DD133466B1 - Winkelmesssystem fuer dynamische fuehrungsfehlermessungen an geradfuehrungen und zur taumelfehlerpruefung - Google Patents

Description

-A-

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Messung der Führungsgenauigkeit an luftgelagerten Geradführungen für Spektrometer, an Meßschlitten und an Führungen von Werkzeugmaschinen· Mit dem erfindungsgemäßen Winkelmeßsystem wird eine Auflösung von besser als 0,1 Winkelsekunde erreicht· Weiterhin ist es mit der Erfindung möglich, Meßaufgaben an rotierenden Meßobjekten, z. B· die Messung des Taumelfehlers an der Stirnseite einer rotierenden Welle, durchzuführen·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist eine Winkelmeßeinrichtung bekannt, die als interferometrische Ablesevorrichtung zur Bestimmung der Balkenschwingung von Waagen benutzt wird. Sie besteht aus einem Laser als Lichtquelle, einem Teilerwürfel und ümlenkprisma die beide an Waagenständer befestigt sind, aus zwei Dachkantprismen am Y/aagenbalken als Reflektoren und fotoelektrischen Smpfängern mit einer entsprechenden Auswerteelektronik·

Der vom Laser emittierte Strahl wird mittels des Teilerwürfels in zwei Meßstrahlen aufgeteilt. Ein Meßstrahl wird direkt vom Teilerwürfel und der zweite Meßstrahl über ein justierbares Ümlenkprisma auf je eines der Dachkantprismen

gelenkt. Die Dachkantprismen sind symmetrisch zur Hauptscnneide der Waage am Balken befestigte Durch die Verwendung von Dachkantprismen als Reflektoren werden die Teilstrahlen bei Drehung des Waagenbalkens stets parallel zur Einfallsrichtung reflektiert. Die Stelle der Strahlteilung ist von der Stelle der Strahlvereinigung getrennt. Aus dem Teilerwürfel treten zwei Strahlen aus, in denen sich Interferenzstreifen gleicher Dicke beobachten lassen, deren Lage und Abstand durch eine entsprechende Justierung des ümlenkprismaa eingestellt werden können·

Ordnet man in geeigneter Weise am Ausgang des $eilerwürfels Differenzfotoempfänger an, lassen sich nach entsprechender Justage aus jedem Strahl zwei um jeweils -S- phasenverschobene Signale ableiten·

Diese Winkelmeßeinrichtung ist mit Fachteilen behaftet. Zur Erzeugung der Interferenzstreifen gleicher Dicke muß das Umlenkprisma sehr genau justiert werden. Der Justagezustand muß während der gesamten Meßzeit unverändert bleiben, da sich sonst die Signalintensität und die Phasenlage der abgeleiteten Signale zueinander ändern, was zu Meßfehlern führt« Eine derartig dauerhafte Fixierung ist sehr schwierig durchzuführen und mit Aufwand verbunden. Außerdem muß die Einrichtung wiederholt nachjustiert werden· Durch die Verwendung von Dachkantprismen als Reflektoren kann die Winkelmeßeinrichtung nicht für Meßaufgaben an rotierenden Meßobjekten, z. B. die Messung des Taumelfehlers an der Stirnseite einer rotierenden Welle, verwendet werden, was die Möglichkeiten dieser Einrichtung erheblich einschränkt·

•Ziel der Erfindung

Zweck der Erfindung ist es, den Gebrauchswert derartiger Winkelmeßeinrichtungen zu erhöhen und den Anwendungsbereich zu erweitern, z. B. auf rotierende Meßobjekte·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Qualität der IJessung dadurch zu. gewährleisten, ä.2.3, der Justagezustend unter allen Bedingungen konstant bleibt und den Strahlengang so zu modifizieren, daß die Messung an rotierenden Meßobjekten möglich ist·

Erfindungsgemäß wird das, bei einem hochgenauen Winkelmeßsystem für dynamische Führungsfehlermessungen an Geradführungen und zur Taumelfshlerprüfung, bei dem der von einem Laser emittierte Strahl mittels einer Strahlteilereinrichtung in zwei Meßstrahlen aufgeteilt wird, ein Meßstrahl direkt und der zweite über eine Umlenkeinrichtung auf jeweils einen Planspiegel treffen, reflektiert werden, in der Strahlteilereinrichtung zur Interferenz gelangen, wobei Interferenzen gleicher Dicke dann entstehen, wenn die Reflexionsfläche der Strahlteilereinheit und der Umlenkeinrichtung um sehr geringen Winkel zueinander verkippt sind, und aus den Interferenzen mittels am Ausgang der Strahlteilereinrichtung geeignet angeordneter Differenzfotoempfänger sich zwei jeweils um —?— phasenverschobene Signale ableiten lassen» dadurch erreicht, daß in den Strahlengang des Lasers zur Einstellung einer definierten Polarisationsebene ein Polarisationsrotator angeordnet ist, daß zur Erzeugung paralleler Teilbündel A und B eine Strahlteilereinheit angeordnet ist, wobei die Strahlteilereinheit aus einem nichtpolarisierenden Strahlteiler und einem Reflexionsprisma besteht und um eine Achse drehbar ist, die parallel zur Achse des einfallenden, vom Laser kommenden Strahlbündels ist, daß im Strahlengang zur Umlenkung der beiden parallelen Teilbündel A und B um 90° ein Reflexionsprisma und zur nochmaligen Umlenkung um 90° ein polarisierender Strahlteiler angeordnet ist, daß dem polarisierenden Strahlteiler zur Umwandlung des bisher linear polarisierten Lichtes in zirkulär polarisiertes Licht im Strahlengang

eine -ψ Platte nachgeordnet ist, daß im Strahlengang

zur Aufteilung der Teilbündel A und B in die Teilbündel

A₁ B₁ und A- Bp die Strahlteilereinrichtung als zusammengesetzter Glasblock, dessen Einzelteile mit einem geeigneten Bindemittel unlösbar ζ us ammengefügt sind, bestehend aus einem nichtpolarisierenden Strahlteiler, einem Zwischenstück, einem Reflexionsprisma und einem Schutzprisma, angeordnet ist, daß die Teiler- und Reflexionsebene des nichtpolarisierenden Stralilteilers und die Reflexionsebene des Reflexionsprismas in einem unveränderlichen Winkel ЭС zueinander liegen, daß im Strahlengang der vier Teilbündel A₁, B₁, A«, B₂ der Strahlteilereinrichtung ein am Meßobjekt angebrachter Planspiegel nachgeordnet ist, daß zur Registrierung der Interferenzen Optiken mit ihnen nachgeordneten Fotoempfängern dem Strahlteiler zugeordnet sind, und daß dem polarisierenden Strahlteiler ein Reflexionsprisma nachgeordnet ist, dem zur Registrierung der Interferenzen Optiken mit ihnen nachgeordneten Fotoempfängern zugeordnet sind»

Zur Messung der Spiegelverkippung um zwei zueinander senkrechtstehende Achsen wird ein Kreuzglasblock im Strahlengang A B angeordnet, dem zur Erzeugung der Teilbündel A B und A B eine Strahlteilereinheit vorgeordnet ist»

Ausführungsbeispiel

In der Figur 1 ist der schematische Aufbau des Winkelmeßsystems dargestellt· Figur 2 zeigt in vergrößerter Form den Glasblock 21 aus Figur 1, die Strahlenführung im Glasblock 21 und die besonderen konstruktiven Einzelheiten.»

Die Figur 3 zeigt das Abtasten eines latent vorhandenen Interferenzstreifenfeldes mit zwei diskreten Bündeln·

.In der Figur 4 wird eine Zweiebenenmessung mit einem kreuzförmig ineinander angeordneten Glasblock 21 gezeigt.

Wie in Figur 1 dargestellt, ist zur Erzeugung eines Lichtstrahles ein Laser 1 aufgebaut, dessen Laserstrahl einen Polarisationsrotator 2 zur Einstellung einer definierten

Polarisationsebene passiert. Der Laserstrahl wird in einem Teleskop 3 aufgeweitet und gelangt über eine Justiereinrichtung 4 auf eine Strahlteilereinheit 5, die aus einem nichtpolarisierendem Strahlteiler 6 und einem Reflexionsprisma 7 bestehto

Das Bündel wird in die Bündel A und B aufgespalten, die sich parallel zueinander ausbreiten» Beide Bündel A und B werden an einem Reflexionsprisma 8 um 90° umgelenkt· Infolge ihrer senkrechtstehenden Polarisationsebene werden die Bündel an einem polarisierendem Strahlteiler 9 noch einmal um 90 abgelenkt und verlaufen parallelversetzt zu ihrer ursprünglichen Richtung. Nach Austritt aus dem polarisierenden Strahlteiler 9 entsteht aus dem linear polarisierten Licht durch Passieren einer entsprechenden ausgerichteten -Q- — Platte 11 zirkulär polarisiertes Licht, das in einen zusammengesetzten Glasblock 21, dessen Einzelteile mitteis geeigneter Bindemittel unlösbar zusammengefügt sind, eintritt. Der Glasblock 21 besteht aus einem nichtpolarisierenden Strahlteiler 12, einen Zwischenstück 13» einem Reflexionsprisma 15 und einem Schutzprisma 14« Der nichtpolarisierende Strahlteiler 12, spaltet die beiden Bündel A und B in die Bündel A₁, A_ und B₁, B₂ auf. Nach Reflexion der Bündel A^ und Bp im Reflexionsprisma 15 verlassen die Bündel den Glasblock 21_β

Die Bündel A₁ und A„ sowie B. und B„ schließen wie in Figur 2 dargestellt im Raum einen definierten Winkelstein, der in der Größenordnung von wenigen Winkelsekunden liegt· Dieser Winkel ^wird durch den Winkel den die Teiler- und Reflexionsebene des nichtpolarisierenden Strahlteilers 12 und die Reflexionsebene des Prismas 15 im Raum einschließen und durch die Differenz der in der Figur 2 gezeigten Winkel d, und /3 bedingt·

Den Winkel T^ist dabei für die Funktion der Winkelmeßeinrichtung von hoher Wichtigkeit.

An einem Planspiegel 16 werden die vier Bündel A₁, A₂, B₁, Bp reflektiert und gelangen danach in der Teilerebene des nichtpolarisierenden Strahlteilers 12 zur Interferenz.

Durch die Geometrie des Blockes bedingt, achneiden sich die Bündel in der Teilerebene unter dem ?/inkel 2 #*", so daß bei hinreichend ebenen Flächen sich ein Interferenzstreifenabstand d mit

_d _ Я.

^u ~ sin 2

ergibt·

Am nichtpolarisierenden Strahlteiler 12 gelangen die Bündel A₁ Α« und B₁ B₂ jeweils zur Interferenz» Dadurch entstehen die Bündel A» A" und B¹ B",

Die Bündel A* und B* verlassen den Glasblock über die Fläche 17 und gelangen über die Optiken 19«a und 19«b auf die Fotoempfänger 20»a und 20«b, deren Anordnung in Figur 3 dargestellt ist«

Die Bündel A" und B", die den Glasblock über die Fläche 18 verlassen, passieren die -^= Platte 11, werden linear polarisiert und erhalten dabei eine horizontale Polarisations— richtung, passieren demzufolge den polarisierenden Strahlteiler 9 und werden an einem Reflexionsprisma 10 ausgekoppelt· Sie gelangen über die Optiken 19<>c und 19«d auf die Fotoempfänger 20.с und 20ed·

Beim Verkippen des Planspiegels 16 entsteht an den Fotoemp— fängern 20«a bis 20,d ein sinusförmiger Signalverlauf» Durch das Verdrehen der Strahlteilereinheit 5 wird eine Phasendifferenz von —p— zwischen den Teilbündeln A¹ und 3^f eingestellt« Da die Teilbündel A" und B" gegenüber den Teilbündeln A' und B¹ jeweils um Tf phasenverschoben sind, besteht zwischen A" und B" ebenfalls eine Phasendifferenz von -^- · Diese Signale lassen sich zu gleichanteilsfreien Sinus- und Kosinussignalen vereinen, die nach Bedarf ausgewertet werden können«

Treffen die Bündel A₁ B₁ und A„ Bp näherungsweise senkrecht auf den Planspiegel auf, dabei sind Abweichungen von wenigen WinkeIminuten zwischen Bündelachse und Spiegelnormalen zulässig, kann aus dem optischen Gangunterschied ei, der bei der Verkippung 4 ψ des Planspiegels 16 zwischen den

«. 7 —

interferierenden Bündeln auftritt, diese Verkippung in der Größenordnung von WinkelSekunden nach der Formel

2 D

ermittelt werden»

Eine Phasenänderung von 2 ir im Signal entspricht einem optischen Gangunterschied von Tl der verwendeten Wellenlänge. Die Differenz in der Länge der beiden Bündel hat sich dabei um —?=· verändert.

Will man das Meßsystem zur Messung der Spiegelverkippung um zwei zueinander senkrechtstehende Achsen einsetzen, kann ein Kreuzglasblock 22 aus zwei senkrecht zueinander stehenden Glasblöcken in der Form aufgebaut werden, wie er in Figur 4 gezeigt wird· Vor diesem Kreuzglasblock 22 muß eine zusätzliche Strahlteilereinrichtung im Strahlengang der Bündel A und B angeordnet sein, um die Teilbündel A"* B*und A**B** zu erzeugen·

Die optische Anordnung erlaubt auch das zentrische Anmessen eines Planspiegels mit weiteren Bündeln, z. B· zur Messung der Translation des Planspiegels 16. Die Bündel passieren dann den Kreuzglasblock 22 durch das Zwischenstück 23» treffen auf den Planspiegel 16 auf, werden reflektiert und gelangen in einer geeigneten optischen Anordnung zur Interferenz.

Der besondere Vorteil des Meßsystems besteht darin, daß es in einfacher Weise in einem kompakten System aufgebaut ist, was einen hohen Gebrauchswert und eine hohe Betriebssicherheit garantiert·

Weiterhin besteht ein großer Vorteil darin, daß sich diese Variante mit einfachen Mitteln zu einer Zweiebenenvariante, mit der den Taumelfehler eines an einem rotierenden Lager befestigten Planspiegels messen kanne

Claims (4)

Erfindungsanspruch.

1· Winkelmeßsystem für dynamische Pührungsfehlermessungen an Geradführungen und zur Taumelfehlerprüfung, gekennzeichnet dadurch, daß in den Strahlengang des Lasers (1) ein PoIarisationsrotator (2), eine Strahlteilereinheit (5) zur Erzeugung paralleler Teilbündel Ä und B, ein Reflexionsprisma (8) zur umlenkung der Teilbündel A und B um 90°, ein polarisierender Strahlteiler (9) zur nochmaligen Umlenkung um 90°, eine —4- - Platte (11) zur Umwandlung des bisher linear polarisierten Lichtes in zirkulär polarisiertes Licht, eine Strahlteilereinrichtung (21) zur Aufteilung der Teilbündel A und B in die Teilbündel Ä-jB-. und A₂B₂, ein Planspiegel (16) und Optiken (19 a) und (19 b) mit Fotoempfängern (20 a) und(20 b) zur Registrierung der Interferenzen angeordnet sind, und daß dem Strahlteiler (9) ein Reflexionsprisma (10) und Optiken (19 c) und (19 d) mit Fotoempfängem (20 c) und (20 d) zugeordnet 3ind·

2· Y/inkelmeßsystem nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Strahlteilereinheit (5) aus einem nichtpolarisierenden Strahl,teiler(6) und einem Reflexionsprisma (7) besteht und um eine Achse drehbar ist, die prallel zur Achse des einfallenden, vom Laser (1) kommenden Strahlbündels liegt.

3· Winkelmeßsystem nach Ponkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Strahlteilereinrichtung (21) aus einem nichtpolarisierenden Strahlteiler (12), einem Zwischenstück (13), einem Reflexionsprisma (15) und einem Schutzprisma (14) besteht und daß die Teiler- und Reflexionsebene des Strahlteilers (12) und die Reflexionsebene des Reflexionsprismas (15) in einem unveränderlichen Winkel 2€ zueinander liegen·

4· Winkelmeßsystem nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß zur Messung der Spiegelverkippung um zwei zueinander senkrechtstehende Achse ein Kreuzglasblock (22) am Strahlengang der Teilbündel AB angeordnet ist, dem zur Erzeugung der Teilbündel A^B* und A" " B "* * eine Strahlenteilereinheit vorgeordnet ist·

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen