Koordinatenmessgerät mit Distanzmesser zur

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*DE102015205110B420161110*
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DE 10 2015 205 110 B4 2016.11.10
Patentschrift
(12)
(21) Aktenzeichen: 10 2015 205 110.2
(22) Anmeldetag: 20.03.2015
(43) Offenlegungstag: 24.09.2015
(45) Veröffentlichungstag
der Patenterteilung: 10.11.2016
(51) Int Cl.:
G01B 11/03 (2006.01)
G01B 5/008 (2006.01)
G01B 11/14 (2006.01)
G01B 9/02 (2006.01)
G01S 17/08 (2006.01)
Innerhalb von neun Monaten nach Veröffentlichung der Patenterteilung kann nach § 59 Patentgesetz gegen das Patent
Einspruch erhoben werden. Der Einspruch ist schriftlich zu erklären und zu begründen. Innerhalb der Einspruchsfrist ist
eine Einspruchsgebühr in Höhe von 200 Euro zu entrichten (§ 6 Patentkostengesetz in Verbindung mit der Anlage zu §
2 Abs. 1 Patentkostengesetz).
(30) Unionspriorität:
14/223,067
24.03.2014
US
(73) Patentinhaber:
FARO TECHNOLOGIES, INC., Lake Mary, Fla., US
(74) Vertreter:
OFFICE FREYLINGER S.A., Strassen, LU
(72) Erfinder:
Bridges, Robert E., Kennett Square, US; Briggs,
Clark H., DeLand, Fla., US; Hoffer, John M.,
Strasburg, US
(56) Ermittelter Stand der Technik:
siehe Folgeseiten
(54) Bezeichnung: Koordinatenmessgerät mit Distanzmesser zur Verwendung für die Erstellung eines
Bezugsrahmens
(57) Hauptanspruch: Verfahren für die Erstellung eines Bezugsrahmens zum Betreiben eines tragbaren Gelenkarm-Koordinatenmessgerätes (Gelenkarm-KMG) zum
Messen von dreidimensionalen Koordinaten eines Objekts
im Raum, umfassend:
Bereitstellen des Gelenkarm-KMGs in einem Gelenkarm-KMG-Bezugsrahmen mit einem Ursprung, wobei das
Gelenkarm-KMG einen manuell positionierbaren Armabschnitt, eine Basis, eine berührungslose Messvorrichtung
und eine elektronische Schaltung umfasst, wobei der Armabschnitt ein erstes Ende und ein entgegengesetztes zweites Ende hat, wobei der Armabschnitt mehrere verbundene
Armsegmente umfasst, wobei jeder der mehreren verbundenen Armsegmente wenigstens ein Positionsmessgerät
zum Erzeugen von mehreren Positionssignalen umfasst,
wobei das erste Ende mit der Basis verbunden ist, wobei
die berührungslose Messvorrichtung mit dem zweiten Ende, einem Strahlungssender zum Senden elektromagnetischer Strahlung und einem Sensor verbunden ist, wobei die
elektronische Schaltung dafür ausgelegt ist, die mehreren
Positionssignale zu empfangen;
Bereitstellen eines ersten reflektierenden Ziels an einer ersten Stelle mit ersten dreidimensionalen Zielkoordinaten in
einem Ziel-Bezugsrahmen, eines zweiten reflektierenden
Ziels an einer zweiten Stelle mit zweiten dreidimensionalen
Zielkoordinaten in dem Ziel-Bezugsrahmen und eines dritten reflektierenden Ziels an einer dritten Stelle mit dritten
dreidimensionalen Zielkoordinaten in dem Ziel-Bezugsrahmen, wobei die erste Stelle, die zweite Stelle und die dritte
Stelle nicht kollinear sind;
manuelles Positionieren des zweiten Endes, um die gesendete elektromagnetische Strahlung zum ersten Ziel zu lenken;
Messen eines ersten Abstands zum ersten Ziel mit der
berührungslosen Messvorrichtung und Messen von ersten
mehreren Positionssignalen;
manuelles Positionieren des zweiten Endes, um die gesendete elektromagnetische Strahlung zum zweiten Ziel zu
lenken;
Messen eines zweiten Abstands zum zweiten Ziel mit der
berührungslosen Messvorrichtung und Messen von zweiten mehreren Positionssignalen; ...
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(56) Ermittelter Stand der Technik:
US 2012 / 0 099 100
US 2012 / 0 236 320
US
5 402 582
US
5 611 147
A1
A1
A
A
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Beschreibung
QUERVERWEIS AUF
VERWANDTE ANMELDUNGEN
[0001] Die vorliegende Anmeldung ist eine Teilfortführungsanmeldung der US-Patentanmeldung Nr.
13/524,028, eingereicht am 15. Juni 2012, welche eine Teilfortführungsanmeldung der US-Patentanmeldung Nr. 13/006,507, eingereicht am 14. Januar 2011
ist, und sie beansprucht den Vorteil der vorläufigen
Anmeldung Nr. 61/296,555, eingereicht am 20. Januar 2010, der vorläufigen Anmeldung Nr. 61/355,279,
eingereicht am 16. Juni 2010, und der vorläufigen Anmeldung Nr. 61/351,347, eingereicht am 4. Juni 2010,
deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit einbezogen ist.
HINTERGRUND
[0002] Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Koordinatenmessgerät und insbesondere ein tragbares
Gelenkarm-Koordinatenmessgerät mit einem Verbindungsstück auf einem Sondenende des Koordinatenmessgeräts, welches das Anschließen zusätzlicher Vorrichtungen an das Koordinatenmessgerät ermöglicht, welche eine Übertragungslaufzeit für berührungslose dreidimensionale Messungen verwenden.
[0003] Tragbare Gelenkarm-Koordinatenmessgeräte (Gelenkarm-KMGs) haben verbreitet bei der Herstellung oder Produktion von Teilen Anwendung gefunden, wobei die Abmessungen des Teils während
verschiedener Phasen der Herstellung oder Produktion (z. B. Bearbeitung) des Teils schnell und präzise geprüft werden müssen. Tragbare GelenkarmKMGs stellen eine starke Verbesserung gegenüber
bekannten ortsfesten oder feststehenden, teuren und
relativ schwierig zu verwendenden Messeinrichtungen dar, insbesondere bezüglich des Zeitaufwands
für die Vornahme der Größenmessungen von relativ
komplexen Teilen. Normalerweise führt ein Benutzer
eines tragbaren Gelenkarm-KMGs einfach eine Sonde entlang der Oberfläche des zu messenden Teils
oder Objekts. Die Messdaten werden dann aufgezeichnet und dem Bediener bereitgestellt. In einigen
Fällen werden dem Bediener die Daten in optischer
Form bereitgestellt, beispielsweise in dreidimensionaler (3D-)Form auf einem Computerbildschirm. In
anderen Fällen werden dem Bediener die Daten in
numerischer Form bereitgestellt, beispielsweise wird
bei der Messung eines Lochdurchmessers der Text
"Durchmesser = 1,0034" auf einem Computerbildschirm angezeigt.
[0004] Ein Beispiel für ein tragbares GelenkarmKMG des Stands der Technik ist in dem US-Patent
Nr. 5 402 582 A ('582) des gleichen Inhabers offenbart, welches hierin in seiner Gesamtheit einbezo-
gen ist. Das Patent '582 offenbart ein 3D-Messsystem, das ein manuell bedientes Gelenkarm-KMG mit
einer Tragbasis an einem Ende und einer Messsonde am anderen Ende umfasst. Das US-Patent Nr. 5,
611,147 ('147) des gleichen Inhabers, welches hier
in seiner Gesamtheit einbezogen ist, offenbart ein
ähnliches Gelenkarm-KMG. In dem Patent '147 umfasst das Gelenkarm-KMG eine Reihe von Merkmalen, einschließlich einer zusätzlichen Drehachse am
Sondenende, wodurch ein Arm mit einer Konfiguration entweder von zwei-zwei-zwei oder zwei-zwei-drei
Achsen bereitgestellt wird (wobei Letztere ein Arm mit
sieben Achsen ist).
[0005] Dreidimensionale Oberflächen können auch
unter Verwendung von berührungslosen Techniken
gemessen werden. Eine Art von berührungsloser
Vorrichtung, die manchmal als eine Laserliniensonde
bezeichnet wird, strahlt ein Laserlicht entweder auf
einen Punkt oder entlang einer Linie aus. Eine Bildgebungsvorrichtung, wie zum Beispiel eine ladungsgekoppelte (CCD-)Vorrichtung, wird neben dem Laser positioniert, um ein Bild des reflektierten Lichts
von der Oberfläche einzufangen. Die Oberfläche des
gemessenen Objekts verursacht eine diffuse Reflexion. Das Bild auf dem Sensor ändert sich in dem
Maße, wie sich der Abstand zwischen dem Sensor
und der Oberfläche ändert. Durch Kenntnis der Beziehung zwischen dem Bildgebungssensor und dem
Laser und der Position des Laserbildes auf dem Sensor können Dreiecksvermessungsverfahren verwendet werden, um Punkte auf der Oberfläche zu messen.
[0006] Während bestehende KMGs für ihre beabsichtigten Zwecke geeignet sind, besteht Bedarf
an einem tragbaren Gelenkarm-KMG mit gewissen
Merkmalen von Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
[0007] Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines tragbaren Gelenkarm-Koordinatenmessgerätes (Gelenkarm-KMG) zum Messen von dreidimensionalen Koordinaten eines Objekts im Raum zur Verfügung
gestellt, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen
des Gelenkarm-KMGs in einem Gelenkarm-KMGBezugsrahmen mit einem Ursprung, wobei das Gelenkarm-KMG einen manuell positionierbaren Armabschnitt, eine Basis, eine berührungslose Messvorrichtung und eine elektronische Schaltung umfasst,
wobei der Armabschnitt ein erstes Ende und ein entgegengesetztes zweites Ende hat, wobei der Armabschnitt mehrere verbundene Armsegmente umfasst,
wobei jeder der mehreren verbundenen Armsegmente wenigstens ein Positionsmessgerät zum Erzeugen von mehreren Positionssignalen umfasst, wobei
das erste Ende mit der Basis verbunden ist, wobei
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die berührungslose Messvorrichtung mit dem zweiten Ende, einem elektromagnetischen Strahlungssender und einem Sensor verbunden ist, wobei die
elektronische Schaltung dafür ausgelegt ist, die mehreren Positionssignale zu empfangen; Bereitstellen
eines ersten reflektierenden Ziels an einer ersten
Stelle mit ersten dreidimensionalen Zielkoordinaten
in einem Ziel-Bezugsrahmen, eines zweiten reflektierenden Ziels an einer zweiten Stelle mit zweiten
dreidimensionalen Zielkoordinaten in dem Ziel-Bezugsrahmen und eines dritten reflektierenden Ziels
an einer dritten Stelle mit dritten dreidimensionalen Zielkoordinaten in dem Ziel-Bezugsrahmen, wobei die erste Stelle, die zweite Stelle und die dritte Stelle nicht kollinear sind; manuelles Positionieren des zweiten Endes zum Lenken der gesendeten elektromagnetischen Strahlung an das erste Ziel; Messen eines ersten Abstands zum ersten
Ziel mit der berührungslosen Messvorrichtung und
Messen von ersten mehreren Positionssignalen; manuelles Positionieren des zweiten Endes zum Lenken der gesendeten elektromagnetischen Strahlung
an das zweite Ziel; Messen eines zweiten Abstands
zum zweiten Ziel mit der berührungslosen Messvorrichtung und Messen von zweiten mehreren Positionssignalen; manuelles Positionieren des zweiten Endes zum Lenken der gesendeten elektromagnetischen Strahlung an das dritte Ziel; Messen eines dritten Abstands zum dritten Ziel mit der berührungslosen Messvorrichtung und Messen von dritten
mehreren Positionssignalen; Bestimmen, durch einen Prozessor, relativ zu dem Ziel-Bezugsrahmen,
von ersten Ursprungskoordinaten und ersten Gelenkarm-KMG-Ausrichtungswinkeln, wobei die ersten Ursprungskoordinaten dreidimensionale Koordinaten des ersten Ursprungs in dem Ziel-Bezugsrahmen sind und die ersten Gelenkarm-KMG-Ausrichtungswinkel drei Ausrichtungsdrehwinkel des ersten
Gelenkarm-KMGs in dem Ziel-Bezugsrahmen sind,
wobei die ersten Ursprungskoordinaten und die ersten Gelenkarm-KMG-Ausrichtungswinkel zumindest
teilweise auf dem ersten Abstand, den ersten mehreren Signalen, den ersten dreidimensionalen Koordinaten, dem zweiten Abstand, den zweiten mehreren Signalen, den zweiten dreidimensionalen Koordinaten, dem dritten Abstand, den dritten mehreren Signalen und den dritten dreidimensionalen Koordinaten basieren; und Speichern der ersten Ursprungskoordinaten und der ersten Gelenkarm-KMG-Ausrichtungswinkel.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[0008] Nun bezugnehmend auf die Zeichnungen
sind beispielhafte Ausführungsformen gezeigt, welche nicht als den gesamten Schutzbereich der Offenbarung einschränkend aufzufassen sind und wobei
die Elemente in mehreren Figuren gleich nummeriert
sind:
[0009] Fig. 1, umfassend die Fig. 1A und Fig. 1B,
ist eine perspektivische Ansicht eines tragbaren Gelenkarm-Koordinatenmessgeräts (GelenkarmKMGs), das Ausführungsformen verschiedener Aspekte der vorliegenden Erfindung enthält;
[0010] Fig. 2, umfassend die Fig. 2A–Fig. 2D zusammen, ist ein Blockschaltbild der Elektronik, die als
Teil des Gelenkarm-KMGs von Fig. 1 gemäß einer
Ausführungsform verwendet wird;
[0011] Fig. 3, umfassend die Fig. 3A und Fig. 3B zusammen, ist ein Blockschaltbild, das detaillierte Merkmale des elektronischen Datenverarbeitungssystems
von Fig. 2 gemäß einer Ausführungsform beschreibt;
[0012] Fig. 4 ist eine isometrische Ansicht des Sondenendes des Gelenkarm-KMGs aus Fig. 1;
[0013] Fig. 5 ist eine Seitenansicht des Sondenendes aus Fig. 4, wobei der Griff an dieses gekoppelt
ist;
[0014] Fig. 6 ist eine Seitenansicht des Sondenendes aus Fig. 4, wobei der Griff angebracht ist;
[0015] Fig. 7 ist eine vergrößerte teilweise Seitenansicht des Schnittstellenabschnitts des Sondenendes
aus Fig. 6;
[0016] Fig. 8 ist eine weitere vergrößerte teilweise
Seitenansicht des Schnittstellenabschnitts des Sondenendes aus Fig. 5;
[0017] Fig. 9 ist eine isometrische Ansicht teilweise
im Schnitt des Griffs aus Fig. 4;
[0018] Fig. 10 ist eine isometrische Ansicht des Sondenendes des Gelenkarm-KMGs aus Fig. 1 mit einer
daran angebrachten berührungslosen Distanz-Messvorrichtung;
[0019] Fig. 11 ist eine schematische Ansicht einer
Ausführungsform, wobei die Vorrichtung aus Fig. 10
ein Interferometer-System ist;
[0020] Fig. 12 ist eine schematische Ansicht einer
Ausführungsform, wobei die Vorrichtung aus Fig. 10
ein Absolutdistanzmess-System ist;
[0021] Fig. 13 ist eine schematische Ansicht einer
Ausführungsform, wobei die Vorrichtung aus Fig. 10
ein Distanzmesser vom Fokussiertyp ist; und
[0022] Fig. 14 ist eine schematische Ansicht einer
Ausführungsform, wobei die Vorrichtung aus Fig. 10
ein Distanzmesser vom fokussierenden Kontrasttyp
ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
[0023] Tragbare Gelenkarm-Koordinatenmessgeräte ("Gelenkarm-KMGs") werden in einer Vielfalt von
Anwendungen verwendet, um Messungen von Objekten zu erhalten. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten Vorteile dahingehend, dass ein
Bediener leicht und schnell Zubehörvorrichtungen,
welche strukturiertes Licht verwenden, um die berührungslose Messung eines dreidimensionalen Objekts
zu ermöglichen, an ein Sondenende des GelenkarmKMGs koppeln kann. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten weitere Vorteile dahingehend, dass sie Kommunikationsdaten bereitstellen,
die einen von dem Zubehör gemessenen Abstand zu
einem Objekt darstellen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten noch weitere Vorteile dahingehend, dass sie einem abnehmbaren Zubehörteil
Strom und Datenkommunikation bereitstellen, ohne
dass externe Anschlüsse oder Verdrahtungen vorliegen.
[0024] Die Fig. 1A und Fig. 1B zeigen perspektivisch ein Gelenkarm-KMG 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung,
wobei ein Gelenkarm eine Art von Koordinatenmessgerät ist. Wie in den Fig. 1A und Fig. 1B gezeigt ist,
kann das beispielhafte Gelenkarm-KMG 100 ein Gelenkmessgerät mit sechs oder sieben Achsen mit einem Sondenende 401 (Fig. 4) umfassen, das an einem Ende ein an einen Armabschnitt 104 des Gelenkarm-KMGs 100 gekoppeltes Messsondengehäuse 102 umfasst. Der Armabschnitt 104 umfasst ein
erstes Armsegment 106, das durch eine erste Gruppierung von Lagereinsätzen 110 (z. B. zwei Lagereinsätzen) an ein zweites Armsegment 108 gekoppelt
ist. Eine zweite Gruppierung von Lagereinsätzen 112
(z. B. zwei Lagereinsätze) koppelt das zweite Armsegment 108 an das Messsondengehäuse 102. Eine
dritte Gruppierung von Lagereinsätzen 114 (z. B. drei
Lagereinsätze) koppelt das erste Armsegment 106
an eine Basis 116, die am anderen Ende des Armabschnitts 104 des Gelenkarm-KMGs 100 angeordnet
ist. Jede Gruppierung von Lagereinsätzen 110, 112,
114 stellt mehrere Achsen der Gelenkbewegung bereit. Das Sondenende 401 kann auch ein Messsondengehäuse 102 umfassen, welches die Welle einer
Drehachse für das Gelenkarm-KMG 100 umfasst (z.
B. ein Einsatz, der ein Codierersystem enthält, das
die Bewegung der Messvorrichtung, zum Beispiel einer Sonde 118, in einer Drehachse für das Gelenkarm-KMG 100 bestimmt). Bei dieser Ausführungsform kann sich das Sondenende 401 um eine Achse
drehen, die sich durch die Mitte des Messsondengehäuses 102 erstreckt. Die Basis 116 ist bei der Verwendung des Gelenkarm-KMGs 100 normalerweise
an einer Arbeitsfläche befestigt.
[0025] Jeder Lagereinsatz innerhalb jeder Lagereinsatzgruppierung 110, 112, 114 enthält normalerwei-
se ein Codierersystem (z. B. ein optisches Winkelcodierersystem). Das Codierersystem (d. h. ein Messumformer) stellt eine Angabe der Position der jeweiligen Armsegmente 106, 108 und der entsprechenden
Lagereinsatzgruppierungen 110, 112, 114 bereit, die
alle zusammen eine Angabe der Position der Sonde
118 in Bezug auf die Basis 116 bereitstellen (und somit die Position des durch das Gelenkarm-KMG 100
gemessenen Objekts in einem bestimmten Bezugsrahmen – beispielsweise einem lokalen oder globalen Bezugsrahmen). Die Armsegmente 106, 108 können aus einem in geeigneter Weise starren Material
bestehen, beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu
sein, einem Kohlefaserverbundmaterial. Ein tragbares Gelenkarm-KMG 100 mit sechs oder sieben Achsen der Gelenkbewegung (d. h. Freiheitsgraden) bietet Vorteile dahingehend, dass dem Bediener gestattet wird, die Sonde 118 an einer gewünschten Stelle
innerhalb eines 360°-Bereichs um die Basis 116 zu
positionieren, wobei ein Armabschnitt 104 bereitgestellt wird, der vom Bediener leicht gehandhabt werden kann. Es versteht sich jedoch, dass die Darstellung eines Armabschnitts 104 mit zwei Armsegmenten 106, 108 als Beispiel dient und die beanspruchte
Erfindung nicht darauf beschränkt werden sollte. Ein
Gelenkarm-KMG 100 kann eine beliebige Anzahl von
durch Lagereinsätze aneinander gekoppelten Armsegmenten (und somit mehr oder weniger als sechs
oder sieben Achsen der Gelenkbewegung oder Freiheitsgrade) aufweisen.
[0026] Die Sonde 118 ist abnehmbar am Messsondengehäuse 102 angebracht, welches mit der Lagereinsatzgruppierung 112 verbunden ist. Ein Griff 126
ist in Bezug auf das Messsondengehäuse 102 beispielsweise mittels eines Schnellverbinderanschlusses abnehmbar. Wie später genauer besprochen
wird, kann der Griff 126 durch eine andere Vorrichtung ersetzt werden, die dafür ausgelegt ist, eine
berührungslose Distanzmessung eines Objekts vorzunehmen, wodurch Vorteile dahingehend geschaffen werden, dass der Bediener mit dem gleichen
Gelenkarm-KMG 100 Kontakt-Messungen und berührungslose Messungen vornehmen kann. In beispielhaften Ausführungsformen ist die Sonde 118 eine Kontakt-Messvorrichtung und ist abnehmbar. Die
Sonde 118 kann dann verschiedene Spitzen 118 haben, die das zu messende Objekt physikalisch berühren, umfassend, jedoch nicht darauf beschränkt:
Sonden vom Kugeltyp, berührungsempfindliche, gebogene und verlängerte Sonden. In anderen Ausführungsformen erfolgt die Messung zum Beispiel
durch eine berührungslose Vorrichtung, wie ein Interferometer oder eine Absolut-Distanzmessvorrichtung
(ADM). Der Griff 126 ist bei einer Ausführungsform
durch die codierte Streifenlichtscanner-Vorrichtung
unter Verwendung des Schnellverbinderanschlusses
ersetzt. Andere Typen von Messgeräten können den
abnehmbaren Griff 126 ersetzen, um eine zusätzliche Funktionalität bereitzustellen. Beispiele für sol-
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che Messgeräte umfassen, ohne darauf beschränkt
zu sein, zum Beispiel eine oder mehrere Beleuchtungslampen, einen Temperatursensor, einen Thermoscanner, einen Strichcodescanner, einen Projektor, eine Lackierpistole, eine Kamera oder dergleichen.
[0027] Wie in Fig. 1A und Fig. 1B gezeigt ist, umfasst das Gelenkarm-KMG 100 den abnehmbaren
Griff 126, der Vorteile dahingehend bietet, dass Zubehörteile oder die Funktionalität ausgetauscht werden
können, ohne dass das Messsondengehäuse 102
von der Lagereinsatzgruppierung 112 entfernt werden muss. Wie unter Bezugnahme auf Fig. 2 später
ausführlicher besprochen wird, kann der abnehmbare Griff 126 auch einen elektrischen Anschluss umfassen, der es gestattet, dass elektrische Energie und
Daten mit dem Griff 126 und der entsprechenden,
sich im Sondenende 401 befindlichen Elektronik ausgetauscht werden.
[0028] Bei verschiedenen Ausführungsformen ermöglicht jede Gruppierung von Lagereinsätzen 110,
112, 114, dass sich der Armabschnitt 104 des Gelenkarm-KMGs 100 um mehrere Drehachsen bewegt. Wie erwähnt, umfasst jede Lagereinsatzgruppierung 110, 112, 114 entsprechende Codierersysteme, wie beispielsweise optische Winkelcodierer, die
jeweils koaxial mit der entsprechenden Drehachse z.
B. der Armsegmente 106, 108 angeordnet sind. Das
optische Codierersystem erfasst eine Drehbewegung
(Schwenkbewegung) oder Querbewegung (Gelenkbewegung) beispielsweise von jedem der Armsegmente 106, 108 um die entsprechende Achse und
überträgt ein Signal an ein elektronisches Datenverarbeitungssystem in dem Gelenkarm-KMG 100, wie
hier im Folgenden ausführlicher beschrieben wird.
Jede einzelne unverarbeitete Codiererzählung wird
separat als Signal an das elektronische Datenverarbeitungssystem gesendet, wo sie zu Messdaten weiterverarbeitet wird. Es ist kein von dem GelenkarmKMG 100 selbst getrennter Positionsberechner (z. B.
eine serielle Box) erforderlich, wie in dem US-Patent
Nr. 5 402 582 A ('582) des gleichen Inhabers offenbart ist.
[0029] Die Basis 116 kann eine Befestigungs- bzw.
Montagevorrichtung 120 umfassen. Die Montagevorrichtung 120 ermöglicht die abnehmbare Montage
des Gelenkarm-KMGs 100 an einer gewünschten
Stelle, wie beispielsweise einem Inspektionstisch, einem Bearbeitungszentrum, einer Wand oder dem Boden.
[0030] Die Basis 116 umfasst bei einer Ausführungsform einen Griffabschnitt 122, der eine zweckmäßige
Stelle bietet, an welcher der Bediener die Basis 116
hält, während das Gelenkarm-KMG 100 bewegt wird.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Basis 116
ferner einen beweglichen Abdeckungsabschnitt 124,
der herunterklappbar ist, um eine Benutzerschnittstelle, wie beispielsweise einen Anzeigebildschirm,
freizugeben.
[0031] Gemäß einer Ausführungsform enthält die
Basis 116 des tragbaren Gelenkarm-KMGs 100 eine elektronische Schaltung mit einem elektronischen
Datenverarbeitungssystem oder nimmt dieses auf,
welches zwei primäre Komponenten umfasst: ein Basisverarbeitungssystem, das die Daten von den verschiedenen Codierersystemen innerhalb des Gelenkarm-KMGs 100 sowie Daten, die andere Armparameter zur Unterstützung der dreidimensionalen (3D)
Positionsberechnungen repräsentieren, verarbeitet;
und ein Benutzerschnittstellen-Verarbeitungssystem,
das ein integriertes Betriebssystem, einen berührungssensitiven Bildschirm und eine residente Anwendungssoftware umfasst, welche die Implementierung relativ vollständiger messtechnischer Funktionen innerhalb des Gelenkarm-KMGs 100 gestattet,
ohne dass dabei eine Verbindung zu einem externen
Computer vorhanden sein muss.
[0032] Das elektronische Datenverarbeitungssystem in der Basis 116 kann mit den Codierersystemen, Sensoren und anderer peripherer Hardware,
die entfernt von der Basis 116 angeordnet ist (z.
B. eine berührungslose Distanzmessvorrichtung, die
am abnehmbaren Griff 126 am Gelenkarm-KMG 100
montiert sein kann), kommunizieren. Die Elektronik,
die diese peripheren Hardwarevorrichtungen oder merkmale unterstützt, kann in jeder der in dem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 angeordneten Lagereinsatzgruppierungen 110, 112, 114 angeordnet sein.
[0033] Fig. 2 ist ein Blockschaltbild der Elektronik,
die gemäß einer Ausführungsform in einem Gelenkarm-KMG 100 verwendet wird. Die in Fig. 2A dargestellte Ausführungsform umfasst ein elektronisches
Datenverarbeitungssystem 210, das eine Basisprozessorkarte 204 zur Implementierung des Basisverarbeitungssystems, eine Benutzerschnittstellenkarte
202, eine Basisenergiekarte 206 zur Bereitstellung
von Energie, ein Bluetooth-Modul 232 und eine Basisneigungskarte 208 umfasst. Die Benutzerschnittstellenkarte 202 umfasst einen Computerprozessor
zum Ausführen der Anwendungssoftware, um Benutzerschnittstellen-, Bildschirm- und andere hier beschriebene Funktionen durchzuführen.
[0034] Wie in Fig. 2A gezeigt ist, steht das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 über einen
oder mehrere ARM®-Busse 218 mit den vorgenannten mehreren Codierersystemen in Verbindung. Jedes Codierersystem erzeugt bei der in Fig. 2B und
Fig. 2C dargestellten Ausführungsform Codiererdaten und umfasst: eine Codierer-ARM®-Bus-Schnittstelle 214, einen digitalen Codierer-Signalprozessor
(DSP) 216, eine Codierer-Lesekopf-Schnittstelle 234
und einen Temperatursensor 212. Andere Vorrich-
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tungen, wie beispielsweise Dehnungssensoren, können an den ARM®-Bus 218 angeschlossen werden.
[0035] In Fig. 2D ist auch die Sondenende-Elektronik 230 dargestellt, die mit dem ARM®-Bus 218 in
Verbindung steht. Die Sondenende-Elektronik 230
umfasst einen Sondenende-DSP 228, einen Temperatursensor 212, einen Griff-/Vorrichtungs-Schnittstellenbus 240, der bei einer Ausführungsform über
den Schnellverbinderanschluss mit dem Griff 126
oder der berührungslosen Distanzmessvorrichtung
242 verbunden ist, und eine Sondenschnittstelle 226.
Der Schnellverbinderanschluss ermöglicht den Zugang des Griffs 126 zu dem Datenbus, den Steuerleitungen, dem von der berührungslosen Distanzmessvorrichtung 242 benutzten Energiebus und anderen
Ausrüstungsteilen. Die Sondenende-Elektronik 230
ist bei einer Ausführungsform in dem Messsondengehäuse 102 an dem Gelenkarm-KMG 100 angeordnet.
Der Griff 126 kann bei einer Ausführungsform von
dem Schnellverbinderanschluss entfernt werden, und
die Messung kann mit der berührungslosen Distanzmessvorrichtung 242, die über den Schnittstellenbus 240 mit der Sondenende-Elektronik 230 des Gelenkarm-KMGs 100 kommuniziert, durchgeführt werden. Bei einer Ausführungsform sind das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 in der Basis 116
des Gelenkarm-KMGs 100, die Sondenende-Elektronik 230 im Messsondengehäuse 102 des Gelenkarm-KMGs 100 und die Codierersysteme in den Lagereinsatzgruppierungen 110, 112, 114 angeordnet.
Die Sondenschnittstelle 226 kann durch ein beliebiges geeignetes Kommunikationsprotokoll, etwa ein
1-Wire®-Kommunikationsprotokoll 236, mit dem Sondenende-DSP 228 verbunden werden.
[0036] Fig. 3A ist ein Blockschaltbild, das ausführliche Merkmale des elektronischen Datenverarbeitungssystems 210 des Gelenkarm-KMGs 100 gemäß
einer Ausführungsform beschreibt. Das elektronische
Datenverarbeitungssystem 210 ist bei einer Ausführungsform in der Basis 116 des Gelenkarm-KMGs
100 angeordnet und umfasst die Basisprozessorkarte 204, die Benutzerschnittstellenkarte 202, eine Basisenergiekarte 206, ein Bluetooth-Modul 232 und ein
Basisneigungsmodul 208.
[0037] Bei einer in Fig. 3A gezeigten Ausführungsform umfasst die Basisprozessorkarte 204 die verschiedenen dort dargestellten funktionellen Blöcke.
Eine Basisprozessorfunktion 302 wird beispielsweise verwendet, um die Sammlung von Messdaten von
dem Gelenkarm-KMG 100 zu unterstützen, und empfängt über den ARM®-Bus 218 und eine Bussteuermodulfunktion 308 unverarbeitete Armdaten (z. B.
Daten des Codierersystems). Die Speicherfunktion
304 speichert Programme und statische Armkonfigurationsdaten. Die Basisprozessorkarte 204 umfasst
ferner eine für eine externe Hardwareoption vorgesehene Portfunktion 310, um mit etwaigen exter-
nen Hardwaregeräten oder Zubehörteilen, wie beispielsweise einer berührungslosen Distanzmessvorrichtung 242, zu kommunizieren. Eine Echtzeituhr
(Real Time Clock, RTC) und ein Protokoll 306, eine Batteriesatzschnittstelle (Interface, IF) 316 und
ein Diagnoseport 318 sind bei einer Ausführungsform
der in Fig. 3 abgebildeten Basisprozessorkarte 204
ebenfalls in der Funktionalität enthalten.
[0038] Die Basisprozessorkarte 204 leitet auch die
gesamte drahtgebundene und drahtlose Datenkommunikation mit externen (Host-Rechner) und internen (Bildschirmprozessor 202) Vorrichtungen. Die
Basisprozessorkarte 204 ist in der Lage, über eine
Ethernet-Funktion 320 mit einem Ethernet-Netz (wobei z. B. eine Taktsynchronisations-Norm, wie beispielsweise die IEEE-Norm 1588 verwendet wird),
über eine LAN-Funktion 322 mit einem drahtlosen lokalen Netz (WLAN; wireless local area network) und
über eine Parallel-Seriell-Kommunikations-Funktion
(PSK-Funktion) 314 mit dem Bluetooth-Modul 232
zu kommunizieren. Die Basisprozessorkarte 204 umfasst des Weiteren einen Anschluss an ein UniversalSerial-Bus-Gerät (USB-Gerät) 312.
[0039] Die Basisprozessorkarte 204 überträgt und
sammelt unverarbeitete Messdaten (z. B. Zählungen des Codierersystems, Temperaturablesungen)
für die Verarbeitung zu Messdaten, ohne dass dabei irgendeine Vorverarbeitung erforderlich ist, wie
sie beispielsweise bei der seriellen Box des vorgenannten Patents '582 offenbart ist. Der Basisprozessor 204 sendet die verarbeiteten Daten über eine
RS485-Schnittstelle (IF) 326 an den Bildschirmprozessor 328 auf der Benutzerschnittstellenkarte 202.
Bei einer Ausführungsform sendet der Basisprozessor 204 auch die unverarbeiteten Messdaten an einen externen Computer.
[0040] Nun bezugnehmend auf die Benutzerschnittstellenkarte 202 in Fig. 3B, werden die vom Basisprozessor empfangenen Winkel- und Positionsdaten
von auf dem Bildschirmprozessor 328 ausgeführten
Anwendungen verwendet, um ein autonomes messtechnisches System in dem Gelenkarm-KMG 100
bereitzustellen. Die Anwendungen können auf dem
Bildschirmprozessor 328 ausgeführt werden, um beispielsweise folgende, aber nicht auf diese beschränkte Funktionen zu unterstützen: Messung von Merkmalen, Anleitungs- und Schulungsgrafiken, Ferndiagnostik, Temperaturkorrekturen, Steuerung verschiedener Betriebsmerkmale, Verbindung zu verschiedenen Netzwerken und Anzeige von gemessenen Objekten. Die Benutzerschnittstellenkarte 202 umfasst,
zusammen mit dem Bildschirmprozessor 328 und
einer Benutzerschnittstelle für einen Flüssigkristallbildschirm (LCD-Bildschirm) 338 (z. B. einen berührungssensitiven LCD-Bildschirm), mehrere Schnittstellenoptionen, zu denen eine Secure-Digital-Karten-Schnittstelle (SD-Karten-Schnittstelle) 330, ein
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Speicher 332, eine USB-Host-Schnittstelle 334, ein
Diagnoseport 336, ein Kameraport 340, eine Audio-/
Video-Schnittstelle 342, ein Wähl-/Funkmodem 344
und ein Port 346 für das Global Positioning System
(GPS) gehören.
[0041] Das in Fig. 3A abgebildete elektronische
Datenverarbeitungssystem 210 umfasst des Weiteren eine Basisenergiekarte 206 mit einem Umgebungsaufzeichnungsgerät 362 zur Aufzeichnung von
Umgebungsdaten. Die Basisenergiekarte 206 stellt
auch Energie für das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 bereit, wobei ein WechselstromGleichstrom-Wandler 358 und eine Batterieladegerät-Steuerung 360 verwendet werden. Die Basisenergiekarte 206 steht über einen seriellen Single-Ended-Bus 354, der einen I2C-Bus (Inter-Integrated Circuit) aufweist, sowie über eine serielle Peripherieschnittstelle einschließlich DMA (DSPI) 357 mit der
Basisprozessorkarte 204 in Verbindung. Die Basisenergiekarte 206 ist über eine Ein-/Ausgabe-Erweiterungsfunktion (I/O-Erweiterungsfunktion) 364, die in
der Basisenergiekarte 206 implementiert ist, mit einem Neigungssensor und einem Hochfrequenzidentifikations-Modul (RFID-Modul) 208 verbunden.
[0042] Obwohl sie als separate Komponenten dargestellt sind, können bei anderen Ausführungsformen alle oder eine Untergruppe der Komponenten
physisch an verschiedenen Stellen angeordnet sein
und/oder die Funktionen auf andere Art als die in
Fig. 3 dargestellte kombiniert sein. Beispielsweise
sind die Basisprozessorkarte 204 und die Benutzerschnittstellenkarte 202 bei einer Ausführungsform in
einer physischen Karte kombiniert.
[0043] Nun mit Bezug auf die Fig. 4–Fig. 9 ist eine
beispielhafte Ausführungsform eines Sondenendes
401 mit einem Messsondengehäuse 102 mit einem
mechanischen und elektrischen Schnellverbinderanschluss gezeigt, der das Koppeln einer abnehmbaren
und austauschbaren Vorrichtung 400 an das Gelenkarm-KMG 100 gestattet. In der beispielhaften Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung 400 eine Hülle
402, die einen Griffabschnitt 404 umfasst, der so bemessen und geformt ist, dass er in der Hand eines
Bedieners gehalten werden kann, wie zum Beispiel
bei einem Pistolengriff. Die Hülle 402 ist eine dünnwandige Struktur mit einem Hohlraum 406 (Fig. 9).
Der Hohlraum 406 ist so bemessen und ausgeführt,
dass er einen Controller 408 aufnehmen kann. Der
Controller 408 kann eine digitale Schaltung, zum Beispiel mit einem Mikroprozessor, oder eine analoge
Schaltung sein. In einer Ausgestaltung steht der Controller 408 in asynchroner bidirektionaler Verbindung
mit dem elektronischen Datenverarbeitungssystem
210 (Fig. 2 und Fig. 3). Die Kommunikationsverbindung zwischen dem Controller 408 und dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 kann drahtgebunden sein (z. B. über den Controller 420), oder
sie kann eine direkte oder indirekte drahtlose Verbindung (z. B. Bluetooth oder IEEE 802.11), oder aber
eine Kombination von einer drahtgebundenen und einer drahtlosen Verbindung sein. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Hülle 402 in zwei Hälften 410, 412 ausgebildet, zum Beispiel aus einem
Spritzguss-Kunststoffmaterial. Die Hälften 410, 412
können durch Befestigungsmittel, wie zum Beispiel
Schrauben 414, aneinander befestigt sein. In anderen Ausführungsformen können die Hüllenhälften
410, 412 zum Beispiel durch Klebstoffe oder durch
Ultraschallschweißen aneinander befestigt sein.
[0044] Der Griffabschnitt 404 umfasst auch Knöpfe oder Stellglieder 416, 418, die durch den Bediener manuell aktiviert werden können. Die Stellglieder
416, 418 sind an den Controller 408 gekoppelt, der
an einen Controller 420 innerhalb des Sondengehäuses 102 ein Signal übermittelt. In den beispielhaften
Ausführungsformen führen die Stellglieder 416, 418
die Funktionen der Stellglieder 422, 424, aus, die auf
dem Sondengehäuse 102 gegenüber der Vorrichtung
400 angeordnet sind. Es ist ersichtlich, dass die Vorrichtung 400 zusätzliche Schalter, Knöpfe oder andere Stellglieder aufweisen kann, die auch verwendet
werden können, um die Vorrichtung 400 und das Gelenkarm-KMG 100 zu steuern, oder umgekehrt. Die
Vorrichtung 400 kann zum Beispiel auch Anzeigevorrichtungen, wie Leuchtdioden (LEDs), Schallgeber,
Messgeräte, Anzeigen oder Messinstrumente aufweisen. In einer Ausführungsform kann die Vorrichtung 400 ein digitales Sprachaufzeichnungsgerät umfassen, das die Synchronisierung von verbalen Kommentaren mit einem gemessenen Punkt gestattet.
In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst die
Vorrichtung 400 ein Mikrophon, das es dem Bediener
gestattet, sprachgesteuerte Befehle an das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 zu übertragen.
[0045] In einer Ausführungsform kann der Griffabschnitt 404 dafür ausgeführt sein, mit jeder Hand
des Bedieners oder mit einer bestimmten Hand (z.
B. der linken Hand oder der rechten Hand) verwendet zu werden. Der Griffabschnitt 404 kann auch dafür ausgeführt sein, von Bedienern mit Behinderungen bedient zu werden (z. B. Bediener, denen Finger fehlen, oder Bediener mit Armprothesen). Des
Weiteren kann der Griffabschnitt 404 abgenommen
und das Sondengehäuse 102 alleine verwendet werden, wenn die Raumverhältnisse beengt sind. Wie
oben besprochen, kann das Sondenende 401 auch
die Welle einer Drehachse für das Gelenkarm-KMG
100 umfassen.
[0046] Das Sondenende 401 umfasst eine mechanische und elektrische Schnittstelle 426 mit einem ersten Verbindungsstück 429 (Fig. 8) auf der Vorrichtung 400, das mit einem zweiten Verbindungsstück
428 auf dem Sondengehäuse 102 zusammenwirkt.
Die Verbindungsstücke 428, 429 können elektrische
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und mechanische Merkmale umfassen, die das Koppeln der Vorrichtung 400 an das Sondengehäuse
102 gestatten. In einer Ausführungsform umfasst die
Schnittstelle 426 eine erste Oberfläche 430 mit einem
mechanischen Koppler 432 und einem darauf angeordneten elektrischen Verbindungsstück 434. Die
Hülle 402 umfasst auch eine zweite Oberfläche 436,
die angrenzend an die erste Oberfläche 430 und versetzt zu dieser positioniert ist. In der beispielhaften
Ausführungsform ist die zweite Oberfläche 436 eine
planare Oberfläche, die um einen Abstand von etwa 1,27 cm (0,5 Zoll) von der ersten Oberfläche 430
versetzt ist. Dieser Versatz schafft Raum für die Finger des Bedieners, wenn er eine Befestigungseinrichtung, wie einen Kragen 438, anzieht oder löst. Die
Schnittstelle 426 schafft eine relativ schnelle und sichere elektronische Verbindung zwischen der Vorrichtung 400 und dem Sondengehäuse 102, ohne
dass Steckerstifte ausgerichtet werden müssen und
ohne dass separate Kabel oder Verbindungsstücke
notwendig sind.
[0047] Das elektrische Verbindungsstück 434 erstreckt sich von der ersten Oberfläche 430 und umfasst einen oder mehrere Steckerstifte 440, die asynchron bidirektional mit dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 elektrisch gekoppelt sind
(Fig. 2 und Fig. 3), wie zum Beispiel über einen oder
mehrere ARM®-Busse 218. Die bidirektionale Kommunikationsverbindung kann drahtgebunden (z. B.
über den ARM®-Bus 218), drahtlos (z. B. Bluetooth
oder IEEE 802.11) oder eine Kombination aus einer drahtgebundenen und einer drahtlosen Verbindung sein. In einer Ausführungsform ist das elektrische Verbindungsstück 434 elektrisch an den Controller 420 gekoppelt. Der Controller 420 kann asynchron bidirektional mit dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 in Verbindung stehen, wie
zum Beispiel über einen oder mehrere ARM®-Busse 218. Das elektrische Verbindungsstück 434 ist
so positioniert, dass es eine relativ schnelle und sichere elektronische Verbindung mit dem elektrischen
Verbindungsstück 442 auf dem Sondengehäuse 102
bietet. Die elektrischen Verbindungsstücke 434, 442
sind miteinander verbunden, wenn die Vorrichtung
400 an dem Sondengehäuse 102 angebracht ist. Die
elektrischen Verbindungsstücke 434, 442 können jeweils ein mit Metall ummanteltes Verbindungsstückgehäuse aufweisen, das eine Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Störung bietet und die Steckerstifte schützt sowie beim Anbringen der Vorrichtung 400 an dem Sondengehäuse 102 das Ausrichten der Stifte unterstützt.
[0048] Der mechanische Koppler 432 schafft eine relativ starre mechanische Kopplung zwischen
der Vorrichtung 400 und dem Sondengehäuse 102,
um relativ präzise Anwendungen zu unterstützen,
bei denen sich die Position der Vorrichtung 400
am Ende des Armabschnitts 104 des Gelenkarm-
KMGs 100 vorzugsweise nicht verschiebt oder bewegt. Jede derartige Bewegung kann typischerweise eine unerwünschte Beeinträchtigung der Genauigkeit des Messergebnisses nach sich ziehen. Diese
gewünschten Ergebnisse werden unter Verwendung
von verschiedenen Strukturmerkmalen des mechanischen Anbringungskonfigurationsabschnitts des mechanischen und elektronischen Schnellverbinderanschlusses einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung erreicht.
[0049] In einer Ausführungsform umfasst der mechanische Koppler 432 einen ersten Vorsprung 444,
der an einem Ende 448 (der Vorderkante oder der
"Stirnseite" der Vorrichtung 400) positioniert ist. Der
erste Vorsprung 444 kann eine hohle, gekerbte oder
geneigte Schnittstelle umfassen, die einen Rand 446
bildet, der sich von dem ersten Vorsprung 444 erstreckt. Der Rand 446 ist so bemessen, dass er in
einem Schlitz 450 aufgenommen werden kann, der
durch einen Vorsprung 452 definiert ist, der sich von
dem Sondengehäuse 102 erstreckt (Fig. 8). Es ist
ersichtlich, dass der erste Vorsprung 444 und der
Schlitz 450 zusammen mit dem Kragen 438 eine
Koppleranordnung bilden, so dass, wenn der Rand
446 innerhalb des Schlitzes 450 positioniert ist, der
Schlitz 450 verwendet werden kann, um sowohl die
längsgerichtete als auch die seitliche Bewegung der
Vorrichtung 400 einzuschränken, wenn diese auf
dem Sondengehäuse 102 angebracht ist. Wie später genauer besprochen wird, kann die Drehung des
Kragens 438 dazu verwendet werden, den Rand 446
innerhalb des Schlitzes 450 zu sichern.
[0050] Gegenüber dem ersten Vorsprung 444 kann
der mechanische Koppler 432 einen zweiten Vorsprung 454 umfassen. Der zweite Vorsprung 454
kann eine hohle, mit Kerbrand versehene oder geneigte Schnittstellenfläche 456 aufweisen (Fig. 5).
Der zweite Vorsprung 454 ist so positioniert, dass er
in eine dem Sondengehäuse 102 zugeordnete Befestigungsvorrichtung, wie zum Beispiel den Kragen
438, eingreift. Wie später genauer besprochen wird,
umfasst der mechanische Koppler 432 eine erhabene Oberfläche, die von der Oberfläche 430 vorsteht,
die an das elektrische Verbindungsstück 434 angrenzt oder um dieses herum angeordnet ist, die einen Drehpunkt für die Schnittstelle 426 bietet (Fig. 7
und Fig. 8). Dies dient als der dritte von drei Punkten des mechanischen Kontakts zwischen der Vorrichtung 400 und dem Sondengehäuse 102, wenn die
Vorrichtung 400 daran angebracht ist.
[0051] Das Sondengehäuse 102 umfasst einen Kragen 438, der koaxial an einem Ende angebracht ist.
Der Kragen 438 umfasst einen Gewindeabschnitt,
der zwischen einer ersten Position (Fig. 5) und einer
zweiten Position (Fig. 7) beweglich ist. Durch Drehen des Kragens 438 kann der Kragen 438 verwendet werden, um die Vorrichtung 400 zu befestigen
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oder zu lösen, ohne dass externe Werkzeuge notwendig sind. Durch das Drehen des Kragens 438 wird
der Kragen 438 entlang eines relativ groben Zylinders 474 mit Rechteckgewinde bewegt. Die Verwendung von derartig großen, mit Rechteckgewinde versehenen und konturierten Oberflächen ermöglicht eine erhebliche Klemmkraft bei einem minimalen Drehmoment. Die grobe Steigung der Gewinde des Zylinders 474 gestattet des Weiteren, dass der Kragen
438 durch minimale Drehung angezogen oder gelöst
werden kann.
[0052] Um die Vorrichtung 400 an das Sondengehäuse 102 zu koppeln, wird der Rand 446 in den
Schlitz 450 eingeführt und die Vorrichtung wird verschwenkt, um den zweiten Vorsprung 454 zur Oberfläche 458 hin zu drehen, wie es durch den Pfeil 464
angezeigt ist (Fig. 5). Der Kragen 438 wird gedreht,
wodurch sich der Kragen 438 in die durch den Pfeil
462 angezeigte Richtung bewegt oder verschiebt und
mit der Oberfläche 456 in Eingriff kommt. Die Bewegung des Kragens 438 gegen die abgewinkelte
Oberfläche 456 treibt den mechanischen Koppler 432
gegen die erhabene Oberfläche 460. Dadurch kann
die Überwindung potentieller Probleme bezüglich einer Verzerrung der Schnittstelle oder fremder Objekte auf der Oberfläche der Schnittstelle, die den starren Sitz der Vorrichtung 400 auf dem Sondengehäuse 102 beeinträchtigen können, unterstützt werden.
Die Kraftaufbringung durch den Kragen 438 auf den
zweiten Vorsprung 454 bewirkt, dass sich der mechanische Koppler 432 nach vorne bewegt, wobei er den
Rand 446 in einen Sitz auf dem Sondengehäuse 102
presst. Während der Kragen 438 weiter angezogen
wird, wird der zweite Vorsprung 454 nach oben Richtung Sondengehäuse 102 gepresst, wobei Druck auf
einen Drehpunkt ausgeübt wird. Dadurch wird eine
Art von Wippenanordnung geschaffen, die Druck auf
den zweiten Vorsprung 454, den Rand 446 und den
mittleren Drehpunkt ausübt, um ein Verschieben oder
Wackeln der Vorrichtung 400 zu verringern oder zu
verhindern. Der Drehpunkt presst unmittelbar gegen
den Boden auf dem Sondengehäuse 102, während
der Rand 446 eine nach unten gerichtete Kraft auf
das Ende des Sondengehäuses 102 ausübt. Fig. 5
umfasst Pfeile 462, 464, um die Bewegungsrichtung
der Vorrichtung 400 und des Kragens 438 zu zeigen.
Fig. 7 umfasst Pfeile 466, 468, 470, um die Richtung
des aufgebrachten Drucks innerhalb der Schnittstelle
426 zu zeigen, wenn der Kragen 438 angezogen ist.
Es ist ersichtlich, dass der Abstand des Versatzes der
Oberfläche 436 der Vorrichtung 400 einen Spalt 472
zwischen dem Kragen 438 und der Oberfläche 436
schafft (Fig. 6). Der Spalt 472 gestattet es dem Bediener, den Kragen 438 fester zu ergreifen, während
die Gefahr des Einklemmens von Fingern beim Drehen des Kragens 438 verringert wird. In einer Ausführungsform weist das Sondengehäuse 102 eine ausreichende Steifigkeit auf, um eine Verzerrung zu ver-
ringern oder zu verhindern, wenn der Kragen 438 angezogen wird.
[0053] Ausführungsformen der Schnittstelle 426 ermöglichen die korrekte Ausrichtung des mechanischen Kopplers 432 und des elektrischen Verbindungsstücks 434 und schützen auch die Elektronikschnittstelle vor aufgebrachten Belastungen, die ansonsten auf Grund der Klemmwirkung des Kragens
438, des Rands 446 und der Oberfläche 456 auftreten könnten. Dies schafft den Vorteil, dass eine Beschädigung der auf einer Leiterplatte 476 montierten elektrischen Verbindungsstücke 434, 442, die gelötete Anschlussklemmen aufweisen können, durch
Belastung verringert oder verhindert werden kann.
Die Ausführungsformen bieten auch gegenüber bekannten Ansätzen den Vorteil, dass ein Benutzer kein
Werkzeug braucht, um die Vorrichtung 400 mit dem
Sondengehäuse 102 zu verbinden oder von diesem
zu trennen. Dadurch kann der Bediener die Vorrichtung 400 manuell mit dem Sondengehäuse 102 relativ einfach verbinden oder von diesem trennen.
[0054] Auf Grund der relativ hohen Zahl an möglichen abgeschirmten elektrischen Verbindungen mit
der Schnittstelle 426 können sich das GelenkarmKMG 100 und die Vorrichtung 400 eine relativ hohe Zahl an Funktionen teilen. Zum Beispiel können
Schalter, Knöpfe oder andere Stellglieder, die sich an
dem Gelenkarm-KMG 100 befinden, verwendet werden, um die Vorrichtung 400 zu steuern, oder umgekehrt. Des Weiteren können Befehle und Daten von
dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210
zur Vorrichtung 400 übermittelt werden. In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung 400 eine Videokamera, die Daten eines aufgezeichneten Bildes zur
Speicherung in einem Speicher in dem Basisprozessor 204 oder zur Anzeige auf der Anzeige 328 überträgt. In einer anderen Ausführungsform ist die Vorrichtung 400 ein Bildprojektor, der Daten von dem
elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 empfängt. Außerdem können entweder in dem Gelenkarm-KMG 100 oder in der Vorrichtung 400 angeordnete Temperatursensoren gemeinsam genutzt werden. Es ist ersichtlich, dass Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung Vorteile dahingehend bieten,
dass eine flexible Schnittstelle geschaffen wird, die es
ermöglicht, eine große Vielfalt von Zubehörvorrichtungen 400 schnell, einfach und zuverlässig an das
Gelenkarm-KMG 100 zu koppeln. Des Weiteren kann
die Möglichkeit des gemeinsamen Nutzens von Funktionen durch das Gelenkarm-KMG 100 und die Vorrichtung 400 zu einer Verringerung der Größe, des
Stromverbrauchs und der Komplexität des Gelenkarm-KMGs 100 führen, indem diese nicht doppelt vorhanden sein müssen.
[0055] In einer Ausführungsform kann der Controller 408 den Betrieb oder die Funktionalität des Sondenendes 401 des Gelenkarm-KMGs 100 ändern.
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Zum Beispiel kann der Controller 408 Anzeigeleuchten auf dem Sondengehäuse 102 so ändern, dass
entweder ein Licht mit einer anderen Farbe oder eine andere Lichtintensität ausgestrahlt wird, oder dass
das Licht zu anderen Zeiten ein- und ausgeschaltet
wird, wenn die Vorrichtung 400 angebracht ist, im Gegensatz zu der Situation, in der das Sondengehäuse
102 alleine verwendet wird. In einer Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung 400 einen Entfernungsmessungs-Sensor (nicht gezeigt), der den Abstand zu einem Objekt misst. Bei dieser Ausführungsform kann
der Controller 408 Anzeigeleuchten auf dem Sondengehäuse 102 ändern, um dem Bediener eine Anzeige zur Verfügung zu stellen, die zeigt, wie weit das
Objekt von der Sondenspitze 118 entfernt ist. In einer
anderen Ausführungsform kann der Controller 408
die Farbe der Anzeigelichter basierend auf der Qualität des von der codierten Streifenlichtscanner-Vorrichtung aufgenommenen Bildes ändern. Dies schafft
Vorteile dahingehend, dass die Anforderungen des
Controllers 420 vereinfacht werden und gestattet eine verbesserte oder höhere Funktionalität durch Hinzufügung von Zubehörvorrichtungen.
[0056] Bezugnehmend auf die Fig. 10 bis Fig. 14 ist
eine Vorrichtung 500 gezeigt, die eine berührungslose Messung eines Objektes ermöglicht. In einer
Ausführungsform ist die Vorrichtung 500 über den
Kopplungsmechanismus und die Schnittstelle 426
abnehmbar an das Sondenende 401 gekoppelt. In einer anderen Ausführungsform ist die Vorrichtung 500
einstückig mit dem Sondenende 401 verbunden. Wie
später genauer besprochen wird, kann die Vorrichtung 500 ein Interferometer (Fig. 11), eine Absolutdistanzmess(ADM)-Vorrichtung (Fig. 12), ein fokussierendes Messgerät (Fig. 13 und Fig. 14) oder eine
andere Art von berührungsloser Distanzmessvorrichtung sein.
[0057] Die Vorrichtung 500 umfasst ferner eine Hülle 501 mit einem Griffabschnitt 510. In einer Ausführungsform kann die Vorrichtung 500 ferner eine
Schnittstelle 426 an einem Ende umfassen, die die
Vorrichtung 500 mechanisch und elektrisch an das
Sondengehäuse 102 koppelt, wie hier vorstehend beschrieben wurde. Die Schnittstelle 426 bietet Vorteile dahingehend, dass die Vorrichtung 500 ohne die
Notwendigkeit zusätzlicher Werkzeuge schnell und
einfach an das Gelenkarm-KMG 100 angekoppelt
und abgenommen werden kann. In anderen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 500 in das Sondengehäuse 102 integriert werden.
[0058] Die Vorrichtung 500 umfasst einen Strahlungssender für elektromagnetische Strahlung, wie
eine Lichtquelle 502, die kohärentes oder inkohärentes Licht aussendet, wie zum Beispiel Laserlicht oder
weißes Licht. Das Licht von der Lichtquelle 502 wird
aus der Vorrichtung 500 auf ein zu messendes Objekt gerichtet. Die Vorrichtung 500 kann einen opti-
schen Aufbau 504 und einen optischen Empfänger
506 umfassen. Der optische Aufbau 504 kann eine
oder mehrere Linsen, Strahlenteiler, dichromatische
Spiegel, Viertelwellenplatten, eine Polarisationsoptik
und dergleichen umfassen. Der optische Aufbau 504
teilt das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht und
richtet einen Teil auf ein Objekt, wie zum Beispiel einen Retroreflektor, und einen Teil auf den optischen
Empfänger 506. Der optische Empfänger 506 ist dafür ausgelegt, reflektiertes Licht und das umgelenkte
Licht von dem optischen Aufbau 504 zu empfangen
und das Licht in elektrische Signale umzuwandeln.
Die Lichtquelle 502 und der optische Empfänger 506
sind jeweils an einen Controller 508 gekoppelt. Der
Controller 508 kann einen oder mehrere Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren, Speicher- und
Signalaufbereitungsschaltungen umfassen.
[0059] Des Weiteren ist ersichtlich, dass die Vorrichtung 500 relativ zur Sondenspitze 118 im Wesentlichen fixiert ist, so dass Kräfte auf dem Griffabschnitt
510 die Ausrichtung der Vorrichtung 500 relativ zur
Sondenspitze 118 nicht beeinflussen. In einer Ausführungsform kann die Vorrichtung 500 ein zusätzliches Stellglied (nicht gezeigt) aufweisen, das es dem
Bediener gestattet, zwischen der Aufnahme von Daten von der Vorrichtung 500 und der Sondenspitze
118 hin und her zu schalten.
[0060] Die Vorrichtung 500 kann ferner Stellglieder
512, 514 umfassen, die vom Bediener manuell betätigt werden können, um den Betrieb und die Datenerfassung durch die Vorrichtung 500 einzuleiten.
In einer Ausführungsform wird die optische Verarbeitung zur Bestimmung des Abstands zum Objekt von
dem Controller 508 vorgenommen und die Abstandsdaten werden über den Bus 240 an das elektronische
Datenverarbeitungssystem 210 übertragen. In einer
anderen Ausführungsform werden die optischen Daten an das elektronische Datenverarbeitungssystem
210 übertragen und der Abstand zum Objekt wird
durch das elektronische Datenverarbeitungssystem
210 bestimmt. Es ist ersichtlich, dass, da die Vorrichtung 500 an das Gelenkarm-KMG 100 gekoppelt ist,
das elektronische Verarbeitungssystem 210 die Position und Ausrichtung der Vorrichtung 500 (über Signale von den Codierern) bestimmen kann, welche,
wenn sie mit der Distanzmessung kombiniert werden,
die Bestimmung der X-, Y-, Z-Koordinaten des Objekts relativ zum Gelenkarm-KMG ermöglichen.
[0061] In der Ausführungsform gemäß Fig. 11 ist die
gezeigte Vorrichtung 500 ein Interferometer. Ein Interferometer ist eine Art von Distanzmesser, der einen Strahl von kohärentem Licht, wie zum Beispiel
Laserlicht, auf einen Punkt auf einem Objekt sendet.
In der beispielhaften Ausführungsform ist das Objekt
zum Beispiel ein externer Retroreflektor 516. Das Interferometer kombiniert das zurückgeworfene Licht
mit einem Bezugslichtstrahl zum Messen einer Än-
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derung des Abstands eines Objekts. Durch Anordnen des Retroreflektors 516 an einer Anfangsposition, in der der Abstand D bekannt ist, kann, wenn der
Retroreflektor 516 zu einer neuen Position bewegt
wird, der Abstand D' bestimmt werden. Mit einem gewöhnlichen oder inkrementellen Interferometer wird
der Abstand durch Zählen von Halbwellenlängen bestimmt, da sich das Interferenzmuster des Lichts bei
jeder halben Wellenlänge der Bewegung des Objektpunktes relativ zum Distanzmesser wiederholt. Der
Retroreflektor 516 kann ein sphärisch montierter Retroreflektor sein, der eine Metallkugel umfasst, in der
ein Winkelretroreflektor eingebettet ist. Der Winkelretroreflektor umfasst drei senkrecht zueinander angeordnete Spiegel, die sich in einem gemeinsamen
Scheitelpunkt treffen. In einer Ausführungsform befindet sich der Scheitelpunkt in der Mitte der Metallkugel. Durch Halten der Kugel in Kontakt mit einem
Objekt kann der Abstand zu Oberflächenpunkten des
Objekts mit dem Interferometer gemessen werden.
Der Retroreflektor 516 kann auch jede andere Art
von Vorrichtung sein, die das Licht parallel zum Ausgangslicht zurück sendet.
zurückgelegte inkrementelle Abstand ist D'–D. Ein
Abstand D' zu jeder gegebenen Zeit kann zunächst
durch Ermitteln der Position des Retroreflektors an
einer Bezugsposition bestimmt werden, die zum Beispiel ein Abstand D von einem Bezugspunkt auf dem
Gelenkarm-KMG sein kann. Wenn der Retroreflektor zum Beispiel innerhalb eines sphärisch montierten
Retroreflektors (SMR) angeordnet ist, kann ein Abstand D' ermittelt werden, indem zunächst der Retroreflektor 516 an einer Bezugsstelle geortet wird, die
zum Beispiel ein Magnetnest sein kann, welches dafür ausgelegt ist, den SMR zu halten. Danach kann,
solange der Strahl zwischen der Lichtquelle 502 und
dem Retroreflektor 516 nicht unterbrochen wird, der
Gesamtabstand D' unter Verwendung eines Bezugsabstands als den Wert "a" in der hier vorstehend
besprochenen Gleichung bestimmt werden. Ein Bezugsabstand kann zum Beispiel durch Messen einer
Bezugskugel bestimmt werden, wobei der Scanner
in einer Vielzahl von Ausrichtungen gehalten wird.
Durch selbstkonsistentes Auflösen für die Koordinaten der Bezugskugel kann der Bezugsabstand bestimmt werden.
[0062] In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung
500 ein inkrementelles Interferometer. Das inkrementelle Interferometer weist einen gemessenen Abstand
D auf, der unter Anwendung von D = a + (n + p)·
(lambda/2)·c/n berechnet wird, wobei "a" eine Konstante ist, "n" die ganze Zahl von Zählungen ist, die
sich bei der Bewegung eines Ziels ergeben haben,
"p" der Bruchteil eines Zyklus ist (eine Zahl von 0 bis
1 entsprechend einem Phasenwinkel von 0 bis 360
Grad), "lambda" die Wellenlänge des Lichts im Vakuum ist, "c" die Geschwindigkeit von Licht im Vakuum ist und "n" der Brechungsindex der Luft bei der
Wellenlänge des Lichts 524 bei der Temperatur, dem
Luftdruck und der Feuchtigkeit der Luft, durch welche das Licht 524 hindurchgeht, ist. Der Brechungsindex wird als die Geschwindigkeit von Licht im Vakuum geteilt durch die Geschwindigkeit von Licht in
einem lokalen Medium (in diesem Fall Luft) definiert,
und daher folgt, dass der berechnete Abstand D von
der Geschwindigkeit von Licht in Luft "c/n" abhängt.
In einer Ausführungsform geht Licht 518 von einer
Lichtquelle 502 durch eine Interferometeroptik 504
hindurch, wandert zu einem entfernten Retroreflektor 516, geht auf einem Rückweg durch die Interferometeroptik 504 hindurch und tritt in einen optischen
Empfänger ein. Der optische Empfänger ist an einem Phaseninterpolator angebracht. Zusammen umfassen der optische Empfänger und der Phaseninterpolator eine Optik und Elektronik zum Decodieren der Phase des zurückgeworfenen Lichts und zum
Verfolgen der Anzahl der Halbwellenlängen-Zählungen. Eine Elektronik innerhalb des Phaseninterpolators oder an anderer Stelle innerhalb des Gelenkarms
100 oder in einem externen Computer bestimmt den
von dem Retroreflektor 516 bewegten inkrementellen
Abstand. Der von dem Retroreflektor 516 aus Fig. 11
[0063] Fig. 11 zeigt einen ausgestrahlten, ausgehenden Lichtstrahl 524, der parallel zu dem zurückgeworfenen Lichtstrahl 524B, jedoch zu diesem versetzt, verläuft. In manchen Fällen kann es bevorzugt sein, dass das Licht auf sich selber zurückkehrt,
so dass das Licht 524 und 524B entlang des gleichen Weges, jedoch in entgegengesetzten Richtungen verläuft. In diesem Fall kann es wichtig sein, ein
Isolierungsverfahren zu verwenden, um reflektiertes
Licht daran zu hindern, in die Lichtquelle 520 einzutreten und diese zu destabilisieren. Ein Mittel zur
Isolierung des Lasers von dem zurückgeworfenen
Licht besteht darin, einen Faraday-Isolator in den optischen Weg zwischen der Lichtquelle 502 und dem
zurückgeworfenen Licht 524B zu platzieren.
[0064] In einer Ausführungsform eines inkrementellen Interferometers ist der Interferometer ein Homodyn-Typ der Vorrichtung, so dass die Lichtquelle 502
ein Laser ist, der auf einer einzigen Frequenz arbeitet. In anderen Ausführungsformen kann die Vorrichtung ein Heterodyn-Typ der Vorrichtung sein, und der
Laser arbeitet auf wenigstens zwei Frequenzen, um
zwei sich überlappende Strahlen zu erzeugen, die
polarisiert und orthogonal sind. Die Lichtquelle 502
strahlt ein Licht 518 aus, das in eine StrahlenteilerVorrichtung 520 gelenkt wird. Hier wird ein erster Teil
522 des Lichts reflektiert und zum optischen Empfänger 506 übertragen. Der erste Teil 522 wird von wenigstens einem Spiegel 523 reflektiert, um den ersten
Teil zum optischen Empfänger 506 zu lenken. In der
beispielhaften Ausführungsform wird der erste Teil
522 von mehreren Spiegeln 523 und dem Strahlenteiler 520 reflektiert. Dieser erste Teil 522 ist ein Bezugslichtstrahl, der zum Vergleich mit einem zurückgeworfenen oder reflektierten Licht verwendet wird.
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[0065] Ein zweiter Teil 524 des Lichts wird durch die
Strahlenteiler-Vorrichtung 520 übertragen und zum
Retroreflektor 516 gelenkt. Es versteht sich, dass der
optische Aufbau 504 ferner weitere optische Komponenten umfassen kann, wie zum Beispiel unter anderem Linsen, Viertelwellenplatten, Filter und dergleichen (nicht gezeigt). Der zweite Teil 524 des Lichts
wandert zum Retroreflektor 516, welcher den zweiten
Teil 524 entlang eines Weges 527, der parallel zum
ausgehenden Licht ist, zurück zur Vorrichtung 500 reflektiert. Das reflektierte Licht wird wieder vom optischen Aufbau empfangen, wo es durch die Strahlenteiler-Vorrichtung 520 zum optischen Empfänger 506
übertragen wird. In der beispielhaften Ausführungsform schließt sich, wenn das zurückgeworfene Licht
durch die Strahlenteiler-Vorrichtung 520 übertragen
wird, diesem ein gemeinsamer optischer Weg mit
dem Licht des ersten Teils 522 zum optischen Empfänger 502 an. Es ist ersichtlich, dass der optische
Aufbau 504 ferner weitere optische (nicht gezeigte)
Komponenten umfassen kann, wie eine Optik, die
zum Beispiel eine sich drehende Polarisationsebene
zwischen der Strahlenteiler-Vorrichtung 520 und dem
optischen Empfänger 506 erzeugt. In diesen Ausführungsformen kann der optische Empfänger 506
aus mehreren Polarisations-empfindlichen Empfängern bestehen, die eine Funktionalität der Leistungsnormierung ermöglichen.
[0066] Der optische Empfänger 506 empfängt sowohl den ersten Teil 522 als auch den zweiten Teil
524 des Lichts. Da die beiden Lichtteile 522, 524
jeweils einen anderen Lichtweg aufweisen, hat der
zweite Teil 524 eine Phasenverschiebung im Vergleich zum ersten Teil 522 am optischen Empfänger 506. In einer Ausführungsform, in der die Vorrichtung 500 ein Homodyn-Interferometer ist, erzeugt
der optische Empfänger 506 ein elektrisches Signal
basierend auf der Änderung der Intensität der beiden Lichtteile 522, 524. In einer Ausführungsform, in
der die Vorrichtung 500 ein Heterodyn-Interferometer
ist, kann der Empfänger 506 eine Phasen- oder Frequenzmessung unter Verwendung einer Technik wie
zum Beispiel einem Doppler-verschobenen Signal ermöglichen. Bei manchen Ausführungsformen kann
der optische Empfänger 506 ein faseroptischer Messfühler sein, der das empfangene Licht zum Beispiel
an einen Phaseninterpolator 508 oder einen Spektrumanalysator überträgt. Bei noch anderen Ausführungsformen erzeugt der optische Empfänger 506 ein
elektrisches Signal und überträgt das Signal an einen
Phaseninterpolator 508.
[0067] Bei einem inkrementellen Interferometer ist
es notwendig, die Änderung der Anzahl der Zählungen n (aus der hier vorstehend beschriebenen Gleichung D = a + (n + p)·(lambda/2)·c/n) zu verfolgen.
In dem Fall, in dem der Lichtstrahl auf einem Retroreflektor 516 gehalten wird, können die Optik und
Elektronik innerhalb des optischen Empfängers 506
verwendet werden, um die Zählungen zu verfolgen.
In einer anderen Ausführungsform wird eine andere
Art von Messung verwendet, bei der das Licht von
dem Distanzmesser direkt auf das zu messende Objekt gesendet wird. Das Objekt, welches zum Beispiel
metallisch sein kann, kann Licht diffus reflektieren,
so dass nur ein relativ geringer Bruchteil des Lichts
zu dem optischen Empfänger zurückkehrt. Bei dieser
Ausführungsform kehrt das Licht direkt auf sich selber
zurück, so dass das zurückgeworfene Licht im Wesentlichen mit dem ausgehenden Licht zusammenfällt. Folglich kann es notwendig sein, Mittel zur Verfügung zu stellen, um den Betrag von Licht, der zurück in die Lichtquelle 502 gespeist wird, zu verringern, wie zum Beispiel mit einem Faraday-Isolator.
[0068] Eine der Schwierigkeiten beim Messen des
Abstands zu einem diffusen Ziel besteht darin, dass
es nicht möglich ist, Streifen zu zählen. Bei einem
Retroreflektorziel 516 ist es bekannt, dass sich die
Phase des Lichts kontinuierlich ändert, während der
Retroreflektor von dem Tracker weg bewegt wird.
Wenn jedoch ein Lichtstrahl über ein Objekt bewegt
wird, kann sich die Phase des zurückgeworfenen
Lichts diskontinuierlich ändern, zum Beispiel wenn
das Licht eine Kante passiert. In diesem Fall kann
es gewünscht sein, eine Art von Interferometer zu
verwenden, die als Absolutinterferometer bekannt ist.
Ein Absolutinterferometer strahlt gleichzeitig mehrere
Wellenlängen von Licht aus, wobei die Wellenlängen
dafür ausgelegt sind, eine "synthetische Wellenlänge" zu schaffen, die zum Beispiel in der Größenordnung von 1 mm liegen kann. Ein Absolutinterferometer hat die gleiche Genauigkeit wie ein inkrementelles Interferometer, außer dass es nicht notwendig ist,
für jede halbe Wellenlänge der Bewegung Streifen zu
zählen. Messungen können an jeder Stelle innerhalb
eines Bereichs vorgenommen werden, der einer synthetischen Wellenlänge entspricht.
[0069] In einer Ausführungsform kann der optische
Aufbau 504 einen Lenkspiegel (nicht gezeigt), wie einen MEMS-Spiegel (MEMS = mikro-elektromechanisches System) umfassen, welcher ermöglicht, dass
Licht von einem Absolutinferometer vom Scanner reflektiert und wieder vom Scanner empfangen wird,
um schnell über einen Bereich zu messen.
[0070] In einer Ausführungsform kann die Vorrichtung eine optionale Bildaufnahmevorrichtung, wie eine Kamera 529, umfassen, die in Kombination mit einem Absolutinterferometer verwendet wird. Die Kamera 529 umfasst eine Linse und eine lichtempfindliche Matrix. Die Linse ist dafür ausgelegt, den beleuchteten Objektpunkt auf einer lichtempfindlichen
Matrix abzubilden. Die lichtempfindliche Matrix ist dafür ausgelegt, auf die Wellenlängen von von dem Absolutinterferometer ausgestrahltem Licht zu reagieren. Durch Vermerken der Position des abgebildeten
Lichts auf der lichtempfindlichen Matrix ist es mög-
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lich, den Mehrdeutigkeitsbereich des Objektpunktes
zu bestimmen. Zum Beispiel sei angenommen, dass
ein Absolutinterferometer einen Mehrdeutigkeitsbereich von 1 mm hat. Dann gibt es, solange bekannt ist,
dass der Abstand zum Ziel innerhalb eines Millimeters liegt, kein Problem bei der Verwendung des Interferometers, um den Abstand zum Ziel zu ermitteln.
Jedoch angenommen, es ist nicht bekannt, dass der
Abstand zum Ziel innerhalb des Mehrdeutigkeitsbereichs von 1 mm liegt; dann besteht in einer Ausführungsform eine Art der Ermittlung des Abstands zum
Ziel innerhalb des Mehrdeutigkeitsbereichs darin, die
Kamera 529 in der Nähe des Ausstrahlungspunktes
des Lichtstrahls zu platzieren. Die Kamera bildet ein
Bild des gestreuten Lichts auf der lichtempfindlichen
Matrix. Die Position des abgebildeten Lichtpunktes
hängt von dem Abstand zum optischen Ziel ab und
bietet daher eine Möglichkeit der Bestimmung des
Abstands zum Ziel innerhalb des Mehrdeutigkeitsbereichs.
[0071] In einer Ausführungsform verwendet die Distanzmessvorrichtung kohärentes Licht (z. B. einen
Laser) bei der Bestimmung des Abstands zum Objekt. In einer Ausführungsform ändert die Vorrichtung
die Wellenlänge eines Lasers in Abhängigkeit von
der Zeit, zum Beispiel linear in Abhängigkeit von der
Zeit. Ein Teil des ausgehenden Laserstrahls wird zu
einem optischen Detektor gesendet, und ein anderer Teil des ausgehenden Laserstrahls, der zum Retroreflektor wandert, wird auch zum Detektor gesendet. Die optischen Strahlen werden im Detektor optisch gemischt und eine elektrische Schaltung wertet
das Signal vom optischen Detektor aus, um den Abstand vom Distanzmesser zum Retroreflektorziel zu
bestimmen.
[0072] In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung
500 eine Absolutdistanzmess(ADM)-Vorrichtung. Eine ADM-Vorrichtung verwendet typischerweise ein
inkohärentes Licht und bestimmt einen Abstand zu
einem Objekt basierend auf der benötigten Zeit, um
vom Distanzmesser zum Ziel und zurück zu wandern.
Obwohl ADM-Vorrichtungen normalerweise eine geringere Genauigkeit haben als Interferometer, bietet
ein ADM einen Vorteil dahingehend, dass er direkt
den Abstand zu einem Objekt misst, anstatt eine Änderung des Abstands zum Objekt zu messen. Somit
erfordert ein ADM, im Gegensatz zu einem Interferometer, keine bekannte Anfangsposition.
[0073] Eine Art von ADM ist ein gepulster Laufzeit
(time of flight, TOF)-ADM. Mit einem gepulsten TOFADM strahlt ein Laser einen Lichtimpuls aus. Ein Teil
des Lichts wird zu einem Objekt gesendet, am Objekt
abgestreut und von einem optischen Detektor aufgenommen, der das optische Signal in ein elektrisches
Signal umwandelt. Ein weiterer Teil des Lichts wird
direkt zum Detektor (oder einem separaten Detektor) gesendet, wo er in ein elektrisches Signal umge-
wandelt wird. Die Zeit dt zwischen der Vorderflanke
der beiden elektrischen Impulssignale wird verwendet, um den Abstand vom Distanzmesser zum Objektpunkt zu bestimmen. Der Abstand D ist einfach
D = a + dt·c/(2n), wobei a eine Konstante ist, c die
Geschwindigkeit von Licht im Vakuum ist, und n der
Brechungsindex von Licht in Luft ist.
[0074] Eine weitere Art von ADM ist ein phasenbasierter ADM. Ein phasenbasierter ADM ist ein ADM,
bei dem eine sinusförmige Modulation direkt an einen Laser angelegt wird, um die Lichtleistung des
ausgestrahlten Laserstrahls zu modulieren. Die Modulation wird entweder sinusförmig oder rechteckförmig angelegt. Die Phase, die der Grundfrequenz
der erkannten Wellenform zugeordnet ist, wird extrahiert. Die Grundfrequenz ist die Haupt- oder die
niedrigste Frequenz der Wellenform. Typischerweise wird die der Grundfrequenz zugeordnete Phase
durch Senden des Lichts zu einem optischen Detektor, um ein elektrisches Signal zu erhalten, Aufbereiten des Lichts (was das Senden des Lichts durch
Verstärker, Mischer und Filter umfassen kann), Umwandeln der elektrischen Signale in digitalisierte Proben unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers und dann Berechnen der Phase unter Verwendung eines Berechnungsverfahrens erhalten.
[0075] Der phasenbasierte ADM hat einen gemessenen Abstand D gleich D = a + (n + p)·c/(2·f·n), wobei "a" eine Konstante ist, "n" und "p" ganze Teile
und Bruchteile des "Mehrdeutigkeitsbereichs" eines
Objektpunktes sind und "f" die Modulationsfrequenz
ist, "c" die Geschwindigkeit von Licht im Vakuum ist
und n der Brechungsindex ist. Die Größe R = c/(2·f·n)
ist der Mehrdeutigkeitsbereich. Falls zum Beispiel die
Modulationsfrequenz f = 3 GHz beträgt, dann liegt
der Mehrdeutigkeitsbereich aufgrund der Formel bei
etwa 50 mm. Die Formel für "D" zeigt, dass der berechnete Abstand von der Geschwindigkeit von Licht
in Luft, "c/n", abhängt. Wie im Fall des Absolutinterferometers ist einer der Parameter, dessen Bestimmung wünschenswert ist, der Mehrdeutigkeitsbereich
für den zu untersuchenden Objektpunkt. Bei einem
zur Messung der Koordinaten einer diffusen Oberfläche verwendeten Gelenkarm-KMG 100 kann der
Lichtstrahl von der Vorrichtung 500 im Verlauf von
wenigen Millisekunden auf Objekte gerichtet werden,
die mehrere Meter entfernt sind. Wenn der Mehrdeutigkeitsbereich nicht bestimmt wurde, würde eine solche starke Änderung wahrscheinlich den Mehrdeutigkeitsbereich der Vorrichtung übersteigen und somit
den ADM ohne Kenntnis des Abstands zum Objektpunkt verlassen.
[0076] In einer Ausführungsform wird das ausgestrahlte Licht auf mehreren Frequenzen moduliert,
so dass der Mehrdeutigkeitsbereich in Echtzeit bestimmt werden kann. Zum Beispiel können in einer
Ausführungsform vier verschiedene Modulationsfre-
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quenzen gleichzeitig auf Laserlicht angewendet werden. Durch bekannte Mittel für Abtast- und Extraktionsverfahren kann der absolute Abstand zum Ziel
bestimmt werden, indem die Phase für jede dieser
vier Frequenzen berechnet wird. Bei anderen Ausführungsformen können weniger als vier Frequenzen
verwendet werden. Es können phasenbasierte ADMs entweder im Nahbereich oder im Fernbereich verwendet werden. Modulations- und Verarbeitungsverfahren sind mit anderen Arten von inkohärenten Distanzmessern möglich. Solche Distanzmesser sind in
der Technik bekannt und werden nicht weiter besprochen.
[0077] In einer in Fig. 12 gezeigten Ausführungsform ist die Vorrichtung 500 eine ADM-Vorrichtung,
die eine Lichtquelle 528, einen Isolator 530, eine
ADM-Elektronik 546, ein Fasernetz 536, eine Fasereinkopplung 538 und gegebenenfalls einen Strahlenteiler 540 und einen Positionsdetektor 542 umfasst. Die Lichtquelle 528 kann ein Laser sein, wie
zum Beispiel eine Rot- oder Infrarotlaserdiode. Laserlicht kann durch einen Isolator 530 gesendet werden, der zum Beispiel ein Faraday-Isolator oder ein
Abschwächer sein kann. Der Isolator 530 kann an
seinen Eingangs- und Ausgangsanschlüssen fasergekoppelt sein. Die ADM-Elektronik 532 moduliert
die Lichtquelle 528 durch Anlegen eines elektrischen
Hochfrequenz(HF)-Signals an einen Eingang des Lasers. In einer Ausführungsform wird das HF-Signal
durch das Kabel 532 angelegt, welches die Lichtleistung des von dem Laser ausgestrahlten Lichts auf
einer oder mehreren Modulationsfrequenzen sinusförmig moduliert. Das durch den Isolator hindurchgehende modulierte Licht wandert zum Fasernetz 536.
Ein Teil des Lichts wandert über den Lichtleiter 548
zum Bezugskanal der ADM-Elektronik 546. Ein weiterer Teil des Lichts wandert aus der Vorrichtung 500,
wird am Ziel 516 reflektiert und kehrt zur Vorrichtung
500 zurück. In einer Ausführungsform ist das Ziel 516
ein nicht kooperatives Ziel, wie ein diffus reflektierendes Material, wie Aluminium oder Stahl. In einer anderen Ausführungsform ist das Ziel 516 ein kooperatives Ziel, wie zum Beispiel ein Retroreflektorziel,
welches den größten Teil des Lichts zurück zur Vorrichtung 500 wirft. In die Vorrichtung 500 eintretendes Licht geht zurück durch die Fasereinkopplung
538 und das Fasernetz 536 und tritt durch das faseroptische Kabel 550 in den Messkanal der ADMElektronik 546 ein. Die ADM-Elektronik 546 umfasst
optische Detektoren, die die optischen Bezugs- und
Messsignale, die von der optischen Faser 548 und
550 empfangen wurden, in elektrische Bezugs- und
Messsignale umwandeln. Diese Signale werden mit
einer Elektronik verarbeitet, um einen Abstand zum
Ziel zu bestimmen.
[0078] In einer Ausführungsform wird das Licht von
der Vorrichtung 500 an einen Retroreflektor und nicht
an ein nicht-kooperatives (diffus streuendes) Ziel ge-
sendet. In diesem Fall kann ein Positionsdetektor 542
enthalten sein, um einen kleinen Betrag von an einem Strahlenteiler 540 reflektiertem Licht zu empfangen. Das von dem Positionsdetektor 542 empfangene Licht kann von einem Steuerungssystem verwendet werden, um zu bewirken, dass der Lichtstrahl von
der Vorrichtung 500 einen sich bewegenden Retroreflektor 516 verfolgt. Falls an Stelle eines retroreflektierenden Ziels ein streuendes Ziel verwendet wird,
können der Strahlenteiler 540 und der Positionsdetektor 542 weggelassen werden.
[0079] In einer Ausführungsform beinhaltet die
ADM-Vorrichtung 500 eine Konfiguration, wie sie im
US-Patent Nr. 7 701,559 B2 vom gleichen Inhaber
beschrieben ist, welches hier durch Bezugnahme
aufgenommen ist. Es versteht sich, dass sowohl die
Interferometer-Vorrichtungen als auch die ADM-Vorrichtungen den Abstand zum Objekt zumindest teilweise basierend auf der Geschwindigkeit von Licht in
Luft bestimmen.
[0080] Eine weitere Art von Distanzmesser ist eine solche, die auf einem Fokussierverfahren basiert.
Beispiele für Fokussier-Distanzmesser sind ein chromatisches fokussierendes Messgerät, ein fokussierendes Kontrast-Messgerät und ein fokussierendes,
eine Matrix erkennendes Messgerät. Bei einer Vorrichtung, die ein chromatisches Fokussierungsverfahren verwendet, wie diejenige, die in Fig. 13 gezeigt ist, wird inkohärentes weißes Licht von der
Lichtquelle 552 erzeugt. Aufgrund einer chromatischen Abweichung einer Linse 554 im optischen Aufbau wird das Licht basierend auf der Wellenlänge von
Licht in einer "Brennlinie" auf dem Objekt 556 fokussiert. Als Ergebnis werden verschiedene Wellenlängenkomponenten des weißen Lichts mit verschiedenen Abständen fokussiert. Unter Verwendung eines
Spektrometers 557 kann der Abstand zum Objekt 556
bestimmt werden.
[0081] Eine weitere Art von fokussierendem Distanzmesser, die in Fig. 14 gezeigt ist, ist eine fokussierende Kontrast-Vorrichtung. Bei dieser Ausführungsform
wird der Abstand zum Objekt durch Fokussierung
auf einen maximalen Kontrast oder eine maximale
Bildschärfe bestimmt. Die Fokussierung wird durch
Bewegen einer Kamera 558 entlang einer Achse in
Richtung des Objekts 560 erreicht. Wenn die Position des größten Kontrastes gefunden wurde, liegt
das Objekt 560 mit einem bekannten Abstand auf der
optischen Achse des Sensors 562. Dieser bekannte
Abstand wird während eines Kalibrierungsverfahrens
vorbestimmt.
[0082] Bei einer Ausführungsform kann die Vorrichtung 500 ein fokussierendes, eine Matrix erkennendes Messgerät sein. Bei dieser Art von Vorrichtung
sendet eine Lichtquelle Licht durch eine Linse und
einen Strahlenteiler. Ein Teil des Lichts trifft auf das
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Objekt, wird am Strahlenteiler reflektiert und wandert zu einer lichtempfindlichen Matrix. Falls sich das
untersuchte Objekt in einer Brennposition des Lichtpunktes befindet, ist das Licht auf der lichtempfindlichen Matrix sehr gering. Somit könnte das Gelenkarm-KMG 100 verwendet werden, um die 3D-Koordinaten immer dann einzufangen, wenn der Punkt auf
der Matrix ausreichend klein war.
[0083] In noch einer weiteren Ausführungsform kann
die Vorrichtung 500 eine konoskopische Holographie-Vorrichtung sein. Bei dieser Art von Vorrichtung
wird die Oberfläche des Objekts von einem Laserpunkt abgetastet. Das Laserlicht wird von der Oberfläche diffus reflektiert, um eine punktartige Lichtquelle zu bilden. Der von diesem Punkt hervorgehende Lichtkegel wird durch ein optisches System erweitert. Ein doppelbrechender Kristall ist zwischen
zwei kreisförmigen Polarisatoren angeordnet, um das
Licht in einen ordinären Strahl und einen extraordinären Strahl zu teilen. Nach dem Durchlassen durch
die zweite polarisierende Linse überlagern sich die
beiden Strahlen, um ein holographisches Streifenbild
zu erzeugen, welches von einem lichtempfindlichen
Sensor, wie einer CCD-Kamera, aufgenommen werden kann. Der Abstand zum Objekt wird aus den Interferenzstreifen durch Bildverarbeitung bestimmt.
[0084] Es versteht sich, dass, während die Fokussierungsvorrichtungen und die konoskopischen Holographie-Vorrichtungen von dem Brechungsindex
von Licht in Luft abhängen können, die Bestimmung
des Abstands bei diesen Vorrichtungen von der Geschwindigkeit von Licht in Luft unabhängig ist.
[0085] Die Reichweite eines Gelenkarm-KMGs ist
häufig relativ kurz im Vergleich zur Umgebung, in
der es sich befindet. Zum Beispiel kann ein Gelenkarm verwendet werden, um große Werkzeugstrukturen für ein Flugzeug zu messen, wobei sich die Werkzeugstrukturen innerhalb eines großen Hangars oder
einer Produktionsanlage befinden. In solchen Situationen ist es oft notwendig, das Gelenkarm-KMG von
einer Stelle an eine andere zu bewegen, während
die gleiche Komponente gemessen wird. Zum Beispiel kann es bei der vorstehend beschriebenen großen Werkzeugstruktur notwendig sein, das Gelenkarm-KMG von einer linken Seite der Werkzeugstruktur zu einem mittleren Teil der Struktur zu bewegen
und die von dem Gelenkarm-KMG gemessenen dreidimensionalen Koordinaten in einem gemeinsamen
Bezugsrahmen zur Verfügung zu stellen. In der Vergangenheit wurden hierfür verschiedene Verfahren
erstellt, und obwohl diese Verfahren im Allgemeinen
für ihren beabsichtigten Zweck geeignet waren, war
es nicht möglich, hierbei das Gelenkarm-KMG über
größere Abstände zu bewegen.
[0086] In einer Ausführungsform ist ein Distanzmesser an dem Ende des Gelenkarm-KMGs angebracht.
Das Gelenkarm-KMG hat einen Ursprung mit drei
Translations-Freiheitsgraden. Das Gelenkarm-KMG
hat auch eine Ausrichtung, welche drei AusrichtungsFreiheitsgrade hat. Das Gelenkarm-KMG befindet
sich innerhalb einer Umgebung mit ihrem eigenen
Bezugsrahmen, der hier als ein Ziel-Bezugsrahmen
bezeichnet wird. Zum Beispiel kann in dem vorstehenden Beispiel die große Werkzeugstruktur von einem CAD-Modell oder von einem aus vorangegangenen 3D-Messungen erhaltenen Modell beschrieben werden. In Bezug auf das CAD-Modell oder das
gemessene Modell wird der Ziel-Bezugsrahmen zugeordnet. Der Ziel-Bezugsrahmen hat einen Ziel-Ursprung, normalerweise zugeordnete kartesische Koordinaten (0, 0, 0) innerhalb des Ziel-Bezugsrahmens. Der Ziel-Bezugsrahmen hat auch eine Ausrichtung, die anhand von drei kartesischen Achsen x,
y und z beschrieben werden kann.
[0087] Das Gelenkarm-KMG hat einen GelenkarmKMG-Ursprung und eine Gelenkarm-KMG-Ausrichtung relativ zum Ziel-Bezugsrahmen. Mit anderen
Worten ist der Gelenkarm-KMG-Ursprung von dem
Ziel-Bezugsrahmen um einen Betrag dx, dy, dz versetzt und die drei Achsen des Gelenkarm-KMG-Bezugsrahmens können durch drei Drehwinkel relativ
zu den Achsen des Ziel-Bezugsrahmens beschrieben werden.
[0088] Es ist oft wünschenswert, den GelenkarmKMG-Bezugsrahmen innerhalb des Ziel-Bezugsrahmens zu kennen, zum Beispiel wenn versucht wird,
Messwerte mit den in einem CAD-Modell angezeigten Werten zu vergleichen. Durch solche Mittel kann
das Gelenkarm-KMG bestimmen, ob eine Komponente oder ein Werkzeug innerhalb spezifizierter Toleranzen hergestellt wurde. Für den Fall, in dem das
Gelenkarm-KMG von einem ersten Gelenkarm-KMGBezugsrahmen zu einem zweiten Gelenkarm-KMGBezugsrahmen bewegt wird, ist es von Nutzen, sowohl den ersten als auch den zweiten GelenkarmKMG-Bezugsrahmen in dem Ziel-Bezugsrahmen zu
kennen.
[0089] Ein am Ende des Gelenkarm-KMGs angebrachter Distanzmesser kann verwendet werden,
um die mathematischen Transformationen zur Verfügung zu stellen, die benötigt werden, um die Bewegung von einem Rahmen zum anderen zu bewerkstelligen. Hierfür misst der Distanzmesser den Abstand zu wenigstens drei Zielen mit bekannten 3DKoordinaten wenigstens in etwa innerhalb des ZielBezugsrahmens. In manchen Fällen sind die Orte der
wenigstens drei Ziele willkürlich und noch nicht einmal ungefähr bekannt. In manchen Fällen zeigt ein
CAD-Modell nominale 3D-Koordinaten von Merkmalen auf einem Objekt. Durch Messen von 3D-Koordinaten von wenigstens drei Merkmalen kann der Arm
x-, y- und z-(oder äquivalente)Achsen für ein Ziel-Koordinatensystem bilden. Zum Beispiel kann ein ers-
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ter gemessener Punkt den Ursprung darstellen. Ein
zweiter gemessener Punkt kann verwendet werden,
um die x-Achse in dem Ziel-Bezugsrahmen zu erstellen. Der dritte gemessene Punkt kann verwendet werden, um die y- und z-Achse zu erstellen. (Die y-Achse
ist senkrecht zur x-Achse und die z-Achse ist senkrecht zur x- und zur y-Achse.) In anderen Fällen kann
eine große Zahl von Punkten mit dem Arm gemessen
werden, und es kann ein Best-Fit-Verfahren verwendet werden, um ein Best-Fit für ein CAD-Modell zu
bestimmen. Dieses Best-Fit schafft dann eine Grundlage für den Ziel-Bezugsrahmen.
[0090] Unabhängig von dem verwendeten Verfahren kann durch Messen mit dem Gelenkarm-KMG
der 3D-Koordinaten von wenigstens drei Punkten
der Arm die Position und Ausrichtung des Gelenkarm-KMG-Bezugsrahmens in dem Ziel-Bezugsrahmen bestimmen. In manchen Fällen kann dies über
einen Bereich erfolgen, der sich über ein individuelles
Werkzeug oder eine individuelle Komponente hinaus
erstreckt und sich über ein ganzes Gebäude erstrecken kann. Zum Beispiel kann ein Gebäude mehrere
Ziele haben, die von Distanzmessern gemessen werden, um einen Bezugsrahmen für alle Objekte innerhalb des Gebäudes zu erstellen.
[0091] Der Vorgang des Bewegens eines Gelenkarms zu mehr als einer Position wird als Verschiebung bezeichnet, und das Verfahren des Erstellens
eines gemeinsamen Bezugsrahmens nach der Verschiebung wird häufig als Registrierung bezeichnet.
[0092] In einer Ausführungsform sind wenigstens
drei Ziele innerhalb des Ziel-Bezugsrahmens vorgesehen. Diese Ziele können kooperative oder nicht kooperative Ziele sein. Ein Beispiel für ein kooperatives Ziel ist ein Retroreflektor, zum Beispiel ein Winkelretroreflektor. Ein Beispiel für ein nicht kooperatives Ziel ist ein Merkmal auf einem Objekt, zum Beispiel eine Kugel oder ein Loch. Ein Beispiel für ein
Ziel, das als kooperativ oder nicht-kooperativ angesehen werden kann, ist ein stark reflektierendes Ziel,
zum Beispiel ein stark reflektierendes kreisförmiges
Ziel. Solche Ziele werden häufig als retroreflektierende Ziele bezeichnet, auch wenn sie nicht so viel Licht
reflektieren wie zum Beispiel ein Winkelretroreflektor. In manchen Fällen sind nicht-kooperative Ziele
natürliche Merkmale eines Objekts, zum Beispiel der
Schnittpunkt von drei planaren Oberflächen.
[0093] Während die Erfindung anhand beispielhafter
Ausführungsformen beschrieben wurde, wird es dem
Fachmann klar sein, dass verschiedene Änderungen
vorgenommen und Äquivalente durch Elemente von
diesen ersetzt werden können, ohne den Rahmen der
Erfindung zu verlassen. Außerdem können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine besondere Situation oder ein besonderes Material an die
Lehren der Erfindung anzupassen, ohne den wesent-
lichen Rahmen derselben zu verlassen. Daher ist beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die besondere Ausführungsform beschränkt wird, die als der beste zur Ausführung dieser Erfindung in Betracht gezogene Modus offenbart wird, sondern dass die Erfindung alle in den Rahmen der beigefügten Ansprüche
fallenden Ausführungsformen einschließt. Außerdem
sagt die Verwendung der Begriffe erste, zweite usw.
nichts über die Reihenfolge oder Bedeutung aus; die
Begriffe erste, zweite usw. werden vielmehr dazu verwendet, ein Element von einem anderen Element zu
unterscheiden. Ferner bedeutet die Verwendung der
Begriffe ein, eine, einer usw. keinerlei Begrenzung
der Menge; sie bedeutet vielmehr das Vorliegen von
mindestens einem des benannten Gegenstands.
Patentansprüche
1. Verfahren für die Erstellung eines Bezugsrahmens zum Betreiben eines tragbaren Gelenkarm-Koordinatenmessgerätes (Gelenkarm-KMG) zum Messen von dreidimensionalen Koordinaten eines Objekts im Raum, umfassend:
Bereitstellen des Gelenkarm-KMGs in einem Gelenkarm-KMG-Bezugsrahmen mit einem Ursprung, wobei das Gelenkarm-KMG einen manuell positionierbaren Armabschnitt, eine Basis, eine berührungslose Messvorrichtung und eine elektronische Schaltung umfasst, wobei der Armabschnitt ein erstes Ende und ein entgegengesetztes zweites Ende hat, wobei der Armabschnitt mehrere verbundene Armsegmente umfasst, wobei jeder der mehreren verbundenen Armsegmente wenigstens ein Positionsmessgerät zum Erzeugen von mehreren Positionssignalen umfasst, wobei das erste Ende mit der Basis verbunden ist, wobei die berührungslose Messvorrichtung mit dem zweiten Ende, einem Strahlungssender
zum Senden elektromagnetischer Strahlung und einem Sensor verbunden ist, wobei die elektronische
Schaltung dafür ausgelegt ist, die mehreren Positionssignale zu empfangen;
Bereitstellen eines ersten reflektierenden Ziels an einer ersten Stelle mit ersten dreidimensionalen Zielkoordinaten in einem Ziel-Bezugsrahmen, eines zweiten reflektierenden Ziels an einer zweiten Stelle mit
zweiten dreidimensionalen Zielkoordinaten in dem
Ziel-Bezugsrahmen und eines dritten reflektierenden
Ziels an einer dritten Stelle mit dritten dreidimensionalen Zielkoordinaten in dem Ziel-Bezugsrahmen,
wobei die erste Stelle, die zweite Stelle und die dritte
Stelle nicht kollinear sind;
manuelles Positionieren des zweiten Endes, um die
gesendete elektromagnetische Strahlung zum ersten
Ziel zu lenken;
Messen eines ersten Abstands zum ersten Ziel mit
der berührungslosen Messvorrichtung und Messen
von ersten mehreren Positionssignalen;
manuelles Positionieren des zweiten Endes, um die
gesendete elektromagnetische Strahlung zum zweiten Ziel zu lenken;
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Messen eines zweiten Abstands zum zweiten Ziel mit
der berührungslosen Messvorrichtung und Messen
von zweiten mehreren Positionssignalen;
manuelles Positionieren des zweiten Endes, um die
gesendete elektromagnetische Strahlung zum dritten
Ziel zu lenken;
Messen eines dritten Abstands zum dritten Ziel mit
der berührungslosen Messvorrichtung und Messen
von dritten mehreren Positionssignalen;
Bestimmen, durch einen Prozessor, relativ zu dem
Ziel-Bezugsrahmen, von ersten Ursprungskoordinaten und ersten Gelenkarm-KMG-Ausrichtungswinkeln, wobei die ersten Ursprungskoordinaten dreidimensionale Koordinaten des ersten Ursprungs
in dem Ziel-Bezugsrahmen sind und die ersten
Gelenkarm-KMG-Ausrichtungswinkel drei Ausrichtungsdrehwinkel des ersten Gelenkarm-KMG in
dem Ziel-Bezugsrahmen sind, wobei die ersten Ursprungskoordinaten und die ersten Gelenkarm-KMGAusrichtungswinkel auf dem ersten Abstand, den ersten mehreren Signalen, den ersten dreidimensionalen Koordinaten, dem zweiten Abstand, den zweiten
mehreren Signalen, den zweiten dreidimensionalen
Koordinaten, dem dritten Abstand, den dritten mehreren Signalen und den dritten dreidimensionalen Koordinaten basieren; und
Speichern der ersten Ursprungskoordinaten und der
ersten Gelenkarm-KMG-Ausrichtungswinkel.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Schritt
des Bereitstellens eines ersten reflektierenden Ziels
das erste reflektierende Ziel ein Retroreflektor ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Schritt
des Bereitstellens eines ersten reflektierenden Ziels
das erste reflektierende Ziel ein nicht kooperatives
Ziel ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Schritt
des Bereitstellens des Gelenkarm-KMGs das Gelenkarm-KMG zusätzlich zur berührungslosen Messvorrichtung eine Kontakt-Messvorrichtung aufweist,
die an das zweite Ende angeschlossen ist, und die
elektronische Schaltung ferner dafür ausgelegt ist, eine Position der Kontakt-Messvorrichtung zu bestimmen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei in dem Schritt
des Bereitstellens des Gelenkarm-KMGs die Kontakt-Messvorrichtung eine Sondenspitze ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend:
Berühren eines Merkmals auf dem Objekt mit der
Kontakt-Messvorrichtung; und
Messen von vierten dreidimensionalen Koordinaten
des Merkmals in dem Ziel-Bezugsrahmen, wobei die
vierten dreidimensionalen Koordinaten auf der bestimmten Position der Kontakt-Messvorrichtung, den
bestimmten ersten Ursprungskoordinaten und den
bestimmten ersten Gelenkarm-KMG-Ausrichtungswinkeln basieren.
7. Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend:
manuelles Positionieren des zweiten Endes, um die
gesendete elektromagnetische Strahlung zu einem
vierten reflektierenden Ziel zu lenken;
Messen eines vierten Abstands zum vierten reflektierenden Ziel mit der berührungslosen Messvorrichtung und Messen von vierten mehreren Positionssignalen; und
Bestimmen, durch den Prozessor, relativ zu dem
Ziel-Bezugsrahmen, von dreidimensionalen Koordinaten des vierten reflektierenden Ziels basierend auf
dem gemessenen vierten Abstand, den gemessenen
vierten mehreren Positionssignalen, den bestimmten
ersten Ursprungskoordinaten und den bestimmten
ersten Gelenkarm-KMG-Ausrichtungswinkeln.
8. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend:
Bewegen des Gelenkarm-KMGs relativ zu dem ZielBezugsrahmen zu zweiten Ursprungskoordinaten
und zweiten Gelenkarm-KMG-Ausrichtungswinkeln,
manuelles Positionieren des zweiten Endes, um die
gesendete elektromagnetische Strahlung zum ersten
Ziel zu lenken; Messen eines vierten Abstands zum
ersten Ziel mit der berührungslosen Messvorrichtung
und Messen von vierten mehreren Positionssignalen;
manuelles Positionieren des zweiten Endes, um die
gesendete elektromagnetische Strahlung zum zweiten Ziel zu lenken; Messen eines fünften Abstands
zum zweiten Ziel mit der berührungslosen Messvorrichtung und Messen von fünften mehreren Positionssignalen;
manuelles Positionieren des zweiten Endes, um die
gesendete elektromagnetische Strahlung zum dritten
Ziel zu lenken; Messen eines sechsten Abstands zum
dritten Ziel mit der berührungslosen Messvorrichtung
und Messen von sechsten mehreren Positionssignalen;
Bestimmen, durch den Prozessor, relativ zu dem
Ziel-Bezugsrahmen, von zweiten Ursprungskoordinaten und zweiten Gelenkarm-KMG-Ausrichtungswinkeln, wobei die zweiten Ursprungskoordinaten
dreidimensionale Koordinaten des Ursprungs in dem
Ziel-Bezugsrahmen sind und die zweiten GelenkarmKMG-Ausrichtungswinkel drei Ausrichtungsdrehwinkel des Gelenkarm-KMGs in dem Ziel-Bezugsrahmen sind, wobei die zweiten Ursprungskoordinaten
und die zweiten Gelenkarm-KMG-Ausrichtungswinkel auf dem vierten Abstand, den vierten mehreren
Signalen, den ersten dreidimensionalen Koordinaten, dem fünften Abstand, den fünften mehreren Signalen, den zweiten dreidimensionalen Koordinaten,
dem sechsten Abstand, den sechsten mehreren Signalen und den dritten dreidimensionalen Koordinaten basieren; und
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Speichern der zweiten Ursprungskoordinaten und
der zweiten Gelenkarm-KMG-Ausrichtungswinkel.
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