DE19917729A1

DE19917729A1 - Verfahren und Vorrichtung zur räumlichen Positionierung und Ausrichtung eines Kugelgelenks

Info

Publication number: DE19917729A1
Application number: DE19917729A
Authority: DE
Inventors: Charalambos Tassakos
Original assignee: Individual
Current assignee: Inos Automationssoftware 70563 Stuttgart De GmbH
Priority date: 1999-04-20
Filing date: 1999-04-20
Publication date: 2000-11-16
Anticipated expiration: 2019-04-21
Also published as: US6446349B1; DE19917729C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur räumlichen Positionierung und Ausrichtung eines zweiteiligen Kugelgelenks (2) mit einer Kugelpfanne (3) als erstem Teil und einer Vollkugel (4) als zweitem Teil, die verdrehbar und verschwenkbar in der Kugelpfanne (3) aufgenommen ist. Um das Kugelgelenk (2) genau, eindeutig und reproduzierbar räumlich positionieren und ausrichten zu können, schlägt die Erfindung vor, DOLLAR A - an einem Teil (3; 4) des Kugelgelenks (2) eine virtuelle Ebene zu definieren, die durch den Mittelpunkt (22) der Vollkugel (4) des Kugelgelenks (2) verläuft, DOLLAR A - auf der virtuellen Ebene zwei Positionierungspunkte (23, 24) in einem Abstand zueinander und in einem Abstand zu dem Mittelpunkt (22) der Vollkugel (4) zu definieren, DOLLAR A - an dem anderen Teil (4; 3) des Kugelgelenks (2) eine weitere virtuelle Ebene zu definieren, DOLLAR A - auf der weiteren virtuellen Ebene zwei Referenzpunkte (25, 26) in einem Abstand zueinander und in einem Abstand zu dem Mittelpunkt (22) der Vollkugel (4) zu definieren, DOLLAR A - die weitere virtuelle Ebene im dreidimensionalen Raum zu positionieren und auszurichten und DOLLAR A - die Positionierungspunkte (23, 24) in vorgegebene Positionierungsabstände zu den Referenzpunkten (25, 26) zu bringen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur räumlichen Positionierung und Ausrichtung eines zweiteiligen Kugelgelenks mit einer Kugelpfanne als erstem Teil und einer Vollkugel als zweitem Teil, die verdrehbar und verschwenkbar in der Kugelpfanne aufgenommen ist.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur räumlichen Positionierung und Ausrichtung eines zweiteiligen Kugelgelenks mit einer Kugelpfanne als erstem Teil und einer Vollkugel als zweitem Teil, die verdrehbar und verschwenkbar in der Kugelpfanne aufgenommen ist.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Kugelgelenke bei Haltevorrichtung einzusetzen. Ein Teil des Kugelgelenks ist dann bspw. an einem Ständer oder einer Wandhalterung befestigt. An dem anderen Teil des Kugelgelenks ist eine Einheit angeordnet. Die Einheit ist bspw. als eine Greifereinheit, eine Beleuchtungseinheit oder eine optische Bilderfassungseinheit ausgebildet. Durch das Kugelgelenk ist die Einheit in einem kartesischen Koordinatenkreuz in x-, y- und z-Richtung verstellbar und um die x-, y- und die z-Achse verdrehbar. Durch das Kugelgelenk kann die Einheit im dreidimensionalen Raum nahezu beliebig ausgerichtet werden.

Die Kugelgelenke von Haltevorrichtungen weisen häufig Haltemittel auf, die auf die Kugelpfanne wirken und durch die der Umfang der Kugelpfanne verändert werden kann. So ist es bspw. denkbar, daß die Kugelpfanne einen umfangsseitigen Spalt aufweist, der mittels eines Schraubenelements vergrößert oder verkleinert werden kann. Je nach Größe des Spalts verändert sich der maximale Umfang der Kugelpfanne. Bei einem stark verkleinerten Spalt kann der Umfang der Kugelpfanne so weit reduziert werden, daß die Vollkugel in der Kugelpfanne nicht mehr frei verschwenkbar und verdrehbar ist, sondern darin gehalten wird. Durch die Haltemittel kann die an der Haltevorrichtung befestigte Einheit in einer beliebigen Ausrichtung schnell und einfach festgelegt werden.

Es sind Haltevorrichtungen bekannt, die außer dem Kugelgelenk noch eine Vielzahl weiterer Gelenke, z. B. Drehgelenke, Schubgelenke oder weitere Kugelgelenke aufweisen. Durch diese weiteren Gelenke kann das an der Haltevorrichtung befestigte Kugelgelenk und die an dem Kugelgelenk befestigte Einheit in eine nahezu beliebige Position gebracht werden.

Bei den bekannten Haltevorrichtung erweist es sich jedoch als äußerst problematisch die an der Haltevorrichtung befestigte Einheit in eine vorbestimmte Position und Ausrichtung im dreidimensionalen Raum zu bringen. Insbesondere ist es problematisch das Kugelgelenk der Haltevorrichtung räumlich auszurichten. Dazu wird zunächst an Einem Teil des Kugelgelenks eine virtuelle Ebene definiert. Auf dieser virtuellen Ebene werden drei Positionierungspunkte in einem Abstand zueinander bestimmt. Indem die drei Positionierungspunkte im dreidimensionalen Raum positioniert werden, kann die virtuelle Ebene und damit auch das Kugelgelenk räumlich positioniert und ausgerichtet werden. Nach dem Stand der Technik ist es jedoch nur mit äußerst großem Aufwand (z. B. durch Anpeilen der drei Positionierungspunkte mittels eines Laserstrahls) möglich, die drei Positionierungspunkte mit einer hohen Genauigkeit im dreidimensionalen Raum zu positionieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde ein Verfahren der Eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, daß ein Kugelgelenk schnell, einfach und mit hoher Genauigkeit räumlich positioniert und ausgerichtet werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Art ein Verfahren vor, das gekennzeichnet ist durch die nachfolgenden Schritte:

- an einem Teil des Kugelgelenks wird eine virtuelle Ebene definiert, die durch den Mittelpunkt der Vollkugel des Kugelgelenks verläuft,
- auf der virtuellen Ebene werden zwei Positionierungspunkte in einem Abstand zueinander und in einem Abstand zu dem Mittelpunkt der Vollkugel definiert,
- an dem anderen Teil des Kugelgelenks wird eine weitere virtuelle Ebene definiert,
- auf der weiteren virtuellen Ebene werden zwei Referenzpunkte in einem Abstand zueinander und in einem Abstand zu dem Mittelpunkt der Vollkugel definiert,
- die weitere virtuelle Ebene wird im dreidimensionalen Raum positioniert und ausgerichtet und
- die Positionierungspunkte werden in vorgegebene Positionierungsabstände zu den Referenzpunkten gebracht.

An einem Teil des Kugelgelenks, an der Vollkugel oder an der Kugelpfanne, ist vorzugsweise eine Einheit angeordnet, die z. B. als eine Greifereinheit, eine Beleuchtungseinheit oder eine optische Bilderfassungseinheit ausgebildet ist. Das andere Teil des Kugelgelenks ist vorzugsweise an einer Haltevorrichtung, z. B. einem Ständer oder einer Wandhalterung, befestigt. Um die Einheit in einer bestimmten Position und Ausrichtung im dreidimensionalen Raum anordnen zu können, muß das Kugelgelenk in eine bestimmte räumliche Position und Ausrichtung gebracht werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird an einem Teil, an der Vollkugel oder an der Kugelpfanne, des Kugelgelenks eine virtuelle Ebene definiert, die durch den Mittelpunkt der Vollkugel des Kugelgelenks verläuft. Die virtuelle Ebene ist vorzugsweise an dem Teil des Kugelgelenks definiert, an dem auch die Einheit, z. B. eine Greifereinheit, eine Beleuchtungseinheit oder eine optische Bilderfassungseinheit, angeordnet ist. Um diese virtuelle Ebene im dreidimensionalen Raum positionieren und ausrichten zu können, müssen drei Positionierungspunkte auf der virtuellen Ebene definiert und räumlich positioniert werden. Der Mittelpunkt der Vollkugel wird als einer der drei Positionierungspunkte auf der virtuellen Ebene gewählt. Der Mittelpunkt der Vollkugel bleibt unabhängig von der Ausrichtung des Kugelgelenks stets an derselben Position. Dadurch kann die virtuelle Ebene allein durch die Positionierung von zwei Positionierungspunkten im dreidimensionalen Raum genau ausgerichtet werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Kugelgelenk somit durch die Positionierung von zwei Positionierungspunkten im dreidimensionalen Raum genau und eindeutig ausgerichtet werden.

An dem anderen Teil des Kugelgelenks, an der Kugelpfanne oder der Vollkugel, wird eine weitere virtuelle Ebene definiert. Die weitere virtuelle Ebene ist vorzugsweise an dem Teil des Kugelgelenks definiert, an dem das Kugelgelenk an der Haltevorrichtung befestigt ist. Die Haltevorrichtung weist außer dem Kugelgelenk vorzugsweise noch eine Vielzahl weiterer Gelenke, z. B. Drehgelenke oder Schubgelenke auf. Durch diese weiteren Gelenke kann das Kugelgelenk in eine nahezu beliebige Position gebracht werden. Die weitere virtuelle Ebene wird im dreidimensionalen Raum positioniert und ausgerichtet, indem die weiteren Gelenke der Haltevorrichtung entsprechend verstellt werden. Dazu sind aus dem Stand der Technik eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren bekannt. Durch die räumlich positionierte und ausgerichtete weitere virtuelle Ebene ist die Position des Kugelgelenks im dreidimensionalen Raum genau festgelegt.

Nun muß das Kugelgelenk nur noch im dreidimensionalen Raum ausgerichtet werden. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dazu die virtuelle Ebene auf dem einen Teil des Kugelgelenks relativ zu der weiteren virtuellen Ebene auf dem anderen Teil des Kugelgelenks ausgerichtet. Auf der weiteren virtuellen Ebene werden zwei Referenzpunkte definiert. Die Positionierungspunkte auf der virtuellen Ebene werden in vorgegebene Positionierungsabstände zu den Referenzpunkten gebracht. Da die weitere virtuelle Ebene im dreidimensionalen Raum genau positioniert und ausgerichtet worden ist, ist auch die relativ zu der weiteren virtuellen Ebene ausgerichtete virtuelle Ebene nunmehr mit hoher Genauigkeit räumlich positioniert und ausgerichtet.

Die Positionierungsabstände können auf optischem, elektronischen und/oder mechanischem Wege eingestellt werden. Der Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Vollkugel und einem dritten Referenzpunkt der weiteren virtuellen Ebene bleibt unabhängig von der Ausrichtung der virtuellen Ebene relativ zu der weiteren virtuellen Ebene stets konstant. Um die virtuelle Ebene relativ zu der weiteren virtuellen Ebene eindeutig ausrichten zu können, bedarf es im allgemeinen Fall der Werte von mindestens drei verschiedenen Positionierungsabständen zwischen den Positionierungspunkten und den Referenzpunkten.

Um nun ein Kugelgelenk in eine gewünschte Position und Ausrichtung im dreidimensionalen Raum zu bringen, muß zunächst die weitere virtuelle Ebene nach vorgegebenen Werten im dreidimensionalen Raum positioniert und ausgerichtet werden. Dann wird die virtuelle Ebene relativ zu der weiteren virtuellen Ebene ausgerichtet, indem die Positionierungsabstände zwischen zwei Positionierungspunkten auf der virtuellen Ebene und zwei Referenzpunkten auf der weiteren virtuellen Ebene auf vorgegebene Werte eingestellt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Kugelgelenk auf einfache Weise und mit hoher Genauigkeit im dreidimensionalen Raum positioniert und ausgerichtet werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Positionierungsabstände mittels Positionierungsstangen eingestellt werden, die durch die Referenzpunkte verlaufen. Bei dieser Weiterbildung werden die Positionierungsabstände auf mechanischem Wege gemessen. Es ist denkbar, daß mehrere Positionierungsstangen vorgesehen sind, deren Längen den vorgegebenen Positionierungsabständen entsprechen. Die Positionierungsstangen können dann an den vorgegebenen Positionen zwischen den Positionierungspunkten und den Referenzpunkten eingepaßt werden.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Positionierungsstangen derart relativ zu der weiteren virtuellen Ebene längsverschoben werden, daß der Abstand zwischen den Referenzpunkten auf der virtuellen Ebene und den distalen Enden der Positionierungsstangen auf die Positionierungsabstände eingestellt werden. Die Längen der Positionierungsstangen sind vorzugsweise auf die Werte der Positionierungsabstände festlegbar. Die Positionierungspunkte auf der virtuellen Ebene werden mit den distalen Enden der Positionierungsstangen zur Deckung gebracht. Auf diese Weise kann das Kugelgelenk in unterschiedlichen Positionen und Ausrichtungen variabel positioniert und ausgerichtet werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schlägt vor, daß die Positionierungsabstände mittels zwei Positionierungsstangen eingestellt werden, die sich senkrecht zu der weiteren virtuellen Ebene erstrecken. Durch diese Beschränkung des allgemeinen Falls genügen die Werte von zwei verschiedenen Positionierungsabständen zwischen den Positionierungspunkten und den Referenzpunkten, um die virtuelle Ebene relativ zu der weiteren virtuellen Ebene eindeutig ausrichten zu können.

Vorteilhafterweise werden die virtuelle Ebene und die weitere virtuelle Ebene an den Teilen des Kugelgelenks derart definiert, daß sie in einem bevorzugten Ausrichtbereich des Kugelgelenks in etwa parallel zueinander verlaufen, und daß der Abstand zwischen den Positionierungspunkten in etwa gleich groß gewählt wird wie der Abstand zwischen den Referenzpunkten.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, daß mit Hilfe der Vorrichtung ein Kugelgelenk schnell, einfach und mit hoher Genauigkeit räumlich positioniert und ausgerichtet werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von der Vorrichtung der eingangs genannten Art vor, daß die Vorrichtung Mittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Vorrichtung ein Referenzteil, das an einem Teil des Kugelgelenks befestigt ist, und ein Positionierungsteil aufweist, das an dem anderen Teil des Kugelgelenks befestigt ist, wobei

- das Positionierungsteil in einer virtuellen Ebene liegt, die durch den Mittelpunkt der Vollkugel des Kugelgelenks verläuft,
- auf der virtuellen Ebene zwei Positionierungspunkte in einem Abstand zueinander und in einem Abstand zu dem Mittelpunkt der Vollkugel definiert sind,
- das Referenzteil in einer weiteren virtuellen Ebene liegt, die im dreidimensionalen Raum positioniert und ausgerichtet ist,
- auf der weiteren virtuellen Ebene zwei Referenzpunkte in einem Abstand zueinander und in einem Abstand zu dem Mittelpunkt der Vollkugel definiert sind, und
- die Positionierungsabstände zwischen den Positionierungspunkten und den Referenzpunkten auf vorgegebene Werte einstellbar sind.

Das Referenzteil ist im dreidimensionalen Raum positioniert und ausgerichtet. Dadurch ist das Kugelgelenk im dreidimensionalen Raum genau und eindeutig positioniert. Die Positionierungspunkte des Positionierungsteils werden in einen vorgegebenen Positionierungsabstand zu den Referenzpunkten des Referenzteils gebracht. Dadurch wird das Positionierungsteil relativ zu dem Referenzteil genau und eindeutig ausgerichtet. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das Kugelgelenk somit auf einfach Weise in eine vorgegebene räumliche Position und Ausrichtung gebracht werden. Mit den vorgegebenen Werten für die Position und Ausrichtung des Referenzteils im dreidimensionalen Raum und mit den vorgegebenen Werten für die Positionierungsabstände kann die vorgegebene Position und Ausrichtung des Kugelgelenks beliebig oft reproduziert werden.

Vorteilhafterweise sind das Positionierungsteil und das Referenzteil derart an den Teilen des Kugelgelenks befestigt, daß die virtuelle Ebene und die weitere virtuelle Ebene in einem bevorzugten Ausrichtbereich des Kugelgelenks in etwa parallel zueinander verlaufen, und daß der Abstand zwischen den Positionierungspunkten in etwa gleich groß ist wie der Abstand zwischen den Referenzpunkten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, daß das Referenzteil Positionierungsstangen zum Einstellen der Positionierungsabstände aufweist, wobei die Positionierungsstangen durch die Referenzpunkte verlaufen. Die Positionierungsstangen weisen bspw. Längen auf, die den Positionierungsabständen entsprechen. Die Positionierungsstangen können an den vorgegebenen Positionen zwischen den Positionierungspunkten und den Referenzpunkten eingepaßt werden. Im allgemeinen Fall bedarf es mindestens drei Positionierungsstangen zum Einstellen von drei verschiedenen Positionierungsabständen zwischen den Positionierungspunkten und den Referenzpunkten, um das Positionierungsteil relativ zu dem Referenzteil eindeutig ausrichten zu können.

Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung Mittel zum Festlegen der Positionierungsabstände auf die vorgegebenen Werte auf. Es ist denkbar, daß die Positionierungsstangen längenvariabel ausgebildet sind und daß sie durch diese Mittel auf die vorgegebenen Werte der Positionierungsabstände festgelegt werden können. Dadurch kann das Positionierungsteil relativ zu dem Referenzteil variabel ausgerichtet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Positionierungsstangen eine Skala zum Einstellen der Positionierungsabstände aufweisen. Anhand der Skala können die Längen der Positionierungsstangen auf besonders einfache Weise auf vorgegebenen Werte der Positionierungsabstände eingestellt werden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Referenzteil zwei Positionierungsstangen zum Einstellen der Positionierungsabstände auf, wobei sich die Positionierungsstangen senkrecht zu der weiteren virtuellen Ebene erstrecken. Durch diese Beschränkung des allgemeinen Falls genügen zwei Positionierungsstangen, um das Positionierungsteil relativ zu dem Referenzteil eindeutig ausrichten zu können.

Vorteilhafterweise weist das Positionierungsteil im Bereich der Positionierungspunkte Auflageflächen für die distalen Enden der Positionierungsstangen auf. Die Auflageflächen liegen auf der virtuellen Ebene, in der das Positionierungsteil liegt. Die Positionierungsabstände sind die Abstände zwischen den Referenzpunkten des Referenzteils und den distalen Enden der Positionierungsstangen.

Das Positionierungsteil weist vorzugsweise im Bereich der Positionierungspunkte jeweils eine Auflagefläche auf. Beim Einsatz von lediglich zwei Positionierungsstangen werden die Längen der Positionierungsstangen zunächst auf die Werte der Positionierungsabstände eingestellt. Dann werden die Auflageflächen des Positionierungsteils jeweils mit dem distalen Enden einer der Positionierungsstangen zur Auflage gebracht. Dadurch ist das Positionierungsteil relativ zu dem Referenzteil ausgerichtet und das Kugelgelenk in eine eindeutige Position und Ausrichtung im dreidimensionalen Raum gebracht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, daß zumindest eine der Auflageflächen Mittel zur Positionierung des distalen Endes einer der Positionierungsstangen relativ zu der Auflagefläche aufweist. Vorteilhafterweise sind die Mittel zur Positionierung des distalen Endes einer der Positionierungsstangen als eine Vertiefung in der Auflagefläche ausgebildet. Vorzugsweise ist die Vertiefung als eine Nut ausgebildet.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Haltevorrichtung, an der ein Kugelgelenk befestigt ist;

Fig. 2 die Haltevorrichtung aus Fig. 1 mit einem Referenzteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig. 3 das Kugelgelenk der Haltevorrichtung aus Fig. 2 im Ausschnitt mit einem Positionierungsteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 1 ist eine Haltevorrichtung in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die Haltevorrichtung 1 ist als ein Ständer ausgebildet, der im Untergrund verankert ist. Die Haltevorrichtung 1 weist ein Kugelgelenk 2 auf. Das Kugelgelenk 2 weist eine Kugelpfanne 3 als erstes Teil und eine darin verdrehbar und verschwenkbar aufgenommene Vollkugel 4 als zweites Teil auf. Das Kugelgelenk 2 ist mit der Kugelpfanne 3 an der Haltevorrichtung 1 befestigt. An der Vollkugel 4 ist eine Einheit 5 befestigt. Die Einheit 5 ist bspw. als eine Greifereinheit, eine Beleuchtungseinheit oder eine optische Bilderfassungseinheit ausgebildet. Durch das Kugelgelenk 2 ist die Einheit 5 in einem kartesischen Koordinatenkreuz in x-, y- und z-Richtung verstellbar und um die x-, y- und die z-Achse verdrehbar. Das Kugelgelenk 2 weist also sechs Freiheitsgrade auf. Durch das Kugelgelenk 2 kann die Einheit 5 im dreidimensionalen Raum nahezu beliebig ausgerichtet werden.

Das Kugelgelenk 2 weist Haltemittel (nicht dargestellt) auf, die auf die Kugelpfanne 3 wirken und durch die der Umfang der Kugelpfanne 3 variiert werden kann. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Kugelpfanne 3 einen umfangsseitigen Spalt auf, der mittels eines Schraubenelements vergrößert oder verkleinert wird. Je nach Breite des Spalts verändert sich der maximale Umfang der Kugelpfanne 3. Die Breite des Spalts und damit der Umfang der Kugelpfanne 3 kann so weit reduziert werden, daß die Vollkugel 4 in der Kugelpfanne 3 nicht mehr frei verschwenkbar und verdrehbar ist, sondern darin gehalten wird. Durch die Haltemittel kann die an der Haltevorrichtung 1 befestigte Einheit 5 in einer beliebigen Ausrichtung schnell und einfach festgelegt werden.

Die Haltevorrichtung 1 weist außer dem Kugelgelenk 2 noch eine Vielzahl weiterer Gelenke 6, 9, 13 auf, durch die das an der Haltevorrichtung 1 befestigte Kugelgelenk 2 und damit auch die an dem Kugelgelenk 2 befestigte Einheit 5 in eine nahezu beliebige Position gebracht werden kann. Mittels eines Schubgelenkes 6 kann eine Querstange 8 auf vertikalen Führungsstangen 21 der Haltevorrichtung 1 in Richtung des Pfeils 7 höhenverstellt werden. Mittels eines ersten Dreh- Schubgelenks 9 kann ein Hebelarm 10 der Haltevorrichtung 1 in Richtung des Pfeils 11 auf der Querstange 8 querverstellt und in Richtung des Pfeils 12 auf der Querstange 8 gedreht werden. Mittels eines zweiten Dreh-Schubgelenks 13 kann der Hebelarm 10 in Richtung des Pfeils 14 längsverschoben und in Richtung des Pfeils 15 verdreht werden. Die Verstellung der Gelenke 6, 9, 13 erfolgt kontinuierlich oder diskret. Die Gelenke 6, 9, 13 werden in der gewünschten Verstellposition der Haltevorrichtung 1 durch geeignete Haltemittel festgelegt. Durch die Haltevorrichtung 1 und das Kugelgelenk 2 kann die Einheit 5 im dreidimensionalen Raum nahezu beliebig positioniert und ausgerichtet werden.

Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Vorrichtungen und Verfahren bekannt, um die weiteren Gelenke 6, 9, 13 in eine vorgegebene Stellung und damit das am Ende des Hebelarms 10 befestigte Kugelgelenk 2 in eine vorgegebene Position zu bringen. So ist es bspw. denkbar, daß die Stellungen der Gelenke 6, 9, 13 durch Skalen auf den Führungsstangen 8, 10, 21 eingestellt werden. An den Skalen sind die Verschiebewege der Gelenke 6, 9, 13 ablesbar.

Bei dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 2 wird ein Neigungssensor 16 eingesetzt, um den Drehwinkel des Hebelarms 10 um die Querstange 8 in Richtung des Pfeils 12 einzustellen. Um den Drehwinkel des Hebelarms 10 in Richtung des Pfeils 15 einzustellen, ist auf dem Hebelarm 10 eine Skalenscheibe 17 in einer definierten Drehstellung befestigt. Ein Laserstrahl 18, der von einem auf den Gelenken 9, 13 angeordneten Laser 19 emittiert wird, zeigt auf eine Skala 20 auf der Skalenscheibe 17. Der Hebelarm 10 wird zusammen mit der Skalenscheibe 17 in Richtung des Pfeils 15 so weit gedreht, bis der Laserstrahl 18 auf einen vorgegebenen Winkelwert auf der Skala 20 der Skalenscheibe 17 zeigt.

Damit ist das Kugelgelenk 2 und damit auch die an der Vollkugel 4 des Kugelgelenks 2 befestigte Einheit 5 räumlich positioniert. Als besonders problematisch erweist es sich jedoch, das Kugelgelenk 2 der Haltevorrichtung 1 und damit auch die Einheit 5 räumlich auszurichten.

Ganz allgemein wird zum Ausrichten des Kugelgelenks 2 im dreidimensionalen Raum an der Vollkugel 4 des Kugelgelenks 2 eine virtuelle Ebene definiert. Auf dieser virtuellen Ebene werden drei Positionierungspunkte 22, 23, 24 in einem Abstand zueinander bestimmt (vgl. Fig. 3). Indem die drei Positionierungspunkte 22, 23, 24 im dreidimensionalen Raum positioniert werden, kann die virtuelle Ebene und damit auch das Kugelgelenk 2 räumlich positioniert und ausgerichtet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur räumlichen Ausrichtung und Positionierung des Kugelgelenks 2 wird an der Kugelpfanne 3 des Kugelgelenks 2 eine weitere virtuelle Ebene definiert (vgl. Fig. 2). Die weitere virtuelle Ebene wird durch Verstellen der weiteren Gelenke 6, 9, 13 im dreidimensionalen Raum positioniert und ausgerichtet. Dann wird die virtuelle Ebene durch Verdrehen und Verschwenken des Kugelgelenks 2 relativ zu der weiteren virtuellen Ebene ausgerichtet. Dazu werden auf der weiteren virtuellen Ebene drei Referenzpunkte 25, 26, 27 definiert und die Positionierungspunkte 22, 23, 24 auf der weiteren Ebene in vorgegebene Positionierungsabstände zu den Referenzpunkten 25, 26, 27 gebracht.

Die virtuelle Ebene wird derart an der Vollkugel 4 definiert, daß sie durch den Mittelpunkt 22 der Vollkugel 4 des Kugelgelenks 2 verläuft. Die weitere virtuelle Ebene liegt in einer Stirnfläche 28 der Skalenscheibe 17. Der Positionierungsabstand zwischen dem Mittelpunkt 22 der Vollkugel 4 und einem beliebigen Referenzpunkt 25, 26, 27 auf der weiteren virtuellen Ebene bleibt unabhängig von der Ausrichtung des Kugelgelenks 2 stets konstant. Somit genügt es für eine eindeutige Ausrichtung der virtuellen Ebene relativ zu der weiteren virtuellen Ebene, die Positionierungsabstände zwischen den zwei Positionierungspunkten 23, 24 und den zwei Referenzpunkten 25, 26 auf vorgegebene Werte einzustellen.

Die Positionierungsabstände zwischen den Referenzpunkten 25, 26 und den Positionierungspunkten 23, 24 werden mittels zweier Positionierungsstangen 29, 30 eingestellt. Die Positionierungsstangen 29, 30 erstrecken sich senkrecht zu der Stirnfläche 28 der Skalenscheibe 17 und damit senkrecht zu der weiteren virtuellen Ebene. Die Positionierungsstangen 29, 30 sind in Richtung der Pfeile 31 verschiebbar in der Skalenscheibe 17 gelagert.

Zur Ausrichtung des Kugelgelenks 2 werden die Positionierungsstangen 29, 30 auf vorgegebene Werte für die Positionierungsabstände eingestellt. Dann werden die Positionierungspunkte 23, 24 zur Auflage an den distalen Enden der Positionierungsstangen 29, 30 gebracht (vgl. gestrichelte Linien in Fig. 3). Die distalen Enden der Positionierungsstangen 29, 30 sind dann deckungsgleich mit den Positionierungspunkten 23, 24. In dieser Ausrichtung wird das Kugelgelenk 2 festgelegt. Das Kugelgelenk 2 kann mittels der beiden Positionierungsstangen 29, 30 auf einfache Weise genau, eindeutig und reproduzierbar im dreidimensionalen Raum ausgerichtet und im dreidimensionalen Raum positioniert und ausgerichtet werden.

Die virtuelle Ebene und die weitere virtuelle Ebene sind derart an der Vollkugel 4 bzw. der Kugelpfanne 3 des Kugelgelenks 2 definiert, daß sie in einem bevorzugten Ausrichtbereich des Kugelgelenks 2 in etwa parallel zueinander verlaufen. Der Abstand zwischen den Positionierungspunkten 23, 24 ist in etwa gleich groß wie der Abstand zwischen den Referenzpunkten 25, 26.

Die Vorrichtung zur Ausrichtung des Kugelgelenks 2 umfaßt ein Referenzteil 35, das an der Kugelpfanne 3 des Kugelgelenks 2 befestigt ist, und ein Positionierungsteil 36, das an der Vollkugel 4 des Kugelgelenks 2 befestigt ist. Das Referenzteil 35 wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel im wesentlichen durch die Stirnfläche 28 der Skalenscheibe 17 mit den Referenzpunkten 25, 26 und den Positionierungsstangen 29, 30 gebildet. Das Positionierungsteil 36 umfaßt zwei Auflageflächen 32, 33, die in der virtuellen Ebene liegen und auf denen die Positionierungspunkte 23, 24 definiert sind. Die Auflagefläche 33 weist eine Nut 34 zur Aufnahme und Positionierung des distalen Endes der Positionierungsstange 30 relativ zu der Auflagefläche 33 auf.

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Positionierung und Ausrichtung des Kugelgelenks 2 gemäß der vorliegenden Erfindung im wesentlichen auf eine sog. 3-2-1- Lagerung der virtuellen Ebene beruht. Bei der hier vorliegenden 3-2-1-Lagerung werden von den sechs Freiheitsgraden des Kugelgelenks 2 durch die Vollkugel 4 drei Freiheitsgrade fixiert. Durch die Nut 34, die das distale Ende der Positionierungsstange 30 aufnimmt, werden zwei Freiheitsgrade fixiert, und durch die Auflagefläche 32, an dem das distale Ende der Positionierungsstange 29 aufliegt, wird ein Freiheitsgrad fixiert. Die 3-2-1-Lagerung bewirkt also eine eindeutige Positionierung und Ausrichtung der virtuellen Ebene und damit auch des Kugelgelenks 2 im dreidimensionalen Raum.

Claims

1. Verfahren zur räumlichen Positionierung und Ausrichtung eines zweiteiligen Kugelgelenks (2) mit einer Kugelpfanne (3) als erstem Teil und einer Vollkugel (4) als zweitem Teil, die verdrehbar und verschwenkbar in der Kugelpfanne (3) aufgenommen ist, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Schritte:

- an einem Teil (3; 4) des Kugelgelenks (2) wird eine virtuelle Ebene definiert, die durch den Mittelpunkt (22) der Vollkugel (4) des Kugelgelenks (2) verläuft,
- auf der virtuellen Ebene werden zwei Positionierungspunkte (23, 24) in einem Abstand zueinander und in einem Abstand zu dem Mittelpunkt (22) der Vollkugel (4) definiert,
- an dem anderen Teil (4; 3) des Kugelgelenks (2) wird eine weitere virtuelle Ebene definiert,
- auf der weiteren virtuellen Ebene werden zwei Referenzpunkte (25, 26) in einem Abstand zueinander und in einem Abstand zu dem Mittelpunkt (22) der Vollkugel (4) definiert,
- die weitere virtuelle Ebene wird im dreidimensionalen Raum positioniert und ausgerichtet und
- die Positionierungspunkte (23, 24) werden in vorgegebene Positionierungsabstände zu den Referenzpunkten (25, 26) gebracht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierungsabstände mittels Positionierungsstangen (29, 30) eingestellt werden, die durch die Referenzpunkte (25, 25) verlaufen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierungsstangen (29, 30) derart relativ zu der weiteren virtuellen Ebene längsverschoben werden, daß der Abstand zwischen den Referenzpunkten (25, 26) auf der virtuellen Ebene und den distalen Enden der Positionierungsstangen (29, 30) auf die Positionierungsabstände eingestellt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierungsabstände mittels zwei Positionierungsstangen (29, 30) eingestellt werden, die sich senkrecht zu der weiteren virtuellen Ebene erstrecken.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die virtuelle Ebene und die weitere virtuelle Ebene an den Teilen (3; 4) des Kugelgelenks (2) derart definiert werden, daß sie in einem bevorzugten Ausrichtbereich des Kugelgelenks (2) in etwa parallel zueinander verlaufen, und daß der Abstand zwischen den Positionierungspunkten (23, 24) in etwa gleich groß gewählt wird wie der Abstand zwischen den Referenzpunkten (25, 26).

6. Vorrichtung zur räumlichen Positionierung und Ausrichtung eines zweiteiligen Kugelgelenks (2) mit einer Kugelpfanne (3) als erstem Teil und einer Vollkugel (4) als zweitem Teil, die verdrehbar und verschwenkbar in der Kugelpfanne (3) aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Mittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Referenzteil (35), das an einem Teil (3; 4) des Kugelgelenks (2) befestigt ist, und ein Positionierungsteil (36) aufweist, das an dem anderen Teil (4; 3) des Kugelgelenks (2) befestigt ist, wobei

- das Positionierungsteil (36) in einer virtuellen Ebene liegt, die durch den Mittelpunkt (22) der Vollkugel (4) des Kugelgelenks (2) verläuft,
- auf der virtuellen Ebene zwei Positionierungspunkte (23, 24) in einem Abstand zueinander und in einem Abstand zu dem Mittelpunkt (22) der Vollkugel (4) definiert sind,
- das Referenzteil (35) in einer weiteren virtuellen Ebene liegt, die im dreidimensionalen Raum positioniert und ausgerichtet ist,
- auf der weiteren virtuellen Ebene zwei Referenzpunkte (25, 26) in einem Abstand zueinander und in einem Abstand zu dem Mittelpunkt (22) der Vollkugel (4) definiert sind, und
- die Positionierungsabstände zwischen den Positionierungspunkten (23, 24) und den Referenzpunkten (25, 26) auf vorgegebene Werte einstellbar sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Positionierungsteil (36) und das Referenzteil (35) derart an den Teilen (3; 4) des Kugelgelenks (2) befestigt sind, daß die virtuelle Ebene und die weitere virtuelle Ebene in einem bevorzugten Ausrichtbereich des Kugelgelenks (2) in etwa parallel zueinander verlaufen, und daß der Abstand zwischen den Positionierungspunkten (23, 24) in etwa gleich groß ist wie der Abstand zwischen den Referenzpunkten (25, 26).

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Mittel zum Festlegen der Positionierungsabstände auf die vorgegebenen Werte aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzteil (35) Positionierungsstangen (29, 30) zum Einstellen der Positionierungsabstände aufweist, wobei die Positionierungsstangen (29, 30) durch die Referenzpunkte (25, 26) verlaufen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierungsstangen (29, 30) eine Skala zum Einstellen der Positionierungsabstände aufweisen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzteil (35) zwei Positionierungsstangen (29, 30) zum Einstellen der Positionierungsabstände aufweist, wobei sich die Positionierungsstangen (29, 30) senkrecht zu der weiteren virtuellen Ebene erstrecken.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Positionierungsteil (36) im Bereich der Positionierungspunkte (23, 24) Auflageflächen (32, 33) für die distalen Enden der Positionierungsstangen (29, 30) aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Positionierungsteil (36) im Bereich der Positionierungspunkte (23, 24) jeweils eine Auflagefläche (32, 33) aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Auflageflächen (32; 33) Mittel zur Positionierung des distalen Endes einer der Positionierungsstangen (29, 30) relativ zu der Auflagefläche (32; 33) aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Positionierung des distalen Endes einer der Positionierungsstangen (29, 30) als eine Vertiefung in der Auflagefläche (32; 33) ausgebildet sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung als eine Nut (34) ausgebildet ist.