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Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zur Vermessung eines rotationssymmetrischen Hohlraumes in einem Werkstück.
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Derartige Messvorrichtungen sind allgemein bekannt und dienen im Rahmen der dimensionellen Fertigungsmesstechnik insbesondere dazu, Zylinderbohrungen an Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge zu vermessen. Die bekannten Messvorrichtungen weisen einen Grundkörper zur Abstützung an dem Werkstück sowie einen Messkopf auf, der wenigstens einen Sensor zur Abtastung der Innenwandung des Hohlraumes aufweist. Die bekannten Messvorrichtungen weisen ferner eine mit dem Grundkörper verbundene Welle auf, wobei der Messkopf relativ zu dem Grundkörper in Axialrichtung der Welle verfahrbar ist und um eine durch die Welle definierte Drehachse drehbar ist. Bei den bekannten Messvorrichtungen dient die Welle als Führungswelle, entlang derer der Messkopf in Axialrichtung verfährt, um in Axialrichtung der Zylinderbohrung unterschiedliche axiale Stellen der Innenwandung anfahren zu können, und um die sich der Messkopf dreht, um die Innenwandung der Zylinderbohrung in deren Umfangsrichtung abzutasten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art anzugeben, deren Anwendungsmöglichkeiten erweitert sind.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Anwendungsmöglichkeiten der Messvorrichtung zu erweitern, indem die Messvorrichtung so ausgestaltet wird, dass sie auch in Hohlräumen, insbesondere Zylinderbohrungen, mit relativ geringem Durchmeser eingesetzt werden kann.
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Hiervon ausgehend löst sich die Erfindung von dem Gedanken, den Messkopf auf der Welle anzuordnen. Die Erfindung sieht vielmehr vor, dass die Welle als Hohlwelle ausgebildet ist und eine mittels einer Drehantriebseinrichtung drehantreibbare Antriebswelle aufnimmt, mit deren distalem Ende der Messkopf drehfest verbunden ist. Da somit erfindungsgemäß der Drehantrieb des Messkopfes durch eine in der Welle aufgenommene Antriebswelle bewirkt wird und somit der Messkopf nicht mehr radial außen auf der Welle angeordnet ist, ist auf diese Weise der radiale Bauraum des distalen, den Messkopf tragenden Endes der Vorrichtung verringert. Auf diese Weise kann die Messvorrichtung auch in Hohlräumen, insbesondere Zylinderbohrungen, relativ geringen Durchmessers eingesetzt werden. Entsprechend den jeweiligen Anforderungen kann die Welle mit relativ geringem Durchmesser ausgeführt werden.
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Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass der Drehantrieb vom proximalen, also dem Messkopf abgewandten Ende der Antriebswelle erfolgen kann, so dass die Führung elektrischer Leitungen wesentlich vereinfacht ist.
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Um eine axiale Positionierung des Messkopfes zu ermöglichen, sieht die Erfindung ferner vor, dass die Welle mittels einer Gleitlageranordnung in ihrer Axialrichtung verfahrbar an dem Grundkörper angeordnet ist, wobei zum Verfahren der Welle relativ zu dem Grundkörper eine Axialantriebseinrichtung vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß erfolgt also die axiale Positionierung des Messkopfes durch Verfahren der Welle relativ zu dem Grundkörper, wobei das Abtasten der Innenwandung des Hohlraumes in dessen Umfangsrichtung durch Drehen des Messkopfes mittels der Antriebswelle relativ zu der Welle erfolgt.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Messvorrichtung besteht darin, dass die bei den bekannten Messvorrichtungen erforderliche aufwendige spielfreie Anpassung des Messkopfes an die Welle entfällt. Außerdem ist die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Messvorrichtung verlängert, weil der Verschleiß gegenüber den bekannten Messvorrichtungen, bei denen die Positionierung des Messkopfes sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung durch Bewegen des Messkopfes auf der Welle erfolgt, verringert ist.
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Die Erfindung stellt damit eine Messvorrichtung bereit, die nicht nur eine hohe Messgenauigkeit aufweist, sondern darüber hinaus robust und relativ einfach im Aufbau sowie langlebig ist.
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Erfindungsgemäß wird unter dem distalen Ende der Welle bzw. der Messvorrichtung das den Messkopf tragende Ende der Welle bzw. der Messvorrichtung verstanden, während unter dem proximalen Ende das dem Messkopf abgewandte Ende der Welle bzw. der Messvorrichtung verstanden wird.
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Unter einem rotationssymmetrischen Hohlraum wird erfindungsgemäß ein Hohlraum verstanden, dessen Grobform rotationssymmetrisch ist, während seine Feinform von der Rotationssymmetrie abweichen kann. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung kann insbesondere dazu dienen, Abweichungen der Grob- und/oder Feinform von der exakten Rotationssymmetrie zu ermitteln.
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Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Gleitlageranordnung, mittels derer die Welle an den Grundkörper gelagert ist, wenigstens ein Gleitlager aufweist, das ein auf der Welle angeordnetes, radial geschlitztes inneres Teil mit einer konischen Außenfläche und ein äußeres Teil mit einer konischen Innenfläche aufweist, die zu der konischen Außenfläche des inneren Teiles komplementär geformt ist, wobei Spannmittel zum Spannen des inneren Teiles gegen das äußere Teil vorgesehen sind, derart, dass das innere Teil unter der Wirkung der Spannmittel durch das äußere Teil radial zusammengedrückt wird. Auf diese Weise ist eine radial spielfreie Lagerung der Welle an dem Grundkörper erzielt. Sofern/soweit durch axiale Relativbewegung der Welle relativ zu dem Grundkörper ein Verschleiss an der Welle auftritt, wird das innere Teil unter der Wirkung der Spannmittel durch das äußere Teil zusammengedrückt, so dass auch bei Verschleiss eine spielfreie Lagerung der Welle an dem Grundkörper sichergestellt ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Gleitlageranordnung nach Art einer Spannzange ausgebildet, deren Wirkung jedoch nicht in der bekannten Weise zum Spannen benutzt wird, sondern ausschließlich zum Zentrieren der Welle an dem Gehäuse. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass das innere Teil als Abstreifer zum Abstreifen von Fremdkörpern oder Verunreinigungen von der Welle dient.
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Zweckmäßigerweise sind bei der vorgenannten Ausführungform zwei in Axialrichtung der Welle zueinander beabstandete Gleitlager vorgesehen, wie dies eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vorsieht.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Ausführungsform mit dem inneren Teil und dem äußeren Teil sieht vor, dass die Spannmittel wenigstens eine Feder, insbesondere wenigstens eine koaxial zu der Welle angeordnete Wellfederscheibe, aufweisen. Über diese Ausführungsform sind die Spannmittel auf besonders einfache Weise realisiert. Geeignete Wellfederscheiben stehen als relativ einfache und kostengünstige Standartbauteile zur Verfügung.
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Um die axiale Positionierung des Messkopfes durch Verfahren der Welle relativ zu dem grundkörper zu realisieren, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Welle verschiebefest an einen Schlitten angeornet ist, der mittels eines Linearantriebes der Axialantriebseinrichtung relativ zu dem Grundkörper entlang einer linearen Achse in Axialrichtung der Welle verfahrbar ist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, dass der Linearantrieb ein Spindeltrieb ist. Geeignete Spindeltriebe stehen als relativ einfache und kostengünstige Standardbauteile mit hoher Positioniergenauigkeit zur Verfügung.
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Eine Weiterbildung der Ausführungsform mit dem Spindeltrieb sieht vor, dass derselbe eine mit einem Elektromotor der Axialantriebseinrichtung in Drehantriebsverbindung stehende Gewindespindel aufweist, auf der verdrehsicher und in Axialrichtung beweglich eine Spindelmutter vorgesehen ist, die verschiebefest mit dem Schlitten verbunden ist. Auf diese Weise ist eine Axialantriebseinrichtung zum Verfahren der Welle relativ zu dem Grundkörper realisiert, die einfach im Aufbau ist und gleichzeitig eine hohe Positioniergenauigkeit aufweist.
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Der zum Drehen des Messkopfes erforderliche Drehantrieb der Antriebswelle kann erfindungsgemäß auf beliebig geeignete Weise realisiert werden, wobei die Drehantriebseinrichtung vorzugsweise einen Elektromotor aufweist. Eine vorteilhafte Ausführungsform, die einfach im Aufbau ist und gleichzeitig eine hohe Positioniergenauigkeit beim Abtasten der Innenwandung des Hohlraumes aufweist, sieht vor, dass die Antriebswelle über einen Riementrieb mit der Abtriebswelle eines Elektromotors der Drehantriebseinrichtung in Drehantriebsverbindung steht.
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Bei der vorgenannten Ausführungsform ist der Elektromotor der Drehantriebseinrichtung vorteilhafterweise an dem Schlitten angeordnet, wie dies eine Weiterbildung vorsieht. Der Elektromotor der Drehantriebseinrichtung bewegt sich bei dieser Ausführungsform also mit dem Schlitten.
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Eine in steuerungstechnischer Hinsicht vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Drehantriebseinrichtung und die Axialantriebseinrichtung durch eine Steuerungseinrichtung unabhängig voneinander ansteuerbare Elektromotoren aufweisen. Auf diese Weise sind die axiale Positionierung des Messkopfes relativ zu der Welle, also in Axialrichtung eines zu untersuchenden Hohlraumes, und die Positionierung in Umfangsrichtung der Welle voneinander getrennt, so dass bei der Vermessung des Hohlraumes beliebige gewünschte Stellen der Innenwandung des Hohlraumes angetastet werden können.
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Um den Messvorgang vollautomatisch zu gestalten, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform vor, dass die Steuerungseinrichtung zur automatischen Ansteuerung der Elektromotoren entsprechend einem Messprogramm ausgebildet und eingerichtet ist, derart, dass der Messkopf während der Messung automatisch in Umfangsrichtung der Welle und/oder in Axialrichtung der Welle unterschiedliche Stellen der Innenwandung anfährt.
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Entsprechend den jeweiligen Anforderungen kann der Messkopf der erfindungsgemäßen Messvorrichtung einen Sensor oder mehrere Sensoren aufweisen. Der Sensor oder die Sensoren kann bzw. können dabei nach einem beliebig geeigneten Messprinzip arbeiten. Eine vorteilhafte weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Sensor ein taktiler Sensor ist. Es können erfindungsgemäß jedoch auch berührungslos arbeitende Sensoren, beispielsweise nach einem optischen Messprinzip arbeitende Sensoren, verwendet werden.
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Um den Grundkörper der erfindungsgemäßen Messvorrichtung gleichzeitig einfach und funktional auszugestalten, sieht insoweit eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass der Grundkörper ein rohrförmiges Teil, an dem die Gleitlageranordnung angeordnet ist, und ein gehäuseartiges Teil aufweist, in dem die Axialantriebseinrichtung und die Drehantriebseinrichtung aufgenommen sind.
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Eine erfindungsgemäße Zylinderbohrungs-Messvorrichtung ist im Anspruch 14 angegeben. Sie dient zur Vermessung von Zylinderbohrungen und weist eine erfindungsgemäße Messvorrichtung auf.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, in der schematisiert ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in Form einer Zylinderbohrungs-Messvorrichtung dargestellt ist. Dabei bilden alle beschriebenen, in der Zeichnung dargestellten und in den Patentansprüchen beanspruchten Merkmale für sich genommen sowie in beliebig geeigneter Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen und deren Rückbeziehungen sowie unabhängig von ihrer Beschreibung bzw. Darstellung in der Zeichnung.
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Es zeigt:
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1 eine perspektivische Schnittansicht eines Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung,
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2 in zu 1 ähnlicher Darstellung, jedoch im größerem Maßstab eine Einzelheit im Bereich des distalen Endes der Messvorrichtung gemäß 1,
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3 in zu 1 ähnlicher Darstellung, jedoch in größerem Maßstab eine Einzelheit im Bereich des proximalen Endes der Messvorrichtung gemäß 1,
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4 die Einzelheit gemäß 3 in einer abgewandelten Darstellung,
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5 in zu 1 ähnlicher Darstellung, jedoch in größerem Maßstab eine Einzelheit im Bereich eines Gleitlagers einer Gleitlageranordnung der Messvorrichtung gemäß 1 und
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6 eine perspektivische Explosionsdarstellung von Bestandteilen des Gleitlagers gemäß 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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Zur Erläuterung eines Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung wird nachfolgend auf die 1 bis 6 Bezug genommen.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 2 zur Vermessung eines rotationssymmetrischen Hohlraumes in einem Werkstück dargestellt, die als Zylinderbohrungs-Messvorrichtung ausgebildet ist und zur Vermessung von Zylinderbohrungen an Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge dient. Die Messvorrichtung 2 weist einen Grundkörper 4 zur Abstützung an dem Werkstück auf. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Grundkörper 4 ein rohrförmiges Teil 6, an dem eine weiter unten erläuterte Gleitlageranordnung angeordnet ist, sowie ein gehäuseartiges Teil 8 auf, in dem eine axiale Antriebseinrichtung sowie eine Drehantriebseinrichtung aufgenommen sind, die weiter unten näher erläutert werden.
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Die Messvorrichtung 2 weist ferner einen Messkopf 10 auf, der wenigstens einen Sensor zur Abtastung der Innenwandung des Hohlraumes aufweist.
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Die Messvorrichtung 2 weist ferner eine mit dem Grundkörper 4 verbundene Welle 12 auf, wobei der Messkopf 10 relativ zu dem Grundkörper 4 in Axialrichtung der Welle 12 verfahrbar und um eine durch die Welle 12 definierte Drehachse drehbar ist.
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Erfindungsgemäß ist die Welle 12 als Hohlwelle ausgebildet und nimmt eine mittels einer weiter unten näher erläuterten Drehantriebseinrichtung drehantreibbare Antriebswelle 14 auf, mit deren distalem Ende der Messkopf 10 drehfest verbunden ist.
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Die Welle 12 ist mittels einer Gleitlageranordnung in ihrer Axialrichtung relativ zu dem Grundkörper 4 verfahrbar an demselben angeordnet, wobei zum Verfahren der Welle 12 relativ zu dem Grundkörper 4 eine weiter unten näher erläuterte Axialantriebseinrichtung vorgesehen ist. Die Gleitlageranordnung weist bei diesem Ausführungsbeispiel 2 in Axialrichtung der Welle 12 zueinander beabstandete Gleitlager 16, 16' auf, die weiter unten näher erläutert werden.
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Der Messkopf 10 ist drehfest mit dem distalen Ende der Antriebswelle 14 verbunden (vgl. 2), wobei zur drehbaren Lagerung des Messkopfes 10 an der Welle 12 Kugellager 18, 18' vorgesehen sind. An ihrem proximalen Ende ist die Antriebswelle 14 ebenfalls über ein Kugellager 20 (vgl. 3) drehbar gelagert.
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Eine Drehantriebseinrichtung für die Antriebswelle 14 weist einen Elektromotor 22 (vgl. 4) auf, mit dessen Abtriebswelle drehfest ein Zahnrad verbunden ist, das über einen Zahnriemen 26 mit einem Zahnrad 28 in Drehantriebsverbindung steht, das seinerseits drehfest mit der Antriebswelle 14 verbunden ist.
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Die Welle 12 ist verschiebefest an einem Schlitten 30 (vgl. 4) angeordnet, der mittels eines Linearantriebs der axialen Antriebseinrichtung relativ zu dem Grundkörper 4 entlang einer linearen Achse in Axialrichtung der Welle 12 verfahrbar ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Linearantrieb einen Spindeltrieb auf, der eine mit einem Elektromotor 34 (vgl. 1) der Axialantriebseinrichtung in Drehantriebsverbindung stehende Gewindespindel 36 aufweist, auf der verdrehsicher und in Axialrichtung beweglich eine Spindelmutter 38 angeordnet ist (vgl. 3), die verschiebefest mit dem Schlitten 30 (vgl. 4) verbunden ist.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich (vgl. 4), ist der Elektromotor 22 der Drehantriebseinrichtung an dem Schlitten 30 angeordnet, so dass die gesamte Drehantriebseinrichtung bei einem axialen Verfahren der Welle 12 relativ zu dem Grundkörper 4 mit derselben verfährt.
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Nachfolgend wird das Gleitlager 16 der Gleitlageranordnung (vgl. 1) näher erläutert. Das Gleitlager 16' ist entsprechend aufgebaut und wird daher nicht näher erläutert.
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Das Gleitlager 16 (vgl. 5 und 6) weist ein radial auf der Welle 12 angeordnetes, radial geschlitztes inneres Teil 40 mit einer konischen Außenfläche und ein in dem rohrförmigen Teil 6 des Grundkörpers 4 verbundenes äußeres Teil 42 mit einer konischen Innenfläche auf, die zu der konischen Außenfläche des inneren Teils komplementär geformt ist. Zum Spannen des inneren Teiles 40 gegen das äußere Teil 42 sind Spannmittel vorgesehen, derart, dass das innere Teil 40 unter der Wirkung der Spannmittel durch das äußere Teil 42 radial zusammengedrückt wird. Die Spannmittel weisen bei diesem Ausführungsbeispiel Federn in Form von koaxial auf der Welle 12 angeordneten Wellfederscheiben 44, 44' auf (vgl. 6), die über ein mit dem äußeren Teil 42 verschraubtes Halteteil 46 zwischen demselben und dem inneren Teil 40 gehalten sind, so dass das innere Teil 40 gegen das äußere Teil vorgespannt ist. Aufgrund des Zusammenwirkens der konischen Außenfläche des inneren Teils 40 mit der konischen Innenfläche des äußeren Teils 42 wird das innere Teil 40 unter der Wirkung der Federmittel in Form der Wellfederscheiben 44, 44' durch das äußere Teil 42 radial zusammengedrückt, so dass die Welle 12 spielfrei an dem Grundkörper 4 gelagert ist. Um eine in Umfangsrichtung des inneren Teils 40 gleichmäßige Übertragung der Federkraft der Wellfederscheiben 44, 44' auf das innere Teil 40 zu gewährleisten, ist zwischen der dem inneren Teil 40 zugewandten Wellfederscheibe 44' und dem inneren Teil 40 eine flache Scheibe 48 angeordnet.
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Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 2 ist wie folgt:
Zur Vermessung eines rotationssymmetrischen Hohlraumes in einem Werkstück stützt sich der Grundkörper 4 an dem Werkstück ab, wobei das distale, dem Messkopf 10 tragende Ende der Welle 12 in den Hohlraum eingeführt wird. Durch eine geeignete Befestigungsvorrichtung wird der Grundkörper 4 an dem Werkstück fixiert.
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Der Elektromotor 22 der Drehantriebseinrichtung und der Elektromotor 34 der Axialantriebseinrichtung sind durch eine Steuerungseinrichtung unabhängig voneinander ansteuerbar. Die Steuerungseinrichtung ist zur automatischen Ansteuerung der Elektromotoren 22, 34 entsprechend einem Messprogramm ausgebildet und eingerichtet, derart, dass der Messkopf 10 während der Messung automatisch in Umfangsrichtung der Welle 12 und in Axialrichtung der Welle 12 unterschiedliche Stellen in Wandung des zu vermessenden Hohlraumes anfährt.
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Um den Messkopf 10 in Axialrichtung zu positionieren, treibt der Elektromotor 34 die Gewindespindel 36 derart an, dass sich die Spindelmutter 38 und damit der Schlitten aus ihrer bzw. seiner Ausgangsposition (vgl. 3) in Richtung auf eine Messposition bewegt. Der Elektromotor 34 treibt hierbei die Gewindespindel 36 solange an, bis die gewünschte axiale Position der Welle 12 und damit des Messkopfes 10 erreicht ist.
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In der gewünschten Messposition wird die Innenwandung des Hohlraumes mittels des Sensors des Messkopfes 10, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein taktiler Sensor ist, abgetastet.
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Um die Innenwandung in ihrer Umfangsrichtung, die der Umfangsrichtung der Welle 12 entspricht, abzutasten, treibt der Elektromotor 22 die Antriebswelle 14 an, so dass sich der Messkopf 10 um die durch die Welle 12 definierte Drehachse dreht. Während des Abtastens der Innenwandung der Ausnehmung werden Messwerte aufgenommen, die an eine Auswertungseinrichtung übermittelt und dort ausgewertet werden. Die Art und Weise, wie entsprechende Messwerte aufgenommen und ausgewertet werden, ist dem Fachmann allgemein bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert.
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Die erfindungsgemäße Messvorrichtung 2 erfordert in Radialrichtung der Welle 12 einen geringen Bauraum, so dass sie auch zur Vermessung relativ enger Bohrungen oder anderer Ausnehmungen geeignet ist.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Gleitlager 16, 16' der Gleitlageranordnung ist eine spielfreie Lagerung der Welle 12 an dem Grundkörper 4 auch dann gewährleistet, wenn an der Welle 12 ein Verschleiß auftritt.
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Die Erfindung stellt damit eine Messvorrichtung bereit, die nicht nur eine hohe Messgenauigkeit gewährtleistet, sondern darüber hinaus auch robust und langlebig ist.
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In den verschiedenen Figuren der Zeichnung und den verschiedenen Ausführungsbeispielen sind gleiche bzw. sich entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Soweit in den Figuren der Zeichnung aus Darstellungs- oder Veranschaulichungsgründen Bauteile weggelassen sind, so sind die betreffenden Bauteile jeweils den anderen Figuren sinnentsprechend zu ergänzen. Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele auch unter den Ausführungsbeispielen austauschbar sind, die in Bezug auf ein Ausführungsbeispiel offenbarten Merkmale also identisch oder sinnentsprechend auch bei den anderen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein können. Es ist für den Fachmann ferner ersichtlich, dass die zu den einzelnen Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale die Erfindung jeweils für sich genommen weiterbilden, also unabhängig von den weiteren Merkmalen des jeweiligen Ausführungsbeispieles.
