miniatur|right|Wechselbarer Kugelkopf(ca. 10 g; Durchmesser: ca. 35 mm) Der Schreibmaschinen-Kugelkopf ist ein in elektrisch angetriebenen Schreibmaschinen verwendeter austauschbarer Typenkopf. Sein Zeichensatz ist in vier parallelen Kugelringen angeordnet. Zur Auswahl eines Zeichens wird der Kopf elektromagnetisch um die Ringachse gedreht und zwischen den Typenkreisen gekippt. Jede Taste löst die Auswahlbewegungen für die ihr entsprechende Type aus. Zum Drucken wird der sehr leichte Kugelkopf gegen die Schreibwalze mit dem aufgespannten Papier und dem darüber liegenden Farbband geschlagen.

Eingeführt wurde der Kugelkopf im IBM Selectric typewriter am 31. Juli 1961.Vor 50 Jahren: IBM stellt Kugelkopfschreibmaschine Selectric vor, Meldung bei heise.de, 31. Juli 2011

Der Kugelkopf wurde aber letztlich vom modernen Typenrad abgelöst, dessen einzige Drehbewegung vom in Zeilenrichtung mitbewegten leichten Elektromotor erzeugt werden konnte. Die aufwendigen Mechanismen zum Drehen und Kippen des Kugelkopfes entfielen. Das Typenrad ist leichter als ein Kugelkopf, was ebenfalls zum noch schnelleren Schreiben bzw. Ausdrucken in Verbindung mit Schreibautomaten und Textsystemen beiträgt.

Abgrenzung zu anderen Typenträgern

Der Kugelkopf ist ein alle verwendeten Typen enthaltender Typenträger. Er wurde aus dem erstmals 1893 von Blickensderfer verwendeten kurzen Typenzylinder (damals Typenrad genannt) für eine 1961 vorgestellte Schreibmaschine von IBM entwickelt. Dabei wurden wesentliche Merkmale einer von der Firma Louis Marx and Company hergestellten Spielzeugschreibmaschine verwendet. Zur Auswahl der gewünschten Type sind beim Typenzylinder eine Drehung und vertikale Verschiebung, beim Kugelkopf eine Drehung und Kippen (von manchen Autoren als Neigen bezeichnet) und beim moderneren Typenrad nur eine Drehung erforderlich. Diese drei Typenträger haben gegenüber Typenhebeln an Typenhebelschreibmaschinen den Vorteil, dass sie als kompaktes Bauteil schnell ausgetauscht werden können, um den Wechsel auf eine andere Schriftart zu ermöglichen – z. B. für das Schreiben von Sonderzeichen. Dass ein „Sekretärinnen-Traum“ (IBM-Werbung) in Erfüllung ging, weil sich beim Schnellschreiben keine Typenhebel mehr verhakten, war nichts ganz Neues. Dieser Traum war außer in der Blickensderfer auch in weiteren älteren, allerdings langsameren Schreibmaschinen mit kompakten Typenträgern schon erfüllt wordenwww.stb-betzwieser.de: Auswahl historischer Schreibmaschinen mit Typenzylinder oder Typenrad .

Funktion des IBM-Kugelkopfes mini|Kugelkopf in der Schreibmaschine

Bei der IBM-Schreibmaschinen mit Kugelkopf wurde erstmals der relativ leichte Kugelkopf statt der Schreibwalze in Zeilenrichtung bewegt.

Die Drucktypen sind auf vier Kreisen auf der Oberfläche des Kugelrings angeordnet – vergleichbar Breitenkreisen auf der Erdkugel. Durch Kippen des Kopfes um eine zur Schreibwalze parallel durch den Kugelmittelpunkt führende Achse wird der Kreis mit der gewünschten Drucktype ausgewählt. Durch Drehen um die Kugelachse wird die gewünschte Type innerhalb dieses Kreises bestimmt, sie hat nun die richtige Position nahe der Aufschlagstelle auf dem Papier. Auf einem Kreis benachbart liegende Typen sind bei maximal 20 Typen je Kreis um einen Drehwinkel von 18° versetzt; statt dann 80 möglichen Typen waren bei IBM auch Kugelköpfe mit 88 (siehe obiges Foto: Kugelkopf mit 22 Zacken am unteren Rand) und 96 Typen im Programm, was kleinere Drehwinkel bedingt. Die mit Hilfe der Umschalttaste (Shift) erreichbare Type liegt jeweils auf demselben Kreis um 180° versetzt. Die Betätigung der Umschalttaste bewirkt zunächst eine halbe Drehung des Kugelkopfes, der die Drehung, die der ausgewählten Type entspricht, folgt. Zur Minimierung der Drehbewegungen sind häufig benutzte Typen nahe beieinander angeordnet.

In der Kappe des auswechselbaren Kugelkopfs befindet sich der Mechanismus für die lösbare Verbindung und ein Anfasser. Der Zackenkranz am unteren Rand dient zur Feinjustierung nach der Drehung um die Kugelkopfachse. Ein IBM-Kugelkopf hat eine Gesamthöhe von 27 mm (Zackenspitzen bis Kappe) und einen Außendurchmesser von etwa 35 mm und wiegt 10,2 g.

Antrieb des Kugelkopfes in IBM-Schreibmaschinen miniatur|IBM-Kugelkopf-Schreibmaschine (Modell: Selectric I, ab 1961) Bewegt sich bei den meisten Schreibmaschinen der Wagen mit Schreibwalze und eingespanntem Schreibblatt horizontal, um die nächste Schreibposition – innerhalb derselben Zeile – zu erreichen, so bleibt bei IBM-Kugelkopfschreibmaschinen die Walze mit Papier stehen, und der Kugelkopf wird vor dem Blatt auf die gewünschte Position geschoben. Hierzu ist er auf einem Schlitten montiert, der von einem Motor über ein Drahtseil hin- und hergeschoben wird. Um die gewünschte Drucktype auszuwählen, muss der Kugelkopf entsprechend gedreht und gekippt werden, und um den Schreibvorgang auszulösen, schlagartig gegen die Schreibwalze gepresst werden. Alle diese Bewegungen werden von einem einzigen im Maschinengestell befestigten Elektromotor nach Freigabe durch den entsprechenden Tastendruck ausgelöst.

Der Kugelkopfschlitten wird mit einem Draht-Zugmittelgetriebe, an dessen einem Trum er befestigt ist, hin und her bewegt. Die Kugelkopfdrehungen werden mit Hilfe von Bewegungen je einer Umlenkrolle in zwei weiteren Zugmittelgetrieben erzeugt.„Drehungen des IBM Kugelkopfes“ Im Computermuseum Informatik der Universität Stuttgart (mit Bildern und Erklärungen) Die Drahtseile dieser vom Kugelkopfschlitten mitbewegten Getriebe sind aufgeschnitten. Eins der Seilenden ist jeweils fest am Schlitten, das andere an einem Hebel, der die entsprechende Kugelkopfdrehung auf dem Schlitten bewirkt, befestigt. Durch die Auslenkung einer Umlenkrolle zieht das freie Seilende am Hebel und dreht beziehungsweise kippt den Kugelkopf, entsprechend der ausgewählten Drucktype. Der Auswahlvorgang ist von der momentanen Lage des Kugelkopfschlittens unabhängig und kann auch während einer Schlittenbewegung stattfinden.

Olivetti Die Firma Olivetti verzichtete bei ihrer Kugelkopfschreibmaschine, die nach Ablauf von IBM-Patenten gebaut werden konnte, auf die aufwändigen Drahtgetriebe und blieb beim üblichen Schreibmaschinenwagen mit Querbewegung der Schreibwalze wie bei der Vorbildmaschine Blickensderfer Nr. 5.

Einzelheiten Nachfolgend werden einige Details der vorstehend beschriebenen Arbeitsweise anhand von Prinzipdarstellungen näher erläutert. Die Beschreibung stützt sich auf das ursprüngliche Konzept von IBM. Im Laufe der Entwicklung wurden mechanische Funktionsprinzipe vielfach verändert und zunehmend durch elektromechanische bzw. elektrisch-elektronische Komponenten ersetzt.

Um einen Druckvorgang zu realisieren, sind vier grundlegende Bewegungen erforderlich. Zum einen ist eine Relativbewegung eines Trägers (mit Stützrohr und Kugelkopf) längs einer zur Schreibwalzenachse S parallelen Bahn erforderlich. Hierbei kann die Schreibwalze stationär und der Träger beweglich angeordnet sein (IBM) oder aber die gegenteilige Variante kommt zur Anwendung. Das Stützrohr ist um eine Achse auf dem Träger, die ebenfalls zur Schreibwalzenachse parallel verläuft, schwenkbar, so dass der Kugelkopf beim Druck auf die Schreibwalze aufschlagen kann. Um eine bestimmte Drucktype auswählen zu können, kann der Kugelkopf um eine durch seinen Mittelpunkt und wiederum parallel zur Schreibwalzenachse verlaufende Achse B geneigt werden (Auswahl des „Breitengrades“). Die Bestimmung des „Längengrades“ erfolgt durch Drehung des Kugelkopfes um diese geneigte „Polachse“ C. Da Neigung und Drehung des Kugelkopfes gleichzeitig und ohne gegenseitige Beeinflussung verlaufen, wird ein schneller Zugriff auf die jeweils zu druckende Type gewährleistet. Die gleichzeitigen Bewegungen führen zum „Tanzen“ des Kugelkopfes.

Das Stützrohr trägt in einer Gabel den Neigungsblock, der um eine durch zwei Stifte definierte Achse geneigt werden kann. Am Neigungsblock ist das Teilstück eines Kegelzahnrades befestigt, das mit einem an der Neigungswelle angebrachten Kegelzahnrad kämmt. Die Neigungswelle ist im Stützrohr gelagert. Eine Verdrehung der Neigungswelle um einen bestimmten Betrag führt zu einer definierten Neigung des Neigungsblocks.

Im Neigungsblock ist drehbar der Kugelkopfhalter gelagert. An diesem wird der (unten offene) Kugelkopf in definierter Lage mit Hilfe eines (nicht dargestellten) Rastmechanismus befestigt. Die Neigungswelle ist als Hohlwelle ausgeführt, in der sich die Drehwelle bewegen kann. Drehwelle und Kugelkopfhalter sind mit Kreuzgelenken (Kardangelenken) versehen, die durch ein Verbindungsstück zu einem Doppelkreuzgelenk verbunden sind. Ein solches gewährleistet auch bei geneigtem Neigungsblock eine gleichmäßige Übertragung der Drehbewegung der Drehwelle auf den Kugelkopfhalter. Die beiden verbundenen, mit Langlöchern (geschlossen oder offen) versehenen Kugeln der Kreuzgelenke werden im Fachjargon als dog bone (Hundeknochen) bezeichnet. Alternativ kann für die Drehbewegung auch ein Ausgleichsgetriebe verwendet werden.

Für die jeweiligen Druckpositionen des Kugelkopfes sind Positionierhilfen vorgesehen, die bei Verdrehung der beiden Wellen durch deren Drehmomente wieder gelöst werden. Diese Rasthilfen sind zwischen Neigungsblock und Gabel/Stützrohr bzw. Neigungsblock und Kugelkopf wirksam. Beispielsweise wird eine im Neigungsblock in einer Bohrung gegen eine Feder bewegliche Kugel in kalottenförmige Ausnehmungen auf dem „Äquator“ an der Innenwand des Kugelkopfes (den Positionen der Typen entsprechend) gedrückt (Sicherung der Drehposition). Ganz ähnlich wird die Neigungsposition gesichert, indem eine in der Gabel (bzw. dem Stützrohr) angeordnete federnde Kugel in ein am Neigungsblock befestigtes gezahntes Raststück eingreift. In späteren Ausführungen wurden keine Kalotten bzw. Kugeln verwendet. Der offene Rand des Kugelkopfes war gezahnt. In das Neigungsraststück und die Kugelkopfzahnung griffen Hebel ein, die von einem besonderen Betätigungsorgan gesteuert wurden (siehe unten), so dass Neigungs- und Drehwelle die Drehmomente zum Lösen der Rastung nicht aufbringen mussten.

Die Verdrehung der Neigungs- und der Drehwelle wird mit Zugmitteln (Drahtseile, Stahlbänder) realisiert. Das Prinzip ist für die Neigung und die Drehung identisch. Die beiden Wellen sind jeweils mit einer Seilscheibe versehen, an der ein Ende des Zugmittels befestigt ist. Durch Federkräfte werden die Scheiben in eine Richtung verdreht, so dass das Zugmittel gespannt wird. Das andere Ende des Zugmittels ist am den Kugelkopf tragenden Wagen befestigt. Der Wagen wird ebenfalls mit Drahtseilen bewegt, die jedoch in den Bildern nicht dargestellt sind. Das Seil ist über drei ortsfeste Seilscheiben geführt. Auch die verschiebbare Seilscheibe 4 soll zur Verdeutlichung der Unabhängigkeit der Bewegung von Neigungs- und Drehwelle von der Wagenbewegung zunächst als ortsfest angenommen werden. Es ist so ersichtlich, dass die Verschiebung des Wagens keine Verdrehung der Neigungs- bzw. Drehwelle zur Folge hat. Die Verdrehung dieser beiden Wellen (und damit die Auswahl der zu druckenden Type) erfolgt mit einem über Wählscheiben geführten Wähldraht. Die Seilscheibe 4 bewegt sich linear in Abhängigkeit von der Bewegung der Wählscheiben. So wird das Seil von der jeweiligen Seilscheibe für die Neigung bzw. die Drehung gegen die Federkraft abgezogen oder aber von der Federkraft auf die Scheibe aufgewickelt. Eine (definierte) Bewegung der Wählscheiben führt somit zu einer (definierten) Bewegung der den Kugelkopf bewegenden Wellen. Für die Neigung sind zwei und für die Drehung sechs Wählscheiben erforderlich. Das erklärt sich folgendermaßen.

Neigung: