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Verfahren und Einrichtung zur Messung der Verwindung von ebenen Flächen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung der Verwindung
von ebenen Flächen, vorzugsweise vor Führungsflächen an langen Führungsbahnen und
dgl. an Meßgeräten und Werkzeugmaschinen.
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Es sind Verfahren und Geräte bekannt, bei denen die Ebenheit bzw.
Geradlinigkeit von langen Führungsbahnen, von Richtplatten usw. durch Antasten mit
empfindlichen Libellen, durch mikroskopischen Vergleich mit einem gespannten Stahldraht,
mit einem Pluchtungsfernrorr und mit einem Autokollimationsfernrohr und Umlenkspiegel
bestimmt wird. Diese Verfahren besitzen Jedoch erhebliche Nachteile, eil das Anbringen
dieser Meßgeräte auf der zu prüfenden Führungsbahn, Richtplatte oder dgl. eine direkte
Beeinflussung dieser Prüflinge derart nit sich bringt, daß diese zusätzliche deformiert
werden. Ebenfalls können weitere Deformationen durch die Körperwärme des Prüfpersonals
verursacht werden. Bei allen diesen Verfahren wird jeweils nur an bestimmten Stellen
entlang er Führungsbahn d.e Lage der Prüffläche ermittelt. Eine lückenlose, jede
Stelle der Prüfflächen berücksichtigende Messung der Ebenheit ist, jedoch nach diesen
Verfahren und mit diesen Geräten nicht möglich.
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Es ist ferner ein optisches Verfahren zur Messung der Ebenheit bzw.
Geradlingkeit bekannt, welches auf der 3asis der streifenden Reflexion eines Parallelichtbündels
an der prüffläche und der Verwendung dieses Lichtbündels zur Erzeugung
von
Zweistrahlinterferenzen und der notwendigen Auswertung des Interferenzbildes beruht.
bei diesem Verfahren wird der Prüfling meßkraftfrei optisch angetastet, und die
Ebenheit bzw. Geradheit der Prüffläche ist längs des gesamten Prüflings ohne Unterbrechung
sichtbar. Bei der Verwerdung solcher iterferometer ipt aber entweder die Unebenheit
der Prüffläche, d. h. ihre Ungeradheit und Verwindung, nur durch einen komplizierten
Geräteaufbau und eine aufwendige Auswertung zu ermitteln oder es wird wie bei einem
ebenfalls komplizierten Gerät nur die Geradheit längs eines sehr schmalen Bereiches
der Prüffläche gemessen. Lr eine Ermittlung der Verwindung der gesamten Prüflingsfläche
müssen jedoch viele nebeneninanderliegende Bereiche der Prüflingsfläche vermessen
werden. Das erfordert einen hohen Zeit- und Arbeitsaufwand und eine sehr genaue
Parallelverschiebung des Meßgerätes. Auch ist die Auswertung der einzelnen, iurch
die Messungen erkaltenen Prüfbilder zwecks Rekonstruktion der Verweindungskurve
aus den einzelnen Prüfbildern sehr aufwendig.
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Es ist deshalb Zweck der Erfindung, ein Verwahren und eine Einrichtung
zu schiffen, bei denen die Nachteile des Standes der Technik beseitigt sind und
mit denen der Zeit- und Arbeitsaufwand bei der Messung der Verwindung von flächen
von Führungen und dgl. verringert ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein erfahren und eine Einrichtung
zur geometrisch-optischen Messung der Verwindung von Flächen zu schaffen, mit welchen
die Merwindung der zu prüfenden Flächen gleichzeitig, lfickenlos und unbeeinflußt
durch das Meßgerät über die gesamte Länge zu bestimmen ist.
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brfindungsgemäß wird die Aufgabe der Erfindung bei einem Verfahren
zur geometrisch-optischen Messung der Verwindung von ebenen Flächen dadurch gelöst,
daß die zu prüfende Flache vorzugsweise in ihrer gesamten Länge von einem teleskopischen-Beleuchtungssystem
durch ein paralleles Lichtbündel unter den Einfallswinkel f schräg beleuchtet wird,
und daß die beleuchtete Fläche mittels des an ihr reflektierten Lichtbündels durch
ein teleskopisches Beobachtungssystem mit zusätzlicher astigmatischer Abbildungsoptik
beobachtet oder aufgezei.chnet wird.
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Bei einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Beleuchtungs-
und Beobachtungssystem wird die erfindungsgemäße Aufgabe vorteilhaft dadurch gelöst,
daß das Beleuchtungssystem zur Beleuchtung der zu prüfenden Fläche des Prüflings
eine mit einer Öffnung oder einer optischen Markierung versehene Blende, Mittel
zur Beleuchtung der Blende und in optisches System zur Abbildung derselben nach
Unendlich besitzt, und daß das Beobachtungssystem ein teleskopisches System und
eine zusätzliche astigmatische Abbildungsoptik zur Beobachtung der zu.
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prüfenden Fläche umfaßt.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Meßeinrichtung ergibt
sich, wenn zur Beleuchtung und Beobachtung der zu prüfenden Fläche des Prüflings
ein Autokollimationsfernrohr und ein Spiegel vorgesehen wird, wobei dem Okular des
hutokollimationsfernrohres eine astigmatische Abbildungsoptik nachgeschaltet ist.
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Es ist ferner vorteilhaft, daß die astigmatische Abbildungsoptik
eine
Zylinderlinsenoptik umfaßt, deren Achse senkrecht zur optischen Achse und paraLbl
zur Prüflingsflache verläuft und in Richtung der optischen Achse verschiebbar ist.
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Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, die
Verwindung von langen Führungsflächen mit gewöhnlichem Licht zu bestimmen. Demzufolge
hat die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens einen einfachen Aufbau. Im Gegensatz
zur bekannten Interferometrischen Einrichtung werden an die Belauchtungaquelle selbst
geringere Anforderungen gestellt. Riittel zur Erzeugung von monochromatischem Licht
sowie mehrteilige Reflexionsspiegel sind nicht erforderlich. Das weiteren wird eine
meßkraftfreie Messung der Verwindung erzielt, und somit ist eine Deformation der
zu messenden Flächen durch das Meßgerät selbst nicht vorhanden.
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Die Erfindung soll nachstehend ar. Ausführungsbeispielen näher erläutert
werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen Fig. 1 eine Einrichtung mit kollimator
und kernrohr, Fig. 2 eine Einrichtung mit Autokollimationsferarohr und Umlenkspiegel,
Fig. 3- ein Bild der Blende bei unverwundener Fläche und Fig. 4 ein Bild der Blende
bei verwundener Fläche des Prüflings.
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Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung besitzt als Beleuchtungssystem
einen Kollimator zur Erzeugung eines parallelen Strahlenbündels. Diese Beleuchtungseinrichtung
umfaßt eine iicitquelle 1, einen die Lichtquelle 1 in die Ebene einer Blende 2
abbildenden
Kondensor 3 und ei Kollimatorobjektiv 4, welches ein paralleles Lichtbündel zur
~eleuchtung der zu prüfenden Fläche des Prüflings 5 erzeugt. Hierbei kann die Blende
2 mit einer Öffnung, vorzugsweise mit einer rechteckförmigen Öffnung 6 in Form eines
Spaltes oder mit einer optischen Markierung versehen sein. Das parallele Lichtbündel
fällt auf den Prüfling 5 unter einem Winkel # ein, der abhängig ist von der Länge
der zu prüfenden Fläche des Prüflings 5. So muß bei der Prüfung langer Flächen,
z. 3. Flächen langer Führungsbahnen, der Einfallswinkel r möglichst groß gewählt
werden. Des weiteren hängt der zu wählende Einfallswinkel # auch von der Oberflächenbeschaffenheit
(Rauheit und Reflexionsvermögen) der zu prüfenden Flächen ab. Am Prüfling 5 wird
das parallele Lichtbündel nach dem Reflexionsgesetz gerichtet in das im entsprechenden
Winkel angeordnete Fernrohr als Beobachtungssystem reflektiert. Dieses auf Unendlich
eingestellte Fernrohr umfaßt ein Objektiv 7 und ein Okular 8, wobei das Objektiv
7 in seiner Bildebene ein Bild 9 der Blende 2 entwirft, welches mittels des Okulars
8 wiederum nach Unendlich abgebildet wird und mit dem auf Unendlichaid'o:!lmodierten
Aute des Beobachters betrachtet und mit einer in der Bildebene des Obçektivs angeordneten
Strichmarke verglichen werden kann.
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Bei der Einrichtung nach Fig. 1 ist dem Okular 8 eine zusätzliche
astigmatische Abbildungsoptik in Form einer Zylinderlinse 10 nachgeschaltet, deren
Achse senkrecht zur optischen Achse des Beobachtungssystems und parallel zur Fläche
des Prüflings 5 verläuft, d. h. die Zylinderlinse 10 besitzt
in
einer in der Zeichenebene der Fig. t liegenden Ebene eine optische Wirkung, wohingegen
in einer dazu senkrechten Ebene die Zylinderlinse 10 optisch die Wirkung einer planparallelen
Platte besitzt. In der Ebene, in der die Zylinderlinse eine optische Wirkung besitzt,
bewirkt diese Linse 10 eine Abbildung der Längsdimension der Fläche des Prüflings
5 nach Unendlich.
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Auf diese Weise wird in dem auf Unendlich aRkoamodierten Auge bzw.
einer auf Unendlich eingestellten Fotokamera gleichzeitig in der Papierebene die
Längsdimension der Prüffläche und in der zur Papierebene senkrechten und zur optischen
Achse des Beobachtungssystems paraUelen Ebene das Bild 9 der Blende 2 scharf abgebildet.
It allgemeinen ist ein in Fig, 4 dargestelltes Bild sichtbar. Um eine hohe Meßempfindlichkeit
zu erreichen, muß eine starke Vergrößerung des Beobachtungssystems, d. h. ein Objektiv
7 mit großer Brennweite, verwendet werden.
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Das bedingt aber wieder große Gerätedimensionen. Zwecks Umgehung des
letztgenannten Nachteils ordnet man zweckmäßigerweise ein weiteres telesopisches
System, welches ein Objektiv 11 und ein Okular 12 umfaßt, hinter der Zylinderlinse
10 an. In der Bildebene des Okulars 12 ist vorteilhaft eine meßbar verschiebbare
Strichplatte 13 mit einer Bezugsgeraden angebracht, um eine quantitative Aumvertung
zu ermöglichen. Bei richtiger Fokussierung der Zylinderlinse 10 ist durch das Auge
des Beobachters ein verkleinertes, scharfes Bild der Fläche des Prüflings 5 in ihrer
gesamten Längsausdehnung sichtbar Es ist also insgesamt eine astigmatische Abbildung
vorhanden, die ein Bild der Blende 2
und ihrer Offnung oder Markierung
liefert, welches in seiner Höhenbegrenzung durch die Länge der zu messenden Fläche
-des Prüflings 5 bestimmt wird.
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Eine doppelte Empfindlichkeit der Messung der Verwindung von Flächen
an Prüf lingen 5 und eine Vereinfachung der Einrichtung des Gerätes am Prüfling
ist erreichbar, wenn, wie in Fig. 2 dargestellt, Beleucktungs- und Beobachtungssystem
in einem Geräteteil nach Art eines Autokollimationsfernrohres vereinigt sind und
das vom Autokollimationsfernrohr ausgehende, parallele, an der Fläche des Prüflings
5 reflektierte Lichtbündel-mittels eines Spiegels 14 in das Kernrohr nach nochmaliger
Reflexion an der Fläche des Prüflings 5 zurückgeworfen wird.
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Bei dieser nach dem Autokollimationsprinzip arbeitenden Meßeinrichtung
wird ebenfalls eine Lichtquelle 15 mittels eines Kondensors 16 auf die Öffnung 17
bzw. Markierung einer Blende 18 bzw. Strichplatte abgebildet. Im Zusammenwirken
mit einem vorgesehenen teildurchlässigen Spiegel 19 und einem Objektiv 20 entsteht
ein Beleuchtungssystem, welches wie bei der Einrichtung gemäß Ftg. 1 ein paralleles
Lichtbündel erzeugt, welches unter dem Einfallswinkel f auf die Fläche des Prüflings
5 einfällt, so daß deren gesamte Länge ausgeleuchtet wird. Das vom Prüfling 5 gerichtetereflektierte
Lichtbündel wird von einem Spiegel 14, der an dem dem Fernrohr gegenüberliegenden
Ende des Prüflings 5 angeordnet ist, in sich zurückgeworfen und gelangt nach nochmaliger
Reflexion in das Objektiv 20, welches nun als wernrohrobjektiv wirkt.
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Von hier aus erfolgt die gleiche astigmatische'ixbbildung über ein
Okular 21, eine Zylinderlinse 22, ein O-bjektiv 23 und ein Okular 24, w2e sie in
der zu Fig. 1 dargestellten EinricA-tung dargestellt ist.
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Bei beiden Einrichtungen ist der Einfallswinkel # des parallelen
Lichtbündels auf die Fläche des Prüflings 5 kontinuierlich variierbar, in dem bei
der Einrichtung gemäß Fig. 1 der Winkel zwischen den optischen Achsen des Beleuchtungssystems
und des Beobachtungssystems verändert wird. 3ei der Einrichtung gemäß Fig. 2 geschieht
dieser durch Kippung des Autokollimationsfernrohrs und des Spiegels 14.
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Die Messung der Verwindung der Fläche des Prüflings 5 erfolgt durch
Ausmessen des Spaltbildes der Blende 2 mit Hilfe der Strichplatte 13 und Auswerten
unter Berücksichtigung des Prüfwinkels g Im Falle einer nicht verwundenen Fl.äche
ergibt sich ein vollkommen gerades und zur Bezugsgeraden 26 paralleles jild 25 der
Blende 2 und 18 in der Strlchpiattenebene, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, wobei
mit 26 die Bezugsgerade auf der Strichplatte 13 bezeichnet ist. Dabei muß die Bezugsgerade
26 senkrecht zur Achse der Zylinderlinsen 10 und 22 ausgerichtet sein.
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Besitzt die zu prüfende Fläche des Prüflings 5 eine Verwindung, so
weist das Bild 27 der Blende 2 und 18 eine Ungeradheit bzw. eine Unparallelität
relativ zur Bezugsgeraden 26 (Fig. 4) auf. Eine quantitative Auswertung dieses Prüfbildes
erfolgt in an sich bekannter Weise durch eine meßbare Verschiebung
der
Strichplatte 13 mit der Bezugsgeraden 26, z. B. mittels einer Okularmeßschraube
in einer Richtung, die senkrecht zur Zeichenebene der Zeichnung verläuft.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es weiterhin in einfacher
Weise möglich, eine Prüfung des Ablaufes eines Schlittens auf Werkzeugmaschinen
und Meßgeräten durchzuführen.
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Durch Auflegen eines Spiegels auf den Schlitten und durch Vergleich
des Kollimatorspaltbildes, essen Länge proportional ?Vr Länge der Schlittenbewegung
zu wählen ist, welche eine bestimmte Gesichtsfeldlänge ergibt, mit der Okularstrichplatte
(13) ist die winkelhafte Verkippung des Schlittens senkrecht zur Führungsrichtung
in Abhängigkeit von seiner Stellung meßbar. Diese Verkippung des Schlittens ist
bedingt durch die Unparallelitat der den Schlitten in waagerechter Ebene tragenden
Führungsbahnen.