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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Aufmaßes eines
hartfeinzubearbeitenden Zahnrads mit einer Drehachse, wobei das
Zahnrad an seinem Außen-
und/oder Innenumfang eine Verzahnung mit einer Anzahl Zähne aufweist
und wobei die Zähne
auf ihren Zahnflanken ein gegenüber
der fertig bearbeiteten Geometrie vorhandenes Aufmaß aufweisen.
Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Messung
des Aufmaßes
eines hartfeinzubearbeitenden Zahnrads.
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Insbesondere
bei der Herstellung von Zahnrädern
kommt dem abschließenden
Hartfeinbearbeitungsprozess eine wichtige Bedeutung zu. Bei diesem
werden die Zahnflanken beispielsweise einer Schleifoperation unterzogen,
mit der sie auf die genaue Kontur gebracht werden. Eine effiziente
Verfahrensweise bei der Herstellung der Verzahnung ist das Wälzschleifen
mit einer Schleifschnecke oder das Profilschleifen mit einer Profilschleifscheibe.
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Verzahnungen
von Zahnrädern,
die nach dem Härten
einer solchen Hartfeinbearbeitung zu unterziehen sind, um die benötigte präzise Geometrie zu
erlangen, haben nach dem Härten
in der Regel einen Härteverzug.
Dies führt
bei entsprechender Größe des Härteverzugs
insbesondere beim Hartfeinbearbeiten durch das diskontinuierliche
Profilschleifen nach dem Einmitten der Profilschleifscheibe in die Zahnlücke zu einer
Vielzahl von Schleifhüben
ohne Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück. Will man diese Leerhübe vermeiden,
muss die Aufmaßsituation
in jeder Zahnlücke
bekannt sein.
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Es
ist bekannt, die Aufmaßverteilung
durch einen Messtaster, d. h. berührend, zu ermitteln. Hierfür werden
in die Hartfeinbearbeitungsmaschine, d. h. z. B. in die Profilschleifmaschine,
integrierte Messtaster eingesetzt. Nachteilig ist hier allerdings,
dass die Messzeiten relativ hoch sind. Demgemäß ergeben sich Nebenzeiten,
die die Wirtschaftlichkeit des Hartfeinbearbeitungsverfahrens, insbesondere
des Schleifverfahrens, reduzieren.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung
des Aufmaßes
eines Zahnrades vorzuschlagen, mit dem die Aufmaßsituation schneller und dennoch
präzise
ermittelt werden kann. Dabei ist ein weiterer Aspekt, der durch
die Erfindung berücksichtigt
werden soll, die Erzielung eines Messergebnisses, dass gegen mögliche Messfehler
abgesichert ist.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe durch die Erfindung ist verfahrensgemäß dadurch
gekennzeichnet, dass die Lage der Oberfläche der mit Aufmaß versehenen
Zahnflanke mittels optischer Abstandsmessung von einem Abstandssensor
ermittelt wird, indem ein Lichtstrahl vom Abstandssensor auf die Oberfläche gerichtet
wird, wobei der Lichtstrahl so auf die Oberfläche geleitet wird, dass er
senkrecht auf der Drehachse steht oder parallel zu dieser Richtung
ist.
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Durch
die genannte Ausrichtung des Messstrahls wird eine vorteilhafte
Auswertung der Daten möglich.
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Da
unter gewissen Umständen
allerdings die Messschärfe
beeinträchtigt
sein kann, wenn nämlich der
Messstrahl unter einem zu spitzen Winkel auf die Oberfläche der
Zahnflanke auftrifft, sieht eine sehr vorteilhafte Weiterbildung
der Erfindung vor, dass ein vom Abstandssensor ermittelter Wert
für die
Lage der Oberfläche
der Zahnflanke und damit für
den Wert des Aufmaßes
vor der Verwertung einer Plausibilitätsprüfung unterzogen wird, ob der
Wert in einem erwarteten Wertebereich liegt. Konkret kann vorgesehen
werden, dass die Plausibilitätsprüfung erfolgt,
indem ein Messwert einem Vergleich mit einem gespeicherten Wertebereich
unterzogen wird. Der Messwert kann verworfen werden, wenn er nicht
innerhalb des Wertebereichs liegt. Es kann auch vorgesehen werden,
dass ein nicht innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs liegenden
Messwert durch einen Messwert ersetzt wird, der sich aus Interpolation
oder Extrapolation angrenzender Messwerte ergibt.
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Im
Falle dessen, dass nicht plausible Messwerte vorliegen oder zu erwarten
sind, kann die optische Abstandsmessung in einer Lage erfolgen,
in der der Lichtstrahl um einen definierten Abstand parallel zur
Richtung verschoben ist, die senkrecht auf der Drehachse steht (also
parallel zu einer Mittenebene, die die Drehachse umfasst). Die Messung
in der verschobenen Lage erfolgt bevorzugt, indem ein einziger Abstandssensor
entlang einer Verschieberichtung in die verschobene Lage bewegt
wurde. Möglich wäre es grundsätzlich aber
auch, dass die Messung in der verschobenen Lage mit einem separaten
Abstandssensor erfolgt.
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Der
Lichtstrahl ist bevorzugt ein Laserstrahl. Die optische Abstandsmessung
erfolgt dabei bevorzugt nach dem Triangulationsverfahren.
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Das
genannte Verfahren wird dabei insbesondere vor der Durchführung einer
Verzahnungsschleifoperation, insbesondere vor der Durchführung einer
diskontinuierlichen Profilschleifoperation, durchgeführt.
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Die
Vorrichtung zur Messung des Aufmaßes eines hartfeinzubearbeitenden
Zahnrads zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen Abstandssensor hat,
der senkrecht verschieblich zu einer Richtung relativ zum zu vermessenden
Zahnrad angeordnet ist, die senkrecht auf der Drehachse steht (d.
h. die Verschiebung des Abstandssensors erfolgt normal zu einer
Mittenebene des Zahnrades, die die Drehachse umfasst).
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Die
Vorrichtung kann zur Verschiebung des Abstandssensors eine Linearführung mit
Linearmaßstab
aufweisen. Sie kann ferner Speichermittel zur Speicherung von Wertebereichen
von Sollwerten und einen Vergleicher zum Vergleich gespeicherter
Werte mit Messwerten aufweisen, wobei der Vergleicher mit den Speichermitteln
und mit dem Abstandssensor in Verbindung steht.
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Bevorzugt
hat die Vorrichtung nur einen einzigen Abstandssensor. Sie ist bevorzugt
Bestandteil einer Verzahnungsschleifmaschine, insbesondere einer
diskontinuierlich arbeitenden Profilschleifmaschine.
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Berührungslos
arbeitende optische Messverfahren sind bedeutend schneller als mechanische Messverfahren.
Hiervon macht die vorliegende Erfindung Gebrauch.
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Bei
optischen Systemen, bei denen das reflektierte Licht ausgewertet
wird, ergibt sich das Problem, dass die Qualität des Messsignals vom Winkel der
reflektierten Fläche
abhängig
ist, unter dem das Messsignal auf die zu vermessende Oberfläche auftrifft.
Bei Verzahnungen wird der Auftreffwinkel zum Fuß hin immer spitzer. Ab einem
bestimmten Grenzwinkel ist keine ausreichend genaue Messung mehr
möglich.
Zur Lösung
dieses Problems wird die oben erläuterte Plausibilitätskontrolle
vorgeschlagen.
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Nach
einer ersten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung befindet sich das optische Messsystem (Abstandssensor)
in Verlängerung
der Mittenachse des Zahnrades. Beim Messen des Zahnrades wird überprüft, ob die
Messwerte plausibel sind. Diese Plausibilitätsprüfung kann vor der eigentlichen Messung
als Kalibriervorgang durchgeführt
werden oder. während
der Messung durch Vergleich der Messwerte mit einem Erwartungsbereich.
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Bei
dem Kalibriervorgang vor der eigentlichen Messung wird an einem
Kalibriernormal ermittelt, bis zu welchem Winkel sicher plausible
Messwerte vorliegen, d. h. bis zu welchem Grenzwinkel man sicher
plausible Messwerte erhält.
Während
der Messung werden nur Messwerte bis zu diesem Grenzwinkel verarbeitet,
d. h. die mit einem flacheren Winkel gewonnen wurden (die Winkel
sind ja aus der Verzahnungsgeometrie bekannt). Die Online-Plausibilitätskontrolle
wird aber stets erforderlich sein, da auch andere Einflüsse zu Messfehlern
führen
können,
z. B. Schmutz oder Öltropfen.
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Als
Ergebnis ergibt sich eine Information über die Aufmaßsituation
in jeder Zahnlücke.
Nicht plausible Werte werden verworfen oder durch interpolierte
bzw. extrapolierte Werte ersetzt.
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Eine
andere bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung sieht vor, dass sich das optische Messsystem (Abstandssensor)
in einer Position tangential verschoben zur Mittenachse des Zahnrades
befindet. Je nach tangentialer Verschiebung (positiv oder negativ)
kann jeweils eine Flanke des Zahnrades mit verbesserten Messwinkeln
gemessen werden.
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Allerdings
kann es auch hier zum Messen im Grenzbereich kommen und somit zu
nicht verwertbaren Messungen, so dass dann die oben erläuterte Methode
der Plausibilitätsprüfung eingesetzt
werden kann.
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 schematisch
die Draufsicht auf ein hinsichtlich des Aufmaßes zu vermessendes Zahnrad sowie
einen Abstandssensor zur Vermessung des Aufmaßes,
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2 in
vergrößerter Darstellung
zwei benachbarte Zähne
des Zahnrads und das sich auf den Zahnflanken befindliche Aufmaß und
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3 in
der Darstellung nach 1 eine hierzu alternative Ausführungsform
der Erfindung.
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In 1 ist
schematisch ein Zahnrad 2 skizziert, das auf einer (nicht
dargestellten) Werkstückspindel
aufgenommen ist, deren Achse senkrecht auf der Zeichenebene steht.
Diese Achse ist als Drehachse 3 markiert. Am Außenumfang
des Zahnrades ist eine Außenverzahnung 4 angeordnet.
Demgemäß hat das
Zahnrad 2 eine Anzahl Zähne 5,
die jeweilige Zahnflanken 6 aufweisen. In die Lücke, die
zwei benachbarte Zahnflanken 6 bilden, taucht beim Profilschleifen
in bekannter Weise eine entsprechend profilierte Schleifscheibe
ein. Wie anhand der Detaildarstellung in 2 gesehen
werden kann, weisen die Zahnflanken 6 ein Schleifaufmaß 1 auf,
das nach dem Härten
des Zahnrades 2 abgeschliffen werden muss, um die fertig
bearbeitete Geometrie 7 der Zahnflanke 6 zu erhalten.
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In
den Figuren ist vereinfacht die Situation bei der Vermessung eines
geradverzahnten Stirnrads gezeigt. Analoges gilt bei schrägverzahnten bzw.
innenverzahnten Zahnrädern.
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Die
Kenntnis der Aufmaßsituation,
d. h. die Größe des vorliegenden
Aufmaßes
an jeder Zahnflanke 6 über
der Zahnhöhe,
ist dabei wesentlich dafür,
um das Zahnrad 2 relativ zur Schleifscheibe optimal einmitten
zu können.
Ferner kann nur dadurch der optimale Schleifzyklus definiert werden,
d. h. ein Schleifen, das mit minimalen Leerhüben ohne Spanabtrag auskommt.
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Demgemäß wird vorliegend
in der nachfolgend beschriebenen Weise das Aufmaß 1 an den Zahnflanken 6 vor
dem Schleifen ermittelt:
Die Aufmaßmessung erfolgt mittels eines
Abstandssensors 9, der einen Lichtstrahl 10 aussendet.
Aus der Analyse des reflektierten Lichts kann der Abstand zwischen
Abstandssensor 9 und dem Punkt der Oberfläche 8 der
Zahnflanke 6 ermittelt werden, der aktuell vermessen wird
(s. 2). Der Lichtstrahl 10 ist dabei so ausgerichtet,
dass er in einer Richtung N liegt, die senkrecht auf der Drehachse 3 steht.
D. h. der Lichtstrahl 10 liegt in der Mittenebene des Zahnrades 2,
die auch die Drehachse 3 umfasst.
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Wird
das Zahnrad 2 um die Drehachse 3 um einen Drehwinkel Φ gedreht,
kann folglich die Zahnflanke 6 über der Zahnhöhe abgefahren
und das jeweilige Aufmaß gemessen
werden.
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Trifft
der Messstrahl 10 senkrecht auf eine Oberfläche auf,
ist die Messung optimal. Indes kann es problematisch werden, wenn
der Messstrahl 10 unter einem zu kleinen Winkel α auf die
Oberfläche 8 auftritt
(s. 2). In diesem Falle wird die Messunsicherheit
erhöht,
bis schließlich
gar keine Messung mehr möglich
ist (Winkel α gegen
Null Grad).
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Um
dieses Problem zu eliminieren, sieht die Erfindung folgendes vor:
Zum
einen ist eine Plausibilitätsprüfung vorgesehen, die
in 1 angedeutet ist. Hierfür ist ein Speichermittel 12 vorhanden,
in dem für
ein konkretes Zahnrad 2 für jeden Drehwinkel Φ ein Sollwert
WSoll samt Toleranzband gespeichert ist.
Demgemäß gibt der Sollwert
WSoll an, in welchem Wertebereich ein Aufmaßwert liegen
kann, der für
einen Winkel Φ gemessen
wird. Der Sollwert WSoll wird einem Vergleicher 13 zugeführt. Dieser
erhält
neben dem Sollwert WSoll auch den vom Abstandssensor 9 aktuell
gemessenen Messwert W. Im Vergleicher 13 erfolgt ein Vergleich,
ob der aktuelle Messwert WIst innerhalb
des Wertebereichs liegt, der durch den Sollwert samt Toleranzband
WSoll vorgegeben ist. Ist dies der Fall,
wird der Messwert als geprüfter
Wert WG ausgegeben und als Aufmaßwert für die betreffende
Flankenposition weiter- bzw. ausgegeben.
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Liegt
der Messwert WIst indes nicht im Bereich
des Toleranzbandes gemäß dem Wert
WSoll ist davon auszugehen, dass es aufgrund
der oben beschriebenen Messunschärfe
zu einer Fehlmessung gekommen ist. Demgemäß ist der Messwert WIst nicht brauchbar.
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In
diesem Falle stehen zwei Möglichkeiten zur
Verfügung:
Zum einen kann der Messwert als nicht ordnungsgemäß verworfen
und eine entsprechende Lücke
im Verlauf des Aufmaßes über der Zahnhöhe belassen
werden. Zum anderen ist es aber auch möglich, den Messwert zu verwerfen
und durch einen Wert zu ersetzen, der sich aus der Interpolation zwischen
benachbarten Werten ergibt oder der sich aus der Extrapolation aus
bereits gemessenen und für
gut befundenen Messwerten ergibt.
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Es
besteht allerding noch eine andere Möglichkeit, im genannten Falle – d. h.
wenn die vermessene Stelle einen zu kleinen Winkel α zum Lichtstrahl 10 aufweist – zu brauchbaren
Messwerten zu gelangen. Dies ist in 3 skizziert:
Hiernach
kann der Abstandssensor 9 auf einer Linearführung 11 in
eine Verschieberichtung T verschoben werden, die senkrecht auf der
Richtung N steht; demgemäß wird der
Abstandssensor 9 so verschoben, dass der Lichtstrahl 10 in
einer Richtung P parallel zur Richtung N strahlt. Der Verschiebeweg
des Abstandssensors 9 aus der Mittenebene des Zahnrads 2 ist
mit a bezeichnet. Wie anhand 3 gesehen
werden kann, ist damit der Winkel α', unter dem der Lichtstrahl 10 auf
die Oberfläche 8 der
Zahnflanke 6 auftrifft, deutlich größer, so dass eine brauchbare
Messung erfolgen kann.
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In
Kenntnis dessen, dass grundsätzlich
ab einem gewissen Flankenwinkel die genannte Problematik der Messunschärfe auftritt,
kann auch ohne Durchführung
der oben erläuterten
Plausibilitätskontrolle
ab einer gewissen Steilheit der Flanke die Messung in der verschobenen
Stellung erfolgen. Dies kann natürlich
beiderseits der Mittenebene des Zahnrads 2 erfolgen, was
durch den gestrichelt in 3 eingezeichneten Abstandssensor 9 angedeutet
ist. Während
die mit ausgezogenen Linien eingezeichnete Stellung des Abstandssensors 9 für die in 3 rechten
Zahnflanken 6 eingesetzt wird, kommt die mit gestrichelten
Linie eingezeichnete Stellung für
die Messung der linken Zahnflanken in Frage.
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Die
genannte Messung mittels des optisch arbeitenden Abstandssensors 9 ist
als solche aus verschiedenen Bereichen der Technik bekannt. Es handelt
sich hierbei um eine elektronische Distanzmessung anhand der Laufzeitmessung,
der Phasenlagemessung oder der Lasertriangulation von Licht, wobei
zumeist ein Laserstrahl eingesetzt wird. Aktive und passive optische
Abstandsmessverfahren sind u. a. das sog. Lichtschnittverfahren
und die Triangulation. Die Lasertriangulation und das Laserinterferometer
eignen sich bevorzugt für
kurze Entfernungen, die Laufzeitverfahren dagegen eher für große Entfernungen,
weshalb sie hier kaum geeignet ist.
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Bei
der Laufzeitmessung wird ein zeitlicher Lichtpuls ausgesandt. Die
Pulslaufzeit ist die Zeit, die der Lichtstrahl braucht, um zur Quelle
reflektiert zu werden. Durch Messen dieser Laufzeit kann man über die
Lichtgeschwindigkeit die Distanz zwischen Quelle und Objekt ermitteln.
Der Vorteil dieses Verfahrens ist die geringe Reaktionszeit. Das
Verfahren hat allerdings bevorzugt Messbereiche von 1 Meter bis
mehrere Kilometer, so dass es vorliegend nicht optimal ist. Das
Problem ist hier die Messung extrem kurzer Zeiten. Um die Anforderung
an die Zeitmessung zu verringern, werden Verfahren eingesetzt, bei denen
der Laserstrahl selbst frequenzmoduliert oder mit einem hochfrequenten
Signal moduliert wird.
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Die
Phasenverschiebung des an der Oberfläche 8 reflektierten
Lichtstrahls 10 oder dessen Modulation gegenüber dem
ausgesandten Strahl oder dessen Modulation ist entfernungsabhängig. Diese Phasenverschiebung
kann gemessen und benutzt werden, um die zurückgelegte Distanz zu ermitteln. Wird
die Laserfrequenz selbst zur Überlagerung
genutzt, arbeitet das Gerät
wie ein Laserinterferometer. Laserinterferometer messen keine absoluten
Weglängen
sondern nur die relative Änderung
bei Verschiebung des Zieles bzw. eines Referenzspiegels. Beim Verschieben
des Spiegels wird die Summe aus ausgesandtem und reflektiertem Strahl
periodisch moduliert (sog. Interferenz). Der Lichtstrahl durchläuft bei
der Verschiebung um eine halbe Lichwellenlänge genau eine Periode. Zählt man
die Durchgänge und
multipliziert sie mit der Lichtwellenlänge, erhält man die gesuchte Wegstrecke.
Mit einer genaueren Auswertung des Signals erreicht man Genauigkeiten von
etwa einer Hundertstel Wellenlänge,
d. h. bei sichtbarem Licht eine Genauigkeit im Nanometerbereich.
Der Vorteil dieser Methode ist die gegenüber Laufzeitverfahren höhere Auflösung, die
mit geringerem messtechnischen Aufwand zu realisieren ist.
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Ein
Problem ist die fehlende Eindeutigkeit der Signale bei Entfernungen
eines Vielfachen der halben Laser- bzw. Modulationswellenlänge. Diese Mehrdeutigkeit
interferometrischer Verfahren kann mit Hilfe einer Frequenzmodulation
des Lasers oder dessen Hochfrequenz-Modulationssignales umgangen
werden. Man führt
dadurch in die Phasenmessung eine Laufzeitkomponente ein. Durch
eine niedrigere Frequenz erhält
man eine größere Distanz
eines eindeutigen Ergebnisses
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Bei
der Lasertriangulation wird der Laserstrahl (bei geringen Anforderungen
auch nur die Strahlung einer Leuchtdiode) auf das Messobjekt fokussiert
und mit einer daneben im Sensor befindlichen Kamera beobachtet. Ändert sich
die Entfernung des Messobjektes vom Sensor, ändert sich auch der Winkel,
unter dem der Lichtpunkt beobachtet wird und damit die Position
seines Abbildes auf dem Fotoempfänger.
Aus der Positionsänderung
wird mit Hilfe der Winkelfunktionen die Entfernung des Objektes vom
Laserprojektor berechnet. Dieses Verfahren wird vorliegend bevorzugt
eingesetzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aufmaß
- 2
- Zahnrad
- 3
- Drehachse
- 4
- Verzahnung
- 5
- Zahn
- 6
- Zahnflanke
- 7
- fertig
bearbeitete Geometrie
- 8
- Oberfläche
- 9
- Abstandssensor
- 10
- Lichtstrahl
- 11
- Linearführung
- 12
- Speichermittel
- 13
- Vergleicher
- N
- Richtung
senkrecht auf der Drehachse
- P
- Richtung
parallel zur Richtung N
- T
- Verschieberichtung
- a
- Abstand
- Φ
- Drehwinkel
- α, α'
- Winkel
- WSoll
- Sollwert
samt Toleranzband
- WIst
- Messwert
- WG
- geprüfter Wert
