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Die
Erfindung betrifft ein Koordinatenmessgerät mit einer Sensorik,
auf die manuell Kräfte ausgeübt werden können,
wobei die Sensorik aber durch einen oder mehrere Motoren angetrieben
bewegt wird. Für die Bedienperson erscheint es daher so,
als ob sie die Sensorik bewegt. Die Betätigung kann daher
auch als Führung der Bewegung bezeichnet werden.
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Insbesondere
kann das manuelle Betätigen der Sensorik dazu dienen, Bewegungen
und/oder Positionen der Sensorik für eine spätere
automatische Messung von Messobjekten mit dem Koordinatenmessgerät
festzulegen (z. B. werden Fahrwege programmiert). Alternativ oder
zusätzlich kann das manuelle Betätigen der Sensorik
dazu dienen, ein Messobjekt sofort zu vermessen, d. h. der Benutzer führt
die Sensorik zu einer oder mehreren Positionen, in der bzw. in denen
das Messobjekt vermessen wird.
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Die
Sensorik weist einen Taster auf, der das Messobjekt mechanisch antastet.
Dabei kann der Taster z. B. ein Taststift eines Tastkopfes sein
und an seinem einen Ende einen Formkörper tragen (meist eine
Tastkugel), der das Messobjekt mechanisch antastet. Der Tastkopf
ist z. B. vom schaltenden Typ. Bevorzugt ist der Tastkopf jedoch
vom messenden Typ, d. h. insbesondere eine durch das Antasten bewirkte
Auslenkung des Tasters gegen ein nicht auslenkbares Teil des Tastkopfes
wird gemessen.
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Koordinatenmessgeräte
der eingangs genannten Art sind z. B. aus der
DE 296 07 383 U1 bekannt.
Die Koordinatenmessgeräte sind z. B. wie folgt konstruiert
und werden z. B. wie folgt betrieben: Das Gerät weist eine
CNC (Computer Numerical Control)-Steuerung der eigenen motorischen
Antriebe auf. Die Sensorik des Geräts wird von einer Bedienperson
ergriffen und auf einer Bewegungsbahn bewegt bzw. in eine gewünschte
Position gebracht. Dabei ist der Tastkopf vom messenden Typ und
die gemessenen Auslenkungen des Taststiftes werden von der Motorsteuerung
des Geräts als Steuersignale für eine von den
Motoren erzeugte Bewegung in der Art einer Nachlaufsteuerung genutzt.
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Auf
diese Weise können Bewegungsbahnen und Positionen der Sensorik
von der Bedienperson festgelegt werden. Die Auslenkung des Taststiftes wird
jedoch unmittelbar von der Bedienperson erzeugt, die den Taststift
oder ein unbeweglich mit dem Taststift verbundenes Teil in der Hand
hält. Stößt der Taststift (z. B. mit
seiner Tastkugel) an einen zu vermessenen Gegenstand an, führt
die Nachlaufsteuerung dazu, dass die Auslenkung des Taststiftes
auf Null reduziert wird. Eine Antastkraft oder eine Auslenkung kann
die Bedienperson dem Koordinatenmessgerät daher nur auf
andere Weise vorgeben, z. B. durch Eingeben eines Wertes über
eine Tastatur eines entsprechenden Programmier-Arbeitsplatzes. Nachteilig
hierbei ist allerdings der zusätzliche Aufwand für
den Programmier-Arbeitsplatz.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Koordinatenmessgerät
der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem eine Bedienperson manuell
nicht nur Positionen und Bewegungsbahnen der Sensorik vorgeben kann,
sondern auch Auslenkungen eines Tasters gegenüber einem
fest mit Koordinatenmessgerät verbundenen Teil eines Tastkopfes
und/oder Antastkräfte. Außerdem soll ein entsprechendes
Verfahren zum Betreiben eines Koordinatenmessgeräts angegeben
werden.
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Es
wird vorgeschlagen, dass insbesondere im Bereich des Tastkopfes
eine Handhabe vorgesehen ist (dies schließt z. B. auch
eine Anbringung der Handhabe an einem beweglichen Arm eines Koordinatenmessgeräts
ein, an dem der Tastkopf angebracht ist), dass das Koordinatenmessgerät
die von einer Bedienperson auf die Handhabe und damit auf den Tastkopf
ausgeübte Kraft ermittelt und dass der oder die motorischen
Antriebe des Koordinatenmessgeräts zum Bewegen des Tastkopfes
in Abhängigkeit von der ermittelten Kraft angesteuert werden. Dabei
kann die ermittelte Kraft sofort in eine Bewegung des Tastkopfes
umgesetzt werden und/oder die entsprechende Information zur späteren
Ausführung einer solchen Bewegung aufgezeichnet werden,
z. B. in einem Datenspeicher einer CNC-Steuerung des Geräts.
Die Handhabe ist dabei nicht unmittelbar mit dem Taster verbunden,
d. h. die Bedienperson übt die Kraft nicht unmittelbar
auf den Taster, sondern auf einen Basisteil des Tastkopfes aus,
sodass der Taster frei (ohne Behinderung durch die Bedienperson)
gegenüber dem Basisteil ausgelenkt wird, wenn er an ein
Messobjekt anstößt.
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Unter
einem Basisteil wird auch ein Teil des Koordinatenmessgeräts
(KMG) verstanden, der unbeweglich z. B. mit einer Basis des Tastkopfes
verbunden ist. Zum Basisteil gehört daher z. B. ein Arm des
KMG, an dem der Tastkopf (z. B. auswechselbar) befestigt ist. In
diesem Fall gehört zum Basisteil auch die Basis des Tastkopfes,
d. h. derjenige Bereich des Tastkopfes, gegen den der Taster ausgelenkt
werden kann.
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Somit
kann die Bedienperson durch Ausüben einer Kraft auf die
Handhabe insbesondere die Antastkraft des Tasters gegen das Messobjekt und/oder
die Auslenkung des Tasters relativ zu einem Basisteils des Tastkopfes
vorgeben.
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Es
ist jedoch auch möglich, die von der Bedienperson auf die
Handhabe ausgeübte Kraft in anderer Weise auszuwerten und
für den Betrieb des Koordinatenmessgeräts zu nutzen.
Z. B. können folgende Parameter des Antastvorganges über
die Kraft vorgegeben werden: die Dauer eines Antastvorganges, die
Beschleunigung des Tastkopfes oder Tasters relativ zueinander während
eines Antastvorganges, die maximale Auslenkung des Tasters während
eines Antastvorganges und/oder eine Bewegung des Tastkopfes, die
nicht während eines Antastvorganges ausgeführt
wird.
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Beschrieben
wird hier jedoch auch eine Ausführungsform eines Koordinatenmessgeräts,
bei dem die Handhabe lediglich dazu dient, eine Bewegung von Teilen
des Koordinatenmessgeräts, insbesondere des Tasters, vorzugeben.
Wenn im Folgenden beschrieben wird, dass über die Handhabe
sowohl ein Antastvorgang als auch eine Bewegung des Tasters außerhalb
eines Antastvorgangs vorgegeben werden kann, dann kann bei einer
anderen Ausführungsform die Handhabe lediglich dazu dienen,
eine Bewegung von Teilen des Koordinatenmessgeräts vorzugeben, wenn
der Taster nicht an dem zu vermessenden Werkstück anliegt.
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Ob
die Kraft, die die Bedienperson momentan ausübt, einen
Betrieb des Koordinatenmessgeräts während eines
Antastvorganges oder außerhalb eines Antastvorganges vorgibt,
ist vorzugsweise davon abhängig, ob der Taster gegenüber
dem Basisteil des Tastkopfes ausgelenkt ist oder ob der Taster gegenüber
dem Basisteil um einen vorgegebenen Mindestbetrag ausgelenkt ist.
Auf ein entsprechendes Ausführungsbeispiel wird noch näher
eingegangen. Daher kann die Bedienperson z. B. eine motorisch nachgeführte
Bewegung bewirken, während der Taster nicht ausgelenkt
ist, und kann die Antastkraft oder Auslenkung des Tasters vorgeben,
wenn der Taster ausgelenkt ist.
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Insbesondere
kann die Bedienperson, während der Taster nicht gegenüber
dem Basisteil ausgelenkt ist, über eine Betätigung
einer Handhabe des Tastkopfes diesen manuell innerhalb eines möglichen
Bewegungsbereichs des Koordinatenmessgeräts führen.
Aufgrund der Führung wird zumindest ein motorischer Antrieb
des Koordinatenmessgeräts dazu veranlasst, den Tastknopf
zu bewegen. Dieser Vorgang kann als Nachlaufsteuerung bezeichnet werden.
Auf diese Weise kann der Taster (z. B. ein Taststift) manuell unter
ungehinderter Sichtkontrolle und daher feinfühlig geführt
werden, z. B. auch in enge tiefe Bohrungen, Hinterschnitte etc.
eingeführt werden. Optional kann der geführte
Bewegungsablauf für einen anschließenden CNC-Betrieb
des Koordinatenmessgeräts reproduzierbar gespeichert werden.
Zur Speicherung werden zweckmäßig manuell durch
die Bedienperson Signale generiert, die das Abspeichern der Koordinaten
der Positionen des Tastkopfes an den von der Bedienperson gewünschten
Stellen steuern.
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Die
Erfindung betrifft aber auch den Fall, dass die Bedienperson lediglich
eine Vorgabe für den Antastvorgang gibt. Dabei muss der
Taster nicht zwangsläufig bereits in Kontakt mit einem
anzutastenden Werkstück sein, wenn die Bedienperson die Kraft
auf die Handhabe ausübt, um die Vorgabe zu machen. Bevorzugtermaßen
ist der Taster allerdings in diesem Moment bereits in Kontakt mit
dem Werkstück, da dies der Bedienperson einen realistischeren
Eindruck verschafft, wie sich die Vorgabe für den Antastvorgang
auswirkt.
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Bevorzugt
wird von der Steuerung geprüft, ob die Kraft, die die Bedienperson
momentan auf die Handhabe ausübt, in einem vordefinierten
Kraftbereich liegt. Dies kann auch indirekt über die Auswertung
einer von der Kraft abhängigen physikalischen Größe
(siehe unten) geprüft werden. In diesem Fall wird die abhängige
Größe daraufhin geprüft, ob sie in einem
vordefinierten Bereich liegt. Wenn die Kraft oder die Größe
in dem vordefinierten Bereich liegt (z. B. eine Mindestgröße
hat oder sowohl zumindest eine Mindestgröße hat
und gleichzeitig nicht größer als ein Obergrenzwert
ist), kann entschieden werden, dass die durch die Kraft von der
Bedienperson ausgeübte Vorgabe eines Betriebes des Koordinatenmessgeräts
gültig ist, d. h. tatsächlich zu berücksichtigen
ist. Andernfalls wird entschieden, dass die Vorgabe nicht zu berücksichtigen
ist. Auf diese Weise kann z. B. eine unbeabsichtigte Betätigung
der Handhabe durch die Bedienperson von der Steuerung ignoriert
werden.
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In
einer konkreten Ausführungsform kann die Kraft, die die
Bedienperson auf die Handhabe ausübt, gleich der Kraft
sein oder gleich der maximalen Kraft sein, die der Taster beim Antastvorgang
auf das Messobjekt ausübt. Die Erfindung ermöglicht
es jedoch auch, diese Vorgabe der Bedienperson zu überprüfen
und gegebenenfalls abzuändern (z. B. wenn eine maximal
erlaubte Antastkraft erreicht ist, die höher von der Bedienperson
vorgegebene Anpresskraft auf die maximal erlaubte Anpresskraft zu
begrenzen). Alternativ oder zusätzlich ermöglicht
es die Erfindung auch, die Kraft der Bedienperson nicht 1:1 in eine
Kraft des Tasters umzusetzen, sondern z. B. im Verhältnis
2:1 umzusetzen, das heißt die Kraft der Bedienperson ist
doppelt so groß wie die Kraft des Tasters. Die Umsetzung
findet in der Steuerung statt, die die Messwerte des Messsystems
empfängt, verarbeitet und Steuersignale für den
oder die Antriebe erzeugt und ausgibt.
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Unter
einer Handhabe wird jegliches Bauteil oder jegliche Kombination
von Bauteilen verstanden, das/die manuell von einer Bedienperson
betätigt werden kann/können. Insbesondere kann
es sich bei der Handhabe um einen Griff handeln, den die Bedienperson
bei der Betätigung umfasst. Insbesondere kann die Handhabe
sich um den Basisteil des Tastkopfes oder ein damit verbundenes
Teil herum erstrecken.
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Die
Handhabe kann gegen ein oder mehrere Bauteile des Tastkopfes elastisch
beweglich gelagert sein und daher auslenkbar sein. Ein erstes Messsystem kann
so ausgestaltet sein, dass es verschiedene Zustände der
Auslenkung (und damit die Größe der Kraft auf
die Handhabe) feststellen kann, insbesondere den Grad der Auslenkung
der Handhabe in eine oder mehrere Richtungen relativ zu dem Tastkopf. Ein
erstes Messsystem kann jedoch auch bei einer Ausführungsform
vorhanden sein, bei der die Handhabe nicht relativ zu dem Basisteil
des Tastkopfes beweglich gelagert ist. In diesem Fall misst das
erste Messsystem die Kraft oder eine von der Kraft abhängige
Größe ohne Auslenkung der Handhabe.
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Unter
der Auslenkung wird eine Relativbewegung verstanden, die wieder
rückgängig gemacht werden kann. Insbesondere kann
die Auslenkung durch relative lineare Bewegung der Handhabe und eines
Teils des Tastkopfes und/oder durch Drehung der Handhabe um eine
oder mehrere Drehachsen des Tastkopfes erzielt werden.
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Vorzugsweise
wird nicht nur der Betrag der Kraft, sondern auch deren Richtung
ermittelt (z. B. indem das Messsystem Sensoren für linear
unabhängige Kraftkomponenten aufweist) und die Information darüber
für die Steuerung des Koordinatenmessgeräts bereitgestellt.
Dies ermöglicht es, dass die Bedienperson über
die Kraft auch die Richtung der Antastung eines Messobjekts vorgibt.
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In
einer konkreten Ausgestaltung weist das Koordinatenmessgerät
ein zweites Messsystem auf, das mit der Steuerung des KMG verbunden
ist und das ausgestaltet ist, eine Auslenkung des Tasters gegen
den Basisteil des Tastkopfes festzustellen und ein entsprechendes
Auslenkungssignal zu der Steuerung zu übertragen. Das erste
und das zweite Messsystem sind daher jeweils so ausgestaltet, dass
sie Auslenkungen und/oder Kräfte bezüglich des
Basisteils messen oder zumindest ihre Bestimmung ermöglichen.
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Ein
separates Messsystem, das der Handhabe zugeordnet ist (das erste Messsystem),
hat den Vorteil, dass der Antastvorgang bei Betätigung
der Handhabe besser vorgegeben werden kann. Z. B. bei handelsüblichen
Tastern ist die Auslenkung des Tasters beim Vermessen eines Werkstücks
sehr gering. Auch ist das zweite Messsystem, was der Auswertung
dieser Auslenkungen dient, speziell auf den Antastvorgang und die
Vermessung des Werkstücks ausgelegt. Das separate erste
Messsystem für die Betätigung der Handhabe kann
dagegen anders ausgelegt werden. Insbesondere kann es so ausgelegt sein,
dass die Handhabe relativ zu dem Basisteil einen größeren
zulässigen Weg zurücklegen kann, wenn die Handhabe
betätigt wird, als es bei einer Auslenkung des Tasters
am Werkstück der Fall wäre. Der Benutzer kann
daher besser zwischen einer starken Betätigung der Handhabe
(z. B. Bewegung der Handhabe über einen großen
Weg relativ zum Basisteil) und einer schwachen Betätigung
der Handhabe (z. B. durch Bewegung der Handhabe über einen kleinen
Weg relativ zum Basisteil) unterscheiden. Es fällt dem
Benutzer daher leichter, den Antastvorgang in der gewünschten
Weise vorzugeben.
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Zwei
verschiedene Messsysteme für die Betätigung der
Handhabe und Auswertung dieser Betätigung einerseits und
für das Messsystem des Koordinatenmessgeräts andererseits
sind aber auch für eine Nachlaufsteuerung (siehe oben)
von Vorteil. Würde das zweite Messsystem auch für
die Betätigung der Handhabe genutzt, könnte das
Messsystem ebenfalls nicht speziell für die feinfühlige
Betätigung ausgelegt werden oder wäre nicht in
optimaler Weise für die Bestimmung der Koordinaten eines Werkstücks
ausgelegt.
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Insbesondere
aber dann, wenn die Handhabe sowohl für eine Nachlaufsteuerung
als auch für die Planung eines Antastvorganges verwendet
wird, ist die Verwendung separater Messsysteme für Handhabe
und Koordinatenbestimmung von Vorteil. Darauf ist bereits eingegangen
worden und wird auch noch näher eingegangen.
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Insbesondere
wird ein Koordinatenmessgerät vorgeschlagen, das Folgendes
aufweist:
- – einen Tastkopf, welcher
einen Taster zum mechanischen Antasten eines Messobjekts aufweist, wobei
der Taster gegen einen Basisteil des Tastkopfes auslenkbar ist,
- – einen motorischen Antrieb, der mechanisch mit dem
Basisteil des Tastkopfes gekoppelt ist, sodass der Basisteil und
damit auch der Tastkopf durch den motorischen Antrieb bewegbar ist,
- – eine Steuerung zum Steuern des motorischen Antriebs,
- – eine Handhabe, die von einer Bedienperson manuell
betätigbar ist und die gegen den Basisteil des Tastkopfes
abgestützt ist, sodass die Bedienperson indirekt über
die Handhabe eine Kraft auf den Basisteil und/oder den damit unbeweglich verbundenen
Teil ausüben kann,
- – ein erstes Messsystem, das mit der Steuerung verbunden
ist und das ausgestaltet ist, die von der Bedienperson auf den Basisteil
ausgeübte Kraft oder eine von der Kraft abhängige
physikalische Größe festzustellen und eine entsprechende
Zustandsinformation zu der Steuerung zu übertragen,
wobei
die Steuerung ausgestaltet ist, gemäß einer vorgegebenen
Ermittlungsvorschrift abhängig von der Zustandsinformation
zumindest einen Parameter eines Antastvorganges zur Antastung eines
Messobjekt durch den Taster, insbesondere eine Antastkraft des Tasters
gegen das Messobjekt und/oder die Auslenkung des Tasters relativ
zu einem Basisteils des Tastkopfes, zu ermitteln.
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Bei
der von der Kraft abhängigen physikalischen Größe
kann es sich z. B. um einen Druck (z. B. ein Druck auf einen Drucksensor,
der zwischen der Handhabe und dem Basisteil angeordnet ist oder
ein Druck auf einen Drucksensor an der Außenoberfläche
der Handhabe), eine Beschleunigung (z. B. über einen Beschleunigungssensor
oder ein System von Beschleunigungssensoren gemessen) oder eine Auslenkung
der Handhabe relativ zu dem Basisteil handeln.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist die Handhabe, die
von einer Bedienperson manuell betätigbar ist, gegen den
Basisteil des Tastkopfes und/oder gegen ein mit dem Basisteil unbeweglich verbundenes
Teil des Koordinatenmessgeräts beweglich gelagert, sodass
die Bedienperson eine Auslenkung der Handhabe gegen den Basisteil
und/oder gegen das damit unbeweglich verbundene Teil erzielt, wenn
die Bedienperson eine Kraft auf die Handhabe ausübt. Das
erste Messsystem kann in diesem Fall so ausgestaltet sein, dass
es verschiedene Zustände (z. B. den Grad) der Auslenkung
der Handhabe feststellt und eine entsprechende Zustandsinformation
zu der Steuerung überträgt. Insbesondere kann
die Handhabe gegen Federkräfte beweglich sein, sodass eine
Auslenkung der Handhabe eine von der oder den Federn erzeugte Gegenkraft
hervorruft.
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Bei
dem Tastkopf handelt es sich vorzugsweise um einen Tastkopf des
oben beschriebenen messenden Typs. Die Erfindung ist jedoch z. B.
auch auf die Vorgabe eines Antastvorganges eines Tastkopfes vom
schaltenden Typ anwendbar. Auch hier kann es z. B. sinnvoll sein,
dass die Bedienperson die Auslenkung des Tasters bzw. eine entsprechende Kraft
des Tasters vorgibt.
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Insbesondere
hat das Koordinatenmessgerät einen manuellen Betriebsmodus,
in dem der Betrieb durch Vorgaben der Bedienperson über
eine Kraft auf die Handhabe beeinflusst werden kann, und einen automatischen
Betriebsmodus, in dem keine solchen Vorgaben akzeptiert werden.
Es wird bevorzugt, dass ein mechanischer Kontakt einer Hand der Bedienperson
mit der Handhabe detektiert wird und dass ein Messwert der Kraft
auf die Handhabe bzw. der von der Kraft abhängigen Größe
nur dann als Vorgabe der Bedienperson akzeptiert wird, während der
mechanische Kontakt besteht. Z. B. schaltet das Koordinatenmessgerät
nur dann in den manuellen Betriebsmodus um, während der
mechanische Kontakt detektiert wird. Die Handhabe kann z. B. ein
elektrisches Kontaktpaar aufweisen, sodass die beiden elektrischen
Kontakte über den Hautwiderstand der Hand der Bedienperson
miteinander elektrisch verbunden werden und so der manuelle mechanische Kontakt
detektiert wird. Die Detektion erhöht die Sicherheit beim
Betrieb des Koordinatenmessgeräts erheblich. Z. B. wird
vermieden, dass das Koordinatenmessgerät beim automatischen
Betrieb an einem Gegenstand anstößt, dadurch eine
Kraft auf die Handhabe ausgeübt wird und dies als Vorgabe
für den Betrieb interpretiert wird. Insbesondere eine Vorgabe
für den Antastvorgang sollte nicht unbeabsichtigt ausgeführt
werden, da es sich bei dem Taster meist um ein mechanisch sehr empfindliches
Bauteil handelt, das z. B. durch eine falsche Vorgabe beschädigt
oder zerstört werden kann.
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Es
ist zweckmäßig, wenn im manuellen Betriebsmodus
die Ströme für die Antriebsmotoren des Koordinatenmessgeräts
auf einen vorbestimmten, der Sicherheit der Bedienperson dienenden
Wert begrenzt werden.
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Zusätzlich
oder alternativ kann ein Hand- und/oder Fußschalter verwendet
werden, um in den manuellen Betriebsmodus umzuschalten oder um ein Signal
zu geben, dass der manuelle Betriebsmodus aufrechterhalten werden
soll. Ein solcher Schalter kann auch dazu verwendet werden, ein
Signal an die Steuerung zu erzeugen, dass Koordinaten einer momentanen
Position des Tastkopfes oder des Taststiftes gespeichert werden
sollen.
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Unter
Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung werden nun Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
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1 eine
perspektivische Skizze, die ein CNC-gesteuertes Koordinatenmessgerät
zeigt, dem durch eine Bedienperson manuelle Vorgaben für dessen
Betrieb gemacht werden können;
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2 ein
Blockschaltbild, das schematisch Komponenten des Tastkopfes und
der Bedienelemente des Koordinatenmessgerätes aus 1 zeigt;
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3 einen
Längsschnitt in der x-z-Ebene durch einen Bereich des Basisteils
mit der daran beweglich gelagerten Handhabe;
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4 einen
Querschnitt der in 3 dargestellten Anordnung in
der x-y-Ebene;
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5 eine
schematische Ansicht einer Handhabe mit zwei elektrisch gegeneinander
isolierten Oberflächenbereichen und einer dazwischen liegenden
elektrischen Isolierung;
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6 eine
Variante einer Anordnung mit einem Tastkopf, wobei die Handhabe
oberhalb des Messsystems zum Messen von Auslenkungen des Tasters
angeordnet ist;
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7 schematisch
eine Aufhängung einer Handhabe an einem Basisteil und ein
Messsystem zum Messen von Auslenkungen der Handhabe gegen das Basisteil;
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8 eine
Anordnung mit einer Steuerung und drei Endstufen zum Ansteuern von
Motoren für drei linear unabhängige Koordinatenachsen
eines Koordinatenmessgerätes.
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Das
in 1 dargestellte Koordinatenmessgerät ist
vom so genannten Portaltyp. Entsprechend ist das dort mit 3 bezeichnete
brückenförmige Portal, das sich z. B. über
Luftlager mit einem Fuß auf dem Messtisch (1)
und mit dem anderen Fuß auf der daran befestigten Führungsbahn 2 abstützt,
in Richtung des mit y bezeichneten Pfeils motorisch verfahrbar. Der
Querschlitten 5 ist auf dem als x-Führung ausgebildeten
Querträger 4 beweglich gelagert. x, y, z bezeichnen
die Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems, die in 1 dargestellten
Pfeile die Richtungen der zugehörigen Koordinatenachsen.
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Der
mit
6 bezeichnete, eigentliche Messarm, die so genannte
Pinole ist im Querschlitten
5 vertikal verschiebbar geführt
und trägt an ihrer Unterseite einen so genannten ”messenden” Tastkopf
7,
an dem der eigentliche Taststift
9 mit seiner Tastkugel
19 befestigt
ist. Der Tastkopf
7 kann beispielsweise der in der
DE-OS 44 24 225 beschriebene,
aus drei aufeinander aufbauenden Parallelogrammführungen
gebildete Tastkopf sein. Nicht dargestellt sind die Antriebe für
die Bewegung des Portals, des Querschlittens
5 und der
Pinole
6, die mit der Steuerung
11 des Koordinatenmessgeräts
verbunden sind.
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Um
manuell eine Vorgabe für den Betrieb des Koordinatenmessgeräts
zu machen, ergreift eine Bedienperson wie durch einen menschlichen
Arm 20 mit einer Hand in 1 angedeutet
ist, den Tastkopf 7. Aus 2 ist deutlicher
erkennbar, dass der Tastkopf 7 eine Handhabe 20,
hier einen zylindrischen Griff aufweist, den die Bedienperson umfassen
kann. Der auslenkbare Teil 8 (mit dem Taststift 9 und
der Tastkugel 19) des Tastkopfes 7 wird dabei
nicht von der Bedienperson ergriffen und kann daher ungehindert
ausgelenkt werden, wenn die Tastkugel 19 an ein Messobjekt
anstößt bzw. in Kontakt ist.
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Um
eine Vorgabe der Bedienperson aufnehmen zu können, ist
die Steuerung 11 des Koordinatenmessgeräts vorher
in den manuellen Betriebsmodus umzuschalten. Das geschieht unter
Bezugnahme auf die 2 durch ein Kontaktpaar 13 an
der Handhabe 20. Angedeutet ist dort ein elektrischer Widerstand 28,
der den Hautwiderstand der Bedienperson darstellen soll. Sobald
die Haut der Hand den Isolierring 12 zwischen dem Kontaktpaar 13 überbrückt,
fließt ein geringer Strom, der als analoges Signal in einem
A/D-Wandler 21 in ein digitales Signal gewandelt und einem
Mikroprozessor 30 der Steuerung 11 des Koordinatenmessgeräts
zugeführt wird. Beim Auftreten dieses Signals schaltet
der Mikroprozessor 30 die Steuerung 11 in den manuellen
Betriebsmodus um. Solange der Strom weiter fließt, bleibt
der manuelle Betriebsmodus bestehen. Wenn der Strom nicht mehr fließt,
wird der manuelle Betriebsmodus wieder verlassen und es werden keine manuellen
Vorgaben mehr von der Steuerung 11 akzeptiert.
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5 zeigt
die Handhabe 20 schematisch in vergrößerter
Darstellung. Die Handhabe ist an ihrer äußeren
Oberfläche zylindrisch geformt. Dabei bildet ein oberer
Teil des Zylinders eine erste elektrisch leitende Kontaktfläche 13a des
Kontaktpaars 13 und ein unterer Teil des Zylinders eine
zweite elektrisch leitende Kontaktfläche 13b des
Kontaktpaars 13. Dazwischen liegt der kreisförmige
Isolierring 12.
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Der
Tastkopf 7 enthält drei Messwertgeber (zweites
Messsystem), die die Auslenkung des Teils 8 mit dem daran
befestigten Taststift 9 in den drei Raumrichtungen x, y,
z erkennen und entsprechende, auslenkungsproportionale analoge Signale
liefern. Der besseren Übersichtlichkeit halber ist in der 2 nur
der Messwertgeber 25 dargestellt, der die Auslenkung des
Teils 8 in x-Richtung detektiert. Außerdem ist
die 2 auch in der Hinsicht schematisch zu verstehen,
dass die Messwertgeber oberhalb der Handhabe 20 dargestellt
sind. Obwohl eine solche Konstruktion auch in der Praxis möglich
ist (die Auslenkung des Taststiftes 9 kann durch die Handhabe 20 hindurch
zu den Messwertgebern übertragen werden), sind die Geber
bevorzugt an der mechanischen Schnittstelle zwischen dem auslenkbaren
Teil 8 und dem nicht auslenkbaren Basisteil 10 des
Tastkopfes 7 angeordnet. Diesen Fall zeigt 6.
Darin bezeichnen 68 den Basisteil oder einen Bereich der Pinole, 70 die
gegen den Basisteil 68 abgestützte Handhabe und 72 einen
Teil des Tastkopfes, der unbeweglich mit dem Basisteil 68 verbunden
ist und das zweite Messsystem zur Messung der Auslenkung des Tasters 74 aufweist.
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Die
Ausgangssignale der Messwertgeber 25 werden über
einen weiteren Analog-/Digitalwandler 26 zu dem Mikroprozessor 30 der
Steuerung 11 übertragen.
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Ein
weiteres Messsystem (erstes Messsystem 22) ist der Handhabe 20 zugeordnet
und liefert Messwerte der Kraft (als dreidimensionaler Vektor), die über
die Handhabe 20 auf den Basisteil 10 des Tastkopfes 7 ausgeübt
werden. in 2 ist das erste Messsystem rechts
unterhalb der Handhabe 20 als vergrößerter
Inhalt der Handhabe 20 schematisch dargestellt.
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Generell,
nicht nur bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
kann das erste Messsystem auf unterschiedliche Weise ausgestaltet
sein. Z. B. kann es den Weg der Auslenkung der Handhabe gegen den
Basisteil messen. Alternativ oder zusätzlich kann es (über
Beschleunigungssensoren) die Beschleunigung der auslenkbar gegen
den Basisteil gelagerten Handhabe messen, woraus z. B. die Steuerung
die auf den Basisteil ausgeübte Kraft berechnet. Diese
Berechnung kann aber auch das Messsystem selbst vornehmen. Zum Beispiel
existieren so genannte IMU (Inertial Measurement Unit) in kompakter Bauform
im Handel, die Beschleunigungssensoren aufweisen. Weiterhin alternativ
oder zusätzlich kann das erste Messsystem den Druck (einschließlich
der Richtung) messen, der von der beweglich gelagerten Handhabe
auf eine definierte Fläche des Basisteils ausgeübt
wird. Geeignete Drucksensoren sind z. B. als elektronische Bauteile
mit hoch integrierten Schaltkreisen im Handel erhältlich.
Es kann daher auf eine Analog/Digital-Wandlung verzichtet werden. Eine
weitere Möglichkeit der Messung einer Auslenkung der Handhabe
relativ zu dem Basisteil besteht in der Verwendung von induktiven
Sensoren, die ausgestaltet sind, bei einer Auslenkung ein Spannungssignal
zu erzeugen.
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Alternativ
kann das erste Messsystem relativ zu dem Basisteil unbeweglich sein,
d. h. nicht beweglich gelagert sein. In diesem Fall kann z. B. wiederum der
Druck mithilfe der genannten Drucksensoren detektiert werden. allerdings
befinden sich die Drucksensoren dann vorzugsweise an der Außenoberfläche
oder nahe an der Außenoberfläche der Handhabe.
Aus den einzelnen Signalen der Drucksensoren berechnet dann z. B.
die Steuerung den dreidimensionalen Druckvektor.
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Auf
eine konkrete Ausführungsform einer Handhabe und eines
ersten Messsystems wird noch anhand der 3 und 4 eingegangen.
Zunächst wird noch beschrieben, dass im manuellen Betriebsmodus
neben den Parametern des Antastvorganges (d. h. wenn der Taster,
insbesondere die Tastkugel 19 ein Messobjekt kontaktiert
und ausgelenkt wird) auch Bewegungsbahnen und/oder Koordinaten der
Bewegung des Tastkopfes manuell, über die Handhabe vorgegeben
werden können.
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Z.
B. koppelt nach Umschaltung in den manuellen Betriebsmodus der Mikroprozessor 30 das Signal
der Messwertgeber 25 im Tastkopf 7 im Sinne einer
Nachlaufsteuerung auf die Antriebe in den drei Messachsen x, y,
z des Koordinatenmessgeräts zurück. Dies ist in
der 2 durch den Motor 27 symbolisiert, der
von der Steuerung 11 über die Motorendstufe 48 angesteuert
wird und den Schlitten 31, also beispielsweise den Querschlitten 5 des
Koordinatenmessgeräts aus 1 bewegt,
mit dem der Tastkopf 7 über die z-Führung
verbunden ist. Die aktuelle Position in der Bewegungsrichtung x
wird wie bei Koordinatenmessgeräten üblich mit
Hilfe eines der jeweiligen Führung 33 zugeordneten
Inkrementalmaßstabs 32 gemessen, der von einem
am Schlitten 31 befestigten z. B. optischen Lesekopf 34 abgetastet
wird. Das Ausgangssignal dieses Lesekopfs 34 wird in an
sich bekannter Weise in einem Interpolator 35 höher
aufgelöst und einem Zähler 36 zugeführt, der
mit dem Mikroprozessor 30 verbunden ist.
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Beim
manuellen Führen des Tastkopfs am Basisteil ergeben sich
die Positionen der Tastkugel 19 aus den Koordinaten, die
die Maßstäbe 32 in den Messachsen x,
y, z liefern. Da die Tastkugel 19 nicht gegen den Basisteil
ausgelenkt ist, muss die Auslenkung nicht zusätzlich berücksichtigt
werden.
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Die Übergabe
der Koordinaten der für den CNC-Ablauf festzulegenden Stellen
des Bewegungsablaufes in den Speicher 37 des Mikroprozessors 30 kann
die Bedienperson selbst aktiv steuern. Hierzu sind optional ein
Fußschalter 14 und/oder ein Handschalter 15 an
der Handhabe vorgesehen, die von der Bedienperson betätigt
werden und ebenfalls an den Mikroprozessor 30 der Steuerung 11 angeschlossen
sind.
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Während
die Bedienperson den Tastkopf 7 z. B. auf dem für
den späteren CNC-Ablauf gewünschten Weg um das
Werkstück herum und zu den anzutastenden Punkten auf der
Oberfläche des Werkstücks 10 bewegt,
werden an diskreten Stellen dieses Bewegungsablaufs durch Betätigen
entweder des Fußschalters 14 oder des Handschalters 15 Steuersignale
generiert, die zur Speicherung der Koordinaten der betreffenden
Stellen im Bewegungsablauf sorgen.
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Während
des manuellen Betriebsmodus wird vorzugsweise unterschieden, ob
der Taster (hier der Taststift) gegen den Basisteil ausgelenkt ist
oder nicht. Ist der Taster nicht ausgelenkt, sind die Vorgaben der
Bedienperson bezüglich der Positionen und Bewegungsabläufe
des Tastkopfes möglich, wie es in diesen Absätzen
beschrieben ist. Ist der Taster dagegen ausgelenkt, werden die von
dem ersten Messsystem empfangenen Signale von der Steuerung als Vorgaben
für einen Antastvorgang interpretiert. Dies gilt nicht
nur für das hier beschriebene Ausführungsbeispiel.
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Bei
einer alternativen Ausgestaltung kann ein durch die Bedienperson
erzeugtes Signal (z. B. des Handschalters oder Fußschalters)
von der Steuerung so interpretiert werden, dass nach der Erzeugung
des Signals von der Bedienperson gemachte (durch Ausüben
von Kraft auf die Handhabe) Vorgaben sich auf einen Antastvorgang
beziehen. Z. B. kann durch erneutes Erzeugen eines Signals wieder in
den Modus umgeschaltet werden, in dem die Bedienperson durch ihre
Vorgaben lediglich eine Bewegung des Tastkopfes führt,
nicht aber Vorgaben für den Antastvorgang macht.
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Im
Ausführungsbeispiel sind während eines automatischen
CNC-Betriebes die Regelkreise für die Antriebe der Messschlitten
des Koordinatenmessgeräts vom Mikroprozessor 30 so
eingerichtet, dass die von der Bahnsteuerung vorgegebenen Koordinaten
der anzufahrenden Punkte die Führungsgröße
darstellen und die von den Maßstäben 32 des Koordinatenmessgeräts
gelieferten Positions-Istwerte die Regelgröße
bilden, d. h. die Steuerung arbeitet in einem Positionsregelkreis.
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Im
Handbetrieb während der Lernprogrammierung hingegen werden
die Signale der Messwertgeber 25 im Tastkopf als Führungsgröße
in einen Geschwindigkeitsregelkreis eingebunden, wobei die Drehzahl
der Antriebsmotoren oder die Fahrgeschwindigkeit, d. h. die zeitliche Änderung
der von den Maßstäben 32 gemeldeten Position
die Regelgröße bildet. (Dies gilt jedoch nur dann,
wenn der Taster nicht ausgelenkt ist.) Auf diese Weise bewegen sich
die Antriebe nur dann, wenn die Handhabe 20 ausgelenkt
ist und zwar umso schneller, je stärker der Betrag der
Auslenkung ist, bis zu dem durch die Strombegrenzung eingestellten
Maximalwert. Somit lässt sich der Tastkopf 7 und
die mit ihm verbundenen anderen beweglichen Teile des Koordinatenmessgerätes äußerst
feinfühlig ”von Hand” durch den Messbereich
bewegen.
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8 zeigt
die Steuerung 11, wobei es sich auch um die Steuerung eines
anderen als in 1 und 2 dargestellten
Koordinatenmessgerätes handeln kann. Die Steuerung 11 empfängt
Messsignale S des Wegmesssystems des Koordinatenmessgerätes,
Messsignale T des zweiten Messsystems zur Ermittlung der Auslenkung
des Tasters gegenüber dem Basisteils des Tastkopfes, Messsignale
H des ersten Messsystems zur Messung der Kraft, die von der Bedienperson
auf die Handhabe ausgeübt wird, und ein Freigabesignal
F von dem Detektor, der detektiert, ob die Handhabe von einer Person
manuell betätigt wird. Wenn das Freigabesignal F signalisiert,
dass die Handhabe tatsächlich von einer Bedienperson manuell
betätigt wird (und nicht lediglich andere Gegenstände
an die Handhabe anstoßen), wertet die Steuerung 11 die
Signale H des ersten Messsystems aus. Ferner wertet die Steuerung 11 auch
die Signale T des zweiten Messsystems aus. Abhängig davon,
ob aus diesen Signalen T resultiert, dass der Taster ausgelenkt
ist, werden die Signale H entweder als Signale zum Vorgeben von
Koordinaten des Tastkopfes bzw. des Tasters interpretiert oder als Signale
zum Vorgeben eines oder mehrerer Parameter eines Antastvorganges.
Dementsprechend werden die Signale S der Wegmesssysteme insbesondere
dann außerdem ausgewertet, wenn der Taster nicht ausgelenkt
ist.
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Wenn
der Taster ausgelenkt ist, wird z. B. zunächst eine unmittelbare
Rückkopplung im Sinne einer Nachlaufsteuerung der Signale
H auf die über jeweils eine Endstufe 81 an die
Steuerung 11 angeschlossenen Motoren M blockiert bzw. es
werden keine entsprechenden Steuersignale einer unmittelbaren Nachlaufsteuerung
erzeugt. Außerdem wird bei dem Ausführungsbeispiel
aus den Signalen H zunächst die Richtung der auf die Handhabe
ausgeübten Kraft ermittelt und außerdem der Betrag
der Kraft ermittelt. Liegt der Betrag der Kraft in einem vordefinierten
Wertebereich, wird die Vorgabe als gültige Vorgabe eingestuft,
andernfalls wird die Vorgabe ignoriert. Wenn die Vorgabe gültig
ist, wird gemäß einer vordefinierten Ermittlungsvorschrift
der oder die Parameter für einen Antastvorgang ermittelt.
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Insbesondere
wird ermittelt, dass der Antastvorgang genau mit derselben Kraft
(als dreidimensionaler Vektor) des Tasters auf das zu messende Werkstück
ausgeführt werden soll, die die Bedienperson auf die Handhabe
ausübt.
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Nun
kann der Antastvorgang (abhängig von einem zuvor von der
Bedienperson gewählten Betriebsmodus) sofort ausgeführt
werden und/oder für eine spätere Ausführung
abgespeichert werden.
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Zur
Ausführung steuert die Steuerung 11 die Endstufen 81 der
Motoren M so an, dass die von der Bedienperson vorgegebene Kraft
beim Antastvorgang auf das Messobjekt ausgeübt wird. Dabei
berücksichtigt die Steuerung 11 insbesondere Federkonstanten
einer federnden Abstützung des Tasters gegen den Basisteil.
Die Federkonstanten benötigt die Steuerung 11,
um durch die Motoren M die entsprechende Bewegung des Basisteils
zu erzeugen.
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7 zeigt
schematisch eine Krafteinwirkung K einer Bedienperson auf eine Handhabe 20, wobei
es sich um die Handhabe aus 1 und 2 bzw.
aus 3 und 4 handeln kann. In dem Ausführungsbeispiel
ist die Handhabe 20 gemäß 7 federnd
gegen den Basisteil B abgestützt. Der Basisteil B ist an
drei verschiedenen Stellen der Darstellung durch jeweils einen Querstrich
und zwei kurze dazu diagonal verlaufende Schrägstriche
dargestellt. Die Federn, bei denen es sich z. B. jeweils um eine oder
mehrere helixförmige Federn oder Blattfedern handeln kann,
sind durch die Bezugszeichen 91a (z-Richtung), 91b (y-Richtung)
und 91c (x-Richtung) dargestellt. Außerdem ist
das erste Messsystem schematisch dargestellt. Es weist jeweils einen Wegsensor 93a (z-Richtung), 93b (y-Richtung)
und 93c (x-Richtung) auf. Wie bereits erwähnt,
können stattdessen andere Sensoren zur Bestimmung der Auslenkung
verwendet werden. Wegsensoren und andere Sensoren zur Messung einer
dreidimensionalen Kraft sind aus der Koordinatenmesstechnik an sich
bekannt und werden hier daher nicht mehr beschrieben.
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3 und 4 zeigen
eine Handhabe 120, die beispielsweise so wie in 5 schematisch
dargestellt mit einem elektrischen Kontaktpaar und einem dazwischen
liegenden elektrischen Isolierring ausgestaltet ist. Mechanisch
sind die Teile 13a, 13b und 12 jedoch
fest miteinander verbunden. Die elektrischen Anschlüsse
sind in der 3 und 4 nicht
näher dargestellt.
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Die
Handhabe 120 ist als Zylinderring ausgestaltet und stützt
sich gegen einen ebenfalls zylindrisch ausgestalteten Bereich des
Basisteils 123 ab. Dieser zylindrische Teil des Basisteils 123 ist
mit dem Bezugzeichen 123a bezeichnet. Dabei sind die Elemente 120, 123a koaxial
zu der gemeinsamen Zylinderachse angeordnet und umgibt die Handhabe 120 den
zylindrischen Teil 123a. In zylinderaxialer Richtung an
den beiden Enden des zylindrischen Teils 123a springt der
Basisteil 123 in radialer Richtung (x-, bzw. y-Richtung)
nach außen vor, so dass die Handhabe 120 sich
auch in z-Richtung gegen den Basisteil 123 abstützen
kann. Die Federn für die Abstützung in z-Richtung
sind mit den Bezugszeichen 125a–125d bezeichnet.
Die Federn, mit denen sich die Handhabe 120 in x-Richtung
gegen den zylindrischen Teil 123a abstützt, sind
mit den Bezugszeichen 126a–126d bezeichnet.
Aus 4 sind auch die Federn 127a und 127d erkennbar,
mit denen sich die Handhabe 120 gegen den zylindrischen
Teil 123a abstützt.
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Ferner
sind in dem Ausführungsbeispiel wiederum Wegsensoren zum
Messen der Auslenkung der Handhabe 120 gegen den Basisteil 123 erkennbar.
Der Wegsensor für die z-Richtung ist mit dem Bezugszeichen 128a bezeichnet,
der Wegsensor für die y-Richtung ist mit dem Bezugszeichen 128b bezeichnet
und der Wegsensor für die x-Richtung ist mit dem Bezugszeichen 128c bezeichnet.
Somit kann die Handhabe 120 in beliebige Richtungen gegen
Federkräfte und damit relativ zu dem Basisteil 123 ausgelenkt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 29607383
U1 [0004]
- - DE 4424225 A [0042]