DE102015208803B3

DE102015208803B3 - Dreheinheit für ein Koordinatenmessgerät

Info

Publication number: DE102015208803B3
Application number: DE102015208803.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Engel
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2035-05-13

Abstract

Dreheinheit für ein Koordinatenmessgerät zur Rotation eines Sensors (4, 5), die wenigstens ein Drehgelenk (14) mit folgenden Komponenten umfasst: – ein erstes Gehäuseteil (57, 57a) mit einer Vielzahl von Rastelementen (43), – ein zweites Gehäuseteil (56) mit Gegenrastelementen (44a, 44b, 44c), und – ein Drehlager (16a, 16b) das die Gehäuseteile relativ zueinander drehbeweglich lagert. Die Dreheinheit ist hierbei derart ausgestaltet, – dass am zweiten Gehäuseteil wenigstens zwei Kinematiken (50a–c) mit zumindest einem Gegenrastelement vorgesehen sind, das von einer Ausrastposition in eine Einrastposition mit zumindest einem Rastelement gebracht werden kann, oder zurück in die Ausrastposition gebracht werden kann, wobei die Gehäuseteile festgerastet sind, wenn zumindest eine Kinematik das Gegenrastelement in die Einrastposition bringt, oder die Gehäuseteile drehbeweglich zueinander sind, wenn alle Gegenrastelemente sich in der Ausrastposition befinden und – dass weiterhin zumindest zwei der Kinematiken mit ihrem Gegenrastelement bezogen auf den Drehwinkel (α) des Drehgelenkes so versetzt zueinander sind, dass sich mit einem ersten Gegenrastelement (44a) die Gehäuseteile in einer Vielzahl von ersten Drehstellungen (α1) rasten lassen, und mit einem zweiten Gegenrastelement (44b) die Gehäuseteile in einer Vielzahl von zweiten Drehstellungen (α2) rasten lassen und dass jede der ersten Drehstellungen (α1) sich von jeder der zweiten Drehstellungen (α2) unterscheidet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dreheinheit für ein Koordinatenmessgerät mit wenigstens einem Drehgelenk, um hierdurch einen Sensor um eine Drehachse rotieren zu können, wobei dieses Drehgelenk folgendes umfasst:

– ein erstes Gehäuseteil, an dem ringförmig eine Vielzahl von Rastelementen angeordnet sind
– ein zweites Gehäuseteil, an dem Gegenrastelemente vorgesehen sind, die mit den Rastelementen zusammenwirken
– ein Drehlager, über das das zweite Gehäuseteil und das erste Gehäuseteil relativ zueinander drehbeweglich gelagert sind.

Eine solche Dreheinheit ist aus dem Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Beispielsweise zeigt die Druckschrift EP 0 523 906 A1 eine solche Dreheinheit für ein Koordinatenmessgerät mit einem Drehgelenk, um hierdurch einen Sensor um eine Drehachse rotieren zu können. Diese Dreheinheit umfasst hierbei ein erstes Gehäuseteil, an dessen Stirnfläche ringförmig mit gleichmäßigem radialen Abstand zur Drehachse zylindrische Elemente als Rastelemente angeordnet sind. Außerdem weist die Dreheinheit ein zweites Gehäuseteil auf, an dem ein Sensor befestigt ist, wobei dieses zweite Gehäuseteil an einer Welle befestigt ist, die über ein Gleitlager rotierbar im ersten Gehäuseteil gelagert ist und die durch einen nicht näher beschriebenen Antrieb sowohl rotiert werden kann, wie auch in axialer Richtung verstellt werden kann. An der der Stirnseite des ersten Gehäuseteils gegenüberliegenden Seite des zweiten Gehäuseteils sind hierbei ebenfalls ringförmig im konstanten radialen Abstand Kugeln als Gegenrastelemente befestigt. Um nunmehr das zweite Gehäuseteil in unterschiedliche Drehstellungen zu bringen wird die besagte Welle durch den Antrieb in axialer Richtung bewegt, so dass die Gegenrastelemente am zweiten Bauteil aus den Rastelementen des ersten Gehäuseteils ausgerastet werden. Danach wird die Welle vom Antrieb um einen bestimmten Winkelbetrag rotiert und in der neuen Drehstellung wieder in der umgekehrten axialen Richtung bewegt, bis die Kugeln (Gegenrastelemente) in die entsprechenden Rastelemente (Zylinder) eingerastet sind.
Derartige Dreheinheiten sind aus dem Stand der Technik bekannt, wobei die betreffenden Drehgelenke häufig als rastende Drehgelenke bezeichnet werden. Der besondere Vorteil derartiger rastender Drehgelenke ist hierbei darin zu sehen, dass durch den Eingriff der Gegenrastelemente in die Rastelemente in den vordefinierten Drehstellungen reproduzierbar die Lage des zweiten Gehäuseteils relativ zum ersten Gehäuseteil bestimmt ist. Für eine Fehlerkorrektur der Dreheinheit wird die Dreheinheit für jede der möglichen Winkelstellungen einmal kalibriert, wobei die hierbei für jede Winkelstellung bestimmten Kalibrierdaten gespeichert und fortan zur Korrektur der jeweiligen Winkelstellung verwendet werden. Nachteilig an derartigen rastenden Drehgelenken ist allerdings, dass die jeweils erzielbaren Drehwinkel durch die Rastelemente und die Gegenrastelemente fest vorgegeben sind und der Wechsel von einer Drehwinkelstellung zur nächsten Drehwinkelstellung aus mechanischen Gründen mehrere Grad beträgt.
Es wurde daher in der Vergangenheit bereits der Versuch unternommen eine feinere Unterteilung der Winkelstellungen zu ermöglichen. Beispielsweise zeigt die Druckschrift GB 2 335 274 A ein Drehgelenk, mit dem feinere Drehwinkelstellungen möglich sind. Der Aufbau dieses Drehgelenkes ist hierbei relativ ähnlich zum Aufbau des Drehgelenkes gemäß EP 0 523 906 A1 , wobei auch hierin ein zweites Gehäuseteil an einer Welle befestigt ist, welche drehbeweglich am ersten Gehäuseteil gelagert ist. Die Welle ist auch durch einen Antrieb sowohl um ihre Drehachse rotierbar, wie auch in Längsrichtung verstellbar. Außerdem sind auch hier an der Stirnseite des ersten Gehäuseteils eine Vielzahl von Rastelementen angeordnet und auf einer dieser Fläche gegenüberliegenden Fläche des zweiten Gehäuseteils entsprechende Gegenrastelemente angeordnet. Im Unterschied zur EP 0 523 906 A1 befindet sich zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem zweiten Gehäuseteil noch ein drittes Gehäuseteil, das ebenfalls über eine Welle drehbeweglich am ersten Gehäuseteil gelagert ist und über einen Antrieb sowohl in axialer Richtung, wie auch hinsichtlich einer Rotation bewegt werden kann. Dieses dritte Gehäuseteil weist an seiner dem ersten Gehäuseteil zugewandten Seite Gegenrastelemente auf, die mit den Rastelementen am ersten Gehäuseteil zusammen wirken, und an der dem zweiten Gehäuseteil zugewandten Seite Rastelemente auf, die mit den Gegenrastelementen am zweiten Gehäuseteil zusammen wirken. Damit können also die Gegenrastelemente am dritten Gehäuseteil mit den Rastelementen am ersten Gehäuseteil in eine Vielzahl von unterschiedlichen Drehstellungen bewegt werden, wie auch die Gegenrastelemente am zweiten Gehäuseteil mit den Rastelementen am dritten Gehäuseteil in eine Vielzahl von Drehstellungen gerastet werden.
Die Rast- und Gegenrastelemente zwischen dem ersten und dritten Gehäuseteil wie auch die Rast- und Gegenrastelemente zwischen dem dritten und dem zweiten Gehäuseteil sind hierbei so versetzt angeordnet, dass hierdurch eine feinere Teilung erzielt werden kann, als dies alleine mit den Rast- und Gegenrastelementen zwischen dem ersten und dem dritten Gehäuseteil, wie auch alleine mit den Rast- und Gegenrastelementen zwischen dem dritten und dem zweiten Gehäuseteil möglich wäre.
Das betreffende Drehgelenk erfüllt seinen Zweck, feinere Drehwinkel zu erzielen. Allerdings ist das betreffende Drehgelenk bedingt durch das dritte Gehäuseteil relativ aufwendig. Zum einen müssen an dem dritten Gehäuseteil zusätzlich eine Vielzahl von Rastelementen und Gegenrastelementen befestigt werden. Des Weiteren muss für das dritte Gehäuseteil ein zusätzlicher, relativ aufwendiger Antrieb vorgesehen werden, mit dem das dritte Gehäuseteil zum einen in axialer Richtung seiner Welle bewegt werden kann und andererseits um seine Drehachse rotiert werden kann. Des Weiteren ist auch die drehbewegliche Lagerung des dritten Gehäuseteils relativ zum ersten Gehäuseteil und relativ zum zweiten Gehäuseteil durch entsprechende Drehlager einigermaßen aufwendig. Außerdem wird durch diese zusätzlichen Bauteile die Dreheinheit schwerer, was sich auf die Dynamik des Koordinatenmessgerätes auswirkt.
Eine zunehmende Anzahl von Trennstellen oder im Messkreis aneinander gekoppelter Komponenten reduziert die maximal erreichbare Steifigkeit der Dreheinheit. Dadurch wird die Genauigkeit der Dreheinheit reduziert, was wiederum nur bedingt rechnerisch korrigierbar ist.
Ein weiterer Ansatz zur Rastung eines ersten Gehäuseteils und eines demgegenüber drehbeweglich gelagerten zweiten Gehäuseteils ist in der Druckschrift DE 10 2005 063 242 A1 beschrieben. Hierin ist an einem ersten Gehäuseteil ein permanentmagnetischer Ring über eine Membran konzentrisch zur Drehachse des zweiten Gehäuseteils befestigt. Außerdem ist auf dem ersten Gehäuseteil des Weiteren versetzt in axialer Richtung ein Ring mit einem Elektromagneten vorgesehen. Durch den Elektromagneten kann der Permanentmagnet in axialer Richtung abgestoßen werden oder in axialer Richtung angezogen werden. Zum festklemmen des zweiten Gehäuseteils, das drehbeweglich gegenüber dem ersten Gehäuseteil gelagert ist, wird der Elektromagnet so bestromt, dass der Permanentmagnet in axialer Richtung abgestoßen wird und hierdurch an einem Ring aus ferromagnetischem Material anhaftet, der am zweiten Gehäuseteil befestigt ist. Durch die Anziehungskraft zwischen dem am ersten Gehäuseteil befestigten Permanentmagneten und dem am zweiten Gehäuseteil befestigten ferromagnetischen Teil entsteht eine reibschlüssige Verbindung, so dass hierdurch das zweite Gehäuseteil in der betreffenden Lage geklemmt ist. Um das zweite Gehäuseteil wieder frei zu geben, wird der Permanentmagnet sodann so bestromt, dass der Ring mit dem Permanentmagneten vom Elektromagneten angezogen wird und hierdurch nicht mehr am feromagnetischen Ring am zweiten Gehäuseteil anliegt, sondern wieder am elektromagnetischen Ring am ersten Gehäuseteil. Diese Kupplung ist zwar geeignet, um die beiden Gehäuseteile in beliebigen Drehstellungen zu klemmen. Allerdings ist hierdurch eine Klemmung in reproduzierbaren Winkelstellungen nicht möglich. Sofern eine hochgenaue Messung erforderlich ist, muss nach dem Wechsel der Winkelstellung für die neue Winkelstellung erneut eine Kalibrierung vorgenommen werden.
Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Dreheinheit der eingangs genannten Art vorzustellen, bei der auf möglichst einfache Weise die Anzahl an möglichen Winkelstellungen, in denen das Drehgelenk reproduzierbar gerastet werden kann, erhöht werden.
Aus dem Stand der Technik ist femer die Druckschrift DE 10 2010 055 529 A1 bekannt, in der ein Rastgelenk zum gegenseitigen Positionieren von Teilen eines Sitz- und/oder Liegemöbels beschrieben ist. Das Rastgelenk weist ein Gesperre mit zwei Zahnkränzen auf, die in einer gesperrten Drehstellung ineinander greifen. Die Zähne der Zahnkränze sind so ausgestaltet, dass in einer ersten Drehrichtung die Drehposition geändert werden kann, ohne die Zahnkränze außer Eingriff zu bringen, während in der zweiten Drehrichtung die Zahnkränze keine Drehbewegung zulassen. Sobald eine erste Endposition in der ersten Drehrichtung erreicht ist, bringt eine Entsperrung die beiden Zahnkränze außer Eingriff und erlaubt nun auch ein Verdrehen des Rastgelenkes in der zweiten Drehrichtung. Bewegt man das Rastgelenk nun in der zweiten Drehrichtung bis zu einer zweiten Endposition, so wird die Entsperrung wieder gelöst, so dass die beiden Zahnkränze wieder ineinander greifen.
Die in der Druckschrift beschriebene Verriegelungsvorrichtung sieht vor, dass ein Zahnrad mit dem verdrehbaren Teil fest verbunden ist und dass versetzt zueinander angeordnete Zahnsegmente vorgesehen sind, die jeweils beispielsweise über Hydrauliken separat bewegt werden können. Durch die Bewegung der Zahnsegmente kann jedes der Zahnsegmente zur Verriegelung des verdrehbaren Teils mit dem Zahnrad in Eingriff gebracht werden. Die Versetzung der Zahnsegmente zueinander ist so vorgesehen, dass durch jedes Zahnsegment die Verriegelung in Drehwinkelstellungen möglich ist, die durch die anderen Zahnsegmente nicht verriegelt werden können.
Die Aufgabe wird durch eine Dreheinheit gemäß sämtlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst.
Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Lösung ist hierbei darin zu sehen,

– dass am zweiten Gehäuseteil zwei oder mehr Kinematiken angeordnet sind, wobei an jeder der Kinematiken zumindest ein Gegenrastelement vorgesehen ist, wobei jede dieser Kinematiken eingerichtet ist, das jeweilige Gegenrastelement von einer Ausrastposition in eine Einrastposition mit zumindest einem Rastelement zu bringen, oder aus der Einrastposition wieder in die Ausrastposition zu bringen, wobei die beiden Gehäuseteile in einer jeweiligen Drehstellung festgerastet sind, wenn zumindest eine Kinematik das jeweilige Gegenrastelement in die Einrastposition bringt oder die Gehäuseteile relativ zu einander drehbeweglich sind, wenn alle Gegenrastelemente sich in der Ausrastposition befinden und
– dass außerdem zumindest zwei der Kinematiken mit dem jeweiligen Gegenrastelement bezogen auf den Drehwinkel des Drehgelenkes jeweils so versetzt zueinander angeordnet sind, dass sich mit einem ersten Gegenrastelement die beiden Gehäuseteile in einer Vielzahl von ersten Drehstellungen rasten lassen und mit einem zweiten Gegenrastelement die beiden Gehäuseteile in einer Vielzahl von zweiten Drehstellungen rasten lassen und dass jede der ersten Drehstellungen sich von jeder der zweiten Drehstellungen unterscheidet.

Die erfindungsgemäße Dreheinheit weist insbesondere gegenüber der Lösung der Druckschrift GB 2 335 274 A , mit der bereits ebenfalls eine sehr feine Winkelunterteilung der reproduzierbar einrastenden Winkelstellung möglich ist, erhebliche Vorteile auf. So kann bei der erfindungsgemäßen Lösung auf das dritte Gehäuseteil und alle im Zusammenhang hiermit stehenden Bauteile vollständig verzichtet werden. Neben dem dritten Gehäuseteil selber entfällt dann also auch die Lagerung, durch die das dritte Gehäuseteil sowohl gegenüber dem ersten Gehäuseteil, wie auch gegenüber dem zweiten Gehäuseteil sowohl in axialer Richtung, wie auch hinsichtlich Rotation beweglich gelagert ist. Ferner entfällt der für die jeweiligen Bewegungen erforderliche Antrieb. Weiterhin kann auf die Rastelemente und Gegenrastelemente des dritten Gehäuseteils verzichtet werden. Außerdem reduziert sich das Gewicht der Dreheinheit, was sich positiv auf die Dynamik des Koordinatenmessgerätes auswirkt.
Die erfindungsgemäße Dreheinheit ist demgegenüber relativ einfach herzustellen. Insbesondere die Kinematiken, durch die die Gegenrastelemente in die Einrastposition oder die Ausrastposition bewegt werden, können sehr einfach gestaltet sein. Im einfachsten Fall kann es sich bei den besagten Kinematiken sogar um Piezoaktuatoren handeln, die zur Bewegung des jeweiligen zumindest einen Gegenrastelementes in die Einrastposition oder in die Ausrastposition eine Linearbewegung ausführen.
Hinsichtlich der Dreheinheit, in der das erfindungsgemäße Drehgelenk angeordnet ist, kann es sich hierbei um eine Vielzahl von unterschiedlichen Varianten handeln. Es kann sich hierbei um eine Dreheinheit handeln, die genau ein Drehgelenk aufweist, über das der Sensor um eine Drehachse rotiert werden kann. Es kann sich genauso aber auch um eine sogenannte Dreh-Schwenkeinheit handeln, die zwei Drehgelenke aufweist, deren Drehachsen senkrecht aufeinander stehen. Die Dreheinheit kann aber auch drei Drehgelenke aufweisen, beispielsweise wenn entsprechende Sensoren, wie beispielsweise Linien-Triangulationssensoren zum Einsatz kommen.
Die Dreheinheit wird hierbei mit ihrem einen Ende üblicherweise an dem Ende eines Messarms des Koordinatenmessgerätes montiert. Der Messarm ist hierbei üblicherweise Bestandteil einer Mechanik, über die der Sensor relativ zu einem zu vermessenden Werkstück in den drei Koordinatenrichtungen bewegt werden kann. Am anderen Ende der Dreheinheit ist hierbei der Sensor befestigt, wobei die Befestigung üblicherweise über eine Wechselschnittstelle erfolgt, die eine automatische Befestigung des Sensors an der Dreheinheit ermöglicht.
Hinsichtlich des ersten Geäuseteils und des zweiten Gehäuseteils ist auszuführen, dass es sich hierbei um zwei an und für sich beliebig geformte Bauelemente des Drehgelenkes handelt, die relativ zueinander drehbeweglich gelagert sind. Ob sich das erste Gehäuseteil relativ zum zweiten Gehäuseteil dreht, oder das zweite Gehäuseteil relativ zum ersten Gehäuseteil dreht, ist vollkommen unerheblich.
Als Rastelemente und als Gegenrastelemente können hierbei völlig unterschiedliche Elemente verwendet werden, die aus dem Stand der Technik bereits hinreichend bekannt sind. Beispielsweise kann es sich bei einem Rastelement um eine Kugel handeln und bei einem Gegenrastelement um einen Zylinder handeln. Dabei kann ein Gegenrastelement (ein Zylinder) jeweils mit zwei nebeneinanderliegenden Rastelementen (also zwei nebeneinander liegende Kugeln) zusammenwirken. Es können aber auch zwei nebeneinanderliegende Gegenrastelemente (zwei nebeneinanderliegende Zylinder) jeweils mit einem Rastelement (einer Kugel) zusammenwirken. Umgekehrt kann natürlich auch vollkommen analog ein Zylinder als Rastelement dienen und eine Kugel als Gegenrastelement dienen. Genauso kann es sich bei einem Rastelement um einen Zahn handeln während das Gegenrastelement ebenfalls ein Zahn ist. Das Gegenrastelement (ein Zahn) rastet in diesem Falle zwischen zwei Gegenrastelementen (zwei nebeneinanderliegende Zähne) ein. Die Rastelemente und/oder die Gegenrastelemente können hierbei insbesondere die Zähne einer Verzahnung, insbesondere einer Hirth-Verzahnung sein. Natürlich können anstelle eines einzelnen Gegenrastelementes (ein einzelner Zahn) auch mehrerer nebeneinanderliegende Gegenrastelemente (mehrere nebeneinanderliegende Zähne) verwendet werden.
Auch die besagten Kinematiken, die am zweiten Gehäuseteil angeordnet sind und die Gegenrastelemente in eine Ausrastposition oder in eine Einrastposition bewegen, können völlig unterschiedlich aussehen. So umfassen die betreffenden Kinematiken neben dem besagten wenigstens einen Gegenrastelement in jedem Fall einen Antrieb, über den das Gegenrastelement oder die Gegenrastelemente bewegt werden können. Als Antrieb kann hierbei beispielsweise ein pneumatischer Antrieb, ein elektromagnetischer Antrieb (zum Beispiel Tauchspulen-Antrieb) oder ein Piezo-Antrieb vorgesehen sein. Neben dem besagten Antrieb und dem wenigstens einen Gegenrastelement kann die Kinematik außerdem zur Bewegung des wenigstens einen Gegenrastelementes eine Führung aufweisen. Als Führung könnte beispielsweise ein Feder-Parallelogramm vorgesehen sein, mit dem eine Linearführung realisiert wird oder ein Federgelenk vorgesehen sein, das eine Rotation des wenigstens einen Gegenrastelementes ermöglicht. Sofern der Antrieb entsprechend ausgebildet ist, kann auf eine Führung aber auch vollkommen verzichtet werden. Verwendet man beispielsweise einen Piezoantrieb, so ist eine zusätzliche Führung beispielsweise nicht notwendig.
Als Drehlager kommt prinzipiell eine große Variationsbreite an Drehlagern in Betracht. Es können beispielsweise Gleitlager, Luftlager, Kugellager oder Walzenlager verwendet werden. Um eine besonders hohe Steifigkeit des Drehlagers und damit eine hohe Reproduzierbarkeit der jeweiligen Winkelstellung zu erreichen, können als Drehlager Schrägkugellager oder Schrägwalzenlager vorgesehen sein.
Insbesondere wenn die Dreheinheit als Dreh-Schwenkeinheit ausgebildet ist, die zumindest zwei Drehgelenke aufweist, deren Drehachsen senkrecht aufeinander stehen, können als Schrägkugellager oder als Schrägwalzenlager ausgestattete Drehlager besonders vorteilhaft eingesetzt werden. Wenn zumindest ein erstes der beiden Drehgelenke als Drehlager Schrägkugellager oder Schrägwalzenlager aufweist, so ist durch jedes der Schrägkugellager oder Schrägwalzenlager dieses Drehgelenkes auf der Drehachse des Drehgelenkes jeweils ein Einspannpunkt definiert. Vorteilhaft sollte hierbei der Einspannpunkt von einem der beiden Schrägkugellager oder Schrägwalzenlager genau auf der Drehachse des zweiten Drehgelenkes liegen. Hierdurch können die mechanischen Fehler der Dreh-Schwenkeinheit weiter minimiert werden.
Ein besonders vorteilhafter Aufbau ergibt sich, wenn das zweite Drehgelenk Kugellager oder Walzenlager, insbesondere Schrägkugellager oder Schrägwalzenlager aufweist, wobei der Abstand dieser Kugellager oder Walzenlager von einem besagten Einspannpunkt des ersten Drehgelenkes jeweils gleich groß ist.
Die besagte Dreheinheit kann hierbei prinzipiell so ausgestaltet sein, dass sowohl die Kinematiken zur Bewegung der Gegenrastelemente, wie auch die Rotation des ersten Gehäuseteils relativ zum zweiten Gehäuseteil rein manuell durch den Bediener des Koordinatenmessgerätes angetrieben werden. Vorteilhaft wird man jedoch die Dreheinheit mit Antrieben ausrüsten, durch die das Drehgelenk automatisiert durch die Steuerung des Koordinatenmessgerätes von einer gerasteten Winkelstellung in eine andere gerastete Winkelstellung gebracht wird. Hierzu umfasst die Dreheinheit vorteilhaft dann zusätzlich:

– einen Drehantrieb, mit dem die Drehung des zweiten Gehäuseteils relativ zum ersten Gehäuseteil angetrieben wird
– einen Winkelgeber, der abhängig vom jeweiligen Drehwinkel zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem zweiten Gehäuseteil die jeweilige Winkelstellung liefert.

In diesem Falle umfasst die Dreheinheit vorzugsweise noch ein Steuerungsmodul mit einem oder mehreren Mikroprozessoren, die dazu eingerichtet sind, die Kinematiken anzusteuern und/oder den Drehantrieb anzusteuern und/oder den Winkelgeber auszulesen. Das Steuerungsmodul kann hierbei beispielsweise in Form einer Karte vorgesehen sein, die beispielsweise in der Dreheinheit selber angeordnet ist und beispielsweise über einen Bus mit der Steuerung des Koordinatenmessgerätes kommunizieren kann. Alternativ kann die Karte aber auch so ausgestaltet sein, dass diese beispielsweise in einem PCI-Steckplatz der Steuerung eingesteckt werden kann und über eine Datenverbindung in Form einer leitenden und/oder optischen Verbindung mit der Dreheinheit kommuniziert.
Weitere Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren. Hierin zeigen:
1: ein Koordinatenmessgerät 19 an dem eine erfindungsgemäße Dreheinheit 8 befestigt ist, über die ein Sensor 4 um zwei senkrecht aufeinander stehende Drehachsen rotiert werden kann
2: die Dreheinheit 8 aus 1 in vergrößerter Darstellung
3: eine Prinzipdarstellung eines Drehgelenkes 14 aus der Dreheinheit 8 gemäß 2, wobei hierin eine erste Kinematik 50a zur Bewegung des wenigstens einen Gegenrastelementes 44a (in 3 ist nur die Eingriffsplatte 27a zu sehen, an der mehrere Gegenrastelemente in Form von Zähnen 44a vorgesehen sind)
4: Darstellung eines Ringes 18 mit ringförmig hierauf angeordneten Rastelementen in Form von Zähnen 43 einer Hirth-Verzahnung und Eingriffsplatten 27a, 27b und 27c mit jeweils mehreren Gegenrastelementen in Form von Zähnen 44a, 44b und 44c
5: schematische Darstellung des Rings 18 aus 4 mit den ringförmig hierauf angeordneten Rastelementen (Zähne 43) und drei Kinematiken 50a, 50b, 50c zum Bewegen der jeweiligen Gegenrastelemente (Zähne 44a, 44b, 44c, die auf Eingriffsplatten 27a, 27b und 27c vorgesehen sind) gemäß einer ersten Ausführungsform
6: schematische Darstellung der Rings 18 aus 4 mit den ringförmig hierauf angeordneten Rastelementen (Zähne 43) und von Kinematiken 53a, 53b, 53c und 54a, 54b, 54c zur Bewegung von Gegenrastelementen (Zähne, die auf Eingriffsplatten der Kinematiken vorgesehen sind) gemäß einer zweiten, gegenüber 5 geänderten Ausführungsform
7: eine Prinzipdarstellung einer gegenüber 3 alternativen Kinematik 51a mit einem Federgelenk 46a als Führung
8: eine Prinzipdarstellung einer gegenüber 3 und 7 erneut veränderten Kinematik 52a mit einem Piezoaktuator 34a als Antrieb
9 und 10: Prinzipdarstellungen zur Erläuterung der Vorteile von Schrägkugellagern 16a, 16b gegenüber normalen Kugellagern 39a, 39b
11: Erläuterungsskizze zur Demonstration einer besonders vorteilhaften Anordnung von Schrägkugellagern in einer Dreheinheit, die wenigstens zwei Drehgelenke 14, 15 aufweist
1 zeigt rein beispielhaft ein Koordinatenmessgerät 19 mit einer erfindungsgemäßen Dreheinheit 8 in Form eines Dreh-Schwenkgelenkes. Das hier rein beispielhaft dargestellte Koordinatenmessgerät 19 ist hierbei in sogenannter Portalbauweise ausgeführt, wobei entlang von zwei parallelen Führungen im Bereich des Messtisches 1 ein erster Messschlitten 2 in Form eines Portals beweglich geführt ist. Zur Messung der Position des Portals ist ein Maßstab 9 mit einem entsprechenden Ablesesensor vorgesehen, der hier nicht näher dargestellt ist. Außerdem ist ein Antrieb vorgesehen, der den ersten Messschlitten 2 in der mit dem Pfeil y bezeichneten Richtung entlang der Führung verfahren kann. Entlang der den Messtisch 1 horizontal überspannenden Traverse des portalförmigen ersten Messschlittens 2, ist ein zweiter Messschlitten 20 (oft als x-Schlitten bezeichnet) beweglich geführt, wobei dieser zur Positionsmessung in der mit dem Pfeil x bezeichneten Richtung einen Maßstab 10 mit zugehörigem Ablesesensor aufweist. Über einen zweiten Antrieb kann der zweite Messschlitten 20 in der mit dem Pfeil x bezeichneten Richtung bewegt werden. An dem zweiten Messschlitten 20 wiederum ist ein dritter Messschlitten 3 (oftmals als Pinole bezeichnet) beweglich geführt, wobei die Position des Messschlittens 3 in der mit dem Pfeil z bezeichneten Richtung über einen Maßstab 11 mit zugehörigem Ablesesensor ermittelt werden kann und ebenfalls ein Antrieb vorgesehen ist, um den dritten Messschlitten 3 in der dritten Koordinatenrichtung z zu bewegen. Am unteren Ende des dritten Messschlittens 3 ist die besagte Dreheinheit 8 in Form eines Dreh-Schwenkgelenkes befestigt, über die ein hieran befestigter taktiler Sensor 4 mit seinem Taster 5 um zwei senkrecht aufeinander stehende Drehachsen rotiert werden kann, wie dies ausführlich im Zusammenhang mit 2 erläutert ist. Auf dem Messtisch 1 ist hierbei ein Werkstück 6 angeordnet, das durch Bewegung der drei Messschlitten 2, 20, 3 vom taktilen Sensor 4 abgetastet wird, wobei aus den Signalen des Sensors 4 und aus den Maßstabspositionen der Maßstäbe 9, 10, 11 Messwerte auf der Oberfläche des zu vermessenden Werkstückes 6 ermittelt werden. Der Regler für die Regelung der Antriebe der Messschlitten 2, 20, 3 befindet sich in der Steuerung 7. Außerdem werden von der Steuerung 7 auch die Maßstabswerte der Maßstäbe 9, 10, 11 ausgelesen, sowie die Signale des Sensors 4. Mit der Steuerung 7 verbunden ist weiterhin ein Messrechner 17. Der Messrechner 17 dient hierbei dazu, einen Messablauf zu erstellen und die zur Ausführung des Messablaufes notwendigen Informationen an die Steuerung 7 zu übergeben. Die Steuerung 7 führt den Messablauf dann durch. Die Steuerung 7 wiederum liefert dann unter anderem die ermittelten Messwerte des Werkstückes 6 an den Messrechner 17 zurück, wo die rückgelieferten Werte dann vom Messrechner 17 ausgewertet werden. Mit dem Bezugszeichen 13 ist weiterhin ein Bedienpult bezeichnet, das mit der Steuerung 7 verbunden ist, wobei hierüber die Antriebe des Koordinatenmessgerätes 19 manuell verstellt werden können.
2 zeigt die in 1 bereits dargestellte Dreheinheit 8 in deutlich vergrößerter Darstellung. Wie man aus 2 ersehen kann, ist das obere Ende der Dreheinheit 8 am unteren Ende der vertikal ausgerichteten Pinole 3 befestigt, von der hier nur ein relativ kurzes Endstück zu sehen ist. Die Dreheinheit 8 ist hierbei als sogenannte Dreh-Schwenkeinheit ausgebildet, die zwei Drehgelenke 14, 15 aufweist, deren Drehachsen A und B senkrecht aufeinander stehen. Das erste Drehgelenk 14 umfasst hierbei ein Gehäuseteil 56 und ein Gehäuseteil 57, das gegenüber dem Gehäuseteil 56 rotiert werden kann. Das Gehäuseteil 56 wird hierbei als zweites Gehäuseteil bezeichnet, während das Gehäuseteil 57 (gemeinsam mit der erst in 3 sichtbaren Welle 57a) als erstes Gehäuseteil bezeichnet wird. Selbstverständlich ist die Bezeichnung völlig willkürlich. Außerdem weist die Dreheinheit 8 ein zweites Drehgelenk 15 auf, bei dem ein drittes Gehäuseteil 58 relativ zum ersten Gehäuseteil 57 um eine zweite Drehachse B rotiert werden kann. An dem dritten Gehäuseteil 58 ist über eine Wechselschnittstelle ein Wechselteller 59 auswechselbar befestigt, wobei am Wechselteller 59 wiederum ein taktiler Sensor 4 mit einem hieran befestigten Taster 5 befestigt ist. Durch das erste Drehgelenk 14 kann der Sensor 4 mit dem hieran befestigten Taster 5 damit also um die vertikal ausgerichtete Drehachse A rotiert werden, während der Sensor 4 mit dem hieran befestigten Taster 5 durch das zweite Drehgelenk 15 um die senkrecht hierzu stehende und damit horizontal ausgerichtete Drehachse B rotiert werden kann.
Anhand von 3 soll nunmehr das in 2 mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnete Drehgelenk im Detail erläutert werden, mit dem der Sensor 4 um die Drehachse A rotiert werden kann. 3 zeigt hierbei das betreffende Drehgelenk 14 aus 2 in einer ausschnittsweisen Schnittdarstellung wobei das Drehgelenk 14 gegenüber der Darstellung aus 2 aus Gründen der Darstellbarkeit um 90 Grad gegen den Uhrzeigersinn gekippt ist. Diese Darstellung ist hierbei nur eine Prinzipdarstellung. Wie man aus 3 ersehen kann, ist hierbei das erste Gehäuseteil 57 (das unter anderem auch die Welle 57a umfasst) über ein Drehlager in Form von zwei Schrägkugellagern 16a, 16b gegenüber dem zweiten Gehäuseteil 56 drehbeweglich gelagert. Der genaue Effekt der Schrägkugellager 16a und 16b wird noch detailliert weiter unten erläutert werden. Die Schrägkugellager 16a und 16b sind hierbei mit der Welle 57a des ersten Gehäuseteils 57 verklebt. Am zweiten Gehäuseteil 56 liegt hierbei auf der einen Seite das Schrägkugellager 16a an einem Vorsprung des zweiten Gehäuseteils 56 an, während das Schrägkugellager 16b durch einen Spannring 33, der auf ein Außengewinde des zweiten Gehäuseteils 56 aufgeschraubt ist, in Richtung des Pfeiles S gespannt wird. Hierdurch kann somit also das erste Gehäuseteil 57 (das auch die Welle 57a umfasst) gegenüber dem zweiten Gehäuseteil 56 um die Drehachse A rotiert werden. Des Weiteren ist zwischen der Welle 57a des ersten Gehäuseteils 57 und dem zweiten Gehäuseteil 56 ein Torque-Motor 32 vorgesehen, wobei der Stator des Torque-Motors mit 30 bezeichnet ist und der Rotor des Torque-Motors 32 mit dem Bezugszeichen 31 versehen ist. Hierdurch kann das erste Gehäuseteil 57, 57a relativ zum zweiten Gehäuseteil 56 angetrieben werden. Des Weiteren ist ein Winkelmesssystem (21, 22) vorgesehen, mit dem der Drehwinkel α um die Drehachse A des ersten Gehäuseteils 57, 57a relativ zum zweiten Gehäuseteil 56 ermittelt werden kann. Rein beispielhaft ist im vorliegenden Fall das Winkelmesssystem gebildet durch eine Kreisteilscheibe 21, die an der Welle 57a des ersten Gehäuseteils 57, 57a befestigt ist, sowie durch einen optischen Auslesekopf 22, der am zweiten Gehäuseteil 56 befestigt ist und mit dem die Inkremente auf der Kreisteilscheibe 21 ausgewertet werden. Außerdem ist an der Stirnseite der Welle 57a des zweiten Gehäuseteils 57, 57a ein Ring 18 mit Rastelementen befestigt. Die Rastelemente sind hierbei beispielhaft die Zähne 43 einer Hirth-Verzahnung, wie dies noch weiter unten im Zusammenhang mit 4 dargestellt wird. Des Weiteren sind an dem zweiten Gehäuseteil 56 drei verschiedene Kinematiken 50a, 50b, 50c befestigt, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine Kinematik 50a zu sehen ist. Wie bereits in der Beschreibungseinleitung beschrieben, dient die Kinematik 50a dazu, wenigstens ein Gegenrastelement (im vorliegenden Fall sind mehrere Gegenrastelemente in Form von mehrerer Zähnen vorgesehen, die auf der Eingriffsplatte 27a angeordnet sind) in Richtung des Pfeils m zu bewegen, um das wenigstens eine Gegenrastelement (hier mehrere Gegenrastelemente in Form mehrerer Zähne 44a auf der Eingriffsplatte 27a) ausgehend von einer Ausrastposition in die in 3 gezeigte Einrastposition mit zumindest einem Rastelement (Zahn 43 auf dem Ring 18) zu bringen.
Um eine Vorstellung für die Rastelemente (Zähne 43) und die Gegenrastelemente (Zähne 44a) zu erhalten, wird nunmehr auf 4 Bezug genommen. In 4 ist hierbei der in 3 zu sehende Ring 18 in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Wie man aus 4 sehen kann, sind die Rastelemente in diesem Fall Zähne 43 einer Hirth-Verzahnung. Die Rastelemente (Zähne 43) sind hier also ringförmig angeordnet und weisen damit einen gleichmäßigen radialen Abstand zur Drehachse A auf. Die Rückseite des hier zu sehenden Rings 18 ist an der in 3 zu sehenden Welle 57a des ersten Gehäuseteils 57 verklebt. Alternativ könnte der Ring 18 auch durch Schweißen oder durch Widerstandsschweißen an der Welle 57a des ersten Gehäuseteils befestigt werden. Mit dem Bezugszeichen 44a sind Zähne bezeichnet, wobei ein solcher Zahn 44a ein Gegenrastelement darstellt, das an der in 3 zu sehenden Kinematik 50a befestigt ist. Wie aus 4 zu sehen, sind die als Gegenrastelemente verwendeten Zähne 44a auf der Eingriffsplatte 27a aufgebracht, wobei diese Zähne 44a genau mit den Zähnen 43 der Hirth-Verzahnung des Rings 18 zusammen passen und damit den Ring in eine Eingriffsposition rasten können. Analog zur Eingriffsplatte 27a mit den Gegenrastelementen (Zähne 44a) weisen auch die beiden anderen in 3 nicht dargestellten Kinematiken 50b und 50c jeweils eine in 4 dargestellte Eingriffsplatte 27b und 27c auf, auf denen sich Gegenrastelemente (Zähne 44b und 44c) befinden.
Unter erneutem Rückgriff auf 3 wird nunmehr die Kinematik 50a im Einzelnen erläutert. Die Kinematik 50a weist eine Linearführung 29a auf, die ein Federparallelogramm enthält, welches durch vier parallele Festkörpergelenke 28a gebildet ist. Die vier Festkörpergelenke 28a entstehen hierbei dadurch, indem das Material der Führung 29a an den betreffenden Stellen geschwächt ist. Am in der 3 rechten Ende der Linearführung ist die besagte Eingriffsplatte 27a mit den Gegenrastelementen (hier Zähne 44a) befestigt. Die Kinematik 50a umfasst ferner eine Halteplatte 26a sowie einen Tauchspulenantrieb 25a, der zwischen der Halteplatte 26a und der Führung 29a angeordnet ist. Durch den Tauchspulenantrieb 25a kann nunmehr die Führung 29a und damit die am gegenüberliegenden Ende befestigte Eingriffsplatte 27a mit den Gegenrastelementen (hier Zähne 44a) in Richtung des Pfeils m hin und her bewegt werden. In der in 3 gezeigten Stellung greifen die Gegenrastelemente (Zähne 44a auf der Eingriffsplatte 27a) in die Rastelemente (Zähne 43 auf dem Ring 18) ein. Alternativ kann die Eingriffplatte 27a auch nach links in eine Ausrastposition gebracht werden, in der die Gegenrastelemente (Zähne 44a auf Eingriffsplatte 27a) nicht in die Rastelemente (Zähne 43 auf dem Ring 18) eingreifen.
Wie bereits eingangs erläutert, weist das eben im Zusammenhang mit 3 erläuterte Drehgelenk 14 insgesamt drei Kinematiken 50a, 50b, 50c auf, wie dies nachfolgend anhand von 5 erläutert werden soll. 5 zeigt hierbei ebenfalls wiederum rein schematisch den Ring 18 mit Rastelementen (Zähne 43) sowie die drei Führungen 29a, 29b und 29c der insgesamt drei Kinematiken 50a, 50b, 50c aus 3. Die Ansicht ist aus 3 entlang der Schnittlinie V-V gewählt. Mit 28a, 28b und 28c sind die beiden jeweils in Blickrichtung vorderen Materialgelenke der drei Führungen 29a, 29b und 29c bezeichnet. Mit 25a, 25b, 25c sind die geschnitten dargestellten Tauchspulenantriebe bezeichnet. Die drei gezeigten Kinematiken 50a, 50b und 50c sind nunmehr in erfindungsgemäßer Weise wie folgt angeordnet. Diese Kinematiken 50a, 50b und 50c sind bezogen auf den Drehwinkel α um die Drehachse A des Drehgelenkes 14 jeweils so versetzt zueinander angeordnet, dass sich mit wenigstens einem ersten Gegenrastelement (hier mehrere erste Gegenrastelemente in Form von mehreren Zähnen 44a auf der Eingriffsplatte 27a) der Kinematik 50a der Ring 18 und damit die beiden Gehäuseteile 57, 57a und 56 in einer Vielzahl von ersten Drehstellungen, zum Beispiel α₁ = 1°, 4°, 7°, 10°, 13° etc. rasten lassen, mit dem wenigstens einen zweiten Gegenrastelement (hier mehrere zweite Gegenrastelemente in Form von mehreren Zähnen 44b auf der Eingriffsplatte 27b) der Kinematik 50b der Ring 18 und damit die beiden Gehäuseteile 57, 57a und 56 in einer Vielzahl von zweiten Drehstellungen, zum Beispiel α₂ = 2°, 5°, 8°, 11° etc. rasten lassen und über das wenigstens eine dritte Gegenrastelement (hier mehrere dritte Gegenrastelemente in Form von Zähnen 44c auf der Eingriffsplatte 27c) der dritten Kinematik 50c der Ring 18 und damit die beiden Gehäuseteile 57, 57a und 56 sich in einer Vielzahl von dritten Drehstellungen, zum Beispiel α₃ = 0°, 3°, 6°, 9°, 12° etc. rasten lassen, wobei jede der ersten Drehstellungen α₁ sich von jeder der zweiten Drehstellungen α₂ und jeder der dritten Drehstellungen α₃ unterscheidet und auch jede der zweiten Drehstellungen α₂ sich von jeder der dritten Drehstellungen α₃ unterscheidet. Hierdurch lässt sich nunmehr durch die drei entsprechend versetzt angeordneten Kinematiken 50a, 50b, 50c der Ring 18 nunmehr in Winkelschritten von 1° rasten.
Um den beschriebenen Effekt auszunutzen müssen wenigstens zwei unterschiedliche Kinematiken vorgesehen sein, die jeweils entsprechend gegeneinander versetzt sind. Beispielsweise können mit dem wenigstens einen Gegenrastelement (im Falle von Eingriffsplatte 27a mehrere Gegenrastelemente in Form von mehreren Zähnen 44a), die auf einer ersten der Kinematiken 50a angeordnet sind, dann beispielsweise die Winkel α₄ = 0°, 2,5°, 5° etc. gerastet werden, und mit dem wenigstens einen Gegenrastelement (im Falle von Eingriffsplatte 27b mehrere Gegenrastelemente in Form von mehreren Zähnen 44b), die auf einer zweiten der Kinematiken 50b angeordnet sind, dann beispielsweise die Winkel α₅ = 1,25°, 3,75°, 6,25° etc. gerastet werden.
Alternativ können auch mehr als drei Kinematiken vorgesehen sein, wobei sich mit wachsender Zahl der Kinematiken auch die Anzahl der insgesamt einstellbaren Winkelstellungen erhöhen lässt.
6 zeigt eine andersartige zweite Ausführungsform, die gegenüber der Ausführungsform nach 5 leicht geändert ist. Auch die in 6 gewählte Perspektive entspricht der Perspektive aus 5, wobei auch 6 nur eine rein schematische Darstellung ist und hierbei neben dem Ring 18 mit den Rastelementen (Zähne 43) nur die Führungen 41a, 41b, 41c der Kinematiken 54a, 54b, 54c und die Führungen 35a, 35b, 35c der Kinematiken 53a, 53b, 53c zeigt. Die zwei Kinematiken 53a und 54a mit dem jeweils zumindest einen Gegenrastelement (zumindest ein Zahn auf einer Eingriffsplatte) sind hierbei bezogen auf den Drehwinkel α um die Drehachse A des Drehgelenkes 14 jeweils so versetzt zueinander angeordnet, so dass sich mit dem zumindest einen ersten Gegenrastelement (zumindest ein Zahn auf einer Eingriffsplatte der Kinematik 53a) die Rastelemente (Zähne 43 auf dem Ring 18) in einer Vielzahl von ersten Drehstellungen α₄ = 0°, 2,5°, 5° etc. rasten lassen und mit dem zweiten Gegenrastelement (zumindest ein Zahn auf einer Eingriffsplatte) der Kinematik 54a die Rastelemente (Zähne 43 auf dem Ring 18) in einer Vielzahl von zweiten Drehstellungen, zum Beispiel α₅ = 1,25°, 3,75°, 6,25° etc. rasten lassen und dass jede der ersten Drehstellungen α₄ sich von jeder der zweiten Drehstellung α₅ unterscheidet. Die Kinematiken 53b und 53c sind hierbei so ausgerichtet, dass diese mit der Kinematik 53a übereinstimmen. Das bedeutet, dass auch die Kinematik 53b und die Kinematik 53c mit ihrem jeweilig wenigstens einem Gegenrastelement (zumindest ein Zahn auf einer Eingriffsplatte) die Rastelemente (Zähne 43 auf dem Ring 18) in den ersten Drehstellungen, also α₄ = 0°, 2,5°, 5° etc. rasten können. Genauso sind auch die Kinematiken 54b und 54c so ausgerichtet, dass diese mit ihren Gegenrastelementen (wenigstens ein Zahn auf einer jeweiligen Eingriffsplatte) die Rastelemente (Zähne 43 des Rings 18) in den zweiten Drehstellungen α₅, also zum Beispiel α₅ = 1,25°, 3,75°, 6,25° etc. rasten können. Damit können nunmehr also die Kinematiken 53a, 53b und 53c mit ihren Gegenrastelementen (wenigstens ein Zahn auf einer jeweiligen Eingriffsplatte) die Rastelemente (Zähne 43 des Rings 18) in den ersten Drehstellungen α₄ rasten und die drei anderen Kinematiken 54a, 54b und 54c mit Ihren Gegenrastelementen (jeweils wenigstens ein Zahn auf einer jeweiligen Eingriffsplatte) die Rastelemente (Zähne 43 des Rings 18) in zweiten Drehstellungen α₅ rasten. Dieses Ausführungsbeispiel hat den erheblichen Vorteil, dass sowohl bei einer Rastung in einer der ersten Drehstellungen α₄, wie auch bei einer Rastung in einer der zweiten Drehstellungen α₅ für die jeweils gerastete Drehstellung immer gleichzeitig die Gegenrastelemente (wenigstens ein Zahn auf einer jeweiligen Eingriffsplatte) von drei Kinematiken 53a, 53b und 53c oder 54a, 54b und 54c an drei unterschiedlichen Stellen, die gleichmäßig über den Umfang des Rings 18 verteilt sind, auf den Rastelementen (Zähne 43 des Rings 18) aufliegen. Hierdurch liegt eine gleichmäßige Kraftverteilung vor. Auch in diesem Beispiel unterscheidet sich jede der ersten Drehstellungen (α₄ = 0°, 2,5°, 5° etc.) von jeder der zweiten Drehstellungen (α₅ = 1,25°, 3,75°, 6,25° etc.).
Damit zeigen die Figuren also eine Dreheinheit 8 für ein Koordinatenmessgerät 19, mit wenigstens einem Drehgelenk 14, um hierdurch einen Sensor 4, 5 um eine Drehachse A rotieren zu können, wobei dieses Drehgelenk 14 folgendes umfasst:

– ein erstes Gehäuseteil 57, 57a, an dem ringförmig eine Vielzahl von Rastelementen (Zähne 43) angeordnet sind
– ein zweites Gehäuseteil 56, an dem Gegenrastelemente (Zähne 44a, 44b, 44c) vorgesehen sind, die mit den Rastelementen (Zähne 43) zusammenwirken
– ein Drehlager (16a, 16b), über das das zweite Gehäuseteil 56 und das erste Gehäuseteil 57, 57a relativ zueinander drehbeweglich gelagert sind.
– Außerdem wird gezeigt, dass am zweiten Gehäuseteil 56 zwei oder mehr Kinematiken 50a, 50b, 50c; 53a, 53b, 53c und 54a, 54b, 54c angeordnet sind, wobei an jeder der Kinematiken 50a, 50b, 50c; 53a, 53b, 53c und 54a, 54b, 54c zumindest ein Gegenrastelement (Zähne 44a, 44b, 44c) vorgesehen ist, wobei jede dieser Kinematiken 50a, 50b, 50c; 53a, 53b, 53c und 54a, 54b, 54c eingerichtet ist das jeweilige Gegenrastelement (Zähne 44a, 44b, 44c) von einer Ausrastposition in eine Einrastposition mit zumindest einem Rastelement (Zähne 43) zu bringen oder aus der Einrastposition wieder in die Ausrastposition zurück zu bringen, wobei die beiden Gehäuseteile 56 und 57, 57a in einer jeweiligen Drehstellung festgerastet sind, wenn zumindest eine Kinematik das jeweilige Gegenrastelement (Zähne 44a, 44b, 44c) in die Einrastposition bringt oder die Gehäuseteile 56 und 57, 57a relativ zueinander drehbeweglich sind, wenn alle Gegenrastelemente (Zähne 44a, 44b, 44c) sich in der Ausrastposition befinden.
– Außerdem sind zumindest zwei der Kinematiken (im Falle von 5 die Kinematiken 50a, 50b und 50c und im Falle von 6 die Kinematiken 53a, 53b und 53c einerseits und die Kinematiken 54a, 54b, 54c andererseits) mit dem jeweiligen Gegenrastelement (Zähne 44a, 44b, 44c der jeweiligen Kinematik) bezogen auf den Drehwinkel α um die Drehachse A des Drehgelenkes 14 jeweils so versetzt zueinander angeordnet sind, so dass sich mit einem ersten Gegenrastelement (im Falle von 5 einer der Zähne 44a der ersten Kinematik 50a, im Falle von 6 einer der Zähne der Kinematiken 53a, 53b, 53c) die beiden Gehäuseteile in einer Vielzahl von ersten Drehstellungen (im Falle von 5 die Drehstellungen α₁, im Falle von 6 die Drehstellungen α₄) rasten lassen und mit einem zweiten Gegenrastelement (im Falle von 5 zumindest einer der Zähne 44b der ersten Kinematik 50b, im Falle von 6 zumindest einer der Zähne der Kinematiken 54a, 54b, 54c) die beiden Gehäuseteile in einer Vielzahl von zweiten Drehstellungen (im Falle von 5 die Drehstellungen α₂, im Falle von 6 die Drehstellungen α₅) rasten lassen und dass jede der ersten Drehstellungen (im Falle von 5 die Drehstellungen α₁, im Falle von 6 die Drehstellungen α₄) sich von jeder der zweiten Drehstellungen (im Falle von 5 die Drehstellungen α₂, im Falle von 6 die Drehstellungen α₅) unterscheidet.

Es soll an dieser Stelle nochmals erwähnt werden, dass die Bezeichnung erstes Gehäuseteil 57, 57a und zweites Gehäuseteil 56 völlig willkürlich gewählt sind. Nachdem ein Drehlager 16a, 16b vorgesehen ist, über das das zweite Gehäuseteil 56 und das erste Gehäuseteil 57, 57a relativ zueinander drehbeweglich gelagert sind, bleibt also offen, ob sich das zweite Gehäuseteil 56 relativ zum ersten Gehäuseteil 57, 57a dreht, oder wie in diesem Ausführungsbeispiel sich das erste Gehäuseteil 57, 57a relativ zum zweiten Gehäuseteil 56 dreht.
In 7 ist ausschnittsweise die Darstellung aus 3 zu sehen, wobei hierbei insbesondere ebenfalls eine Kinematik dargestellt ist, die hier nun aber das Bezugszeichen 51a trägt. Gleiche Bauteile wie in 3 tragen hierbei dieselben Bezugszeichen. Wie aus 7 ersichtlich ist, unterscheidet sich die Kinematik 51a nach 7 von der Kinematik 50a aus 3 darin, dass die Führung ein Federgelenk 46a umfasst, das eine Rotation ermöglicht. Ansonsten arbeitet die Kinematik 51a genauso wie die Kinematik 50a aus 3. Selbstverständlich sind auch in diesem Ausführungsbeispiel, genau wie in 3, mehrere Kinematiken 51a vorgesehen, die genau wie oben im Zusammenhang mit 5 oder 6 beschrieben, mit den Rastelementen 43 des Rings 18 interagieren.
Genau wie 7 zeigt auch 8 eine ausschnittsweise Darstellung aus 3, wobei hierin ein drittes Ausführungsbeispiel einer Kinematik gezeigt ist, die das Bezugszeichen 52a aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Eingriffsplatte 27a mit dem Gegenrastelement (Zahn) direkt an einem Piezoantrieb 34a befestigt, der wiederum an einer Halteplatte 26a befestigt ist. Diese Kinematik kommt hierbei völlig ohne zusätzliche Führung aus, wobei die Führung durch den Piezoantrieb 34a selber erfolgt. Auch in dem Ausführungsbeispiel nach 8 ist hierbei nur eine einzige Kinematik 52a gezeigt. Selbstredend weist aber auch natürlich ein Drehgelenk gemäß diesem Ausführungsbeispiel, genau wie das Ausführungsbeispiel nach 3, mehrere Kinematiken auf, die wie im Zusammenhang mit den 5 oder 6 besprochen angeordnet sein können.
Die Kinematik für das Gegenrastelement sollte vorzugsweise steif in azimutaler Richtung der jeweiligen Drehachse (also in Drehrichtung der Drehachse) sein und kann für die Bewegung des Einrastens vorzugsweise „weich” in radialer Richtung (also radial bezogen auf die Drehachse) sein.
Damit umfassen die besagten Kinematiken 50a, 50b, 50c; 51a; 52a; 53a, 53b, 53c; 54a, 54b, 54c jeweils einen Antrieb, durch den das Gegenrastelement (wenigstens ein Zahn) bewegt werden kann. Der Antrieb kann insbesondere ein besonders kostengünstiger Piezoantrieb 34a sein. Die Kinematiken können zur Bewegung des Gegenrastelementes neben dem besagten Antrieb eine Führung 29a, 29b, 29c aufweisen, wobei die Führung ein Federparallelogramm (siehe beispielsweise die vier Festkörpergelenke 28a in 3, durch die ein Federparallelogramm entsteht) umfassen kann, das eine lineare Bewegung ermöglicht oder ein Federgelenk 46a umfassen kann, das eine Rotation ermöglicht.
Wie bereits oben im Zusammenhang mit 3 ausgeführt, sind als Drehlager Schrägkugellager 16a, 16b vorgesehen. Alternativ könnten auch Schrägwalzenlager vorgesehen sein. Der Vorteil solcher Schrägkugellager 16a, 16b als Drehlager soll nunmehr anhand von 9 und 10 erläutert werden. 9 zeigt hierbei ein Drehlager, das aus zwei herkömmlichen Kugellagern 39a und 39b gebildet ist und ein Drehlager, das aus zwei Schrägkugellagern 16a und 16b gebildet ist. Hieran sollen die Unterschiede dieser beiden Drehlager zu erläutert werden. Wie bereits oben im Zusammenhang mit 3 ausgeführt, werden die Schrägkugellager 16a und 16b durch den Spannring 33 und den hiermit zusammenwirkenden Vorsprung im zweiten Gehäuseteil 56 gespannt. Für das Schrägkugellager 16a ergeben sich damit die in 10 dargestellten Kräfteverhältnisse. Durch den Spannring 33 wird die Spannkraft F_S erzeugt, wobei durch den Vorsprung eine der Spannkraft F_S entgegenstehende Gegenkraft –F_S erzeugt wird. Hierdurch wird die äußere Ringhälfte 47a und die innere Ringhälfte 49a in horizontaler Richtung gegeneinander gepresst. Durch eine Kräftezerlegung ergeben sich aus den jeweils gegeneinander wirkenden Kräften F_S und –F_S jeweils eine Kraft F_∥, die parallel zu einer gedachten Linie steht, die sich aus den Punkten ergibt, auf denen die äußere Ringhälfte 47a und die innere Ringhälfte 49b auf den Kugeln 47a aufliegen und eine Kraft F_⊥, die senkrecht hierzu steht. Die Verlängerung der Kraftrichtungen F_⊥ ergibt hierbei einen virtuellen Einspannpunkt E_16a. Wie aus 9 wiederum zu sehen ist, ergeben sich für die beiden Schrägkugellager 16a und 16b die gezeigten virtuellen Einspannpunkte E_16a und E_16b. 9 zeigt außerdem die virtuellen Einspannpunkte E_39a und E_39b bei üblichen Kugellagern 39a und 39b. Wie aus 9 damit ersichtlich, liegen die virtuellen Einspannpunkte E_39a und E_39b bei normalen Kugellagern 39a und 39b in der Symmetrieebene der Kugellager auf der Drehachse, während bei Schrägkugellagern 16a und 16b die Einspannpunkte E_16a und E_16b außerhalb liegen. Hierdurch ergibt sich bei Schrägkugellagern 16a und 16b eine deutlich größere Führungslänge FL₁₆ als die Führungslänge FL₃₉ bei normalen Kugellagern 39a und 39b. Dadurch wird eine deutlich höhere Steifigkeit der betreffenden Drehachse erzielt. Grade bei einer Dreheinheit 8, wie sie in 2 gezeigt ist, bei der die Dreheinheit 8 eine Dreh-Schwenkeinheit ist, die zumindest zwei Drehgelenke 14, 15 aufweist, deren Drehachsen A, B senkrecht aufeinander stehen und deren erstes Drehgelenk 14 der beiden Drehgelenke 14, 15 als Drehlager Schrägkugellager 16a, 16b (oder alternativ Schrägwalzenlager) aufweist, kann das zweite Drehgelenk 15 besonders vorteilhaft angeordnet werden, wie dies 11 zeigt. Wie bereits im Zusammenhang mit 9 und 10 beschrieben, weist das Drehgelenk 14 auf der Drehachse A des Drehgelenkes 14 für jedes der Schrägkugellager 16a, 16b (oder alternativ jedes der Schrägwalzenlager) einen Einspannpunkt E_16a, E_16b auf, wobei dieser Einspannpunkt E_16b von einem der Schrägkugellager 16b (oder der Schrägwalzenlager) genau auf der Drehachse B des zweiten Drehgelenkes 15 liegt. Besonders vorteilhaft weist das zweite Drehgelenk 15 hierbei Kugellager oder Walzenlager (insbesondere natürlich Schrägkugellager 40a, 40b oder Schrägwalzenlager auf) wobei der Abstand dieser Kugellager oder Walzenlager von dem besagten Einspannpunkt E_16b jeweils gleich groß ist. Hierdurch ergibt sich eine Dreh-Schwenkeinheit, die relativ geringe Fehler aufweist.
Wie bereits oben ausgeführt weist die Dreheinheit 8 zusätzlich auf:

– einen Drehantrieb 32, mit dem die Drehung des zweiten Gehäuseteils 56 relativ zum ersten Gehäuseteil 57, 57a angetrieben werden kann und
– einen Winkelgeber 21, 22, der abhängig vom jeweiligen Drehwinkel zwischen dem ersten Gehäuseteil 57, 57a und dem zweiten Gehäuseteil 56 die jeweilige Winkelstellung liefert. Hierdurch kann die Dreheinheit vollkommen automatisiert betrieben werden. Zusätzlich sollte die Dreheinheit ein Steuerungsmodul mit einem oder mehreren Mikroprozessoren umfassen, die dazu eingerichtet sind, die Kinematiken anzusteuern und/oder den Drehantrieb anzusteuern und/oder den Winkelgeber auszulesen.

Bezugszeichenliste

1: Messtisch
2: erster Messschlitten
3: dritter Messschlitten
4: Sensor
5: Taster
6: Werkstück
7: Steuerung
8: Dreheinheit
9: Maßstab
10: Maßstab
11: Maßstab
12
13: Bedienpult
14: Drehgelenk
15: Drehgelenk
16a, 16b: Schrägkugellager
17: Messrechner
18: Ring
19: Koordinatenmessgerät
20: zweiter Messschlitten
21: Teilkreisscheibe
22: optischer Auslesekopf
23
24: Mechanik
25a–25c: Tauchspulenantrieb
26a–26c: Halteplatte
27a–27c: Eingriffplatte
28a–28c: Festkörpergelenk
29a–29c: Führung
30: Stator
31: Rotor
32: Torque Motor
33: Spannring
34a–34c: Piezoaktuator
35a–35c: Führung
36a–36c: Festkörpergelenk
37
38
39a, 39b: Kugellager
40a, 40b: Schrägkugellager
41a–41c: Führung
42a–42c: Festkörpergelenk
43: Zahn
44a–44c: Zahn
45
46a–46c: Federgelenk
47a–47b: äußerer Ring
48a–48b: Kugeln
49a–49b: innerer Ring
50a–50c: Kinematik
51a–51c: Kinematik
52a–52c: Kinematik
53a–53c: Kinematik
54a–54c: Kinematik
56: zweites Gehäuseteil
57: erstes Gehäuseteil
57a: Welle
58: drittes Gehäuseteil
59: Wechselteller

Claims

Dreheinheit (8) für ein Koordinatenmessgerät (19), mit wenigstens einem Drehgelenk (14), um hierdurch einen Sensor (4, 5) um eine Drehachse (A) rotieren zu können, wobei dieses Drehgelenk (14) folgendes umfasst: – ein erstes Gehäuseteil (57, 57a), an dem ringförmig eine Vielzahl von Rastelementen (43) angeordnet sind – ein zweites Gehäuseteil (56), an dem Gegenrastelemente (44a, 44b, 44c) vorgesehen sind, die mit den Rastelementen (43) zusammenwirken – ein Drehlager (16a, 16b), über das das zweite Gehäuseteil (56) und das erste Gehäuseteil (57, 57a) relativ zueinander drehbeweglich gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, – dass am zweiten Gehäuseteil (56) zwei oder mehr Kinematiken (50a–c; 51a–c; 52a–c; 53a–c; 54a–c) angeordnet sind, wobei an jeder der Kinematiken zumindest ein Gegenrastelement (44a, 44b, 44c) vorgesehen ist, wobei jede dieser Kinematiken eingerichtet ist das jeweilige Gegenrastelement (44a, 44b, 44c) von einer Ausrastposition in eine Einrastposition mit zumindest einem Rastelement (43) zu bringen, oder aus der Einrastposition wieder in die Ausrastposition zurück zu bringen, wobei die beiden Gehäuseteile (56, 57, 57a) in einer jeweiligen Drehstellung festgerastet sind, wenn zumindest eine Kinematik das jeweilige Gegenrastelement (44a, 44b, 44c) in die Einrastposition bringt, oder die Gehäuseteile (56, 57, 57a) relativ zueinander drehbeweglich sind, wenn alle Gegenrastelemente (44a, 44b, 44c) sich in der Ausrastposition befinden und – dass außerdem zumindest zwei der Kinematiken (50a–c; 51a–c; 52a–c; 53a–c; 54a–c) mit dem jeweiligen Gegenrastelement bezogen auf den Drehwinkel (α) des Drehgelenkes (14) jeweils so versetzt zueinander angeordnet sind, so dass sich mit einem ersten Gegenrastelement (44a) die beiden Gehäuseteile in einer Vielzahl von ersten Drehstellungen (α₁; α₄) rasten lassen, und mit einem zweiten Gegenrastelement (44b) die beiden Gehäuseteile in einer Vielzahl von zweiten Drehstellungen (α₂; α₅) rasten lassen und dass jede der ersten Drehstellungen (α₁; α₄) sich von jeder der zweiten Drehstellungen (α₂; α₅) unterscheidet.
Dreheinheit nach Anspruch 1, wobei die Rasteelemente und/oder die Gegenrastelemente Zähne einer Verzahnung sind.
Dreheinheit nach Anspruch 2, wobei die Rastelemente die Zähne einer Hirth-Verzahnung sind.
Dreheinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die besagten Kinematiken jeweils einen Antrieb (25a, 25b, 25c; 34a, 34b, 34c) umfassen, durch den das Gegenrastelement bewegt werden kann.
Dreheinheit nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Antrieb ein Piezoantrieb (34a, 34b, 34c) ist.
Dreheinheit nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Kinematik (50a–c; 51a–c; 52a–c; 53a–c; 54a–c) zur Bewegung des Gegenrastelementes neben dem Antrieb eine Führung (29a, 29b, 29c) aufweist.
Dreheinheit nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Führung ein Federparallelogramm (28a, 28b, 28c) ist oder ein Federgelenk (27) ist, das eine Rotation ermöglicht.
Dreheinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Drehlager Schrägkugellager (16a, 16b) oder Schrägwalzenlager vorgesehen sind.
Dreheinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dreheinheit eine Dreh-Schwenkeinheit ist, die zumindest zwei Drehgelenke (14, 15) aufweist, deren Drehachsen (A, B) senkrecht aufeinander stehen, wobei zumindest ein erstes der beiden Drehgelenke (14) nach dem vorhergehenden Anspruch ausgestaltet ist, wobei durch jedes der Schrägkugellager (16a, 16b) oder der Schrägwalzenlager dieses Drehgelenkes (14) auf der Drehachse (A) des Drehgelenkes (14) jeweils ein Einspannpunkt (E_16a, E_16b) definiert ist, wobei der Einspannpunkt (E_16b) von einem der Schrägkugellager (16b) oder Schrägwalzenlager genau auf der Drehachse (B) des zweiten Drehgelenkes (15) liegt.
Dreheinheit nach Anspruch 9, wobei das zweite Drehgelenk (15) Kugellager oder Walzenlager, insbesondere Schrägkugellager (40a, 40b) oder Schrägwalzenlager aufweist, wobei der Abstand dieser Kugellager oder Schrägwalzenlager von dem besagten Einspannpunkt (E_16b) jeweils gleich groß ist.
Dreheinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dreheinheit zusätzlich umfasst – einen Drehantrieb (32), mit dem die Drehung des zweiten Gehäuseteils (56) relativ zum ersten Gehäuseteil (57, 57a) angetrieben werden kann, – einen Winkelgeber (21, 22), der abhängig vom jeweiligen Drehwinkel zwischen dem ersten Gehäuseteil (57, 57a) und dem zweiten Gehäuseteil (56) die jeweilige Winkelstellung (α) liefert.
Dreheinheit nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Dreheinheit zusätzlich ein Steuerungsmodul mit einem oder mehreren Mikroprozessoren umfasst, die dazu eingerichtet sind, die Kinematiken anzusteuern und/oder den Drehantrieb anzusteuern und/oder den Winkelgeber auszulesen.