DE19735943A1

DE19735943A1 - Vorrichtung zur Verschwenkung eines Gegenstandes oder Werkstückes

Info

Publication number: DE19735943A1
Application number: DE1997135943
Authority: DE
Inventors: Stefan Schaefer
Original assignee: Gottlieb Nestle GmbH
Current assignee: Gottlieb Nestle GmbH
Priority date: 1997-08-19
Filing date: 1997-08-19
Publication date: 1999-03-11

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verschwenkung eines Gegenstandes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Vorrichtungen zum Schwenken von Gegenständen in einer oder mehreren Dimensionen sind in der Technik bekannt. Meist wird dieser Effekt dadurch erreicht, daß das betreffende Teil kardanisch aufgehängt ist. Der Drehpunkt einer so erzeugten Schwenkbewegung ist dabei der Schnittpunkt der beiden Kardanachsen.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schwenkvorrichtung zu schaffen, bei der der Drehpunkt der Schwenkbewegung außerhalb der Schwenkvor richtung selbst liegt. Das erfindungsgemäße Prinzip zur Schwenkung soll sowohl in einer wie auch in zwei Dimensionen realisierbar sein.

Die Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ge löst. Die Grundidee besteht darin, die Schwenkbarkeit mit Hilfe einer Trapezanordnung zu erreichen.

Das Funktionsprinzip und mehrere Ausführungsbeispiele werden im folgenden anhand von Zeichnungen genauer erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Erfindungsgedankens anhand einer eindimensionalen Schwenkvorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Definition des Schwenk winkels eines Gegenstandes oder Werkstückes in der ersten Montageebene B,

Fig. 3 Darstellung der beiden Schwenkebenen für eine zweidimen sional arbeitende Schwenkvorrichtung,

Fig. 4 die Wirkungsweise eines Pentaprismas,

Fig. 5 eine zweidimensionale Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels einer Schwenkvorrichtung, wie sie in einem Rotationslaser eingesetzt wird,

Fig. 6 und 7 Schnittdarstellungen der Schwenkvorrichtung nach der Fig. 5 in den zueinander orthogonalen Schwenk-Ebenen der beiden Schwenkmimiken,

Fig. 8 ein Beispiel der Einsatzmöglichkeiten der Schwenkvor richtung in der Materialbearbeitung,

Fig. 9 und 10 ein Beispiel der Einsatzmöglichkeiten der Schwenkvorrichtung in der Mikromechanik.

Die vorgeschlagene Vorrichtung beinhaltet zunächst zwei Ebenen A, B, die über an Schwenkachsen A1, B1, C1, D1 gehaltene Schwenkarme W11, W12 derart miteinander gelenkig verbunden sind, daß eine bewegliche Anordnung nach Art eines Trapezlenkers entsteht (Fig. 1a), bei der die beiden Ebenen A, B gegeneinander geneigt werden können. In der hier beschriebenen Form sind diese Bauteile so ausgeführt, daß für die Abstände der Schwenkachsen gilt:

A1B1 ≠ D1C1 und A1D1 = B1C1

Sonderfälle mit A1D1 ≠ B1C1 sind denkbar, aber von eingeschränktem technischem Nutzen und werden in dieser Beschreibung nicht weiter betrachtet.

Nimmt man bei einer praktischen Realisierung die Ebene A als feststehend an (im folgenden als stationäre Ebene A bezeichnet), so sind die Schwenkarme W11 und W12 um die in dieser Ebene A verlaufenden Schwenkachsen A1 und B1 schwenkbar, wobei W11 und W12 miteinander nach Art einer Kurbelschwinge durch die Ebene B gekoppelt sind, die im weiteren als erste Montageebene bezeichnet wird, worunter ein Bauteil verstanden wird, z. B. eine Platte, auf dem ein zu schwenkender Gegenstand fixiert werden kann.

Definiert man auf der ersten Montageebene B einen in der Mitte dieses Bauteils zwischen den Schwenkachsen D1 und C1 liegenden Punkt P1, so wird dieser Punkt in einem begrenzten Bereich auf einer der stationären Ebene A angenähert parallelen Bahn geführt (vergl. Fig. 1b). Diese Wirkungsweise wird technisch zu Zwecken einer angenäherten Geradführung im sogenannten Robertsschen Lenker und im Tschebyschewschen Lenker ausgenutzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden jedoch andere Eigenschaften und Wirkungsweisen eines solchen Systems technisch ausgenutzt und umgesetzt, die im folgenden erläutert werden:
Betrachtet man bei der oben beschriebenen Schwenkbewegung die Schwenkachsen D1 und C1, so beschreiben diese einen Kreisbogen um die feststehenden Schwenkachsen A1 bzw. B1. Errichtet man auf der ersten Montageebene B das Lot in Punkt P1 jeweils in den beiden Endwinkeln α_1eu und α_1eo und in jedem beliebigen Winkel zwischen diesen beiden Endwinkeln, so schneiden sich diese Lote in einem näherungsweise ortsfesten Punkt M1 (Fig. 1c). Die Länge der Strecke P1 M1 ist dabei vom Längenverhältnis der Bauteile A, B, W11 und W12 abhängig. Die Lage des Punktes M1 bezüglich der stationären Ebene A ist bei gleichbleibenden Längenverhältnissen A/B/W11/W12 für alle Winkel α₁ näherungsweise gleich. Der Punkt M1 kann somit als virtueller Drehpunkt bezüglich des Punktes P1 bezeichnet werden.

Die erste Montageebene B liegt nur im Sonderfall α₁ = β₁ parallel zur stationären Ebene A. In allen anderen Fällen schneiden sich die Verlängerungen der Strecken A1 B1 und C1 D1 in einem vom Schwenk winkel α₁ abhängigen Winkel, der als Inclinationswinkel ϕ₁ be zeichnet wird (Fig. 2). Dieser Inclinationswinkel ϕ₁ ist betrags mäßig von α₁ abhängig und kann ein positives oder negatives Vorzeichen haben, er ist ein Maß für die Verschwenkung der Montageebene B um den virtuellen Drehpunkt M1.

Mit der hier beschriebenen Anordnung von gelenkig miteinander ver bundenen Bauteilen ist es möglich, in einem beispielsweise durch die definierten Endwinkel α_1eo und α_1eu begrenzten Bereich den Schwenkwinkel α₁ in einen Inclinationswinkel ϕ₁ umzusetzen. Dadurch wird es durch die erfindungsgemäße Anordnung möglich, die erste Montageebene B sowie damit verbundene Bauteile und Baugruppen in einem durch α₁ vorgegebenen Winkel gegenüber der stationären Ebene A um den Winkel ϕ₁ zu neigen. Die Neigung geschieht dabei in Form einer Drehbewegung um den virtuellen Drehpunkt M1.

Diese eindimensional arbeitende Anordnung wird im weiteren als erste Schwenkmimik bezeichnet.

Eine Erweiterung des beschriebenen Grundprinzips besteht in der Schaffung einer zweiten Schwenkmimik, d. h. darin, eine zweite Montageebene mittels zweier Schwenkarme W21, W22 mit der ersten Montageebene B ebenfalls nach Art eines Trapezlenkers zu verbinden und in einer zweiten Ebene E2 auslenkbar zu machen, die zu der Ebene E1 in einem beliebigen Winkel geneigt ist. Der Sonderfall ε=90° ist von besonderer Bedeutung und wird im folgenden genauer beschrieben (Fig. 3a):
Ordnet man die derart gebildeten beiden Schwenkmimiken in einem Winkel von ε=90° an, ergibt sich eine Anordnung wie sie in Fig. 3b gezeigt ist. Diese Zusammenstellung erlaubt es, die zweite Montageebene C (sowie etwaige mit C verbundene andere Bauteile und Baugruppen) in zwei voneinander unabhängigen und zueinander rechtwinkligen Achsen auszulenken. Betrachtet man den Normalenvektor auf der zweiten Montageebene C im Schnittpunkt der Verbindungslinien P1 P1' und P2 P2', so schneiden sich diese Normalvektoren bei allen möglichen Winkeln α₁ und α₂, das heißt bei allen Raumschwenkwinkeln Ω in einem Raumbereich um den virtuellen Schwenkpunkt M herum (vergl. Fig. 3b). Die Lage des Punktes M bezüglich der feststehenden stationären Ebene A, die beim dar gestellten Ausführungsbeispiel mit der unausgelenkten zweiten Montageebene C fluchtet, ist bei allen Winkeln α₁ und α₂ näherungsweise gleich. Der Raumbereich, in dem M liegen kann, wird als D (Ω) bezeichnet.

Anwendungsbeispiele der Erfindung

Im folgenden werden einige Anwendungsbeispiele für die erfindungs gemäße Schwenkmimik gegeben. Zunächst wird eine Anwendung aus der Vermessungstechnik ausführlich dargestellt:
Im Bauwesen, speziell im Innenausbau besteht Bedarf an der Möglich keit, mit einfachen Mitteln eine bezüglich der Schwerkraft normale Ebene zu definieren. Dabei ist im allgemeinen gefordert, daß diese Ebene in jedem beliebigen Punkt in dieser Ebene gleichzeitig erkannt werden kann.

Realisiert wird dies meist dadurch, daß ein sich senkrecht ausbrei tender Laserstrahl mittels eines Pentaprismas in die Horizontalebene abgelenkt wird. Ein Pentaprisma hat die Eigenschaft, daß ein- und ausfallender Strahl stets im rechten Winkel zueinander stehen (siehe Fig. 4 mit SE=einfallender Strahl, SA=austretender Strahl). Wird dieses Pentaprisma in schnelle Rotation versetzt, so entsteht in Bereichen, in denen der so abgelenkte Laserstrahl auf eine Wand oder ähnliches trifft, der Eindruck einer durchgehend horizontalen Linie.

Bei bisherigen Geräten wird der Laser meist kardanisch gelagert, um ihn lotrecht ausrichten zu können. Diese Art der Aufhängung hat je doch den Nachteil, daß die Strahlrichtungen je nach Verkippung des Lasers divergieren. Deshalb muß das ablenkende Pentaprisma gemeinsam mit dem Laser verkippt werden, was mechanisch sehr aufwendig ist.

Bei erfindungsgemäßem Einsatz der Doppelschwenkmimik kann das Penta prisma jedoch ortsfest auf einem Gehäuse angebracht sein, ohne daß es mit dem Laser L verkippt werden muß, da die Doppelschwenkmimik sicherstellt, daß sich die Laserstrahlen unabhängig vom Schwenk winkel im Punkt M schneiden.

Fig. 5 zeigt eine zweidimensionale Prinzipskizze einer bevorzugten Ausführungsform einer Rotationslasereinheit mit zwei erfindungsgemäßen Schwenkmimiken, Fig. 6 und 7 zeigen zwei detaillierte Schnittdarstellungen:
Ein Gehäuse 10 ist kippbar auf einem (symbolisch dargestellten) Stativ 11 gelagert, so daß die Unterseite 10A und die zu ihr parallele Oberseite 10B des Gehäuses 10 näherungsweise horizontal ausgerichtet werden können. Im Inneren des Gehäuses 10 ist eine Doppelschwenkmimik mit orthogonal zueinander arbeitenden eindimensionalen Schwenkmimiken angebracht, wobei die stationäre Ebene A starr mit dem Gehäuse 10 verbunden ist. Mittels der beiden Schwenkarme W11 und W12, die als flächige Bauteile ausgebildet sind, ist die erste Montageebene B schwenkbar an der stationären Ebene A gelagert. Mit den weiteren Schwenkarmen W21 und W22, die ebenfalls als flächige Bauteile ausgebildet sind, ist eine zweite Montageebene C schwenkbar bezüglich der ersten Montageebene B gelagert. (Aus Gründen der einfacheren zeichnerischen Darstellung ist in Fig. 7 die erste Montageebene B in nicht-ausgelenkter Position wie in Fig. 6 gezeigt.) Die Schwenkachsen der beiden Montageebenen B und C stehen ortogonal aufeinander. Auf der zweiten Montageebene C ist ein Laser in einem Lasergehäuse 20 derart angebracht, daß sich der von ihm emittierte Laserstrahl SE nach oben ausbreitet. Bei dem dar gestellten Ausführungsbeispiel ist eine Geometrie gewählt, bei der die erste Montageebene B unterhalb der stationären Ebene A liegt, und sich in unausgelenktem Zustand die zweite Montageebene C unterhalb der stationären Ebene A befindet. Weiterhin ist die relative Dimensionierung der Bauteile so gewählt, daß der Raumbereich D (Ω) (Fig. 3b), in welchem der Punkt M liegt, möglichst klein gehalten wird.

Mittels relativ zur zweiten Montageebene C stationär angebrachten Sensoren 15X, 15Y kann die Verkippung der zweiten Montageebene C bezüglich der Horizontalebene festgestellt werden.

Zur horizontalen Ausrichtung der zweiten Montageebene C ist ein Stellmechanismus innerhalb des Gehäuses 10 vorgesehen, der zwei Motoren 30X und 30Y (entsprechend den Bewegungskoordinaten) beinhaltet, die über je einen zugeordneten Exzenter 31X, 31Y eine zugeordnete Steuerkante 32X, 32Y beaufschlagen und somit die gewünschte Auslenkung der beiden Schwenkmimiken einstellt. Die horizontale Ausrichtung kann dann mit Hilfe der Sensoren 15X, 15Y (Inclinometer) automatisch durch geeignete Ansteuerung des jeweils zugeordneten Motors 30X, 30Y erfolgen. Dieser Stellmechanismus ist stationär an einer Gehäuseinnenwand verankert. Auf der zweiten Montageebene C befinden sich somit ausschließlich das Lasergehäuse 20 mit dem Laser und die Sensoren 15X, 15Y. Diese Bauteile haben im allgemeinen eine relativ kleine Masse. Dadurch wird die Schwenkmimik nur gering mechanisch belastet, und es wird möglich, die acht Gelenke F, mittels derer die Montageebenen B und C gelagert sind, als Filmscharniere auszubilden. Diese Lagerung der beiden Montageebenen mittels Filmscharnieren hat den besonderen Vorteil, daß die gesamte Doppelschwenkmimik als einstückiges Teil, beispielsweise mit der Spritzgußtechnik, herstellbar ist. Der Umfang an Präzisionseinzelteilen und der Aufwand bei Lagerhaltung, Montage, Justage und Wartung wird dadurch auf ein absolutes Mindestmaß minimiert.

Auf der Oberseite 10B des Gehäuses 10 befindet sich das bereits erwähnte Pentaprisma 40. Es ist um eine vertikale Achse drehbar gelagert und kann mittels einer Antriebseinheit 50 mit Motor 50A, Transmissionsriemen 50B und Drehteller 50C in Rotation versetzt werden. Das Pentaprisma 40 ist etwas unterhalb des Punktes M angeordnet (siehe auch Fig. 4). Dadurch wird erreicht, daß alle vom Laser L stammenden Lichtstrahlen SE senkrecht reflektiert werden. Wenn das Pentaprisma 40 mit Hilfe der Antriebseinheit 50 in schnelle Rotation versetzt wird, entsteht der oben beschriebene gewünschte Effekt. Hauptvorteil dieser Anordnung ist, daß das Pentaprisma 40 nicht an der Kippbewegung der Schwenkmimik teilnehmen muß, sondern abgesehen von seinem Rotationsfreiheitsgrad parallel zur Oberseite 10B des Gehäuses G montiert werden kann. Dies macht den Gesamtaufbau mechanisch sehr einfach und erleichtert auch eine Abdichtung des Gehäuseinneren gegen Staub und Schmutz beispielsweise durch eine einfache Labyrinthdichtung 60.

Zur Definition einer senkrechten Ebene, die in manchen Anwendungs fällen benötigt wird (z. B. zur Erstellung einer Trennwand) ist ein weiterer Sensor 15Z vorgesehen. Bei dieser Funktionsposition liegt die Rotationslasereinheit dann auf der Seite, mit dem Motor 30Y nach unten, und die Ausrichtung der erwünschten senkrechten Strahl ebene des Lasers erfolgt dann durch Ansteuerung der aus den Bau teilen C/B/W21/W22 bestehenden Bauteile, mit denen entsprechend der Laser L waagerecht ausgerichtet werden kann.

Weitere Verwendungsformen der erfindungsgemäßen Kippvorrichtung:
Zur Verdeutlichung der mannigfaltigen Einsetzbarkeit des oben be schriebenen mechanischen Prinzips werden im folgenden noch beispiel haft einige weitere Anwendungsmöglichkeiten skizziert.

Beispiel A

Am virtuellen Drehpunkt M kann ein Werkstück Q angeordnet werden, das von einem auf einer der Montageebenen angebrachten Bearbeitungs werkzeug V bearbeitet werden kann. Das Bearbeitungswerkzeug V kann beispielsweise ein Laser sein (siehe Fig. 8).

Beispiel B

Die erfindungsgemäße Schwenkmimik kann auch in der Mikromechanik eingesetzt werden, zum Beispiel zur Positionierung eines Beobach tungsgegenstandes in der Mikroskopie (Fig. 9), oder zur Ausrichtung eines mittels Laserdiode LD erzeugten Laserstrahls S bezüglich eines oder mehrerer Glasfaserkabel GF (Fig. 10).

Claims

1. Vorrichtung zur Verschwenkung eines Gegenstandes oder eines Werkstückes mittels einer um einen zumindest weitgehend stationären Drehpunkt verschwenkbaren Montageebene, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Montageebene (B) mit Schwenkarmen (W11, W12) nach Art mindestens eines Trapezlenkers an einer stationären Ebene (A) gehalten ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (A1B1) der beiden Schwenkachsen (A1, B1) der stationären Ebene (A) größer ist als der Abstand (C1D1) der beiden Schwenk achsen (C1, D1) der ersten Montageebene (B).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Montageebene (B) mit zweiten Schwenkarmen (W21, W22) nach Art eines Trapezlenkers versehen ist, deren Schwenkachsen orthogonal zur Schwenkebene der ersten Schwenkarme (W11, W12) liegt, so daß ein der zweiten Montageebene (C) zugeordneter Gegenstand (L, V) im Raum verschwenkbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Dimensionierung der beiden die Bewegungen der beiden Montageebenen (B, C) darstellenden Trapezlenker so gewählt ist, daß in einem vorgebbaren Bereich des Raum-Schwenkwinkels (Ω) die Abweichung resultierenden, virtuellen Drehpunktes (M) von einem Mittelweg minimiert ist.

5. Vorrichtung Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkarme (W11, W12; W21, W22) als flächige Bauteile ausgeführt sind, die über Filmscharnier-Verbindungen (F11. . . F24) als Schwenkachsen an ihren zugeordneten Ebenen (A, B, C) gehalten sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der an einer der Montageebenen (B, C) gehaltene Gegenstand eine Strahlungsquelle ist, deren Strahlung ein stationäres Objekt beaufschlagt, das im Bereich des virtuellen Drehpunktes (M) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle ein Laser ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt ein Prisma ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, gekennzeichnet durch die Anordnung eines Lasers (L) und eines Penta-Prismas (40) zum Aufbau eines Rotationslasers der Vermessungstechnik.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß der an einer der Montageebenen (B, C) gehaltene Gegenstand ein Bearbeitungswerkzeug (V) ist, dem im Bereich des virtuellen Drehpunktes ein Werkstück (Q) zugeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß dem an einer der Montageebenen (B, C) gehaltenen Gegenstand mindestens ein Sensor zugeordnet ist, der die Verschwenkung des Gegenstandes um den virtuellen Drehpunkt (M) in ein schwenkwinkelabhängiges Informations- und/oder Steuersignal umsetzt.