時間に基づいて物体までの距離を決定する。ADM装置は、通常、干渉計よりも精度が低いが、ADMは、物体までの距離の変化を測定するのではなく、物体までの距離を直接測定するという利点を提供する。このように、干渉計とは異なり、ADMは既知の初期位置を必要としない。
In one embodiment,
ADMの1種に、パルス飛行時間(TOF)ADMがある。パルス飛行時間ADMでは、レーザは、光のパルスを出射する。その光の一部は物体へ送出されて、物体で散乱し、光信号を電気信号に変換する光検出器によってピックアップされる。光の別の一部は、上記検出器(または別の検出器)に直接送られ、その検出器において電気信号に変換される。2つの電気パルス信号のリーディングエッジ間の時間dtは、距離計から物点までの距離を決定するために使用される。距離Dは、まさにD=a+dt*c/(2n)であって、aは定数、cは真空中の光の速度、nは空気中での光の屈折率である。 One type of ADM is the Time of Flight (TOF) ADM. In pulse time-of-flight ADM, the laser emits a pulse of light. Part of the light is sent to the object, scattered by the object, and picked up by a photodetector that converts the optical signal into an electrical signal. Another portion of the light is sent directly to the detector (or another detector) where it is converted to an electrical signal. The time dt between the leading edges of the two electrical pulse signals is used to determine the distance from the distance meter to the object point. The distance D is exactly D = a + dt * c / (2n), where a is a constant, c is the speed of light in vacuum, and n is the refractive index of light in air.
別のタイプのADMとして、位相ベースADMがある。位相ベースADMは、正弦波変調をレーザに直接適用して出射レーザ光の光パワーを変調する。変調は、正弦波または矩形波として適用される。検出された波形の基本周波数に関する位相が抽出される。基本周波数とは、波形の主周波数または最低周波数である。通常、基本周波数に関する位相は、光検出器に光を送って電気信号を取得し、光を調整し(増幅器、ミキサ、およびフィルタを介して光を送ることを含んでもよい)、アナログデジタル変換器を用いて上記電気信号をデジタル化されたサンプルに変換し、次いで計算方法を用いて位相を計算することによって得られる。 Another type of ADM is a phase-based ADM. The phase-based ADM modulates the optical power of the emitted laser light by directly applying sinusoidal modulation to the laser. The modulation is applied as a sine wave or a square wave. The phase related to the fundamental frequency of the detected waveform is extracted. The fundamental frequency is the main frequency or the lowest frequency of the waveform. Typically, the phase with respect to the fundamental frequency sends light to a photodetector to obtain an electrical signal, condition the light (may include sending light through an amplifier, mixer, and filter), and an analog to digital converter Is used to convert the electrical signal to a digitized sample and then calculate the phase using a calculation method.
位相ベースADMは、D=a+(n+p)*c/(2*f*n)に等しい測定距離Dを有し、ここで、「a」は定数、「n」および「p」は物点の「曖昧性範囲」の整数および小数部分、「f」は、変調周波数、「c」は、真空中の光の速度、nは屈折率である。数量R=c/(2*f*n)は曖昧性範囲である。例えば、変調周波数f=3ギガヘルツである場合、上記式から、曖昧性範囲は約50mmとなる。「D」を求める式は、算出された距離が空気中の光の速度「c/n」に依存することを示している。絶対干渉計の場合と同様、決定することが望ましいパラメータの1つに、調査中の物点に対する曖昧性範囲がある。AACMM100を用いて拡散面の座標を測定するためには、装置500からの光線を数ミリ秒の内に数メートル離間した物体に向けてもよい。曖昧性範囲が決定されなかった場合、このような大きな変化は装置の曖昧性範囲を超えてしまう可能性が高いので、ADMは、物点までの距離の識別がないままとなる。
The phase-based ADM has a measured distance D equal to D = a + (n + p) * c / (2 * f * n), where “a” is a constant, “n” and “p” are object points. The integer and fractional part of the “ambiguity range”, “f” is the modulation frequency, “c” is the speed of light in vacuum, and n is the refractive index. The quantity R = c / (2 * f * n) is an ambiguity range. For example, when the modulation frequency f = 3 gigahertz, the ambiguity range is about 50 mm from the above equation. The equation for obtaining “D” indicates that the calculated distance depends on the speed of light “c / n” in the air. As with absolute interferometers, one of the parameters that it is desirable to determine is the ambiguity range for the object being investigated. In order to measure the coordinates of the diffusing surface using the
一実施形態において、曖昧性範囲をリアルタイムに決定することができるように、放出された光は複数の周波数で変調される。例えば、一実施形態では、4つの異なる変調周波数を同時にレーザ光に適用することができる。サンプリング手順および抽出手順からなる周知の手段によって、これらの4つの周波数の各々についての位相を計算することによってターゲットまでの絶対距離を決定することができる。別の実施形態では、4つより少ない周波数が使用される。位相ベースADMは、近接範囲または遠隔範囲のいずれかで使用することができる。変調方法および処理方法は、別のタイプの非干渉距離計を用いても可能である。こうした距離計は当技術分野で周知であるため、さらに説明することはしない。 In one embodiment, the emitted light is modulated at multiple frequencies so that the ambiguity range can be determined in real time. For example, in one embodiment, four different modulation frequencies can be applied to the laser light simultaneously. The absolute distance to the target can be determined by calculating the phase for each of these four frequencies by well known means consisting of a sampling procedure and an extraction procedure. In another embodiment, fewer than 4 frequencies are used. Phase-based ADMs can be used in either the proximity range or the remote range. The modulation method and the processing method are also possible using another type of non-interferometric rangefinder. Such rangefinders are well known in the art and will not be described further.
図12に示された一実施形態において、装置500は、光源528、アイソレータ530、ADM電子機器546、ファイバネットワーク536、ファイバ出射器538、および必要に応じて、ビーム分割器540および位置検出器542を含むADM装置である。光源528は、例えば、赤色または赤外レーザダイオードなどのレーザでよい。レーザ光は、例えば、ファラデーアイソレータまたは減衰器などのアイソレータ530を介して送出されてよい。アイソレータ530は、入力および出力ポートにおいて連結されたファイバでよい。ADM電子機器532は、レーザの入力に無線周波数(RF)電気信号を印加することにより、光源528を変調する。一実施形態では、RF信号は、レーザによって放出された光の光学的パワーを1つまたは複数の変調周波数で正弦波状に変調するケーブル532を介して印加される。アイソレータを通過する変調された光は、ファイバネットワーク536に進行する。光の一部は、光ファイバ548上をADM電子機器546の基準チャンネルへと移動する。光の別の部分は、装置500から外へ進行し、ターゲット516で反射されて、装置500へ戻る。一実施形態において、ターゲット516は、アルミニウムやスチールのような拡散反射材料などの非協力的なターゲットである。別の実施形態では、ターゲット516は、例えば、装置500へ光の大部分を戻す再帰反射器ターゲットなどの協力的ターゲットである。装置500に入射した光は、ファイバ出射器538とファイバネットワーク536を通じて戻り、光ファイバケーブル550を通じて、ADM電子機器546の測定チャンネルに入る。ADM電子機器546は、光ファイバ548および550から受信した参照光信号および測定光信号を電気参照信号および電気測定信号に変換する。これらの信号が電子回路で処理されて、ターゲットまでの距離を決定する。
In one embodiment shown in FIG. 12,
一実施形態において、装置500からの光は、非協力的(拡散的に散乱する)ターゲットではなく再帰反射器に送られる。この場合には、位置検出器542が、ビーム分割器540で反射された少量の光を受信するために含まれてよい。位置検出器542によって受信された信号は、装置500からの光線に移動中の再帰反射器516を追跡させるように、制御システムによって使用されてもよい。再帰反射ターゲットではなく、散乱ターゲットを使用する場合には、ビーム分割器540および位置検出器542は省略してもよい。
In one embodiment, light from
一実施形態において、ADM装置500は、本発明の出願人に所有された米国特許第7,701,559号に記載されているような構成を組み込んでいる。なお、干渉計装置およびADM装置の両方が、少なくとも部分的に空気中の光の速度に基づいて物体までの距離を決定することを理解されたい。
In one embodiment, the
別のタイプ距離計としては、集束法に基づくタイプがある。フォーカス距離計の例としては、色フォーカス距離計、コントラストフォーカス距離計、アレイセンシングフォーカス距離計がある。例えば、図13に示すような色集束法を用いた装置では、インコヒーレント白色光が光源522によって生成される。光学アセンブリ内のレンズ554の色収差によって、光は、光の波長に基づいて、物体556の「焦点線」に集束される。その結果、白色光の異なる波長成分は異なる距離で集束される。分光計557を用いて物体556までの距離が決定されてもよい。
Another type of distance meter is based on the focusing method. Examples of the focus distance meter include a color focus distance meter, a contrast focus distance meter, and an array sensing focus distance meter. For example, in an apparatus using a color focusing method as shown in FIG. 13, incoherent white light is generated by the
図14に示された別のタイプのフォーカス距離計は、コントラストフォーカス装置である。この実施形態では、物体までの距離は、最大コントラストや画像の鮮鋭度に着目して決定される。フォーカシングは、物体560の方向の軸に沿ってカメラ558を移動させることによって達成される。最大コントラストの位置が判明したときには、物体560は、既知の距離でセンサ562の光軸上にある。この既知の距離は、較正プロセス中に予め定められる。
Another type of focus rangefinder shown in FIG. 14 is a contrast focus device. In this embodiment, the distance to the object is determined by paying attention to the maximum contrast and the sharpness of the image. Focusing is achieved by moving the
一実施形態において、装置500は、アレイセンシングフォーカス距離計であってよい。このタイプの装置では、光源は、レンズおよびビーム分割器を介して光を送出する。光の一部は、物体に衝突して、ビーム分割器で反射され、感光性アレイへ進行する。検査中の物体が光スポットの焦点位置にある場合には、感光性アレイ上の光は非常に小さくなる。したがって、アレイ上のスポットが十分小さかったときには3D座標を捕捉するためにAACMM100を必ず使用することができたということになる。
In one embodiment, the
さらに別の実施形態では、装置500は、コノスコープホログラフィ装置であってよい。このタイプの装置では、物体の表面をレーザポイントで検査する。レーザ光は、表面で乱反射されて点光源を形成する。この点から発出する光円錐は、光学系によって拡大される。複屈折結晶が、光を常光線と異常光線とに分割する2つの円偏光子の間に配置されている。第2の偏光レンズを透過した後、2つの光線は重なって、CCDカメラなどの感光センサによって取得することができるホログラフィック干渉縞パターンを生成する。物体までの距離は画像処理により干渉縞から決定される。
In yet another embodiment, the
フォーカス装置およびコノスコープホログラフィ装置は空気中での光の屈折率に依存する一方で、これらの装置の距離の決定には、空気中の光の速度は無関係であることを理解されたい。 It should be understood that while focus and conoscopic holographic devices rely on the refractive index of light in air, the speed of light in air is independent of determining the distance of these devices.
代表的な実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者には、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更を行うことができ、同等物が本明細書の構成要素を代替しうることが理解されるであろう。また、多くの修正が、本明細書の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適応させるためになされてもよい。したがって、本発明は、この発明を実行するに当たって最良の態様として考察されて開示されている特定の実施例に限られるものではないということが意図されており、つまり、本発明は、添付された請求項の範囲内にある全ての実施例を含むということが意図される。さらに、第1、第2などの用語の使用は重要度を意味するものではなく、第1、第2などの用語は1つの要素を他の要素と区別するために使用されている。またさらに、「1つの」などの用語は、数量の限定を示すものではなく、記載された要素が少なくとも1つ存在することを示している。 Although the invention has been described with reference to exemplary embodiments, various modifications can be made by those skilled in the art without departing from the scope of the invention, and equivalents may replace the components herein. It will be understood that this is possible. In addition, many modifications may be made to adapt a particular situation or material to the teachings of the invention without departing from the essential scope thereof. Accordingly, it is intended that the invention not be limited to the specific embodiments discussed and disclosed as the best mode for carrying out the invention, ie, the invention is It is intended to include all embodiments that are within the scope of the claims. Furthermore, the use of terms such as first and second does not imply importance, and terms such as first and second are used to distinguish one element from another. Still further, terms such as “one” do not indicate a limitation of quantity, but indicate that there is at least one of the described elements.
Claims (26)
基部と、
第1の端部およびその反対側にある第2の端部を有し、手動で位置付けることが可能で、前記基部に回転可能に連結されたアーム部であって、接続された複数のアームセグメントを含み、各アームセグメントが、位置信号を生成するための少なくとも1つの位置トランスデューサを含む、アーム部と、
前記少なくとも1つの位置トランスデューサからの前記位置信号を受信するように構成された電子回路と、
前記第1の端部に連結されたプローブ端と、
前記プローブ端に連結された非接触測定装置であって、電磁放射トランスミッタを有し、空気中の光の速度に少なくとも部分的に基づいて物体までの距離を決定するように構成された非接触測定装置と、
前記電子回路に電気的に連結されたプロセッサであって、前記電子回路からの前記位置信号の受信に応答して、また前記非接触測定装置から前記物体までの距離の受信に応答して前記物体上の点の3次元座標を決定するように構成されたプロセッサと、を備えるAACMM。 A portable articulated arm coordinate measuring machine (AACMM) for measuring the coordinates of an object in space,
The base,
A plurality of connected arm segments having a first end and a second end opposite the first end and capable of being manually positioned and rotatably coupled to the base Each arm segment includes at least one position transducer for generating a position signal; and
Electronic circuitry configured to receive the position signal from the at least one position transducer;
A probe end coupled to the first end;
A non-contact measurement device coupled to the probe end, comprising an electromagnetic radiation transmitter and configured to determine a distance to an object based at least in part on the speed of light in the air Equipment,
A processor electrically coupled to the electronic circuit in response to receiving the position signal from the electronic circuit and in response to receiving a distance from the non-contact measuring device to the object; A processor configured to determine a three-dimensional coordinate of the upper point.
反対側にある第1の端部および第2の端部を有する手動で位置付けることが可能なアーム部を設けるステップあって、前記アーム部が、複数の接続されたアームセグメントを含み、各アームセグメントが、位置信号を生成するための少なくとも1つの位置トランスデューサを含む、ステップと、
前記トランスデューサから前記位置信号を電子回路で受信するステップと、
前記電子回路に電気的に連結されたコントローラを有する非接触測定装置を設けるステップであって、前記非接触測定装置は、電磁放射トランスミッタとセンサとを有する、ステップと、
前記非接触測定装置から電磁放射を前記物体へ送出するステップと、
反射された電磁放射を前記センサで受け取るステップと、
前記センサによって受け取られた前記反射された電磁放射から前記物体までの距離を決定するステップであって、前記距離は、空気中の光の速度と、前記電磁放射が前記電磁放射トランスミッタから前記物体へ進行し、前記センサに戻って来るまでの時間とに少なくとも部分的に基づく、ステップと、
トランスデューサから受信された前記位置信号と、前記決定された距離とに少なくとも部分的に基づいて、前記物体上の点の3次元座標を決定するステップと、を含む方法。 A method of operating a portable articulated arm coordinate measuring machine for measuring the three-dimensional coordinates of an object in space comprising:
Providing a manually positionable arm having opposite first and second ends, the arm including a plurality of connected arm segments, each arm segment Comprising at least one position transducer for generating a position signal;
Receiving the position signal from the transducer with an electronic circuit;
Providing a contactless measurement device having a controller electrically coupled to the electronic circuit, the contactless measurement device comprising an electromagnetic radiation transmitter and a sensor;
Sending electromagnetic radiation from the non-contact measuring device to the object;
Receiving reflected electromagnetic radiation at the sensor;
Determining a distance from the reflected electromagnetic radiation received by the sensor to the object, the distance comprising the speed of light in the air and the electromagnetic radiation from the electromagnetic radiation transmitter to the object. Steps based at least in part on the time to progress and return to the sensor;
Determining three-dimensional coordinates of a point on the object based at least in part on the position signal received from a transducer and the determined distance.
前記非接触測定装置を前記プローブに取り外し可能に連結するステップと、をさらに含む、請求項10に記載の方法。 Providing a probe end coupled to the first end;
11. The method of claim 10, further comprising removably coupling the non-contact measurement device to the probe.
前記非接触測定装置を設けるステップにおいて、前記非接触測定装置は、連結部と、前記コントローラに電気的に連結された第2の電気コネクタと、をさらに含む、請求項16に記載の方法。 In the step of providing the probe end, the probe end further includes a fastener and a first electrical connector electrically connected to the electronic circuit;
The method according to claim 16, wherein in the step of providing the non-contact measurement device, the non-contact measurement device further includes a connection portion and a second electrical connector electrically connected to the controller.
前記第1の電気コネクタを前記第2の電気コネクタに電気的に連結するステップと、をさらに含む、請求項17に記載の方法。 Mechanically coupling the non-contact measuring device to the probe end using the coupling part and the fastener;
18. The method of claim 17, further comprising electrically coupling the first electrical connector to the second electrical connector.
基部と、
反対側にある第1の端部および第2の端部を有する、手動で位置付けることが可能なアーム部であって、前記基部に回転可能に連結され、複数の接続されたアームセグメントを含み、各アームセグメントが、位置信号を生成するための少なくとも1つの位置トランスデューサを含む、アーム部と、
前記少なくとも1つの位置トランスデューサからの前記位置信号を受信する電子回路と、
前記測定装置と前記第1の端部との間に配置されたプローブ端であって、一方の面にインターフェースを有する、プローブ端と、
前記インターフェースに取り外し可能に連結された非接触測定装置であって、光源と、光受信器とを有し、空気中の光の速度と、前記光源からの光が前記光源から前記物体へ進行して前記光受信器へ戻る時間とに少なくとも部分的に基づいて前記物体上の点までの距離を決定するように構成された非接触測定装置と、
前記電子回路に電気的に連結されたプロセッサであって、前記トランスデューサから受信された前記位置信号と、前記決定された距離とに少なくとも部分的に基づいて前記物体上の点の前記3次元座標を決定するように構成されたプロセッサと、を備えるAACMM。 A portable articulated arm coordinate measuring machine (AACMM) for measuring the three-dimensional coordinates of an object in space,
The base,
A manually positionable arm having first and second ends on opposite sides, rotatably coupled to the base and including a plurality of connected arm segments; An arm portion, each arm segment including at least one position transducer for generating a position signal;
Electronic circuitry for receiving the position signal from the at least one position transducer;
A probe end disposed between the measuring device and the first end, the probe end having an interface on one side;
A non-contact measurement device detachably coupled to the interface, comprising a light source and a light receiver, the speed of light in the air, and light from the light source travels from the light source to the object A non-contact measuring device configured to determine a distance to a point on the object based at least in part on a return time to the optical receiver;
A processor electrically coupled to the electronic circuit, wherein the three-dimensional coordinates of a point on the object are based at least in part on the position signal received from the transducer and the determined distance. AACMM comprising: a processor configured to determine.
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