DE19917729C2 - Verfahren und Vorrichtung zur räumlichen Positionierung und Ausrichtung eines Kugelgelenks - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur räumlichen Positionierung und Ausrichtung eines KugelgelenksInfo
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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 (vgl. bspw. im Internet
http: / /www.ricmusic.de/werkzeug/halter.htm) ist es bekannt,
Kugelgelenke bei Haltevorrichtungen 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 Haltevorrichtungen 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
vorgegebene 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 den
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 (15)
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.
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, 26) 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 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.
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.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, 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).
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung
Positionierungsstangen (29, 30) zum Festlegen der
Positionierungsabstände auf die vorgegebenen Werte
aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die Positionierungsstangen (29, 30) an dem Referenzteil
(35) angeordnet sind und durch die Referenzpunkte (25,
26) verlaufen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
die Positionierungsstangen (29, 30) eine Skala zum
Einstellen der Positionierungsabstände aufweisen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, 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.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, dass das Positionierungsteil (36) im
Bereich der Positionierungspunkte (23, 24) Auflageflächen
(32, 33) für die distalen Enden der
Positionierungsstangen (29, 30) aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
dass das Positionierungsteil (36) im Bereich der
Positionierungspunkte (23, 24) jeweils eine Auflagefläche
(32, 33) aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine der Auflageflächen (32; 33) eine
Vertiefung zur Positionierung des distalen Endes einer
der Positionierungsstangen (29, 30) relativ zu der
Auflagefläche (32; 33) aufweist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
dass die Vertiefung als eine Nut (34) ausgebildet ist.
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