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Einrichtung zum Vergleich zweier parallel nebeneinander verlaufender
Meßstrecken
Die Erfindung richtet sich auf eine Einrichtung zum Vergleich zweier
parallel neben.einander verlaufender Meßstrecken, die aus einem Meßsystem zum Anvi,sieren
des Werkstückes, einem Kollimatorsystem mit Fernrohr zum Anvisieren des Urmaßstabes
sowie optischen Mitteln zum Ausgleich von Ablesefehlern infolge von Ungenauigkeiten
in den parallel zu den Meßstrecken verlaufenden Führungs bahnen besteht.
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Nach dem Abbeschen Komparatorprinzip müssen zwei Meßstrecken, von
denen die eine im allgemeinen das Urmaß und die andere das auszumessende Werkstück
darstellt, zum Vergleich in einer Geraden, also hintereinander angeordnet sein,
wenn Ablesefehler, die auf Ungenauigkeiten der Führungsbahnen beruhen, bis auf solche
zweiter Ordnung vermieden werden sollen.
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Gemäß den Patentschriften 394 809, 399 849 und 409 808 wurden Vorrichtungen
vorgeschlagen, die auch bei parallel nebeneinander verlaufenden Meßstrecken Ablesefehler,
die auf Ungenauigkeiteu der Führungsbahnen beruhen, bis auf solche zweiter Ordnung
vermeiden. Diese Anordnungen bestehen grundsätzbcli aus einem Kollimatorsystem,
das das Bild des Urmaßstabes ins Unendliche projiziert, und einem Fernrohr zur Beobachtung
des unendlich fernen Bildes. Das Kollimatorsystem wird längs der Meßstrecke geführt
und ist starr mit dem Meßsystem für das auszumessende Werkstück, z. B. einem Ablesemikroskop,
oder mit der Meßmutter
verbunden. Das Fernrohr dagegen ist starr
mit dem Bett der Vorrichtung verbunden, auf dem auch das auszumessende Werkstück
und der Urmaßstab starr befestigt sind. Macht man dann die Brennweite des Kollimato.robjektivs
gleich dem Abstand der beiden parallel nebeneinander verlaufenden Meß strecken,
so kann die Beseitigung der Ablesefehler durch Ungenauigkeiten der Führungsbahnen
bis auf solche zweiter Ordnung herbeigeführt werden.
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Die vorstehend genannten Systeme haben den Vorteil, daß infolge der
Nebeneinanderlagerunglder beiden Meßstrecken die Baulänge der Meßvorrichtung gegenüber
solchen, die nach dem reinen Abbeschein Komparatorprinzip arbeiten, auf etwa die
Hälfte reduziert wird, was beim Ausmessen großer Teile sehr erwünscht ist. Sie haben
jedoch den Nachteil, daß die Meßstelle vom Ableseort bei langen Werkstücken sehr
weit entfernt liegt, so daß zum Ablesen des Urmaß.stabes am Fernrohr und zum optischen
Einstellen des Werlçstückes mit einem starr mit dem Kollimatorobjektiv verbundenen
Mikroskop zwei Beobachter benötigt werden, wenn man das lästige Hinundherlaufen
eines Beobachters während der Messung vermeiden will. Man kann dies zwar, wie dies
in der Patentschrift 399 849 vorgeschlagen wurde, dadurch vermeiEden, daß man auch
das Bild des Werkstückes durch einen zweiten Kollimator mit in das Fernrohr projiziert.
Dadurch wird jedoch nicht viel gebessert, da beim optischen Messen, z. B. von Gewindespindeln,
stets Manipulationen am zu messenden Gewindegang, z. B. das Anlegen von Meßschneiden
oder die Beseitigung von störenden Staubteilchen, durchgeführt werden müssen. Alle
diese Manipulationen können nur bei gleichzeitiger mikroskopischer Beobachtung ausgeführt
werden, und es ist deshalb erforderlich, daß der Ort der Beobachtung bei der Meßstelle
liegt.
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Unvofteilhaft ist ferner, daß infolge der Bedingung; daß die Brennweite
des Kollimatorobjektivs gleich der Entfernung der beiden Meßebenen sein muß, entweder
dieser Abstand nur klein sein darf, wodurch sperrige Werkstücke nicht untersucht
werden können, oder nur Kollimatcrobj ektive mit sehr langer Brennweite benützt
wer'den dürfen., was bei der erforderlichen hohen Öffnung dieser Objektive zu optischen
Schwierigkeiten führt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden. Dies
geschieht nach der Erfindung dadurch, daß einerseits das Meßsystem, das Kollimatorsystem
und das' Fernrohr andererseits das Werkstück, der Urmaßstab und das optische Ausgleichssystem
starr miteinander verbunden sind, wobei entweder das Meßsystem, ,das Kollimatofsystem
und das Fernrohr auf ,den Führungsbahnen bewegt werden,, während das Werkstück,
der Urmaßstab und das optische Ausgleilchsstystem feststehen, oder umgekehrt. Es
wird also vorgeschlagen, das Fernrohr starr mit demjenigen Geräteteil zu verbinden,
welches das Kollim'atorsystem zur Pro; ektio,n des Urmaßstabbildes ins Unendliche
und das Meßsystem für das auszumessende Werkstück trägt, während der optische Ausgleich
wider Ablesefehler in folge von Ungenauigkeiten der Führungsbahnen durch ein .starr
mit der Werkstück- und Urmaßstabhalterung verbundenes optisches System, z. B. ein
Spiegelsystem, erreicht wird. Hierbei islb es dann gleichgültig, ob das auszumessende
Werkstück, der Urmaßstab und das Spiegelsystem feststehen, während das Kollimatorfernrohrsystem
und das mit ihm starr verbundene Meßsystem für das Werkstück auf den Führungsbahnen
bewegt werden oder ob umgekehrt das Kollimatorfernrohrsystem und das Meßsystem feststehen,
während die starr verbundenen. Teile Werkstück, Spiegelsystem und Urmaßstab auf
den Führungsbahnen bewegt werden. Im Sinne der Erfindung ist es auch möglich, den
optischen Ausgleich von Ablesefehlern infolge von U.ng,enauigkeiten der Führungsbahnen
nicht am Abiesesystem des Urmaßstabes, sondern am Meßsystem für das Werkstückes
oder aber an beiden zusammeln durchzuführen.
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Der Gegenstand der Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise
dargestellt, und zwar zeigt Fig. I eine Einrichtung schem.atisch in persktivischer
Darstellung, Fig. 2 den Strahlengang nach Fig. I schematisch zur Erläuterung der
Wirkungsweise der Heinrich tung nach Fig. I und Fig. 3 eine abgeänderte Ausführungsform
der Einrichtung nach Fig. I schematisch in perspektivischer Darstellung.
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Als einfachster Fall wird die erfindungsgemäße Anordnung in Fig.
I für den Fall feststehen,den Werkstückes und optischen Ausgleichs der Ablesefehler
infolge von Ungenauigkeiten der Führungsbahnen im Ablesesystem des Urmaßstabes beschrieben.
In dieser Figur stellt I das auszumessende Objekt, z. B. einen Strichmaßstab, und
2 .den Vergleichsmaßstab dar. Der Maßstab I wird durch ein aus dem Objektiv 3, dem
Prisma 4, der Bezugsstrichplatte 5 und dem Okular 6 bestehendes Mikro skop derart
anvisiert, daß der anvisierte Maß stab strich I' von I zwischen den beiden Strichen
7 der Bezugsstrichplatte 5 gesehen wird. Dieses Mikroskop ist auf dem in den Führungen
8 und 9 laufenden Tisch 10 fest aufmontiert, ebenso wie ein Kollimatorsystem, das
aus einem Objektiv Ii und einem Prisma 12 besteht. Das Objektiv bildet den betreffenden
Maßstabstrich 2' von 2 im Unendlichen ab, wobei durch das Prisma 12 eine Knickung
der Abbildungsstrahien um go0 stattfindet.
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Auf der Grundplatte des gesamten Gerätes sind die Führungen 8 und
9 und der Tisch 13, der die beiden Maßstäbe I und 2 trägt, fest aufmontiert, ebenso
wie der Tisch I4, der ein Spiegelsystem trägt, das zu.r räumlichen Trennung von
Kollimator und Fernrohr als dreimal reflektierendes Prisma I5 ausgebildet ist und
zu dem die Ahbildungsstrahlen aus dem Objektiv II nach Knickung im Prisma I2 gelangen.
Nach erfolgter Reflexion im Prisma 15 verlaufen die Strahlen entgegengesetzt zur
ursFprünglichen Richtung zum Beobachtungsfernrohr, das fest auf dem Tisch 10 aufmontiert
ist. Das Fernrohrobj,ektiv I6 sammelt dabei die Abbildungsstrahlen derart, daß wider
Maßstabstrich 2' des Maßstabes 2 nach Knickung der Strahlen im Prisma I7
zwischen
den Strichen 18 der Bezugsstrichplatte 19 abgebildet wird und durch das Okular 20
beobachtet werden kann.
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Mit ,dem Tisch 10 ist außerdem eine Beleuchtungsvornchtung 21 fest
verbunden, die nach beiden Maßstäben Licht sendet.
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Zur Erklärung der Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung bezüglich
der Behebung von Ablesefehlern, die auf Ungenauigkeiten der Führungsbahnen beruhen,
dient die Fig. 2, in der gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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Es stellt I die achsensenkrechte Meßebene des Werkstückes und 2 die
achsensenkrechte Meßebene des Vergleichsmaßstabes dar. Die Meßebene I wird, wie
in Fig. I dargestellt ist durch ein Mikroskop oder beispielsweise durch die Spitze
eines Taststiftes anvisiert, dessen Objektivachse mit 22 bezeichnet ist. Der anvisierte
Objektpunkt ist I'. Das Kollimatorobjekttv ii bildet den Maßstabstrich 2' im Unendlichen
ab, wobei durch das Prisma 12 eine Knickung der Abbildungsstrahlen um go0 stattfindet.
Die Abbildungsstrahlen gelangen zu dem Spiegelsystem I5, in dem die Reflexionen
bei 23, 24 und 25 erfolgen. Hierauf verlaufen die Strahlen entgegen,gesetzt zur
ursprünglichen Richtung zum Beobachtungsfernrohr, von dem in Fig. 2 nur das Fernrohrobjektiv
i6 dargestellt wurde. Das Fernrohrobj ektiv sammelt dile Lichtstrahlen derart, daß
der Maßstabpunkt 2' im hinteren Brennpunkt indes FernlrolDrobjelçtivs auf dessen
Achse 26 abgebildet wird, wo sich dann dile in Fig. I dargestellte Bezugsstrichplatte
I9 befindet. Der das Anvisiermikroskop, das Kollimatorsystem und das Fernrohr tragende
Tisch (Io in Fig. I) läuft in den Führungen 8 und 9.
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Es ist leicht einzusehen und in den Patentschriften 394 809, 399
849 und 409 808 mehrfach erklärt worden, daß zu Abiesefehlern erster Ordnung infolge
von Ungenauigkeiten der Führungsbahnen nur solche führen, die eine Drehung des gesamten;
bewegten Systems um eine zur Zeichenebene von Fig.2 senkrechte Achse, z..B. um die
Achse mit dem Durchstoßpunkt 27 durch die Zeichenebene bewirken. Hierdurch findet
nämlich eine Verschiebung des Anvisiermikroskopes in die neue Achsenstellung 22'
des Kollimatorsystems in die Stellung II', I2' und des Ferurohres in die Stellung
I6' mit der Achse 26' statt. Das Mikroskop visiert dann die Meßebene des Objektes
in. I" an, während die Achse des Kollimatorsystems die Meßebene des Vergleichsmaßstabes
2 in 2" durchstößt. Bei Nichtvorhandensein eines optischen Ausgleichs würde demnach
der Ab lesefehler gleich der Strecke 28-2" sein.
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Die optische Achse unterliegt jedoch wieder der dreifachen Reflexion
in dem Prisma I5, wobeil die bei kleinen Winkeln unerhebliche Brechung an der Ein;tritts-
und Austrittsfläche des Pnsmas nicht dargestellt ist. Nach der dreifachen Reflexion
bei 23', 2ß' und 25' verläßt der Achsenstrahl das Prisma bei 29 und schließt, wie
man leicht nachweist, mit der Fernrohrachse 26' den Winkel 2# ein, wenn der Drehwinkel
um die Achse 27# beträgt. Will man demnach einen optischen Ausgleich der Ablesefehler
infolge von Ungenau,igkeiten in den Führungsbahnen erreichen, so muß man durch geeignete
Wahl der optischen Bedingungen dafür sorgen, daß der zu dem Punkt 28 (Korrespondenzpunkt
zu I") gehörende Lichtstrahl 30 nach erfolgter Reflexion im Prisma 15 in Punkten
3I, 32, 33 parallel zur Fernrohrachse 26' verläuft, da dann der Punkt 28 durch das
Kollimlator- und das Fernrohrobjektiv wieder auf der optischen Achse 26' abgebildet
wird. Dies ist stets dann der Fall, wenn der Punkt 28 dem Kollimatorobjektiv unter
dem Winkel a = 2 p erscheint, wie man aus den in Fig. 2 eingezeichneten Winkeln
erkennt.
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Bezeichnet man den Abstand der beiden Meßebenen von Werkstück und
Vergleichsmaß stab mit d und die Brennweite des Kollimatorobjektivs mit f, so ergibt
sich bei den hierbei auftretenden kleinen Winkeln dann der gesuchte optische Ausgleich,
wenn d f = 2 ' d. h. die Brennweite,des Kollimatorobjektivs, gleich dem halben Abstand
der beiden zu vergleichenden Meßebenen ist.
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Mit der von der Erfindung vorgeschlagenen Anordnung wird demnach
erreicht, daß der Ableseort (Fernrohrokular) im Gegensatz zu den bekanntgewordenen
Anordnungen in unmittelbarer Nähe der Meßstelle des Werkstückes (Punkt I' auf I)
liegt und daß die Brennweite des Kollimatorobjektivs nur noch halb so groß ist wie
der Abstand der Meßebenen von Objekt und Vergleichsmaßstab, wodurch bei hinreichend
kleinen Brennweiten des Kollimatorobjektivs auch sperrige Werkstücke ausgemessen
werden können.
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Da das Werkstück und der Vergleichsmaßstab in Fig. 1 und 2 gegeneinander
ausgetauscht werden können, kann der erfindungsgemäße optische Ausr gleich a,uch
am Anvisiersystem vorgenommen werden.
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Die Brennweite des Kollimato,robjekti'vs kann nochmals auf die Hälfte,.
d. h. auf ein Viertel des Abstandes der beiden Meßebenen, reduziert werden, wenn
man den erfindungsgemäßen optischen Ausgleich von Ablesefehlern infolge von Ungenauigkeiten
der Führungsbahnen am Anvisiersystem des Werkstückes und am Abiesesystem des Vergleichsmaßstabes
gemeinsam durchgeführt. Hierfür ist in Fig. 3 eine einfache Anordnung dargestellt.
Das Kollimatorsystem 34 besteht in UbereinLstimmung mit Fig. I aus dem Objektiv
II und dem Prisma I2 und das Fernrohr 36 aus dem Objektiv I6, dem Prisma I7, der
Strichplatte I8, 19 und dem Okular 20. Das Kollimatorsystem 35 entspricht dem Kollimatorsystem
34 und das Fernrohr 37 dem Fernrohr 36.
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Auf den Führungsbahnen 8 und 9, die parallel zu dem Werkstück I und
dem Vergieichsmaßstab 2 verlaufen, bewegt sich ein Tisch I0, der die beiden Kollimatorsysteme
34 und 35 und die beiden Fernrohre 36 und 37 fest montiert trägt. Durch die
Prismen
der beiden Kellimatersyssteme werden die Abbildungsstrahlen zu den beiden Prismen
15 und I5' reflektiert, aus denen sie nach dreimaliger Reflexion wieder austreten
und in den beiden Fernrohren 36, 37 ein beobachtbares Bild von Werkstück und Vergleichsmaßstab
erzeugen. Die beiden Prismen 15 und I5' sind dabei ebenso wie das Werkstück I und
der Vergleichsmaßsbab 2 sowie die beiden Führungsbahnen 8 und 9 fest mit dem Bett
der gesamten Anordnung verbunden. Die Lichtquelle 21, die dem Objekt 1 und dem Vergleichlsmaßstab
2 Licht gibt, ist fest mit dem Tisch 10 verbunden.
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Das erste Gesamtsystem korrigiert Ab lesefehler infolge von Ungenauigkeiten
der Führungsbahnen in bezug auf das Werkstück I und die Mittelachse AA, während
das zweite Gesamtsystem die Ablesefehler in bezug auf den Vergleichsmaßstab 2 und
die Mittelachse AA korrigiert. Beide Systeme zusammen bewirken demnach den optischen
Ausgleich der Ablesefehler in bezug auf das Werkstück und den Vergleichs maßstab,
wenn deren Abstand das Vierfache (4/) jeder der beiden einander gleichen Brennweiltenf
der Koll i'matorobj ektive beträgt.
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Durch ein geeignetes, an sich bekanntes optisches Verbindungsglied
kann man es dann noch erreichen, daß die Bilder des Werkstückes und des Vergleichs,
maß stabes zusammen, beispielsweise ilm Okular des WeXrkstücks,ystems, beobachtet
werden können, wodurch eine engste Nachbarschaft von Meßstelle auf dem Objekt und
Ablesestelle erreicht wird, wobei auch die Projektion auf eine Mattscheibe stattfinden
kann. Ferner ist es- erfindungsgemäß möglich, die subjektive Anvisierung einer oder
beider Meßebenen durch mechanische, lichtelektrische oder magnetische Einrichtungen
zu zersetzen. Auch ist es im Sinne der Erfindung möglich, bei Bedarf mit dem Spiegelsystem
I5 in Fig. I und 2 bzw. 15 und I5' in Fig. 3 noch andere optische Elemente, z. B.
zur Erzeugung einer Zwischenabbildung, zu verbinden. Außerdem kann erfindungsgemäß
mit demselben Erfolg an Stlellelder starr verbundenen Anordnung aus Anvisiersystem,
Kollimatorsystem und Fernrohr auch die starr verbundene Anordnung aus Werkstück,
Verglei chsmaß'stab und Spiegelsystem bewegt werden, während die andere Anordnung
feststeht.