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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen orientierbaren Messkopf zur
Messung von dreidimensionalen Koordinaten eines mechanischen Werkstücks und
insbesondere, jedoch nicht exklusiv, einen orientierbaren Messkopf,
der dazu bestimmt ist, auf einer handbetätigten oder automatischen Koordinatenmessmaschine
verwendet zu werden.
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Stand der Technik
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Auslösungstastköpfe sind
Messinstrumente, die beispielsweise auf Produktionslinien von mechanischen
Werkstücken
für die
Prüfung
der Dimensionen oder der Flächen
von Werkstücken
verwendet werden. Auslosungstaster werden auch verwendet, um die
dreidimensionale Form von komplexen Stücken zu erfassen, um sie beispielsweise
nachzuformen oder zu modellieren.
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Im
Allgemeinen umfassen die Auslösungstaster
einen Messkopf, der dazu bestimmt ist, auf den Arm einer Messmaschine
befestigt zu werden, sowie einen mobilen Taststift mit einer Sphäre am Ende
eines länglichen
Schafts, dazu bestimmt, in Kontakt mit dem zu messenden Stück gebracht
zu werden.
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In
den meisten Anwendungen werden die Auslösungstaster auf dem mobilen
Arm einer Maschine befestigt, deren räumliche Position mit Hilfe eines
handbetätigten
oder automatischen Messsystems genau bestimmbar ist, wie beispielsweise
auf der Achse der Maschine angeordnete Weggeber. Der mobile Arm
wird räumlich
bewegt, um den Taststift des Tasters in Kontakt mit dem zu messenden
Stück oder
mit der zu messenden Fläche
zu bringen. Während
des Kontakts wird eine Ablenkkraft auf den Taststift ausgeübt, die
ihn aus seiner anfänglichen
Ruheposition bringt. Ein Sensor reagiert auf jede Bewegung des Taststifts,
was ein elektrisches Signal erzeugt, das entweder an den Benutzer,
in der Form eines Lichtsignals, geschickt wird oder an das Steuerprogramm
der Maschine geleitet wird, das somit mittels der Daten des Messsystems
die Koordinaten des Kontaktpunkts in einem gegebenen Referenzsystem bestimmt. Verwendet
werden zu diesem Zweck im Stand der Technik elektromechanische oder
optische Sensoren oder auf unterschiedliche Prinzipien basierende
Bewegungssensoren, beispielsweise Sensoren mit Dehnungsmessern.
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Im
Falle eines dreidimensionalen Auslöstasters wird die Verbindung
zwischen dem Taststift und dem fixen Teil des Messkopfes üblicherweise
gemäss
dem Prinzip der Boys-Verbindung ausgeführt, d. h. beispielsweise mit
drei auf sechs Sphären
ruhenden zylindrischen Stiften, um sechs Kontaktpunkte zwischen
dem festen Element und dem Taststift zu definieren. Es sind jedoch
auch zwei- und eindimensionale Taster bekannt.
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Wird
der Taster für
die Messung von Stücken komplexer
Form verwendet, welche Vertiefungen und Protuberanzen aufweisen,
ist es schwierig oder sogar unmöglich,
den Taststift in Kontakt mit der Gesamtfläche des Stücks zu bringen, ohne dass der
fixe Teil des Messkopfes oder der Schaft des Taststifts die Elemente
des zu messenden Stücks
stören.
Um diesen Nachteil zu beheben sind Messköpfe bekannt, welche es erlauben,
den Kontaktstift gemäss
einer Vielzahl von Richtungen räumlich
zu orientieren. Im Allgemeinen werden zwei unabhängige Drehachsen benötigt, um
alle möglichen
Orientierungen zu decken. Ein Taster dieser Art wird in der europäischen Patentanmeldung
EP0392660 beschrieben.
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Die
Verwendung dieser Art Vorrichtungen ist jedoch nicht auf Kontakttaster
beschränkt
und man kann sie auch mit kontaktlosen Sensoren verwenden, beispielsweise
mit Videokameras, um z. B. die Werkstücke zu prüfen und kontrollieren.
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Die
Drehachsen sind vorzugsweise indexiert, in dem Sinne, dass sie eine
genügend
grosse jedoch begrenzte Anzahl vorbestimmter und genau reproduzierbarer
Ruhepositionen vorsehen. Diese Anordnung vermeidet die erneute Kalibrierung
der Messmaschine nach jedem Einstellungswechsel des Tasters.
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Erreicht
wird die Indexierung der Drehachsen des Tasters durch Indexierungsflächen, welche gegenseitig
ineinander greifen und die gewünschten Ruhepositionen
definieren, beispielsweise durch einen Ring von Sphären, in
welchen drei Stifte einragen. Ein Beispiel dieser Art von Indexierungsmechanismus
wird in der europäischen
Patentanmeldung
EP 1 443 299 im
Namen der Anmelderin. Eine optimale Genauigkeit wird erreicht, wenn
die Indexierungsflächen eine
isostatische Verbindung mit sechs unabhängigen Kontaktpunkten in jeder
der indexierten Positionen definieren.
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Zur
Messung von komplexen Stücken
ist es wünschenswert,
dass der Messkopf motorisiert ist, um den Taststift auf automatische
Weise, auf Befehl des Steuerprogramms der Messmaschine, zu orientieren.
Zu diesem Zweck werden die Drehung und die Verriegelung der Achsen
des Tasters durch elektromagnetische Stellglieder durchgeführt, beispielsweise
Motoren oder Servomotoren, welche die Indexierungsflächen auseinander
drängen
und die Achsen in Drehung zu versetzen vermögen.
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Wenn
die Anzahl indexierter Positionen hoch ist, muss der Achsenantriebmechanismus
eine hohe Winkelpräzision
gewährleisten,
ohne jedoch zusätzliche
mechanische Dehnungen auf die orientierbaren Elemente einzufügen, welche
die Indexierungsgenauigkeit beeinträchtigen könnten.
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Es
wurde in
GB-2 037 436 vorgeschlagen, ein
orientierbares Element eines Messkopfes durch einen Motor anzutreiben,
der auf einem Stützelement des
Messkopfes befestigt wird.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Messkopf ohne die
Einschränkungen
der bekannten Vorrichtungen anzubieten, und insbesondere einen Messkopf,
worin die Drehung um die Achsen genau erfolgt, ohne mechanische
Dehnungen in der indexierten Position einzufügen, welche die Indexierungsgenauigkeit
beeinträchtigen
könnten.
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Erreicht
werden diese Ziele durch die Vorrichtung mit der Kombination der
Merkmale, welche das Objekt des Anspruches darstellen, und insbesondere
durch einen orientierbaren Messkopf zum Orientieren eines Tasteinsatzes
in Bezug auf einen Messapparat, mit einem Stützelement; einem ersten orientierbaren
Element, das mit dem besagten Stützelement
verbunden ist und das um eine erste Achse in Bezug auf das besagte
Stützelement
drehen kann; einem Drehsteller/Drehaktuator, der so verbunden ist,
dass er um die besagte erste Achse drehen kann; einem ersten Getriebe
zwischen dem besagten Stützelement
und dem besagten Drehsteller, um den besagten Drehsteller um die
besagte erste Achse mit einem konstanten Abstand von der ersten
Achse anzutreiben; einem zweiten Getriebe zwischen dem besagten
Drehsteller und dem besagten ersten orientierbaren Element, um das
besagte erste orientierbare Element anzutreiben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird besser verstanden beim Lesen der als
Beispiel angegebenen Beschreibung, illustriert durch die beigefügten Zeichnungen;
es zeigen:
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1 eine
Ansicht eines orientierbaren motorisierten Messkopfes gemäss der Erfindung;
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2 einen
Querschnitt des Messkopfes der Erfindung in verriegelter Position;
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3 einen
Querschnitt des Messkopfes der Erfindung in entriegelter Position;
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4 ein
Detail des Verriegelungs-/Entriegelungsmechanismus des Messkopfes
der Erfindung.
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5–8 verschiedene
Ansichten des Stellglieds, das für
die Verriegelung und Entriegelung gemäss einem Aspekt der Erfindung
zuständig
ist.
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9 eine
detaillierte Ansicht einer zum Stellglied der 5–8 dazu
gehörende
Kurbelwelle.
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10 den
Drehsteller des Messkopfes der Erfindung.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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Mit
Bezug auf 1 umfasst ein orientierbarer
Messkopf 10 gemäss
der Erfindung einen Stützelement 30,
der dazu bestimmt ist, auf den Arm einer Messmaschine befestigt
zu werden, und der in der Lage ist, sich zu bewegen, beispielsweise
gemäss drei
Koordinatenachsen X, Y und Z innerhalb eines Messvolumens. Die Befestigung
kann beispielsweise durch den Bolzen 20 oder durch irgendein
anderes Befestigungsmittel erfolgen.
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Hiernach
wird einfachheitshalber der Ausdruck „senkrecht" verwendet, um die Orientierung der
Achse B auf 1 zu bezeichnen. Diese Bezeichnung
bezieht sich auf die konventionelle Orientierung der Figuren und
auch auf die Orientierung, in welcher die erfinderische Vorrichtung
normalerweise verwendet wird und entspricht gewöhnlich der Richtung der senkrechten
Achse Z der Messmaschine, auf welcher der Taster montiert ist. Jedoch
kann der Taster in jeglicher räumlichen
Orientierung verwendet werden.
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Ein
erstes orientierbares Element 40 wird auf dem Stützelement 30 befestigt,
so dass es um die senkrechte Achse B drehen kann. Das erste orientierbare
Element 40 kann vorzugsweise eine Vielzahl von indexierten
Positionen einnehmen, welche je einem Vielfachen eines kleinen vorbestimmten
Winkels entsprechen, beispielsweise 10 Grad. Auf bekannte Weise
werden diese indexierten Positionen beispielsweise durch eine isostatische
Verbindung bestimmt, welche sechs Stützpunkte zwischen den Positionierungselementen
definiert, deren Position mit einer hohen Präzision bestimmt wird.
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Das
zweite bewegliche Element 50 kann frei um die waagrechte
Achse A, die mit dem ersten orientierbaren Element 40 fest
verbunden ist, drehen. Die Drehung des zweiten orientierbaren Elements 50 um
die Achse A kann durchgehend oder indexiert, motorisiert oder handbetätigt sein,
wie für
das obenerwähnte
erste orientierbare Element 40.
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Ein
Tasteinsatz 60 wird auf das zweite orientierbare Element 50 befestigt
und trägt
auf seinem Ende eine Sphäre 70,
die dazu bestimmt ist, in Kontakt mit dem zu messenden Stück zu kommen.
Ein Erfassungssystem, nicht dargestellt, beantwortet dann jede Bewegung
der Sphäre 70 in
Bezug auf die Ruheposition mit einem elektrischen Signal, das durch
ein nicht dargestelltes Verbindungsstück entweder an das Lichtsignal 35 oder
an das Steuerprogramm der Maschine geleitet wird.
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Das
Achsenverriegelungs- und -entriegelungsmechanismus gemäss einem
Aspekt der Erfindung wird nun mit Bezug auf die 2 und 3 beschrieben.
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Die
Stütze 30 trägt eine
Reihe von Kugeln 31, welche am Kreisumfangsrand mit einem
gewöhnlich
konstanten Winkelabstand, z. B. von 10°, angeordnet sind, um eine Reihe
von gewöhnlich
regelmässig
verteilten indexierten Positionen zu definieren. Das erste orientierbare
Element 40 trägt,
entsprechend den Kugeln 31, drei um 120° in Abstand von einander stehende
Stifte 41, welche mit den Kugeln 31 eingreifen
können.
In verriegelter Position (2) wird
das erste orientierbare Element 30 durch den Zug des Schafts 66 gegen
das feste Element 30 gebracht. Jede der Stifte 41 berührt dann zwei
benachbarten Kugeln 31, um eine isostatische Verbindung
zwischen dem Stützelement 30 und
dem orientierbaren Element 40, gemäss dem Prinzip der Boys-Verbindung,
zu haben.
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Auf äquivalente
Weise wäre
es ebenfalls möglich
im Rahmen der Erfindung, die Position der Kugeln und der Stifte
auszuwechseln, indem Erstere auf das orientierbare Element und die
Zweiten auf das Stützelement
angeordnet werden. Man könnte auch
die Kugeln und die Stifte durch andere Positionierungselemente ersetzen,
welche sechs Kontaktpunkte zwischen dem Stützelement 30 und dem
orientierbaren Element 40 zu definieren vermögen.
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Ein
Ende des senkrechten Schafts 66 wird auf artikulierte Weise
mit dem Stützelement 30 verbunden,
während
das andere Ende des Schafts 66 auf artikulierte Weise an
einem Arm des Hebels 62 befestigt wird, der um die Achse 65 drehen
kann und in Bezug auf das erste orientierbare Element 40 fest ist.
Vorzugsweise ist der Schaft 66 mit der Drehachse B ausgerichtet.
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Im
verriegelten Zustand der 2 ist der Schaft 66 gespannt
und zieht das erste orientierbare Element 40 aufwärts, so
dass die Indexierungsstifte 41 mit den Kugeln 31 der
Stütze 30 eingreifen.
In diesem Zustand wird jede Drehung um die Achse B unmöglich und
das orientierbare Element 40 wird in einer der indexierten
Positionen blockiert.
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Die
durch den Schaft 66 ausgeübte Kraft wird zentral in Bezug
auf die Kontaktpunkte zwischen den Kugeln 31 und den Stiften 41 angewandt,
und wird entlang der Achse B orientiert. Auf diese Weise wird eine
gleichmässige
Verteilung der Kontaktkräfte zwischen
den Kugeln 31 und den Stiften 41 erreicht, für eine maximale
Indexierungspräzision.
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Das
zweite orientierbare Element 50 wird auch gegen das erste
orientierbare Element 40 durch den mit der Achse A ausgerichteten
Zug des waagrechten Schafts 67 gehalten. Der Schaft 67 wird
einerseits in Bezug auf das orientierbare Element 50 und
andererseits in Bezug auf den Hebel 62 artikuliert.
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Ein
zweiter Satz von Kugeln 43 und von Stiften 42,
zwischen den ersten und den zweiten orientierbaren Elementen, erlaubt
es, das zweite orientierbare Element 50 in einer indexierten
Position zu blockieren.
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Wahlweise
umfassen die Schafte 66 und 67 nicht dargestellte
elastische Elemente, beispielsweise metallische Feder, um eine konstante
Indexierungskraft zwischen den Stiften 41, 42 und
den Kugeln 31, 43 zu gewährleisten. Auf äquivalente
Weise könnten
elastische Element im Hebel 62 oder in den ersten und zweiten
orientierbaren Elementen eingeschlossen werden.
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Mit
Bezug auf die 5–9 wird die
Position des Hebels 62 durch die in Detail auf 9 dargestellte
Kurbelwelle 59 bestimmt, die um die Achse 75 durch
den elektrischen Motor 45 und die gezahnten Rädern 46, 51 angetrieben
wird. Auf äquivalente Weise
könnte
die Kurbelwelle 59 direkt durch einen auf der gleichen
Achse 75 der Kurbelwelle 59 angeordneten Motor
oder durch irgendwelches mechanische Getriebe, z. B. durch ein Scheibensystem,
angetrieben werden.
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Ein
Arm des Hebels 62 umfasst eine Gabel, deren beiden Zinken 63 und 64 die
beiden entgegen gesetzten Seiten des Zapfens 55 der Kurbelwelle 59 kontaktieren,
so dass der Hebel 62 von der verriegelten Position zur
entriegelten Position verschoben wird, wen die Kurbelwelle 59 um
180° dreht.
Wahlweise kann ein Kugellager zwischen den Zapfen 55 und
die Gabel eingeschoben werden, um die Reibungen während des
Verriegelns und/oder des Entriegelns zu reduzieren. Im auf den Figuren
dargestellten Beispiel ist ein Kugellager 54 nur gegenüber dem Zinken 63 vorgesehen,
der die Verriegelungskraft übermittelt.
Gegenüber
dem anderen Gabelzinken 64, der für die Entriegelung vorgesehen
ist, ist der erforderliche Aufwand geringer und ein einfaches Lagerfutter
kann verwendet werden.
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Die
Drehung der Kurbelwelle 59 um die Achse 75 wird
durch den Sektor 53 und den mit dem ersten orientierbaren
Element 40 solidarisch verbundenen Zapfen 55 auf
einen Drehwinkel leicht grösser als
180° eingeschränkt. Die
Anschlagspositionen des Zapfens 55 gegen die Extremitäten des
Sektors 53 sind so angeordnet, um über die Gleichgewichtspunkte
hinauszugehen und somit um stabile Ruhepositionen zu definieren,
welche dem verriegelten bzw. entriegelten Zustand entsprechen.
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Die 3 und 4 stellen
den Messkopf der Erfindung in seinem entriegelten Zustand dar. In diesem
Fall ist der Hebel 62 geneigt und die Schafte 66 und 67 drücken auf
das Stützelement 30 bzw.
auf das zweite orientierbare Element 50, um die Indexierungselement 31, 41 bzw. 42, 43 um
einen vorbestimmten Abstand d1 bzw. d2 auseinander zu drängen.
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In
einer Ausführungsform
könnten
die Schafte 66 und 67 durch eine Ritzel-Zahnrad-Einheit
angetrieben werden.
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Das
Auseinanderdrängen
und das Schliessen der Indexierungsflächen erfolgt dank der doppelten
Aktion der Schafte 66 und 67, welche von der Direktion
der Gewichtskraft und der Trägheitsmomente unabhängig ist
und ohne Einwirkung von Federn oder elastischen Elementen ist. Der
Mechanismus der Erfindung kann somit ein zuverlässiges und schnelles Funktionieren
gewährleisten,
was auch die Orientierung des Messkopfes sein möge.
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In
der entriegelten Position wird die Drehung um die beiden Achsen
A und B durch nicht dargestellten, durch das Software der Messmaschine
gesteuerten Servomotoren oder durch andere äquivalente automatische Stellglieder
gewährleistet.
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Die
hier beschriebene Ausführungsform
umfasst ein einziges Stellglied, um die beiden Achsen A und B gleichzeitig
zu verriegeln und zu entriegeln. Die Erfindung umfasst jedoch auch
Varianten, worin jede Drehachse durch ein unabhängiges Stellglied verriegelt
und entriegelt wird.
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In
einer Ausführungsform
umfasst der Messkopf der Erfindung eine einzige Drehachse, beispielsweise
eine waagrechte Achse A.
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Die
Antriebsvorrichtung des ersten orientierbaren Elements 40 um
die Achse B wird nun mit Bezug auf die 10 beschrieben.
Die zweite waagrechte Drehachse A wird wahlweise auch mit einer Antriebsvorrichtung
ausgestattet, welche um sich kurz zu fassen hier nicht beschrieben
wird.
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Eine
feste Hülse 80,
solidarisch mit dem Stützelement 30 verbunden
und koaxial mit der Achse B, trägt
ein festes Zahnrad 86, auf welchem der durch die Achse
C des Motors 90 direkt angetriebene Ritzel 92 eingreift.
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In
der entriegelten Position erlaubt das Lager 84 das freie
Drehen des Motors 90 um die Achse B. Der Achsenabstand
(a) zwischen der Achse B und der Achse C des Motors 90 ist
gleichmässig
und das Spiel zwischen dem Ritzel 92 und dem Rad 86 ist ebenfalls
gleichmässig,
für alle
Positionen des orientierbaren Elements 40, was die Reduzierung
des Winkelfehlers auf ein Mindermass erlaubt. Der Achsenabstand
a zwischen dem Zahnrad 86 und dem Ritzel 92 ist
durch das Lager 84 streng bestimmt.
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Der
Motor 90 ist vorzugsweise ein Schrittmotor und er kann,
wenn nötig,
auch eine mechanische Reduktionsgruppe oder eine Friktion, Endbegrenzungssensoren,
oder einen Drehwinkelgeber, umfassen, um die Bahn des Taststifts
mit Genauigkeit zu bestimmen. Alternativ könnten diese Elemente in der Form
von unabhängigen
Komponenten vorgesehen werden. Das Lager 84 kann je nach
Umständen durch
ein Lagerfutter oder durch eine andere äquivalente Führungsvorrichtung
ersetzt werden.
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Die Übermittlung
der Drehung zwischen dem Motor und dem ersten orientierbaren Element
ist nicht rigide sondern erfolgt durch ein Übertragungselement mit einem
Spiel, um jede Änderung
des isostatischen Stützzustands
in der verriegelten Position zu verhindern. Der Motor 90 umfasst
auf seiner Peripherie ein Führungsloch 94,
in welches sich der mit dem orientierbaren Element 40 solidarisch
verbundene und zur ersten Achse B parallele Finger 75 einfügt. Auf
diese Weise wird das orientierbare Element 40 um die Achse
B durch den Motor 90 gedreht, während es frei bleibt, axial
zwischen der verriegelten Position und der entriegelten Position
zu gleiten.
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Der Übergang
in die verriegelte Position umfasst einfach das gleiten des Fingers 75 in
das Loch 94, ohne dass die relative Position des Motors 90 in Bezug
auf die Achse B und auf das Stützelement 30 geändert wird.
Der Motor 90 und die Getriebe 86, 92 folgen
der Gleitbewegung des orientierbaren Elements 40 entlang
der Achse B nicht. Das Spiel zwischen dem Loch 94 und dem
Finger 75 ist genügend gross,
um jeden Einfluss auf die Indexierungsgenauigkeit in verriegelter
Position auszuschliessen.
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Vorzugsweise
wird das Finger 75 und Loch 94 Paar in einem maximalen
Abstand zur Achse B angeordnet, um die übermittelte Kraft auf ein Mindestmass
zu reduzieren. Der grosse Achsenabstand zwischen dem Finger 75 und
der Achse B erlaubt es auch, das optimale Spiel zwischen dem Finger 75 und
dem Loch 94 einfacher zu wählen.
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Es
wurde bestimmt, dass ein Spiel zwischen 0,005 und 1,0 Millimeter
eine genaue Positionierung des orientierbaren Elements in den verschiedenen indexierten
Positionen erlaubt, ohne die Indexierungsgenauigkeit zu verändern, wobei
ein optimales Funktionieren mit einem Spiel zwischen 0,01 und 0,1 Millimeter
erreicht wird. Wahlweise kann der Finger 75 profiliert
werden, um das Spiel in der verriegelten Position zu vergrössern.
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Natürlich könnten der
Finger 75 und das Loch 95 durch eine andere Übertragungsvorrichtung ersetzt
werden, die das orientierbare Element 40 durch den Motor 90 zu
drehen vermag, beispielsweise durch eine Nut und Zange, durch eine
Gleitschiene oder durch jede andere äquivalente Anordnung.
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In
einer nicht dargestellten Ausführungsform kann
der Motor 90 in der Drehachse B gestellt werden, wobei
die Welle des Motors 90 solidarisch mit dem Stützelement 30 direkt
verbunden ist, um ohne die Getriebe 86 und 90 auszukommen.
In dieser Ausführungsform
wird der Achsenabstand a zwischen der Drehachse B des ersten orientierbaren
Elements und der Achse des Motors 90 auf Null reduziert
und der Motor, dessen Welle in Bezug auf das Stützelement 30 blockiert
ist, und der vorzugsweise mit einer mechanischen Reduktionsgruppe
ausgestattet ist, dreht um sich selber, wobei er das orientierbare
Element 40 durch das Finger 75 und Loch 94 Paar
antreibt.
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In
anderen Ausführungsformen
können
das oder die Antriebssysteme symmetrisch ausgeführt werden, d. h. sie können sich
im Stützelement 30 und/oder
im zweiten orientierbaren Element 50 statt im ersten orientierbaren
Element 40 befinden.