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Die
Erfindung betrifft ein Tastschnittverfahren zur Ermittlung der Form,
insbesondere der Oberflächenkontur,
eines Werkstücks
mittels einer Messvorrichtung, die einen Grundkörper aufweist, auf dem eine
Aufnahme für
das Werkstück
sowie eine Säule angeordnet
ist, wobei ein Messzeugträger
vertikal auf der Säule
verfahrbar angeordnet ist und wobei ein Messtaster zur Kontaktierung
der zu vermessenden Oberfläche
des Werkstücks über einen
Messarm am Messzeugträger
um einen Drehpunkt drehbeweglich angeordnet ist. Des weiteren betrifft
die Erfindung eine Messvorrichtung zur Ermittlung der Form eines
Werkstücks
im Tastschnittverfahren.
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Zur
Messung von Oberflächen
von Werkstücken
wird häufig
das Tastschnittverfahren eingesetzt. Unter einem hierzu eingesetzten
Tastschnittgerät versteht
man ein Messgerät,
das Oberflächen
mit einer Tastspitze ertastet, Abweichungen in Form eines Oberflächenprofils
erfasst, Kenngrößen berechnet und
Profile aufzeichnen kann. Dabei werden häufig Messtaster verwendet,
deren Grundkontur sich aus einem zylindrischen Grundkörper ergibt,
der von einer Fläche
unter spitzem Winkel abgeschnitten wird. Dabei bildet sich eine
elliptisch ausgeformte Spitze, mit der das zu vermessende Werkstück abgetastet wird.
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Zur
Messung wird zumeist ein gattungsgemäßes Verfahren auf einer Messvorrichtung
verwendet, wie sie in 1 zu
sehen ist. Die Messvorrichtung 2 weist einen Grundkörper 3 auf,
auf dem eine Aufnahme 4 für ein zu vermessendes Werkstück 1 angeordnet
ist. Weiterhin ist auf dem Grundkörper 3 eine vertikal
ausgerichtete Säule 5 vorhanden,
die einen Messzeugträger 6 trägt. Im Messzeugträger 6 ist ein
Messarm 9 drehbar um einen Drehpunkt 11 gelagert.
Zur Abtastung des Werkstücks 1 in
horizontale Richtung wird der Messarm 9 samt seiner Aufnahme relativ
zum Messzeugträger 6 in
horizontale Richtung verschoben. Am vom Messzeugträger 6 entfernten Ende
des Messarms 9 ist ein Messtaster 7 mit mindestens
einer Tastspitze 10 angeordnet, die die zu vermessende
Oberfläche 8 des
Werkstücks 1 abtastet.
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Die
Messung erfolgt bei einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche 8 des
Werkstücks 1 und
dem Messtaster 7 in horizontale x-Richtung, indem der Messtaster 7 aufgrund
der Form der Oberfläche 8 in
vertikale Richtung z ausgelenkt wird, wodurch auch der Messarm 9 um
den Drehpunkt 11 gedreht wird. Mittels eines hochgenauen
Erfassungssystems (z. B. mittels eines Laserinterferometers) wird
die Drehbewegung des Messarms 9 erfasst und damit die zu
ermittelnde Oberflächenkontur
des Werkstücks 8.
Die Auslenkung in vertikale Richtung z an der Oberfläche 8 ergibt
sich als Produkt des Abstands L der Tastspitze 10 vom Drehpunkt 11 des Tastarms 9 und
der Winkelauslenkung ϕ des Messarms 9 relativ
zum Messzeugträger 6.
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Zum
Messen wird der Messzeugträger 6 in die
horizontale Richtung x' bewegt,
so dass der Messtaster 7 also die Oberfläche 8 abtastet.
Hierzu wird zunächst
der Messzeugträger 6 auf
diejenige Höhe an
der Säule 5 fest
eingestellt, auf der der Messtaster 7 die Oberfläche 8 kontaktieren
kann. Dann wird – bei vertikal
an der Säule 5 festgelegtem
Messzeugträger 6 – die Messung
durchgeführt.
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Nachteilig
ist dabei, dass der Messbereich bei dieser Vorgehensweise auf die
zulässige
Winkelauslenkung des Tastarms 9 relativ zum Messzeugträger 6 beschränkt ist.
Insbesondere ist es mit diesem Verfahren nicht möglich, beispielsweise den Durchmesser
D einer Bohrung im Werkstück 1 zu
ermitteln, indem der oberste und der unterste Punkt der Bohrung
angefahren werden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Tastschnittverfahren
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die vorgenannten
Nachteile vermieden werden. Es soll also ein vergrößerter Messbereich
für die
Messvorrichtung erzielt werden. Ein besonderer Augenmerk liegt dabei darauf
anzugeben, wie systematische Fehler infolge von Ungenauigkeiten
der Messvorrichtung ausgeglichen werden können, um ein präzises Messergebnis zu
erhalten.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass
die vertikale Position einer Tastspitze des Messtasters über dem Grundkörper während des
Messvorgangs durch Addition
- – der vertikalen
Höhe des
Messzeugträgers über dem
Grundkörper,
- – gegebenenfalls
eines konstanten Wertes und
- – dem
Produkt aus dem Abstand der Tastspitze des Messtasters vom Drehpunkt
des Tastarms im Messzeugträger
multipliziert mit dem Sinus der Winkelauslenkung des Messarms relativ
zum Messzeugträger
bestimmt
wird. Es wird also eine Bewegung des Messzeugträgers in vertikale Richtung
zugelassen und dessen vertikale Position bei der Vermessung der
Oberfläche
des Werkstücks
berücksichtigt.
Im Unterschied zur vorbekannten Vorgehensweise wird also der Messzeugträger nicht
mehr während
der Messung in vertikale Richtung an der Säule festgelegt.
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Da
die Vermessung der Oberfläche
des Werkstücks
mit sehr hoher Genauigkeit zu erfolgen hat, ist es sehr wichtig,
die systematischen Fehler so weit wie möglich zu eliminieren, die sich
aufgrund von Ungenauigkeiten der Messmaschine und deren Komponenten
ergeben. Namentlich weist die auf dem Grundkörper angeordnete Säule zumeist
eine Ungeradheit auf, d. h. sie erstreckt sich nicht ideal vertikal
nach oben. Vielmehr ist der Verlauf der Säule – mikroskopisch betrachtet – beispielsweise
S-förmig,
woraus sich systematische Messfehler ergeben. Daher sieht eine Weiterbildung
vor, dass bei der Ermittlung der vertikalen Position der Tastspitze
des Messtasters über
dem Grundkörper
Fehler infolge der Ungeradheit und/oder Verformung der Säule berücksichtigt
werden.
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Speziell
ist dabei vorgesehen, dass die Verschwenkung des Messzeugträgers um
eine zur Achse des Messarms senkrechte und horizontale Achse ermittelt
wird und der Sinus des Verschwenkwinkels multipliziert mit dem Abstand
der Tastspitze des Messtasters vom Drehpunkt des Tastarms im Messzeugträger bei
der Ermittlung der vertikalen Position der Tastspitze des Messtasters über dem
Grundkörper berücksichtigt
wird.
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Für den Fall,
dass der Drehpunkt der Verschwenkung des Messzeugträgers infolge
der vorhandenen systematischen Fehler der Messvorrichtung nicht
gleich ist mit dem Drehpunkt des Messarms, um den dieser bestimmungsgemäß bei der Messung
schwenkt, ist weiterbildungsgemäß vorgesehen,
dass die vertikale Verschiebung des Drehpunkts des Messarms in vertikale
Richtung infolge eines horizontalen Abstands zwischen dem Drehpunkt des
Messarms und dem Drehpunkt des Messzeugträgers infolge der Verschwenkung
bei der Ermittlung der vertikalen Position der Tastspitze berücksichtigt wird.
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Eine
besonders einfache Umsetzung des vorgeschlagenen Konzepts ergibt
sich, wenn die Verschwenkung des Messzeugträgers um die zur Achse des Messarms
senkrechte und horizontale Achse durch Vergleich der vertikalen
Höhe zweier
Punke des Messzeugträgers über dem
Grundkörper
ermittelt wird. Dabei kann dann vorgesehen sein, dass die Verschwenkung
aus der Höhendifferenz
und dem Abstand der beiden Punkte in horizontale Richtung, insbesondere
durch Arcus-Tangensbildung, ermittelt wird.
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Eine
bevorzugt Durchführung
des Messverfahrens sieht vor, dass der Messarm während der Messung in eine horizontale
Richtung, insbesondere im wesentlichen in Richtung seiner Achse,
relativ zum Messzeugträger
bewegt wird.
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Eine
Fortbildung sieht vor, dass das Werkstück bzw. die Aufnahme für das Werkstück während der
Messung in eine horizontale Richtung, insbesondere im wesentlichen
in Richtung der Achse des Messarms, bewegt wird.
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Um
beispielsweise Durchmesser von Bohrungen ermitteln zu können, kann
weiterhin vorgesehen sein, dass der Messtaster zur Auflage an der Oberfläche des
zu vermessenden Werkstücks
in zwei entgegengesetzten Richtungen ausgebildet ist. Dabei können die
beiden Richtungen vertikal ausgerichtet sein.
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Die
Messvorrichtung zur Ermittlung der Form eines Werkstücks im Tastschnittverfahren
weist einen Grundkörper
auf, auf dem eine Aufnahme für
das Werkstück
angeordnet ist, eine Säule,
die vertikal auf dem Grundkörper
angeordnet ist, einen Messzeugträger,
der vertikal verfahrbar auf der Säule angeordnet ist, und einen
Messtaster zur Kontaktierung der zu vermessenden Oberfläche des
Werkstücks,
der über
einen Messarm am Messzeugträger
drehbeweglich angeordnet ist. Diese Vorrichtung ist erfindungsgemäß gekennzeichnet
durch Mittel zur Bestimmung der infolge der Verformung der Säule hervorgerufenen
Abweichung der Tastspitze des Messtasters in vertikale Richtung
und zur Berücksichtigung
der Abweichung bei der Messung der vertikalen Position der Tastspitze
des Messtasters über
dem Grundkörper.
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Weiterbildungsgemäß sind zwei
auf dem Grundkörper
in horizontale Richtung, insbesondere im wesentlichen in Richtung
der Achse des Messarms, um einen Betrag voneinander beabstandet
angeordnete Längenmesselemente
vorgesehen, mit denen die vertikale Höhe zweier Punkte des Messzeugträgers über dem
Grundkörper
ermittelt werden kann, und Mittel zur Bestimmung der aus einer unterschiedlichen,
gemessenen vertikalen Höhe
resultierenden Abweichung der vertikalen Position der Tastspitze
des Messtasters über
dem Grundkörper.
Die beiden Längenmesselemente
können
als vertikal auf dem Grundkörper
angeordnete inkrementale Messsysteme ausgebildet sein.
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Weiterhin
kann eine Gewindespindel vorgesehen werden, mit der der Messzeugträger in vertikale
Richtung relativ zum Grundkörper
bewegbar ist. Ferner können
Bewegungsmittel angeordnet sein, mit denen das Werkstück bzw.
die Aufnahme für
das Werkstück
in eine horizontale Richtung, insbesondere im wesentlichen in Richtung
der Achse des Messarms, bewegt werden kann.
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Der
Messtaster hat bevorzugt zwei Tastspitzen. Die Achse des Messarms
ist bevorzugt im wesentlichen horizontal angeordnet.
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Vorzugsweise
wird der Messtaster aus keramischem Material unter Einsatz eines
an sich bekannten Ultraschallbearbeitungsverfahrens hergestellt,
bei dem Material durch Beaufschlagung mit Ultraschallwellen abgetragen
wird.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Vorschlag
ergibt sich, dass der Messbereich der Messvorrichtung wesentlich
größer ist,
ohne, dass es hierfür
besonders umfangreicher und teurer Maßnahmen bedarf. Insbesondere
wird durch die vorgeschlagene Fehlerkompensation in einfacher Weise
ein an sich üblicher Aufbau
eines Messgeräts
zur Nutzung des Erfindungsvorschlags tauglich gemacht.
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 in
der Seitenansicht schematisch dargestellt eine Messvorrichtung gemäß dem Stand
der Technik,
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2 eine
zu 1 korrespondierende Darstellung einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung,
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3 eine
sich auf dem Grundkörper
der Messvorrichtung befindliche Säule mit einem von dieser getragenen
Messzeugträger,
wobei Ungeradheiten der Säule
stark übertrieben
dargestellt sind, und
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4 eine
zu 3 korrespondierende Darstellung, wobei der Verschwenkpunkt
des Messzeugträgers
nicht identisch ist mit dem Drehpunkt eines Messarms.
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Die
Darstellung gemäß 1,
also eine Messvorrichtung gemäß dem Stand
der Technik, wurde bereits oben erläutert. Die in 2 skizzierte Messvorrichtung 2 entspricht
dieser, soweit sich entsprechende Bezugszeichen vorhanden sind.
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Die
Messvorrichtung 2 gemäß der Erfindung, also
gemäß 2,
weist einen Grundkörper 3 auf, auf
dem eine Aufnahme 4 für
das Werkstück 1 verschiebbar
in x-Richtung angeordnet ist. Die Bewegungsmittel 15, die
für diese
Verschiebung nötig
sind, sind nur schematisch angedeutet und als solche im Stand der
Technik hinlänglich
bekannt. Weiterhin befindet sich auf dem Grundkörper 3 eine sich in
vertikale Richtung z erstreckende Säule 5, wobei natürlich auch
mehrere solcher Säulen
vorgesehen sein können.
An der Säule 5 ist
wiederum ein Messzeugträger 6 höhenverschieblich
angeordnet, wobei die dafür
erforderlichen und an sich vorbekannten Mittel (beispielsweise in
Form einer Gewindespindel) nicht skizziert sind.
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Im
Messzeugträger 6 ist
um eine Drehachse 11 drehbar ein Messarm 9 angeordnet,
der an seinem vom Messzeugträger 6 entfernten
Ende einen Messtaster 7 aufweist. Der Messtaster 7 hat
vorliegend zwei Tastspitzen 10 und 16, die beide
in vertikale Richtung z ausgerichtet sind, und zwar die Tastspitze 10 in
Richtung R1 vertikal nach oben und die Tastspitze 16 in
Richtung R2 vertikal nach unten. Damit ist
es möglich,
beispielsweise eine Bohrung im Werkstück 1 hinsichtlich
ihres Durchmessers D (s. 1) zu vermessen.
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Wie
im Stand der Technik, kann eine Vermessung der Oberfläche 8 des
Werkstücks 1 dadurch
erfolgen, dass bei Relativverschiebung des Werkstücks 1 zum
Messtaster 7 die Oberfläche 8 abgefahren
und das Profil der Oberfläche
aufgenommen wird; dabei erfolgt die Relativbewegung in x-Richtung beispielsweise
durch Verschiebung des Messarms 9 relativ zum Messzeugträger 6.
Hierzu kann der Messtaster 7 in vertikale Richtung z bewegt werden,
indem nämlich
der Messarm 9 um den Drehpunkt 11 schwenken kann;
dies ist mit der Winkelauslenkung ϕ des Messarms 9 relativ
zum Messzeugträger 6 angegeben.
Infolge des bekannten Abstands L zwischen der Tastspitze 10 vom
Drehpunkt 11 des Tastarms 9 ist es durch Produktbildung
mit dem Sinus des Winkels ϕ damit möglich, die Oberflächentopographie
in vertikale Richtung z zu erfassen.
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Über diese
vorbekannte Möglichkeit
hinaus wird erfindungsgemäß auch die
vertikale Höhe
zT des Messzeugträgers 6 über dem
Grundkörper 3 erfasst und
gemessen. In Kenntnis des konstanten Wertes z0,
der den Abstand von der Achse a (s. 3) des Messarms 9 von
der Tastspitze 10 angibt, ergibt sich die vertikale Position
der Tastspitze 10 und damit der maßgebliche Wert für die Bestimmung
der Oberflächentopographie
(zumindest für
kleine Winkel ϕ) zu zM =
zT + z0 + (sin ϕ × L).
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Der
Messbereich der Messvorrichtung 2 in z-Richtung kann damit
signifikant vergrößert werden. Im
Stand der Technik ist dieser durch die maximal zulässige Winkelauslenkung ϕ des
Messarms 9 begrenzt.
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Besondere
Bedeutung haben allerdings in diesem Zusammenhang die sich aus Ungeradheiten der
Messvorrichtung 2 bzw. der Elemente ergebenden Fehler,
die unvermeidbar (bzw. nur vermeidbar durch einen exorbitanten Aufwand)
in einer Größenordnung
liegen, die das Messergebnis bei der Vermessung der Oberfläche 8 des
Werkstücks 1 erheblich
verfälschen
würden.
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In 3 ist
die Säule 5 mit
stark übertrieben dargestellten
Fehlern infolge Ungeradheiten gezeigt; die Säule hat beispielsweise einen
S-förmigen
Verlauf, der die Messung verfälscht.
Um diesen systematischen Messfehler zu eliminieren, wird wie folgt vorgegangen:
Auf
dem Grundkörper 3 sind
in x-Richtung beabstandet zwei Längenmesselemente 12 und 13 angeordnet,
die als inkrementale, hochauflösende
Messgeber ausgeführt
sind. Die beiden Längenmesselemente 12 und 13 erstrecken
sich dabei vertikal von der Oberfläche des Grundkörpers 3 nach
oben. Der Abstand zwischen den beiden Elementen 12 und 13 in x-Richtung
ist bekannt und mit Δx
angegeben.
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Am
Messzeugträger 6 sind
zwei Punkte P1 und P2 markiert,
die bei fehlerfrei ausgebildeten Komponenten der Messvorrichtung
identisch auf derselben vertikalen Höhe z liegen. Infolge der (übertrieben dargestellten)
Fehler ist dies jedoch in der Praxis nicht der Fall. Die beiden
Punkte P1 und P2 befinden sich
vielmehr auf unterschiedlichen Höhen
z1 und z2, was zu
einer Höhendifferenz Δz führt. Die
jeweiligen tatsächlichen
Höhen z1 und z2 werden von
den beiden Längenmesselementen 12 und 13 ermittelt
und an ein Rechenmittel 14 weitergegeben.
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Nachdem
der horizontale Abstand Δx
der beiden Elemente 12 und 13 bekannt ist, ergibt
sich aus der Differenz der Messwerte z1 und
z2 sofort über Kotangensbildung der Verschwenkwinkel δ, der sich als
Verschwenkung des Messzeugträgers 6 infolge der
Fehler, insbesondere als Ungeradheit in der Säule 5 bzw. im Messzeugträger 6,
ergibt. Da der Messzeugträger 6 samt
Messarm 9 um diesen Winkel δ fehlerbedingt geschwenkt wird,
kann – in
Kenntnis des Abstands L der Tastspitze 10 vom Drehpunkt 11 des
Tastarms 9 – die
sich daraus ergebende Abweichung ΔzV der Tastspitze 10 des Messtasters 7 in z-Richtung
bei der Vermessung der Oberfläche 8 berücksichtigt
werden, d. h. der systematische Fehler kann aus dem Messergebnis
herausgerechnet werden, um den entsprechenden tatsächlichen
Wert zM für die vertikale Position der
Tastspitze 10 zu erhalten.
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Zur
Eliminierung der fehlerbedingten Verschwenkung um den Winkel δ wird dieser
also von dem Winkel ϕ bei der Berechnung der vertikalen Lage
des Messtasters 7 abgezogen bzw. addiert.
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Die
Eliminierung der systematischen Führungsfehler erfolgt im Ausführungsbeispiel
also durch zwei Messsysteme.
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In 4 ist
skizziert, was zu geschehen hat, falls der Drehpunkt 17 des
Messzeugträgers 6 infolge der
erläuterten
systematischen Fehler nicht identisch ist mit dem Drehpunkt 11 des
Messarms 9, der im Messzeugträger 6 gelagert ist.
Es sei angemerkt, dass bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Messarm 9 relativ zum Messzeugträger 6 zur Bewerkstelligung
der benötigten
Bewegung in x-Richtung bewegt wird; d. h. der Abstand zwischen den Drehpunkten 11 und 17 ist
zeitveränderlich.
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In
diesem Falle liegt zwischen den beiden Drehpunkten 11 und 17 ein
(zeitveränderlicher)
Abstand Δx' in x-Richtung vor.
Infolge des Verschwenkwinkels δ des
Messzeugträgers 6 ergibt
sich durch Produktbildung des Tangens des Verschwenkwinkels δ mit dem
Abstand Δx' eine vertikale Verschiebung Δz' des Drehpunktes 11,
was bei der Berechnung der vertikalen Position zM der
Tastspitze 10 entsprechend berücksichtigt wird.
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Insgesamt
ergibt sich eine einfache Möglichkeit,
die systematischen Messfehler bei der Vermessung der Oberfläche 8 zu
eliminieren und so in kostengünstiger
Weise eine Messvorrichtung 2 für die Durchführung des
Tastschnittverfahrens zu erhalten, die über eine wesentlich erweiterte
Funktionalität
verfügt.
Es ergibt sich also eine Messbereichserweiterung von Konturenmessgeräten nach
dem Tastschnittverfahren. Die Relativbewegung zwischen Messtaster 7 und
Werkstück 1 kann
durch die Bewegungsmittel 15 zwischen der Teileauflage 4 und
dem Grundkörper 3,
additiv oder alternativ aber auch durch eine Relativbewegung des
Messarms 9 relativ zum Grundkörper 3 in x-Richtung
erfolgen. Dadurch kann auch der Messbereich in x-Richtung erweitert werden.
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Es
sei noch angemerkt, dass vorliegend von der x-Richtung als vor der
horizontalen Richtung gesprochen wurde. Falls das Werkstück im aufgespannten
Zustand eine unter Winkel zur Horizontalen zu vermessende Kontur
aufweist, kann es erforderlich sein, die Messanordnung zu dieser
Fläche
auszurichten, so dass dann die x-Richtung unter entsprechendem Winkel – bis zu
45° – zur Horizontalen steht.
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- 1
- Werkstück
- 2
- Messvorrichtung
- 3
- Grundkörper
- 4
- Aufnahme
für das
Werkstück
- 5
- Säule
- 6
- Messzeugträger
- 7
- Messtaster
- 8
- zu
vermessende Oberfläche
des Werkstücks
- 9
- Messarm
- 10
- Tastspitze
- 11
- Drehpunkt
- 12,
13, 14
- Mittel
zur Bestimmung der Abweichung
- 12
- Längenmesselement
- 13
- Längenmesselement
- 14
- Mittel
zur Bestimmung der Abweichung (Rechenmittel)
- 15
- Bewegungsmittel
- 16
- Tastspitze
- 17
- Drehpunkt
des Messzeugträgers
- x
- horizontale
Achsrichtung
- y
- horizontale
Achsrichtung
- z
- vertikale
Achsrichtung
- Δx
- horizontaler
Abstand der Punkte P1 und P2
- Δx'
- horizontaler
Abstand
- Δz
- Höhendifferenz
- zM
- vertikale
Position der Tastspitze
- zT
- vertikale
Höhe des
Messzeugträgers über dem
Grundkörper
- z0
- konstanter
Wert
- z1
- vertikale
Höhe des
Punkts P1
- z2
- vertikale
Höhe des
Punkts P2
- ΔzV
- Abweichung
der Tastspitze in vertikale Richtung
- zM
- vertikale
Position der Tastspitze
- Δz'
- vertikale
Verschiebung des Drehpunkts 11
- L
- Abstand
der Tastspitze vom Drehpunkt des Tastarms
- ϕ
- Winkelauslenkung
des Messarms relativ zum Messzeugträger
- a
- Achse
des Messarms
- δ
- Verschwenkwinkel
- P1
- Punkt
- P2
- Punkt
- R1
- Richtung
- R2
- Richtung
- D
- Durchmesser
des Werkstücks