DE2515944C2

DE2515944C2 -

Info

Publication number: DE2515944C2
Application number: DE2515944A
Authority: DE
Inventors: Homer Leroy Balboa Calif. Us Eaton
Original assignee: EATON LEONARD TECHNOLOGIES Inc SAN MARINO CALIF US
Current assignee: Eaton Leonard Technologies Inc
Priority date: 1974-04-18
Filing date: 1975-04-11
Publication date: 1989-03-09
Also published as: US3944798A; JPS50147351A; DE2515944A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zum Bestimmen von geometrischen Werten im Raum, entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Meßvorrichtung ist aus der DE-OS 19 09 189 bekannt. Hierbei handelt es sich um eine Vorrichtung zum Bestimmen der Lage eines Punktes im Raum mit Hilfe von sphärischen Koordinaten oder Polar-Koordinaten. Zwischen einer Stütze (Meßtisch) und einem Meßkopf mit Meßspitze sind Verbindungsglieder angeordnet, die nach Art eines Kardangelenks um zwei winkelmäßig versetzte Achsen verschwenkbar sind, wobei an diesen Achsen zwei Winkelmeßeinrichtungen angeordnet sind. Da Polar-Koordinaten gemessen werden, muß zusätzlich zur Messung der beiden Drehwinkel noch eine Länge gemessen werden, wozu durch entsprechende Lagerungen eine lineare Führung des Meßstifts an einem Kardanglied vorgesehen ist. Die Längsbewegung des Meßstifts wird durch eine Abstandsmeßvorrichtung gemessen.

Diese bekannte Meßvorrichtung hat drei Freiheitsgrade oder Bewegungsmöglichkeiten, nämlich zwei Schwenkbewegungen und eine Linearbewegung. Mit diesen drei Bewegungsarten läßt sich nur die Koordinatenlage eines Punktes im Raum messen. Es ist nicht möglich, die Richtung einer Geraden oder eines Vektors im Raum mit einer einzigen Messung zu bestimmen. Wenn die Richtung einer Geraden oder die Richtung eines geraden Abschnitts, beispielsweise eines Rohres, bestimmt werden soll, müssen wenigstens zwei getrennte Messungen an zwei Punkten mit gegenseitigem Abstand längs der geraden Linie durchgeführt werden. Die Koordinaten der beiden getrennt gemessenen Punkte müssen dann zum Berechnen der Richtung der Geraden zwischen den beiden Punkten verwendet werden. Es läßt sich also nicht mit einer einzigen Direktmessung die Richtung einer Geraden im Raum bestimmen.

Aus der US-PS 31 00 346 ist eine Markiervorrichtung bekannt, die dazu ausgebildet ist, auf einer gekrümmten Oberfläche eine Markierung als Spur des Schnitts eines anderen Körpers mit dieser Oberfläche anzubringen. Hierzu wird ein Paar gegenseitig verdrehbar oder schwenkbar gelagerter Glieder verwendet, die einen Markierstift tragen. Auch lineare Bewegungen sind möglich. Es ist jedoch keine Lehre für eine dreidimensionale Messung eines Punktes oder einer Richtung nur durch Schwenkbewegungen (Winkelmessungen) gegeben.

Die US-PS 32 17 418 zeigt eine Vorrichtung mit einer komplexen Anordnung mehrerer Arme, wobei sowohl lineare als auch Drehbewegungen möglich sind. Diese Vorrichtung dient zur Überprüfung des Radius eines Gegenstands, beispielsweise einer konischen Oberfläche. Die linearen Längeneinstellungen der Arme werden durch Meßblöcke erzielt. Es werden jedoch keine Winkeleinstellungen individuell an verschiedenen Schwenkachsen erhalten oder gemessen. Der Winkel des Meßarms in bezug auf die Bezugsoberfläche oder die Stütze wird entweder getrennt eingestellt oder durch Verwendung eines Sinuslineals gemessen, und erst nachdem dieser Winkel eingestellt oder festgelegt ist, kann die Messung des Radius ausgeführt werden.

Mit der Vorrichtung nach der US-PS 35 45 089 sollen zwar Messungen der gleichen Art wie bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden, nämlich beispielsweise Messungen an gebogenen Rohren. Bei dieser bekannten Vorrichtung handelt es sich jedoch um eine umständliche und unvollkommene Lösung mit einer komplexen Vorrichtung, die viele verschiedene Einstellungen und individuelle Messungen erfordert. Es werden einzelne Messungen vorgenommen, aus denen Daten abgeleitet werden, um danach das Biegen anderer Rohre entsprechend einem Musterrohr zu ermöglichen, oder es können Inspektionen bereits gebogener Rohre zum Vergleich mit einem Musterrohr vorgenommen werden. Insgesamt handelt es sich um eine umständliche, wenig wirksame und rein mechanisch mehrfach einzustellende Meßeinrichtung.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung der eingangs genannten bekannten Art derart auszubilden, daß durch eine einzige Messung eine direkte Bestimmung einer Richtung im Raum in bezug auf ein Koordinatensystem bzw. in bezug auf einen Nullpunkt möglich ist, wobei gleichzeitig wahlweise auch eine Bestimmung der Koordinaten eines Punktes im Raum in bezug auf dieses Koordinatensystem möglich sein soll.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.

Mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung werden ausschließlich Winkel gemessen und keine Längen. Der Meßkopf wird automatisch auf die zu messende Richtung eingestellt, so daß sich fünf bestimmte Schwenkwinkel ergeben, die ausgelesen und aufgrund mathematischer Beziehungen ausgewertet werden können, um die gemessene Richtung auszudrücken. Anstelle der gemessenen Richtung oder zusätzlich hierzu läßt sich aus den fünf Schwenkwinkeln, die sich in der Meßstellung ergeben, auch die räumliche Lage des Meßpunkts in dem jeweiligen Bezugssystem ermitteln. Der Vorteil der Erfindung besteht also darin, daß durch eine einzige Messung an einer einzigen Stelle unmittelbar fünf Drehwinkel und damit fünf Signale ermittelt werden, die gemeinsam entweder eine Richtung oder eine Koordinatenlage im dreidimensionalen Raum festlegen.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung weist einen besonders einfachen konstruktiven Aufbau mit vielseitiger Einsatzmöglichkeit auf, so daß die Vorrichtung flexibel auch dann einsetzbar ist, wenn sie ausschließlich zum Messen der Lage von Punkten im Raum eingesetzt wird. Mit der durch die fünf Schwenkachsen gegebenen Flexibilität kann der Meßkopf an Meßpunkte bewegt werden, die beispielsweise innerhalb eines auszumessenden Gegenstands oder auf einander gegenüberliegenden Seiten eines Gegenstands liegen, einschließlich der von dem Nullpunkt des Bezugssystems abgewandten Seite des Gegenstands. Ferner kann durch die Ausbildung des Geräts nur zur Winkelmessung statt auch zur Längenmessung die Vorrichtung sehr genau mit geringen Kosten hergestellt werden, da Präzisions-Winkelmeßvorrichtungen billiger und leichter herzustellen sind als lineare Meßvorrichtungen. Die letzteren würden zwischengeschaltete Getriebe oder Gelenkverbindungen benötigen, um eine lineare Bewegung in eine Drehbewegung umzuwandeln. Der bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung drehbeweglich angeordnete Meßkopf kann direkt an den zu messenden Gegenstand angelegt werden, ohne daß für die Übertragung der Winkelbewegung des Meßkopfs auf die Winkelmesser zusätzliche Getriebe oder Hebelanordnungen zwischengeschaltet werden müssen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer fünfachsigen Meßvorrichtung.

Fig. 2 zeigt die geometrischen Größen, um den zu messenden Vektor in bezug auf ein Bezugskoordinatensystem zu definieren.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 1.

Fig. 4, 5 und 6 zeigen Schnitte längs der Linien 4-4, 5-5 bzw. 6-6 der Fig. 3.

Fig. 7 zeigt einen Schnitt längs der Linie 7-7 der Fig. 1.

Fig. 8 ist eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines Meßkopfes.

Fig. 9 zeigt einen Schnitt längs der Linie 9-9 der Fig. 8.

Fig. 10 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Auslesesteuerung der Winkelmesser.

Fig. 11 zeigt ein Blockdiagramm mit weiteren Einzelheiten der Winkelmesserauslese und Berechnung.

Fig. 12 zeigt eine fünfachsige Meßvorrichtung mit einem optischen Meßkopf.

Fig. 13 zeigt eine Meßvorrichtung mit einem auswechselbaren Meßkopf und sechs Achsen.

Fig. 14 und 15 zeigen Meßköpfe, die besonders zum Richtungsmessen von ebenen Oberflächen geeignet sind.

Fig. 16 und 17 zeigen weitere Ausbildungsformen von Meßköpfen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in vielfältiger Weise zum Messen dort angewendet werden, wo die Richtung und/oder die Lage eines Vektors bestimmt werden soll. Das Messen eines Vektors kann beim Ausrichten und Anordnen von Bauteilen und Vorrichtungen beim Zusammenbauen eingesetzt werden, um deren richtige Ausrichtung sicherzustellen. Das Messen eines Vektors kann auch dafür verwendet werden, um Herstellungsdaten dadurch zu erhalten, daß Richtungen und Lagekoordinaten eines Musters oder Modells, wie z. B. eines gebogenen Musterrohres, gemessen werden. Ferner kann das Messen von Richtungen bei der Kontrolle von zusammengesetzten Teilen verwendet werden. Ebenso kann es dazu dienen, Messungen an Teilen verschiedener gerader, gekrümmter und ebener Formen durchzuführen, um diese mit vorgegebenen Maßen einer Zeichnung oder Berechnung zu vergleichen.

Eine wichtige Anwendung besteht im Messen eines gebogenen Musterrohres, um Meßdaten zu erhalten, die anschließend dem Biegen anderer Rohre zugrunde gelegt werden, damit diese mit dem Musterrohr übereinstimmen.

Gemäß Fig. 1 ist ein gebogenes Musterrohr 10 an einer Stütze in einer Halterung oder auf einem Arbeitstisch 12 mit Hilfe von zwei Klammern 14 und 16 fest angeordnet. Diese können entfernt werden, sind jedoch z. B. mit einem Saugfuß oder ähnlichem (nicht dargestellt) an erwünschten Stellen auf dem Tisch 12 angeordnet. Auf diese Weise kann das Rohr 10 auf dem Tisch in einer erwünschten Ausrichtung oder Lage befestigt werden. Für viele Zwecke, unter anderem für die Kontrolle und Herstellung, ist es wünschenswert, kennzeichnende Größen des Rohres 10 zu messen. Zu diesen Größen gehören die Längen der geraden Abschnitte S₁, S₂, S₃, S₄ und S₅, der Winkel zwischen aneinander anschließenden geraden Abschnitten, die Gesamtlänge des Rohres von einem Ende zum anderen und die Ebene der Rohrkrümmungen B₁, B₂, B₃ und B₄. Diese Größen, nachdem sie für verschiedene Rückfederungsarten und andere Faktoren korrigiert worden sind, können verwendet werden, die Steuergrößen für eine automatische Rohrbiegemaschine zu liefern, oder sie können in einen Computer eingegeben werden, um die Genauigkeit der hergestellten Vorrichtungen zu überprüfen.

Die Informationen für diese Berechnungen können genau, schnell, einfach und mit einer sehr geringen Möglichkeit, daß Fehler auftreten, mittels einer fünfachsigen Meßvorrichtung gemäß Fig. 1 erhalten werden. Es ist bekannt, daß die verschiedenen Größen, die in bezug auf das Musterrohr 10 definiert sind, aufgrund der Werte berechnet werden können, durch die die Richtung eines jeden geraden Rohrstückes S₁, S₂, S₃, S₄, S₅ und die Lage der Rohrenden definiert sind. Beispielsweise können, ausgehend von den Werten, durch die Vektoren, die mit den Achsen der verschiedenen geraden Rohrstücke übereinstimmen, bestimmt sind, die Winkel zwischen aufeinanderfolgenden Vektoren und die Ebenen der verschiedenen Rohrkrümmungen aufgrund von trigonometrischen Beziehungen berechnet werden. Die Längen der geraden Rohrstücke und die gesamte Länge des gebogenen Rohres können ebenso aufgrund der gemessenen Richtungen der geraden Abschnitte und der Lage der Rohrenden berechnet werden, wenn es notwendig oder wünschenswert erscheint.

Gemäß der beschriebenen Ausführungsform ist jeder der Vektoren, der mit einem entsprechenden geraden Rohrstück übereinstimmt, vollkommen durch eine einzige Messung bestimmt, oder, genauer ausgedrückt, durch einen einzigen Meßvorgang, der mit Hilfe der dargestellten fünfachsigen Meßvorrichtung vorgenommen wird.

Die Meßvorrichtung gemäß Fig. 1 hat ein erstes Verbindungsglied oder eine erste Verbindung 20, die auf dem Tisch 12 um eine erste Achse A drehbar angeordnet ist. Eine zweite Verbindung 22 ist um eine zweite Achse B verschwenkbar mit der ersten Verbindung 20 verbunden, wobei die zweite Achse senkrecht zur Achse A ist. Eine dritte Verbindung 24 ist um eine dritte Achse C verschwenkbar mit der zweiten Verbindung 22 verbunden. In der dritten Verbindung 24 ist eine vierte Verbindung 26 drehbar um eine vierte Achse D angeordnet, wobei diese senkrecht zur Achse C verläuft und mit der Achse der dritten Verbindung 24 zusammenfällt (siehe Fig. 3). An der vierten Verbindung 26 ist eine fünfte Verbindung 28 angeordnet, die um eine fünfte Achse E, welche senkrecht zur vierten Achse D ist, gedreht werden kann. Die zweite, dritte und fünfte Verbindung 22, 24, 28 kann um nahezu 360° relativ zur anschließenden Verbindung gedreht werden. Die erste Verbindung 20 kann um volle 360° in bezug auf ihre Stütze 12 und die vierte Verbindung 26 um volle 360° in bezug auf die dritte Verbindung 24 verdreht werden. Auf diese Weise kann mit einer relativ kleinen Meßeinrichtung ein wesentlich größerer Gegenstand vermessen werden.

An der fünften Verbindung 28 ist ein Meßkopf 30 angeordnet, der relativ zu dieser fest ausgerichtet ist. Der Meßkopf 30 hat eine V-förmige Nut, die unmittelbar auf Abschnitten des Rohres 10 reitet, wodurch eine vorgegebene Winkelbeziehung zwischen dem Meßkopf und der zu messenden Richtung definiert wird. So hat der Meßkopf 30, oder genauer die mit dem Rohr in Eingriff stehende V-förmige Nut, eine feste Orientierung in bezug auf die fünfte Verbindung 28. Wenn die Nut mit dem Rohr, dessen Richtung gemessen werden soll, in Berührung steht, verläuft sie in einer Richtung, die genau parallel zu der zu bestimmenden Richtung ist. Man kann sagen, daß die V-förmige Nut eine Richtungsachse des Meßkopfes 30 bestimmt. Diese Richtungsachse hat eine vorgegebene Winkelbeziehung zu der zu messenden Richtung, um eine Richtungsmessung ausführen zu können. Um das dargestellte Rohr 10 ganz auszumessen, wird der Meßkopf 30 von Hand an fünf aufeinanderfolgende Stellen mit dem Rohr in Berührung gebracht, wobei die V-förmige Nut auf dem Rohr reitet und dieses berührt. Für jeden geraden Abschnitt müssen nur eine Berührung und eine Messung ausgeführt werden. Die erste Messung wird dadurch ausgeführt, daß der Meßkopf am Ende des geraden Abschnitts S₁ aufgesetzt wird. Wenn der Meßkopf mit dem Rohr in Berührung gebracht wird, richtet sich automatisch die Richtungsachse des Meßkopfs parallel zur Rohrachse aus, und die Richtungsmessung ist bereits abgeschlossen. Anschließend wird der Meßkopf von dem geraden Abschnitt S₁ fortbewegt und aufeinanderfolgend mit jedem der Zwischenabschnitte S₂, S₃ und S₄ in Berührung gebracht. Bei der letzten Messung wird eine Berührung mit dem Endabschnitt des letzten geraden Abschnitts S₅ hergestellt, wobei die Richtungsachse des Meßkopfs ausgerichtet wird. Beim Messen der geraden Abschnitte S₂, S₃ und S₄ können die Koordinaten irgendeines Punktes auf dem geraden Abschnitt gemessen werden, da nur die Richtung der Rohrachse und die Lage eines Punktes auf der Achse von Bedeutung oder für die Rechnungen erforderlich sind. Jedoch müssen beim Messen der geraden Abschnitte S₁ und S₅ sowohl die Richtung der Rohrachse als auch die Koordinaten eines Punktes der Achse am Ende des Rohres bestimmt werden. Beim Messen des geraden Abschnitts S₁ wird der Meßkopf 30 in seiner Meßrichtung angeordnet, wobei die V-förmige Nut auf dem Rohr reitet und mit ihm in Berührung steht, wodurch die Nut (und die Richtungsachse des Kopfes) genau parallel zur Achse des geraden Abschnittes ausgerichtet wird. Ferner wird eine Endfläche, beispielsweise die Fläche 32 des Meßkopfes, zum freien Ende des geraden Abschnitts S₁ ausgerichtet (in einer Ebene senkrecht zur Achse des geraden Abschnittes), wenn der gerade Abschnitt S₁ gemessen wird. Da der Abstand zwischen der Fläche 32 und der Achse der fünften Verbindung 28 bekannt ist, werden so die Koordinaten des Endes des geraden Abschnitts S₁ gemessen. Ähnliches gilt für die Messung des geraden Abschnitts S₅, wobei die gegenüberliegende Fläche des Meßkopfes 30, d. h. die Fläche, die gemäß Fig. 1 näher an der ersten Verbindung 20 liegt, mit dem freien Ende des geraden Abschnitts S₅ ausgerichtet wird (in einer Ebene senkrecht zur Achse des geraden Abschnitts S₅), wodurch die letzte oder fünfte Verbindung 28 in eine Lage gebracht wird, um die Koordinaten des Endes des geraden Abschnittes und die Richtung der Achse dieses Abschnittes zu messen. Mit anderen Worten können die Endflächen des Meßkopfes verwendet werden, um die Lage eines Punktes (Schnitt der Rohrachse und der Ebene des Rohrendes) zu bestimmen, der in bezug auf den Meßkopf in fester Beziehung steht.

Um das Rohr auszumessen, ist es so nur notwendig, den Meßkopf an fünf aufeinanderfolgenden, verschiedenen Stellen mit dem Rohr in Berührung zu bringen und zu den geraden Abschnitten auszurichten. In jeder Meßlage wird der Meßwert und genauer die durch die Richtungsachse des Meßkopfes bestimmte Meßrichtung (durch eine noch näher zu beschreibende Einrichtung) angegeben, und die verschiedenen Winkel der fünf Verbindungen werden ausgelesen, um sie sichtbar zu machen, aufzuzeichnen oder unmittelbar in Realzeit die gemessenen Vektoren auszurechnen.

Bei jeder Messung einer Richtung und/oder Koordinate eines Punktes werden fünf Winkel ausgelesen. Diese Winkel sind die Drehwinkel der verschiedenen Verbindungen um die fünf Achsen A, B, C, D und E. Mit einem ersten Winkelmeßwandler wird der Drehwinkel der ersten Verbindung 20 relativ zum Tisch 12 bestimmt. Mit einem zweiten Winkelmeßwandler wird der Drehwinkel der Verbindung 22 relativ zur Verbindung 20 gemessen. Ein dritter, vierter und fünfter Winkelmeßwandler dient zum unabhängigen Messen der Drehung der dritten, vierten und fünften Verbindung relativ zur zweiten, dritten bzw. vierten Verbindung. Für die Winkelmeßwandler kann man irgendeinen bekannten Wandler verwenden, der eine Winkellage als Eingabe in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt, das entweder schrittweise oder addierend die gemessene Winkeländerung darstellt. Diese elektrischen Signale stellen die verschiedenen Winkel dar und definieren insgesamt zusammen mit den bekannten Längen der verschiedenen Verbindungen sowohl die Richtungswinkel oder Richtungskosinus der Richtungsachse des Meßkopfes als auch seine Koordinatenlage. Richtungskosinus und Koordinatenlage sind in bezug auf ein Bezugskoordinatensystem definiert, dessen X- und Y-Achse in einer Ebene parallel zum Tisch 12 liegen und dessen Z-Achse senkrecht zur X-Y-Ebene und parallel zur Drehachse A verläuft.

Selbst wenn nur die Richtung (aber nicht die Lagekoordinaten) gemessen werden soll, kann es notwendig sein, sowohl eine translatorische als auch eine Winkelverschiebung des Meßkopfes vorzunehmen, da die zu messenden verschiedenen Vektoren nicht alle durch einen einzigen Punkt gehen. Bei der beschriebenen Einrichtung werden nur Drehbewegungen durchgeführt, um sowohl translatorische als auch Winkelverschiebungen zu erzielen. Zu den Drehbewegungen können jedoch auch Nicht-Drehbewegungen hinzugefügt werden, wenn dieses notwendig oder erwünscht ist, um eine größere Flexibilität beim Einstellen des Meßkopfes zu erzielen.

Die mathematischen Beziehungen

Anhand der Fig. 2 wird dargestellt, auf welche Weise durch die fünf Winkel A, B, C, D und E sowohl die Lage als auch die Richtung des Vektors in bezug auf ein Bezugskoordinatensystem bestimmt wird. Mit A wird der Drehwinkel der Verbindung 20 um die Achse A bezeichnet, mit B der Drehwinkel der Verbindung 22 um die Achse B usw. In der geometrischen Darstellung der Fig. 2 sind die Verbindungen 20 und 22 durch die entsprechenden Strecken mit den Längen L₁ und L₂ (die Längen der Verbindungen) und die Verbindungen 24 und 26 durch die einzige Strecke mit der Länge L₃ dargestellt. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die zwei Verbindungen, nämlich die Verbindung 24 mit der Drehachse C und die Verbindung 26, die in der Verbindung 24 um die Achse D drehbar angeordnet ist, gleich groß. Die Verbindung 28, mit der der Meßkopf 30 fest verbunden ist, ist durch die Strecke L₄ dargestellt. Der Abstand L₄ in Fig. 2 entspricht nicht der wahren Länge der Verbindung 28, sondern der wirklichen Länge der Verbindung 28 plus dem Abstand von der Mittellinie des zu messenden Rohres. Oder anders ausgedrückt, die Länge L₄ ist gleich dem Abstand von der Achse E zu dem Punkt, an dem der Vektor gemessen werden soll.

Mit h ist der Abstand zwischen den Punkten 40 und 41 auf der Geraden 20, mit j der Abstand zwischen den Punkten 40 und 42 der gleichen Geraden und mit m der Abstand zwischen dem Punkt 42 und dem Punkt 43 bezeichnet, der auf der Achse B liegt. Die Gerade 20 stellt die Verbindung 20 und die Achse A dar. Der Punkt 43 entspricht der Achse B. Die Gerade 24, 26 stellt die Achse D, der Punkt 44 die Achse C, der Punkt 45 die Achse E und der Punkt 46 den Schnittpunkt zwischen einer Linie n dar, die senkrecht zur Achse A und durch die Achse C verläuft, und einer Senkrechten zur Geraden n-k, die durch die Achse E hindurchgeht. n entspricht dem Abstand zwischen den Punkten 42 und 46, k dem Abstand zwischen den Punkten 46 und 44 und r dem Abstand zwischen den Punkten 41 und 45.

In Fig. 2 sind neben dem Meßkopf 30 ein Vektor V und ein Punkt 47 dargestellt, dessen Richtung bzw. Koordinaten bestimmt werden sollen. Bei Messungen an dem gebogenen Rohr gemäß Fig. 1 ist der Vektor V zur Achse des Rohres ausgerichtet und mit dieser in Übereinstimmung gebracht. Alle Messungen werden in dem Bezugskoordinatensystem erhalten, das oben beschrieben worden ist und dessen Z-Achse mit der Achse A übereinstimmt und dessen Achsen X und Y senkrecht zueinander und zur Z-Achse sind und sich in dem Punkt 40 schneiden.

Bei den folgenden Bewegungen werden die Richtungskosinusse und Koordinaten eines Punktes auf dem Vektor V zuerst in einem ersten gedrehten Koordinatensystem, daraufhin in einem zweiten gedrehten Koordinatensystem und dann in zwei weiteren, verschobenen Koordinatensystemen berechnet, von denen das letzte Koordinatensystem das Bezugssystem selbst ist.

Es wird ein erstes gedrehtes Koordinatensystem X′′′′, Y′′′′, Z′′′′ gewählt, in dem Z′′′′ mit der Achse D der fünfachsigen Meßeinrichtung zusammenfällt. Y′′′′ ist parallel zur Achse C und geht durch den Schnittpunkt der Achsen D und E. X′′′′ steht senkrecht auf Y′′′′ und Z′′′′. In diesem Koordinatensystem sind α ′′′′, β ′′′′ und γ ′′′′ die Richtungskosinusse oder Richtungswinkel des unbekannten Vektors V und x′′′′, y′′′′ und z′′′′ die Koordinaten des Punktes 47 auf dem Vektor V. Es gelten folgende geometrische Beziehungen:

α ′′′′ = cos D sin E
β ′′′′ = sin D sin E
cos γ ′′′′ = cos E
x′′′′ = L₄ cos E cos D
y′′′′ = L₄ cos E sin D
z′′′′ = -L₄ sin E
∡F = 180° - (B+C),

wobei F den Winkel zwischen der D-Achse und der Geraden zwischen den Punkten 45 und 46 bedeutet.

Der erste Schritt bei der Transformation besteht darin, daß das Koordinatensystem X′′′′, Y′′′′, Z′′′′ um den Winkel F um die Y′′′′-Achse gedreht wird, um das zweite gedrehte Koordinatensystem X′′′, Y′′′, Z′′′ zu erhalten. Die Richtungskosinusse und Koordinaten α ′′′, β ′′′, γ ′′′ und x′′′, y′′′, z′′′ im Koordinatensystem X′′′, Y′′′, Z′′′ ergeben sich zu

α ′′′ = α ′′′′ cos F+γ ′′′′ sin F
β ′′′ = β ′′′′
γ ′′′ = -α ′′′′ sin F γ ′′′′ cos F
x′′′ = x′′′′ cos F+z ′′′′ sin F
y′′′ = y′′′′
z′′′ = -x′′′′ sin F+Z′′′′ cos F.

Nun wird das gedrehte Koordinatensystem X′′′, Y′′′, Z′′′ um einen Winkel A um die Z′′′-Achse gedreht, um ein erstes verschobenes Koordinatensystem X′′, Y′′, Z′′ zu erhalten, bei dem die Achsen X′′, Y′′, Z′′ parallel zu den Achsen X, Y, Z des Bezugskoordinatensystem sind. In diesem dritten gedrehten System wird der Vektor V durch die Richtungskosinusse α ′′, β ′′, γ ′′ und x′′, y′′, z′′ ausgedrückt.

α ′′ = α ′′′ cos A-β ′′′ sin A
β = α ′′′ sin A+β ′′′ cos A
γ ′′ = γ ′′′
x′′ = x′′′ cos A-y′′′ sin A
y′′ = x′′′ sin A+y′′′ cos A
z′′ = z′′′.

Nun wird der Ursprung des ersten verschobenen Koordinatensystems X′′, Y′′, Z′′ in der X′′, Y′′-Ebene um die Strecke r zu der Z-Achse des Bezugssystems verschoben, um ein zweites verschobenes Koordinatensystem X′, Y′, Z′ zu erhalten, in dem der Ursprung des Systems X′′, Y′′, Z′′ die Koordinaten x′₀ und y′₀ hat, wobei x′₀=r cosA und y′₀=r sinA sind. Ferner gilt:

m = L₂ cos B
n+k = L₂ sin B
k = L₃ sin F
r = n = L₂ sin B-k = L₂ sin B-L₃ sin F.

Ferner gilt:

x′₀ = (L₂ sin B-L₃ sin F) cos A
y′₀ = (L₂ sin B-L₃ sin F) sin A.

Die Koordinaten des Punktes 47 in dem verschobenen Koordinatensystem X′, Y′, Z′ ergeben sich zu x′=x′′+(L₂ sin B-L₃ sin F) cos A, y′=y′′+(L₂ sin B-L₃ sin F) sin A und z′′′=z′′.

Schließlich wird der Ursprung des Koordinatensystems X′, Y′, Z′ längs der übereinstimmenden Z′- und Z-Achsen um die Strecke h verschoben, um das Bezugskoordinatensystem X, Y, Z zu erhalten, wobei h=L₁-m-j=L₁ cos B-L₃ cos F.

Die Koordinaten des Punktes 47 im Bezugskoordinatensystem ergeben sich zu:

x = x′
y = y′
z = z′+L₁-L₂ cos B-L₃ cos F.

Wie bereits erwähnt, sind die Richtungskosinusse α, β, γ des Vektors V im Bezugssystem X, Y, Z

α = α ′′
β = β ′′
γ = γ ′′.

Setzt man in obige Gleichungen die Endwerte der Richtungskosinusse und der Lagekoordinaten des Punktes 47 ein, so erhält man für sie im Bezugskoordinatensystem X, Y und Z folgende Werte:

α = (cos D sin E cos F+E sin F) cos A-sin D sin E sin A
β = sin A (cos D sin E cos F+E sin F)+sin D sin E cos A
γ = E cos F-cos D sin E sin F
x = (L₄ cos E cos D cos F-L₄ sin E sin F) cos A -(L₄ cos E sin D) cos A+(L₂ sin B-L₃ sin F) cos A
y = [L₄ cos E cos D cos F-L₄ sin E sin F] sin A +(L₄ cos E sin D) cos A+(L₂ sin B-L₃ sin F) sin A
z = -L₄ cos E cos D sin F-L₄ sin E cos F+L₁ -L₂ cos B-L₃ cos F.

Konstruktionsaufbau

Gemäß den Fig. 1-9 wird die erste Verbindung 20 der Meßeinrichtung fest durch eine Säule 50 (Fig. 7) gehalten, die aufrecht und fest auf dem Tisch 12 angeordnet ist. An ihren Enden sind Kugellager 51 und 52 angeordnet, in denen eine erste Rohrverbindung 54 drehbar gelagert ist. Am unteren Ende der Verbindung 54 ist eine Fortsetzung 56 befestigt, an der ein Antriebszahnrad 58 angeordnet ist, welches mit einem angetriebenen Zahnrad 60 eines ersten Winkelmeßwandlers 62 kämmt, der an dem Tisch 12 befestigt ist.

Am oberen Ende der drehbaren Verbindung 54 ist eine obere Fortsetzung 64 mit einem fest verbundenen Endteil 66 angeordnet, in dem ein zweiter Winkelmeßwandler 68 befestigt ist. Der Wandler 68 hat ein Eingangszahnrad 70, das mit einem Zahnrad 72 kämmt, welches mit einem Drehblock 74 verbunden ist, an dem eine zweite Verbindung 76 fest angeordnet ist. Der Drehblock 74 ist am Endteil 66 um die Achse B drehbar gelagert. Die Einzelheiten dieser Lagerung sind im wesentlichen die gleichen, wie die, die im Zusammenhang mit der Drehverbindung zwischen den Verbindungen 76 und 84 um die Achse C beschrieben werden, wie es näher in Fig. 3 dargestellt ist.

Gemäß Fig. 1 und 3 ist an der zweiten, rohrförmigen Verbindung 76 ein Endteil 78 fest angeordnet, an dem mit Lagern 80 ein Drehblock 82 gelagert ist, an welchem eine dritte, rohrförmige Verbindung 84 um die Achse C drehbar befestigt ist. An dem Drehblock 82 ist ein Zahnrad 86 fest angeordnet, das mit einem Eingangszahnrad 88 eines dritten Winkelmeßwandlers 90 (Fig. 4) kämmt, der von dem Endteil 78 der zweiten, rohrförmigen Verbindung 76 getragen wird.

Die dritte Verbindung 84 hat einen Endteil 94, an dem ein vierter Winkelmeßwandler 96 angeordnet ist, dessen Eingangszahnrad 98 von einem Zahnrad 99 angetrieben wird.

In der dritten Rohrverbindung 84 ist eine vierte Verbindung 100 drehbar um die Achse D, die zur Achse der dritten Verbindung 84 ausgerichtet ist, gelagert. Die Verbindung 100 ist koaxial innerhalb der Verbindung 84 angeordnet, wobei ihr Endstück 94 durch Lager 102 und 104 gehalten wird. An dem anderen, fest mit der Verbindung 100 verbundenen Endstück 106 ist das Zahnrad 99 angeordnet, das den Meßwandler 96 antreibt. Ferner ist an dem Endstück 106 ein fünfter Winkelmeßwandler 108 befestigt, der ein Antriebszahnrad 110 hat, welches durch ein Zahnrad 112 angetrieben wird. Das Zahnrad 112 ist an einem verschwenkbaren Teil 114 befestigt, der an einer fünften Rohrverbindung 116 angeordnet ist. Der verschwenkbare Teil 114 der Verbindung 116 ist an dem Endteil 106 der vierten Verbindung 100 um die Achse E verschwenkbar in Lagern 118 gehalten.

An der letzten oder fünften Verbindung 116 ist der Meßkopf 30 fest angeordnet, dessen äußeres Ende eine V-förmige Nut 120 hat, die reiterartig mit einem Abschnitt des Rohres 10, dessen Richtung gemessen werden soll, in Berührung gebracht werden kann, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Der Meßkopf 30 hat einen von Hand zu betätigenden Steuerknopf 122, dessen Zweck später beschrieben wird. Der Meßkopf 30 und die fünfte Verbindung 116 sind sicher, jedoch lösbar mit dem verschwenkbaren Teil 114 mittels einer mit Gewinde versehenen Hülsenanordnung 115 verbunden.

Gemäß Fig. 8 und 9 hat der Meßkopf 30 einen Hauptteil 124, an dem vier gegeneinander isolierte und in Abstand angeordnete elektrische Kontaktelemente 125, 126, 127, 128 vorhanden sind, die Kontaktkanten 125 a, 126 a, 127 a und 128 a haben. Die Kontaktkanten sind so ausgestaltet, daß mit der äußeren Oberfläche des metallenen Rohres 10 ein elektrischer Kontakt hergestellt werden kann. Die Flächen 125 a-128 a dienen als Ausrichtflächen zur Orientierung des Kopfes in seiner Meßrichtung und definieren auch die Richtungsachse des Kopfes. Sie sind so ausgerichtet und angeordnet, daß, wenn alle vier mit der Außenfläche eines Zylinders, wie z. B. eines Rohres 10, in Eingriff stehen, die Richtungsachse des Meßkopfes eine bekannte Winkelbeziehung in bezug auf die Zylinderachse hat. Genauer gesagt, der Kopf ist genau parallel zur Zylinderachse ausgerichtet. Die vier elektrischen Kontaktelemente 125-128 sind mit einer elektrischen Schaltung verbunden, die in Fig. 11 schematisch dargestellt ist. Diese Schaltung wird genauer beschrieben, wenn die Fig. 11 behandelt wird. Die Schaltung gibt an, wenn die Meßrichtung vorliegt, wobei alle vier Kontaktelemente mit dem Rohr in Eingriff stehen.

Die verschiedenen Winkelmeßwandler sind normale Winkelmeßeinrichtungen, wie z. B. Drehwandler oder Winkelkoordinatenwandler, die in Abhängigkeit von der Winkeländerung ein elektrisches Ausgangssignal erzeugen. Die von den fünf Winkelmeßwandlern 62, 68, 90, 96 und 108 erhaltenen elektrischen Ausgangssignale sind Signale, die die Winkel A, B, C, D und E in den oben beschriebenen Gleichungen darstellen. Die verschiedenen Abstände sind vorgegeben, und der Winkel F kann leicht errechnet werden, da er gleich 180°-(B+C) ist, wie es sich aus der geometrischen Darstellung gem. Fig. 2 ergibt.

Auf dem Arbeitstisch 12 ist ein Bezugs- oder Eichzylinder 130 (Fig. 1) angeordnet, der in bezug auf das Bezugskoordinatensystem eine feste Lage und Orientierung hat. Wenn der Meßkopf mit der Außenfläche des Eichzylinders 130 in Eingriff steht, können die Winkelwerte der verschiedenen Winkelmeßwandler Null sein oder einen anderen Bezugswert haben. Die Einrichtungen zum Aufnehmen oder elektronischen Akkumulieren der Winkelwerte der verschiedenen Winkelmeßwandler können exakt auf Null gestellt werden oder können auf Null zurückgesetzt werden, wenn der Meßkopf die durch den Eichzylinder 130 vorgegebene Bezugsausrichtung hat, wie es näher in Zusammenhang mit der Fig. 11 beschrieben wird.

Auslesebedingungen

Man sieht, daß die elektrischen Ausgangssignale von jedem der fünf Meßwandler fortwährend zur Verfügung stehen, wobei deren angezeigte Werte sich ändern, wenn eine Verbindung bewegt wird, an der sich ein Meßwandler befindet. Diese Signalwerte können natürlich mittels geeigneter Skalen oder Meßinstrumente entweder analog oder digital visuell abgelesen werden, oder sie können auch unmittelbar in analoger oder digitaler Form aufgezeichnet und später wiedergegeben werden. Ferner können die Signale direkt in einen Rechner wie z. B. einen Analog- oder Digitalcomputer zur Berechnung eingegeben werden. Die erwünschte Berechnung kann entweder von Hand oder durch einen Digital- oder Analogcomputer ausgeführt werden, wobei die von den Meßwandlern abgegebenen Ausgangswinkel A, B, C, D und E gemäß den verschiedenen, bereits angegebenen Gleichungen verwendet werden, um die Koordinaten x, y und z des Punktes auf dem zu messenden Vektor (wenn die Punktkoordinaten erwünscht werden) und die Richtungskosinusse α, β und γ zu erhalten. Alle diese Werte werden in dem Bezugskoordinatensystem X, Y und Z berechnet. Wie bereits erklärt wurde, definieren die gemessenen und von den Meßwandlern direkt ausgelesenen Winkel A, B, C, D und E zusammen sowohl die Richtung als auch die Lage des Vektors in dem Bezugssystem X, Y, Z, wenn die Längen der festen Verbindungen der gelenkigen Meßeinrichtung berücksichtigt werden.

Man braucht nur den Meßkopf in einer festen Winkelbeziehung zu einer Geraden auszurichten, die selbst in bezug auf den zu messenden Gegenstand zu diesem eine feste Winkelbeziehung hat, woraufhin die Ausgangssignale der Winkelmeßwandler ausgelesen werden. Trotzdem ist es möglich, daß der Meßkopf nicht die erwünschte Ausrichtung hat oder sich noch bewegt, wenn die Winkel ausgelesen werden, insbesondere wenn die gelenkigen Verbindungen von Hand bedient werden. Demgemäß kann eine verbesserte Winkelauslesung erzielt werden, wenn die Winkelauslesung in Übereinstimmung mit einer oder mehreren verschiedenen vorgegebenen Bedingungen mit einer Torschaltung ausgerüstet wird. Eine erste Bedingung besteht darin, daß die gewünschte Meßrichtung oder Lage des Meßkopfes erreicht worden ist. Als zweite Bedingung sollte die Geschwindigkeit des Meßkopfes 0 sein. Da die Messung eine von mehreren schnell durchzuführenden Messungen sein kann, wird sie vorzugsweise dann durchgeführt, wenn sich der Meßkopf nicht mehr bewegt.

Obgleich es möglich ist, alle Winkel parallel auszulesen, wird es häufig bevorzugt, die fünf Winkel nacheinander z. B. mit einem Multiplexer auszulesen. Demgemäß ist eine dritte Bedingung, wenn nacheinander die Winkel ausgelesen werden, daß die Geschwindigkeit während einer Zeit 0 ist, die wenigstens dazu ausreicht, einmal die fünf Winkel auszulesen. Man sieht sofort, daß zwei oder mehrere volle Auslesezyklen von jedem der fünf Winkel die Genauigkeit erhöht. In bezug auf die letzte Bedingung muß während einer ausreichenden Zeit die Geschwindigkeit Null sein und sich der Meßkopf in seiner Meßausrichtung während einer Zeit befinden, die ausreicht, um wenigstens fünf aufeinanderfolgende Auslesungen der Winkel zu erlauben.

Wenn der Meßkopf von Hand in seine Meßrichtung und -lage von einer Bedienungsperson gebracht wird, ist es wünschenswert, daß die Bedienungsperson angeben kann, wann ausgelesen werden soll. Infolgedessen besteht eine vierte Bedingung darin, daß die Bedienungsperson ein Auslesesignal geben kann.

Dies kann in geeigneter Weise in der Form eines von Hand zu betätigenden Druckschalters erfolgen, der von der Bedienungsperson betätigt wird, wenn sich der Meßkopf seiner Meßlage und -richtung nähert. Dieses Auslesesignal sollte betätigt werden, bevor die Meßlage und -richtung eingenommen worden sind, so daß die Auslese zu Beginn des Auftretens aller anderen Bedingungen erfolgt. Dadurch wird die Möglichkeit verhindert, daß der Meßkopf zu stark gegen eine federnde oder verformbare Oberfläche gedrückt wird, so daß letztere aus ihrer wahren Lage ausgelenkt wird, bevor das Lesesignal gegeben worden ist.

Bei manchen Gelegenheiten, wie z. B. dann, wenn die Winkelmeßwandler Ausgangssignale abgeben, die Bruchteile einer einzigen Umdrehung darstellen, und andere zusätzliche Einrichtungen verwendet werden, um die Anzahl der vollen Umdrehungen zu messen, kann die Anzahl der vollen Umdrehungen verfälscht werden, wenn die vom Meßwandler abgegebenen Signale sich zu schnell ändern. Die Einrichtungen zum Aufzeichnen können bei einer solchen Gelegenheit mit den äußerst schnellen Drehungen der gelenkigen Verbindungen nicht mitkommen. Daher kann ein Signal immer dann erzeugt werden, wenn die Geschwindigkeit des Meßkopfes einen vorgegebenen Wert überschreitet oder genauer, wenn sich die Ausgangssignale eines der Meßwandler mit einer Frequenz ändern, die oberhalb einer vorgegebenen maximalen Frequenz liegt. Eine konditionierte Auslesung der Winkel wird durch die in Fig. 10 angegebene Anordnung erreicht, bei der die Ausgangssignale aller Winkelmeßwandler A, B, C, D und E durch eine Torschaltung 136 zu einer Einrichtung 138 gelangen, die zu ihrer Verwendung, Wiedergabe oder Aufzeichnung dient. Die Torschaltung wird über eine Verbindung 134 mit dem Ausgang eines UND-Tores 142 gesteuert, so daß die Winkelsignale nur zu der Einrichtung 138 gelangen, wenn von dem UND-Tor 142 ein Freigabesignal erhalten wird. Der Ausgang des UND-Tores ist wahr, wenn und nur wenn die vorgegebenen Bedingungen für die Auslese, wie sie bereits beschrieben worden sind, vorliegen. Zu diesen Bedingungen kann gehören, daß die Meßbedingung erfüllt ist, zu der gehört, daß die Bedienungsperson ein Auslesesignal abgibt und daß die Meßrichtung und -lage erreicht worden sind. Ein Geschwindigkeitsfühler 140, der auf die Bewegung des Meßkopfes anspricht, gibt ein zusätzliches Eingangssignal an das UND-Tor 142, was bedeutet, daß der Meßkopf sich in der Ruhelage befindet oder eine Geschwindigkeit Null hat. Infolgedessen erhält man über die Leitung 134 nur dann ein Signal, das die Erfüllung der Meßbedingungen anzeigt, wenn alle vier Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind, d. h. daß die Bedienungsperson den Druckschalter betätigt hat, daß der Meßkopf aufliegt oder sich in seiner Meßrichtung befindet, wobei er sich während eines endlichen Zeitintervalls in Ruhe befindet.

In Fig. 11 ist eine beispielhafte Automatisierung der konditionierten Auslese aller fünf Winkel der beschriebenen gelenkigen Meßeinrichtung angegeben, wobei die Winkelausgangssignale in einen Multiplexer eingegeben und digitalisiert werden. Für die Winkelmeßwandler können solche bekannter Bauart verwendet werden. Bei der vorliegenden Anordnung stellen die Ausgangssignale der Wandler Teile einer vollen Umdrehung des Eingangszahnrades des Wandlers dar. Durch eine unten beschriebene Schaltung werden die Anzahl oder Bruchteile der Umdrehungen abgefühlt und gespeichert. Die Ausgangssignale der Meßwandler 62, 68, 90, 96 und 108 werden in einen Multiplexer 146 über die Zuführleitungen 146 a-e eingegeben, so daß man am Ausgang 146 f des Multiplexers die analogen Ausgangssignale der Meßwandler nacheinander erhält. Der Multiplexer schaltet nacheinander je eines der verschiedenen Eingangssignale auf seinen Ausgang, wobei die Steuerung über die Kanäle CH 1-5 erfolgt, denen von dem Ausgang eines Modulo-fünf-Zählers 148 Signale zugeführt werden. Durch passende Auswahl der Übersetzungsverhältnisse der Zahnräder kann die Meßauflösung erhöht werden, wobei die Eingangswelle des Meßwandlers sich öfters für eine einzige oder den Bruchteil einer Drehung der zugeordneten Verbindung dreht. Beispielsweise wurde ein Übersetzungsverhältnis von 330 : 26 für jeden der Wandler A, B und C und ein Verhältnis von 216 : 26 für die Achsen D und E verwendet.

Das Ausgangssignal des Multiplexers wird einem Analog/Digital-Wandler 150 zugeführt. Im vorliegenden Fall wurde ein Drehmelder-Digital-Wandler verwendet, an dessen Ausgang 156 man in digitaler Form (beispielsweise in einem Zwölf-Bit-Binär-Code) jedes der Encoderausgangssignale erhält.

Der Drehmelder-Digital-Wandler 150 erzeugt in der Leitung 152 ein Ausgangssignal, wenn das Ende eines Umwandlungsvorganges erreicht worden ist, d. h. wenn der Wandler die Umwandlung eines analogen Eingangssignals in ein Zwölf-Bit-Digital-Ausgangssignal abgeschlossen hat, erhält man auf der Leitung 152 ein Ausgangssignal, welches über ein Verzögerungselement 154 dem Zählereingang des Modulo-fünf-Zählers 148 zugeführt wird. Entsprechend zählt der Zähler nach jeder abgeschlossenen Umwandlung um eine Einheit weiter, woraufhin man am Ausgang des Multiplexers den nächsten Winkel für den Eingang der Umwandlung erhält. Durch die Verzögerung zwischen dem Umwandler und dem Zähler wird ermöglicht, daß der Umwandler zwei Umwandlungszyklen (jeder der fünf Winkel wird zweimal digitalisiert) durchläuft. Auf diese Weise wird ein verfrühtes Umschalten des Multiplexers von einem Eingangskanal auf den nächsten vermieden. Der Ausgang des Drehmelders/Digital-Umwandlers ist über die Leitung 156 mit einem Zwischenspeicher 158 verbunden, der getaktet wird, um das Zwölf-Bit-Digital-Winkelsignal von dem Umwandler aufzunehmen, wenn es am Ausgang der Verzögerungsschaltung auftritt. Dieses wird sowohl als Zählsignal dem Zähler als auch als Steuersignal für den Transfer in den Zwischenspeicher verwendet.

In dem Zwischenspeicher wird jedesmal nur ein digitalisiertes Winkelsignal gespeichert, das über ein Tor 160 zum Speichern in den Akkumulator 162 übergeführt wird, in dem jedes der Winkelsignale A, B, C, D und E in digitaler Form gehalten wird. Das Tor 160 wird in entsprechender Weise durch die Signale der Kanäle CH 1-5 gesteuert, die an dem Ausgang des Modulo-5-Zählers erhalten werden. Diese Signale sind jedoch so verzögert, daß, wenn der Kanal 1 des Multiplexers geöffnet ist und der Winkel A des Meßwandlers dem Umwandler zugeführt wird, durch das Tor 160 der Wert des Winkels E aus dem Zwischenspeicher in den Akkumulator übergeführt wird, und daß, wenn der Winkel B von dem Meßwandler in den Multiplexer übergeführt wird, aus dem Zwischenspeicher durch das Folgetor der Winkel A aus dem Zwischenspeicher gespeichert wird. Nachdem jeder Winkel umgewandelt und in dem Speicher gespeichert worden ist, wird der Wert des Winkels in den Akkumulator übergeführt, während der nächste Winkel digitalisiert wird.

Im Akkumulator 162 wird die Änderung des zuletzt digitalisierten Wertes eines jeden Winkels, beispielsweise des Winkels A, zu dem vorher akkumulierten Gesamtwert des Winkels A addiert. Im Akkumulator ist der um die Differenz zwischen jedem umgewandelten Meßwandlerausgangssignal und dem vorhergehenden erhöhten Wert gespeichert, so daß ein sich laufend ändernder Wert eines jeden der digitalisierten Winkel A, B, C, D und E gehalten wird. Differenzschaltungen und Eingänge, wie sie weiter unten beschrieben und durch 180 und 182 angedeutet sind, die quantitative Ausgangssignale erzeugen, können in dem Akkumulator 162 vorgesehen sein, um den Winkel "Delta" oder die Differenz zu erhalten, die den in dem Akkumulator für jeden digitalisierten Winkelwert gespeicherten Winkelwerten hinzugefügt werden. Die Inhalte ändern sich laufend gemäß der Änderung der Winkelmeßwandler, ob nun oder auch nicht eine der bereits erwähnten Bedingungen aufgetreten ist. Mit anderen Worten, selbst wenn der Meßkopf von einer Meßstelle zu anderen geführt wird, erzeugen die Meßwandler Winkelausgangssignale. Im Akkumulator wird der Inhalt geändert, um kontinuierlich die jeweils vorhandenen Winkelwerte gespeichert zu haben.

Beim Auftreten von vorbestimmten Bedingungen der Meßwertauslesung wird der Inhalt des Akkumulators durch eine Torschaltung 166 der Einrichtung 138 zur Verwendung, Wiedergabe oder Aufzeichnung zugeführt. So kann der Ausgang der Torschaltung 166 einer geeigneten Wiedergabeeinrichtung für die Werte des Akkumulatorinhalts zugeführt werden, oder er kann einem Gerät zum Aufzeichnen oder direkt dem Eingang eines Computers zugeführt werden. Ein analoger oder digitaler Computer 168, dem die Werte der Längen L₁, L₂, L₃ und L₄ eingespeichert worden sind, kann zwischen dem Ausgang des Akkumulatortores 166 und der Einrichtung 138 vorgesehen sein, um die Richtungskosinusse α, β, γ und die Lagekoordinaten x, y, z gemäß den oben angegebenen Gleichungen zu berechnen.

Das Akkumulatorausgangstor wird von dem Ausgang eines UND-Tores 170 gesteuert, das eine erste Eingangsleitung 172 für das Signal hat, welches angibt, daß die Meßbedingung erfüllt ist, und eine zweite Eingangsleitung 174, die von dem Ausgang eines UND-Tores 176 kommt, in dem ein Teil der Schaltkreise enthalten ist, der zum Messen der Geschwindigkeit dient.

In Fig. 11 ist eine Schaltung für die Kontaktelemente des Meßkopfes angegeben. Der beispielhafte Meßkopf mit der V-förmigen Nut hat vier im Abstand voneinander und gegeneinander isolierte elektrische Kontakte 125-128, von denen 125, 126 und 127 parallel zueinander über R 1, R 2 und R 3 an einem Pol einer Spannungsquelle 178 angeschlossen sind. Der Meßkopfkontakt 128 ist mit dem anderen Pol der Spannungsquelle 178 über den Druckschalter 122 für das Lesesignal der Bedienungsperson verbunden. Wenn der Druckschalter 122 betätigt wird, um den Kontakt 128 mit der Spannungsquelle zu verbinden, und wenn sich alle Kontakte 125, 126, 127 und 128 mit dem elektrisch leitenden Rohr, dessen Richtung gemessen werden soll, in elektrischem Kontakt befinden, erhält man in der Leitung 172 ein Signal, welches an den ersten Eingang des UND-Tores 170 gelangt. Wenn einer oder mehrere der Kontakte 125, 126 und 127 sich nicht mit dem Rohr in Berührung befinden, ist das Signal in der Leitung 172 nicht ausreichend groß, um das UND-Tor 170 anzusteuern. Ferner, wenn der Druckknopf 122 nicht betätigt worden ist, oder wenn der Kontakt 128 nicht das zu messende Rohr berührt, ist der Schaltkreis nicht geschlossen, so daß kein Eingangssignal an das UND-Tor 170 gelangt.

Obgleich verschiedene Arten von Null-Geschwindigkeitsmessern verwendet werden können, wie z. B. Geschwindigkeitsfühler oder Beschleunigungsfühler, die unmittelbar an dem Meßkopf angeordnet sind, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Ruhebedingung des Meßkopfes dadurch festzustellen, daß die Änderungsfrequenz der Ausgangssignale eines jeden Winkelmeßwandlers bestimmt wird. Beispielsweise, wenn das digitalisierte Ausgangssignal des Winkelmeßwandlers 62 (Winkel A) sich nicht um mehr als eine Auflösungseinheit von einer Digitalisierung zur nächsten geändert hat (es gibt 12² Auflösungseinheiten bei der 12-Bit-Digitalisierung), dann kann man davon ausgehen, daß der Meßwandler in Ruhe ist und eine Geschwindigkeit Null hat. In gleicher Weise dürfen sich die Ausgangssignale eines jeden der anderen Meßwandler nicht um mehr als eine Auflösungseinheit geändert haben, woraus sich dann ableiten läßt, daß sich der Meßkopf vollkommen in Ruhe befindet, da andere Bewegungen (andere als die Drehungen um die fünf Achsen A, B, C, D und E) des Meßkopfes aufgrund der dargestellten Bauweise nicht auftreten können.

Damit man die Winkeländerung einer Digitalisierung mit der nächsten vergleichen kann, geht jeder digitalisierte Winkel, wenn er durch das Folgetor 160 hindurchgegangen ist, durch eine Verzögerungsschaltung 180 hindurch und gelangt zur kurzzeitigen Speicherung an eine Differenzschaltung 182, die Speicherabschnitte A _{n -1}, B _{n -1}, C _{n -1}, D _{n -1} und E _{n -1} hat. Während des nächsten Zyklus der fünf Umwandlungen durch den Drehmelder/Digital-Umwandler 150 werden die digitalisierten Winkelwerte A _n, B _n, C _n, D _n und E _n (wobei A _n der gemessene Wert ist, der unmittelbar auf den gemessenen Wert A _{n -1} folgt, usw.) direkt zum Vergleichen mit den vorhergehenden Werten A _{n -1}, B _{n -1}, C _{n -1}, D _{n -1} und E _{n -1} der Differenzschaltung zugeführt. Die Signale A _n, B _n, C _n, D _n und E _n werden ebenso in die Verzögerungsschaltung 180 eingegeben, um die vorhergehend gespeicherten Werte A _{n -1}, B _{n -1}, C _{n -1}, D _{n -1} und E _{n -1} zu ersetzen. Wenn der Unterschied zwischen dem Wert eines jeden Winkels und dem vorhergehenden Wert kleiner als eine vorgegebene Größe, z. B. eine Auflösungseinheit, ist, wird ein Freigebesignal über eine der entsprechenden Leitungen 182 a-182 e an das UND-Tor 176 gegeben, wodurch ein zweites Freigebesignal an das UND-Tor 170 nur und nur dann gelangt, wenn sich keiner der fünf Winkel um mehr als den vorgegebenen Wert verändert hat.

Da durch die beschriebene Differenzschaltung das UND-Tor 176 nur freigibt, wenn die Unterschiede von allen fünf Winkeln festgestellt worden sind, entsteht durch diese Anordnung von vornherein eine Verzögerung, die das Lesen aller fünf Winkel sicherstellt. Somit ist keine getrennte Schaltung, wie z. B. ein Zähler zum Zählen von fünf oder mehreren Kanalschaltevorgängen des Multiplexers oder des Zählerausgangs, notwendig, um sicherzustellen, daß alle fünf Winkel aus den Meßwandlern ausgelesen, digitalisiert und in den Akkumulator eingespeichert worden sind. Trotzdem können zusätzliche Verzögerungen und Verzögerungsschaltkreise vorgesehen werden, wenn mehrere Digitalisierungszyklen erwünscht sind, bevor die Akkumulatoren ausgelesen werden.

Wenn es notwendig oder wünschenswert erscheint, kann eine gleiche Differenzschaltung 182 oder ein im wesentlichen ähnlicher Schaltkreis vorgesehen sein, damit ein zweites Geschwindigkeitsausgangssignal erhalten wird, welches anzeigt, daß die Bewegung des Meßkopfes zu schnell erfolgt. Ein solches Ausgangssignal wird an jeder der Leitungen 183 a-183 e erhalten, wenn die Differenz zwischen einem der Winkel und dem vorhergehenden Wert größer als eine vorgegebene Größe ist. Die Leitungen 183 a-e werden den Eingängen eines ODER-Tores 184 zugeführt, so daß, wenn auf irgendeiner dieser Leitungen ein Signal auftritt, das anzeigt, daß sich einer der Winkel zu schnell ändert, ein Ausgangssignal an der Leitung 186 am Ausgang des ODER-Tores 184 erhalten wird, um die Bedienungsperson zu warnen und ihr die Möglichkeit zu geben, den Meßkopf in die Eichstellung zurückzuführen (in Berührung mit dem Eichzylinder 130 der Fig. 1) und den Akkumulator dadurch zurückzusetzen, daß ein Rücksetzsignal an die Leitung 188 gegeben wird.

Obgleich der Akkumulator in der in Fig. 11 dargestellten Anordnung den letzten der durch die Winkelmeßwandler erzeugten Winkel speichert, ist es wünschenswert, von Zeit zu Zeit die Akkumulatoren (wobei sich der Meßkopf in seiner Eichrichtung und -lage befindet) zurückzusetzen, zumindest nach jeder Meßreihe, und zwar aus verschiedenen Gründen. Durch eine periodische Eichung wird vermieden, daß sich Fehler aufgrund von zeitlichen Schwankungen oder anderen zufällig auftretenden Größen, die bei der Anordnung auftreten können, aufbauen. Wenn der Meßkopf ausgetauscht wird, weil z. B. einer mit verschiedener Größe, Form oder Winkel verwendet wird, ist es notwendig, die Akkumulatoren und die gesamte Anordnung zurückzusetzen, wobei sich der neue Meßkopf in der Eichrichtung und -lage, die durch den Eichzylinder 130 bestimmt ist, befindet. Ein von Hand zu betätigendes Rücksetzsignal kann auch verwendet werden, um andere Speicherschaltungen und Verarbeitungseinrichtungen im Computer zurückzusetzen, damit mit einer vollkommen neuen Berechnungsserie begonnen werden kann. In gleicher Weise kann ein Zurücksetzen notwendig sein, wenn ein Gegenstand verschiedener Größe oder Form gemessen werden soll.

Abänderungen

Der Meßkopf 30 mit seiner V-förmigen Nut 120 ist insbesondere dazu geeignet, daß er winkelmäßig gegenüber der Eichrichtung verändert werden kann, bis er eine Meßrichtung einnimmt, die genau parallel zur Achse eines zu messenden, geraden Rohrabschnittes ist. Man sieht ohne weiteres, daß Meßköpfe verschiedener Arten und Formen statt des Meßkopfes 30 verwendet werden können, um die Richtungsachse des Meßkopfes in eine Richtung zu bringen, die in fester Beziehung zu einem anderen Gegenstand als dem mit einer zylindrischen Form steht. Beispielsweise, wie es in Fig. 12 dargestellt ist, kann eine optische Ausrichtung des Meßkopfes verwendet werden. Die gleichen mit Gelenken angeordneten Verbindungen 20, 22, 24, 26 und 28 mit ihren Winkelmeßwandlern können verwendet werden, wobei diese gemäß den Fig. 1-7 ausgestaltet und angeordnet sind. Statt des Meßkopfes 30, der an der fünften Verbindung 28 befestigt ist, ist ein optischer Meßkopf 200 vorgesehen. Ein solcher Meßkopf kann verschieden ausgestaltet sein, beispielsweise als Autokollimator. Bei einem Autokollimator ist ein elektrisch-optisches System vorhanden, bei dem ein Lichtstrahl 202 auf eine reflektierende Oberfläche 204 auftrifft und das von der Oberfläche 204 zurückgeworfene Licht empfängt. Der Autokollimator wird verwendet, um die Richtung einer Normalen auf der Oberfläche 204 zu messen. Bei diesen Anwendungen kann die Oberfläche 204 einen Spiegel haben, der an einem Navigationsinstrument, wie z. B. an dem stabilen Fuß eines Trägheitsnavigators 206, befestigt ist. Solche Navigatoren müssen mit äußerster Genauigkeit in bezug auf bekannte Richtungen auf der Erdoberfläche oder in bezug auf die Fixsterne ausgerichtet sein, bevor sie verwendet werden. Der von dem Autokollimator ausgehende Lichtstrahl wird von der Oberfläche, dessen Normalrichtung gemessen werden soll, reflektiert und vom Autokollimator wieder empfangen. Wenn der reflektierte und der ursprüngliche Strahl zusammenfallen, ist die optische Achse des Autokollimators (d. h. die Richtungsachse dieses Meßkopfes) genau normal zur reflektierenden Oberfläche. Infolgedessen hat letztere eine bekannte Winkelbeziehung in bezug auf die Richtungsachse des Autokollimators.

Der Autokollimator wird angeordnet, um einen eichbaren Meßkopf der Meßeinrichtung zu schaffen. Dieser kann ohne weiteres winkelmäßig um jede der fünf Drehachsen der Meßeinrichtung gedreht werden, bis seine optische Achse oder Richtungsachse zu einer Normalen der reflektierenden Oberfläche 204 genau ausgerichtet ist. Bei manchen Autokollimatoren wird die Abweichung zwischen der Autokollimatorachse und der Richtung der Normalen der zu beobachtenden Oberfläche ausgelesen. In einem solchen Fall ist die Abweichung mit der Richtung der optischen Achse des Autokollimators kombiniert, die durch die Winkel A, B, C, D und E, die von den verschiedenen Winkelmeßwandlern der Meßeinrichtung erhalten werden, definiert ist. Obgleich die Lagekoordinaten eines Punktes an dem Autokollimator gemessen werden können, wie es oben im Zusammenhang mit dem Messen der Lagekoordinaten eines Punktes des zu messenden Vektors beschrieben worden ist, werden solche Koordinatenwerte nun nur zum Messen der Ausrichtung erforderlich.

Selbst wenn keine Lagemessungen durchgeführt werden, ist es trotzdem notwendig, den Meßkopf zu verschieben, da sich alle zu messenden Richtungen nicht in einem einzigen Punkt schneiden, so daß die Richtungsachse des Meßkopfes sowohl gedreht als auch verschoben werden muß. Die beschriebene, gelenkige Einrichtung ermöglicht sowohl eine Verschiebung als auch eine Drehung des Meßkopfes nur durch Drehbewegungen, obgleich zusätzliche Verschiebungs- oder Rotationsfreiheitsgrade vorgesehen sein können.

Eine andere und etwas einfachere optische Ausrichtung ist in Fig. 12 dargestellt. Sie hat ein Paar optischer Visiereinrichtungen 208 und 210, wie z. B. bekannte Gewehrvisiere oder Fadenkreuze, die an dem Meßkopf 200 befestigt sind, um eine optische oder Richtungsachse zu definieren. Wenn man diese Visiereinrichtungen 208, 210 verwendet, wird der Meßkopf so ausgerichtet, daß die Sichtgerade durch die Visiere 208 und 210 hindurchgeht und genau zu einer Geraden ausgerichtet ist, wie z. B. einer Kante 212, die mit dem zu messenden Gegenstand oder einem Teil desselben in fester Beziehung steht.

Die in Fig. 12 dargestellten optischen Meßeinrichtungen zum Ausrichten sind nur beispielhaft. Solche Meßeinrichtungen müssen nur an der letzten Verbindung 28 der beschriebenen, fünfachsigen Meßeinrichtung befestigt werden und daraufhin in eine Lage gebracht werden, in der sie in bezug auf eine zu messende Richtung ausgerichtet sind. Nachdem eine solche Meßrichtung erzielt worden ist, kann durch eine automatische Einrichtung oder durch eine von einer Bedienungsperson von Hand zu bedienende Einrichtung ein Signal erzeugt werden, daß die Meßrichtung erzielt worden ist, so daß die fünf Winkel in der bereits beschriebenen Weise ausgelesen werden können.

In Fig. 13 ist eine andere Ausführungsform eines Berührungsmeßkopfes dargestellt, der an einer Abstützung 12 über Gelenkverbindungen 20, 22, 24, 26 und 214 befestigt ist. Im vorliegenden Fall ist die Verbindung 214 um 90° abgebogen, damit der Meßkopf andere Richtungen haben kann, die mit der geraden fünften Verbindung 28 gemäß Fig. 1 nicht so gut zu erreichen sind. Der in Fig. 13 dargestellte Meßkopf kann identisch mit dem in den Fig. 8 und 9 dargestellten sein, mit der Ausnahme, daß seine Richtungsachse (die V-förmige Nut) in bezug auf die Achsen der Meßeinrichtung anders orientiert ist.

Obgleich der zu messende Vektor vollkommen durch die Winkeldrehung mit den fünf dargestellten Rotationsfreiheitsgraden um die Achsen A, B, C, D und E definiert ist, sieht man ohne weiteres, daß sechs oder mehr Freiheitsgrade auch verwendet werden können, wobei die den Vektor definierenden Gleichungen entsprechend den sechs oder mehr Winkeln angepaßt werden müssen.

Beispielsweise kann der Meßkopf statt an einer letzten Verbindungsachse 28 befestigt zu sein, um eine Achse an der Verbindung 28 verschwenkt werden, die parallel, senkrecht oder unter einem anderen Winkel in bezug auf die Achse E verläuft. Zum Auslesen des Winkels bei der Drehung um die sechste Achse muß ein Winkelmeßgeber vorhanden sein. Auch könnte, wie es in Fig. 13 dargestellt ist, die Anordnung so ausgestaltet sein, daß eine sechste Drehachse vorhanden ist, die mit der Achse der zweiten Verbindung 22 zusammenfällt. Dann besteht die Verbindung 22 aus zwei Teilen 22 a und 22 b, die im wesentlichen genauso wie die zwei Verbindungen 24 und 26 und ihre entsprechenden Teile 84 und 100 gemäß Fig. 3 ausgestaltet sind. Die Verbindung 22 b ist drehbar in bezug auf die Verbindung 22 a und in ihr gelagert, wobei sie sich um die Achse der letzteren drehen kann. Ein Meßgeber 216 ist vorgesehen, um die Drehung um die letzte Achse der Verbindung 22 b relativ zur Verbindung 22 a auslesen zu können. Man sieht, daß die sechste Achse oder weitere Achsen an verschiedenen Stellen der dargestellten Meßeinrichtung vorgesehen und angeordnet sein können. Selbst wenn nur fünf Achsen verwendet werden, müssen diese nicht so zueinander ausgerichtet sein, wie es dargestellt worden ist. Die fünf Achsen können relativ zueinander verschiedene Winkelbeziehungen haben. Eine wesentliche Eigenschaft der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Ausrichtung des Meßkopfes vollkommen durch die Drehwinkel um die verschiedenen Drehachsen bestimmt ist.

Der in Fig. 12 dargestellte Meßkopf, der mit Strahlungsenergie arbeitet, ermöglicht das Messen einer Richtung, ohne daß der Gegenstand, dessen Richtung gemessen werden soll, berührt werden muß. Das Messen einer Normalen in bezug auf eine ebene Fläche kann in einfacher Weise durch eine einzige Messung erfolgen. Wenn die Normale einer solchen Oberfläche durch die Koordinatenlage von drei oder mehr verschiedenen Punkten bestimmt wird, wie es bei der Verwendung von bekannten Meßeinrichtungen der Fall ist, müssen drei getrennte und unabhängige Messungen vorgenommen werden. Bei der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung genügt eine einzige Messung. Es müssen nicht drei verschiedene Einstellungen oder drei verschiedene Berührungen auf der Oberfläche vorgenommen werden.

In den Fig. 14 und 15 ist ein anderer Meßkopf dargestellt, der insbesondere zum Messen der Normalenrichtung zu einer Oberfläche geeignet ist, wobei die Oberfläche berührt wird. Dieser Meßkopf ist zusammen mit der fünften Verbindung, die hier mit 220 bezeichnet ist, dargestellt. Die fünfte Verbindung 220 gemäß Fig. 14 hat einen festen, hohlen, rohrförmigen Teil 222, mit dem ein verschwenkbarer Teil 224 fest verbunden ist, der eine analoge Funktion und ähnliche geometrische Ausgestaltung wie der verschwenkbare Teil 114 gemäß Fig. 3 hat. Der verschwenkbare Teil 224 kann an dem Endteil 106 der vierten Verbindung in der in der Fig. 3 dargestellten Weise gelagert sein. An dem verschwenkbaren Teil 224 ist ein Antriebszahnrad (dieses ist in Fig. 14 nicht dargestellt) ähnlich dem Zahnrad 112 für den Meßwandler angeordnet, um den Winkel E auslesen zu können. Ein abgeknickter Drehzapfen 230 wird von Lagern 226 und 227 in dem rohrförmigen Teil 222 gehalten und hat eine fest an ihm angeordnete Berührungsplatte 232. Aus der Außenfläche 234 der Kontaktplatte 232 stehen drei Kontaktzapfen 236, 238 und 240 etwas hervor, die zusammen eine Ebene definieren, welche in bezug auf den Meßkopf 230 ausgerichtet ist. Die Richtungsachse des Meßkopfes ist eine Normale zu dieser Ebene. Wenn es notwendig oder wünschenswert erscheint, können die drei Kontaktstifte 236, 238 und 240 elektrisch mit einem Druckschalter für eine Bedienungsperson verbunden sein, der Teil eines Schaltkreises identisch dem der Fig. 11 in bezug auf die Kontaktelemente 126, 127 und 128 ist. Bei einem solchen Schaltkreis fehlt lediglich einer der Kontakte, und zwar der Kontakt 125. Der Schaltkreis ist so aufgebaut, daß man nur ein Signal an seinem Ausgang erhält, wenn die Meßbedingungen erfüllt sind, d. h. dann und nur dann, wenn alle drei Kontaktstifte 236, 238 und 240 mit der elektrisch leitenden ebenen Oberfläche, deren Richtung gemessen werden soll, in Berührung stehen.

Man sieht, daß, wenn Berührungsmessungen auf nicht elektrisch leitenden Oberflächen durchgeführt werden sollen, andere Anordnungen mit Berührungsfühlern verwendet werden können, oder daß das Erreichen der Meßlage einfach durch Beobachtung der Bedienungsperson festgestellt wird. Eine wirkliche Berührung des ebenen Meßkopfes 232-240 muß nicht unbedingt erreicht werden, da es nur notwendig ist, den Meßkopf in eine Winkellage zu bringen, in der seine Orientierungsebene (die beispielsweise durch die Elemente 236, 238 und 240 definiert ist) parallel zu der zu messenden Oberfläche verläuft. Eine solche Parallelität liegt vor, wenn zwei Oberflächen einen gleichen Abstand haben und wobei das Ausmessen des Abstandes zwischen dem Meßkopf und der zu messenden Oberfläche an drei Raumpunkten anzeigt, daß eine solche Parallelität vorliegt. Die Dreipunktberührung ist nichts anderes als ein besonderer Fall von drei Abstandsmessungen.

Wenn die Koordinatenlage eines Punktes mit dem Meßkopf gemäß Fig. 14 und 15 bestimmt werden soll, wird der Meßkopf so ausgerichtet, daß eine seiner Kanten (oder eines der Kontaktelemente 236, 238, 240), die zur Oberfläche 234 normal verläuft, sich an dem zu messenden Punkt befindet, wodurch die Koordinatenlage eines Punktes an dem Meßkopf bestimmt ist.

Man sieht ohne weiteres, daß Meßköpfe anderer Art, Form und Größe verwendet werden können, um das Erreichen einer Meßrichtung durch Berühren zwischen dem Meßkopf und dem Gegenstand zu bestimmen. Beispielsweise kann der Meßkopf gemäß Fig. 16 eine zylindrische Oberfläche haben oder ein Stab 250 sein, der fest mit der Endverbindung 28 verbunden ist. Diese Ausgestaltung erleichtert das Ausrichten des Meßkopfes zu einer konkaven Oberfläche, einer Nut oder einer Vertiefung in einem Gegenstand.

In Fig. 17 ist ein anderer Meßkopf dargestellt, der zum Ausrichten zu zylindrischen Oberflächen geeignet ist. Dieser Meßkopf 252 hat eine längliche, konkave, zylindrische Oberfläche, die an der Endverbindung 28 befestigt ist. Die verschiedenen Meßköpfe können verschiedene Arten von Kontaktelementen haben, um anzuzeigen, daß die Meßrichtung eingestellt worden ist. Die Kontaktelemente (und auch die entsprechenden Schaltkreise) können im wesentlichen identisch zu jenen sein, die im Zusammenhang mit dem Meßkopf 30 beschrieben wurden.

Bei verschiedenen Anwendungen und insbesondere dort, wo ein Meßkopf von der in den Fig. 14 und 15 dargestellten Art verwendet wird, um die Richtung einer Normalen einer Fläche zu messen, kann es nicht erforderlich sein, die Bewegung des Meßkopfes zu unterbrechen, um die Winkel auszulesen. So kann es ausreichen, die normale Richtung irgendwo innerhalb eines vorgegebenen Bereiches einer Oberfläche zu messen, so daß die Bedingung der NULL-Geschwindigkeit der Akkumulatorauslese nicht notwendig ist und sich der Meßkopf irgendwo innerhalb des ausgewählten Bereiches bewegen kann, wobei er stets seine Meßausrichtung hat, wenn eine Auslesung erfolgt.

Es wurden Einrichtungen zum unmittelbaren Messen eines Vektors beschrieben, wobei die Messung einfach und schnell erfolgt. Es wird hierbei eine relativ kleine und leichte Einrichtung verwendet, die ermöglicht, daß Messungen an Gegenständen verschiedener Form und Größen ausgeführt werden können. Die Einrichtung ist äußerst anpassungsfähig und hat ein so geringes Gewicht, daß man eine tragbare Meßeinrichtung erhält.

Claims

1. Meßvorrichtung zum Bestimmen von geometrischen Werten im Raum, mit einer Stütze und einem daran beweglich gelagerten Meßkopf, wobei zwischen Stütze und Meßkopf Verbindungsglieder vorgesehen sind, die um mindestens zwei winkelmäßig zueinander versetzte Achsen gegeneinander verschwenkbar sind, und wobei an diesen Achsen Winkelmeßeinrichtungen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens fünf Verbindungsglieder (20, 22, 24, 26, 28) mit bestimmter Länge vorgesehen sind, die um mindestens fünf Achsen (A, B, C, D, E) relativ zueinander und gegenüber der Stütze (12) verschwenkbar sind, daß an jeder dieser Schwenkachsen jeweils eine Winkelmeßeinrichtung (62, 68, 90, 96, 108) zum Messen der Winkel zwischen der Stütze (12) und einem Verbindungsglied (20) sowie zwischen benachbarten Verbindungsgliedern (20, 22, 24, 26, 28) vorgesehen ist und daß der Meßkopf (30; 200) mit mehreren Bezugselementen (125 a bis 128 a; 208, 210) versehen ist, die eine Bezugsachse (V) für den Meßkopf (30; 200) definieren, die eine bestimmte Beziehung zu einer zu messenden Richtung oder Stellung hat.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselemente (208, 210) an einem mit Strahlungsenergie arbeitenden, insbesondere optischen Meßkopf (200) angebracht sind.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Meßkopf (200) ein Autokollimator ist.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Meßkopf (200) als Bezugselemente Visiereinrichtungen (208, 210) aufweist.

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselemente (125 a bis 128 a) des Meßkopfs (30) an Kontaktelementen (125 bis 128) ausgebildet sind, die mit einem zu messenden Gegenstand in Berührung bringbar sind.

6. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (122) zum Erzeugen eines konditionierten Signals in Abhängigkeit von der Annäherung des Meßkopfs (30; 200) an die zu messende Richtung oder Stellung vorgesehen ist.

7. Meßvorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (122) so gestaltet ist, daß das konditionierte Signal beim Eingriff wenigstens einer Gruppe der Kontaktelemente (125 bis 128) mit dem zu messenden Gegenstand erzeugt wird.

8. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (132 bis 142) zum Auslesen der Winkelbeziehungen der Verbindungsglieder (20, 22, 24, 26, 28) bei Erreichen der Meßlage des Meßkopfs (30; 200) vorgesehen ist.

9. Meßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausleseeinrichtung (132 bis 142) so gestaltet ist, daß das Auslesen bei im wesentlichen stillstehendem Meßkopf (30; 200) erfolgt.

10. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stütze (12) eine Eicheinrichtung (130) für den Meßkopf (30; 200) vorgesehen ist.