(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
向かい合っている第１及び第２の端部を有する移動性腕であって、該腕が選択された体積内で移動可能であるような自由度にそれぞれ対応する複数のジョイントを含み、該ジョイントのそれぞれが、位置信号を形成するケース位置変換器手段のための回転する伝達ケースを具備する、移動性腕と、
該移動性腕の該第１端部に取り付けられている支持台と、
該移動性腕の該第２端部に取り付けられているプローブと、及び
該変換器手段からの位置信号を受け、選択された体積内の該プローブの位置に対応するデジタル座標を与える電子回路手段と、
を具備しており、
該伝達ケースが、さらにそこから伸長するシャフトを有するキャリア、該キャリアの該シャフトを受けるための開口を有するケーシング、及び該開口内の該シャフト上のローラ軸受け手段を含み、
該ローラ軸受け手段が、各円錐形状ローラ軸受けが相補的に形づけられた円錐形状レースに接する、向かい合って配置され、間隔をおいて配置されている２個の円錐形状ローラ軸受けを具備する三次元座標測定システム。
【請求項２】
該円錐形状レースが、該ケーシングに不変に固定されている請求項１の測定装置。
【請求項３】
該円錐形状ローラ軸受けを予備加圧する加圧手段を含む請求項１の測定装置。
【請求項４】
該加圧手段が、該ケーシングの該シャフトにねじ込み可能に取り付けられ、それらの間に該円錐形状ローラ軸受けを挟んでいる加圧ナットを具備する請求項３の測定装置。
【請求項５】
該キャリアとケーシング間に機械的補強を与えるために該キャリアと該ケーシング間の境界面に配置されているスラスト軸受け手段を含む請求項１の測定システム。
【請求項６】
該伝達ケースが、該位置変換器を該キャリアに装着するための汎用の装着プレート手段を含む請求項１の測定システム。
【請求項７】
該伝達ケースが、
該位置変換器に取り付けられているカプラー手段と、及び
該変換器を該キャリアの該シャフトに連結する伸長シャフトと、
を含む請求項１の測定システム。
【請求項８】
該回転伝達ケースのそれぞれが、モジュール式互換性の形状を有する請求項１の測定システム。
【請求項９】
該腕が、実質的に一致する熱膨張率を維持するために実質的に同一の材料から構成されている請求項１の測定システム。
【請求項１０】
該材料がアルミニウムを含む請求項９の測定システム。
【請求項１１】
該腕が配線を含み、該配線が該腕と一体である請求項１の測定システム。
【請求項１２】
向かい合っている第１及び第２の端部を有する移動性腕であって、該腕が選択された体積内で移動可能であるような自由度にそれぞれ対応する複数のジョイントを含み、該ジョイントのそれぞれが、位置信号を形成するケース位置変換器手段のための回転する伝達ケースを具備する、移動性腕と、
該移動性腕の該第１端部に取り付けられている支持台と、
該移動性腕の該第２端部に取り付けられているプローブと、及び
該変換器手段からの位置信号を受け、選択された体積内の該プローブの位置に対応するデジタル座標を与える電子回路手段と、
を具備しており、
該伝達ケースが、さらにそこから伸長するシャフトを有するキャリア、該キャリアの該シャフトを受けるための開口を有するケーシング、及び該開口内の該シャフト上のローラ軸受け手段を含み、
該キャリアとケーシング間に機械的補強を与えるために該キャリアと該ケーシング間の境界面に配置されているスラスト軸受け手段をさらに含む三次元座標測定システム。
【請求項１３】
該スラスト軸受けが、
（１）スラスト調整リング手段と、
（２）該スラスト調整リング手段に隣接する第１の環状レース手段と、
（３）第２の環状レース手段と、
（４）該第１及び第２の環状レース手段の間に挟まれるローラ軸受け手段と、
（５）該第２の環状レース手段に隣接するスラストカバー手段と、及び
（６）ユニット部品（１）、（２）、（３）、（４）及び（５）として固定するための保持手段と、
を具備する請求項１２の測定装置。
【請求項１４】
該スラスト軸受け手段を調整するための手段を含む請求項１２の測定システム。
【請求項１５】
向かい合っている第１及び第２の端部を有する移動性腕であって、該腕が選択された体積内で移動可能であるような自由度にそれぞれ対応する複数のジョイントを含み、該ジョイントのそれぞれが、位置信号を形成するケース位置変換器手段のための回転する伝達ケースを具備する、移動性腕と、
該移動性腕の該第１端部に取り付けられている支持台と、
該移動性腕の該第２端部に取り付けられているプローブと、及び
該変換器手段からの位置信号を受け、選択された体積内の該プローブの位置に対応するデジタル座標を与える電子回路手段と、
を具備しており、
該腕を支持する台と、該システムを校正する校正手段と、該校正手段は該台上の球形の台と相互に作用し、そして向かい合っている第１及び第２の端部を有するバーと、該バーの第１の端部上の円錐形のくぼみと、及び該バーの第２の端部上の第１の球形のボールと、該第２の端部に隣接する該バーに取り付けられている台から横に伸長する第２のボールとをさらに含む三次元座標測定システム。
【請求項１６】
向かい合っている第１及び第２の端部を有する移動性腕であって、該腕が選択された体積内で移動可能であるような自由度にそれぞれ対応する複数のジョイントを含み、該ジョイントのそれぞれが、位置信号を形成するケース位置変換器手段のための回転する伝達ケースを具備する、移動性腕と、
該移動性腕の該第１端部に取り付けられている支持台と、
該移動性腕の該第２端部に取り付けられているプローブと、及び
該変換器手段からの位置信号を受け、選択された体積内の該プローブの位置に対応するデジタル座標を与える電子回路手段と、
を具備しており、
該腕を支持する台と、該システムを校正する校正手段と、該校正手段は該台上の球形の台と相互に作用し、そして向かい合っている第１及び第２の端部を有するバーと、該バーの第１の端部上の円錐形のくぼみと、及び該バーの第２の端部上の第１の球形のボールとをさらに含み、該バーに折れ曲がり部分を含む三次元座標測定システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般的には三次元座標測定機械（即ちＣＭＭ）に関する。さらに詳細に説明すると、本発明は、携帯でき、かつ改良された精度及び使用の容易さを与える新規かつ改良された三次元ＣＭＭに関する。
【０００２】
【従来の技術】
物理の世界では全てが体積又は空間を占めることが理解されよう。空間における位置は、工学の用語ではしばしばＸ，Ｙ，Ｚ座標と呼ばれる長さ、幅及び高さによって規定され得る。Ｘ，Ｙ，Ｚの数は、長さ、幅、及び高さの次元、即ち三次元を表している。三次元の物体は位置及び方位によって記述される。即ち、物体がどこに存在するかだけでなく、どの方向を指しているかである。物体の空間における方位は物体上の３個の点の位置によって規定することができる。方位も物体の空間における整列の角度によって記述される。Ｘ，Ｙ，及びＺ座標は３個の直線定規によって最も簡単に測定される。言い換えれば、空間の長さ、幅及び高さに沿って定規をおけば、空間における点の位置を計ることができる。
【０００３】
現在、座標測定機械、即ちＣＭＭは、３個の直線定規を使って空間における物体を計っている。これらの装置は、通常非携帯用、高価であり、かつ容易に計測され得る大きさ、即ち体積において制限される。
【０００４】
Ｆｒｏｒｉｄａ、Ｌａｋｅ  ＭａｒｙのＦＡＲＯ  ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＩｎｃ．（本発明の譲受人）は、医療用の一連の電気角度計型座標読み取り装置の製造に成功してきた。特に、ＦＡＲＯ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｉｎｃ．はＭＥＴＲＥＣＯＭ（登録商標）として知られている骨格分析用システム及びＳＵＲＧＩＣＯＭTHとして知られている外科的応用に使用するシステムを製造してきた。ＭＥＴＲＥＣＯＭ及びＳＵＲＧＩＣＯＭに組み込まれている電気角度計型装置の種類は、米国特許第４，６７０，８５１号及び米国特許出願５９３，４６９（１９９０年１０月２日出願）及び同５６２，２１３（１９９０年７月３１日出願）（これらは本件譲受人に譲渡され、本明細書に参考文献で包含されている。）に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＥＴＲＥＣＯＭ及びＳＵＲＧＩＣＯＭ電気角度計型座標読み取りシステムは、その意図する目的には良く適合しているが、部品及び組立体の三次元測定がしばしば要求される一般の工業的応用には良く適合していない。そこで、工業的及び関連する応用のための改良された、正確で低価格のＣＭＭの需要が引き続いて存在する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上に論じた及び先行技術の他の問題及び欠陥は、本発明の三次元計測手段（例えば、電気角度計）によって克服されあるいは軽減される。本発明の新規な携帯用の座標測定機械は、体積を正確に、容易に測定するための多接合された（好ましくは６接合）手動で配置可能な測定腕を具備する。この機械は、好適な実施例では、直径６乃至８フィートの範囲の球（この範囲以上あるいは以下の半径も包含する）及び２シグマ＋／−０．００５インチ（最適には２シグマ＋／−０．００１インチ）の測定精度を具備する。測定腕に加えて、本発明は、腕とホストコンピュータの間の電気的インターフェースとして働くコントローラ（即ちシリアルボックス（ｓｅｒｉａｌ  ｂｏｘ））を採用する。
【０００７】
本発明のＣＭＭに使用される機械的測定腕は、通常複数の伝達ケース（各伝達ケースはジョイントを含み、かつ１個の回転自由度規定する）と伸長部材を具備している。該伸長部材は、好ましくは５又は６個の自由度を有する移動性腕を画定するため直角に配置されている隣接の伝達ケースで互いに結びつけられている。各伝達ケースは測定変換器及び新規な軸受け配列を含んでいる。これらの新規な軸受け配列は、反対に配置された円錐状ローラ軸受けから形成されたプレストレス軸受け及び高い曲げ補強のための低い縦断面構造の補強スラスト軸受けを含む。さらに、各伝達ケースは、機械的ストレスによる機械的過荷重に対して保護するために、目に見え、可聴の末端停止指示器を含んでいる。
【０００８】
移動性腕は、（１）温度安定性をモニターするための温度モニター板；（２）万能エンコーダ選択のためのエンコーダ装着板；（３）ユニットの混ぜ合わせを避けるようにするために校正及び確認データを含むＥＥＰＲＯＭ回路板；及び（４）コントローラの遠隔計数板に対して高増幅信号の送信用エンコーダ装着板に近接して装着されたプレアンプを含む台あるいは支柱に取り付られている。
【０００９】
先行技術のＭＥＴＲＥＣＯＭシステムにおけるように、伝達ケースはモジュール可変組立体構造であり、全可動腕組立体は一定の熱膨張係数（ＣＴＥ）を確保するための一つの材料から組立てられている。ＭＥＴＲＥＣＯＭシステムにおけると同様に、転回停止を有する内部電線経路及び電線巻きとり空洞は多量の電線の完全な封入を許容する。また先行技術のＭＥＴＲＥＣＯＭシステムと一致して本発明は、使用者を楽にするためにばねで釣り合わせ、かつ衝撃吸収した支持機構及び手動操作で高精度測定を可能とするための２個のスイッチデータ（ｔａｋｅ／ａｃｃｅｐｔ）入力装置を含む。また、先行技術のＭＥＴＲＥＣＯＭシステムにおいて使用されるこの型の一般化されたオプションが三次元における変数の測定のために設けられる（例えば、温度はオプションポートに取り付けられた熱電対を用いて三次元で測定される。
【００１０】
個々のマイクロプロセッサを基礎とする調節箱の使用は、ホスト水準の処理を必要とすることなく特定の計算の前処理を許容するので、本発明の重要な特徴である。これは情報プリプロセッサを、プログラマブル適合性及び種々の外部ホスト（例えば、外部コンピュータ）との両立性を与える調節箱に装着することによって達成される。シリアルボックスも、また、ホストからの伝達要求を感知することによって情報のマルチプロトコル算定及びオートスィッチを提供する。例えば、一人の製造者からのホストコンピュータ実行ソフトウエアは、調節箱により自動的に検知された一形式の呼出要求を生み出すであろう。さらに、コントローラの他の特徴は、高度に精密な測定の結果として、種々の工業環境における標準化された長距離伝達のためのシリアルポート伝達及び各エンコーダ（伝達ケースに配置されている）の同時捕捉のための新規なアナログーデジタル／デジタル計算板を含む。
【００１１】
本発明のＣＭＭの効果的なオンーサイト（ｏｎ−ｓｉｔｅ）校正は、システムの精度評価に対して潜在的な取付けの複雑化を取り除くためにＣＭＭの台に配置されている基準ボール（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｂａｌｌ）の使用によって改良される。さらに、本発明のＣＭＭは、好ましくは新規な円錐形ボールバー装置を使用する中間の基盤上に体積測定の精密測定プロトコルを実行するための手段を含む。
【００１２】
本発明の上述した、及び他の特徴並びに効果は下記の詳細な説明と図面から当業者によって認識され理解されよう。
【００１３】
【実施例】
第１に図１を参照すると、本発明の三次元測定システムは、通常、手動で動かされる多接合腕１２及び支持台あるいは支柱１４から構成される座標測定機械（ＣＭＭ）１０、コントローラ、即ちシリアルボックス１６、及びホストコンピュータ１８を具備している。ＣＭＭ１０は、ホストコンピュータと電気的に通じているシリアルボックス１６と電気的に通じていることが理解されよう。
【００１４】
下記にさらに詳細に論じるように、ＣＭＭ１０は、回転位置データを集めて、個の基本データをシリアルボックス１６に転送する変換器（例、各自由度の為の変換器）を含む。シリアルボックス１６は、ある複雑な計算を処理するためにホストコンピュータ１８の包括的な要求にリダクション（ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）とある基礎的なデータ操作を与える。図２に示すように、シリアルボックス１６は、ホストコンピュータ１８（図２に示すノートブックコンピュータのような）の下に配置されるようになっており、そして、データ処理ソフトウエア、マイクロコンピュータプロセッサ、シグナルプロセッシングボード、及び多数の指示ライト２０があるＥＥＰＲＯＭＳを含んでいる。上述のように、基礎変換データはＣＭＭ１０からシリアルボックス１６へ送られる。シリアルボックスは次いでオンゴーイングベース（ｏｎｇｏｉｎｇ  ｂａｓｅｓ）上の生の変換器データを処理し、所望の三次元の位置又は配置情報を有するホストコンピュータの諸質問に応答する。
【００１５】
好ましくは、本発明の三次元測定システムを規定する全ての３要素（例、ＣＭＭ１０，シリアルボックス１６及びホストコンピュータ１８）は、堅い板を用いる固定した設置表面及び／又は図３に２２で示すような既知の標準的セオドライト移動性スタンド上に装着することによってねじ付けした標準的光学機器の何れかに装着される。好ましくは、セオドライトスタンド２２はＢｒｕｎｓｏｎによって製造された部品ｎｏ．ＭＷＳ７５０を具備している。このような移動性スタンドは伸長できる垂直塔及び通常の付属物を有する安定な回転台及び固定機構で特徴づけられる。図２及び３に示すように、ＣＭＭの支持台１４は、スタンド２２の垂直な支持部材２４上にねじ切りその他の方法で取り付けられており、シリアルボックス１６／ホスト１８は、第１のジョイント２８で第２のジョイント３２に旋回可能に接続されている腕３０に、旋回可能に接続されているたな２６の上に支持されている。接続部材３４は、部材２４のてっぺんに装着されたキャップ３８に取り付けられたスイベル接続３６に、ジョイント３２を相互接続する。さて図１及び４−９を参照して、ＣＭＭ１０を詳細に説明する。図５に最良に示すように、ＣＭＭ１０は、第２の伝達ケース４２（ケース４０を横断して配置されている）に接続されている第１の伝達ケース４０を含む２個の伝達ケースの第１の組に接続されている台１４を具備している。第１の伸長部材４４は、第４の伝達ケース４８に横断的に取り付られている第３の伝達ケース４６を含む２個の伝達ケースの第２の組に不動に取り付けられている。第１の伸長部材４４は伝達ケース４２と４６の間に直角的に配置されている。第２の伸長部材５０は伝達ケース４８と一直線に、かつ不動に取り付けられている。固定の伸長部材５０は、第６の伝達ケース５４に横断的に取り付られている第５の伝達ケース５２を含む２個の伝達ケースの第３の組に不動に取り付けられている。第６の伝達ケース５４はそれに取り付けられたハンドル／プローブ組立体５６を有する。
【００１６】
一般的に（そして下記により詳細に論じられるように）、位置感知変換器は６個の伝達ケース４０、４２、４６、４８、５２、及び５４のそれぞれに装着されている。各ケースは４５度の角度をなす取り付けねじ（図６Ａ）を用いて互いに円筒形状に取り付けるために作られている軸受け台及び変換器コンパートメント（ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ）を具備している。台１４には、腕１２を標準的垂直配置に支持するためのカウンターバランスばね装置６０がある（図８）。
【００１７】
さて図６Ａ及び７を参照して、伝達ケース及びその内部要素について詳細な説明をする。図６Ａは伝達ケースの拡大図であり、図７は横断的に配置され、取り付けられた伝達ケース（例、ケース４６及び４８）の拡大図を示す。各ケースは内部キャリア６２及び外部ケーシング６４を含んでいる。内部キャリア６２及び外部ケーシング６４間の機械的安定性は、２個の逆位置（対抗的に配置された）にある円錐形状ローラ軸受け６６、６８であって、それぞれの円錐形状レース７０、７２に対して押し付けるために配置された該軸受けによって与えられる。円錐形状レース７０、７２は外部伝達ケース６４の中に恒久的に固定されている。キャリアは底から延伸し、ねじ山（ｔｈｒｅａｄｉｎｇ）７４に終わるシャフト１２２を含む。円錐形状軸受け６６、６８は好ましくは焼き入れ鉄鋼から形成され、レース７０、７２も焼き入れ鉄鋼から形成されている。
【００１８】
伝達ケース４８の組立の間に、圧縮力がナット７３を使って与えられる。ナット７３はねじ切り７４上で特定のトルクまで締め付けられ、通常付与される負荷のもとで軸方向回転以外の如何なる動きをも生じないプレストレス軸受け位置を与える。手動操作及び付随する全体的な剛性の減少の期間そのような腕のため標準以下の断面の必要性の故に、キャリア６２及びケーシング６４間の境界に、スラスト軸受け７６をさらに取り付けることは好ましく、事実ある応用に要求される。スラスト軸受け７６は伝達ケースのキャリア６２及びケーシング６４間に機械的剛性をさらに与える。スラスト軸受け７６は、スラスト調整リング３００、平らな環状レース３０２、ローラ軸受け及びケージ３０４、環状レース３０６及び対抗するスラストカバー３０８を包含する５個の要素を具備している。スラスト軸受け７６は一組の調節ねじ７８によって調節されて高い曲げ剛性を与える。変換器は、（好ましくは、名称Ｍｉｎｉ−ＲｏｄでＨｅｉｄｅｎｈａｉｎから提供されるようなエンコーダ８０、部品ｎｏ．４５０Ｍ−０３６００）、伝達ケーシング内に装着するために汎用の装着板８２に装着される。変換器８０の製造における変化及び、したがって、ねじ構造を装着する際の変化が装着板８２における修正によって適合され得るような、可能な要素の有用性問題を満たすのに、汎用の装着板８２は重要である。装着板８２は、丸い角を有する三角形状の板として、図６Ｂに示されている。図６Ｂは、またねじ山付き付き部材８８及び９０、ピン８６及びカプラー８４を示している（これらの全ては下記に説明する）。
【００１９】
エンコーダー８０を用いる高精密回転測定器は、エンコーダーに付与される負荷があるべきでないこと、及び伝達ケーシングの動きが、伝達ケーシングの軸とエンコーダの軸のわずかな誤整列にもかかわりなくエンコーダに正確に伝達されることを要求する。角移転誤差は刊行されたエンコーダの文献から当業者に良く知られている。エンコーダ８０との連絡は、名称Ｂ１００４Ｒ５１Ｒでレンブラント（Ｒｅｍｂｒａｎｄｔ）から入手されるようなカプラー８４である。伸長心棒８６はエンコーダ８０を伝達ケーシング６４に最終的に接続するのに利用されている。心棒８６は、セットねじ８８、９０（図７参照）を用いてねじ山７４でカプラー８４とキャリア６２の端部の両者に取付られている。本発明の重要な特徴によると、電子プレアンプ板９２がエンコーダ８０に近接して配置されており、キャップカバー９６の内側に（ねじ９４を介して）装着される。キャップカバー９６はねじ９７を介してケーシング６４に取付られている。伝達ケース９８は、ねじ９７及び１００を介してキャップカバー９６をケーシング６４に相互接続している。伝達ケースの環境に対する封止は、標準のゴム製Ｏリング１０４が装着されるＯリング溝１０２を用いるジョイントで果たされている。回転終止端１０６（下記に説明される）は、図６Ｃに最良に示されており、ケース６４の穴を通じてねじ止めされるボルト１０８を用いてケース６４に装着される穴を有する正方形の金属ケースからなる。長期間の使用にわたる摩耗を防止するためワイアを通すグラメット（ｇｒｏｍｍｅｔｓ）が、キャリア６２及びケーシング６４の両者に１１０及び１１２で装着されている。位置ピン１１４は、キャリア６２の補足的形状のくぼみ１１６によって２個の隣接した伝達ケーシングの相対的配置を維持する目的のために受容される。
【００２０】
図７を参照して、環境上の及び他の理由のために、全てのワイアが視野から完全に隠されること、したがって、腕１２の内部に収容されることが重要である。図７は、相互に直角に装着された２個の組立られた伝達ケース４６、４８を示し、かつワイアの通路を明示している。ＣＭＭ１０の使用の間、エンコーダ８０からのエンコーダ情報は、ワイア１１８によってエンコーダのプロセッサボード９２に流れる。情報は次いで機械加工された通路１２０によって増幅され、腕を通過することが理解されよう。ワイア１１８は次いで、伝達ケーシング４６の内部キャリア６２の軸１２２の中の通路１２０を通過し、グラメットホール１２４を通過する。その時点で、ワイアは、ケース４６の外部ケーシング上に機械加工された大きい空洞１２６の中に延びる。空洞１２６は、伝達ケーシング回転の間ワイアストランドのコイリング（ｃｏｉｌｉｎｇ）を可能にし、かつ如何なるワイアの摩耗も最小限のワイアの曲がりも生じさせないように形作られている。しかしながら、ワイアは完全に回転する総合能力を制限するので、完全回転、この場合３３０゜、を制限する終止端ねじ１３０を配置している不完全な球形の溝１２８が作られている。露出したワイアがない結果として、ワイアが、台１４に装着されたコネクタの方へ継続的に進むことを可能にする各伝達ケーシング中で、通路１２０及びワイアのコイリング空洞１２の通過が連続して繰り返されることが理解されよう。
【００２１】
図８を参照すると、種々の軸受け及び変換器と同様に、アルミニウムの腕の構造物はＣＭＭ１０のプローブハンドル組立体５６でほぼ１０乃至１５ポンドの累積重量となる。通常の状況下で、これは使用の間かなりの量の疲労を引き起こし、したがって、釣り合わせられるべきである。運搬性を考慮するとき、重量の釣り合わせは装置の全体の重量をかなり増加するので好ましくない。したがって、好ましい実施例では、釣り合わせは、プラスチックケーシング１４２に収容され、かつ腕１２のためのリフトを提供するための台１４で伝達ケース４２に装着されたトーションばね１３２を具備する釣り合わせ装置６０を用いて行われる。トーションコイルばね１３２は全体的なプレテンションを与える種々の場所に装着することができ、したがって、種々の長さ及び重量の腕１２について使用されることができる。同様に、腕１２の重量及び跳ね返ったばねの影響により、腕を保管位置に戻すときかなりの衝撃負荷が発生するであろう。引き込みによる腕のかなりの衝撃を避けるために、空気ピストン衝撃吸収体１３４がさらに釣り合わせばね装置６０のプラスチックケース１４２内に配置されている。これは衝撃負荷の吸収と静止位置でのゆっくりとした弛緩の結果に終わる。図８は押し下げられた配置における衝撃吸収体１３４を示し、一方図１６−１８は完全に伸長した位置における衝撃吸収体１３４を示すことが理解されよう。
【００２２】
図９Ａ及び図９Ｂに、プローブハンドル組立体５６の上面及び底面図が示されている。プローブハンドル組立体５６は、ペンシル又はピストルグリップのいずれかとして保たれるようになっており、データ採取用の２個のスイッチ（図９Ａの品目１５０及び１５２）、任意の電子部品の付属品用の接続具（図９Ｂの品目１５４）及び種々のプローブを受けるためのねじ山つき取付台１５６を持っている。ＣＭＭ１９は手動の測定装置であるので、使用者は検尺をし、次いでその検尺が受け入れられるか否かをＣＭＭ１０に確認することが出来なければならない。
【００２３】
これは２個のスイッチ１５０、１５２の使用によって達成される。前方のスイッチ１５０は三次元データ情報を捕捉するのに、後方スイッチ１５２はその受け入れを確認してホストコンピュータ１８に伝達するのに用いられる。スイッチケース５８（ケース１５０、１５２）の背後に、レーザ走査装置又はタッチプローブのようないくつかの選択物への通常の付属物のための、いくつかの電圧ライン及びアナログーデジタルライン変換器ラインを有する接続具１５４がある。
【００２４】
種々のプローブはハンドル組立体５６にねじ込まれることができる。図１０Ａに、硬質の半径１／４インチのボールプローブ１５８が示されており、図１０Ｂにはポイントプローブ１６０が示されている。両プローブ１５８、１６０は、プローブケース５８にねじ込まれるように装着されている取付台１５６（雄ねじ山付き部材を使用して）にねじ込まれるように装着される。さらに、取付台１５６は、レンチを使用してプローブの係合及び解放を助長するために複数の平面１５９を含んでいる。
【００２５】
図１１及び１２を参照して、コントローラ、即ちシリアルボックス１６の説明を続ける。図１１はコントローラ、即ちシリアルボックス１６の前面パネル表面１６２を示す。前面パネル１６２は、パワー指示ライト１６４、エラーコンディションライト１６６、及び６個のライト２０、各伝達ケース内にある６個の変換器（部品１−６として区別される）のそれぞれに対して１個のライト、を含む８個のライトを有している。出力アップすると、パワーライト１６４は腕１２への出力を示す。そのとき、全ての６個の変換器ライトは各６個の変換器の状態を示すであろう。本発明の好適な実施例において、変換器は増分デジタル光学エンコーダ８０であり、参照することを必要とする。（より少ない好適な実施例において、変換器はアナログ装置であって良い）。したがって、始動すると、各６個のジョイント（例えば、伝達ケース）は、６個のランプが消える時点で、基準位置を見出すために回転されなければならない。
【００２６】
本発明の重要な特徴によると、使用期間中、変換器の何れかがその回転終止端１０６を２度以内から近づけると、その特定の変換器に対する光及び聞き取れる信号音が、使用者が終止端に余りに近づいていること、及び腕の配置は現在の測定のために再調整されるべきであることを使用者に表示する。シリアルボックス１６は測定を継続するが、このような終止端の状態が取り除かれるまでデータの捕捉を許容しないであろう。この終止端機能が必要である典型的な場面は、特定の変換器のその終止端限界までの回転により自由度の喪失であり、したがって、腕への力の適用は、測定における測定されない片寄りと誤りを生じる。
【００２７】
測定工程の間いつも、種々の伝達及び計算の誤りが生ずるかもしれない。これらはエラーライトの閃光によって使用者に伝達され、次いで６個の変換器の光の組み合わせが、符号によって特定の誤り状態を示す。前面パネル１６２は、英数字の誤りを与える英数字のＬＣＤパネルと終止端の警告を交互に利用し得ることが理解されよう。
【００２８】
図１２を参照すると、シリアルボックス１６の後方パネル１６８は、種々の標準ＰＣコネクターとマイクロプロセッサーをリセットするリセットボタン１７０を含むスイッチ；空気還流のためのＡＣインプットファン１７２；標準的ＰＣＡＴキーボード用のコネクタ１７４；シリアルボックス１６の内部作動のモニタリングのためための任意のＶＧＡボード用コネクタ１７６；ＣＭＭデータのための種々のシグナルラインを受けるためのコネクタ１７８；及びホスト１８のための標準ＲＳ２３２コネクタ用コネクタ１８０を含む。
【００２９】
シリアルボックス１６は、ＣＭＭの温度をモニターすること、かつ温度の変化による種々の要素の膨張及び収縮を記録する式にしたがってＣＭＭの作動を記録する運動学又は数学を即時に改変することを引き受ける。この目的のために、及び本発明の重要な特徴によって、温度モニターボード１８２（温度変換器を含む）がカバー１８４の内部の第２ジョイント４２の位置に配置されている（図４及び５参照）。ＣＭＭ１０は、好ましくは外面的に飛行機級のアルミニウムから構成されており、かつ陽極酸化されている。好ましくは、ステンレス鋼である装着ねじを除いて、腕１２全体は同じ材料で構成されている。腕１２の膨張及び収縮特性を均一にし、電子的補正をより受けやすくするために同一の材料が全体にわたって使用される。より重要には、幅広い温度範囲で全ての部品の間に必要とされる最大程度の安定性は、部品間に熱膨張差がないことを要求する。既述のように、温度変換器１８２は、好ましくは伝達ケース４２に設けられる。なぜなら、この位置は、最大の嵩の領域を定め、したがって大きな温度のゆらぎの後に安定させられるべき最後の領域であると信じられているからである。
【００３０】
図１３を参照すると、ＣＭＭ１０及びシリアルボックス１６のための全体的概略電子配置が示されている。６個のエンコーダ８０が、信号変換器のノイズを最小にするために各エンコーダに近接して設けられた増幅器板９２と共に示されている。種々のオプションの付属具のための、ハンドル５６で利用可能な６個のピンコネクターであるオプションポート１５４が示されている。シリアルボックス１６に測定工程を指示するための２個のコントロールボタン１５０及び１５２も示されている。
【００３１】
温度変換器は、図１３に示されるように腕１２に同じく設けられている温度回路板１８２と関連づけられている。本発明のさらに他の重要な特徴によれば、温度板１８２はＥＥＰＲＯＭを含んでいる。ＥＥＰＲＯＭは、小さいコンピューター化した記憶装置（電気的に消去可能なプログラムを作ることができるリードオンメモリー）であり、かつ種々の特定の校正及び連続数字データを腕の上に含むために使用される（図１９−２１に関する説明参照）。これは、ＣＭＭ１０の高質の制御を許容し、そしてさらに重要なことには、ソフトウエア及びアームの不注意な混同を防ぐ本発明の非常に重要な特徴である。これはまた、ＣＭＭ腕１２が、単独で修理及び／又は他の機械と交換されなければならない調節箱１６に、特定の校正データが留まることを必要としない単独で置かれている装置であることを意味する。
【００３２】
腕電子部材からの電子及びパルスデータは、１２ビットアナログーデジタルコンバータとマルチチャネル１６ビットデジタルカウンターを含む一組のセットである、結合されたアナログーデジタルコンバータ／デジタル計数ボード１８６に送信される。ボード１８６は調節箱の標準的バス（ｂｕｓｓ）上に配置されている。計数情報は、コアモジュール１８８（Ａｍｐｒｏから入手できる部品番号ＣＭＸ−２８６−Ｑ５１のような商業的に入手可能なＩｎｔｅｌ２８６マイクロプロセッサを含む）と調節箱に同じくあるＥＥＰＲＯＭに蓄積されたプログラムを使用して処理される。得られたデータは次いでシリアルコミュニケーションポート１８９を介して送信される。
【００３３】
マイクロプロセッサを基礎とするシリアルボックス１６は、ホスト水準の処理を必要とせずにＣＭＭ１０に特有の計算の前処理ができる。このようなプリプロセッサ計算の代表例は、座標系変換；単位の変換；中継ジグを使用することによって一方の座表系から他の座標系への蛙飛び（ｌｅａｐ−ｆｒｏｇｇｉｎｇ）；２個のボール（ＡＮＳＩ  Ｂ８９ボールバーのような）間の距離の計算を含む、ある種の検証手続きの実行；及び種々のホスト及びユーザプログラムへダウンローディング（ｄｏｗｎｌｏａｄｉｎｇ）するために必要である特定のフォーマットにおけるデータ出力を含む。
【００３４】
シリアルボックスは、ＰＣ、ＭＳＤＯＳ、Ｗｉｎｄｏｗｓ、Ｕｎｉｘ、Ａｐｐｌｅ、ＶＭＥ等を含む種々のホストフォーマットと連絡するように形成されている。このように、シリアルボックスは、オンゴーイングベース上の生の変換器データを処理し、所望の三次元の位置又は配置情報を有するホストコンピュータの情報要求又はポーリングに応答する。シリアルボックスの言語は、マイクロプロセッサ１８８においてドライバー又はコンピュータコミュニケーションサブルーチン（ｓｕｂｒｏｕｔｉｎｅｓ）が、シリアルポートを駆動し、ＣＭＭ１０と連絡するようにホストコンピュータの言語で書かれるような形態である。この機能は、「インテリジェントマルチープロトコルエミュレーション（ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ  ｍｕｌｔｉ−ｐｒｏｔｏｃｏｌ  ｅｍｕｌａｔｉｏｎ）及びオートスイッチング（ａｕｔｏｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）」機能と呼ばれ、次のように働く：種々のホストプログラムがホストコンピュータに設置されることができる。これらのホストプログラムは、シリアルボックスが応答すべき種々の要求を持つシリアルポートをポーリング（ｐｏｌｌ）するであろう。多くのプロトコルは、種々の異なる平易なソフトウエアのためのシリアルポート上のポーリング又は要求に応答するためにシリアルボックス中にプロプログラムされている。ソフトウエアによるポーリング要求は、特定の応答を必要とする。シリアルボックスは、ポーリング要求を受け、それがどのプロトコルに属するのか確立して、適当な方法で応答する。これは、ＣＭＭ１０と計算機援用設計、及びＧｅｏｍｅｔ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．のＧＥＯＭＥＴ及びＢｒｏｗｎ＆Ｓｈａｒｐｅ、Ｉｎｃ．のＭｉｃｒｏｍｅａｓｕｒｅ  ＩＩＩのような品質管理プログラムと同様に、品質管理ソフトウエア、例、Ａｕｔｏｄｅｓｋ，Ｉｎｃ．のＡｕｔｏＣａｄ，Ｃａｄｋｅｙ，Ｉｎｃ．のＣＡＤＫＥＹ及び他のＣＡＤプログラム、のような幅広い種々の応用ソフトウエアの間の平明な伝達を可能にする。
【００３５】
本発明の三次元ＣＭＭは次のように作動する。パワーアップすると、シリアルボックスのマイクロプロセッサ１８８は、自己チェック手続きを開始し、機器のポートを介してＣＭＭ１０の腕１２に動力を供給する。ＥＥＰＲＯＭ１８２にあるマイクロプロセッサ及びソフトウエアは、初期のパワーアップの際にどのエンコーダ８０も初期化されていないことを規定する。したがって、マイクロプロセッサ１８８は、表示板に、参照する必要を示す全てのライト２０をつけるように信号を送る。そこで使用者は、基準点がパスさせられる時点で、変換器が個々にその範囲をスキャンするようにさせる腕を機械的に動かす。基準点がパスさせられるとき、デジタル計算板１８６は、その位置をトラップし、そして変換器が参照され、ライトが消されることを前面の表示板に確認することによって応答する。一旦全ての変換器が参照されると、システムはホストと連続的な連絡を確立し、次の指示を待つ。ハンドル５６の前面または後面のボタンの押圧は測定工程を開始する。前面のボタン１５０の押圧は現在の変換器の読みをトラップする。後面のボタン１５２の押圧は、これらの値がジメンションの座標に変換され、そしてシリアルポートを介してホスト１８に集められるべきであることをマイクロプロセッサにに表示する。ホスト１８及びシリアルボックス１６は、次いで互いのシリアルライン要求に対して反応を続ける。
【００３６】
さて、ＣＭＭ１０の組立体に続く図１９、２０及び２１を参照すると、組立又は機械加工における測定されたどんな不完全度も説明するためにプログラムソフトウエアを変更することによって装置が最適化され、かつ校正される。初期校正は本発明の重要な特徴であり、２段階で達成される。最初、装置の全体にわたっての位置、配置及び大きさを含む種々の次元の測定が行われる。続いて、最適化ソフトウエアプログラムが、各ジョイント軸に存在する実際の不整列を決定し、腕の動きを描く運動式を調整するために使用される。不完全な機械工作及び組立が、これらの不完全度の確認及び装置の運動学への不完全度の繰り入れによって完全にされる。
【００３７】
図１９及び２０Ａ−Ｅを参照すると、莫大な量のデータ及びそれが正確にかつ容易に得られるという要求のために、校正及び検査ジグが３２０で示されている。ジグ３２０は大きい花崗岩の板３２２から構成されており、水平面で３６０度回転できる２個の間隔をおいて配置された塔３２４、３２６が該板に取り付けられている。ＣＭＭ１０は、塔３２６に装着されており、調節可能なジメンション検査ジグ３２０が他の塔３２４に装着されている。ジグ３２０は、塔３２４を貫く開口３３０内に垂直に移動可能である、伸長可能な垂直腕３２８に装着されている。腕３２８は完全に伸長した位置で示されている。
【００３８】
さらに図１９及び２０を参照すると、調節可能なジメンション検査ジグ３２０は３個の基礎要素から構成されている：一組の精密なボール３３４が見いだされる２４インチの棒３３２、その長さに沿って配置された一連の穴３３６、及び２４インチの精密なステップゲージ３３８（図２０Ａ−Ｅに詳細に示す）。腕３３２は、検査ジグに対する種々な位置で、かつ図２１に示されるような腕の大きさの全ての範囲で、穴、ステップ、及びボールの位置を測定するために使用される。このデータは次いで最適化される。要約すると、重要な最適化工程は、下記に説明され得る。対象物の既定の位置及び配置を有する標準検査ジグ３２０は腕１０で測定される。データは、次いで、腕の主要要素の全ての相対的不整列及び大きさを与えるために作られた多変数最適化プログラムによって処理される。腕の全体の特徴を含む校正ファイルが作られた時点で、最適化は行われる。これら全ての特徴及び引き続く変換器の読みは、絶対座標システムにおけるＸ，Ｙ，及びＺを作り出す種々の運動式に結びつけられる。
【００３９】
さらに動作を再適化するために、新規な基準ボール１９２が、ＣＭＭ１０の台１４に取り付けられた取り外し可能な台１９４から横向きに延びている（図１４及び１５参照）。基準ボールを台１４に配置することによって、ボール１９２は装置のＸ，Ｙ，及びＺ軸に対応する絶対原点（０、０、０）を表す。基準ボール１９２の位置は知られているので、図１５に示すように、チップの位置決めは、本発明が、ＣＭＭ１０の最後のリンクとの関連でディジタイザチップ（ｄｉｇｉｔｉｚｅｒ  ｔｉｐ）１５８の座標を決定することを可能にする。この位置を知ることは、引き続く測定を行うときに、ＣＭＭ１０がボールの中心位置を決定することを可能にする。一般的意味で、これは、特別の応用にしたがって、種々の異なるプローブが取り付けられ得ること及びそれぞれのプローブが基準ボールに対して校正され得ることを意味する。
【００４０】
本発明の運搬可能性の故に、種々の環境で無視できない取扱いの誤りや再配置を受けるであろう。したがって、本発明はプロトコルを含んでおり、これによって、使用者は、装置を使用するに先立って、便利な保守スケジュールにしたがって体積測定の精密度の程度を確立する事ができる。体積測定の精密度は、種々の配置におけるその作動体積内に配置されている固定した長さを計測するために、装置の能力として、ＡＳＭＥ  ＡＮＳＩ  Ｂ８９１．１．１２（１９８９）標準にしたがって決定される。図１６は、本発明が、第１のボールバーアプローチを使用してこれをなす可能性を示しており、他方図１７及び１８は第２のボールバーアプローチを表している。
【００４１】
図１６は、その各端部に精密な球状のボール１９８、２００が配置されている標準のボールバーを示している。該ボールはそれぞれ２個の磁石ソケット２０２及び２０４内に装着されている。ソケット２０２は、ＣＭＭ１０の台１４に設置されており、ソケット２０４はプローブハンドル５６に設置されている。腕１２が動き回るにつれて、ソケット２０２、２０４及びボール１９８、２００はこの動きに適応するために回転し、ＣＭＭ１０は、ハンドル５６のボール２００及びソケット２０４の中心と台のボール１９８の中心との間の一定の距離を測定することを要求される。当然、台１４のソケット２０２がＣＭＭ１０の０、０、０座標を表していることを思い出せば、調節箱１６の校正ソフトウエアは、０、０、０からプローブのボールの中心までのベクトル長さを計算する。そして当然に、検査期間中不変であるこの長さは、ハンドル及び他のジョイントの多種多様の配置及び回転を介して全体積にわたって終始測定されるべきである。
【００４２】
ハンドル上の特定のプローブの精度を確かめることを求めるときに、ハンドルのソケット２０４は、不便で、かつ効果がない傾向があるかも知れないことが理解されされよう。したがって、本発明の重要な特徴によれば、図１７に２０６で示されるような新規なコーン（ｃｏｎｅ）ソケットボールバーが使用される。コーンソケットボールバー２０６は、一方の端部にコーン２０８を他の端部に２個のボール２１０、２１２を含んでいる。コーンとボールは、好ましくは２０度を含む角度αの折れ曲がり部分２０９を有するバー２０７によって相互連結されている。ボール２１２は、バー２０７から横に伸長している台２１１に取り付けられている。ボールプローブ１５８又はポイントプローブ１６０は、コーンソケット２０８に配置されており、ボール２１０は、ＣＭＭ１０の台１４の標準の磁石ソケット２０２に装着されることができる。図１６の校正方法におけるように、ボールとバーの多くの位置及びジョイントの位置は測定され、そしてコーンソケット２０８とボール２１０間の距離は一定のままであるべきである。使用者が機械の遠い方の側（部品２１４で示される位置）に届くことはできないであろうことはボールソケット２０２の位置取りの特質である。この目的のために、ボール２１２が図１８に示されるように使用される。これは、ボール２１２の中心とコーンソケット２０８の間の距離を測定するためにＣＭＭ１０の反対側の遠い方の側に届くように、使用者がコーンボールバー２０６を配置することを可能にする。
【００４３】
好適な実施例を示し、説明してきたが、発明の精神及び範囲を離れることなく、種々の変更及び置き換えがなされて良い。したがって、本発明は、例示であり制限でない方法で説明されてきたことを理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】座標測定機械、調節箱、及びホストコンピュータを含む本発明の三次元測定システムを表す前面概略図である。
【図２】位置を変え得る腕の上に装着されたシリアルボックスの上に装着されたホストコンピュータを表す側立面図である。
【図３】セオドライト台上に装着された本発明の三次元測定システムの側立面図である。
【図４】図１に示したＣＭＭの背面立面図である。
【図５】図１のＣＭＭの部分的に断面の縦断面図である
【図６Ａ】図１のＣＭＭに用いられた伝達ケースの展開した立面図である。
【図６Ｂ】図６Ａの６Ｂ−６Ｂ線に沿った図である。
【図６Ｃ】図６Ａの６Ｃ−６Ｃ線に沿った図である。
【図７】二つの組立られた横に並んで配置された伝達ケースの断面の立面図である。
【図８】図１のＣＭＭに用いられたカウンターバランスばね装置の拡大した側立面図である。
【図９Ａ】図１のハンドル／プローブ組立体を表す上面図である。
【図９Ｂ】図１のハンドル／プローブ組立体を表す下面図である。
【図１０Ａ】ボールプローブの側立面図である。
【図１０Ｂ】ポイントプローブの側立面図である。
【図１１】図１の調節箱の拡大した全面図である。
【図１２】図１の調節箱の拡大した背面図である。
【図１３】図１の三次元測定システムのための電子要素である。
【図１４】プローブチップ校正システムを表す図１のＣＭＭの側立面図である。
【図１５】プローブチップを校正する方法を示す概略的な上面図である。
【図１６】ボールバーで校正される図１のＣＭＭ側立面図である。
【図１７】新規なコーンボールバー装置で校正される図１のＣＭＭの側立面図である。
【図１８】新規なコーンボールバー装置で校正される図１のＣＭＭの側立面図である。
【図１９】最適化治具を用いる図１のＣＭＭを最適化する方法を表す側立面図である。
【図２０Ａ】図１９の治具に用いられる精密なステップゲージの前面図である。
【図２０Ｂ】図１９の治具に用いられる精密なステップゲージの背面図である。
【図２０Ｃ】図１９の治具に用いられる精密なステップゲージの上面図である。
【図２０Ｄ】図１９の治具に用いられる精密なステップゲージの右側面図である。
【図２０Ｅ】図１９の治具に用いられる精密なステップゲージの左側面図である。
【図２１】図１９の装置を利用する図１のＣＭＭを最適化する方法を示す概略図である。
【符号の説明】
１０  三次元座標測定機械（ＣＭＭ）
１２  多接合腕
１４  支持台
１６  コントローラ（シリアルボックス）
１８  ホストコンピュータ
４０、４２、４６、４８、５２、５４  伝達ケース
４４、５０  伸長部材
５６  プローブハンドル組立体
６０  カウンターバランスばね装置
６２  キャリア
６４  ケーシング
６６、６８  ローラ軸受け
７０、７２  レース
７６  スラスト軸受け
８０  エンコーダ
８４  カプラー
１５８  ボールプローブ
１６０  ポイントプローブ
１９２  レファレンスボール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２０Ｄ】
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【図２０Ｅ】
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【図２１】
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