DE60314598T2

DE60314598T2 - Ein gelenkarm für eine tragbare koordinatenmessmaschine

Info

Publication number: DE60314598T2
Application number: DE60314598T
Authority: DE
Inventors: Simon Maitland Raab; Seyed Ali Winter Park SAJEDI; Kenneth J. Deltona HASLEOCHER; Marc Deltona BARBER
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2023-02-14
Also published as: DE60318396T2; US7017275B2; US20030208919A1; US20050222803A1; AU2003213046A1; US7174651B2; CN100473940C; US20050144799A1; US6925722B2; EP1474649A1; US20030172537A1; AU2003213046A8; DE60318396D1; US6935036B2; US20030191603A1; EP1474649B1; EP1474650A2; US20030221326A1; CN100523709C; ATE365903T1

Description

Allgemeiner Stand der Technik 1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ganz allgemein Koordinatenmessvorrichtungen (KMV) und insbesondere eine tragbare KMV, welche einen Gelenkarm aufweist.
2. Stand der Technik
Gegenwärtig sind tragbare Gelenkarme als Messsystem mit einem Hauptrechner und Anwendungs-Software verfügbar. Üblicherweise wird der Gelenkarm dazu benutzt, um Punkte an einem Gegenstand zu vermessen, und diese vermessenen Punkte werden mit den Daten der rechnergestützten Konstruktion (CAD-Daten), die auf dem Hauptrechner gespeichert sind, verglichen, um festzulegen, ob sich der Gegenstand innerhalb der CAD-Kenndaten befindet. Mit anderen Worten sind die CAD-Daten die Bezugsdaten, mit denen die tatsächlichen Messwerte, die vom Gelenkarm aufgenommen werden, verglichen werden. Der Hauptrechner kann auch Anwendungs-Software enthalten, welche den Bediener durch den Messvorgang führt. Für viele Situationen, die komplizierte Anwendungsfälle beinhalten, ist diese Anordnung nützlich, da der Benutzer die dreidimensionalen CAD-Daten auf dem Hauptrechner betrachtet, während er auf die komplexen Befehle in der Anwendungs-Software reagiert.
Ein Beispiel für eine tragbare KMV des Standes der Technik für den Einsatz in dem oben diskutierten Messsystem ist im US-Patent Nr. 5.402.582 ('582) offenbart, welches dem Inhaber erteilt worden ist. Das Patent '582 offenbart ein herkömmliches dreidimensionales Messsystem, welches aus einem manuell bedienten Mehrgelenkarm besteht, der an seinem einen Ende einen Stützfuß und an seinem anderen Ende eine Messsonde aufweist. Ein Hauptrechner kommuniziert mit dem Arm über einen zwischengeschalteten Controller oder einen seriellen Anschlusskasten. Es ist erkennbar, dass bei dem Patent '582 der Arm auf elektronischem Wege mit dem seriellen Anschlusskasten kommuniziert, welcher seinerseits auf elektronischem Wege mit dem Hauptrechner kommuniziert. Ganz allgemein offenbart das erteilte US-Patent 5.611.147 ('147) eine ähnliche KMV, die einen Gelenkarm aufweist. Bei diesem Patent weist der Gelenkarm eine Anzahl von wichtigen Merkmalen auf, darunter eine zusätzliche Rotationsachse am Ende der Sonde, wodurch ein Arm mit entweder einer Zwei-eins-drei- oder einer Zwei-zwei-drei-Gelenkkonfiguration (im letzteren Fall ein 7-Achsen-Arm) einsetzbar ist, sowie für die Lager im Arm verbesserte Konstruktionen der Vorspannlager.
Noch andere relevante KMV des Standes der Technik sind in den erteilten US-Patenten Nr. 5.926.782 ('782) und 5.956.857 ('857) enthalten. Das Erstere betrifft einen Gelenkarm, welcher verriegelbare Übertragungsgehäuse aufweist, um einen oder mehrere Freiheitsgrade auszuschließen, und das Letztere betrifft einen Gelenkarm, welcher ein System zur schnellen Montage und Demontage aufweist.
KMV jüngeren Datums des hier beschriebenen Typs erfordern nicht den Einsatz eines zwischengeschalteten Controllers oder eines seriellen Anschlusskastens, da deren Funktionalität nunmehr in die vom Hauptrechner bereitgestellte Software integriert ist. Beispielsweise offenbart das erteilte US-Patent 5.978.748 ('748) einen Gelenkarm, welcher einen Bord-Controller aufweist, auf dem ein oder mehrere ausführbare Programme gespeichert sind und der den Benutzer mit Anweisungen (z. B. Prüfungsverfahren) versorgt und auf dem die CAD-Daten gespeichert sind, welche als Bezugsdaten dienen. Im Patent '748 ist ein Controller an dem Arm montiert und arbeitet das ausführbare Programm ab, welches den Benutzer durch einen Vorgang leitet wie beispielsweise durch ein Prüfungsverfahren. In einem solchen System kann ein Hauptrechner dazu benutzt werden, um das ausführbare Programm zu generieren. Der an dem Arm montierte Controller wird benutzt, um das ausführbare Programm auszuführen, kann aber nicht dazu benutzt werden, ausführbare Programme zu erzeugen oder ausführbare Programme abzuändern. In Analogie zu Videospielsystemen dient der Hauptrechner als Plattform zum Schreiben oder Abändern eines Videospiels, und der am Arm montierte Controller dient als Plattform für das Abspielen eines Videospiels. Der Controller (z. B. Abspielgerät) kann das ausführbare Programm nicht abändern. Wie im Patent '748 beschrieben wird, führt dies zu einem dreidimensionalen Koordinatenmesssystem mit geringeren Kosten, da die Notwendigkeit eines Hauptrechners für jeden Gelenkarm entfällt. Das US-Patent 6.612.044 ('044), welches dem Inhaber erteilt worden ist, offenbart ein Verfahren und ein System zur Lieferung von ausführbaren Programmen an die Benutzer von Koordinatenmesssystemen des im Patent '748 offenbarten Typs. Das Verfahren umfasst die Entgegennahme einer Anforderung zur Generierung eines ausführbaren Programms seitens eines Kunden und den Empfang von Informationen mit Bezug auf das ausführbare Programm. Das ausführbare Programm wird dann entwickelt und führt einen Bediener durch eine Anzahl von Messschritten, die mit dem dreidimensionalen Koordinatenmesssystem auszuführen sind. Das ausführbare Programm wird dem Kunden vorzugsweise über ein Online-Netzwerk wie beispielsweise das Internet geliefert.
Das erteilte US-Patent Nr. 6.131.299 ('299) offenbart einen Gelenkarm, welcher eine darauf angebrachte Anzeigevorrichtung aufweist, um dem Bediener zu ermöglichen, dass er über eine bequeme Anzeige der Positionsdaten und der Menü-Prompts des Systems verfügt. Diese Anzeigevorrichtung enthält beispielsweise LEDs, welche die Leistung des Systems, den Status der Aufnehmerposition und den Fehlerstatus anzeigen. Das US-Patent 6.219.928 ('928), welches dem Inhaber erteilt worden ist, offenbart ein serielles Netzwerk für den Gelenkarm. Dieses serielle Netzwerk tauscht Daten von den im Arm befindlichen Aufnehmern mit einem Controller aus. Jeder Aufnehmer enthält eine Aufnehmer-Schnittstelle, welche einen Speicher aufweist, auf dem die Daten des Aufnehmers gespeichert werden. Der Controller steuert jeden Speicher auf serielle Weise an, und die Daten werden vom Schnittstellenspeicher des Aufnehmers zum Controller übertragen. Die beiden erteilten US-Patente 6.253.458 ('458) und 6.298.569 ('569) offenbaren einstellbare Mechanismen für den Gewichtsausgleich für tragbare KMV mit Gelenkarm des hier beschriebenen Typs.
Auch wenn die KVM des Standes der Technik für ihre beabsichtigen Zwecke gut geeignet sind, besteht doch ein ständiger und deutlicher Bedarf an verbesserten KMV, die in ihrem Gebrauch einfacher sind, deren Fertigung effizienter ist und die verbesserte Merkmale aufweisen und zu einem niedrigeren Preis verkauft werden können.
US 5.402.582 beschreibt eine tragbare Koordinatenmessvorrichtung, welche einen mehrgelenkigen, manuell positionierbaren Messarm umfasst. Die in diesem Dokument beschriebene KMV umfasst eine Anzahl von separaten Bauteilen. Ein erstes Bauteil liefert die Funktionalität der Messung der Rotation (siehe beispielsweise 7, wo ein Codierer 80 dargestellt ist in einem getrennten Gehäuse 96, welches mit Schrauben an einem Gelenkelement 46 oder 48 angebracht ist). Die Funktionalität der Lagerung der Rotation wird erbracht durch Lager, die in einem zweiten, getrennten Bauteil dargestellt sind (siehe die Lager in Pos. 46 und 48 dieses Dokuments), während die Funktionalität der Übertragung der Rotation in noch einem anderen, getrennten Bauteil geboten wird (siehe die Pos. 44 und 50 in 5 dieses Dokuments).
EP 0.302.194 beschreibt einen Codierer, welcher zwei Leseköpfe aufweist, die mit einem periodischen Muster zusammenwirken.
US-A-5.581.166 beschreibt einen Roboter-Gelenkarm mit gekapselten modularen Gelenken. Benachbarte Gelenke sind untereinander durch einen lösbaren Klemmring verbunden.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine tragbare Koordinatenmessvorrichtung (KMV) zur Messung der Position eines Gegenstandes in einem ausgewählten Volumen. Diese KMV umfasst:

– einen manuell positionierbaren Gelenkarm mit einander gegenüber liegendem ersten und zweiten Ende, wobei der genannte Arm eine gewisse Anzahl von Gelenkverbindungen aufweist,
– eine Messsonde, welche am ersten Ende des genannten Gelenkarms angebracht ist,
– eine elektronische Schaltung, welche die Lagesignale von Aufnehmern in dem genannten Arm aufnimmt und einen digitalen Koordinatenwert liefert, welcher der Lage der Sonde in dem ausgewählten Volumen entspricht, wobei mindestens eine der genannten Gelenkverbindungen umfasst:
– eine drehbare Welle,
– mindestens ein Lager auf der genannten Welle,
– ein periodisches Muster einer messbaren Kenngröße,
– mindestens einen Lesekopf, der sich in einem gewissen Abstand von dem genannten Muster und mit diesem in Kommunikation befindet, wobei das genannte Muster und der genannte Lesekopf in Bezug zueinander drehbar sind.

Die mindestens eine Gelenkverbindung umfasst eine Patrone, welche die genannte drehbare Welle, das genannte mindestens eine Lager, das genannte periodische Muster und den genannten mindestens einen Lesekopf umfasst, wobei die Patrone ferner ein Gehäuse umfasst, welches das genannte mindestens eine Lager, das genannte periodische Muster, den genannten mindestens einen Lesekopf und wenigstens einen Teil der genannten Welle dergestalt umgibt, dass ein diskretes Bauteil festgelegt wird, wobei das genannte Gehäuse ein Paar von Enden mit einer dazwischen befindlichen äußeren Fläche aufweist und die genannte äußere Fläche ein strukturelles Element der genannten mindestens einen Gelenkverbindung festlegt und die Patrone in eine erste bzw. zweite Muffe einer ersten und einer zweiten Muffenverbindung eingesteckt ist und fest an den strukturellen Komponenten dergestalt angebracht ist, dass ein Kippgelenk oder Drehgelenk festgelegt wird, wobei die Welle der Patrone fest an der ersten Muffenverbindung angebracht ist und das Gehäuse der Patrone fest an der zweiten Muffenverbindung angebracht ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es soll nun auf die Zeichnungen Bezug genommen werden, wo gleiche Bauteile in den verschiedenen Abbildungen die gleichen Bezugszahlen haben.
1 ist von vorn eine Perspektivansicht der tragbaren KMV der vorliegenden Erfindung mit einem Gelenkarm und angebrachtem Hauptrechner;
2 ist von hinten eine Perspektivansicht der KVM von 1;
3 ist von rechts eine Perspektivansicht der KVM von 1 (mit weggenommenem Hauptrechner);
3A ist von rechts eine Ansicht der KVM von 1 mit leicht abgewandelten Schutzhüllen, welche zwei der langen Gelenkverbindungen abdecken;
4 ist zum Teil in Explosivdarstellung eine Perspektivansicht der KVM der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Fuß und der erste Abschnitt des Gelenkarms dargestellt sind;
5 ist zum Teil in Explosivdarstellung eine Perspektivansicht der KVM der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Fuß, der erste Abschnitt des Gelenkarms und zum Teil in Explosivdarstellung der zweite Abschnitt des Gelenkarms dargestellt sind;
6 ist zum Teil in Explosivdarstellung eine Perspektivansicht der KVM der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Fuß, der erste Abschnitt des Gelenkarms, der zweite Abschnitt des Gelenkarms und zum Teil in Explosivdarstellung der dritte Abschnitt des Gelenkarms dargestellt sind;
7 ist in Explosivdarstellung eine Perspektivansicht, welche ein Paar von Codierer-/Lagerpatronen zeigt, welche zwischen zwei dualen Muffenverbindungen gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet sind;
8 ist eine Vorderansicht einer Lager-/Codierer-Patronen und der dualen Muffenverbindungen von 7;
9 ist in Explosivdarstellung eine Perspektivansicht einer kurzen Lager-/Codierer-Patrone gemäß der vorliegenden Erfindung;
9A ist in Explosivdarstellung eine Perspektivansicht ähnlich der 9, zeigt aber einen einzelnen Lesekopf;
9B ist in Explosivdarstellung eine Perspektivansicht ähnlich der 9, zeigt aber vier Leseköpfe;
9C ist eine Perspektivansicht der Teile von 9B nach dem Zusammenbau;
9D ist in Explosivdarstellung eine Perspektivansicht ähnlich der 9, zeigt aber drei Leseköpfe;
9E ist eine Perspektivansicht der Teile von 9D nach dem Zusammenbau;
10 ist im Schnitt ein Aufriss der Patrone von 9;
11 ist in Explosivdarstellung eine Perspektivansicht einer langen Lager-/Codierer-Patrone gemäß der vorliegenden Erfindung;
11A ist in Explosivdarstellung eine Perspektivansicht ähnlich der 11, zeigt aber einen einzelnen Lesekopf;
12 ist im Schnitt ein Auf riss der Patrone von 11;
12A ist im Schnitt ein Aufriss der Patrone von 12, welche die dualen Leseköpfe zeigt, die sich mit der welle drehen können;
13 ist in Explosivdarstellung eine Perspektivansicht von noch einer anderen Lager-/Codierer-Patrone gemäß der vorliegenden Erfindung;
13A ist in Explosivdarstellung eine Perspektivansicht ähnlich der 13, zeigt aber einen einzelnen Lesekopf;
14 ist im Schnitt ein Aufriss der Patrone von 13;
15 ist in Explosivdarstellung eine Perspektivansicht einer Lager-/Codierer-Patrone und Gewichtsausgleichfeder gemäß der vorliegenden Erfindung;
15A ist in Explosivdarstellung eine Perspektivansicht ähnlich der 15, zeigt aber einen einzelnen Lesekopf;
16 ist im Schnitt ein Aufriss der Patrone und Gewichtsausgleichfeder von 15;
17 ist eine Draufsicht auf eine duale Lesekopfanordnung für eine Lager-/Codierer-Patrone größeren Durchmessers, welche gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
18 ist im Schnitt ein Aufriss längs der Linie 18-18 von 17;
19 ist von unten eine Ansicht der dualen Lesekopfanordnung von 17;
20 ist eine Draufsicht auf eine duale Lesekopfanordnung für eine Lager-/Codierer-Patrone kleineren Durchmessers gemäß der vorliegenden Erfindung;
21 ist im Schnitt ein Aufriss längs der Linie 21-21 von 20;
22 ist von unten eine Ansicht der dualen Lesekopfanordnung von 20;
23A ist ein Blockdiagramm, welches die Konfiguration der Elektronik für die KMV der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines einzelnen Lesekopfes zeigt; und
23B ist ein Blockdiagramm, welches die Konfiguration der Elektronik für die KMV der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines dualen Lesekopfes zeigt;
24 ist im Schnitt ein Aufriss längs durch die KMV der vorliegenden Erfindung (wobei der Fuß entfernt worden ist);
24A ist im Schnitt ein Aufriss der KMV von 3A;
25 ist im vergrößerten Maßstab eine Schnittdarstellung eines Teils von 24, welche den Fuß und das erste Segment der langen Gelenkverbindung der KMV von 24 zeigt;
25A ist eine Perspektivdarstellung des Koppelteils zwischen einer langen Gelenkverbindung und einer kurzen Gelenk verbindung gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
25B ist im Schnitt ein Aufriss in Längsrichtung durch einen Teil von 25A;
26 ist im vergrößerten Maßstab ein Schnitt durch einen Bereich von 24, welcher die Segmente der zweiten und dritten langen Gelenkverbindung zeigt;
26A und B sind im vergrößerten Maßstab Schnitte von Bereichen der 24A, welche die zweite und dritte lange Gelenkverbindung sowie die Sonde zeigen;
27A ist in Explosivdarstellung eine Seitenansicht, welche die Anordnung zwischen der ersten kurzen Gelenkverbindung und dem Gewichtsausgleich gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
27B ist eine Perspektivdarstellung, welche die Bauteile von 27A zeigt;
28 ist im Schnitt ein Aufriss, der den erfindungsgemäßen inneren Gewichtsausgleich zeigt;
29 ist im Schnitt eine Seitenansicht durch eine erste Ausführungsform der Messsonde gemäß der vorliegenden Erfindung;
29A ist eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der Messsonde gemäß der vorliegenden Erfindung;
29B ist im Schnitt ein Aufriss längs der Linie 29B-29B von 29A;
29C ist eine Perspektivdarstellung eines Paares von Schaltern „Aufnahme" oder „Bestätigung", die in den 29A und 29B benutzt werden;
30A–C sind aufeinanderfolgende Aufrisse, welche die integrierte Berührungssondenanordnung und die Umwandlung in die harte Sondenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
31 ist von der Seite ein Schnitt durch noch eine weitere Ausführungsform einer Messsonde gemäß der vorliegenden Erfindung;
32 ist in Explosivdarstellung eine Perspektivansicht des integrierten Magnetfußes gemäß der vorliegenden Erfindung;
33 ist im Aufriss ein Schnitt durch den Magnetfuß von 32;
34 ist eine Draufsicht auf die Magnetunterlage von 32;
35 ist im Schnitt ein Aufriss einer KMV-Gelenkverbindung nach Raab '356 mit dualen Leseköpfen;
36 ist im Schnitt ein Aufriss einer KMV-Gelenkverbindung nach Eaton '148 mit dualen Leseköpfen;
37 ist ein Seitenaufriss einer Messsonde mit einem Aufnehmer der siebenten Achse;
38 ist ein Seitenaufriss ähnlich 37, enthält aber einen abnehmbaren Handgriff;
39 ist eine Seitenansicht der Messsonde von 38; und
40 ist im Schnitt ein Aufriss der Messsonde von 38.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Zunächst soll Bezug auf 1–3 genommen werden. Die KMV der vorliegenden Erfindung wird allgemein mit 10 bezeichnet. Die KMV 10 umfasst einen mehrgelenkigen, manuell bedienten Gelenkarm 14, der mit einem Ende an einem Fußabschnitt 12 befestigt ist und an dessen anderem Ende eine Messsonde 28 angebracht ist. Der Arm 14 ist aus grundsätzlich zwei Typen von Gelenkverbindungen aufgebaut, nämlich einer langen Gelenkver bindung (für die Drehbewegung) und einer kurzen Gelenkverbindung (für die Kippbewegung). Die langen Gelenkverbindungen sind im Wesentlichen axial oder longitudinal längs des Arms positioniert, während die kurzen Gelenkverbindungen vorzugsweise unter 90° zur Längsachse des Arms positioniert sind. Die langen und kurzen Gelenkverbindungen sind paarweise angeordnet, was üblicherweise als 2-2-2-Konfiguration bekannt ist (auch wenn andere Gelenkkonfigurationen wie beispielsweise 2-1-1, 2-1-3, 2-2-3 usw. benutzt werden können). Jedes dieser Paare von Gelenkverbindungen ist in den 4–6 dargestellt.
4 zeigt eine Explosivdarstellung des ersten Gelenkpaares, nämlich der langen Gelenkverbindung 16 und der kurzen Gelenkverbindung 18. 4 zeigt auch eine Explosivdarstellung des Fußes 12 einschließlich der tragbaren Elektronik 20 für die Stromversorgung, eines tragbaren Batterieteils 22, einer Magnetunterlage 24 und eines zweiteiligen Gehäuses 26A und 26B für den Fuß. All diese Bauteile werden anschließend noch näher besprochen.
Es ist zu erkennen, dass bezeichnenderweise die Durchmesser der verschiedenartigen primären Bauteile des Gelenkarms 14 sich vom Fuß 12 bis zur Sonde 28 verjüngen. Eine derartige Verjüngung kann kontinuierlich erfolgen oder kann, wie das in der in den Abbildungen dargestellten Ausführungsform gezeigt ist, diskontinuierlich oder schrittweise erfolgen. Ferner kann jede der Hauptkomponenten des Gelenkarms 14 über Gewinde angebracht sein, wodurch eine große Anzahl von Befestigungsvorrichtungen entfällt, die bei den KMV des Standes der Technik vorhanden sind. Beispielsweise, und wie das später noch diskutiert werden soll, ist die Magnetunterlage 24 über Gewinde an der ersten langen Gelenkverbindung 16 angebracht. Vorzugsweise ist ein derartiges Gewinde ein Kegelgewinde, welches selbstsperrend ist und für eine erhöhte Axial- bzw.
Biegesteifigkeit sorgt. Alternativ, wie das in 25A und 25B dargestellt ist und anschließend debattiert werden soll, können die Hauptkomponenten des Gelenkarms komplementäre kegelförmige Stecker- und Buchsenenden mit daran befindlichen Flanschen aufweisen, wobei derartige Flansche miteinander verschraubt werden.
Es soll nun auf 5 Bezug genommen werden. Hier ist der zweite Satz von langen und kurzen Gelenkverbindungen dargestellt, welcher am ersten Satz angebracht ist. Der zweite Gelenksatz umfasst die lange Gelenkverbindung 30 und die kurze Gelenkverbindung 32. Wie das mit der Anbringung der Magnetunterlage 24 an der langen Gelenkverbindung 16 folgerichtig ist, wird die lange Gelenkverbindung 30 in das Gewinde auf der Innenfläche der langen Gelenkverbindung 16 eingeschraubt. Auf ähnliche Weise und mit Bezug auf 6 umfasst der dritte Gelenksatz eine dritte lange Gelenkverbindung 34 und eine dritte kurze Gelenkverbindung 36. Die dritte lange Gelenkverbindung 34 wird in das Gewinde auf der Innenfläche der zweiten kurzen Gelenkverbindung 32 eingeschraubt. Wie anschließend noch ausführlicher besprochen wird, ist die Sonde 28 schraubbar an der kurzen Gelenkverbindung 36 angebracht.
Vorzugsweise ist jede kurze Gelenkverbindung 18, 32 und 36 aus Aluminiumguss und/oder oberflächenbearbeiteten Aluminiumteilen oder alternativ aus leichtgewichtiger steifer Legierung oder einem Verbundwerkstoff aufgebaut. Jede lange Gelenkverbindung 16, 30 und 34 ist vorzugsweise aus Aluminiumguss und/oder oberflächenbearbeiteten Aluminiumteilen, aus leichtgewichtiger steifer Legierung und/oder aus faserverstärktem Polymer gefertigt. Die mechanischen Achsen der drei vorerwähnten Gelenkpaare (d. h. Paar 1 umfasst Gelenkpaar 16, 18, Paar 2 umfasst Gelenkpaar 30, 32 und Paar 3 umfasst Gelenkpaar 34, 36) sind bezüglich des Fußes auf ein glattes und gleichförmiges mechanisches Verhalten ausgerichtet. Die vor erwähnte, sich verjüngende Bauart vom Fuß 12 bis zur Sonde 28 wird deswegen vorgezogen, um am Fuß, wo die Belastungen größer sind, die Steifigkeit zu erhöhen, und an der Sonde oder am Handgriff, wo ein Einsatz ohne Einschränkungen wichtig ist, das Profil kleiner zu halten. Wie anschließend noch ausführlicher diskutiert werden soll, ist jede kurze Gelenkverbindung an jedem ihrer Enden mit einem schützenden Dämpfer 38 verbunden, und jede lange Gelenkverbindung ist mit einer Schutzhülle 40 oder 41 bedeckt. Es ist zu erkennen, dass die erste lange Gelenkverbindung 16 durch das Fußgehäuse 26A, B geschützt wird, welches dieselbe Art von Schutz bietet wie die Hülsen 40, 41 für die zweite und die dritte lange Gelenkverbindung 30 bzw. 34.
Gemäß einem wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung werden bei jeder der Gelenkverbindungen des Gelenkarms eine modulare Lager-/Codierer-Patrone wie beispielsweise die Kurzpatrone 42 und die Langpatrone 44, die in den 7 und 8 dargestellt sind, benutzt. Diese Patronen 42, 44 sind in die Öffnungen der dualen Muffenverbindungen 46, 48 eingebaut. Jede Muffenverbindung 46, 48 enthält eine erste zylinderförmige Verlängerung 47, die eine erste Vertiefung oder Muffe 120 aufweist, und eine zweite zylinderförmige Verlängerung 49, die eine zweite Vertiefung oder Muffe 51 aufweist. Im Allgemeinen sind die Muffen 120 und 51 um 90 Grad zueinander positioniert, auch wenn andere Winkelkonfigurationen zum Einsatz gelangen können. Eine Kurzpatrone 42 ist in jeder Muffe 51 der dualen Muffenverbindungen 46 und 48 positioniert, um ein Kippgelenk festzulegen, während eine Langpatrone 44 in der Muffe 120 der Gelenkverbindung 46 (siehe 25) positioniert ist und eine Langpatrone 44' (siehe 26) in der Muffe 120 der Gelenkverbindung 48 positioniert ist, so dass jede ein Drehgelenk in Längsrichtung festlegen. Die modularen Lager-/Codierer-Patronen 42, 44 ermöglichen die getrennte Fertigung einer vorgespannten oder vorgespannten dualen Lagerpatrone, auf welche die modularen Codiererkomponenten montiert werden. Die Lager-/Codierer-Patrone kann dann an den äußeren Skelettbauteilen (d. h. den dualen Muffenverbindungen 46, 48) des Gelenkarms 14 fest angebracht werden. Der Einsatz derartiger Patronen ist ein signifikanter Vorteil auf diesem Gebiet, da durch ihn eine hohe Qualität und eine hohe Geschwindigkeit in der Produktion dieser komplizierten Unterbauteile des Gelenkarms 14 ermöglicht werden.
In der in diesem Dokument beschriebenen Ausführungsform gibt es vier unterschiedliche Patronentypen, nämlich zwei lange axiale Patronen für die Gelenkverbindungen 30 und 34, eine axiale Fußpatrone für die Gelenkverbindung 16, eine Fußpatrone (welche einen Gewichtsausgleich enthält) für die kurze Gelenkverbindung 18 und zwei Kipppatronen für die Gelenkverbindungen 32 und 36. Zusätzlich haben, wie das der Verjüngung des Gelenkarms 14 entspricht, die Patronen, die dem Fuß am nächsten sind (die sich z. B. in der langen Gelenkverbindung 16 und in der kurzen Gelenkverbindung 18 befinden) einen größeren Durchmesser gegenüber den Gelenkverbindungen 30, 32, 34 und 36 mit kleineren Durchmessern. Jede Patrone enthält eine vorgespannte Lageranordnung und einen Aufnehmer, der bei dieser Ausführungsform einen digitalen Codierer umfasst.
Wir wollen uns nun den 9 und 10 zuwenden, wo die Patrone 44, die sich in der axialen langen Gelenkverbindung 16 befindet, beschrieben werden soll.
Die Patrone 44 enthält ein Paar von Lagern 50, 52, die durch eine innere Hülse 54 und eine äußere Hülse 56 getrennt sind. Es ist wichtig, dass die Lager 50, 52 vorgespannt sind. Bei dieser Ausführungsform wird eine solche Vorspannung durch die Hülsen 54, 56 hervorgerufen, die unterschiedliche Längen aufweisen (die innere Hülse 5 ist um annähernd 12,7 μm (0,0005 Zoll) kürzer), so dass auf die Lager 50, 52 nach dem Festzie hen eine vorgewählte Vorspannung ausgeübt wird. Die Lager 50, 52 sind unter Verwendung von Dichtungen 58 abgedichtet, wobei diese Anordnung drehbar auf die Welle 60 montiert ist. An ihrer oberen Fläche endet die Welle 60 an einem oberen Gehäuse 62 der Welle. Ein Ringspalt 63 ist zwischen Welle 60 und oberem Wellengehäuse 62 festgelegt. Diese ganze Anordnung ist im Innern des Patronenaußengehäuses 64 positioniert, wobei die Welle und ihre Lageranordnung am Gehäuse 64 unter Verwendung einer Kombination aus innerer Mutter 66 und äußerer Mutter 68 fest angebracht sind. Dabei ist zu beachten, dass nach dem Zusammenbau der obere Bereich 65 des Außengehäuses 64 im Ringspalt 63 Aufnahme findet. Es ist zu erkennen, dass die vorerwähnte Vorspannung auf die Lager 50, 52 ausgeübt wird, nachdem die innere und die äußere Mutter 66 bzw. 68 festgezogen worden sind, welche die Druckkräfte auf die Lager ausüben, und infolge des Längenunterschieds zwischen dem inneren und äußeren Abstandsstücks 54 bzw. 56 wird die Vorspannung aufgebracht.
Vorzugsweise handelt es sich bei den Lagern 50, 52 um Duplex-Kugellager. Damit die richtige Vorspannung erhalten wird, ist es wichtig, dass die Lager so parallel wie möglich zueinander ausgerichtet sind. Die Parallelität beeinflusst die Gleichförmigkeit der Vorspannung über den Umfang des Lagers. Ungleiche Belastung bewirkt, dass das Lager das Gefühl eines rauen unebenen Laufdrehmoments gibt, und führt zu einem unvorhersagbaren radialen Auslaufen und zu einer verminderten Leistungsfähigkeit des Codierers. Ein radiales Auslaufen der auf modulare Weise montierten Codierscheibe (die weiter unten noch diskutiert wird) führt zu einer unerwünschten Verschiebung des Interferenzmusters unterhalb des Lesekopfes. Dies führt zu signifikanten Fehlern in der Winkelmessung des Codierers. Darüber hinaus steht die Steifigkeit der vorzugsweise duplexen Lagerstruktur im direkten Zusammenhang mit der Trennung der Lager. Je weiter die Lager auseinander sind, umso steifer ist die Anordnung. Die Abstandsstücke 54, 56 werden benutzt, um die Trennung der Lager zu verstärken. Da das Patronengehäuse 64 vorzugsweise aus Aluminium ist, sollten die Abstandsstücke 54, 56 auch vorzugsweise aus Aluminium gefertigt sein und hinsichtlich Länge und Parallelität einer Präzisionsbearbeitung unterzogen werden. Im Ergebnis werden Temperaturänderungen nicht zu unterschiedlicher Ausdehnung führen, was sonst die Vorspannung beeinträchtigen würde. Wie bereits erwähnt worden ist, wird die Vorspannung durch Auslegung mit einem bekannten Längenunterschied der Abstandsstücke 54, 56 festgelegt. Sobald die Muttern 66, 68 fest angezogen sind, wird dieser Längenunterschied zu einer Lagervorspannung führen. Die Verwendung von Dichtungen 58 führt zu abgedichteten Lagern, da jegliche Verunreinigung die gesamte Drehbewegung und die Genauigkeit des Codierers nachteilig beeinflussen würde sowie das Lagergefühl.
Während die Patrone 44 vorzugsweise ein Paar von auf Abstand befindlichen Lagern enthält, könnte die Patrone 44 auf alternative Weise ein einzelnes Lager oder drei oder mehr Lager aufweisen. Daher benötigt jede Patrone ein Lager als Mindestanzahl.
Die Gelenkpatronen der vorliegenden Erfindung können entweder eine unbegrenzte Drehung oder als Alternative eine begrenzte Drehung aufweisen. Für eine begrenzte Drehung liefert eine Nut 70 auf einem Flansch 72 auf der Außenfläche des Gehäuses 64 eine zylinderförmige Spur, welche ein Gleitstück 74 aufnimmt. Das Gleitstück 74 läuft in der Spur 70, bis es gegen einen entfernbaren Gleitstück-Anschlag wie beispielsweise die Anschlagstellschrauben 76 zur Beendung der Drehung stößt, woraufhin die Drehung aufhört. Der Betrag der Drehbewegung kann veränderlich sein je nachdem, was gewünscht wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Drehung des Gleit stücks auf weniger als 720° begrenzt. Die Anschläge des sich drehenden Gleitstücks von dem hier beschriebenen Typ sind ausführlicher in dem erteilten US-Patent 5.611.147 beschrieben.
Wie bereits erwähnt worden ist, kann in einer alternativen Ausführungsform die in der vorliegenden Erfindung benutzte Gelenkverbindung eine unbegrenzte Drehung aufweisen. In diesem letzteren Fall wird eine bekannte Gleitringanordnung benutzt. Die Welle 60 hat durch sie hindurch vorzugsweise eine Aushöhlung oder axiale Öffnung 78, welche an einem ihrer Enden einen größeren Durchmesserquerschnitt 80 aufweist. An die Schulter, welche an der Schnittstelle zwischen den axialen Öffnungen 78 und 80 festgelegt ist, stößt eine zylinderförmige Gleitringanordnung 82. Die Gleitringanordnung 82 ist hinsichtlich der vorgespannten Lageranordnung in der modularen Gelenkpatrone nicht struktureller Art (d. h. sie übt keine mechanische Funktion aus, sondern eine elektrische und/oder Signalübertragungsfunktion). Während die Gleitringanordnung 82 aus einem beliebigen handelsüblichen Gleitring bestehen kann, umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform die Gleitringanordnung 82 einen Gleitring der H-Serie von IDM-Elektronics Ltd, Reading, Berkshire, UK: Derartige Gleitringe sind hinsichtlich ihrer Größe kompakt und sind mit ihrer zylinderförmigen Ausführung ideal geeignet für den Einsatz in der Öffnung 80 innerhalb der Welle 60. Die axiale Öffnung 80 durch die Welle 60 endet an einer Öffnung 84, welche mit einem Kanal 86 in Verbindung steht und dergestalt konfiguriert ist, dass sie die Verdrahtung von der Gleitringanordnung 82 aufnimmt. Diese Verdrahtung wird durch eine Drahtummantelung 88 an Ort und Stelle befestigt und geschützt, welche in den Kanal 86 und die Öffnung 84 einschnappt und dort Aufnahme findet. Eine solche Verdrahtung ist schematisch unter 90 in 10 dargestellt.
Wie bereits erwähnt worden ist, enthält die modulare Patrone 44 sowohl eine vorgespannte Lagerstruktur, die bereits weiter oben beschrieben worden ist, als auch eine modulare Codiererstruktur, die nun beschrieben werden soll. Weiterhin mit Bezug auf die 9 und 10 umfasst der bevorzugte Aufnehmer, der in der vorliegenden Erfindung benutzt wird, einen modularen optischen Codierer, welcher zwei Hauptkomponenten aufweist, nämlich einen Lesekopf 92 und eine Gegengitterscheibe 94. Bei dieser Ausführungsform ist ein Paar von Leseköpfen 92 auf einer Lesekopf-Anschlusskarte 96 positioniert. Die Anschlusskarte 96 ist (über Befestigungsmittel 98) an einer Montageplatte 100 angebracht. Die Scheibe 94 ist vorzugsweise an der unteren Lagerfläche 102 der Welle 60 (vorzugsweise unter Benutzung eines geeigneten Klebers) angebracht und befindet sich in einem gewissen Abstand von und in Ausrichtung mit den Leseköpfen 92 (getragen und gehalten von der Karte 100). Ein Leitungskanal 104 und eine Abdichtkappe 106 bilden die abschließende äußere Abdeckung für das untere Ende des Gehäuses 64. Der Leitungskanal 104 nimmt die Verdrahtung 90 auf, wie das am besten in 10 dargestellt ist. Es ist zu erkennen, dass infolge der Anwendung von Kleber an 102 die Codierscheibe 94 von der Welle 90 festgehalten wird und sich mit dieser dreht. Die 9 und 10 zeigen einen doppelten Lesekopf 92; es ist jedoch erkennbar, dass mehr als zwei Leseköpfe benutzt werden können oder als Alternative auch nur ein einzelner Lesekopf benutzt werden kann, wie das in 9a gezeigt ist. Die 9B–E zeigen Beispiele von modularen Patronen 44 mit mehr als zwei Leseköpfen. Die 9B–C zeigen vier Leseköpfe 92, die in einer Karte 100 Aufnahme finden und die sich in Winkelabständen von 90 Grad befinden (auch wenn andere relative Abstände durchaus geeignet sein können). Die 9D–E zeigen drei Leseköpfe 92, die in einer Karte 100 Aufnahme finden und die sich in Winkelabständen von 120 Grad befinden (auch wenn andere relative Abstände durchaus geeignet sein können).
Um die Scheibe 94 richtig auszurichten, befindet sich ein (nicht dargestelltes) Loch durch das Gehäuse an einer Stelle in unmittelbarer Nähe der Scheibe 94. Ein (nicht dargestelltes) Werkzeug wird dann benutzt, um die Scheibe 94 in die richtige Ausrichtung zu schieben, worauf der Kleber zwischen der Scheibe 94 und der Welle 66 zum Aushärten gebracht wird, um die Scheibe 94 an Ort und Stelle zu arretieren. Ein Stöpsel 73 wird dann durch das in dem Gehäuse 64 befindliche Loch gesteckt.
Es ist wichtig anzumerken, dass die Anbringungsstellen von Scheibe 94 und Lesekopf 92 umgekehrt werden können, wobei Scheibe 94 am Gehäuse 56 angebracht wird und der Lesekopf 92 sich mit der Welle 60 dreht. Eine derartige Ausführungsform ist in 12A dargestellt, wo die Karte 96' (mittels Kleber) an der Welle 60' angebracht ist, um sich mit dieser zu drehen. Ein Paar von Leseköpfen 92' ist an der Karte 96' angebracht und dreht sich daher mit der Welle 60'. Die Scheibe 94' ist auf einem Träger 100' positioniert, der am Gehäuse 64' angebracht ist. Auf jeden Fall wird erkannt, dass entweder die Scheibe 94 oder der Lesekopf 92 so montiert sein können, dass sie sich mit der Welle drehen. In jedem Fall ist es wichtig, dass die Scheibe 94 und der Lesekopf 92 in einer Patrone (oder Gelenkverbindung) positioniert sind, so dass sie in Bezug zueinander drehbar sind, während die optische Kommunikation aufrecht erhalten bleibt.
Vorzugsweise ist der Dreh-Codierer, der in der vorliegenden Erfindung benutzt wird, ähnlich demjenigen, der in den US-Patenten 5.486.923 und 5.559.600 offenbart ist. Derartige modulare Codierer sind von MicroE Systems unter dem Handelsnamen Pure Precision Optics kommerziell verfügbar. Diese Codierer beruhen auf der physikalischen Optik, welche die Interfe renz zwischen Beugungsordnungen feststellt, um nahezu vollständige sinusförmige Signale von einer Fotodetektoranordnung (z. B. Lesekopf/Leseköpfe), die in dem Interferenzmuster enthalten sind, zu erzeugen. Die sinusförmigen Signale werden elektronisch interpoliert, um die Erfassung der Verschiebung zu ermöglichen, die nur ein Bruchteil der optischen Interferenz ist.
Bei Verwendung einer Laserlichtquelle wird der Laserstrahl zunächst durch eine Linse kollimiert und dann durch eine Apertur dimensioniert. Der kollimierte dimensionierte Strahl tritt durch ein Gegengitter, welches das Licht in diskrete Ordnungen beugt, wobei die nullte Ordnung und alle geradzahligen Ordnungen durch den Rasteraufbau des Gitters unterdrückt werden. Mit unterdrückter nullter Ordnung existiert ein Bereich jenseits der divergierenden 3. Ordnung, wo sich nur die Ordnungen ±1 überlappen, um eine nahezu reine sinusförmige Interferenz zu erzeugen. Ein oder mehrere Fotodetektoranordnungen (Leseköpfe) sind in diesem Bereich untergebracht und erzeugen vier Kanäle mit nahezu reinem sinusförmigem Ausgang, wenn eine Relativbewegung zwischen dem Gegengitter und dem Detektor vorliegt. Die Elektronik verstärkt, normiert und interpoliert den Ausgang je nach dem gewünschten Auflösungsgrad.
Die Einfachheit dieser Codiererkonstruktion bringt mehrere Vorteile gegenüber den Codierern des Standes der Technik. Messungen können mit nur einer Laserquelle und ihrer Kollimationsoptik, einem beugenden Gegengitter und einer Detektoranordnung ausgeführt werden. Dies führt zu einem äußerst kompakten Codierersystem gegenüber den doch sperrigeren konventionellen Codierern des Standes der Technik. Zusätzlich macht eine direkte Beziehung zwischen dem Gegengitter und der Bewegung des Interferenzstreifens den Codierer unempfindlich gegenüber Fehlern, die durch die Umgebung induziert werden und denen gegenüber die Geräte des Standes der Technik empfänglich sind. Da der Bereich der Interferenz groß ist und eine nahezu sinusförmige Interferenz überall innerhalb dieses Bereiches erhalten wird, sind darüber hinaus die Ausrichtungstoleranzen weitaus lockerer, als dies bei den Codierern des Standes der Technik der Fall ist.
Ein signifikanter Vorteil des vorerwähnten optischen Codierers liegt darin, dass die Genauigkeit der Standoff-Orientierung und der Abstand oder der Abstand und die Orientierung des Lesekopfes in Bezug auf die Codierscheibe weit weniger zwingend sind. Dies ermöglicht eine Drehmessung hoher Genauigkeit und eine leicht zu montierende Baugruppe. Der Einsatz dieser „geometrietoleranten" Codierertechnologie führt zu einer KMV 10, die sich durch signifikante Kosteneinsparungen und eine leicht zu realisierende Fertigung auszeichnet.
Es ist zu erkennen, dass, während die oben beschriebene bevorzugte Ausführungsform eine optische Scheibe 94 enthält, die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch irgend ein optisches Interferenzmuster umfasst, welches ermöglicht, dass der Lesekopf die Relativbewegung misst. Wie dies hier gebraucht wird, bedeuten derartige Interferenzmuster irgendeine periodische Anordnung von optischen Elementen, welche die Messung der Bewegung ermöglichen. Derartige optische Elemente oder Interferenzmuster könnten auf eine sich drehende oder stationäre Scheibe aufgebracht sein, wie das weiter oben beschrieben ist, oder sie könnten alternativ darauf abgeschieden, befestigt oder sonst wie positioniert sein oder sich auf irgend einer der sich relativ bewegenden Komponenten (wie beispielsweise der Welle, den Lagern oder dem Gehäuse) der Patrone befinden.
In der Tat brauchen der Lesekopf und die zugehörige periodische Anordnung oder Muster überhaupt nicht unbedingt auf der Optik (wie weiter oben beschrieben) zu beruhen. Vielmehr könnte im weiteren Sinne der Lesekopf irgend ein anderes periodisches Muster lesen (oder aufnehmen), welches von einer anderen messbaren Größe oder kennzeichnenden Eigenschaft stammt, welche zur Messung der Bewegung, im Allgemeinen der Drehbewegung, benutzt werden kann. Zu solchen anderen messbaren kennzeichnenden Größen können beispielsweise das Reflexionsvermögen, die Opazität, das magnetische Feld, die elektrische Kapazität, die elektrische Induktivität oder die Oberflächenrauigkeit gehören. (Man beachte, dass ein Muster der Oberflächenrauigkeit unter Verwendung eines Lesekopfes oder Sensors in der Form einer Kamera wie beispielweise einer CCD-Kamera gelesen werden könnte). In derartigen Fällen würde der Messkopf beispielsweise die periodischen Änderungen des Magnetfeldes, des Reflexionsvermögens, der Kapazität, der Induktivität, der Oberflächenrauigkeit und der dergl. messen. Der Ausdruck „Lesekopf" im Sinne dieses Dokuments bezeichnet jeglichen Sensor oder Wandler und die zugehörige Elektronik zur Analyse dieser messbaren Größen oder kennzeichnenden Eigenschaften mit einem optischen Lesekopf, welcher gerade ein bevorzugtes Beispiel ist. Natürlich kann sich das optische Muster, das vom Lesekopf gelesen wird, auf irgendeiner Fläche befinden, solange es eine Relativbewegung (im Allgemeinen eine Drehbewegung) zwischen dem Lesekopf und dem periodischen Muster gibt. Zu Beispielen des periodischen Musters gehören magnetische, induktive oder kapazitive Medien, welche auf einer sich drehenden oder einer stationären Komponente in einem Muster abgelagert sind. Falls die Oberflächenrauigkeit das zu abzutastende periodische Muster ist, besteht zusätzlich kein Bedarf, ein getrenntes periodisches Medium abzuscheiden oder anderweitig aufzubringen, da die Oberflächenrauigkeit irgend einer Komponente in Verbindung mit dem zugehörigen Lesekopf (vermutlich eine Kamera wie beispielsweise eine CDC-Kamera) benutzt werden kann.
Wie bereits erwähnt worden ist, zeigen die 9 und 10 die Elemente des modularen Lagers und der Codiererpatrone für die in axialer Richtung lange Gelenkverbindung 16. Die 11 und 12 zeigen das Lager und die Codiererpatrone für die axialen langen Gelenkverbindungen 30 und 34. Diese Patronenanordnungen sind dem Wesen nach ähnlich denen, die in den 9 und 10 dargestellt sind, und werden daher mit 44' bezeichnet. Was die Patrone 44 betrifft, so sind aus den Abbildungen kleinere Unterschiede in Bezug auf beispielsweise eine anders konfigurierte Drahtkappe/Abdeckung 88', geringfügig abweichende Leitungskanäle/Abdeckungen 104', 106' und die Positionierung von Flansch 72' am oberen Ende des Gehäuses 64' offensichtlich. Auch sind die Flansche zwischen dem Gehäuse 64' und dem oberen Gehäuse 62 der Welle nach außen abstehend. Natürlich können die relativen Längen der verschiedenen Komponenten, die in den 11 und 12 dargestellt sind, geringfügig von denen in den 9 und 10 abweichen. Da all diese Komponenten im Wesentlichen ähnlich sind, wurde diesen Komponenten dieselbe Kennzeichnungszahl mit Zufügung eines Striches gegeben. 11A ist ähnlich der 11, zeigt aber eine Ausführungsform mit einem einzelnen Lesekopf.
Wenden wir uns nun den 13 und 14 zu. Hier sind ähnliche Explosiv- und Schnittdarstellungen für die Lager- und Codiererpatronen in den kurzen Kippgelenkverbindungen 32 und 36 dargestellt. Wie bei den langen axialen Gelenkverbindungen 44' der 11 und 12 sind die Patronen für die kurzen Gelenkverbindungen 32 und 36 dem Wesen nach ähnlich der weiter oben ausführlich diskutierten Patrone 44, und daher sind die Bauteile dieser Patronen mit 44'' gekennzeichnet, wobei ähnliche Bauteile auch unter Verwendung eines Doppelstrichs gekennzeichnet sind. Dabei muss hervorgehoben werden, dass keine Gleitringanordnung erforderlich ist, da die Patronen 44'' für den Einsatz in kurzen Gelenkverbindungen 32, 36 vorgese hen sind und die Verdrahtung wegen der Kippbewegung dieser Gelenkverbindungen einfach durch die axialen Öffnungen 78'', 80'' führt. 13A ist der 13 ähnlich, zeigt aber eine Ausführungsform mit einem einzelnen Lesekopf.
Schließlich zeigen die 15 und 16 unter der Bezugszahl 108 die modulare Lager-/Codierer-Patrone für die kurze Kippgelenkverbindung 18. Es ist zu erkennen, dass im Wesentlichen alle Teile der Patrone 108 ähnliche Bauteile oder gar die gleichen Bauteile sind wie diejenigen in den Patronen 44, 44' und 44'' mit der wesentlichen Ausnahme, dass eine Anordnung für den Gewichtsausgleich einbezogen ist. Diese Gewichtsausgleichanordnung enthält eine Gewichtsausgleichfeder 110, welche über dem Gehäuse 64'' Aufnahme findet und für die KMV 10 eine wichtige Gewichtsausgleichsfunktion in einer Weise erfüllt, wie sie nachfolgend unter Bezugnahme auf die 26 bis 28 noch beschrieben wird. 15A ähnelt der 15, zeigt aber eine Ausführungsform mit einem einzelnen Lesekopf.
Wie bereits erwähnt worden ist, können in einer bevorzugten Ausführungsform in dem Codierer mehr als ein Lesekopf Verwendung finden. Es ist zu erkennen, dass die Winkelmessung durch einen Codierer durch Auslaufen der Scheibe oder Radialbewegung infolge angreifender Lasten bewirkt werden kann. Es ist festgestellt worden, dass zwei Leseköpfe, die unter einem Winkel von 180° zueinander angeordnet sind, zu einem Auslaufen führen, wodurch in jedem Lesekopf Auslöscheffekte verursacht werden. Diese Auslöscheffekte werden zwecks einer endgültigen „immunen" Winkelmessung ausgemittelt. Daher führen die Verwendung von zwei Leseköpfen und die sich ergebende Fehlerunterdrückung zu einer Codiermessung, die gegenüber Fehlern weniger anfällig ist und zudem genauer ist. Die 17–19 zeigen von einer Ausführungsform für einen dualen Lesekopf die Ansicht von unten, den Schnitt und die Ansicht von oben. Eine derartige Ausführung ist beispielsweise bei einer Patrone größeren Durchmessers von Nutzen, wie sie in den Gelenkverbindungen 16 und 18 vorgefunden wird (d. h. jenen Gelenkverbindungen, die dem Fuß am nächsten sind). Daher ist eine Patronenendkappe 100 auf einem Paar von Leiterkarten 96 montiert, wobei jede Leiterkarte 96 einen mechanisch daran befestigten Lesekopf 92 aufweist. Die Leseköpfe 92 sind vorzugsweise um 180° zueinander positioniert, um die Unterdrückung der Fehler zu bewirken, die sich aus dem Auslaufen oder der radialen Bewegung der Scheibe ergeben. Jede Karte 96 enthält zusätzlich ein Anschlussstück 93 zum Anbringen der Leiterkarte 96 am internen Bus und/oder an anderer Verdrahtung, wie das weiter unten noch diskutiert wird. Die 20–22 zeigen im Wesentlichen dieselben Bauteile wie die 17–19 mit dem hauptsächlichen Unterschied, dass es sich um eine Endkappe 100 für eine Patrone mit kleinerem Durchmesser handelt. Diese Ausführungsform mit dualem Lesekopf kleineren Durchmessers gehört gewöhnlich zu den Patronen kleineren Durchmessers wie beispielsweise denen der Gelenkverbindungen 30, 32, 34 und 36.
Die Verwendung von mindestens zwei Leseköpfen (oder mehr als zwei wie beispielsweise von drei Leseköpfen, wie das in 9D–E gezeigt ist, und vier Leseköpfen, wie das in 9B–C gezeigt ist) findet auch vorteilhaft Anwendung in den mehr konventionellen KMV, um die Kosten und die Kompliziertheit von deren Fertigung auf signifikante Weise zu senken. Beispielweise eine im US-Patent 5.794.356 (nachfolgend mit „Raab '356" bezeichnet) beschriebene KMV enthält einen relativ einfachen Aufbau für jede Gelenkverbindung, die ein erstes Gehäuse enthält, welches mit einer Gelenkhälfte stationär bleibt, und ein zweites Gehäuse, welches mit der zweiten Gelenkhälfte stationär bleibt, wobei das erste und das zweite Gehäuse vorgespannte Lager aufweisen, welche ermöglichen, dass sie gegeneinander rotieren. Das erste Gehäuse enthält einen gepackten Codierer, und das zweite Gehäuse enthält eine axial angeordnete innere Welle, welche sich in das erste Gehäuse hinein erstreckt und auf die Welle des Codierers trifft, die aus dem gepackten Codierer herausführt. Um die hochgenaue Drehmessung aufrecht zu erhalten, setzt der gepackte Codierer des Standes der Technik voraus, dass auf ihn keine Lasten ausgeübt werden und dass die Bewegung des zweiten Gehäuses genau auf den Codierer übertragen wird trotz geringer Fehlausrichtungen der Achse der inneren Welle und der Achse des gepackten Codierers. Um die Fertigungstoleranzen in der axialen Fehlausrichtung aufzunehmen, ist eine spezielle Koppelvorrichtung zwischen die Codiererwelle und die innere Welle geschaltet. Ein derartiger Aufbau ist aus 7 in Raab '356 ersichtlich.
Dagegen zeigt 35 einen modifizierten Aufbau, bei welchem die Koppelvorrichtung und der gepackte Codierer der KVM nach Raab '356 entfernt und durch eine Codierscheibe 96 und eine Endkappe 100 ersetzt worden sind. Hier sind zwei Gelenkverbindungen zueinander um 90° angeordnet, wobei jede Gelenkverbindung ein erstes Gehäuse 420 und ein zweites Gehäuse 410 aufweist. Die innere Welle 412 erstreckt sich vom zweiten Gehäuse 420 in das erste Gehäuse 410. Wie ersichtlich ist, ist die Codierscheibe 94 beispielsweise unter Verwendung eines Klebers am Ende der inneren Welle 412 angebracht, während die Endkappe 100 innerhalb des ersten Gehäuses 420 befestigt ist. Es ist jedoch einzusehen, dass die Codierscheibe 96 innerhalb des ersten Gehäuses 420 und die Endkappe 100 an der inneren Welle 412 befestigt sein können, ohne dass die Funktion der Gelenkverbindung beeinträchtigt wird.
Wie weiter vorn beschrieben worden ist, führen die Verwendung von zwei (oder mehr als zwei) Leseköpfen und die sich daraus ergebende Fehlerunterdrückung zu einer weniger fehleranfälligen und zu einer genaueren Codiermessung trotz geringer axia ler Ausrichtungsfehler. Zusätzlich macht eine direkte Beziehung zwischen dem Gegengitter und der Bewegung des Interferenzstreifens den Codierer weniger anfällig gegenüber aus der Umgebung induzierten Fehlern, für welche die Geräte des Standes der Technik anfällig sind. Da der Bereich der Interferenz groß ist und eine nahezu sinusförmige Interferenz überall in diesem Bereich erhalten wird, sind außerdem Ausrichtungstoleranzen etwas weniger streng zu nehmen, als dies bei den Codierern des Standes der Technik der Fall ist, die weiter vorn beschrieben worden sind.
In einem weiteren Beispiel, dem US-Patent 5.829.148, erteilt an Eaton (nachfolgend mit „Eaton '148" bezeichnet), wird eine KMV des Standes der Technik beschrieben, in welcher ein gepackter Codierer einen festen Bestandteil einer jeden Gelenkverbindung in der Weise bildet, dass primäre Rotationslager vorhanden sind, wodurch jegliche Notwendigkeit entfällt, axiale Fehlausrichtungen zu kompensieren, wie das bei der weiter oben diskutierten Vorrichtung Raab '356 der Fall ist. Weil dieser Codierer primäre Rotationslager aufweist, zeichnet er sich dadurch aus, dass er baulich stabil ist und imstande ist, verschiedenartigen Belastungen ausgesetzt zu werden, ohne dass dadurch seine Leistungsfähigkeit beeinträchtigt wird. Dies kommt zu den Kosten und der Sperrigkeit des Codierers hinzu. Ein derartiger Aufbau ist aus 4 in Eaton '148 ersichtlich.
Dagegen zeigt 36 einen modifizierten Aufbau, bei welchem der gepackte Codierer und die verbindende Welle von einer Gelenkverbindung der KMV Eaton '148 entfernt und durch die Endkappe 100 und die Codierscheibe 96 ersetzt sind. Hier hält ein erstes Gehäuse 470 die Endkappe 100 und die innere Welle 462 des zweiten Gehäuses 460 durch die Lager 472. Die innere Welle 462 ist verlängert, um nahe an der Endkappe 100 zu enden, und die Kopierscheibe 96 ist beispielsweise unter Benut zung eines Klebers am Ende der inneren Welle 462 angebracht. Wie auch bei der in 35 dargestellten Ausführungsform vermindert der Einsatz von zwei (oder mehr als zwei) Leseköpfen die Kosten und die Kompliziertheit der Gelenkverbindung beträchtlich, ohne Genauigkeit zu opfern.
Wir wollen uns nun der 23A zuwenden. Sie zeigt ein Blockdiagramm der Elektronik für die Ausführungsform der 9A, 11A, 13A und 15A mit einem einzelnen Lesekopf. Es ist zu erkennen, dass die KMV 10 vorzugsweise einen äußeren Bus (vorzugsweise einen USB-Bus) 260 und einen inneren Bus (vorzugsweise RS-485) 261 aufweist, die so ausgelegt sind, dass sie für mehrere Codierer sowie für entweder eine außen montierte Schiene oder zusätzliche Drehachsen wie beispielsweise eine siebente Achse erweiterungsfähig sind. Dieser innere Bus ist vorzugsweise im Einklang mit RS-485 und vorzugsweise so konfiguriert, dass er als serielles Netzwerk in einer Weise benutzt wird, die im Einklang mit dem seriellen Netzwerk zum Datenaustausch von Aufnehmern in einer tragbaren KMV steht, wie sie im erteilten US-Patent 6.219.928 offenbart ist.
Unter Bezugnahme auf 23A ist zu erkennen, dass jeder Codierer in jeder Patrone mit einer Codiererkarte verknüpft ist. Die Codiererkarte für die Patrone in der Gelenkverbindung 16 ist innerhalb des Fußes 12 positioniert und ist in 25 mit 112 bezeichnet. Die Codierer für die Gelenkverbindungen 18 und 30 befinden sich auf einer dualen Codiererkarte, die sich in der zweiten langen Gelenkverbindung 30 befindet und in 26 mit 114 bezeichnet ist. 26 zeigt auch eine ähnliche duale Codiererkarte 116 für die in den Gelenkverbindungen 32 und 34 benutzten Codierer, wobei die Karte 116 in der dritten langen Gelenkverbindung 34 positioniert ist, wie das in 26 dargestellt ist. Schließlich ist das Endkodierkarte 118 innerhalb des Handgriffs der Messsonde 28 positioniert, wie das in 24 dargestellt ist, und wird benutzt, um die Codierer in der kurzen Gelenkverbindung 36 zu steuern. Jede der Karten 114, 116 und 118 ist mit einem thermoelektrischen Wandler verbunden, um für Temperaturkompensation infolge von Temperaturausgleichsvorgängen zu sorgen. Jede Karte 112, 114, 116 und 118 enthält eingebaute Analog-Digital-Wandlung, Codierzählung und Vorrichtungen für den Datenaustausch über serielle Ports. Jede Karte weist auch lesbare und programmierbare Blitz-Speicher auf, um die lokale Speicherung von Betriebsdaten zu ermöglichen. Die Hauptprozessorkarte 112 ist über den externen USB-Bus 260 auch feldprogrammierbar. Wie bereits erwähnt, ist der interne Bus (RS-485) 261 so ausgelegt, dass er für mehrere Codierer erweiterbar ist, was auch entweder eine außen montierte Schiene und/oder eine siebente Drehachse einschließt. Ein Achs-Port ist vorhanden, um eine Diagnose des Internbusses durchführen zu können. Mehrfach-KMV des unter 10 in diesen Abbildungen gezeigten KMV-Typs können dank der Fähigkeiten des Kommunikationsprotokolls des externen USB an einer einzelnen Anwendung angebracht werden. Darüber hinaus können Mehrfachanwendungen aus genau denselben Gründen an einer einzelnen KMV 10 angebracht sein.
Vorzugsweise enthält jede Karte 112, 114, 116 und 118 einen 16-Bit-Digitalsignalprozessor wie beispielsweise den Prozessor, der von Motorola unter der Bezeichnung DSP56F807 erhältlich ist. Dieses einzelne Prozessor-Bauteil kombiniert viele Prozessormerkmale, darunter den seriellen Datenaustausch, die Quadratur-Dekodierung, A/D-Wandler und kartenintegrierte Speicher, so dass dadurch die Reduzierung der Gesamtzahl der für jede Karte erforderlichen Chips ermöglicht wird.
Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung ist jeder der Codierer mit einem individualisierten Kennzeichnungs-Chip 120 (ID-Chip) verbunden. Dieser Chip kennzeichnet jeden individuellen Codierer und identifiziert daher jede individuelle modulare Lager-/Codierer-Patrone, um die Qualitätskontrolle, das Prüfen und die Reparatur zu erleichtern und zu beschleunigen.
23B ist ein Blockdiagramm der Elektronik, welches dem der 23A ähnlich ist, aber die Ausführungsform der 10, 12, 14 und 16–22 mit dualem Lesekopf abbildet.
Mit Bezug auf die 24–26 soll nun die Anordnung einer jeden Patrone im Gelenkarm beschrieben werden (dabei ist zu beachten, dass 24 einen Arm 10 ohne den Fuß 12 zeigt. Auch ist zu beachten, dass die 24–26 die Ausführungsformen mit einzelnem Lesekopf der 9A, 11A, 13A und 15A benutzen). Wie in 25 dargestellt ist, enthält die erste lange Gelenkverbindung 16 eine relativ kurze Patrone 44, deren oberes Ende in eine zylinderförmige Hülse 120 der dualen Muffenverbindung 46 eingesteckt ist. Die Patrone 44 wird in der Muffe 120 unter Verwendung eines geeigneten Klebers festgehalten. Das gegenüberliegende untere Ende der Patrone 44 ist in ein Verlängerungsrohr eingesteckt, welches in dieser Ausführungsform eine Aluminiumhülse 122 sein kann (die Hülse 122 kann aber auch aus einer starren Legierung oder einem Verbundmaterial bestehen). Die Patrone 44 ist in der Hülse 122 abermals unter Verwendung eines geeigneten Klebers befestigt. Das untere Ende der Hülse 122 enthält einen Bereich 124 mit einem größeren Außendurchmesser, der ein Innengewinde 126 aufweist. Ein solches Gewinde ist nach außen verjüngt und so konfiguriert, dass es zu dem sich nach innen verjüngenden Gewinde 128 auf dem magnetischen Montagegehäuse 130 passt, wie das in 4 deutlich gezeigt ist. Wie bereits besprochen worden ist, sind sämtliche der mehreren Gelenkverbindungen der KMV 10 untereinander durch solches Kegelgewinde verbunden. Vorzugsweise ist das Kegelgewinde vom Typ des amerikanischen kegelförmigen Rohrgewindes NPT, welches selbstspan nend ist, so dass keine Kontermuttern oder anderen Befestigungsvorrichtungen erforderlich sind. Dieses Gewinde bietet die Gewindeblockierung und sollte. ein Verriegelungsmittel für Gewinde enthalten.
Wenden wir uns nun der 26 zu. Wie bei der ersten langen Gelenkverbindung 16 ist die lange Patrone 44' durch Einkleben in die zylinderförmige Öffnung 120' der dualen Muffenverbindung 46' befestigt. Das Außengehäuse 64' der Patrone 44' weist eine Schulter 132 auf, die durch die untere Fläche des Flansches 72' festgelegt ist. Diese Schulter 132 trägt das zylinderförmige Verlängerungsrohr 134, welches sich über der Außenfläche des Gehäuses 64' befindet und diese umgibt. Bei den Gelenkverbindungen finden Verlängerungsrohre Verwendung, damit ein Rohr mit veränderlicher Länge für die Anbringung an einem mit Gewinde versehenen Bauteil geschaffen wird. Dieses Verlängerungsrohr 134 erstreckt sich somit von der Unterseite der Patrone 64' nach außen und enthält eine eingesteckte und mit Gewinde versehene Hülse 136. Ein geeigneter Kleber wird benutzt, um das Gehäuse 44' mit dem Verlängerungsrohr 134 zu verbinden sowie die Hülse 136 und das Rohr 134 miteinander zu verbinden. Die Hülse endet in einem sich verjüngenden Abschnitt, auf welchem sich das Außengewinde 138 befindet. Dieses Außengewinde passt zum Innengewinde 140 auf dem Verbindungsstück 142, welches durch Kleben in der Öffnung 144 der dualen Muffenverbindung 48 befestigt worden ist. Vorzugsweise besteht das Verlängerungsrohr 134 aus einem Verbundwerkstoff wie beispielsweise einem geeigneten Kohlefaser-Verbundwerkstoff, während die schraubbare Hülse 136 aus Aluminium besteht, so dass sie bezüglich der thermischen Eigenschaften zur dualen Muffenverbindung 48 passt. Es ist zu erkennen, dass die PC-Karte 114 an einer Halterung 146 befestigt ist, die ihrerseits an der Halterung 142 der dualen Muffenverbindung befestigt ist.
Zusätzlich zu den vorerwähnten Gewindeverbindungen kann bzw. können eine, einige oder sämtliche der Gelenkverbindungen unter Verwendung von mit Gewinde versehenen Befestigungsvorrichtungen, wie in den 25A–B dargestellt, untereinander verbunden werden. Anstatt der mit Gewinde versehenen Hülse 136 von 26 hat die Hülse 136' von 25B vorzugsweise ein glattes und sich verjüngendes Ende 137, welches von einer komplementären kegelförmigen Muffenhalterung 142' aufgenommen wird. Ein Flansch 136 erstreckt sich von der Hülse 136' umfänglich nach außen mit einer Anordnung von durchgehenden Schraublöchern (in diesem Fall 6) zur Aufnahme von Gewindebolzen 141. Diese Bolzen 141 werden über Gewinde in den entsprechenden Löchern längs der oberen Fläche der Muffenhalterung 142' aufgenommen. Über der Hülse 136' findet ein Verlängerungsrohr 134' Aufnahme wie bei der Ausführungsform der 26. Die zueinander komplementären Außen- und Innengewinde für die Gelenkverbindungen liefern Verbindungstrennflächen, die gegenüber dem Stand der Technik verbessert wind.
Weiter mit Bezug auf 26 ist die lange Patrone 44'' der dritten langen Gelenkverbindung 34 am Arm 14 in einer Weise befestigt, die derjenigen von Patrone 44' der langen Gelenkverbindung 30 ähnlich ist. Das bedeutet, der obere Bereich der Patrone 44'' ist durch Kleben in der Öffnung 120'' der dualen Muffenverbindung 46'' befestigt. Ein Verlängerungsrohr 148 (welches vorzugsweise aus einem Verbundwerkstoff besteht, wie das in Bezug auf das Rohr 134 beschrieben ist) ist über dem äußeren Gehäuse 64'' positioniert und erstreckt sich von dort nach außen, so dass es eine Passhülse 150 aufnimmt, welche durch Kleben am Innendurchmesser des Verlängerungsrohres 148 befestigt ist. Diese Passhülse 150 endet an einem sich verjüngenden Abschnitt, welcher ein Außengewinde 152 aufweist, das zum komplementären Innengewinde 153 in der Halterung 154 der dualen Muffenverbindung passt, welche durch Kleben an der zylinderförmige Muffe 156 in der dualen Muffenverbindung 148' befestigt ist. Die gedruckte Leiterkarte 116 ist auf ähnliche Weise mit der dualen Muffenverbindung unter Verwendung der Halterung 146' für die gedruckte Leiterkarte befestigt, welche an der Halterung 154 der dualen Muffenverbindung befestigt ist.
Wie in Bezug auf die 7 und 8 diskutiert worden ist, sind die kurzen Patronen 44' in den 13 und 14 und 108 von 15 einfach zwischen zwei dualen Muffenverbindungen 46, 48 positioniert und in den dualen Muffenverbindungen unter Verwendung eines geeigneten Klebers befestigt. Im Ergebnis werden die lange und die kurze Patrone leicht aneinander unter rechten Winkeln befestigt (oder, falls dies gewünscht wird, unter anderen Winkeln als den rechten Winkeln).
Die weiter oben beschriebenen modularen Lager-/Aufnehmer-Patronen bilden einen bedeutenden technologischen Fortschritt bei tragbaren KMV, wie das beispielsweise in den vorerwähnten Patenten Raab '356 und Eaton '148 dargestellt ist. Das liegt daran, dass die Patrone (oder das Gehäuse der Patrone) tatsächlich ein strukturelles Bauteil einer jeden Gelenkverbindung festlegt, welches zum Gelenkarm gehört. Der Ausdruck „strukturelles Bauteil", wie er hier gebraucht wird, bedeutet, dass die Oberfläche der Patrone (d. h. das Gehäuse der Patrone) starr an anderen strukturellen Bauteilen des Gelenkarms angebracht ist, um die Rotation ohne Verformung des Arms (oder höchstens der minimalsten Verformung) zu übertragen. Dies steht im Gegensatz zu den herkömmlichen tragbaren KMV (wie beispielsweise denen, die in Raab '356 und Eaton '148 offenbart werden), bei welchen getrennte und verschiedene Verbindungselemente und Übertragungselemente erforderlich sind, wobei die Rotationskodierer Teil der Verbindungselemente (nicht jedoch der Übertragungselemente) sind. Im Wesentlichen hat die vorliegende Erfindung die Notwendigkeit von ge trennten Übertragungselementen (z. B. Übertragungsteilen) dadurch vermieden, dass die Funktionalität der Verbindungs- und Übertragungselemente zu einem einzigen modularen Bauteil (d. h. Patrone) kombiniert wird. Daher benutzt die vorliegende Erfindung an Stelle eines Gelenkarms, der aus getrennten und unterschiedlichen Verbindungs- und Übertragungselementen besteht, einen Gelenkarm, der aus einer Kombination von längeren und kürzeren Verbindungselementen (d. h. Patronen) besteht, die alle strukturelle Elemente des Arms bilden. Dies führt zu höheren Werten für die Effizienz in Bezug auf den Stand der Technik. Beispielsweise beträgt die Anzahl der Lager, die bei einer Kombination aus Verbindungs- und Übertragungselement in den Patenten '148 und '582 benutzt werden, vier (zwei Lager in dem Verbindungselement und zwei Lager in dem Übertragungselement), während die modulare Lager-/Wandler-Patrone der vorliegenden Erfindung ein Minimum von einem Lager (auch wenn zwei Lager bevorzugt werden) nutzen kann und dennoch dieselbe Funktionalität erfüllt (wenn auch auf eine andere und verbesserte Weise).
Die 24A und 26A–B sind Schnittdarstellungen ähnlich denen der 24–26, zeigen aber die Ausführungsformen der 10, 12, 14 und 16–22 mit dualem Lesekopf und sind außerdem Schnittdarstellungen der in 3A dargestellten KMV'.
Die Gesamtlänge des Gelenkarms 14 und/oder der verschiedenartigen Armsegmente kann je nach der beabsichtigten Anwendung variieren. In einer Ausführungsform kann der Gelenkarm eine Gesamtlänge von ungefähr 609,6 mm (24 Zoll) haben und Messungen in der Größenordnung von ungefähr 0,00508 bis ungefähr 0,0127 mm (0,0002 Zoll bis 0,0005 Zoll) liefern. Diese Armabmessung und Messgenauigkeit liefert eine tragbare KMV, welche für Messungen, die derzeit unter Verwendung von typischen Handmesszeugen wie Mikrometerschrauben, Höhenlehren, Tastleh ren u. dergl. ausgeführt werden, gut geeignet sind. Natürlich kann der Gelenkarm 14 kleinere oder größere Abmessungen und Genauigkeitswerte aufweisen. Beispielsweise können größere Arme eine Gesamtlänge von 2,44 m oder 3,66 m (8 Fuß oder 12 Fuß) haben und Messgenauigkeiten von 25 μm (0,001 Zoll) aufweisen, wodurch ihr Einsatz für die meisten Anwendungen bei Echtzeit-Inspektionen oder beim Reverse-Engineering ermöglicht wird.
Die KMV 10 kann auch mit einer Steuervorrichtung benutzt werden, die daran angebaut ist und dazu benutzt wird, ein relativ vereinfachtes ausführbares Programm laufen zu lassen, wie das in den vorerwähnten Patenten 5.978.748 und 6.612.044 offenbart wird, oder kann mit mehreren komplexen Programmen auf dem Hauptrechner 172 benutzt werden.
Mit Bezug auf die 1–6 und 24–26 sind jede der langen und kurzen Gelenkverbindungen durch einen Dämpfer oder Deckel aus einem Elastomer geschützt, der in der Weise wirkt, dass er starke Aufprallstöße begrenzt und ergonomisch angenehme Griffstellen liefert (sowie ein ästhetisch angenehmes Äußeres). Die langen Gelenkverbindungen 16, 30 und 34 sind alle durch einen auswechselbaren Deckel aus starrem Kunststoff (z. B. ABS) geschützt, der als Schutz vor Anstoßen und Abrieb dient. Bei der ersten langen Gelenkverbindung 16 hat dieser ersetzbare Deckel aus starrem Kunststoff die Form des zweiteiligen Fußgehäuses 26A und 26B, wie das in 4 dargestellt ist. Die langen Gelenkverbindungen 30 und 34 sind jeweils durch ein Paar von Deckelteilen 40 und 41 geschützt, die, wie das in 5 und 6 dargestellt ist, miteinander in der Art eines Zweischalengreifkorbs unter Verwendung geeigneter Schrauben verbunden werden können, damit sie eine Schutzhülse bilden. Es ist erkennbar, dass in einer bevorzugten Ausführungsform dieser ersetzbare Deckel aus starrem Kunststoff bei jeder langen Gelenkverbindung 30 und 34 das vor zugsweise aus einem Verbundwerkstoff (Kohlefaser) bestehende Verlängerungsrohr 134 bzw. 148 umgibt.
Vorzugsweise enthält einer der Deckel, in diesem Fall der Deckelabschnitt 41, einen abgeschrägten und fest angegossenen Anschlagbolzen 166, der die Drehung des Ellenbogens des Armes dergestalt einschränkt, dass die Sonde 28 daran gehindert wird, in Ruhestellung mit dem Fuß 12 zusammen zu stoßen. Dies wird am besten in 3, 24 und 26 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass der Bolzen 166 folglich unnötiges Anstoßen und Abrieb einschränkt.
Wie das in Bezug auf die 29 und 31 noch besprochen wird, kann die Sonde 28 auch einen auswechselbaren Schutzdeckel aus Kunststoff enthalten, der aus einem starren Kunststoffmaterial gefertigt ist.
Die 3A, 24A und 26A–B zeigen alternative Schutzhülsen 40', 41', die auch die Konstruktion des Zweischalengreifkorbs aufweisen, die aber eher unter Verwendung von Spannbändern oder Federklammern 167 an Ort und Stelle gehalten werden als durch mit Gewinde versehene Befestigungsvorrichtungen.
Jede der kurzen Gelenkverbindungen 18, 32 und 36 enthält ein Paar von elastomeren Dämpfern 38 (z. B. thermoplastischer Gummi wie Santoprene^®), wie das bereits weiter vorn erwähnt worden ist und deutlich in den 1–3 und 5–6 dargestellt ist. Die Dämpfer 38 sind entweder unter Verwendung von mit Gewinde versehenen Befestigungsvorrichtungen, einem geeigneten Kleber oder in irgendeiner anderen geeigneten Art und Weise angebracht. Dämpfer 38 aus Elastomer oder Gummi begrenzen die starken Stöße und bieten ein ästhetisches Aussehen sowie eine ergonomisch angenehme Griffstelle.
Die vorherigen Deckel 40, 41, 40', 41' und die Dämpfer 38 sind alle leicht ersetzbar (wie das auch auf das Gehäuse des Fußes 26A, 26B zutrifft) und ermöglichen, dass der Arm 14 schnell und ohne hohen Aufwand neu ausgestattet wird, ohne dass die mechanische Leistungsfähigkeit der KMV 10 beeinträchtigt wird.
Weiter mit Bezug auf 1–3 enthält das Fußgehäuse 26A, B mindestens zwei zylinderförmige Ansätze zur Montage einer Kugel, wie das mit 168 in 3 dargestellt ist. Diese Kugel kann benutzt werden zum Montieren einer Klammer vom Typ der Computerhalterung 170, die ihrerseits einen tragbaren oder sonstigen Rechner 172 (z. B. den „Hauptrechner") trägt. Vorzugsweise befindet sich ein zylinderförmiger Ansatz auf jeder Seite des Fußgehäuses 26A, B, so dass die Kugel und die Rechnerklemmvorrichtung auf jeder Seite der KMV 10 angebaut werden können.
Wenden wir uns nun den 15, 16, 27A, B und 28 zu, um den bevorzugten Gewichtsausgleich für den Einsatz mit der KMV 10 zu beschreiben. In der herkömmlichen Weise werden bei KMV des hier beschriebenen Typs eine außen montierte Schraubenfeder benutzt, die in der Art des Abstützträgers an der Außenseite des Gelenkarms für den Einsatz als Gewichtsausgleich getrennt montiert worden ist. Dagegen wird bei der vorliegenden Erfindung ein völlig integrierter innerer Gewichtsausgleich benutzt, welcher zu einem kleineren Gesamtprofil für den Gelenkarm führt.
Typischerweise werden beim Gewichtsausgleich nach dem Stand der Technik gewundene Schraubenfedern im Mechanismus des Gewichtsausgleichs benutzt. Jedoch wird gemäß einem bedeutenden Merkmal der vorliegenden Erfindung bei dem Gewichtsausgleich eine maschinengearbeitete Schraubenfeder (im Gegensatz zu einer gewundenen Schraubenfeder) benutzt. Diese maschinengearbeitete Schraubenfeder 110 ist in 16 und 27A–B dargestellt und aus einem vollen Metallzylinder (Stahlzylinder) geformt, der maschinell so bearbeitet wird, dass ein Paar von relativ breiten Ringen 174, 176 an gegenüberliegenden Enden der Feder und relativ engere Ringe 178 entstehen, welche die zwischen den Endwindungen 174, 176 liegenden Windungen bilden. Es ist zu erkennen, dass die breiteren endständigen Ringe 174, 176 mit den jeweiligen Seitenflächen 180 der Welle 62' und 182 des Gehäuses 64'' in Kontakt kommen, wodurch die seitliche Bewegung der Feder 110 verhindert wird. Die breiteren und festen endständigen Ringe 174, 176 wirken als Torsions-Hemmvorrichtung und bieten eine bessere Funktion im Vergleich zu den gewundenen Federn des Standes der Technik. Der Endring 174 enthält vorzugsweise ein Paar von Sperrstiften 184, 186 (auch wenn nur ein Sperrstift benutzt werden muss), während der Endring 176 einen Sperrstift 188 enthält.
Mit Bezug auf 27B enthält jede duale Muffenverbindung 46, 48 Kanäle, wie sie beispielsweise unter 190 und 191 in der dualen Muffenverbindung 46 dargestellt sind, um einen jeweiligen Stift 184, 186 oder 188 aufzunehmen. Es soll nun Bezug auf 28 genommen werden. Während die Stifte 184, 186 in einer festen Stellung innerhalb des jeweiligen Kanals oder Rille der dualen MV 48 verbleiben, kann die Stelle des Stifts 188 verändert werden, so dass die gesamte Aufwärtsbewegung auf der Feder 110 optimiert werden kann und die wirksamste Gewichtsausgleichskraft geliefert wird. Dies wird erreicht durch Verwendung eines mit Gewinde versehenen Loches 192, welches die Gewindeschraube 194 aufnimmt. Wie das in 28 dargestellt ist, kann die Schraube 194 bis zum Kontaktstift 188 eingedreht werden und den Stift 188 umfänglich in Uhrzeigerrichtung längs des in 27B dargestellten inneren Kanals 196 bewegen, als verlaufe er rechtwinklig zur Stiftzugangsrille 190. Die Schraube 194 ist vorzugsweise so positioniert, dass die Feder 110 bereits im Werk optimiert wird.
Es ist zu erkennen, dass während des Einsatzes des Gelenkarms 14 die Codierer/Lager-Patrone 108 als Kippgelenk wirkt und, sobald sie eingesteckt und durch Kleben in den Muffen der dualen MV 46, 48 befestigt ist, die Stifte 184, 186 und 188 in ihren jeweiligen Rillen arretiert werden. Wenn die Muffenverbindung 48 sich relativ zur Muffenverbindung 46 dreht (über das Kippgelenk der Patrone 108), dann bewegt sich die Feder 110 nach oben. Wenn gewünscht wird, dass die Muffenverbindung 48 sich zurück in ihre ursprüngliche Position dreht, dann werden die Aufwickelkräfte von Feder 110 abwickeln, wodurch die gewünschte Gewichtsausgleichskraft bereitgestellt wird.
Sofern es gewünscht wird, dass der Gelenkarm 14 kopfüber montiert wird wie beispielsweise über einer Schleifvorrichtung, an einem Träger oder unter einer Decke, dann kann die Orientierung der Feder 110 auf ähnliche Weise umgekehrt (oder gewendet) werden, so dass die richtige Orientierung für den erforderlichen Gewichtsausgleich erreicht werden kann.
Wenden wir uns nun den 29 und 30A–C zu, wo eine bevorzugte Ausführungsform der Messsonde 28 beschrieben werden soll. Die Sonde 28 enthält ein Gehäuse 196, welches einen Innenraum 198 aufweist zur Unterbringung einer gedruckten Leiterkarte 118. Es ist zu erkennen, dass das Gehäuse 196 eine duale Muffenverbindung des weiter oben beschriebenen Typs bildet und eine Muffe 197 enthält, in welcher ein Stützelement 199 zum Tragen der Leiterkarte 118 gebondet ist. Vorzugsweise enthält der Handgriff 28 zwei Schalter, nämlich einen Schalter 200 für Aufnahme und einen Schalter 202 für Bestätigung. Diese Schalter werden von der Bedienperson benutzt, um eine Messung vorzunehmen (Schalter Aufnahme 200) und die Messung während des Betriebs zu bestätigen (Schalter 202 für Bestätigung). Gemäß einem bedeutenden Merkmal dieser Erfindung unterscheiden sich diese Schalter voneinander, so dass eine Verwechslung während des Gebrauchs auf ein Minimum reduziert wird. Diese Unterscheidung kann in der einen oder anderen Form vorgenommen werden. Dazu gehören beispielsweise, dass die Schalter 200, 202 von unterschiedlicher Höhe und/oder unterschiedlicher Struktur sind (man beachte, dass der Schalter 202 eine Einkerbung aufweist im Gegensatz zur glatten Oberseite von Schalter 200) und/oder unterschiedliche Farben haben (beispielsweise kann der Schalter 200 grün und der Schalter 202 rot sein). Auch gemäß einem bedeutenden Merkmal dieser Erfindung kann eine Anzeigeleuchte 204 mit den Schaltern 200, 202 verbunden sein, um die richtige Verwendung anzuzeigen. Vorzugsweise ist die Anzeigelampe 204 zweifarbig, so dass beispielsweise die Lampe 204 grün leuchtet bei Vornahme einer Messung (und Drücken des grünen Knopfes 200 für Aufnahme) und rot leuchtet bei Bestätigung einer Messung (und Drücken des roten Knopfes). Die Verwendung von mehrfarbigem Licht erfolgt bequem durch den Einsatz der bekannten LEDs als Lichtquelle für die Leuchte 204. Um das Greifen zu unterstützen, das Aussehen zu verbessern und die Stoßfestigkeit zu erhöhen, befindet sich eine Schutzabdeckung vom bereits beschriebenen Typ über einem Teil der Sonde 28 und ist mit 206 bezeichnet. Eine Schalterkarte 208 ist für die Montage der Schalttaster 200, 202 und die Leuchte 204 vorhanden und wird vom Halterungselement 199 getragen. Die Schalterkarte 208 ist mit der Leiterkarte 118, welche die Bauteile für die Betätigung der Schalter und die Leuchtanzeige sowie für das Betreiben des kurzen Kippgelenks 36 beherbergt, elektrisch verbunden.
Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung und mit Bezug sowohl auf 29 als auch auf 30A–C enthält die Sonde 28 eine ständig installierte berührungsempfindliche Triggersonde sowie eine entfernbare Kappe zur Anpassung an eine feste Sonde, während die berührungsempfindliche Triggersonde geschützt wird. Der Berührungssondenmechanismus ist unter 210 in 29 dargestellt und beruht auf einem vereinfachten Drei-Punkt-Kinematiksitz. Die her kömmliche Konstruktion umfasst eine Nase 212, welche mit einer Kugel 214 in Kontakt kommt, die durch eine Kontaktfeder 216 vorgespannt ist. Drei Kontaktstifte (von denen einer unter 218 gezeigt ist) befinden sich mit der darunter befindlichen elektrischen Schaltung in Kontakt. Das Aufbringen von Kräften gegen die Sondennase 212 führt dazu, dass irgendeiner der drei Kontaktstifte 218 angehoben wird, was zum Öffnen der darunter befindlichen Schaltung und folglich zur Aktivierung eines Schalters führt. Vorzugsweise arbeitet die Berührungstriggersonde 210 in Verbindung mit dem vorderen „Aufnahme"-Schalter 200.
Wie in 30B dargestellt, ist beim Gebrauch der Berührungstriggersonde ein mit Gewinde versehener Deckel 220 durch Gewinde auf dem Gewinde 222, das die Triggersonde 210 umgibt, befestigt. Wenn jedoch gewünscht wird, eine Festsonde an Stelle der Berührungstriggersonde zu verwenden, dann wird die abnehmbare Kappe 220 entfernt und die gewünschte Festsonde wird so auf dem Gewinde 222 durch Verschrauben angebracht, wie das an 224 in 29 und 30A–C dargestellt ist. Es ist zu erkennen, dass, auch wenn die Festsonde 224 eine daran angebrachte runde Kugel 226 aufweist, jede abweichende und gewünschte Festsondenkonfiguration bequem durch Schrauben an der Sonde 28 über das Gewinde 222 angebracht werden kann. Die Berührungstriggersondenanordnung 210 ist in ein Gehäuse 228 eingebaut, welches mit Gewinde in das mit Gewinde versehene Verbindungsteil 230 eingeschraubt wird, das einen Teil des Sondengehäuses 196 bildet. Diese schraubbare Zwischenverbindung sorgt für die völlige Integration der Berührungstriggersonde 210 in die Sonde 28. Das Vorhandensein einer völlig integrierten Berührungssonde stellt ein bedeutendes Merkmal der vorliegenden Erfindung dar und unterscheidet sich von den lösbaren Berührungssonden des Standes der Technik, welche mit den KMV des Standes der Technik verbunden werden. Zusätzlich kann die auf Dauer installierte Berührungstriggersonde leicht in eine harte Sonde umgewandelt werden, wie dies weiter oben beschrieben worden ist.
29A–C zeigen noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Messsonde gemäß der vorliegenden Erfindung. In den 29A–C ist mit 28' eine Messsonde dargestellt, die dem Wesen nach der Messsonde 28 in 29 ähnlich ist, wobei der hauptsächliche Unterschied in der Konfiguration der Schalter „Aufnahme" und „Bestätigung" liegt. An Stelle der in 29 dargestellten diskreten Schalter vom Knopftyp werden bei der Messsonde 28' zwei Paare von bogenförmigen Rechteckschaltern 200a–b und 202a–b verwendet. Jedes Paar der Rechteckschalter 202a–b und 200a–b entspricht jeweils dem Aufnahme-Schalter und Bestätigung-Schalter, wie sie in Bezug auf 29 weiter oben beschrieben sind. Ein Vorteil der Ausführungsform mit Messsonde 28' gegenüber der Ausführungsform mit Messsonde 28 besteht darin, dass jedes Paar von Rechteckschaltern 202 und 200 tatsächlich den ganzen Umfang (oder wenigstens den größten Teil des Umfangs) der Messsonde umgibt und daher leichter von der Bedienperson der tragbaren KMV betätigt werden kann. Wie in der Ausführungsform der 29 ist mit jedem Schalter eine Anzeigeleuchte 204 verbunden, wobei die Leuchte 204 und die Schalter 200, 202 auf zugehörige Schaltertafeln 208' montiert sind. Auch können genau wie bei der Ausführungsform der 29 die Schalter 200, 202 sich dadurch unterscheiden, dass beispielsweise unterschiedliche Höhen, unterschiedliche Strukturen und/oder unterschiedliche Farben Anwendung finden. Vorzugsweise haben die Schalter 200, 202 eine gewisse Nachgiebigkeit dergestalt, dass sich der Knopf beim Niederdrücken in jeder Richtung bewegen kann. Wie bei der Ausführungsform der 29 wird an 206 eine äußere Schutzabdeckung von dem weiter oben beschriebenen Typ benutzt und befindet sich über einem Teil der Sonde 28'.
Es soll nun Bezug auf 31 genommen werden. Eine alternative Messsonde für den Einsatz mit der KMV 10 ist allgemein mit 232 bezeichnet. Diese Messsonde 232 ist der Messsonde 28 von 29 ähnlich mit dem wesentlichen Unterschied, dass die Sonde 232 eine drehbare Griffabdeckung 234 aufweist. Diese sich drehende Abdeckung 234 ist auf ein Paar von auf Abstand befindlichen Lagern 236, 238 montiert, die ihrerseits auf einem inneren Kern oder Stütze 240 dergestalt montiert sind, dass die Abdeckung 234 (über die Lager 236, 238) um den inneren Kern 240 frei drehbar ist. Die Lager 236, 238 sind vorzugsweise Radiallager und minimieren die parasitären Drehmomente auf den Arm infolge der Handhabung der Sonde. Es ist dabei kennzeichnend, dass die Schalterplatte 208' und die entsprechenden Schalter 200', 202' und die LED 204' alle auf die sich drehende Handgriffabdeckung 234 montiert sind, so dass sie sich mit dieser drehen. Während der Drehung wird die elektrische Verbindung zur Karte 118' mit der Prozessorschaltung unter Verwendung eines herkömmlichen Gleitringmechanismus 242 gewährleistet, welcher mehrere der bekannten, auf Abstand befindlichen gefederten Finger 242 aufweist, welche den Kontakt zu den stationären kreisförmigen Kanälen 244 herstellen. Ihrerseits sind diese Kontaktkanäle 244 mit der Leiterkarte 118' elektrisch verbunden. Die sich drehende Handgriffabdeckung 234 und die Schalteranordnung sind daher mit dem inneren Kern oder der Sondenwelle 240 und der Elektronikkarte 118' unter Verwendung des Gleitringleiters 242 elektrisch verbunden. Die Drehung des Sondenhandgriffs 234 ermöglicht, dass die Schalter 200', 202' in einer für den Benutzer günstigen Position ausgerichtet werden können. Dies ermöglicht, dass der Gelenkarm 14' genaue Messungen während der Handhabung ausführt, da die nicht dokumentierten Kräfte minimiert sind. Die Abdeckung 234 besteht vorzugsweise aus einem starren Polymer und ist mit geeigneten Vertiefungen 246 und 248 versehen, um ein bequemes und leichtes Greifen und Manipulieren durch den Sondenbediener zu ermöglichen.
Es ist zu erkennen, dass der Rest der Sonde 232 der Sonde 28 ganz ähnlich ist, wozu auch das Vorhandensein einer ständig sowie fest eingebauten Berührungssonde 210 im Deckel 220 gehört. Es ist zu beachten, dass die Schalter 200', 202' unterschiedliche Höhen und Oberflächenstrukturen haben, so dass sie leicht identifiziert werden können.
Der Drehdeckel 234 ist ein signifikanter Vorteil auf dem Gebiet der KMV dahingehend, dass er die Notwendigkeit für eine siebente Drehachse an der Sonde, wie das in dem weiter vorn erwähnten US-Patent 5.611.145 offenbart wird, mindert. Es ist zu erkennen, dass das Zufügen einer siebenten Achse zu komplexeren und kostenaufwendigeren KMV führt sowie dazu, dass mögliche Fehler in das System eingebracht werden. Der Einsatz der drehbaren Sonde 232 setzt die Notwendigkeit einer „echten" siebenten Achse herab, da ermöglicht wird, dass die Sonde die Drehung bietet, die für die Handgriffposition am Sondenende erforderlich ist, und zwar ohne die Kompliziertheit eines siebenten Aufnehmers mit den dazugehörigen Lagern, dem Codierer und der Elektronik.
Falls die Verwendung einer Messsonde gewünscht wird, welche eine „echte" siebente Achse aufweist, d. h. eine Messsonde mit einem siebenten drehbaren Codierer zur Messung der drehenden Rotationsbewegung, ist eine derartige Messsonde in 37–40 dargestellt. Mit Bezug auf derartige Abbildungen ist eine Messsonde 500 dargestellt, wobei eine derartige Messsonde dem Wesen nach der Messsonde in 29 ähnlich ist, der wesentliche Unterschied aber besteht darin, dass eine modulare Lager-/Wandler-Patrone 502 von dem weiter oben beschriebenen Typ eingesetzt ist, dass die Schalter für Aufnahme und Bestätigung 504 bzw. 506 an den Seiten der Messson de vorhanden sind und dass ein abnehmbarer Handgriff 508 einbezogen ist.
Es ist zu erkennen, dass die modulare Lager-/Aufnehmer-Patrone 502 im Wesentlichen den Patronen ähnlich ist, die weiter oben ausführlich beschrieben worden sind und Folgendes aufweisen: eine drehbare Welle, ein Paar von Lagern auf der Welle, eine optische Codierscheibe, mindestens einen und vorzugsweise zwei optische Leseköpfe, die sich in einem gewissen Abstand voneinander befinden und mit der Codierscheibe in optischer Kommunikation stehen, sowie ein Gehäuse, welches die Lager die optische Codierscheibe, den Lesekopf oder die Leseköpfe und mindestens einen Abschnitt der Welle umgibt, so dass die diskrete modulare Lager-/Wandler-Patrone festgelegt wird. Eine Leiterkarte 503 für die Codiererelektronik befindet sich in einer Öffnung 504 an der Sonde 500. Paare von Bedienknöpfen 504 und 506 für Aufnahme und Bestätigung befinden sich auf jeder Seite eines nach unten abstehenden Gehäusebereichs 510 der Sonde 500, wobei die Bedienknöpfe an eine geeignete PC-Karte 512 genau wie bei der Messsonde der Ausführungsform der 29 angeschlossen sind. Auf ähnliche Weise ist eine Leuchtanzeige 513 zwischen den Bedienknöpfen 504, 506 wie bei den weiter vorn diskutierten Ausführungsformen angeordnet. Ein Paar von Gewindelöchern 514 im Gehäuse 510 nimmt die Befestigungsvorrichtungen für die abnehmbare Anbringvorrichtung des Handgriffs 508 auf, welche für die Bequemlichkeit der umlaufenden Handhabung während der Benutzung der Messsonde 500 sorgt.
In jeder anderen wesentlichen Hinsicht ist die Messsonde 500 ähnlich der Messsonde 28 von 29 einschließlich des bevorzugten Einsatzes der ständig installierten Berührungstriggersonde unter 516 sowie der abnehmbaren Kappe für die Anpassung einer Festsonde 518, während die Berührungstriggersonde geschützt wird. Es ist zu erkennen, dass der Codierer 502 der siebenten Drehachse, der in der Messsonde 500 enthalten ist, den Einsatz der KMV 10 in Verbindung mit den bekannten Laser-Scannern und anderen peripheren Geräten erleichtert.
Wenden wir uns nun den 2–4, 23 und 25 zu. Gemäß einem bedeutenden Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die KVM 10 mit einem tragbaren Stromversorgungsgerät ausgestattet, wodurch diese KMV zu einer echten tragbaren KMV wird. Dies steht im Gegensatz zu den KMV des Standes der Technik, wo die Stromzuführung lediglich auf einer Wechselspannungszuleitung beruht. Darüber hinaus kann die KMV 10 auch über eine Wechselspannungszuleitung über einen Adapter von Wechselspannung auf Gleichspannung mit herkömmlicher Steckverbindung direkt mit Strom versorgt werden. Wie in 2, 3 und 25 dargestellt ist, kann ein herkömmlicher wiederaufladbarer Akkumulator (z. B. ein Lithium-Ionen-Akkumulator), der mit 22 bezeichnet ist, verwendet werden. Dieser Akkumulator 22 ist mechanisch und elektrisch in eine herkömmlichen Akku-Halterung 252 eingebunden, die ihrerseits elektrisch an eine herkömmliche Baugruppe 254 zur Stromversorgung und zum Nachladen des Akkumulators angeschlossen ist, die sich auf der Leiterkarte 20 befindet. An diese Leiterkarte 20 sind auch ein Ein/Aus-Schalter 258 (siehe 3) und ein Port zur schnellen Datenübertragung 260 (vorzugsweise ein USB-Port) angeschlossen. Die Gelenkelektronik von Arm 14 ist unter Verwendung eines RS-485-Bus an die Leiterkarte 20 angeschlossen. Der Akkumulator 22 kann an einem separaten Ladegerät aufgeladen werden oder an Ort und Stelle in einer Gabel 252, wie man das bei herkömmlichen Videokameras üblicherweise vorfindet. Es ist zu erkennen, dass der tragbare Rechner 172 (siehe 2) einige Stunden lang mit den eingebauten Akkumulatoren betrieben werden kann und/oder als Alternative an die Stromversorgungseinheit 254 der KMV 10 elektrisch angeschlossen werden kann.
Die Onboard-Stromversorgungs/Ladeeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise als integraler Bestandteil der KMV 10 untergebracht, indem dieses Bauteil als fester Bestandteil des Fußes 12 und insbesondere als Bestandteil des aus Kunststoff bestehenden Fußgehäuses 26A, B untergebracht wird. Es ist noch zu bemerken, dass vorzugsweise das Fußgehäuse 26A, B einen kleinen Aufbewahrungsraum 259 umfasst, der einen klappbaren Deckel 262 aufweist, um darin Ersatz-Akkus, Sonden u. dergl. aufzubewahren.
Wenden wir uns nun den 4, 25 und 32–34 zu. Die neuartige magnetische Montagevorrichtung für den Einsatz mit der KMV 10 soll nun beschrieben werden. Diese magnetische Montagevorrichtung ist in den 4, 25, 32 und 33 ganz allgemein mit 24 bezeichnet. Diese Magnetunterlage 24 enthält ein zylinderförmiges nichtmagnetisches Gehäuse 266, welches an seinem oberen Ende in einem mit Gewinde versehenen Abschnitt 268 endet. Wie bei all den bevorzugten Gewindearten, die in der KMV 10 Verwendung finden, ist das Gewinde 268 ein Kegelgewinde, welches dafür vorgesehen ist, an das Gewinde 126 der ersten langen Gelenkverbindung 16 geschraubt zu werden, wie das am besten in 25 dargestellt ist. Das nichtmagnetische Gehäuse 266 hat eine im Wesentlichen zylinderförmige Konfiguration mit Ausnahme von zwei sich in Längsrichtung erstreckenden Verlängerungen 270, 272, die einander um 180° gegenüber liegen und sich vom Gehäuse 266 nach außen und nach unten erstrecken. Auf jeder Seite der sich in Längsrichtung erstreckenden Verlängerungen 270, 272 ist ein Paar von halbzylinderförmigen Gehäusen 274, 276 angebracht, von denen jedes aus einem „magnetischen" Material gebildet ist, d. h. einem Material, welches magnetisch gemacht werden kann wie beispielsweise Eisen oder magnetischer Edelstahl. Zusammen bilden die „magnetischen" Gehäusehälften 274, 276 und die longitudinalen Verlängerungen 270, 272 eine zylinderförmige Um schließung mit offenem Ende für die Aufnahme und die Unterbringung eines magnetischen Kerns 278. Dieser magnetische Kern 278 hat eine rechteckige Gestalt mit einer nichtmagnetischen Mitte 280, welche in Form eines Sandwich zwischen ein Paar von Seltene-Erden-Magneten (z. B. Neodym-Eisen-Bor) 282, 284 gelagert ist. Eine axiale Öffnung 286 führt durch die nichtmagnetische Mitte 280. Eine kreisförmige Abdeckplatte 288 befindet sich unterhalb des magnetischen Kerns 278 und innerhalb des unteren Gehäuses, das aus den Bauteilen 274, 276 und den longitudinalen Verlängerungen 270, 272 gebildet wird. Eine Welle 290 führt durch eine kreisförmige Öffnung 292 im Gehäuse 266 und erstreckt sich nach unten durch die axiale Öffnung 286 des magnetischen Kerns 278. Die Welle 290 wird zum Zweck der Rotation von einem oberen Lager 292 und einem unteren Lager 294 gehalten. Das obere Lager 292 findet Aufnahme durch eine innere zylinderförmige Vertiefung im Gehäuse 266, und das untere Lager 294 findet Aufnahme durch eine ähnliche zylinderförmige Vertiefung in der Abdeckplatte 288. Ein Hebel 296 erstreckt sich von der Welle 290 rechtwinklig nach außen, und, wie das noch beschrieben wird, liefert einen Ein/Aus-Mechanismus für die Magnetunterlage 264. Der Hebel 296 erstreckt sich vom Gehäuse 266 nach außen durch eine Rille 297 durch das Gehäuse 266 (siehe 25).
Diese gesamte Anordnung aus Hebel 296, Welle 290 und Lagern 292, 294 ist unter Verwendung einer oberen, mit Gewinde versehenen Befestigungsvorrichtung 298 und eines unteren Halteringes 300 gemeinsam befestigt. Es ist zu erkennen, dass die verschiedenen Komponenten der Magnetunterlage 264 ferner durch beispielsweise Befestigungsvorrichtungen 302 mit Gewinde befestigt sind, welche das Gehäuse 266 mit den Gehäuseteilen 274, 276 aus dem „magnetischen" Material verbinden, und Befestigungsvorrichtungen 304 mit Gewinde, welche die Gehäuseteile 274, 276 mit der Abdeckung 288 verbinden. Ferner stellen mit Gewinde versehene Befestigungsvorrichtungen 306 an den longitudinalen Verlängerungen 270, 272 des Gehäuses 266 die Verbindung zu der Abdeckung 288 her. Ein Stift 308 wird von einer seitlichen Öffnung im Kern 278 und einer seitlichen Öffnung in der Welle 290 aufgenommen, so dass die Welle 290 mit dem Kern 278 verriegelt ist. Auf diese Welle wird, wenn der Hebel 296 in Drehung versetzt wird, die Welle den Kern 278 über die Wellenverbindung 208 in Drehung versetzen.
Wie in den 1, 3 und 25 dargestellt ist, ist der Hebel 296 mit einem Handgriff 310 verbunden, der auf der Außenseite des Fußes 12 leicht zugänglich ist und dazu benutzt wird, die Magnetunterlage 264 zu betätigen. Um eine solche Betätigung vorzunehmen, wird der Handgriff 296 einfach bewegt (in 1 von rechts nach links). Die Bewegung des Handgriffs 310 versetzt ihrerseits den Hebel 296 in Drehung. Dieser versetzt seinerseits die Welle 290 in Bewegung, welche dann die aus Seltenen Erden bestehenden Magnete 282, 284 in Drehung versetzt, und zwar aus ihrer Ruhestellung (in welcher die Magnete 282, 284 zu den nichtmagnetischen Verlängerungen 270, 272 ausgerichtet sind) in eine Arbeitsstellung, wo die Magnete 282, 284 zum magnetischen Material 274, 276 ausgerichtet sind. Wenn die Magnete zum magnetischen Material ausgerichtet sind, wie das beschrieben ist, dann bildet sich ein Magnetfeld (Magnetfluss). Auf ähnliche Weise wird der Flussweg unterbrochen, wenn die Magnete 282, 284 nicht mehr zum magnetischen Material 274, 276 ausgerichtet sind. In diesem Zustand kann der magnetische Fuß von dem Tisch, auf dem er lagert, abgenommen werden. Es ist jedoch zu beachten, dass selbst in der nicht ausgerichteten Position noch ein gewisser restlicher Magnetfluss vorhanden ist. Dieser geringe magnetische Restfluss in der „Aus"-Stellung ist ein positives Merkmal dieser Erfindung, da ein geringer Betrag an magnetischem Fluss dergestalt wirkt, dass er mit dem Magnet seine Magnet wirkung ausübt und automatisch den Hebel 296 zurück in die „Ein"-Stellung dreht, wenn er wieder auf den Tisch gebracht wird. Es ist zu erkennen, dass, wenn die Magnete sich in Ausrichtung zum magnetischen Material befinden, ein starkes Magnetfeld erzeugt wird und die halbkreisförmigen Elemente 274, 276 magnetisch an die ringförmige Fläche gezogen werden, die sich an ihrer Unterseite bildet, wie das bei 312 in 25 und 33 dargestellt ist.
Die Magnetunterlage 264 der vorliegenden Erfindung liefert eine völlig integrierte und doch abnehmbare Befestigungsvorrichtung, da sie (über Gewinde 268) abnehmbar montiert ist und durch andere Befestigungen, wie beispielsweise Montagevorrichtungen mit Schrauben oder Unterdruck, ersetzt werden kann. Natürlich muss die Magnetunterlage 264, wenn sie einwandfrei eingesetzt werden soll, auf eine magnetisierbare Fläche gesetzt und (über Hebel 296) aktiviert werden, damit sie funktioniert. Für den Fall, dass die Montage auf einer nichtmagnetischen Fläche (z. B. Granit) erfolgen muss, dann sind Zwischenplatten oder andere geeignete Mechanismen zwischen dem magnetischen Fuß und der nichtmagnetischen Fläche zu verwenden.
Während bevorzugte Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, können verschiedenartige Abänderungen und Ersetzungen daran vorgenommen werden, ohne dass vom Schutzumfang der Erfindung abgewichen wird. Diesbezüglich ist das so zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung lediglich für die Belange der Veranschaulichung beschrieben worden ist, was keinerlei Einschränkung bedeutet.

Claims

Tragbare Koordinatenmessvorrichtung KMV (10) zur Messung der Position eines Gegenstandes in einem ausgewählten Volumen, welche umfasst: • einen manuell positionierbaren Gelenkarm (14) mit einander gegenüber liegendem ersten und zweiten Ende, wobei der genannte Arm (14) eine gewisse Anzahl von Gelenkverbindungen aufweist, • eine Messsonde (28), welche am ersten Ende des genannten Gelenkarms (14) angebracht ist, • eine elektronische Schaltung (172), welche die Lagesignale von Aufnehmern in dem genannten Arm (14) aufnimmt und einen digitalen Koordinatenwert, welcher der Lage der Sonde (28) in dem ausgewählten Volumen entspricht, liefert, wobei mindestens eine der genannten Gelenkverbindungen umfasst: • eine drehbare Welle (60), • mindestens ein Lager (50, 52) auf der genannten Welle (60), • ein periodisches Muster (94) einer messbaren Kenngröße, • mindestens einen Lesekopf (92), der sich in einem gewissen Abstand von dem genannten periodischen Muster (94) und mit diesem in Kommunikation befindet, wobei das genannte periodische Muster (94) und der genannte Lesekopf (92) in Bezug zueinander drehbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Gelenkverbindung eine Patrone (44, 44', 44'') umfasst, welche die genannte drehbare Welle (60), das genannte mindestens eine Lager (50, 52), das genannte periodische Muster (94) und den genannten mindestens einen Lesekopf (92) umfasst, und die Patrone (44, 44', 44'') ferner ein Gehäuse (64) umfasst, welches das genannte mindestens eine Lager (50, 52), das genannte periodische Muster (94), den genannten mindestens einen Lesekopf (92) und mindestens ein Teilstück der genannten Welle (60) umgibt, so dass ein diskretes Bauteil festgelegt wird, wobei das genannte Gehäuse (64) ein Paar von Enden aufweist mit einer zwischen ihnen liegenden Außenfläche, wobei die genannte Außenfläche ein strukturelles Element der genannten mindestens einen Gelenkverbindung festlegt, und die Patrone (44, 44', 44'') in eine erste bzw. eine zweite Muffe (51, 120) einer ersten bzw. einer zweiten Muffenverbindung (46, 48) eingesteckt und an diesen Muffenverbindungen (46, 48) fest angebracht ist, so dass ein Kippgelenk oder ein Drehgelenk festgelegt wird, wobei die Welle (60) der Patrone (44, 44', 44'') an der ersten Muffenverbindung (46) fest angebracht ist und das Gehäuse (64) der Patrone (44, 44', 44'') an der zweiten Muffenverbindung (48) fest angebracht ist.
KMV nach Anspruch 1, bei welcher das genannte Gehäuse (64) ein zylinderförmiges Gehäuse ist.
KMV nach Anspruch 1, bei welcher das genannte mindestens eine Lager (50, 52) mindestens ein vorgespanntes Lager umfasst.
KMV nach Anspruch 3, bei welchem das genannte mindestens eine vorgespannte Lager umfasst: ein erstes Lager (50), ein zweites Lager (52), eine innere Abstandshülse (54) zwischen dem genannten ersten und zweiten Lager (50, 52), eine äußere Abstandshülse (56) zwischen dem genannten ersten und zweiten Lager (50, 52), wobei die genannte innere und äußere Abstandshülse (54, 56) unterschiedliche vorbestimmte Längen aufweisen und die genannte innere und äußere Abstandshülse (54, 56) gegen das genannte erste und zweite Lager (50, 52) gedrückt werden, um eine vorbestimmte Vorspannung festzulegen.
KMV nach Anspruch 1, bei welcher das genannte mindestens eine Lager (50, 52) abgedichtet ist.
KMV nach Anspruch 1, welche mindestens zwei Leseköpfe (92) enthält.
KMV nach Anspruch 6, bei welcher sich die genannten zwei Leseköpfe (92) unter einem Winkelabstand von 180 Grad befinden.
KMV nach Anspruch 1, welche mindestens drei Leseköpfe (92) aufweist.
KMV nach Anspruch 8, bei welcher sich die genannten drei Leseköpfe (92) unter einem Winkelabstand von 120 Grad befinden.
KMV nach Anspruch 1, welche mindestens vier Leseköpfe (92) aufweist.
KMV nach Anspruch 10, bei welcher sich die genannten vier Leseköpfe (92) unter einem Winkelabstand von 90 Grad befinden.
KMV nach Anspruch 1, bei welcher das genannte periodische Muster (94) ein optisches Interferenzmuster umfasst und der genannte mindestens eine Lesekopf (92) einen optischen Lesekopf umfasst.
KMV nach Anspruch 12, bei welcher das optische Interferenzmuster auf einer optischen Codierscheibe (94) angeordnet ist.
KMV nach Anspruch 12, bei welcher der genannte Lesekopf (92) die Interferenz zwischen Beugungsgitterordnungen feststellt, um sinusförmige Signale vom genannten Interferenzmuster (94) zu erzeugen, wobei die genannten sinusförmigen Signale elektronisch interpoliert werden, um die Ortsveränderung festzustellen.
KMV nach Anspruch 14, bei welcher jeder genannte mindestens eine Lesekopf (92) einen Laser, einen Kollimator und eine Apertur umfasst, wobei der genannte Laser einen Lichtstrahl aussendet, welcher durch den genannten Kollimator parallel gerichtet wird und danach durch die Apertur dimensioniert wird, wobei das genannte Interferenzmuster ein Gegengitter aufweist, welches Licht in diskrete Ordnungen beugt.
KMV nach Anspruch 15, bei welcher jeder genannte mindestens eine Lesekopf (92) ferner eine Fotoempfängeranordnung umfasst, wobei die genannte Fotoempfängeranordnung vier Kanäle mit nahezu reinem sinusförmigem Ausgang erzeugt, wenn eine Relativbewegung zwischen dem genannten Interferenzmuster (94) und dem genannten Lesekopf (92) erfolgt.
KMV nach Anspruch 1, welche eine gewisse Anzahl von Leseköpfen (92) aufweist, wobei die genannten Leseköpfe (92) Auslöscheffekte hervorrufen, welche gemittelt werden können.
KMV nach Anspruch 1, bei welcher das genannte periodische Muster (94) einer messbaren Kenngröße mindestens ein solches Muster von denjenigen Kenngrößen ist, die aus der Gruppe ausgewählt wird, zu welcher das Reflexionsvermögen, die Opazität, das Magnetfeld, die elektrische Kapazität, die elektrische Induktivität und die Oberflächenrauigkeit gehören.
KMV nach Anspruch 1, welche in der genannten Patrone (44, 44', 44'') eine Gleitringanordnung (82) enthält.
KMV nach Anspruch 19, bei welcher die genannte Welle (60) eine durchführende axiale Öffnung (80) aufweist und bei welcher die genannte Gleitringanordnung (82) in der genannten axialen Öffnung (80) positioniert ist.
KMV nach Anspruch 1, bei welcher die genannte Welle (60) einen Flansch (62) aufweist, der sich von einem ihrer Enden nach außen erstreckt, wobei der genannte Flansch (62) einen Ringspalt (63) festlegt und wobei eines der genannten Enden des genannten Gehäuses (64) in dem genannten Ringspalt (63) aufgenommen wird.
KMV nach Anspruch 21, bei welcher das andere der genannten Enden des genannten Gehäuses (64) ein offenes Ende aufweist und mindestens eine Kappe (106) aufweist, welche das genannte offene Ende abdeckt.
KMV nach Anspruch 1, bei welcher die genannte mindestens eine der genannten Gelenkverbindungen eine unbegrenzte Drehbewegung aufweist.
KMV nach Anspruch 1, bei welcher jede der mindestens zwei der genannten Gelenkverbindungen jeweils mindestens eine Patrone (44, 44', 44'') aufweist, wobei die genannten Patronen aneinander unter vorbestimmten Winkeln zueinander befestigt sind.
KMV nach Anspruch 24, bei welcher die genannten Patronen (44, 44', 44'') unter Verwendung der Muffenverbindungen (46, 48) aneinander befestigt sind, wobei die genannten Muffenverbindungen aufweisen: ein erstes Verlängerungsstück (47), an welchem eine Muffe (51, 120) vorgesehen ist, mindestens ein zweites Verlängerungsstück (49), an welchem eine Muffe (51, 120) vorgesehen ist, wobei das genannte erste und zweite Verlängerungsstück (47, 49) unter einem gewissen Winkel aneinander befestigt sind und die genannten Muffen (51, 120) jeweils dergestalt bemessen und konfiguriert sind, dass jede davon eine Patrone (44, 44', 44'') aufnimmt.
KMV nach Anspruch 25, bei welcher mindestens eine der genannten Patronen (44, 44', 44'') zwischen einem Paar von Muffen (51, 120) eines Paares von auf Abstand befindlichen Muffenverbindungen (46, 48) festgehalten wird.
KMV nach Anspruch 26, bei welcher die festgehaltene Patrone (44, 44', 44'') an jeder Muffe des genannten Paares von Muffen (46, 48) klebend befestigt ist.
KMV nach Anspruch 25, welche in mindestens einer der genannten Muffen (46, 48) Gewinde aufweist.
KMV nach Anspruch 28, welche ein mit Gewinde versehenes Bauteil (136) aufweist, welches sich von mindestens einer der genannten Patronen (44') aus nach außen erstreckt, wobei das genannte, mit Gewinde versehene Bauteil (136) hinsichtlich des Gewindes zum Gewinde (140) in der genannten Muffe (120) passt.
KMV nach Anspruch 25, bei welcher die genannten Patronen (44, 44', 44'') an den genannten Muffenverbindungen (120) klebend angebracht sind.
KMV nach Anspruch 1, welche über dem genannten Gehäuse ein Verlängerungsrohr (134, 148) aufweist.
KMV nach Anspruch 30, bei welcher das genannte Verlängerungsrohr (134, 148) ein faserverstärktes Verbundmaterial umfasst.
KMV nach Anspruch 1, bei welcher mindestens zwei der genannten Gelenkverbindungen untereinander durch Gewinde befestigt sind.
KMV nach Anspruch 1, bei welcher mindestens zwei der genannten Gelenkverbindungen untereinander unter Verwendung von schraubbaren Befestigungsvorrichtungen verbunden sind.
KMV nach Anspruch 34, bei welcher mindestens zwei der genannten Gelenkverbindungen zueinander passende, sich verjüngende Bereiche aufweisen, welche mit den genannten Befestigungsvorrichtungen aneinander befestigt sind.
KMV nach Anspruch 1, bei welcher die genannten Gelenkverbindungen Langgelenke für die Drehbewegung und Kurzgelenke für die Kippbewegung umfassen.
KMV nach Anspruch 31, welche drei Gelenkpaare enthält, wobei jedes Gelenkpaar ein Langgelenk und ein Kurzgelenk umfasst.
KMV nach Anspruch 37, bei welcher das genannte Langgelenk um ungefähr 90 Grad zum genannten Kurzgelenk in jedem Gelenkpaar gedreht ist.
KMV nach Anspruch 38, welche eine siebente Gelenkverbindung in der genannten Messsonde (28) enthält.
KMV nach Anspruch 1, bei welcher die genannten Gelenkverbindungen in den Gelenkkonfigurationen angeordnet sind, die aus der Gruppe ausgewählt sind, zu denen die Konfigurationen 2-2-2, 2-1-2, 2-2-3 und 2-1-3 gehören.
KMV nach Anspruch 1, welche einen elektronischen Identifikations-Chip enthält, der mit der genannten Patrone verbunden ist, um die genannte Patrone eindeutig zu identifizieren.
KMV nach Anspruch 1, bei welcher das genannte periodische Muster (64) mit der genannten Welle (60) drehbar ist und der genannte Lesekopf (92) in Bezug zur genannten Welle (60) stationär ist.
KMV nach Anspruch 42, bei welcher das genannte Muster (94) direkt an der genannten Welle (60) angebracht ist.
KMV nach Anspruch 1, bei welcher der genannte Lesekopf (92) mit der genannten Welle (60) drehbar ist und das genann te Muster (94) in Bezug zur genannten Welle (60) stationär ist.