DE102020114673B3

DE102020114673B3 - Sphärischer Parallelmanipulator, Schwenkeinrichtung und Messgerät

Info

Publication number: DE102020114673B3
Application number: DE102020114673.6A
Authority: DE
Inventors: Dominik Seitz; Malte Langmack; Philipp Mayinger; Christoph Kranz; Tobias Held; Jonas Hoppe; Jonas Elbert; Tobias Perkuhn
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2020-06-02
Filing date: 2020-06-02
Publication date: 2021-07-01
Anticipated expiration: 2040-06-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen sphärischen Parallelmanipulator (34), mit einer Basisplattform (36), einem gegenüber der Basisplattform (36) beweglichen Körper (38) und einer sphärischen Parallelkinematik (40), die die Basisplattform (36) mit dem beweglichen Körper (38) koppelt. Ferner weist der sphärische Parallelmanipulator (34) ein Kugelgelenk (88) auf, das dazu eingerichtet ist, den beweglichen Körper (38) zu stützen und gelenkig zu lagern, wobei das Kugelgelenk (88) ein Kugelelement (90) und ein Luftlager (102) zur sphärischen Lagerung des Kugelelements (90) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen sphärischen Parallelmanipulator. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Schwenkeinrichtung für ein Messgerät, welche den sphärischen Parallelmanipulator aufweist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Messgerät mit einer solchen Schwenkeinrichtung.
Parallelmanipulatoren sind spezielle Verstellmechanismen, welche dort zum Einsatz kommen, wo gleichzeitig eine hohe Geschwindigkeit sowie eine Präzision der Positionierung erforderlich sind. Bei dem sphärischen Parallelmanipulator handelt es sich um eine bekannte, spezielle Bauform eines Parallelmanipulators.
Bisher bekannte Anwendungsbeispiele für solche sphärische Parallelmanipulatoren sind der Einsatz in Flug- und Autosimulatoren, medizinischen Robotern und Rehabilitationsrobotern sowie in Systemen zur Ausrichtung von Solar- oder Parabolantennen.
In dem vorherigen deutschen Patent DE 10 2019 115 630 B3 der Anmelderin, das bis zum Anmeldezeitpunkt der vorliegenden Patentanmeldung nicht veröffentlicht wurde, wurde bereits die Verwendung eines sphärischen Parallelmanipulators für einen Schwenktaster eines Messgeräts beschrieben. Weitere beispielhafte Parallelmanipulatoren sind aus den folgenden Druckschriften bekannt US 5 887 356 A : DE 39 05 952 A1 ,
US 2008 / 0 034 601 A1 und CN 111 203 856A . Aus der US 2017 / 0 191 815 A1 ist ferner ein motorisiert schwenkbarer Tastkopf für ein Koordinatenmessgerät bekannt.
Auch der sphärische Parallelmanipulator gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere zur Verwendung in einem Messgerät, besonders bevorzugt zur Verwendung in einem Koordinatenmessgerät geeignet.
Messgeräte dienen im Allgemeinen zur Bestimmung geometrischer oder physikalischer Größen von Messobjekten und können beispielsweise als Rauheitsmessgerät, Härtemessgerät, Oberflächenmessgerät oder Koordinatenmessgerät ausgeführt sein.
Koordinatenmessgeräte dienen dazu, beispielsweise im Rahmen einer Qualitätssicherung, Werkstücke (allgemein Messobjekte) zu überprüfen oder die Geometrie eines Werkstücks vollständig im Rahmen eines sogenannten „Reverse Engineering“ zu ermitteln. Darüber hinaus sind vielfältige weitere Anwendungsmöglichkeiten denkbar, wie z.B. auch prozesssteuernde Anwendungen, bei denen die Messtechnik direkt zur Online-Überwachung und -regelung von Fertigungs- und Bearbeitungsprozessen angewendet wird.
In Koordinatenmessgeräten können verschiedene Arten von Sensoren zur Anwendung kommen, um das zu vermessende Werkstück zu erfassen. Neben taktil messenden Sensoren werden beispielsweise auch optische Sensoren eingesetzt, die eine berührungslose Erfassung der Koordinaten eines Messobjekts bzw. Werkstücks ermöglichen. Ebenfalls gibt es sogenannte Multisensorsysteme, bei denen mehrere taktile und/oder optische Sensoren gemeinsam verwendet werden.
Aus dem Stand der Technik bekannte Koordinatenmessgeräte weisen typischerweise zumindest drei translatorische Bewegungsfreiheitsgrade auf, die beispielweise durch eine Verfahrbarkeit des Messtisches entlang von drei Achsen realisiert sind. Zur weiteren Steigerung der Bewegungsfreiheit bzw. Variabilität des Koordinatenmessgerätes werden je nach Bauweise typischerweise weitere Komponenten z.B. eine sogenannte Brücke, ein Portal oder ein Ständer an dem Koordinatenmessgerät angebracht, wobei diese zusätzlichen Komponenten eine Bewegung des zur Messung verwendeten mindestens einen Sensors relativ zu dem Werkstück ermöglichen und somit die Anzahl der Freiheitsgrade des Koordinatenmessgerätes erhöhen.
Dabei können beispielsweise sogenannte Drehtische zum Einsatz kommen, auf denen das zu vermessende Werkstück während des Messvorgangs platziert wird und durch eine Drehung des Drehtisches um eine oder mehrere Rotationsachsen relativ zu dem Messsensor bewegbar ist. Neben Drehtischen für Werkstücke können alternativ oder ergänzend auch sogenannte Dreh-Schwenk-Gelenke oder Schwenkarme zum Einsatz kommen, an denen der Messsensor des Koordinatenmessgerätes angeordnet ist. Dreh-Schwenk-Gelenke sind dazu eingerichtet, den Messsensor durch rotatorische Bewegungen um eine oder mehrere Achsen relativ zu dem Werkstück zu schwenken.
In dem eingangs bereits genannten vorherigen deutschen Patent DE 10 2019 115 630 B3 der Anmelderin wurde der Einsatz eines sphärischen Parallelmanipulators in einem Dreh-Schwenk-Gelenk beschrieben, mithilfe dessen die allgemein bekannte Problematik der bisher aus dem Stand der Technik bekannten Dreh-Schwenk-Gelenke gelöst werden sollte, welche sich aus der Divergenz der Massen bzw. der Massenträgheitsmomente in Bezug auf die einzelnen Bewegungsachsen bei herkömmlichen Dreh-Schwenk-Gelenken mit seriellem Aufbau der Bewegungsachsen ergibt.
Ein wesentlicher Vorteil der sphärischen Parallelkinematik besteht darin, dass unabhängig davon, um welche kartesische Achse der bewegliche Körper gegenüber der Basisplattform bewegt wird, die bewegte Masse aufgrund des parallelen Aufbaus der sphärischen Parallelkinematik stets nahezu gleich ist. Lediglich die Massenträgheitsmomente unterscheiden sich je nach Drehstellung des bewegten Körpers bedingt durch deren geometrische Ausgestaltung. Hierbei ist die Divergenz der Massenträgheitsmomente im Vergleich zu eine seriell aufgebauten Bewegungskinematik deutlich verringert.
Ein weiterer Vorteil der sphärischen Parallelkinematik besteht darin, dass der durch den sphärischen Parallelmanipulator bewegte Körper eine Drehung unabhängig davon, um welche Raumachse die Drehung vollführt wird, stets als eine reine Drehbewegung um einen definierten Drehpunkt erfolgt. Somit liegt vorteilhafterweise keine translatorische Bewegungskomponente vor, die zu einer Divergenz der Massen bzw. Massenträgheitsmomente führt.
Gängige sphärische Parallelmanipulatoren bieten zwar die oben genannten Vorteile bezüglich einer schnellen und genauen sphärischen Verstellbewegung infolge ihrer kleinen bewegten Massen, jedoch weisen sie einen erheblichen Nachteil hinsichtlich ihrer Steifigkeit auf. Dies kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn der sphärische Parallelmanipulator bzw. die bewegliche Plattform des sphärischen Parallelmanipulators, welche vorliegend allgemein als beweglicher Körper des sphärischen Parallelmanipulators bezeichnet wird, mit Lasten beaufschlagt wird. Diese geringe Steifigkeit ist sozusagen systembedingt verursacht durch den Aufbau der in dem Manipulator eingesetzten Parallelkinematik. Eine Ausbildung der sphärischen Parallelkinematik mit einem sehr steifen Gestänge kommt diesem Problem nur teilweise bei. Zumindest führt dies meist zu einer sehr großen Baugröße und/oder einem hohen Gewicht des sphärischen Parallelmanipulators.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen sphärischen Parallelmanipulator bereitzustellen, der die zuvor genannten Probleme überwindet und insbesondere zur Verwendung in einer Schwenkeinrichtung eines Messgerätes geeignet ist. Dabei ist es insbesondere eine Aufgabe, die Steifigkeit des sphärischen Parallelmanipulators zu erhöhen, ohne dessen Positioniergenauigkeit und Bewegungsmöglichkeiten einzuschränken.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen sphärischen Parallelmanipulator gemäß Anspruch 1 gelöst, der folgende Bauteile aufweist:

eine Basisplattform;
einen gegenüber der Basisplattform beweglichen Körper;
eine sphärische Parallelkinematik, die die Basisplattform mit dem beweglichen Körper koppelt; und
ein Kugelgelenk, das dazu eingerichtet ist, den beweglichen Körper zu stützen und gelenkig zu lagern, wobei das Kugelgelenk ein Kugelelement und ein Luftlager zur sphärischen Lagerung des Kugelelements aufweist.

Bei dem erfindungsgemäßen sphärischen Parallelmanipulator wird also zusätzlich zu den typischen Bauteilen, nämlich der Basisplattform, dem beweglichen Körper und der diese beide koppelnden sphärischen Parallelkinematik, ein Kugelgelenk eingesetzt, das den beweglichen Körper stützt und gelenkig lagert. Dieses Kugelgelenk erhöht die Steifigkeit des sphärischen Parallelmanipulators, ohne dessen gewünschte Bewegungsfreiheit einzuschränken. Das Kugelgelenk sorgt lediglich dafür, dass eine ungewollte translatorische Bewegung des durch die sphärische Parallelkinematik bewegten Körpers vermieden wird.
Die sphärische Parallelkinematik hat jedoch vorzugsweise nach wie vor drei rotatorische Freiheitsgrade und ist dazu eingerichtet, den beweglichen Körper derart zu bewegen, dass dieser eine Rotationsbewegung um einen Drehpunkt ausführt, wobei ein Mittelpunkt des Kugelelements des Kugelgelenks vorzugsweise in dem Drehpunkt angeordnet ist.
Zusätzlich dazu weist das Kugelgelenk ein Luftlager zur sphärischen Lagerung des Kugelelements auf. Hierdurch wird eine annähernde Reibungsfreiheit des Kugelgelenks garantiert. Somit ist es möglich, die Steifigkeit der sphärischen Parallelkinematik des sphärischen Parallelmanipulators zu erhöhen und dennoch eine nahezu reibungsfreie Bewegung des bewegten Körpers zu ermöglichen. Dadurch lässt sich die Positioniergenauigkeit des sphärischen Parallelmanipulators im Vergleich zu gängigen sphärischen Parallelmanipulatoren um ein Vielfaches verbessern.
Durch die Verwendung eines Luftlagers innerhalb des Kugelgelenks des sphärischen Parallelmanipulators können auch kurzperiodisch oder lokal auftretende Führungsfehler, welche typisch für die Verwendung herkömmlicher Lagerungstypen (z.B. Wälzlager) sind, ausgeglichen werden, so dass das erfindungsgemäße Kugelgelenk ein sehr homogenes Führungsverhalten hat.
Die Verwendung des Luftlagers innerhalb des Kugelgelenks des sphärischen Parallelmanipulators hat ferner den Vorteil, dass durch Wegnahme des Druckluftstroms der sphärische Parallelmanipulator in einer gewünschten Winkelorientierung relativ einfach geklemmt werden kann. Dies hat insbesondere den Vorteil bei der Verwendung des erfindungsgemäßen sphärischen Parallelmanipulators als Taster- oder Werkstückträgersystem eines Messgerätes, die häufig in einer exakt definierten Winkelorientierung fixiert werden müssen, um beispielsweise die nächste Messung vorzunehmen. Durch erneutes Zuführen der Druckluft in das Luftlager kann die Fixierung wieder aufgehoben werden und das Taster- oder Werkstückträgersystem mithilfe des sphärischen Parallelmanipulators in eine andere Winkelorientierung gebracht werden und dann erneut durch Wegnahme des Druckluftstroms in der neuen Winkelorientierung fixiert werden.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Begriffe „Basisplattform“ und „beweglicher Körper“ vorliegend allgemein als die typischen Bauteile eines sphärischen Parallelmanipulators aufzufassen sind, von denen eines (die Basisplattform) unbewegt ist und das andere (der bewegliche Körper) durch die sphärischen Parallelkinematik bewegt bzw. geschwenkt wird. Der „bewegliche Körper“ wird häufig auch als „bewegliche Plattform“ oder als „Rotorplatte“ bezeichnet. Einschränkungen in Bezug auf die Form und Ausgestaltung der Basisplattform bzw. des beweglichen Körpers soll es erfindungsgemäß jedoch nicht geben.
Ebenso sei an dieser Stelle angemerkt, dass das „Kugelelement“ des Kugelgelenks nicht zwangsweise exakt bzw. vollständig kugelförmig ausgestaltet sein muss. Das Kugelelement kann auch nur eine teilkugelförmige Oberfläche aufweisen, also beispielsweise als Kugelsegment bzw. Kugelkalotte ausgestaltet sein. Ebenso kann die Oberfläche des Kugelelements auch teilweise von einer exakten Kugelform abweichen, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Kugelgelenk ferner eine Kugelpfanne auf, in der das Kugelelement mittels des Luftlagers sphärisch gelagert ist. Die Kugelpfanne kann, ähnlich wie das Kugelelement, auch nur abschnittsweise kugelförmig ausgestaltet sein.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Kugelpfanne ein Teil des Luftlagers bildet, oder dass das Luftlager in der Kugelpfanne des Kugelgelenks angeordnet ist oder in diese integriert ist. Dies ermöglicht einen sehr kompakten Aufbau des Kugelgelenks samt Luftlager.
Wie eingangs bereits erwähnt, betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Schwenkeinrichtung für ein Messgerät, wobei die Schwenkeinrichtung einen erfindungsgemäßen sphärischen Parallelmanipulator aufweist.
Beispielhafte Schwenkeinrichtungen dieser Art können ein Dreh-Schwenk-Teller oder eine sonstige schwenkbare Werkstückaufnahme eines Messgerätes (bspw. ein Drehtisch oder ein Dreh-Schwenk-Tisch) sein. Ein weiteres Beispiel für eine solche Schwenkeinrichtung ist ein Dreh-Schwenk-Gelenk für einen messtechnischen Sensor. Letzteres wird häufig auch als Dreh-Schwenk-Taster bezeichnet.
Gemäß einer Ausgestaltung kann der bewegliche Körper des erfindungsgemäßen sphärischen Parallelmanipulators daher eine Rotorplatte und/oder ein Sensorelement aufweisen, das ein taktiles Tastelement, einen optischen Sensor, einen Magnetfeldsensor und/oder einen Rauheitssensor umfasst. Die Rotorplatte bzw. das Sensorelement können mit dem beweglichen Körper fix verbunden sein oder ein Teil dessen bilden.
Beispielsweise kann die Rotorplatte als Auflage bzw. Aufnahme für ein Messobjekt dienen, wenn der erfindungsgemäße sphärische Parallelmanipulator in einem Dreh-Schwenk-Tisch eingesetzt wird. Bei einer Verwendung des sphärischen Parallelmanipulators in einem Dreh-Schwenk-Taster kann das Sensorelement fix an der Rotorplatte angeordnet sein und sich entsprechend mit dieser mitbewegen. Der bewegliche Körper des sphärischen Parallelmanipulators kann also zum einen eine Plattform bzw. ein Werkstückträger, zum andern ein direkt daran fixierter Sensor in Form beispielsweise eines taktilen Tastersystems, einer Kamera oder eines Interferometers sein.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Kugelelement des Kugelgelenks ein Teil des beweglichen Körpers oder der bewegliche Körper ist fix mit dem Kugelelement des Kugelgelenks verbunden. Entsprechend dazu ist die Kugelpfanne des Kugelgelenks gemäß dieser Ausgestaltung ein Teil der Basisplattform oder die Basisplattform ist fix mit der Kugelpfanne des Kugelgelenks verbunden.
Die Anbringung des Kugelelements an dem beweglichen Körper des sphärischen Parallelmanipulators sowie die Anbringung der als Gegenstück zu dem Kugelelement fungierenden Kugelpfanne an der Basisplattform des sphärischen Parallelmanipulators hat insbesondere den Vorteil, dass die Druckluftzufuhr, die zur Funktion des Luftlagers notwendig ist, einfacher ausgestaltet sein kann. Typischerweise erfolgt die Druckluftzufuhr des Luftlagers nämlich über die Kugelpfanne. Da die Kugelpfanne gemäß dieser Ausgestaltung ein Teil der Basisplattform ist oder mit dieser zumindest fix verbunden ist, lässt sich die Druckluftzufuhr vergleichsweise einfach realisieren. Die Druckluftzufuhr kann dann nämlich an dem unbewegten Teil des sphärischen Parallelmanipulators angeordnet sein.
Ein weiterer Vorteil der zuvor genannten Ausgestaltung besteht darin, dass sich jegliche weitere Sensorik, wie sie weiter unten beispielsweise erwähnt wird, dann ebenfalls einfacher an dem unbewegten Teil des sphärischen Parallelmanipulators, nämlich an der Basisplattform, anordnen lässt. Der bewegliche Körper des sphärischen Parallelmanipulators muss dann weder mit Sensorik versehen noch verkabelt werden.
Nichtsdestotrotz ist es in einer alternativen Ausgestaltung auch möglich, dass die Kugelpfanne des Kugelgelenks ein Teil des beweglichen Körpers des sphärischen Parallelmanipulators ist oder der bewegliche Körper fix mit der Kugelpfanne verbunden ist. Entsprechend dazu ist dann das Kugelelement des Kugelgelenks ein Teil der Basisplattform oder die Basisplattform ist fix mit dem Kugelelement verbunden. Diese Anordnung entspreche dann also der umgekehrten Anordnung im Vergleich zu der weiter oben erwähnten Anordnung von Kugelpfanne und Kugelgelenk des Kugelgelenks.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das Luftlager als Düsenluftlager oder Sinterluftlager ausgestaltet.
Im ersten Fall (Düsenluftlager) weist das Luftlager vorzugsweise mehrere, verteilt angeordnete Düsen auf, die eine sphärische Lagerung des Kugelelements des Kugelgelenks ermöglichen. Die Düsen sind vorzugsweise rotationssymmetrisch um eine Kugelachse angeordnet. Ebenso ist es denkbar, die Düsen in der Art eines Lagerrings, der sich um das Kugelelement herum erstreckt, ringförmig um dieses anzuordnen. Über diese Düsen wird typischerweise Druckluft zugeführt, wodurch sich ein kleiner Luftspalt zwischen dem Kugelelement und den einzelnen Düsen ergibt. Dieser Luftspalt sorgt für annähernde Reibungsfreiheit des Luftlagers. Aufgrund des sehr hohen Drucks in diesem Luftspalt sorgt das Luftlager nichtsdestotrotz für eine hohe Steifigkeit.
In der zweiten Varianten (Sinterluftlager) erfolgt die Verteilung der Druckluft über ein poröses Lagermaterial. Dieses poröse Lagermaterial verteilt die Druckluft derart, dass diese aus vielen winzig kleinen Öffnungen des Lagermaterials austritt. Dies hat einen ähnlichen Effekt, wie wenn man eine Vielzahl winzig kleiner, einzelner Düsen verwenden würde. Beispielsweise kann das Luftlager in diesem Fall eine ringförmige Düse aus porösem Lagermaterial aufweisen. Anstelle einer ringförmigen Düse kann auch eine Düse verwendet werden, deren Form die Form eines Kugelrings oder die Form einer Kugelkalotte hat. Alle zuletzt genannten Formen können sich sowohl auf eine Ausführung der zumindest einen Düse des Düsenluftlagers mit oder ohne porösem Lagermaterial beziehen.
Die zumindest eine Düse des Luftlagers kann sowohl unterhalb als auch oberhalb des Äquators des Kugelelements angeordnet sein. Ebenso kann die zumindest eine Düse des Luftlagers auch ausschließlich unterhalb des Äquators des Kugelelements angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass so der Schwenkbereich des sphärischen Parallelmanipulators vergrößert wird. Bei einer Anordnung nur unterhalb oder nur oberhalb des Äquators, also auf nur einer Kugelseite bzw. Kugelhälfte, müssten hingegen weitere Einrichtungen vorgesehen werden, um das Kugelelement des Kugelgelenks in seinem Arbeitspunkt zu halten.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Kugelelement eine Krafterzeugungseinheit auf, die dazu eingerichtet ist, eine Vorspannkraft auf das Kugelelement auszuüben, welche einer von dem Luftlager ausgeübten Kraft entgegenwirkt, um das Kugelelement in dem Kugelgelenk zu halten.
Diese Krafterzeugungseinheit wirkt dem Luftlager sozusagen entgegen. Damit ist es möglich, das Luftlager nur auf einer Seite bzw. einer Hälfte der Kugel des Kugelelements anzuordnen, ohne dass das Kugelelement aufgrund der Druckluft aus dem Kugelelement herausgedrückt wird. Die Anordnung des Luftlagers kann dementsprechend denkbar klein sein, so dass sich ein maximal großer Schwenkbereich des sphärischen Parallelmanipulators realisieren lässt. Ein fast noch wichtigerer Vorteil der Krafterzeugungseinheit besteht darin, dass sich dadurch ein Luftspalt ≤ 20 µm in dem Luftlager realisieren lässt. Ein solch kleiner Luftspalt kann nur bei ausreichender Steifigkeit realisiert werden. Prinzipiell gilt, je kleiner der Spalt, desto steifer das Lager.
Gemäß einer Ausgestaltung weist die Krafterzeugungseinheit ein Federelement, einen Drucklufterzeuger, einen Unterdruckerzeuger und/oder einen Magneten auf.
Im Falle des Federelements kann dieses beispielsweise zur Verbindung zweier Düsen des Luftlagers eingesetzt werden. Das Federelement hält dann die beiden Düsen zusammen, so dass der Abstand zwischen den beiden Düsen durch das Federelement flexibel bzw. variierbar ist. Diese beiden Düsen, welche über das Federelement miteinander verbunden sind, können als Gegenlager zu den übrigen Düsen des Luftlagers fungieren.
Des Weiteren kann die Vorspannkraft durch einen Unterdruckerzeuger, beispielsweise einen Ejektor, auf das Kugelelement aufgebracht werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Vorspannkraft über einen oder mehrere Magneten zu erzeugen. Es versteht sich, dass in diesem Fall, das Kugelelement einen magnetischen Werkstoff aufweisen sollte.
Die zuletzt genannten Ausgestaltungen, in denen die Krafterzeugungseinheit einen Unterdruckerzeuger und/oder einen Magneten aufweist, haben insbesondere den Vorteil, dass die Krafterzeugungseinheit in diesem Fall sehr kompakt ausgestaltet sein kann. Die Krafterzeugungseinheit kann dann beispielsweise in dem gleichen Bauteil des Kugelgelenks des erfindungsgemäßen sphärischen Parallelmanipulators angeordnet sein wie das Luftlager. Beispielsweise können der mindestens eine Unterdruckerzeuger und/oder der mindestens eine Magnet in der Kugelpfanne des Kugelgelenks angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das Kugelgelenk einen Sensor auf, der dazu eingerichtet ist, eine Größe eines Luftspalts zwischen der Kugelpfanne und dem Kugelelement, einen Durchfluss durch diesen Luftspalt und/oder einen Druck in diesem Luftspalt zu messen.
Mithilfe eines solchen Sensors ist es möglich, über die Auswertung der jeweiligen physikalischen Größe des Luftspalts (Breite, Durchfluss/Volumenstrom und/oder Druck) eine Aussage über externe Kräfte zu erhalten, die auf den sphärischen Parallelmanipulator bzw. den beweglichen Körper des sphärischen Parallelmanipulators einwirken. Bei einem Sensor, der eine flächige Auswertung der jeweiligen physikalischen Größe des Luftspalts ermöglicht, oder bei der Verwendung mehrerer solcher Sensoren ist es möglich, auch die Richtung der Kraft zu bestimmen, die auf den sphärischen Parallelmanipulator einwirkt.
Eine solche, indirekte Kraftmessung ist insbesondere von Vorteil bei der Verwendung des erfindungsgemäßen sphärischen Parallelmanipulators als Schwenkeinrichtung für ein Messgerät. In einem solchen Fall kann der genannte Sensor oder die Vielzahl solcher Sensoren zur Kollisionserkennung oder beispielsweise in einem Dreh-Schwenk-Taster zur Detektion einer Antastung verwendet werden. Der genannte Sensor bzw. die Sensoren können jedoch auch zur Kalibration der sphärischen Parallelkinematik hinsichtlich eines homogenen Laufverhaltens des Kugelgelenks bzw. des Luftlagers verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der erfindungsgemäße sphärische Parallelmanipulator einen Lagesensor auf, der dazu eingerichtet ist, eine räumliche Lage des beweglichen Körpers relativ zu der Basisplattform zu messen.
Eine derartige direkte Messung der räumlichen Lage des beweglichen Körpers erhöht die Genauigkeit der Einstellung der Winkelorientierung, da der Lagesensor insbesondere zur Kalibration der sphärischen Parallelkinematik verwendet werden kann. Es ist jedoch auch möglich, die sphärische Parallelkinematik und damit die Lage des beweglichen Körpers basierend auf dem Ausgangssignal des Lagesensors zu regeln bzw. zu steuern.
Eine Kalibration, Regelung oder Steuerung der sphärischen Parallelkinematik basierend auf dem Ausgangssignal des Lagesensors erhöht insbesondere die Genauigkeit gegenüber bisher aus dem Stand der Technik bekannten Steuerungen der sphärischen Parallelkinematik. Typischerweise erfolgt die Steuerung der sphärischen Parallelkinematik zur Einstellung der Lage des beweglichen Körpers basierend auf einer Auswertung von Winkelmesssysteminformationen an den Antrieben. Die entsprechenden Sensoren sind meist direkt in die Antriebe integriert und damit relativ weit weg von dem beweglichen Körper. Infolge von spiel- und reibungsbehafteten Gelenken innerhalb der sphärischen Parallelkinematik und der geringen Steifigkeit von sphärischen Parallelmanipulatoren aus dem Stand der Technik ist eine hochgenaue Bestimmung der Lage des beweglichen Körpers kaum oder jedenfalls nur mit äußerst hohem Aufwand möglich. Dies lässt sich erfindungsgemäß nun mit der direkten Messung der räumlichen Lage des beweglichen Körpers auf Basis des extra dafür eingerichteten Lagesensors verbessern.
Vorzugsweise weist der Lagesensor einen optischen Sensor auf, der dazu eingerichtet ist, eine räumliche Lage des Kugelelements relativ zu der Kugelpfanne oder eine räumliche Lage der Kugelpfanne relativ zu dem Kugelelement zu messen (je nachdem welches der beiden Bauteile am beweglichen Körper angeordnet ist). Der Lagesensor ist in diesem Fall vorzugsweise dazu eingerichtet, die räumliche Lage des beweglichen Körpers relativ zu der Basisplattform basierend auf der relativen räumlichen Lage von Kugelelement zu Kugelpfanne zu bestimmen.
Der als Lagesensor eingesetzte optische Sensor kann in dem Ausführungsbeispiel eine oder mehrere Kameras, einen oder mehrere Position Sensitive Devices (PSD(s)) oder einen oder mehrere CMOS-Chip(s) mit entsprechender Optik aufweisen. Die Positions- bzw. Lagebestimmung kann beispielsweise anhand einer fotogrammetrischen oder stereoskopischen Auswertung erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der bewegliche Körper mindestens eine Markierung oder mindestens einen optischen Marker auf, wobei der optische Sensor dazu eingerichtet ist, die mindestens eine Markierung oder den mindestens einen optischen Marker zu erfassen und basierend darauf die räumliche Lage des Kugelelements relativ zu der Kugelpfanne oder die räumliche Lage der Kugelpfanne relativ zu dem Kugelelement zu bestimmen.
Je nachdem welches der beiden Bauteile des Kugelelements (Kugelelement oder Kugelpfanne) an dem beweglichen Körper des sphärischen Parallelmanipulators angeordnet ist, ist entweder das Kugelelement oder die Kugelpfanne in diesem Fall mit mindestens einer Markierung oder mindestens einem optischen Marker versehen. Bevorzugt werden passive Markierungen oder passive optische Marker verwendet. Dies hat den Vorteil, dass keine aktive Ansteuerung der Markierungen oder Marker notwendig ist und somit der bewegliche Körper nicht mit einer Verkabelung versehen sein muss. Dies wirkt sich wiederum positiv auf den Schwenkbereich des sphärischen Parallelmanipulators aus.
Der Grundaufbau des sphärischen Parallelmanipulators, insbesondere der Grundaufbau der sphärischen Parallelkinematik, entspricht ansonsten einer üblichen Bauweise.
Gemäß einer Ausgestaltung weist die sphärischen Parallelkinematik drei separat ansteuerbare Antriebseinheiten auf, wobei eine erste der drei Antriebseinheiten eine erste Ausgangswelle aufweist und dazu eingerichtet ist, die erste Ausgangswelle um eine erste Rotationsachse zu drehen, wobei eine zweite der drei Antriebseinheiten eine zweite Ausgangswelle aufweist und dazu eingerichtet ist, die zweite Ausgangswelle um eine zweite Rotationsachse zu drehen, und wobei eine dritte der drei Antriebseinheiten eine dritte Ausgangswelle aufweist und dazu eingerichtet ist, die dritte Ausgangswelle um eine dritte Rotationsachse zu drehen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die drei Antriebseinheiten im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine normale Achse der Basisplattform angeordnet und an dieser befestigt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weisen die erste Rotationsachse, die zweite Rotationsachse und die dritte Rotationsachse einen gemeinsamen Schnittpunkt auf, der auf der normalen Achse liegt. Der Kugelmittelpunkt des Kugelelements ist, wie oben bereits erwähnt, vorzugsweise in diesem Schnittpunkt angeordnet, der gleichzeitig auch der Drehpunkt ist, um den der bewegliche Körper geschwenkt wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der bewegliche Körper des sphärischen Parallelmanipulator eine erste Koppelstelle, eine zweite Koppelstelle und eine dritte Koppelstelle auf, wobei die erste Koppelstelle über eine erste Kopplung mit der ersten Ausgangswelle verbunden ist, wobei die zweite Koppelstelle über eine zweite Kopplung mit der zweiten Ausgangswelle verbunden ist, und wobei die dritte Koppelstelle über eine dritte Kopplung mit der dritten Ausgangswelle verbunden ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die erste Kopplung eine erste Gelenkstange und eine zweite Gelenkstange auf, wobei die erste Gelenkstange mit der zweiten Gelenkstange über eine erste Gelenkverbindung gekoppelt ist, die derart eingerichtet ist, dass die erste Gelenkstange gegenüber der zweiten Gelenkstange um eine erste Gelenkachse drehbar ist. Die zweite Kopplung weist eine dritte Gelenkstange und eine vierte Gelenkstange auf, wobei die dritte Gelenkstange mit der vierten Gelenkstange über eine zweite Gelenkverbindung gekoppelt ist, die derart eingerichtet ist, dass die dritte Gelenkstange gegenüber der vierten Gelenkstange um eine zweite Gelenkachse drehbar ist. Die dritte Kopplung weist eine fünfte Gelenkstange und eine sechste Gelenkstange auf, wobei die fünfte Gelenkstange mit der sechsten Gelenkstange über eine dritte Gelenkverbindung gekoppelt ist, die derart eingerichtet ist, dass die fünfte Gelenkstange gegenüber der sechsten Gelenkstange um eine dritte Gelenkachse drehbar ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weisen die erste Gelenkstange, die dritte Gelenkstange und die fünfte Gelenkstange jeweils eine gleiche Form auf. Ebenso weisen vorzugsweise die zweite Gelenkstange, die vierte Gelenkstange und die sechste Gelenkstange jeweils eine gleiche Form auf, die sich von der Form der ersten Gelenkstange, der dritten Gelenkstange und der fünften Gelenkstange unterscheidet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die sechs Gelenkstangen jeweils um eine oder mehrere Achsen gekrümmt und/oder abgewinkelt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die erste Antriebseinheit dazu eingerichtet, die erste Kopplung zumindest in einem Drehbereich von ± 60° um die erste Rotationsachse der ersten Ausgangswelle zu drehen. Die zweite Antriebseinheit ist vorzugsweise dazu eingerichtet, die zweite Kopplung zumindest in einem Bereich von ± 60° um die zweite Rotationsachse der zweiten Ausgangswelle zu drehen. Die dritte Antriebseinheit ist vorzugsweise dazu eingerichtet, die dritte Kopplung zumindest in einem Drehbereich von ± 60° um die dritte Rotationsachse der dritten Ausgangswelle zu drehen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weisen die erste Antriebseinheit, die zweite Antriebseinheit und die dritte Antriebseinheit jeweils nur einen rotatorischen Freiheitsgrad auf.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die erste Rotationsachse gegenüber einer durch die Basisplattform definierten Horizontalebene um einen ersten vordefinierten Neigungswinkel geneigt. Die zweite Rotationsachse ist in dieser Ausgestaltung gegenüber der Rotationsebene um einen zweiten vordefinierten Neigungswinkel geneigt und die dritte Rotationsachse ist gegenüber der Horizontalebene um einen dritten vordefinierten Neigungswinkel geneigt. Vorzugsweise sind die drei Neigungswinkel gleich groß.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Koordinatenmessgeräts;
2 eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Schwenktasters, wobei dieses Beispiel nicht in den Schutzbereich des Anspruchs 1 fällt, dennoch aber zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung nützlich ist;
3 eine perspektivische Ansicht eines Schwenktasters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Ansicht eines Schwenktasters gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 eine schematische Ansicht eines schwenkbaren Werkstückträgers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6 eine schematische Ansicht eines schwenkbaren Werkstückträgers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
7 eine schematische Ansicht einer Lagerung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8 eine schematische Ansicht der Lagerung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
9 eine schematische Ansicht der Lagerung gemäß einem weiteren Ausführu ngsbeispiel;
10 eine schematische Ansicht eines Schwenktasters gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
11 eine schematische Ansicht eines Schwenktasters gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Koordinatenmessgerätes. Das Koordinatenmessgerät ist darin in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 100 gekennzeichnet.
Das Koordinatenmessgerät 100 ist ein Ausführungsbeispiel, in dem der erfindungsgemäße sphärische Parallelmanipulator zur Steuerung einer Schwenkeinrichtung eingesetzt werden kann. Der erfindungsgemäße Parallelmanipulator kann jedoch auch bei jeglicher anderer Art von Messgerät zur physikalischen und/oder geometrischen Bestimmung von Werkstückeigenschaften verwendet werden. Ebenso ist es möglich, den erfindungsgemäßen Parallelmanipulator in weiteren Vorrichtungen gänzlich anderer Art einzusetzen.
Das in 1 gezeigte Koordinatenmessgerät 100 weist eine Basis 10 auf. Auf der Basis 10 ist ein Portal 12 in Längsrichtung verschiebbar angeordnet. Bei der Basis 10 handelt es sich vorzugsweise um eine stabile Platte, welche beispielweise aus Granit gefertigt ist. Das Portal 12 dient als bewegliche Trägerstruktur. Das Portal 12 weist zwei von der Basis 10 nach oben abragende Säulen auf, die durch einen Querträger verbunden sind und gesamthaft eine umgekehrte U-Form aufweisen.
Die Bewegungsrichtung des Portals 12 relativ zu der Basis 10 wird üblicherweise als Y-Richtung bezeichnet. Am oberen Querträger des Portals 12 ist ein Schlitten 14 angeordnet, der in Querrichtung verschiebbar ist. Diese Querrichtung wird üblicherweise als X-Richtung bezeichnet. Der Schlitten 14 trägt eine Pinole 16, die in Z-Richtung, also senkrecht zu der Basis 10, verfahrbar ist.
Die Bezugsziffern 18, 20, 22 bezeichnen Messeinrichtungen, anhand derer die X-, Y- und Z-Positionen des Portals 12, des Schlittens 14 und der Pinole 16 bestimmt werden können. Typischerweise handelt es sich bei den Messeinrichtungen 18, 20, 22 um Glasmaßstäbe, welche als Messskalen dienen. Diese Messskalen sind in Verbindung mit entsprechenden Leseköpfen (hier nicht dargestellt) dazu ausgebildet, die jeweils aktuelle Position des Portals 12 relativ zu der Basis 10, die Position des Schlittens 14 relativ zu dem oberen Balken des Portals 12 und die Position der Pinole 16 relativ zu dem Schlitten 14 zu bestimmen.
An einem unteren, freien Ende der Pinole 16 ist ein Schwenktaster 24 angeordnet. In diesem Schwenktaster 24 kann der erfindungsgemäße sphärische Parallelmanipulator zum Einsatz kommen. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Schwenktaster 24 einen in Z-Richtung in Richtung der Basis 10 abragendes Sensorelement 26 auf. Dieses Sensorelement 26 ist in dem vorliegend gezeigten Ausführungsbeispiel als taktiler Taststift ausgestaltet. Der Taststift 26 weist an seinem unteren, freien Ende eine Tastkugel 28 auf, die typischerweise als Rubinkugel ausgestaltet ist.
Der Schwenktaster 24 ist in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel also als taktiler Sensor ausgestaltet. Der Schwenktaster 24 wird häufig gesamthaft auch als Tastkopf oder Messkopf bezeichnet. Teilweise wird jedoch auch nur die darin enthaltene Messsensorik als Tastkopf, Messkopf oder Messsensor bezeichnet.
Anstelle des hier gezeigten taktilen Schwenktasters 24 kann der Schwenktaster 24 auch andere Sensorelemente, z.B. einen optischen Sensor, einen Magnetfeldsensor und/oder einen Rauheitssensor aufweisen, die in unterschiedliche Raumrichtungen von dem Schwenktaster 24 abragen können. Die Anzahl und Ausrichtung der einzelnen Sensorelemente hängt von der Geometrie des zu vermessenden Werkstücks bzw. von der sogenannten Messaufgabe ab. Unabhängig von der Art der Ausgestaltung des Sensorelements bzw. der Sensorelemente ermöglicht der Schwenktaster 24 im erfindungsgemäßen Fall vorzugsweise eine Schwenkbarkeit des Sensorelements um jede der drei Raumachsen X, Y, Z einzeln und in Kombination.
Mit Hilfe des Sensorelements 26 lässt sich das mit dem Koordinatenmessgerät 100 zu vermessende Werkstück an mehreren Punkten auf seiner Oberfläche abtasten. Beim Ab- bzw. Antasten der Vielzahl von Messpunkten werden durch den Tastkopf 24 je nach Funktionsweise des Sensorelements 26 Positions- und Lageinformationen an eine Steuereinheit 30 entweder kabellos oder kabelgebunden übermittelt. Die Steuereinheit 30 bestimmt beispielsweise die Raumkoordinaten des jeweiligen Messpunkts und ermittelt durch die Auswertung eines Vielzahl von Messpunkten die Geometrie des zu vermessenden Werkstücks. Bei der Auswerteeinheit 30 kann es sich beispielsweise um einen Computer oder um eine sonstige Recheneinheit handeln.
Des Weiteren kann der erfindungsgemäße sphärische Parallelmanipulator auch in einem schwenkbaren Werkstückträger eingesetzt werden. In 1 ist ein solcher Werkstückträger rein schematisch als plattenförmiger Werkstückträger gezeigt und mit der Bezugsziffer 32 versehen. Dieser Werkstückträger 32 kann, ähnlich wie der Schwenktaster 24, mithilfe des erfindungsgemäßen sphärischen Parallelmanipulators um alle drei Raumachsen X, Y, Z schwenkbar eingerichtet sein.
2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines beispielhaften Schwenktasters 24 mit einem taktilen Sensorelement 26, das mithilfe eines sphärischen Parallelmanipulators 34' schwenkbar eingerichtet ist. Der in 2 gezeigte sphärische Parallelmanipulator 34' enthält nicht alle Bauteile eines sphärischen Parallelmanipulators gemäß der vorliegenden Erfindung. Seine grundsätzliche Bauweise kann jedoch auch in dem erfindungsgemäßen sphärischen Parallelmanipulator zum Einsatz kommen, weshalb sich der in 2 gezeigte sphärische Parallelmanipulator sehr gut für die nachfolgende Erläuterung des grundlegenden Aufbaus eines solchen sphärischen Parallelmanipulators eignet.
Der sphärische Parallelmanipulator 34' weist eine Basisplattform 36 auf. Die Basisplattform 36 kann beispielsweise eine massive Platte aus Metall sein. Sie kann jedoch auch jegliche andere Form haben. Die Basisplattform 36 ist vorzugsweise dazu eingerichtet, am unteren Ende der Pinole 16 befestigt zu werden. Dies geschieht vorzugsweise mithilfe eines Schnellverschlusses. Beispielsweise kann die Basisplattform 36 als Wechselteller ausgestaltet sein.
Der sphärische Parallelmanipulator 34 weist ferner einen gegenüber der Basisplattform 36 beweglichen Körper 38 auf. Dieser bewegliche Körper umfasst in dem vorliegend gezeigten Ausführungsbeispiel eine Rotorplatte, die im Vergleich zu der Basisplattform 36 kleiner ausgestaltet ist. An der Rotorplatte 39 ist das taktile Sensorelement 26 angeordnet. Im vorliegenden Fall ist das Sensorelement 26 integral mit der Rotorplatte 39 ausgestaltet, so dass das Sensorelement 26 integraler Bestandteil des beweglichen Körpers 38 des sphärischen Parallelmanipulators 34' ist.
Der bewegliche Körper 38 ist über eine sphärische Parallelkinematik 40 mit der Basisplattform 36 gekoppelt. Die sphärische Parallelkinematik 40 weist drei ansteuerbare Antriebseinheiten 42, 44, 46 auf. Die erste der drei Antriebseinheiten 42 weist eine erste Ausgangswelle 48 auf und ist dazu eingerichtet, die erste Ausgangswelle 48 um eine erste Rotationsachse 50 zu drehen. Die zweite der drei Antriebseinheiten 44 weist eine zweite Ausgangswelle 52 auf und ist dazu eingerichtet, die zweite Ausgangswelle 52 um eine zweite Rotationsachse 54 zu drehen. Die dritte der Antriebseinheiten 46 weist eine dritte Ausgangswelle 56 auf und ist dazu eingerichtet, die dritte Ausgangswelle 56 um eine dritte Rotationsachse 58 zu drehen.
Die drei Antriebseinheiten 42, 44, 46 sind im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Normalenachse 60 der Basisplattform 36 angeordnet und drehfest gegenüber der Basisplattform 36 an dieser befestigt. Die Antriebseinheiten 42, 44, 46 können beispielsweise als elektrische Servo- bzw. Schrittmotoren ausgeführt sein.
Die erste Rotationsachse 50, die zweite Rotationsachse 54 und die dritte Rotationsachse 58 schneiden sich in einem gemeinsamen Schnittpunkt 62, der auf der Normalenachse 60 liegt. Bei diesem Schnittpunkt 62 handelt es sich vorzugsweise um den Drehpunkt bzw. den Rotationspunkt, um den der bewegliche Körper 38 des sphärischen Parallelmanipulators 34' rotiert. Dieser Schnitt- bzw. Drehpunkt 62 liegt vorzugsweise näher an dem beweglichen Körper 38 als an der Basisplattform 36.
Die erste Antriebseinheit 42, die zweite Antriebseinheit 44 und die dritte Antriebseinheit 46 weisen jeweils nur einen rotatorischen Freiheitsgrad um die jeweilige Rotationsachse 50, 54, 58 auf, was mit anderen Worten bedeutet, dass die drei Antriebseinheiten 42, 44, 46 jeweils nur dazu eingerichtet sind, die Ausgangswellen 48, 52, 56 um die jeweilige Rotationsachse 50, 54, 58 im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn zu rotieren.
Durch eine untereinander synchronisierte Ansteuerung jeder einzelnen der drei Antriebseinheiten 42, 44, 46 kann der bewegliche Körper 38 und damit in diesem Ausführungsbeispiel das Sensorelement 26 um jede der drei Raumrichtungen X, Y, Z einzeln oder kombiniert gedreht werden. Hierzu werden beispielsweise über die Auswerte- und Steuereinheit 30 vordefinierte Steuerbefehle an jede einzelne der drei Antriebseinheiten 42, 44, 46, z.B. in Form von Dreh- (bzw. Stell-)Winkelinformationen, übermittelt.
Die aus den Steuerbefehlen resultierende Drehung der jeweiligen Ausgangswelle 48, 52, 56 der Antriebseinheiten 42, 44, 46 wird auf den beweglichen Körper 38 übertragen, wodurch dieser zu einer dem Steuerbefehl entsprechenden Drehung um das Drehzentrum 62 veranlasst wird. Der bewegliche Körper 38 kann somit je nach Ansteuerung der Antriebeinheiten 42, 44, 46 um alle drei Achsen X, Y, Z bewegt werden und vollführt stets lediglich eine Drehung um den Drehpunkt 62. Das mit dem beweglichen Körper 38 drehfest verbundene Sensorelement 26 bzw. die an dem Sensorelement 26 stirnseitig angeordnete Tastkugel 28 kann dabei jeden Punkt auf einer imaginären Oberfläche eines Kugeloberflächenabschnitts (Kugelkalotte) durch entsprechende, synchronisierte Ansteuerung der drei Antriebseinheiten 42, 44, 46 anfahren. Die sphärische Parallelkinematik 40 hat demnach drei rotatorische Freiheitsgrade, jedoch keinen translatorischen Bewegungsanteil.
Die Drehbewegung wird ausgehend von zumindest einer zur Drehung veranlassten Ausgangswelle 48, 52, 56 über je eine an jeder der Ausgangswellen 48, 52, 56 angeordnete Kopplung auf den beweglichen Körper 38 des sphärischen Parallelmanipulators 34' übertragen. Hierzu weist der bewegliche Körper 38 drei Koppelstellen 64, 66, 68 auf, die drehsymmetrisch an dem beweglichen Körper 38 um 120° versetzt zueinander angeordnet sind. In dem vorliegend gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Koppelstellen 64, 66, 68 zapfenartige, an dem beweglichen Körper 38 befestigte Bolzenelemente, die an der kreisrunden Außenumrandung der Rotorplatte 39 drehsymmetrisch zueinander angeordnet sind.
Die erste Koppelstelle 64 ist über eine erste Kopplung 70 mit der ersten Ausgangswelle 48 verbunden. Die zweite Koppelstelle 66 ist über eine zweite Kopplung 72 mit der zweiten Ausgangswelle 52 verbunden. Die dritte Koppelstelle 68 ist über eine dritte Kopplung 74 mit der dritten Ausgangswelle 56 verbunden.
Die Antriebseinheiten 42, 44, 46 bzw. die Rotationsachsen 50, 54, 58 sind gegenüber einer durch die Basisplattform 36 definierten Horizontalebene jeweils um einen vordefinierten Neigungswinkel α1, α2, α3 geneigt, wobei im vorliegenden Fall die Neigungswinkel α1, α2, α3 gleich groß sind und jeweils 60° in Bezug auf die Horizontalebene betragen.
Zudem ist die erste Antriebseinheit 42 dazu eingerichtet, die erste Kopplung 70 zumindest in einem Drehbereich von ± 60° um die erste Rotationsachse der ersten Ausgangswelle 48 zu drehen. Die zweite Antriebseinheit 44 ist dazu eingerichtet, die zweite Kopplung 72 zumindest in einem Drehbereich von ± 60° um die zweite Rotationsachse 54 der zweiten Ausgangswelle 52 zu drehen. Die dritte Antriebseinheit 46 ist dazu eingerichtet, die dritte Kopplung 74 zumindest in einem Drehbereich von ± 60° um die dritte Rotationsachse 58 der dritten Ausgangswelle 56 zu drehen. Diese Drehwinkel der Rotationsachsen 50, 54, 58 ist in 2 allgemein mit den Drehwinkeln Φ1, Φ2, Φ3 gekennzeichnet.
Jede der drei Kopplungen 70, 72, 74 weist jeweils zwei miteinander gelenkig verbundene Gelenkstangen auf. Die erste Kopplung 70 weist eine dritte Gelenkstange 80 und eine mit dieser gelenkig verbundene vierte Gelenkstange 82 auf. Die dritte Kopplung 74 weist eine fünfte Gelenkstange 84 und eine gelenkig mit dieser verbundene sechste Gelenkstange 86 auf.
Die Gelenkstangen 76, 78, 80, 82, 84, 86 sind vorliegend jeweils um mehrere Achsen gekrümmt und abgewinkelt und weisen sowohl geradlinig verlaufende Stangenteile als auch gebogene Stangenteile auf. Die jeweilige Ausgestaltung der Gelenkstangen 76, 78, 80, 82, 84, 86 kann sich je nach Art der sphärischen Parallelkinematik 40 unterscheiden. Vorliegend haben die erste Gelenkstange 76, die dritte Gelenkstange 80 und die fünfte Gelenkstange 84 eine gleiche geometrische Form. Die zweite Gelenkstange 78, die vierte Gelenkstange 82 und die sechste Gelenkstange 86 weisen ebenfalls eine gleiche geometrische Form auf, sind jedoch von ihrer Geometrie anders ausgeführt als die erste Gelenkstange 76, die dritte Gelenkstange 80 und die fünfte Gelenkstange 84.
3 zeigt einen Schwenktaster 24 mit einem sphärischen Parallelmanipulator 34 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der sphärische Parallelmanipulator 34 weist grundsätzlich den gleichen Aufbau wie der in 2 gezeigte sphärische Parallelmanipulator 34' auf. Der in 3 gezeigte erfindungsgemäße sphärische Parallelmanipulator 34 weist zusätzlich jedoch noch ein Kugelgelenk 88 auf. Dieses Kugelgelenk 88 dient der Stützung und Lagerung der sphärischen Parallelkinematik 40. Das Kugelgelenk 88 ist insbesondere dazu vorgesehen, den beweglichen Körper 38 des sphärischen Parallelmanipulators 34 zu stützen und gelenkig zu lagern. Mithilfe des Kugelgelenks 88 soll die Steifigkeit der sphärischen Parallelkinematik 40 erhöht werden. Insbesondere soll verhindert werden, dass die Bewegung des beweglichen Körpers 38 auch translatorische Bewegungskomponenten aufweist, die dazu führen würden, dass der bewegliche Körper 38 nicht exakt um den Drehpunkt 62 rotieren würde.
Das Kugelgelenk 88 weist ein Kugelelement 90 und eine Kugelpfanne 92 auf, in der das Kugelgelenk 90 sphärisch gelagert ist. Das Kugelelement 90 ist über einen Steg 94 mit der Rotorplatte 39 des beweglichen Körpers 38 verbunden. Das Kugelelement 90 ist somit Teil des beweglichen Körpers 38 des sphärischen Parallelmanipulators 34. Die Kugelpfanne 92 ist an einem unteren Ende eines Schafts 96 angeordnet, der fix mit der Basisplattform 36 des sphärischen Parallelmanipulators 34 verbunden ist. Die Kugelpfanne 92 des Kugelgelenks 88 ist somit Teil der (unbewegten) Basisplattform 36.
Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, die Bauteile des Kugelgelenks 88 exakt umgekehrt anzuordnen, als dies in 3 gezeigt ist. Damit ist gemeint, dass die Kugelpfanne 92 des Kugelgelenks 88 auch Teil des beweglichen Körpers 38 sein kann oder mit diesem fix verbunden ist, und dass das Kugelelement 90 dann entsprechend Teil der Basisplattform 36 ist oder mit dieser verbunden ist. Das Kugelelement 90 ist unabhängig von den beiden zuvor genannten Ausführungsvarianten vorzugsweise derart angeordnet, dass dessen Kugelmittelpunkt 98 mit dem Drehpunkt 62 der sphärischen Parallelkinematik 40 zusammenfällt.
Das Kugelgelenk 88 weist erfindungsgemäß ferner ein Luftlager 102 zur reibungsarmen Lagerung des Kugelelements 90 auf. Dies ist in 3 nicht sichtbar, da es vorzugsweise zumindest zum Teil in die Kugelpfanne 92 des Kugelgelenks 88 integriert ist. In 4-9 sind jedoch mehrere Ausführungsbeispiele des Luftlagers 102 schematisch dargestellt.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem das Luftlager 102 als Düsenluftlager ausgestaltet ist. Dieses Düsenluftlager 102 ist zumindest teilweise in die Kugelpfanne 92 des Kugelgelenks 88 integriert. Es ist grundsätzlich auch denkbar, dass das Luftlager 102 Teile der Kugelpfanne 92 oder die gesamte Kugelpfanne 92 des Kugelgelenks 88 bildet.
In dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Luftlager 102 mehrere verteilt angeordnete Düsen 104 auf, mittels derer Druckluft von außen auf die Oberfläche des Kugelelements 90 gedrückt wird. Dadurch ergibt sich zwischen dem Kugelelement 90 und der Kugelpfanne 92 ein Luftspalt 106, der zu einer sogenannten Stick-Slip-freien und reibungsfreien Bewegung des Kugelelements 90 relativ zu der Kugelpfanne 92 ermöglicht. Diese Bewegung ist vorliegend mithilfe der Pfeile 108 schematisch gekennzeichnet. Der Luftspalt 106 ist typischerweise wenige Mikrometer (beispielsw. ≤ 20 µm) breit.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem ebenfalls ein Düsenluftlager als Luftlager 102 eingesetzt wird. Im Unterschied zu dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Kugelelement 90 hier jedoch nicht mit einem taktilen Sensorelement 26 verbunden, sondern stattdessen mit einem schwenkbaren Werkstückträger 32. Es handelt sich hier also um das zuvor bereits kurz beschriebene Ausführungsbeispiel, bei dem der erfindungsgemäße sphärische Parallelmanipulator 34 zum Verschwenken eines Werkstückträgers 32 eingerichtet ist. Der Aufbau des sphärischen Parallelmanipulators 34 wie auch der dazugehörige Aufbau des Kugelgelenks 88 und des darin integrierten Luftlagers 102 unterscheidet sich jedoch nicht von den zuvor erwähnten Ausführungsbeispielen. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind die Düsen 104 vorzugsweise rotationssymmetrisch zu der Mittelachse des sphärischen Parallelmanipulators 34 bzw. der Normalachse 60 der Basisplattform 36 angeordnet. Es versteht sich, dass in der Praxis typischerweise auch mehr als nur zwei solcher Düsen 104 verwendet werden, damit sich die gewünschte sphärische Düsen-Luftlagerung des Kugelelements 90 ergibt.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, in dem der erfindungsgemäße sphärische Parallelmanipulator 34 wiederum zum Verschwenken eines Werkstückträgers 32 eingesetzt wird. Im Unterschied zu dem zuvor in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Luftlager 102 gemäß des in 6 gezeigten Ausführungsbeispiels als Sinterluftlager ausgestaltet. Anstelle mehrerer Düsen weist das Sinterluftlager hier eine ringförmige Düse 110 auf, die mit einem porösen Lagermaterial 112 versehen ist. Die Düse 110 ist strenggenommen nicht ringförmig, sondern weist die Form eines Kugeloberflächensegments auf. Durch das poröse Lagermaterial 112 wird die zugeführte Druckluft auf viele einzelne Poren des Lagermaterials 112 verteilt, die dann wie einzelne winzig kleine Düsen wirken. Das Wirkprinzip des in 6 schematisch dargestellten Sinterluftlagers ist ansonsten jedoch ähnlich wie das des in 4 und 5 dargestellten Düsenluftlagers.
In den in 4-6 schematisch gezeigten Ausführungsbeispielen ist das Luftlager 102 jeweils nur auf einer Seite bzw. einer Kugelhälfte des Kugelelements 90 angeordnet. Grundsätzlich kann das Luftlager 102 jedoch auch beidseitig des Äquators des Kugelelements 90 angeordnet sein. Im Falle einer nur einseitigen Anordnung des Luftlagers 102 (auf nur einer Seite des Äquators des Kugelelements 90) ist es von Vorteil, dass auf das Kugelelement 90 zusätzlich eine Vorspannkraft ausgeübt wird, die das Kugelelement in seinem gewünschten Arbeitspunkt hält.
Eine Möglichkeit der Erzeugung einer solchen Vorspannung ist schematisch in 7 gezeigt. Hier wird eine Krafterzeugungseinheit 114 als Gegenlager zu dem Luftlager 102 eingesetzt. Die Krafterzeugungseinheit 114 weist zwei weitere Düsen 116 auf, die vorliegend allgemein als Drucklufterzeuger bezeichnet werden. Diese beiden Drucklufterzeuger 116 sind über ein Federelement 118 miteinander verbunden.
Gemäß des in 8 gezeigten Ausführungsbeispiels weist die dem Luftlager 102 entgegenwirkende Krafterzeugungseinheit 114 einen oder mehrere Unterdruckerzeuger 120 auf. Diese Unterdruckerzeuger 120 können beispielsweise als Ejektoren ausgestaltet sein, die ähnlich wie die Düsen 104 drehsymmetrisch zur Mittelachse des Kugelelements 90 angeordnet sind. Die Unterdruckerzeuger 120 können auch, wie in 8 gezeigt, in den gleichen Baueinheiten angeordnet sein, in denen auch die Düsen 104 angeordnet sind.
Eine weitere Möglichkeit der Realisierung der Krafterzeugungseinheit 114 ist das Vorsehen einer oder mehrerer Magnete 122, die jeweils eine magnetische Kraft erzeugen, welche der Kraft des Luftlagers 102 entgegenwirkt (siehe 9). In diesen Fall ist es notwendig, dass das Kugelelement 90 aus einem magnetischen Werkstoff gefertigt ist.
Unabhängig von der Art der Ausgestaltung der Krafterzeugungseinheit 114 haben die in 7-9 schematisch gezeigten Ausführungsbeispiele zusätzlich den Vorteil, dass das Kugelelement 90 und damit der bewegliche Körper 38 des sphärischen Parallelmanipulators 34 in einer beliebigen Orientierung fixierbar ist. Durch Abstellen der Druckluft des Düsenluftlagers 102 lässt sich dann nämlich der bewegliche Körper 38 in jeder gewünschten Orientierung/Stellung fixieren. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn der erfindungsgemäße sphärische Parallelmanipulator 34 in Schwenkeinrichtungen verwendet wird, wie sie beispielsweise in 4 und 5 gezeigt sind.
Des Weiteren ist es möglich, einen Sensor 124 einzusetzen, der dazu eingerichtet ist, eine Größe des Luftspalts 106, einen Durchfluss durch den Luftspalt 106 und/oder einen Druck in dem Luftspalt 106 zu detektieren. Dieser Sensor 124 kann beispielsweise mit der Auswerte- und Steuereinheit 30 verbunden sein. Die Auswerte- und Steuereinheit 30 kann dann die vom Sensor 124 gelieferten Signale auswerten und basierend darauf eine Kraft ermitteln, die auf den beweglichen Körper 38 des sphärischen Parallelmanipulators 34 von außen einwirkt. Hiermit ist es möglich, nicht nur den Betrag der Kraft zu ermitteln, sondern auch deren Richtung. Dies kann insbesondere bei der Kalibration der sphärischen Parallelkinematik 40 hinsichtlich eines homogenen Laufverhaltens bezüglich dem Kugelgelenk 88 genutzt werden.
10 und 11 zeigen schematische Ansichten zweier weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Ähnlich wie in den zuvor gezeigten schematischen Ansichten von 4-9 sind auch hier die übrigen Bauteile des sphärischen Parallelmanipulators 34 der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Es versteht sich jedoch, dass in allen bisher gezeigten Ausführungsbeispielen der sphärische Parallelmanipulator 34 ansonsten wie in 3 gezeigt aufgebaut sein kann.
Der sphärische Parallelmanipulator 34 weist gemäß der in 10 und 11 gezeigten Ausführungsbeispiele jeweils einen Lagersensor 126 auf, der dazu eingerichtet ist, eine räumliche Lage des beweglichen Körpers 38 des sphärischen Parallelmanipulators 34 zu messen. Dieser Lagesensor weist vorzugsweise einen optischen Sensor 128 auf, der dazu eingerichtet ist, die räumliche Lage des Kugelelements 90 relativ zu der Kugelpfanne 92 zu messen. Der optische Sensor 128 kann beispielsweise eine oder mehrere Kameras, einen PSD oder einen CMOS-Chip mit entsprechender Optik 130 aufweisen. Bei dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel sind auf dem Kugelelement 90 ferner mehrere Markierungen oder optische Marker 132 angeordnet, die mithilfe des optischen Sensors 128 erfasst werden, so dass basierend darauf die räumliche Lage des Kugelelements 90 relativ zu der Kugelpfanne 92 bestimmbar ist. Beispielsweise kann dies anhand einer stereoskopischen oder photogrammetrischen Auswertung der vom optischen Sensor 128 gelieferten Daten erfolgen. Bei den Markierungen bzw. Markern 132 kann es sich um lithographisch aufgebrachte oder lasergeschriebene Markierungen handeln. Denkbar sind auch Marker bzw. Markierungen und Strukturen, welche mittels Sieb-/Digitaldruck oder selbstklebenden Folien auf das Kugelelement 90 aufgebracht werden. Des Weiteren können unterschiedliche Farben von Markern bzw. Markierungen 132 zu deren Differenzierung genutzt werden. Die Marker/Markierungen können zusätzlich auch mithilfe einer oder mehrerer Lichtquellen 134 beleuchtet werden, um diese besser erfassen zu können. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung einer Glaskugel aus optischem Glas, beispielsweise Schott N-BK7, in Verbindung mit einer Glasinnengravur mit regelmäßigen als auch unregelmäßigen 2D- und 3D-Strukturen. Diese Strukturen lassen sich mittels eines Lasers durch Veränderung dessen Fokuslage in das Innere des Kugelelements 90 einbringen.
Anstelle von passiven Markierungen/Markern, wie sie in 10 schematisch angedeutet sind, lassen sich auch aktive Marker verwenden. 11 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel, bei dem aktiv leuchtende Elemente 136 anstelle der Marker/Markierungen 132 eingesetzt werden. Diese aktiv leuchtenden Elemente 136 sind in dem vorliegenden Fall über einen Steg oder ein sonstiges Gestänge 138 mit dem Kugelelement 90 verbunden. Beispielsweise kann es sich bei den aktiv leuchtenden Elementen 136 um LEDs handeln. Selbstverständlich können diese LEDs auch direkt auf der Oberfläche des Kugelelements 90 angeordnet sein.
In den beiden in 10 und 11 gezeigten Fällen kann durch die Bestimmung der jeweiligen Lagen der Marker/Markierungen 132 bzw. der leuchtenden Elemente 136 die Winkelposition des Kugelelements 90 und somit die Position des Sensorelements 26 bzw. der Tastkugel 28 errechnet werden.
Es versteht sich, dass auch hier wiederum rein beispielhaft ein taktiles Sensorelement 26 als Teil des beweglichen Körpers 38 des sphärischen Parallelmanipulators 34 gezeigt ist. Anstelle dieses taktilen Sensorelements 26 kann selbstverständlich auch gemäß der zuletzt erwähnten Ausführungsbeispiele eine optischer Messsensor oder ein Werkzeugträger 32 verwendet werden.

Claims

Sphärischer Parallelmanipulator (34), mit: - einer Basisplattform (36); - einem gegenüber der Basisplattform (36) beweglichen Körper (38); - einer sphärischen Parallelkinematik (40), die die Basisplattform (36) mit dem beweglichen Körper (38) koppelt; und - einem Kugelgelenk (88), das dazu eingerichtet ist, den beweglichen Körper (38) zu stützen und gelenkig zu lagern, wobei das Kugelgelenk (88) ein Kugelelement (90) und ein Luftlager (102) zur sphärischen Lagerung des Kugelelements (90) aufweist.
Sphärischer Parallelmanipulator nach Anspruch 1, wobei die sphärische Parallelkinematik (40) dazu eingerichtet ist, den beweglichen Körper (36) derart zu bewegen, dass dieser eine Rotationsbewegung um einen Drehpunkt (62) ausführt, wobei ein Mittelpunkt (98) des Kugelelements (90) in dem Drehpunkt (62) angeordnet ist.
Sphärischer Parallelmanipulator nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kugelgelenk (88) eine Kugelpfanne (92) aufweist, in der das Kugelelement (90) mittels des Luftlagers (102) sphärisch gelagert ist.
Sphärischer Parallelmanipulator nach Anspruch 3, wobei das Kugelelement (90) ein Teil des beweglichen Körpers (38) ist oder der bewegliche Körper (38) fix mit dem Kugelelement (90) verbunden ist, und wobei die Kugelpfanne (92) ein Teil der Basisplattform (36) ist oder die Basisplattform (36) fix mit der Kugelpfanne (92) verbunden ist.
Sphärischer Parallelmanipulator nach Anspruch 3, wobei die Kugelpfanne (92) ein Teil des beweglichen Körpers (38) ist oder der bewegliche Körper fix mit der Kugelpfanne verbunden ist, und wobei das Kugelelement (90) ein Teil der Basisplattform (36) ist oder die Basisplattform (36) fix mit dem Kugelelement (90) verbunden ist.
Sphärischer Parallelmanipulator nach einem der Ansprüche 1-5, wobei das Luftlager (102) als Düsenluftlager oder Sinterluftlager ausgestaltet ist.
Sphärischer Parallelmanipulator nach einem der Ansprüche 1-6, wobei das Kugelgelenk (88) eine Krafterzeugungseinheit (114) aufweist, die dazu eingerichtet ist, eine Vorspannkraft auf das Kugelelement (90) auszuüben, welche einer von dem Luftlager (102) ausgeübten Kraft entgegenwirkt, um das Kugelelement (90) in dem Kugelgelenk (88) zu halten.
Sphärischer Parallelmanipulator nach Anspruch 7, wobei die Krafterzeugungseinheit (114) ein Federelement, einen Drucklufterzeuger (116), einen Unterdruckerzeuger (120) und/oder einen Magneten (122) aufweist.
Sphärischer Parallelmanipulator nach Anspruch 3, wobei das Kugelgelenk (88) einen Sensor (124) aufweist, der dazu eingerichtet ist, eine Größe eines Luftspalts (106) zwischen der Kugelpfanne (92) und dem Kugelelement (90), einen Durchfluss durch diesen Luftspalt (106) und/oder einen Druck in diesem Luftspalt (106) zu messen.
Sphärischer Parallelmanipulator nach einem der Ansprüche 1-9, der ferner einen Lagesensor (126) aufweist, der dazu eingerichtet ist, eine räumliche Lage des beweglichen Körpers (38) relativ zu der Basisplattform (36) zu messen.
Sphärischer Parallelmanipulator nach den Ansprüchen 3 und 10, wobei der Lagesensor (126) einen optischen Sensor (128) aufweist, der dazu eingerichtet ist, eine räumliche Lage des Kugelelements (90) relativ zu der Kugelpfanne (92) oder eine räumliche Lage der Kugelpfanne (92) relativ zu dem Kugelelement (90) zu messen.
Sphärischer Parallelmanipulator nach Anspruch 11, wobei der bewegliche Körper (38) mindestens eine Markierung (132) oder mindestens einen optischen Marker aufweist und der optische Sensor (128) dazu eingerichtet ist, die mindestens eine Markierung (132) oder den mindestens einen optischen Marker zu erfassen und basierend darauf die räumliche Lage des Kugelelements (90) relativ zu der Kugelpfanne (92) oder die räumliche Lage der Kugelpfanne (92) relativ zu dem Kugelelement (90) zu bestimmen.
Sphärischer Parallelmanipulator nach einem der Ansprüche 1-12, wobei der bewegliche Körper (38) eine Rotorplatte (39) und/oder ein Sensorelement (26) aufweist, das ein taktiles Tastelement, einen optischen Sensor, einen Magnetfeldsensor und/oder einen Rauheitssensor umfasst.
Schwenkeinrichtung (24, 32) für ein Messgerät, wobei die Schwenkeinrichtung (24, 32) einen sphärischen Parallelmanipulator (34) nach einem der Ansprüche 1-13 aufweist.
Messgerät (100) mit einer Schwenkeinrichtung (24, 32) gemäß Anspruch 14.