Pantograf

Begriff und Zweck

Ein Pantograf oder Pantograph, auch Storchenschnabel genannt, ist ein mechanisches Präzisionsinstrument. Es dient dazu, Zeichnungen in demselben, einem größeren oder einem kleineren Maßstab zu übertragen. Die Bewegungen eines Abtaststifts werden dabei durch ein gelenkiges Gestänge auf einen Zeichen- oder Arbeitsstift übertragen. Dadurch bleiben die Form und die räumlichen Beziehungen der Vorlage erhalten, während sich ihre Größe nach einem einstellbaren Verhältnis ändert.

Der mechanische Pantograf wurde bereits 1603 von Christoph Scheiner erfunden. Neben mechanischen gibt es heute auch optische Pantografen.

Übertragen und Skalieren von Zeichnungen

Pantografen wurden früher verwendet, um Bilder, Muster, Karten und Pläne zu übertragen, zu verkleinern oder zu vergrößern. Wichtige Einsatzbereiche waren unter anderem Kartografie und Geodäsie sowie Handstickmaschinen. Besonders bedeutsam war, dass sich Zeichnungen zuverlässig auch mit wechselndem Maßstab übertragen ließen; lange Zeit war dies die einzige entsprechende Möglichkeit.

In der heutigen Technik spielt der Pantograf wegen CAD und digitaler Bildbearbeitung keine große Rolle mehr. Er wird aber gelegentlich noch für Versuche oder als Malspielzeug für Kinder und Jugendliche eingesetzt. Eine einfache verwandte Transformationshilfe zum Verkleinern ist der Reduktionszirkel.

Kopierfräsen und Gravuren

Mechanische Pantografen werden weiterhin bei Kopierfräsen eingesetzt. Durch die stufenlose Verstellung der Gelenkwinkel oder der Stiftaufnehmer kann jeder beliebige Verkleinerungsmaßstab eingestellt werden. Vergrößerungen sind bei Fräsarbeiten dagegen eher selten: Die Qualität der Bahnführung setzt technische Grenzen, und vorhandene Führungsfehler werden bei einer Vergrößerung ebenfalls mit skaliert.

Die mechanische Führung ermöglicht Bewegungen in allen drei Raumachsen. Damit lässt sich nicht nur die Bearbeitungsposition, sondern auch die Bearbeitungstiefe bestimmen; außerdem kann das Abheben des Fräsers vom Werkstück beeinflusst werden. Meist führt ein Bediener das Gerät von Hand. Häufig dienen Buchstaben-Schablonen als Vorlage, beispielsweise zur Herstellung von Türschildern. Großflächige Gravuren in Metall oder Kunststoffen werden oft anschließend mit Farbe verfüllt, sofern das Material nicht schon farblich mehrschichtig aufgebaut ist. William Leavenworth konstruierte 1834 in den USA die erste Holzletternfräse.

Aufbau und Bedienung

Ein Pantograf besteht, je nach Bauform, aus vier gelenkig verbundenen Leisten. Die Gelenke werden in einer Skizze mit V1–3 und B bezeichnet. Der Punkt S ist der Dreh- beziehungsweise Fixpunkt des Pantografen und wird neben der Vorlage aufgesetzt. Die gedachte Strecke \overline{SZ}, auf der auch B liegt, dient nur der Veranschaulichung und ist kein Baubestandteil.

Für eine Vergrößerung wird die Vorlage mit dem Stift B abgefahren; Stift Z zeichnet die vergrößerte Übertragung. Für eine Verkleinerung wird die Vorlage mit Stift Z abgefahren; Stift B erzeugt die kleinere Zeichnung. Ein Kopierfaktor von 1:1 ist systembedingt nur mit speziell darauf abgestimmten Schenkelkonstruktionen möglich.

Mathematisches Verhältnis und Watt-Mechanismus

Die Skalierung beruht auf den Strahlensätzen. Es gilt: \frac{\overline{SV1}}{\overline{SV3}}=\frac{\overline{SB}}{\overline{SZ}}. Das Verhältnis der Strecken am Gestänge bestimmt somit den Maßstab der Übertragung. Beträgt beispielsweise \frac{\overline{SV1}}{\overline{SV3}}=\frac{1}{3} und ist S der Fixpunkt, dann führt eine Verschiebung von B um 1 LE (Längeneinheit) zu einer Verschiebung von Z um drei LE. Mit dem Pantografen lassen sich daher Vergrößerungen oder Verkleinerungen im Maßstab \frac{\overline{SV1}}{\overline{SV3}} erstellen.

Beim Watt-Mechanismus werden Wattgestänge und Wattparallelogramm kombiniert. Das Wattgestänge wandelt eine Rotationsbewegung in eine Parallelbewegung um. Das Parallelogramm übernimmt die Rolle eines Pantografen und übersetzt diese Bewegung.