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Optische Längenmeßmaschine Die Erfindung betrifft eine optische Längenmeßmaschine,
bei der der Maßstab parallel zur Meßachse liegt und zur Ablesung des Meßwertes eine
relativ zum Maßstab verschiebbare Ablesevorrichtung dient.
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Die Ablesevorrichtung ist gewöhnlich im Meßschlitten gelagert, und
das zu messende Werkstück wird zwischen die Pinolen eines Amboßschlittens und des
Meßschlittens gelegt. B'ai diesen M'eßmaschinen müssen besondere Vorkehrungen getroffen
werden, damit Führungsfehler für den verschiebbaren Meßschlitten, welche sich z.
B. als Verkantungen dieses Schlittens bemerkbar machen, das Meßergebnis nicht verfälschen.
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Dies ist durch die Ausnutzung der Hauptpunkteigenschaften abbildender
optischer Systeme möglich, wenn nämlich die Längenmeßmaschine, wie z. B. im » Taschenbuch
der Längenmeßtechnik «, 1954, von Leineweber auf S. 348 beschrieben, aufgebaut wird.
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Es sind dort sowohl Amboßschlitten als auch Meßschlitten mit je einem
optischen System ausgestattet, welche die Maßstabstriche einem Ablesemikroskop zuführen
und zwischen denen paralleler Strahlengang herrscht. Die Brenuweiten f der beiden
gleichen Systeme sind gleich dem Abstand des Maßstabes von der Meßachse (Pinolenachsen)
gewählt, so daß der vordere negative Knotenpunkt in die Meßachse fällt und eine
Schiefstellung des Systems durch ungenaue Führung nur sehr wenig Einfluß auf die
genaue Ablesung des im vorderen Brennpunkt angeordneten Maßstabes hat. Diese Ausbildung
vermeidet zwa, r Fehler erster Ordnung, welche durch zwangläufig bedingte Fehler
in der Führung durch Fertigungsfehler oder Abnutzung auftreten würden, jedoch erfordert
diese Ausbildung einen großen konstruktiven Aufwand, und es können mit ihr nur kleine
Gesichtsfelder iibertragen werden. Dies erfordert zumindest auf der Seite des Ablesemikroskops
sehr feingeteilte Maßstäbe.
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Die Erfindung beseitigt diese Nachteile, indem sie Führungsfehler
nicht, wie bekannt, durch rein optische Maßnahmen kompensiert, sondern eine Kombination
optischer und mechanischer Mittel vorsieht. Zu diesem Zweck ist im Strahlengang
der Ablesevorrichtung zum Ausgleich kleiner Neigungen des Meßschlittens und damit
der Ablesevorrichtung wenigstens ein pendelndes optisches Element vorgesehen.
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Solche pendelnden Elemente sind bei Nivellierinstrumenten zum Ausgleich
kleiner Neigungen des Instruments bekannt. Neu ist jedoch ihre Verwendung bei Längenmeßmaschinen
für den vorliegenden Zweck In einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist
zur Abbildung der Maßstabstriche eine Objektivlinse vorgesehen, welche im Abstand
ihrer Brennweite e vom Maßstab angeordnet ist und eine Brennweite
gleich dem halben
Abstand des Maßstabes von der Meßachse besitzt, und die pendelnden Elemente, beispielsweise
ein Planspiegel, sind im parallelen Strahlengang hinter der Linse angeordnet.
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Neigt sich bei dieser Ausbildung die gesamte Ablesevorrichtung z.
B. um eine Achse, welche die Meßachse schneidet, dann erscheint im Gesichtsfeld
der Ablesevorrichtung derselbe Maßstabpunkt, weil die Neigung des Gerätes durch
die relative Lageänderung des Planspiegels in der Ablesevorrichtung ausgeglichen
wird.
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Als pendelndes Element kann aber auch zweckmäßig ein die Lichtstrahlen
quer zur Meßachse versetzender Winkelspiegel Verwendung finden, dessen Pendelachse
senkrecht zur Meßachse liegt. Die Wirkungsweise dieses Winkelspiegels ist dann dieselbe,
wie bei dem Planspiegel eben beschrieben, nur daß hier eine seitliche Versetzung
der Abbildungsstrahlen auftritt, welche haufig erwünscht ist.
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Als pendelnde Elemente können aber auch vorteilhaft wenigstens ein
Linsenpaar vorgesehen sein, dessen eine Linse gerätefest und dessen andere Linse
pendelnd gelagert ist, wobei diese Linsen bei Auswanderung der einen Linse einen
otpischen Keil bilden, Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß die Anforderungen hinsichtlich
Justierung des Aufhängepunktes
nicht so groß zu sein brauchen wie
bei Verwendung der Planspiegel, denn eine Verschiebung des Aufhängepunktes in Richtung
der Linsenachse fällt nicht ins Gewicht.
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Wählt man ein derartiges Linsenpaar für die Kompensation der Neigung,
dann haben die zwei Linsen zweckmäßig entgegengesetzt gleiche Brennweiten ; besteht
die pendelnde Linse aus Glas der Brechzahl von 1, 5, so ist ihr Drehpunkt im Abstand
ihrer Brennweite vom Hauptpunkt angeordnet.
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Auch hier befinden sich vorteilhaft die Linsen im parallelen Strahlengang
hinter einer im Abstand ihrer Brennweite vom Maßstab angeordneten Linse. Da, man
durch geeignete Wahl der Brennweiten der Linsen sowie des Drehpunktes der pendelnd
gelagerten Linsen jede optische Ubersetzung für die Strahlenablenkung erreichen
kann, braucht die Brennweite der genannten Objektivlinse nicht mehr besonderen Bedingungen
unterworfen zu werden.
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Vorteilhaft ist die pendelnde Linse bikonvex und zwischen zwei gerätefesten
plankonkaven Linsen angeordnet, derart, daß nur ein geringer Zwischenraum zwischen
diesen Linsen vorhanden ist, und es ist dieser Zwischenraum mit einer niedrighrechenden
Flüssigkeit ausgefüllt. Es ergeben sich dann entsprechende Strahlenablenkungsverhältnisse
mit dem Vorteil, daß die Pendelbewegung gedämpft wird.
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Um in noch stärkerem Ma, Be justierungsunabhängig zu werden, kann
man für die Strahlenablenkung zwei afokale Systeme verwenden, von denen das zweite
die Vergrößerung iV2 hat und pendelnd gelagert ist und von denen das erste die Vergrößerung
A~ hat und gerätefest ist, wobei für beide Systeme die Bedingung gilt N1 + 1/N2
= 1 Diese Systeme sind überhaupt nicht mehr lage-, sondern nur noch kippempfindlich.
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Alle bisher beschriebenen Systeme lenken den Zielstrahl entsprechend
der Neigung der Ablesevorrichtung aus ihrer Richtung ab. Selbstverständlich können
aber auch pendelnde Systeme benutzt werden, welche lediglich eine Parallelversetzung
des Zielstrahles bewirken. Hierfür eignet sich ein als Doppelpendel aufgehängtes
rechtwinkliges Prisma.
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Bei allen Ausführungsbeispielen ist zweckmäßig vorteilhaft wenigstens
das unmittelbar über dem Maßstab liegende, für die Abbildung eines Maßstabstriches
dienende optische Element mit der im Meßschlitten gelagerten Pinole starr verbunden.
Hierdurch wird erreicht, daß die Ablesevorrichtung gleichzeitig zur Meßdruckeinstellung
benutzt werden kann. weil Verschiebungen der Pinole infolge Druckänderung von der
Ablesevorrichtung angezeigt werden.
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Selbstverständlich ist die ernndungsgemäße Einrichtung nicht auf
Längenmeßmaschinen beschränkt sondern sie kann bei allen Maschinen od. dgl. angewandt
werden, wo Schlittenverschiebungen notwendig sind und Fehler der Schlittenführung
eine Genauigkeitseinstellung oder ein Meßergebnis verfälschen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt, und zwar zeigen Fig. 1 a und 1 b eine Längenmeßmaschine nach der Erfindung,
teilweise geschnitten.
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Fig. 2a und 2b den Abbildungsstrahlengang mit und ohne Führungsfehler,
Fig. 3 a bis 3 d eine geänderte Ausführungsform.
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Fig. 4a und 4b eine geänderte Ausführungsform,
Fig. 5 ein weiteres
Ausfiihrungsbeispiel, Fig. 6a und 6b eine nochmals geänderte Ausführungsform.
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Die Längenmeßmaschine in Fig. 1 besteht aus einem Amboßschlitten
1 und einem Meßschlitten 2. Sowohl im Amboßschlitten 1 als auch im Meßschlitten
2 ist je eine Pinole 3 und 4 vorgesehen, zwischen die das auszumessende Werkstück
5 gelegt wird. Die Pinole 4 steht unter dem Druck einer Feder 6. die Vorspannung
der Feder 6 kann durch eine Spannschraube 7 geregelt werden. Der Meßschlitten 2
ist in einer Führung 8verschiebbar.ParallelzurFührung 8 ist ein Längenmaßstab 9
vorgesehen. Im Meßschlitten 2 ist eine Ablesevorrichtung angeordnet, welche die
in der optischen Achse einer Objektivlinse 10 liegenden Meßgroßen des Maßstabes
9 in ein Ablesefenster 11 iiber eine geeignete Zwischenlinse 12 und Umlenkspiegel
13, 14. 15, 16, 16a und 17 projiziert. Der Spiegel 15 ist teildurchlässig ; über
ihn wird der Maßstab 9 beleuchtet Es ist hierfür eine Lampe 18 vorgesehen. deren
Licht über eine Kondensorlinse 19 sowie einen Spiegel 20 in die optische Achse der
Linse 12 gelenkt wird. In der iNTähe des Ablesefensters 11 ist ein in Richtung des
Pfeiles 21 verschiebbarer Feinmaßstab 22 vorgesehen. Die Verschiebung wird durch
einen exzentrischen Ring 23 bewirkt, an den der Feinmaßstab 22 mit einem Stift 24
anliegt. Die Größe der Drehbewegung des exzentrischen Ringes 23 und damit der Verschiebung
des Feinmaßstabes 22 kann auf einer Skala 24'abgelesen werden (Fig. 1b).
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Zur Ermittlung der Lange des R erkstückes 5 wird der Meßschlitten
2 so weit verschoben, daß das Werk-. trick 5 zwischen die Pinolen 3 und 4 gelegt
werden lsann. Die Pinole 4 ist zu diesem Zweck in axialer Richtung verschiebbar.
Mit der Pinole 4 ist die Objektivlmse 10 verbunden, so daß das Meßergebnis unmittelbar
durch die Stellung der Pinole 4 bestimmt ist. Bei konstanter Vorspannung der Feder
6 ist damit die Vorrichtung unabhängig vom Anlagedruck der Pinole 4 am Meßstück
5. d. h., dieser braucht nicht besonders berücksichtigt zu werden.
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Im Gesichtsfeld der Ablesevorrichtung erscheinen, wie in Fig. lb
dargestellt, wenigstens ein Grobmaßstabstrich des Maßstabes 9. In dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 ist der Grobmaßstab in cm unterteilt und besteht aus Doppelstrichen.
In Fig. 1b sind die Doppelstriche 220 und 230 zu sehen. Der Feinmaßstab wird mit
dem exzentrischen Ring 23 so weit verschoben, bis einer seiner Teilstriche in den
Spalt eines Grobmaßstabstriches fällt. Die Größe dieser Verschiebung wird auf der
Kreisskala 24'abgelesen.. Mach Fig. 1 b ergibt sich ein Längenmeßwert von 231, 25
mm.
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Der Maßstab 9 ist parallel zur Meßachse (Pinolenachse) 25 angeordnet.
Sobald Fiihrungsfehler auftreten, d. h., sobald der Meßschlitten 2 bis zu einer
Stelle geschoben ist, wo die Führung einen Fehler hat, treten Kippungen des Meßschlittens
2 auf. Diese bewirken. daß die optische Achse der Linse 10 nicht mehr auf den Meßpunkt
110 zeigt, sondern auf einen benachbarten Punkt, beispielsweise M1 (Fig. 2b). Um
den dadurch entstehenden Fehler auszugleichen, ist der Spiegel 13 um die Achse 4-.
4 pendelnd gelagert. Zu diesem Zweck ist er mit einem Gewicht 26 verbunden.
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Fig. 2 a zeigt den Strahlenverlauf bei felMerfreier Ii iihrung. Der
vom Meßpunkt lI0 ausgehende Meßstrahl wird genau parallel zur Meßachse gelenkt.
Bei Verkantung des Meßschlittens 2, heispielsweise um den Winkel lf um die Achse
Y-Xv zeigt die optische Achse der Linse 10 auf den Meßpunkt M1. Diese Auswandertxurg
der optischen Achse gleicht der Spiegel 13
durch Neigung um den
Winkel u relativ zur Ablesevorrichtung aus. Wie aus Fig. 2b zu erkennen ist, tritt
der vom Meßpunkt Mo ausgehende Meßstrahl parallel zur optischen Achse der Linse
12 in die eigentliche Ablesevorrichtung ein, und er trifft hier auf den Brennpunkt
der Linse 12 im Ablesefenster der Ablesevorrichtung. Damit der Meßfehler in der
ber schriebenen Weise kompensiert wird, ist die Brennweite/der Linse 10 gleich a2
gewählt worden, wenn a der Abstand der Meßachse 25 von der Maßstabebene 9 ist.
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Die Fig. 3 a bis 3 d zeigen eine geänderte Vorrichtung zur Kompensation
kleiner Neigungen der Ablesevorrichtung. Mit der Pinole4 ist wieder die Objektivlinse
10 verbunden. Der Spiegel 13 ist jedoch durch einen Winkelspiegel 30, 31, welcher
um eine Welle 32 drehbar ist, ersetzt. Die vom Meßpunkt Mo kommenden Lichtstrahlen
treten, wie in Fig. 3b zu erkennen ist, durch die Linse 10, treffen auf den Spiegel
30, werden von hier aus auf den Spiegel 31 gelenkt und treffen nunmehr auf die Objektivlinse
12 und schließlich auf einen Spiegel 34, welcher die Lichtstrahlen in das Ablesefenster
lenkt. Fig. 3 c zeigt schematisch den Strahlenverlauf in der Normalstellung der
Ablesevorrichtung. Fig. 3 d zeigt den Strahlenverlauf, wenn die Ablesevorrichtung
wie bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 um den Winkel u geneigt ist.
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Wie aus den Fig. 3d und 3c zu erkennen ist, ergibt sich hier dieselbe
Wirkungsweise wie nach den Fig. 2 a und 2b, nur daß der vom Strich Mo ausgehende
Lichtstrahl aus der Zeichenebene heraus versetzt ist.
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Die Fig. 4a und 4b zeigen ein geändertes Ausführungsbeispiel. Mit
der Pinole 4 ist wieder die Objektivlinse 10 verbunden. Zwischen der Linse 10 und
der Linse 12 sind zwei weitere e Linsen 40 und 41 angeordnet. Die Linse 40 ist gerätefest,
die Linse 41 ist um die Achse A-A pendelnd gelagert. Die vom Meßpunkt Mo ausgehenden
Strahlen werden über Spiegel 42 und 43 der Objektivlinse 10 zugefiihrt, und nachdem
der Meßstrahl die Linsen 40, 41 und 12 durchsetzt hat, wird er durch einen Spiegel
44 in das Ablesefenster gelenkt. Die Linsen 40 und 41 haben gleiche, jedoch entgegengesetzte
Brennweiten. Die Drehachse A-A ist im Abstand f vom Hauptpunkt der pendelnden Linse
entfernt angeordnet. Wie aus Fig. 4b zu ersehen ist, findet in der Normalstellung
des Meßschlittens 2 und damit der Ablesevorrichtung keine Strahlenversetzung statt.
Wird jedoch die Ablesevorrichtung wieder um die Achse X-X um den Winkel M geschwenkt,
dann ändert die Linse 41 ihre Lage relativ zu den Linsen 10, 40 und 12. Die Linsen
40 und 41 (Fig. 4b) bilden einen optischen Keil, welcher den vom Meßpunkt ! lf0
kommenden Lichtstrahl derart ablenkt, daß er parallel zur optischen Achse der Linse
12 auf diese trifft. Die Linse 12 sammelt deshalb den so abgelenkten Strahl wieder
in ihrer Brennebene, nämlich dem Ablesefenster 11.
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Fig. 5 zeigt ein geändertes Ausführungsbeispiel.
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Hinter der Linse 10 ist ein rechtwinkliges Prisma 50 angeordnet, welches
eine Vergrößerung N1 = -1 hat.
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Hinter diesem rechtwinkligen Prisma ist ein afokales System in Form
eines umgekehrten galileischen Fernrohres angeordnet, welches die Linsen 51 und
52 besitzt. Die Vergrößerung dieses galileischen Systems 51, 52 ist N = + rl2 Das
Prisma 50 und das galileische System 51, 52 erfüllen die eingangs genannte Bedingung
A+.-=l. Das galileische System 51, 52 ist um die Achse = 4 pendelnd gelagert. Eine
Neigung
des Meßschlittens 2 und damit der Ablesevorrichtung wird durch das afokale
System 51, 52 derart kompensiert, daß der vom Meßpunkt M0 Kommende Meßstrahl wieder
parallel zur optischen Achse der Linse 12 in die Ablesevorrichtung eintritt.
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In den Fig. 6a und 6b ist vor der Linse 10 ein rechtwinkliges Prisma
60 an zwei Pendeln 61, 62 aufgehängt. Die Länge der Pendelarme 61 und 62 ist gleich
dem halben Abstand der Pinolenachse 4 von der Maßstabebene. Der vom Meßpunkt Mo
lco, mmende Lichtstrahl wird im Prisma a 60 zweimal umgelenkt und tritt, nachdem
er am Spiegel 63 reflektiert wurde, durch die Linsen 10 und 12 in die Ablesevorrichtung
ein. Bei Verkantungen des Meßschlittens ergibt sich das in Fig. 6b dargestellte
Bild ; der vom Meßpunkt Mo kommende Lichtstrahl wird durch das Prisma 60 derart
umgelenkt, daß er wieder in der optischen Achse der Linsen 10 und 12 in die Meßvorrichtung
eintritt.
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PATENTANSPROCEXE 1. Optische Längenmeßmaschine, bei der der iMaßstab
parallel zur Meßachse liegt und zur Ablesung des Meßwertes eine relativ zum Maßstab
verschiebbare Ablesevorrichtung dient, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang
der Ablesevorrichtung zum Ausgleich kleiner Neigungen der Ablesevorrichtung wenigstens
ein pendelndes optisches Element vorgesehen ist.