DE4403901B4 - Vorrichtung zum Erfassen von dreidimensionalen Koordinaten - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Erfassen von dreidimensionalen Koordinaten, umfassend:
einen beweglichen Arm (12), der ein erstes und ein zweites Ende aufweist, wobei der Arm eine Vielzahl von Gelenken umfasst, von denen jedes einem Freiheitsgrad entspricht, so dass der Arm innerhalb eines ausgewählten Volumens beweglich ist, und wobei jedes dieser Gelenke ein drehbares Übertragungsgehäuse (40, 42, 46, 48, 52, 54) mit einem integrierten Transducer (80) zum Erzeugen von Positionssignalen, die der Winkelstellung des jeweiligen Gelenks entsprechen aufweist,
einen Untersatz (14), der an dem ersten Ende des beweglichen Arms (12) befestigt ist,
eine Sonde (56), die an dem zweiten Ende des beweglichen Arms (12) befestigt ist, und
elektronische Auswertmittel, welche, auf Basis der Positionssignale der Transducer (80), die Position der Sonde (56) errechnen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die elektronischen Auswertmittel eine intelligente Schnittstelle (16) mit einer Anschlussstelle (189) für einen separaten Computer (18) umfassen,
dass die Schnittstelle...

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung zum Erfassen von dreidimensionalen Koordinaten.
• Dreidimensionale Objekte werden durch ihre Position und ihre Orientierung beschrieben; das heißt, es wird nicht nur angegeben, wo sich ein Objekt befindet, sondern auch, in welche Richtung es ausgerichtet ist. Die Position eines Punktes im Raum kann durch seine Koordinaten X, Y und Z festgelegt werden. Die Orientierung eines Objektes kann durch die Ausrichtungswinkel des Objekts oder durch die Angabe der Position von drei Punkten des Objektes beschrieben werden.
• Die gegenwärtig für industrielle Anwendungen benutzten Koordinatenmeßmaschinen sind 3-Achsen-Koordinatenmeßmaschinen welche die Koordinaten X, Y und Z mittels drei linearen Meßskalen messen. Diese Meßmaschinen sind gewöhnlich nicht transportabel, teuer und begrenzt hinsichtlich Größe und bequeme Ausnutzung des meßbaren Volumens.
• Die FARO Technologies, Inc. in Lake Mary, Florida (USA) hat eine Reihe von digitalisierenden Vorrichtungen vom Elektrogoniometertyp für medizinische Anwendungen hergestellt. Insbesondere hat die FARO Technologien, Inc. unter der Bezeichnung METRECOM® bekannte Systeme für die Skelettuntersuchung, und unter der Bezeichnung SURGICOM® bekannte Systeme für chirurgische Anwendungen hergestellt. Elektrogoniometer von der in den Systemen METRECOM und SURGICOM verkörperten Art sind in dem US-Patent 4.670.851 und in der am 31. Juli 1990 eingereichten US-Patentanmeldung USSN 562.213 beschrieben.
• Die digitalisierenden Systeme METRECOM und SURGICOM sind zwar für ihre bestimmungsgemäßen Anwendungen gut geeignet, eignen sich jedoch schlecht für allgemeine industrielle Anwendungen. Es besteht folglich weiterhin ein Bedürfnis für eine preiswerte, transportable Koordinatenmeßmaschine, die eine ausreichende Genauigkeit und eine einfache Benutzung für mannigfaltige industrielle und ähnliche Anwendungen bietet.
• Aus der US-Patentschrift N° 4,477,973 ist ein sehr einfaches System zum Digitalisieren von dreidimensionalen Körpern bekannt. Ein beweglicher Arm ist mit einem Ende auf einer Grundplatte montiert und trägt an seinem freien Ende eine Sondenspitze. Dieser Arm umfaßt drei oder vier Drehgelenke, so daß die Sondenspitze innerhalb eines ausgewählten Volumens beweglich, ist. Jedem dieser Drehgelenke ist ein Potentiometer zugeordnet. Die drei oder vier Potentiometer werden an den "game-port" eines PCs angeschlossen, der die Widerstandswerte in digitale Größen umgewandelt und die Positionskoordinaten der Sondenspitze errechnet. Diese Positionskoordinaten werden in dem PC für einen späteren Gebrauch abgespeichert. Eine ähnliche Koordinatenmeßvorrichtung mit Gelenkarm ist in der US-Patentschrift N°4,593,470 beschrieben.
• Aus der DE 41 40 294 A1 ist ebenfalls eine Koordinatenmeßvorrichtung mit Gelenkarm bekannt. Ein Ende des Armes ist über zwei Drehgelenke mit einem Sockel verbunden. Das andere Ende des Arms trägt eine Abtastsonde. Der Gelenkarm selbst umfaßt vier, relativ einfach aufgebaute, Universalgelenke. Jedes Universalgelenk weist zwei senkrechte Drehachsen auf und verbindet zwei benachbarte Armsegmente. Jeder Drehachse ist jeweils ein Winkelmeßfühler zur Messung der Winkelposition der zwei verbunden Armsegmente zugeordnet. Die Auslösung der Messung erfolgt manuell sobald die Abtastspitze auf der Fläche aufsitzt. Alternativ kann eine automatische Auslösung der Messung erfolgen. Die einzelnen Winkelpositionssignale der Winkelmeßfühler werden zur einer Auswerteinheit geleitet, welche aus den Winkelpositionssignalen und den vorgegebenen, Längen der Armsegmente die Position der Abtastsonde errechnen. Die auf diese Weise bestimmten Koordinaten werden einzeln in der Auswerteinheit gespeichert und zu, einer Gesamtinformation über die Kontur der abgetasteten Fläche zusammengeführt. Die Vorrichtung ist folglich auf die Bestimmung einer Flächenkontur begrenzt.
• Aus der Druckschrift: "Einbindung von Koordinatenmeßgeräten in die Fertigung, Anwendungstechnische Informationen" der Firma Carl ZEISS (Oberkochen), ist bekannt, eine stationäre, durch einen Rechner gesteuerte, 3-Achsen-Koordinatenmeßmaschine mittels eines Rechnerkopplungsprogramms in einen komplexen Rechnerverbund im Fertigungsbereich einzubinden, so daß das Koordinatenmeßgerät sowohl Meßergebnisse an Fremdrechner senden kann, als auch Solldaten aus CAD-Anlagen und Kommandos von Fremdrechnern empfangen kann.
• Im Gebrauchsmuster G 90 17 818 U1 ist eine Schnittstelle zum Anbinden von beliebigen Peripheriegeräten an eine EDV-Anlage beschrieben. Die Schnittstelle umfaßt eine programmierbare Signalkonvertierungsvorrichtung zum Konvertieren der Eingangssignale der, Peripheriegeräte, insbesondere Digitalisiertableaus, in Tastatursignalsequenzen. Die Schnittstelle wird an die Tastaturschnittstelle der EDV-Anlage angeschlossen und braucht kein separates Treiberprogramm in der EDV-Anlage.
• In der US-Patentschrift N° US 4,888,877 wird ein Meßkopf mit zwei Drehgelenken für eine stationäre 3-Achsen-Koordinatenmeßmaschine beschrieben.
• In der US-Patentschrift N° US 5,031,331 wird eine Kompensation der temperaturbedingten Ausdehnungen der Meßlatten an einer 3-Achsen-Koordinatenmeßmaschine vorgeschlagen.
• In der DE 26 03 376 wird ein Verfahren zum Berechnen der räumlichen Rechtwinkligkeit einer 3-Achsen-Koordinatenmeßmaschine vorgeschlagen. Hierzu werden eine Kalibrierstange mit zwei Kugeln und zwei Stützen mit konischen Lagersitzen für die Kugeln benutzt. Die Stützen werden frei auf einen zu kalibrierenden Koordinatenmeßtisch aufgestellt. Die Höhe einer der Stützen ist verstellbar.
• Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, eine Vorrichtung zum Erfassen von dreidimensionalen Koordinaten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vorzuschlagen, die besonders einfach an eine große Vielfalt koordinatenverarbeitender Anwendungssoftware anpaßbar ist.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen einer Koordinatenmeßvorrichtung mit einem Gelenkarm sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine neuartige, transportable Koordinatenmeßmaschine einen manuell positionierbaren, mehrgelenkigen Meßarm (mit vorzugsweise sechs Gelenken) auf, um ein Volumen genau und bequem zu messen, das beispielsweise eine Kugel umfaßt, die vorzugsweise einen Durchmesser von 183 bis 244 cm (6 bis 8 feet) hat (aber auch einen größeren oder kleineren Durchmesser als dieser Bereich haben kann), wobei die Meßgenauigkeit vorzugsweise 2 Sigma +/-127 μm (+/-0,005 inch) [und optimal 2 Sigma +/-25,4 μm (+/-0,001 inch)] beträgt. Außer dem Meßarm wird bei der vorliegenden Erfindung eine Controllerbox (bzw. eine Serienbox) verwendet, die als elektronische Schnittstelle zwischen dem Arm und einem Zentralcomputer dient. Die Schnittstelle umfaßt erfindungsgemäß eine Analog/Digital-Konverter-Digital-Zähler-Schaltung. Durch diese werden die Positionssignale von allen Gelenk-Transducern gleichzeitig erfaßt.
• Der mechanische Meßarm, der bei der Koordinatenmeßmaschine der vorliegenden Erfindung verwendet wird, weist eine Vielzahl von Übertragungsgehäusen (von denen jedes ein Gelenk aufweist und einen Drehungs-Freiheitsgrad festlegt) und Verlängerungselementen auf, die aneinander befestigt sind, wobei aneinander angrenzende Übertragungsgehäuse unter einem rechten Winkel angeordnet sind, um einen beweglichen Arm festzulegen, der vorzugsweise fünf oder sechs Freiheitsgrade hat. Jedes Übertragungsgehäuse umfaßt Meßtransducer und neuartige Lageran ordnungen. Diese neuartigen Lageranordnungen umfassen vorgespannte Lager, die aus in Gegenposition angeordneten Kegelrollenlagern gebildet sind, und. versteifende Axialdrucklager von niedrigem Profil, um eine hohe Biegesteifigkeit zu erhalten. Außerdem umfaßt jedes Übertragungsgehäuse optische und akustische Endanschlag-Indikatoren zum Schutze vor mechanischer Überlastung infolge Gewaltanwendung.
• Der bewegliche Arm ist an einem Untersatz oder Sockel befestigt, der folgende Elemente umfaßt: (1) eine Temperaturüberwachungs-Platine zum Überwachen der Temperaturstabilität; (2) eine Encoder-Montageplatte zur Auswahl eines universellen Encoders; (3) eine EEPROM-Platine mit Kalibrier- und Identifizierungsdaten, um eine Vertauschung der Einheiten zu vermeiden; und (4) eine nahe bei der Encoder-Montageplatte angebrachte Vorverstärker-Platine zur Übertragung hochverstärkter Signale nach einer Fernzähler-Platine in dem Kontroller.
• Wie bei dem Stand der Technik entsprechenden METRECOM-System sind die Übertragungsgehäuse in modularer Bauweise verwirklicht, wodurch variable Zusammenbaukonfigurationen möglich sind, und ist der gesamte bewegliche Arm aus einem einzigen Material verwirklicht, um einen gleichmäßigen Wärmeausdehnungskoeffizienten sicherzustellen. Ähnlich wie bei dem METRECOM-System ermöglicht eine interne Verkabelung mit Drehungs-Anschlägen und Kabelaufwickel-Hohlräumen die vollständige Umhüllung einer großen Anzahl von Kabeln.. Ebenso wie das dem Stand der Technik entsprechende METRECOM-System umfaßt das erfindungsgemäße System einen federkompensierten und stoßgedämpften Tragmechanismus, um den Benutzerkomfort zu erhöhen, und eine Dateneingabevorrichtung mit zwei Schaltern (Erfassen/Annehmen), um Messungen mit hoher Präzision bei manueller Handhabung zu ermöglichen. Außerdem ist eine verallgemeinerte Zusatzeinrichtung von der Art wie in dem dem Stand der Technik entsprechenden METRECOM-System vorgesehen zur Messung von Variablen in drei Dimensionen (beispielsweise kann die Temperatur in drei Dimensionen gemessen werden unter Verwendung eines an die Zusatzeinrichtungs-Anschlußbuchse angeschlossenen Thermoelements).
• Die Verwendung einer getrennten Controllerbox auf Mikroprozessor-Basis ist ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung, da diese Controllerbox die Vorverarbeitung von spezifischen Berechnungen ermöglicht, die kein Zentralcomputer-Niveau erfordern. Dazu ist in der Controllerbox ein intelligenter Vorprozessor vorgesehen, der programmierbare Anpaßbarkeit und Kompatibilität mit einer Vielzahl von externen Zentralsystemen (beispielsweise externen Computern) bietet. Die Serienbox bietet außerdem eine intelligente Multiprotokoll-Auswertung und eine automatische Umschaltung durch Abtasten der Übertragungsanforderungen von dem Zentralcomputer. Beispielsweise erzeugt eine auf dem Zentralcomputer laufende Software von einem Hersteller Verbindungsanforderungen von einer Form, die von der Controllerbox automatisch abgetastet werden. Weitere Merkmale , der Controllerbox umfassen Serienport-Verbindungen für standardisierte Fernverbindungen in einer Vielzahl von industriellen Umgebungen, und neuartige Analog/Digital-Digitalzähler-Platinen für die gleichzeitige Erfassung aller (in den Übertragungsgehäusen untergebrachten Encoder), wodurch hochpräzise Messungen erhalten werden.
• Die wirksame Kalibrierung der erfindungsgemäßen Koordinatenmeßmaschine an Ort und Stelle wird durch die Verwendung einer Bezugskugel zur Bestimmung der Genauigkeit des Systems verbessert, wobei diese Bezugskugel bei dem Untersatz der Koordinatenmeßmaschine angeordnet ist, um Montagekomplikationen zu vermeiden. Außerdem umfaßt die Koordinatenmeßmaschine der vorliegenden Erfindung Mittel zum Erstellen eines Meßprotokolls über die volumetrische Genauigkeit auf einer zwischenzeitlichen Basis, wobei vorzugsweise eine neuartige Konus/Kugel-Stabvorrichtung verwendet wird.
• Die obenerwähnten und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute auf diesem Gebiet aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
• – 1, eine schematische Vorderansicht, die das dreidimensionale Meßsystem der vorliegenden Erfindung wiedergibt, das eine Koordinatenmeßmaschine, eine Controllerbox und einen Zentralcomputer umfaßt.
• – 2, eine Seitenansicht, die den auf der Serienbox angebrachten Zentralcomputer wiedergibt, wobei diese Serienbox wiederum auf einem manövrierbaren Arm angebracht ist.
• – 3, eine Seitenansicht des dreidimensionalen Meßsystems der vorliegenden Erfindung, das auf einem Theodolitenstativ angebracht ist.
• – 4, eine Rückansicht der in der 1 wiedergegebenen Koordinatenmeßmaschine.
• – 5, eine Längsansicht, teilweise im Schnitt, der Koordinatenmeßmaschine der 1.
• – 6, eine explodierte Seitenansicht eines bei der Koordinatenmeßmaschine der 1 verwendeten Übertragungsgehäuses.
• – 6A und 6B, Schnittansichten gemäß der Schnittlinie 6A–6A bzw. 6B–6B der 6.
• – 7, ein vertikaler Schnitt von zwei zusammengebauten, senkrecht zueinander angeordneten Übertragungsgehäusen.
• – 8, ist eine vergrößerte Seitenansicht einer kompensierten Federvorrichtung, die bei der Koordinatenmeßmaschine der 1 verwendet wird.
• – 9A und 9B, eine Draufsicht bzw. eine Druntersicht, die die Griff/Sonden-Einheit der 1 wiedergeben.
• – 10A und 10B, Seitenansichten einer Kugelsonde bzw. einer Spitzensonde.
• – 11, eine vergrößerte Vorderansicht der Controllerbox der 1.
• – 12, eine vergrößerte Rückansicht der Controllerbox der 1.
• – 13, eine schematische Ansicht der elektronischen Komponenten für das dreidimensionale Meßsystem der 1.
• – 14, eine Seitenansicht der Koordinatenmeßmaschine der 1, wobei diese Seitenansicht ein Sondenspitzen-Kalibriersystem wiedergibt.
• – 15, ene schematische Draufsicht, die eine Methode zum Kalibrieren der Sondenspitze veranschaulicht.
• – 16, eine Seitenansicht der Koordinatenmeßmaschine der 1, wobei die Koordinatenmeßmaschine mit einem Kugelstab kalibriert wird.
• – 17 und 18, Seitenansichten der Koordinatenmeßmaschine der 1, wobei die Koordinatenmeßmaschine mit einer neuartigen Konus/Kugel-Stabvorrichtung kalibriert wird.
• – 19, eine Seitenansicht, die eine Methode zur Optimierung der Koordinatenmeßmaschine der 1 veranschaulicht, wobei eine Optimierungs-Aufspannvorrichtung verwendet wird.
• – 20A-E, eine Vorderansicht, eine Rückansicht, eine Draufsicht, eine rechte Seitenansicht bzw. eine linke Seitenansicht der Präzisionsschrittlehre, die bei der Aufspannvorrichtung der 19 verwendet wird.
• – 21, eine schematische Ansicht, die eine Methode zur Optimierung der Koordinatenmeßmaschine der 1 veranschaulicht, wobei bei dieser Optimierung die Vorrichtung der 19 verwendet wird.
• Zunächst wird auf die 1 Bezug genommen. Das dreidimensionale Meßsystem der vorliegenden Erfindung weist im allgemeinen eine Koordinatenmeßmaschine (KMM) 10 auf, die aus einem manuell betätigten, mehrgelenkigen Arm 12 und einem Untersatz bzw. einem Sockel 14, einer Controllerbox bzw. einer Serienbox 16, und einem Zentralcomputer 18 besteht. Es ist ersichtlich, daß die KMM 10 in elektronischer Verbindung mit der Serienbox 16 steht, die wiederum in elektronischer Verbindung mit dem Zentralcomputer 18 steht.
• Wie nachstehend ausführlicher erklärt wird, umfaßt die KMM 10 Transducer (beispielsweise einen Transducer für jeden Freiheitsgrad), die Drehungspositionsdaten sammeln und diese Daten nach der Serienbox 16 weiterleiten. Die Serienbox 16 bewirkt eine Verringerung der Gesamtanforderungen an den Zentralcomputer 18 hinsichtlich der Ausführung gewisser komplexer Berechnungen, und führt gewisse vorherige Datenverarbeitungen aus. Wie in der 2 gezeigt ist, ist vorgesehen, die Serienbox 16 unter dem Zentralcomputer 18 (wie beispielsweise dem in der 2 wiedergegebenen Notebook-Computer) anzuordnen. Die Serienbox 16 umfaßt EEPROMS, die Datenverarbeitungs-Software enthalten, einen Microcomputer-Prozessor, eine Signalverarbeitungs-Platine, und eine Reihe von Anzeigelampen 20. Wie erwähnt wurde, werden die grundlegenden Transducerdaten von der KMM 10 nach der Serienbox 16 weitergeleitet. Die Serienbox 16 verarbeitet dann die Transducer-Ursprungsdaten auf fortlaufender Basis und antwortet auf die Abfragen des Zentralcomputers mit der gewünschten dreidimensionalen Positions- und Orientierungsinformation.
• Vorzugsweise sind alle drei Komponenten, die das. dreidimensionale Meßsystem festlegen (das heißt, die KMM 10, die Serienbox 16, und der Zentralcomputer 18) entweder mittels einer starren Platte auf einer festen Montageoberfläche angebracht, oder auf einem Standardgewinde eines optischen Meßgerätes, und danach auf einem bekannten, mobilen Theodoliten-Standardstativ angebracht, wie dies bei 22 in der 3 gezeigt ist. Vorzugsweise weist das Theodolitenstativ 22 ein von Brunson (USA) hergestelltes Teil Nr. MWS 750 auf. Ein solches mobiles Stativ ist gekennzeichnet durch eine stabile, Rollplattform mit einem ausziehbaren vertikalen Turm, sowie mit üblichen Zusatzeinrichtungen und Feststellvorrichtungen. Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, ist der Untersatz 14 der KMM 10 mittels eines Gewindes oder auf andere Weise auf einem vertikalen Tragelement 24 des Stativs 22 angebracht, während die Serienbox 16/der Zentralcomputer 18 von einem Tablett 26 getragen wird, das bei einem ersten Gelenk 28 mit einem Arm 30 schwenkbar verbunden ist, der mit einem zweiten Gelenk 32 schwenkbar verbunden ist. Das Verbindungselement 34 verbindet das Gelenk 32 mit einer Drehgelenkverbindung 36, die an einer auf dem oberen Ende des Tragelements 24 angebrachten Abdeckkappe 38 befestigt ist.
• Unter Bezugnahme auf die 1 und 4-9 wird nun die KMM 10 im einzelnen beschrieben. Wie am besten in der 5 zu sehen ist, weist die KMM 10 den Untersatz 14 auf, der mit einem ersten Satz aus zwei Übertragungsgehäusen verbunden ist, der ein erstes Übertragunggehäuse 40 und ein damit verbundenes, zweites Übertragungsgehäuse 42 umfaßt (das senkrecht zu dem Übertragungsgehäuse 40 angeordnet ist). Ein erstes Verlängerungselement 44 ist an einem zweiten Satz aus zwei Übertragungsgehäusen starr befestigt, der ein drittes Übertragungsgehäuse 46 und ein senkrecht dazu befestigtes, viertes Übertragungsgehäuse 48 umfaßt. Das erste Verlängerungselement 44 ist zwischen den Übertragungsgehäusen 42 und 46 senkrecht zu diesen Übertragungsgehäusen angeordnet. Ein zweites Verlängerungselement 50 ist entsprechend dem Übertragungsgehäuse 48 ausgerichtet und daran starr befestigt. Das starre Verlängerungselement 50 ist starr befestigt an einem dritten Satz aus zwei Übertragungsgehäusen, der ein fünftes Übertragungsgehäuse 52 und ein senkrecht dazu befestigtes, sechstes Übertragungsgehäuse 54 umfaßt. An dem sechsten Übertragungsgehäuse 54 ist eine Griff/Sonden-Einheit 56 befestigt.
• Im allgemeinen (und wie nachstehend ausführlicher erklärt wird) ist in jedem der sechs Übertragungsgehäuse 40, 42, 46, 48, 52, 54 ein Positionsfühler-Transducer angebracht. Jedes Übertragungsgehäuse weist ein Lagergehäuse und eine Transducerkammer auf, die so ausgelegt sind, daß sie mittels unter 45° angeordneter Befestigungsschrauben zylindrisch miteinander verbunden werden (6). Bei dem Untersatz 14 ist eine kompensierte Federvorrichtung 60 angeordnet, um den Arm 12 in seiner vertikalen Standardkonfiguration zu halten (8).
• Nun wird zu den 6 und 7 übergegangen, um das Übertragungsgehäuse und seine inneren Komponenten ausführlich zu beschreiben. Die 6 ist eine explodierte Darstellung eines Übertragungsgehäuses, während die 7 eine vergrößerte Ansicht der senkrecht zueinander angeordneten und miteinander verbundenen Übertragungsgehäuse (das heißt, der Gehäuse 46 und 48) ist. Jedes Gehäuse umfaßt einen inneren Träger 62 und eine äußere Hülse 64. Die mechanische Stabilität zwischen dem inneren Träger 62 und der äußeren Hülse 64 wird durch zwei in Gegenposition angeordnete (das heißt, entgegengesetzt angeordnete), Kegelrollenlager 66, 68 sichergestellt, die so angeordnet sind, daß sie gegen ihre konischen Laufring-Sitze 70, 72 gepreßt werden. Die konischen Laufring-Sitze 70 und 72 sind in die Hülse 64 dauerhaft eingepreßt. Der innere Träger 62 umfaßt eine Welle 122, die sich bis zu dem Gewinde 74 erstreckt. Die Kegelrollenlager 66, 68 bestehen vorzugsweise aus gehärtetem Stahl, während die Laufring-Sitze 70, 72 ebenfalls aus gehärtetem Stahl bestehen.
• Während des Zusammenbaus des Übertragungsgehäuses 48 wird eine Druckkraft mittels einer Mutter 73 ausgeübt, die auf dem Gewinde 74 bis zu einem spezifischen Drehmoment 74 festgezogen wird, wodurch ein vorgespanntes Lager erhalten wird, das unter üblichen Belastungen keine andere Bewegung als eine axiale Drehung ausführt. Da ein niedriges Profil für einen solchen Arm während der manuellen Handhabung erforderlich ist, und mit diesem niedrigen Profil eine Verminderung der Gesamtsteifigkeit verbunden ist, ist es besser, und bei gewissen Anwendungen in der Tat erforderlich, außerdem ein Axialdrucklager 76 an der Grenzfläche zwischen dem inneren Träger 62 und der Hülse 64 einzubauen. Das Axialdrucklager 76 bewirkt eine zusätzliche mechanische Steifigkeit zwischen dem Träger 62 und der Hülse 64 des Übertragungsgehäuses. Das Axialdrucklager 76 weist fünf Elemente auf, die einen Axialdruck-Einstellring 300, einen ersten, flachen, ringförmigen Laufring 302, Rollelemente mit Käfig 304, einen zweiten, ringförmigen Laufring 306, und eine entgegenwirkende Axialdruckkappe 308 umfassen. Das Axialdrucklager 76 wird durch eine Reihe von Einstellschrauben 78 eingestellt und bewirkt eine hohe Biegesteifigkeit. Der Transducer (vorzugsweise ein Encoder 80, wie er bei Heidenhain unter der Bezeichnung "Mini-Rod", Teile-Nr. 450M–03600, erhältlich ist) wird an einer universellen Montageplatte 82 befestigt, um ihn in das Übertragungsgehäuse einzubauen. Die universelle Montageplatte 82 ist wichtig, um eventuelle Probleme mit Komponenten, wie beispielsweise eine Änderung bei der Fertigung des Transducers 80, zu vermeiden, wobei eine Änderung der Konfiguration der Montageschrauben durch Änderungen bei der Montageplatte 82 ausgeglichen werden kann. Die Montageplatte 82 ist in der 6A als Platte von dreieckiger Form mit verrundeten Ecken wiedergegeben. In der 6A sind außerdem Gewindeelemente 88 und 90, eine Welle oder ein Stift 86, und ein Kuppler 84 wiedergegeben (die alle nachstehend erklärt werden).
• Drehungsmessungen von hoher Genauigkeit unter Verwendung von Encodern 80 erfordern, daß keine Lasten auf die Encoder einwirken, und daß die Bewegung des Übertragungsgehäuses trotz kleiner Falschausrichtungen der Achse des Übertragungsgehäuses und der Achse des Encoders auf den Encoder genau übertragen wird. Die Winkelübertragungsfehler sind Fachleuten auf diesem Gebiet aus den Veröffentlichungen über Encoder gut bekannt. Ein Kuppler 84, wie er bei Rembrandt (USA) unter der Bezeichnung B1004R51R erhältlich ist, steht mit dem Encoder 80 in Verbindung. Eine Verlängerungswelle 86 wird verwendet, um den Encoder 80 schließlich mit dem Träger 62 zu verbinden. Die Welle 86 wird sowohl über das Gewinde 74 mit dem Träger 62, als auch mittels der Einstellschrauben 88, 90 mit dem Kuppler 84 verbunden (siehe 7). Gemäß einem wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung wird eine Vorverstärker-Platine 92 nahe bei dem Encoder 80 angeordnet und (mittels Schrauben 94) auf der inneren Seite einer Abdeckkappe 96 befestigt. Die Abdeckkappe ist mit der Schraube 97 an der Hülse 64 befestigt. Ein Übergangsgehäuse 98 verbindet die Abdeckkappe 96 mittels der Schraube 97 und der Schrauben 100 mit der Hülse 64. Die Abdichtung des Übertragungsgehäuses gegenüber der Umgebung erfolgt an der Verbindungsstelle mit Hilfe einer O-Ring-Nut 102, in der ein Standard-Gummi-O-Ring 104 angebracht wird. Eine Drehungs-Endanschlag 106 (wird weiter unten erklärt), der in der 6B am besten sichtbar ist, weist ein Metallgehäuse von quadratischer Form mit einer durchgehende Öffnung auf, das mit der Schraube 108 über diese Öffnung auf der Hülse 64 befestigt ist. Kabel-Durchführungstüllen zur Verhinderung von Abrieb bei längerer Verwendung sind bei 110 bzw. 112 auf dem Träger 62 und der Hülse 64 angebracht. Ein Positionierungsstift 114 wird in eine komplementär geformte Aussparung 116 in dem Träger 62 eingeschoben, um die relative Orientierung von zwei aneinandergrenzenden Übertragungsgehäusen aufrechtzuerhalten.
• Nun wird auf die 7 Bezug genommen. Zum Schutze vor der Umgebung und aus anderen Gründen ist es wichtig, daß alle Kabel vollständig verborgen sind und folglich innerhalb des Armes 12 untergebracht sind. In der 7 sind zwei zusammengebaute Übertragungsgehäuse 46, 48 wiedergegeben, die senkrecht zueinander miteinander verbunden sind, und bei denen die Verlegung von Kabeln veranschaulicht ist. Es ist ersichtlich, daß während der Verwendung der KMM 10 die Encoderinformation von dem Encoder 80 nach der Prozessor-Platine 92 weitergeleitet wird über das Kabel 118, das danach über maschinell angebrachte Durchgänge durch den Arm hindurchgeführt wird. Das Kabel 118 wird dann durch einen Kanal in der Welle 122 des inneren Trägers 62 des Übertragungsgehäuses 46 und durch eine mit einer Kabeldurchführungstülle versehene Bohrung 124 geführt, wonach es in einen großen Hohlraum 126 gelangt, der in der äußeren Hülse 64 des Übertragungsgehäuses 46 maschinell angebracht ist. Der Hohlraum 126 ermöglicht die Aufwicklung der Kabel während der Drehung der Hülse und ist so ausgelegt, daß kein Kabelabrieb und nur eine minimale Kabelbiegung hervorgerufen wird. Da das Kabel die Drehbarkeit begrenzt, ist eine sich nicht über den vollen Umfang erstreckende, kreisförmige Nut 128 vorgesehen, in der eine Endanschlagschraube 130 angeordnet ist, die die Drehung begrenzt, und zwar in diesem Fall auf 330°. Es ist ersichtlich, daß der Durchgangskanal 120 und die Kabelaufwickel-Hohlräume 122 in jedem Übertragungsgehäuse vorgesehen sind, wodurch die Kabel bis hinunter zu dem bei dem Untersatz 14 angebrachten Steckverbinder geführt werden können, so daß kein Kabel offen verlegt ist.
• Nun wird zu der 8 übergegangen. Die Bauweise des Aluminiumarms, sowie der verschiedenen Lager und Transducer ergibt ein Gesamtgewicht von ungefähr 4,5 bis 6,8 kg (10 bis 15 pounds) bei der Sonden/Griff-Einheit 56 der KMM 10. Unter normalen Umständen würde dieses Gewicht eine beträchtliche Ermüdung des Benutzers hervorrufen, und daher muß es kompensiert werden. Eine Kompensation durch Gewichte ist im Hinblick auf die Transportierbarkeit nicht zu empfehlen, da dadurch das Gesamtgewicht der Vorrichtung wesentlich erhöht würde. Daher ist die Kompensation bei einer bevorzugten Ausführungsform mittels der Kompensationsvorrichtung 60 verwirklicht, die eine in einem Kunststoffgehäuse 134 untergebrachte Torsionsfeder 132 aufweist und um das Übertragungsgehäuse 42 herum bei dem Untersatz 14 angebracht ist, um den Arm 12 aufzurichten. Die spiralförmige Torsionsfeder 132 kann in vielen verschiedenen Positionen angebracht werden, die die Gesamtvorspannung beeinflussen, und kann daher bei vielen verschiedenen Längen und Gewichten des Armes 12 verwendet werden. Infolge des Gewichts des Armes 12 und der Wirkung der aufgewickelten Feder können in ähnlicher Weise erhebliche Stoßbelastungen auftreten, wenn der Arm in die Aufbewahrungsposition zurückbewegt wird. Um eine große Stoßwirkung beim Einfahren des Armes zu verhindern, ist in dem Kunststoffgehäuse 134 der Kompensationsfedervorrichtung 60 außerdem ein Luftkolben-Stoßdämpfer 136 vorgesehen. Dieser Stoßdämpfer 136 bewirkt eine Absorption der Stoßbelastung und eine langsame Rückführung in die Ruheposition. Es ist ersichtlich, daß der Stoßdämpfer in der 8 in einer eingefahrenen Position wiedergegeben ist, während er in den 16-18 in der voll ausgefahrenen Position wiedergegeben ist.
• In den 9A und 9B ist eine Draufsicht bzw. eine Druntersicht der Sonden/Griff-Einheit 56 wiedergegeben. Die Sonden/Griff-Einheit 56 kann wie ein Bleistift oder ein Pistolengriff gehalten werden und weist zwei Schalter (Kennziffer 150 und 152 in der 9A) zur Datenerfassung, einen Steckverbinder (Kennziffer 154 in der 9B) zum Anschluß von wahlfreier Elektronik, und einen Gewindeansatz 156 zur Aufnahme einer Vielzahl von Sonden auf. Da die KMM 10 eine manuelle Meßvorrichtung ist, muß der Benutzer die Möglichkeit haben, zunächst einen Meßwert zu erfassen, und dann zu bestätigen, ob die Messung annehmbar oder nicht annehmbar ist. Dies erfolgt mit Hilfe von zwei Schaltern 150, 152. Der vordere Schalter 150 wird verwendet, um die dreidimensionale Dateninformation festzuhalten, und mit dem hinteren Schalter 152 wird die Dateninformation bestätigt und nach dem Zentralcomputer 18 weitergeleitet. Auf der Rückseite des Schaltergehäuses 58 (Schalter 150, 152) ist ein Steckverbinder 154 angebracht, der eine Reihe von Spannungsleitungen und Analog/Digital-Konverter-Leitungen für den Anschluß verschiedener Zusatzeinrichtungen, wie beispielsweise ein Laserscanner oder eine Berührungssonde aufweist. Auf die Griffeinheit 56 kann eine Vielzahl von Sonden aufgeschraubt werden. In der 10A ist eine Sonde 158 mit einer harten Kugel von 6,35 mm (1/4 inch) Durchmesser wiedergegeben, während in der 10B eine Spitzensonde 160 wiedergegeben ist. Beide Sonden 158, 160 sind, beispielsweise mittels eines Außengewindes, auf dem Ansatz 156 angebracht, während der Ansatz 156 mittels eines Gewindes auf dem Sondengehäuse 58 angebracht ist. Der Ansatz umfaßt außerdem eine Vielzahl von Abflachungen 159, um die Sonden mit Hilfe eines Schraubenschlüssels leichter ein- und ausbauen zu können.
• Nun wird zu den 11 und 12 übergegangen. Nachstehend wird die Controllerbox bzw, die Serienbox 16 beschrieben. In der 11 ist die Vorderseite der Frontplatte 162 des Kontrollers bzw. der Serienbox wiedergegeben. Die Frontplatte 162 weist 8 Anzeigelampen auf, und zwar eine Netzkontrollampe 164, eine Fehlerzustandslampe 166, und sechs Anzeigelampen 20, nämlich eine für jeden der sechs Transducer (bezeichnet mit den Ziffern 1–6), die in den einzelnen Übertragungsgehäusen untergebracht sind. Wenn die Netzspannung eingeschaltet wird, leuchtet die Netzkontrollampe auf, um anzuzeigen, daß der Arm 12 Spannung erhält. Dann zeigen die sechs Transducer-Anzeigelampen den Zustand der einzelnen Transducer an. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Transducer inkrementale digitale optische Encoder 80, die die Festlegung einer Bezugsposition erfordern. (Bei einer weniger bevorzugten Ausführungsform können die Transducer analoge Vorrichtungen sein.) Zu Beginn der Messungen muß daher jedes der sechs Gelenke (das heißt, die Übertragungsgehäuse) gedreht werden, bis die Bezugsposition erreicht wird, bei der alle sechs Anzeigelampen erlöschen.
• Gemäß einem wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung wird, wenn sich während der Benutzung der KMM 10 einer der Transducer bis auf 2 Grad dem Drehungs-Endanschlag 106 nähert, der Benutzer durch eine Anzeigelampe und einen Piepton für den betreffenden Transducer darauf aufmerksam gemacht, daß der Transducer zu nahe bei dem Endanschlag ist, und daß die Orientierung des Armes für die laufende Messung neu eingestellt werden sollte. Die Serienbox 16 mißt weiterhin, aber die Erfassung von Daten ist erst dann wieder möglich, wenn dieser Endanschlag-Zustand aufgehoben ist. Eine typische Situation, in der dieses Endanschlag-Merkmal erforderlich ist, ist der Verlust eines Freiheitsgrades infolge Drehung eines bestimmten Transducers bis zu seiner Endanschlag-Grenze, und folglich die Ausübung von Kräften auf den Arm, die nicht erfaßte Abweichungen und Ungenauigkeiten bei der Messung verursachen.
• Während des Meßvorgangs können jederzeit viele verschiedene Übertragungs- und Berechnungsfehler vorkommen, auf die der Benutzer durch Blinken der Fehler-Anzeigelampe aufmerksam gemacht wird, wobei durch eine Kombination der Anzeigelampen der sechs Transducer gemäß einem Code der betreffende Fehlerzustand angezeigt wird. Es ist ersichtlich, daß anstelle der Frontplatte 162 wahlweise eine alphanumerische Flüssigkristallanzeige verwendet werden kann, auf der alphanumerische Fehler- und Endanschlag-Warnungen wiedergegeben werden.
• Nun wird zu der 12 übergegangen. Eine Rückseitenplatte 168 der Serienbox 16 umfaßt eine Vielzahl von PC Standard-Steckverbindern und Schaltern, einschließlich: einer Rückstelltaste 170, die den Mikroprozessor zurückstellt; eines Netzteil-Ventilators 172 für die Luftumwälzung; eines Steckverbinders 174 für eine PC AT-Standardtastatur; eines Steckverbinders 176 für eine wahlfreie VGA-Platine zur Überwachung der inneren Vorgänge der Serienbox 16; eines Steckverbinders 178 für den Anschluß der vielen verschiedenen Signalleitungen zur Übertragung der Meßdaten; und eines Steckverbinders 180 als Standard-RS232-Anschluß für den Zentralcomputer 18.
• Die Serienbox 16 überwacht die Temperatur der KMM 10 und modifiziert in Echtzeit die Kinematik oder Mathematik, die die Bewegung der KMM gemäß Formeln berechnet, die die Ausdehnung und die Zusammenziehung der verschiedenen Komponenten infolge von Temperaturänderungen beschreiben. Zu diesem Zweck ist gemäß einem wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung eine Temperaturüberwachungs-Platine 182 (die einen Temperatur Transducer umfaßt) bei dem zweiten Gelenk 42 innerhalb einer Abdeckkappe 184 angeordnet (siehe die 4 und 5). Die KMM 10 wird vorzugsweise aus Flugzeug-Aluminium gebaut und außen eloxiert. Vorzugsweise wird der gesamte Arm 12 aus dem gleichen Material verwirklicht, mit Ausnahme der Montageschrauben, die aus rostfreiem Stahl bestehen. Das gleiche Material wird verwendet, um gleichmäßige Ausdehnungs- und Zusammenziehungsmerkmale bei dem Arm 12 zu erhalten, und ihn geeigneter für eine elektronische Kompensation zu machen. Noch wichtiger ist, daß wegen der äußerst großen Stabilität, die zwischen allen Teilen über den weiten Temperaturbereich erforderlich ist, keine differentielle Wärmeausdehnung zwischen den Teilen erfolgen darf. Wie erwähnt wurde, wird der Temperatur-Transducer 182 vorzugsweise in dem Übertragungsgehäuse 42 angeordnet; es wird nämlich angenommen, daß an dieser Stelle die größte Masse gelegen ist, und diese Stelle sich daher nach einer großen Temperaturschwankung zuletzt stabilisiert.
• Nun wird auf die 13 Bezug genommen, in der die gesamte elektronische Schaltungsanordnung für die KMM 10 und die Serienbox 16 wiedergegeben ist. Es sind sechs Encoder 80 wiedergegeben, wobei jeder Encoder mit einer Verstärker-Platine 92 versehen ist, die nahe bei ihm angeordnet ist, um ein möglichst geringes Rauschen bei der Signalübertragung zu erhalten. Außerdem ist eine Zusatzeinrichtungs-Anschlußbuchse 154 wiedergegeben, die ein sechspoliger Steckverbinder ist und auf der Griffeinheit 56 angebracht ist, um zahlreiche verschiedene Zusatzeinrichtungen anschließen zu können. Weiterhin sind zwei Steuertasten 150 und 152 wiedergegeben, über die der Serienbox 16 der Meßvorgang angezeigt wird.
• Der Temperatur-Transducer ist mit einer Temperatur-Platine 182 versehen, die ebenfalls in dem Arm 12 untergebracht ist, wie in der 5 gezeigt ist. Gemäß noch einem weiteren wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung weist die Temperatur-Platine 182 eine EEPROM-Platine auf. Ein EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory) ist eine kleine Computer- Speichereinheit, die hier benutzt wird, um eine Vielzahl von spezifischen Kalibrier- und Seriennummer-Daten über den Arm zu speichern (siehe die Erklärung bezüglich der 19-21). Dies ist ein sehr wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung, das eine sehr gute Steuerung der KMM 10 ermöglicht, und was wichtig ist, die versehentliche Vertauschung von Software und Armen verhindert. Dies bedeutet auch, daß der Arm 12 der KMM eine unabhängige Vorrichtung ist, für die keine spezifischen Kalibrierdaten in der Controllerbox 16 gespeichert werden müssen, die daher getrennt gewartet werden kann und/oder bei anderen Maschinen verwendet werden kann.
• Die Elektronik- und Impulsdaten von der Arm-Elektronik werden dann nach einer kombinierten Analog/Digital-Konverter-Digitalzähler-Platine 186 übertragen, die eine kombinierte Einheit mit einem 12 Bit-Analog/Digital-Konverter und einem Multikanal-16 Bit-Digitalzähler ist. Die Platine 186 ist an den Standard-Bus der Controllerbox angeschlossen. Die Zählinformation wird von dem Kernmodul 188 (der einen im Handel bei Ampro erhältlichen Intel 286-Mikroprozessor, beispielsweise mit der Teile-Nr. CMX-281-Q51 aufweist) und Programmen, die in einem ebenfalls in der Controllerbox enthaltenen EEPROM gespeichert sind, verarbeitet. Die sich ergebenden Daten werden dann über den Serienübertragungs-Port 189 übertragen. Die Serienbox 16 auf Mikroprozessor-Basis ermöglicht eine Vorverarbeitung von für die KMM 10 spezifischen Berechnungen, die keine Verarbeitung auf Zentralcomputer-Niveau erfordern. Typische Beispiele für solche Vorprozessor-Berechnungen sind Koordinatensystem-Transformationen; Umwandlung von Einheiten; Bocksprungtest von einem Koordinatensystem nach einem anderen unter Verwendung einer Zwischenvorrichtung; Ausführung gewisser Bestätigungsprozeduren, einschließlich Berechnung des Abstandes zwischen zwei Kugeln (wie beispielsweise bei dem ANSI B89-Kugelstab); und Ausgeben der Daten in spezifischen Formaten, die für die Übertragung nach vielen verschiedenen Zentralcomputern und Anwenderprogrammen erforderlich sind.
• Die Serienbox ist für die Kommunikation mit einer Vielzahl von Zentralcomputer-Formaten, einschließlich PC, MSDOS, Windows, Unix, Apple, VME und andere ausgelegt. Die Serienbox verarbeitet dabei die Transducer-Ursprungsdaten auf fortlaufender Basis und antwortet auf die Informationsanforderungen oder die Abfragung des Zentralcomputers mit der gewünschten dreidimensionalen Positions- oder Orientierungsinformation. Die Sprache der Serienbox hat eine solche Form, daß Treiber von Computer-Kommunikations-Subroutinen in dem Mikroprozessor 188, beispielsweise für die Steuerung des Serienports oder die Kommunikation mit dem KMM 10, in der Sprache des Zentralcomputers geschrieben werden. Diese Funktion wird als die "intelligente Multiprotokoll-Emulation und automatische Umschaltung" bezeichnet und funktioniert folgendermaßen: In dem Zentralcomputer kann eine Vielzahl von Zentralcomputer-Programmen installiert werden. Diese Zentralcomputer-Programme rufen bei dem Serienport eine Vielzahl von Anforderungen ab, auf die die Serienbox antworten muß. In der Serienbox wurde für eine Vielzahl von weit verbreiteten Softwares eine Reihe von Protokollen vorprogrammiert, um auf Abrufungen oder Abfragungen bei dem Serienport zu antworten. Eine Abrufanforderung durch eine Software erfordert eine bestimmte Antwort. Die Serienbox empfängt die Abrufanforderung, stellt fest, zu welchem Protokoll sie gehört, und antwortet auf die entsprechende Weise. Dies ermöglicht eine transparente Kommunikation zwischen der KMM 10 und einer großen Vielfalt von Anwendungssoftware, wie Computer Aided Design und Qualitätskontrolle-Softwares, wie beispielsweise die CAD-Programme AutoCadR von der Autodesk, Inc., CADKEYR von der Cadkey, Inc., und andere, sowie die Qualitätskontrolle-Programme GEOMETR von der Geomet Systems, Inc., und Micromeasure III von der Brown und Sharpe, Inc.
• Die dreidimensionale KMM der vorliegenden Erfindung funktioniert folgendermaßen: Beim Einschalten der Netzspannung führt der Mikroprozessor 188 in der Serienbox 16 Einschalt-Selbstkontrollprozeduren aus und gibt über den Meßgerät-Port Spannung auf den Arm 12 der KMM 10. Der Mikroprozessor und die in dem EEPROM 182 gespeicherte Software stellen fest, daß beim Einschalten der Netzspannung keiner der Encoder initialisiert war. Daher sendet der Mikroprozessor 188 ein Signal nach der Anzeige-Platine, wodurch alle Anzeigelampen 20 aufleuchten, was bedeutet, daß die Bezugsposition festgelegt werden muß. Der Benutzer bewegt dann den Arm mechanisch, wodurch die Transducer einzeln ihren Bereich abtasten, wobei eine Bezugsmarke überstrichen wird. Wenn die Bezugsmarke überstrichen wird, antwortet die Platine 186 des digitalen Zählers durch Erfassen der Position dieser Bezugsmarke und Meldung der Festlegung der Bezugsposition des Transducers an die Frontplatten-Anzeige 20, und dann erlischt die betreffende Anzeigelampe. Wenn die Bezugsposition bei allen Transducern festgelegt wurde, stellt das System die seriell Verbindung mit dem Zentralcomputer her und wartet auf weitere Befehle. Wenn die vordere oder hintere Taste der Griffeinheit 56 gedrückt wird, wird ein Meßvorgang eingeleitet. Wenn die vordere Taste 150 gedrückt wird, werden die gegenwärtigen Transducer-Meßwerte erfaßt. Wenn die hintere Taste 152 gedrückt wird, wird dem Mikroprozessor gemeldet, daß diese Werte in dimensionelle Koordinaten übersetzt werden sollen und über den Serienport nach dem Zentralcomputer 18 ausgegeben werden sollen. Der Zentralcomputer 18 und die Serienbox 16 werden dann entsprechend den gegenseitigen Serienleitungs-Anforderungen reagieren.
• Nun wird zu den 19, 20 und 21 übergegangen. Nach dem Zusammenbau der KMM 10 wird die Vorrichtung optimiert oder kalibriert, wozu die Programm-Software so verändert wird, daß eventuelle gemessene Unvollkommenheiten beim Zusamenbau oder der maschinellen Bearbeitung berücksichtigt werden. Diese anfängliche Kalibrierung ist ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung und wird in zwei Stufen durchgeführt. Zunächst wird eine Vielzahl von dimensionalen Messungen ausgeführt, die Positionen, Orientierungen und Abmessungen über das gesamte Volumen der Vorrichtung umfassen. Danach wird ein Optimierungs-Softwareprogramm verwendet, um die tatsächliche Falschausrichtung zu bestimmen, die bei jeder der Gelenkachsen vorhanden ist, und die kinematischen Formeln anzupassen, die die Bewegung des Armes beschreiben. Das allgemeine Ergebnis ist, daß eine unvollkommene maschinelle Bearbeitung und ein unvollkommener Zusammenbau vollkommen gemacht werden durch Identifizierung der Unvollkommenheiten und Einbeziehung dieser Unvollkommenheiten in die Kinematik der Vorrichtung.
• Nachstehend wird auf die 19 und 20A-E Bezug genommen. Um die riesige Menge von Daten genau und bequem zu erfassen, wird eine Kalibrier- und Test-Aufspannvorrichtung verwendet, die in der 19 bei 320 wiedergegeben ist. Die Aufspannvorrichtung 320 weist eine große Granitplatte 322 auf, auf der in einem gewissen Abstand zwei Türme 324, 326 befestigt sind, die sich in der horizontalen Ebene um 360 Grad drehen können. Die KMM 10 ist auf dem Turm 326 angebracht, und die einstellbare, dimensionale Test-Aufspannvorrichtung 320 ist auf dem anderen Turm 324 angebracht. Die Aufspannvorrichtung 320 ist auf einem ausfahrbaren, vertikalen Arm 328 befestigt, der in einer Öffnung 330 des Turms 324 vertikal verschiebbar ist. Der Arm ist in der voll ausgefahrenen Position dargestellt.
• Es wird weiterhin auf die 19 und 20 Bezug genommen. Die einstellbare, dimensionale Test-Aufspannvorrichtung 320 weist drei Grundkomponenten auf: einen 610 mm (24 inch) langen Stab 332, auf dem ein Satz Präzisionskugeln 334 angebracht ist, eine Reihe von über seine Länge angeordneten Löchern 336, und eine Präzisionsschritt-Lehre 338 von 610 mm (24 inch) Länge. Der Arm 332 wird verwendet, um die Positionen der Löcher, Stufen und Kugeln bei einer Vielzahl von Positionen der Test-Aufspannvorrichtung und in allen Gebieten des Volumens des Armes zu messen, wie dies in der 21 gezeigt ist. Diese Daten werden dann optimiert. Die wichtige Optimierungsprozedur kann kurzgefaßt folgendermaßen beschrieben werden: Die Standard-Test-Aufspannvorrichtung 320 mit vorgegebenen Positionen und Orientierungen von Objekten wird von dem Arm 10 gemessen. Die Daten werden dann durch ein Multivariablen-Optimierungsprogramm verarbeitet, das entwickelt wurde, um die relative Falschausrichtung und die Abmessungen aller großen Komponenten des Armes zu bestimmen. Danach wird die Optimierung ausgeführt, und anschließend eine Kalibrierdatei erstellt, die die Gesamtmerkmale des Armes enthält. Diese Gesamtmerkmale und die späteren Transducer-Meßwerte werden in einer Vielzahl von kinematischen Formeln miteinander kombiniert, wobei die Werte X, Y und Z in einem absoluten Koordinatensystem erhalten werden.
• Um die Leistungsfähigkeit noch weiter zu optimieren, ist eine neuartige Bezugskugel 192 vorgesehen, die seitlich von einem abnehmbaren Ansatz 194 angeordnet ist, der an dem Untersatz 14 der KMM 10 befestigt ist (siehe die 14 und 15). Wenn die Bezugskugel 192 bei dem Untersatz 14 angeordnet wird, repräsentiert sie den absoluten Ursprung (0, 0, 0) der Vorrichtung für die X-, Y- und Z-Achse. Infolge der bekannten Position der Bezugskugel 192 ist es gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Positionierung der Spitzen entsprechend der 15 möglich, die Koordinaten der Digitizer-Spitze 158 bezüglich des letzten Gelenks der KMM 10 zu bestimmen. Wenn diese Position bekannt ist, kann die KMM 10 die Position des Mittelpunktes dieser Kugel bestimmen, wenn die späteren Messungen gemacht werden. Allgemein ausgedrückt bedeutet dies, daß dann entsprechend der betreffenden Anwendung viele verschiedene Sonden befestigt werden können, und jede Sonde bezüglich der Bezugskugel kalibriert werden kann.
• Da die erfindungsgemäße Koordinatenmeßmaschine transportabel ist, wird sie einer rauhen Behandlung und einer Positionierung in vielen verschiedenen Umgebungen unterworfen werden. Daher ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Protokoll vorgesehen, mit dem der Benutzer entsprechend einem bequemen Wartungsplan den Grad der volumetrischen Genauigkeit bestimmen kann, bevor er eine Vorrichtung verwendet. Die volumetrische Genauigkeit ist gemäß dem ASME-Standard ANSI B89.1.12 (1989) definiert als die Fähigkeit einer Vorrichtung, eine feste Länge zu messen, die in ihrem Arbeitsvolumen in einer Vielzahl von Orientierungen angeordnet ist. Die 16 veranschaulicht die Fähigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dies zu tun unter Verwendung einer ersten Kugelstabanordnung, während die 17 und 18 eine zweite Kugelstabanordnung wiedergeben.
• Die 16 gibt ein Standard-Kugelstab 196 wieder, bei dem an jedem Ende eine Präzisionskugel 198, 200 angeordnet ist, wobei diese Kugeln in zwei magnetische Kugelpfannen 202 und 204 eingesetzt sind. Die Kugelpfanne 202 ist bei dem Untersatz 14 der KMM 10 angeordnet, und die Kugelpfanne 204 ist bei dem Sondengriff 56 angeordnet. Wenn der Arm 12 umherbewegt wird, erfolgt eine Drehung zwischen den Kugelpfannen 202, 204 und den Kugeln 198, 200, um die Bewegung aufzunehmen, wobei die KMM 10 den festen Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Kugel 200 bzw. der Kugelpfanne 204 bei dem Griff 56, und den Mittelpunkt der Kugel 198 bzw. der Kugelpfanne 202 bei dem Untersatz 14 messen soll. Dabei muß natürlich daran erinnert werden, daß die Kugelpfanne 202 bei dem Untersatz 14 den Ursprung (0, 0, 0) der KMM 10 repräsentiert. Die Kalibrierungs-Software in der Steuerbox 16 berechnet dann die Vektorlänge von dem Ursprung (0, 0, 0) bis zu dem Mittelpunkt der Kugel bei der Sonde, und diese Länge, die während des Tests natürlich unveränderlich ist, muß innerhalb des gesamten Volumens bei vielen Konfigurationen und Drehungen des Griffs und anderer Gelenke einen konstanten Wert ergeben.
• Es ist ersichtlich, daß die Kugelpfanne 204 bei dem Griff unbequem und ungeeignet sein kann, wenn gewünscht wird, die Genauigkeit einer bestimmten Sonde des Griffs zu überprüfen. Daher wird gemäß einem wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung ein neuartiger Kegelpfannen-Kugelstab verwendet, wie er bei 206 in der 17 wiedergegeben ist. Der Kegelpfannen-Kugelstab 206 umfaßt an einem Ende einen Kegel 208, und an dem anderen Ende zwei Kugeln 210, 212. Der Kegel und die Kugeln sind durch einen Stab 207 miteinander verbunden, der einen abgewinkelten Bereich 207 aufweist, wobei der Winkel Ó vorzugsweise 160 Grad beträgt. Die Kugel 212 ist an einem Ansatz 209 befestigt, der sich seitlich von dem Stab 206 erstreckt. Eine Kugelsonde 158 oder Spitzensonde 16Q ist in der Kegelpfanne 208 positioniert, und die Kugel 210 kann in der magnetischen Standardpfanne 202 des Untersatzes 14 der KMM 20 angebracht werden. Wie bei der Kalibriermethode der 16 werden verschiedene Positionen der Kugel und des Stabes, sowie Gelenkpositionen gemessen, wobei der Abstand zwischen der Kegelpfanne 208 und der Kugel 210 konstant bleiben muß. Aufgrund der Anordnung der Kugelpfanne 202 ist es natürlich nicht möglich, die abgelegene Seite der Maschine (die mit der Kennziffer 214 bezeichnete Position) zu erreichen. Zu diesem Zweck wird die Kugel 212 verwendet, wie dies in der 18 gezeigt ist. Der Benutzer kann dabei den Kegelpfannen-Kugelstab 206 so positionieren, daß die abgelegene Seite der KMM 10 erreicht wird, um den Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Kugel 212 und dem Mittelpunkt der Kegelpfanne 208 zu messen.

Claims (33)

1. Vorrichtung zum Erfassen von dreidimensionalen Koordinaten, umfassend: einen beweglichen Arm (12), der ein erstes und ein zweites Ende aufweist, wobei der Arm eine Vielzahl von Gelenken umfasst, von denen jedes einem Freiheitsgrad entspricht, so dass der Arm innerhalb eines ausgewählten Volumens beweglich ist, und wobei jedes dieser Gelenke ein drehbares Übertragungsgehäuse (40, 42, 46, 48, 52, 54) mit einem integrierten Transducer (80) zum Erzeugen von Positionssignalen, die der Winkelstellung des jeweiligen Gelenks entsprechen aufweist, einen Untersatz (14), der an dem ersten Ende des beweglichen Arms (12) befestigt ist, eine Sonde (56), die an dem zweiten Ende des beweglichen Arms (12) befestigt ist, und elektronische Auswertmittel, welche, auf Basis der Positionssignale der Transducer (80), die Position der Sonde (56) errechnen, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Auswertmittel eine intelligente Schnittstelle (16) mit einer Anschlussstelle (189) für einen separaten Computer (18) umfassen, dass die Schnittstelle (16) eine Analog/Digital-Konverter-Digitalzähler-Schaltung (186) zur gleichzeitigen Erfassung der Positionssignale von allen Gelenk-Transducern (80) umfasst, dass, in die intelligente Schnittstelle (16) eine Recheneinheit (188) integriert ist, welche aus den Positionssignalen der einzelnen Gelenke auf fortlaufender Basis Positions- und/oder Orientierungsdaten der Sonde (56) errechnet, und dass in die intelligente Schnittstelle (16) für mehrere Anwendungsprogramme, die auf einem Computer (18) laufen, der an die Anschlussstelle (189) angeschossen ist, ein spezifisches Protokoll vorprogrammiert ist, das die Schnittstelle (16) in die Lage versetzt an ihrer Anschlussstelle (189) auf entsprechende Abrufanforderungen des Computers (18) mit von der separaten Recheneinheit (188) errechneten Positions- oder Orientierungsdaten der Sonde (56) zu antworten, wobei die Schnittstelle erkennt, welchem Protokoll die Abrufanforderung des angeschlossenen Computers (18) entspricht und anschließend auf die dem spezifischen Protokoll entsprechende Weise antwortet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit (188) programmiert ist um Koordinatensystem-Transformationen auszuführen.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Recheneinheit (188) Selbstkontrollprozeduren der Vorrichtung einprogrammiert sind.
4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsgehäuse (40, 42, 46, 48, 52, 54) jeweils folgende Elemente umfassen: a) einen Träger (62) mit einer Welle (122), die den Träger verlängert; b) eine Hülse (64) welche die Welle (122) umgibt; und c) Rollenlager (66, 68) die zwischen Welle (122) und Hülse (64) angeordnet sind.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekenzeichnet, daß die Rollenlager (66, 68) jeweils zwei in einem gewissen Abstand voneinander entgegengesetzt angeordnete Kegelrollenlager (66, 68) umfassen, von denen jedes an einen konischen Sitz (70, 72) von komplementärer Form angrenzt.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die konischen Sitze (70, 72) jeweils an der entsprechendem Hülse (64) dauerhaft befestigt sind.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Kompressionsmittel das jedem der Gelenke zum Vorspannen der Kegelrollenlager (66, 68) zugeordnet ist.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Kompressionsmittel eine Kompressionsmutter (73) aufweist, die auf der Welle (122) des Trägers (62) mittels eines Gewindes derart befestigt ist, daß sie die Kegelrollen-lager auf diesem Träger übereinander festklemmt.
9. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch ein Axialdrucklager (76), das derart zwischen dem Träger (62) und der Hülse (64) angeordnet ist, daß es eine mechanische Versteifung zwischen dem Träger (62) und dem Mantel (64) ausbildet.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Axialdrucklager (76) folgende Elemente aufweist: a) einen Axialdruck-Einstellring (300); b) einen ersten, ringförmigen Laufring (302), der an den Axialdruck-Einstellring (300) angrenzt; c) einen zweiten, ringförmigen Laufring (306); d) ein Rollenlager (304) , das zwischen dem ersten und dem zweiten Laufring (302 bzw. 306) angeordnet ist; e) eine Axialdrucklager-Abdeckkappe (308), die an den zweiten, ringförmigen Laufring (306) angrenzt; und f) Befestigungsmittel, um die Teile (a), (b), (c), (d) und (f) als Einheit zu befestigen.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch Mittel, um das Axialdrucklager (76) einzustellen.
12. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsgehäuse (40, 42; 46, 48, 52, 54) eine universelle Montageplatte (82) umfaßt, um den Transducer (80) auf dem Träger (62) anzubringen.
13. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 4 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsgehäuse (40, 42, 46, 48, 52, 54) folgende Elemente umfaßt: a) eine Verlängerungswelle (86), an der Welle (122) des Trägers (62); und b) Kupplungsmittel (84), die den Transducer (80) mit der Verlängerungswelle (86) verbinden.
14. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Transducer (80) jeweils einen Encoder aufweist, und daß das Übertragungsgehäuse (40, 42, 46, 48, 52, 54) jeweils eine Vorverstärkerplatine (92) in unmittelbarer Nachbarschaft des Encoders (80) umfaßt, um vorverstärkte Signale nach außerhalb des beweglichen Armes (12) gelegenen Stellen zu übertragen.
15. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Übertragungsgehäuse (40, 42, 46, 48, 52, 54) eine Drehbegrenzung (128, 130) aufweist, wobei Anzeigemittel vorgesehen sind, die den Benutzer warnen, falls eines der Übertragungsgehäuse (40, 42, 46, 48, 52, 54) sich einem Dreh-Endanschlag nähert.
16. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch Temperaturüberwachungsmittel (182) in dem Arm (12).
17. Vorrichtung gemäß Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturüberwachungsmittel im Arm (12) derart in die elektronischen Auswertmittel eingebunden sind, daß temperaturbedingte Längenveränderungen von ausgewählten Komponenten des Armes (12) bei der Berechnung der Koordinaten berücksichtigt werden.
18. Vorrichtung gemäß Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturüberwachungsmittel (182) an einer Stelle angeordnet sind an der die größte Masse des Arms lokalisiert ist.
19. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet durch eine EEPROM-Platine, die in dem Arm (12) angebracht ist, und die für den spezifischen Arm (12) Eich- und Identifizierungsdaten enthält.
20. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die EEPROM's spezifische Datenverarbeitungssoftware für verschiedene Anwendungsprogramme. enthalten die auf dem anzuschließenden Computer (18) laufen.
21. Vorrichtung gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Gelenktransducer einen Encoder (80) aufweist, und daß jedes der Übertragungsgehäuse (40,42, 46, 48, 52, 54) eine Vorverstärkerschaltung (92) in unmittelbarer Nachbarschaft des Encoders umfaßt, um vorverstärkte Positionssignale an die elektronischen Auswertemittel zu übertragen.
22. Vorrichtung gemäß Anspruch 20 oder 21, gekennzeichnet durch ein Temperaturüberwachungsmittel (182) in dem Arm (12); um die Temperaturstabilität in diesem Arm zu überwachen; und ein Mittel zum Übertragen der überwachten Temperatur nach mindestens einem Mikroprozessor (188) der elektronischen Auswerteinheit.
23. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußstelle für den Computer ein Serienport (189) ist.
24. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Untersatz (14) mindestens eine Kugel (192) in einer bekannten Position als absoluten Bezugspunkt der Vorrichtung umfaßt.
25. Vorrichtung gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Kugel (192) auf einem Ansatz (194) angeordnet ist, der abnehmbar an dem Untersatz (14) befestigt ist.
26. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 25, gekennzeichnet durch: einen Kalibrierstab (206) mit einem ersten und einem entgegengesetzten, zweiten Ende; wobei der Kalibrierstab eine konische Vertiefung (208) an seinem ersten Ende und eine erste Kugel (210) an seinem zweiten Ende aufweist, und wobei der Kalibrierstab mit seiner ersten Kugel (210) in eine Kugelpfanne (202) einpaßbar ist, die am Untersatz (14) des Arms angeordnet ist.
27. Vorrichtung gemäß Anspruch 26, gekennzeichnet durch einen Ansatz (209), der an dem Kalibrierstab (206) nahe bei dem zweiten Ende befestigt ist und der eine zweite Kugel (212) trägt, die sich seitlich von dem Ansatz (209) erstreckt.
28. Vorrichtung gemäß Anspruch 26 oder 27, gekennzeichnet durch einen gebogenen Abschnitt (207) in dem Kalibrierstab (206).
29. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der drehbaren Übertragungsgehäuse (40, 42, 46, 48, 52, 54) eine modulare, austauschbare Konfiguration aufweist.
30. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm (12) im wesentlichen aus dem gleichen Material besteht, um einen gleichmäßigen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu gewährleisten.
31. Vorrichtung gemäß Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm (12) im wesentlichen aus Aluminium besteht.
32. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm (12) eine Verkabelung umfaßt, die in diesen Arm integriert ist.
33. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (56) einen ersten und einen zweiten Schalter (150, 152) umfaßt, wobei der erste Schalter eine "Datenerfassung" und der zweite Schalter eine "Datenannahme" bewirkt.