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Beschreibung
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Optisches Parallelitäts- una Gleichlaufprüfgerät Bei der Prüfung der
Parallelität von zwei oder mehr optisch durch Kollimatoren, Zielfernrohre oaer durch
die Flächennormale von Planspiegeln åargestellten Achsrichtungen tritt dann, wenn
kein Fernziel (z.B. Gestirn) zur Verfugung stehet, das Problem auf, eine Bezugsrichtung
an den Ort der zu prüfenden Achsen zu übertragen.
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Dieses problem ist besonuers dann schwierig zu lösen, wenn der räumliche
Abstand aer die Achsrichtungen dars telienuen Einrichtungen variabel ist una außerdem
die Richtung der Achsen sich ändert (Gleichlaufprüfung). Diese Probleme treten z.B.
bei direkt gerichteten Rohrwaffen auf, bei denen die Zieleinrichtung (Visier) nicht
starr mit dem Waffenrohr verbunaen ist. Besonders bei Flugabwehr-Rohrwaffen mutS
bei jeder Erhöhung die Rohrmündungstangente und die optische Achse der Zieleinrichtung
genügend genau parallel sein.
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Zur Messung des Gleichlauffehlers an IJaffen sind verschiedene Einrichtungen
benutzt worden. Bekannt ist die Übertragung der Bezugsrichtung auf mechanischem
eee über ein Gestänge. Nachteilig ist dabei, daß diese zur Vermeidung der Durchbiegung
unter Eigengewicht große Querschnitte haben una wegen des variablen Abstanues der
zu prüfenuen Achsen minuestens eine sehr Präzise Parallelführung besitzen müssen.
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Bei waffen wird häufig allein der vertikale Anteil des Gleichlauffehlers
gemessen, wobei als Bezugsrichtung die Lotrichtung benutzt wird, die durch Lote
oder Libellen überall auf der Erdoberfläche gegeben ist. Schwieriger ist die Messung
der horizontalen Komponente des Gleichlauffehlers. Am genauesten geschieht dies
bezüglich einer Reihe von präzise ausgerichteten Kollimatoren (Kollimatorbogen),
was aber sehr aufwendig ist und nur für eine begrenzte Anzahl von diskreten Rohrstellungen
möglich ist. In der Praxis behilft man sich deshalb häufig mit zwei fernen Lotfäden
als Bezugslinien für Visier und Waffenrohr. Dies ist bei großen Rohrerhöhungen sehr
unhandlich, da der horizontale Abstand der Lotfäden wegen der optischen parallaxe
des Zielmittels (Zwischenabbildung der Lotfäden nicht in der Strichplattenebene)
mindestens etwa 10 m betragen muß.
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Außerdem muß vorher die Schildzapfenachze der effe waagerecht ausgerichtet
werden.
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Ein weiteres Verfahren besten darin, daß das Zielmittel als Autokollimator
benutzt wird, der mit einem mit dem Waffenrohr starr verbundenen Planspiegel zusamrnenwirkt.
Nachteilig ist dabei die Notwendigkeit, die Strichplatte im Zielmittel zu beleuchten
und weiter, daß u.U. ein sehr großer und damit schwerer und teurer Planspiegel benutzt
weraen muß.
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Zur Vermeidung der hachteile der herkömmlichen Verfahren wird bei
dem im folgenden beschriebenen Gerät aie Bezugarichtung durch mehrere Planspiegel
be. Prismen auf rein optischem .Wege ubertraBen.
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Im einzelnen werden zwei im folgenden als Ablenkelement 1 und Ablenkelement
2 bezeichnete Spiegelvorrichtungen benutzt (Fig 1).
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Ablenkelement 1 besteht aus einem Träger 3, auf dem ein fester Planspiegel
4 und ein dazu auf bekannte eise parallel justierbarer Planspiegel 5 befestigt sind,
die aie Aufgabe haben, ein innerhalb eines durch die Größe der Spiegel und ihren
Abstand bestimmten Raumwinkels eintretendes Lichtstrahlenbündel 6 parallel zu versetzen.
Ablenkelement 2 besteht aus einem Träger 7, auf dem ein Dachkantprisma 8 fest und
ein Planspiegel 9 senkrecht zur Dachkante justierbar (oder ungekehrt) befestigt
sind, die die Aufgabe haben, ein eintretendes Lichtstrahlenbündel 6 parallel zu
versetzen und es außerdem in die entgegengesetzte Richtung umzulenken (entgegengesetzt
parallele Umlenkung).
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Bei beiden Ablenkelementen brauchen aie Spiegel nicht notwendig im
Winkel von 450 zur Hauptstrahlrichtung angeordnet sein. Alle Spiegel können auch
als einfaches Ablenkprisma ausgebildet sein. Das Dachkantprisma 8 kann auch durch
zwei senkrecht zueinander fest verbundene Spiegel ersetzt werden, was z.B. im nicht
sichtbaren Spektralbereich erforderlich sein kann. Es kann jedoch nicht analog Ablenkelement
1 durch nur einen Planspiegel ersetzt werden1 da dann schräg zur Zeichenebene einfallende
Strahlen nach der Ablenkung nicht parallel zur Einfallsrichtung verlaufen würden.
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Innerhalb des durch die Gröl3e der Spiegel und Prismen und ihren Abstand
bestimmten Raumwinkels ist bei beiden Elementen der parallele bzw. entgegengesetzt
parallele Versatz unabhängig von der Einfalls-
richtung. Bei Ablenkelement
1 ist dies evident, aa z.vei parallele Spiegel einen Strahl immer parallel veretzen.
Bei Ablenkelement 2 können Planspiegel 9 und Dachkantprisma 8 als Teil eines Tripelspiegels
betrachtet erden, der bekanntlich eintretende Strahlen immer entgegengesetzt parallel
umlenkt.
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Aus der Konstanz der Ablenkung bei beiden Elementen folgt aje hier
wichtige Tatsache, daß ein Strahl f e s t e r Einfallsrichtung auch bei kleinen
Verlagerungen der Ablenkelemente in allen sechs Freiheitsgraden nach der Ablenkung
parallel bleibt. Die Verlagerung der Elemente darf nur nicht so groß sein, daß das
Strahlenbündel unzulässig stark beschnitten wird.
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Während kleine Verlagerungen des ganzen Ablenkelementes unschädlich
sind, bewirken Verbiegungen aer Träger der beiden Elemente Abweichungen von der
Parallelität; sie müssen aurch konstruktive Maßnahmen verhindert weraen.
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Insbesondere dürfen durch die Unterstützung der Ablenkelemente keine
Biegemomente in die Träger eingeleitet werden. Hierzu ist es notwendig (wenn auch
nicht in allen denkbaren Fällen hinreichend), daß aie Lagerung der Elemente nicht
statisch uberbestimmt ist. Die Technische Mechanik liefert hierfür zahlreiche Lösungsmöglichkeiten.
Bei dem hier beschriebenen Gerät weruen zwei Kardanringe in einfachster Ausführung
gewählt, von uenen einer (10) direkt mit dem Träger 3 bzw. 7 des Ablenkelementes
1 bzw. 2 verbunden ist, während aer andere (11) über eine zusätzliche zylindrische
Gleitführung 12 mit dem Träger verbunden ist (Fig 2).
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Außer durch äußere Biegemomente, die durch eine konstruktiv fehlerhafte
Lagerung eingeleitet werden könnten, besteht bei größeren Ablenkelementen die Gefahr
der Verbiegung durch ihr Eigengewicht. Dem wird erfinåungsgemäß dadurch begegnet,
daß der Abstand 13 der beiden Kardanringe 10 und 11 voneinander so groß gewählt
wird, daß die Tangenten der Biegelinie 14 des Trägers am Ort der Spiegel bzw. des
Prismas bei dessen Verbiegung unter Eingengewicht parallel bleiben.
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In Fig 3 ist dies am Beispiel des Ablenkelementes 1 dargestellt.
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Wenn fur den Träger ein über die ganze Länge gleicher (nicht notwendig
kreisförmiger) Querschnitt gewählt wird und der Schwerpunkt der Spiegel (prismen)
mit ihrer Befestigung auf aer neutralen Faser
Qes Trägern lient,
wird die Parallelablenkung auch dann nicht schäd lich beeinflußt, wenn das Ablenkelement
eine beliebige Lage relativ zur Schwerkraftrichtung einnimmt.
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Schließlich besteht noch die Gefahr, daß die Elementträger sich durch
ungleichmäßige Erwärmung verbiegen. Dies wird weitgehend dadurch verhindert, aalZ
aer Träger aus einem gut wärmeleitenden Material besteht (z.B. Aluminium) und das
er aurch ein Gehäuse direkter Wärmestrahlung und -konvektion entzogen wird.
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Zum Aufbau eines Parallelitäts- und Gleichlaufprüfgerätes zur Messung
des Parallelitätsfehlers von Achsen mit variablen Abständen werden erfindungsgemäß
zwei der beschriebenen Ablenkelemente in zwei durch ein Gelenk 15 (Fig q) s c h
w e e n k b a r miteinander verbundenen Armen 16 und 17, gemäß Fig 2 gelagert, angeordnet,
die gleichzeitig die Gehäuse für die Wärmeabschirmung bilden. Grunusätzlich können
dabei alle Kombinationen der Ablenkelemente benutzt werden. In Fig 4 ist die Kombination
aus je einem Ablenkelement 1 und 2 angenommen. Es können auch mehr als zwei Ablenkelemente
vorgesehen werden. Zur Fixierung ues Eintritts es Gerätes @ gegenüber dem Bezugs-Kollimator
aiet das Gelenk 18. Da der Parallelversatz der Lichtstrahlen bei uen einzelnen Ablenkelementen
invariant ist gegenüber kleinen Verlagerungen der Elemente, ist dies auch bei der
Kombination zweier oder mehrerer Ablenkelemente der Fall. Dadurch, daß die beiden
Arme zusammengeschwenkt werden können, kann die Parallelitat aller Achsen innerhalb
eines Zylinders geprüft werden, dessen Radius gleich der summe ner Parallelversatz-Abstände
der beiden Ablenkelemente ist.
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Bei der Benutzung des Gerätes sind im Prinzip zwei Anordnungen möglich.
Bei der einen Anordnung (Fig 5) wird der Bezugskollimator 19 vor dem einen fenster
des Parallelitäts- unu Gleicnlaufprüfgerätes LO angeordnet, auf dessen im anderen
Fenster sicntbares Strichbild ein Zielfernrohr al gerichtet ist, in dessen Okular
es zusammen mit dem Strichbild des Zieifernronres gesehen wird. Bei uer anaeren
Anordnung (Fig 6) wird ein Autokollimator 22 vor dem einen Fenster des Gerätes 20
angeordnet. Das aus dem Objektiv des Autokollimators 22 austretende Strahlenbündel
durchläuft das Gerät 20, wird durch den vor dem anderen Fenster befindlichen Planspiegel
23 ge-
spiegelt, durchläuft das Gerät 20 in entgegengesetzter Richtung
und tritt wieder in den Autokollimator 22 ein, in aessen Okular es auf bekannte
Weise zur Abbilaung gebracht wird. Die zu vermessenaen Achsrichtungen sind dabei
aurch aie optische Achse aes Kollimators 19 bzw. Autoxollimators 22 einerseits und
durch die optische Acnse des Zielfernrohres 21 bzw. uie Flächennormale des Planspiegels
23 andererseits dargestellt. Wenn die Strichplatte des Kollimators oder des Zielfernrohres
bzw. des Autokollimators entsprechende Meßmarken aufweist, können im Okular des
Zielfernrohres 21 bzw. des Autokoliitnators 22 direkt uie beiaen Komponenten des
Parallelitätsfehlers abgelesen werden. Statt dessen kann der Parallelitätsfehler
auch mit einem vor einem der beiden Fenster angeordneten optischen Mikrometer 24
(Fig 7) gemessen werden, mit aem ein Strahlenbündel um genau meßbare Betrage abgelenkt
werden kann.
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Der Vorteil des beschriebaren Gerätes liegt gegenüber bekannten Geräten
darin, daß tile Genauigkeit nur abhängig ist von der Justierbeständigkeit und aer
optischen Qualität der relativ kleinen Jpiegel, Prismen und, falls verwendet, der
Abschlußfenster. Bei allen anderen Teilen ist keinerlei präzision erforderlicil.
Insbesondere ist bei den Gelenken 15 und 18 soviel Lose zulässig, daß noch kein
störender Beschnitt des Strahlenganges erfolgen kann.
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Bei einem für die Gleichlaufprüfung an Rohrwaffen bestimmten Gleichlaufprüfgerat
wird zweckmäßig eine Kombination Ablenkelement 1/Ablenkelernent 2 gewählt, da sich
damit insgesamt ein entgegengesetzt paralleler Strahlengang, ergibt (Fig 8). Die
aus dem die Rohmündungstangente darstellenden Kollimator 19 austretenden Strahlen
werden durch das Gerät entgegengesetzt parallel in das Zielmittel (Visier) 25 umgelenkt,
so daß in diese das Kollimator-Strichbild zu sehen ist una die Deckung mit der in
der Visiermitte angebrachten Justiermarke geprüft weraen kann. Bei Änderung des
Abstandes Rohr/ Visierlinie kann das Austritts-Fenster des Gerätes durch Verschçvenken
der Arme 16, 17 wieder in das Sehfeld des Zielmittels 25 gebracht werden.
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Bei ader Kombination Ablenkelement 1/Ablenkelement 2 ergibt sich die
im folgenden beschriebene, besonders vorteilhafte Möglichkeit fur die Justierung
des gerätes selbst und für deren Überwachung. Für die Parallel justierung der beißen
Spiegel 4 und 5 des Ablenkelementes
1 wird einer der beiden Ilanspiegel
teildurchlässig ausgeführt (Teilerplatte 26; Fig 9), damit dieses Element auf bekannte
Art Kegen ein Planspiegelnormal 27 oder mit Hilfe eines Fernziels, z.B.
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Gestirn, justiert werden kann.
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Zur Justierung von Ablenkelement 2, das hierfür den gleichen Farallelversatz
haben mu[S wie Element 1, werden beide Elamente in die in Fig 10 dargestellte Lage
zueinander (Justierstellung) gebracht.
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Blickt man jetzt mit dem Auge 28 in den teildurchlässigen Spiegel
26, so sieht man im allgemeinen zwei Bilaer der Kollimatorstrichplatte, die dadurch
zustande kommen, daß das aus dem Kollimator austretende Strahlenbündel an der Teilerplatte
26 geteilt wird, damit die Teilbündel das Gerät gegenläufig durchlaufen und daß
sie an der Teilerplatte 26 wieder vereinigt werden. Die beiden Teilbilder werden
jetzt durch Betätigung der Justierelemente des Ablenkelementes 2 zur Deckung gebracht;
damit ist auch Ablenkelement 2 justiert.
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Besonders günstig wirkt es sich dabei aus, daß die drei Spiegel und
das Dachkantprisma in der Stellung Fig 10 als zyklisches Interferometer wirken.
Kurz vor rreichen der Deckung der Teilbilder treten für das Auge ko starke Interferenzstreifen
(Keilinterferenzen) im Sehfeld auf, die durch ihre Anzahl eine recht genaue Aussage
über die bereits erreichte Justiergüte erlauben. Diese Eigenschaft erlaubt außerdem
eine sehr einfache Kontrolle des Justíerzustandes des im Gebrauch befindlichen gerätes
ohne weitere Hilfsmittel, indem einfach durch Abzählen der Interferenzstreifen mit
bloiSem Auge festigestellt wird, ob eine vorgegebene Anzahl nicht uberscLiritten
wird. Auch der Kollimator ist hierzu nicht nötig, eine homogene Fläche, z.B. der
Himmel oder ein beleuchtetes Blatt Papier, als Lichtquelle genügt.
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Diese Methode der Überwachung des Justierzustandes ist zwar theoretisch
nicht absolut verläßlich, da ja in der Justierstellung die Dejustierung des einen
Ablenkelementes zufällig durch eine Dejustierung des anderen Ablenkelementes kompensiert
sein könnte, doch ist das Eintreten eines solchen Zufalls äußerst unwahrscheinlich.
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Die negative Aussage, d.h. das Gerät ist dejustiert, wenn die zulässige
Anzahl der Interferenzstreifen überscnritten ist, ist jedoch immer richtig.
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enn ein Farallelitats- und Gleichlaufprüfgerät der beschriebenen Art
benutzt wird, ist es häufig wünschenswert, das Meßobjekt von dem Gewicht des Gerätes
zu entlasten. Hierzu dient die in Fig 11 im Prinzip und in Fig 12 in einer Ausführung
für Gleichlaufprüfgeräte für Rohrwaffen gezeigte Vorrichtung. Sie besteht aus einem
Parallelogrammgetriebe mit parallelen Gelenkachsen, von denen zwei Glieder 16 und
17 und das sie verbindende Gelenk 15 durch das Gerät selbst gebildet werden und
bei dem die Achse des dem Gelenk 15 gegenüberliegenden Gelenkes 29 beim Verschwenken
der Arme bei passend gewählten Gliedlängen und Anlenkpunkten stets durch den Gesamtschwerpunkt
des Gerätes geht. Fig 11 veranschaulicht den mechanischen Zusammenhang: Es seien
S1 bis S4 die Schwerpunkte der vier Glieder des Parallelogramms und m1 bis mq deren
Massen. Ferner sollen 1 und die Gelenke 15 und 30 einerseits und S2 und die Gelenke
15 und 31 andererseits auf Geraden liegen. Dann ist mit den in Fig 11 angegebenen
Bezeichnungen dann Gleichgewicht vorhanden, wenn, wie man aus Fig 11 abliest,
ist.
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Qird nun
gemacht, so ist, wie man durch Einsetzen erkennt, die Gleichgewichtsbedingung unabhängig
von den Winkeln α und ß immer erfüllt, woraus folgt, daß aer Gesamtschwerpunkt
inner in dem unterstützenden Gelenk 29 liegt, wenn X und y uie aus obigen Formeln
zu errechnende Größe haben.
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In der in Fig 12 gezeigten Ausführung wird das Gerät im Gesamtschwerpunkt
an dem Seil 33 aufgehängt, das über eine seitlich verfahrbare Rolle 34 gelegt ist
und am anderen Ende das Gegengewicht 35 trägt.
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Die Paßstange 32 und aer Kollimator 19 der in Fig 12 gezeigten Ausführung
sind mit dem Gelenk 18 an dem Arm 16 befestigt. Sie können bezüglich der Gewichtsentlastung
des ,Xaffenrohres als Teil des Arms 16 betrachtet werden, so daß das Waffenrohr
vollständig von dem Gewicht zusätzlicher Massen entlastet werden kann.