DD290783A7 - MEASURING ARRANGEMENT FOR THE ANGLE OF AN OPENING OBJECT - Google Patents
MEASURING ARRANGEMENT FOR THE ANGLE OF AN OPENING OBJECT Download PDFInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Meszanordnung fuer den Verdrehungswinkel freibeweglicher Objekte um die Verbindungsachse. Die Meszanordnung ist auf dem Gebiet der Raumfahrttechnik, beispielsweise bei Kopplungs- und Navigationssystemen, anwendbar. Ziel der Erfindung ist die Messung des Verdrehungswinkels von freibeweglichen Objekten mit einer hohen Genauigkeit und ohne mechanische Kopplung. Dabei besteht die Aufgabe darin, eine Loesungsmoeglichkeit zur Messung der Verdrehung ohne Fixierung der Objekte in einer Bewegungsrichtung zu finden. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dasz auf den Objekten eine optische Sendeeinrichtung zur Projektion einer Strichstruktur auf zwei basisbildende Elemente und eine Empfangseinrichtung vorhanden sind. Aus der Positionsaenderung der Strichstruktur auf den basisbildenden Elementen kann auf den Verdrehungswinkel geschlossen werden. Die basisbildenden Elemente koennen von im definierten Abstand zueinander befindlichen optoelektronischen Empfaengerzeilen, beispielsweise CCD-Zeilensensoren oder von Tripelspiegeln gebildet werden. Fig. 2The invention relates to a Meszanordnung for the twist angle of freely movable objects about the connection axis. The Meszanordnung is applicable in the field of space technology, for example in coupling and navigation systems. The aim of the invention is the measurement of the angle of rotation of freely movable objects with a high accuracy and without mechanical coupling. The object is to find a solution for measuring the rotation without fixing the objects in a direction of movement. The object is achieved by the presence on the objects of an optical transmitting device for the projection of a line structure on two basic elements and a receiving device. From the change in position of the stroke structure on the base-forming elements can be concluded on the twist angle. The base-forming elements can be formed by optoelectronic receiver lines located at a defined distance from one another, for example CCD line sensors or triple mirrors. Fig. 2
Description
Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings
Die Erfindung betrifft eine optische Meßanordnung für die Verdrehung um die Verbindungsachse freibeweglicher Objekte. Die Anordnung kann überall dort vorteilhaft angewendet werden, wo die gegenseitige Verdrehung von freibeweglichen Objekten in einem kleinen Winkelbereich ohne mechanische Kopplung dieser Objekte mit hoher Genauigkeit gemessen werden soil. Die Meßanordnung ist besonders in der Raumfahrttechnik zur Komplettierung eines Drei-Koordlnaten-Meßsystems und in Kopplungs- bzw. Navigationssystemen anwendbar.The invention relates to an optical measuring arrangement for the rotation about the axis of connection of freely movable objects. The arrangement can be used advantageously everywhere where the mutual rotation of freely movable objects in a small angular range without mechanical coupling of these objects should be measured with high accuracy. The measuring arrangement is particularly applicable in space technology for completing a three-coordinate measuring system and in coupling or navigation systems.
-2- 290 783 Charakteristik der bekannten technischen Lotungen-2- 290 783 Characteristic of the known technical soundings
Jede Moieung der Verdrehung von zwei Objekten gegeneinander b»nötigt eine entsprechende Meßbasls der gegenüber die Verdrehung festgestellt werden kann. Diese Basis für die Messung d«r Verdrehung lit in bekannter Welse auf einem Objekt angeordnet, welches stets an ein .festes" Koordinatensystem gebunden ist.Each movement of the twisting of two objects against each other requires a corresponding measuring base, which can be determined against the rotation. This base for the measurement of rotation lit is arranged in a known catfish on an object which is always bound to a "fixed" coordinate system.
Das Meßprinzip besteht nun darin, mittels der Bestimmung dos Winkels, den eine Markierung auf dem Objekt gegenüber der Meßbasis einnimmt, auf die Größe der Verdrehung zu schließen.The measuring principle consists in concluding the size of the rotation by determining the angle which a marking on the object assumes with respect to the measuring base.
Anordnungen, wie sie In der amerikanischen Patentschrift US-PS 393Ü039 und in der sowjetischen Schrift SU-PS 687325 offenbart werden, arbolten beispielsweise unter Ausnutzung der Polarisationsebene von elektromagnetischen Wellen nach dem Polarimeterprinzip. Dabei sendet eine Strahlungsquelle ein elektromagnetisches Strahlenbündel aus, dessen Polarisationsebene definiert ist. Aus der Veränderung dieser Polarisationsebene bei einer Verdrehung der Objekte kann auf den Winkel dor Verdrehung, beispielsweise durch Nachsteilen eines Analysator, geschlossen werden.Arrangements such as disclosed in US Pat. No. 3,933,003 and in Soviet SU-PS 687325, for example, exploit the plane of polarization of electromagnetic waves according to the polarimeter principle. In this case, a radiation source emits an electromagnetic radiation beam whose polarization plane is defined. From the change of this polarization plane in a rotation of the objects can be on the angle dor rotation, for example, by reshuffling an analyzer, closed.
Hierbei wird zwar eine relativ hohe Genauigkeit erzielt, jedoch Ist die technische Realisierung schwierig bzw. die Durchführung der Messung unmöglich, wenn beispielsweise die zwischen den Meßelellen befindliche Strecke nicht abgeschlossen von Staub, Luftschlieren o. ä. gehalten werden kann. Die Notwendigkeit aim Nach stellen des Analysator erfordert zusätzlichen apparativen Aufwand.Although a relatively high accuracy is achieved, but the technical realization is difficult or the implementation of the measurement impossible if, for example, located between the Meßelellen route can not be kept closed by dust, air streaks o. Ä. The need to reset the analyzer requires additional equipment.
Fine große Zahl von weiteren Lösungsvorschlägen verwendet bei der Messung der Verdrehung in verschiedenen Variationen, speziell gestaltete geometrische Figuren o.a., wobei die Verdrehung der Objekte in eine Intensitätsänderung von Licht umgewandelt wird.Fine large number of further proposed solutions used in the measurement of twisting in various variations, specially designed geometric figures, etc., wherein the rotation of the objects is converted into a change in intensity of light.
Solche Anordnungen offenbaren z.B. die Schriften US-PS 3241430, US-PS 3957377, SU-PS 074606, SU-PS 444053 und DE-AS 1274357. So werden beispielsweise in der letztgenannten Schrift durch eine geometrische Figur erzeugte Lichtzeiger über Fotoelemente geführt.Such arrangements disclose e.g. the specifications US-PS 3241430, US-PS 3957377, SU-PS 074606, SU-PS 444053 and DE-AS 1274357. Thus, for example, in the latter document by a geometric figure generated light pointers are guided over photo elements.
Aus der Veränderung des entstehenden Fotostromes kann der Verdrohungswinkel des zu messenden Objektes errechnet werden. Nachteil all dieser vorgeschlagenen Methoden ist die geringe Genauigkeit und die außerordentliche Abhängigkeit dor Meßwerte von der Stabilität der Lichtquelle bzw. der Strahlführung.From the change of the resulting photocurrent, the angle of penetration of the object to be measured can be calculated. Disadvantage of all these proposed methods is the low accuracy and the extraordinary dependence dor measured values of the stability of the light source and the beam guidance.
Alle vorgeschlagenen Lösungsmethoden sind nicht für eine Messung des Verdrehungswinkels bei freibeweglichen Objekten geeignet. Bestimmte Bewegungsmöglichkelten der zu messenden Objekte sind ausgeschlossen bzw. führen zu mehr oder weniger großen Meßfehlern.All proposed solution methods are not suitable for measuring the twist angle in freely movable objects. Certain Bewegungsmöglichkelten the objects to be measured are excluded or lead to more or less large measurement errors.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Ziel der Erfindung tat eine Messung des Verdrehungswinkels von freibeweglichen, mechanisch nicht miteinander gekoppelter Objekte im Weltraum mit einer hohen Genauigkeit. Dabei soll Wert auf eine ökonomisch günstige und technologisch einfach realisiarba-e Lösung gelegt werden.The aim of the invention was to measure the angle of rotation of freely movable, mechanically uncoupled objects in space with high accuracy. At the same time, value should be placed on an economically favorable and technologically simple, realizable solution.
Wesen der ErfindungEssence of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Messung der Verdrehung von freibeweglichen Objekten zu finden, bei der eine feste Anbindung der Objekte an ein äußeres Koordinatensystem nicht erforderlich ist. Die Aufgabe wird bei einer Meßanordnung für den Verdrehungswinkel freibeweglicher Objekte mit einer Meßbasis, einer Sende-Empfangseinrichtung, deren Sendeebene in Bezug auf die Meßbasis definiert ist und ein t Ausv/erteeinheit dadurch gelöst, daß eine optische Sende-Empfangseinrichtung an den freibeweglichen Objekten angeordnet ist, wobei die Empfangseinrichtung positionsempfindliche Sensoren enthält, und daß an einem der freibeweglichen Objekte im optischen Strahlengang zwischen dor optischen Sendeeinrichtung und der optischen Empfangseinrichtung eine strukturerzeugende und abbildende Einheit sowie zwei im definierten Abstand zueinander befindliche basisbildende Elemente angeordnet sind. Die strukturerzeugende und abbildende Einheit kann von einem Linienstrukturerzeuger gebildet werden, welcher im einfachsten Fall aus einer Linienmaske und einer Fokussiereinrichtung besteht.The invention has for its object to find an arrangement for measuring the rotation of freely movable objects, in which a fixed connection of the objects to an external coordinate system is not required. The object is achieved in a measuring arrangement for the angle of rotation of freely movable objects with a measuring base, a transceiver, whose transmission plane is defined with respect to the measuring base and a t Ausv / erteeinheit solved in that an optical transceiver is disposed on the freely movable objects , wherein the receiving device contains position-sensitive sensors, and that are arranged on one of the freely movable objects in the optical beam path between the optical transmitting device and the optical receiving device, a structure-generating and imaging unit and two at a defined distance from each other base-forming elements. The structuring and imaging unit can be formed by a line structure generator, which in the simplest case consists of a line mask and a focusing device.
Weiterhin ist es möglich, als strukturerzeugende und abbildende Einheit eine Zylinderlinse zu wählen, die der optischen Sendeeinrichtung nachgeordnet Ist. Die Elemente der Meßanordnung können auf unte/schledliche Art und Weise auf die freibeweglichen Objekte verteilt angeordnet werden:Furthermore, it is possible to choose as the structure-generating and imaging unit a cylindrical lens which is arranged downstream of the optical transmitting device. The elements of the measuring arrangement can be arranged distributed in the same way on the freely movable objects:
Bei einer ersten Variante befindet sich die optische Sendeeinrichtung und die strukturerzeugende und abbildende Einheit an einem ersten freibeweglichen Objekt. Die basisbildenden Elemente und die optische Empfangseinrichtung werden an einem zweiten freibeweglichen Objekt angebracht. Die basisbildenden Elemente werden von zwei in definierten Abstand, parallel zueinander befindlichen opto-elektronischen Empfängerzeilen gebildet. Diese sind auf die optische Sendeeinrichtung ausgerichtet und ihre Verbindungslinie liegt im Tiefenschärfebereich der Abbildung der Linienstruktur vom Linienstrukturerzeuger.In a first variant, the optical transmitting device and the structure-generating and imaging unit is located on a first freely movable object. The base forming elements and the optical receiving device are attached to a second freely movable object. The base-forming elements are formed by two opto-electronic receiver lines which are defined in a defined distance and parallel to each other. These are aligned with the optical transmitter and their connection line lies in the depth of field of the image of the line structure of the line structure generator.
Bei einer zweiten Variante befinden sich die optische Sende- und die optische Empfangseinrichtung sowie die basisbildenden Elemente am ersten freibeweglicher Objekt. Das zweite freibewegliche Objekt trägt die stmkturerzeugende und abbildende Einheit, welche von einer Zylinderlinse und einem totalreflektierenden 90°-Prisma gebildet wird. Die optischen Elemente sind analog der oben geschilderten Variante aufgebaut und angeordnet.In a second variant, the optical transmitting and the optical receiving device and the basic forming elements are located on the first freely movable object. The second floating object carries the structural and imaging unit, which is formed by a cylindrical lens and a totally reflecting 90 ° prism. The optical elements are constructed and arranged analogously to the above-described variant.
In einer dritten Variante befinden sich die optische Sende- und Empfangseinrichtung und die strukturerzeugende und abbildende Einheit an dem ersten freibeweglichen Objekt.In a third variant, the optical transmitting and receiving device and the structure-generating and imaging unit are located on the first freely movable object.
Die basisbildenden Elemente sind am zweiten freibeweglichen Objekt r.ngeordnet. Als basisbildende Elemente werden in diesem Fall zwei im definierten Abstand zueinander befindliche Tripelspiegel verwendet. Der Empfangseinrichtung Ist eine auf die Tripelspiegel ausgerichtete, senkrecht zur Verbindungslinie der Tripelspiegel verlaufende optoelektronische Empfängerzeile zugeordnet. Als opto-elektronische Empfängerzeile können in allen Fällen CCD-Zeilensensoren verwendet werden. Die erfindunqsgemäße Anordnung erlaubt eine hochgenaue automatische und digitale Mossung des Verdrehungswinkels freibeweglicher Objekte mit einer hohen Genauigkeit, ohne mechanische Kopplung und unabhängig von einem äußerem Bezug: system. Die Messung ist weiterhin unabhängig von der Entfernung und der Art des Mediums zwischen den Meßstellen.The base-forming elements are located at the second floating object r. As base-forming elements, in this case, two triple-spaced mirrors are used. The receiving device is associated with an aligned on the triple mirrors, perpendicular to the connecting line of the triple mirror extending opto-electronic receiver line. As opto-electronic receiver line CCD line sensors can be used in all cases. The arrangement according to the invention permits a highly accurate automatic and digital control of the angle of rotation of freely movable objects with high accuracy, without mechanical coupling and independent of an external reference. The measurement is furthermore independent of the distance and the type of medium between the measuring points.
optische Sende· 2 und Empfangseinrichtung 3. Im Strahlengang 9 zwischen der optischen Sendeeinrichtung 2 und der optischenoptical transmission · 2 and receiving device 3. In the beam path 9 between the optical transmitting device 2 and the optical
realisiert werden. Es ist möglich hierfür eine Zylinderlinse oJer auch einen Linienstrukturerzeuger, beispielsweise aus einerwill be realized. It is possible for this purpose a cylindrical lens oJer also a line structure generator, for example from a
darstellen. Ihre Ausgestaltung wird welter unten noch näher erläutert werden.represent. Their design will be explained welter below in more detail.
sind fest mit den Objekten V3rbunden, wobei in dieser Ausführungsform die optische Sendeeinrichtung ?. und gleichfalls dasstrukturerzeugende und abbildende Element 6 am ersten freibeweglichen Objekt β angeordnet sind. Die optischeare fixed to the objects V3rbunden, wherein in this embodiment, the optical transmitting device. and also the pattern-forming and imaging element 6 are arranged on the first floating object β. The optical
basisbildenden Elemente 8 werden von zwei im definierten Abstand B, parallel zueinander angeordneten, opto-elektronischenbase-forming elements 8 are of two in the defined distance B, arranged parallel to each other, opto-electronic
im Tiefenschärfebereich der Abbildung der von dem strukturerzeugenden und abbildenden Element 5 projiziertenin the depth of focus region of the image of the structure-generating and imaging element 5 projected
der optischen Sendeeinrichtung 2 ausgesandte elektromagnetische Strahlung bildet nach dem Durchgang durch diestrukturerzeugende und abbildende Einheit 5 eine gleichmäßige Strichstruktur auf die basisbildenden Elemente 8 ab. DieseThe electromagnetic radiation emitted by the optical transmission device 2 forms a uniform line structure on the base-forming elements 8 after passing through the structure-forming and imaging unit 5. These
Δχι bzw. Ax2. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 2 dargestellt.Δχι or Ax 2 . This situation is shown in Fig. 2.
Δχι + Δχ2 φ = arctan Δχι + Δχ 2 φ = arctane
bestimmt werden.be determined.
einem einzigen Objekt gemeinsam anzuordnen. Eine Ausführungsform, die diesem Erfordernis entspricht, ist in Fig.3schematisch dargestellt.to arrange a single object together. An embodiment that meets this requirement is shown schematically in FIG.
basisbildenden Elemente 8 bilden, und die Auswerteeinheit 10 sind gemeinsam an dem ersten freibeweglichen Objekt βangeordnet.form base-forming elements 8, and the evaluation unit 10 are arranged together on the first freely movable object β.
ein divergentes elektromagnetisches Strahlenbündel in Richtung des zweiten Objektes 7. Dieses wird in Folge des Aufbaus derstrukturerzeugenden und abbildenden Einheit 5 von dieser in Form einer gleichmäßigen Strichstruktur in Richtung dera divergent electromagnetic beam in the direction of the second object 7. This is due to the structure of the structure-generating and imaging unit 5 of this in the form of a uniform line structure in the direction of
zu den in Fig. 2 geschilderten Sachverhalten ermittelt werden.to the facts described in Fig. 2 are determined.
in diesem Fall nun nicht die Positionssensoren der Empfangseinrichtung 3 selbst verwendet, sondern zwei im definiertenin this case, not the position sensors of the receiving device 3 itself used, but two in the defined
der Sendeolnrichtung 2 angeordnet. Die Tripelspiegel 11 reflektieren die von dar optischen Sendeoinrichtung 2 und der strukturerzeugenden und abbildenden Einheit 5 ausgestrahlte Strichstruktur ζ jrück in Richtung der Empfangseinrichtung 3. Auf Grund der Reflexlonselgenschaften der Tripelspiegel 11 wird bei einer Verdrehung des zweiten Objektes 7 eine doppelte Strichstruktur auf den Sensoren der Empfangseinrichtung 3 abgebildet.the transmitting device 2 is arranged. The triple mirrors 11 reflect the line structure ausgest jrück radiated by the optical transmission unit 2 and the structure-generating and imaging unit 5 in the direction of the receiving device 3. Due to the reflection properties of the triple mirrors 11, a twofold line structure on the sensors of the receiving device is generated during a rotation of the second object 7 3 shown.
Aus diesem Grunde ist es ausreichend die positionsempfindlichen Sensoren nur in einer'Zeile senkrecht zur Verbindungslinie der Tripelspiegel 11 verlaufend und auf diese ausgerichtet anzuordnen. Aus dem Abstand Δχ' der Strichstrukturen kann von der nachgeordneten Auswerteeinheit 10 der Verdrehungswinkel φ nach der FormelFor this reason, it is sufficient that the position-sensitive sensors only in a 'line perpendicular to the connecting line of the triple mirror 11 extending and arranged to be aligned. From the distance .DELTA.χ 'of the bar structures of the downstream evaluation unit 10 of the rotation angle φ according to the formula
φ = arctan-||-φ = arctan || -
ermittelt werden.be determined.
positionsempfindlichen Sensoren der optischen Empfangseinrichtung 3 als CCD-Zeilensensoren auszubilden.position-sensitive sensors of the optical receiving device 3 form as CCD line sensors.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DD23385281A DD290783A7 (en) | 1981-10-05 | 1981-10-05 | MEASURING ARRANGEMENT FOR THE ANGLE OF AN OPENING OBJECT |
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DD290783A7 true DD290783A7 (en) | 1991-06-13 |
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Cited By (3)
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EP2093537A1 (en) * | 2008-02-25 | 2009-08-26 | PRÜFTECHNIK Dieter Busch AG | Process and device for the determination of the alignment of two rotatable machine parts, of the alignment of two hollow cylindrical machine parts, or for the examination of a component for straightness |
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1981
- 1981-10-05 DD DD23385281A patent/DD290783A7/en not_active IP Right Cessation
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