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Die
Erfindung betrifft eine Halteeinrichtung zum Halten eines Kalibrierkörpers,
der dazu dient, einen Messsensor eines Koordinatenmessgeräts
zu kalibrieren. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum
Kalibrieren eines Messsensors eines Koordinatenmessgeräts.
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Das
Verfahren betrifft insbesondere denjenigen Teil der Kalibrierung
eines Messsensors, der die Positionierung und/oder Ausrichtung des
Kalibrierkörpers betrifft. Lediglich optional betrifft
das Verfahren auch weitere Schritte der Kalibrierung, nämlich
z. B. das Erfassen bzw. Aufnehmen von Messwerten von Oberflächenpunkten
des Kalibrierkörpers durch den Messsensor und die Auswertung
der Messwerte, um Kalibrierparameter zu erhalten. Diese Schritte sind
an sich bekannt und werden hier nicht näher beschrieben.
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Kalibrierkörper,
insbesondere kugelförmige Kalibrierkörper, werden
bekanntermaßen zum Kalibrieren von Messsensoren von Koordinatenmessgeräten
(KMG) eingesetzt. Bei dem Messsensor kann es sich z. B. um einen
tastenden Sensor handeln, der das jeweilige Messobjekt mechanisch
antastet. Es kann sich bei dem Messsensor jedoch auch um einen anderen
Messsensor handeln, z. B. einen das Messobjekt optisch abtastenden
oder auf andere Weise berührungslos abtastenden Messsensor
handeln. Gleichzeitig mit dem Messsensor können auch Teile des
Koordinatenmessgeräts kalibriert werden, die für die
Gewinnung korrekter Messwerte des Messsensors von Bedeutung sind.
z. B. kann ein Dreh-/Schwenkgelenk an einem Arm eines Koordinatenmessgeräts
angeordnet sein und an dem Gelenk wiederum der Messsensor angeordnet
sein. In diesem Fall können auch z. B. Kalibrierparameter
des Dreh-/Schwenkgelenks gleichzeitig mit Kalibrierparametern des
Messsensors kalibriert werden oder es können gemeinsame
Kalibrierparameter des Messsensors und des Gelenks durch Kalibrierung
ermittelt werden. Insbesondere kann z. B. eine 3×3-Matrix oder
4×4-Matrix durch Kalibrierung ermittelt werden, die die
so genannte Übertragungsmatrix ist, mit der aus den Messsignalen
des Messsensors die Koordinaten des momentan von dem Messsensor
abgetasteten Oberflächenpunkts des Messobjekts berechnet werden
können.
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Es
ist bekannt, einen Kalibrierkörper, insbesondere eine Kugel,
an einer Halteeinrichtung zu befestigen, so dass die Halteeinrichtung
den Kalibrierkörper hält. Z. B. ist eine solche
Halteeinrichtung aus der
EP
0 786 644 A2 bekannt. Die Halteeinrichtung weist einen
zylindrischen Block auf, der entfernbar mit einem Maschinentisch
verbunden werden kann, z. B. in dem er in seiner Basis einen Permanentmagneten
aufweist. An der Spitze ist der Block unter einem Winkel (z. B.
45 Grad) abgeschnitten, so dass eine ebene Stirnfläche
gebildet ist. Senkrecht zu der Stirnfläche ist ein Stab
angeordnet, der an seinem freien Ende den Kalibrierkörper,
eine Kalibrierkugel, trägt.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere solche Halteeinrichtungen, die auf
der in der Regel horizontal verlaufenden Ebenenoberfläche
eines Messtischs angeordnet werden. Auf dem Messtisch wird bei Vermessung
eines Messobjekts das Messobjekt angeordnet, entweder unmittelbar
durch Auflegen auf den Messtisch oder es wird ein Halter auf den
Messtisch gebracht, der das Messobjekt hält. Dementsprechend
wird zum Kalibrieren des Messsensors die Halteeinrichtung, die den
Kalibrierkörper hält, auf dem Messtisch angeordnet.
Die senkrecht zu der Messtischoberfläche verlaufende Koordinatenachse wird üblicherweise
als z-Achse bezeichnet. Sie verläuft in aller Regel in
vertikaler Richtung.
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Es
ist bekannt, dass die Halteeinrichtung zum Halten des Kalibrierkörpers
um eine senkrecht zu der Messtischoberfläche verlaufende
Achse, also um eine in z-Richtung verlaufende Achse herum gedreht
werden kann, um den Kalibrierkörper in einer für
die Kalibrierung geeigneten Weise zu positionieren. Z. B. kann die
Halteeinrichtung mittels einer Schraube in der gewünschten
Position an der Messtischoberfläche festgeschraubt und
dadurch fixiert werden.
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Bei
der Kalibrierung von Messsensoren treten jedoch Situationen auf,
in denen Teile der für die Kalibrierung aufgebauten Messanordnung
und/oder Teile des Koordinatenmessgeräts und/oder Teile
des Messsensors eine Kalibrierung behindern. Die Konturen von störenden
Teilen der Gesamtanordnung (d. h. der Messanordnung, des Koordinatenmessgeräts und
des Messsensors) werden auch als Störkonturen bezeichnet.
Zur Lösung dieses Problems können spezielle Anbauteile
für die Halteeinrichtung gefertigt werden, so dass der
Messsensor den Kalibrierkörper aus allen für die
Kalibrierung erforderlichen Richtungen abtasten kann. Solche speziellen
Anbauteile oder spezielle Ausführungsformen der Halteeinrichtung
sind jedoch nur für bestimmte Gesamtanordnungen einsetzbar.
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Insbesondere
bei optischen Messsensoren, z. B. Linienscannern, kann ein Befestigungselement, über
das der eigentliche Kalibrierkörper mit der Halteeinrichtung
verbunden ist, zu Messfehlern bei der Kalibrierung führen.
Insbesondere ist es üblich, den Kalibrierkörper über
ein stabförmiges Befestigungselement mit der eigentlichen
Halteeinrichtung zu verbinden. Wenn der optische Messsensor unter
bestimmten Blickwinkeln auch den Stab detektiert, kann es zu einer
fehlerhaften Kalibrierung kommen.
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Ist
der Messsensor über einen drehbaren Sensorträger
(z. B. über das oben bereits erwähnte Dreh-/Schwenkgelenk)
mit dem Koordinatenmessgerät verbunden, kann es vorteilhaft
oder sogar notwendig sein, den Kalibrierkörper bei unterschiedlichen
relativen Drehstellungen des Messsensors und des Koordinatenmessgeräts
abzutasten. Bei bestimmten relativen Drehstellungen, oder allgemeiner
formuliert bei bestimmten relativen Ausrichtungen des Messsensors
und des KMG, können Störkonturen die Kalibrierung
verhindern.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halteeinrichtung
und ein Verfahren der zuvor genannten Art anzugeben, die das Abtasten
eines Kalibrierkörpers in möglichst vielen verschiedenen
Situationen unter Verwendung derselben Halteeinrichtung ermöglichen.
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Ein
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, es einem
Benutzer zu ermöglichen, durch Betätigung der
Halteeinrichtung eine Ausrichtung des an dem Halter gehaltenen Kalibrierkörpers
einzustellen. Bei der Einstellung der Ausrichtung kann optional
auch die Position des Kalibrierkörpers durch einen einzigen
Bewegungsvorgang mitverändert werden.
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Im
Gegensatz zu der Einstellung der Drehstellung der Halteeinrichtung
um eine in z-Richtung verlaufende Drehachse relativ zu einem Messtisch (wie
oben beschrieben) wird unter einer Betätigung der Halteeinrichtung
verstanden, dass verschiedene Teile der Halteeinrichtung eine Relativbewegung
zueinander ausführen, so dass der Kalibrierkörper
die gewünschte Ausrichtung und/oder Position erhält.
Alternativ kann durch die Betätigung eine gegebene Beweglichkeit
zwischen der Halteeinrichtung und dem Kalibrierkörper ausgenutzt
werden. Insbesondere wird eine Halteeinrichtung zum Halten eines
Kalibrierkörpers zum Kalibrieren eines Messsensors eines Koordinatenmessgeräts
vorgeschlagen, wobei die Halteeinrichtung eine Einstelleinrichtung
aufweist, die ausgestaltet ist durch Betätigung eines Benutzers eine
Ausrichtung des an dem Halter gehaltenen Kalibrierkörpers
einzustellen.
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Grundsätzlich
kann die Einstelleinrichtung einen eigenen Antrieb aufweisen oder
der Benutzer bringt die für die Bewegung erforderliche
Kraft selbst oder über Hilfsmittel auf. Im erstgenannten
Fall weist die Halteeinrichtung z. B. einen integrierten Elektromotor
auf oder ist der Halteeinrichtung ein Motor zugeordnet, der z. B. über
ein Getriebe, Wellen oder andere Kraftübertragungsmittel
die für die Bewegung erforderliche Kraft aufbringt.
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Ferner
wird ein Verfahren zum Kalibrieren eines Messsensors eines Koordinatenmessgeräts
vorgeschlagen, wobei der Messsensor durch Erfassen von Messwerten
von Oberflächenpunkten eines Kalibrierkörpers
zu kalibrieren ist und wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- – Anordnen einer Halteeinrichtung
zum Halten des Kalibrierkörpers in einem Messbereich, in dem
der Messsensor die Oberflächen erfassen kann,
- – Anordnen des Kalibrierkörpers an der Halteeinrichtung,
so dass die Halteeinrichtung den Kalibrierkörper hält,
- – Einstellen einer Ausrichtung des Kalibrierkörpers
durch Drehen zumindest von Teilen der Halteeinrichtung um eine erste
Drehachse, die gegen die vertikale geneigt ist.
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Die
beiden zuerst genannten Schritte können gleichzeitig und/oder
in beliebiger Reihenfolge nacheinander ausgeführt werden.
Grundsätzlich kann der letzte Schritt auch bereits vor
oder während den beiden ersten Schritten ausgeführt
werden. Ist die Halteeinrichtung jedoch bereits in dem Messbereich
positioniert, kann der dritte Schritt erstmalig oder wiederholt
ausgeführt werden. Dadurch kann die Ausrichtung und optional
auch die Position des Kalibrierkörpers in dem Messbereich
auf einfache Weise verändert werden.
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Unter
einer Neigung gegen die Vertikale wird in besonderen Fällen,
in denen die Halteeinrichtung nicht auf einem Messtisch mit horizontaler
Oberfläche angeordnet ist, eine entsprechend anders ausgerichtete,
ausgezeichnete Richtung der Messanordnung verstanden. Z. B. kann
die Vertikale in diesem Fall, wenn die Oberfläche, auf
der die Halteeinrichtung montiert wird, in einer vertikalen Ebene
verläuft, eine Horizontale sein. ”Vertikal” bezieht
sich daher auf den üblichen Fall, dass die Halteeinrichtung
auf einer horizontalen Messtischoberfläche angeordnet wird.
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In
bevorzugter Ausgestaltung weist die Einstelleinrichtung einen drehbaren
Teil auf, der gegenüber einem anderen Teil der Einstelleinrichtung
um eine erste Drehachse drehbar ist, wenn der Kalibrierkörper
von der Halteeinrichtung gehalten wird, ist er mit dem drehbaren
Teil verbunden. Durch Drehung des drehbaren Teils wird daher auch
der daran befestigte Kalibrierkörper gedreht und dadurch
die Ausrichtung des Kalibrierkörpers im Messbereich verändert.
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Insbesondere
wenn der Kalibrierkörper kugelförmig ist und an
einem stabförmigen Befestigungselement befestigt ist, welches
zur Befestigung des Kalibrierkörpers mit der Halteeinrichtung
verbunden wird, wird unter einer Ausrichtung des Kalibrierkörpers
die Ausrichtung der Längsachse des stabförmigen
Befestigungselements verstanden.
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Der
drehbare Teil der Einstelleinrichtung oder ein fest mit dem drehbaren
Teil verbundener Teil der Halteeinrichtung kann eine Markierung
aufweisen, deren Position und/oder Ausrichtung für einen zu
kalibrierenden Messsensor detektierbar ist. Bezüglich einer
entsprechenden Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgeschlagen,
dass der Messsensor zur Detektion der Ausrichtung und/oder Position des
Kalibrierkörpers zumindest einen Bereich, insbesondere
eine Markierung, eines drehbaren Teils und/oder eines fest mit dem
drehbaren verbundenen Teil der Halteeinrichtung erfasst.
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Dadurch
wird insbesondere eine automatische Erkennung der momentanen Position
und/oder Ausrichtung des Kalibrierkörpers möglich.
Z. B. kann der drehbare Teil eine Bohrung aufweisen, deren Ausrichtung
und/oder Position von dem Messsensor erfassbar ist. Dabei reicht
in der Regel eine Erfassung ohne korrekte Kalibrierparameter aus,
d. h. zu Beginn des Kalibriervorganges kann der Messsensor zunächst
anhand der Markierung überprüfen, ob der Kalibrierkörper
in der gewünschten Position und/oder Ausrichtung ist.
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Zur
automatischen Erkennung der momentanen Position und/oder Ausrichtung
des Kalibrierkörpers kann alternativ oder zusätzlich
zumindest ein Sensor mit der Halteeinrichtung kombiniert sein, der entsprechend
der momentanen Position und/oder Ausrichtung ein Signal an eine
Einrichtung ausgibt, z. B. an die Steuereinrichtung des Koordinatenmessgeräts.
Insbesondere kann z. B. ein Neigungssensor vorgesehen sein, der
eine eingestellte Neigung des Kalibrierkörpers relativ
zu der Halteeinrichtung und/oder die Neigung eines Teils der Halteeinrichtung
detektiert. Wenn sich, wie in dieser Beschreibung beschrieben, die
Neigung und die Drehposition eines Teils der Halteeinrichtung entsprechen,
kann der Sensor alternativ die Drehposition detektieren und kann
daraus die Position und/oder Ausrichtung des Kalibrierkörpers
ermittelt werden.
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Insbesondere
kann das Ergebnis der automatischen Erkennung in allen genannten
Fällen oder anderen Fällen zu der Steuereinrichtung
des Koordinatenmessgeräts übertragen werden oder
von der Steuereinrichtung selbst ermittelt werden, sodass die Steuereinrichtung
abhängig von dem Ergebnis die Kalibrierung des Messsensors
mithilfe des Kalibrierkörpers steuern kann.
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Ein
Vorteil der automatischen Erkennung liegt auch darin, dass der Steuereinrichtung
dann die Lage und Position der gesamten Halteeinrichtung (die sogenannte
Störkontur) bekannt ist. Die Steuereinrichtung kann daher
bestimmen, von welcher Seite der Kalibrierkörpers und bei
welcher Ausrichtung des Messsensors (z. B. bei einem Messsensor
mit einem Dreh-/Schwenkgelenk) angetastet werden kann.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung kann die Halteeinrichtung oder der Kalibrierkörpers
selbst einen Datenspeicher (z. B. einen mikroelektronischen Speicherchip)
aufweisen, in dem gespeichert ist, welcher oder welche (von einer
Mehrzahl möglicher verschiedener) Kalibrierkörper
momentanen von der Halteeinrichtung gehalten werden. Außerdem
oder alternativ kann auch die automatisch ermittelte Position und/oder
Ausrichtung des Kalibrierkörpers in den Datenspeicher abgespeichert
werden. Z. B. können die in dem Datenspeicher gespeicherten Daten
zu der Steuereinrichtung des Koordinatenmessgeräts übertragen
werden und bei der Steuerung des Kalibriervorganges berücksichtigt
werden.
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Vorzugsweise
jedoch wird zur Bestimmung der Position und/oder Ausrichtung des
Kalibrierkörpers keine zusätzliche Markierung
verwendet, sondern ein definierter Punkt oder eine Anordnung von definierten
Punkten an oder in dem Kalibrierkörper, z. B. der Mittelpunkt
der Kalibrierkugel. Als zweiter definierter Referenzpunkt dient
z. B. ein ausgezeichneter Punkt der Halteeinrichtung, z. B. der
Mittelpunkt einer Kugel, die durch den ersten und den zweiten Kugelelabschnitt
gebildet wird. Durch einen Referenzpunkt an oder in dem Kalibrierkörper
und einen weiteren Referenzpunkt an oder in der Halteeinrichtung
kann die Ausrichtung und zusätzlich optional auch die Position
des Kalibrierkörpers automatisch ermittelt werden.
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Vorzugsweise
ist die Halteeinrichtung so ausgestaltet, dass zumindest ein Teil
der Halteeinrichtung um eine zweite Drehachse, die die erste Drehachse
unter einem Winkel schneidet oder windschief zu der ersten Drehachse
verläuft, drehbar ist, so dass die Ausrichtung des Kalibrierkörpers
durch Bewegungen um die erste und die zweite Drehachse einstellbar
ist. Dabei kann die zweite Drehachse z. B. die oben beschriebene
Drehachse sein, um die die gesamte Halteeinrichtung relativ zu dem
Messtisch gedreht werden kann, also eine Drehachse in z-Richtung.
Die Halteeinrichtung kann jedoch auch so ausgestaltet sein, dass
durch relative Verdrehung von Teilen der Halteeinrichtung auch die
Drehbarkeit um die zweite Drehachse gegeben ist.
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Die
zweite Drehachse ist vorzugsweise so ausgerichtet, dass sie um einen
Winkel von 45 Grad gegen die Vertikale geneigt ist. Dies ermöglicht
es, die Ausrichtung und/oder Position des Kalibrierkörpers über
einen weiten möglichen Einstellbereich zu verändern.
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Durch
die Drehbarkeit um zwei Drehachsen, die nicht parallel zueinander
verlaufen, sind erweiterte Möglichkeiten der Einstellung
der Ausrichtung und/oder Position des Kalibrierkörpers
möglich.
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Auch
dann, wenn lediglich die Einstellung der Ausrichtung des Kalibrierkörpers
um die erste Drehachse möglich ist, und diese Drehachse
gegen die Vertikale geneigt ist, bestehen weitgehende Freiheiten
bei der Wahl der Ausrichtung und/oder Position des Kalibrierkörpers.
Daher können viele verschiedene Gesamtanordnungen mit unterschiedlichen
Störkonturen mit derselben Halteeinrichtung und daran montiertem
Kalibrierkörper kalibriert werden.
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In
bevorzugter Ausgestaltung ist der drehbare Teil ein erster Kugelabschnitt,
der um die erste Drehachse relativ zu dem anderen Teil der Einstelleinrichtung
drehbar ist. Der andere Teil der Einstelleinrichtung kann z. B.
ein zweiter Kugelabschnitt sein, wobei der erste Kugelabschnitt
und der zweite Kugelabschnitt gemeinsam eine Kugel bilden. Wenn im
Folgenden von einer Kugeloberfläche die Rede ist, kann
sich dies allein auf den ersten Kugelabschnitt beziehen, d. h. auf
den von dem ersten Kugelabschnitt gebildeten Teil einer Kugeloberfläche.
Sowohl unter einem Kugelabschnitt als auch unter einer Kugel wird
in diesem Zusammenhang jedoch auch verstanden, dass der Abschnitt
bzw. die Kugel Aussparungen (z. B. Gewindebohrungen und andere Bohrungen)
oder fest mit dem Abschnitt oder der Kugel verbundene Elemente aufweisen
kann, so dass die Idealform eines Kugelabschnitts oder einer Kugel modifiziert
ist. Insbesondere wird über ein in dem ersten Kugelabschnitt
ausgeformtes Innengewinde die Befestigungsverbindung zu dem Kalibrierkörper
hergestellt, z. B. in dem das bereits erwähnte stabförmige
Befestigungselement in die Gewindebohrung in dem ersten Kugelabschnitt
eingeschraubt wird.
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Die
in dem vorangegangen Absatz genannten Merkmale können auch
bei einem anders gestalteten drehbaren Teil vorhanden sein. Z. B.
kann der drehbare Teil ein Polyeder sein und/oder kann der drehbare
Teil gemeinsam mit dem anderen Teil der Einstelleinrichtung einen
Polyeder bilden.
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Die
durch den ersten Kugelabschnitt gebildete Kugeloberfläche
hat den Vorteil, dass sie das Abtasten des Kalibrierkörpers
nicht oder nur sehr geringfügig behindert, wenn der Kalibrierkörper über
die Kugeloberfläche mit der Halteeinrichtung verbunden ist.
Außerdem kann die Kugeloberfläche eine Mehrzahl
von Befestigungseinrichtungen aufweisen, die es erlauben, den Kalibrierkörper
wahlweise an unterschiedlichen Positionen und/oder mit unterschiedlicher
Ausrichtung an der Kugeloberfläche des Kugelabschnitts
zu befestigen oder eine Mehrzahl von Kalibrierkörpern gleichzeitig
an unterschiedlichen Stellen der Kugeloberfläche zu befestigen.
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Vorzugsweise
verläuft die erste Drehachse senkrecht zu einer Kreisfläche,
die die Grenzfläche des ersten Kugelabschnitts bildet.
Z. B. geht der erste Kugelabschnitt an der Kreisfläche
in den zweiten Kugelabschnitt über, mit dem zusammen der
erste Kugelabschnitt eine gemeinsame Kugeloberfläche bildet.
Somit steht die erste Drehachse auch senkrecht zu der Kugeloberfläche,
die durch den ersten Kugelabschnitt definiert wird. Daher kann durch
Drehung des ersten Kugelabschnitts um die erste Drehachse eine Drehung
von Oberflächenbereichen der Kugeloberfläche erreicht
werden. Wenn an diesen Oberflächenbereichen die Verbindung
zwischen Halteeinrichtung und Kalibrierkörper angeordnet
ist, bewirkt die Drehung des ersten Kugelabschnitts eine entsprechende
Drehung des Kalibrierkörpers in einem Raumgebiet, welches
durch eine Kegeloberfläche ergänzt ist.
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Der
drehbare Teil der Einstelleinrichtung, insbesondere der erste Kugelabschnitt
ist vorzugsweise zumindest in einer Drehposition fixierbar. Er kann
daher nicht unbeabsichtigt die fixierte Drehposition verlassen.
Z. B. kann zur Fixierung der Drehposition eine Schraube verwendet
werden, die beispielsweise durch eine durch den drehbaren Teil verlaufende Durchgangsbohrung
bis in eine Gewindebohrung in dem anderen Teil der Einstelleinrichtung
verläuft. Durch Festschrauben der Schraube wird der drehbare
Teil an dem anderen festgeklemmt, d. h. kraftschlüssig
verbunden.
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Allgemeiner
formuliert kann der erste Kugelabschnitt oder noch allgemeiner formuliert
der drehbare Teil der Einstelleinrichtung eine in Richtung der ersten
Drehachse verlaufende Ausnehmung aufweisen, in der ein Fixierungselement
zur Fixierung einer eingestellten Drehposition des drehbaren Teils
angeordnet ist.
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Die
Einstelleinrichtung kann so ausgestaltet sein, dass der drehbare
Teil, insbesondere der erste Kugelabschnitt in einer Mehrzahl diskreter
Drehstellungen relativ zu dem anderen Teil der Einstelleinrichtung
fixierbar ist. Auf diese Weise kann eine Art Rasterung erzielt werden,
die es ermöglicht, eine bestimmte Drehstellung oder mehrere
bestimmte Drehstellungen später wieder zu reproduzieren.
Auf ein Ausführungsbeispiel wird noch in der Figurenbeschreibung
eingegangen. Z. B. ist eine Dreipunktlagerung möglich,
wobei der drehbare Teil und der andere Teil der Einstelleinrichtung
die Dreipunktlagerung bilden, bei der drei vorgegebene Punkte des drehbaren
Teils an diskreten, vorgegebenen Positionen des anderen Teils positionierbar
und fixierbar sind. Die drei vorgegebenen Punkte liegen insbesondere
in einer Ebene, zu der die erste Drehachse senkrecht verläuft.
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Eine
reproduzierbare Einstellung einer Drehposition hat insbesondere
den Vorteil, dass der Kalibrierkörper ausgetauscht werden
kann und auch erneut wieder derselbe Kalibrierkörper an
der Halteeinrichtung angeordnet werden kann, wobei wieder dieselbe Drehposition
eingestellt werden kann. Entsprechendes gilt, wenn Teile der Halteeinrichtung
ausgetauscht werden, z. B. der drehbare Teil der Einstelleinrichtung.
In diesem Fall ist es von besonderem Vorteil, wenn die Einstelleinrichtung
eine Dreipunktlagerung des drehbaren Teils vorsieht.
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In
jedem Fall kann durch eine Fixierung eine Sicherung der momentanen
Drehposition erfolgen. Ist der drehbare Teil wie oben beschrieben
der erste Kugelabschnitt, hat dies den Vorteil einer hohen und weitgehend
symmetrischen Biegesteifigkeit der Einstelleinrichtung. Eine solche
hohe Biegesteifigkeit ist für eine präzise Kalibrierung
von Vorteil.
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Auch
eine Basis der Halteeinrichtung, die z. B. mit einem Messtisch verbunden
werden kann, weist vorzugsweise eine Klemmeinrichtung zum Festklemmen
auf dem Messtisch auf. Z. B. weist die Basis einen plattenförmigen
Bereich auf, der sich im montierten Zustand parallel zu der Messtischoberfläche
erstreckt. Eine Durchgangsbohrung durch den plattenförmigen
Bereich ermöglicht es, die Basis an der Messtischoberfläche
festzuschrauben. Hierzu erstreckt sich der Schraubenschaft durch
die Durchgangsbohrung hindurch in eine Gewindebohrung in dem Messtisch.
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Unabhängig
davon, ob der drehbare Teil der Einstelleinrichtung ein Kugelabschnitt
ist, kann die Halteeinrichtung eine Befestigungseinrichtung oder eine
Mehrzahl von Befestigungseinrichtungen aufweisen, die es erlaubt
bzw. die es erlauben, den Kalibrierkörper wahlweise an
unterschiedlichen Positionen und/oder mit unterschiedlicher Ausrichtung
an der Halteeinrichtung zu befestigen oder eine Mehrzahl von Kalibrierkörpern
gleichzeitig an unterschiedlichen Stellen der Halteeinrichtung zu
befestigen. Mehrere Kalibrierkörper haben den Vorteil,
dass zur Kalibrierung z. B. einer der Kalibrierkörper,
der besonders gut abgetastet werden kann, verwendet wird.
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Insbesondere
wenn eine Mehrzahl von Befestigungseinrichtungen vorgesehen ist,
aber auch in anderen Fällen, kann der drehbare Teil der
Einstelleinrichtung eine Befestigungseinrichtung zur Befestigung
eines Kalibrierkörpers aufweisen, sodass der befestigte
Kalibrierkörper bei Drehung des drehbaren Teils um die
Drehachse seine Position nicht ändert, d. h. die Drehung
des drehbaren Teils kann zwar zu einer Drehung des Kalibrierkörpers
führen, aber die Position des Kalibrierkörpers ändert
sich nicht. Z. B. bleibt in diesem Fall bei einem kugelförmigen
Kalibrierkörper das Zentrum der Kugel unverändert
an dem selben Ort. Eine solche Befestigungseinrichtung weist z.
B. ein in der Richtung der Drehachse verlaufendes Gewinde auf. Somit
ist es möglich, bei einer Mehrzahl der Kalibrierkörper,
die über verschiedene Befestigungseinrichtungen mit dem
drehbaren Teil verbunden sind, durch Drehung des drehbaren Teils um
die Drehachse die Position zumindest eines der Kalibrierkörper
zu verändern und die Position eines anderen Kalibrierkörpers
nicht zu verändern.
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Alternativ
oder zusätzlich ist es möglich, einen Kalibrierkörper
mit einem feststehenden Teil der Halteeinrichtung zu verbinden,
sodass dieser Kalibrierkörper bei Drehung des drehbaren
Teils nicht bewegt wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Einstelleinrichtung mit
einer Anzeigeeinrichtung kombiniert, die ausgestaltet ist, einen
momentanen Zustand der Einstelleinrichtung anzuzeigen, insbesondere
eine Drehposition des drehbaren Teils der Einstelleinrichtung. Z.
B. kann der Drehwinkel angezeigt werden. Bevorzugtermaßen
ist die Anzeigeeinrichtung durch Markierungen, Skalen und/oder andere optisch
erkennbar und einen bestimmten lokalen Bereich kennzeichnende Merkmal
realisiert, die es dem Benutzer oder automatischen Erfassungseinrichtungen
ermöglichen, die momentan eingestellte Drehposition des
drehbaren Teils zu erkennen. Im Fall des ersten Kugelabschnitts
als drehbarem Teil befindet sich z. B. umlaufend oder teilweise
umlaufend am kreisförmigen Rand des Kugelabschnitts eine
Skalierung und/oder zumindest eine Markierung. Um an der Skalierung
einen Wert zu kennzeichnen oder mithilfe der an dem ersten Kugelabschnitt
angebrachten mindestens einen Markierung einen Wert der Drehposition
ablesen zu können, ist z. B. an dem als zweiten Kugelabschnitt
ausgebildeten anderen Teil der Einstelleinrichtung zumindest eine
Markierung oder eine Skalierung angebracht.
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Im
Fall von optisch messenden Messsensoren wird es bevorzugt, dass
zumindest ein Teil der Oberfläche der Halteeinrichtung
einen (für die von dem Messsensor verwendete Strahlung)
hohen Absorptionsgrad von z. B. mindestens 0,8 hat, um Reflexionen
der Strahlung bei der Abtastung zu reduzieren oder zu vermeiden.
Alternativ oder zusätzlich ist die Oberfläche
oder der Teil der Oberfläche matt für die Strahlung
des Messsensors, d. h. die Oberfläche streut die Strahlung
und reflektiert sie nicht spiegelnd. Vorzugsweise ist die gesamte
Oberfläche der Halteeinrichtung so ausgestaltet, oder zumindest
die Oberfläche der Einstelleinrichtung. Eine entsprechend
gestaltete Oberfläche wird auch für das Befestigungselement
bevorzugt, über welches der Kalibrierkörper mit
der Halteeinrichtung verbunden ist.
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In
diesem Zusammenhang ist ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen
Halteeinrichtung zu nennen: Der Kalibrierkörper selbst
kann eine für die Messstrahlung absorbierende oder streuende
Oberfläche haben. Wenn der Kalibrierkörper aber
sowohl für die Kalibrierung von optischen Sensoren als
auch für die Kalibrierung von tastenden Sensoren verwendet
wird, kann die Oberfläche beim Antasten verändert
werden, sodass sie spiegelnd reflektiert. Die erfindungsgemäße
Halteeinrichtung erlaubt es den Kalibrierkörper auf einfache
Weise auszuwechseln.
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Die
oben erwähnten Markierungen, z. B. eine Bohrung in dem
drehbaren Teil der Einstelleinrichtung kann alternativ oder zusätzlich
zu der Erkennung der Position und/oder Ausrichtung des drehbaren
Teils bzw. des Kalibrierkörpers dazu verwendet werden,
zusätzliche Parameter bei Kalibrierung des Messsensors
und/oder des Koordinatenmessgeräts zu gewinnen. Z. B. kann
es sich dabei um Korrekturparameter handeln, mit denen Parameter
des Messsensors und/oder des Koordinatenmessgeräts korrigiert
werden können. Z. B. tastet der tastende Messsensor die
Wandfläche der Bohrung an und wird der Messsensor dabei
in verschiedene Richtungen relativ zu seiner Halterung ausgelenkt.
Daraus werden die Korrekturparameter ermittelt. Besonders gut geeignet
ist eine kegelförmige Bohrung, da hiermit so genannte selbst
zentrierende Antastungen der Wandfläche möglich
sind.
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Wenn
eine Mehrzahl von Kalibrierkörpern gleichzeitig an der
Halteeinrichtung angeordnet ist, kann es sich dabei um jeweils zumindest
einen Kalibrierkörper für unterschiedlich funktionierende
Messsensoren handeln, z. B. für mechanisch antastende Messsensoren,
optische Sensoren und kapazitive Sensoren.
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Grundsätzlich
kann die Halteeinrichtung auch dazu dienen, ein Messobjekt anstelle
oder zusätzlich zu dem Kalibrierkörper zu halten.
In diesem Fall dient die Vermessung des Messobjekts durch den Messsensor
nicht der Kalibrierung des Messsensors oder des Koordinatenmessgeräts,
sondern der Bestimmung von Koordinaten der Oberflächenpunkte
des Messobjekts. Auch eine Vermessung des Kalibrierkörpers
oder des Messobjekts mittels invasiver Strahlung ist möglich,
z. B. mittels Röntgenstrahlung.
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Eine
andere Art der Fixierung des drehbaren Teils in einer bestimmten
Drehposition ist die Möglichkeit, Magnetkräfte
zu nutzen. Dabei ist die Magneteinrichtung z. B. so ausgestaltet,
dass die Magnetkraft den drehbaren Teil in Richtung des anderen Teils
der Einstelleinrichtung zieht. Dabei kann eine Veränderung
der Drehposition des drehbaren Teils (z. B. im Fall der genannten
Rasterung) nur dadurch möglich sein, dass eine Kraft gegen
die Magnetkraft ausgeübt wird, um den drehbaren Teil in
Richtung der ersten Drehachse von dem anderen Teil der Einstelleinrichtung
zu bewegen, um ihn erst dann verdrehen zu können. Auch
andere Arten der Fixierung sind möglich.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
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1:
eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Halteeinrichtung
mit einer daran befestigten Kalibrierkugel in einer ersten Drehposition,
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2:
die Anordnung gemäß 1, wobei eine
andere Drehposition eingestellt ist,
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3:
einen Schnitt durch die Einstelleinrichtung zur Einstellung der
Drehposition der Halteeinrichtung gemäß 1 und 2 und
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4:
eine Draufsicht auf einen Teil einer Einstelleinrichtung zur Einstellung
der Drehposition gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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1 zeigt
eine Halteeinrichtung, die auf einem Messtisch 1 angeordnet
ist. Eine Basis 5 der Halteeinrichtung, die plattenförmig
ausgestaltet ist und die an ihrer unteren, zur Messtischoberfläche weisenden
Seite eine Hinterdrehung 3 aufweist, ist mit einer vertikalen
Durchgangsbohrung 7 versehen, um die Basis 5 an
der Messtischoberfläche festschrauben zu können.
An der Oberseite der Basis 5 erstreckt sich ein säulenartiger
Schaft 9 in vertikaler Richtung nach oben. Der Schaft 9 ist
fest mit der Basis 5 verbunden. An seinem oberen Ende verjüngt sich
der Schaft 9. Mit diesem verjüngten Bereich ist ein
zweiter Kugelabschnitt 11 fest verbunden. Der zweite Kugelabschnitt 11 weist
einen kreisförmigen Rand auf. Seine Symmetrieachse, die
eine Achse entlang einer Durchmesserlinie der durch den zweiten
Kugelabschnitt 11 gebildeten Kugel ist, ist unter einem
Winkel, der im Bereich zwischen 30 und 60 Grad liegt und vorzugsweise
im Bereich von 40 bis 50 Grad liegt, besonders bevorzugt 45 Grad
beträgt, gegen die Vertikale geneigt.
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Mit
dem zweiten Kugelabschnitt 11 ist ein erster Kugelabschnitt 19 kombiniert,
der gemeinsam mit dem zweiten Kugelabschnitt 11 eine Kugel
definiert. Der erste Kugelabschnitt 19 ist um eine Drehachse 17 drehbar
(wie es Pfeil 23 andeutet), wobei die Drehachse 17 die
erste Drehachse ist und mit der Symmetrieachse des ersten Kugelabschnitts 19 und des
zweiten Kugelabschnitts 17 zusammenfällt. Wenn
hier von einer Symmetrieachse die Rede ist, so bezieht sich dies
auf die Kugel-Grundform. Diese Kugel-Grundform kann jedoch durch
Bohrungen, andere Ausnehmungen und/oder an der Kugel befestigte
Gegenstände verändert sein. Insbesondere verläuft
in der Richtung der Drehachse 17 eine Durchgangsbohrung 21,
die an ihrem in dem zweiten Kugelabschnitt 11 liegenden
Ende als Gewindebohrung ausgestaltet ist, so dass der erste Kugelabschnitt 19 mittels
einer in die Bohrung 21 eingeschraubten Feststellschraube
in seiner momentanen Drehstellung fixiert werden kann. Um die Drehstellung
zu verändern, wird die Schraube gelöst, die Drehstellung
verändert und die Schraube dann wieder festgezogen, so
dass die neue Drehstellung fixiert ist.
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Die
in 1 dargestellte Drehstellung ist durch einen an
dem ersten Kugelabschnitt 19 angebrachten Pfeil 15 ablesbar.
Der Pfeil 15 weist mit seiner Spitze auf den kreisförmigen
Rand des ersten Kugelabschnitts 19. Der gegenüberstehende kreisförmige
Rand des zweiten Kugelabschnitts 11 weist eine Skalierung 13 auf,
die auch (nicht dargestellt) mit Zahlen versehen sein kann. Z. B.
können die Gradzahlen der Drehstellung von 0 bis 360 Grad
oder z. B. von 0 bis 270 Grad an der Skala 13 aufgetragen sein.
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In
der in 1 dargestellten Drehstellung des ersten Kugelabschnitts 19 ragt
ein stabförmiges Befestigungselement 25 in vertikaler
Richtung nach oben auf. Dieses Befestigungselement 25 ist
in eine Gewindebohrung in dem ersten Kugelabschnitt 19 eingeschraubt
und festgeschraubt. An seinem freien, in 1 oben liegenden
Ende, das gegenüber dem unteren Bereich des Befestigungselements 25 verjüngt
ist, ist eine Kalibrierkugel 27 befestigt, welche zur Kalibrierung
eines Messsensors von dem Messsensor abgetastet werden kann.
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Durch
Verdrehen des ersten Kugelabschnitts 19 um 180 Grad um
die Drehachse 17 wird die in 2 gezeigte
Drehstellung erreicht. Der Pfeil 15 ist in 2 nicht
erkennbar, da er auf der Rückseite des ersten Kugelabschnitts 19 liegt.
Wie der Pfeil 23 zeigt, könnte die in 1 dargestellte
Drehstellung durch Zurückdrehen wieder erreicht werden.
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Da
die Drehachse 17 in dem Ausführungsbeispiel um
45 Grad gegen die Vertikale geneigt ist, erstreckt sich das Befestigungselement 25 mit
seiner Längsachse in der in 2 dargestellte
Drehstellung in horizontaler Richtung und befindet sich die Kalibrierkugel 27 daher
rechts von der durch den Kugelabschnitt 11 und den Kugelabschnitt 19 gebildeten
Kugel. Dabei schneidet die Verlängerung der Längsachse
des Befestigungselements 25 wie auch in der in 1 dargestellten
Situation den Kugelmittelpunkt der Kugel 11, 19.
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2 zeigt
eine weitere Gewindebohrung 24 in dem ersten Kugelabschnitt 19.
Ein weiterer Kalibrierkörper oder die Kalibrierkugel 27 kann
mithilfe dieser Gewindebohrung 24 an dem ersten Kugelabschnitt 19 befestigt
werden. Würde die Kalibrierkugel 27 mit ihrem
Befestigungselement 25 in die Gewindebohrung 24 eingeschraubt,
ergäben sich andere Einstellmöglichkeiten. Die
Längsachse des Befestigungselements 25 würde
die erste Drehachse 17 unter einem anderen Winkel als 45
Grad schneiden, nämlich unter einem Winkel, der etwa im
Bereich von 60 bis 70 Grad liegt. Daher würde je nach Drehstellung
des ersten Kugelabschnitts 19 relativ zu dem zweiten Kugelabschnitt 11 eine
andere Ausrichtung der Längsachse des Befestigungselements 25 relativ zu
der Vertikalen eingestellt sein, als es bei der in 1 und 2 dargestellten
Anordnung der Fall ist. Insbesondere könnte sich das Befestigungselement 25 ausgehend
von dem ersten Kugelabschnitt 19 in Richtung der Kalibrierkugel 27 auch
leicht nach unten erstrecken.
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Außerdem
zeigt 2 eine Bohrung 20, die sich (wie auch
die Gewindebohrung 24) in Richtung des Mittelpunkts der
Kugel 11, 19 erstreckt. Diese Bohrung 20 dient
als Markierung zu einem der oben bereits erläuterten Zwecke.
Z. B. kann die Bohrung 20 kegelförmig sein.
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Eine
weitere Möglichkeit der Verdrehung und damit Einstellung
der Ausrichtung des Befestigungselements 25 und der Kalibrierkugel 27 ist
durch Lösen der Schraube möglich, mit der die
Basis 5 an den Messtisch 1 festgeschraubt ist,
durch Verdrehen der Halteeinrichtung um die Vertikale, die die Längsachse
der Gewindebohrung 7 definiert und anschließendes
Festschrauben der Schraube. Insgesamt bieten sich daher zahlreiche
Möglichkeiten der Positionierung und Ausrichtung der Kalibrierkugel 27.
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Eine
erste Ausführungsform der durch die Kugelabschnitte 11, 19 gebildeten
Einstelleinrichtung ist in der Schnittdarstellung von 3 erkennbar.
Die Drehachse 17 erstreckt sich in der Darstellung von 3 senkrecht
und zentral durch die Gewindebohrung 7. Der zweite Kugelabschnitt 11 weist
auf Höhe der gemeinsamen kreisförmigen Randlinie 31 der Kugelabschnitte 11, 12 einen
kreisringförmigen, zum ersten Kugelabschnitt 19 weisenden
Oberflächenbereich 32 auf, der in Richtung der
Drehachse 17 an einem zu der Drehachse 17 koaxialen
Kreis 33 nach unten zurück springt. In Richtung
der Drehachse 17 wird die Oberfläche bis zum Erreichen
des Randes der Bohrung 21 wiederum durch eine Ebene, kreisringförmige
Fläche 34 gebildet.
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Die
zu dem zweiten Kugelabschnitt 11 weisende Oberfläche
des ersten Kugelabschnitts 19 ist komplementär
zu der Oberfläche des zweiten Kugelabschnitts 11 geformt,
so dass der erste Kugelabschnitt 19 einen Vorsprung 35 bildet,
der in radialer Richtung gesehen innerhalb der Kreislinie 33 liegt. Durch
Lösen der in 3 nicht dargestellten Schrauben
innerhalb der Bohrung 21 kann daher die Klemmung der Kugelabschnitte 11, 19 aneinander
gelöst werden, kann der erste Kugelabschnitt 19 verdreht werden
und kann die erreichte Drehposition durch Festdrehen der Schraube
wieder fixiert werden.
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Eine
andere Ausgestaltung der Einstelleinrichtung zeigt 4,
die eine Ansicht eines der beiden Kugelabschnitte 11, 19,
z. B. des zweiten Kugelabschnitts 11 in Richtung der Längsachse
der Bohrung 21 zeigt. An dem in 4 dargestellten
Kugelabschnitt befinden sich auf einem koaxial zu der Drehachse 17 verlaufenden
Kreis eine Vielzahl von gleichgroßen Kugeln, die teilweise
in das Material des Kugelabschnitts eingelassen sind. Hierdurch
ist eine Teilung oder Rasterung gebildet, die eine Mehrzahl von
vorgegebenen diskreten Drehstellungen der beiden Kugelabschnitte 11, 19 relativ
zueinander ermöglicht. Z. B. weist der andere, nicht in 4 dargestellte
Kugelabschnitt in einem Winkelabstand von 120 Grad um die Drehachse 17 angeordnete
Zylinder 41, 42, 43 auf, die in eingerasteter
Drehposition jeweils zwischen zwei benachbarten Kugeln liegen. Die
Zylinderachsen sind auf die Drehachse 17 ausgerichtet und
liegen in einer Ebene, zu der die Drehachse 17 senkrecht
verläuft. Auf diese Weise ist eine Dreipunktlagerung realisiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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