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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Werkzeugmess- und/oder Einstellvorrichtung
mit einer Sensoreinheit zum Vermessen einer Kantenverrundung nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Vermessen
eines Profils einer Werkzeugschneidkante nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 13.
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Es
sind Werkzeugmess- und/oder Einstellvorrichtungen bekannt, die über eine
als Tastspitze ausgeführte
Sensoreinheit verfügen.
Mit solchen, gelegentlich als „Konturograph" bezeichneten Werkzeugmessgeräten kann
ein Kantenprofil einer Werkzeugschneidkante bzw. eine Kantenverrundung
der Werkzeugschneidkante bestimmt werden.
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Ebenfalls
bekannt sind Lasermessgeräte, welche
punkt- oder linienweise einen Teil der Schneidkantenpräparation
abscannen können.
Sehr schwierig zu handhaben sind bei diesem Verfahren jedoch die
extrem unterschiedlichen Reflexionswinkel.
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Der
Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugmess-
und/oder Einstellvorrichtung zum Vermessen ei nes Profils einer Werkzeugschneidkante
bereitzustellen, durch das eine Kantenverrundung des Profils der
Werkzeugschneidkante vorteilhaft schnell und simultan in einer Vielzahl von über eine
Länge der
Werkzeugschneidkante verteilten Punkten und/oder Flächen bestimmbar
ist. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Werkzeugmess- und/oder Einstellvorrichtung
besonders robust und die Messung selbst berührungslos auszugestalten. Sie
wird gemäß der Erfindung
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
Erfindung geht insbesondere aus von einer Werkzeugmess- und/oder Einstellvorrichtung
mit einer Sensoreinheit zum Vermessen eines Profils einer Werkzeugschneidkante.
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Es
wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinheit zum simultanen Vermessen
wenigstens einer Kenngröße des Profils
in wenigstens zwei Punkten der Werkzeugschneidkante vorgesehen ist.
Es kann schnell und einfach ein Überblick über eine
Verlauf des Profils in einem ganzen Längenbereich der Werkzeugschneidkante
ermöglicht
werden. Ein Vermessen in einer Vielzahl von Einzelpunkten kann vorteilhaft
zeitsparend in einem Schritt erfolgen.
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Unter „vorgesehen" soll in diesem Zusammenhang
auch „ausgelegt" und „ausgestattet" verstanden werden.
Als Profil soll ein Rand eines Werkzeugschnitts in einer zumindest
im Wesent lichen senkrecht zu einer Werkzeugschneidkante verlaufenden
Schnittebene bezeichnet werden. Die erfindungsgemäße Werkzeugmess-
und/oder Einstellvorrichtung ist besonders vorteilhaft zur Vermessung
einer Kenngröße eines
abgerundeten Profils bzw. einer Kantenverrundung einsetzbar, wie
sie beispielsweise in Bohrwerkzeugen für eine Hart- und Trockenbearbeitung
zum Einsatz kommt, um ein Überhitzen
des Werkzeugs zu vermeiden. Die Schneidkantenpräparation kommt aber auch bei
Fräswerkzeugen
zum Einsatz und wird dort zusätzlich
am Umfang an den Schneiden angebracht. Die Kantenverrundung kann beispielsweise
durch Sandstahlen, Bürsten
oder Schleifen realisiert worden sein und sowohl polygonal, beispielsweise
als Fase, oder als Radius ausgeführt
sein und ist üblicherweise
zur Vermeidung eines Abbrechens der Werkzeugschneidkante durch hohe Last
und/oder Überhitzung
an die Werkzeugschneidkante angeformt. Die Sensoreinheit kann mittelbar oder
unmittelbar eine oder mehrere Kenngrößen des Profils oder einen
Verlauf des Profils in einer senkrecht zur Werkzeugschneidkante
verlaufenden Schnittebene erfassen.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinheit
zum berührungslosen
Vermessen des Profils vorgesehen ist. Dadurch kann vorteilhaft auf
einen empfindlichen und störanfälligen Tastsensor
zum Bestimmen des Profils der Werkzeugschneidkante verzichtet werden,
wodurch eine besonders robuste Werkzeugmess- und/oder Einstellvorrichtung
erreichbar ist.
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Die
Sensoreinheit kann beispielsweise optisch oder elektrisch realisiert
sein oder auf nicht sichtbare Strahlung, bei spielsweise auf Röntgen- oder
Elektronenstrahlung, ansprechen.
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Ist
die Sensoreinheit zum Vermessen einer Kantenverrundung des Profils
der Werkzeugschneidkante vorgesehen, können Werkzeuge mit mangelhafter
Kantenverrundung vorteilhaft erkannt werden. Ferner kann die erfasste
Kantenverrundung im Arbeitseinsatz des Werkzeugs vorteilhaft berücksichtigt werden.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinheit
als Kamera ausgebildet ist. Dadurch kann das Profil in einem gesamten
Bildbereich der Kamera in einer Vielzahl von Punkten bzw. Schnittebenen
simultan vermessen werden. Dadurch kann eine Genauigkeit verbessert und
eine Messzeit verringert werden. Ferner kann auf Standardbauteile,
beispielsweise auf eine CCD-Kamera, zurückgegriffen werden.
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Zu
stumpfe und/oder zu scharfe Werkzeuge können sicher und schnell erkannt
werden, wenn die Sensoreinheit zum Vermessen einer Breite einer Kantenverrundung
des Profils vorgesehen ist.
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Veränderungen
des Profils über
eine Länge der
Werkzeugschneidkante können
genau vermessen werden, wenn die Sensoreinheit zum Vermessen des
Profils in einer Vielzahl von Punkten der Werkzeugschneidkante vorgesehen
ist. Dabei soll eine Menge von zwei Punkten, besonders vorteilhaft
jedoch eine Menge von mehr als 3 – 10 Punkten, als eine Vielzahl
von Punkten bezeichnet werden.
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Zudem
wird vorgeschlagen, dass die Werkzeugmess- und/oder Einstellvorrichtung
eine Beleuchtungseinheit zum Beleuchten der Werkzeugschneidkante
umfasst. Dadurch können
störende Einflüsse durch
wechselnde Lichtverhältnisse
vorteilhaft ausgeblendet werden.
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Ein
präziser
Verlauf der Werkzeugschneidkante kann erfasst werden, wenn die Sensoreinheit dazu
vorgesehen ist, eine Reflexion von Licht von der Werkzeugschneidkante
zu erfassen. Die Reflexion kann dabei in kontrollierter Weise von
der Beleuchtungseinheit erzeugt sein.
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Zudem
geht die Erfindung aus von einer Werkzeugmess- und/oder Einstellvorrichtung
mit einer Recheneinheit zum Bestimmen eines Profils einer Werkzeugschneidkante
abhängig
von Messdaten einer Sensoreinheit.
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Es
wird vorgeschlagen, dass die Messdaten eine berührungslos erfasste, zweidimensionale
Darstellung der Werkzeugschneidkante bilden. Dadurch kann das Profil
der Werkzeugschneidkante in einem weiten Längenbereich parallel ausgewertet
werden.
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Wenn
die Recheneinheit dazu vorgesehen ist, wenigstens zwei Darstellungen
der Werkzeugschneide zu vergleichen, die unterschiedlichen Aufnahmewinkeln
der Sensoreinheit zugeordnet sind, kann vorteilhaft eine dreidimensionale
Struktur des Werkzeugs in einem Längenbereich der Werkzeugschneidkante
ermittelt werden.
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Umfasst
die Werkzeugmess- und/oder Einstellvorrichtung zudem eine Steuereinheit
zum Schwenken der Sensoreinheit in ver schiedene Aufnahmewinkel,
kann ein selbsttätiges
Verschwenken der Sensoreinheit erreicht werden. Insbesondere im Zusammenhang
mit einer Recheneinheit ist der Aufnahmewinkel stets verfügbar.
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Umfasst
die Werkzeugmess- und/oder Einstellvorrichtung eine Steuereinheit
zum Ausrichten der Werkzeugschneidkante relativ zu der Sensoreinheit,
können
Messfehler durch eine falsch ausgerichtete Werkzeugschneidkante
vermieden werden.
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Ferner
geht die Erfindung aus von einem Verfahren zum Vermessen eines Profils
einer Werkzeugschneidkante, insbesondere einer Kantenverrundung
des Profils einer Werkzeugschneidkante.
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Es
wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Schritt das Profil berührungslos
erfasst wird. Dadurch kann das Profil der Werkzeugschneidkante präzise und
sicher erfasst werden, ohne dass empfindliche Tastsensoren zum Einsatz
kommen müssen.
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Zeichnung
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die
Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale
zweckmäßigerweise auch
einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es
zeigen:
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1 Ein
Werkzeugmessgerät
mit einer Sensoreinheit zum Vermessen eines Profils einer Werkzeugschneidkante,
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2 das
Werkzeugmessgerät
mit der Sensoreinheit aus 1 ohne ein
Schutzgehäuse,
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3 ein
Werkzeug mit einer Werkzeugschneidkante in einer Detaildarstellung,
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4 eine
von der Sensoreinheit aus den 1 und 2 aufgenommene
Darstellung einer Werkzeugschneidkante,
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5 eine
graphische Darstellung eines von einer Recheneinheit des Werkzeugmessgeräts aus den 1 – 2 erzeugten
dreidimensionalen Flächenmodells
der Werkzeugschneidkante aus 2,
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6 ein
von der Recheneinheit ermittelter Verlauf eines Profils der Werkzeugschneidkante
aus den 3 – 5 und
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7 eine
schematische Darstellung der Werkzeugschneidkante und der Sensoreinheit
in verschiedenen Schwenkstellungen.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
ein Werkzeugmessgerät
zum Erfassen einer Vielzahl von Informationen eines in einem Werkzeugfutter 24 eingespannten
Werkzeugs 26, das zum Einsatz in einer hochpräzisen CNC-Maschine
vorgesehen ist. Neben einer Länge
des Werk zeugs 26, einen effektiven Wirkradius und einer
Lage von Werkzeugschneidkanten 14 des Werkzeugs 26 erfasst
das Werkzeugmessgerät
mittels einer als CCD-Kamera ausgebildeten Sensoreinheit 10 auch ein
Profil 12 (6) der Werkzeugschneidkante 14 und
vermisst dadurch eine Breite 20 einer Kantenverrundung
des Profils 12. Die Breite 20 bildet eine Kenngröße des Profils 12.
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Das
Werkzeugmessgerät
umfasst ein Schutzgehäuse 28,
in dem eine auf 5 CNC-Achsen 40 – 46, 56 verfahrbare
Halteeinheit der Sensoreinheit 10, eine CNC – gesteuert
um eine vertikale Drehachse 30 drehbare Spindel 32 und
eine hier nur schematisch dargestellte Recheneinheit 16 angeordnet sind
(1 und 2). Ferner ist in dem Schutzgehäuse 28 eine
Steuereinheit 18 angeordnet, die zum Drehen des Werkzeugs 26 um
die Drehachse 30 und damit zum Ausrichten der Werkzeugschneidkante 14 relativ
zu der Sensoreinheit 10 vorgesehen ist und die über die
Recheneinheit 16 ansteuerbar ist. Ferner kann die Recheneinhit 16 über die
Steuereinheit 18 die Sensoreinheit 10 über die
CNC-Achsen 40 – 46 verfahren
bzw. verschwenken und das Werkzeug 26 um die Drehachse 30 drehen.
Auch die Drehung um die Drehachse 30 ist CNC-gesteuert.
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Ferner
umfasst das Werkzeugmessgerät eine
Tastatur 34, die als Eingabeeinheit mit der Recheneinheit 16 verbunden
ist, und zwei Monitore 48, 50, die als Ausgabeeinheiten
mit der Recheneinheit 16 verbunden sind.
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Um
eine Linse der Sensoreinheit 10 ist konzentrisch eine ringförmige Beleuchtungseinheit 22 angeordnet,
die eine Vielzahl von Leuchtdioden umfasst, die jeweils einem von
acht von der Recheneinheit 16 unabhängig ansteuerbaren Segmenten
angehören,
die jeweils einen 60° umfassenden
Abschnitt der Beleuchtungseinheit 22 bilden.
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Neben
der Sensoreinheit 10 mit der Beleuchtungseinheit 22 umfasst
das Werkzeugmessgerät eine
zweite, als CCD-Kamera ausgebildete Sensoreinheit 36 und
eine der Sensoreinheit 36 bezüglich der Drehachse 30 gegenüber liegende
Beleuchtungseinheit 38. Die Sensoreinheit 36 und
die Beleuchtungseinheit 38 dienen zum Vermessen einer Wirkkontur
des Werkzeugs 26 in einem an sich bekannten Durchlichtverfahren,
in dem verschiedene, jeweils einer Drehlage des Werkzeugs 26 zugeordnete,
auf einem CCD-Chip der Sensoreinheit 36 abgebildete Schattenrisse
von der Recheneinheit 16 verglichen und überlagert
werden. Dadurch bestimmt die Recheneinheit 16 einen Winkel
der Werkzeugschneidkante 14 bezüglich der Drehachse 30.
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Vor
einem Vermessungsvorgang des Profils 12 kalibriert die
Recheneinheit 16 selbsttätig die Beleuchtungseinheit 22,
indem sie eine Helligkeit der acht Segmente variiert, bis ein befriedigendes
Ausleuchtungs- und Kontrastverhältnis über die
gesamte Werkzeugschneidkante 14 erreicht ist.
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Zum
Vermessen des Profils 12 richtet die Recheneinheit 16 über die
Steuereinheit 18 die Werkzeugschneidkante 14 senkrecht
zu einer optischen Achse der Sensoreinheit 10 aus. Zum
Ausrichten erfasst die Sensoreinheit 36 dann eine zweidimensionale
Darstellung der Werkzeugschneidkante 14 im Durchlicht.
Die Darstellung bildet einen Schattenriss der Werkzeugschneidkante 14,
der von der Beleuchtungseinheit 38 erzeugt ist.
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Anschließend schwenkt
die Recheneinheit 16 in einem Schnellvermessungsmodus die
Sensoreinheit 10 über
die CNC-Achsen 40 – 46 in
einem Winkelbereich um die Werkzeugschneidkante 14 und nimmt
in einer Vielzahl von gleichmäßig über den Winkelbereich
verteilten Aufnahmewinkeln α1 – α3 jeweils
ein Bild auf. Endpunkte des Winkelbereichs sind durch werkzeugabhängige Eingabeparameter bestimmt.
Anschließend überlagert
die Recheneinheit 16 die aus den verschiedenen Aufnahmewinkeln α1 – α3 aufgenommenen
Bilder und stellt das so erhaltene Überlagerungsbild auf dem Monitor 48 dar.
Das Überlagerungsbild
(4) setzt sich im Wesentlichen aus verschiedenen,
in den Einzelbildern jeweils scharfen Streifen der Werkzeugschneidkante 14 zusammen,
so dass das Überlagerungsbild
ein gesamtscharfes Bild der Werkzeugschneidkante 14 ist
und Bereiche, die in unterschiedlichen Tiefenschärfenbereichen liegen, zu einem
Bild zusammenfasst. Ein in der Recheneinheit 16 implementierter
Bildverarbeitungsalgorithmus bestimmt die Breite 20 der
im Überlagerungsbild
dargestellten Werkzeugschneidkante 14 in sechs Punkten
P1 – P6
und stellt in den Punkten P1 – P6
jeweils eine Linie mit einer Skala auf dem Monitor 48 dar.
Unterhalb des Überlagerungsbilds stellt
die Recheneinheit 16 die ermittelte Breite 20 in den
sechs Punkten P1 – P6
der Werkzeugschneidkante 14 numerisch dar, so dass eine
Sichtkontrolle durch einen Bediener auf offensichtliche Messfehler ermöglicht wird.
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In
einem Präzisionsmodus
bestimmt die Recheneinheit 16 ein dreidimensionales Modell
eines Bereichs der Werkzeugschneidkante 14. Das Modell hat
die Form einer Punktmenge aus Punkten mit jeweils drei Koordinaten
X, Y, Z (5 und 6). Dazu
bestimmt die Recheneinheit 16 aus Bildern mit unter schiedlichen
Aufnahmewinkeln α1 – α3 und
unterschiedlichen, über
eine Optik der Sensoreinheit 10 eingestellten Schärfeebenen
bzw. Abständen
jeweils eine Vielzahl von Punkten, die in einer Schnittlinie aus
einer Oberfläche
der Werkzeugschneidkante 14 und der Schärfeebene liegen. Abhängig von
der Änderung
der Schärfeebene
variiert die Recheneinheit 16 dabei auch eine Lichtintensität der Beleuchtungseinheit 22 bzw.
der Segmente der Beleuchtungseinheit 22.
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Aus
dem auf diese Art bestimmten dreidimensionalen Modell bestimmt die
Recheneinheit 16 schließlich einen Verlauf des Profils 12 der
Werkzeugschneidkante 14 und eine Orientierung einer Stirnfläche 52 und
einer Spanrauminnenfläche 54 des
Werkzeugs 26 (3, 5 und 6).
Die Recheneinheit 16 stellt das ermittelte Profil 12 zusammen
mit einem Sollprofil auf dem Monitor 50 dar, so dass ein
Bediener eine Abweichung zwischen dem Sollprofil und dem ermittelten
Profil 12 beurteilen kann. Das Sollprofil ist abhängig vom
Werkzeugtyp und gegebenenfalls auch von der Wahl des Punkts P1 – P6, an
dem das Profil bestimmt wurde.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bewertet die Recheneinheit 16 die
Abweichung zwischen dem Sollprofil und dem Profil 12 selbsttätig, indem
sie überprüft, ob die
Abweichung innerhalb einer werkzeug- und anwendungsabhängigen Toleranz liegt.
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In
weiteren Ausgestaltungen der Erfindung bestimmt die Recheneinheit 16 nur
die Breite 20 der Werkzeugschneidkante 14 oder
bestimmt das Profil 12 ohne eine explizite Bestimmung der
Breite 20.
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Neben
der Breite 20 kann die Recheneinheit 16 in einer
vorteilhaften Weiterbildung einen Krümmungsradius des Profils 12 an
dessen abgerundeter Spitze bestimmen und als Kenngröße für eine Kantenverrundung
des Profils 12 nutzen.
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7 zeigt
die Sensoreinheit 10 in verschiedenen Schwenkstellungen,
die jeweils einem Aufnahmewinkel α1 – α3 zugeordnet
sind. In einem ersten Aufnahmewinkel α1 vermisst
die als Kamera ausgebildete Sensoreinheit 10 die Stirnfläche 52 des Werkzeugs 26,
in einem zweiten Aufnahmewinkel α2 vermisst die Sensoreinheit 10 den
runden Bereich des Profils 12 der Werkzeugschneidkante
und in einem dritten Aufnahmewinkel α3 vermisst
die Sensoreinheit 10 die Spanrauminnenfläche 54.
Im Bereich des zweiten Aufnahmewinkels α2 erfasst
die Sensoreinheit 10 weitere Bilder aus hier nicht explizit
dargestellten Aufnahmewinkeln.
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Das
Abscannen der Schneidkantenpräparation
erfolgt in drei Bereichen 58 – 60, wobei im ersten Bereich 58 die
Spanrauminnenfläche 54,
im zweiten Bereich 60 die eigentliche Kantenverrundung
der Werkzeugschneidkante 14 und im dritten Bereich 62 die
Stirnfläche 52 des
Werkzeugs 26 vermessen wird.
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- 10
- Sensoreinheit
- 12
- Profil
- 14
- Werkzeugschneidkante
- 16
- Recheneinheit
- 18
- Steuereinheit
- 20
- Breite
- 22
- Beleuchtungseinheit
- 24
- Werkzeugfutter
- 26
- Werkzeug
- 28
- Schutzgehäuse
- 30
- Drehachse
- 32
- Spindel
- 34
- Tastatur
- 36
- Sensoreinheit
- 38
- Beleuchtungseinheit
- 40
- CNC-Achse
- 42
- CNC-Achse
- 44
- CNC-Achse
- 46
- CNC-Achse
- 48
- Monitor
- 50
- Monitor
- 52
- Stirnfläche
- 54
- Spanrauminnenfläche
- 56
- CNC-Achse
- 58
- Bereich
- 60
- Bereich
- 62
- Bereich
- P1
- Punkt
- P2
- Punkt
- P3
- Punkt
- P4
- Punkt
- P5
- Punkt
- P6
- Punkt
- X
- Koordinate
- Y
- Koordinate
- Z
- Koordinate