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Rundheitsmeßeinrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Rundheitsmeßeinrichtung mit einem an der
zu messenden Fläche des Prüflings gleitenden Taster. Mit derartigen Meßeinrichtungen
werden beispielsweise die Innen- bzw. Außendurchmesser von Rohren überprüft und
Abweichungen des Rohrprofils von der Sollform festgestellt. In der Regel bestehen
diese Meßeinrichtungen aus zwei Teilen, einen am Prüfling zu fixierenden Teil und
einem dagegen verdrehbaren Kopfteil, das den Taster trägt, von dem der Prüfling
abgetostet wird. Meßgeräte dieser Bauart zur Prüfung des Rohrinnenprofils sind beispielsweise
in der EP-A2-76144, in der DE-A1-302 43 34 oder der DE-C2-28 13 842 beschrieben.
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Die Auslenkung der Taster wird bei diesen bekannten Meßgeräten über
induktive oder resistive Meßfühler bzw. nach dem Gitterabtastprinzip arbeitende
photoelektrische Meßfühler ermittelt, die in das verdrehbare Kopfteil eingebaut
sind. Neben der Meßungenauigkeit aufgrund der mangelnden Auflösung der verwendeten
Meßfühler geht bei diesen Geräten der Ablauffehler des Drehlagers des Kopfteils
in den Meßwert ein, so daß die Genouigkeit, mit der diese Geräte arbeiten, beschränkt
ist.
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Zwar ist es an sich bekannt für hochauflösende Längenmessungen Interferometer
einzusetzen, aber selbst wenn man anstelle der z.B. induktiven Meßfühler in den
bekannten Rundheitsmeßeinrichtungen Taster einsetzen würde, deren Verschiebeweg
interferometrisch ermittelt wird, bleibt doch der Einfluß der Laufgenauigkeit des
Drehlagers auf das Meßergebnis bestehen.
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Aus der DE-OS 24 29 130 ist ein interferometrisches LängenmeBsystem
bekannt, bei dem der Reflektor aus einer transparenten Kugel mit einem Brechungsindex
von n=2 besteht. Über die Verwendung eines solchen Interferometers in einer Rundheitsmeßeinrichtung
sind der genannten Schrift jedoch keine Angaben zu entnehmen. Außerdem dürfte die
Herstellung einer transparenten Kugel aus Material mit n=2 in dem für interferometrische
Längenmessungen bevorzugten Spektralbereich mit Schwierigkeiten verbunden sein.
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Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Rundheitsmeßeinrichtung
mit möglichst hoher Auflösung zu schaffen, deren Meßgenauigkeit von der zwischen
Prüfling und Meßgerät durchzuführenden Drehbewegung möglichst unbeeinflußt bleibt.
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Diese Aufgobe wird gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruchs dadurch
gelöst, daß eine interferometrische Längenmeßeinrichtung vorgesehen ist, die den
Abstand des Tasters zu einer konzentrisch zur Drehachse der Meßeinrichtung bzw.
des Prüflings angeordneten, relativ zum Prüfling feststehenden, konvexen, rotationssymmetrischen
Spiegelfläche () mißt.
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Bei einer gemäß der Erfindung aufgebauten Meßeinrichtung wird also
der Abstand zwischen dem Prüfling und einem relativ zum Prüfling fixierten Referenzkörper
gemessen, so daß das Lager für die Drehbewegung des Tasters bzw. Prüflings nicht
in die Meßgenauigkeit eingeht. Zwar gehen Abweichungen der rotationssymmetrischen
Spiegelfläche von der Ideal form in das Meßergebnis ein, derartige Abweichungen
können jedoch durch eine möglichst genaue Bearbeitung der Fläche sehr klein gehalten
werden, beispielsweise lassen sich Kugeln oder Zylinder mit hoher Genauigkeit rund
polieren. Verbleibende Abweichungen des angemessenen Meridians des Referenzkörpers
lassen sich im übrigen feststellen und, da diese Abweichungen im Gegensatz zu den
kurzperiodischen und verschleißabhongigen Ablauffehlern eines Lagers unveränderlich
sind, speichern und bei der Meßwertbildung berücksichtigen. Auf diese Weise läßt
sich mit der Meßeinrichtung gemäß der Erfindung eine Meßgenauigkeit weiter unter
O,1m erzielen.
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Zweckmäßigerweise wird der Meßstrahlengang von einem Objektiv auf
die Spiegelfläche fokussiert, das in einem Abstand zur Symmetrieachse der Spiegelfläche
angeordnet ist, der seiner Brennweite entspricht. Handelt es sich bei der Spiegel
fläche um eine Kugel oder einen meridianen Kugelabschnitt, so besteht das Objektiv
im wesentlichen aus sphärischer Optik.
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Es ist jedoch auch möglich eine Spiegelfläche in Form eines mit der
Drehochse der Meßeinrichtung konzentrischen Zylindermantels zu verwen-
den.
In diesem Falle besteht das Objektiv aus Zylinderlinsen.
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Eine besonders große Arbeitsgeschwindigkeit läßt sich mit der Meßeinrichtung
dann erzielen, wenn der am Prüfling entlanggeführte Taster eine möglichst geringe
Masse besitzt. Es ist daher vorteilhaft, wenn nicht der gesamte Interferometerkopf,
mit dem die Spiegelfläche angemessen wird, am auslenkbaren Taststiftträger befestigt
ist, sondern wenn der vom Interferometerkopf ausgehende Meßstrahlengang lediglich
über ein am Taststiftträger befestigtes Spiegelprisma geführt wird.
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Dieser Meßstrahlengang kann beispielsweise einer der beiden Teilstrahlen
eines handelsüblichen sogenannten Doppelstrahl-Planspiegel-Interferometers sein,
wie es in der DE-PS 23 48 272 beschrieben ist.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn das Teil der Meßeinrichtung, an
der der Taststiftträger auslenkbar befestigt ist, in Bezug auf die Symmetrieachse
der Einrichtung, radial verstellbar gehaltert ist, um eine Einstellung der Meßeinrichtung
auf die Durchmesser unterschiedlich großer Prüflinge zu ermöglichen. An diesem Teil
der Einrichtung ist auch der Meßkopf des Doppelstrahl-Planspiegel-Interferometers
angebracht.
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Zur Versorgung des Interferometerkopfes dient ein Laserstrahl, der
dem rotierenden Teil der Meßeinrichtung zweckmäßig durch die hohle Drehachse zugeführt
wird.
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Die Rundheitsmeßeinrichtung kann als separate Meßeinrichtung ausgeführt
werden. Es ist jedoch auch möglich die Meßeinrichtung an der Pinole einer Mehrkoordinaten-Meßmaschine
zu befestigen. Dabei dienen die waagerechten Verschiebeachsen der Meßmaschine dazu
die Meßeinrichtung zu einem oder mehreren auf dem Tisch der Meßmaschine aufgespannten
Prüflingen rechnergesteuert zu verfahren und anschließend auch zu zentrieren, während
der Antrieb der Pinole dazu benutzt werden kann die Meßeinrichtung entlang der Prüflingsachse
zu bewegen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachstehenden
Beschreibung der Figuren 1-5 der beigefügten Zeichnungen entnehmbar, die Ausführungsbeispiele
der Erfindung zeigen.
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Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer
Rundheitsmeßeinrichtung in einer die Drehachse enthaltenden Ebene; Fig. 2 zeigt
den optischen Teil der Einrichtung aus Fig. 1 in gesndertem Maßstab; Fig. 3 zeigt
den interferometrischen Meßzweig der Optik aus Fig. 2 in Aufsicht; Fig. 4 zeigt
eine weitere Ansicht des interferometrischen Meßzweiges der Optik aus Fig. 2; Fig.
5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer interferometrischen Rundheitsmeßeinrichtung.
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Die in Fig. 1 dargestellte Rundheitsmeßeinrichtung besitzt eine Grundplatte
1, auf deren Aufnahme der Prüfling 3 aufgesetzt ist. In der Mitte trägt die Grundplotte
1 ein Radiallager bestehend aus einem feststehenden, hohlen Zapfen 4 und einem darumgelegten
Lagerring 5. Dieser Lagerring 5 trägt den beweglichen Teil der Meßeinrichtung und
stützt sich über ein Achsiallager 2 auf dem tellerförmigen Fuß des Zapfens 4 ab.
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Der drehbore Teil der Meßeinrichtung besteht aus einem an dem Lagerring
5 befestigten Träger 6, auf den eine mittels Klemmhebeln 9 und 10 arretierbare Schiene
7 radial verschiebbar aufgesetzt ist. Die Schiene 7 trägt den Tastkopf der Meßeinrichtung.
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Der Tastkopf besitzt einen über Federparallelogramme 12 und 13 radial
nachgiebig an dem mit der Schiene 7 verbundenen Halter aufgehängten Tastkörper 11,
der an der Innenwand des Prüflings 3 anliegt. Außerdem enthält der Tastkopf einen
noppelstrahl-Interferometerkopf 15, der von einem neben der Grundplatte 1 stehenden
Lesergerät 19 versorgt wird.
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[er Strahl des Lasers wird dazu durch eine Bohrung 24 in der Grundplatte
1 und nach Unlenkung über einen ersten Spiegel 20 durch die zentrische Bohrung des
Zapfens 1 geführt, darnach mit Hilfe eines Prisma 21 in
eine Nut
25 in der Schiene 7 eingespiegelt und schließlich von einem weiteren Prisma 22 in
Richtung auf den Interferometerkopf abgelenkt.
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Mit 23 ist eine ebenfalls auf der Schiene 7 befestigte Detektoreinheit
bezeichnet, die dem Ausgang des Interferometerkopfes 15 zugeordnet ist.
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Auf den Zapfen 4 ist eine aus transparentem Material bestehende Kugel
18 aufgesetzt. Diese Kugel 18 ist auf der Auflageseite und gegenüber abgeplattet.
Die verbleibende merdionale Fläche M ist vollständig verspiegelt und dient dem Interferometerkopf
15 als Referenzfläche, gegen die radiale Auslenkungen des Tastkörpers 1 1 gemessen
werden.
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Vor der feststehenden Kugel 18 ist am Träger 6 ein Objektiv 13 in
einem Abstand vom Kugelmittelpunkt angeordnet, der der Brennweite des Objektivs
13 entspricht. Alit Hilfe dieses Objektivs wird erreicht, daß die vom Interferometerkopf
15 ausgehenden, parallelen Mrßstrahlenbündel nach Reflexion an der Kugel 18 nicht
divergieren sondern wieder als parallele Strahlenbündel in den Interferometerkopf
15 zurückreflektiert werden.
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Wie aus der detaillierten Darstellung der Interferometeroptik in den
Fig. 2,3 und 4 hervorgeht, tritt der eine Meßstrahl b des Zweistrahl-Interferometers
15 direkt und ohne weitere Umlenkung in das Objektiv 16 ein, während der zweite
Meßstrahl a von einem am feststehenden Teil 8 des Tastkopfes befestigenden Tripelprisma
17 reflektiert wird und erst nach nachmaliger Ablenkung über ein am beweglichen
Tastkörper 11 befestigtes, zweites Tripelprisma 14 zum Objektiv 16 gelangt. Mit
dieser Anordnung wird jede radiale Verlagerung des Tastkörpers 11 in eine um den
Faktor 4 verstärkte Längenänderung des Interferometerarms umgesetzt, unabhängig
davon ob die Verlagerung durch eine Auslenkung des Tastkörpers 11 relativ zu seiner
Aufhängung 8 oder durch eine Rodialverschiebung des gesamten Tastkopfes, beispielsweise
infolge einer thermischen Ausdehnung der Schiene 7 oder Spiel im Radiallager 4/5
bewirkt wird.
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Bei dem in Fig. 5 dargestellten, zweiten Ausführunysbeispiel ist die
Rundheitsmeßeinrichtung an die vertikal verfahrbare Pinole 105 einer Mehrkoordinaten-"eßmeschine
angesetzt. die aus einem gegenüber dem
Tisch 101 verfahrbaren Portal
102 besteht, das den Querschlitten 104 trägt, in dem ihrerseits die Pinole 105 geführt
ist.
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Auf den Tisch 101 ist der Prüfling 103 aufgesetzt. Bei diesem Prüfling
handelt es sich um den konischen Ringspiegel eines Röntgenteleskops, der hochgenau,
d.h. in der Größenordnung eines Bruchteils der Wn.llenlänge des interessierenden
Spektralbereiches vermessen werden muß.
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Die eigentliche Rundheitsmeßeinrichtung besitzt im wesentlichen den
gleichen Aufbau wie das in Fig. 1-4 dargestellte Ausführungsbeispiel.
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Es ist ein Lager 109 vorgesehen, mit dem der Träger 106 für eine radial
verstellbare Schiene 107 drehbar an der Pinole 105 befestigt ist. Die Schiene trägt
den Tastkopf 108, dessen beweglicher Tastkörper 111 an der Innenseite des Prüflings
103 anliegt und der den nicht dargestellten Interferometerkopf enthält.
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Im Träger 106 ist das Objektiv 116 befestigt, das den vom Tastkopf
ausgehenden interferometrische Meßstrohl c auf den Mittelpunkt einer mit der Pinole
105 festverbundenen Kugel 118 fokussiert. Versorgt wird der Interferometerkopf von
einem auf die Pinole 105 aufgesetzten Lasergenerator 119. der Laserstrahl ist dabei
durch das Innere der Pinole 105 geführt.
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