DD133466B1 - ANGLE MEASURING SYSTEM FOR DYNAMIC GUIDANCE FAULT MEASUREMENTS ON DEVICE TRANSMISSIONS AND FOR TUMBLE TROUBLESHOOTING - Google Patents
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Description
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Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
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·The invention relates to the measurement of the guidance accuracy on air-bearing linear guides for spectrometers, on measuring slides and on guides of machine tools. The angle measuring system according to the invention achieves a resolution of better than 0.1 arcsec. Further, it is possible with the invention to perform measuring tasks on rotating ones DUTs, z. B · measuring the wobble error on the face of a rotating shaft
Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions
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·There is known an angle measuring device which is used as an interferometric reading device for determining the bar vibration of scales. It consists of a laser as a light source, a divider cube and ümlenkprisma which are both attached to scale stands, from two roof prisms on the Y / Aagen beams as reflectors and photoelectric Smpfängern with a corresponding evaluation ·
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 DachkantprismenThe beam emitted by the laser beam is split into two measuring beams by means of the splitter cube. A measuring beam is directly from the splitter cube and the second measuring beam via an adjustable Ümlenkprisma on each one of the roof prisms
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·directed. The roof prisms are symmetrically attached to the main cutting edge of the balance on the beam. By using roof prisms as reflectors, the partial beams are always reflected parallel to the direction of incidence when the balance beam is turned. The location of the beam splitting is separated from the location of the beam union. Two beams emerge from the splitter cube, in which interference fringes of the same thickness can be observed, whose position and distance can be adjusted by a corresponding adjustment of the deflecting prism.
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·Assigning a differential photo receiver in a suitable manner at the output of the cuboid cube allows, after appropriate adjustment, to derive two signals shifted in each case by -S-phase signals from each beam.
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·This angle measuring device is associated with compartment parts. To generate the interference fringes of the same thickness, the deflecting prism must be adjusted very precisely. The Justagezustand must remain unchanged during the entire measurement time, otherwise change the signal intensity and the phase angle of the derived signals to each other, which leads to measurement errors "Such a permanent fixation is very difficult to perform and associated with effort. In addition, the device must be readjusted repeatedly · The use of roof prisms as reflectors, the angle can not be used for measuring tasks on rotating DUTs, z. As the measurement of the wobble error on the front side of a rotating shaft, used, which considerably limits the possibilities of this device ·
•Ziel der Erfindung• Object of the invention
Zweck der Erfindung ist es, den Gebrauchswert derartiger Winkelmeßeinrichtungen zu erhöhen und den Anwendungsbereich zu erweitern, z. B. auf rotierende Meßobjekte·The purpose of the invention is to increase the usefulness of such Winkelmeßeinrichtungen and to expand the scope, for. On rotating objects ·
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
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·The invention is based on the object, the quality of IJessung thereby. ensure, Ä.2.3, the adjustment state remains constant under all conditions and to modify the beam path so that the measurement on rotating DUTs is possible ·
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 StrahlengangAccording to the invention, in a highly accurate angle measuring system for dynamic guidance error measurements on linear guides and Taumelfshlerprüfung, in which the beam emitted by a laser beam is divided by a beam splitter into two measuring beams, a measuring beam directly and the second meet via a deflection on each of a plane mirror, reflected be in the beam splitter to interference, with interference of the same thickness then arise when the reflection surface of the beam splitter unit and the deflector are tilted by very small angle to each other, and from the interference by means of the output of the beam splitter appropriately arranged differential photoreceiver two each -? - Derive phase-shifted signals »achieved in that a polarization rotator is arranged in the beam path of the laser for setting a defined plane of polarization that for generating pa a beam splitter unit is arranged, wherein the beam splitter unit consists of a non-polarizing beam splitter and a reflection prism and is rotatable about an axis which is parallel to the axis of the incident, coming from the laser beam, that in the beam path for deflecting the two parallel sub-beams A and B is arranged at 90 ° a reflection prism and for another deflection by 90 °, a polarizing beam splitter that the polarizing beam splitter for converting the previously linearly polarized light in circularly polarized light in the beam path
eine -ψ Platte nachgeordnet ist, daß im Strahlenganga -ψ plate is arranged downstream, that in the beam path
zur Aufteilung der Teilbündel A und B in die Teilbündelfor dividing the sub-beams A and B into the sub-beams
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»A 1 B 1 and A- Bp the beam splitting device as a composite glass block, the items are inextricably am us with a suitable binder binder, consisting of a non-polarizing beam splitter, an intermediate piece, a reflection prism and a protective prism, arranged that the divider and reflection plane of the nonpolarizing Stralil divider and the reflection plane of the reflection prism at an invariable angle ЭС each other, that in the beam path of the four sub-beams A 1 , B 1 , A «, B 2 of the beam splitting device attached to the object to be measured plane mirror is arranged downstream that for the registration of the interference optics them downstream photoreceptors are assigned to the beam splitter, and that the polarizing beam splitter is followed by a reflection prism, which is associated with the registration of the interferences optics with them downstream photoreceptors »
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»For measuring the Spiegelverkippung about two mutually perpendicular axes, a cross glass block in the beam path A B is arranged, which is preceded by a beam splitter unit for generating the sub-beams A B and A B »
Ausführungsbeispielembodiment
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.»FIG. 1 shows the schematic structure of the angle measuring system. FIG. 2 shows in an enlarged form the glass block 21 from FIG. 1, the beam guide in the glass block 21 and the special structural details.
Die Figur 3 zeigt das Abtasten eines latent vorhandenen Interferenzstreifenfeldes mit zwei diskreten Bündeln·FIG. 3 shows the scanning of a latent interference fringe field with two discrete bundles.
.In der Figur 4 wird eine Zweiebenenmessung mit einem kreuzförmig ineinander angeordneten Glasblock 21 gezeigt.FIG. 4 shows a two-level measurement with a glass block 21 arranged in a cross-shaped manner.
Wie in Figur 1 dargestellt, ist zur Erzeugung eines Lichtstrahles ein Laser 1 aufgebaut, dessen Laserstrahl einen Polarisationsrotator 2 zur Einstellung einer definiertenAs shown in Figure 1, to generate a light beam, a laser 1 is constructed, the laser beam is a polarization rotator 2 for setting a defined
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 bestehtoPolarization plane happens. The laser beam is expanded in a telescope 3 and passes via an adjusting device 4 to a beam splitter unit 5, which consists of a non-polarizing beam splitter 6 and a reflection prism 7
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 21β The bundle is split into bundles A and B, which propagate parallel to each other »Both bundles A and B are deflected by 90 ° on a reflection prism 8 · As a result of their perpendicular plane of polarization, the bundles are deflected by 90 again at a polarizing beam splitter 9 and parallel to their original direction. After exiting the polarizing beam splitter 9, circularly polarized light emerges from the linearly polarized light by passing through a corresponding aligned -Q plate 11, which enters into a composite glass block 21, the individual parts of which are inseparably joined together by means of suitable binders. The glass block 21 consists of a non-polarizing beam splitter 12, an intermediate piece 13 "a reflection prism 15 and a protective prism 14" The non-polarizing beam splitter 12, splits the two bundles A and B in the bundles A 1 , A_ and B 1 , B 2 . After reflection of the bundles A ^ and Bp in the reflection prism 15, the bundles leave the glass block 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·The bundles A 1 and A "as well as B and B" as shown in Figure 2 in space a defined angle, which is on the order of a few angular seconds · This angle ^ is the divider and reflection plane of the non-polarizing beam splitter by the angle 12 and the reflection plane of the prism 15 in the space and by the difference of the angles d, and / 3 shown in FIG.
Den Winkel T^ist dabei für die Funktion der Winkelmeßeinrichtung von hoher Wichtigkeit. The angle T ^ is of great importance for the function of the angle measuring device.
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.On a plane mirror 16, the four beams A 1 , A 2 , B 1 , Bp are reflected and then arrive in the divider plane of the non-polarizing beam splitter 12 for interference.
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 mitDue to the geometry of the block, the bundles in the divisional plane intersect under the column 2 # *, so that if the surfaces are sufficiently flat there is an interference fringe distance d
d _ Я. d _ Я.
u ~ sin 2 u ~ sin 2
ergibt·results ·
Am nichtpolarisierenden Strahlteiler 12 gelangen die Bündel A1 Α« und B1 B2 jeweils zur Interferenz» Dadurch entstehen die Bündel A» A" und B1 B",At the non-polarizing beam splitter 12, the bundles A 1 Α "and B 1 B 2 each arrive at the interference» This results in the bundles A "A" and B 1 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«The bundles A * and B * leave the glass block over the surface 17 and pass through the optics 19 "a and 19" b to the photoreceptors 20 "a and 20" b, the arrangement of which is shown in FIG.
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·The bundles A "and B", which leave the glass block over the surface 18, pass through the plate 11, are linearly polarized and thereby receive a horizontal polarization direction, thus pass through the polarizing beam splitter 9 and are decoupled at a reflection prism 10 · Via the optics 19 <> c and 19 «d you reach the photo receivers 20.s and 20s ·
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 3f 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«When the plane mirror 16 is tilted, a sine-shaped signal curve is produced at the photo-receivers 20 "a to 20, d. By rotating the beam-splitting unit 5, a phase difference of -p- is set between the sub-beams A 1 and 3 f " Since the sub-beams A " and B "are phase-shifted relative to the sub-beams A 'and B 1 by Tf , there is also a phase difference between A" and B ". These signals can be combined to give equal-sine and cosine signals which can be evaluated as required "
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 denIf the bundles A 1 B 1 and A "Bp are approximately perpendicular to the plane mirror, deviations of a few minute minutes between the beam axis and the mirror normal are permissible, can be taken from the optical path difference ei , which at the tilt 4 ψ of the plane mirror 16 between the
«. 7 —". 7 -
interferierenden Bündeln auftritt, diese Verkippung in der Größenordnung von WinkelSekunden nach der Formelinterfering bundles occurs, this tilting on the order of angular seconds according to the formula
2 D2 D
ermittelt werden»be determined"
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.A phase change of 2 ir in the signal corresponds to an optical retardation of Tl of the wavelength used. The difference in the length of the two bundles has changed by -? = ·.
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·If you want to use the measuring system for measuring the Spiegelverkippung about two mutually perpendicular axes, a cross glass block 22 of two mutually perpendicular glass blocks in the form can be constructed as shown in Figure 4 · In front of this cross glass block 22 an additional beam splitter device in the beam path of Bundles A and B may be arranged to produce the sub-beams A "* B * and A ** B **
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.The optical arrangement also allows the centric measurement of a plane mirror with other bundles, z. B · to measure the translation of the plane mirror 16. The bundles then pass through the cross glass block 22 through the intermediate piece 23 »meet the plane mirror 16, are reflected and arrive in a suitable optical arrangement for interference.
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·The particular advantage of the measuring system is that it is constructed in a simple manner in a compact system, which guarantees a high utility value and high reliability ·
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 kanneFurthermore, there is a great advantage in that this variant can measure with simple means to a Zweiebenenvariante, with the wobble error of a mounted on a rotating bearing plan mirror
Claims (4)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DD20163277A DD133466B1 (en) | 1977-10-21 | 1977-10-21 | ANGLE MEASURING SYSTEM FOR DYNAMIC GUIDANCE FAULT MEASUREMENTS ON DEVICE TRANSMISSIONS AND FOR TUMBLE TROUBLESHOOTING |
Applications Claiming Priority (1)
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| DD20163277A DD133466B1 (en) | 1977-10-21 | 1977-10-21 | ANGLE MEASURING SYSTEM FOR DYNAMIC GUIDANCE FAULT MEASUREMENTS ON DEVICE TRANSMISSIONS AND FOR TUMBLE TROUBLESHOOTING |
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ID=5510143
Family Applications (1)
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1977
- 1977-10-21 DD DD20163277A patent/DD133466B1/en unknown
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| DD133466A1 (en) | 1979-01-03 |
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