-
STAND DER
TECHNIK
-
Die
vorliegende Erfindung ist ein Messverfahren zur Erleichterung der
Produktion eines selbstausrichtenden Laserkreiselblocks.
-
Eine
Ausführungsform
dieser Erfindung ist die Anwendung auf einen Ringlaserkreisel (RLG).
Ein RLG wird gemeinhin verwendet, um die Winkelrotation eines Fahrzeugs,
beispielsweise eines Flugzeuges, zu messen. Ein derartiger Kreisel
weist zwei entgegengesetzt rotierende Laserlichtstrahlen auf, welche
sich innerhalb eines geschlossenen Schleifenwegs oder "Rings" mit Hilfe aufeinanderfolgender
Reflexionen von mehreren Spiegeln bewegen. Der geschlossene Weg
wird durch eine optische Kavität
definiert, welche im Inneren eines Kreisel-Konstruktionsrahmens oder -"Blocks" angeordnet ist.
Bei einem Typ von RLG umfasst der Block eine ebene obere und eine
ebene untere Oberfläche,
welche durch sechs ebene Seiten begrenzt werden, die einen sechseckförmigen Umfang
bilden. Oberflächen
an jeder der Seiten definieren Montageflächen für Komponenten, beispielsweise
Spiegel und Elektroden. Beispielsweise bilden drei ebene nichtbenachbarte
Seiten des Blocks die Spiegelmontageflächen für drei Spiegel an den Ecken
des optischen Weges, welcher eine dreieckige Gestalt aufweist.
-
Im
Betrieb ändert
sich bei der Rotation des RLG um seine Eingangsachse (welche senkrecht
auf die ebene obere und die ebene untere Oberfläche des Blocks steht und in
deren Mitte angeordnet ist) die effektive Weglänge jedes entgegengesetzt rotierenden
Laserlichtstrahls, und zwischen den Strahlen wird ein Frequenzdifferenzial
erzeugt, das nominal proportional zur Drehrate ist. Dieses Differenzial
wird dann durch Signalverarbeitungselektronik gemessen, um die Winkelrotation
des Fahrzeugs zu ermitteln.
-
Ein
typischer RLG-Block weist drei Elektroden auf, von denen je eine
auf jeweils einer von drei nichtbenachbarten ebenen Seitenflächen angeordnet
ist, und drei Spiegel, von denen einer eine konkave Reflexionsoberfläche aufweist,
welcher die anderen beiden Spiegel ebene Reflexionsoberflächen aufweisen.
Der gekrümmte
Spiegel dient zwei Hauptzwecken. Erstens steuert die Krümmung der
Reflexionsoberfläche
den Durchmesser und den primären
Modus der entgegengesetzt rotierenden Laserlichtstrahlen. Zweitens
wird die Krümmung
der Reflexionsoberfläche
verwendet, um die entgegengesetzt rotierenden Laserlichtstrahlen
innerhalb der optischen Kavität
auszurichten, so dass die Lichtstrahlen auf im Wesentlichen maximaler
Intensität sind,
um RLG-Verzerrungsfehler
zu urinieren. Insbesondere wird dieser letztere Zweck infolge der
der konkaven Reflexionsoberfläche
eigenen Attribute bewerkstelligt. Naturgemäß ändert sich der Winkel der Oberfläche eines
konkaven Spiegels entsprechend seiner Krümmung. Daher kann ein auftreffender
Laserlichtstrahl durch Translation (d.h. Bewegen) des gekrümmten Spiegels
innerhalb der Ebene seiner entsprechenden Blockmontagefläche umgeleitet
oder "gelenkt" werden.
-
In
der Praxis wird, wenn die beiden ebenen Spiegel bereits an dem Block
angebracht sind, der konkave Spiegel einer Translation unterzogen,
um den Lichtstrahl innerhalb der optischen Kavität mittels eines herkömmlichen
Spiegelbewegungsmechanismus selektiv zu lenken. Während der
Translation des konkaven Spiegels erfasst ein Detektor, beispielsweise
eine Fotodiode, die Intensität
des Laserlichts, das von der Kavität durch einen der ebenen Spiegel
ausgegeben wird, der teilweise lichtdurchlässig ist. Die Fotodiode erzeugt
ein elektrisches Signal, welches für die Intensität des Laserlichts
repräsentativ
ist, das von der optischen Kavität ausgegeben
wird. Dieses Signal wird während
derartiger Translationen des konkaven Spiegels durch ein Voltmeter überwacht,
bis eine Spiegelposition gefunden wird, die einen maximalen Ausgang
auf dem Voltmeter aufweist. Diese Spiegelposition zeigt an, dass
sich die entgegengesetzt rotierenden Laserlichtstrahlen auf im Wesentlichen
maximaler Intensität
befinden und daher optimal innerhalb der Apertur der optischen Kavität ausgerichtet
sind. Der konkave Spiegel wird dann an der Montagefläche auf
dem Block an der optimalen Spiegelposition gesichert, um den Laserlichtstrahlausrichtvorgang
abzuschließen.
-
Wenngleich
der oben beschriebene Ausrichtmechanismus und -vorgang die entgegengesetzt
rotierenden Laserlichtstrahlen innerhalb der optischen Kavität des Blocks
geeignet ausrichtet, um dadurch RLG-Verzerrungsfehler zu minimieren,
sind sie mit zumindest einem Nachteil behaftet. Der beschriebene
Mechanismus und Vorgang erfordern ein großes Maß an Bedienung des konkaven
Spiegels, insbesondere beim Unterziehen des Spiegels einer Translation
um seine Montagefläche,
um die optimale Spiegelbefestigungsposition zu ermitteln. Je größer das
Maß an
Bedienung des konkaven Spiegels ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass
Verunreinigungen (d.h. Schmutz) zur empfindlichen Reflexionsfläche des
Spiegels hin zugeführt
werden oder diese beschädigt
wird. Jedwede Beschädigung
und/oder Verunreinigung erhöht
die Wahrscheinlichkeit von Verzerrungsfehlern und beeinträchtigt die
Leistung des RLG. Wenn die Verzerrungsfehler zu groß sind und/oder
die Leistung des RLG zu sehr beeinträchtigt wird, muss der RLG umgebaut
oder verschrottet werden. Dies erhöht die Fertigungskosten beim
Produzieren der RLGs.
-
Es
besteht ein Bedarf an einer verbesserten Vorrichtung und einem verbesserten
Verfahren zum Erreichen optischer Ausrichtung einer optischen Kavität, beispielsweise
der optischen Kavität
eines RLG. Insbesondere besteht ein Bedarf an einer Spiegel ausrichtvorrichtung
und einem Spiegelausrichtverfahren, welche das Maß an Spiegelbedienung,
das erforderlich ist, um die Lichtstrahlen innerhalb der optischen
Kavität
auszurichten, reduzieren. Darüber
hinaus sollten die Vorrichtung und das Verfahren die Wahrscheinlichkeit
einer Beschädigung
und/oder Verunreinigung der Spiegelreflexionsoberfläche während des
Ausrichtens reduzieren, um die Anzahl an RLG, die umgebaut oder
verschrottet werden müssen,
zu verringern. Zudem sollten die Spiegelausrichtvorrichtung und
das Spiegelausrichtverfahren relativ einfach und kostengünstig anzuwenden
sein und die Automatisierung der Montage erleichtern.
-
KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zum Ermitteln der optimalen
Position für
eine Konkavspiegel-Ausrichtvorrichtung an einem RLG-Block, um RLG-Verzerrungsfehler
zu minimieren. Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens umfasst
die folgenden Schritte: 1) Anbringen eines "Klotzes" auf einer CNC-Maschine; 2) Auswählen mehrerer Punkte entlang
der Länge
des Klotzes zur Messung; 3) Messen der radialen Abstände der
Spiegelmontagefläche
an jedem der mehreren Punkte von der "Vorderseite" des Klotzes; 4) Messen der radialen
Abstände
der Fläche
an jedem der mehreren Punkte von der "Rückseite" des Klotzes; 5) Bestimmen
des Radius und letztlich des Durchmessers einer Kreistangente zu
den Spiegelmontageseiten des Klotzes, für jeden der mehreren ausgewählten Punkte;
6) Bestimmen einer "Best-Fit"-Gleichung, um die Durchmesser
in Abhängigkeit
der Position entlang dem Klotz zu beschreiben; 7) Bestimmen des
Versatzes entlang der X-Achse für
die Spiegelmontagevorrichtung jedes Blocks innerhalb des Klotzes.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine perspektivische Ansicht eines RLG-Klotzes.
-
2 ist
eine Draufsicht auf einen RLG-Klotz, wobei die Messpunkte für eine bevorzugte
Ausführungsform
angegeben sind.
-
3 ist
ein Schaubild, welches das Messverfahren der vorliegenden Erfindung
darstellt.
-
4 ist
ein Schaubild, welches die Differenz der Höhe der entgegengesetzten Enden
eines Klotzes bei einer V-Block-Messung darstellt.
-
5 ist
eine perspektivische Ansicht eines RLG-Blocks, welche eine Spiegelmontagevorrichtung zeigt.
-
AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
-
1 zeigt
einen Ringlaserkreisel(RLG)-Klotz 10. Der Klotz 10 ist
aus einem Glasmaterial, Glaskeramikmaterial oder einem ähnlichen
Material hergestellt. Zu geeigneten Klotzmaterialien zählt das
Glaskeramikmaterial, welches unter den Handelsmarken "Cervit" und "Zerodur" vertrieben wird.
Ein Beispiel für
ein geeignetes Glasmaterial ist ein Borosilicatglas, das unter der
Handelsmarke "BK-7" vertrieben wird.
-
Der
Querschnitt von Klotz 10 ist im Allgemeinen dreiecksförmig mit
einem sechseckigen Außenumfang.
Der sechseckige Außenumfang
umfasst drei ebene nichtbenachbarte Seiten, die eine erste, eine
zweite und eine dritte Spiegelmontagefläche A, B und C bilden, und
drei weitere ebene nichtbenachbarte Seiten F, G und H.
-
Um
einzelne RLG's zu
bilden, wird der Klotz 10 gebohrt oder bearbeitet, mit
verschiedenen inneren Durchgängen
und Bohrungen, und dann in einzelne Blöcke 12 zerschnitten.
Ehe allerdings eine derartige Bearbeitung durchgeführt wird,
wird das Messverfahren der vorliegenden Erfindung angewandt, um
den optimalen Ort zum Bearbeiten einer Spiegelmontagevorrichtung
für einen
konkaven Spiegel zu ermitteln. Eine derartige Spiegelmontagevorrichtung
wird in US-Patent Nr. 5,960,025 an Thorland et al. offenbart.
-
Wenn
der Klotz 10 bearbeitet werden soll, wird dieser auf Auflagen
montiert, so dass Bearbeitungsvorgänge mittels einer rechnergesteuerten
Bearbeitungsvorrichtung durchgeführt
werden können.
Eine derartige Vorrichtung ist als CNC (Computerized-Numerical-Control)-Maschine
bekannt. Allerdings stimmt die Drehachse der Auflagen für gewöhnlich nicht
genau mit dem echten Mittelpunkt des Klotzes 10 überein.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung positioniert eine Konkavspiegel-Montagevorrichtung
trotz dieser Diskrepanz genau und kompensiert jedwede Verjüngung oder
Krümmung
des Klotzes.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
werden, nachdem der Klotz 10 auf der CNC-Maschine angebracht
wurde, mehrere Punkte entlang der X-Achse als Messpunkte ausgewählt. Je
mehr Punkte ausgewählt werden,
desto genauer sind die resultierenden Versatzbestimmungen für jeden
Block 12. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden, wie in 2 dargestellt
ist, zwölf
Blöcke
aus jedem Klotz 10 geschnitten, und 13 Punkte
entlang der X-Achse von Klotz 10 werden zur Messung ausgewählt.
-
3 ist
ein Schaubild, welches eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens der
vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Wie in 3 zu
sehen ist, stimmt die Drehachse der Auflagen 14 nicht mit
dem echten Mittelpunkt 16 von Klotz 10 überein.
Der Mittelpunkt 16 ist als Mittelpunkt des Kreises 18 definiert,
welcher an Spiegelmontagefläche
A, B und C tangierend ist. Das Maß "a" ist
der Abstand von der Achse 14 zu der Seite "A". Das Maß "b" ist
der Abstand von der Achse 14 zu der Seite "B". Das Maß "c" ist
der Abstand von der Achse 14 zu der Seite "C".
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
hat das Koordinatensystem seinen Ursprung am Mittelpunkt 16.
Die X-Achse, die in 1 dargestellt ist, verläuft durch
den Mittelpunkt 16 die Länge des Klotzes 10 entlang.
Die Y- und die Z-Achse, die in 3 dargestellt
sind, liegen in einer Ebene, die senkrecht zur X-Achse verläuft. Die
Z-Achse verläuft
senkrecht zur Seite A. Die Y-Achse ist parallel zur Seite A und
senkrecht zur Z-Achse. Die U-Achse ist durch das numerische Steuerungssystem
der CNC-Maschine definiert und von dem X-Y-Z-Koordinatensystem unabhängig. Die
Beziehung zwischen den Punkten auf der U-Achse ist wie folgt: Uc= (U1+U2)/2.
-
Für jede gewählte Position
entlang der X-Achse werden radiale Oberflächenabstände a, b und c von der "Vorderseite" des Klotzes 10 gemessen,
wie im oberen Abschnitt von 3 dargestellt
ist. Dann wird der Klotz 10 um 180 Grad gedreht. Radiale
Oberflächenabstände a, b
und c werden dann von der "Rückseite" des Klotzes 10 gemessen,
wie im unteren Abschnitt von 3 dargestellt
ist. Die numerischen Werte für "Vorderseite" und "Rückseite" auf der U-Achse werden verwendet, um
die Abstände
a, b & c zu berechnen.
Beispielsweise, wie in 3 dargestellt ist, a = (U2-U1)/2.
-
Nehmen
wir an, "j" ist der Winkel,
der durch das Schneiden der Ebenen, die durch die Oberflächen A und
B definiert werden, gebildet wird. Nehmen wir an, "k" ist der Winkel, der durch das Schneiden
der Ebenen, die durch die Oberflächen
A und C definiert werden, gebildet wird. Nehmen wir an, dass R der
Radius von Kreis 18 ist. Nehmen wir an, dass (Y, Z) die
Koordinaten der Drehachse 14 relativ zum Mittelpunkt 16 sind.
Dann gilt:
-
-
Bei
dem einfachen Fall, bei dem j=k=60 Grad, ergeben sich folgende Beziehungen: R=(a+b+c)/3 Y=(b–a)/sgrt(3) Z=(a+b–2c)/3
-
R
wird für
jeden der Punkte berechnet, die entlang der Länge des Klotzes (der X-Achse)
ausgewählt wurden.
-
Die
oben durchgeführten
Radius(R)-Messungen werden verdoppelt, um den Durchmesser (D) des Kreises 18 an
jedem ausgewählten
Punkt x entlang der Länge
des Klotzes zu ermitteln. Die resultierenden Daten werden dann verwendet,
um eine Best-Fit-Kurve zu ermitteln, um die Durchmesser als eine
Funktion der Position entlang dem Klotz zu beschreiben. Jedwedes
numerische Analyseverfahren kann verwendet werden, jedoch wird bei
einer bevorzugten Ausführungsform
eine quadratische Gleichung zweiter Ordnung verwendet. Unter Verwendung
einer Ableitung dieser Funktion kann das Gefälle ermittelt werden, welches
die Gesamtverjüngung
oder -krümmung
der drei Oberflächen
A, B & C, an
welchen die Spiegel später
montiert werden, beschreibt.
-
Die
quadratische Gleichung einer bevorzugten Ausführungsform weist die folgende
Form auf: D(x) = D0 +
1,5*(αx+βx2)
-
4 erläutert, wie
der Faktor von 1,5 abgeleitet wird. Der Klotz 10 wird in
einem V-Block 20 angeordnet, der einen Öffnungswinkel 22 von
60 Grad aufweist, so dass zwei der Spiegelmontageflächen A,
B oder C auf den ebenen Oberflächen
der V-Blocks 20 aufliegen. Der Kreis 18 stellt
den Kreis dar, der an den Seiten A, B und C an oder nahe einem Ende
des Klotzes 10 anliegend ist. Der Kreis 18' stellt den
Kreis dar, der an den Seiten A, B und c an oder nahe dem entgegengesetzten
Ende des Klotzes 10 anliegend ist. Die Differenz in der
Höhe der
entgegengesetzten Enden von Klotz 10 im V-Block 20 zeigen
die Verjüngung
des Klotzes an, was den endgültigen
Versatz beeinflusst, der für
eine Spiegelmontagevorrichtung für
jeden Block 12, der aus dem Klotz 10 geschnitten
wird, benötigt
wird.
-
Der
Radius R des Kreises 18 bildet eine Seite eines rechtwinkeligen
Dreiecks, wobei der R entgegengesetzte Winkel 30 Grad beträgt. Aus
trigonometrischen Funktionen ergibt sich, dass die Hypotenuse des rechtwinkeligen
Dreiecks 2R beträgt.
Zweimal der Radius des Kreises 18, oder 2R, ist gleich
D, der Durchmesser des Kreises 18: 2R=D. Gleicherweise
bildet der Radiums R' des
Kreises 18' eine
Seite eines rechtwinkeligen Dreiecks, wobei der R' entgegengesetzte
Winkel 30 Grad beträgt.
Aus trigonometrischen Funktionen ergibt sich, dass die Hypotenuse
des rechtwinkeligen Dreiecks 2R' beträgt. Zweimal
der Radius des Kreises 18', oder
2R', ist gleich
D', der Durchmesser
des Kreises 18':
2R'=D'.
-
Die
Entfernung von dem oberen Ende des Kreises 18 zur Spitze 22 beträgt 3R, da
es die Entfernung der Hypotenuse 2R plus einem Radius ist.
Durch einfaches Multiplizieren der beiden Seiten der Gleichung 2R=D
ergibt sich: 3R=1,5D. Gleicherweise beträgt die Entfernung von dem oberen
Ende des Kreises 18' zur Spitze 22 beträgt 3R', da es die Entfernung
der Hypotenuse 2R' plus
einem Radius ist. Durch einfaches Multiplizieren der beiden Seiten
der Gleichung 2R'=D' ergibt sich: 3R'=1,5D'. Durch Subtraktion
beträgt
die Differenz der Höhe
der entgegengesetzten Enden von Klotz 10 im V-Block 20 1,5D'–1,5D = 1,5(D'–D). Demzufolge ist die Blockabmessung,
welche sich auf ein V-Block-Maß des
Pyramidalwinkels bezieht, das 1,5-Fache der Durchmesserdifferenz.
-
Der α- und der β-Wert der
quadratischen Gleichung werden dann verwendet, um den geeigneten
Versatz für
die Spiegelmontagevorrichtung blockweise entlang dem Klotz zu berechnen.
Die Gleichung für
den Versatz an jedem Punkt x entlang dem Klotz folgt: Versatz
(x) = –1.500*r*(α+2βx)wobei:
Versatz(x) in Mil-Einheiten angegeben ist;
r der Krümmungsradius
(in Inch) einer konkaven Reflexionsfläche des gekrümmten Spiegels
ist; bei einer bevorzugten Ausführungsform,
r=9,5 Inch;
x der Abstand des ausgewählten Punkts von dem Ende des
Klotzes (in Inch) ist; und
–1.500 sich aus der Multiplikation
von 1,5 mit –1000
ergibt. Der Faktor 1000 wandelt die Einheiten von Inch in Mil um,
und das negative Vorzeichen gibt an, dass die Richtung des Versatzes
der Richtung der Neigung der Spiegelmontagefläche entgegengesetzt ist (der
Spiegel wird "bergab" verschoben).
-
Sobald
der Versatz für
jeden Block berechnet wurde, kann die Spiegelmontagevorrichtung
für den
konkaven Spiegel für
diesen Block zu dem Block an dem geeigneten Ort bearbeitet werden.
-
5 ist
eine perspektivische Ansicht eines RLG-Blocks, die eine Spiegelmontagevorrichtung
darstellt. Die Spiegelmontagevorrichtung 24 ist entlang
der X-Achse (entweder
in der positiven oder der negativen Richtung, die durch den Pfeil 32 angegeben
wird) relativ zur Mittellinie S-S der optischen Kavität jedes
Blocks 12 versetzt. Die Spiegelmontagevorrichtung 24 umfasst
eine vertiefte Ringmulde 26, die in die Spiegelmontagevorrichtung
A eingearbeitet ist. Eine derartige Bearbeitung führt zu einem
Ring 28, der innerhalb der Ringmulde 26 ausgebildet
ist. Die Innenkante des Rings 28 ist durch den Schacht 30 in
das Innere des Blocks 10 definiert. Die Außenkante
des Rings 28 ist durch die Innenkante der Ringmulde 26 definiert.
Die stirnseitige Oberfläche
des Rings 28 liegt in der gleichen Ebene wie die Oberflächen der
ebenen Seite A. Im Vergleich dazu liegt die Oberfläche der
Ringmulde 26 unterhalb der Oberfläche des Rings 28 und
der Seite A. Die Außenkante
des Rings 28 definiert die Spiegelausrichtvorrichtung 24,
und die konkave Reflexionsoberfläche
des gekrümmten
Spiegels liegt an genau dieser Kante auf. Gemäß der vorliegenden Erfindung
kann auf Grund des Versatzes der Ringmulde 26 und daher
des Versatzes der Spiegelmontagekante 24 der Ring 28 rund
um seinen Umfang eine ungleichmäßige Breite
aufweisen.
-
Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie ermöglicht,
den gesamten Prozess mittels einer Maschine durchzuführen. Da
viele CNC-Maschinen Präzisionsmessfähigkeiten
aufweisen, wird der gesamte Prozess: Messen, Anpassen der quadratischen
Gleichung, Berechnen der Versätze
und Bearbeiten des Klotzes, unter CNC-Rechnersteuerung durchgeführt. Diese
Lösung
vermeidet Probleme eines Durcheinanders, was die Kommunikation von
Messergebnissen zwischen verschiedenen Maschinen oder Bedienpersonen
anlangt.
-
Der
Prozess ist auch in der Lage, die Spiegelmontagevorrichtung zu positionieren,
um jedwede Unregelmäßigkeiten
im Klotz, beispielsweise eine lineare Verjüngung oder Krümmung des
Klotzes oder eine Neigung der kritischen Spiegelmontageflächen, zu
kompensieren. Dies ermöglicht
der CNC-Maschine, die Spiegelmontagevorrichtung blockweise in dem
Klotz zu positionieren und dadurch die Bearbeitungsgenauigkeit für jeden
RLG zu erhöhen.
Die Erfindung führt
zu erheblichen wirtschaftlichen Einsparungen, da weniger Teile auf Grund
derartiger Unregelmäßigkeiten
ausgemustert werden müssen.
-
Wenngleich
die vorliegende Erfindung mit Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben wurde, werden einschlägig versierte Fachleute erkennen,
dass Änderungen
an Form und Details vorgenommen werden können, ohne vom Wortlaut der
Ansprüche
abzuweichen.
