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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. Auslösungstaster
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 einen 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.
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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
EP1443299 im
Namen der Anmelderin vorgestellt. 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 versetzen.
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Es
ist eine Einschränkung
der bekannten Messköpfe,
und insbesondere der motorisierten Messköpfe, dass die orientierbaren
Elemente in ihrer Drehung geführt
werden müssen,
beispielsweise durch Lager oder Kugellager. Diese Führungselemente
stellen jedoch zusätzliche
mechanische Beschränkungen
im Vergleich mit der isostatischen Verbindung dar und beeinträchtigen
die Indexierungsgenauigkeit. Um diesem Nachteil vorzubeugen, verwenden
die bekannten Messköpfe
oft Lager mit einem kleinen Durchmesser oder mit beträchtlichen Toleranzen.
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Die
mit der Masse des Abtasttasters verbundenen Trägheitskräfte können auch das Funktionieren
des Messkopfes negativ beeinflussen, insbesondere wenn massive Taster
und beträchtliche
Translations- und Drehgeschwindigkeiten verwendet werden. Unter
diesen Bedingungen ist es wichtig, wirksame Lager oder Führungselemente
für die
orientierbaren Elemente des Messkopfes zu haben.
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Ohne
wirksame Führung
ist die Drehgeschwindigkeit der orientierbaren Elemente zwangsweise
eingeschränkt.
Zudem kann die Bahn des Abtasttasters während der Drehung nicht mit
Genauigkeit bestimmt werden. Es ist somit nötig, einen bedeutenden Sicherheitsabstand
zwischen dem Abtasttaster und dem zu messenden Stück zu halten, was
die Bahnen des Kopfes verlängert
und die Messgeschwindigkeit reduziert.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Messkopf ohne die
Einschränkungen
der bekannten Vorrichtungen anzubieten, und insbesondere einen Messkopf,
dessen orientierbare Elemente wirksam geführt werden, ohne die Indexierungsgenauigkeit
zu beeinträchtigen,
und worin die Bahn des Tasters vollständig beherrscht wird.
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Erreicht
werden diese Ziele durch die Vorrichtung mit der Kombination der
Merkmale, welche das Objekt des Hauptanspruches darstellen, und
insbesondere durch einen orientierbaren Messkopf zum Orientieren
eines Tasteinsatzes in Bezug auf einen Messapparat, mit
einem
Stützelement;
einem ersten orientierbaren Element, das in die Richtung einer ersten
Achse zwischen einer verriegelten Position und einer entriegelten
Position gleiten kann; einem ersten Führungselement, das mit dem
besagten Stützelement
verbunden ist; einem zweiten Führungselement,
das mit dem besagten ersten orientierbaren Element verbunden ist;
worin das besagte erste und das besagte zweite Führungselement sich nicht berühren, wenn sich
das besagte orientierbare Element in der verriegelten Position befindet;
worin das besagte erste Führungselement
das besagte zweite Führungselement
stützt,
so dass das Drehen des besagten orientierbaren Elements um die besagte
Achse in Bezug auf das besagte Stützelement ermöglicht wird,
wenn sich das besagte orientierbare Element in der besagten entriegelten
Position befindet.
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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 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 und 11 die
Position der Lager der orientierbaren Elemente des Messkopfes in
der verriegelten bzw. entriegelten Position.
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12 und 13 Details
der 10 bzw. der 11.
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14 und 15 eine
andere Ausführungsform
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 40 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, in Bezug auf das erste orientierbare Element 40 unbeweglich.
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 30 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 zwischen den ersten und den zweiten orientierbaren
Elementen angeordneten Kugeln 43 und Stiften 42 erlaubt
es, das Drehen des zweiten orientierbaren Elements 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 Elemente 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, wenn 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 30 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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Mit
Bezug auf die 10, welche das Führungssystem
in verriegelter Position darstellt, wird das erste orientierbare
Element 40 mit einer Führungshülse 82 ausgestattet,
in welche die mit dem Stützelement 30 solidarisch
verbundene Welle 84 einrastet. Die Fläche der Welle 84 weist
Protuberanzen (85a, 85b) auf, die durch Aussparungen
getrennt sind, über
die der Durchschnitt der Welle 84 in Bezug auf den maximalen
Durchschnitt der Protuberanzen 85a, 85b reduziert
ist.
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Auf
die gleiche Weise weist die Innenseite der Hülse 82 Protuberanzen 83a, 83b auf,
welche durch Aussparungen mit einem Durchmesser grösser als
der Innendurchschnitt der Protuberanzen 83a und 83b getrennt
sind.
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In
der verriegelten Position der 10 liegen die
Protuberanzen 83a, 83b gegenüber den Aussparungen der Welle 84.
Es besteht somit kein Kontakt zwischen der Führungshülse 82 und der festen
Welle 84, was die Indexierungsgenauigkeit stören könnte.
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In
der entriegelten Position der 11 wird das
erste orientierbare Element 40 axial entlang der Achse
B verschoben, um die Kugeln 31 von den Stiften 41 wegzudrängen. In
dieser Position liegen die Protuberanzen 83a und 83b neben
den Protuberanzen 85a und 85b, so dass das Drehen
des orientierbaren Elements 40 um die Achse B unterstützt wird. Vorzugsweise
umfassen die Hülse 82 und
die Welle 84 je zwei entlang der Richtung der Drehachse
voneinander getrennte Protuberanzen, um das Drehen optimal zu führen.
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Dank
dem Fehlen eines Kontakts zwischen den Führungselementen 82 und 84 in
verriegelter Position, kann der Durchmesser Letzterer gross sein, und
das Spiel zwischen der Hülse
und der Welle in entriegelter Position kann im Wesentlichen null
oder vernachlässigbar
sein. Auf diese Weise wird die Position des Abtasttasters während der
Drehung gänzlich
bestimmt.
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Die
zweite waagrechte Drehachse A wird mit einem in den 12 und 13 sichtbaren
Führungsmechanismus, ähnlich wie
derjenige der ersten senkrechten Achse B, versehen. Die Führungshülse 88 der
zweiten Achse trägt
zwei Protuberanzen 89a und 89b, während die
Welle 86 die beiden Protuberanzen 87a und 87b umfasst.
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In
der in 12 sichtbaren verriegelten Position
sind die Proberanzen 89a, 89b der Hülse 88 und die
Protuberanzen 87a und 87b der Welle 86 verschoben.
Auf diese Weise besteht kein Kontakt zwischen der Hülse 88 und
der Welle 86, was die Indexierungsgenauigkeit stören könnte.
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In
der entriegelten Position der 13 liegen die
Protuberanzen 89a, 89b der Hülse 88 und die Protuberanzen 87a und 87b der
Welle 86 nebeneinander und bilden zwei Lager, um das Drehen
des zweiten orientierbaren Elements 50 um die Achse A zu
führen.
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In
einer auf den 14 und 15 dargestellten
Ausführungsform
der Erfindung sind die Welle 86 und die Hülse 88 mit
konischen koaxialen Führungsflächen 87c und 89c versehen.
In der verriegelten Anordnung der 14 besteht
kein Kontakt zwischen der Führungshülse 88 und
der Welle 86. In der in 15 dargestellten
entriegelten Anordnung stehen die konischen Flächen 87c und 89c in
Kontakt und führen
die Drehung des zweiten orientierbaren Elements 50 um die
Achse A.