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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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DE 10 2005 063 242
A1 beschreibt eine Magnetkupplung zum Arretieren eines
Drehgelenks, die einen ersten Kupplungsteil und einen relativ dazu
beweglichen zweiten Kupplungsteil besitzt. Ein Magnet ist derart
an dem ersten Kupplungsteil angeordnet, dass er zwischen einer ersten
und einer zweiten Position bewegbar ist. In der zweiten Position
haftet der Magnet an dem zweiten Kupplungsteil, um eine Haltekraft
zwischen dem ersten und dem zweiten Kupplungsteil zu erzeugen. Ein
zweiter Magnet ist dazu ausgebildet, den ersten Magneten in zumindest
eine der Positionen zu bewegen.
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DE 39 22 297 A1 beschreibt
eine elektromagnetische Haltevorrichtung aus einem oder mehreren Permanentmagneten
und einem Elektromagneten, dessen Feld dem des Permanentmagneten
während des
Wechselvorgangs gleichsinnig bzw. gegensinnig überlagerbar ist und es dabei
verstärkt
oder neutralisiert. Die Haltevorrichtung ist für Wechselteile, wie beispielsweise
Werkzeuge oder Messtaster, vorgesehen.
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DE 692 05 634 T2 beschreibt
einen auswechselbaren Probenkopf. Ein Tastkopf zum Ausrichten eines
Tasters relativ zu dem bewegbaren Arm einer koordinatenpositionierenden
Maschine weist einen Träger
auf, durch welchen der Tastkopf mit dem Arm der Maschine verbunden
werden kann. Es ist ein Rotor vorgesehen, der relativ zu dem Träger um eine
Achse zum Tragen eines Tasters drehbar ist. Vorzugsweise wird der
Rotor magnetisch auf dem Träger
zurückgehalten.
Es kann ein axial bewegbarer Antriebsmitnehmer mit dem Rotor in
Eingriff treten, um die Rotation des Rotors zwischen indizierten
Orten zu ermöglichen.
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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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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein Sensorgelenk mit den Merkmalen in Anspruch 1, durch ein
Koordinatenmessgerät
mit den Merkmalen in Anspruch 10 und durch ein Verfahren zum Betreiben
eines Sensors mit den Merkmalen in Anspruch 11.
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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 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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Ferner
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.
Der Antriebsteil weist 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 Ober 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.