JP3735129B2 - 三次元座標測定装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、一般的には三次元座標測定機械(即ちCMM)に関する。さらに詳細に説明すると、本発明は、携帯でき、かつ改良された精度及び使用の容易さを与える新規かつ改良された三次元CMMに関する。
【0002】
【従来の技術】
物理の世界では全てが体積又は空間を占めることが理解されよう。空間における位置は、工学の用語ではしばしばX,Y,Z座標と呼ばれる長さ、幅及び高さによって規定され得る。X,Y,Zの数は、長さ、幅、及び高さの次元、即ち三次元を表している。三次元の物体は位置及び方位によって記述される。即ち、物体がどこに存在するかだけでなく、どの方向を指しているかである。物体の空間における方位は物体上の3個の点の位置によって規定することができる。方位も物体の空間における整列の角度によって記述される。X,Y,及びZ座標は3個の直線定規によって最も簡単に測定される。言い換えれば、空間の長さ、幅及び高さに沿って定規をおけば、空間における点の位置を計ることができる。
【0003】
現在、座標測定機械、即ちCMMは、3個の直線定規を使って空間における物体を計っている。これらの装置は、通常非携帯用、高価であり、かつ容易に計測され得る大きさ、即ち体積において制限される。
【0004】
Frorida、Lake MaryのFARO TechnologiesInc.(本発明の譲受人)は、医療用の一連の電気角度計型座標読み取り装置の製造に成功してきた。特に、FARO Technologies Inc.はMETRECOM(登録商標)として知られている骨格分析用システム及びSURGICOMTHとして知られている外科的応用に使用するシステムを製造してきた。METRECOM及びSURGICOMに組み込まれている電気角度計型装置の種類は、米国特許第4,670,851号及び米国特許出願593,469(1990年10月2日出願)及び同562,213(1990年7月31日出願)(これらは本件譲受人に譲渡され、本明細書に参考文献で包含されている。)に開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
METRECOM及びSURGICOM電気角度計型座標読み取りシステムは、その意図する目的には良く適合しているが、部品及び組立体の三次元測定がしばしば要求される一般の工業的応用には良く適合していない。そこで、工業的及び関連する応用のための改良された、正確で低価格のCMMの需要が引き続いて存在する。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上に論じた及び先行技術の他の問題及び欠陥は、本発明の三次元計測手段(例えば、電気角度計)によって克服されあるいは軽減される。本発明の新規な携帯用の座標測定機械は、体積を正確に、容易に測定するための多接合された(好ましくは6接合)手動で配置可能な測定腕を具備する。この機械は、好適な実施例では、直径6乃至8フィートの範囲の球(この範囲以上あるいは以下の半径も包含する)及び2シグマ+/−0.005インチ(最適には2シグマ+/−0.001インチ)の測定精度を具備する。測定腕に加えて、本発明は、腕とホストコンピュータの間の電気的インターフェースとして働くコントローラ(即ちシリアルボックス(serial box))を採用する。
【0007】
本発明のCMMに使用される機械的測定腕は、通常複数の伝達ケース(各伝達ケースはジョイントを含み、かつ1個の回転自由度規定する)と伸長部材を具備している。該伸長部材は、好ましくは5又は6個の自由度を有する移動性腕を画定するため直角に配置されている隣接の伝達ケースで互いに結びつけられている。各伝達ケースは測定変換器及び新規な軸受け配列を含んでいる。これらの新規な軸受け配列は、反対に配置された円錐状ローラ軸受けから形成されたプレストレス軸受け及び高い曲げ補強のための低い縦断面構造の補強スラスト軸受けを含む。さらに、各伝達ケースは、機械的ストレスによる機械的過荷重に対して保護するために、目に見え、可聴の末端停止指示器を含んでいる。
【0008】
移動性腕は、(1)温度安定性をモニターするための温度モニター板;(2)万能エンコーダ選択のためのエンコーダ装着板;(3)ユニットの混ぜ合わせを避けるようにするために校正及び確認データを含むEEPROM回路板;及び(4)コントローラの遠隔計数板に対して高増幅信号の送信用エンコーダ装着板に近接して装着されたプレアンプを含む台あるいは支柱に取り付られている。
【0009】
先行技術のMETRECOMシステムにおけるように、伝達ケースはモジュール可変組立体構造であり、全可動腕組立体は一定の熱膨張係数(CTE)を確保するための一つの材料から組立てられている。METRECOMシステムにおけると同様に、転回停止を有する内部電線経路及び電線巻きとり空洞は多量の電線の完全な封入を許容する。また先行技術のMETRECOMシステムと一致して本発明は、使用者を楽にするためにばねで釣り合わせ、かつ衝撃吸収した支持機構及び手動操作で高精度測定を可能とするための2個のスイッチデータ(take/accept)入力装置を含む。また、先行技術のMETRECOMシステムにおいて使用されるこの型の一般化されたオプションが三次元における変数の測定のために設けられる(例えば、温度はオプションポートに取り付けられた熱電対を用いて三次元で測定される。
【0010】
個々のマイクロプロセッサを基礎とする調節箱の使用は、ホスト水準の処理を必要とすることなく特定の計算の前処理を許容するので、本発明の重要な特徴である。これは情報プリプロセッサを、プログラマブル適合性及び種々の外部ホスト(例えば、外部コンピュータ)との両立性を与える調節箱に装着することによって達成される。シリアルボックスも、また、ホストからの伝達要求を感知することによって情報のマルチプロトコル算定及びオートスィッチを提供する。例えば、一人の製造者からのホストコンピュータ実行ソフトウエアは、調節箱により自動的に検知された一形式の呼出要求を生み出すであろう。さらに、コントローラの他の特徴は、高度に精密な測定の結果として、種々の工業環境における標準化された長距離伝達のためのシリアルポート伝達及び各エンコーダ(伝達ケースに配置されている)の同時捕捉のための新規なアナログーデジタル/デジタル計算板を含む。
【0011】
本発明のCMMの効果的なオンーサイト(on−site)校正は、システムの精度評価に対して潜在的な取付けの複雑化を取り除くためにCMMの台に配置されている基準ボール(reference ball)の使用によって改良される。さらに、本発明のCMMは、好ましくは新規な円錐形ボールバー装置を使用する中間の基盤上に体積測定の精密測定プロトコルを実行するための手段を含む。
【0012】
本発明の上述した、及び他の特徴並びに効果は下記の詳細な説明と図面から当業者によって認識され理解されよう。
【0013】
【実施例】
第1に図1を参照すると、本発明の三次元測定システムは、通常、手動で動かされる多接合腕12及び支持台あるいは支柱14から構成される座標測定機械(CMM)10、コントローラ、即ちシリアルボックス16、及びホストコンピュータ18を具備している。CMM10は、ホストコンピュータと電気的に通じているシリアルボックス16と電気的に通じていることが理解されよう。
【0014】
下記にさらに詳細に論じるように、CMM10は、回転位置データを集めて、個の基本データをシリアルボックス16に転送する変換器(例、各自由度の為の変換器)を含む。シリアルボックス16は、ある複雑な計算を処理するためにホストコンピュータ18の包括的な要求にリダクション(reduction)とある基礎的なデータ操作を与える。図2に示すように、シリアルボックス16は、ホストコンピュータ18(図2に示すノートブックコンピュータのような)の下に配置されるようになっており、そして、データ処理ソフトウエア、マイクロコンピュータプロセッサ、シグナルプロセッシングボード、及び多数の指示ライト20があるEEPROMSを含んでいる。上述のように、基礎変換データはCMM10からシリアルボックス16へ送られる。シリアルボックスは次いでオンゴーイングベース(ongoing bases)上の生の変換器データを処理し、所望の三次元の位置又は配置情報を有するホストコンピュータの諸質問に応答する。
【0015】
好ましくは、本発明の三次元測定システムを規定する全ての3要素(例、CMM10,シリアルボックス16及びホストコンピュータ18)は、堅い板を用いる固定した設置表面及び/又は図3に22で示すような既知の標準的セオドライト移動性スタンド上に装着することによってねじ付けした標準的光学機器の何れかに装着される。好ましくは、セオドライトスタンド22はBrunsonによって製造された部品no.MWS750を具備している。このような移動性スタンドは伸長できる垂直塔及び通常の付属物を有する安定な回転台及び固定機構で特徴づけられる。図2及び3に示すように、CMMの支持台14は、スタンド22の垂直な支持部材24上にねじ切りその他の方法で取り付けられており、シリアルボックス16/ホスト18は、第1のジョイント28で第2のジョイント32に旋回可能に接続されている腕30に、旋回可能に接続されているたな26の上に支持されている。接続部材34は、部材24のてっぺんに装着されたキャップ38に取り付けられたスイベル接続36に、ジョイント32を相互接続する。さて図1及び4−9を参照して、CMM10を詳細に説明する。図5に最良に示すように、CMM10は、第2の伝達ケース42(ケース40を横断して配置されている)に接続されている第1の伝達ケース40を含む2個の伝達ケースの第1の組に接続されている台14を具備している。第1の伸長部材44は、第4の伝達ケース48に横断的に取り付られている第3の伝達ケース46を含む2個の伝達ケースの第2の組に不動に取り付けられている。第1の伸長部材44は伝達ケース42と46の間に直角的に配置されている。第2の伸長部材50は伝達ケース48と一直線に、かつ不動に取り付けられている。固定の伸長部材50は、第6の伝達ケース54に横断的に取り付られている第5の伝達ケース52を含む2個の伝達ケースの第3の組に不動に取り付けられている。第6の伝達ケース54はそれに取り付けられたハンドル/プローブ組立体56を有する。
【0016】
一般的に(そして下記により詳細に論じられるように)、位置感知変換器は6個の伝達ケース40、42、46、48、52、及び54のそれぞれに装着されている。各ケースは45度の角度をなす取り付けねじ(図6A)を用いて互いに円筒形状に取り付けるために作られている軸受け台及び変換器コンパートメント(compartment)を具備している。台14には、腕12を標準的垂直配置に支持するためのカウンターバランスばね装置60がある(図8)。
【0017】
さて図6A及び7を参照して、伝達ケース及びその内部要素について詳細な説明をする。図6Aは伝達ケースの拡大図であり、図7は横断的に配置され、取り付けられた伝達ケース(例、ケース46及び48)の拡大図を示す。各ケースは内部キャリア62及び外部ケーシング64を含んでいる。内部キャリア62及び外部ケーシング64間の機械的安定性は、2個の逆位置(対抗的に配置された)にある円錐形状ローラ軸受け66、68であって、それぞれの円錐形状レース70、72に対して押し付けるために配置された該軸受けによって与えられる。円錐形状レース70、72は外部伝達ケース64の中に恒久的に固定されている。キャリアは底から延伸し、ねじ山(threading)74に終わるシャフト122を含む。円錐形状軸受け66、68は好ましくは焼き入れ鉄鋼から形成され、レース70、72も焼き入れ鉄鋼から形成されている。
【0018】
伝達ケース48の組立の間に、圧縮力がナット73を使って与えられる。ナット73はねじ切り74上で特定のトルクまで締め付けられ、通常付与される負荷のもとで軸方向回転以外の如何なる動きをも生じないプレストレス軸受け位置を与える。手動操作及び付随する全体的な剛性の減少の期間そのような腕のため標準以下の断面の必要性の故に、キャリア62及びケーシング64間の境界に、スラスト軸受け76をさらに取り付けることは好ましく、事実ある応用に要求される。スラスト軸受け76は伝達ケースのキャリア62及びケーシング64間に機械的剛性をさらに与える。スラスト軸受け76は、スラスト調整リング300、平らな環状レース302、ローラ軸受け及びケージ304、環状レース306及び対抗するスラストカバー308を包含する5個の要素を具備している。スラスト軸受け76は一組の調節ねじ78によって調節されて高い曲げ剛性を与える。変換器は、(好ましくは、名称Mini−RodでHeidenhainから提供されるようなエンコーダ80、部品no.450M−03600)、伝達ケーシング内に装着するために汎用の装着板82に装着される。変換器80の製造における変化及び、したがって、ねじ構造を装着する際の変化が装着板82における修正によって適合され得るような、可能な要素の有用性問題を満たすのに、汎用の装着板82は重要である。装着板82は、丸い角を有する三角形状の板として、図6Bに示されている。図6Bは、またねじ山付き付き部材88及び90、ピン86及びカプラー84を示している(これらの全ては下記に説明する)。
【0019】
エンコーダー80を用いる高精密回転測定器は、エンコーダーに付与される負荷があるべきでないこと、及び伝達ケーシングの動きが、伝達ケーシングの軸とエンコーダの軸のわずかな誤整列にもかかわりなくエンコーダに正確に伝達されることを要求する。角移転誤差は刊行されたエンコーダの文献から当業者に良く知られている。エンコーダ80との連絡は、名称B1004R51Rでレンブラント(Rembrandt)から入手されるようなカプラー84である。伸長心棒86はエンコーダ80を伝達ケーシング64に最終的に接続するのに利用されている。心棒86は、セットねじ88、90(図7参照)を用いてねじ山74でカプラー84とキャリア62の端部の両者に取付られている。本発明の重要な特徴によると、電子プレアンプ板92がエンコーダ80に近接して配置されており、キャップカバー96の内側に(ねじ94を介して)装着される。キャップカバー96はねじ97を介してケーシング64に取付られている。伝達ケース98は、ねじ97及び100を介してキャップカバー96をケーシング64に相互接続している。伝達ケースの環境に対する封止は、標準のゴム製Oリング104が装着されるOリング溝102を用いるジョイントで果たされている。回転終止端106(下記に説明される)は、図6Cに最良に示されており、ケース64の穴を通じてねじ止めされるボルト108を用いてケース64に装着される穴を有する正方形の金属ケースからなる。長期間の使用にわたる摩耗を防止するためワイアを通すグラメット(grommets)が、キャリア62及びケーシング64の両者に110及び112で装着されている。位置ピン114は、キャリア62の補足的形状のくぼみ116によって2個の隣接した伝達ケーシングの相対的配置を維持する目的のために受容される。
【0020】
図7を参照して、環境上の及び他の理由のために、全てのワイアが視野から完全に隠されること、したがって、腕12の内部に収容されることが重要である。図7は、相互に直角に装着された2個の組立られた伝達ケース46、48を示し、かつワイアの通路を明示している。CMM10の使用の間、エンコーダ80からのエンコーダ情報は、ワイア118によってエンコーダのプロセッサボード92に流れる。情報は次いで機械加工された通路120によって増幅され、腕を通過することが理解されよう。ワイア118は次いで、伝達ケーシング46の内部キャリア62の軸122の中の通路120を通過し、グラメットホール124を通過する。その時点で、ワイアは、ケース46の外部ケーシング上に機械加工された大きい空洞126の中に延びる。空洞126は、伝達ケーシング回転の間ワイアストランドのコイリング(coiling)を可能にし、かつ如何なるワイアの摩耗も最小限のワイアの曲がりも生じさせないように形作られている。しかしながら、ワイアは完全に回転する総合能力を制限するので、完全回転、この場合330゜、を制限する終止端ねじ130を配置している不完全な球形の溝128が作られている。露出したワイアがない結果として、ワイアが、台14に装着されたコネクタの方へ継続的に進むことを可能にする各伝達ケーシング中で、通路120及びワイアのコイリング空洞12の通過が連続して繰り返されることが理解されよう。
【0021】
図8を参照すると、種々の軸受け及び変換器と同様に、アルミニウムの腕の構造物はCMM10のプローブハンドル組立体56でほぼ10乃至15ポンドの累積重量となる。通常の状況下で、これは使用の間かなりの量の疲労を引き起こし、したがって、釣り合わせられるべきである。運搬性を考慮するとき、重量の釣り合わせは装置の全体の重量をかなり増加するので好ましくない。したがって、好ましい実施例では、釣り合わせは、プラスチックケーシング142に収容され、かつ腕12のためのリフトを提供するための台14で伝達ケース42に装着されたトーションばね132を具備する釣り合わせ装置60を用いて行われる。トーションコイルばね132は全体的なプレテンションを与える種々の場所に装着することができ、したがって、種々の長さ及び重量の腕12について使用されることができる。同様に、腕12の重量及び跳ね返ったばねの影響により、腕を保管位置に戻すときかなりの衝撃負荷が発生するであろう。引き込みによる腕のかなりの衝撃を避けるために、空気ピストン衝撃吸収体134がさらに釣り合わせばね装置60のプラスチックケース142内に配置されている。これは衝撃負荷の吸収と静止位置でのゆっくりとした弛緩の結果に終わる。図8は押し下げられた配置における衝撃吸収体134を示し、一方図16−18は完全に伸長した位置における衝撃吸収体134を示すことが理解されよう。
【0022】
図9A及び図9Bに、プローブハンドル組立体56の上面及び底面図が示されている。プローブハンドル組立体56は、ペンシル又はピストルグリップのいずれかとして保たれるようになっており、データ採取用の2個のスイッチ(図9Aの品目150及び152)、任意の電子部品の付属品用の接続具(図9Bの品目154)及び種々のプローブを受けるためのねじ山つき取付台156を持っている。CMM19は手動の測定装置であるので、使用者は検尺をし、次いでその検尺が受け入れられるか否かをCMM10に確認することが出来なければならない。
【0023】
これは2個のスイッチ150、152の使用によって達成される。前方のスイッチ150は三次元データ情報を捕捉するのに、後方スイッチ152はその受け入れを確認してホストコンピュータ18に伝達するのに用いられる。スイッチケース58(ケース150、152)の背後に、レーザ走査装置又はタッチプローブのようないくつかの選択物への通常の付属物のための、いくつかの電圧ライン及びアナログーデジタルライン変換器ラインを有する接続具154がある。
【0024】
種々のプローブはハンドル組立体56にねじ込まれることができる。図10Aに、硬質の半径1/4インチのボールプローブ158が示されており、図10Bにはポイントプローブ160が示されている。両プローブ158、160は、プローブケース58にねじ込まれるように装着されている取付台156(雄ねじ山付き部材を使用して)にねじ込まれるように装着される。さらに、取付台156は、レンチを使用してプローブの係合及び解放を助長するために複数の平面159を含んでいる。
【0025】
図11及び12を参照して、コントローラ、即ちシリアルボックス16の説明を続ける。図11はコントローラ、即ちシリアルボックス16の前面パネル表面162を示す。前面パネル162は、パワー指示ライト164、エラーコンディションライト166、及び6個のライト20、各伝達ケース内にある6個の変換器(部品1−6として区別される)のそれぞれに対して1個のライト、を含む8個のライトを有している。出力アップすると、パワーライト164は腕12への出力を示す。そのとき、全ての6個の変換器ライトは各6個の変換器の状態を示すであろう。本発明の好適な実施例において、変換器は増分デジタル光学エンコーダ80であり、参照することを必要とする。(より少ない好適な実施例において、変換器はアナログ装置であって良い)。したがって、始動すると、各6個のジョイント(例えば、伝達ケース)は、6個のランプが消える時点で、基準位置を見出すために回転されなければならない。
【0026】
本発明の重要な特徴によると、使用期間中、変換器の何れかがその回転終止端106を2度以内から近づけると、その特定の変換器に対する光及び聞き取れる信号音が、使用者が終止端に余りに近づいていること、及び腕の配置は現在の測定のために再調整されるべきであることを使用者に表示する。シリアルボックス16は測定を継続するが、このような終止端の状態が取り除かれるまでデータの捕捉を許容しないであろう。この終止端機能が必要である典型的な場面は、特定の変換器のその終止端限界までの回転により自由度の喪失であり、したがって、腕への力の適用は、測定における測定されない片寄りと誤りを生じる。
【0027】
測定工程の間いつも、種々の伝達及び計算の誤りが生ずるかもしれない。これらはエラーライトの閃光によって使用者に伝達され、次いで6個の変換器の光の組み合わせが、符号によって特定の誤り状態を示す。前面パネル162は、英数字の誤りを与える英数字のLCDパネルと終止端の警告を交互に利用し得ることが理解されよう。
【0028】
図12を参照すると、シリアルボックス16の後方パネル168は、種々の標準PCコネクターとマイクロプロセッサーをリセットするリセットボタン170を含むスイッチ;空気還流のためのACインプットファン172;標準的PCATキーボード用のコネクタ174;シリアルボックス16の内部作動のモニタリングのためための任意のVGAボード用コネクタ176;CMMデータのための種々のシグナルラインを受けるためのコネクタ178;及びホスト18のための標準RS232コネクタ用コネクタ180を含む。
【0029】
シリアルボックス16は、CMMの温度をモニターすること、かつ温度の変化による種々の要素の膨張及び収縮を記録する式にしたがってCMMの作動を記録する運動学又は数学を即時に改変することを引き受ける。この目的のために、及び本発明の重要な特徴によって、温度モニターボード182(温度変換器を含む)がカバー184の内部の第2ジョイント42の位置に配置されている(図4及び5参照)。CMM10は、好ましくは外面的に飛行機級のアルミニウムから構成されており、かつ陽極酸化されている。好ましくは、ステンレス鋼である装着ねじを除いて、腕12全体は同じ材料で構成されている。腕12の膨張及び収縮特性を均一にし、電子的補正をより受けやすくするために同一の材料が全体にわたって使用される。より重要には、幅広い温度範囲で全ての部品の間に必要とされる最大程度の安定性は、部品間に熱膨張差がないことを要求する。既述のように、温度変換器182は、好ましくは伝達ケース42に設けられる。なぜなら、この位置は、最大の嵩の領域を定め、したがって大きな温度のゆらぎの後に安定させられるべき最後の領域であると信じられているからである。
【0030】
図13を参照すると、CMM10及びシリアルボックス16のための全体的概略電子配置が示されている。6個のエンコーダ80が、信号変換器のノイズを最小にするために各エンコーダに近接して設けられた増幅器板92と共に示されている。種々のオプションの付属具のための、ハンドル56で利用可能な6個のピンコネクターであるオプションポート154が示されている。シリアルボックス16に測定工程を指示するための2個のコントロールボタン150及び152も示されている。
【0031】
温度変換器は、図13に示されるように腕12に同じく設けられている温度回路板182と関連づけられている。本発明のさらに他の重要な特徴によれば、温度板182はEEPROMを含んでいる。EEPROMは、小さいコンピューター化した記憶装置(電気的に消去可能なプログラムを作ることができるリードオンメモリー)であり、かつ種々の特定の校正及び連続数字データを腕の上に含むために使用される(図19−21に関する説明参照)。これは、CMM10の高質の制御を許容し、そしてさらに重要なことには、ソフトウエア及びアームの不注意な混同を防ぐ本発明の非常に重要な特徴である。これはまた、CMM腕12が、単独で修理及び/又は他の機械と交換されなければならない調節箱16に、特定の校正データが留まることを必要としない単独で置かれている装置であることを意味する。
【0032】
腕電子部材からの電子及びパルスデータは、12ビットアナログーデジタルコンバータとマルチチャネル16ビットデジタルカウンターを含む一組のセットである、結合されたアナログーデジタルコンバータ/デジタル計数ボード186に送信される。ボード186は調節箱の標準的バス(buss)上に配置されている。計数情報は、コアモジュール188(Amproから入手できる部品番号CMX−286−Q51のような商業的に入手可能なIntel286マイクロプロセッサを含む)と調節箱に同じくあるEEPROMに蓄積されたプログラムを使用して処理される。得られたデータは次いでシリアルコミュニケーションポート189を介して送信される。
【0033】
マイクロプロセッサを基礎とするシリアルボックス16は、ホスト水準の処理を必要とせずにCMM10に特有の計算の前処理ができる。このようなプリプロセッサ計算の代表例は、座標系変換;単位の変換;中継ジグを使用することによって一方の座表系から他の座標系への蛙飛び(leap−frogging);2個のボール(ANSI B89ボールバーのような)間の距離の計算を含む、ある種の検証手続きの実行;及び種々のホスト及びユーザプログラムへダウンローディング(downloading)するために必要である特定のフォーマットにおけるデータ出力を含む。
【0034】
シリアルボックスは、PC、MSDOS、Windows、Unix、Apple、VME等を含む種々のホストフォーマットと連絡するように形成されている。このように、シリアルボックスは、オンゴーイングベース上の生の変換器データを処理し、所望の三次元の位置又は配置情報を有するホストコンピュータの情報要求又はポーリングに応答する。シリアルボックスの言語は、マイクロプロセッサ188においてドライバー又はコンピュータコミュニケーションサブルーチン(subroutines)が、シリアルポートを駆動し、CMM10と連絡するようにホストコンピュータの言語で書かれるような形態である。この機能は、「インテリジェントマルチープロトコルエミュレーション(intelligent multi−protocol emulation)及びオートスイッチング(autoswitching)」機能と呼ばれ、次のように働く:種々のホストプログラムがホストコンピュータに設置されることができる。これらのホストプログラムは、シリアルボックスが応答すべき種々の要求を持つシリアルポートをポーリング(poll)するであろう。多くのプロトコルは、種々の異なる平易なソフトウエアのためのシリアルポート上のポーリング又は要求に応答するためにシリアルボックス中にプロプログラムされている。ソフトウエアによるポーリング要求は、特定の応答を必要とする。シリアルボックスは、ポーリング要求を受け、それがどのプロトコルに属するのか確立して、適当な方法で応答する。これは、CMM10と計算機援用設計、及びGeomet Systems,Inc.のGEOMET及びBrown&Sharpe、Inc.のMicromeasure IIIのような品質管理プログラムと同様に、品質管理ソフトウエア、例、Autodesk,Inc.のAutoCad,Cadkey,Inc.のCADKEY及び他のCADプログラム、のような幅広い種々の応用ソフトウエアの間の平明な伝達を可能にする。
【0035】
本発明の三次元CMMは次のように作動する。パワーアップすると、シリアルボックスのマイクロプロセッサ188は、自己チェック手続きを開始し、機器のポートを介してCMM10の腕12に動力を供給する。EEPROM182にあるマイクロプロセッサ及びソフトウエアは、初期のパワーアップの際にどのエンコーダ80も初期化されていないことを規定する。したがって、マイクロプロセッサ188は、表示板に、参照する必要を示す全てのライト20をつけるように信号を送る。そこで使用者は、基準点がパスさせられる時点で、変換器が個々にその範囲をスキャンするようにさせる腕を機械的に動かす。基準点がパスさせられるとき、デジタル計算板186は、その位置をトラップし、そして変換器が参照され、ライトが消されることを前面の表示板に確認することによって応答する。一旦全ての変換器が参照されると、システムはホストと連続的な連絡を確立し、次の指示を待つ。ハンドル56の前面または後面のボタンの押圧は測定工程を開始する。前面のボタン150の押圧は現在の変換器の読みをトラップする。後面のボタン152の押圧は、これらの値がジメンションの座標に変換され、そしてシリアルポートを介してホスト18に集められるべきであることをマイクロプロセッサにに表示する。ホスト18及びシリアルボックス16は、次いで互いのシリアルライン要求に対して反応を続ける。
【0036】
さて、CMM10の組立体に続く図19、20及び21を参照すると、組立又は機械加工における測定されたどんな不完全度も説明するためにプログラムソフトウエアを変更することによって装置が最適化され、かつ校正される。初期校正は本発明の重要な特徴であり、2段階で達成される。最初、装置の全体にわたっての位置、配置及び大きさを含む種々の次元の測定が行われる。続いて、最適化ソフトウエアプログラムが、各ジョイント軸に存在する実際の不整列を決定し、腕の動きを描く運動式を調整するために使用される。不完全な機械工作及び組立が、これらの不完全度の確認及び装置の運動学への不完全度の繰り入れによって完全にされる。
【0037】
図19及び20A−Eを参照すると、莫大な量のデータ及びそれが正確にかつ容易に得られるという要求のために、校正及び検査ジグが320で示されている。ジグ320は大きい花崗岩の板322から構成されており、水平面で360度回転できる2個の間隔をおいて配置された塔324、326が該板に取り付けられている。CMM10は、塔326に装着されており、調節可能なジメンション検査ジグ320が他の塔324に装着されている。ジグ320は、塔324を貫く開口330内に垂直に移動可能である、伸長可能な垂直腕328に装着されている。腕328は完全に伸長した位置で示されている。
【0038】
さらに図19及び20を参照すると、調節可能なジメンション検査ジグ320は3個の基礎要素から構成されている:一組の精密なボール334が見いだされる24インチの棒332、その長さに沿って配置された一連の穴336、及び24インチの精密なステップゲージ338(図20A−Eに詳細に示す)。腕332は、検査ジグに対する種々な位置で、かつ図21に示されるような腕の大きさの全ての範囲で、穴、ステップ、及びボールの位置を測定するために使用される。このデータは次いで最適化される。要約すると、重要な最適化工程は、下記に説明され得る。対象物の既定の位置及び配置を有する標準検査ジグ320は腕10で測定される。データは、次いで、腕の主要要素の全ての相対的不整列及び大きさを与えるために作られた多変数最適化プログラムによって処理される。腕の全体の特徴を含む校正ファイルが作られた時点で、最適化は行われる。これら全ての特徴及び引き続く変換器の読みは、絶対座標システムにおけるX,Y,及びZを作り出す種々の運動式に結びつけられる。
【0039】
さらに動作を再適化するために、新規な基準ボール192が、CMM10の台14に取り付けられた取り外し可能な台194から横向きに延びている(図14及び15参照)。基準ボールを台14に配置することによって、ボール192は装置のX,Y,及びZ軸に対応する絶対原点(0、0、0)を表す。基準ボール192の位置は知られているので、図15に示すように、チップの位置決めは、本発明が、CMM10の最後のリンクとの関連でディジタイザチップ(digitizer tip)158の座標を決定することを可能にする。この位置を知ることは、引き続く測定を行うときに、CMM10がボールの中心位置を決定することを可能にする。一般的意味で、これは、特別の応用にしたがって、種々の異なるプローブが取り付けられ得ること及びそれぞれのプローブが基準ボールに対して校正され得ることを意味する。
【0040】
本発明の運搬可能性の故に、種々の環境で無視できない取扱いの誤りや再配置を受けるであろう。したがって、本発明はプロトコルを含んでおり、これによって、使用者は、装置を使用するに先立って、便利な保守スケジュールにしたがって体積測定の精密度の程度を確立する事ができる。体積測定の精密度は、種々の配置におけるその作動体積内に配置されている固定した長さを計測するために、装置の能力として、ASME ANSI B891.1.12(1989)標準にしたがって決定される。図16は、本発明が、第1のボールバーアプローチを使用してこれをなす可能性を示しており、他方図17及び18は第2のボールバーアプローチを表している。
【0041】
図16は、その各端部に精密な球状のボール198、200が配置されている標準のボールバーを示している。該ボールはそれぞれ2個の磁石ソケット202及び204内に装着されている。ソケット202は、CMM10の台14に設置されており、ソケット204はプローブハンドル56に設置されている。腕12が動き回るにつれて、ソケット202、204及びボール198、200はこの動きに適応するために回転し、CMM10は、ハンドル56のボール200及びソケット204の中心と台のボール198の中心との間の一定の距離を測定することを要求される。当然、台14のソケット202がCMM10の0、0、0座標を表していることを思い出せば、調節箱16の校正ソフトウエアは、0、0、0からプローブのボールの中心までのベクトル長さを計算する。そして当然に、検査期間中不変であるこの長さは、ハンドル及び他のジョイントの多種多様の配置及び回転を介して全体積にわたって終始測定されるべきである。
【0042】
ハンドル上の特定のプローブの精度を確かめることを求めるときに、ハンドルのソケット204は、不便で、かつ効果がない傾向があるかも知れないことが理解されされよう。したがって、本発明の重要な特徴によれば、図17に206で示されるような新規なコーン(cone)ソケットボールバーが使用される。コーンソケットボールバー206は、一方の端部にコーン208を他の端部に2個のボール210、212を含んでいる。コーンとボールは、好ましくは20度を含む角度αの折れ曲がり部分209を有するバー207によって相互連結されている。ボール212は、バー207から横に伸長している台211に取り付けられている。ボールプローブ158又はポイントプローブ160は、コーンソケット208に配置されており、ボール210は、CMM10の台14の標準の磁石ソケット202に装着されることができる。図16の校正方法におけるように、ボールとバーの多くの位置及びジョイントの位置は測定され、そしてコーンソケット208とボール210間の距離は一定のままであるべきである。使用者が機械の遠い方の側(部品214で示される位置)に届くことはできないであろうことはボールソケット202の位置取りの特質である。この目的のために、ボール212が図18に示されるように使用される。これは、ボール212の中心とコーンソケット208の間の距離を測定するためにCMM10の反対側の遠い方の側に届くように、使用者がコーンボールバー206を配置することを可能にする。
【0043】
好適な実施例を示し、説明してきたが、発明の精神及び範囲を離れることなく、種々の変更及び置き換えがなされて良い。したがって、本発明は、例示であり制限でない方法で説明されてきたことを理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】座標測定機械、調節箱、及びホストコンピュータを含む本発明の三次元測定システムを表す前面概略図である。
【図2】位置を変え得る腕の上に装着されたシリアルボックスの上に装着されたホストコンピュータを表す側立面図である。
【図3】セオドライト台上に装着された本発明の三次元測定システムの側立面図である。
【図4】図1に示したCMMの背面立面図である。
【図5】図1のCMMの部分的に断面の縦断面図である
【図6A】図1のCMMに用いられた伝達ケースの展開した立面図である。
【図6B】図6Aの6B−6B線に沿った図である。
【図6C】図6Aの6C−6C線に沿った図である。
【図7】二つの組立られた横に並んで配置された伝達ケースの断面の立面図である。
【図8】図1のCMMに用いられたカウンターバランスばね装置の拡大した側立面図である。
【図9A】図1のハンドル/プローブ組立体を表す上面図である。
【図9B】図1のハンドル/プローブ組立体を表す下面図である。
【図10A】ボールプローブの側立面図である。
【図10B】ポイントプローブの側立面図である。
【図11】図1の調節箱の拡大した全面図である。
【図12】図1の調節箱の拡大した背面図である。
【図13】図1の三次元測定システムのための電子要素である。
【図14】プローブチップ校正システムを表す図1のCMMの側立面図である。
【図15】プローブチップを校正する方法を示す概略的な上面図である。
【図16】ボールバーで校正される図1のCMM側立面図である。
【図17】新規なコーンボールバー装置で校正される図1のCMMの側立面図である。
【図18】新規なコーンボールバー装置で校正される図1のCMMの側立面図である。
【図19】最適化治具を用いる図1のCMMを最適化する方法を表す側立面図である。
【図20A】図19の治具に用いられる精密なステップゲージの前面図である。
【図20B】図19の治具に用いられる精密なステップゲージの背面図である。
【図20C】図19の治具に用いられる精密なステップゲージの上面図である。
【図20D】図19の治具に用いられる精密なステップゲージの右側面図である。
【図20E】図19の治具に用いられる精密なステップゲージの左側面図である。
【図21】図19の装置を利用する図1のCMMを最適化する方法を示す概略図である。
【符号の説明】
10 三次元座標測定機械(CMM)
12 多接合腕
14 支持台
16 コントローラ(シリアルボックス)
18 ホストコンピュータ
40、42、46、48、52、54 伝達ケース
44、50 伸長部材
56 プローブハンドル組立体
60 カウンターバランスばね装置
62 キャリア
64 ケーシング
66、68 ローラ軸受け
70、72 レース
76 スラスト軸受け
80 エンコーダ
84 カプラー
158 ボールプローブ
160 ポイントプローブ
192 レファレンスボール
Claims (16)
- 向かい合っている第1及び第2の端部を有する移動性腕であって、該腕が選択された体積内で移動可能であるような自由度にそれぞれ対応する複数のジョイントを含み、該ジョイントのそれぞれが、位置信号を形成するケース位置変換器手段のための回転する伝達ケースを具備する、移動性腕と、
該移動性腕の該第1端部に取り付けられている支持台と、
該移動性腕の該第2端部に取り付けられているプローブと、及び
該変換器手段からの位置信号を受け、選択された体積内の該プローブの位置に対応するデジタル座標を与える電子回路手段と、
を具備しており、
該伝達ケースが、さらにそこから伸長するシャフトを有するキャリア、該キャリアの該シャフトを受けるための開口を有するケーシング、及び該開口内の該シャフト上のローラ軸受け手段を含み、
該ローラ軸受け手段が、各円錐形状ローラ軸受けが相補的に形づけられた円錐形状レースに接する、向かい合って配置され、間隔をおいて配置されている2個の円錐形状ローラ軸受けを具備する三次元座標測定システム。 - 該円錐形状レースが、該ケーシングに不変に固定されている請求項1の測定装置。
- 該円錐形状ローラ軸受けを予備加圧する加圧手段を含む請求項1の測定装置。
- 該加圧手段が、該ケーシングの該シャフトにねじ込み可能に取り付けられ、それらの間に該円錐形状ローラ軸受けを挟んでいる加圧ナットを具備する請求項3の測定装置。
- 該キャリアとケーシング間に機械的補強を与えるために該キャリアと該ケーシング間の境界面に配置されているスラスト軸受け手段を含む請求項1の測定システム。
- 該伝達ケースが、該位置変換器を該キャリアに装着するための汎用の装着プレート手段を含む請求項1の測定システム。
- 該伝達ケースが、
該位置変換器に取り付けられているカプラー手段と、及び
該変換器を該キャリアの該シャフトに連結する伸長シャフトと、
を含む請求項1の測定システム。 - 該回転伝達ケースのそれぞれが、モジュール式互換性の形状を有する請求項1の測定システム。
- 該腕が、実質的に一致する熱膨張率を維持するために実質的に同一の材料から構成されている請求項1の測定システム。
- 該材料がアルミニウムを含む請求項9の測定システム。
- 該腕が配線を含み、該配線が該腕と一体である請求項1の測定システム。
- 向かい合っている第1及び第2の端部を有する移動性腕であって、該腕が選択された体積内で移動可能であるような自由度にそれぞれ対応する複数のジョイントを含み、該ジョイントのそれぞれが、位置信号を形成するケース位置変換器手段のための回転する伝達ケースを具備する、移動性腕と、
該移動性腕の該第1端部に取り付けられている支持台と、
該移動性腕の該第2端部に取り付けられているプローブと、及び
該変換器手段からの位置信号を受け、選択された体積内の該プローブの位置に対応するデジタル座標を与える電子回路手段と、
を具備しており、
該伝達ケースが、さらにそこから伸長するシャフトを有するキャリア、該キャリアの該シャフトを受けるための開口を有するケーシング、及び該開口内の該シャフト上のローラ軸受け手段を含み、
該キャリアとケーシング間に機械的補強を与えるために該キャリアと該ケーシング間の境界面に配置されているスラスト軸受け手段をさらに含む三次元座標測定システム。 - 該スラスト軸受けが、
(1)スラスト調整リング手段と、
(2)該スラスト調整リング手段に隣接する第1の環状レース手段と、
(3)第2の環状レース手段と、
(4)該第1及び第2の環状レース手段の間に挟まれるローラ軸受け手段と、
(5)該第2の環状レース手段に隣接するスラストカバー手段と、及び
(6)ユニット部品(1)、(2)、(3)、(4)及び(5)として固定するための保持手段と、
を具備する請求項12の測定装置。 - 該スラスト軸受け手段を調整するための手段を含む請求項12の測定システム。
- 向かい合っている第1及び第2の端部を有する移動性腕であって、該腕が選択された体積内で移動可能であるような自由度にそれぞれ対応する複数のジョイントを含み、該ジョイントのそれぞれが、位置信号を形成するケース位置変換器手段のための回転する伝達ケースを具備する、移動性腕と、
該移動性腕の該第1端部に取り付けられている支持台と、
該移動性腕の該第2端部に取り付けられているプローブと、及び
該変換器手段からの位置信号を受け、選択された体積内の該プローブの位置に対応するデジタル座標を与える電子回路手段と、
を具備しており、
該腕を支持する台と、該システムを校正する校正手段と、該校正手段は該台上の球形の台と相互に作用し、そして向かい合っている第1及び第2の端部を有するバーと、該バーの第1の端部上の円錐形のくぼみと、及び該バーの第2の端部上の第1の球形のボールと、該第2の端部に隣接する該バーに取り付けられている台から横に伸長する第2のボールとをさらに含む三次元座標測定システム。 - 向かい合っている第1及び第2の端部を有する移動性腕であって、該腕が選択された体積内で移動可能であるような自由度にそれぞれ対応する複数のジョイントを含み、該ジョイントのそれぞれが、位置信号を形成するケース位置変換器手段のための回転する伝達ケースを具備する、移動性腕と、
該移動性腕の該第1端部に取り付けられている支持台と、
該移動性腕の該第2端部に取り付けられているプローブと、及び
該変換器手段からの位置信号を受け、選択された体積内の該プローブの位置に対応するデジタル座標を与える電子回路手段と、
を具備しており、
該腕を支持する台と、該システムを校正する校正手段と、該校正手段は該台上の球形の台と相互に作用し、そして向かい合っている第1及び第2の端部を有するバーと、該バーの第1の端部上の円錐形のくぼみと、及び該バーの第2の端部上の第1の球形のボールとをさらに含み、該バーに折れ曲がり部分を含む三次元座標測定システム。
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