DE19920458A1 - Parallelitätsprüfgerät - Google Patents

Abstract

Prüfgerät für die Justierung, Gleichlaufprüfung und Aufsatz-Seitenwinkelprüfung von Panzerfahrzeugen mit Hilfe eines sichtbaren Lasers, welcher auf zwei Strahlen aufgeteilt wird, deren Abstand einstellbar ist und deren Parallelität von einem Optronischen System überwacht wird.

Description

Gegenstand dieser Patentanmeldung ist ein Verfahren und eine Ausführungsform für ein optisches Prüfgerät zur Prüfung der Parallelität zwischen mechanischen und optischen Achsen. Anwendung finden solche Geräte z. B. in der Militärtechnik zur Prüfung der Parallelität zwischen Waffenachsen und den beteiligten Zielgeräten. In der Panzertechnik werden besonders hohe Anforderungen an die Winkelgenauigkeit gestellt, so daß die geforderte Prüfgenauigkeit im Bereich von wenigen Winkelsekunden liegt. Das vorgestellte Verfahren eignet sich für alle notwendigen Messungen sowohl im Feldeinsatz als auch für die Industriemessung mit Rechnerschnittstelle. Parallel- oder Punktjustierung, Gleichlaufprüfung im Elevationsbereich des Waffensystems und auch die Aufsatz/ Seitenwinkelprüfung können schnell und exakt durchgeführt werden. Der besondere Vorteil liegt in der universellen Verwendbarkeit bei allen Waffensystemen.

Abhängig von der Anordnung der zu prüfenden Achsen und des gewünschten Meßaufbaues kann das Prüfgerät mit U- oder Z-Strahlengang gebaut werden.

Bei der Version mit U-Strahlengang zeigen beide Strahlen in die selbe Richtung. Bei der Version mit Z-Strahlengang verläuft der versetzte Strahl in die entgegengesetzte Richtung zur Strahlrichtung des Lasers.

Das Prüfgerät arbeitet mit einem sichtbaren Laserstrahl, welcher mittels Strahlteiler innerhalb der beiden Optikbaugruppen in zwei parallele Strahlen, deren Abstand einstellbar ist, aufgeteilt wird. Der Einstellbereich des Parallelabstandes richtet sich nach den Achsabständen des Waffenrohres zu den Sichtlinien der Periskope. Er ist so dimensioniert, daß auch die bei Elevationsänderungen des Waffensystems größer werdenden Abstände der Achsen abgedeckt werden. Die ständig erforderliche Einstellung des Prüfgerätes auf die Lage der optischen Achse der Periskope wird durch die Sichtbarkeit des Auftreffpunktes des Laserstrahles im Vergleich zu Kollimator­ prüfverfahren wesentlich erleichtert.

Fig. 1 zeigt die äußeren Konturen des Prüfgerätes. Es besteht aus zwei Gehäusen, in welchen die optischen Baugruppen (1) und (2) enthalten sind. Beide Gehäuse der optischen Baugruppen sind drehbar an den Enden zweier mittels Gelenk (3) verbundenen Gelenkarmen (4), (5) gelagert. Im Gelenk (3) befinden sich zwei drehbar gelagerte verzahnte Zahnräder die jeweils fest mit der Achse einer Zahnriemenscheibe montiert sind. Die beiden Zahnriemenscheiben werden jeweils von einem Zahnriemen umschlossen, der innerhalb der Gelenkarme (4) bzw (5) liegt. Der Zahnriemen im Gelenkarm (4) umschließt auf der anderen Seite eine Zahnriemenscheibe im Gehäuse der Optikbaugruppe (1). Der Zahnriemen im Gelenkarm (5) umschließt auf der anderen Seite eine Zahnriemenscheibe im Gehäuse der Optikbaugruppe (2). Durch diese mechanische Kopplung wird erreicht, daß bei einer Änderung der Winkelstellung der Arme (4) und (5) zum Zweck einer Abstandsänderung der beiden Laserstrahlen (6) und (7) die beiden Optikbaugruppen so nachgedreht werden, daß sie parallel zueinander bleiben. Damit kann bei allen Winkelstellungen der aus dem Optikfenster (8) austretende Laserstrahl (10) in das Optikfenster (9) eintreten. Das gleiche gilt für den Referenzstrahl (11), welcher vom Optikfenster (9) zum Optikfenster (12) gelangen kann.

Die geforderten Winkelgenauigkeiten zwischen den Strahlen (6) und (7) sind mit der dargestellten Anordnung natürlich nicht erreichbar.

Deshalb ist in den optischen Baugruppen ein Regelsystem integriert, welches die Winkellagen zwischen beiden Einheiten permanent vermißt und über einen 3-achsigen Motorantrieb nachstellt. Ausgehend von Kalibrierwerten, deren Erzielung später beschrieben wird, ist es mit diesem System möglich, Offsets zu den Winkel-Sollwerten hinzuzufügen. Damit können definierte Winkelabweichungen von der Parallelität realisiert werden, welche für die Punktjustierung und die Aufsatz- und Seitenwinkelprüfung notwendig sind. Ein weiterer großer Vorteil liegt in der Kompensationsmessung. Während bei der Kollimatormessung die Winkelablagen anhand von Strichmarken geschätzt werden müssen, deren Justierung oft von einer zweiten Peron durchgeführt wird, erfolgt mit diesem System eine exakte Messung: Die Person am Okular des Periskopes justiert mit Hilfe eines Fernbediengerätes die Lasermarke in das Zentrum des Fadenkreuzes. Dies ist wegen der hohen Symmetrieempfindlichkeit des Auges sehr genau und auch personenunabhängig möglich. Das Prüfgerät errechnet daraufhin aus der Differenz zum Sollwert, die Winkelablagen in Seite und Höhe und zeigt sie am Display des Fernbediengerätes an.

Zur weiteren Vereinfachung beim Einsatz besteht die Möglichkeit, Strahl (6) für einen elektronischen Autokollimator zu verwenden. Dieser bildet nach der Reflexion an einem Spiegel eine Referenz für den Strahl (7). Kleine Abweichungen in der Winkellage des Prüfgerätes zum Referenzspiegel werden automatisch ausgeglichen.

Fig. 2 zeigt eine Anwendung für den Z-Strahlengang. Das Prüfgerät ist am Waffenrohr (13) eines Kampfpanzers über eine Seiten-Höhen-Verstellung (14) mittels einer Spannvorrichtung (14a) adaptiert. In der Waffenrohrmündung ist ein Spannelement (15) angebracht, an welchem rechtwinklig ein Planspiegel (16) angebaut ist. Mit der Seiten- Höhen-Verstellung wird der Strahl (17) zum Spiegel (16) so eingestellt, daß Strahl (18) in das Optikfenster (12a) trifft. Um möglichst exakt die Achsrichtung des Waffenrohres als Referenz zu erhalten, wird eine Umschlagmessung durch Drehen des Spannelementes im Waffenrohr durchgeführt. Eventl. Ablagen zwischen beiden Spiegelstellungen werden vom Auswerterechner des Prüfgerätes berücksichtigt. Strahl (7) muß durch Einstellung des Gelenkes (3) und des Lagers (4a) in die optische Achse des Periskopes (19) geschwenkt werden. Dazu wird der Klemmhebel (1a) gelöst, wodurch das Gelenk (3) und (4a) frei werden.

Das dargestellte Konzept hat den großen Vorteil, daß sich alle für das Waffensystem geforderten Meßarten in dem gezeigten Meßaufbau durchführen lassen: Grundjustierung, Gleichlaufprüfung und Aufsatz/Seitenwinkel-Prüfung. Besonders vorteilhaft ist, daß alle Justierungen und Messungen direkt auf die Waffenrohrachse referenziert werden. Wie schon erwähnt, können die eigentlichen Messungen nach dem Einrichten des Prüfgerätes von einer Person mittels Fernbediengerät (20) durchgeführt werden.

Soll bei einem Waffensystem nur die Grundjustierung, d. h. die Prüfung und Einstellung der Achsparallelitäten bei Elevation 0° durchgeführt werden, kann die Meßanordnung in Fig. 3 angewendet werden. Sie hat den Vorteil, daß man sich die Adaption des Prüfgerätes am Waffenrohr erspart und kommt vor allem für die Serienprüfung bei der Industrie in Frage. Das Prüfgerät arbeitet dabei mit U-Strahlengang und könnte mit einer motorischen Verstellung für das Gelenk (3) und das Drehlager (4a) ausgerüstet werden, damit die Laserstrahlen (7a) und (6) automatisch auf vorprogrammierte Positionen eingestellt werden können.

In Fig. 4 ist das Funktionsprinzip der optischen Baugruppen (1) und (2) dargestellt. Die Baugruppe (1) enthält den Laser (21) mit Aufweitungsoptik (22), (22a) und ein Objektiv (23) mit Flächensensor (24). Die Aufweitungsoptik erzeugt ein Strahlenbündel, von welchem in der folgenden Beschreibung nur einzelne Strahlen zu Erklärung dargestellt werden. Für die Funktion unwichtige Strahlen werden nicht dargestellt.

Das aus der Aufweitungsoptik austretende Strahlenbündel (25) wird durch die Teilerschicht (26a) im Strahlteiler (26) in die beiden Strahlen (27) und (6) aufgeteilt. Strahl (27) tritt über ein nicht gezeichnetes Fenster aus der Optikbaugruppe (1) aus und gelangt über ein nicht gezeichnetes Fenster der Optikbaugruppe (2) auf einen Tellerspiegel (29) mit einer Tellerschicht (29a). Ein Teil des geradewegs durchtretenden Strahles (30) wird an der Tellerschicht (31a) des Rechtwinkelprismas (31) als Strahl (32) gespiegelt und gelangt nach passieren der Tellerschicht (26a) zur Tellerschicht (33a) vom Strahlteiler (33). Von dort wird er als Strahl (32a) zum Objektiv (23) gelenkt und auf dem Flächensensor (24) abgebildet.

Ein Teil von Strahl (30) tritt geradewegs durch die Teilerschicht (31a) und wird als Strahl (30a) an der Tellerschicht (31b) reflektiert und verläßt als Strahl (7) über ein nicht gezeichnetes Fenster die Optikbaugruppe (2). Um die Strahlintensität beim Einblick in das Periskop zu reduzieren, ist das Dämpfungsfilter (42) vorgesehen. Da hierdurch die Sichtbarkeit des Laserfleckes bei der Positionierung der Arme leidet, kann das normalerweise eingeschaltete Dämpfungsfilter vom Bediener am Periskop ausgeschwenkt werden. Dies ist mit einer Sicherheitseinrichtung gekoppelt, so daß eine Blendung des Bedieners vermieden wird.

Der an der Tellerschicht (29a) reflektierte Anteil des Strahles (27) verläßt über ein nicht gezeichnetes Fenster die Optikbaugruppe 2 als Strahl (34), trifft über ein nicht gezeichnetes Fenster auf die Spiegelschicht (35a) des Rechtwinkelprismas (35) in der Optikbaugruppe (1) und wird als Strahl (36) zum Objektiv (23) abgelenkt um auf dem Flächensensor abgebildet zu werden.

Der geradewegs durch die Teilerschicht (26a) tretende Anteil von Strahl (25) verläßt als Strahl (6) über ein nicht gezeichnetes Fenster die Optikbaugruppe (1). Der am Referenzspiegel (16) reflektierte Strahl (6) gelangt als Strahl (28) nach Reflexion an der Teilerschicht (26a) und der Teilerschicht (33a) als Strahl (28a) zum Objektiv (23) und wird auf dem Flächensensor (24) abgebildet.

Zur Unterscheidung der 3 Strahlen (28a), (36) und (32a) dient der Shutter (37). Er unterbricht zu genau bekannten Zeiten wechselweise den Strahl (36) und (6). Dadurch kann die Winkellage der einzelnen Strahlen (28a), (36) und (32a) von der Elektronik, welche die Signale des Flächensensors verarbeitet, berechnet werden. Das Achsenkreuz (38) stellt die Drehachsen der Optikbaugruppe (2) dar, welche mittels Winkelstellantrieben von den errechneten Winkelwerten gesteuert werden. Die Winkellage des Strahles (32a) ist abhängig von der Winkelstellung der Teilerfläche (31a).

Die beiden vom Strahl (32a) abgeleiteten Winkelkoordinaten sind also proportional zur Winkellage der Optikbaugruppe (2) bezüglich der X-Achse und der Z-Achse. Die Winkellage um die Y-Achse wird aus einer Komponente von Strahl (36) gebildet.

Da Strahl (36) auch abhängig von der Winkellage um die X-Achse ist, wird der Istwert für die Y-Achse erst gebildet, wenn das Fehlersignal der X-Achse Null ist.

Aufgrund des veränderbaren Abstandes zwischen Strahl (7) und Strahl (6) müssen die Ablenkteile (29) und (35) drehbar gelagert werden. Der Tellerspiegel (29) wird deshalb an der Achse (39) gelagert und das Prisma (35) an der Achse (40). Da das Fehlersignal für die Y-Achse von der Z-Achse unabhängig ist, werden an die Genauigkeit der Winkeleinstellung dieser beiden Ablenkteile keine besonderen Anforderungen gestellt. Um Verkantungsfehler zu vermeiden, muß jedoch die Achsrichtung genau auf die Spiegelflächen ausgerichtet sein. Beim Prisma kann diese Ausrichtung geprüft werden, indem wechselweise die Spiegelfläche (35a) und die Spiegelfläche (35b) verwendet werden und der Unterschied in der Strahllage (36) festgestellt bzw. wegjustiert wird. Die Achslage beim Teilerspiegel (29) kann gemessen werden, indem er einmal parallel zur Teilerfläche (31a) und einmal rechtwinklig zur Teilerfläche (31a) eingestellt wird. Zu diesem Zweck ist (31b) als Teilerschicht ausgebildet.

Die Kalibrierung der Parallelität zwischen Strahl (6) und (7) zeigt Fig. 5. Strahl (7) wird mit einem Tripelprisma als Strahl (7a) umgelenkt, so daß er zusammen mit Strahl (6) in ein Prüffernrohr eintreten kann. Bei Parallelität bilden sich beide Strahlenbündel in einem Punkt ab. Wenn dies nicht der Fall ist, wird die interne Referenz des Prüfgerätes entsprechend kalibriert. Alle Winkelwerte werden dann auf diesen Kalibrierwert bezogen. Um sicherzustellen, daß die Kalibrierung bei allen Lageänderung und Umwelteinflüssen erhalten bleibt, müssen alle optisch beteiligten Komponenten in der Baugruppe (1) sehr stabil zueinander aufgebaut sein. Da die Baugruppe (2) in seiner Lage zur Baugruppe (1) ständig nachgeregelt wird, muß hierbei nur die Achse (39) zum Prisma (31) stabil sein.

Um die Vorteile des elektronischen Autokollimators zu nutzen, muß der Strahl (6) auf einen Spiegel treffen. Wie erwähnt ist das System in der Lage kleine Winkeländerungen auszugleichen, so daß man sich um die Justierung dieser Referenzseite nicht kümmern muß. Dies ist jedoch für das Meßsystem nicht Bedingung. Es ist auch möglich den Strahl (6) mit Periskop oder Prüffernrohr zu betrachten. Infolge der hohen Strahlintensität muß dann aber ein Dämpfungsfilter eingeschaltet werden wie es für Strahl (7) vorgesehen ist. Der Strahlengang bei der U-Version unterscheidet sich nur dadurch, daß das Prisma (31) und das Dämpfungsfilter (42) 180° gedreht um die Y-Achse eingebaut sind. Damit zeigt der Strahl (7) in die selbe Richtung wie Strahl (6). Die Kalibrierung kann somit ohne das Tripelprisma durchgeführt werden.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Prüfung der Achslage der optischen und mechanischen Achsen von Waffensystemen mit einer richtungsstabilen Strahlquelle, welche durch optische Ablenkmittel in zwei Strahlen aufgeteilt wird, deren Abstand zueinander einstellbar ist dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelität zwischen beiden Strahlen ständig durch ein optisches System, bestehend aus zwei nebeneinander angeordneten Strahlteilern, aus einem Laser mit Aufweitungsoptik, aus einem Kollimator mit einem optoelektronischen zweidimensionalen Wandlungselement, aus einem Lichtunterbrecher, einem drehbaren Rechteckprisma, einem teilverspiegelten Prisma mit einer drehbar angeordneten Teilerplatte und einer dreiachsigen motorischen Winkeleinstellung, überwacht und eingestellt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß alle optischen Messungen an einem Kampfpanzer direkt auf die Waffenrohrachse referenziert werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß alle optischen Messungen an einem Kampfpanzer mit einem Meßaufbau durchgeführt werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein scherenförmiger Träger verwendet wird, an deren Enden jeweils eine optische Baugruppen drehbar angebracht ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Grobausrichtung der optischen Baugruppen zueinander über ein mechanisches System, bestehend aus Zahnrädern und Zahnriemen erfolgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmung für beide Armgelenke mit einem Hebel betätigt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als optischelektrischer Wandler ein CCD-Element verwendet wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle ein He-Ne-Laser verwendet wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle ein Halbleiterlaser verwendet wird.