DE4035469C2 - Einrichtung zur Winkelprüfung mit Autokollimationsfernrohr - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Winkelprüfung mit Autokollimationsfernrohr nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine solche Einrichtung ist aus dem Artikel des Erfinders "Meßverfahren zur Prüfung der Genauigkeit von Industrierobo­ tern" in "Industrieroboter messen und prüfen - Aussprachetag am 26./27. November 1987 in Stuttgart", VDI/VDE-Gesellschaft Meß- und Automatisierungstechnik (GMA), Düsseldorf, Seiten 33 bis 66, und zwar speziell dem Bild 8 auf Seite 60 und der zu­ gehörigen Beschreibung auf Seite 43 unten bis Seite 44 oben sowie der Tabelle 1 bekannt.

Zweidimensional verschwenkbare Schwenkeinrichtungen sind in unterschiedlichen Ausführungen und für unterschiedliche Ver­ wendungszwecke bekannt; auch verschiedene Automatisierungsstu­ fen für die Schwenkbewegung vom Handbetrieb mit visueller Ab­ lesung über Handbetrieb mit automatischer, fotoelektrischer Ablesung bis zu motorisch angetriebenen, rechnergesteuerten und fotoelektrisch abgelesenen Systemen sind auf dem Markt. Sie werden in Leichtbauausführung zum Drehen und Schwenken von Meßtastern oder Meßsensoren eingesetzt oder in schwerer Aus­ führung finden sie als Träger für ein Bearbeitungswerkzeug auf mehrachsigen Fräsmaschinen Anwendung; auch als Werkstückträger für die verschiedensten Bearbeitungen sind mehrachsig ver­ schwenkbare Schwenkeinrichtungen der hier in Rede stehenden Art üblich. Auch Industrieroboter weisen am Ende des Arbeits­ armes meist eine zumindest zweidimensional verschwenkbare Schwenkeinrichtung auf. Die unterschiedlichen Schwenkeinrich­ tungen können in Schaltausführung, bei denen die einzelnen Winkelstellungen z. B. in Schritten von 5° einstellbar sind, oder in kontinuierlicher Ausführung für beliebige Winkelstel­ lungen bezogen werden. Für die Azimutbewegung ist meist ein Winkel von 360° oder sogar von 400° mit einem Überlappungsbe­ reich von 40° realisiert, wogegen für die Elevationsbewegung ein Schwenkwinkel von 0 bis -90°, in zahlreichen Ausführungen auch von +10 bis -100°, d. h. mit einem Schwenkbereich von 110° realisiert ist.

Aus IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 18, No. 1, Juni 1975, Seite 223 und 224, ist ein dreiachsiges Goniometer be­ kannt, also eine Schwenkeinrichtung mit sogar drei unabhängig voneinander verschwenkbaren, aufeinander aufbauenden Gliedern, die sehr feinfühlig über große Winkelräume verschwenkbar und justierbar sind. Die eingestellten Schwenkstellungen können an gegenüber einer Nullmarke verschwenkbaren Winkelskalen abgele­ sen werden. Das Basisglied weist eine horizontal liegende Vollkreis-Drehscheibe und ein darauf befestigtes Zwischenglied eine vertikal stehende Halbkreis-Drehscheibe auf. Der Bereich des gemeinsamen Achsenschnittpunktes dieser Schwenkeinrichtung ist - wie üblich - von Konstruktionsteilen, hier von einem Werkstück-Aufnahmetisch, eingenommen.

Für die erwähnten unterschiedlichen Schwenkeinrichtungen ge­ winnt in zunehmendem Maße die Genauigkeit der Einhaltung der Orientierungswinkel auch unter bestimmten Betriebsbedingungen, z. B. unter Last oder unter Schwingungseinflüssen, an Bedeu­ tung. Für die Genauigkeitsüberprüfung von Drehtischen sind in­ zwischen Winkelmeßgeräte oder Sonder-Laserinterferometer ein­ setzbar.

In dem eingangs zitierten Artikel des Erfinders wird die An­ wendung eines automatischen, zweiachsigen Autokollimations­ fernrohres bei der geometrischen Prüfung von Industrierobotern beschrieben. Es heißt dort nahezu wörtlich, "daß moderne foto­ elektrische Autokollimationsfernrohre es gestatten, berüh­ rungslos und rückwirkungsfrei über Verschiebestrecken bis zu 20 Metern die Bestimmung von Nick- und Gierwinkelabweichungen im Bereich von 1 Grad bei einer Auflösung von einer zehntel Winkelsekunde zu messen. Die Messungen können statisch und dy­ namisch durchgeführt und auch Winkelschwingungen untersucht werden. Als Reflektor dient ein Planspiel am Prüfling, der - solange der Primärstrahl noch auf den Planspiegel fällt - be­ liebig aus dem Strahlengang in Querrichtung herausgezogen wer­ den darf. Auch Strahlunterbrechungen können zugelassen wer­ den." Gemäß dem eingangs zitierten Artikel des Erfinders wird ein Industrieroboter auf Genauigkeit überprüft. Der Prüfling ist dort also ein Industrieroboter mit seinen sechs Bewegungs­ achsen; es ist in Fig. 8 des oben genannten Artikels die sog. Roboterhand mit zwei Schwenkachsen (Y, Z) dargestellt, die zu­ einander senkrecht stehen und sich in einem Punkt schneiden. Das Handgelenk trägt ein um die erste Schwenkachse schwenkba­ res Zwischenglied, welches die andere der beiden Schwenkach­ sen, die zweite Schwenkachse, enthält. Am Zwischenglied ist schließlich - so darf angenommen werden - ein um die zweite Schwenkachse schwenkbares Arbeitsglied gelagert, welchem eine Werkzeug- oder Werkstückaufnahme zugeordnet ist, die wenig­ stens partiell symmetrisch zu einer durch den Prüflings-Achsenschnittpunkt gehenden und senkrecht auf der zweiten Schwenkachse stehenden Werkzeugaufnahmeachse ausgebildet ist. Selbstverständlich sind die einzelnen bewegli­ chen Glieder des Industrieroboters jeweils mit einem feinfühlig ansteuerbaren bzw. aktivierbaren Verstellantrieb versehen, die gemeinsam oder einzeln auch über kleine Verfahrwege ingangsetz­ bar sind. Wenngleich nicht immer üblich, so soll hier davon ausgegangen werden, daß das Roboter-Handgelenk auch eine Win­ kelanzeige für den Schwenkweg des Zwischengliedes um die erste Schwenkachse relativ zum Basisglied der Roboterhand gegenüber einer Nullmarke am Basisglied sowie eine weitere Winkelanzeige für den Schwenkweg des Arbeitsgliedes um die zweite Schwenk­ achse relativ zum Zwischenglied des Handgelenkes gegenüber einer Nullmarke am Zwischenglied enthält. Das erwähnte, unabhän­ gig vom Prüfling lagedefiniert gehalterte Autokollimationsfern­ rohr ist ortsfest und unbeweglich aufgestellt; es ist auf einen an der Roboterhand quer zur Fernrohrachse befestigten Planspie­ gel ausgerichtet, wobei der Planspiegel in der Werkzeug- oder Werkstückaufnahme des Prüflings gehaltert ist. Das Autokollima­ tionsfernrohr ist - wie gesagt - mit einer zweidimensionalen Anzeige der Winkellage des in das Autokollimationsfernrohr zu­ rückreflektierten Strahles relativ zur Fernrohrachse ausgestat­ tet.

Dem solcherart als Prüfling in eine Einrichtung zur Winkelprü­ fung einbezogenen Industrieroboter wird zur Genauigkeitsüber­ prüfung die Aufgabe gegeben, die Roboterhand entlang einer ge­ raden Linie zu verfahren, und dabei möglichst keine Schwenk­ bewegungen auszuführen, wobei an der Verfahrbewegung der ge­ samte Roboterarm und keineswegs nur das Handgelenk beteiligt ist. Es können dann während der Verschiebung der Roboterhand entlang der Verschieberichtung ungewollte Nickbewegungen und Gierbewegungen der Roboterhand gleichzeitig und isoliert von­ einander sehr empfindlich erfaßt werden. Allerdings können die isolierten Werte von Nick- und Gierwinkel bei dieser Art der Prüfung nicht irgendwelchen bestimmten Gelenken des Roboterar­ mes oder des Handgelenkes, sondern nur summarisch allen an der Linearbewegung beteiligten Gelenken des Knickarm-Roboters zu­ geordnet werden. Nur unter der - prüftechnisch mehr theoreti­ schen - Voraussetzung, daß das Basisglied des Roboter-Handge­ lenkes ortsfest gehalten wird und das Arbeitsglied des Hand­ gelenkes nur Nick- und/oder Gierbewegungen von weniger als ei­ nem Winkelgrad ausführt, könnten diese Schwenkbewegungen von dem zweidimensional messenden Autokollimationsfernrohr hinsicht­ lich Genauigkeit kontrolliert werden, wobei wegen der Beteili­ gung von nur zwei Bewegungsachsen diesen auch eventuell festge­ stellte Winkelfehler zugeordnet werden könnten. Mit der bekann­ ten Anordnung mit einem zweidimensional messenden Autokolli­ mationsfernrohr zur Erfassung derart kleinen Nick- und Gierbe­ wegungen linear bewegter Prüflinge ist jedoch kein Hinweis dar­ auf gegeben, wie ortsfest gehaltene und über sehr große Win­ kelräume hinweg zweidimensional verschwenkbare Schwenkeinrich­ tungen, die mit hoher Winkelgenauigkeit einstellbar sein sol­ len, auf Genauigkeit überprüft werden könnten.

Die Zeitschrift "Technologische Rundschau" 41/88, Seite 64 bis 65, zeigt ein Gerät, mit dem bspw. ein Industrieroboter auf Repro­ duziergenauigkeit eines bestimmten Punktes am Ende seines Ar­ beitsarmes, bspw. des sogenannten Handmittelpunktes überprüft werden kann. Der Arbeitsarm des Industrieroboters wird nach­ einander in vorbestimmte Positionen eingefahren, in denen der Handmittelpunkt eine vorgegebene Soll-Lage einnimmt. Mit zwei verschiedenen, räumlich ortsfest aufgestellten und zweidimen­ sional verschwenkbaren Fernrohren wird der Handmittelpunkt je­ weils so angepeilt, daß der Handmittelpunkt in der optischen Achse der Fernrohre liegt. Die zweidimensionale Schwenkeinrich­ tung zur Halterung der Fernrohre ist mit genau arbeitenden Win­ kelmessern zur Ermittlung des Azimut- und des Elevationswinkels versehen. Aus den jeweiligen Winkeln der Fernrohreinstellung kann dann die tatsächliche Raumlage des Handmittelpunktes des Industrieroboters errechnet und diese mit der vorgegebenen Soll- Lage des Handmittelpunktes verglichen werden. Mit dieser Ein­ richtung kann nur summarisch die Reproduziergenauigkeit des Arbeitsarmes eines Industrieroboters insgesamt beim Herbeifüh­ ren vorprogrammierter Positionen des Handmittelpunktes über­ prüft werden; etwaige Positionierungsfehler können mit diesem Prüfgerät nicht bestimmten Bewegungsachsen zugeordnet werden. Es ist insbesondere keine nähere Aussage über die Arbeitsgenauig­ keit der beiden letzten Schwenkachsen der Roboterhand möglich. Allenfalls Aussagen darüber, in welchen räumlichen Zonen des Arbeitsbereiches des Industrieroboters eine gute und in wel­ chen Zonen eine schlechte Übereinstimmung von Soll- und von Ist-Lage des Handmittelpunktes gegeben ist, können getroffen werden.

In der Buchveröffentlichung "Fertigungsmeßtechnik - Handbuch für Industrie und Wissenschaft" H. J. Warnecke et al., Heraus­ geber, Berlin 1984, Seiten 356 und 367 bis 375, wird auf die Möglichkeit einer Winkelmessung kleiner Winkel oder Winkelfeh­ ler mittels Autokollimationsfernrohren hingewiesen. Es wird auch erwähnt, daß Winkelfehler bezüglich zweier zueinander senk­ recht stehender Schwenkachsen gleichzeitig mit einem Autokolli­ mationsfernrohr erfaßt werden können. Es ist allerdings kein Hinweis auf die Winkelprüfung von zweidimensional einstellbaren Schwenkeinrichtungen gegeben.

Die DE 31 07 835 A1 zeigt eine Prüfvorrichtung für einen sta­ bilisierten Schwenkspiegel im Spiegelkopf eines Periskopes, bei der ebenfalls ein Autokollimationsfernrohr zum Einsatz gelangt. Derartige Schwenkspiegel werden zur Änderung der Ausblickrich­ tung mittels des Periskopes darin um eine vertikale und/oder horizontale Schwenkachse geschwenkt. Die im Periskop eingesetz­ ten Schwenkspiegel sind einzeln jeweils nur um eine einzige Achse schwenkbar; soweit eine Verschwenkung der Schwenkspiegel um eine vertikale und um eine horizontale Schwenkachse in Be­ tracht kommt, handelt es sich um zwei separate und unterschied­ lich schwenkbar gelagerte Schwenkspiegel. In der beschriebenen Prüfeinrichtung ist der Schwenkspiegel ebenfalls nur um eine einzige Achse schwenkbar gelagert und es wird auch nur die Schwenkbewegung bezüglich dieser einen Achse geprüft.

Ausgehend von einer Einrichtung zur Winkelprüfung gemäß dem Oberbegriff von An­ spruch 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese Ein­ richtung derart weiterzubilden, daß die beiden Schwenkwinkel des die Werkzeug- oder Werkstückaufnahme umfassenden Arbeits­ gliedes in jeder beliebigen Raumlage isoliert und gleichzeitig überprüfbar sind.

Diese Aufgabe wird bei der Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Es wird also die Überprüfung der Orientierungsgenauigkeit des Prüflings durch eine konzentrisch aufgestellte Meß-Schwenkeinrichtung über­ prüft, wobei die Ankopplung der Meß-Schwenkeinrichtung an den Prüflings berührungsfrei über ein zweidimensional auflösendes Autokollimationsfernrohr erfolgt und wobei der Prüflings nur durch einen kleinen Planspiegel belastet ist.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden.

Im übrigen ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nach­ folgend noch erläutert; dabei zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Ein­ richtung zur Winkelprüfung für eine zweidimensional einstellbare Schwenkeinrichtung und

Fig. 2 eine Seitenansicht der Anordnung nach Fig. 1 von rechts mit Realisierung der in Fig. 1 strich­ punktiert angedeuteten Variante und zusätzlich mit interferometrischer Messung eines etwaigen Radialversatzes des Arbeitsgliedes beim Schwenken.

Die in der Figur gezeigte Schwenkeinrichtung ist beispielsweise der Schwenkkopf an der Pinole eines Mehrkoordinaten-Meßgerätes, mit dem der Meßtaster in jede beliebige Raumlage geschwenkt werden kann, um die Leibung von raumschräg liegenden Bohrungen eines zu vermessenden Gegenstandes orthogonal antasten zu kön­ nen. In der im Patentanspruch gewählten Terminologie ist die Pinole des Schwenkkopfes das Basisglied 5 des Prüflings 1. Die Pinole ist zugleich auch die Halterung des Prüflings. Diesem Basisglied ist eine erste Prüf­ lingsschwenkachse 2 feststehend zugeordnet, die beim dargestell­ ten Ausführungsbeispiel vertikal steht und demgemäß eine Achse zur Ausführung von Azimutbewegungen darstellt. Der Prüfling 1 enthält ferner ein um die erste Prüflings­ schwenkachse 2 schwenkbar am Basisglied 5 gelagertes Zwischen­ glied 6, welches eine zweite Prüflingsschwenkachse 3 trägt. Die zweite Prüflingsschwenkachse 3 steht rechtwinklig zur ersten Prüflingsschwenkachse 2 und schneidet diese in dem Prüflings- Achsenschnittpunkt 4. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die zweite Prüflingsschwenkachse in jeder Stellung hori­ zontal. Über die zweite Prüflingsschwenkachse des kugelförmigen Zwischengliedes 6 ist ein Arbeitsglied 7 schwenkbar gelagert, welchem eine Werkzeugaufnahme 8 zugeordnet ist, die wenigstens partiell symmetrisch zu einer durch den Prüflings-Achsenschnitt­ punkt 4 gehenden und senkrecht auf der zweiten Prüflingsschwenkachse 3 stehenden Werkzeugaufnahmeachse 9 aus­ gebildet ist. Nicht dargestellt ist eine Winkelanzeige für den Schwenkweg des Zwischengliedes relativ zum Basisglied und eine Winkelanzeige für den Schwenkweg des Arbeitsgliedes relativ zum Zwischenglied, die jedoch bei einer praktischen Ausführung ei­ nes Prüflings in unterschiedlichen Ausfüh­ rungsformen tatsächlich vorhanden sind und hier unterstellt werden. Anstelle der kontinuierlichen Winkelanzeige kann auch eine in diskreten Winkelstellungen einrastende Verzahnung zur Anwendung kommen.

Um den Prüfling auf Orientierungsgenauigkeit in jeder beliebigen Stellung überprüfen zu können, ist erfin­ dungsgemäß eine ebenfalls zweidimensional verschwenkbare Meß­ schwenkeinrichtung 10 vorgesehen, die etwa konzentrisch zur Prüflings-Schwenkeinrichtung 1 aufgestellt ist. Auch die Meß- Schwenkeinrichtung 10 enthält zwei aufeinander senkrecht ste­ hende Schwenkachsen, die im folgenden entsprechend ihrer Funk­ tion als Azimutachse 11 und als Elevationsachse 12 bezeichnet sind. Auf einem Basisteil 23 der Meß-Schwenkeinrichtung 10 ist ein im wesentlichen L-förmig ausgebildetes Zwischenteil 21 um die vertikal stehende Azimutachse 11 verdrehbar. Das Zwischen­ teil 21 trägt seinerseits seitlich eine Drehscheibe 22, die um die horizontal liegende Elevationsachse 12 verdreht werden kann. Die beiden zueinander senkrecht stehenden Achsen, nämlich Azi­ mutachse 11 und Elevationsachse 12, schneiden sich etwa in ei­ nem gemeinsamen Punkt, dem Meßgerät-Achsenschnittpunkt 13, der bei der Gebrauchs-Aufstellung, die in der zeichnerischen Dar­ stellung gezeigt ist, mit dem Prüflings-Achsenschnittpunkt 4 in etwa zusammenfällt. Außerdem ist die relative Aufstellung von Prüfling 1 und Meß-Schwenkeinrichtung 10 so vorgenommen, daß die erste Prüflingsschwenkachse 2, die eine Azimutachse ist, deckungsgleich liegt mit der Azimutachse 11 der Meß-Schwenkeinrichtung. Dank des L-förmigen Zwischenteiles 21 ist die Meß-Schwenkeinrichtung 10 in der Weise im Bereich des Meßgerät-Achsenschnittpunktes 13 materielos ausgebildet, daß dieser Achsenschnittpunkt 13 weiträumig frei zugänglich ist. Dadurch ist eine konzentrische Aufstellung der Meßgeräte- Schwenkeinrichtung 10 in Relation zum Prüfling 1 überhaupt möglich. Um den Prüfling 1 hinsichtlich seiner Orientierungsgenauigkeit überprüfen zu kön­ nen, muß die Meß-Schwenkeinrichtung 10 bezüglich der Meß- und Reproduziergenauigkeit der Winkeleinstellung für die Azimutbe­ wegung und für die Elevationsbewegung um wenigstens den Faktor 5 genauer sein als die des Prüflings 1. Dank einer baulich großen Dimensionierung ist eine exakte Teilungs­ messung mit der Meß-Schwenkeinrichtung 10 auch eher möglich. Um die beweglichen Teile der Meß-Schwenkeinrichtung 10 berührungs­ los und optisch an die beweglichen Teile des Prüflings 1 ankoppeln zu können, umfaßt die Prüfeinrichtung ein kleinbauendes Autokollimationsfernrohr 15, welches mit ei­ ner zweidimensionalen Anzeige der Winkellage des in das Auto­ kollimationsfernrohr zurückreflektierten Strahles ausgestattet ist. Dieses Autokollimationsfernrohr 15 ist über ein Stativ 25 der Drehscheibe 22 feststehend zugeordnet. Das Autokollimations­ fernrohr 15 ist etwa auf den zugehörigen Meßgeräte-Achsenschnitt­ punkt 13 ausgerichtet, wobei die Fernrohrachse senkrecht zur zugehörigen Schwenkachse 12 steht.

Die Prüfeinrichtung umfaßt ferner zunächst einen Planspiegel 17, der stets senkrecht zur Werkzeugaufnah­ meachse 9 der Prüflings-Schwenkeinrichtung 1 und etwa konzen­ trisch zu ihr angeordnet und gehaltert ist. Es ließe sich mit anderen Worten die Lage des Planspiegels auch folgendermaßen definieren: der Planspiegel 17 ist tangential zu einem gedach­ ten Hüllzylinder angeordnet, der zur zweiten Prüflingsschwenk­ achse konzentrisch angeordnet ist. Dieser Planspiegel 17 ist von einem Halter 18 gehalten, der in die Werkzeugaufnahme 8 des Prüflings 1 feststehend eingesetzt ist. Da­ bei ist der eine Planspiegel 17 an einem geradlinigen, zur Werk­ zeugaufnahmeachse 9 konzentrischen Arm 19 gehalten. Aufgrund dieser Halterung des Planspiegels 17 bleibt er in jeder belie­ bigen Schwenkstellung des Prüflings 1 stets tangential zu dem erwähnten Hüllzylinder stehen. Dank der Ver­ wendung eines Autokollimationsfernrohres kann die Meß-Schwenk­ einrichtung 10 optisch unter Verwendung leicht bauender Teile, nämlich eines relativ kleinen Planspiegels 17, auf einfache und genaue Weise an den Prüfling 1 angekoppelt werden, wobei Parallelverlagerungen der beteiligten Teile wäh­ rend der Schwenkbewegungen irrelevant bleiben. Der Planspiegel 17 und der Halter 19 belasten das Arbeitsglied 8 nur in einer ohne weiteres erträglichen Weise; die Bewegung ist weder von dem Gewicht der Planspiegel und ihrer Halterung noch von ihren Abmessungen her in irgendeiner Weise eingeschränkt. Bedarfs­ weise kann eine Prüfung unter Last durch aufsteckbare Gewichte durchgeführt werden.

Um nun den Prüfling 1 in einer beliebigen Orientierungsstellung der Werkzeugaufnahmeachse 9 auf Orien­ tierungsgenauigkeit überprüfen zu können, wird die Meß-Schwenk­ einrichtung 10 mit ihren beweglichen Teilen 21 und 22 in eine entsprechende Orientierungsstellung entsprechend der Anzeige an den Prüfling eingefahren. Dank der zweidi­ mensionalen Fehlwinkelanzeige des Sekundärstrahles an dem Auto­ kollimationsfernrohr 15 kann an diesem der Orientierungsfehler des Prüflings abgelesen werden, wobei aller­ dings der Azimutfehler nur mit dem Cosinus des Azimutwinkels erfaßbar ist, was allerdings nicht weiter schlimm ist, weil bei Azimutwinkel in der Nähe von -90° in der Praxis Fehlwinkel ohne weiteres toleriert werden können.

Um die Einstellung und Messung an der Meß-Schwenkeinrichtung 10 zu erleichtern, sind die beiden beweglichen Teile, nämlich das Zwischenteil 21 und die Drehscheibe 22 der Meß-Schwenkeinrich­ tung 10 jeweils mit einer elektromotorischen Feinverstellung versehen; außerdem ist sie sowohl bezüglich der Azimutbewegung als auch bezüglich der Elevationsbewegung mit einem selbsttätig arbeitenden und über mindestens 360° hinweg wirksamen, ein elek­ trisches Winkelsignal erzeugenden Winkelmeßsystem und mit einer digitalen Winkelanzeige versehen.

Um die Meß-Schwenkeinrichtung 10 sowohl hinsichtlich des Ge­ wichtes als auch hinsichtlich des Bauraumes des Autokollimati­ onsfernrohres 15 nicht ungebührlich zu belasten, ist für diese eine Kleinbauweise, insbesondere eine Kurzbauweise vorgesehen. Das erwähnte Stativ 25 sollte, ebenso wie der Halter 19 mög­ lichst schwingungssteif ausgebildet sein, so daß eine ruhige Strahllage nicht gestört und eine gleichbleibende Stellung der einzelnen Komponenten gewährleistet wird.

Nachdem Messungen in allen möglichen Raumlagen möglich sein sollen, ist es häufig schwierig, die Winkellage des Sekundär­ strahles relativ zur Fernrohrachse am Autokollimationsfernrohr visuell zu ermitteln. Deswegen ist es zweckmäßig, wenn das Au­ tokollimationsfernrohr über eine zweidimensional arbeitende automatische Winkelerfassung z. B. mittels positionsempfind­ licher Photodetektoren oder mittels CCD-Array-Kamera verfügt. Die Koordinatenachsen dieser zweidimensional empfindlichen Meß­ ebene sollten parallel bzw. orthogonal zur Elevationsachse aus­ gerichtet sein. Der senkrechte Abstand des Sekundärstrahles von der einen Koordinatenachse entspricht - unabhängig vom Abstand Autokollimationsfernrohr/Planspiegel - dem Fehlwinkelsignal bezüglich der einen Schwenkachse und der Abstand von der ande­ ren Koordinatenachse dem Fehlwinkelsignal bezüglich der anderen Schwenkachse. Diese beiden solcherart ermittelbaren Fehlwinkelsignale können dann über eine digitale Anzeige extern sichtbar gemacht werden. Selbstverständlich ist es auch mög­ lich, die erwähnten Fehlwinkelsignale unter Verwendung geeig­ neter Rechnereinrichtungen und geeigneter Programme datenmäßig zu verarbeiten, und die Meßergebnisse sinnvoll auszuwerten und zeichnerisch und/oder tabellarisch aufzuarbeiten und darzustel­ len.

Es ist ohne weiteres denkbar, daß etwaige Fehlwinkel bezüglich der Elevationsachse und/oder bezüglich der Azimutachse auch noch Rückwirkungen auf die Position des in die Werkzeugaufnahme 8 aufgenommenen Werkzeuges bezüglich der Werkzeugaufnahmeachse 9 haben. Wird beispielsweise in die Werkzeugaufnahme ein Stern­ taster mit radial von der Werkzeugaufnahmeachse 9 abragenden Tastarmen aufgenommen, so wäre es für die Genauigkeit einer Messung von großer Wichtigkeit, etwaige, ungewollte Verdrehungen des Sterntasters um die Werkzeugaufnahmeachse 9 zu kennen. Um auch derartige, wenn auch ungewollte Drehungen um die Werkzeug­ aufnahmeachse 9 erfassen zu können, ist eine zweite optische Antastung, ebenfalls mittels Autokollimationsfernrohr und Plan­ spiegel vorgesehen. Nach einer in Fig. 1 in vollen Linien dar­ gestellten Ausführungsvariante enthält die Meß-Schwenkeinrich­ tung 10 ein zweites, ebenfalls zweidimensional anzeigendes Au­ tokollimationsfernrohr 14, welches an dem um die Azimutachse 11 schwenkbaren Teil 21 der Meß-Schwenkeinrichtung 10 angeordnet und auf ihm mittels des Statives 24 gehalten ist. Dieses zweite Autokollimationsfernrohr 14 ist ebenfalls auf den Meßgeräte- Achsenschnittpunkt 13 ausgerichtet, wobei die Fernrohrachse orthogonal zu der Azimutachse 11 steht. Diesem zweiten Auto­ kollimationsfernrohr 14 ist ebenfalls ein Planspiegel, nämlich der zweite Planspiegel 16 zugeordnet, der stets senkrecht zur zweiten Prüflingsschwenkachse 3 steht und etwa konzentrisch zu ihr angeordnet und gehaltert ist. Und zwar ist bei dem in vol­ len Linien dargestellten Ausführungsbeispiel ein für beide Planspiegel 16 und 17 gemeinsamer Halter 18 vorgesehen, der außer dem gestreckten Haltearm 19 noch einen weiteren, gekröpf­ ten Arm 20 enthält, der das Arbeitsglied 7 und das Zwischen­ glied 6 des Prüflings 1 bis in die Nähe der zweiten Prüflingsschwenkachse 3 umgreift.

Sollte bei einer beliebigen Verschwenkung der Werkzeugaufnahme 8 um die erste und/oder zweite Prüflingsschwenkachse eine klei­ ne, ungewollte Verdrehung des in der Werkzeugaufnahme 8 gehal­ terten ersten Planspiegels 17 um die Werkzeugaufnahmeachse 9 auftreten, so kann diese ungewollte Drehbewegung für jede be­ liebige Schwenkstellung mit dem zweiten Autokollimationsfern­ rohr 14 und dem zugehörigen zweiten Planspiegel 16 gemessen werden.

In Fig. 1 ist eine Alternativausführung für die Anordnung des zweiten Autokollimationsfernrohres strichpunktiert angedeutet, die in Fig. 2 in vollen Linien dargestellt ist. Und zwar ist bei dieser Ausführungsvariante das zweite Autokollimationsfern­ rohr 14′ ebenfalls an dem um die Elevationsachse 12 schwenkba­ ren Teil 22 der Meß-Schwenkeinrichtung 10 angeordnet und mit der Fernrohrachse parallel zur Elevationsachse 12 ausgerichtet. Bei dieser Anordnung des zweiten Autokollimationsfernrohres 14′ braucht es lediglich eindimensional meßempfindlich zu sein, wobei die Richtung der Anzeigeempfindlichkeit quer zur Richtung der Werkzeugaufnahmeachse 9 ausgerichtet sein muß. Bei dieser Anordnung des zweiten Autokollimationsfernrohres 14′ ist der zugehörige zweite Planspiegel 16′ ebenfalls stets senkrecht zur zweiten Prüflingsschwenkachse 3 und konzentrisch zur Fernrohr­ achse des zweiten Autokollimationsfernrohres 14′ angeordnet und gehaltert. Zwar ist es denkbar, die gesamte Anordnung des zwei­ ten Autokollimationsfernrohres konzentrisch zur Elevationsachse 12 anzuordnen, jedoch ist dies bei der Halterung des zweiten Autokollimationsfernrohres 14′ auf der Drehscheibe 22 nicht nötig; vielmehr kann zur Vereinfachung der Halterung des zwei­ ten Planspiegels 16′ die Meßachse 26 der Anordnung des zweiten Autokollimationsfernrohres 14′ mit zugehörigem Planspiegel 16′ zur Elevationsachse 12 in Richtung der Werkzeugaufnahmeachse 9 versetzt angeordnet werden, wobei der Abstand des parallelen Seitenversatzes etwa dem Abstand des ersten Planspiegels 17 von der Elevationsachse 12 entspricht. Bei dieser exzentrischen Anordnung des zweiten Autokollimationsfernrohres 14′ bzw. der zugehörigen Meßachse 26 kann der zweite Planspiegel 16′ tangen­ tial zum Umfang des ersten Planspiegels 17 angeordnet werden, was die Spiegelhalterung vereinfacht und eine steifere Spiegel­ halterung ergibt. Selbstverständlich ist es bei dieser Relativ­ lage zweier Planspiegel auch möglich, ein verspiegeltes Dach­ kantprisma zu nehmen, bei dem die eine Spiegelfläche quer zur Werkzeugaufnahmeachse 9 und die andere Spiegelfläche tangential zu einem Hüllzylinder um diese Achse herum liegt.

In Fig. 2 ist noch eine Möglichkeit aufgezeigt, wie der Prüf­ ling 1 bezüglich eines weiteren Kriteriums meßtechnisch überprüft werden kann. Und zwar können bei einer beliebigen räumlichen Verschwenkung der Werkzeugaufnahme 8 u. U. auch radiale Verschiebungen des ersten Planspiegels 17 in Rich­ tung der Werkzeugaufnahmeachse 9 vorkommen. Auch solche radia­ len Verschiebungen wären ungewollt; sofern sie trotzdem auf­ treten, wäre es gut, wenn man wüßte, bei welcher Stellung sie wie groß wären. Um auch diese Radialverschiebungen meßtechnisch erfassen zu können, ist bei dem in Fig. 2 dargestellten Aus­ führungsbeispiel parallel neben dem ersten Autokollimations­ fernrohr 15 ein Laserinterferometer 27 in Planspiegelversion angeordnet, wobei der erste Planspiegel 17 als Meßreflektor dieses Laserinterferometers 27 dient. Zwar ist es auch denkbar, die Radialverlagerung in einem zweiten, anschließenden Meßvor­ gang zu ermitteln, wobei das Laserinterferometer anstelle des Autokollimationsfernrohres angeordnet ist. Diese Ausgestaltung erfordert jedoch den doppelten Zeitaufwand, so daß aufgrund einer Nebeneinanderanordnung von Autokollimationsfernrohr und Laserinterferometer die Winkel- und die Abstandsprüfung gleich­ zeitig erfolgen können. Um mit einem kleinen Planspiegel 17 auskommen zu können, ist der Meßstrahl des Laserinterferometers 27 über einen teildurchlässigen Spiegel, nämlich einen Inten­ sitätsstrahlteilerwürfel 30 koaxial zum Strahlengang des Auto­ kollimationsfernrohres 15 eingespiegelt. Das Laserinterferome­ ter umfaßt außer dem bereits erwähnten Planspiegel 17 zunächst eine Laserinterferometer-Strahlenquelle 27, die einen für la­ serinterferometrische Meßzwecke geeigneten Laserstrahl aussen­ det. Dieser Laserstrahl trifft zunächst auf einen Polarisations­ strahlteilerwürfel 28, der den Laserstrahl in zwei unterschied­ lich polarisierte Strahlanteile aufspaltet. Der als Referenz­ strahl dienende Anteil dieser beiden Strahle trifft auf den der Laserinterferometer-Strahlenquelle 27 gegenüberliegend angeord­ neten Referenzreflektor 31, der diesen Strahlanteil parallel zu sich selber wieder in die Laserinterferometer-Strahlenquelle 27 zurückreflektiert. Der andere Strahlanteil wird an der strahl­ teilenden Reflektionsfläche des Polarisationsstrahlteilerwürfels 28 abgelenkt und in die - aufgrund des Intensitätsstrahlteilers 30 abgewinkelte - Meßstrecke des Laserinterferometers geschickt. Innerhalb dieser Meßstrecke, und zwar unmittelbar zwischen dem Polarisationsstrahlteilerwürfel 28 und dem Intensitätsstrahltei­ ler 30 ist eine Polarisationswandlerplatte 29 angeordnet, die den Polarisationszustand des hindurchtretenden Laserstrahles von einem linear polarisierten Zustand in einen zirkular pola­ risierten Zustand überführt. Der Polarisationswandlerplatte 29 gegenüberliegend ist an dem Polarisationsstrahlteilerwürfel 28 noch ein Wiederholreflektor 32 in Form eines Tripelreflektors angebracht. Aufgrund der Anordnung der Polarisationswandler­ platte 29 zum einen und des Wiederholreflektors 32 zum anderen wird ein zweimaliger Durchlauf des Meßstrahlanteiles durch die Meßstrecke verursacht, wodurch als hier wesentlicher Effekt bewirkt wird, daß eventuelle Schrägstellungen des Planspiegels 17 für eine exakte Parallelität der Wellenfronten des zurück­ kehrenden Meßstrahles mit den Wellenfronten des Referenzstrah­ les irrelevant bleiben. Aufgrund der zweimaligen Reflektion des Meßstrahles an dem Planspiegel 17 und einer Zwischenreflektion an dem als Tripelreflektor ausgebildeten Wiederholreflektor 32 werden schrägstellungsbedingte Parallelitätsabweichungen des Meßstrahles gerade wieder kompensiert. Ein weiterer ebenfalls willkommener Nebeneffekt, der durch den zweimaligen Durchlauf des Meßstrahles durch die Meßstrecke bewirkt wird, ist eine höhere meßtechnische Längenauflösung; ein etwaiger Radialver­ satz des Planspiegels bei der Verschwenkung kann mit doppelter Genauigkeit im Vergleich zu einer üblichen Laserinterferome­ terausbildung erfaßt werden.

Da im allgemeinen davon auszugehen ist, daß die Schwenkbewe­ gungen der Meß-Schwenkeinrichtung und des Prüflings von einer Prüfposition zur nächsten nicht vollständig synchron ablaufen, was allein schon aufgrund der unterschiedlichen Massen bei bei­ den kaum zu erreichen wäre, muß bei einem solchen Weiterschal­ ten mit einer Strahlunterbrechung gerechnet werden. Während solche Strahlunterbrechungen für die Winkelmessung durch das oder die Autokollimationsfernrohr(e) unschädlich sind, geht aufgrund einer Strahlunterbrechung bei der üblichen, zählenden Interferometrie der Null- oder Bezugspunkt verloren und eine weitere interferometrische Abstandsmessung liefert keine ver­ nünftigen Abstandssignale mehr. Daher wird für den vorliegenden Fall die Verwendung absolut messender Laserinterferometer vor­ geschlagen, die auch nach einer Strahlunterbrechung noch genaue Abstands- bzw. Entfernungssignale liefern. Absolut messende Laserinterferometer arbeiten gleichzeitig mit zwei oder mehre­ ren Laserfrequenzen bzw. -wellenlängen - je nach Meßbereich - und verwerten den Phasenunterschied der beiden unterschiedli­ chen Wellenzüge zur absoluten Lageermittlung bei Strahlunterbrechungen. Ein solches Laserinterferometer haben beispielsweise C.C. Williams und H. K. Wichramasinghe unter anderem in der Zeitschrift Journal of Applied Physics, Band 60, Heft 6 vom 15.09.1986 auf den Seiten 1900 bis 1903 unter dem Titel "Optical ranging by wavelength multiplexed inter­ ferometry" beschrieben. Bei geeigneter Auslegung bietet es bei­ spielsweise eine - hohe - Auflösung von 0,1 µm für einen ein­ deutigen absoluten Meßbereich von 40 mm.

Claims (16)

1. Einrichtung zur Winkelprüfung mit mindestens einem Autokol­ limationsfernrohr, mit welcher Einrichtung die Einstellgenau­ igkeit einer zweidimensional einstellbaren Schwenkeinrichtung, im folgenden "Prüfling" genannt, überprüfbar ist, dessen zu­ einander senkrecht stehende Schwenkachsen sich in einem Punkt - im folgenden "Prüflings-Achsenschnittpunkt" genannt - schneiden, wobei das erste Autokollimationsfernrohr unabhängig vom Prüfling lagedefiniert gehaltert und auf einem am Prüfling quer zur Fernrohrachse befestigten ersten Planspiegel, der in einer Werkzeugaufnahme des Prüflings gehaltert ist, ausgerich­ tet ist, und wobei das erste Autokollimationsfernrohr mit ei­ ner zweidimensionalen Anzeige der Winkellage des in das Auto­ kollimationsfernrohr zurückreflektierten Strahles relativ zur Fernrohrachse ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß für eine weiträumige, simultane und hinsichtlich beider Schwenkbewegungen isolierte Prüfung der Schwenkwinkel des Prüflings, der ein ortsfest gehaltenes Basisglied aufweist, die Einrichtung zur Winkelprüfung gemäß den nachfolgenden Merkmalen weitergebildet ist:

• - es ist eine weitere, ebenfalls bezüglich zweier zueinander senkrecht stehender, sich in einem gemeinsamen Punkt - Meß­ gerät-Achsenschnittpunkt (13) - schneidender Schwenkachsen - im folgenden Azimut- (11) bzw. Elevationsachse (12) ge­ nannt - einstellbare Schwenkeinrichtung, im folgenden "Meß- Schwenkeinrichtung" (10) genannt, vorhanden,
• - die Meß-Schwenkeinrichtung (10) ist in der Weise im Bereich des Meßgerät-Achsenschnittpunktes (13) materielos ausge­ bildet, daß dieser (13) weiträumig frei zugänglich ist;
• - die Meß-Schwenkeinrichtung (10) ist derart in Relation zum Prüfling (1) aufgestellt, daß der Meßgerät-Achsenschnitt­ punkt (13) etwa die gleiche Raumlage einnimmt wie der Prüf­ lings-Achsenschnittpunkt (4);
• - die Meß-Schwenkeinrichtung (10) ist mit Einrichtungen zum Einstellen beliebiger Azimut- und Elevationswinkel und je­ weils mit Einrichtungen zum Messen der eingestellten Azi­ mut- und der Elevationswinkel versehen, wobei die der je­ weiligen Schwenkstellung eines Zwischengliedes bzw. eines Arbeitsgliedes des Püflings entsprechenden Schwenkstellun­ gen an der Meß-Schwenkeinrichtung (10) einstellbar sind,
• - die Meß-Schwenkeinrichtung (10) ist sowohl bezüglich der Reproduziergenauigkeit der Azimut- und der Elevationswin­ keleinstellung als auch bezüglich der Meßgenauigkeit der eingestellten Azimut- bzw. Elevationswinkel um wenigstens den Faktor 5 genauer als die entsprechende Winkelanzeige des Prüflings (1),
• - der erste Planspiegel (17) ist stets senkrecht zur Werkzeug­ aufnahmeachse (9) des Prüflings (1) und etwa konzentrisch zu ihr (9) gehaltert,
• - das erste Autokollimationsfernrohr (15) ist an dem zweidi­ mensional verschwenkbaren Teil (Drehscheibe 22) der Meß- Schwenkeinrichtung (10) angeordnet und auf den Meßgerät- Achsenschnittpunkt (13) bei orthogonaler Ausrichtung auf die Elevationsachse (12) ausgerichtet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfling (1) und die Meß-Schwenkeinrichtung (10) der­ art in Relation zueinander aufgestellt sind, daß eine von den beiden Prüflingsschwenkachsen (2, 3) mit der Azimutachse (11) oder mit der Elevationsachse (12) der Meß-Schwenkeinrichtung (10) etwa deckungsgleich liegt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Planspiegel (17) an einem zur Werkzeugaufnahme­ achse (9) konzentrischen Arm (19) gehalten ist, der in einem in die Werkzeugaufnahme (8) des Prüflings (1) feststehend ein­ setzbaren Halter (18) sitzt.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß-Schwenkeinrichtung (10) ein zweites ebenfalls zweidimensional anzeigendes Autokollimationsfernrohr (14) auf­ weist, welches an dem um die Azimutachse (11) schwenkbaren Teil (21) der Meß-Schwenkeinrichtung (10) angeordnet ist und etwa auf den Meßgeräte-Achsenschnittpunkt (13) bei orthogona­ ler Ausrichtung auf die Azimutachse (11) ausgerichtet ist und daß dem zweiten Autokollimatioinsfernrohr (14) ein zweiter Planspiegel (16) zugeordnet ist, der stets senkrecht zur zwei­ ten der beiden Prüflingsschwenkachsen (3) und etwa konzen­ trisch zu ihr angeordnet und gehaltert ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß-Schwenkeinrichtung (10) ein zweites, lediglich ein­ dimensional anzeigendes Autokollimationsfernrohr (14′) auf­ weist, welches an dem um die Elevationsachse (12) schwenkbaren Teil (22) der Meß-Schwenkeinrichtung (10) angeordnet ist und parallel zur Elevationsachse (12) ausgerichtet ist, wobei die Richtung der Anzeigeempfindlichkeit des zweiten Autokollimations­ fernrohres (14′) quer zur Richtung der Werkzeugaufnahmeachse (9) ausgerichtet ist und daß dem zweiten Autokollimations­ fernrohr (14′) ein zweiter Planspiegel (16′) zugeordnet ist, der stets senkrecht zur zweiten der beiden Prüflingsschwenkachse (3) und etwa konzentrisch zur Fernrohrachse des zweiten, eindimensional anzeigenden Autokollimationsfernrohres (14′) an­ geordnet und gehaltert ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite, eindimensional anzeigende Autokollimations­ fernrohr (14′) und der zweite Planspiegel (16′) auf einer zur Elevationsachse (12) parallelen Meßachse (26) angeordnet sind, die in Richtung der Werkzeugaufnahmeachse (9) etwa um den Ab­ stand des ersten Planspiegels (17) von der Elevationsachse (12) zu dieser versetzt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (18) für beide Planspiegel (17 und 16 bzw. 16′) gemeinsam ist und einen weiteren, das Arbeitsglied (7) und/oder das Zwischenglied (6) der Prüflings-Schwenkeinrichtung (1) bis in die Nähe der zweiten Prüflingsschwenkachse (3) umgreifenden, ge­ kröpften Arm (20) zur Halterung des zweiten Planspiegels (16 bzw. 16′) enthält.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Planspiegel (16 bzw. 16′) tangential zum Umfang des ersten Planspiegels (17) angeordnet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (17) und der zweite Planspiegel (16 bzw. 16′) durch die spiegelnden Außenflächen eines Dachkantprismas ge­ bildet sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum ersten Autokollimationsfernrohr (15) ein La­ serinterferometer (27) in Planspiegelversion mit dem zugehöri­ gen Planspiegel (17) als Meßreflektor angeordnet ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl des Laserinterferometers (27) über einen teildurchlässigen Spiegel (30) koaxial zum Strahlengang des Autokollimationsfernrohres (15) eingespiegelt ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des Meßstrahles des Laserinterferometers (27) eine Polarisationswandlerplatte (29) und an der dem Meß­ strahl gegenüberliegenden Seite eines Polarisationstrahltei­ lerwürfels (28) ein als Tripelreflektor ausgebildeter Wieder­ holreflektor (32) angeordnet ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserinterferometer als ein absolut messendes La­ serinterferometer ausgebildet ist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden beweglichen Teile (21, 22) der Meß-Schwenkein­ richtung (10) jeweils mit einer elektromotorischen Feinver­ stelleinrichtung versehen sind.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Autokollimationsfernrohre (14, 14′, 15) in Kleinbauweise, insbesondere in Kurzbauweise, verwendet sind.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß-Schwenkeinrichtung (10) sowohl bezüglich der Azi­ mutbewegung als auch bezüglich der Elevationsbewegung mit ei­ nem selbsttätig arbeitenden und über wenigstens 360° hinweg wirksamen, ein elektrisches Winkelsignal erzeugenden Winkel­ meßsystem und mit einer digitalen Winkelanzeige versehen ist.