Anlage mit einem optischen Gerät zum Ausrichten eines ersten Körpers in Bezug auf einen zweiten
Körper
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage mit einem optischen Gerät zur Ausrichtung eines ersten Körpers in bezug auf drei zueinander orthogonale Achsen eines zweiten Körpers. Solche Anlagen dienen zur genauen Ausrichtung nach drei orthogonalen Achsen mittels nur einer Visierrichtung.
In der Industrie ist es oft erforderlich, genaue Ausrichtungen von Werkzeugen oder Einrichtungen vorzunehmen, für welche Zwecke man gewöhnlich optische Präzisionsinstrumente verwendet. Dies ist zum Beispiel bei grossen Werkzeugmaschinen notwendig, um die gewünschte grosse Bearbeitungsgenauigkeit zu erhalten.
Es ist ferner nötig, Führungs- und Navigationsausrüstungen in bezug auf einen Flugkörper und das Koordinatensystem der Erde zwecks genauer Ortung auszurichten. Bisher wurden solche Ausrichtungen optisch mittels zweier vertikaler Spiegel am auszurichtenden Objekt vorgenommen, wobei diese zwei Spiegel mit einem Präzisionstheodoliten anvisiert werden, um ihre rechtwinklige Lage zur Visierlinie zu bestimmen. Hierzu benötigt man zwei Einstellungen des Theodoliten oder zwei einzelne Instrumente, was natürlich teuer und mühsam und in manchen Fällen wegen begrenzter Zugänglichkeit auch schwierig ist. Andere Richtverfahren arbeiten mit Präzisionslibellen und dergleichen. Die Empfindlichkeit der letzteren ist auf etwa fünf Bogensekunden auf einem Bereich von nur + 20 Bogensekunden beschränkt, und sie sind daher für komplizierte Einrichtungen oft nicht brauchbar.
Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Anlage mit einem optischen Gerät zu schaffen, mit dem Drehungen um drei orthogonale Achsen durch einen einzigen Visiervorgang ermittelt werden können. Die erfin dungsgemässe Anlage mit einem optischen Gerät zum Ausrichten eines ersten Körpers in bezug auf drei zueinander orthogonale Achsen eines zweiten Körpers ist gekennzeichnet durch erste optische Mittel, die dazu dienen, erste Lichtstrahlen, die von einer im oder ausserhalb des optischen Gerätes vorgesehenen Lichtquelle ausgesandt werden, in eine Richtung zu reflektieren, die von der Lage des optischen Gerätes bezüglich einer ersten der drei Achsen unabhängig ist, durch zweite optische Mittel, die je eine sich unter der Schwerewirkung horizontal einstellende, ebene optische Fläche aufweisen und dazu dienen,
im Zusammenwirken mit ebenen optischen Flächen des optischen Gerätes von der genannten Lichtquelle ausgehende zweite Lichtstrahlen, die zu den einfallenden ersten Lichtstrahlen parallel sind, in einer Richtung aus dem optischen Gerät zu reflektieren, die von der Lage des Gehäuses des optischen Gerätes bezüglich der zwei anderen Achsen unabhängig ist, sowie durch eine Beobachtungseinrichtung mit einem Okular zur Feststellung der Fluchtung der reflektierten ersten und zweiten Lichtstrahlen in dessen Gesichtsfeld.
Eine vorteilhafte Anwendung kann diese Anlage bei Werkzeugmaschinen und ähnlichem zwecks deren Ausrichtung finden. Es sind Mittel vorgesehen, die es erlauben, zwei Lichtstrahlen in eine Visierrichtung zu werfen, wobei die Richtung des einen Strahles von der Drehung der Einheit um eine vertikale Achse und eine zu einer Visierlinie normale Horizontalachse und die Richtung des zweiten Lichtstrahles von der Drehung der Einheit um eine zur Visierlinie parallele Horizontalachse abhängt. Die letztere Abhängigkeit wird vorzugsweise durch eine richtungsstabilisierende Einrichtung erhalten, die zweckmässig aus einer Libelle besteht, die sich auf das örtliche Lot einstellt. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform projiziert ein konventioneller Autokollimator das Bild eines beleuchteten Fadenkreuzes und vergleicht dieses mit einem zweiten Fadenkreuz.
Das von dem Autokollimator projizierte Bild des beleuchteten Fadenkreuzes wird in das optische Gerät projiziert und in den Autokollimator reflektiert.
Zur Erläuterung wird die X-Achse mit der Visierlinie zwischen dem Autokollimator und dem optischen Gerät zusammenfallend definiert, die Y-Achse als Vertikalachse. Das optische Gerät besitzt eine vordere, wenigstens teilweise metallisierte Fläche zwecks Reflexion eines Bildes in den Autokollimator. Eine Drehung des Gerätes um die Y oder Z-Achse verursacht eine Ablenkung des von der metallisierten Vorderfläche reflektierten Bildes, die vom Autokollimator leicht messbar ist.
Ein Teil der genannten Vorderfläche des Gerätes ist nicht metallisiert, so dass ein Teil des vom Autokollimator kommenden Lichtes durch diese Fläche tritt und von einer inneren reflektierenden Fläche eines 45"- Prismas nach unten reflektiert wird. Das Licht passiert eine Flüssigkeitsschicht mit einer hohen Brechungszahl und gelangt in ein Porrosches Prisma, von dem es genau parallel zur Eintrittsrichtung des Lichtes in dieses Porrosche Prisma reflektiert wird. Das Licht läuft dann wieder durch die Flüssigkeitsschicht und wird vom 45"- Prisma in den Autokollimator zurückgeworfen.
Durch eine Schwenkung des Gerätes um die X-Achse wird auch das Porrosche Prisma geschwenkt, das dann die eigentliche Unterseite der Flüssigkeitsschicht bildet, wobei sich jedoch die feststehende obere Fläche der Libelle nicht bewegt und auf das örtliche Lot eingestellt verbleibt. Bei jeder Drehung um die X-Achse nimmt also die Flüssigkeitsschicht eine Keilform an, so dass das durchgehende Licht gebrochen wird. Dieses kehrt in den Autokollimator unter einem Winkel zum projizierten Strahl zurück, und dieser Winkel dient als Mass für die Drehung um die X-Achse.
Im Okular des Autokollimators erscheinen durch das dreiachsige Richtgerät also zwei Bilder, wobei die Lage des einen den Drehungen um die Y- und Z-Achse entspricht, wie sie von dem von der Vorderfläche des Richtgerätes reflektierten Bild angezeigt wird, während die Lage des zweiten Bildes der Drehung um die X-Achse entspricht, wie sie vom Porroschen Prisma durch die keilförmige Flüssigkeitsschicht reflektiert wird.
Bei den hier erwähnten bevorzugten sowie anderen Ausführungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich, bei Drehungen bis zu ist 4", Empfindlichkeiten von + 3 Bogensekunden und besser.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen stellen dar:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines optischen Gerätes der Anlage;
Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch das in Fig. 1 dargestellte Gerät sowie eine schematische Abbildung des mit ihm verwendeten Autokollimators;
Fig. 3 einen Horizontalschnitt durch das Gerät der Fig. 1;
Fig. 4 ein typisches Bild im Gesichtsfeld des Kollimators;
Fig. 5 eine zweite Ausführungsform des Gerätes;
Fig. 6 ein lichtdurchstrahltes optisches Gerät in Verbindung mit einem Theodoliten anstelle eines Autokollimators, und
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform eines optischen Gerätes der erfindungsgemässen Anlage.
In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszahlen gleiche Teile.
Aus Fig. 1 erkennt man den prinzipiellen Aufbau des optischen Gerätes der Anlage. Die Teile desselben sind auf einer Grundplatte 10 montiert, deren Unterseite zum Aufsetzen auf eine Werkzeugmaschine oder dergleichen als glatte, ebene Fläche ausgeführt ist. Bei der hier beschriebenen Anwendung wird die Grundplatte als normalerweise horizontal orientiert vorausgesetzt, doch sind selbstverständlich auch andere Lagen möglich. An den Befestigungslöchern 11 lässt sich das Gerät, falls gewünscht, an der auszurichtenden Vorrichtung befestigen. An den Ecken der Grundplatte 10 sind Anschlagzapfen 12 vorgesehen, mit denen das Gerät in bezug auf die auszurichtende Vorrichtung festgelegt werden kann, so dass man die relative Lage des Gerätes zur Vorrichtung kennt. Die Stirnflächen der Zapfen 12 sind mit der erforderlichen Genauigkeit rechtwinklig zur Unterseite der Grundplatte geschliffen.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist die X-Achse normal zur Vorderseite des Gerätes orientiert und liegt in einer Horizontalebene, und zwar parallel zur Visierlinie des Gerätes. Die Y-Achse liegt horizontal und rechtwinklig zur X-Achse und die Z-Achse in vertikaler Richtung. Die Stirnflächen der Anschlagzapfen 12 liegen in der X-Z- und Y-Z-Ebene, während die Auflagefläche der Grundplatte in der X-Y-Ebene liegt.
Auf der Grundplatte 10 ist ein hohles zylindrisches Metallgehäuse 13 befestigt. Falls auf möglichst kleine Wärmeausdehnungen Wert gelegt wird, können die hier beschriebenen Teile statt aus Metall in Glas ausgeführt sein. Wie besser aus Fig. 2 hervorgeht, sind am Oberteil des Gehäuses 13 drei Scheiben 14, 15 und 16 horizontal eingelassen. Auf der Oberseite der obersten Scheibe 16 ist ein 450Prisma 17 befestigt, dessen eine Fläche normal zur X-Achse, das heisst in der Y-Z-Ebene liegt.
Das Prisma 17 ist auf bekannte Art auf die oberste Scheibe 16 gekittet, während die drei genannten Scheiben zweckmässig mittels Klammern oder sonstiger, nicht dargestellter Mittel an Ort und Stelle gehalten sind oder aber nach der unten beschriebenen Justierung eingekittet werden können. Bei industriellen Anwendungen ist es auch vorteilhaft, eine Schutzhülle für das Prisma vorzusehen, doch wurde eine solche hier der besseren Übersichtlichkeit halber weggelassen.
Die Hypotenuse des 450-Prismas ist metallisch verspiegelt, um eine gute Reflexion des auftreffenden Lichtes zu erreichen. Diese Metallschicht kann aus Aluminium, Silber, Kupfer oder Gold bestehen, um eine möglichst hohe Reflexion des ein- und austretenden Lichtes zu erzielen.
Bei manchen Anwendungen ist es wünschenswert, dass wenigstens eine der beiden metallisierten Oberflächen des Gerätes mit Gold oder Kupfer überzogen ist und die Gegenseite mit Aluminium oder Silber, so dass die zwei im Instrument erzeugten Bilder verschiedene Farbe aufweisen und so leicht zu unterscheiden sind. Die vertikale Vorderseite des 45 -Prismas 17 besitzt eine zentrische Kreisfläche 19 von etwa 3,2 cm Durchmesser, die durchsichtig gelassen ist, wogegen der Rest dieser vorderen Fläche einen metallischen Über- zug 20 zwecks hoher Reflexion besitzt.
Die Scheiben 14 und 15 im Gehäuse 13 sind absichtlich schwach keilförmig ausgeführt, beispielsweise mit einem Winkel zwischen den beiden Flächen von etwa 0,05 . Die äusseren Kanten der Scheiben 116 sind gerändelt oder kordiert. Auf diese Weise können kleine Verstellungen des Winkels der Vorderfläche des Prismas relativ zur Grundplatte 10 vorgenommen werden, so dass sich kleinere Herstellungsungenauigkeiten ausgleichen lassen. Um die Scheiben genau einstellen zu können, wird ein spitzes Instrument in eines von drei Löchern 22, die am Gehäuse 13 gegenüber den Kanten der Scheiben 14-16 vorgesehen sind, eingeführt. Die Spitze des Instrumentes wird mit der Rändelung am Umfang der Scheiben in Eingriff gebracht, so dass die Scheibe um geringe Beträge verdreht werden kann.
Auf diese Weise können die Vorderfläche des Prismas 17 in bezug auf die Grundplatte 10 und die daran befindlichen Anschlagzapfen 12 korrekt ausgerichtet werden. Falls die Scheiben festgekittet werden, so muss diese Einstellung vor dem Abbinden des Kittes erfolgen. Die unterste Scheibe 14 besitzt eine scharfkantige Öffnung 23 vom selben Durchmesser wie der Kreis 19 an der Vorderfläche des Prismas, um überflüssige Reflexionen zu vermeiden. Im Gehäuse 13 befindet sich ein Stützblock 24 mit einer rechteckigen Öffnung 26. Zwei Kanten dieser rechteckigen Öffnung sind mit Abschrägungen 27 versehen, die ein Porrosches Prisma 28 aufnehmen, welches am Stützblock 24 mit Klemmplatten 29 gesichert ist. Das Porrosche Prisma weist einen dreieckigen Querschnitt mit einem rechten Winkel und zwei 450-Winkeln auf.
Die zwei dem rechten Winkel anliegenden Flächen besitzen vorteilhaft einen metallischen Überzug 31, um eine hohe Reflexion zu gewährleisten, wogegen die in zur X-Y-Ebene parallele Hypotenuse durchsichtig ist, um Licht durchzulassen. Es ist offensichtlich, dass man, anstatt die Oberflächen des 45 -Prismas und des Porroschen Prismas metallisch zu iiberziehen, die Brechungszahlen der Gläser so hoch wählen kann, dass sich auf bekannte Weise eine Totalreflexion ergibt.
Die Höhlung 26 und der Raum über der Hypotenuse des Porroschen Prismas sind mit einer Flüssigkeit 32 gefüllt, so dass das Porrosche Prisma den Boden einer Flüssigkeitsschicht bildet. Die Flüssigkeit 32 ist vorteilhaft klar und beständig und besitzt eine hohe Brechungszahl. Als brauchbare Flüssigkeiten haben sich Fluorkarbonverbindungen mit einer Brechungszahl von 1,38, Silikonöle mit einer Brechungszahl von 1,406, Rizinus öl mit einer Brechungszahl von 1,494, Glyzerin mit einer Brechungszahl von 1,478, Paraffinöl mit einer Brechungszahl von 1,4832 und Safloröl mit einer Brechungszahl von 1,591 erwiesen. Vorteilhaft verwendet man Silikonöl der Dow Chemical Company unter dem Markennamen Dow Corning 200 mit einer Brechungszahl von 1,4058 bei Umgebungstemperatur und einer Viskosität von ungefähr 1000 Centistoke.
Die Viskosität der Flüssigkeit wirkt sich direkt auf die Ansprechzeit des Gerätes und auf seine Anfälligkeit gegen Schwingungen der Umgebung aus. Versuche haben gezeigt, dass eine Viskosität von 1000 Centistoke eine gute Dämpfung bei Ansprechzeiten von unter 5 Sek.
ergibt. Für andere Anwendungen finden andere Flüssigkeiten Verwendung, und es können auch entsprechende Mischungen verwendet werden, um die gewünschte Viskosität und den erforderlichen Brechungsindex für eine spezielle Anwendung zu erzielen.
Um einen glatten oberen Flüssigkeitsspiegel zu erzielen, empfiehlt sich eine Höhe desselben von 4,8 bis 9,5 mm über der Fläche des Porroschen Prismas, und um eine Meniskusbildung zu vermeiden, sollte der äussere, etwa 6 mm breite Teil der Flüssigkeit nicht verwendet werden. Für die Öffnung 23 hat sich ein Durchmesser von etwa 31,7 mm als vorteilhaft erwiesen, und die Weite des Flüssigkeitsbehälters sollte mindestens ungefähr 45 mm betragen. Die Tiefe der Flüssigkeit spielt keine Rolle, solange sie nur tief genug ist, um den gewünschten maximalen Neigungswinkel einstellen zu können, ohne dass die Flüssigkeitsoberfläche die Basis des 45 -Prismas 17 berührt.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Gerät ist unterhalb der Maske 14 ein ziemlich grosses Volumen im Gehäuse 13 vorhanden, so dass sich die ganze Flüssigkeit in dem Richtgerät unterbringen lässt und das Gerät ganz auf die Seite gelegt werden kann, ohne dass die Flüssigkeit mit der Unterseite des Prismas 17 in Berührung kommt.
Fig. 2 zeigt auch einen Autokollimator, der in Verbindung mit dem optischen Gerät verwendet wird. Dieser besitzt als Lichtquelle eine Glühlampe 36. Ein Kondenser 37 richtet das Licht der Lampe 36 auf ein Fadenkreuz 38, dessen Bild an einem Strahlenteiler 39 reflektiert und durch die Objektivlinse 41 des Autokollimators im wesentlichen parallel projiziert wird.
Das im optischen Gerät reflektierte Licht kehrt durch die Objektivlinse 41 des Kollimators als im wesentlichen paralleles Lichtbündel zurück. Dieses reflektierte Bild wird durch den Strahlenteiler 39 und ein Fadenkreuz 42 in das Okular 43 des Autokollimators geworfen, wo es von einem Beobachter betrachtet werden kann.
Der Betrachter sieht das Fadenkreuz 42 des Autokollimators und zwei reflektierte Bilder 46 und 47 des beleuchteten Fadenkreuzes 38, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Das erste Bild 46 wird von der metallisierten Schicht 20 an der Vorderseite des 45 -Prismas 17 reflektiert, wie die Strahlen 8 in Fig. 2 andeuten, und erscheint gewöhnlich als das hellere der beiden Bilder 46 und 47, weil es von nur einem Reflektor mit grösserer Fläche reflektiert wird. Die zwei Bilder sind normalerweise wegen ihrer Helligkeitsunterschiede leicht zu unterscheiden; doch ist es ohne weiteres möglich, einen der beiden Metallüberzüge im Richtgerät gefärbt auszuführen und damit einem der beiden Bilder die entsprechende Farbe zu geben. Das zweite Bild 47; das der Betrachter erkennt, wird von der Flüssigkeit 32 im Richtgerät reflektiert, wie die Strahlen 9 in Fig. 2 zeigen.
Die Strahlen dieses Bildes gelangen durch die durchsichtige, zentrische Fläche 19 auf dem 450Prisma 17, werden am Metallüberzug 18 auf der Rückseite des Prismas reflektiert, passieren die Flüssigkeitsschicht 32 und werden wiederum an den zwei aufeinander senkrechten Flächen des Porroschen Prismas reflektiert, von wo sie den gleichen Weg umgekehrt durchlaufen, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Das zweite Bild kehrt in ähnlicher Richtung wie das erste Bild in den Kollimator zurück, wobei es aus seiner dazu parallelen Lage entsprechend der Drehung des Gerätes um seine Achsen abgelenkt wird.
Die Verschiebungen der zwei Bilder 46 und 47 liefern ein Mass für die Drehung des optischen Gerätes um seine drei Achsen X, Y und Z. Das erste Bild 46 von der ebenen Vorderseite des Prismas 17 steht im wesentlichen normal zur Visierlinie und ergibt ein Mass für die Drehung des Gerätes um die Y- und Z-Achse.
Eine Drehung um die Y-Achse wird daher das Bild 46 vertikal im Gesichtsfeld des Betrachters im Autokollimator verschieben, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.
Ähnlich verschiebt eine Verdrehung um die Z-Achse das Bild 46 im Gesichtsfeld des Autokollimators horizontal, wie Fig. 4 zeigt. Der Betrag der Verschiebungen in der Y- und Z-Richtung wird im Fadenkreuz 42 des Autokollimators gemessen.
Diese Y- und Z-Verschiebungen können mit einer Filar-Mikrometerlupe gemessen werden, oder aber es kann das Bild in das Fadenkreuz 42 des Autokollimators projiziert und mit ihm zur Deckung gebracht werden, und zwar durch Drehung des Teleskops des Autokollimators, wogegen die erforderliche Winkeleinstellung auf bekannte Weise an den Winkelskalen des Autokollimators gemessen werden kann. Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass das Nullmessverfahren, bei dem das Bild 46 in das Fadenkreuz 42 zurückgeworfen wird, wegen seiner grösseren Empfindlichkeit der Ablesung durch eine Filar-Lupe vorzuziehen ist.
Das in der Flüssigkeit 32 reflektierte Bild 47 ergibt ein Mass für die Drehung des optischen Gerätes um seine X-Achse. Eine solche Drehung neigt den Boden der Flüssigkeit, jedoch nicht die freie Oberfläche der Flüssigkeit, deren Lage von der Schwerkraft stabilisiert ist. Die durchsichtige Flüssigkeit besitzt daher keilförmige Gestalt und bricht das durch sie hindurch gehende Licht in gleicher Weise wie ein optischer Keil, wobei der Ablenkwinkel proportional der Brechungszahl und dem Keilwinkel ist. Diese Winkel ablenkung verschiebt das Bild 47 im Gesichtsfeld des Autokollimators in horizontaler Richtung.
Die Grösse der Drehung um die X-Achse wird besser zwischen dem ersten und dem zweiten Bild 46 bzw. 47 gemessen als zwischen dem Fadenkreuz 42 und dem Bild 47, da die Drehung um die X-Achse ungefähr um eine Visierlinie normal zur Vorderfläche des Gerätes erfolgt und die Drehung um die Z-Achse die Lage dieser Visierlinie angibt. Die Winkelablenkung durch den Flüssigkeitskeil bei einer Drehung des Gerätes um die X-Achse ist durch das Gesetz vom Snellius bestimmt: d=(n-1)A, worin n die Brechungszahl des Keiles, A den Keilwinkel in Grad, das heisst den Neigungswinkel, und d den Ablenkwinkel in Grad bedeuten. Somit ist der Massstabfaktor für die Umrechnung der gemessenen Verschiebung der beiden Bilder in die Drehung des Gerätes um seine X-Achse gleich der Brechungszahl der Flüssigkeit minus 1.
Beispielsweise ist bei der hier vorzugsweise verwendeten Flüssigkeit mit einer Brechungszahl von 1,4058 der Massstabfaktor genau 0,4058, das heisst, dass der im Autokollimator zwischen den beiden Bildern gemessene Winkel 0,4058mal dem Drehwinkel des Gerätes um die X-Achse entspricht.
Das Porrosche Prisma 28 wird bevorzugt als Reflektor in der Flüssigkeit 32 verwendet, um vertikale Bewegungen des zweiten Bildes auszuschalten. Dies reduziert die Gefahr von Doppelbildern im Gesichtsfeld des Autokollimators und verringert Ablesefehler auf ein Mindestmass. Man erkennt, dass bei einer Drehung des Gerätes um die Y-Achse in der Flüssigkeit 32 ein Keil entsteht. Dieser Keil bricht das Licht, jedoch wird diese Brechung durch die Verwendung eines Porroschen Prismas als Reflektor in der Flüssigkeit ausgeschaltet.
Charakteristisch für das Porrosche Prisma ist, dass einfallendes Licht infolge der zueinander senkrecht stehenden metallisierten Kathetenflächen des Prismas in genau zur Einfallsrichtung parallelen Strahlen wieder hinausgeworfen wird, das heisst, dass das Porrosche Prisma einen doppelten Winkelreflektor darstellt. Daher stimmt die Richtung des aus dem Prisma austretenden Lichtes an der Grenzfläche zwischen dem Porroschen Prisma und der Flüssigkeit mit der Richtung des in das Prisma eintretenden Lichtes überein. Die Brechung an dieser Grenzfläche ist daher für das Ein- und Austreten des Lichtes gleich gross und genau entgegengesetzt. Alle Lichtstrahlen in der Flüssigkeit sind daher zueinander parallel, und die Brechung an der Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und der Luft im Gerät ist für die einfallenden und ausfallenden Lichtstrahlen genau gleich gross.
Daher bleiben die Lichtstrahlen, die die durchsichtige Fläche des Gerätes passieren, und die von diesen zurückgeworfenen Lichtstrahlen trotz der Drehung des Gerätes um die Y-Achse gleich gross, und es tritt keine Verschiebung des zweiten Bildes im Gesichtsfeld des Autokollimators ein.
Die hier genannte Genauigkeit eines solchen Gerätes und die anderen Verhältnisse wurden an einer ausgeführten Anlage dieser Art verifiziert. Es wurde beispielsweise als möglich angesehen, dass trotz des Porroschen Prismas Drehungen um die Y-Achse einen zusammengesetzten Flüssigkeitskeil bilden würden, der Fehler in der Ablesung der Drehungen um die X-Achse bedingen würde. Messungen von Drehungen um die X-Achse, bei denen gleichzeitig eine Drehung um die Y-Achse von 40 Bogenminuten vorgenommen wurde, zeigten keine Differenzen gegenüber Messungen ohne Drehungen um die Y-Achse, wobei die Möglichkeit von Kopplungen der Drehungen um die Y-Achse und die X-Achse ausser Betracht gelassen wurde.
Das reflektierte Bild des beleuchteten Fadenkreuzes ist von gelber Farbe, es wurden aber auch Versuche mit Grün-, Orange-, Rot- und Blaufiltern im Lichtstrahl gemacht, ohne messbare Unterschiede der Genauigkeit zu finden. Es tritt eine gewisse Streuung des durch die Flüssigkeit projizierten Bildes auf, wobei die Filter die scheinbare Streuung begrenzen, aber auch einen Lichtverlust des Bildes verursachen.
Ohne Filter zeigt das normale gelbe Bild eine geringe Haloerscheinung, und zwar bei merkbaren Abweichungen des Gerätes aus der Horizontallage. Daraus ergibt sich die Tendenz zu einer Verbreiterung des Bildes, doch wurden bei Nullverfahrensmessungen mit diesem geringfügig breiteren und zweifarbig getönten Bildern keine Schwierigkeiten oder Leistungseinbussen festgestellt.
Das optische Gerät wurde auf einer Grundplatte installiert, so dass das Gerät um bestimmte Winkel geneigt werden konnte. In einer Entfernung von etwa 1,8 m von der Vorderseite des Prismas wurde ein empfindlicher Autokollimator aufgestellt, mit dem die Ab= lenkungen der vom Autokollimator projizierten Lichtstrahlen festgestellt werden konnten.
Es wurden über 100 Ablesungen bei Drehungen um die X-Achse des Gerätes vorgenommen, die infolge des Massstabfaktors die am wenigsten empfindliche der drei Achsen ist. Die Intervalle zwischen den Winkelstellungen betrugen 4 Bogenminuten und die gesamte Drehung 4 . In über 75 O/o der Ablesungen ergab sich eine Genauigkeit von + 5 Bogensekunden, während die Genauigkeit aller Ablesungen zwischen + 10 Bogensekunden war. Bei sorgfältiger Einstellung des Autokollimators und wiederholten Ablesungen zwecks Mittelwertbildung ist die Genauigkeit des Instruments höher als + 3 Bogensekunden. Es sei erwähnt, dass bei einer Flüssigkeit mit grösserer Brechungszahl eine grössere Genauigkeit erhalten wird.
Es gibt keinen theoretischen Grund, dass mit zunehmender Erfahrung in der Herstellung dieses Gerätes der Fehler auf kleinere Werte reduziert werden kann als vom Ableser festgestellt werden können.
Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform des dreiachsigen optischen Gerätes. Dieses Modell ist etwas einfacher als das oben geschilderte, doch tritt bei seiner Bedienung eine doppelte Bewegung des zweiten Bildes auf, wenn das Gerät wie im folgenden beschrieben benutzt wird. Das Gerät nach Fig. 5 besitzt eine Grundplatte 50 mit Anschlagzapfen 51 an seinen Seiten zur Ausrichtung des Gerätes an der einzurichtenden Werkzeugmaschine. Ein metallisches Gehäuse 52 auf dieser Grundplatte dient als Träger für ein 45 -Prisma 53, das im wesentlichen dem Prisma 17 in der Ausführung nach Fig. 1 entspricht.
Die vordere, vertikale Fläche des Prismas 53 ist durchsichtig und die obere Fläche 57 des Gehäuses 52 fein poliert, so dass sie als Reflektor für die eingezeichneten Lichtstrahlen 58 dient. Eine Drehung des Gerätes um die Y-Achse (deren Lage jener nach Fig. 1 entspricht), dreht auch das Gehäuse, und das von diesem reflektierte Bild wird vertikal in das Gesichtsfeld des Autokollimators abgelenkt. Bei einer Drehung des Gerätes um die Z-Achse dreht sich auch die Hypotenusenfläche des Prismas und lenkt das Bild horizontal ab.
Die Genauigkeit der Y- und Z-Messungen wird infolge der Brechung an der Vorderfläche des Prismas leicht vermindert, doch nimmt man dies in Kauf, um auf einen reflektierenden Überzug auf dieser Fläche verzichten zu können.
Unter dem mittleren Bereich des Prismas 53 ist im Gehäuse 52 eine scharfkantige Öffnung 54 vorgesehen.
Am Boden des Gehäuses 52 befindet sich ein flacher Spiegel 55, der zur Reflexion des Lichtes zurück in das 450-Prisma 53 und aus dem Gerät heraus, wie durch den Lichtstrahl 59 angedeutet, dient. Über dem Spiegel 55 befindet sich Flüssigkeit 56, die bei einer Drehung des Gerätes um die X-Achse wie bei der eingangs beschriebenen Vorrichtung einen brechenden Keil bildet.
Bei Verwendung des ebenen Spiegels 55 bildet sich auch bei Drehung um die Y-Achse ein Keil. Dieser zusammengesetzte Keil lenkt das zweite Bild aus dem Gerät in vertikaler Richtung in das Gesichtsfeld des Autokollimators ab. Diese Vertikalbewegung des zweiten Bildes infolge der Drehung des Gerätes um die Y-Achse erfolgt also zusätzlich zur vertikalen Verschiebung des ersten Bildes, ist also überflüssig und wird daher vorteilhaft eliminiert. Dies geschieht mit Hilfe eines Porroschen Prismas wie beim vorangehenden Gerät geschildert, um Zweideutigkeiten auszuschalten und die Ablesefehler möglichst klein zu halten.
Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform eines optischen Gerätes. Ein Gerät dieser Art lässt sich mit irgendeinem optischen Präzisionsinstrument, das ein Messfadenkreuz besitzt, verwenden, beispielsweise mit einem Theodoliten. Wird die Anlage mit dem Gerät nur zur Prüfung von Fluchtungen verwendet, so kann es mit einem gewöhnlichen Nivellierinstrument verwendet werden. Bei diesem Gerät ist es nicht notwendig, Licht aus einem Autokollimator in das Gerät zu strahlen, so dass einfachere und wirtschaftlichere Messinstrumente verwendet werden können. Mit einem oben beschriebenen Gerät ist es vorteilhaft, einen Autokollimator mit einem Projektionsfadenkreuz zu verwenden, das den Anwendungsbereich auf eine Entfernung von etwa 30 Metern zwischen dem Autokollimator und dem Gerät begrenzt.
Mit einem in Fig. 6 dargestellten, selbstleuchtenden Gerät kann diese Reichweite auf 300 Meter und darüber gesteigert werden.
Die in Fig. 6 dargestellte Ausführung besteht ganz aus Glas oder geschmolzenem Quarz. Es besitzt eine transparente Grundplatte 70 mit zwei im allgemeinen horizontal liegenden parallelen Seiten. Auf dieser Grundplatte ist ein kreiszylindrischer Ring 71 aus durchsichtigem Material befestigt, der ein 450-Prisma 72 trägt.
Die Hypotenuse des Prismas 72 besitzt eine metallische Beschichtung 73, um das Licht in der oben beschriebenen Weise aus dem Gerät zu reflektieren. In der Höhlung dieses Ringes befindet sich eine transparente Flüssigkeit 74 mit einem relativ hohen Brechungsindex.
Unterhalb der Grundplatte 70 befindet sich eine schematisch dargestellte Lichtquelle für kollimatiertes Licht mit einer Glühlampe 76, einem Satz von Kondensorlinsen 77 und einem beleuchteten Fadenkreuz 78. Das aus dem Fadenkreuz 78 kommende Licht wird in der Kollimatorlinse 79 gesammelt und durch die Grundplatte 70 gestrahlt. Ein Teil dieses das Bild des Fadenkreuzes 78 enthaltenden Lichtes verläuft auch im Ring 71 und wird vom Prisma 72 entsprechend den in Fig. 6 eingezeichneten Lichtstrahlen 81 reflektiert. Ein anderer Teil dieses das Bild des Fadenkreuzes 78 enthaltenden Lichtes läuft durch die Flüssigkeit 74 und wird vom Prisma 72 entsprechend den Lichtstrahlen 82 reflektiert.
Die Öffnung 75 deckt die Kanten des Flüssigkeitsbehälters ab, um den Einfluss der Benetzung an den Wänden auszuschalten.
Das durch den Ring 71 laufende und am Prisma 72 reflektierte Licht benimmt sich genau so, als ob das Licht aus einer normal zur vorderen Fläche des Prismas liegenden horizontalen Richtung kommen würde. Eine Bewegung des Gerätes um die Y-Achse verursacht eine Verschiebung dieses Bildes in einer vertikalen Richtung.
ähnlich verursacht eine Drehung um die Z-Achse eine horizontale Verschiebung dieses Bildes des Fadenkreuzes, wie sie von dem Betrachter eines Messinstrumentes beobachtet wird.
Das in der Flüssigkeit verlaufende Licht im Gerät wird von dem durch die Drehung des Gerätes um die X- oder Y-Achse verursachten Flüssigkeitskeil gebrochen. Eine Drehung um die Y-Achse ergibt eine überbestimmte, vertikale Verschiebung des zweiten Bildes, das bei der Verwendung des Gerätes unberücksichtigt bleibt, da die Messung der Drehung um die Y-Achse normalerweise mit dem ersten Bild durchgeführt wird.
Der in der X-Richtung gebildete optische Keil lenkt das zweite Bild horizontal in gleicher Weise wie früher beschrieben ab und ergibt ein Mass für die Drehung des Gerätes um die X-Achse. Ein selbstleuchtendes Gerät wird genauso wie das oben beschriebene Gerät an der auszurichtenden Vorrichtung befestigt. Es ist klar, dass, wenn auch in der schematischen Darstellung der Fig. 6 nicht gezeigt, ein Gehäuse für die Lichtquelle mit Zentrierelementen vorhanden ist. Bei der Herstellung eines solchen Gerätes wird das eintretende Licht so ausgerichtet, dass es normal zur Grundplatte einfällt. Der einzige Unterschied beim Betrieb eines selbstbeleuchteten Gerätes besteht darin, dass ein wirtschaftlicheres Messinstrument, etwa ein Theodolit, anstelle eines Autokollimators verwendet werden kann und die Reichweite des Instrumentes vergrössert ist.
Es ist auch einzusehen, dass das gesamte Gerät in einer zur gezeichneten Lage umgekehrten Position eingebaut und bedient werden kann. Hierbei kommt die Flüssigkeit anstatt mit der Grundplatte 70 mit einer Fläche des Prismas 72 in Berührung.
In Figur 7 ist eine weitere Ausführungsform eines 3achsigen optischen Gerätes gezeigt, das reflektierende und auf Drehungen um drei orthogonale Achsen ansprechende Oberflächen besitzt. Es besitzt ein Gehäuse 86 mit einem 450-Prisma 87. Die vordere Fläche des Prismas 87 besitzt unter Freilassung einer zentralen Fläche einen metallischen Überzug 88 zwecks Reflexion eines vom Strahl 90 in Fig. 7 veranschaulichten Autokollimatorbildes in der bei der ersten Ausführungsform beschriebenen Art. Das Gehäuse 86 enthält eine Flüssigkeit 89 mit einer Viscosität von ungefähr 1000 Centistoke, in der ein Spiegel 91 schwimmt, um auch bei geneigtem Gerät einen stabilisierten Flüssigkeitsspiegel zu gewährleisten. Zwischen dem Gehäuse und diesem Spiegel ist eine Spinne mit drei oder vier Fingern 92 vorgesehen.
Die Finger 92 sind am Gehäuse befestigt und an ihren dem Spiegel zugewandten Enden gespitzt, so dass der Spiegel in der Mitte des Flüssigkeitsspiegels zentriert wird, um den Einfluss der Benetzung der Ränder auszuschalten. Natürlich können auch andere Mittel zur Zentrierung des Spiegels verwendet werden, beispielsweise axiale Stifte, Flüssigkeitslager usw.
Das durch die durchsichtige Fläche des Prismas eintretende Licht wird von der rückwärtigen Fläche des 450-Prismas nach unten in den Spiegel 91 reflektiert, von wo es auf gleichem Wege, entsprechend dem Strahl 93 von Fig. 7, wieder zurückreflektiert wird. Der in der Flüssigkeit schwimmende Spiegel behält seine horizontale Lage trotz Neigungen des Gerätes bei, so dass das von ihm reflektierte Licht ein Mass für die Drehung des Gerätes um die X-Achse darstellt. Ein solches dreiachsiges Gerät mit einem schwimmenden Spiegel ist insofern vorteilhaft, als kein Massstabfaktor für die Messung der Drehungen um die X-Achse gebraucht wird, d. h., dass das Verhältnis zwischen den Drehungen des Gerätes um die X-Achse und den vom Autokollimator gemessenen Winkeln gleich 1: 1 ist.
Als Nachteil ist hingegen die überbestimmte Verschiebung des zweiten Bildes in vertikaler Richtung infolge der Drehung um die Y-Achse und die verminderte Genauigkeit infolge einer leichten Hysterese der Spiegelbewegung in bezug auf die Zentriermittel desselben. Ein solches Gerät ist auch nicht so unempfindlich wie das eingangs beschriebene, da in seiner Flüssigkeit ein fester Körper schwimmt und dadurch die Möglichkeit von Beschädigungen besteht. Es ist natürlich auch möglich, die Oberfläche einer reflektierenden Flüssigkeit, beispielsweise Quecksilber, oder eines kardanisch aufgehängten Spiegels als stabilisierendes Element zu verwenden, um eine von der Winkellage des Gerätes unabhängige Orientierung zu erhalten.