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Die Erfindung betrifft Verfahren zur Vermessung der Oberfläche einer insbesondere durch Hochdruckwasserstrahlen, Sand- bzw. Partikelstrahlen, Rillieren oder Flammspritzen aufgerauten Innenfläche einer Zylinderbohrung.
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Bei der Herstellung von Verbrennungsmotoren ist es in verschiedenen Fertigungsstadien erforderlich, die Zylinderbohrung, also die Innenwandung des Zylinders, zu vermessen. Hierzu werden Zylinderbohrungs-Messvorrichtungen verwendet, die einen in eine zu vermessende Zylinderbohrung einführbaren Messkopf aufweisen, wobei zur Beleuchtung einer Messstelle der Zylinderbohrung eine Lichtquelle vorgesehen ist und wobei der Messkopf eine konfokale optische Messanordnung aufweist. Eine entsprechende Messvorrichtung ist aus
DE 10 2008 052 343 A1 bekannt.
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Bei der Herstellung moderner Hochleistungs-Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge wird ein besonderes Augenmerk darauf gelegt, die Lauffläche, also die Innenwandung der Zylinderbohrung, möglichst verschleißfest zu gestalten. Hierzu wird die Innenfläche der Zylinderbohrung, die in einem Gussteil gebildet ist, mit einem besonders verschleißfesten Material beschichtet. Der zugehörige Fertigungsprozess vollzieht sich derart, dass nach dem Gießen und der Bearbeitung einer Zylinderbohrung eine sogenannte Oberflächenaktivierung ausgeführt wird. Die Oberflächenaktivierung hat den Zweck, die Innenwandung der Zylinderbohrung künstlich aufzurauen, um eine besonders sichere Verbindung zwischen der Innenfläche der Zylinderbohrung und einer in einem späterem Prozessschritt aufzubringenden Beschichtung aus besonders verschleißfestem Material sicherzustellen. Die Aufrauung der Oberfläche der Zylinderbohrung bei der Oberflächenaktivierung kann beispielsweise durch Hochdruckwasserstrahlen, Sand- bzw. Partikelstrahlen, Flammspritzen oder insbesondere Rillieren ausgeführt werden. Nach der Oberflächenaktivierung wird die Oberfläche der Zylinderbohrung gereinigt und daran anschließend mit einem besonders verschleißfestem Material, beispielsweise in einem Spritzverfahren, beschichtet. Nach einer Abkühlung wird die beschichtete Zylinderbohrung dann im Rahmen einer Endbearbeitung, beispielsweise durch Diamanthonen, auf ihr Endmaß gebracht.
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Nach der Oberflächenaktivierung ist es erforderlich, die Zylinderbohrung zu vermessen, um festzustellen, ob die Oberfläche der Zylinderbohrung die gewünschten Eigenschaften hat.
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Durch
US 2008/0030743 (entsprechend
DE 10 2004 022 454 A1 ) ist eine Messeinrichtung zur Vermessung der Form, Kontur und/oder Rauheit eines Werkstücks bekannt, die einen berührungslosen optischen Taster mit großer numerischer Apertur aufweist, der wenigstens zwei verschiedene Brennpunkte hat, denen wenigstens zwei Fotoempfänger zugeordnet sind. Die Fotoempfänger erzeugen ein Differenzsignal zur Ansteuerung einer Positioniereinrichtung zur Nachführung des optischen Tasters so, dass die Werkstückoberfläche innerhalb des Messbereiches desselben gehalten wird.
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Durch
DE 10 2004 011 189 A1 ist ein optischer Messkopf bekannt, der eine Kombination einer vorzugsweise als diffraktive Linse ausgebildeten Zonenlinse mit einer Halbkugellinse oder einer GRIN-Linse aufweist. Der aus der Druckschrift bekannte Messkopf weist eine hohe numerische Apertur auf und ist gleichzeitig miniaturisierungsfähig.
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Durch
EP 2 492 632 A1 ist ein optischer Stift mit einem chromatisch-konfokalen Punktsensor bekannt, bei dem eine mehrstufige optische Anordnung mit mehreren axialstreuenden Fokussierungselementen verwendet wird.
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Durch
DE 10 2007 012 654 A1 ist eine optische Messvorrichtung zur Vermessung des Oberflächenprofils einer Oberfläche einer zylindrischen Bohrung in einem Werkstück bekannt, die ein Mikroskop oder einen optischen Sensor zur Erfassung des Oberflächenprofils aufweist, das bzw. der in die Bohrung einführbar ist und aus der Bohrung wieder entfernbar ist und das bzw. der mit Hilfe eines Verstellmittels in Richtung auf die Oberfläche des Werkstücks zu und von dieser weg verstellbar ist. Die Messvorrichtung weist ein oder mehrere Positioniermittel auf, mittels dessen oder mittels derer das Mikroskop oder der optische Sensor in radialer Richtung und in axialer Richtung sowie rotatorisch relativ zu der Oberfläche der Bohrung bewegbar ist.
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Durch
10 2008 052 343 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Oberflächenqualität einer Zylinderwand eines Zylinders, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, bekannt, bei dem die Zylinderwand mittels einer konfokalen Kamera inspiziert wird.
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Durch
JP 2005164398 A ist eine Oberflächeninspektionsvorrichtung bekannt, bei der Sensor mit einem schwenkbar gelagerten Umlenkspiegel ein verwendet wird.
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Durch
EP 1 797 813 A1 ist eine optische Messvorrichtung zum Vermessen eines Hohlraumes bekannt, die einen in den zu vermessenden Hohlraum einführbaren Messkopf mit einem nach dem Prinzip der chromatischen Längsaberration arbeitenden Sensor aufweist, der eine Abbildungsoptik mit einer optischen Achse aufweist. Die Vorrichtung weist einen Drehantrieb zum Drehen des Messkopfes relativ zu dem zu vermessenden Hohlraum um eine Drehachse auf. Zur Beleuchtung einer Messstelle ist eine entlang der Strahlachse einstrahlende Lichtquelle vorgesehen, wobei die Strahlachse entlang der Drehachse verläuft.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,die Vermessung der Oberfläche einer insbesondere durch Hochdruckwasserstrahlen, Sand- bzw. Partikelstrahlen, Rillieren oder Flammspritzen aufgerauten Innenfläche einer Zylinderbohrung zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
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Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt:
- 1 stark schematisiert ein erstes Beispiel einer Zylinderbohrungs-Messvorrichtung,
- 2 stark schematisiert eine Ansicht von oben auf einen Messkopf der Messvorrichtung gemäß 1,
- 3 stark schematisiert einen Schnitt durch eine Zylinderbohrung,
- 4 einen Messaufbau, in die das Ausführungsbeispiel gemäß 1 eingebunden ist,
- 5 in gleicher Darstellung wie 1 ein Ausführungsbeispiel einer Zylinderbohrungs-Messvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 6 gegenüber in 5 stark vergrößertem Maßstab einer Einzelheit aus 5 und
- 7 in gegenüber 5 stark vergrößertem Maßstab eine weitere Einzelheit aus 5.
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In den Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. sich entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist stark schematisiert ein nicht erfindungsgemäßes Beispiel einer Zylinderbohrung-Messvorrichtung 2 zur Vermessung der aufgerauten Innenfläche 4 einer Zylinderbohrung 6 dargestellt. Die Zylinderbohrungs-Messvorrichtung 2 wird nachfolgend auch kurz als Messvorrichtung 2 bezeichnet. Die Messvorrichtung 2 weist einen in die zu vermessende Zylinderbohrung 6 einführbaren Messkopf auf, der eine Messanordnung mit einem nach dem Prinzip der chromatischen Längsaberration arbeitenden Sensor aufweist, wobei die Messanordnung eine in 1 schematisch angedeutete Abbildungsoptik 10 aufweist.
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Die Messvorrichtung 2 weist ferner einen in 1 nicht näher dargestellten Drehantrieb zum Drehen des Messkopfes 8 relativ zu der Zylinderbohrung 6 um eine Drehachse 14 auf. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Drehachse 14 zu der Rotationssymmetrieachse der Zylinderbohrung 6 koinzident. Es versteht für den Fachmann von selbst, dass die Zylinderbohrung 6 lediglich in ihrer Grobform eine Rotationssymmetrie aufweist. In ihrer Feinform weist die Zylinderbohrung 6 aufgrund ihrer aufgerauten Oberfläche nicht oder nicht notwendig eine Rotationssymmetrie auf.
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Die Messvorrichtung 2 weist ferner eine entlang einer Strahlachse 16 einstrahlende Lichtquelle 18 auf, die bei diesem Ausführungsbeispiel durch eine Weißlichtquelle gebildet ist. Die Lichtstrahlen der Lichtquelle 18 werden über eine Fokussieroptik 20 und einen teildurchlässigen Spiegel 22 in ein Ende 24 einer Lichtleitfaser 26 eingekoppelt, deren der Lichtquelle 18 abgewandtes Ende 28 drehbar mit dem Messkopf 8 verbunden ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel trägt der Messkopf 8 ein Halteteil 30, in dem ein Drehlager oder mehrere Drehlager angeordnet sind, mittels derer das Ende 28 der Lichtleitfaser 26 um eine zu der Drehachse 14 parallele Drehachse drehbar mit dem Messkopf 8 verbunden ist. Aufgrund der so gebildeten Drehführung ist verhindert, dass es bei einer Drehung des Messkopfes 8 um die Drehachse 14 zu einer die Lichtleitfaser 26 beschädigenden oder in ihrer Funktion beeinträchtigenden Verdrillung der Lichtleitfaser 26 kommt. Hierbei kann die Drehlagerung so reibungsarm ausgebildet sein, dass sie Drehungen des Messkopfes 8 um die Drehachse 14 vollständig oder nahezu vollständig kompensiert, so dass die Lichtleitfaser 26 während einer Drehung des Messkopfes 8 um die Drehachse 14 ortsfest oder annähernd ortsfest bleibt. Es ist jedoch auch ausreichend, wenn es bei einer Drehung des Messkopfes 8 um die Drehachse 14 zu einer gewissen Verdrillung der Lichtleitfaser 26 kommt. Überschreitet diese Verdrillung ein bestimmtes Maß, so dreht sich die Lichtleitfaser 26 über ihre Drehlager relativ zu dem Halteteil 30 des Messkopfes 8 zurück, so dass eine Drehung des Messkopfes 8 um die Drehachse 14 vollständig oder zumindest teilweise kompensiert wird, um eine Beschädigung oder Funktionsbeeinträchtigung der Lichtleitfaser 26 zu vermeiden.
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Entsprechend dem Grundprinzip der chromatischen Längsaberration handelt es sich bei der Abbildungsoptik um eine Optik mit einer vorbestimmten chromatischen Längsaberration (Farblängsfehler). In einem solchen chromatischen optischen System ist die Position eines Abbildes einer gegebenen Punktquelle, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel des Abbildes der Lichtquelle 18, von der Wellenlänge des verwendeten Lichtes abhängig, so dass bei Verwendung von Weißlicht das chromatische optische System eine Mehrzahl von Abbildern entsprechend dem spektralen Gehalt des Lichtes aufweist.
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Bei der dargestellten Messvorrichtung wird der über die Lichtleitfaser 26 entlang der Strahlachse 16 einstrahlende Lichtstrahl über einen Umlenkspiegel 32 um 90° umgelenkt, so dass er senkrecht oder annähernd senkrecht auf die Innenfläche 4 der Zylinderbohrung 6 auftrifft.
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In dem reflektierten Lichtstrahl, der über den Umlenkspiegel 32 und die Lichtleitfaser 26 sowie den teildurchlässigen Spiegel 22 zu einer in 1 schematisch angedeuteten Auswertungseinrichtung 34 zurückgeleitet wird, wird eine spektrale Decodierung ausgeführt, beispielsweise mittels eines Spektrometers, wie in 1 angeordnet. Auf diese Weise kann über die chromatische Längsaberration der Abstand des Messkopfes 8 von der Innenfläche 4 an der jeweiligen Position des Messkopfes 8 ermittelt werden, so dass auf diese Weise die Innenfläche der Zylinderbohrung 6 in der gewünschten Weise vermessen werden kann. Im Übrigen ist der Aufbau eines nach dem Prinzip der chromatischen Längsaberration arbeitenden Sensors dem Fachmann allgemein bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert. Ein solcher Sensor hat insbesondere auch den Vorteil, dass eine Abtastbewegung entlang der optischen Achse nicht erforderlich ist, so dass die Messgeschwindigkeit erhöht ist.
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Die Auswertungseinrichtung 34 steht somit mit dem Sensor der Messanordung in Signalübertragungsverbindung und ist derart ausgebildet und eingerichtet, dass sie aus Ausgangssignalen des Sensors, nämlich den von der Innenfläche 4 reflektierten und zu der Auswertungseinrichtung 34 geleiteten Lichtstrahlen, den Abstand des Messkopfes 8 zu der Innenfläche 4 der Zylinderbohrung 6 an der jeweiligen Messstelle ermittelt. Erfindungsgemäß weist die Abbildungsoptik, deren optische Achse in 1 mit dem Bezugszeichen 35 bezeichnet ist, eine numerische Apertur NA ≥ 0,4 auf, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zu NA = 0,5 gewählt ist. Dist die Messvorrichtung 2 ferner auf einen Arbeitsabstand AA von > 10 mm ausgelegt und weist einen Messbereich > 1,5 mm auf. Unter dem Arbeitsabstand AA wird erfindungsgemäß die lichte Weite zwischen dem der Innenfläche 4 zugewandten Ende des Messkopfes 8 und der Innenfläche 4 verstanden. Unter dem Messbereich wird erfindungsgemäß verstanden, welcher Höhenunterschied zwischen der höchsten und der tiefsten Stelle im Profil der Innenfläche 4 erfasst werden kann.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, verläuft die Strahlachse 16 entlang der Drehachse 14, und zwar parallel zu der Drehachse 14.
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Wie aus 1 ferner ersichtlich ist, verläuft die optische Achse 35 zu der Strahlachse winkelig, und zwar unter einem Winkel von 90°.
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Zur Erzielung des Winkels von 90° zwischen der Strahlachse 16 und der optischen Achse 35 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Umlenkspiegel 32 vorgesehen, der zwischen der Lichtquelle 18 bzw. den Eintrittspunkt der Lichtleitfaser 26 in dem Messkopf 8 und der Abbildungsoptik 10 angeordnet ist.
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2 zeigt eine Ansicht von oben auf den Messkopf 8, wobei die Drehachse 14 erkennbar ist. In 2 ist in gestrichelten Linien bei dem Bezugszeichen 8' eine andere Winkelposition des Messkopfes 8 angedeutet, wodurch symbolisiert ist, dass der Messkopf 8 durch den zugeordneten Drehantrieb um die Drehachse 14 drehbar ist.
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In 2 ist bei dem Bezugszeichen 36 der Eintrittspunkt des Endes 28 der Lichtleitfaser 26 in den Messkopf 8 symbolisiert.
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3 zeigt einen Schnitt durch die Zylinderbohrung 6. Dem Messkopf 8 sind Vorschubmittel zur Erzeugung eines Vorschubs in Axialrichtung der Drehachse 14 und damit bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Axialrichtung der Rotationssymmetrieachse der Zylinderbohrung 6 zugeordnet. Diese Vorschubmittel sind in 6 durch eine Doppelpfeil 37 angedeutet. Somit ist es beispielsweise möglich, entsprechend der jeweiligen Vorschubstellung des Messkopfes 8 in senkrecht zur Rotationssymmetrieachse 14 der Zylinderbohrung 6 liegenden Messebenen zu messen, von denen in 3 beispielshalber lediglich zwei Messebenen mit den Bezugszeichen 38, 40 bezeichnet sind.
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4 zeigt exemplarisch und rein schematisch die Einbindung der in 1 dargestellten Messvorrichtung 2 in eine Messapparatur 42. Die Messapparatur 42 weist einen Messtisch 44 auf, an dem mittels einer Halterung 46 ein Zylinderkopf gehalten ist, dessen Zylinderbohrung 6 zu vermessen ist.
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Die Messapparatur 42 weist ferner eine Messsäule 50 auf, an der durch nicht näher dargestellte Vorschubmittel in Richtung des Doppelpfeiles 37 beweglich ein Gehäuse 52 gehalten ist, das die Bestandteile der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 2 aufnimmt. Durch die Vorschubmittel ist die Messvorrichtung 36 elektromotorisch entlang des Doppelpfeiles 37 und damit in Axialrichtung der Zylinderbohrung 6 verstellbar, so dass, wie anhand von 3 erläutert, entsprechend der jeweiligen axialen Stellung des Messkopfes 8, in unterschiedlichen Messebenen 38, 40 (vgl. 3) gemessen werden kann.
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Die Funktionsweise der Messvorrichtung 2 bzw. der Messapparatur 42 ist wie folgt: Zur Vermessung der Innenfläche 4 der Zylinderbohrung 6 wird der Messkopf 8 in die Zylinderbohrung 6 eingeführt. In der jeweiligen axialen Lage des Messkopfes 8 entlang der Rotationssymmetrieachse der Zylinderbohrung 6 kann dann die Innenfläche der Zylinderbohrung 6 an der jeweiligen Messstelle vermessen werden, indem der Abstand des Messkopfes 8 von der Innenfläche 4 und der jeweiligen Messstelle ermittelt wird. Um in Umfangsrichtung unterschiedliche Messstellen anzufahren, wird der Messkopf 8 mittels des elektromotorischen Drehantriebs um die Drehachse 14 gedreht. Nachdem in einer gewünschten Messebene (vgl. 3) alle erforderlichen Messungen ausgeführt sind, kann mittels der Vorschubmittel in Richtung des Doppelpfeiles 37 eine andere Messebene angefahren werden, in der dann wiederum die Innenfläche 4 der Zylinderbohrung 6 an unterschiedlichen Umfangsstellen vermessen werden kann.
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Die entsprechenden Messdaten können in der Auswertungseinrichtung abgespeichert und ausgewertet werden. Die Auswertungseinrichtung kann insbesondere derart ausgebildet und eingerichtet sein, dass aus wenigstens zwei an dem in Umfangsrichtung der Drehachse 14 zueinander beabstandeten Messstellen der Zylinderbohrung 6 aufgenommenen Messwerten der Durchmesser der Zylinderbohrung 6 ermittelt wird. Wie in 1 angedeutet, kann der Durchmesser der Zylinderbohrung beispielsweise etwa 60 bis 80 mm betragen.
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Aufgrund ihrer speziellen Ausgestaltung ist die Messvorrichtung 2 insbesondere zur Vermessung von insbesondere durch Rillieren aufgerauten Innenflächen von Zylinderbohrungen geeignet. Aufgrund ihrer hohen numerischen Apertur ist die Messvorrichtung jedoch auch zur Vermessung von glatteren Oberflächen geeignet.
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In 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung 2 zur Durchführung des erfindngsgemäßen Verfahrensdargestellt. Dabei ist von dem die optische Achse 35 der Abbildungsoptik 10 mit der Strahlachse 16 koinzident . Ferner ist der Abbildungsoptik 10 eine bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einem Umlenkspiegel 54 aufweisende Spiegelanordnung zur Umlenkung des Strahlenganges der Abbildungsoptik 10 und der Lichtquelle 18 nachgeordnet.
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Der Umlenkspiegel 54 ist um eine Schwenkachse 56, die zu der Drehachse 14 und damit auch zu der Rotationssymmetrieachse der Zylinderbohrung 6 quer verläuft, schwenkbar gelagert. Rein exemplarisch bezeichnet das Bezugszeichen 54' eine alternative Schwenkstellung des Spiegels 54. Mittels eines in der Zeichnung nicht dargestellten Schwenkantriebs ist der Spiegel 54 damit in unterschiedliche Schwenkstellungen bewegbar, so dass der Lichtstrahl der Lichtquelle 18 unter von 90° abweichenden Winkeln auf die Innenfläche der Zylinderbohrung 6 gerichtet wird. Entsprechend der Umlenkung des Strahlenganges ändert sich damit auch die Blickrichtung der Abbildungsoptik 10. In 5 ist mit dem Bezugszeichen 58 rein exemplarisch ein Strahlengang bezeichnet, der sich ergibt, wenn eine Messstelle 60 an der Innenfläche 4 der Zylinderbohrung 6 vermessen wird. Mit 58' ist ein Strahlengang bezeichnet, der sich ergibt, wenn eine zu der Messstelle 60 in Axialrichtung der Zylinderbohrung 6 beabstandete Messstelle 60' vermessen wird.
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6 zeigt in stark vergrößertem Maßstab eine Einzelheit der 5 im Bereich eines mit dem Messkopf 8 verbundenen Halteteiles 30 für das Ende 28 der Lichtleitfaser 26. Das Halteteil 30 weist bei diesem Ausführungsbeispiel zwei in Längsrichtung der Lichtleitfaser 26 zueinander beabstandete Drehlager 62, 64 auf, über die die Lichtleitfaser 26 drehbeweglich mit dem Halteteil 30 und damit mit dem Messkopf 8 verbunden ist. In der anhand von 1 bereits beschriebenen Weise kompensiert die so gebildete Drehführung Drehungen des Messkopfes 8 um die Drehachse 14, so dass zu einer Beschädigung oder Funktionsbeeinträchtigung der Lichtleitfaser 26 führende Verdrillungen der Lichtleitfaser 26 vermieden sind.
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7 verdeutlicht schematisch und exemplarisch eine Kontur der Innenfläche 4, die sich beispielsweise dann ergibt, wenn die Innenfläche 4 mit einem Rillierwerkzeug rilliert wird. Mit dem im 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist es aufgrund der Tatsache, dass auch unter einem von 90° abweichenden Winkel gemessen werden kann, insbesondere möglich, im Bereich von Hinterschneidungen 66, 68 bzw. 66', 68' zu messen. Anstelle eines einzelnen Sensors, dessen Strahlen-gang über einen verstellbaren, insbesondere verschwenkbaren Spiegel verstellbar ist, kann eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 2 auch zwei oder mehrere Sensoren aufweisen, um gleichzeitig an unterschiedlichen Messstellen, beispielsweise gleichzeitig im Bereich der Hinterschneidung 66 und der Hinterschneidung 68, zu messen.
