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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Geometrieabweichungen
einer Achse eines Koordinatenmeßgerätes, insbesondere
eines CNC-Koordinatenmeßgerätes.
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Gemäß dem Stand
der Technik werden die Abweichungen von der exakten Linearität von Linearführungen
eines Koordinatenmeßgerätes erfaßt. Die Erfassung
dieser Abweichungen geschieht gemäß dem Stand der Technik durch
verschiedene Hilfsmittel, wie Laser, elektronische Wasserwaage und/oder Abtasten
eines Geradheitsnormals. Diese Messungen werden einzeln durchgeführt, wobei
die Hilfsmittel, wie Laser, elektronische Wasserwaage oder Geradheitsnormal
einzeln und zeitlich nacheinander für jede Messung angeordnet werden.
Bei Koordinatenmeßgeräten ist
hierzu ein erheblicher Rüstaufwand notwendig,
der zur Aufnahme einer Achse eine Person mindestens einen ganzen
Arbeitstag beansprucht.
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Die
Erfassung der Abweichung ist notwendig, da eine Linearführung drei
translatorische und drei rotatorische Fehlermöglichkeiten aufweist. Die drei
translatorischen Fehlermöglichkeiten
werden im allgemeinen als Geradheiten und Position bezeichnet. Die
drei rotatorischen Fehlermöglichkeiten
sind Roll-, Gier- und Nickfehler.
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Gemäß der Druckschrift
WO 89/04945 A1 ist die Bestimmung der Abweichungen mit einer Kalibriervorrichtung
bekannt. Diese Kalibriervorrichtung wird in drei Stellungen auf
dem Meßtisch
des Koordinatenmeßgerätes angeordnet,
und die Abweichungen werden bestimmt. Die Vorrichtung dieser Druckschrift
vereint baulich mehrere Laserinterferometer. Diese Vorrichtung kann
bei gleichzeitigem Betrieb verschiedene Fehlerkomponenten einer
Maschinenachse messen. Die Vor richtung gemäß dieser Druckschrift hat den
Nachteil, daß das
Gerät extrem
aufwendig herzustellen ist. Es ist aus diesem Grund entsprechend
teuer. Darüber
hinaus sind die Genauigkeitsanforderungen an das Gerät selbst
so hoch, daß die
Genauigkeit marktüblicher
Laservermessungssysteme bei weitem nicht erreicht wird.
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Gemäß der Druckschrift
DE 35 26 919 A1 ist, wie
in der WO 89/04945 A1, eine Vorrichtung gezeigt, die sehr kostspielig
und aufwendig ist. Alle sechs Freiheitsgrade einer Führung werden
mittels einer einzigen Vorrichtung simultan erfaßt. Diese zum Stand der Technik
gehörende
Vorrichtung hat den Nachteil, daß sie für Koordinatenmeßgeräte zu ungenau
ist.
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Gemäß der Druckschrift
DE 44 21 302 C1 ist ein
Verfahren bekannt, welches sich ausschließlich auf einen einzigen Freiheitsgrad
bezieht, nämlich den
Rollwinkel einer Führung.
Dies ist ebenfalls nachteilig.
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Die
Druckschrift WO 88/06714 A1 zeigt ein Verfahren, welches ebenfalls
nur einen Freiheitsgrad berücksichtigt,
nämlich
die Länge
oder Position der bewegten Achse, wobei die Messung nicht im Stillstand,
sondern während
der Bewegung der Achse bei einer vorbestimmten Geschwindigkeit ausgeführt wird.
Auch dieses Verfahren hat den Nachteil, daß auch nur ein Freiheitsgrad
berücksichtigt
wird.
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Zum
Stand der Technik (WO 93/08449 A1) gehört auch ein Verfahren, bei
dem mit Hilfe von mehreren vergleichenden Längenmessungen (Maschinenmaßstäbe gegen
Laser) längs
verschiedener Meßlinien
im Meßvolumen
der Maschine ein Datensatz erzeugt wird, der zusammen mit dem Korrekturmodell
eine Anzahl linearer Gleichungen ergibt, deren Lösungen die gesuchten Parameter
des Korrekturmodells darstellen. Mit Hilfe des apparativen Aufbaus
gemäß dieser
Druckschrift ist es möglich,
diese Messungen zumindest teilweise automatisch durchzuführen, so
daß innerhalb
eines automatischen Meßlaufes
die Datengrundlage zur Bestimmung mehrerer gesuchter Parameter geschaffen
wird. Bei dem Verfahren gemäß dieser
Druckschrift treten gravierende Probleme auf:
Dadurch, daß bei den
einzelnen Meßlinien
die verschiedenen Fehlerkomponenten (es sind insgesamt 21) mit unterschiedlicher
Gewichtung in das Meßergebnis
eingehen und nicht linear unabhängig
sind, ist das Ergebnis der linearen Regression nicht eindeutig und
unterschiedlich zuverlässig,
bezogen auf die verschiedenen Fehlerkomponenten. Dies macht das zum
Stand der Technik gehörende
Verfahren für
die Praxis unbrauchbar.
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Das
der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin,
ein Verfahren zur automatischen Erfassung aller Geometriefehler
einer Achse eines Koordinatenmeßgerätes anzugeben, wobei
der Aufwand für
die Umrüstung
auf ein Minimum beschränkt
sein soll, so daß die
Fehleraufnahme aller sechs Fehler zumindest einer Achse in einer mannlosen
Schicht automatisch erfolgen kann, und das darüber hinaus bezüglich der
Meßsysteme
und Komponenten preiswert ist.
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Dieses
technische Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen im
Anspruch 1 oder im Anspruch 2 gelöst.
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Dadurch,
daß sämtliche
Geometrieabweichungen wenigstens einer Achse automatisch erfaßt werden,
und daß die
Geometrieabweichungen von drei rotatorischen und von drei translatorischen
Freiheitsgeraden nacheinander mit wenigstens einem Laserinterferometer
und mit wenigstens einem elektronischen Winkelmesser und mit einem
doppelten Gerad heitsnormal bestimmt werden, und dadurch daß eine L-förmige Anordnung
von Retroreflektoren verwendet wird, und dadurch daß folgende
Verfahrensschritte durchgeführt
werden:
- a) Durchführen der Messung einer ersten
Rotationsabweichung mit einem Laserinterferometer (7),
wobei im Strahlengang ein erster Rotationsstrahlteiler (14)
angeordnet ist,
- b) Verschieben des ersten Rotationsstrahlteilers (14),
derart, daß der
erste Rotationsstrahlteiler (14) außerhalb des Strahlenganges
(9) und ein zweiter Rotationsstrahlteiler (15)
im Strahlengang (9) angeordnet ist mit Hilfe einer zur
Meßachse senkrechten
Bewegungsachse, wobei der zweite Rotationsstrahlteiler (15)
senkrecht zu dem ersten Rotationsstrahlteiler (14) angeordnet
ist,
- c) Durchführen
der Messung einer zweiten Rotationsabweichung,
- d) Durchführung
der Messung einer dritten Rotationsabweichung durch Differenzmessung
zweier elektronischer Winkelmesser,
- e) Verschieben des zweiten Rotationsstrahlteilers (15),
derart, daß der
zweite Rotationsstrahlteiler (15) außerhalb des Strahlenganges
(9) und der Linearstrahlteiler (13) im Strahlengang
(9) angeordnet ist mit Hilfe einer zur Meßachse senkrechten Bewegungsachse,
- f) Durchführen
einer Positionsabweichungsmessung unter Verwendung eines der Retroreflektoren
(17, 18, 19),
- g) Durchführen
zweier Geradheitsabweichungsmessungen mit Hilfe eines doppelten
körperlichen Geradheitsnormals,
ist es möglich,
sämtliche sechs
Fehler wenigstens einer Achse in einer mannlosen Schicht automatisch
zu erfassen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann auch folgendes Verfahren durchgeführt werden:
Verfahren
zur automatischen, mannlosen Erfassung von sämtlichen Geometrieabweichungen
wenigstens einer Achse eines Koordinatenmeßgerätes, bei dem die Geometrieabweichungen von
drei rotatorischen und von drei translatorischen Freiheitsgraden
nacheinander mit wenigstens einem Laserinterferometer (7, 20)
und mit wenigstens einem elektronischen Winkelmesser bestimmt werden,
und bei dem eine L-förmige
Anordnung von Retroreflektoren (17, 18, 19)
verwendet wird mit folgenden Verfahrensschritten:
- a)
Durchführen
einer Messung einer ersten Rotationsabweichung mit einem Laserinterferometer (7),
wobei im Strahlengang ein erster Rotationsstrahlteiler (14)
angeordnet ist,
- b) Verschieben des ersten Rotationsstrahlteilers (14),
derart, daß der
erste Rotationsstrahlteiler (14) außerhalb des Strahlenganges
(9) und ein zweiter Rotationsstrahlteiler (15)
im Strahlengang (9) angeordnet ist mit Hilfe einer zur
Meßachse senkrechten
Bewegungsachse, wobei der zweite Rotationsstrahlteiler (15)
senkrecht zu dem ersten Rotationsstrahlteiler (14) angeordnet
ist,
- c) Durchführen
einer Messung einer zweiten Rotationsabweichung,
- d) Durchführen
einer Messung einer dritten Rotationsabweichung durch Differenzmessung
zweier elektronischer Winkelmesser,
- e) Verschieben des zweiten Rotationsstrahlteilers (15),
derart, daß der
zweite Rotationsstrahlteiler (15) außerhalb des Strahlenganges
(9) und der Linearstrahlteiler (13) im Strahlengang
(9) angeordnet ist mit Hilfe einer zur Meßachse senkrechten Bewegungsachse,
- f) Durchführen
einer Positionsabweichungsmessung unter Verwendung eines der Retroreflektoren
(17, 18, 19),
- g) Bestimmung der Geradheitsabweichungen mit einem Laserinterferometer
mit Geradheitsoption.
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An
einer Bewegungsachse des Koordinatenmeßgerätes, die senkrecht zu der messenden
Achse angeordnet ist, werden verschiedene optische Komponenten so
montiert, daß sie
durch die Bewegung einer Maschinenachse in den Strahl eines Lasers
gefahren werden können.
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Erfindungsgemäß sind die
optischen Komponenten zwei senkrecht zueinander angeordnete Rotationsstrahlteiler
und ein Linearstrahlteiler. Erfindungsgemäß ist an der zu messenden Achse
eine Kombination von drei Retroreflektoren im rechten Winkel angeordnet.
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Bei
der ersten Messung ist der Laserstrahl beispielsweise auf den mittleren
Retroreflektor dieser Kombination fest ausgerichtet. Durch Verfahren
der Bewegungsachse senkrecht zur messenden Achse werden die an der
Bewegungsachse montierten optischen Komponenten nacheinander in
den Laserstrahlengang gebracht.
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Wird
der Linearstrahlteiler in den Strahlengang gefahren, entsteht aus
Strahlteiler und mittlerem Retroreflektor der Meßachse ein Linearinterferometer,
mittels dessen die Positionsabweichung gemessen werden kann. Hierdurch
ist eine Maßstabskorrektur
möglich.
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Wird
je einer der beiden Rotationsstrahlteiler in den Strahlengang des
Lasers gefahren, entsteht zusammen mit jeweils zwei Retroreflektoren
der Meßachse
ein Rotationsinterferometer, so daß jeweils eine Komponente der
Rotationsabweichung gemessen werden kann.
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Die
dritte Rotationsabweichung wird durch Differenzmessung zweier elektronischer
Winkelmesser gemessen, wobei ein elektronischer Winkelmesser mit
der zu messenden Achse verbunden ist. Der zweite elektronische Winkelmesser
ist mit der Maschinenbasis oder einer der Bewegungsachsen verbunden.
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Zusätzlich zu
den optischen Komponenten ist ein doppeltes körperliches Geradheitsnormal
parallel zur Meßachse
angeordnet, so daß die
Messung der beiden Geradheitsabweichungen der zu messenden Achse
mit dem Tastsystem des Koordinatenmeßgerätes oder zusätzlichen
Sensoren durchgeführt
werden kann.
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Gemäß der Erfindung
werden in einem ersten Schritt zwei Interferometer, nämlich ein
Rotationsinterferometer und ein Längeninterferometer kombiniert.
Beide Interferometer verwenden einen Spiegel, der aus zwei senkrecht
zueinander angeordneten Rotationsreflektoren besteht. Die beiden
Rotationsreflektoren sind vorteilhaft auf einer Platte oder dergleichen
angeordnet. Es ist auch möglich,
einen L-förmig
ausgebildeten kombinierten Rotationsreflektor zu verwenden. Der
Spiegel ist fest montiert, und die beiden Interferometer werden
in einer Querachse senkrecht zur Meßachse verfahren. Auf diese
Art und Weise wird der Spiegel einmal als Doppelspiegel und einmal
als Einfachspiegel eingesetzt.
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Vorteilhaft
werden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
zuerst die Rotationen aufgenommen. Die Rotationen werden dann schon
im Korrekturmodell bei der Aufnahme der Geradheiten berücksichtigt.
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Ein
bevorzugtes Meßverfahren
besteht darin, zuerst die Rotationen aufzunehmen, anschließend die
Geradheiten und als letztes die Positionsabweichungen.
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Es
ist aber auch möglich,
die Reihenfolge zu verändern.
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Erfindungsgemäß ist der
Meßtisch
des Koordinatenmeßgerätes verfahrbar,
so daß die
optischen Komponenten in der Querachse verfahren werden können.
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Die
Fehlerbestimmung von Geradheitsfehlern erfolgt vorteilhaft mit einem
körperlichen
Geradheitsnormal. In diesem Fall kann der kombinierte Retroreflektor
bei sämtlichen
Messungen in der vorbestimmten Position in der Meßachse bleiben.
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Es
ist aber auch möglich,
daß der
Retroreflektor entfernt wird und dafür ein Interferometer, welches
die Geradheit bestimmt, in dem Strahlengang anzuordnen. Für das Geradheitsinterferometer
ist ein gesonderter, hierfür
speziell geeigneter Spiegel oder Retroreflektor notwendig, so daß, wie schon
ausgeführt,
in diesem Fall zusätzlich
ein Austausch der Spiegel erfolgen muß.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung können den
Unteransprüchen
entnommen werden.
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Auf
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen:
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1 ein
Koordinatenmeßgerät;
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2 einen
schematischen Meßaufbau;
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3 ein
Schema eines Laserinterferometers mit Linearoption und Rotationsoption;
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4 eine
schematische Darstellung eines Laserinterferometers mit Geradheitsoption;
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5 ein
geändertes
Ausführungsbeispiel für die Rotationsreflektoren;
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6 ein
weiteres geändertes
Ausführungsbeispiel
für die
Rotationsreflektoren.
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1 zeigt
ein Koordinatenmeßgerät (1)
mit einem in X-Richtung verschiebbaren Meßtisch (2). Ein Portal
(3), welches nichtverschiebbar ausgebildet ist, trägt an einer
Traverse (4) einen in Y-Richtung verschiebbaren Schlitten
(5), an dem wiederum eine in Z-Richtung verschiebbare Pinole
(6) angeordnet ist.
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Für die Erfassung
der Abweichungen von der exakten Linearität wird gemäß 2 ein Laserinterferometer
(7) verwendet, welches eine Lichtquelle (8) aufweist,
mit einem Strahlengang (9) in Richtung einer Meßachse (10).
Orthogonal zu der Meßachse (10)
liegen zwei Achsen (11, 12). In Richtung der Bewegungsachse
(12) sind ein Linearstrahlteiler (13) sowie zwei
Rotationsstrahlteiler (14, 15) verschiebbar angeordnet.
Wird der Linearstrahlteiler (13) in den Strahlengang (9)
gebracht, wirkt das Laserinterferometer (7) wie ein Linearitätsinterferometer
oder Längeninterferometer.
Werden die Rotationsstrahlteiler (14, 15) nacheinander
in den Lichtstrahl (9) gebracht, wirkt das Laserinterferometer
(7) als Laserinterferometer mit Rotationsoption.
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Weiterhin
ist ein kombinierter Rotationsreflektor (16) vorgesehen,
der L-förmig
ausgebildet ist. Der kombinierte Rotationsreflektor (16)
weist drei Retroreflektoren (17, 18, 19)
auf.
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Ist
der Linearstrahlteiler (13) im Laserstrahlengang (9)
angeordnet, ist der Laserstrahl auf den mittleren Retroreflektor
(18) ausgerichtet. Durch Verfahren entlang der Bewegungsachse
(12) in Richtung des Pfeiles (A) wird der erste Rotationsstrahlteiler (14)
in den Laserstrahlengang (9) gebracht. Nun ist der Laserstrahl
auf die Retroreflektoren (18, 19) ausgerichtet.
Nach dieser Messung wird der Rotationsstrahlteiler (15)
in den Laserstrahlengang (9) gebracht. In diesem Fall ist
der Laserstrahl (9) auf die Retroreflektoren (17, 18)
ausgerichtet.
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Zur
Veranschaulichung zeigt die 3 die Lichtquelle
(8) sowie den Linearstrahlteiler (13) und den
Rotationsstrahlteiler (14). Der Linearstrahlteiler (13)
und der Rotationsstrahlteiler (14) sind in Richtung des
Pfeiles (B) entlang der Bewegungsachse (12) verschiebbar
auf dem Meßtisch
(nicht dargestellt) gelagert. Gemäß 3 befindet
sich der Rotationsstrahlteiler (14) im Laserstrahlengang
(9). Der Laserstrahlengang (9) wird mittels des
Rotationsstrahlteilers (14) in zwei Strahlengänge (9a, 9b)
aufgespalten. Diese sind auf die Retroreflektoren (18, 19)
ausgerichtet. Mittels des Laserinterferometers (7) ist
in dieser Position die Rotationsabweichung in Richtung des Pfeiles
(C) bestimmbar.
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Die
Bestimmung der Geradheitsabweichungen können mit einem körperlichen
Geradheitsnormal vorgenommen werden. Es ist aber auch möglich, ein
Laserinterferometer (20) mit Geradheitsoption gemäß 4 vorzusehen.
Das Laserinter ferometer (20) weist wiederum die Lichtquelle
(8) auf und einen Strahlteiler (21), der den Laserstrahl
(9) in die Strahlen (9a, 9b) auf teilt.
Die Strahlen (9a, 9b) sind auf Spiegel (22)
ausgerichtet.
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Wird
das Laserinterferometer (20) gemäß 4 für die Bestimmung
der Geradheitsabweichungen verwendet, ist nicht nur der Strahlteiler
(21) in den Strahlengang (9) zu bringen, sondern
der kombinierte Rotationsreflektor (16) ist gegen den Spiegel (22)
auszutauschen, was durch geeignete mechanische Mittel vorgenommen
werden kann.
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Ist
der Linearstrahlteiler (13) in dem Strahlengang (9)
angeordnet, arbeitet das Laserinterferometer (7) als Linearinterferometer,
mittels dessen die Positionsabweichung gemessen werden kann.
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Wird
der erste Rotationsstrahlteiler (14) in den Strahlengang
(9) gebracht, kann der erste rotatorische Fehler bestimmt
werden. Mit dem zweiten Rotationsstrahlteiler (15) im Strahlengang
(9) kann der zweite Rotationsfehler bestimmt werden.
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Die
dritte Rotationsabweichung wird durch Differenzmessung zweier elektronischer
Winkelmesser gemessen, wobei ein elektronischer Winkelmesser mit
der zu messenden Achse verbunden ist. Der zweite elektronische Winkelmesser
ist mit der Maschinenbasis oder einer der Bewegungsachsen verbunden.
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Die
beiden noch fehlenden Geradheitsabweichungen können mit einem doppelten körperlichen
Geradheitsnormal oder mit einem Laserinterferometer mit Geradheitsoption
gemäß 4 bestimmt werden.
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Auf
diese Art und Weise ist es möglich,
alle Geometrieabweichungen einer Achse, nämlich der Meßachse (10)
automatisch zu erfassen.
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5 zeigt
eine Platte (23) mit zwei darauf angeordneten Rotationsreflektoren
(24, 25). Diese Vorrichtung kann anstelle des
kombinierten Rotationsreflektors gemäß der 2 eingesetzt
werden.
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Gemäß 6 ist
es auch möglich,
auf der Platte (23) einen Retroreflektor (26)
mit dem Rotationsreflektor (25) zu kombinieren. In diesem
Fall ist es aber erforderlich, daß der Abstand (d) zwischen
dem Retroreflektor (26) und dem Rotationsreflektor (25) genau
bestimmt wird,
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- 1
- Koordinatenmeßgerät
- 2
- Meßtisch
- 3
- Portal
- 4
- Traverse
- 5
- Schlitten
- 6
- Pinole
- 7
- Laserinterferometer
- 8
- Lichtquelle
- 9
- Strahlengang
- 9a,
9b
- Strahlengänge
- 10
- Meßachse
- 11
- Achse
- 12
- Achse
- 13
- Linearstrahlteiler
- 14
- Rotationsstrahlteiler
- 15
- Rotationsstrahlteiler
- 16
- kombinierter
Rotationsreflektor
- 17,
18, 19
- Retroreflektoren
- 20
- Laserinterferometer
- 21
- Strahlteiler
- 22
- Spiegel
- 23
- Platte
- 24,
25
- Rotationsreflektoren
- 26
- Retroreflektor
- A,
B, C
- Pfeile
- d
- Abstand
- α
- Winkel