Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Maschinen zum Messen
von dreidimensionalen Koordinaten. Sie bezieht sich insbesondere, auf
eine verbesserte transportable Koordinatenmeßmaschine mit Gelenkarm.The
The present invention relates generally to measuring machines
of three-dimensional coordinates. It relates in particular to
an improved portable coordinate measuring machine with articulated arm.
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.Three-dimensional
Objects are described by their position and orientation;
this means,
it not only specifies where an object is located, but also
also in which direction it is oriented. The position of a
Point in space can be determined by its coordinates X, Y and Z.
The orientation of an object can be determined by the orientation angle
of the object or by specifying the position of three points
of the object.
Die
gegenwärtig
für industrielle
Anwendungen benutzen 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.The
currently
for industrial
Applications use coordinate measuring machines are 3-axis coordinate measuring machines
which the coordinates X, Y and Z by means of three linear measuring scales
measure up. These measuring machines
are usually not
portable, expensive and limited in size and convenient
Exploiting the measurable
Volume.
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 Technologies,
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.FARO Technologies, Inc. of Lake Mary, Florida (USA) has manufactured a number of digitizing devices of the electrogoniometer type for medical applications. In particular, the FARO Technologies, Inc. known under the name METRECOM ® systems for the skeletal system, and known under the name SURGICOM ® systems for surgical applications has made. Electrogoniometers of the type embodied in the METRECOM and SURGICOM systems are described in US Patent 4,670,851 and in US Patent Application USSN 562,213, filed July 31, 1990.
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.The
digitizing systems METRECOM and SURGICOM are for their intended use
well suited, but poorly suited for general industrial applications.
There is therefore still a need for an inexpensive, portable coordinate measuring machine,
which has sufficient accuracy and ease of use for diverse
industrial and similar
Applications.
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.Out
U.S. Patent No. 4,477,973
is a very simple system for digitizing three-dimensional
bodies
known. One end of a movable arm is on a base plate
assembled and carries
a probe tip at its free end. This arm is three
or four swivel joints so that the
Probe tip is movable within a selected volume.
A potentiometer is assigned to each of these rotary joints. The three
or four potentiometers are connected to the "game port" of a PC, which shows the resistance values
converted to digital sizes
and the position coordinates of the probe tip are calculated. These position coordinates
are in the pc for
a later one
Use saved. A similar
Coordinate measuring
with an articulated arm is described in US Pat. No. 4,593,470.
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.From the DE 41 40 294 A1 a coordinate measuring device with an articulated arm is also known. One end of the arm is connected to a base via two swivel joints. The other end of the arm carries a scanning probe. The articulated arm itself comprises four, relatively simple, universal joints. Each universal joint has two vertical axes of rotation and connects two adjacent arm segments. Each axis of rotation is assigned an angle sensor for measuring the angular position of the two connected arm segments. The measurement is triggered manually as soon as the scanning tip sits on the surface. Alternatively, the measurement can be triggered automatically. The individual angular position signals of the angular sensors are passed to an evaluation unit, which calculate the position of the scanning probe from the angular position signals and the predetermined lengths of the arm segments. The coordinates determined in this way are stored individually in the evaluation unit and combined to provide overall information about the contour of the scanned area. The device is consequently limited to the determination of a surface contour.
Aus
der Druckschrift: "Einbindung
von Koordinatenmeßgeräten in die
Fertigung, Anwendungstechnische Informationen" der Firma Carl ZEISS (Oberkochen) [(RE-ZS-I/91
Pool)], 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.Out
the publication: "Integration
of coordinate measuring machines in the
Manufacturing, application technology information "from Carl ZEISS (Oberkochen) [(RE-ZS-I / 91
Pool)], is known to be a stationary, computer-controlled,
3-axis coordinate measuring machine
by means of a computer coupling program in a complex computer network
in the manufacturing area, so that the coordinate measuring machine both
Measurement results
can send to external computers, as well as target data from CAD systems
and can receive commands from external computers.
In
der US-Patentschrift N° US 4,888,877 wird ein Meßkopf mit
zwei Drehgelenken für
eine stationäre
3-Achsen-Kooxdinatenmeßmaschine
beschrieben.In the US patent N ° US 4,888,877 describes a measuring head with two swivel joints for a stationary 3-axis co-magnetic measuring machine.
In
der US-Patentschrift N° US 5,031,331 wird eine Kompensation
der temperaturbedingten Ausdehnungen der Meßlatten an einer 3-Achsen-Koordinatenmeßmaschine
vorgeschlagen. In the US patent N ° US 5,031,331 a compensation of the temperature-related expansion of the measuring staff on a 3-axis coordinate measuring machine is proposed.
In
der DE 26 03 376 A1 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 eichenden Koordinatenmeßtisch aufgestellt. Die Höhe einer
der Stützen
ist verstellbar.In the DE 26 03 376 A1 A method for calculating the spatial perpendicularity of a 3-axis coordinate measuring machine is proposed. A calibration rod with two balls and two supports with conical bearing seats for the balls are used for this. The supports are placed freely on a coordinate measuring table to be calibrated. The height of one of the supports is adjustable.
Aus US 3,944,798 ist eine Koordinatenmessvorrichtung
mit einem Arm, der mehrere Gelenke aufweist bekannt. In jedem Gelenk
des Arms ist ein Transducer vorgesehen, der den Winkel zwischen zwei
Armstücken
misst und als elektrisches Signal an eine Rechnereinheit überträgt, in der
die Position der Armspitze berechnet werden kann.Out US 3,944,798 is known a coordinate measuring device with an arm that has several joints. A transducer is provided in each joint of the arm, which measures the angle between two arm pieces and transmits it as an electrical signal to a computer unit in which the position of the arm tip can be calculated.
Der
in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde,
die Zuverlässigkeit
einer Koordinatenmeßvorrichtung
mit einem Gelenkarm zu verbessern. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
einer Koordinatenmeßvorrichtung
mit einem Gelenkarm sind in den Unteransprüchen angegeben.The
Invention specified in claim 1 is based on the problem
the reliability
a coordinate measuring device
to improve with an articulated arm. Further advantageous configurations
a coordinate measuring device
with an articulated arm are specified in the subclaims.
Die
erfindungsgemäße Messvorrichtung zum
Erfassen von dreidimensionalen Koordinaten umfasst einen beweglichen
Arm, der ein erstes und ein entgegengesetztes zweites Ende aufweist.
Der Arm umfasst eine Vielzahl von Gelenken, von denen jedes einem
Freiheitsgrad entspricht, so dass der Arm innerhalb eines ausgewählten Volumens
beweglich ist. Jedes dieser Gelenke weist ein drehbares Übertragungsgehäuse mit
Positionstransducern zum Erzeugen eines Positionssignals auf. Ferner
umfasst die transportable Messvorrichtung einen Untersatz, der an
dem ersten Ende des beweglichen Armes befestigt ist, eine Sonde,
die an dem zweiten Ende des beweglichen Armes befestigt ist sowie
elektronische Schaltungsmittel, die den Positionstransducern derart
zugeordnet sind, dass sie die Positionssignale von den Postitionstransducern
empfangen und eine digitale Koordinate liefern, die der Position
der Sonde entspricht. Erfindungsgemäß weisen die drehbaren Übertragungsgehäuse eine
Drehbegrenzung auf, wobei zusätzlich
Anzeigemittel vorgesehen sind, die den Benutzer warnen, falls eines
der Übertragungsgehäuse sich
einem Drehendanschlag nähert.The
measuring device according to the invention for
Acquisition of three-dimensional coordinates includes a movable one
Arm that has a first and an opposite second end.
The arm includes a variety of joints, each one
Degree of freedom corresponds to the arm within a selected volume
is mobile. Each of these joints has a rotatable transmission housing
Position transducers for generating a position signal. Further
the portable measuring device includes a pedestal that is attached to
attached to the first end of the movable arm, a probe,
which is attached to the second end of the movable arm as well
electronic circuit means that the position transducers
are assigned to receive the position signals from the position transducers
received and provide a digital coordinate that corresponds to the position
corresponds to the probe. According to the invention, the rotatable transmission housing has a
Rotation limit on, in addition
Display means are provided which warn the user if one
the transmission case itself
approaching a rotary stop.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung weist die 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.According to one
preferred embodiment of the
Present invention has the novel, portable coordinate measuring machine
a manually positionable, multi-articulated measuring arm (with preferably
six joints) to measure a volume precisely and conveniently,
which comprises, for example, a ball, preferably a diameter
from 183 to 244 cm (6 to 8 feet) (but also a larger one or
smaller diameter than this area), the
measurement accuracy
preferably 2 sigma +/- 127 μm (+/- 0.005 inch)
[and optimally 2 sigma +/- 25.4 μm (+/- 0.001 inch)]
is.
Except
the measuring arm
is a controller box (or a series box) in the present invention
used as an electronic interface between the arm
and serves a central computer.
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 Lageranordnungen. 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.The
mechanical measuring arm,
the one at the coordinate measuring machine
used in the present invention has a variety of transmission housings (from
each of which has a joint and a degree of freedom of rotation
sets) and extension elements
on, which are attached to each other, with adjacent transmission housing under
are arranged at a right angle to fix a movable arm,
preferably five
or has six degrees of freedom. Each transmission housing includes measuring transducers and
novel bearing arrangements. These novel bearing arrangements include
preloaded bearings consisting of tapered roller bearings arranged in opposite positions
are formed and stiffening thrust bearings of low profile,
to get a high bending stiffness. Each transmission housing also includes optical ones
and acoustic end stop indicators to protect against mechanical overload
as a result of the use of violence.
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.The
movable arm is attached to a pedestal or base that
includes the following: (1)
a temperature monitoring board
to monitor
temperature stability;
(2) an encoder mounting plate for selecting a universal encoder;
(3) an EEPROM board
with calibration and identification data to exchange the units
to avoid; and (4) one located close to the encoder mounting plate
Preamplifier board for transmission
high gain
Signals after a remote meter board
in the controller.
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).As with the prior art METRECOM system, the transmission housings are modular in design, allowing for variable assembly configurations, and the entire movable arm is made from a single material to ensure a uniform coefficient of thermal expansion. Similar to the METRECOM system, internal cabling with rotation stops and cable winding cavities enables a large number of cables to be completely covered. Like the state-of-the-art METRECOM system, the system according to the invention comprises a spring-compensated and shock-absorbing support mechanism to increase user comfort, and a data input device with two switches (capture / accept) to enable measurements with high precision with manual handling. In addition, a general Said additional device of the type provided in the prior art METRECOM system for measuring variables in three dimensions (for example, the temperature can be measured in three dimensions using a thermocouple connected to the additional device connection socket).
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.The
Use of a separate microprocessor-based controller box
is an important feature of the present invention because this controller box
allows preprocessing of specific calculations,
that don't require a central computer level. For this is in the controller box
an intelligent preprocessor is provided, the programmable adaptability
and compatibility
with a variety of external central systems (for example
external computers). The series box also offers one
intelligent multi-protocol evaluation
and automatic switching by sampling the transmission requests
from the central computer. For example, one generated on the central computer
running software from a manufacturer connection requirements
of a shape that is automatically sensed by the controller box
become. Other features of the controller box include serial port connections for standardized
Long distance connections in a variety of industrial environments,
and novel analog / digital-digital counter boards for simultaneous
Registration of all (housed in the transmission housings
Encoder), which ensures high-precision
Measurements are obtained.
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.The
effective calibration of the coordinate measuring machine according to the invention
in place is determined by using a reference sphere
improves the accuracy of the system, this reference ball
is arranged at the base of the coordinate measuring machine to
Avoid assembly complications. Also includes the coordinate measuring machine
the present invention means for creating a measurement record of the
volumetric accuracy on an interim basis, where
preferably a new type of cone / ball rod device is used
becomes.
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:The
mentioned above
and further features and advantages of the present invention
for professionals
in this area from the detailed description below and the
Drawings can be seen. Show it:
1, eine schematische Vorderansicht,
die das dreidimensionale Meßsystem
der vorliegenden Erfindung wiedergibt, das eine Koordinatenmeßmaschine,
eine Controllerbox und einen Zentralcomputer umfaßt. 1 , is a schematic front view showing the three-dimensional measuring system of the present invention, which comprises a coordinate measuring machine, a controller box and a central computer.
2, eine Seitenansicht, die
den auf der Serienbox angebrachten Zentralcomputer wiedergibt, wobei
diese Serienbox wiederum auf einem manövrierbaren Arm angebracht ist. 2 , a side view showing the central computer mounted on the series box, this series box in turn being mounted on a maneuverable arm.
3, eine Seitenansicht des
dreidimensionalen Meßsystems
der vorliegenden Erfindung, das auf einem Theodolitenstativ angebracht
ist. 3 , A side view of the three-dimensional measuring system of the present invention, which is mounted on a theodolite tripod.
4, eine Rückansicht
der in der 1 wiedergegebenen
Koordinatenmeßmaschine. 4 , a rear view of the in the 1 reproduced coordinate measuring machine.
5, eine Längsansicht,
teilweise im Schnitt, der Koordinatenmeßmaschine der 1. 5 , a longitudinal view, partly in section, of the coordinate measuring machine of 1 ,
6, eine explodierte Seitenansicht
eines bei der Koordinatenmeßmaschine
der 1 verwendeten Übertragungsgehäuses. 6 , an exploded side view of a in the coordinate measuring machine of 1 used transmission housing.
6A und 6B, Schnittansichten gemäß der Schnittlinie
6A-6A bzw. 6B-6B der 6. 6A and 6B , Sectional views along the section line 6A-6A or 6B-6B of the 6 ,
7, ein vertikaler Schnitt
von zwei zusammengebauten, senkrecht zueinander angeordneten Übertragungsgehäusen. 7 , a vertical section of two assembled, mutually perpendicular transmission housings.
8, ist eine vergrößerte Seitenansicht
einer kompensierten Federvorrichtung, die bei der Koordinatenmeßmaschine
der 1 verwendet wird. 8th , is an enlarged side view of a compensated spring device used in the coordinate measuring machine of 1 is used.
9A und 9B, eine Draufsicht bzw. eine Druntersicht,
die die Griff/Sonden-Einheit der 1 wiedergeben. 9A and 9B , a top view and a bottom view, the handle / probe unit of the 1 play.
10A und 10B, Seitenansichten einer Kugelsonde
bzw. einer Spitzensonde. 10A and 10B , Side views of a spherical probe or a tip probe.
11, eine vergrößerte Vorderansicht
der Controllerbox der 1. 11 , an enlarged front view of the controller box of the 1 ,
12, eine vergrößerte Rückansicht
der Controllerbox der 1. 12 , an enlarged rear view of the controller box of the 1 ,
13, eine schematische Ansicht
der elektronischen Komponenten für
das dreidimensionale Meßsystem
der 1. 13 , a schematic view of the electronic components for the three-dimensional measuring system of the 1 ,
14, eine Seitenansicht der
Koordinatenmeßmaschine
der 1, wobei diese Seitenansicht ein
Sondenspitzen-Kalibriersystem wiedergibt. 14 , a side view of the coordinate measuring machine of 1 , this side view showing a probe tip calibration system.
15, ene schematische Draufsicht,
die eine Methode zum Kalibrieren der Sondenspitze veranschaulicht. 15 , A schematic top view illustrating a method for calibrating the probe tip.
16, eine Seitenansicht der
Koordinatenmeßmaschine
der 1, wobei die Koordinatenmeßmaschine
mit einem Kugelstab kalibriert wird. 16 , a side view of the coordinate measuring machine of 1 , the coordinate measuring machine being calibrated with a ball rod.
17 und 18, Seitenansichten der Koordinatenmeßmaschine
der 1, wobei die Koordinatenmeßmaschine
mit einer neuartigen Konus/Kugel-Stabvorrichtung kalibriert wird. 17 and 18 , Side views of the Koordi natenmeßmaschine der 1 , wherein the coordinate measuring machine is calibrated with a novel cone / ball rod device.
19, eine Seitenansicht,
die eine Methode zur Optimierung der Koordinatenmeßmaschine der 1 veranschaulicht, wobei
eine Optimierungs-Aufspannvorrichtung
verwendet wird. 19 , a side view showing a method for optimizing the coordinate measuring machine of the 1 illustrated using an optimization jig.
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. 20A –E, a front view, a rear view, a top view, a right side view and a left side view of the precision step gauge used in the clamping device of FIG 19 is used.
21, eine schematische Ansicht,
die eine Methode zur Optimierung der Kobrdinatenmeßmaschine
der 1 veranschaulicht,
wobei bei dieser Optimierung die Vorrichtung der 19 verwendet wird. 21 , a schematic view showing a method for optimizing the Kobdinatenmeßmaschine the 1 illustrates, with this optimization the device of 19 is used.
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.First, the 1 Referred. The three-dimensional measuring system of the present invention generally has a coordinate measuring machine (KMM) 10 on that from a manually operated, multi-articulated arm 12 and a base or a base 14 , a controller box or a series box 16 , and a central computer 18 consists. It can be seen that the KMM 10 in electronic connection with the series box 16 stands, which in turn is in electronic connection with the central computer 18 stands.
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.As explained in more detail below, the KMM includes 10 Transducers (for example, one transducer for each degree of freedom) that collect rotation position data and this data after the series box 16 hand off. The series box 16 causes a reduction in the overall requirements for the central computer 18 regarding the execution of certain complex calculations, and carries out certain previous data processing. Like in the 2 is shown, the series box is provided 16 under the central computer 18 (such as that in the 2 reproduced notebook computer). The series box 16 includes EEPROMS that include data processing software, a microcomputer processor, a signal processing board, and a series of indicator lights 20 , As has been mentioned, the basic transducer data is provided by the KMM 10 after the series box 16 forwarded. The series box 16 then processes the original transducer data on an ongoing basis and responds to queries from the central computer with the desired three-dimensional position and orientation information.
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. MWS750 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.Preferably, all three components that define the three-dimensional measurement system (that is, the KMM 10 , the series box 16 , and the central computer 18 ) attached either by means of a rigid plate on a fixed mounting surface, or on a standard thread of an optical measuring device, and then attached to a known, mobile theodolite standard tripod, as is the case with 22 in the 3 is shown. Preferably, the theodolite tripod 22 a part number MWS750 manufactured by Brunson (USA). Such a mobile tripod is characterized by a stable, rolling platform with an extendable vertical tower, as well as with usual additional devices and locking devices. As in the 2 and 3 is shown is the pedestal 14 the KMM 10 by means of a thread or otherwise on a vertical support element 24 of the tripod 22 attached while the series box 16 / the central computer 18 from a tray 26 is worn at a first joint 28 with one arm 30 is pivotally connected to a second joint 32 is pivotally connected. The connecting element 34 connects the joint 32 with a swivel connection 36 that at one on the upper end of the support member 24 attached cover cap 38 is attached.
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.With reference to the 1 and 4 - 9 is now the KMM 10 described in detail. As best in the 5 can be seen, shows the KMM 10 the pedestal 14 on, which is connected to a first set of two transmission housings, the first transmission housing 40 and a second transmission housing connected thereto 42 includes (that is perpendicular to the transmission housing 40 is arranged). A first extension element 44 is rigidly attached to a second set of two transmission housings, the third transmission housing 46 and a fourth transmission case attached perpendicular to it 48 includes. The first extension element 44 is between the transmission housings 42 and 46 arranged perpendicular to these transmission housings. A second extension element 50 is according to the transmission housing 48 aligned and rigidly attached to it. The rigid extension element 50 is rigidly attached to a third set of two transmission cases, which is a fifth transmission case 52 and a sixth transmission case attached perpendicular to it 54 includes. On the sixth transmission case 54 is a handle / probe unit 56 attached.
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).In general (and as explained in more detail below) is in each of the six transmission housings 40 . 42 . 46 . 48 . 52 . 54 a position sensor transducer is attached. Each transmission housing has a bearing housing and a transducer chamber, which are designed so that they are connected to each other cylindrically by means of fastening screws arranged at 45 ° ( 6 ). With the pedestal 14 is a compensated spring device 60 arranged around the arm 12 in its ver keep the standard configuration ( 8th ).
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.Now becomes the 6 and 7 passed to describe in detail the transmission housing and its internal components. The 6 is an exploded view of a transmission case while the 7 an enlarged view of the mutually perpendicular and interconnected transmission housing (that is, the housing 46 and 48 ) is. Each housing includes an inner support 62 and an outer sleeve 64 , The mechanical stability between the inner support 62 and the outer sleeve 64 is made up of two tapered roller bearings arranged in opposite positions (i.e. arranged in opposite directions) 66 . 68 ensured that they are arranged so that they are against their conical race-ring seats 70 . 72 be pressed. The conical race seats 70 and 72 are in the sleeve 64 permanently pressed. The inner carrier 62 includes a wave 122 that extend up to the thread 74 extends. The tapered roller bearings 66 . 68 are preferably made of hardened steel, while the race seats 70 . 72 also consist of hardened steel.
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).During assembly of the transmission case 48 becomes a compressive force using a nut 73 exercised on the thread 74 up to a specific torque 74 is tightened, whereby a preloaded bearing is obtained which under normal loads does not perform any movement other than an axial rotation. Since a low profile is required for such an arm during manual handling, and this low profile is associated with a reduction in the overall rigidity, it is better, and indeed required for certain applications, also a thrust bearing 76 at the interface between the inner support 62 and the sleeve 64 install. The thrust bearing 76 creates additional mechanical stiffness between the beams 62 and the sleeve 64 of the transmission housing. The thrust bearing 76 has five elements that have an axial pressure adjustment ring 300 , a first, flat, ring-shaped race 302 , Rolling elements with cage 304 , a second annular race 306 , and a counteracting thrust cap 308 include. The thrust bearing 76 is through a set of adjusting screws 78 adjusted and causes a high bending stiffness. The transducer (preferably an encoder 80 as it is known from Heidenhain under the name "Mini-Rod", part no. 450M-03600, is available) on a universal mounting plate 82 attached to install it in the transmission case. The universal mounting plate 82 is important to any problems with components, such as a change in the manufacture of the transducer 80 , to avoid changing the configuration of the mounting screws due to changes in the mounting plate 82 can be compensated. The mounting plate 82 is in the 6A reproduced as a plate of triangular shape with rounded corners. In the 6A are also threaded elements 88 and 90 , a shaft or a pin 86 , and a coupler 84 reproduced (all of which are explained below).
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.High accuracy rotation measurements using encoders 80 require that no loads are applied to the encoder and that the movement of the transmission housing is accurately transmitted to the encoder despite small misalignments of the axis of the transmission housing and the axis of the encoder. Angle transmission errors are well known to those skilled in the art from encoder publications. A matchmaker 84 , as it is available from Rembrandt (USA) under the designation B1004R51R, stands with the encoder 80 in connection. An extension wave 86 is used to the encoder 80 finally with the carrier 62 connect to. The wave 86 is both about the thread 74 with the carrier 62 , as well as by means of the adjusting screws 88 . 90 with the coupler 84 connected (see 7 ). According to an important feature of the present invention, a preamplifier board 92 close to the encoder 80 arranged and (by means of screws 94 ) on the inside of a cover cap 96 attached. The cover cap is with the screw 97 on the sleeve 64 attached. A transition housing 98 connects the cover cap 96 by means of the screw 97 and the screws 100 with the sleeve 64 , The transmission housing is sealed off from the environment at the connection point using an O-ring groove 102 in which a standard rubber o-ring 104 is attached. A rotation end stop 106 (explained below), which in the 6B The most visible is a square-shaped metal case with a continuous opening, which is attached to the screw 108 through this opening on the sleeve 64 is attached. Cable grommets to prevent abrasion during extended use are included 110 respectively. 112 on the carrier 62 and the sleeve 64 appropriate. A positioning pin 114 is in a complementarily shaped recess 116 in the carrier 62 inserted to the relative orientation. of two adjacent transmission housings.
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.Now on the 7 Referred. For protection from the environment and for other reasons, it is important that all cables are completely hidden and therefore within the arm 12 are accommodated. In the 7 are two assembled transmission housings 46 . 48 reproduced, which are perpendicular to each other, and in which the laying of cables is illustrated. It can be seen that while using the KMM 10 the encoder information from the encoder 80 after the processor board 92 is forwarded via the cable 118 which is then passed through the arm via machined passageways. The cable 118 is then through a channel in the wave 122 of the inner carrier 62 of the transmission housing 46 and through a bore provided with a cable grommet 124 after which it led into a large cavity 126 arrives in the outer sleeve 64 of the transmission housing 46 is attached mechanically. The cavity 126 enables the cable to be wound up while the sleeve is rotating and is designed in such a way that there is no cable abrasion and only minimal cable bending. Because the cable limits rotation, there is a circular groove that does not extend over the full circumference 128 provided in the one stop screw 130 is arranged, which limits the rotation, in this case to 330 °. It can be seen that the through channel 120 and the cable wrap cavities 122 are provided in each transmission case, bringing the cables down to that at the base 14 attached connector can be performed so that no cable is laid open.
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.Now the 8th passed. The design of the aluminum arm, as well as the various bearings and transducers gives a total weight of approximately 4.5 to 6.8 kg (10 to 15 pounds) for the probe / handle unit 56 the KMM 10 , Under normal circumstances, this weight would cause considerable user fatigue and therefore must be compensated for. Compensation by weights is not recommended in terms of portability, as this would significantly increase the overall weight of the device. Therefore, in a preferred embodiment, the compensation is by means of the compensation device 60 realized the one in a plastic case 134 housed torsion spring 132 has and around the transmission housing 42 around at the stand 14 is attached to the arm 12 raise. The spiral torsion spring 132 can be placed in many different positions that affect the overall preload and can therefore be used with many different lengths and weights of the arm 12 be used. Due to the weight of the arm 12 and the action of the coiled spring can similarly experience significant shock loads when the arm is returned to the storage position. To prevent a large impact when the arm is retracted, is in the plastic housing 134 the compensation spring device 60 also an air piston shock absorber 136 intended. This shock absorber 136 causes an absorption of the shock load and a slow return to the rest position. It can be seen that the shock absorber in the 8th is reproduced in a retracted position while in the 16 - 18 is shown in the fully extended position.
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.In the 9A and 9B Figure 3 is a top and bottom view of the probe / handle assembly 56 played. The probe / handle unit 56 can be held like a pencil or a pistol grip and has two switches (code number 150 and 152 in the 9A ) for data acquisition, a connector (code no 154 in the 9B ) for connecting optional electronics, and a threaded attachment 156 to accommodate a variety of probes. Because the KMM 10 is a manual measuring device, the user must be able to first acquire a measured value and then confirm whether the measurement is acceptable or unacceptable. This is done using two switches 150 . 152 , The front switch 150 is used to hold the three-dimensional data information and with the rear switch 152 the data information is confirmed and after the central computer 18 forwarded. On the back of the switch housing 58 (Switch 150 . 152 ) is a connector 154 attached, which has a series of voltage lines and analog / digital converter lines for the connection of various additional devices, such as a laser scanner or a touch probe. On the handle unit 56 a variety of probes can be screwed on. In the 10A is a probe 158 with a 6.35 mm (1/4 inch) diameter hard ball, while in the 10B a tip probe 160 is reproduced. Both probes 158 . 160 are, for example by means of an external thread, on the approach 156 attached while the approach 156 by means of a thread on the probe housing 58 is appropriate. The approach also includes a variety of flats 159 to make it easier to install and remove the probes using a wrench.
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.Now becomes the 11 and 12 passed. The controller box or series box is shown below 16 described. In the 11 is the front of the front panel 162 of the controller or the series box. The front panel 162 has 8 indicator lights, namely a network control lamp 164 , an error status lamp 166 , and six indicator lights 20 namely one for each of the six transducers (identified by the numbers 1 - 6 ), which are housed in the individual transmission housings. When the mains voltage is switched on, the mains control lamp lights up to indicate that the arm 12 Receives tension. Then the six transducer indicator lights indicate the status of the individual transducers. In a preferred embodiment of the present invention, the transducers are incremental digital optical encoders 80 that require the establishment of a reference position. (In a less preferred embodiment the transducers can be analog devices.) At the start of the measurements, each of the six joints (that is, the transmission housing) must therefore be rotated until the reference position is reached, at which all six indicator lamps go out.
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.According to an important feature of the present invention, when the KMM 10 one of the transducers up to 2 degrees from the rotation end stop 106 approached, the user was warned by an indicator lamp and a beep for the transducer concerned that the transducer was too close to the end stop and that the orientation of the arm should be readjusted for the current measurement. The series box 16 continues to measure, but data can only be collected once this end stop condition has been removed. A typical situation in which this end stop feature is required is the loss of a degree of freedom due to rotation of a particular transducer up to its end stop limit, and consequently the application of forces on the arm that cause undetected deviations and inaccuracies in the measurement ,
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.During the measuring process, many different transmission and calculation errors can occur at any time, which the user is made aware of by the flashing of the error indicator lamp, the error status in question being indicated by a combination of the indicator lamps of the six transducers according to a code. It can be seen that instead of the front panel 162 An alphanumeric liquid crystal display can optionally be used, on which alphanumeric error and end stop warnings are displayed.
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.Now the 12 passed. A back plate 168 the series box 16 includes a variety of standard PC connectors and switches, including: a reset button 170 that resets the microprocessor; a power supply fan 172 for air circulation; a connector 174 for a PC AT standard keyboard; a connector 176 for an optional VGA board for monitoring the internal processes of the series box 16 ; a connector 178 for connecting the many different signal lines to transmit the measurement data; and a connector 180 as a standard RS232 connection for the central computer 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.The series box 16 monitors the temperature of the KMM 10 and modifies in real time the kinematics or math that calculates the movement of the KMM according to formulas that describe the expansion and contraction of the various components due to temperature changes. To this end, according to an important feature of the present invention, is a temperature monitoring board 182 (which includes a temperature transducer) at the second joint 42 inside a cover cap 184 arranged (see the 4 and 5 ). The KMM 10 is preferably built from aircraft aluminum and anodized on the outside. Preferably the entire arm 12 Made of the same material, except for the mounting screws, which are made of stainless steel. The same material is used to create uniform expansion and contraction features on the arm 12 and to make it more suitable for electronic compensation. More importantly, because of the extremely high stability that is required between all parts over the wide temperature range, no differential thermal expansion between the parts may occur. As has been mentioned, the temperature transducer 182 preferably in the transmission housing 42 arranged; it is assumed that the greatest mass is located at this point, and this point therefore stabilizes after a large temperature fluctuation.
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.Now on the 13 Reference in which the entire electronic circuitry for the KMM 10 and the series box 16 is reproduced. There are six encoders 80 reproduced, each encoder with an amplifier board 92 is provided, which is arranged close to it in order to obtain the lowest possible noise in the signal transmission. There is also an optional connector socket 154 reproduced, which is a six-pin connector and on the handle unit 56 is attached in order to be able to connect numerous different additional devices. There are also two control buttons 150 and 152 reproduced via that of the series box 16 the measuring process is displayed.
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.The temperature transducer is with a temperature board 182 provided that also in the arm 12 is housed, as in the 5 is shown. According to yet another important feature of the present invention, the temperature board has 182 an EEPROM board. An EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory) is a small computer memory unit that is used here to store a variety of specific calibration and serial number data about the arm (see the explanation regarding the 19 - 21 ). This is a very important feature of the present invention, which gives very good control of the KMM 10 enables, and importantly, prevents accidental swapping of software and poor. This also means that the arm 12 the KMM is an independent device, for which no specific calibration data in the Controllerbox 16 must be stored, which can therefore be serviced separately and / or used with other machines.
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.The electronics and pulse data from the arm electronics are then sent to a combined analog / digital converter-digital counter board 186 transmitted, which is a combined unit with a 12-bit analog / digital converter and a multi-channel 16-bit digital counter. The circuit board 186 is connected to the standard bus of the controller box. The counting information is provided by the core module 188 (which has an Intel 286 microprocessor commercially available from Ampro, for example with part number CMX-281-Q51) and programs that are stored in an EEPROM that is also contained in the controller box. The resulting data is then sent over the serial transmission port 189 transfer. The series box 16 on a microprocessor basis enables preprocessing for the KMM 10 specific calculations that do not require processing at the central computer level. Typical examples of such preprocessor calculations are: coordinate system transformations; Unit conversion; Leapfrog test from one coordinate system to another using an intermediate device; Execution of certain confirmation procedures, including calculation of the distance between two balls (such as the ANSI B89 ball bar); and outputting the data in specific formats required for transmission to many different central computers and user programs.
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.The series box is designed to communicate with a variety of central computer formats including PC, MSDOS, Windows, Unix, Apple, VME and others. The series box processes the transducer origin data on an ongoing basis and responds to the information requests or the query of the central computer with the desired three-dimensional position or orientation information. The language of the serial box has such a form that drivers of computer communication subroutines in the microprocessor 188 , for example for controlling the serial port or communicating with the KMM 10 , are written in the language of the central computer. This function is called "intelligent multi-protocol emulation and automatic switching" and works as follows: A large number of central computer programs can be installed in the central computer. These central computer programs call up a large number of requests from the serial port, to which the serial box must respond. A series of protocols have been preprogrammed in the series box for a large number of widely used software in order to respond to requests or queries for the series port. A fetch request by software requires a specific response. The mailbox receives the polling request, determines which protocol it belongs to and responds accordingly. This enables transparent communication between the KMM 10 and a wide variety of application software such as computer aided design and quality control software such as the AutoCadR CAD programs from Autodesk, Inc., CADKEYR from Cadkey, Inc., and others, as well as the GEOMETR quality control programs from Geomet Systems, Inc., and Micromeasure III by Brown and 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.The three-dimensional KMM of the present invention works as follows: When the mains voltage is switched on, the microprocessor performs 188 in the series box 16 Switch-on self-checking procedures and outputs voltage to the arm via the measuring device port 12 the KMM 10 , The microprocessor and those in the EEPROM 182 Saved software determines that none of the encoders was initialized when the mains voltage was switched on. Therefore, the microprocessor sends 188 a signal after the indicator board, causing all indicator lights 20 light up, which means that the reference position must be set. The user then moves the arm mechanically, causing the transducers to individually scan their area, sweeping a reference mark. When the reference mark is swiped over, the board responds 186 the digital counter by detecting the position of this reference mark and reporting the determination of the reference position of the transducer to the front panel display 20 , and then the relevant indicator lamp goes out. When the reference position has been set for all transducers, the system establishes a serial connection with the central computer and waits for further commands. When the front or rear button of the handle unit 56 is pressed, a measuring process is initiated. If the front button 150 is pressed, the current transducer readings are acquired. If the back button 152 is pressed, the microprocessor is informed that these values should be translated into dimensional coordinates and via the serial port to the central computer 18 should be output. The central computer 18 and the series box 16 will then react according to the mutual serial line requirements.
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 Zusammenbau 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.Now becomes the 19 . 20 and 21 passed. After assembling the KMM 10 the device is optimized or calibrated, for which purpose the program software is changed so that any measured imperfections during assembly or machining are taken into account. This initial calibration is an important feature of the present invention and is carried out in two stages. First, a variety of dimensional measurements are performed that include positions, orientations, and dimensions over the entire volume of the device. An optimization software program is then used to determine the actual misalignment that is present in each of the joint axes and to adapt the kinematic formulas that describe the movement of the arm. The general result is that imperfect machining and assembly are accomplished by identifying the imperfections and incorporating these imperfections into the device kinematics.
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.Below is the 19 and 20A –E referred. In order to record the huge amount of data accurately and conveniently, a calibration and test fixture is used, which in the 19 at 320 is reproduced. The jig 320 has a large granite slab 322 on, at a distance two towers 324 . 326 are attached, which can rotate 360 degrees in the horizontal plane. The KMM 10 is on the tower 326 attached, and the adjustable, dimensional test fixture 320 is on the other tower 324 appropriate. The jig 320 is on an extendable, vertical arm 328 attached in an opening 330 of the tower 324 is vertically displaceable. The arm is shown in the fully extended position.
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.It will continue on the 19 and 20 Referred. The adjustable, dimensional test fixture 320 has three basic components on a 610 mm (24 inch) long rod 332 on which a set of precision balls 334 attached, a series of holes arranged along its length 336 , and a precision step apprenticeship 338 610 mm (24 inch) long. The arm 332 is used to measure the positions of the holes, steps and balls at a variety of positions of the test jig and in all areas of the volume of the arm, as in the 21 is shown. This data is then optimized. The important optimization procedure can be briefly described as follows: The standard test fixture 320 with given positions and orientations of objects is taken from the arm 10 measured. The data is then processed through a multivariable optimization program designed to determine the relative misalignment and dimensions of all large components of the arm. Then the optimization is carried out and then a calibration file is created that contains the overall characteristics of the arm. These overall features and the later transducer measured values are presented in a large number. of kinematic formulas combined, whereby the values X, Y and Z are obtained in an absolute coordinate system.
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.In order to optimize the performance even further, there is a new reference ball 192 provided the side of a removable approach 194 is arranged on the pedestal 14 the KMM 10 is attached (see the 14 and 15 ). If the reference ball 192 at the pedestal 14 is arranged, it represents the absolute origin (0, 0, 0) of the device for the X, Y and Z axes. Due to the known position of the reference ball 192 it is according to the present invention by positioning the tips according to the 15 possible the coordinates of the digitizer tip 158 regarding the last joint of the KMM 10 to determine. If this position is known, the KMM 10 determine the position of the center of this sphere when the later measurements are made. Generally speaking, this means that many different probes can then be attached, depending on the application in question, and each probe can be calibrated with respect to the reference sphere.
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.Since the coordinate measuring machine according to the invention is portable, it will be subjected to rough treatment and positioning in many different environments. Therefore, in accordance with the present invention, a protocol is provided that allows the user to determine the level of volumetric accuracy according to a convenient maintenance schedule before using a device. Volumetric accuracy is defined according to ASME standard ANSI B89.1.12 (1989) as the ability of a device to measure a fixed length that is arranged in a variety of orientations in its working volume. The 16 illustrates the ability of the device according to the invention to do this while using a first ball bar arrangement 17 and 18 reproduce a second ball bar arrangement.
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.The 16 gives a standard ball bar 196 again, with a precision ball at each end 198 . 200 is arranged, these balls in two magnetic ball sockets 202 and 204 are used. The ball socket 202 is with the pedestal 14 the KMM 10 arranged, and the ball socket 204 is with the probe handle 56 arranged. If the arm 12 is moved around, there is a rotation between the ball sockets 202 . 204 and the bullets 198 . 200 to begin the movement, the KMM 10 the fixed distance between the center of the sphere 200 or the ball socket 204 by the handle 56 , and the center of the sphere 198 or the ball socket 202 at the pedestal 14 should measure. It must of course be remembered that the ball socket 202 at the pedestal 14 the primal jump (0, 0, 0) of the KMM 10 represents. The calibration software in the control box 16 then calculates the vector length from the origin (0, 0, 0) to the center of the sphere at the probe, and this length, which is of course invariable during the test, must be within the entire volume for many configurations and rotations of the handle and others Joints give a constant value.
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 O 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 160 ist
in der Kegelpfanne 208 positioniert, und die Kugel 210 kann
in der magnetischen Standardpfanne 202 des Untersatzes 14 der
KMM 10 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.It can be seen that the ball socket 204 the handle may be inconvenient and inappropriate when it is desired to check the accuracy of a particular probe on the handle. Therefore, according to an important feature of the present invention, a novel conical socket ball rod is used, as in 206 in the 17 is reproduced. The conical socket ball bar 206 includes a cone at one end 208 , and two balls at the other end 210 . 212 , The cone and the balls are by a rod 207 connected to each other by an angled area 207 has, the angle O is preferably 160 degrees. The bullet 212 is at an approach 209 attached to the side of the rod 206 extends. A spherical probe 158 or tip probe 160 is in the cone pan 208 positioned, and the ball 210 can in the standard magnetic pan 202 of the subset 14 the KMM 10 be attached. As with the calibration method of the 16 different positions of the ball and the rod, as well as joint positions are measured, the distance between the conical socket 208 and the ball 210 must remain constant. Due to the arrangement of the ball socket 202 it is of course not possible to locate the remote side of the machine (the one with the code number 214 designated position). For this purpose the ball 212 used like this in the 18 is shown. The user can use the conical socket ball rod 206 position so that the remote side of the KMM 10 is reached to the distance between the center of the ball 212 and the center of the cone pan 208 to eat.