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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Rollwinkeländerung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Messung einer Rollwinkeländerung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
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Gattungsgemäße Verfahren und Vorrichtungen werden genutzt, um die genaue Positionierung von Werkstücken und Maschinenteilen wie z.B. eines an einer Maschinenführung längsverschieblich gelagerten Schlittens zu überprüfen bzw. zu bestimmen. Dazu muss die Lage des zu prüfenden Maschinenteils relativ zu einem Bezugssystem erfasst und gemessen werden. Als Bezugssystem kann beispielsweise das Maschinenbett einer Maschine dienen. Insbesondere wird zur Überprüfung der genauen Position die Verdrehung eines Maschinenteils um die einen Raum aufspannenden Koordinatenachsen bestimmt. Bei der vorliegenden Erfindung geht es insbesondere um die Messung des Rollwinkels um eine der Achsen mit hoher Genauigkeit. Gattungsgemäße Verfahren und Vorrichtungen kommen insbesondere bei der Vermessung von hochpräzisen Werkzeugmaschinen zum Einsatz.
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Bei bekannten Messvorrichtungen und -verfahren der gattungsgemäßen Art kommt ein polarimetrisches Messverfahren für die Bestimmung der Rollwinkeländerung des zu vermessenden Körpers zur Anwendung. Es wird ein gebündelter Lichtstrahl z.B. aus einer Laserlichtquelle auf einen ersten Polarisationsfilter gerichtet, der Lichtstrahl durchläuft den ersten Polarisationsfilter, trifft danach auf einen zweiten Polarisationsfilter, der ebenfalls durchtreten wird und trifft schließlich nach dem zweiten Polarisationsfilter auf einen lichtempfindlichen Sensor, häufig eine Fotodiode. Bei dieser Messanordnung wird das Prinzip der Lichtpolarisation zur Bestimmung einer Rollwinkeländerung ausgenutzt. Sobald die Polarisationsfilter zueinander verdreht werden, ändert sich die Lichtintensität des Lichtstrahls hinter dem zweiten Polarisationsfilter, was an dem lichtempfindlichen Sensor erfassbar ist.
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Zur Feststellung der Rollwinkeländerung wird der erste Polarisationsfilter an dem zu vermessenen Körper fixiert. Bei einer Verkippung des Körpers um die Rollachse dreht der erste Polarisationsfilter in fester Abhängigkeit zur Rollwinkeländerung des zu vermessenden Körpers und bedingt eine Polarisationsänderung des durch den ersten Polarisationsfilter tretenden Lichtstrahls. Die veränderte Polarisation des Lichtstrahls wird als veränderte Lichtintensität an dem Sensor erfasst. Aus der Intensitätsveränderung kann auf die Rollwinkeländerung des zu vermessenden Körpers zurückgeschlossen werden.
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Bei diesem Messverfahren ist bekannt, die Messung dadurch zu verbessern, dass der auszuwertende Lichtstrahl vor dem Auftreffen auf den Sensor moduliert wird. Eine Modulation des Lichtstrahls wird häufig genutzt, um Abhängigkeiten der Messung von Faktoren wie Stärke bzw. Stabilität der Lichtquelle oder zum Beispiel Absorption in den Polarisationsfiltern zu reduzieren. Eine Modulation des Lichtstrahls kann zum Beispiel mechanisch realisiert werden, indem der zweite Polarisationsfilter in fester Frequenz in einem definierten Winkelbereich alternierend verschwenkt wird. So wird eine bewusste Veränderung der Lichtintensität des auszuwertenden Lichtstrahls am Sensor erzeugt. Bei einer Auswertung der Sensorwerte zu unterschiedlichen, mit der Verdrehung des zweiten Polarisationsfilters synchronisierten Zeitpunkten, werden unterschiedliche Intensitätswerte des Lichtstrahls erfasst. Mit der Auswertung dieser unterschiedlichen Intensitätswerte eines Messzyklus lässt sich die Winkelstellung des ersten Polarisationsfilters und damit die Rollwinkeländerung des Körpers bestimmen. Die Rollwinkeländerung wird unter Einbeziehung der Information über die Winkelveränderung des zweiten für die Modulation des Lichtstrahls verwendeten Polarisationsfilters bestimmt. Dafür vorgesehene Berechnungsmöglichkeiten sind aus der Fachliteratur bekannt.
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Neben der Verwendung eines verschwenkbaren Polarisationsfilters sind auch andere Modulationsarten bekannt. Aus
US 8 368 887 B2 und
DE 38 03 853 A1 ist beispielsweise bekannt, umschaltbare Lichtquellen zu nutzen, die jeweils einen voneinander verschiedenen Polarisationswinkel aufweisen und die mit optischen Teilerwürfeln und rotierenden oder klappenden Spiegeln zusammengeführt werden. Nachteilig bei dieser Modulationsart ist, dass die physisch getrennten Lichtquellen auch bei bester Justierung unterschiedliche Strahlengänge bedingen, was zu zusätzlichen Fehlern und Abhängigkeiten z.B. von der Entfernung zwischen Basis und dem zu vermessenden Körper führt. Zusätzliche optische Bauteile erzeugen zudem zusätzliche Fehler beim Lichtdurchgang.
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Aus
DE 199 26 546 A1 und aus
DE 33 47 833 A1 ist bekannt, elektrooptische Modulatoren für die Modulation der Lichtstrahlen zu verwenden. Die elektrooptischen Modulatoren sind als Kristalle oder Glaskörper ausgebildet, die in einem magnetischen oder elektrischen Feld angeordnet sind, wobei das zu modulierende Lichtbündel durch den Kristall- bzw. Glaskörper geleitet wird und die Modulation durch einer veränderliche Spannung bzw. einen veränderlichen Strom zur Veränderung des elektrischen Feldes bedingt wird. Nachteilig hat sich bei dieser Modulationsvariante gezeigt, dass die Kristall- bzw. Glaskörper stark temperaturabhängig sind und die Modulation des Lichtbündels damit bereits bei geringen Temperaturunterschieden schlecht kontrollierbar ist.
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Wie auch die
DE 199 26 546 A1 beschreibt die
DE 33 47 833 A1 eine Möglichkeit für eine hochpräzise Bestimmung einer Rollwinkeländerung während einer linearen Bewegung eines Körpers unter Anwendung eines Polarisationsmessverfahrens. Für die hochpräzise Messung der Rollwinkeländerung wird vorgeschlagen, die Polarisationsachse eines für die Polarisationsmessung erzeugten Lichtstrahls vor dem Auftreffen auf einen an dem zu vermessenden Körper befestigten Polarisators mit Hilfe eines elektrooptischen Modulators, insbesondere eines Faraday-Modulators periodisch, und zwar in einer sinusförmigen Welle zu beiden Seiten zu drehen.
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Um ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, die sich durch hohe Messgenauigkeit und weitestgehender Unabhängigkeit von Temperaturänderungen auszeichnen, wurden zahlreiche Versuche unternommen, um eine Messanordnung der eingangs genannten gattungsgemäßen Art zu verbessern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist demnach, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Rollwinkeländerung der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, mit denen eine Winkeländerung des zu vermessenen Körpers mit erhöhter Präzision bestimmt werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Rollwinkeländerung eines Körpers bei einer Verschiebung des Körpers entlang einer Verschiebungsrichtung, aufweisend eine Strahlenquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahls, einen ersten Polarisationsfilter zur gemeinsamen Verschiebung mit dem zu vermessenden Körper entlang der Verschiebungsrichtung, einen zweiten Polarisationsfilter, wobei der zweite Polarisationsfilter an einer schwenkbar gelagerten Haltestruktur gehalten ist, und Mittel zur periodischen Verschwenkung der Haltestruktur zusammen mit dem an der Haltestruktur gehaltenen zweiten Polarisationsfilter, einen lichtempfindlichen Sensor zur Erfassung einer Intensitätsveränderung des auf den Sensor auftreffenden Lichtstrahls, wobei die Vorrichtung eine Winkelmesseinrichtung umfasst, die ausgebildet und eingerichtet ist für die hochpräzise Bestimmung der Winkeländerung des zweiten Polarisationsfilters bei der periodischen Verschwenkung der Haltestruktur.
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Die Vorrichtung wird insbesondere bei der Bestimmung einer Rollwinkeländerung eines Maschinenteils verwendet. Eine besonders hohe Messgenauigkeit bei der Rollwinkelbestimmung ist insbesondere notwendig bei Präzisionswerkzeugmaschinen und Koordinatenmessgeräten. Insbesondere bei regelmäßigen Überprüfungen der zu vermessenden Maschinen können mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren systematische Abweichungen an linear verlaufenden Führungsstrecken festgestellt und überprüft werden. Bei der Verschiebung des zu vermessenden Körpers ist insbesondere daran gedacht, dass der Körper als Prüfling ausgebildet ist, wobei der Prüfling zur Bestimmung der Rollwinkeltreue einer Maschinenführung bzw. einer Linearführung entlang der durch die Führung bestimmten Führungsbahn verschoben wird.
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Der erste Polarisationsfilter kann fest an dem zu vermessenden Körper angeordnet sein oder es können Befestigungsmittel vorgesehen sein, mit denen der Polarisationsfilter an dem Körper befestigbar ist. Als Befestigungsmittel können zum Beispiel Schrauben, Klammern oder dergleichen vorgesehen sein.
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Bei der spezifischen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind unterschiedliche Ausbildungen der einzelnen Komponenten denkbar. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Polarisationsfilter als linear polarisierende Filter ausgebildet sind. Die Strahlenquelle kann zur Erzeugung eines Lichtbündels unpolarisierten Lichts ausgebildet sein. Insbesondere kann die Strahlenquelle eine Laserlichtquelle sein. Außerdem ist für die Einstellbarkeit der Modulation des Lichtstrahls daran gedacht, dass die Verschwenkfrequenz der Haltestruktur einstellbar ist.
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Als besonderes vorteilhaft hat sich bei der Erfindung gezeigt, wenn zwischen dem ersten und dem zweiten Polarisationsfilter keine weiteren den Strahlengang oder die Polarisation des Lichtstrahls beeinflussenden Körper befinden. Das verringert die Bauteilkomplexität und verbessert die Messgenauigkeit bei der Rollwinkelbestimmung.
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Für eine besonders präzise und die Verschwenkung des zweiten Polarisationsfilters nicht beeinflussende Winkelbestimmung ist daran gedacht, dass die Winkelmesseinrichtung ausgebildet und eingerichtet ist, die Winkeländerung des zweiten Polarisationsfilters kontaktlos, insbesondere mittels optischem Messverfahren zu erfassen. Bei einer kontaktlosen Winkelbestimmung wird die mechanische Verschwenkung der Haltestruktur nicht behindert, was eine besonders präzise Bestimmung des Verschwenkwinkels unterstützt.
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In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist daran gedacht, dass die Winkelmesseinrichtung einen Autokollimator umfasst, mit dem die Winkeländerung des zweiten Polarisationsfilters erfassbar ist. Vorzugsweise ist die Winkelmesseinrichtung ortsfest bzw. unbeweglich bzw. starr gegenüber dem lichtempfindlichen Sensor bzw. der ersten Strahlenquelle an einem Halterahmen der Vorrichtung gelagert. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der die Winkelmesseinrichtung haltende Halterahmen auch die verschwenkbar gelagerte Haltestruktur trägt. Mit Hilfe eines Autokollimators bzw. eines Autokollimationsfernrohres lässt sich die Änderung des Verschwenkwinkels besonders präzise bestimmen.
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Insbesondere bei der Verwendung eines Autokollimators ist daran gedacht, dass die Winkelmesseinrichtung eine zweite Strahlenquelle umfasst, die derart ausrichtbar ist, dass ein damit erzeugter Lichtstrahl auf einen starr zum zweiten Polarisationsfilter an der Haltestruktur getragenen Spiegel gerichtet ist, und wobei die Winkelmesseinrichtung ausgebildet und eingerichtet ist, eine durch die Verschwenkung der Haltestruktur bedingte Winkeländerung des an dem Spiegel reflektierten Lichtstrahls zu erfassen. Insbesondere bei der Ausgestaltung der Winkelmesseinrichtung als Autokollimator bzw. als Autokollimationsfernrohr ist daran gedacht, dass die Winkelmesseinrichtung des Weiteren einen Strahlenteiler, ein Objektiv und/oder einen positionsempfindlichen Sensor (PSD) bzw. einen CCD-Sensor (Charge Coupled Device) umfasst. Der Strahlenteiler kann zur Ablenkung des von der Messeinrichtung ausgesendeten bzw. des in die Messeinrichtung zurückreflektierten Lichts dienen. Das Objektiv dient zur Fokussierung des zur Messung verwendeten Lichts. Der Sensor dient zu Auswertung des in die Messeinrichtung zurückreflektierten Lichts.
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Zur genauen Winkelbestimmung des Verschwenkwinkels des zweiten Polarisationsfilters ist der das Licht der Winkelmesseinrichtung reflektierende Spiegel bevorzugt starr gegenüber dem zweiten Polarisationsfilter an der Haltestruktur getragen. Der Spiegel kann dazu an der Haltestruktur oder beispielsweise unmittelbar an dem zweiten Polarisationsfilter befestigt sein.
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Die mit der Winkelmesseinrichtung erfasste Änderung des Verschwenkwinkels kann insbesondere elektronisch erfasst und mit einer Steuervorrichtung weiterverarbeitet werden. Insbesondere ist daran gedacht, dass eine zentrale Steuerungsvorrichtung vorgesehen ist, die zum Beispiel auch die Verschwenkung der Haltestruktur zum Beispiel über die Ansteuerung eines mit der Haltestruktur bewegungsgekoppelten Schwenkantriebs steuert. Der Schwenkantrieb kann zum Beispiel als piezoelektrischer Motor bzw. als Ultraschallmotor ausgebildet sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist daran gedacht, dass die mit Hilfe der Winkelmesseinrichtung bzw. des Autokollimators gewonnenen Winkelinformationen in der Steuervorrichtung verarbeitet und zur Regelung des Modulationswinkels herangezogen werden.
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Die für die Verarbeitung der Informationen der Winkelmesseinrichtung vorgesehene Steuerungsvorrichtung kann zudem ausgebildet und eingerichtet sein, Signale von dem hinter dem zweiten Polarisationsfilter positionierten lichtempfindlichen Sensor zu erhalten zu verarbeiten. Vorzugsweise ist die Steuerungsvorrichtung eingerichtet, die Informationen über die Lichtintensität des durch den zweiten Polarisationsfilter fallenden Lichtstrahls in Abhängigkeit der Informationen der Winkelmesseinrichtung über Änderung des Verschwenkwinkels des zweiten Polarisationsfilters zu einer Information über die Rollwinkeländerung des zu vermessenden Körpers zu verarbeiten.
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Insbesondere zur Reduktion von Messungenauigkeiten, die bei der Verwendung von inhomogen gefertigten Polarisationsfiltern entstehen können, kann vorgesehen sein, dass der lichtempfindliche Sensor ortsauflösend ausgebildet ist. Der lichtempfindliche Sensor kann dafür beispielsweise aus einem starren Verbund von Fotodioden, einem CCD-Sensor oder einem CMOS-Sensor (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Sensor) ausgebildet sein.
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Als lichtempfindlicher Sensor wird bei gattungsgemäßen Vorrichtungen häufig eine einzelne Fotodiode verwendet. Alternativ kann zur Ausbildung eines ortsauflösenden Sensors an dem lichtempfindlichen Sensor ein Feld von mehreren starr zueinander angeordneten Fotodioden verwendet werden. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von mindestens fünf Fotodioden. Bei der Verwendung einer Mehrzahl von Fotodioden kann vorgesehen sein, die Dioden in Matrixform bzw. in einer Gitterstruktur mit geraden Zeilen und Spalten anzuordnen. Alternativ können die Dioden in dem Verbund zufällig verteilt angeordnet sein.
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Durch die Verwendung eines ortsauflösenden Sensors lassen sich Ungenauigkeiten bei der Rollwinkelbestimmung vermeiden, die beispielsweise durch Inhomogenitäten der verwendeten Polarisationsfilter entstehen. Polarisationsfilter sind zum Beispiel herstellungsbedingt häufig nicht vollständig ideal gefertigt. Inhomogenitäten führen bei der Verdrehung der Filter zueinander oder bei Ausrichtungsunterschieden der Filter zueinander zum Beispiel bei Auf- und Abbau der Messanordnung zu Fehlern bei der Rollwinkelbestimmung. Bei der Bestrahlung bzw. Beleuchtung eines ortsauflösend ausgebildeten lichtempfindlichen Sensors lässt sich ein aus Einzelmesswerten bestehendes Intensitätsfeld bestimmen. Der Vergleich der Intensitätsfelder zwischen mehreren Messvorgängen führt zu deutlich genaueren Messergebnissen und zur Reduzierung von Ungenauigkeiten, die durch Inhomogenitäten der Polarisationsfilter bedingt werden.
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Die für die Auswertung des ortsauflösend ausgebildeten lichtempfindlichen Sensors verwendete Steuerungsvorrichtung kann somit insbesondere dazu verwendet werden, Inhomogenitäten der Polarisationsfilter in Form von mit dem ortsauflösenden Sensor erfassten Mustern aufzunehmen und in einem Speicher der Steuerungsvorrichtung abzulegen. Durch einen Vergleich eines abgespeicherten Musters mit einem aufgenommenen Muster können zusätzliche Informationen über die Position des ersten bzw. des zweiten Polarisationsfilters relativ zum lichtempfindlichen Sensor erzeugt werden. Diese zusätzlichen Informationen können ebenfalls zur Rollwinkelbestimmung herangezogen werden.
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Erfindungsgemäß ist auch ein Verfahren zur Bestimmung einer Rollwinkeländerung eines Körpers bei einer Verschiebung des Körpers entlang einer Verschiebungsrichtung, durch Auswertung einer Intensitätsveränderung eines Lichtstrahls nach dem Durchgang des Lichtstrahls durch zwei Polarisationsfilter, wobei der Lichtstrahl mittels einer Strahlenquelle erzeugt wird, und wobei der Lichtstrahl so ausgerichtet wird, dass er durch einen ersten an dem zu vermessenden Körper befestigten Polarisationsfilter hindurch tritt, der Lichtstrahl hinter dem ersten Polarisationsfilter im weiteren Verlauf durch einen zweiten an einer schwenkbar gelagerten Haltestruktur befestigten Polarisationsfilter hindurch tritt und hinter dem zweiten Polarisationsfilter auf einen lichtempfindlichen Sensor trifft, und wobei der Lichtstrahl beim Durchgang durch den zweiten Polarisationsfilter moduliert wird, indem der zweite Polarisationsfilter periodisch verschwenkt wird, wobei die Winkeländerung des zweiten Polarisationsfilters bei der periodischen Verschwenkung der Haltestruktur mit einer hochpräzisen Winkelmesseinrichtung gemessen wird.
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Bevorzugt wird zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet.
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Vorteile und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich insbesondere auch aus den Erläuterungen zu den Vorzügen und denkbaren Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Für eine besonders präzise und die Verschwenkung des zweiten Polarisationsfilters nicht beeinflussende Winkelmessung ist daran gedacht, dass die Winkeländerung des zweiten Polarisationsfilters kontaktlos, insbesondere mittels optischem Messverfahren erfasst wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist daran gedacht, dass die Winkeländerung des zweiten Polarisationsfilters mittels eines Autokollimators gemessen wird.
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Insbesondere bei der Verwendung eines Autokollimators ist daran gedacht, dass die Winkelmesseinrichtung eine zweite Strahlenquelle umfasst mittels der ein zweiter Lichtstrahl erzeugt wird, und wobei der zweite Lichtstrahl auf einen starr zum zweiten Polarisationsfilter von der Haltestruktur getragenen Spiegel gerichtet wird, und wobei die durch die periodische Verschwenkung der Haltestruktur bedingte Winkeländerung des an dem Spiegel reflektierten Lichtstrahls mittels der Winkelmesseinrichtung gemessen wird.
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Insbesondere zur Reduktion von Messungenauigkeiten, die bei der Verwendung von inhomogen gefertigten Polarisationsfiltern entstehen können, kann vorgesehen sein, dass der lichtempfindliche Sensor ortsauflösend ausgebildet ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind beispielhaft in den Figuren dargestellt. Es zeigen:
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1 ein schematischer Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in erster Variante, und
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2 ein schematischer Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Variante.
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1 zeigt rein schematisch eine Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Strahlenquelle 14 mit der ein Lichtstrahl 16 erzeugt werden kann. Der Lichtstrahl 16 ist auf einen ersten Polarisationsfilter 18 gerichtet und durchtritt den Filter 18 etwa mittig. Der Polarisationsfilter 18 ist vorliegend in seitlicher Ansicht dargestellt. Die verwendeten Polarisationsfilter 18 und 20 können handelsübliche Formen aufweisen, insbesondere können die Polarisationsfilter 18 und 20 rund ausgebildet sein.
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Der Polarisationsfilter 18 ist vorliegend mit einem Standfuß an dem zu vermessenden Körper 12 befestigt. Wie in 1 angedeutet, ist der Körper 12 entlang einer Verschiebungslinie in Verschiebungsrichtung D verschiebbar. Dabei kann der Körper 12 an einer Maschinenführung zum Beispiel einer Werkzeugmaschine längsverschieblich geführt sein. Bei der Verschiebung des Körpers 12 vorwärts oder rückwärts in Verschiebungsrichtung D kann der Körper 12 – wie mit dem Richtungspfeil R1 angedeutet – um eine gedachte Rollachse (nicht dargestellt) verkippen. Die Richtungsangabe R1 repräsentiert die Rollwinkeländerung des Körpers 12 bei seiner Verschiebung entlang einer der Richtungen D.
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Der Lichtstrahl 16 ist jedenfalls in dem Verschiebungsbereich des Körpers 12 entlang der Verschiebungsrichtung D parallel zur Rollachse des Köpers 12 bzw. parallel zu seiner gedachten Verschiebungslinie ausgerichtet.
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Nach dem Durchtritt durch den Polarisationsfilter 18 trifft der Lichtstrahl 16 auf einen zweiten Polarisationsfilter 20. Der Polarisationsfilter 20 ist vorliegend mit einem Standfuß an einer Haltestruktur 22 starr gehaltert. Die Haltestruktur 22 ist schwenkbar gelagert. Ein z.B. als Piezomotor ausgebildeter Schwenkantrieb 24 ist mit der Haltestruktur 22 derart gekoppelt, dass die Haltestruktur 22 zusammen mit dem zweiten Polarisationsfilter 20 in einem definierten Winkelbereich um eine Schwenkachse (nicht dargestellt) geschwenkt werden kann. Vorzugsweise ist die Haltestruktur 22 derart schwenkbar angeordnet, dass die Schwenkachse des zweiten Polarisationsfilters 20 mit der durch den Lichtstrahl 16 im Bereich seines Durchtritts durch den zweiten Polarisationsfilter 20 vorgegebene Strahlenachse zusammenfällt. Die Verschwenkung ist in 1 mit dem Richtungspfeil R2 angedeutet. Die Schwenkachse der Haltestruktur 22 liegt insbesondere parallel zu dem Lichtstrahl 16, und zwar insbesondere zu dem Bereich des Lichtstrahls 16 unmittelbar im Durchtrittsbereich durch den Polarisationsfilter 20.
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Nach dem Durchtritt des Lichtstrahls 16 durch den zweiten Polarisationsfilter 20 trifft der Lichtstrahl 16 auf einen lichtempfindlichen Sensor 26. Die Polarisationsfilter 18 und 20 sind insbesondere als lineare Polarisationsfilter ausgebildet. Die Polarisationsfilter 18 und 20 sind insbesondere auf einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet, so dass ein gerader Lichtstrahl nach dem Durchtritt durch den ersten Polarisationsfilter 18 in gerader Linie auf den zweiten Polarisationsfilter 20 trifft. Bei einer Verdrehung der Polarisationsfilter 18 und 20 zueinander verändert sich die Lichtintensität des hinter dem Polarisationsfilter 20 auf den Sensor 26 treffenden Lichtstrahls 16. Die Intensitätsveränderung ist abhängig von der Rollwinkeländerung des Körpers 12 um die Rollrichtung R1. Die an dem Sensor 26 gemessene Intensität des Lichtstrahls 16 ist zudem abhängig von der Verschwenkung der Haltestruktur 22 und damit der Verschwenkung des zweiten Polarisationsfilters 20 um die Rollrichtung R2.
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Die Verschwenkung der Haltestruktur 22 und damit des zweiten Polarisationsfilters 20 um die Verschwenkrichtung R2 dient der Modulation des Lichtstrahls 16. Dafür ist vorgesehen, dass das z.B. als Piezomotor ausgebildete Verstellmittel 24 die Haltestruktur 22 in einstellbarer Frequenz alternierend in Rollrichtung R2 hin und her schwenkt. Vorzugsweise kann die Schwenkfrequenz bei 30 Hz oder bei mehr als 30 Hz liegen.
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Bei der Bestimmung des Rollwinkels bzw. der Rollwinkeländerung des Körpers 12 ist von entscheidender Bedeutung, dass der Drehwinkel der Haltestruktur 22 und damit der Drehwinkel des zweiten Polarisationsfilters 20 bei der Modulation des Lichtstrahls 16 genau bekannt ist. Damit lässt sich die Rollwinkeländerung des Körpers 12 bei der Verschiebung entlang einer Verschiebungslinie in Verschiebungsrichtung D mit hoher Präzision bestimmen.
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Zur Erfassung des Dreh- bzw. Verschwenkwinkels der Haltestruktur 22 und damit des zweiten Polarisationsfilters 20 wird vorliegend die zum Beispiel als Autokollimator ausgebildete Messeinrichtung 28 verwendet. Die Messeinrichtung 28 ist insbesondere zur optischen, also kontaktlosen Erfassung des Drehwinkels der Haltestruktur 22 ausgebildet. Dafür kann vorgesehen sein, dass eine der Messeinrichtung 28 zugeordnete Strahlen- bzw. Lichtquelle 30 einen Lichtstrahl 32 erzeugt, der auf einen starr an der Haltestruktur 22 getragenen Spiegel 34 gerichtet ist. Insbesondere bei der Verwendung eines Autokollimators kann vorgesehen sein, dass der Lichtstrahl 32 hinter der Strahlenquelle 30 zunächst einen Strahlenteiler 36 und dann ein Objektiv 38 durchtritt. Der Lichtstrahl 32 wird an dem Spiegel 34 reflektiert, und trifft danach auf einen der Messeinrichtung 28 zugeordneten Sensor 40. Als Sensor 40 kann z.B. ein CCD-Sensor (Charge Coupled Device) oder ein anderer positionssensitiver Detektor (PSD) zur Erkennung der ein- oder zweidimensionalen Position des durch die Rückreflektion auf den Sensor 40 abgebildeten Lichtmuster verwendet werden. Als Lichtmuster sind verschiedene Ausgestaltungen denkbar. Beispielsweise kann als Lichtmuster ein Lichtpunkt, eine Linie, ein Kreuz oder ein Gittermuster vorgesehen sein. Es können auch andere bekannte lichtempfindliche Sensorelemente an dem Sensor 40 verwendet werden.
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Insbesondere bei der Verwendung eines Autokollimators (auch bekannt als Autokollimationsfernrohr) ist vorgesehen, dass der an dem Spiegel 34 reflektierte Lichtstrahl 32 erneut das Objektiv 38 durchtritt wird und vor dem Auftreffen auf den Sensor 40 erneut den Strahlenteiler 36 durchläuft.
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Bei der Verschwenkung der Haltestruktur 22 und damit des Spiegels 34 verändert sich die Position eines Lichtmusters auf dem Sensor 40. Die Positionsveränderung kann mittels des Sensors 40 erfasst werden und dient der Bestimmung des Verschwenkwinkels der Haltestruktur 22 bei der Modulation des Lichtstrahls 16.
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Diese optische Erfassung des Verschwenkwinkels der Haltestruktur 22 ist hochpräzise und hat sich nach zahlreichen Versuchen als die am besten geeignete Weiterentwicklung eines gatttungsgemäßen polarimetrischen Messverfahrens zur Rollwinkelbestimmung gezeigt.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 aus 1 in einer abgewandelten Variante. Als einziger Unterschied zu der Variante aus 1 ist zusätzlich zu dem ersten Polarisationsfilter 18 ein Reflektor 44 starr gegenüber dem Polarisationsfilter 18 an dem zu vermessenden Körper 12 angeordnet. Wie dargestellt, kann der Reflektor 44 mit einem Standfuß an dem Körper 12 befestigt sein. Alternativ ist denkbar, dass der Reflektor 44 direkt an einem Gehäusebereich des ersten Polarisationsfilters 18 getragen ist, bzw. das der Polarisationsfilter 18 starr an dem Reflektor 44 angeordnet ist. Jedenfalls ist der erste Polarisationsfilter 18 und der Reflektor 44 zueinander unbeweglich von dem Körper 12 getragen. Ein zusätzlicher Vorteil, der sich bei der Verwendung eines Reflektors 44 ergibt, ist die Erkennung einer Lateralverschiebung des Körpers 12 durch eine Verschiebung des durch den Lichtstrahl 16 auf dem Sensor 26. Die Verschiebungsinformation kann insbesondere mit einem ortsauflösenden Sensor 26 verarbeitet werden.
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Wie auch in der in 1 gezeigten Variante der Erfindung, wird jede Rollbewegung des Körpers 12 in eine der Richtungen R1 bei seiner Verschiebung entlang einer Verschiebungslinie in eine der Richtungen D auf den ersten Polarisationsfilter 18 übertragen.
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In 2 ist im Unterschied zu 1 vorgesehen, dass der von der Strahlenquelle 14 erzeugte Lichtstrahl 16 zunächst auf den Reflektor 44 trifft und dort derart reflektiert wird, dass der Strahl 16 schräg oder parallel zur Eintrittsrichtung zurückgeworfen wird. Der Lichtstrahl 16 wird also insbesondere um 180º reflektiert. Wie in 2 dargestellt, ist bei der Reflektion auch eine Verschiebung der optischen Achse des Lichtstrahls 16 vorgesehen, wobei der Lichtstrahl 16 nach der Reflektion auf den ersten Polarisationsfilter 18 ausgerichtet ist und diesen durchtritt. Nach dem Durchtritt durch den ersten Polarisationsfilter 18 trifft der Lichtstrahl 16 auf den zweiten Polarisationsfilter 20. Der übrige Aufbau der Vorrichtung 10 ist wie zu 1 erläutert vorgesehen. Die Variante aus 2 hat den Vorteil, dass einige Komponenten wie z.B. die Strahlenquelle 14 und die Empfängereinheit bestehend aus zweitem Polarisationsfilter 20, der Haltestruktur 22 und dem Verschwenkmittel 24 zusammen mit dem Sensor 26 sowie die Messeinrichtung 28 in einem gemeinsamen Gehäuse 42 untergebracht werden können. Zum Durchlass des Lichtstrahls 16 können an dem Gehäuse 42 zwei separate Öffnungen oder eine gemeinsame Öffnung vorgesehen sein.
