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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine handbetriebene Koordinatenpositioniermaschine.
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Eine
bekannte Art der Koordinatenpositioniermaschine hat eine "kartesische" Konfiguration, in der
ein Arbeitsmodul (das beispielsweise einen Tastkopf umfassen kann)
für die
Bewegung relativ zu einer Basis (wie zum Beispiel ein Tisch) mit
drei Translationsfreiheitsgraden mittels drei "seriell" montierten (d.h. einer über dem
anderen), zueinander orthogonalen, linearen Führungsbahnen gelagert ist.
In einer alternativen Lagerkonfiguration ist ein Arbeitsmodul für die Bewegung
relativ zu einem Tisch mit drei Translationsfreiheitsgraden durch
drei Gelenkgestänge
gelagert, wobei jedes von denen direkt zwischen dem Arbeitsmodul
und einem Lagerelement verbunden ist, das einen Teil der Basis bildet.
Solch eine "parallele" Montagekonfiguration
für eine
Maschine ist beispielsweise aus
EP
0 102 744 und
US 4 976
582 bekannt.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Bereitstellung einer
Maschinenkonfiguration der parallelen Art und ist mit Anspruch 1
angegeben.
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Es
kann eine handbetriebene Koordinatenpositioniermaschine mit einer
Basis und einem Arbeitsmodul vorgesehen sein, die durch drei Gestänge miteinander
verbunden sind, die zusammenwirken, um eine Relativdrehung der Basis
und des Arbeitsmoduls zu verhindern, aber eine relative Translationsbewegung
der Basis und des Arbeitsmoduls zuzulassen, wobei die Maschine weiterhin
wahlweise bedienbare Sperrmittel umfasst, die das Arbeitsmodul zwingen,
sich in einer arretierten Ebene relativ zu der Basis zu bewegen.
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Vorzugsweise
beinhaltet die Maschine ein Paar von wahlweise bedienbaren Sperrmitteln,
die betätigbar
sind, um die Relativbewegung der Basis und des Arbeitsmoduls auf
nicht-parallelen Ebenen einzuschränken, wobei deren Verstellung
innerhalb des Arbeitsbereiches der Maschine auf der Basis der Position
des Arbeitsmoduls in dem Moment bestimmt wird, wenn die Sperrmittel
betätigt
werden, um die Relativbewegung einzuschränken.
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Demgemäss beinhaltet
eine bevorzugte Ausführungsform
der Maschine: erste und zweite wahlweise bedienbare Sperrmittel,
wobei arretierte Ebenen, in denen die Relativbewegung des Arbeitsmoduls
und der Basis durch das erste Sperrmittel erzwungen wird, nicht-parallel
zu arretierten Ebenen sind, in denen die Relativbewegung durch die
zweiten Sperrmittel erzwungen wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Maschine ist die Verstellung einer arretierten Ebene, in der
das Arbeitsmodul durch die wahlweise bedienbaren Sperrmittel gezwungen
ist, sich zu bewegen, durch den Benutzer der Maschine auf der Basis
einer momentanen Position des Arbeitsmoduls in einem Moment wählbar, wenn
das wahlweise bedienbare Sperrmittel betätigt wird, um die Bewegung des
Arbeitsmoduls zu erzwingen.
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Vorzugsweise
weist mindestens eines der Gestänge
einen ersten und zweiten Schenkel auf, die schwenkbar mit zwei Rotationsfreiheitsgraden
miteinander verbunden sind, wobei der erste Schenkel ein Paar verlängerte Streben
umfasst, die mit zwei Freiheitsgraden schwenkbar mit einem En de
an einem Teil von der Basis und dem Arbeitsmodul und mit dem anderen
Ende an dem zweiten Schenkel befestigt sind, und der zweite Schenkel
mit einem Freiheitsgrad schwenkbar an dem anderen Teil von der Basis
und dem Arbeitsmodul um eine Gelenkachse befestigt ist, wobei die
wahlweise bedienbaren Sperrmittel zwischen den Streben des ersten
Schenkels arbeiten.
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Ein
bevorzugtes Merkmal solch einer Ausführungsform sieht vor, dass
jedes der Sperrmittel eine längliche
Klemme umfasst, die an jedem ihrer Enden mit eine der Streben verbunden
ist, wobei, wenn die Klemme nicht arbeitet, ihre Länge mit
der Schwenkung der Schenkel ansteigt und abfällt, und wenn die Klemme arbeitet,
betätigbar
ist, um ihre Länge
bei einem konstanten Wert zu halten.
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Die
Relativverschiebung der Basis und des Arbeitsmoduls in einer Maschine
der parallelen Art wird mittels einer Vielzahl von Codierern bestimmt. Gemäß diesem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist hier eine Koordinatenpositioniermaschine
mit einer Basis und einem Arbeitsmodul vorgesehen, die durch drei
Gestänge
miteinander verbunden sind, die zusammenwirken, um eine Relativdrehung
der Basis und des Arbeitsmoduls zu verhindern, aber eine relative
Translationsbewegung der Basis und des Arbeitsmoduls zuzulassen,
wobei jedes der Gestänge erste
und zweite Schenkel hat, die schwenkbar mit zwei Rotationsfreiheitsgraden
miteinander verbunden sind, wobei der erste Schenkel mit zwei Freiheitsgraden
schwenkbar mit einem Ende an einem Teil der Basis und dem Arbeitsmodul
und mit dem anderen Ende an dem zweiten Schenkel befestigt ist, und
wobei der zweite Schenkel an dem anderen Teil von der Basis und
dem Arbeitsmodul mit einem Freiheitsgrad schwenkbar um eine Gelenkachse
befestigt ist, wobei die Relativverschiebung des Arbeitsmoduls und der
Basis mittels drei oder mehrerer Codierer bestimmt wird, wobei jeder
Codierer aufweist:
eine Skala, die auf einem gebogenen Substrat
befestigt ist und die durch eine Reihe von unter Abstand angeordneten
Linien definiert ist;
einen Lesekopf, der in Ausrichtung mit
der Skala befestigt ist, wobei die Skala und der Lesekopf relativ
in einer Richtung der Beabstandung der Linien bewegbar sind;
wobei
das Substrat an der Basis oder dem Arbeitsmodul oder einem Schenkel
des Gestänges
befestigt ist;
wobei der Lesekopf an einem Teil der Maschine
befestigt ist, auf dem das Skalensubstrat nicht befestigt ist, so
dass der Lesekopf und das Skalensubstrat relativ zueinander um eine
Achse, die im wesentlichen mit dem geometrischen Zentrum des gebogenen Skalensubstrats übereinstimmt,
schwenkbar sind.
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Vorzugsweise
ist der Lesekopf auf der Basis befestigt, und das gebogene Substrat
ist auf dem zweiten Schenkel befestigt, wobei das geometrische Zentrum
des gebogenen Substrats im wesentlichen mit der Gelenkachse zusammenfällt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
beinhaltet die Basis einen Tisch, der im Gebrauch ein Objekt trägt, an dem
durch die Maschine gearbeitet werden soll, und eine Säule, die
sich von der Basis nach oben erstreckt, wobei sich die Gestänge quer
von der Säule
zu dem Arbeitsmodul erstrecken, so dass während der Bewegung des Arbeitsmoduls
hin zu und weg von der Säule
das Arbeitsmodul den Tisch überquert,
wobei der Lesekopf an die Säule
befestigt ist und der zweite Schenkel an einem Ende der Säule befestigt
ist.
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Der
Codierer kann beispielsweise opto-elektronisch, magnetisch oder
kapazitiv sein.
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Wünschenswerterweise
haben die Basis und das Arbeitsmodul eine mechanische Bezugsposition, an
der ihre relative Verschiebung wiederholbar ist. Dies befähigt die
Codierer und irgendein dazugehöriges
Fehlerkennfeld, an der gleichen mechanischen Position zu jeder Zeit
initialisiert zu werden. Vorzugsweise wird die mechanische Bezugsposition
auch als eine Feststellvorrichtung dienen, mittels der das Arbeitsmodul
in einer "geparkten" Position relativ
zu der Basis gehalten werden kann, wenn die Maschine nicht in Verwendung
ist.
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Vorzugsweise
wird die Maschine auch eine Konfiguration haben, die die ungewollte
Relativbewegung der Basis und des Arbeitsmoduls verhindert. Dementsprechend
sieht ein weiterer unabhängiger Aspekt
der vorliegenden Erfindung eine Koordinatenpositioniermaschine mit
einer Basis und einem Arbeitsmodul vor, die durch drei Gestänge miteinander verbunden
sind, die zusammenwirken, um eine Relativdrehung der Basis und des
Arbeitsmoduls zu verhindern, aber eine relative Linearbewegung der
Basis und des Arbeitsmoduls zuzulassen, wobei ein oder mehrere Ausgleichseinrichtungen
dem Einfluss der Schwerkraft auf das Arbeitsmodul entgegenwirken
und derart wirken, dass das Arbeitsmodul relativ zu der Basis aufgehängt ist,
wenn keine äußeren Kräfte auf
das Arbeitsmodul wirken.
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Die
Art des Arbeitsmoduls ist von der Art der Anwendungen abhängig, die
der Benutzer der Maschine durchführen
möchte.
Beispielsweise, wie oben erwähnt
ist, kann das Arbeitsmodul entweder einen Trigger oder einen Messtastkopf
(der entweder ein Berührungs-
oder ein Nicht-Berührungs-Tastkopf sein kann),
ein Schneidwerkzeug, oder einen Schweißarm, einen Greifer oder eine
Farbspritzdüse beinhalten.
Das Arbeitsmodul kann auch einen Gelenkkopf zur Orientierung solch
eines Tastkopfes (beispielsweise) mit einem oder mehreren Rotationsfreiheitsgraden
relativ zu der Basis beinhalten.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nun als Beispiele und mit Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
perspektivische Vorderansicht einer ersten Ausführüngsform der Maschine entsprechend
der vorliegenden Erfindung ist; und
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2 eine
perspektivische Rückansicht
der Maschine von 1 ist;
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3 eine
perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Maschine ist;
und
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4 eine
perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform der Maschine ist.
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Nun
Bezug nehmend auf die 1 und 2 hat eine
Maschine ein Arbeitsmodul, das mit einem Berührungstastkopf 10 versehen
ist (der in dem vorliegenden Beispiel ein Messtastkopf oder ein Berührungs-Triggertastkopf ist),
der an einem starren Arm 12 aufgehängt ist, der seinerseits an
dem Träger 14 befestigt
ist, und eine Basis, die mit einem Tisch 16 und einer Säule 20 versehen
ist, die starr an dem Tisch 16 befestigt ist. Das Arbeitsmodul
ist für
eine Bewegung relativ zu der Basis mit drei Translationsfreiheitsgraden
mittels drei angelenkten Gestängen 18 gelagert,
wobei sich jedes von denen direkt zwischen dem Träger 14 und
der Säule 20 erstreckt.
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Jedes
der Gestänge 18 hat
ein Paar von Schenkeln, von denen einer durch ein torsionssteifes Gehäuse 22 vorgesehen
ist, das schwenkbar auf die Säule 20 mittels
eines Scharniers befestigt ist, das in diesem Beispiel aus einem
Paar aus Kugel- und Kugelpfannengelenken 24 (Kugel- und
Rillengelenke können
auch verwendet werden) gemacht ist. Die Kugel- und Kugelpfannengelenke 24 definieren
eine Schwenkachse A der Schenkel, die durch die Gehäuse 22 gebildet
werden. Das frei schwenkbare Ende jedes Torsionsgehäuses 22 ist
mit dem Träger 14 mittels
einem weiteren Schenkel verbunden, der durch ein Paar von parallelen
Streben 26 gebildet ist. Jede der Streben 26 ist
schwenkbar mittels Kugelgelenken 28 an einem Ende des Trägers 14 und
an dem anderen Ende des Torsionsgehäuses 22 befestigt.
Die Streben können
daher relativ zu dem Torsionsgehäuse 22 und
dem Träger 14 mit
zwei Rotationsfreiheitsgraden schwenken. Rückhaltefeldern 32, 34 spannen
alle Elemente der Kugel- und Kugelpfannengelenke 24, 28 jeweils
in eine wechselseitige Verbindung vor und vereinfachen den einfachen
und schnellen Aufbau und Abbau der Gestänge 18.
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Jedes
einzelnes Gestänge 18 lässt die
Bewegung des Arbeitsmoduls relativ zu der Basis mit drei Translationsfreiheitsgraden
und zwei Rotationsfreiheitsgraden zu. Als ein Ergebnis, wenn alle
drei Sätze
der Gestänge 18 in Übereinstimmung
arbeiten, kann sich der Tastkopf 10 nur relativ zu der
Säule 20 verschieben,
da die Rotationsfreiheitsgrade, die durch eines der gegebenen Gestänge 18 zugelassen werden,
Rotationsfreiheitsgrade sind, die durch die Kombination der anderen
zwei verhindert werden.
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Die
Verschiebung des Arbeitsmoduls relativ zu einem Bezugspunkt oder "Messpunkt", dessen Position
relativ zu der Basis fixiert ist, kann mittels drei opto-elektrischen
inkrementalen Codierern
38 bestimmt werden. Jeder Codierer
beinhaltet eine Skala
40, die auf einer kreisförmigen Montagefläche
42 auf
einem gebogenen Arm
44 gelagert ist. Jeder der Arme
44 erstreckt
sich von einem Torsionsgehäuse
22 nach
hinten, und das Zentrum des Kreises, der durch das Profil der Montagefläche
42 definiert
ist, ist im wesentlichen konzentrisch mit der Gelenkachse A des
jeweiligen Torsionsgehäuses
22 (das
seinerseits durch die Positionen der Kugelgelenke
24 definiert ist).
Ein Lesekopf
50, der auf einem Träger
52 getragen ist,
der starr mit der Säule
20 verbunden
ist, ist in Ausrichtung mit der Skala
40 befestigt, und
die Drehbewegung eines Torsionsgehäuses
22 um eine Schwenkachse
A verursacht die Relativbewegung der Skala
40 und des Lesekopfes
50.
Diese Relativbewegung bewirkt ihrerseits, dass der Lesekopf
50 eine
Reihe von Quadraturpulsen erzeugt, die verarbeitet und zu einem
inkrementalen Zähler
(nicht gezeigt) gesendet werden. Ein Beispiel von solch einem Codierer
und einer Art und Weise der Verarbeitung der hierbei erzeugten Quadraturpulse
sind beispielsweise in
EP 0 207
121 und in der Internationalen Anmeldung Nr. WO 87/07943
gezeigt. Solche kartesischen Koordinatenwerte, die die Verschiebung
des Arbeitsmoduls von einem vorherbestimmten Messpunkt darstellen,
können
dann von den Werten der Zähler
erzeugt werden, die in Bezug auf jeden der Codierer
38 durch
entsprechende mathematische Berechnung geliefert werden.
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Obwohl
in dem vorliegenden Beispiel die Codierer mit einer Skala und einem
Lesekopf auf der Basis und den Gestängen versehen sind, sind andere
Anordnungen möglich.
Beispielsweise ist es ebenfalls möglich, dass die Skala und der
Lesekopf zwischen zwei relativ schwenkbaren Teilen der Gestänge 18 oder
zwischen einem Teil der Gestänge 18 und dem
Arbeitsmoduls zusammenwirken.
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Im
Betrieb wird der Tastkopf 10 durch den Arbeitsbereich der
Maschine mit der Hand einer Bedienungsperson bewegt. Ein Griff 80 ist
für diesen Zweck
vorgesehen und ist typischerweise aus einem thermisch isolierenden
Material, wie zum Beispiel Keramik, gemacht, um die Übertragung von
Hitze auf die Maschine zu verhindern. Der Griff 80 ist
vorzugsweise auf dem Träger 14 über einen
Mechanismus (nicht gezeigt) befestigt, der die Übertragung eines Drehmoments
oder die Übertragung
von Linearkräften über einen
vorherbestimmten Schwellenwert hinaus auf den Träger 14 verhindert.
Alternativ kann der Griff 80 auf einem Masseausgleichsmechanismus befestigt
werden, wie zum Beispiel ein Masseausgleichsmechanismus der Art,
die in 4 (beispielsweise) gezeigt und anschließend beschrieben
ist.
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Der
Ausgleich für
das Gewicht der parallelen Streben 26, des Trägers 14 und
der verschiedenen Komponenten des Arbeitsmoduls ist in der Ausführungsform
von 1 durch eine Kombination von (1) einen angelenkten
Ausgleicharm 90 und (2) einen Ausgleichshebel vorgesehen,
der durch ein Gewicht (nicht in 1 gezeigt,
aber in 4 dargestellt) vorgesehen ist,
das an dem freien Ende des gebogenen Skalenarms 44 angeordnet
ist, der sich von dem oberen Torsionsgehäuse 22 erstreckt,
und das eine Masse hat, die das Massezentrum des oberen Torsionsgehäuses 22 und
die halbe Masse der oberen Streben ausgleicht. Der Ausgleichsarm 90 ist
schwenkbar auf der Basis der Maschine an einem Ende 92 befestigt
und ist zur Bewegung in der Ebene des Tischs 16 mit dem
Träger 14 an
seinem relativ freien schwenkbaren Ende 94 durch ein Seil 96 verbunden. Das
Seil 96 ist entlang dem Arm 90 durch drei Riemenscheiben 98 geführt und
das entfernte Ende des Seils (nicht gezeigt) ist mit einem Gewicht,
mit einer Feder mit konstanter Kraft oder mit einer speziell konfigurierten
Schnecke (keine von denen sind gezeigt) verbunden. Wenn eine Schnecke
verwendet wird, ist sie vorzugsweise einem veränderbaren Vorspannmoment, z.B.
einer Uhrfeder, oder einer veränderbaren
Tangentialkraft, z.B. von einer Spiralfeder, unterworfen.
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Die
horizontale Bewegung des Trägers 14 und
des Arbeitsmoduls wird (infolge der Spannung in dem Seil 96)
auf den Arm 90 übertragen,
die das freie Ende 94 des Arms veranlasst, sich im wesentlichen in
Ausrichtung mit dem Träger
in der horizontalen Ebene zu bewegen. Die spezielle Schneckenkonfiguration
trägt der
Veränderung
der Vorspannkraft nach oben, die von dem Arbeitsmodul benötigt wird,
mit der Veränderung
in der vertikalen Position des Moduls Rechnung. Die Horizontalbewegung
des Arbeitsmoduls in einer Richtung über die Vorderseite der Säule 20 hinweg
verursacht keine Veränderung in
der benötigten
Ausgleichskraft, die durch den angelenkten Arm 90 und das
Seil 96 geliefert wird; dem kleinen Schwenkgrad des oberen
Torsionsgehäuses 22 und
der resultierenden Änderung
in dem Ausgleichsgewicht davon wird durch den Ausgleichshebel Rechnung
getragen, der (in diesem Beispiel) durch das Gewicht vorgesehen
ist, das auf dem Skalenarm des oberen Torsionsgehäuses 22 befestigt ist.
Die Bewegung des Arbeitsmoduls hin zu und weg von der Säule 20 resultiert
wiederum in keiner Veränderung
der erforderlichen Aufwärtskraft,
die durch den angelenkten Arm 90 und das Seil 96 vorgesehen ist,
sondern verursacht eine wesentliche Veränderung in dem Gewicht des
oberen Torsionsgehäuses 22,
was einen Ausgleich benötigt;
dies wird weiterhin durch das zugeordnete Gewicht geliefert.
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In
einer alternativen Ausgleichskonfiguration, die in 3 gezeigt
ist, kann auf den angelenkten Arm 90 verzichtet werden,
und an seiner Stelle sind die Rückhaltefedern 32 so
konfiguriert, dass sie sich diagonal von einer parallelen Strebe 26 zu
einer anderen erstreckt.
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In
jeder dieser Anordnungen hat die Maschine die Eigenschaft des "neutralen Gleichgewichts". Das soll heißen, dass
in irgendeiner Position innerhalb ihrer Betriebshüllkurve,
wenn die Bedienungsperson den Griff 80 an dem Arbeitsmodul
freigibt, die Ausgleichskräfte
auf das Modul eine weitere Bewegung verhindern.
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In
den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, die hierin dargestellt sind, erstrecken
sich die Schwenkachsen der Gelenke der benachbarten Torsionsgehäuse 22 senkrecht
zueinander. Alternative Konfigurationen sind möglich, wie zum Beispiel, daß sich die
Schwenkachsen beispielsweise unter 120° erstrecken. Darüber hinaus
sind verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung durch die Darstellung
einer Maschine beispielhaft erläutert
worden, in der sich die Gelenkgestänge 18 horizontal von
einer nach oben erstreckenden vertikalen Säule 20 erstrecken.
Jedoch können
verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung in einer Maschine
benutzt werden, in der die Gelenkgestänge 18 derart befestigt
sind, dass sie sich beispielsweise vertikal nach unten erstrecken.
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Bei
der abgewandelten Ausführungsform von 4 sind
Ausgleichsfedern 32 durch lösbare Sperrelemente 132A (die
in dem dargestellten Beispiel teleskopisch sind) ersetzt, die, wenn
sie arretiert sind, sich effektiv in starre Stangen verwandeln.
Die Betätigung
des Sperrmechanismus in den Elementen 132A hat folglich
den Effekt, das Arbeitsmodul auf einer Ebene parallel zu dem Tisch
zu halten, und dessen vertikale Verschiebung über den Tisch ist durch die
vertikale Verschiebung des Arbeitsmoduls bestimmt, wenn der Sperrmechanismus
betätigt
ist. Dies ist beispielsweise nützlich,
wenn das Arbeitsmodul einen Abtast-Tastkopf beinhaltet und es erwünscht ist,
das Oberflächenprofil
eines Objekts in einer Reihe von parallelen horizontalen Ebenen
abzutasten. Ein drittes lösbar
arretierbares, teleskopisches Element 132B ist vorgesehen,
um zu ermöglichen,
dass die Bewegung des Arbeitsmoduls in einer vertikalen Ebene gegen
irgendeine erwünschte
Verschiebung innerhalb der Betriebhüllkurve der Maschine, die sich
parallel zu der Linie L1 in 4 erstreckt,
gesperrt ist. Auch die Ausgleichsmasse 184 ist in 4 dargestellt,
die an dem Skalenarm 144 angebracht ist.