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Die
Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Vermessen großer Bauteile
mit einer Messeinrichtung und einer Antriebseinheit zum Betätigen der Messeinrichtung.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Vermessen
großer
Bauteile mit einer solchen Messvorrichtung.
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Eine
solche Messvorrichtung ist aus der
DE 36 43 296 A1 oder der
JP 02 151 708 A bekannt.
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Das
Vermessen großer
Bauteile in stationären
Messevorrichtungen wirft das Problem auf, dass die großen Bauteile
zu der stationären
Messvorrichtung transportiert werden müssen. Darüber hinaus müssen die
stationären
Messvorrichtungen entsprechend groß sein, um die Bauteile aufnehmen
zu können.
Sie weisen in der Regel neben den drei kartesischen Grundachsen
noch einen integrierten Rundtisch zum Bewegen des Bauteils innerhalb
der Messvorrichtung auf. Solche Messvorrichtungen sind deshalb sehr
aufwendig und auch der Transport des großen Bauteils zu diesen Messvorrichtungen
ist mit entsprechend hohem Aufwand verbunden.
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Zur
Vermeidung dieser Nachteile schlagen die
DE 36 43 296 A1 und die
JP 02 151 708 A Messvorrichtungen
vor, die sich am Bauteil entlang bewegen können und während dieser Bewegung das Bauteil
vermessen. Diese Messvorrichtungen können deshalb entsprechend klein
ausgebildet werden. Dabei ist die Bewegung der Messvorrichtung am
Werkstück
im Sinne einer Vorschubbewegung zwingend erforderlich, um eine Mess-Spur
zu generieren. Ohne diese Bewegung würde nur ein singulärer Messwert erhalten
werden. Die Bewegung der Messvorrichtung entlang des Bauteils geht
also mit in die Vermessung ein. Dieses geht zu Lasten der Genauigkeit.
Gründe hierfür sind,
dass Komponenten der Messvorrichtung zur Übertragung der Antriebskräfte entsprechend steif
herausgebildet werden müssen
und eventueller Schlupf bei der Bewegung der Messvorrichtung am Bauteil.
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Aus
der
GB 746 586 ist eine
Vorrichtung zum Vermessen der Evolventenform einer Verzahnung bekannt.
Diese Messvorrichtung wird am Bauteil fixiert und vermisst sodann
die Evolventenform der Verzahnung. Diese Messvorrichtung ist ebenfalls klein
und mobil ausgebildet. Sie eignet sich aber immer nur zum Vermessen
der Verzahnungen innerhalb ihres Messbereichs. Eine Erweiterung
des Messbereichs ist nur möglich,
indem die Messvorrichtung vom Bauteil demontiert und an einer anderen
Stelle wieder fixiert wird. Dieses ist aufwendig. Darüber hinaus
muss die Messvorrichtung nach dem Umsetzen neu kalibriert werden,
um die Messungen auf die vorhergehenden Messungen abzustimmen.
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Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, eine Messvorrichtung
zu schaffen, mit der große
Bauteile auf einfache und kostengünstige Weise bei höchster Genauigkeit
vermessen werden können.
Des Weiteren soll ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zum Vermessen
dieser Bauteile mit einer solchen Messvorrichtung vorgeschlagen
werden.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist die erfindungsgemäße Messvorrichtung dadurch
gekennzeichnet, dass die Messeinheit einen passiven Messarm aufweist,
welcher einen bezogen auf das Bauteil festen Referenzpunkt aufweist,
und dass die Antriebseinheit am Bauteil umsetzbar und festsetzbar ist
sowie einen ersten Antrieb für
den Messarm, der mit dem Messarm kuppelbar ist, und einen zweiten Antrieb
aufweist, mit dem die Antriebseinheit am Bauteil verfahrbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren
ist zur Lösung
des Problems dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil in zwei oder
mehr Messintervallen vermessen wird, indem für jeden Messintervall die Antriebseinheit
am Bauteil positioniert und festgesetzt wird, der mit der Antriebseinheit
gekuppelte Messarm mittels der Antriebseinheit betätigt und
dadurch ein Bereich des Bauteils vermessen wird.
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Der
Grundgedanke der Erfindung ist dabei, dass nicht mehr das Bauteil
zu einer stationären Messvorrichtung
gebracht, sondern eine kleine und mobile Messvorrichtung zum Bauteil
gebracht wird. Ein aufwendiger Transport des Bauteils entfällt damit. Erfindungsgemäß sind der
Antrieb zum Bewegen des Messarms einerseits und der Messarm andererseits
voneinander entkoppelt. Dementsprechend ist der Messarm selbst passiv
ausgebildet. Er weist also keine eigenen Antriebsorgane auf, die
ihn während der
Ermittlung der Messwerte bewegen. Hierdurch können die Komponenten des Messarms
leicht und hochgenau gefertigt werden. Spiel und andere zu Lasten
der Messgenauigkeit gehende Einflüsse können daher weitestgehend vermieden
werden. Der Antrieb für
den Messarm ist vielmehr der Antriebseinheit zugeordnet. Hierdurch
wird der Messarm innerhalb des aufgrund der Abmessungen der Antriebseinheit
vorgegebenen, maximalen Messbereichs bewegt. Sobald das Bauteil
innerhalb dieses Messbereichs erfasst ist, wird die Antriebseinheit
neu am Bauteil positioniert und festgesetzt. Hierdurch ergibt sich
ein neuer Messbereich am Bauteil, der nun vermessen werden kann.
Dieser Vorgang des Vermessens und Neupositionierens der Antriebseinheit
wird so oft wiederholt, bis das Bauteil vermessen ist. Dabei ist
mit ”Vermessen” nicht
nur ein vollständiges Vermessen
des Bauteils gemeint, sondern vielmehr auch einzelne Abschnitte
oder Bereiche des Bauteils. Inwieweit das Bauteil jeweils vermessen
wird, hängt von
der jeweiligen Messaufgabe ab.
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Weiterhin
weist der Messarm erfindungsgemäß einen
bezogen auf das Bauteil festen Referenzpunkt auf. Dabei kann es
sich um einen einzigen festen Referenzpunkt handeln, der für die Vermessung des
gesamten Bauteils unverändert
bleibt. Es können
aber auch unterschiedliche feste Referenzpunkte vorgesehen sein.
Diese gelten dann für
einen oder mehrere Messintervalle. Wichtig ist nur, dass die jeweilige
Lage der Referenzpunkte vorher bekannt ist, insbesondere hinsichtlich
ihrer relativen Lage zueinander. Ein Kalibrieren der Messvorrichtung
während der
Vermessung des Bauteils bzw. für
jeden Messintervall kann deshalb entfallen. Auch dieses vereinfacht
das Vermessen großer
Bauteile.
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Sind
zwei oder mehr Referenzpunkte vorhanden, so kann die Lage des ersten
und gegebenenfalls weiterer Referenzpunkte bei der Vermessung des
Bauteils bestimmt werden, während
der Messarm gerade dem ersten Referenzpunkt zugeordnet ist. Die
Lagebestimmung erfolgt dann bei einem Messintervalle, bei dem sich
einer oder mehrere der weiteren Referenzpunkte im durch die jeweilige Position
der Antriebseinheit erreichbaren Bereich befinden. Sind nicht alle
Referenzpunkte erreichbar, während
der Messarm dem ersten Referenzpunkt zugeordnet ist, kann die Lage
der übrigen
Referenzpunkte bei einem späteren
Messintervall erfolgen, wenn der Messarm einem anderen, bereits
hinsichtlich seiner Lage bekannten Referenzpunkt zugeordnet ist.
Der Referenzpunkt, dem der Messarm gerade zugeordnet ist, wird im
Rahmen dieser Anmeldung als aktiver Referenzpunkt bezeichnet.
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Dem
Messarm ist zum Vermessen des Bauteils ein Tastorgan zugeordnet.
Dieses kann ein mechanischer Tastkopf, ein Laser oder jedes andere
geeignete Organ zur Positionsbestimmung, wie zum Beispiel ein Mini-GPS
sein. Dieses Tastorgan wird durch den Messarm vorzugsweise dreidimensional, also
in alle Raumrichtungen, beweglich gehalten. Falls es für die jeweilige
Messausgabe ausreichend ist, reicht unter Umständen auch nur eine zweidimensionale
Beweglichkeit des Tastorgans. In seltenen Fällen, wenn zum Beispiel nur
der Rundlauf eines großen
Bauteils überprüft werden
muss, reicht unter Umständen
auch nur eine eindimensionale Beweglichkeit des Tastorgans, beispielsweise
die Drehbarkeit um eine Achse.
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Die
dreidimensionale Beweglichkeit des Messarms wird auf besonders einfache
Weise dadurch erreicht, dass der Messarm einen um eine erste Achse
drehbaren Drehschemel aufweist, an dem ein Teleskoparm um eine zweite
Achse schwenkbar gelagert ist. Die zweite Achse ist insbesondere
senkrecht zur ersten Achse angeordnet. Ferner trägt der Teleskoparm an seinem
freien Ende das Tastelement. Durch Drehen des Drehschemels um die
erste Achse und Schwenken des Teleskoparms um die zweite Achse sowie
Ein- und Ausfahren des Teleskoparms lässt sich das Tastelement in
allen drei Dimensionen bewegen.
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Nach
einer konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung ist der Teleskoparm
mit wenigstens einem Teleskop-Außenrohr versehen, in dem ein
Teleskop-Innenrohr ein- und
ausfahrbar geführt
ist. Eines dieser Rohre, vorzugsweise das Teleskop-Außenrohr ist
schwenkbar an dem Drehschemel gelagert, während das andere Rohr das Tastelement
trägt.
Trägt das
Teleskop-Innenrohr das Tastelement, verjüngt sich der Teleskoparm zum
Tastelement hin, was die Erreichbarkeit zu vermessender Stellen
am Bauteil erleichtert.
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Um
den passiven Messarm bewegen zu können, weist die Antriebseinheit
einen ersten Antrieb auf, mittels dessen das Tastelement dreidimensional beweglich
antreibbar ist. Dieser erste Antrieb weist vorzugsweise drei jeweils
unter einem bestimmten Winkel zueinander verfahrbare Schlitten auf.
Hierdurch ergibt sich ein besonders einfacher konstruktiver Aufbau
für den
Antrieb. Alternativ kann aber auch jede andere geeignete Konstruktion
vorgesehen sein. Beispielsweise kann der Antrieb auch analog zum
Messarm mit Drehschemel und schwenkbarem Teleskoparm ausgebildeter
sein. Umgekehrt kann auch der Messarm analog zum Antrieb mit unter
einem bestimmten Winkel zueinander verfahrbaren Schlitten ausgebildeter
sein. Bei einer Konstruktion aus drei Schlitten ist der erste Schlitten
vorzugsweise in eine erste Richtung, der zweite Schlitten in eine zweite
Richtung und der dritte Schlitten in eine dritte Richtung verfahrbar.
Der vorbestimmte Winkel, unter welchem die Schlitten verfahrbar
sind, ist insbesondere der rechte Winkel. Hierdurch ergibt sich
eine einfache und genaue Kinematik für das Verfahren der Schlitten.
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Weiterhin
weist die Antriebseinheit nach einer weiteren konstruktiven Ausgestaltung
der Erfindung einen Rahmen auf, der seinerseits verfahrbar am Bauteil
anbringbar ist. Mittels des Rahmens lässt sich die Antriebseinheit
am Bauteil geführt
verfahren, was ein besonders einfaches Umsetzen der Antriebseinheit
nach einem Messintervall ermöglicht. Der
Rahmen kann dabei beispielsweise manuell durch eine Bedienperson
am Bauteil verfahren werden. Vorzugsweise weist der Rahmen aber
einen zweiten Antrieb zum Verfahren der Antriebseinheit am Bauteil
auf. Dieser Antrieb verfügt
nach einer konstruktiven Ausgestaltung über wenigstens eine motorisch
antreibbare Rolle. Diese kann ihre Antriebskräfte entweder kraftschlüssig oder
formschlüssig
auf das Bauteil übertragen.
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Als
erster Antrieb zum Betätigen
des Messarms einerseits und als zweiter Antrieb zum Versetzen der
Antriebseinheit andererseits können
jeweils gesonderte Antriebe verwendet werden. Es ist aber auch denkbar,
dass ein gemeinsamer Antrieb vorgesehen ist, der mittels geeigneter
Kupplungen einmal zum Betätigen
des Messarms und dann zum Versetzen der Antriebseinheit verwendet
wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
Messvorrichtung mit den Erfindungsmerkmalen nebst einem zu vermessenden Bauteil
in perspektivischer Darstellung,
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2 die
Messvorrichtung gemäß 1 in Draufsicht,
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3 die
Messvorrichtung gemäß 1 in Seitenansicht,
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4 die
Messvorrichtung gemäß 1 in einem
Vertikalschnitt in der Ebene IV-IV gemäß 2.
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In
der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung anhand der Vermessung
eines Zahnrades 10 mit Innenverzahnung als zu vermessendes
Bauteil erläutert.
Aus Gründen
der Vereinfachung ist die Verzahnung des Zahnrades 10 nur
unvollständig
dargestellt, obwohl das Zahnrad 10 an seinem gesamten Umfang
mit der Verzahnung versehen ist. Die Messvorrichtung weist einen
passiven, also nicht mit eigenen Antrieben versehenen Messarm 11 und
eine Antriebseinheit 12 auf. Der Messarm 11 verfügt über einen
Drehschemel 13, der ortsfest aber um die Drehachse des
Zahnrades 10 drehbar gelagert ist. Der Drehschemel 13 bildet
dadurch einen festen Referenzpunkt für die Vermessung des Zahnrades 10.
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An
dem Drehschemel 13 ist ein Teleskoparm 14 schwenkbar
gelagert. Die Schwenkachse des Teleskoparms 14 ist senkrecht
zur Drehachse des Drehschemels 13 und damit des Zahnrades 10 angeordnet.
Der Teleskoparm 14 weist ein Teleskop-Außenrohr 15,
welches schwenkbar an dem Drehschemel 13 angeordnet ist,
und ein Teleskop-Innenrohr 16 auf. Das Teleskop-Innenrohr 16 ist
in seiner Längsrichtung
verschiebbar in dem Teleskop-Außenrohr 15 geführt. Das
Teleskop-Innenrohr 16 ist also gegenüber dem Teleskop-Außenrohr 15 ein-
und ausfahrbar. Am Teleskoparm 14 sind hierfür jedoch
keine eigenen Antriebsmittel vorgesehen. Auch zum Drehen des Drehschemels 13 weist
der Messarm 11 keine eigenen Antriebsmittel auf. Es handelt
sich um einen passiven Messarm 11.
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Die
Antriebseinheit 12 weist einen Rahmen 17 auf,
der aus einer Grundplatte 18, zwei sich senkrecht zur Grundplatte 18 erstreckende
und an der Grundplatte 18 angebrachte Längsträger 19, 20 und einer
die beiden freien Enden der Längsträger 19, 20 verbindende
Quertraverse 21 besteht. Die Quertraverse 21 verläuft im Wesentlichen
parallel zur Grundplatte 18. Grundplatte 18, die
Längsträger 19, 20 und die
Quertraverse 21 bilden einen geschlossenen Rahmen 17.
Der Rahmen 17 ist dabei so ausgebildet, dass er einen Abschnitt
des zu vermessenden Bauteils, im vorliegenden Fall einen Bogenabschnitt
des Zahnrades 10, klemmen kann. Im vorliegenden Fall wird
der entsprechende Bogenabschnitt des Zahnrades 10 zwischen
der Grundplatte 18 und der Quertraverse 21 geklemmt.
Hierdurch wird der Rahmen 17 und damit die Antriebseinheit 12 am
Zahnrad 10 fixiert.
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Auf
der Grundplatte 18 ist ein Antrieb 22 für den Messarm 11 vorgesehen.
Dieser Antrieb 22 besteht im vorliegenden Fall aus drei
senkrecht zueinander angeordneten Schlitten 23, 24, 25,
die nach Art eines kartesischen Koordinatensystems in einer x-Richtung, einer y-Richtung
und einer z-Richtung gegeneinander verschieblich sind. Zu diesem
Zweck ist auf der Grundplatte 18 ein Schlittenbett 26 angeordnet,
welches im vorliegenden Fall der y-Richtung zugeordnet ist. Auf
diesem Schlittenbett 26 ist der erste Schlitten 23 in
y-Richtung verschieblich geführt, der
seinerseits an seiner Oberseite ein zweites Schlittenbett 27 aufweist,
welches der x-Richtung zugeordnet ist. An diesem Schlittenbett 27 ist
der zweite Schlitten 24 in x-Richtung verschieblich geführt. Dieser
Schlitten 24 ist als ein Winkelstück ausgebildet und trägt ein drittes,
der z-Richtung zugeordnetes Schlittenbett 28. An diesem
Schlittenbett 28 ist der dritte Schlitten 25 in
z-Richtung verschieblich geführt. Zum
Verschieben der Schlitten 23, 24, 25 auf
dem jeweils zugehörigen
Schlittenbett 26, 27, 28 sind geeignete
und an sich bekannte Antriebsmittel 29 vorgesehen.
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Am
dritten Schlitten 25 ist ein antriebsseitiger Kupplungsarm 30 angebracht,
der an seinem freien Ende ein antriebsseitiges Kupplungselement 31 trägt. Am Teleskoparm 14,
nämlich
am Teleskop-Innenrohr 16, ist ein messarmseitiger Kupplungsarm 32 angeordnet,
der an seinem freien Ende ein messarmseitiges Kupplungselement 33 trägt. Die
Kupplungselemente 31 und 33 sind zueinander komplementäre Kupplungselemente,
die miteinander kuppelbar sind. In der Zeichnung sind sie in miteinander gekuppeltem
Zustand gezeigt. Die Kupplungselemente 31 und 33 bilden
ein Kugelgelenk, so dass die Kupplungsarme 30 und 32 gegeneinander
in beliebiger Richtung verschwenkbar sind. Alternativ können sie
auch ein Kardangelenk oder ein anderes die erforderlichen Freiheitsgrade
bereitstellendes Gelenk bilden. Die Position des Messarms 11 sollte
nur einigermaßen
eindeutig durch den Antrieb 22 bestimmt sein.
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Mittels
des Antriebes 22 lässt
sich nun der Messarm 11 in einem vorgegebenen Bereich,
der im vorliegenden Fall dem durch den Rahmen 17 definierten
Bereich entspricht, bewegen. Am freien Ende des Teleskop-Innenrohres 16 ist
ein Tastkopf 34 vorgesehen, der mittels des Antriebes 22 an
dem entsprechenden Bereich des Zahnrades 10 entlang bewegt
wird. Dabei wird dieser Bereich des Zahnrades 10 vermessen.
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Geeignete
Positionssensoren ermitteln fortlaufend die Position des Tastkopfes
bezogen auf den Referenzpunkt (Drehschemel 13). Dieses
kann zum Bespiel dadurch erfolgen, dass dem Drehschemel 13 ein
Winkelgeber zum Erfassen des Drehwinkels des Drehschemels 13 sowie
ein weiterer Winkelgeber zum Erfassen des Schwenkwinkels des Teleskoparms 14 gegenüber dem
Drehschemel 13 vorgesehen ist. Ein weiterer Sensor erfasst
das Maß,
um welches das Teleskop-Innenrohr 16 aus dem Teleskop-Außenrohr 15 ausgefahren
ist. Mit diesen Größen ist
die Position des Tastkopfes 34 eindeutig bestimmt. Die
einzelnen Bauteile des Messarms 11 sind dabei hochgenau,
dass heißt
spielfrei gefertigt. Ein eventuelles Spiel und Trägheiten
des Antriebes 22 haben durch die Entkopplung von Messarm 11 und Antriebseinheit 12 keinen
Einfluss auf die Messgenauigkeit.
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Die
Antriebseinheit 12 verfügt über einen zweiten
Antrieb, mit welchem sie am Zahnrad 10 entlang bewegt werden
kann. Zu diesem Zweck sind an der Grundplatte zwei Rollen 35 vorgesehen,
die jeweils benachbart zu den Längsträgern 19, 20 angeordnet
sind. Wenigstens eine dieser Rollen 35 ist motorisch antreibbar,
so dass die Antriebeinheit 12 am Zahnrad 10 verfahren
werden kann. An der Quertraverse 21 sind, ebenfalls benachbart
zu den Längsträgern 19, 20,
zwei Gegenrollen 36 angeordnet, die die Antriebseinheit 12 zusätzlich führen und
als Gegendruckorgane beim fixieren der Antriebseinheit am Zahnrad 10 dienen.
Ein eventueller Schlupf beim Verfahren der Antriebseinheit 12 am
Zahnrad 10 hat wiederum durch die Entkopplung von Messarm 11 und Antriebseinheit 12 keinen
Einfluss auf die Messgenauigkeit. Deshalb wäre es auch möglich, aber nicht
bevorzugt, während
des Verfahrens der Antriebseinheit 12 Messungen durchzuführen.
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Sobald
nun der durch den Rahmen 17 definierte Bereich des Zahnrades 10 vermessen
ist, wird die Antriebseinheit 12 mittels des zweiten Antriebes weiter
bewegt und erneut am Zahnrad 10 fixiert. Jetzt kann der
neue, nun durch den Rahmen 17 definierte Bereich des Zahnrades 10 vermessen
werden. Anschließend
wird die Antriebseinheit 12 wieder weiter bewegt. Dieser
Vorgang wird so oft wiederholt, bis entweder das gesamte Zahnrad 10 oder
vorbestimmte Bereiche dieses Zahnrades vermessen sind. Das Vermessen
jedes dieser Bereiche bildet einen Messintervall.
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Mit
der vorliegenden Messvorrichtung lässt sich das Zahnrad 10 vollautomatisch,
beispielsweise computergesteuert, vermessen. Es ist aber auch ein semiautomatischer
Betrieb denkbar, bei dem die Antriebseinheit 12 über keinen
zweiten Antrieb zum Versetzen der Antriebseinheit 12 verfügt, sondern
durch eine Bedienperson versetzt wird. Die Bedienperson bildet dann
sozusagen den zweiten Antrieb.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
bleibt der Drehschemel 13 immer, d. h. für jeden
der Messintervalle, der Drehachse des Zahnrades als festem Referenzpunkt
zugeordnet. Bei komplexeren Bauteilen ist es auch möglich, den
Drehschemel 13 für
einen oder mehrere Messintervalle unterschiedlichen Referenzpunkten
zuzuordnen, die hinsichtlich ihrer Lage, insbesondere zueinander,
bekannt sind. Der Drehschemel 13 wird dann zwischen zwei
Messintervallen umgesetzt.
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- 10
- Zahnrad
- 11
- Messarm
- 12
- Antriebseinheit
- 13
- Drehschemel
- 14
- Teleskoparm
- 15
- Teleskop-Außenrohr
- 16
- Teleskop-Innenrohr
- 17
- Rahmen
- 18
- Grundplatte
- 19
- Längsträger
- 20
- Längsträger
- 21
- Quertraverse
- 22
- Antrieb
- 23
- Schlitten
- 24
- Schlitten
- 25
- Schlitten
- 26
- Schlittenbett
- 27
- Schlittenbett
- 28
- Schlittenbett
- 29
- Antriebsmittel
- 30
- Kupplungsarm
- 31
- Kupplungselement
- 32
- Kupplungsarm
- 33
- Kupplungselement
- 34
- Tastkopf
- 35
- Rolle
- 36
- Gegenrolle