Temperaturunabhängige, spannungsarme Zentrierung zweier Körper mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten In der Technik stellt sich öfters das Problem, zwei Körper, welche aus verschiedenen Materialien beste hen und welche demzufolge meist verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, genau zu zentrieren.
Die genaue, temperaturabhängige Zentrie rung zweier Körper mit verschiedenen Ausdehnungs- koeffizienten bereitet aber grosse Schwierigkeiten und war bis anhin nicht in befriedigender Weise zu er reichen, weil dabei verschiedene divergierende Ge sichtspunkte zu berücksichtigen sind.
Betrachtet man beispielsweise die Herstellung eines Teleskops, so ist einerseits die Herstellung des Spiegels und anderseits die mechanische Konstruktion des Teleskops zu berücksichtigen.
Bei der Herstellung des Spiegels ist in erster Linie zu entscheiden, wie gross der Wärmeausdehnungs- koeffizient des Materials, aus welchem dieser Spiegel hergestellt werden soll, sein soll. Vom Standpunkt der Werkstätte, welche den Spiegel herzustellen hat, ist ein möglichst kleiner Wärmeausdehnungskoeffi- zient des Spiegelmaterials erwünscht, denn je kleiner dieser Wärmeausdehnungskoeffizient ist, desto weni ger Schwierigkeiten treten beim Schleifen des Spie gels auf.
Auch der Benützer des Teleskops wird einen möglichst kleinen Wärmeausdehnungskoeffi- zienten des Spiegelmaterials wünschen, weil in die sem Falle keine starken Bildfehler auftreten, wenn der Spiegel aus irgend einem Grunde nicht genau die Umgebungstemperatur aufweist.
Für die Werkstätte, welche die mechanische Kon- struktion des Teleskops auszuführen hat, ergeben sich aber bei der Wahl eines Spiegelmaterials mit möglichst kleinem Wärmeausdehnungskoeffizienten Schwierigkeiten, weil die meisten Konstruktionsmate rialien, aus welchem der mechanische Teil des Instru- mentes, das heisst des Teleskops, gefertigt wird,
Ausdehnungskoeffizienten besitzen, die wesentlich grösser sind als die kleinsten Ausdehnungskoeffizien- ten von Spiegelmaterialien sein können. Neben den hauptsächlichen Konstruktionsmaterialien mit relativ grossen Wärmeausdehnungskoeffizienten, aus welchen die mechanischen Teile des Teleskops gefertigt wer den, gibt es allerdings einige andere Materialien, deren Ausdehnungskoeffizient denjenigen der Spie gelmaterialien vergleichbar ist.
Diese Konstruktions- materialien mit kleinem Wärmeausdehnungskoeffi- zienten - es handelt sich dabei meistens um Fe/Ni- Legierungen - sind jedoch verhältnismässig teuer und, was schwerwiegender ist, schlecht bearbeitbar, wes halb höchstens wenige Teile eines Teleskops daraus hergestellt werden können, so z. B. die Spiegelfas sung, das heisst der Teil, in welchem der Spiegel möglichst spielfrei eingepasst sein muss.
Zwischen dieser Spiegelfassung und den übrigen mechanischen Hauptteilen des Teleskops gibt es dann aber stets wieder einen Sprung in der Wärmeausdehnung, wel cher umso grösser ist, je kleiner die Wärmeausdeh nung des Spiegelmaterials bzw.
des Materials der Spiegelfassung gewählt wurde. Dieser Ausdehnungs sprung hat nun stets Deformationen von Teilen des Instrumentes, das heisst des Teleskops, zur Forlge.
Diese Deformationen von Teilen eines Instrumen- tes, im angenommenen Falle also des Teleskops, haben meistens keine merkbare Bildverschlechterung zur Folge, ergeben aber messbare Bildverlagerungen. Wird das Instrument nur zu Beobachtungszwecken verwendet, stören diese Bildverlagerungen nicht oder doch nur unwesentlich.
Wird das Instrument jedoch zum Messen von Richtungen bzw. Winkeln verwen det, sind diese Bildverlagerungen schädlich, weil sie in den meisten Fällen die Messung auf die verlangte Genauigkeit erschweren oder sogar unmöglich ma chen.
Diese überlegungen zeigen, dass hinsichtlich der Wärmeausdehnung der Materialien für Spiegel und dergleichen für Instrumente, die nur zu Beobach tungszwecken verwendet werden, auf die Wünsche der Hersteller des Spiegels oder dergleichen und der Benützer des Instrumentes nach einem möglichst kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Spiegel materials eingegangen werden kann, dass aber bei der Herstellung von Messinstrumenten das Material des Spiegels oder dergleichen so gewählt werden muss, dass bei Temperaturänderungen der Sprung in der Wärmeausdehnung des Spiegels oder dergleichen bzw.
seiner Fassung und der mechanischen Konstruktions teile des Instrumentes nicht zu einer unzulässig grossen Verlagerung der Zielachse führt.
Die Erfindung ermöglicht es nun, Messinstrumente für höchste Anforderungen herzustellen, für deren Spiegel oder dergleichen Materialien mit kleinem Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet werden, ohne dass bei Temperaturänderungen eine Zielach senverlagerung infolge Ausdehnungssprunges auftritt.
Gegenstand der Erfindung ist eine temperatur unabhängige, spannungsarme Zentrierung zweier Körper mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffi- zienten, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die beiden zu zentrierenden Körper durch mindestens drei lange Lenker, welche so rotationssymmetrisch um ein den beiden Körpern gemeinsames Zentrum angeordnet sind, dass sie tangential zu irgend einem, zum vorerwähnten Zentrum konzentrischen Kreis ver laufen, miteinander verbunden sind.
Bei einer solchen Zentrierung ergeben die Folgen der Unterschiede der Wärmeausdehnung der beiden zu zentrierenden Körper und der sie verbindenden Lenker lediglich eine Verdrehung des einen Körpers in bezug auf den anderen um das gegebene Zentrum. Bei einem Messinstrument, z. B. einem Teleskop, er gibt sich aber keine Verlagerung der Zielachse, welche die Genauigkeit der Messung beeinträchtigen könnte.
Wenn man dabei die Winkel, welche die Lenker mit den durch ihre Endpunkte gehenden Radien bilden, mit den Ausdehnungskoeffizienten der beiden Körper und der Lenker in eine bestimmte mathematische Beziehung bringt, kann erreicht wer den, dass die beiden Körper bei einer Temperaturän derung weder dezentriert noch gegeneinander ver dreht werden.
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungs beispiele der temperaturunabhängigen, spannungs armen Zentrierung zweier Körper mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten gemäss der Erfin dung schematisch dargestellt.
Es zeigen: Fig.l die Zentrierung einer Spiegelfassung im Rohr eines Teleskops, Fig.2 die geometrischen Verhältnisse der Zen trierung nach der Fig.l, das heisst einer solchen, bei welcher der Körper mit dem kleineren Wärme- ausdehnungskoeffizienten innerhalb des Körpers mit grösserem Wärmeausdehnungskoeffizienten angeord net ist, Fig.3 die geometrischen Verhältnisse bei einer Zentrierung zweier Körper,
bei welcher der Körper mit dem kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten ausserhalb desjenigen mit grösserem Wärmeausdeh- nungskoeffizienten angeordnet ist, Fig.4 eine andere Ausführung der Zentrierung zweier Körper, bei welcher der Körper mit dem kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten innerhalb des Körpers mit dem grösseren Wärmeausdehnungs- koeffizienten angeordnet ist, und Fig.5 eine dritte Ausführung der Zentrierung zweier Körper,
bei welcher der Körper mit kleinerem Wärmeausdehnungskoeffizienten ausserhalb des Kör pers mit dem grösseren Wärmeausdehnungskoeffi- zienten angeordnet ist.
Prinzipiell ist festzuhalten, dass die Lagerung des Spiegels eines Teleskops zwei Forderungen erfüllen muss, damit die optische Achse des Spiegels stabil bleibt, nämlich: 1. Muss die Ebene des Spiegels fixiert sein, das heisst die Richtung seiner optischen Achse muss ge halten sein, und 2. muss der Spiegel zentriert sein, das heisst die Lage seiner optischen Achse muss gehalten sein.
Verschiedene Ausdehnungskoeffizienten des Spie gels bzw. seiner Fassung und der mechanischen Teile des Teleskops stören die erste dieser Bedingungen nicht, denn zwei genau ebene Platten, welche ver schiedene Ausdehnungskoeffizienten besitzen und auf einander liegen, können bei jeder Temperatur auf einandergeschoben werden, ohne dass die eine oder andere Platte aus ihrer Ebene gekippt wird. Dagegen stehen verschiedene Ausdehnungskoeffizienten des Spiegel- bzw. Spiegelfassungsmaterials und des Mate rials der mechanischen Teile des Teleskops der Er füllung der zweiten Bedingung entgegen.
In der Fig. 1 ist mit a eine Spiegelfassung be zeichnet, welche aus einem Material besteht, das min destens angenähert den gleichen Ausdehnungskoeffi zienten besitzt wie das Material eines in ihr spielfrei gefassten Spiegels eines Teleskops. Diese Spiegelfas sung a ist im Rohr b des Teleskops durch drei gleich lange Lenker 1 zentriert gehalten, so dass die Achse O des Rohres b und die optische Achse des Spiegels zusammenfallen.
Die Ausdehnungskoeffizienten a1 und ab der Materialien, aus welchen die Lenker 1 und das Rohr b bestehen, können verschieden sein, sind aber in den meisten Fällen aus herstellungstech nischen und konstruktiven Gründen grösser als der Ausdehnungskoeffizient aa der Spiegelfassung a.
Die Lenker 1, deren innere Enden an einem Flansch der Spiegelfassung a und deren äussere Enden an einem Flansch im Rohr b mittels durchgehender, eingepass- ter Schraubenbolzen in in der Fig.1 nicht dargestell ter Weise gelagert sind, sind derart rotationssymme trisch zur Achse O des Rohres b angeordnet, dass ihre Richtungen tangential an einen zu dieser Achse O konzentrischen Kreis C verlaufen. Der Durchmes ser dieses Kreises C kann beliebig sein und er wird den Verhältnissen, das heisst den verschiedenen Aus dehnungskoeffizienten entsprechend gewählt.
Der Winkel, welchen die Lenker 1 mit den durch ihre Anlenkpunkte an der Spiegelfassung a gehenden Radien bilden, ist mit a und der Winkel zwischen den durch die Anlenkpunkte der Lenker 1 an der Spiegelfassung p gehenden Radien und den durch die Anlenkpunkte der Lenker 1 am Rohr b gehenden Radien mit f) bezeichnet.
Die geometrischen Verhältnisse, welche sich hier bei für einen Lenker 1 ergeben, sind in der Fig.2, in welcher mit r1 der durch den Anlenkpunkt des Lenkers 1 am Rohr b gehende Radius und mit r2 der durch den Anlenkpunkt des Lenkers 1 an der Spiegelfassung a gehende Radius bezeichnet sind, dar gestellt. In gleicher Weise sind in der Fig. 3 die geo metrischen Verhältnisse gezeigt, welche sich ergeben, wenn ein Körper aus Material mit grösserem Aus dehnungskoeffizienten innerhalb eines Körpers aus Material mit kleinerem Ausdehnungskoeffizienten zentriert gelagert werden muss.
Ein prinzipieller Un terschied besteht zwischen diesen beiden Fällen nicht.
Im allgemeinen wird sich die Spiegelfassung a, das heisst der innere der beiden durch die Lenker 1 miteinander verbundenen Teile, bei einer Änderung der Temperatur in bezug auf das Rohr b, das heisst den äusseren Teil, drehen, aber sie behält ihre zen trierte Lage im Rohr b bei, das heisst die optische Achse des Spiegels fällt auch bei geänderter Tem peratur mit der Achse O des Rohres b zusammen. Jede Deformation der Spiegelfassung a, des Rohres b und der Lenker 1 infolge einer Temperaturänderung ist dabei vermieden.
In gewissen Fällen ist jedoch eine Drehung des inneren Teiles, das heisst im beschriebenen Falle der Spiegelfassung a und damit des Spiegels, um seine optische Achse nicht erwünscht. Es lässt sich nun rechnerisch nachweisen, dass es möglich ist, bei Tem peraturänderungen nicht nur, wie vorstehend erwähnt, die zentrierte Lage der optischen Achse des Spiegels zu bewahren, sondern auch eine Drehung des inneren Teiles, das heisst im beschriebenen Falle der Spiegel fassung a mit dem Spiegel, in bezug auf den äusseren Teil, das heisst also das Rohr b, zu vermeiden, wenn die Wärmeausdehnungskoeffizienten aa, ab und a1 der Spiegelfassung a, des Rohres b bzw.
der Lenker 1 und die Winkel a und ss in eine besondere mathe matische gegenseitige Beziehung gebracht werden.
Wie erwähnt, ist bei der vorstehend beschrie benen Ausführung angenommen, dass die Lenker 1 an der Spiegelfassung<I>a</I> und am Rohr<I>b</I> mittels durch gehender, eingepasster Schraubenbolzen angelenkt seien. Dies bedingt eine sehr genaue Bearbeitung aller dieser Teile. In der Fig.4 und 5 sind zwei Ausfüh rungen der Zentrierung zweier Körper dargestellt, welche es ermöglichen, eine mindestens annähernd ebenso gute Zentrierung mit wesentlich geringerem Bearbeitungsaufwand zu erreichen.
In der Fig. 4 ist mit a wiederum der innere Teil, z. B. die Spiegelfassung eines Teleskops, und mit b der äussere Teil, z. B. das Rohr des Teleskops be zeichnet. Anstelle der einfachen Lenker 1 des vor stehend beschriebenen Ausführungsbeispiels sind bei der Ausführungsform nach der Fig.4 drei zwei- schenklige Lenker f, g und h vorgesehen. Die freien Enden der beiden Schenkel jedes dieser Lenker f, g und h sind mit einem Flansch im Rohr b verschraubt.
Die Durchgangslöcher<I>i</I> für die Schrauben<I>k</I> sind je doch keine Passlöcher mehr, weil die Lenker f, g und h aussen im Radius r,' zentriert sind. Nach der Zentrierung der äusseren Enden der Schenkel der Lenker<I>f,</I> g und<I>h</I> im Radius r1' und ihrer Befesti gung am Flansch des Rohres b mittels der Schrau ben<I>k</I> werden die inneren Kontaktflächen f, g' und <I>h'</I> aussen am Knie der Lenker<I>f,</I> g und<I>h</I> zum Radius r,' rundlaufend bearbeitet.
Zwischen diesen Kontakt flächen f, g' und<I>h'</I> der Lenker f, g und<I>h</I> ist nun der innere Teil, das heisst im vorliegenden Falle die Spiegelfassung a zentriert, das heisst mit genügend spielfreier Passung gehalten. Die dank einer Nute f", g" bzw. h" in der Kehle des Knies jedes Lenkers f, g und h verhältnismässig schwache Verbindung der beiden Schenkel jedes der Lenker<I>f,</I> g und<I>h</I> über nimmt dabei die Funktion eines Gelenkes.
Die bei den Schenkel der Lenker<I>f,</I> g und<I>h</I> sind festigkeits mässig so gestaltet, dass sie sich an ihren auf den Radien r, und r2 liegenden Stellen etwas deformie ren lassen, wobei jedoch die Elastizitätsgrenze auf keinen Fall erreicht wird, und die bei Temperatur änderungen auftretenden geringfügigen Änderungen der Winkel ss möglich sind, ohne dass unzulässig hohe Spannungen, welche eine Deformation der Spiegel fassung<I>a</I> und/oder des Rohres<I>b</I> zur Folge haben könnten, auftreten.
Bei der Ausführung nach der Fig. 5 ist angenom men, dass der innere Körper a einen grösseren Aus dehnungskoeffizienten aufweise, als der äussere Kör per b, in welchem er durch die zweischenkligen Len ker f, g und h zentriert gehalten ist.
Die zweischenk- ligen Lenker f, g und h sind bei der Ausführung nach der Fig. 5 umgekehrt angeordnet, das heisst die freien Enden ihrer Schenkel sind mittels der Schrauben k an einem Flansch des inneren Körpers a befestigt, während die Kontaktflächen f, g' und und<I>h'</I> an ihren Knien in den äusseren Teil b eingepasst sind. Im übrigen entspricht die Ausführung nach der Fig.5 sinngemäss derjenigen nach der Fig.4.
Werden bei den Ausführungen nach den Fig.4 und 5 die Winkel a und ss so gewählt, dass sie in einer bestimmten mathematischen Beziehung zu den Aus dehnungskoeffizienten der für die Spiegelfassung a, das Rohr<I>b</I> und die Lenker f, g und<I>h</I> gewählten Materialien stehen, kann eine allen Anforderungen genügende Zentrierung unter Vermeidung einer Ver drehung des inneren Körpers in bezug auf den äusse ren Körper erzielt werden.
Die beschriebene temperaturunabhängige, span nungsarme Zentrierung kann nicht nur für Teleskope und dergleichen optische Instrumente verwendet wer den, sondern überhaupt in allen Fällen, in welchen es sich darum handelt, zwei Körper, welche verschie dene Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, zu einem gemeinsamen Zentrum zentriert zu halten.
Je nach den gegebenen Verhältnissen können die beiden Körper auch durch mehr als drei einfache oder zweischenklige Lenker miteinander verbunden sein.