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Die
Erfindung betrifft ein Sensorgelenk zum Drehen eines Sensors, insbesondere
eines Sensors zum Abtasten von Prüfobjekten zur Erzeugung
von Messsignalen eines Koordinatenmessgerätes. Die Erfindung
betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors. Ferner
betrifft die Erfindung ein Koordinatenmessgerät mit einem
Sensorgelenk, das ein Drehen eines Sensors erlaubt.
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Motorisch
betriebene, rastende Gelenke, insbesondere Dreh-Schwenk-Gelenke,
die ein Drehen des Sensors um verschiedene Drehachsen erlauben,
sind bereits bekannt. In der Koordinatenmesstechnik dienen sie dazu,
Sensoren so zu positionieren und/oder auszurichten, dass eine Messaufgabe
möglichst präzise, schnell und/oder auf möglichst
einfache Weise erfüllt werden kann. Unter einem Sensor
wird eine beliebige Einrichtung verstanden, die Messsignale liefert
(d. h. einen Messsignalgeber aufweist) oder es anderen Einrichtungen
ermöglicht, bei Kontakt des Sensors oder bei Erreichen einer
definierten Position und/oder Ausrichtung des Sensors, Messsignale
zu erzeugen. Z. B. kann ein mechanischer Kontakt des Sensors mit
einer Oberfläche von der anderen Einrichtung detektiert
werden und von dieser anderen Einrichtung ein entsprechendes Messsignal
erzeugt werden. Unter einem Messsignal wird auch ein Signal verstanden,
das lediglich anzeigt, dass ein mechanischer Kontakt durch den Sensor
hergestellt ist oder dass der Sensor in einer definierten Position
und/oder Ausrichtung angeordnet ist. Ein Beispiel für ein
solches ”Kontaktsignal” ist das Schaltsignal eines
tastenden Sensors vom so genannten schaltenden Typ, der auf dem
Gebiet der Koordinatenmesstechnik allgemein bekannt ist.
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Die
Erfindung ist aber nicht auf Sensoren beschränkt, die zu
vermessende Gegenstände mechanisch antasten. Vielmehr kann
der Sensor auch ein optischer Sensor sein, der z. B. mittels elektromagnetischer
Strahlung Oberflächen abtastet oder invasive Messstrahlung
erzeugt, die in das Untersuchungsobjekt eindringt. Ein weiteren
Beispiel für Sensoren sind kapazitive Sensoren, die z.
B. über eine elektrische Kapazität des Sensors
Vorgänge in ihrer Umgebung messen, z. B. elektromagnetische
Felder oder die Veränderung von elektromagnetischen Feldern.
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Für
diverse Messaufgaben ist es wünschenswert, dass der Sensor
reproduzierbar in eine bestimmte Drehstellung gebracht werden kann.
Dies bedeutet, dass der Sensor zwischenzeitlich die gewünschte
Drehstellung verlassen haben kann. Z. B. wird der Sensor so kalibriert,
dass er in der bestimmten Drehstellung eine Messaufgabe mit einer
geforderten Genauigkeit erfüllen kann. Wird die Drehstellung
nicht mit hoher Genauigkeit reproduziert, muss die Kalibrierung
wiederholt werden. Daher sind bereits so genannte rastende Sensorgelenke
vorgeschlagen worden, bei denen die definierte Drehstellung durch
mechanische Mittel reproduzierbar erreicht werden kann, z. B. durch
einen Zahnkranz, der sich entlang einer Kreislinie in einer Ebene
erstreckt und entsprechende Eingreifmittel, z. B. einen zweiten solchen
Zahnkranz. Generell betrifft die vorliegende Erfindung insbesondere
Drehgelenke, die eine Vielzahl von unterschiedlichen Drehstellungen
reproduzierbar ermöglichen. Z. B. können Drehstellungen um
eine Drehachse reproduziert werden, wobei die Drehstellungen einen
Winkelabstand von 2,5° oder 7,5° haben. Ebenfalls
betrifft die Erfindung eine Anordnung von mehreren Drehgelenken,
wobei die Drehachsen der einzelnen Drehgelenke quer zueinander verlaufen,
insbesondere senkrecht zueinander verlaufen. Dabei kann jedes der
einzelnen Drehgelenke erfindungsgemäß ausgestaltet
sein. Ein Beispiel für eine solche Anordnung von Drehgelenken
ist ein auf dem Gebiet der Koordinatenmesstechnik an sich bekanntes
Dreh-Schwenk-Gelenk.
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Rastenden
Drehgelenken oder Sensorgelenken ist in vielen Fällen gemeinsam,
dass sie eine Aus- und Einrückmechanik aufweisen. Um den
Sensor um die Drehachse des Drehgelenks drehen zu können,
wird ein drehbarer Teil des Drehgelenks aus einer Rastposition,
d. h. einer Position, in der der drehbare Teil gegen eine unbeabsichtigte
Drehung um die Drehachse gesichert ist, ausgerückt. Hierzu wird
der drehbare Teil relativ zu einem feststehenden Teil des Gelenks
in der axialen Richtung der Drehachse bewegt. Wenn in dieser Beschreibung
davon die Rede ist, dass der drehbare Teil in der axialen Richtung
bewegt wird, ist darunter eine Relativbewegung zu dem feststehenden
Teil zu verstehen. Dies bedeutet, dass im Laborsystem betrachtet
der drehbare Teil bewegt werden kann, der feststehende Teil bewegt
werden kann oder beide Teile bewegt werden können.
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Wenn
in dieser Beschreibung von einem Sensorgelenk die Rede ist, so ist
dieses Gelenk grundsätzlich auch dazu geeignet, andere
Gegenstände als einen Sensor zu drehen, z. B. ein Werkzeug
zum Bearbeiten eines Gegenstandes. Anstelle des Begriffs „Sensorgelenk” kann
daher auch der Begriff „Werkzeuggelenk” verwendet
werden, wobei unter „Werkzeug” auch ein Sensor
für ein Koordinatenmessgerät verstanden werden
kann.
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In
der ausgerückten Stellung des drehbaren Teils kann nun
eine andere Drehstellung eingestellt werden, indem der drehbare
Teil um die Drehachse gedreht wird. Anschließend kann der
drehbare Teil wieder eingerückt werden, wobei er eine andere Rastposition
als vorher einnimmt.
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DE 196 07 680 A1 beschreibt
ein solches Drehgelenk als Teil eines Gelenksondenkopfs zum Orientieren
einer Sonde relativ zu einem bewegbaren Arm einer Koordinatenmessmaschine.
Der Gelenksondenkopf umfasst eine Basis, durch welche der Kopf auf
dem Arm angebracht werden kann. Erste und zweite Rotoren, die hintereinander
an der Basis angebracht und relativ zur Basis bzw. zum ersten Rotor
um erste bzw. zweite senkrechte Achsen drehbar sind, sind Teil des
Kopfes. Die Rotoren sind in einer Vielzahl von wiederholbaren indizierten
Positionen in Eingriff bringbar, die sich in diskreten Winkelorientierungen
um die ersten bzw. zweiten Achsen befinden, und sie sind in axialer
Richtung in Eingriff bringbar und außer Eingriff bringbar
aus diesen Positionen, um eine Drehung in andere indizierte Positionen
zu ermöglichen. Ein Eingriff des Kopfes wird durch einen
Motor vorgenommen, der ein Seil zurückzieht. Das distale
Ende des Seils ist mit einem rechtwinkligen Verriegelungshebel auf
dem ersten Rotor verbunden, der geschwenkt wird, um den zweiten
Rotor in einer indizierten Position in Eingriff zu bringen, und
es hebt den ersten Rotor körperlich in Eingriff mit der
Basis. Die Spannung, mit welcher der Kopf verriegelt wird, ist durch
eine federvorgespannte Rolle bestimmt, um welche das Kabel herumgeführt
ist.
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Nachteilig
an der mechanischen Verriegelung sind Querkräfte, d. h.
Kräfte, die quer zur Drehachse wirken und es verhindern,
dass eine Drehstellung mit hoher Reproduzierungsgenauigkeit wieder eingestellt
werden kann.
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Neben
der Ausgestaltung der Lagerung im eingerasteten Zustand ist auch
die konstruktive Ausführung der Ein- und Ausrückmechanik
für die Reproduzierungsgenauigkeit entscheidend. Insbesondere können
Führungen, die die Bewegung des drehbaren Teils in der
axialen Richtung führen, zu unerwünschten Querkräften
beim Einrücken oder Ausrücken führen.
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Ein
weiterer Einflussfaktor, der die Reproduzierungsgenauigkeit beeinflusst,
ist die Handhabung der Drehbewegung des drehbaren Teils, wenn es ausgerückt
ist. Z. B. kann der drehbare Teil mit seiner Längsachse,
die im eingerückten Zustand mit der Drehachse zusammenfallen
soll, im ausgerückten Zustand relativ zu der Drehachse
verkippen. Wird der drehbare Teil in diesem verkippten Zustand wieder eingerückt,
kann der verkippte Zustand zumindest teilweise bestehen bleiben
und wird daher die gewünschte Drehstellung und Ausrichtung
nicht reproduziert. Ein Grund für das Verkippen kann das
Eigengewicht des drehbaren Teils mit dem daran angebrachten Sensor
sein. Je nach Ausrichtung der Längsachse im Raum wirkt
das Eigengewicht in unterschiedlicher Weise.
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Noch
ein weiterer Faktor, der die Reproduzierungsgenauigkeit beeinflusst,
ist durch den Antrieb gegeben, welcher den drehbaren Teil im ausgerückten
Zustand antreibt und damit dreht. Ähnlich wie das Eigengewicht
kann durch den Antrieb eine Verkippung der Längsachse des
drehbaren Teils relativ zu der Drehachse entstehen. Je nach Ausgestaltung der
Lagerung des drehbaren Teils im eingerückten Zustand kann
ein Positionsfehler auch dadurch bewirkt werden, dass die Längsachse
des drehbaren Teils gegenüber der Drehachse parallel versetzt
wird. Allerdings ist dies z. B. bei der oben beschriebenen Ausführungsform
mit zwei Zahnkränzen ein vernachlässigbarer Effekt.
Um den Einfluss des Antriebs auf die Reproduzierungsgenauigkeit
zu verringern, ist bereits vorgeschlagen worden, beim Drehen des drehbaren
Teils im ausgerückten Zustand möglichst geringe
Kräfte auszuüben und/oder den an dem drehbaren
Teil angreifenden Antrieb beim Einrücken des drehbaren
Teils von diesem abzukoppeln. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, absichtlich ein Spiel zwischen Antrieb und drehbarem
Teil vorzusehen, so dass geringere Zwangskräfte von dem
Antrieb auf den drehbaren Teil ausgeübt werden. In allen
diesen Fällen ist jedoch eine gewünschte Drehstellung
des drehbaren Teils mit geringerer Reproduzierungsgenauigkeit einstellbar
oder die reproduzierbar genau eingestellte Drehstellung kann beim
Einrückvorgang verändert werden. Im Ergebnis ist
wieder die Reproduzierbarkeit im eingerückten Zustand verschlechtert.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein rastendes Drehgelenk
anzugeben, bei dem zumindest eine Drehposition mit hoher Reproduzierungsgenauigkeit
wieder eingestellt werden kann.
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Gemäß einem
ersten Gedanken der vorliegenden Erfindung wird eine Haltekraft,
mit der der drehbare Teil in einer gewünschten Drehstellung
gehalten wird, durch eine Magnetkraft oder zumindest teilweise durch
eine Magnetkraft bewirkt. Vorzugsweise ist die Magnetkraft die einzige
aktiv aufgebrachte Haltekraft, d. h. die einzige Kraft, die von
dem Drehgelenk aufgebracht wird, mit Ausnahme der Gewichtskräfte
der beteiligten Teile des Drehgelenks. Insbesondere werden daher
vorzugsweise keine zusätzlichen mechanischen Spannkräfte
aufgebracht, um den drehbaren Teil in der gewünschten eingerückten
Position zu halten.
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Die
Magnetkraft wirkt vorzugsweise in der axialen Richtung, d. h. in
der Richtung der Drehachse, um die der drehbare Teil im ausgerückten
Zustand gedreht werden kann.
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Eine
in axialer Richtung wirkende Magnetkraft als Haltekraft hat den
Vorteil, dass sie keine Querkräfte, d. h. quer zu der Drehachse
wirkende Kräfte, auf den drehbaren Teil ausübt.
Drehstellungen des drehbaren Teils können daher mit hoher
Reproduzierungsgenauigkeit wieder eingestellt werden.
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Insbesondere
wird Folgendes vorgeschlagen: ein Sensorgelenk zum Drehen eines
Sensors, insbesondere eines Sensors zum Abtasten von Prüfobjekten
zur Erzeugen von Messsignalen eines Koordinatenmessgerätes,
wobei
- – das Sensorgelenk einen um
eine Drehachse drehbaren Teil aufweist, mit dem der Sensor verbindbar
oder verbunden ist,
- – das Sensorgelenk einen feststehenden Teil aufweist,
relativ zu dem der drehbare Teil um die Drehachse drehbar ist,
- – der feststehende Teil eine erste Arretierungseinrichtung
aufweist, mit der der drehbare Teil in jeweils einer von einer Mehrzahl
von diskreten vorgegebenen Drehstellungen in Eingriff gelangen kann
und hinsichtlich einer Drehbewegung arretiert ist, wenn der Eingriff
hergestellt ist,
- – der drehbare Teil relativ zu dem feststehenden Teil
in axialer Richtung der Drehachse beweglich ist, sodass eine Drehung
des drehbaren Teils um die Drehachse möglich ist, wenn
der drehbare Teil und die erste Arretierungseinrichtung nicht miteinander
in Eingriff sind und sodass eine Drehung des drehbaren Teils um
die Drehachse verhindert ist, wenn der drehbare Teil und die erste
Arretierungseinrichtung miteinander in Eingriff sind,
- – das Sensorgelenk eine erste magnetische Einrichtung
aufweist, die derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass eine
von der magnetischen Einrichtung erzeugte Magnetkraft in der axialen
Richtung auf den drehbaren Teil ausgeübt wird, die den
drehbaren Teil von einem unbeabsichtigten Verlassen der jeweils
eingestellten diskreten vorgegebenen Drehstellung abhält,
wenn der drehbare Teil mit der ersten Arretierungseinrichtung in Eingriff
ist.
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Unter
dem feststehenden Teil des Sensorgelenks wird insbesondere ein in
der axialen Richtung feststehender Teil verstanden. Zu dem feststehenden Teil
gehört daher auch z. B. ein Teil eines Antriebes zum Drehen
des drehbaren Teils im ausgerückten Zustand, wenn dieser
Teil des Antriebes zwar eine Drehbewegung um die Drehachse ausführen
kann, dabei aber in axialer Richtung nicht oder in vernachlässigbarer
Weise bewegt wird. Unter dem ausgerückten Zustand wird
der Zustand verstanden, in dem der drehbare Teil des Gelenks nicht
mit der ersten Arretierungseinrichtung in Eingriff ist. Z. B. ist
die erste Arretierungseinrichtung, wie oben beschrieben, mit einem
ersten Zahnkranz ausgestattet. An dem feststehenden Teil kann in
diesem Fall der oben erwähnte zweite Zahnkranz ausgestaltet
sein, der sich ebenfalls z. B. entlang einer Kreislinie koaxial
um die Drehachse herum erstreckt. Andere Ausgestaltungen, z. B.
mit einem Kugelkreis und Eingriffselementen, die eine in radialer
Richtung zur Drehachse ausgerichtete Zylinderachse aufweisen, sind
ebenfalls möglich. Unter dem eingerückten Zustand
wird der Zustand verstanden, in dem der drehbare Teil und die erste
Arretierungseinrichtung miteinander in Eingriff sind, so dass eine
Drehung des drehbaren Teils um die Drehachse verhindert ist.
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Ferner
wird ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors vorgeschlagen, insbesondere
eines Sensors zum Abtasten von Prüfobjekten zur Erzeugen
von Messsignalen eines Koordinatenmessgerätes, in einer
Mehrzahl von vorgegebenen Drehstellungen, wobei
- – der
Sensor mit einem drehbaren Teil eines Sensorgelenks verbunden wird
oder ist, wobei der drehbare Teil mit dem Sensor relativ zu einem feststehenden
Teil um eine Drehachse drehbar ist,
- – der feststehende Teil eine erste Arretierungseinrichtung
aufweist, mit der der drehbare Teil entsprechend einer gewünschten
Drehstellung in jeweils einer von einer Mehrzahl von diskreten vorgegebenen
Drehstellungen in Eingriff gelangt und hinsichtlich einer Drehbewegung
arretiert wird, wenn der Eingriff hergestellt wird,
- – um den Sensor in eine andere gewünschte Drehstellung
zu bringen, der drehbare Teil mit dem Sensor relativ zu dem feststehenden
Teil in axialer Richtung der Drehachse bewegt wird, sodass der drehbare
Teil und die erste Arretierungseinrichtung nicht mehr miteinander
in Eingriff sind,
- – der drehbare Teil mit dem Sensor relativ zu einem
feststehenden Teil um eine Drehachse in die andere gewünschte
Drehstellung gedreht wird,
- – der drehbare Teil mit dem Sensor relativ zu dem feststehenden
Teil in der axialen Richtung der Drehachse bewegt wird, sodass der
drehbare Teil und die erste Arretierungseinrichtung wieder miteinander
in Eingriff gelangen, sodass eine Drehung des drehbaren Teils um
die Drehachse aus der anderen gewünschte Drehstellung verhindert ist,
- – eine in der axialen Richtung wirkende erste Magnetkraft
auf den drehbaren Teil ausgeübt wird, die den drehbaren
Teil von einem unbeabsichtigten Verlassen der jeweils eingestellten
Drehstellung abhält, wenn der drehbare Teil mit der ersten Arretierungseinrichtung
in Eingriff ist.
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Wenn
im Folgenden Ausgestaltungen des Drehgelenks beschrieben werden,
so bezieht sich die Beschreibung entsprechend auch auf Ausgestaltungen
des Verfahrens zum Betreiben eines Sensors (bzw. allgemeiner ein
Verfahren zum Betreiben eines an dem Drehgelenk angebrachten Gegenstandes). Im Übrigen
ergeben sich Ausgestaltungen des Verfahrens auch aus den abhängigen
Verfahrensansprüchen, die dieser Beschreibung beigefügt
sind.
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Insbesondere
wenn der Bereich des Sensorgelenks, in dem die von der ersten magnetischen Einrichtung
erzeugte Magnetkraft (erste Magnetkraft) zwischen dem feststehenden
Teil und dem drehbaren Teil wirkt (Magnetkraftbereich), zumindest
teilweise ein anderer Bereich ist als der Bereich, in dem der feststehende
Teil und der drehbare Teil im eingerückten Zustand miteinander
im Eingriff sind (Eingriffsbereich), wird folgende Ausführungsform
bevorzugt: Die erste magnetische Einrichtung, die die erste Magnetkraft
erzeugt, mit der der drehbare Teil in Eingriff mit der ersten Arretierungseinrichtung
gehalten wird, hält im eingerückten Zustand einen
Luftspalt zwischen den Teilen der ersten magnetischen Einrichtung
aufrecht, der durch die Bewegung des drehbaren Teils in der axialen
Richtung nicht geschlossen wird. Der Luftspalt befindet sich aber
insbesondere nicht im Eingriffsbereich. Anders ausgedrückt
wird bevorzugt, dass die erste magnetische Einrichtung aus einem
ersten Teil und einem zweiten Teil besteht, wobei der erste Teil
in der axialen Richtung feststehend ist und der zweite Teil als
Bereich des drehbaren Teils des Sensorgelenks ausgestaltet ist und
wobei das Sensorgelenk derart ausgestaltet ist, dass zwischen dem
ersten Teil und dem zweiten Teil in axialer Richtung ein Spalt verbleibt
(insbesondere aber nicht im Eingriffsbereich), wenn der drehbare
Teil und die erste Arretierungseinrichtung miteinander in Eingriff
sind.
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Bei
dem Bereich des drehbaren Teils, der der zweite Teil der magnetischen
Einrichtung ist, kann es sich auch um das gesamte drehbare Teil
handeln, d. h. das gesamte drehbare Teil kann aus einem magnetisierbaren
Material, z. B. einem ferromagnetischen Material, bestehen. Bevorzugt
jedoch wird, dass der Bereich des drehbaren Teils einen Magneten
aufweist, der eine Magnetkraft erzeugt. In diesem Fall handelt es
sich vorzugsweise lediglich um einen Teilbereich des drehbaren Teils,
d. h. nicht der gesamte drehbare Teil ist aus einem magnetischen
Material, welches permanent magnetisiert ist.
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Insbesondere
ist es möglich, dass sowohl der erste Teil als auch der
zweite Teil der ersten magnetischen Einrichtung einen Permanentmagneten aufweisen.
Bevorzugt wird jedoch, dass lediglich der drehbare Teil einen Bereich
aufweist, der einen Permanentmagneten aufweist, und dass der feststehende
Teil lediglich ein magnetisierbares Material aufweist, das jedoch
nicht die Quelle der Magnetkraft ist, welche den drehbaren Teil
im eingerückten Zustand hält. Optional kann zusätzlich,
vorzugsweise als Teil des feststehenden Teils, zumindest ein Elektromagnet
vorgesehen sein, der die Haltekraft zum Halten des drehbaren Teils
im eingerückten Zustand verstärken kann. Hierauf
wird noch näher eingegangen. Dieser zumindest eine Elektromagnet
dient primär aber nicht der Erzeugung einer Haltekraft,
sondern dazu, den drehbaren Teil aus dem ausgerückten Zustand
in den eingerückten Zustand zu bringen und/oder umgekehrt.
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Auf
die bevorzugte Ausführungsform der ersten magnetischen
Einrichtung mit zumindest einem Permanentmagneten wurde bereits
eingegangen. Dieser Permanentmagnet kann jedoch auch lediglich Teil
des feststehenden Teils des Drehgelenks sein. Permanentmagneten
haben gegenüber Elektromagneten den Vorteil, dass beim
Erzeugen der Magnetkraft keine Wärme durch den Betrieb
von elektromagnetischen Spulen entsteht. Solche Wärme kann, wenn
sie über einen längeren Zeitraum hinweg kontinuierlich
erzeugt wird, zu einer Erwärmung von Teilen des Drehgelenks
führen, so dass aufgrund der thermischen Ausdehnung die
Reproduzierbarkeit bei der Einstellung von vorgegebenen Drehstellungen verschlechtert
wird. Daher wird ein Elektromagnet vorzugsweise lediglich für
das Einrücken und/oder Ausrücken des drehbaren
Teils genutzt, nicht aber für die Haltekraft.
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Gemäß einem
weiteren Gedanken der vorliegenden Erfindung, der auch ohne den
ersten Gedanken bei einem Drehgelenk realisiert werden kann, wird
der drehbare Teil in der axialen Richtung von einer Halteeinrichtung
gehalten, wenn der drehbare Teil und die erste Arretierungseinrichtung
nicht miteinander in Eingriff sind, d. h. wenn sich der drehbare Teil
im ausgerückten Zustand befindet. Dabei weist die Halteeinrichtung
vorzugsweise eine zweite magnetische Einrichtung auf, die derart
ausgestaltet und angeordnet ist, dass eine von der zweiten magnetischen
Einrichtung erzeugte Magnetkraft in der axialen Richtung auf den
drehbaren Teil ausgeübt wird, die eine unbeabsichtigte
Bewegung des drehbaren Teils in der axialen Richtung und damit ein
unbeabsichtigtes Arretieren des drehbaren Teils durch die erste
Arretierungseinrichtung verhindert, wenn der drehbare Teil nicht
mit der ersten Arretierungseinrichtung in Eingriff ist.
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Z.
B. besteht die zweite magnetische Einrichtung aus einem ersten Teil
und einem zweiten Teil, wobei der erste Teil in der axialen Richtung
feststehend ist und der zweite Teil als Bereich des drehbaren Teils
des Drehgelenks ausgestaltet ist, wobei das Drehgelenk derart ausgestaltet
ist, dass der drehbare Teil nicht mit dem ersten Teil der zweiten
magnetischen Einrichtung in mechanischem Kontakt ist, wenn der drehbare
Teil um die Drehachse gedreht wird.
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Insbesondere
kann ein Bereich des drehbaren Teils sowohl ein Teil der ersten
magnetischen Einrichtung als auch ein Teil der zweiten magnetischen
Einrichtung sein. Diese Ausgestaltungsvariante wird besonders bevorzugt,
da auf diese Weise die Anzahl der Bauteile und damit auch das Bauvolumen reduziert
werden können. Der Bereich des drehbaren Teils ist dabei
vorzugsweise in der axialen Richtung zwischen Teilen der ersten
und der zweiten magnetischen Einrichtung angeordnet, wobei es sich
bei diesen Teilen der ersten und der zweiten magnetischen Einrichtung
um in axialer Richtung feststehende Teile handelt. Anders ausgedrückt
kann sich zum Einrücken und Ausrücken des drehbaren
Teils der genannte Bereich des drehbaren Teils, welcher Teil der
Magneteinrichtungen ist, in axialer Richtung zwischen den genannten
Teilen der ersten und zweiten magnetischen Einrichtung hin- und
herbewegen.
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Insbesondere
bei einer derartigen Ausgestaltung weist das Drehgelenk zumindest
einen Elektromagneten auf, wobei durch Betätigung des Elektromagneten
die von der ersten magnetischen Einrichtung erzeugte Magnetkraft
zumindest teilweise kompensiert oder verstärkt wird, sodass
der drehbare Teil in der axialen Richtung bewegt wird und aus dem
Eingriff mit der ersten Arretierungseinrichtung gelangt oder in
den Eingriff mit der ersten Arretierungseinrichtung gelangt, und/oder
durch Betätigung des Elektromagneten bewirkt wird, dass
der drehbare Teil in der axialen Richtung bewegt wird und daher von der
Halteeinrichtung gehalten wird oder nicht mehr von der Halteeinrichtung
gehalten wird.
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Eine
derartige Ausgestaltung kann als eine bistabile Halteanordnung bezeichnet
werden. Stabile Zustände nimmt der drehbare Teil im eingerückten und
ausgerückten Zustand ein, d. h. in den stabilen Zuständen
ist jeweils die Magnetkraft der anderen Magneteinrichtung nicht
dazu in der Lage, eine Bewegung des drehbaren Teils in axialer Richtung
zu bewirken, da die jeweils andere Magneteinrichtung eine stärkere
Magnetkraft auf den drehbaren Teil ausübt. Durch Betätigung
des Elektromagneten oder mehrerer Elektromagneten kann eine zusätzliche Kraft
erzeugt werden, die den jeweils eingenommenen stabilen Zustand instabilisiert,
so dass sich der drehbare Teil in den anderen stabilen Zustand bewegt.
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Vorzugsweise
wird der zumindest eine Elektromagnet dabei so gesteuert, dass ein
hartes Anschlagen des drehbaren Teils beim Erreichen einer oder
beider stabiler Positionen vermieden wird. Hierzu wird die von dem
zumindest einen Elektromagneten erzeugte zusätzliche Magnetkraft
so eingestellt und/oder im Laufe der Bewegung des drehbaren Teils
in der axialen Richtung verändert, dass das harte Anschlagen
vermieden wird. Insbesondere kann die resultierende elektromagnetische
Kraft die Magnetkraft von Permanentmagneten, die eine Bewegung des
drehbaren Teils in der axialen Richtung verursacht, im Laufe der
Bewegung zunehmend kompensieren.
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Alternativ
oder zusätzlich kann das harte Anschlagen durch zumindest
ein mechanisches Dämpfungselement, z. B. einer Öldruckfeder
mit Kolben und Zylinder, vermieden werden.
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Die
insbesondere als zweite magnetische Einrichtung ausgestaltete Halteeinrichtung
zum Halten des drehbaren Teils, wenn dieser mit der ersten Arretierungseinrichtung
nicht im Engriff ist, hat den Vorteil, dass der drehbare Teil nicht
unbeabsichtigt wieder in Eingriff mit der ersten Arretierungseinrichtung
gelangt. Ferner wird der drehbare Teil im ausgerückten
Zustand stabilisiert und damit die Reproduzierungsgenauigkeit für
das Wiedererreichen von Drehstellungen erhöht.
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Gemäß einem
weiteren, dritten Gedanken der vorliegenden Erfindung, der unabhängig
von dem ersten und zweiten Gedanken realisiert werden kann, weist
das Sensorgelenk einen Antriebsteil auf, der angetrieben durch eine
Antriebseinrichtung drehbar um die Drehachse ist, wobei der drehbare
Teil durch eine Bewegung in der axialen Richtung derart in mechanischen
Kontakt zu dem Antriebsteil bringbar ist, dass der Antriebsteil
den drehbaren Teil bei einer Drehbewegung um die Drehachse mitnimmt.
Vorzugsweise weist der Antriebsteil eine zweite Arretierungseinrichtung
auf, mit der der drehbare Teil in zumindest einer relativ zu dem
Antriebsteil vorgegebenen Drehstellung in Eingriff gelangen kann,
so dass der Antriebsteil den drehbaren Teil bei einer Drehbewegung
um die Drehachse mitnimmt, wenn der drehbare Teil und die zweite
Arretierungseinrichtung miteinander in Eingriff sind.
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Ein
solches Antriebsteil hat den Vorteil, dass er eine definierte Lagerung
ohne Querkräfte quer zur Drehachse ermöglicht,
d. h. den drehbaren Teil definiert lagert, während der
drehbare Teil in der gewünschten Weise um die Drehachse
gedreht wird. Die oben genannten Verkippungen der Längsachse des
drehbaren Teils können daher vermieden werden.
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Wenn
in axialer Richtung ein Luftspalt zwischen Teilen der zweiten Magneteinrichtung
verbleibt, werden Querkräfte vermieden, die ansonsten von
der zweiten Magneteinrichtung auf den drehbaren Teil ausgeübt
werden könnten.
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Die
erste magnetische Kraft, die in axialer Richtung auf den drehbaren
Teil ausgeübt wird, wird vorzugsweise nicht lediglich dann
aufgebracht, wenn der drehbare Teil des Drehgelenks bereits in Eingriff mit
der ersten Arretierungseinrichtung ist. Vielmehr wird, wie es insbesondere
bei einem Permanentmagneten der Fall ist, die erste Magnetkraft
auch dazu genutzt, den drehbaren Teil mit der ersten Arretierungseinrichtung
in Eingriff zu bringen, d. h. den drehbaren Teil einzurücken.
Da die erste Magnetkraft in der axialen Richtung wirkt, entstehen
durch die erste magnetische Einrichtung keine Querkräfte,
die die Reproduzierbarkeit bei der Einstellung von Drehpositionen
des drehbaren Teils verschlechtern könnten.
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Ferner
wird bevorzugt, dass der drehbare Teil beim Einrücken und/oder
Ausrücken, d. h. bei seiner Bewegung in der axialen Richtung,
geführt wird. Dabei ist die Führung vorzugsweise
so ausgestaltet, dass keine Querkräfte auf den drehbaren
Teil ausgeübt werden. Vorzugsweise ist die Führung
rotationssymmetrisch zu der Drehachse ausgestaltet. Ferner wird
bevorzugt, dass die Führung in der Querrichtung, d. h.
quer zur Drehachse, kein Spiel aufweist.
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Z.
B. weist das drehbare Element einen Bereich auf, der sich entlang
der Drehachse erstreckt und in eine Ausnehmung (z. B. eine Durchgangsbohrung)
in dem feststehenden Teil eingreift, so dass die Bewegung des drehbaren
Teils in der axialen Richtung geführt ist. Insbesondere
kann sich der Bereich des drehbaren Teils, der sich durch die Ausnehmung in
dem feststehenden Teil erstreckt, durch diesen hindurch erstrecken
bis zu einem weiteren Bereich des drehbaren Teils, der Teil der
ersten und/oder zweiten magnetischen Einrichtung ist. Z. B. kann
dieser magnetische Bereich oder magnetisierbare Bereich der oben
beschriebene Teil einer bistabilen Magnetanordnung sein.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
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1 schematisch
einen Längsschnitt durch eine besonders bevorzugte Ausführungsform
eines Drehgelenks, wobei sich der drehbare Teil im eingerasteten
Zustand bzw. im eingerückten Zustand befindet,
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2 einen
Längsschnitt durch das in 1 dargestellte
Drehgelenk, wobei sich der drehbare Teil im ausgerasteten, d. h.
ausgerückten Zustand befindet,
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3 einen
nicht maßstäblichen Querschnitt durch das in 1 und 2 dargestellte
Drehgelenk entlang der Linie III-III in 2, und
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4 schematisch
einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform
eines Drehgelenks.
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1 zeigt
schematisch ein Drehgelenk 1 mit einem drehbaren Teil 2 und
einem feststehenden Teil 3. Der drehbare Teil 2 ist
um eine Drehachse 5 drehbar, wenn sich der drehbare Teil 2 wie
in 2 dargestellt im ausgerückten Zustand
befindet.
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Im
eingerückten Zustand des drehbaren Teils 2 ist
dieser über eine Verzahnung oder andere Arretierungseinrichtung
mit dem feststehenden Teil in Eingriff. 1 zeigt
das Ausführungsbeispiel einer Verzahnung 7. Wie
aus 2 schematisch erkennbar ist, ist als erster Teil
der Verzahnung 7 an dem drehbaren Teil 2 ein erster
Zahnkranz 7a ausgebildet. An dem feststehenden Teil 3 ist
als zweiter Teil der Verzahnung 7 ein zweiter Zahnkranz 7b ausgebildet. Beim
Einrücken gelangen die Zähne der Zahnkränze 7a, 7b miteinander
in Eingriff, wobei sich im eingerückten Zustand Zähne
der Zahnkränze 7a, 7b in Ausnehmungen
zwischen den Zähnen des jeweils anderen Zahnkranzes in
Eingriff befinden. Andere Ausgestaltungen einer Arretierungseinrichtung
sind bei der in 1 und 2 dargestellten
Ausführungsform alternativ möglich.
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Mit
dem drehbaren Teil 2 ist über nicht näher dargestellte
Mittel zumindest ein Sensor oder ein Werkzeug verbunden, der bzw.
das um die Drehachse 5 gedreht werden soll. Der feststehende
Teil 3 kann über nicht näher dargestellte
Mittel befestigt werden, insbesondere an einem Koordinatenmessgerät
oder einer Werkzeugmaschine befestigt werden. Z. B. wird der feststehende
Teil 3 mit einem beweglichen Arm oder einer Pinole eines
Koordinatenmessgeräts verbunden.
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Der
drehbare Teil 2 weist an einer in 1 und 2 nach
unten weisenden Außenseite einen Block 8 auf,
der z. B. als Zylinderscheibe ausgeführt ist. In der axialen
Richtung der Drehachse 5 und rotationssymmetrisch zu dieser
erstreckt sich ausgehend von dem Block 8 eine Welle 9,
die drehfest mit dem Block 8 verbunden ist, in das Innere
des Drehgelenks 1 hinein. An dem von dem Block 8 aus
gesehen gegenüberliegenden Ende der Welle 9 ist
eine (insbesondere rotationssymmetrisch geformte) Scheibe 11 drehfest
mit der Welle 9 verbunden.
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In
dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 weist
die Scheibe 11 eine Anordnung von Permanentmagneten 13 auf.
Dabei ist eine Mehrzahl der Permanentmagneten 13 ringförmig
um die Drehachse 5 verteilt in der Scheibe 11 angeordnet.
Die magnetischen Pole der Permanentmagneten 13 sind alle in
gleicher Weise so ausgerichtet, dass entweder die Nordpole in radialer
Richtung, bezogen auf die Drehachse 5, außen liegen
und die Südpole innen liegen oder umgekehrt. Auf diese
Weise erhält man eine Magneteinrichtung in der Scheibe 11,
die radial polarisiert ist.
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Aus
Sicht der Welle 9 an der in der axialen Richtung der Drehachse 5 gegenüberliegenden
Seite der Scheibe 11 ist ein Bereich 15 des feststehenden Teils 3 angeordnet.
In das als magnetisches Flussführungsmaterial (z. B. ein
Ferrit) ausgestaltete Material dieses Bereichs 15 ist ein
Elektromagnet oder eine Anordnung von Elektromagneten 17 eingelassen.
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1 zeigt
den eingerückten Zustand des drehbaren Teils 2.
In diesem Zustand liegt die Scheibe 11 zwar nicht an dem
Bereich 15 an. Zwischen dem Bereich 15 und der
Scheibe 11 befindet sich aber ein geringerer Zwischenraum
(Luftspalt) als im ausgerückten Zustand, der in 2 dargestellt
ist. Im eingerückten Zustand hält die von dem
Permanentmagneten 13 erzeugte Magnetkraft den drehbaren Teil 2 in
der in 1 dargestellten eingerückten Position.
Obwohl die Magneteinrichtung, die durch die Permanentmagnete 13 gebildet
wird, radial polarisiert ist, wird zwischen dem Bereich 15 und
der Scheibe 11 eine in der axialen Richtung wirkende Magnetkraft
erzeugt. Die Magnetfeldlinien verlaufen zwar unmittelbar an der
in radialer Richtung nach außen weisenden Oberfläche
der Permanentmagnete 13 radial nach außen. Sie
sind jedoch in ihrem weiteren Verlauf stark gekrümmt und
führen annähernd senkrecht zu der Oberfläche
des Bereichs 15 in axialer Richtung in den Bereich 15 hinein.
Entsprechendes gilt für die Feldlinien innerhalb des Rings
der Permanentmagnete 13.
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Allgemeiner
formuliert handelt es sich bei dem Material des Bereichs 15 um
ein magnetisierbares Material und weist der drehbare Teil des Drehgelenks
in dem Ausführungsbeispiel zumindest einen Permanentmagneten
auf, so dass die von dem zumindest einen Permanentmagneten erzeugte
Magnetkraft in der axialen Richtung der Drehachse wirkt und den
drehbaren Teil im eingerückten Zustand festhält.
Ein vorzugsweise verbleibender Luftspalt zwischen dem Bereich des
drehbaren Teils, der den zumindest einen Permanentmagneten aufweist,
und dem Bereich des feststehenden Teils, der das magnetisierbare
Material aufweist, führt dazu, dass die Drehstellung des
drehbaren Teils durch die Arretierungseinrichtung definiert wird
und vorzugsweise in axialer Richtung keine weiteren mechanischen
Berührungsstellen zwischen dem drehbaren Teil und dem feststehenden
Teil existieren als an der Arretierungseinrichtung. Daher ist die
jeweilige Drehstellung reproduzierbar mit hoher Genauigkeit einstellbar.
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Der
feststehende Teil 3 weist in der in 1 und 2 dargestellten
Ausführungsform eine im Wesentlichen hohlzylindrische Form
auf. Im Innern des Hohlzylinders befindet sich die Welle 9 und
befindet sich auch die Scheibe 11 des drehbaren Teils 2, d.
h. die Welle 9 und die Scheibe 11 erstrecken sich von
der Außenseite (unten in 1 und 2)
des Drehgelenks 1 in das Innere des Hohlzylinders hinein.
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Außerdem
befindet sich im Inneren des Hohlzylinders jedoch noch ein im Wesentlichen scheibenförmiges
Antriebselement 19, das eine Durchgangsbohrung 20 aufweist,
durch welche sich die Welle 9 hindurcherstreckt. Das Antriebselement 19 dient
dem Antrieb des drehbaren Teils 2 in der ausgerückten
Position, die in 2 dargestellt ist. In diesem
Zustand ist die Scheibe 11 bzw. zumindest ein mit der Scheibe 11 verbundenes
Eingriffselement 21 in Eingriff mit dem Antriebselement 19 bzw.
mit entsprechenden Mitteln des Antriebselements 19.
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Im
Ausführungsbeispiel wird der Eingriff der Scheibe 11 mit
dem Antriebselement 19 dadurch erzielt, dass sich eine
Mehrzahl (z. B. 3 Stück) von Eingriffselementen 21 radial
an einer Außenseite der Scheibe 11 nach außen
erstreckt und in gleichem Abstand zu der Drehachse 5 an
dem Antriebselement 19 entsprechende Mittel (hier z. B.
Kugelpaare 23) befestigt sind, so dass die Eingriffselemente 21 im ausgerückten
Zustand des drehbaren Teils mit den Mitteln des Antriebselements 19 in
Eingriff gelangen. Der Eingriff bewirkt, dass eine Drehbewegung
des Antriebselements 19 um die Drehachse 5 eine
Drehbewegung der Scheibe 11 und damit des gesamten drehbaren
Teils 2 bewirkt, da das Antriebselement 19 die
Scheibe 11 mitnimmt. Dabei ist die Drehposition der Scheibe 11 und
des Antriebselements 19 relativ zueinander durch die zwischen
den beiden Teilen ausgebildete zweite Arretierungseinrichtung (die
in dem Ausführungsbeispiel durch die Eingriffselemente 21 und
die Kugelpaare 23 gebildet ist) exakt definiert und damit
vorgegeben. Außerdem wird die Arretierung zwischen der
Scheibe 11 und dem Antriebselement 19 durch eine
Bewegung des drehbaren Teils 2 ausschließlich
in axialer Richtung erreicht. Ferner ist die Arretierungseinrichtung
zwischen der Scheibe 11 und dem Antriebselement 19 so
ausgestaltet, dass durch die Bewegung des drehbaren Teils 2 in der
axialen Richtung ein mechanischer Kontakt an mehreren Stellen um
die Drehachse 5 herum verteilt erzielt wird. An diesen
mehreren Stellen wird der Kontakt durch die Bewegung in der axialen
Richtung gleichzeitig erreicht. An allen diesen Kontaktstellen findet
der Kontakt durch einen Eingriff statt, der die Übertragung
von Drehmomenten von dem Antriebselement 19 auf die Scheibe 11 erlaubt.
Aus diesen Gründen treten weder bei der Herstellung des
Eingriffs noch bei der Drehbewegung um die Drehachse 5 Querkräfte
auf, die zu einer Verkippung der Längsachse des drehbaren
Teils 2 (um die Längsachse ist der drehbare Teil 2 im
Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgestaltet) relativ zu der Drehachse 5 führen könnten.
Auch der nachfolgende Prozess des Wiedereinrückens des
drehbaren Teils 2, d. h. das Lösen der zweiten
Arretierungseinrichtung zwischen der Scheibe 11 und dem
Antriebselement 19, führt nicht zu solchen Querkräften.
Daher können verschiedene Drehstellungen des drehbaren
Teils 2 mit sehr hoher Reproduzierungsgenauigkeit wieder
eingestellt werden.
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Das
Antriebselement 19 ist, wie durch Lagerteile 25 zwischen
dem Antriebselement 19 und der Hohlzylinderwand des feststehenden
Teils 3 schematisch angedeutet, drehbeweglich um die Drehachse 5 gelagert.
Dabei kann das Antriebselement 19 dennoch als Bereich des
feststehenden Teils angesehen werden, da das Antriebselement 19 nicht
in der axialen Richtung beweglich ist, sondern lediglich drehbeweglich
ist.
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Links
oben in der schematischen Darstellung der 1 und 2 ist
ein Motor 28 dargestellt, der über eine Antriebswelle 29 und
ein drehfest mit der Antriebswelle 29 verbundenes Zahnrad 30 die
Scheibe 19 antreibt, um sie um die Drehachse 5 zu
drehen. Bei der Ausführungsform der 1 und 2 können
jedoch alternativ andere Antriebsarten vorgesehen sein. Die dargestellte
Antriebsart hat den Vorteil, dass die Scheibe 19 an ihrem
Außenumfang drehbar gelagert ist und der nicht koaxial
zu der Drehachse 5 wirkende Antrieb daher nicht oder lediglich
geringfügig zu einer Verkippung der Scheibe 19 relativ
zu der Drehachse 5 führt. Auch ist der Motor entfernt
von dem drehbaren Teil 2 und der Scheibe 19 angeordnet,
so dass die von dem Motor produzierte Wärme allenfalls
geringfügig zu einer Erwärmung der Teile führt,
die für die reproduzierbare Einstellung von Drehstellungen
entscheidend sind, d. h. der drehbare Teil 2 selbst und
die Scheibe 19. Auch die erste Arretierungseinrichtung 7 liegt
entfernt von dem Motor 28.
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Das
Antriebselement, hier in Form der Scheibe 19, hat jedoch
noch eine weitere Funktion. Da das Antriebselement zumindest teilweise
aus magnetisierbarem Material besteht und die Scheibe 11 zumindest
einen Permanentmagneten aufweist, übt die Scheibe 11 auf
das Antriebselement 19 eine anziehende, in axialer Richtung
wirkende Magnetkraft aus, die den drehbaren Teil 2 in axialer
Richtung in einen Zustand zu bringen versucht, in dem der drehbare Teil 2 aus
der ersten Arretierungseinrichtung 7 ausgerückt
ist. Solange sich jedoch die Scheibe 11 nahe an dem Bereich 15 befindet,
ist die zwischen dem Bereich 15 und der Scheibe 11 wirkende
Magnetkraft stärker. Durch Betätigung des Elektromagneten 17 kann
jedoch die Magnetkraft zwischen dem Bereich 15 und der
Scheibe 11 geschwächt oder sogar umgekehrt werden,
so dass insgesamt auf die Scheibe 11 Magnetkräfte
wirken, die den drehbaren Teil 2 aus der ersten Arretierungseinrichtung 7 ausrücken.
Dadurch gelangt die Scheibe 11 über die zweite
Arretierungseinrichtung 21, 23 oder eine alternative
Arretierungseinrichtung in Eingriff mit dem Antriebselement 19.
Dieser Zustand ist in 2 dargestellt. Auch in diesem
Zustand verbleibt vorzugsweise ein Luftspalt 31a zwischen
der Scheibe 11 und dem Antriebselement 19, obwohl
zwischen diesen beiden Teilen eine weiterhin anziehende Magnetkraft
wirkt.
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Wenn
der ausgerückte Zustand erreicht ist und die zweite Arretierungseinrichtung
in Eingriff ist, ist der Elektromagnet 17 wieder abgeschaltet.
Der Elektromagnet 17 kann bereits dann abgeschaltet werden,
wenn die anziehende Magnetkraft zwischen der Scheibe 11 und
dem Antriebselement 19 größer ist als
die anziehende Magnetkraft zwischen dem Bereich 15 und
der Scheibe 11.
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Um
den drehbaren Teil 2 wieder in die erste Arretierungseinrichtung 7 einzurücken,
wird der Elektromagnet 17 mit umgekehrter Stromrichtung
bestromt, so dass er eine zwischen dem Bereich 15 und der
Scheibe 11 wirkende anziehende Magnetkraft in axialer Richtung
erzeugt. Hierdurch entsteht eine Situation, in der die insgesamt
auf die Scheibe 11 wirkende, resultierende Magnetkraft
in Richtung des Bereichs 15 gerichtet ist, so dass die
Scheibe 11 außer Eingriff mit dem Antriebselement 19 gelangt,
d. h. aus der zweiten Arretierungseinrichtung ausrückt
und die erste Arretierungseinrichtung 7 eingerückt
wird. Wie bereits erwähnt, verbleibt in dem vollständig
eingerückten Zustand der ersten Arretierungseinrichtung 7 ebenfalls
ein Luftspalt 31b zwischen der Scheibe 11 und
dem Bereich 15.
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3 zeigt
einen Schnitt in einer Ebene senkrecht zur Bildebene der 2 entlang
der Linie III-III, wobei jedoch in 3 lediglich
die Scheibe 11 und mit ihr verbundene oder von ihr kontaktierte
Teile dargestellt sind. Man erkennt auf einer um die Drehachse 5 konzentrisch
verlaufende Kreislinie angeordnete Vielzahl von Kugeln 41,
die in die der Scheibe 11 zugewandten Oberfläche
des Antriebselements 19 eingelassen sind. Alternativ könnten
auch lediglich Kugelpaare 23, wie bereits anhand von 2 beschrieben,
an bestimmten Stellen der Kreislinie an der Oberfläche
des Antriebselements 19 vorgesehen sein. In diesem Fall
ist zu gewährleisten, dass das Antriebselement nicht verdreht
wird, während sich der drehbare Teil 2 im eingerückten
Zustand der ersten Arretierungseinrichtung 7 befindet.
Andernfalls würde beim Ausrücken des drehbaren
Teils 2 die Scheibe 19 nicht zuverlässig
in Eingriff mit dem Antriebselement 19 gelangen.
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Als
Eingriffselement zum Eingreifen in den Zwischenraum zwischen jeweils
zwei Kugeln 41 sind am Außenumfang der Scheibe 11 mehrere
zylindrisch geformte Vorsprünge 21 befestigt.
Im Ausführungsbeispiel beträgt der Winkelabstand,
gemessen um die Drehachse 5, zwischen den Vorsprüngen 21 jeweils
120°.
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Anders
als in 3 dargestellt und wie in 1 und 2 angedeutet,
kann das Antriebselement 19 topfartig ausgestaltet sein,
wobei sich die Seitenwände des Topfes ausgehend von der
Ebenen der Drehlagerung 25 in axialer Richtung in Richtung des
Motors 28 erstrecken. In diesem Fall weist das Antriebselement 19 an
drei Stellen (oder alternativ an mehr als drei Stellen) jeweils
eine Ausnehmung 37 in der Topfwand 35 auf, in
die jeweils eines der Eingriffselemente 21 eingreift. Im
ausgerückten Zustand der ersten Arretierungseinrichtung 7 befinden
sich die Eingriffelemente 21 dabei in Eingriff mit einem
Kugelpaar 23. Im eingerückten Zustand der Arretierungseinrichtung 7 sind
diese Eingriffselemente 21 nicht in Eingriff mit einem
Kugelpaar 23.
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Es
soll hier nochmals betont werden, dass die zweite Arretierungseinrichtung
mit Kugelpaaren oder einem Kugelkreis und entsprechend geformten Eingriffselementen
lediglich ein Ausführungsbeispiel für eine Arretierungseinrichtung
zum Arretieren der Drehposition relativ zu dem Antriebselement ist. Auch
kann diese Arretierungseinrichtung anders ausgestaltet sein, z.
B. zwei Zahnkränze aufweisend, die miteinander in Eingriff
oder außer Eingriff gebracht werden durch eine Bewegung
in axialer Richtung.
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Eine
alternative Ausführungsform eines Drehgelenks ist in 4 dargestellt,
die wiederum einen schematischen Längsschnitt zeigt. Gleiche
und funktionsgleiche Teile sind mit denselben Bezugszeichen wie
in 1 und 2 bezeichnet. Dabei können
dieselben alternativen Ausgestaltungen vorgenommen werden, die bereits
anhand von 1 und 2 sowie
anhand von 3 beschrieben wurden. Im Folgenden
wird auf die Unterschiede zu der Ausgestaltung gemäß 1 und 2 eingegangen. Der
drehbare Teil 2, der sich in der Darstellung der 4 in
dem aus der ersten Arretierungseinrichtung 7 ausgerückten
Zustand befindet, ragt nicht mit einer Welle 9, sondern
mit einem in radialem Abstand zu der Drehachse 5 angeordneten
hohlzylindrischen Bereich 51 in den durch den festen Teil 3 definierten Innenraum
des Gelenks hinein. An dem von dem Block 8 entfernt gelegenen
Ende weist der hohlzylindrische Bereich einen plattenförmigen,
annähernd kreisförmigen Bereich 53 auf,
der jedoch in der Mitte koaxial zu der Drehachse eine Durchgangsöffnung 55 aufweist.
Durch diese Durchgangsöffnung 55 hindurch erstreckt
sich eine Welle 59 in axialer Richtung bis zu einem kreisscheibenförmigen
Antriebselement 61, das mit der Welle 59 drehfest
verbunden ist. Das Antriebselement 61 befindet sich somit
in dem Innenraum des hohlzylindrischen Bereichs 51.
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In
dem in 4 dargestellten Zustand ist das Antriebselement 61 über
eine zweite Arretierungseinrichtung 21, 23, die
wiederum z. B. mit Kugelpaaren 23 an dem einen Teil und
Eingriffselementen 21 an dem anderen Teil ausgestaltet
ist, in Eingriff mit dem Bereich 53 des drehbaren Teils 2.
Gelangt der drehbare Teil 2 aber durch eine axiale Bewegung
in die eingerückte Stellung der ersten Arretierungseinrichtung 7,
besteht der Eingriff zwischen dem Antriebselement 61 und
dem Bereich 53 nicht mehr.
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Diese
Ausführungsform verdeutlicht, dass es gegenüber
der Ausführungsform von 1 und 2 grundsätzlich
andere Gestaltungsmöglichkeiten hinsichtlich der Form des
Antriebselements und des drehbaren Teils gibt. Ferner können
auch die Magneteinrichtungen anders gestaltet werden, obwohl es
sich wiederum um eine insgesamt bistabile Magnetanordnung handeln
kann, bei der sowohl der eingerückte als auch der ausgerückte
Zustand der ersten Arretierungseinrichtung 7 mechanisch
stabil ist. Hierzu weist das Antriebselement 61 z. B. einen
Elektromagneten 67 auf, ist aber sonst aus magnetisierbarem,
aber nicht dauermagnetischem Material. In dem Block 8 befindet
sich an der zu dem Antriebselement 61 weisenden Oberfläche
ein Permanentmagnet 71. Ferner befinden sich Permanentmagneten 73 in
dem Bereich 53 des drehbaren Teils 2. Wie erwähnt
sind die Magnetkräfte aller beteiligten Permanentmagnete 71, 73 sowie
die Magnetisierbarkeit des Antriebselements 61 so ausgestaltet,
dass sowohl der eingerückte Zustand als auch der ausgerückte
Zustand der ersten Arretierungseinrichtung 7 stabil ist,
und zwar bezüglich einer axialen Bewegung des drehbaren
Teils 2. Anders ausgedrückt bewegt sich der drehbare
Teil 2 solange nicht in der axialen Richtung aus einem
der stabilen Zustände heraus, solange der Elektromagnet 67 in
dem Antriebselement 61 ausgeschaltet ist. Durch Bestromen
des Elektromagneten 67 kann aber jeweils eine elektromagnetische
Kraft erzeugt werden, die den drehbaren Teil 2 in die jeweils
andere Stellung bringt, d. h. von dem ausgerückten Zustand
in den eingerückten Zustand und umgekehrt.
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Bei
der Ausführungsform gemäß 4 ist das
Antriebselement wiederum so ausgestaltet, dass es in einen vordefinierten
Eingriff mit dem drehbaren Teil gelangen kann, wenn dieser aus der
ersten Arretierungseinrichtung ausgerückt ist. Das Antriebselement
gemäß 4 ist jedoch angetrieben von
nicht näher dargestellten Antriebsmitteln drehbar, wie
z. B. einem auf die Welle 59 einwirkenden Motor. Dabei kann
der Motor zentral auf der Drehachse 5 angeordnet sein,
so dass der Antrieb insgesamt rotationssymmetrisch ausgestaltet
ist und Querkräfte daher von vornherein vermieden werden
können. Über ein nicht in 4 gezeigtes
Drehlager kann die Drehbewegung des drehbaren Teils 2 drehbeweglich
gelagert sein. Insbesondere ist die Welle 59 drehgelagert (nicht
dargestellt). Ein Drehlager zwischen dem hohlzylindrischen Bereich 51 und
dem feststehenden Teil 3 würde dort zu Querkräften
führen, die die Reproduzierbarkeit von Stellungen des Gelenks
verschlechtern, außer wenn ein ausreichendes Spiel im Drehlager
vorhanden wäre. Entsprechendes gilt für ein etwaig
vorhandenes Drehlager für die Drehbewegung der Welle 59 innerhalb
der Durchgangsöffnung 55. Wie auch bei der Ausführungsform
der 1 und 2 muss der Antrieb nicht von
dem Antriebselement entkoppelt werden oder entkoppelbar sein oder ein
erhöhtes Spiel aufweisen, da die Entkopplung zu dem drehbaren
Teil durch miteinander in Eingriff bringen oder außer Eingriff
bringen des Antriebselements und des drehbaren Teils bewirkt wird.
Dabei ist die für diesen Eingriff vorgesehene zweite Arretierungseinrichtung
vorzugsweise so ausgestaltet, dass keine Querkräfte auftreten
können.
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Die
in den beiden Ausführungsbeispielen der 1 und 2 einerseits
und 4 andererseits beschriebene bistabile Magnetanordnung
beruht auf dem Prinzip, dass die Magnetkraft mit zunehmendem Abstand
der magnetisch aufeinander einwirkenden Teile (z. B. dem Bereich 15 einerseits
und der Scheibe 11 andererseits) abnimmt und umgekehrt.
Durch Bestromen zumindest eines Elektromagneten mit einer Stromflussrichtung
durch den Elektromagneten, die eine elektromagnetische Kraft mit
der gewünschten Ausrichtung entlang der Drehachse bewirkt,
wird der jeweilige stabile Zustand aufgehoben und die Magnetanordnung
in den anderen stabilen Zustand gebracht.
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Es
können weitere Abwandlungen an den in der Figurenbeschreibung
beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden. Z.
B. kann das Antriebselement 19 wie auch der Bereich 15 zumindest
einen Elektromagneten aufweisen. Dies ermöglicht es, durch
entsprechende Steuerung der durch sämtliche Elektromagneten
fließenden Ströme oder durch Bestromen lediglich
eines der Elektromagneten, d. h. entweder des Elektromagneten in
dem Bereich 15 oder des Elektromagneten in dem Antriebselement 19,
die Bewegung des drehbaren Teils 2 in axialer Richtung
zu steuern. Z. B. kann durch den zusätzlichen Elektromagneten
in dem Antriebselement 19 die zwischen dem Permanentmagneten 13 und dem
Antriebselement 19 wirkende anziehende Magnetkraft vollständig
oder teilweise kompensiert werden, bevor der drehbare Teil 2 ausgerückt
wird. Während der drehbare Teil 2 ausgerückt
wird, kann die elektromagnetische Kraft des Elektromagneten in dem
Antriebselement 19 weiter erhöht werden, um die
anziehende Kraft zwischen der Scheibe 11 und dem Antriebselement 19,
die mit abnehmendem Abstand dieser beiden Teile größer
wird, auch weiterhin zu kompensieren. Vorzugsweise wird diese anziehende
Kraft überkompensiert, um ein plötzliches und unkontrolliertes
Zunehmen der anziehenden Kraft mit geringer werdendem Abstand auszuschließen.
Den Antrieb für die Annäherung der Scheibe 11 und
des Antriebselements 19 kann allein durch den Elektromagneten 17 in
dem Bereich 15 aufgebracht werden, der eine auf die Scheibe 11 abstoßende
Kraft erzeugt.
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Diese
Beschreibung für den Vorgang des Ausrückens des
drehbaren Teils aus der Arretierungseinrichtung 7 gilt
entsprechend für den umgekehrten Vorgang des Einrückens.
In diesem Fall wird durch geeignete Bestromung des Elektromagneten 17 die
anziehende Kraft zwischen der Scheibe 11 und dem Bereich 15 kompensiert
oder überkompensiert und wird die Bewegung in axialer Richtung durch
geeignete Bestromung des Elektromagneten in dem Antriebselement 19 gesteuert.
In beiden Fällen ist es von Vorteil, dass der Luftspalt 31a, 31b nicht
vollständig geschlossen wird, da besonders bei sehr kleinen
Luftspalten ein starker Anstieg der anziehenden Magnetkräfte
aufgrund der beteiligten Permanentmagneten zu beobachten ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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