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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Position
eines ersten Maschinenteils gegenüber einem zweiten Maschinenteil
im Raum. Gleichzeitig bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung
zum Positionieren eines ersten Maschinenteils gegenüber einem
zweiten Maschinenteil im Raum.
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Dabei
kann bei der Vorrichtung zum Messen der Position des ersten Maschinenteils
gegenüber dem
zweiten Maschinenteil das erste Maschinenteil gegenüber dem
zweiten Maschinenteil passiv aber auch aktiv bewegt werden. Im letzteren
Fall ist gleichzeitig eine Vorrichtung zum Messen der Position und zum
Positionieren eines ersten Maschinenteils gegenüber einem zweiten Maschinenteil
gegeben. Dasselbe gilt, wenn bei einer Vorrichtung zum Positionieren
des ersten Maschinenteils gegenüber
dem zweiten Maschinenteil gleichzeitig die Position des ersten Maschinenteils
gegenüber
dem zweiten Maschinenteil gemessen wird.
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Es
ist allgemein bekannt, dass die Position eines ersten Maschinenteils
gegenüber
einem zweiten Maschinenteil dadurch bestimmt werden kann, dass der
Abstand der beiden Maschinenteile von drei ihrerseits untereinander
beabstandeten und nicht auf einer Geraden liegenden Punkten an dem
zweiten Maschinenteil aus bestimmt wird. Aus der Relativlage dieser
drei Punkte mit den zugehörigen
Abständen
ist die Position des ersten Maschinenteils gegenüber dem zweiten Maschinenteil
eindeutig ermittelbar, was seine Ortskoordinaten anbelangt. Wenn
die drei Abstände
durch drei längenveränderliche
Positionierelemente bestimmt werden, die in den drei Punkten an
dem zweiten Maschinenteil gelagert sind, müssen alle drei Positionierelemente
den vollen Abstand zwischen den beiden Maschinenteilen überbrücken. Gleichzeitig
muss dieser Abstand frei von Hindernissen sein.
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Aus
der
DE 195 34 535
A1 ist eine Koordinatenmessmaschine mit drei linearen Positionierelementen
bekannt, die jeweils eine Hauptrichtung aufweisen und mit einem
Ende frei verschwenkbar an untereinander beabstandeten ortsfesten
Punkten an einer Grundplatte gelagert sind. Die anderen Enden der
drei Positinierelemente laufen in einem Knoten zusammen, wobei die
Position des Knotens im Raum durch die linearen Längen der
Positionierelemente definiert ist. An dem Knoten ist der Tastkopf
gelagert. Indem die linearen Längen
der drei Positionierelemente in ihrer jeweiligen Hauptrichtung reproduzierbar
veränderlich
sind, können
mit dem Tastkopf verschiedene Positionen im Raum angefahren werden.
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Die
DE 37 40 070 A1 beschreibt
einen Dreh-Schwenk-Einrichtung für
Tastköpfe
von Koordinatenmessgeräten.
Dabei ist der Tastkopf über
die Dreh-Schwenk-Einrichtung in beliebigen Winkelstellungen gegenüber einem
im Raum linear positionierbaren Messarm ausrichtbar.
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Die
US 5,797,191 A beschreibt
eine Koordinatenmessmaschine, bei der eine Sonde an einem Stab gelagert
ist und dieselbe Hauptrichtung wie der Stab aufweist. Dabei steht
die Sonde über
einen Knoten über,
in dem drei lineare Positionierelemente an einem der Enden des Stabs
angreifen. Drei weitere Positionierelemente greifen an dem anderen
Ende des Stabs an. Die drei ersten Positionierelemente dienen dazu,
das eine Ende des Stabs und damit die Sonde im Raum zu positionieren,
während
die drei anderen Positionierelemente den Stab über sein anderes Ende im Raum
verschwenken, wodurch die Winkelstellung der Sonde im Raum festgelegt
wird. Der Arbeitsbereich dieser bekannten Koordinatenmessmaschine
ist verglichen mit ihrer Größe und der Länge der
Positoinierelemente nur klein.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen
der Position und/oder zum Positionieren eines ersten Maschinenteils
gegenüber
einem zweiten Maschinenteil im Raum aufzuzeigen, bei der die mit
dem ersten Maschinenteil erreichbaren Punkte weniger stark durch
die verwendeten Positionierelemente eingeschränkt sind, und bei der im Falle
von Lageveränderungen
des ersten Maschinenteils gegenüber
dem zweiten Maschinenteil nur geringe Trägheitsmomente zu überwinden sind.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine Vorrichtung mit dem Merkmal des Patentanspruchs
1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen der
neuen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 definiert.
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Bei
der Erfindung wird für
die Definition der Ortskoordinaten des Knotens gegenüber dem
zweiten Maschinenteil auf das eingangs beschriebene Grundkonzept
zurückgegriffen.
Von dem Knoten aus erstreckt sich bis zu dem ersten Maschinenteil
dann aber nur noch das vierte Positionierelement. Entsprechend ist
der für
die Messung bzw. Positionierung erforderliche Freiraum zwischen
den beiden Maschinenteilen deutlich reduziert. Dies gilt insbesondere dann,
wenn die Länge
des vierten Positionierelements mindestens von der Größenordnung
der Länge
der anderen Positionierelemente oder gar deutlich größer ist.
Die Variablen der neuen Vorrichtung sind wie bei dem von ihr weiterentwickelten
Grundprinzip zumindest drei Abstände,
die den Längen
des ersten, des zweiten und des dritten Positionierelements bei fester
Länge des
vierten Positionierelements oder den Längen des zweiten, des dritten
und des vierten Positionierelements bei fester Länge des ersten Positionierelements
entsprechen. Es können
auch vier Abstände
variabel gehalten werden, wobei dann sowohl die Länge des
vierten als auch des ersten Positionierelements veränderlich
ist. Dabei handelt es sich jedoch nicht um eine bevorzugte Ausführungsform
der neuen Positioniervorrichtung, weil sich ihr Aufwand hierdurch
erhöht.
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Für die veränderlichen
Längen
des ersten und/oder des vierten sowie des zweiten und des dritten
Positionierelements können
Wegsensoren und/oder Linearantriebe vorgesehen sein. So können die
einen Enden der jeweiligen Positionierelemente mit dem Stator und
die anderen Enden der jeweiligen Positionierelemente mit dem Läufer eines
Linearelektromotors verbunden sein, der umgekehrt auch als Wegsensor
nutzbar ist. Ebenso sind andere Wegsensoren und Linearantriebe,
zu denen auch Gewindetriebe zählen,
im Bereich der längenveränderlichen Positionierelemente
einsetzbar.
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Da
die Hauptrichtungen des ersten und des vierten Positionierelements
zusammenfallen, sind die Ortskoordinaten des ersten Maschinenteils
an dem freien Ende des vierten Positionierelements von der jeweiligen
Drehstellung des ersten und des vierten Positionierelements um die
gemeinsame Hauptrichtung unabhängig.
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Dadurch,
dass zwischen dem ersten und dem vierten Positionierelement ein
Winkelmesser und/oder ein Drehantrieb vorgesehen ist, ist die Winkellage
des ersten Maschinenteils reproduzierbar ist.
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Wenn
das erste Maschinenteil vor seinem freien Ende eine Abkröpfung gegenüber seiner Hauptrichtung
aufweist, sind interessierende Messpunkte auch dann anfahrbar, wenn
sich in einer direkten Linie zwischen dem Messpunkt und dem Knoten, in
dem das erste, das zweite und das dritte Positionierelement zusammenlaufen,
ein Hindernis befindet.
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Wenn
das erste Maschinenteil um eine Schwenkachse verschwenkbar an dem
freien Ende des vierten Positionierelements gelagert ist, wobei die
Schwenkachse senkrecht zu der Hauptrichtung des vierten Positionierelements
verläuft,
und wobei zwischen dem vierten Positionierelement und dem ersten
Maschinenteil ein Winkelmesser und/oder ein Drehantrieb vorgesehen
ist, kann zumindest ein drehsymmetrisches erstes Maschinenteil nicht
nur bezüglich
seiner Ortskoordinaten, sonder auch bezüglich seiner Ausrichtung, d.
h. bezüglich
seiner Raumwinkel vollständig
definiert werden. Mit anderen Worten kann beispielsweise die Lage
einer beliebigen Achse im Raum gemessen oder ein rotierendes Werkzeug
beliebig gegenüber
einem Werkstück positioniert
werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und
beschrieben. Dabei zeigen
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1 und 2 zwei
Ausführungsformen der
neuen Vorrichtung und
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3 und 4 zwei
Ausführungsformen eines
längenveränderlichen
Positionierelements für die
neue Vorrichtung.
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Wenn
im Zusammenhang mit einer der nachstehend beschriebenen Vorrichtungen
ausgeführt wird,
dass diese zum passiven Bestimmen der Position des ersten Maschinenteils
gegenüber
dem zweiten Maschinenteil geeignet ist, so ist diese Vorrichtung
immer auch umkehrbar, so dass sie zum aktiven Positionieren eines
ersten Maschinenteils gegenüber einem
zweiten Maschinenteil dient und umgekehrt. Darüberhinaus kann jede der Vorrichtungen
grundsätzlich
auch zum gleichzeitigen aktiven Positionieren eines ersten Maschinenteils
bei der Messung dessen Position oder zum Messen der Position des ersten
Maschinenteils bei dessen aktiven Positionierung genutzt werden.
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In 1 ist
eine erste Ausführungsform
einer Vorrichtung 1 wiedergegeben, die die Ortskoordinaten
eines ersten Maschinenteils 2 gegenüber einem zweiten Maschinenteil 3 vollständig definiert.
Das erste Maschinenteil 2 ist dabei eine Messspitze 4.
An dem zweiten Maschinenteil 3 sind an untereinander beabstandeten
Punkten 5 drei Positionierelemente 6, 7 und 8 mit
jeweils einem Ende frei verschwenkbar gelagert. Die jeweils anderen
Enden der Positionierelemente 6 bis 8 laufen in
einem Knoten 9 zusammen. Die Ortskoordinaten des Knotens 9 werden durch
die Längen
der Positionierelemente 6, 7 und 8 vollständig definiert.
Von dem Knoten 9 aus erstreckt sich ein viertes Positionierelement 13,
an dessen freien Ende die Messspitze 4, d. h. das erste
Maschinenteil 2 angeordnet ist. Durch die Länge 14 des
vierten Positionierelements 13 und dadurch, dass die beiden Hauptrichtungen
der beiden Positionierelemente 13 und 6 zwischen
dem Punkt 5 und dem Knoten 9 einerseits und dem
Knoten 9 und der Messspitze 4 andererseits übereinstimmen,
sind auch die Ortskoordinaten der Messspitze 4 vollständig festgelegt.
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Allerdings
ist zumindest eines der Positionierelemente 6 und 13 ebenso
wie jedes der Positionierelemente 7 und 8 längenveränderlich,
um mit der Messspitze 4 jeden Ort innerhalb eines Raums
anfahren zu können.
Vorzugsweise sind nicht beide Positionierelemente 6 und 13 längenveränderlich,
sondern nur eines von beiden. Das Besondere an der Vorrichtung 1 gemäß 1 ist,
dass zu der Messspitze 4 nur das Positionierelement 13 führt, während zu dem
Knoten 9 die Positionierelemente 6 bis 8 aus drei
verschiedenen Raumrichtungen heranreichen. Das heißt, die
Messspitze 4 kann an Orte herangeführt werden, die für den Knoten 9 durch
irgendwelche Hindernisse unzugänglich
sind. Bei einer als reine Vorrichtung zum Messen der Ortskoordinaten
der Messspitze 4 ausgebildeten Vorrichtung 1 können die
Längen
der Positionierelemente durch Wegsensoren an den längenveränderlichen
Positionierelementen 6 bzw. 13 sowie 7 und 8 aufgenommen
werden. Die Signale dieser hier nicht separat dargestellten Wegsensoren
werden einer hier ebenfalls nicht dargestellten Auswerteeinheit
zugeführt,
die hieraus die Ortskoordinaten der Messspitze 4 berechnet.
Der Vollständigkeit
halber sei noch erwähnt,
dass die Punkte 5, an denen die drei Positionierelemente 6 bis 8 an
dem zweiten Maschinenteil gelagert sind, nicht auf einer Geraden
angeordnet sein dürfen;
um die eindeutige Bestimmung der Ortskoordinaten der Messspitze 4 zu
ermöglichen.
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Das
vierte Positionierelement 13 weist eine Abkröpfung 18 gegenüber seiner
Hauptrichtung auf. Die Messspitze 4 am freien Ende des
Positionierelements 13 liegt aber wieder auf dieser Hauptrichtung. Dabei
ist die Abkröpfung 18 in
Richtung eines Drehpfeils 17 um die Hauptrichtung des Positionierelements 13 verdrehbar,
um mit der Messspitze 4 auch solche Messpunkte erreichen
zu können,
zwischen denen und dem Knoten 9 in gerader Linie ein Hindernis
liegt. Die Verschwenkbarkeit in Richtung des Drehpfeils 17 ist
nicht auf die Abkröpfung 18 beschränkt, vielmehr
ist das gesamte Positionierelement 13 gegenüber dem
ersten Positionierelement 6 um seine Hauptrichtung verschwenkbar.
Den Ort der Messspitze ändert
die Drehbewegung der Abkröpfung 18 und
eventuell weiterer Teile um die Hauptrichtung des vierten Positionierelements 13 nicht.
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Bei
der Ausführungsform
der Vorrichtung 1 gemäß 2 sind
für die
Positionierelemente 7, 8 und 13 Linearantriebe 19 wiedergegeben,
mit denen die Längen 11, 12 und 14 veränderlich
sind. Die Länge 10 des
ersten Positionierelementes 6 ist festgehalten. Die Länge 14 ist
hier deutlich größer als
die Längen 10 bis 12.
Für das
Positionierelement 13, dessen Hauptrichtung mit der Hauptrichtung
des ersten Positionierelements 6 hier immer zusammenfällt, ist
ein Drehantrieb 20 vorgesehen, mit dem eine Verdrehung
in Richtung des Drehpfeils 17 erreichbar ist. Hierdurch
wird das erste Bauteil 2 am freien Ende des Positionierelements 13 im
Raum verdreht, das hier mit einem Drehantrieb 21 um eine
Schwenkachse 22 verschwenkbar an dem Positionierelement 13 gelagert
ist. Die Schwenkachse 22 verläuft senkrecht zu der Hauptrichtung
des Positionierelements 13, so dass sich ihre Raumlage
mit jeder Verdrehung des Positionierelements 13 in Richtung
des Drehpfeils 17 verändert.
Durch die Verschwenkbarkeit des ersten Maschinenteils 2 um
die Schwenkachse 22 mit dem Drehantrieb 21 und
durch die Verdrehbarkeit des vierten Positionierelements 13 in
Richtung des Drehpfeils 17 mit dem Drehantrieb 20 kann
ein Kopf 23 des ersten Maschinenteils in jeder gewünschten Richtung
an ein Werkstück
herangefahren werden. Wenn es sich bei dem Kopf 23 beispielsweise
um die Austrittsdüse
einer Farbsprühpistole
handelt, kann diese Düse
in einer beliebigen Richtung auf eine zu lackierende Oberfläche gerichtet
werden.
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Der
Linearantrieb 19 für
die Länge 14 des Positionierelementes 13 ist
innerhalb des hier rohrförmig
ausgebildeten und als Linearführung
für das Positionierelement 13 dienenden
Positionierelements 6 vorgesehen. Ebenso ist dort auch
der Drehantrieb 20 für
das Positionierelement 13 angeordnet. Die Anordnung der
Antriebe 19 und 20 nahe dem Punkt 5 der
Lagerung für
das erste Positionierelement 6 führt zu geringeren Trägheitsmomenten
der Vorrichtung 1 gegenüber
Lageveränderungen
des ersten Maschinenteils 2 gegenüber dem zweiten Maschinenteil 3.
Die Versteifung des ersten Positionierelements 6 gegenüber Verdrehungen
um seine Hauptrichtung ist hier nicht durch eine spezielle Lagerung
des ersten Positionierelements 6 gegenüber dem zweiten Maschinenteil 3 erreicht.
Vielmehr ist für das
zweite Positionierelement 7 an dem Knoten 9 eine
Lagerung 24 ausgebildet, die ein Verschwenken des Positionierelements 7 gegenüber dem
Positionierelement 6 nur um einzige Schwenkachse 25 erlaubt.
Durch die Lagerung 24 wird zugleich ausgeglichen, dass
die von dem zweiten Maschinenteil 3 abgewandten Enden der
Positionierelemente 6 bis 8 nicht in einem Raumpunkt
zusammenfallen, sondern typischerweise zwei Verbindungspunkte zwischen dem
ersten und dem zweiten Positionierelement einerseits und dem ersten
und dem dritte Positionierelement andererseits vorgesehen sind,
wodurch zunächst
die Eineindeutigkeit der Bestimmung der Ortskoordinaten des ersten
Maschinenteils 2 gegenüber
dem zweiten Maschinenteil 3 nicht gegeben ist. Durch die
spezielle Lagerung 24 des zweiten Positionierelements 7 an
dem ersten Positionierelement 6 wird diese Eineindeutigkeit
wieder hergestellt.
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3 skizziert
eine spezielle Ausführungsform
eines Positionierelements, das als Positionierelement 6, 7 oder 8 bei
der Vorrichtung 1 gemäß den 1 und 2 zur
Anwendung kommen kann. Das Positionierelement gemäß 3 weist
zwei Hebelarme 26 und 27 auf, die über ein
Hebelgelenk 28 miteinander verbunden sind. Andererseits
ist der Hebelarm 26 in dem Punkt 5 gelagert und
reicht der Hebelarm 27 an den Knoten 9 heran.
Der Linearantrieb 19 für
das Positionierelement gemäß 6 greift zwischen den beiden Hebelarmen 26 und 27 mit
Abstand zu dem Punkt 5 und dem Knoten neu an. Dies gibt
eine Wegübersetzung
für den
Weg des Linearantriebs 19 bezüglich des Abstands zwischen
dem Punkt 5 und dem Knoten 9, die nach dem Strahlensatz
zu berechnen ist. Der Linearantrieb 19 kann nur zu einem
Auseinanderdrücken
der Hebelarme 26 und 27 vorgesehen sein. Das Wiederzusammendrücken der
Hebelarme 26 und 27 erfolgt dann durch eine Zugfeder 29,
die hier zwischen dem Punkt 5 und dem Knoten 9 angeordnet
ist. Die Zugfeder 29 sorgt auch für eine Spielfreiheit des Positionierelements gemäß 3.
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4 skizziert
ein weiteres Positionierelement 6, 7 oder 8 mit
einer Wegübersetzung
für den dort
vorgesehenen Linearantrieb 19. Hier wird die Wegübersetzung
durch Scherenarme 30 bis 32 bewirkt. Ein Paar
von Scherenarmen 30 ist in dem Punkt 5 gelagert.
An den freien Enden der Scherenarme 30 ist ein weiteres
Paar von Scherenarmen 31 in X-Anordnung gelagert. An den
freien Enden der Scherenarme 31 sind wiederum zwei Scherenarme 32 gelagert,
die in dem Knoten 9 zusammenlaufen. Dabei greift zwischen
dem Punkt 5 und dem Kreuzungspunkt der Scherenarme 31 der
Linearantrieb 19 an, dessen Weg hier um einen Faktor 2 durch
die Scherenarme 30 bis 32 vergrößert wird.
Die Zugfeder 29 ist hier zwischen den Verbindungsgelenken
zwischen den Scherenarmen 31 und 32 aufgehängt.