DE112013002705T5

DE112013002705T5 - Koordinatenmessgeräte mit Zweilagigem Arm

Info

Publication number: DE112013002705T5
Application number: DE112013002705.4T
Authority: DE
Inventors: Clark H. Briggs; Kenneth Campell; Brent Bailey
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2012-06-01
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2015-03-26
Also published as: US20130205606A1; GB201423390D0; GB2518098A; JP2015523558A; CN104350355A; US9168654B2; WO2013180938A1

Abstract

Es ist ein tragbares Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG) vorgesehen, das einen manuell positionierbaren Gelenkarm mit entgegengesetzten ersten und zweiten Enden umfasst. Der Arm umfasst mehrere verbundene Armsegmente. Jedes Armsegment hat eine Längsachse. Jedes Armsegment umfasst einen generell rohrförmigen Kern, eine zumindest einen Abschnitt einer Länge des Kerns umgebende Außenhülse und mindestens ein Positionsmessgerät zur Erzeugung eines Positionssignals. Die Außenhülse ist ein zylindrisches Rohr mit einem ersten Abschnitt an einem ersten Ende und einem zweiten Abschnitt, der sich von dem ersten Abschnitt zu einem gegenüberliegenden Ende erstreckt. Der erste Abschnitt ist an ein Ende des Kerns gekoppelt. Der erste Abschnitt ist kürzer als der zweite Abschnitt und der zweite Abschnitt ist dafür konfiguriert, sich relativ zum Kern zu bewegen.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Koordinatenmessgerät und insbesondere einen Arm eines tragbaren Gelenk-Koordinatenmessgeräts.
Tragbare Gelenkarm-Koordinatenmessgeräte (Gelenkarm-KMGs) fanden weit verbreitete Verwendung bei der Fertigung bzw. Herstellung von Teilen, wo ein Bedarf daran besteht, die Abmessungen des Teils während verschiedener Schritte der Fertigung (z. B. der mechanischen Bearbeitung) bzw. Herstellung des Teils schnell und genau nachzuprüfen. Tragbare Gelenkarm-KMGs stellen eine weitgehende Verbesserung gegenüber bekannten unbeweglichen bzw. feststehenden, kostenintensiven und relativ schwer zu bedienenden Messeinrichtungen dar, und zwar insbesondere hinsichtlich des Zeitaufwands, der für die Durchführung von Dimensionsmessungen relativ komplexer Teile anfällt. Normalerweise führt ein Benutzer eines tragbaren Gelenkarm-KMG einfach eine Sonde entlang der Oberfläche des zu messenden Teils oder Objekts. Die Messdaten werden dann aufgezeichnet und dem Benutzer bereitgestellt. In einigen Fällen werden die Daten dem Benutzer in optischer Form bereitgestellt, beispielsweise in dreidimensionaler (3-D) Form auf einem Computerbildschirm. Alternativ dazu können die Daten dem Benutzer in numerischer Form bereitgestellt werden, beispielsweise wenn bei der Messung des Durchmessers eines Lochs der Text „Durchmesser =” auf einem Computerbildschirm angezeigt wird.
Armabschnitte von Gelenkarm-KMGs sind anfällig für Verdrehungen, die durch Temperaturänderungen bedingt sind. Die Verdrehung eines Abschnitts eines Armsegments kann dazu führen, dass ein gekoppelter Kodierer gedreht wird, wodurch ein Winkelfehler erzeugt und die Genauigkeit des Geräts verringert wird. Eine solche Verdrehung kann beispielsweise durch ein gemustertes Verbundmaterial auf einem Außenbereich des Armsegments verursacht werden, wobei der Außenbereich ein ungleichmäßiges Muster aufweist. Im Allgemeinen können derartige Verdrehungswirkungen nicht durch Messungen von Temperaturen beseitigt werden, weil insbesondere Temperatursensoren normalerweise im Innern der Armsegmente angeordnet sind. Es besteht Bedarf an einem Verfahren zur Minimierung der Verdrehung der Armsegmente.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein tragbares Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG) vorgesehen, das einen manuell positionierbaren Gelenkarm mit entgegengesetzten ersten und zweiten Enden umfasst. Der Arm umfasst mehrere verbundene Armsegmente. Jedes Armsegment hat eine Längsachse. Jedes Armsegment umfasst einen generell rohrförmigen Kern, eine zumindest einen Abschnitt einer Länge des Kerns umgebende Außenhülse und mindestens ein Positionsmessgerät zur Erzeugung eines Positionssignals. Die Außenhülse ist ein zylindrisches Rohr mit einem ersten Abschnitt an einem ersten Ende und einem zweiten Abschnitt, der sich von dem ersten Abschnitt zu einem gegenüberliegenden Ende erstreckt. Der erste Abschnitt ist an ein Ende des Kerns gekoppelt. Der erste Abschnitt ist kürzer als der zweite Abschnitt und der zweite Abschnitt ist dafür konfiguriert, sich relativ zum Kern zu bewegen. Das tragbare Gelenkarm-KMG umfasst auch eine an einem ersten Ende befestigte Messvorrichtung. Eine elektronische Schaltung empfängt das Positionssignal des mindestens einen Positionsmessgeräts und stellt Daten bereit, die einer Position der Messvorrichtung entsprechen.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist ein tragbares Gelenkarm-KMG vorgesehen, das einen manuell positionierbaren Gelenkarm mit entgegengesetzten ersten und zweiten Enden umfasst. Der Arm umfasst mehrere verbundene Armsegmente. Jedes Armsegment hat eine Längsachse und umfasst einen von einem Außenmaterial umgebenen Kern und mindestens ein Positionsmessgerät zur Erzeugung eines Positionssignals. Das Außenmaterial umfasst eine Vielzahl von ersten Fasern, die orthogonal zu eine Vielzahl von zweiten Fasern angeordnet sind. Die Vielzahl von ersten Fasern und die Vielzahl von zweiten Fasern sind relativ zu einer Längsachse des Armsegments orientiert. Das Gelenkarm-KMG umfasst auch eine an einem ersten Ende des Gelenkarm-KMG befestigte Messvorrichtung und eine elektronische Schaltung. Die elektronische Schaltung empfängt ein Positionssignal des mindestens einen Positionsmessgeräts und stellt Daten bereit, die einer Position der Messvorrichtung entsprechen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zum Bilden eines Armsegments für ein tragbares Gelenkarm-KMG einschließlich des Bildens eines generell hohlen zylindrischen Kerns mit einer Längsachse aus einem ersten Material vorgesehen. Das erste Material umfasst eine Vielzahl von ersten Fasern, die orthogonal zu einer Vielzahl von zweiten Fasern angeordnet sind. Eine rohrförmige Hülse wird aus einem zweiten Material gebildet. Das zweite Material umfasst eine Vielzahl von dritten Fasern, die orthogonal zu einer Vielzahl von vierten Fasern angeordnet sind. Die Vielzahl von dritten Fasern und die Vielzahl von vierten Fasern befinden sich in einer gewünschten Orientierung relativ zu der Achse. Der Kern wird in die Hülse eingebracht und ein erstes Ende der Hülse wird an einem ersten Ende des Kerns befestigt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, wobei beispielhafte Ausgestaltungen dargestellt sind, die nicht als den gesamten Schutzbereich der Offenbarung einschränkend aufzufassen sind und wobei die Elemente in mehreren Figuren gleich nummeriert sind. Es zeigen:
1: einschließlich 1A und 1B, perspektivische Darstellungen eines tragbaren Gelenkarm-Koordinatenmessgeräts (Gelenkarm-KMG), das Ausgestaltungen verschiedener Aspekte der vorliegenden Erfindung darin aufweist;
2: einschließlich 2A–2D zusammengenommen, ein Blockdiagramm der Elektronik, die als Teil des Gelenkarm-KMG von 1 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
3: einschließlich 3A und 3B zusammengenommen, ein Blockdiagramm, das detaillierte Merkmale des elektronischen Datenverarbeitungssystems von 2 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beschreibt;
4: eine perspektivische Darstellung eines Endes eines Armsegments gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
5: eine Draufsicht eines Abschnitts eines Armsegments gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
6: eine perspektivische Darstellung eines Abschnitts eines Armsegments gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
7: eine perspektivische Darstellung eines Abschnitts eines Armsegments gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung; und
8: eine perspektivische Darstellung eines Abschnitts eines Armsegments gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1A und 1B veranschaulichen ein beispielhaftes tragbares Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG) gemäß verschiedenen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, wobei ein Gelenkarm ein Typ des Koordinatenmessgeräts ist. Gelenkarm-KMGs werden bei einer Vielzahl von Anwendungen benutzt, um Messungen von Objekten zu erhalten. Das Gelenkarm-KMG 100 kann eine sechs- oder siebenachsige Gelenkmessvorrichtung mit einem Sondenende 401 umfassen, das ein Messsondengehäuse 102 umfasst, das an einem Ende an einen Armabschnitt 104 des Gelenkarm-KMG 100 gekoppelt ist. Der Armabschnitt 104 umfasst ein erstes Armsegment 106, das an einem ersten Ende 106a durch eine erste Gruppierung von Lagereinsätzen 110 (z. B. zwei Lagereinsätze) 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 zweite Ende 106b des ersten Armsegments 106 an einen Sockel 116. Ein wie hierin verwendeter Lagereinsatz macht es möglich, dass ein an den Lagereinsatz gekoppeltes Bauteil unabhängig um eine Achse gedreht werden kann. Wenn sie in einer Gruppe 110, 112, 114 kombiniert sind, können die Lagereinsätze derart einen Verbinder in Gelenk-schwenk-Bauweise bilden, dass ein benachbartes Bauteil unabhängig um zwei Achsen beweglich ist. Es versteht sich, dass Lagereinsätze in verschiedenen Konfigurationen miteinander gruppiert werden können, um einen Verbinder zu bilden, der um eine einzige Achse oder mehrere Achsen bewegt werden kann. Das Messsondengehäuse 102 kann die Welle einer zusätzlichen Achse des Gelenkarm-KMG 100 umfassen (z. B. einen Einsatz, der ein Kodierersystem enthält, das die Bewegung der Messvorrichtung, beispielsweise einer Sonde 118, des Gelenkarm-KMG 100 ermittelt). Das Sondenende 401 kann sich bei dieser Ausgestaltung um eine Achse drehen, die sich durch die Mitte des Messsondengehäuses 102 erstreckt. Der Sockel 116 ist bei der Verwendung des Gelenkarm-KMG 100 normalerweise an einer flächigen Arbeitsfläche befestigt.
Jeder Lagereinsatz in jeder Lagereinsatzgruppierung 110, 112, 114 enthält normalerweise ein Kodierersystem (z. B. ein optisches Winkelkodierersystem). Das Kodierersystem stellt eine Angabe der Position der jeweiligen Armsegmente 106, 108 und der entsprechenden Lagereinsatzgruppierungen 110, 112, 114 bereit, die zusammen eine Angabe der Position der Sonde 118 in Bezug auf den Sockel 116 bereitstellen. Ein tragbares Gelenkarm-KMG mit mehreren Achsen der Gelenkbewegung, beispielsweise sechs oder sieben, stellt die Vorteile bereit, dass dem Bediener gestattet wird, die Sonde 118 an einer gewünschten Stelle in einem 360-Grad-Bereich rings um den Sockel zu positionieren, wobei ein Armabschnitt 104 bereitgestellt wird, der leicht von einem Bediener gehandhabt werden kann. Es versteht sich, dass der dargestellte Armabschnitt 104 mit einem an ein zweites Armsegment 108 gekoppelten ersten Armsegment 106 lediglich als Beispiel dient und dass die beanspruchte Erfindung nicht dadurch eingeschränkt sein sollte. Ein erfindungsgemäßes Gelenkarm-KMG 100 kann eine beliebige Anzahl an Armsegmenten umfassen, die durch Lagereinsätze und somit mehr oder weniger als sechs oder sieben Achsen der Gelenkbewegung bzw. Freiheitsgrade miteinander gekoppelt sind.
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 einer Schnellverbinder-Anschlussstelle entfernbar. Der Griff 126 kann durch eine andere Vorrichtung ersetzt werden (z. B. eine Laserliniensonde, einen Strichcodeleser usw.), wodurch Vorteile zur Verfügung gestellt werden, die dem Bediener die Benutzung verschiedener Messvorrichtungen mit demselben Gelenkarm-KMG 100 ermöglichen. Das Sondengehäuse 102 beherbergt bei einer Ausgestaltung eine entfernbare Sonde 118, die eine Kontaktmessvorrichtung ist und eine beliebige Anzahl verschiedener Spitzen aufweisen kann, die das zu messende Objekt physisch berühren und folgende umfassen, aber ohne darauf beschränkt zu sein: Sonden vom Typ Kugel, berührungsempfindlich, gebogen und verlängert. Bei anderen Ausgestaltungen wird die Messung beispielsweise durch eine kontaktlose Vorrichtung wie z. B. eine Laserliniensonde (LLP; laser line probe) durchgeführt. Der Griff 126 kann durch die LLP ersetzt werden, wobei eine Schnellverbinder-Anschlussstelle verwendet wird. Andere Typen von Messvorrichtungen können den entfernbaren Griff 126 ersetzen, um eine zusätzliche Funktionalität bereitzustellen. Die Beispiele für solche Messvorrichtungen umfassen, aber ohne darauf beschränkt zu sein, eine oder mehrere Leuchten, einen Strichcodescanner, einen Projektor, eine Lackierpistole oder eine Kamera.
In 1A und 1B ist ersichtlich, dass das Gelenkarm-KMG 100 den entfernbaren Griff umfasst, der die Vorteile bereitstellt, dass Zusatzteile oder Funktionalitäten ausgetauscht werden können, ohne dass das Messsondengehäuse 102 von der Lagereinsatzgruppierung 112 entfernt wird. Wie anhand von 2 detaillierter erörtert wird, kann der entfernbare Griff auch einen elektrischen Verbinder umfassen, der es gestattet, dass elektrische Energie und Daten mit dem Griff und der im Sondenende 401 angeordneten entsprechenden Elektronik ausgetauscht werden.
Bei verschiedenen Ausgestaltungen ermöglicht jede Gruppierung von Lagereinsätzen 110, 112, 114, dass der Armabschnitt 104 des Gelenkarm-KMG 100 um mehrere Drehachsen bewegt wird. Wie bereits erwähnt, umfasst jede Lagereinsatzgruppierung 110, 112, 114 entsprechende Kodierersysteme wie beispielsweise optische Winkelkodierer, die jeweils koaxial zu der entsprechenden Drehachse z. B. der Armsegmente 106, 108 angeordnet sind. Das optische Kodierersystem erfasst eine Drehbewegung (Schwenkbewegung) oder Querbewegung (Gelenkbewegung) beispielsweise von jedem der Armsegmente 106, 108 um die entsprechende Achse und überträgt ein Signal zu einem elektronischen Datenverarbeitungssystem in dem Gelenkarm-KMG 100, wie hierin im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Jede einzelne unverarbeitete Kodiererzählung wird separat als Signal zu dem elektronischen Datenverarbeitungssystem gesendet, wo sie zu Messdaten weiterverarbeitet wird. Es ist kein von dem Gelenkarm-KMG 100 selbst getrennter Positionsberechner (z. B. eine serielle Box) erforderlich, der in dem US-Patent Nr. 5,402,582 ('582) des gleichen Inhabers offenbart wird.
Der Sockel 116 kann eine Befestigungs- bzw. Montagevorrichtung 120 umfassen. Die Montagevorrichtung 120 ermöglicht die entfernbare Montage des Gelenkarm-KMG 100 an einer gewünschten Stelle wie beispielsweise einem Inspektionstisch, einem Bearbeitungszentrum, einer Wand oder dem Boden. Der Sockel 116 umfasst bei einer Ausgestaltung einen Griffabschnitt 122, der eine zweckmäßige Stelle ist, an welcher der Bediener den Sockel 116 hält, während das Gelenkarm-KMG 100 bewegt wird. Bei einer Ausgestaltung umfasst der Sockel 116 ferner einen beweglichen Abdeckabschnitt 124, der herunterklappbar ist, um eine Benutzerschnittstelle wie beispielsweise einen Anzeigeschirm freizugeben.
Gemäß einer Ausgestaltung enthält bzw. beherbergt der Sockel 116 des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 ein elektronisches Datenverarbeitungssystem, das zwei Hauptkomponenten umfasst: ein Basisverarbeitungssystem, das die Daten der verschiedenen Kodierersysteme im Gelenkarm-KMG 100 sowie Daten, die andere Armparameter zur Unterstützung der dreidimensionalen (3-D) Positionsberechnungen repräsentieren, verarbeitet; und ein Benutzerschnittstellen-Verarbeitungssystem, das ein integriertes Betriebssystem, einen berührungsempfindlichen Bildschirm und eine residente Anwendungssoftware umfasst, welche die Implementierung relativ vollständiger messtechnischer Funktionen innerhalb des Gelenkarm-KMG 100 gestattet, ohne dass dabei eine Verbindung zu einem externen Computer vorhanden sein muss.
2 ist ein Blockdiagramm der Elektronik, die gemäß einer Ausgestaltung in einem Gelenkarm-KMG 100 verwendet wird. Die in 2A dargestellte Ausgestaltung 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 die Benutzerschnittstelle, die Anzeige und andere hierin beschriebene Funktionen durchzuführen.
In 2A ist ersichtlich, dass das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 über einen oder mehrere Armbusse 218 mit den vorgenannten mehreren Kodierersystemen kommuniziert. Jedes Kodierersystem erzeugt bei der in 2B und 2C dargestellten Ausgestaltung Kodiererdaten und umfasst: eine Kodierer-Armbus-Schnittstelle 214, einen digitalen Kodierer-Signalprozessor (DSP) 216, eine Kodierer-Lesekopf-Schnittstelle 234 und einen Temperatursensor 212. Andere Geräte wie beispielsweise Dehnungssensoren können an den Armbus 218 angeschlossen werden.
In 2D ist auch die Sondenende-Elektronik 230 dargestellt, die mit dem Armbus 218 kommuniziert. Die Sondenende-Elektronik 230 umfasst einen Sondenende-DSP 228, einen Temperatursensor 212, einen Griff-/LLP-Schnittstellenbus 240, der bei einer Ausgestaltung über eine Schnellverbinder-Anschlussstelle mit dem Griff 126 oder der LLP 242 verbindet, und eine Sondenschnittstelle 226. Die Schnellverbinder-Anschlussstelle ermöglicht den Zugriff des Griffs 126 auf den Datenbus, die Steuerleitungen, den von der LLP 242 benutzten Energiebus und andere Zusatzteile. Die Sondenende-Elektronik 230 ist bei einer Ausgestaltung in dem Messsondengehäuse 102 an dem Gelenkarm-KMG 100 angeordnet. Der Griff 126 kann bei einer Ausgestaltung von der Schnellverbinder-Anschlussstelle entfernt werden und die Messung kann mit der Laserliniensonde (LLP) 242, die über den Griff-/LLP-Schnittstellenbus 240 mit der Sondenende-Elektronik 230 des Gelenkarm-KMG 100 kommuniziert, durchgeführt werden. Bei einer Ausgestaltung sind das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 im Sockel 116 des Gelenkarm-KMG 100, die Sondenende-Elektronik 230 im Messsondengehäuse 102 des Gelenkarm-KMG 100 und die Kodierer in den Lagereinsatzgruppierungen 110, 112, 114 angeordnet. Die Sondenschnittstelle 226 kann durch ein beliebiges geeignetes Kommunikationsprotokoll, das im Handel erhältliche Produkte von Maxim Integrated Products, Inc., die als 1-Wire^®-Kommunikationsprotokoll 236 ausgebildet sind, umfasst, mit dem Sondenende-DSP 228 verbunden werden.
3 ist ein Blockdiagramm, das detaillierte Merkmale des elektronischen Datenverarbeitungssystems 210 des Gelenkarm-KMG 100 gemäß einer Ausgestaltung beschreibt. Das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 ist bei einer Ausgestaltung im Sockel 116 des Gelenkarm-KMG 100 angeordnet und umfasst die Basisprozessorkarte 204, die Benutzerschnittstellenkarte 202, eine Basisenergiekarte 206, ein Bluetooth-Modul 232 und ein Basisneigungsmodul 208.
Bei einer in 3A dargestellten Ausgestaltung umfasst die Basisprozessorkarte 204 die verschiedenen darin dargestellten funktionellen Blöcke. Beispielsweise wird eine Basisprozessorfunktion 302 verwendet, die die Erfassung von Messdaten des Gelenkarm-KMG 100 unterstützt und die über den Armbus 218 und eine Bussteuermodulfunktion 308 die unverarbeiteten Armdaten (z. B. Daten des Kodierersystems) empfängt. Die Speicherfunktion 304 speichert Programme und statische Armkonfigurationsdaten. Die Basisprozessorkarte 204 umfasst ferner eine für eine externe Hardwareoption vorgesehene Portfunktion 310, um mit etwaigen externen Hardwaregeräten oder Zusatzteilen wie beispielsweise einer LLP 242 zu kommunizieren. Eine Echtzeituhr (RTC; real time clock) und ein Protokoll 306, eine Batteriesatzschnittstelle (IF; Interface) 316 und ein Diagnoseport 318 sind ebenfalls in der Funktionalität bei einer Ausgestaltung der in 3 abgebildeten Basisprozessorkarte 204 enthalten.
Die Basisprozessorkarte 204 leitet auch die gesamte drahtgebundene und drahtlose Datenkommunikation zu externen (Host-Computer) und internen (Anzeigeprozessor 202) Geräten. Die Basisprozessorkarte 204 ist in der Lage, über eine Ethernet-Funktion 320 mit einem Ethernet-Netzwerk [wobei z. B. eine Taktsynchronisations-Norm wie beispielsweise IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 1588 verwendet wird], über eine LAN-Funktion 322 mit einem drahtlosen Local Area Network (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 Universal-Serial-Bus-Gerät (USB-Gerät) 312.
Die Basisprozessorkarte 204 überträgt und erfasst unverarbeitete Messdaten (z. B. Zählungen des Kodierersystems, Temperaturmesswerte) für die Verarbeitung zu Messdaten, ohne dass dabei irgendeine Vorverarbeitung erforderlich ist, wie sie beispielsweise bei der seriellen Box des vorgenannten Patents '582 offenbart wird. Der Basisprozessor 204 sendet die verarbeiteten Daten über eine RS485-Schnittstelle (IF) 326 zu dem Anzeigeprozessor 328 auf der Benutzerschnittstellenkarte 202. Bei einer Ausgestaltung sendet der Basisprozessor 204 auch die unverarbeiteten Messdaten an einen externen Computer.
Nun Bezug nehmend auf die Benutzerschnittstellenkarte 202 in 3B, werden die vom Basisprozessor empfangenen Winkel- und Positionsdaten von auf dem Anzeigeprozessor 328 ausgeführten Anwendungen verwendet, um ein autonomes messtechnisches System in dem Gelenkarm-KMG 100 zur Verfügung zu stellen. Die Anwendungen können auf dem Anzeigeprozessor 328 ausgeführt werden, um beispielsweise folgende, aber nicht darauf beschränkte Funktionen zu unterstützen: Messung von Merkmalen, Anleitungs- und Schulungsgrafiken, Ferndiagnostik, Temperaturkorrekturen, Steuerung verschiedener Betriebseigenschaften, Verbindung zu verschiedenen Netzwerken und Anzeige gemessener Objekte. Die Benutzerschnittstellenkarte 202 umfasst zusammen mit dem Anzeigeprozessor 328 und einer Schnittstelle für einen Flüssigkristallbildschirm (LCD-Bildschirm; liquid crystal display) 338 (z. B. ein berührungsempfindlicher LCD-Bildschirm) mehrere Schnittstellenoptionen, zu denen eine Secure-Digital-Karten-Schnittstelle (SD-Karten-Schnittstelle) 330, ein 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 globale Positionsbestimmungssystem (GPS; global positioning system) gehören.
Das in 3A abgebildete elektronische Datenverarbeitungssystem 210 umfasst ferner 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 Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 358 und eine Batterieladersteuerung 360 verwendet werden. Die Basisenergiekarte 206 kommuniziert über einen seriellen Single-Ended-Bus 354, der eine Inter-Integrated Circuit (I2C) aufweist, sowie über eine serielle Peripherieschnittstelle einschließlich DMA (DSPI) 357 mit der Basisprozessorkarte 204. 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 Funkidentifikations-Modul (Funk-ID-Modul) 208 verbunden.
Obwohl sie als getrennte Komponenten dargestellt sind, können alle oder eine Untergruppe der Komponenten bei anderen Ausgestaltungen physisch an verschiedenen Stellen angeordnet sein und/oder die Funktionen auf andere Art als bei der in 3 dargestellten kombiniert sein. Beispielsweise sind die Basisprozessorkarte 204 und die Benutzerschnittstellenkarte 202 bei einer Ausgestaltung in einer physischen Karte kombiniert.
Nun Bezug nehmend auf 4 und 5, ist dort ein beispielhaftes Armsegment 108 des Arms 104 des Gelenkarm-KMG 100 detaillierter dargestellt. Jedes Armsegment 106, 108 umfasst einen generell zylindrischen hohlen Kern 500, der aus einem in geeigneter Weise starren Material wie beispielsweise einem Kohlefaser-Verbundmaterial besteht, aber ohne darauf beschränkt zu sein. Ein Kohlefaser-Verbundmaterial kann wegen seines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) und seiner hohen Steifigkeit ausgewählt werden. Der Kern kann alternativ dazu aus einem extrudierten oder gewebten synthetischen Material oder Metall bestehen. Bei einer Ausgestaltung wird der rohrförmige Kern 500 jedes Armsegments 106, 108 hergestellt, indem mindestens eine Lage eines imprägnierten Kohlefaser-Verbundmaterials rings um einen Dorn gewickelt wird, der um eine Längsachse X drehbar ist. Bei anderen Ausgestaltungen kann der Kern 500 aus anderen Materialien wie beispielsweise extrudierten oder gewebten synthetischen Materialien oder Metallen bestehen, aber ohne darauf beschränkt zu sein.
Angrenzend an die Außenfläche 506 des Kerns 500 wird ein Außenmaterial 550 angeordnet, um den ästhetischen Eindruck jedes Armsegments 106, 108 zu verbessern. Das Außenmaterial 550 kann mindestens eine Lage eines Verbundmaterials umfassen, beispielsweise ein aluminiumbeschichtetes Glasfaser-Epoxid-Prepreg. Das Außenmaterial 550 ist bei einer Ausgestaltung das von Hexcel Corporation hergestellte Texalium^®. Bei einigen Ausgestaltungen ist der Absolutwert des Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) des Materials in der Außenlage weitaus größer als der WAK des Verbundmaterials des Innenkerns 500. 6 und 7 zeigen den Aufbau des Außenmaterials 550 im Detail. Das Außenmaterial 550 umfasst eine Vielzahl von ersten Fasern 560, die in einer ersten Richtung orientiert sind, und eine Vielzahl von zweiten Fasern 562, die in einer zweiten, anderen Richtung orientiert sind. Die erste und die zweite Richtung sind bei einer Ausgestaltung orthogonal zueinander. Die Fasern 560, 562 jeder Lage des Außenmaterials 550 können in beliebig vielen Orientierungen angeordnet werden, zu denen beispielsweise eine gewebte Konfiguration, eine geflochtene Konfiguration oder eine in einer Richtung verlaufende Konfiguration gehören, aber ohne darauf beschränkt zu sein. Bei einer Ausgestaltung sind die einen von der Vielzahl von ersten Fasern 560 und der Vielzahl von zweiten Fasern 562 des Außenmaterials 550 generell koaxial zu der Längsachse X orientiert (siehe 6). Bei solchen Ausgestaltungen sind die anderen von der Vielzahl von ersten Fasern 560 und der Vielzahl von zweiten Fasern 562 derart zylindrisch orientiert, dass sich die Fasern in einer Richtung rings um den Rand des rohrförmigen Außenmaterials 550 und die Längsachse X erstrecken. Bei einer anderen Ausgestaltung, die in 7 veranschaulicht ist, kann die Vielzahl von ersten Fasern 560 und die Vielzahl von zweiten Fasern 562 derart angeordnet sein, dass sowohl die ersten Fasern 560 als auch die zweiten Fasern 562 in einem Winkel von generell 45 Grad zur Längsachse X orientiert sind.
Der Querschnitt des beispielhaften Armsegments 108, der in 4 dargestellt ist, wird durch Wickeln des Außenmaterials 550 um den Kohlefaserkern 500 gebildet, beispielsweise bevor der Kern 500 von dem Dorn entfernt wird. Bei einer ersten Ausgestaltung wird das Außenmaterial 550 an der Außenfläche 506 des Kerns 500 angebracht, indem Druck aus einem Vakuum sowie Wärme auf das Armsegment 108 aufgebracht werden. Das Außenmaterial 550 wird derart um den Kern 500 gewickelt, dass sich die Vielzahl von ersten Fasern 560 und die Vielzahl von zweiten Fasern 562 in einer gewünschten Orientierung relativ zueinander und zu der Längsachse X befinden. Dadurch, dass die Fasern 560, 562 orthogonal im Außenmaterial 550 angeordnet und relativ zu der Längsachse X orientiert sind, werden Torsionswirkungen minimiert und eingeschränkt. Entsprechend ist es weniger wahrscheinlich, dass sich das Außenmaterial 550 infolge einer Temperaturänderung relativ zum Kern 500 verdreht. Das daraus resultierende, auf die Kodierer 214, 216, 234 des Arms 104 wirkende Drehmoment, das durch eine Änderung der Umgebungstemperatur bedingt ist, wird reduziert oder eliminiert, wodurch die Genauigkeit des Gelenkarm-KMG 100 verbessert wird.
In 8 ist ersichtlich, dass das Außenmaterial 550 alternativ dazu als ein separates Bauteil 570 wie beispielsweise eine rohrförmige Hülse oder Schale ausgebildet sein kann, das den Kern 500 in Gleiteingriff nimmt. Die Hülse 570 kann sich über einen Abschnitt oder alternativ dazu über die gesamte Länge eines Innenkerns 500 erstrecken. Bei Ausgestaltungen, wo das Außenmaterial 550 eine Hülse 570 ist, ist die Außenfläche 506 des Kerns 500 glatt, was dem Kern 500 einen gleichmäßigen Außendurchmesser verleiht. Die Außenmaterialhülse 570 hat einen Innendurchmesser, der größer als der Außendurchmesser des Kerns 500 ist, um eine lose Passung zu bilden. Die Außenmaterialhülse 570 kann einen an ein erstes Ende 572 angrenzenden ersten Abschnitt 574 und einen zweiten Abschnitt 576, der sich von dem ersten Abschnitt 574 zu der Angrenzung eines zweiten, gegenüberliegenden Endes 578 erstreckt, umfassen. Bei einer Ausgestaltung ist der erste Abschnitt 574 der Hülse 570 an ein erstes Ende 502 des Kerns 500 gekoppelt (siehe 5). Wird nur der erste Abschnitt 574 der Hülse 570 an den Kern 500 gekoppelt, werden Torsionskräfte von der Hülse 570 zum Kern 500 lediglich an derjenigen Stelle übertragen, wo die Hülse 570 und der Kern 500 gekoppelt sind, und nicht über die gesamte Länge des Kerns 500. Bei einer Ausgestaltung ist die Hülse 570 gegenüber einem Lagereinsatz 110, 112, 114 (nicht an den Lagereinsatz angrenzend) an das Ende 502 des Kerns 500 gekoppelt. Der erste Abschnitt 574 der Hülse 570 kann beispielsweise mit einem Befestigungsmittel, einer Schweißnaht, einem Klebstoff, Diffusionsverbinden, Ultraschallschweißen oder einem beliebigen anderen bekannten Verbindungsmittel an das erste Ende 502 des Kerns 500 gekoppelt werden. Bei einer Ausgestaltung erstreckt sich der erste Abschnitt 574 um eine vorgegebene Länge vom Ende 572 der Hülse 570 aus, wobei der erste Abschnitt 574 wesentlich kleiner als der restliche Abschnitt der Hülse 570 ist. Bei der Ausgestaltung von 1 ist die Hülse 570 auf dem Armsegment 108 nahe dem Lagereinsatzpaar 112 an den gegenüberliegenden Kern des Armsegments 108 gekoppelt. Die Hülse auf dem Armsegment 106 ist nahe dem Lagereinsatzpaar 110 an den gegenüberliegenden Kern des Armsegments 106 gekoppelt. Das kurze Segment 107 hat eine Außenhülse, die ein metallisches Element wie beispielsweise Aluminium oder Stahl abdeckt. Es versteht sich, dass die Stelle der Kopplung der Hülse 570 an den Kern 500 umgekehrt oder eine Kombination davon sein kann.
Das Ausbilden der Außenmaterials 550 als eine vom Kern 500 getrennte Hülse 570 trennt ferner den Kern 500 eines Armsegments 106, 108 von der Verdrehung des Außenmaterials 500, die durch eine nicht orthogonale Faserorientierung verursacht wird. Die Hülse 570 trennt den Kern 500 auch von einem Drehmoment, das durch einen Benutzer während der Bedienung des Gelenkarm-KMG 100 verursacht wird, wodurch die Genauigkeit des Geräts weiter verbessert wird. Außerdem kann die Hülse 570 entfernbar mit dem Kern 500 verbunden werden, um einen problemlosen Austausch zu ermöglichen, wenn die Außenmaterialhülse 570 beschädigt ist. Die Farbe der Hülse 570 kann ebenfalls modifiziert werden, um sie einem gewünschten Modell des Gelenkarm-KMG 100 zuzuordnen.
Obwohl die Erfindung anhand von Beispielausgestaltungen beschrieben wurde, versteht sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente an Stelle von Merkmalen davon eingesetzt werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Ferner können zahlreiche Modifikationen erfolgen, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Schutzbereich abzuweichen. Es ist demzufolge beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmte Ausgestaltung beschränkt ist, die als die zur Durchführung dieser Erfindung beste Ausführungsform erachtete offenbart wurde, sondern dass die Erfindung alle Ausgestaltungen umfasst, die im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche liegen. Ferner bedeutet die Verwendung der Begriffe „erster”, „zweiter” usw. nicht irgendeine Reihenfolge oder Bedeutsamkeit, sondern werden die Begriffe „erster”, „zweiter” usw. vielmehr zur Unterscheidung eines Merkmals von einem anderen verwendet. Darüber hinaus bedeutet die Verwendung der Begriffe „ein”, „eine” usw. nicht eine Beschränkung der Menge, sondern vielmehr das Vorhandensein von mindestens einem des Gegenstands, auf den Bezug genommen wird.

Claims

Tragbares Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG), umfassend: einen manuell positionierbaren Gelenkarm mit entgegengesetzten ersten und zweiten Enden, wobei der Arm mehrere verbundene Armsegmente umfasst, wobei mindestens eines der Armsegmente eine Längsachse aufweist und einen generell rohrförmigen Verbundmaterialkern, eine zumindest einen Teil einer Länge des Verbundmaterialkerns umgebende Außenhülse und mindestens ein Positionsmessgerät zur Erzeugung eines Positionssignals umfasst, wobei die Außenhülse ein zylindrisches Rohr ist, das einen ersten Abschnitt an einem dritten Ende der Außenhülse und einen zweiten Abschnitt, der sich zwischen dem ersten Abschnitt und einem vierten Ende gegenüber dem dritten Ende erstreckt, derart umfasst, dass der erste Abschnitt an ein fünftes Ende des Verbundmaterialkerns gekoppelt ist, wobei der erste Abschnitt eine kürzere Länge aufweist als der zweite Abschnitt und wobei der zweite Abschnitt dafür konfiguriert ist, sich frei relativ zu dem Verbundmaterialkern zu bewegen; eine Messvorrichtung, die an einem ersten Ende des Gelenkarm-KMG befestigt ist; und eine elektronische Schaltung zum Empfang des Positionssignals des mindestens einen Positionsmessgeräts und zur Bereitstellung von Daten, die einer Position der Messvorrichtung entsprechen.
Tragbares Gelenkarm-KMG nach Anspruch 1, wobei der Verbundmaterialkern ein Kohlefaser-Verbundmaterial umfasst.
Tragbares Gelenkarm-KMG nach Anspruch 2, wobei der Verbundmaterialkern elf Lagen umfasst.
Tragbares Gelenkarm-KMG nach Anspruch 1, wobei der erste Abschnitt der Außenhülse mit einem Klebstoff an das fünfte Ende des Verbundmaterialkerns gekoppelt ist.
Tragbares Gelenkarm-KMG nach Anspruch 1, wobei die Außenhülse die gesamte Länge des Verbundmaterialkerns umgibt.
Tragbares Gelenkarm-KMG nach Anspruch 1, wobei die Außenhülse aus einem Verbundmaterial besteht, das ein aluminiumbeschichtetes Glasfaser-Epoxid-Prepreg umfasst.
Tragbares Gelenkarm-KMG nach Anspruch 6, wobei die Außenhülse zwei Lagen umfasst.
Tragbares Gelenkarm-KMG nach Anspruch 6, wobei die Außenhülse eine Vielzahl von ersten Fasern umfasst, die im Wesentlichen orthogonal zu einer Vielzahl von zweiten Fasern angeordnet sind.
Tragbares Gelenkarm-KMG nach Anspruch 8, wobei die Vielzahl von ersten Fasern und die Vielzahl von zweiten Fasern in einem Winkel von ungefähr 45 Grad zu der Längsachse orientiert sind.
Tragbares Gelenkarm-KMG nach Anspruch 8, wobei die Vielzahl von ersten Fasern im Wesentlichen parallel zu der Längsachse orientiert sind.
Tragbares Gelenkarm-KMG nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von zweiten Fasern im Wesentlichen zylindrisch rings um die Außenhülse orientiert sind.
Tragbares Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG), umfassend: einen manuell positionierbaren Gelenkarm mit entgegengesetzten ersten und zweiten Enden, wobei der Arm mehrere verbundene Armsegmente umfasst, wobei mindestens eines der Armsegmente eine Längsachse aufweist und einen von einer Außenhülse umgebenen Verbundmaterialkern und mindestens ein Positionsmessgerät zur Erzeugung eines Positionssignals umfasst, wobei die Außenhülse eine Vielzahl von Wesentlichen orthogonal zu einer Vielzahl von zweiten Fasern angeordnete erste Fasern umfasst und die Vielzahl von ersten Fasern und die Vielzahl von zweiten Fasern relativ zu einer Längsachse des Armsegments angeordnet sind; eine Messvorrichtung, die an einem ersten Ende des Gelenkarm-KMG befestigt ist; und eine elektronische Schaltung zum Empfang des Positionssignals des mindestens einen Positionsmessgeräts und zur Bereitstellung von Daten, die einer Position der Messvorrichtung entsprechen.
Tragbares Gelenkarm-KMG nach Anspruch 12, wobei die Vielzahl von ersten Fasern und die Vielzahl von zweiten Fasern in einem Winkel von ungefähr 45 Grad zu der Längsachse orientiert sind.
Tragbares Gelenkarm-KMG nach Anspruch 12, wobei die Vielzahl von ersten Fasern im Wesentlichen parallel zu der Längsachse orientiert sind.
Tragbares Gelenkarm-KMG nach Anspruch 14, wobei die Vielzahl von zweiten Fasern im Wesentlichen zylindrisch rings um die Längsachse orientiert sind.
Tragbares Gelenkarm-KMG nach Anspruch 12, wobei die Außenhülse ein Verbundmaterial ist, das ein aluminiumbeschichtetes Glasfaser-Epoxid-Prepreg umfasst.
Tragbares Gelenkarm-KMG nach Anspruch 16, wobei die Außenhülse zwei Faserlagen umfasst.
Tragbares Gelenkarm-KMG nach Anspruch 12, wobei die Außenhülse einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt umfasst und der erste Abschnitt an ein Ende des Verbundmaterialkerns gekoppelt ist.
Tragbares Gelenkarm-KMG nach Anspruch 18, wobei die Außenhülse unter Verwendung eines Klebstoffs an das Ende des Verbundmaterialkerns gekoppelt ist.
Tragbares Gelenkarm-KMG nach Anspruch 12, wobei der Verbundmaterialkern ein Kohlefaser-Verbundmaterial umfasst.
Tragbares Gelenkarm-KMG nach Anspruch 12, wobei der Verbundmaterialkern eine Vielzahl von dritten Fasern umfasst, die im Wesentlichen orthogonal zu einer Vielzahl von vierten Fasern orientiert sind.
Verfahren zum Bilden eines Armsegments für ein tragbares Gelenkarm-KMG, umfassend: Bilden eines generell hohlen zylindrischen Kerns mit einer Längsachse aus einem ersten Material; Bilden einer rohrförmigen Hülse aus einem zweiten Material, das eine Vielzahl von orthogonal zu einer Vielzahl von zweiten Fasern angeordnete erste Fasern derart umfasst, dass sich die Vielzahl von ersten Fasern und die Vielzahl von zweiten Fasern in einer gewünschten Orientierung relativ zu der Achse befinden; Einbringen des Kerns in die Hülse; und Koppeln eines ersten Abschnitts der Hülse an ein erstes Ende des Kerns.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der erste Abschnitt der Hülse unter Verwendung eines Klebstoffs an das erste Ende des Kerns gekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Vielzahl von ersten Fasern im Wesentlichen parallel zu der Achse orientiert werden und die Vielzahl von zweiten Fasern im Wesentlichen zylindrisch rings um die Achse orientiert zweiten Fasern im Wesentlichen zylindrisch rings um die Achse orientiert werden.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Vielzahl von ersten Fasern und die Vielzahl von zweiten Fasern in einem Winkel von ungefähr 45 Grad zu der Achse orientiert werden.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Kern ein Kohlefaser-Verbundmaterial umfasst.