DE4120497A1 - Coincidence manipulator esp. for adjusting already mounted optical components - has displacement pick=ups reacting vertically on underside of object reception table and translation elements working under control of microprocessor - Google Patents
Coincidence manipulator esp. for adjusting already mounted optical components - has displacement pick=ups reacting vertically on underside of object reception table and translation elements working under control of microprocessorInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Koinsidenzmanipulator zur Justierung von im funktionellen Zusammenhang stehenden geometrisch bestimmten Objekten. Sie kann vorwiegend sowohl zur Justierung bereits gefaßter optischer Bauelemente zu einer vorgegebenen Geräteachse als auch zur Justierung einer optischen Achse zu einer mechanischen Fassungsachse eingesetzt werden.The invention relates to a coincidence manipulator for adjustment of geometrically related certain objects. It can mainly be used for adjustment optical components already contained to a predetermined Device axis as well as for adjusting an optical axis a mechanical socket axis can be used.
Bekannt sind Vorrichtungen und Verfahren zur Justierung und Lagefixierung optischer Elemente, bei denen die optischen Elemente in vorgearbeitete mechanische Fassungen eingebracht und mittels mechanischer oder chemischer Mittel lagefixiert werden, wie in DD-PS 80 998 und DD-PS 2 06 591.Devices and methods for adjusting and Fixation of optical elements in which the optical Elements inserted in pre-machined mechanical frames and are fixed in place by mechanical or chemical means, as in DD-PS 80 998 and DD-PS 2 06 591.
Zur Realisierung der Übereinstimmung zwischen der optischen und der mechanischen Bezugsachse erfolgt eine Justierung über einen Bewegungsmechanismus, dessen Basis ein Kugelfutter bildet, mit sich anschließender spanenden Feinbearbeitung der mechanischen Funktionsfläche, zwecks Ausrichtung derselben zur optischen Achse. Eine weitere bekannte, auf DD-PS 08 998 basierende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zentrierung von in Ringen gefaßten optischen Gliedern mit dem Ziel der Einsparung von einer Vielzahl von Vorrichtungen und der dabei auftretenden Umrüstarbeiten. Damit wird der Anwendungsbereich der Vorrichtung gemäß DD-PS 80 998 bezüglich unterschiedlicher Flächenradien der optischen Glieder wesentlich erweitert. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Vorrichtung zwei auf der Achse der Arbeitsspindel angeordnete Kugelkalotten enthält, die mit einem Mittelstück an zwei sphärischen Gleitflächen befestigt sind, und daß beide Kugelkalotten feststellbar um den jeweiligen Kugelkalottenmittelpunkt kippbar gelagert sind. To achieve the match between the optical and The mechanical reference axis is adjusted using a Movement mechanism, the basis of which is a ball lining, with subsequent machining fine machining of the mechanical Functional surface, for the purpose of aligning it to the optical Axis. Another known, based on DD-PS 08 998 Invention relates to a device for centering in rings optical links with the aim of saving a variety of devices and the occurring Retrofitting. So that the scope of the device according to DD-PS 80 998 regarding different surface radii of the optical links significantly expanded. This is solved Task in that the device two on the axis of Includes spherical caps arranged with a working spindle Middle piece is attached to two spherical sliding surfaces, and that both spherical caps can be found around the respective one Spherical cap center are tiltably mounted.
Zur Justierung von Linsen mit beliebigen Flächenradien sind nach DD-PS 2 24 910 Vorrichtungen bekannt, bei denen für jeden Radius eine entsprechende Schwenkkalotte der Justiervorrichtung verwendet wird. In US-PS 1 09 217 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zentrieren optischer Elemente angegeben, wobei eine genaue laterale und axiale Lagefixierung optischer Bauteile ermöglicht wird. Dabei erfolgt die Justierung mehrerer optischer Elemente zueinander durch Variation von drei Abstandsbolzen, deren Länge justierbar ist.For the adjustment of lenses with any surface radii are after DD-PS 2 24 910 devices known in which for each radius a corresponding swivel cap of the adjusting device is used. In US-PS 1 09 217 a device and a Method for centering optical elements specified, one exact lateral and axial fixation of optical components is made possible. Several optical adjustments are made Elements to each other by varying three spacer bolts, whose length is adjustable.
Eine weitere Vorrichtung zur Justierung von Linsen oder Linsengruppen mit beliebigen Flächenradien ist in DD-PS 2 10 766 veröffentlicht. Der Aufbau der Vorrichtung verwirklicht in Anlehnung an eine kardanische Aufhängung die Bewegung einer Kugelkalotte mit definierten Radien.Another device for adjusting lenses or Lens groups with any surface radii is in DD-PS 2 10 766 released. The structure of the device is realized in Following a gimbal the movement of a Spherical cap with defined radii.
Ein in DD-PS 2 75 327 veröffentlichter Vorschlag beruht ausschließlich auf spielfreier Gestaltung der Lagerstellen, wobei die Steifigkeit des Gesamtsystems verringert wird und der Nachteil einer mathematisch enorm aufwendigen Justierhirarchie besteht.A proposal published in DD-PS 2 75 327 is based exclusively on clearance-free design of the bearing points, whereby the rigidity of the overall system is reduced and the Disadvantage of a mathematically extremely complex adjustment hierarchy consists.
Die unter Koinzidenzmanipulator bekannte Justiermöglichkeit umgeht die genannten Nachteile bei erheblicher Einengung des Justierbereiches.The adjustment option known as coincidence manipulator circumvents the disadvantages mentioned with considerable narrowing of the Adjustment range.
Prinzipiell ist nur eine Kippbewegung, also eine Bewegung in nur einer Ebene mit den für konventionelle Justierungen üblichen Stellwegen verfügbar. Die angeführte Auszugsbewegung ist zu vernachlässsigen. Sie liegt nur im Bereich der Winkelfehler kleiner zweiter Ordnung. Die Art der Gestaltung der Lagerstellen zur spielfreien Lagerung führt zu undefinierten Bewegungsverhältnissen und damit zu einer nur mit erheblichem rechentechnischem Aufwand beherrschbaren unbestimmten Justierung. Alle bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Justierung optischer Bauelemente, die auf dem Kalottenprinzip basieren, weisen den Nachteil auf, daß entweder nur eine begrenzte Genauigkeit erzielt wird, wobei die Ursachen in auftretenden Stick-Slip-Effekten begründet liegen, oder der Aufwand bezüglich des Justiervorganges, infolge der Einstellnotwendigkeit der Mittelpunktsbedingung, und des Umrüstens der Vorrichtung auf maßlich voneinander abweichende optische Baugruppen sehr hoch ist.In principle, there is only a tilting movement, i.e. a movement in only one level with the usual for conventional adjustments Travel paths available. The pull-out movement is closed neglect. It is only in the range of the angular errors small second order. The type of design of the storage locations for backlash-free storage leads to undefined Movement relationships and thus only with considerable computationally manageable indefinite adjustment. All known devices and methods for adjustment optical components based on the dome principle, have the disadvantage that either only a limited one Accuracy is achieved, with the causes occurring in Stick-slip effects are justified, or the effort regarding the adjustment process, as a result of Need to adjust the center point condition, and the Converting the device to different dimensions optical assemblies is very high.
Sämtlichen Justiermechanismen haftet der Nachteil der Reibung der Formflächen zweier Bewegungsglieder an, der Grundlage für die Reproduzierbarkeit der Stellbewegung nachteilig beeinflussenden Stick-Slip-Effekte ist.All adjustment mechanisms are subject to the disadvantage of friction the form surfaces of two motion elements, the basis for the reproducibility of the positioning movement disadvantageous influencing stick-slip effects.
Sowohl dem Kugelfutter als auch dem nach kardanischen Prinzip wirkenden Stellmechanismus ist eine erhebliche Masseanhäufung eigen, die den prinzipiell-fertigungstechnischen Aufwand an peripheren Einrichtungen (Spindel) unnötig steigert. Die Stellbewegung erfolgt bei bekannten automatisierten Verfahren bei Rotation.Both the ball lining and the gimbal principle Acting adjusting mechanism is a considerable accumulation of mass own, which in principle the manufacturing expenditure peripheral equipment (spindle) increases unnecessarily. The Adjustment movement takes place in known automated processes Rotation.
Die Justierung der Achsen zueinander erfolgt in allen Lösungen nach demselben Grundprinzip speziell ausgewählter Krümmungsmittelpunkte. In engem Zusammenhang damit ist eine aufwendigere Justierhirarchie, begründet in der funktionellen Abhängigkeit und einem Mehranteil an Stellbewegungen, zu sehen.The adjustment of the axes to each other takes place in all solutions specially selected according to the same basic principle Center of curvature. In close connection there is one more complex adjustment hierarchy, based on the functional Dependency and a greater proportion of actuating movements.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Koinsidenzmanipulator zur Justierung von im funktionellen Zusammenhang stehenden geometrisch bestimmten Objekten, insbesondere zur Justierung sowohl bereits gefaßter optischer Bauelemente zu einer vorgegebenen Geräteachse als auch zur Justierung einer optischen Achse zu einer mechanischen Fassungsachse zu entwickeln, der eine spiel- und stick-slip-freie reproduzierbare Justierung im statischen und dynamischen Zustand unter Minimierung von Stellbewegungen bei hoher Qualität des Justierzustandes ermöglicht.The invention has for its object a Coinsidence manipulator for adjusting the functional Related geometrically determined objects, especially for the adjustment of both already taken optical Components for a given device axis as well Adjustment of an optical axis to a mechanical one To develop a frame axis that is free of play and stick-slip reproducible adjustment in static and dynamic condition while minimizing positioning movements with high quality of the Adjustment state enables.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Koinsidenzmanipulator, bestehend aus einem Objektaufnahmetisch, welcher über ein als Gegenlager ausgebildetes Federelement gestellfest spielfrei angeordnet ist sowie aus mindestens zwei auf die Unterseite des Objektaufnahmetisches vertikal wirkenden, mit Wegaufnehmern versehenen, im Gegenlager auf einer konzentrischen Bahn zu einer Manipulatorachse gleichmäßig verteilt angeordneten Translationselementen besteht und die Translationselemente mit einer Ansteuereinheit in Verbindung stehen, dadurch gelöst, daß das als Gegenlager ausgebildete Federelement aus körpereigenem Material in Form einer Flexure- Hinge-Säule und/oder einer durch Ausbrüche charakterisierten, querschnittsdesimierten Zylinderfederstegkombination ausgebildet ist, das Federelement von einer Koaxialfeder mit zwei um 90° versetzt angeordneten, horizontal auf das Federelement wirkenden, integrierten Translationselementen umgeben ist, die Koaxialfeder an einem äußeren, gestellten Ring und einem inneren, die Fixierung der Translationselemente bewirkenden Federring besteht und die vertikal wirkenden Translationselemente zu den horizontal wirkenden Translationselementen funktionstrennend in verschiedenen Ebenen angeordnet sind. According to the invention, this object is achieved by a Coinsidence manipulator, consisting of an object recording table, which via a spring element designed as a counter bearing is fixed to the frame free of play and consists of at least two acting vertically on the underside of the object receiving table, equipped with displacement sensors, in the counter bearing on one concentric path to a manipulator axis evenly distributed translation elements and there Translation elements in connection with a control unit stand, solved in that the trained as a counter bearing Spring element made of the body's own material in the form of a flexure Hinge column and / or a breakout characterized cross-section-desimated cylinder spring bar combination is, the spring element of a coaxial spring with two 90 ° staggered, acting horizontally on the spring element, Integrated translation elements is surrounded, the coaxial spring on an outer, posed ring and an inner, the Fixation of the translation elements causing spring ring exists and the vertically acting translation elements to the horizontally acting translation elements functionally separating in different levels are arranged.
Alle Translationselemente sind vorteilhafterweise steuerungstechnisch paarweise montiert, wobei die Ansteuerung auf dem Gegentaktprinzip basiert. Der durch die federnden Elemente entstandene Nachteil geringerer Steifigkeit wird durch die Anordnung der Translationselemente kompensiert, wobei diese Teile eines Regelkreises sind, der zu einer weiteren Erhöhung der Steifigkeit des Gesamtsystems und damit zur Gewährleistung der Stellgenauigkeit unter dynamischen Bedingungen führt. Der Koinzidenzmanipulator realisiert sowohl ein Kippen als auch ein Verschieben eines Objektes auf einer reproduzierbaren Führungsbahn, so daß nach Messung der Relativlage der Krümmungsmittelpunkte bei einen aus optischen Elementen bestehenden Objekt und anschließender Justierung der aus den gemessenen Werten berechneten optischen Achse in Zusammenwirkung der Justiermechanismen die Koinzidenz zu der mechanischen Achse realisiert wird. Durch die Anordnung der Lagerstellen und die konstruktive Ausführung der mechanischen Kontaktstellen in Form von Punktberührungen in Verbindung mit beispielsweise dem Einsatz elektromagnetischer, piezoelektrischer oder thermosensibler Stellwerkprinzipien wird eine einfache, hochgenaue Justierung realisiert. Die Aufnahme der Meßgrößen kann beispielsweise durch kapazitive Wegaufnehmer erfolgen.All translation elements are advantageous Control technology mounted in pairs, with the control on based on the push-pull principle. The through the resilient elements The resulting disadvantage of lower rigidity is due to the Arrangement of the translation elements compensated, these parts of a control loop leading to a further increase in the Rigidity of the overall system and thus to ensure the Positioning accuracy under dynamic conditions. The Coincidence manipulator realizes both a tilt and a Moving an object on a reproducible Guideway, so that after measuring the relative position of the Center of curvature in one of optical elements existing object and subsequent adjustment of the measured values calculated optical axis in interaction of the adjustment mechanisms the coincidence to the mechanical axis is realized. By the arrangement of the bearings and the constructive execution of the mechanical contact points in form of point touches in connection with, for example, the Use of electromagnetic, piezoelectric or thermosensitive interlocking principles becomes a simple, highly accurate Adjustment implemented. The recording of the measurands can for example, by capacitive displacement sensors.
Infolge der als Gegenlager fungierenden Flexure-Hinge-Säule, welche koaxial zu den vertikal wirkenden Translationselementen angeordnet ist, wobei das Hingeelement als quasistationäres Lager funktioniert, wird eine Kippung um jeden Azimut in dieser Ebene realisiert. As a result of the Flexure Hinge column acting as a counter bearing, which are coaxial with the vertically acting translation elements is arranged, the hinge element as quasi-stationary Bearing works, there will be a tilt around every azimuth in this Level realized.
Je nach Einsatzfall ist bei Elimination der die Kippung realisierenden Elemente ein zweidimensional wirkender Justiermanipulator realisierbar.Depending on the application, the tilting is the elimination realizing elements a two-dimensional Adjustment manipulator can be implemented.
In einem nachstehenden Ausführungsbeispiel soll der erfindungsgemäße Koinzidenzmanipulator in der Ausführung Koaxialfeder näher erläutert werden.In an embodiment below, the Coincidence manipulator according to the invention in the execution Coaxial spring are explained in more detail.
Die Figur zeigt den Koinzidenzmanipulator zur Realisierung der Koinzidenz einer windschief im Raum liegenden Geraden zu einer Geräteachse.The figure shows the coincidence manipulator for realizing the Coincidence of a straight line lying skewed in space to one Device axis.
Ein auf einer Spindel 1, über eine aus einem äußeren Ring 2 und einem inneren Ring 3 bestehende Koaxialfeder sowie eine Zylinderfeder 4, spielfrei gehalteter Objektaufnahmetisch 5 trägt eine gefaßte optische Baugruppe 6, deren optische Achse 7 mit einer Geräteachse 8 in Übereinstimmung zu bringen ist. Mit dem Objektaufnahmetisch 5 in mechanischem Kontakt stehend sind Translationselemente 9 und 10 um 90° versetzt auf gleichem Radius vertikal angeordnet. Zu diesen Translationselementen 9 und 10 sind weitere, nicht dargestellte Translationselemente, um 90° versetzt angeordnet. Weitere, in einer Ebene liegende Translationselemente 11 und 12, sind im äußeren Ring 2 der Koaxialfeder integriert und gestellfest mit dem inneren Ring 3 der Koaxialfeder verbunden.An object-receiving table 5 , which is held free of play on a spindle 1 , via a coaxial spring consisting of an outer ring 2 and an inner ring 3 and a cylinder spring 4 , carries a mounted optical assembly 6 , the optical axis 7 of which can be brought into line with a device axis 8 . With the object receiving table 5 in mechanical contact, translation elements 9 and 10 are arranged vertically offset by 90 ° on the same radius. In addition to these translation elements 9 and 10 , further translation elements, not shown, are arranged offset by 90 °. Further translation elements 11 and 12 lying in one plane are integrated in the outer ring 2 of the coaxial spring and connected to the inner ring 3 of the coaxial spring in a manner fixed to the frame.
Die Translationselemente 9, 10, 11 und 12 sowie die nicht dargestellten Translationselemente sind mit Wegaufnehmern 13, 14, 15 und 16 versehen, wobei sich jedes Translationselement mit Wegaufnehmer neben einem Netz/Ansteuergerät und einem Mikroprozessor in einem Regelkreis befindet. The translation elements 9, 10, 11 and 12 and the translation elements (not shown) are provided with displacement transducers 13, 14, 15 and 16 , each translation element with displacement transducer being located in a control loop next to a network / control device and a microprocessor.
Die Federcharakteristik der Zylinderfeder 4 wird durch die mit Ausbrüchen 17 versehene konstruktive Gestaltung der Stegkombination 18 erzeugt.The spring characteristic of the cylinder spring 4 is generated by the structural design of the web combination 18 provided with cutouts 17 .
Je nach Lage der optischen Achse 7 werden im Mikroprozessor die Stellwege und die jeweils optimale Justierhirarchie errechnet bzw. gewählt.Depending on the position of the optical axis 7 , the adjustment paths and the optimal adjustment hierarchy are calculated or selected in the microprocessor.
Im dargestellten Fall erfolgt eine Verschiebung in der Translationsebene, eingeleitet durch die geregelten Translationselemente 11 und 12 um den Betrag der Entfernung in der Ebene der Rotationsachse, gebildet durch die Stegkombination 18, bis zum Schnittpunkt der verlängerten optischen Achse 7 mit der Geräteachse 8.In the case shown, there is a shift in the translation plane, initiated by the regulated translation elements 11 and 12 by the amount of the distance in the plane of the axis of rotation, formed by the web combination 18 , up to the intersection of the extended optical axis 7 with the device axis 8 .
Eingeleitet durch die vertikal angeordneten Translationselemente 9 und 10 erfolgt die Kippung der optischen Achse 7 um die aus der Stegkombination 18 gebildeten Rotationsachsen bis zur Koinzidenz.Introduced by the vertically arranged translation elements 9 and 10 , the optical axis 7 is tilted about the axes of rotation formed by the web combination 18 to the point of coincidence.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: CARL ZEISS JENA GMBH, O-6900 JENA, DE |
|
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |