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Verfahren und Vorrichtung zur laufenden Messung
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des Rollwinkels eines beweglichen Maschinenteiles Die Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur laufenden Messung des Rollwinkels eines beweglichen
Maschinenteiles nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. nach dem von Anspruch 8,
wie es beispielsweise aus der Buchveröffentlichung von M. Weck "Werkzeugmaschinen",
Band IV, Meßtechnische Untersuchung und Beurteilung Seite,39 als bekannt hervorgeht.
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Bei der bekannten Rollwinkelmessung werden parallel in definiertem
Abstand zueinander zwei Laser-Strahlen von der Lichtquelle zu dem beweglichen Maschinenteil
ausgesendet und dort von lageempfindlichen Lichtdetektoren empfangen. Durch die
beiden Laser-Strahlen wird gewissermaßen eine Referenzebene aufgespannt. Durch die
beiden lageempfindlichen Lichtdetektoren wird eine Bewegung des Maschinenteiles
quer zur Verfahrlinie gegenüber der Referenzebene festgestellt, wodurch nicht nur
Rollbewegungen, also Drehbewegungen zu einer parallel zur Verfahrlinie liegenden
Drehachse,sondern auch Parallel-
verlagerungen des Maschinenteiles
in Horizontal- und Vertikalrichtung ermittelbar sind. Nachteilig an dieser Art der
Rollwinkelmessung ist, daß es nicht ohne weiteres möglich ist, zwei Licht-Strahlen
mit der erforderlichen Genauigkeit parallel zueinander auszusenden.
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Bereits sehr kleine Abweichungen von der Parallelität der beiden Licht-Strahlen
können eine Verschraubung der Referenz-"Ebene" bedeuten und somit eine gar nicht
vorhandene Rollbewegung des beweglichen Maschinenteiles vortäuschen. Im übrigen
darf der gegenseitige Abstand der beiden Licht-Strahlen nicht zu klein sein, um
ein ausreichend großes Auflösungsvermögen der beiden lageempfindlichen Lichtdetektoren
zu bekommen. Bei einem ausreichend großen Abstand der beiden Lichtstrahlen sind
diese jedoch bereits so weit auseinandergerückt, daß nicht in jedem Fall gleiche
Temperaturverhältnisse für beide Licht-Strahlen vorausgesetzt werden können.
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Demgemäß erleiden in unterschiedlichen Temperaturschichtungen der
Luft die beiden Licht-Strahlen unterschiedliche Brechungen, so daß sie allein aufgrund
dessen nicht mehr genügend genau parallel zueinander verlaufen.
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Aufgrund der Thermik der Luft ist der Strahlverlauf in seiner Lage
zeitlich nicht konstant, sondern schwankt in einem das Meßergebnis beeinflussenden
Ausmaß.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rollwinkelmessung anzugeben, die
mit nur einem einzigen Lichtstrahl auskommt, so daß sich Parallelitätsprobleme gar
nicht stellen und bei dem auch eine Temperaturschichtung der Luft und dementsprechend
eine ungeradlinie Strahlausbreitung für das Meßergebnis ebenfalls unbeachtlich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
von Anspruch 1 (Verfahren) bzw. durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch
8 (Vorrichtung) gelöst. Die Referenzebene für die Rollwinkelmessung ist hierbei
die Polarisationsrichtung des ausgesendeten Lichtes, die sich weder durch Temperatureinflüsse
noch durch das Magnetfeld der Erde verändert; zumindest sind entsprechende Einflüsse
der Temperatur und des Erdmagnetismus vorliegend völlig vernachlässigbar. Die polarimetrische
Winkelmeßmethode ist an sich bekannt und beispielsweise in der Buchveröffentlichung
von Dr.J.Flügge "Grundlagen der Polarimetrie" Berlin 1970 ausführlich dargestellt.
Es handelt sich dabei um eine Untersuchungsmethode für lichtdurchlässige Stoffe,
die von dem polarisierten Licht durchstrahlt werden und eine drehende Wirkung auf
die Polarisationsebene ausüben. In der Übertragung dieses an sich bekannten Winkelmeßverfahrens
auf die Rollwinkelmessung wird die Erfindung gesehen.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen
entnommen werden. Im übrigen ist die Erfindung anhand verschiedener in den Zeichnungen
dargestellter Ausführungsbeispiele nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen: Figur
1 den schematischen Aufbau einer Rollwinkel-Meßvorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Rollwinkelmessung,
Figur
3 in drei verschiedenen zusammengehörigen diagrammartigen Darstellungen die Modulation
der Polarisationsrichtung um eine Mittellage nach einer Sinusfunktion zur Erhöhung
der Auflösegenauigkeit, Figur 4 und 5 ähnliche Darstellungen wie Figur 3, jedoch
mit einer Modulation der Polarisationsrichtung nach einer Dreieckfunktion (Figur
4) bzw. nach einer Rechteckfunktion (Figur 5), Figur 6 das Blockschaubild für eine
Auswertung des Ausgangssignals des Lichtdetektors in einfacher Bauart und Figur
7 zusätzliche Teile in Blockschaubild-Darstellung zur Auswertung des Lichtdetektors
in strahllageempfindlicher Vier-Quadranten-Ausführung.
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Auf einem Bett 1 ist entlang einer Geradführung ein bewegliches Maschinenteil
2 entlangbeweglich; durch die Rollwinkelmessung soll festgestellt werden, ob und
gegebenenfalls in welchem Ausmaß bei der Verschiebung des Maschinenteils entlang
der Verfahrlinie Rollbewegungen, d.h.
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Drehbewegungen um eine parallel zur Verfahrlinie liegende Drehachse
auftreten. Selbstverständiich sind diese Winkel sehr klein,und es kommt darauf an,
diese kleinen Winkel besonders genau zu erfassen.
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Zu diesem Zweck ist eine Riarimeteranordnung auf dem Maschinenbett
1 bzw. dem Maschinenteil 2 vorgesehen, die zu Beginn der Verfahrstrecke eine ortsfest
angeordnete Lichtquelle 3 mit einem Polarisator 4 enthält. Das den Polarisator 4
durchtretende Licht ist sehr exakt linear polarisiert mit einer eindeutig feststehenden
Polarisationsebene. Der Lichtstrahl ist zumindest angenähert parallel zu der Verfahrlinie
des beweglichen Maschinenteiles; an die Parallelität des Lichtstrahls in dieser
Hinsicht werden keine großen Anforderungen gestellt. Es muß lediglich sichergestellt
sein, daß der Lichtstrahl entlang der gesamten Verfahrstrecke stets auf die entsprechenden
optischen Elemente auf dem beweglichen Maschinenteil trifft Im Maschinenteil selber
ist der sogenannte Analysator 6 angeordnet, der ebenfalls ein Polarisator ist, dessen
Polarisationsrichtung jedoch gegenüber der des Polarisators 4 um 90" geschwenkt
ist. Im Strahlengang hinter dem Analysator 6 ist ein Lichtdetektor 7 angeordnet,
der mit großer Empfindlichkeit die durch den Analysator hindurchtretende Lichtmenge
feststellen kann. Bei exakter Querlage des Analysators 6 gegenüber dem Polarisator
tritt überhaupt kein Licht durch den Analysator hindurch, lediglich bei Abweichungen
von dieser Querlage, die auf geringfügige Rollbewegungen des Maschinenteils zurückgeführt
werden können, tritt ein kleiner Lichtanteil durch den Analysator 6 hindurch, der
um so größer ist, je größer der Rollwinkel ist. Der Lichtdetektor 7 kann - wie in
Figur 1 in vollen Linien dargestellt ist -am Ende der Verfahrstrecke ortsfest angeordnet
sein, was den Vorteil hat, daß keine beweglichen Leitungen zu diesem Lichtdetektor
verlegt werden müssen. Die andere
strichliert angedeutete Aufstellungsmöglichkeit
besteht darin, daß der Lichtdetektor mit auf dem beweglichen Maschinenteil angeordnet
ist; er kann dann mit dem Analysator 6 zu einer Baueinheit vereinigt werden. Zwar
muß dann eine bewegliche Leitung zu dem Lichtdetektor verlegt werden, jedoch bietet
die Vereinigung mit dem Analysator 6 die Möglichkeit, Streulicht noch besser abzuschirmen
als bei isolierter Aufstellung.
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Um mit der in Figur 1 dargestellten Polarimeteranordnung zur Messung
des Rollwinkels diesen stets exakt erfassen zu können, müßte der Analysator stets
unter Berücksichtigung des auftretenden Rollwinkels in die exakte Querlage gegenüber
dem Polarisator 4 geschwenkt werden und laufend diese Schwenklage des Analysators
als Rollwinkelsignal festgehalten werden. Die Schwenkung könnte mechanisiert werden
und immer auf maximale Lichtschwächung eingestellt werden. Es wäre jedoch dann in
jedem Fall eine bewegliche Leitung zu dem auf dem beweglichen Maschinenteil mitfahrenden
Analysator 6 zu legen. Außerdem wäre eine mechanische Verschwenkung des Analysators
6 relativ langsam und die ganze Rollwinkelmessung wäre sehr zeitaufwendig. Um den
Analysator 6 als rein passives Element ohne Meß- oder Steuerleitungen ausgestalten
zu können, und um eine Einsteuerung des Strahlenganges auf maximale Lichtschwächung
ohne Bewegung mechanischer Teile vornehmen zu können, ist im Strahlengang hinter
dem Polarisator 4 ortsfest ein Faraday-Modulator angeordnet, der gemeinsam-mit der
Lichtquelle 3 und dem Polarisator 4 zu einer Baueinheit vereinigt sein kann. Im
Faraday-Modulator wird auf elektromagnetische
Weise ein parallel
zur Strahlrichtung ausgerichtetes Magnetfeld erzeugt, welches entsprechend dem Faraday-Effekt
eine lichtdrehende Wirkung auf das polarisierte Licht ausübt. Diese lichtdrehende
Wirkung hängt nicht nur von der Länge des Magnetfeldes, sondern auch von dessen
Stärke ab. Letztere kann durch die Höhe des Erregerstromes für das elektromagnetisch
erzeugte Magnetfeld beeinflußt werden.
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Dank des Faraday-Modulators kann also auf elektromagnetische Weise
die Polarisationsrichtung genau quer zur Durchlaßrichtung des Analysators verschwenkt
werden und dadurch die Polarisationsrichtung auf größtmögliche Lichtschwächung am
Lichtdetektor 7 eingesteuert werden. Der Erregerstrom am Faraday-Modulator, der
bei maximaler Lichtschwächung festgestellt wird, ist ein Maß für den Rollwinkel
des Maschinenteils 2.
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Da der Kennlinienverlauf zwischen durchgelassener Lichtintensität
einerseits und Schwenklage des Analysators andererseits kein sehr deutlich ausgeprägtes
Extremum hat - es handelt sich im Grunde genommen um eine Sinuslinie -kann das exakte
Minimum nur relativ ungenau bestimmt werden. Um hier eine Genauigkeitssteigerung
zu ermöglichen, ist vorgesehen, daß die Polarisationsrichtung mit definierter Frequenz
und definierter Amplitude um die jeweilige Mittellage oszilliert wird und daß das
am Lichtdetektor 7 anstehende schwingende Ausgangssignal hinsichtlich seiner zeitlich
aufeinander folgender Scheitelwerte ausgewertet wird. Auch dieses Oszillieren der
Poiarisationsrichtung kann mittels des Faraday-Modulators 5 durchgeführt werden,
indem das Magnetfeld in seiner Intensität entsprechend schwankt. Figur 3 zeigt in
seinem Teil a den Verlauf der Kennlinie 10 des Analysators 6,
wobei
dort insbesondere das mittlere Extremum im Bereich des 90"-Punkts interessiert.
Im Teil b von Figur 3 ist in vollen Linien eine Pendelung der Polarisationsrichtung
symmetrisch um den 900-Punkt entsprechend einer Sinusfunktion dargestellt. Im Teil
c dieser Figur ist das daraus resultierende Ausgangssignal am Lichtdetektor 7 in
seinem zeitlichen Verlauf dargestellt. Für jede Halbwelle der Schwingung der Polarisationsrichtung
im Figurenteil b wird eine volle Schwingung am Ausgangssignal des Lichtdetektors
erzeugt. Bei exakter Querlage der mittleren schwingenden Polarisationsrichtung gegenüber
der Durchlaßrichtung des Analysators wird daher am Ausgang des Lichtdetektors ein
Signal mit der doppelten Frequenz wie die Grundfrequenz der Schwingung der Polarisationsrichtung
anstehen. Bei leicht versetzter Anordnung der Mittellage der schwingenden Polarisationsrichtung
gegenüber dem 90"-Punkt - in Figur 3 b strichliert dargestellt -nimmt der Oberwellenanteil
mit der doppelten Frequenz sehr rasch ab. Das heißt der Oberwellenanteil mit gegenüber
der Grundfequenz doppelter Frequenz hat im Bereich des 90"-Punktes ein sehr schmales
ausgeprägtes Maximum, was zur genauen Erkennung der exakten Querlage der Polarisationsrichtung
des einfallenden Lichtes und der Durchlaufrichtung des Analysators 6 ausgenützt
wird. Die Modulation der Polarisationsrichtung braucht nicht nach einer Sinusfunktion
zu erfolgen; es kann - wie Figur 4 zeigt - dafür auch eine Dreiecksfunktion verwendet
werden. Auch dort wird erkennbar. daß bei einer genau symmetrisch zum 90°-Punkt
liegenden Modulation in dem in Teil c von Figur 4 zeitlich dargestellten zeitlichen
Verlauf des Ausgangssignals iD des Lichtdetektors 7 eine dreieckähnliche Funktion
mit der doppelten Frequenz - Oktavsignal - er-
zeugt wird, wogegen
bei unsymmetrischer Modulation dieser Oktavanteil sehr drastisch abnimmt. In Figur
5 schließlich ist noch gezeigt, daß die Polarisationsrichtung auch nach einer Rechteckfunktion
moduliert werden kann. Bei symmetrischer Modulation um den 90"-Punkt ist das Ausgangssignal
iD am Lichtdetektor gleichbleibend hoch, wogegen bei unsymmetrischer Modulation
deutlich wechselnde Signale am Lichtdetektor feststellbar sind.
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Es hat sich gezeigt, daß nicht nur das Oktavsignal einen genauigkeitssteigernden
Signalverlauf hat, sondern daß auch noch höhere Oberwellenanteile im Ausgangssignal
des Lichtdetektors 7 mit zur Genauigkeitssteigerung herangezogen werden können.
In dem Blockschaubild nach Figur 6 ist der Ausgang des Lichtdetektors 7 auf mehrere
parallelliegende Filter/Gleichrichter 11 geschaltet, wobei sich die einzelnen Filter
hinsichtlich der Höhe der durchgelassenen Frequenz unterscheiden. Im allgemeinen
Fall handelt es sich um Schmalbandfilter, die nur relativ schmale spektrale Anteile
des Ausgangssignales durchlassen und dessen Scheitel- oder Mittelwert feststellen.Sofern
die Polarisationsrichtung nach einem Sinusgesetz moduliert wird, treten nur ganzzahlige
Vielfache der Grundfrequenz als Oberwellen auf, so daß die Filter auf die der Grundfrequenz
entsprechende Bandbreite hinsichtlich ihres Durchlasses ausgelegt werden können.
Den parallel liegenden Filtern 11 ist Rechenwerk 12 nachgeschaltet, in welchem die
einzelnen herausgefilterten Signale in bestimmter Weise rechnerisch verarbeitet
werden können. Beispielsweise hat es sich gezeigt, daß der Verhältniswert aus dem
Scheitelwert des Grundfrequenz-Anteiles des Ausgangssignales am
Lichtdetektor
7 zu dem Scheitelwert des Schwingungsanteiles der ersten Oberwelle dieses Ausgangssignales
mit guter Nährung etwa dem Vierfachen der Abweichung der Mittellage der modulierten
Polarisationsrichtung von der exakten Querlage entspricht, sofern nach einer Sinusfunktion
moduliert wird. Durch eine solche Verhältnisbildung läßt sich sehr genau ein etwaiger
Restwinkel bestimmen. In gleicher Weise ist es auch sinnvoll, den Verhältniswert
aus dem Scheitelwert des Schwingungsanteiles der zweiten Oberwelle des Ausgangssignales
am Lichtdetektor 7 zum einen und die Quadaratwurzel der dritten Potenz des Scheitelwertes
des Schwingungsanteiles der ersten Oberwelle zum anderen zu bilden; dieser Verhältniswert
entspricht mit guter Näherung dem 0,942-fachen der oben erwähnten Winkelabweichung,
wobei der Faktor 0,942 sich aus der Quadratwurzel aus acht Neuntel errechnet. Wenn
beide Möglichkeiten herangezogen werden, kann eine Mittelwertbildung durchgeführt
werden, die das Meßergebnis absichert, wobei es auf mehrere verschiedene Einzelmessungen
sich stützt.
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Anstelle einer Anordnung des Lichtdetektors 7 im Strahlengang hinter
dem Analysator 6 kann dieser auch ortsfest im Bereich des Beginns der Verfahrstrecke
des beweglichen Maschinenteils angeordnet werden, und somit gemeinsam mit der Lichtquelle,
dem Polarisator und dem Faraday-Modulator zu einer Baueinheit vereinigt werden.
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Zu diesem Zweck muß im Strahlengang zwischen dem Polarisator 4 und
dem Analysator 6 ortsfest ein teildurchlässiger geneigter Spiegel 9 angeordnet werden,
der beim dargestellten Ausführungsbeispiel durch zwei aneinander gesetzte Prismen
gebildet ist. Hinter dem Analysator 6
ist ein den Lichtstrahl parallel
zurückwerfender Reflektor angeordnet, der als Tripelreflektor ausgebildet ist. Er
muß so ausgestaltet sein, daß er durch die Umlenkung die Polarisationsrichtung nicht
verändert. Dieser Tripelreflektor kann vorteilhafterweise mit auf dem beweglichen
Maschinenteil 2 angeordnet und mit dem Analysator 6 baulich vereinigt sein. Eine
andere Möglichkeit, die strichliert in Figur 2 angedeutet ist, ist die Aufstellung
im Bereich des Endes der Verfahrstrecke. Der Lichtdetektor 7 ist auf der Höhe des
teildurchlässigen geneigten Spiegels 9 angeordnet und quer zum Hauptstrahl ausgerichtet.
Bei einer Anordnung eines Faraday-Modulators 5 im Strahlengang ist es wichtig,daß
der teildurchlässige Spiegel im Strahlengang hinter diesem Modulator liegt.
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Zwar wird durch den teildurchlässigen Spiegel das Nutzsignal geschwächt,
jedoch kann dies ohne weiteres durch eine entsprechende Steigerung der Intensität
der Lichtquelle 3 ausgeglichen werden. Vorteilhaft an der Ausgestaltung nach Figur
2 ist, daß sämtliche mit Kabeln zu versehende Teile in einer Baueinheit vereinigt
werden können und demgemäß auf dem beweglichen Maschinenteil 2 nur passive Elemente
angeordnet sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch den zweimaligen Durchtritt
des Strahles durch den Analysator 6 ein etwaiger Fehllichtanteil noch stärker reduziert
ist als bei nur einem einmaligen Durchtritt.
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In Ausgestaltung der Erfindung - sei es in der in Figur 1 skizzierten
oder sei es in der in Figur 2 skizzierten Ausführungsform - kann der Lichtdetektor
7 auch strahllageempfindlich ausgebildet sein, so daß er nicht
nur
die Intensität des durch den Analysator 6 hindurchgelangenden Lichtes feststellt,
sondern außerdem auch noch die Strahl lage nach Höhen- und Breitenlage messen kann.
Ein solcher lageempfindlicher Lichtdetektor 7' ist in Figur 7 in Form eines Vierquadranten-Lichtdetektors
dargestellt. Aufgrund der Einteilung der lichtempfindlichen Fläche in vier unabhängige
uadrantenmäßig angeordnete Bereiche kann in den Grenzen des Durchmessers des Lichtstrahles
festgestellt werden, wie weit der Lichtstrahl gegenüber der Mitte des Lichtdetektors
inilHorizontalrichtung oder in Vertikalrichtung außermittig auftrifft. Voraussetzung
hierfür ist jedoch, daß der Analysator 6 nur eien beschränkten Polarisationsgrad,
beispielsweise 50,aufweist und daß demgemäß auch bei exakter Querlage der Polarisationsrichtung
des einfallenden Lichtes in Durchlaßrichtung des Analysators immer noch ein spürbarer
Lichtanteil auf den Lichtdetektor fällt, so daß die Lage des Lichtstrahles bestimmt
werden kann.
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Jeder der einzelnen Quadranten I bis IV des Lichtdetektors 7' ist
mit einem gesonderten Ausgang versehen. In einem ersten Addierwerk 13 werden zur
Bildung der Gesamtintensität iD des auftreffenden Lichtstrahles die Werte an den
Ausgängen aller vier Quadranten aufsummiert.
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In einem davon unabhängigen Signalverarbeitungskanal werden in zwei
anderen Addierwerken 14' die Signale der beiden oberen Quadranten I und II und die
Signale der beiden unteren Quadranten III und IV jeweils gesondert addiert und diese
beiden solcher Art gebildeten Signale in einem weiteren Subtraktionswerk 14 voneinander
abgezogen. Durch Vergleich dieser Intensitätsdifferenz (16) mit der Gesamtintensität
des Lichtstrahles kann die Abweichung des Lichtstrahles in Vertikallage aus der
Mittellage, also das Maß 4 z ermittelt werden. In ähnlicher
Weise
wird mit den beiden linken und mit den beiden rechten Quadranten bzw. deren Ausgangssignalen
in den Addierwerken 15' bzw. dem Subtraktionswerk 15 verfahren und damit das Maß
für die Horizontalabweichung n y gewonnen.
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Durch die Ausgestaltung des Lichtdetektors in dieser Weise und durch
die damit erzielbaren Lagesignale kann die Rollwinkelmessung dahingehend verbessert
werden,daß auch Aussagen über die momentane Lage des Rollzentrums gewonnen werden
können. Allerdings kann exakt die momentane Lage des Rollzentrums nur dann bestimmt
werden, wenn neben der Rollwinkelmessung auch noch der Anteil der Parallelverschiebung
des beweglichen Maschinenteiles in Horizontalrichtung und in Vertikalrichtung isoliert
wird.
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Eine andere Möglichkei.t,l:das momentane Rollzentrum der Lage nach
genau zu bestimmen, besteht darin, daß in definiertem Abstand parallel nebeneinander
zwei Rollwinkelmeßvorrichtungen für dasselbe Maschinenteil 2 vorgesehen werden,
wobei der Lichtdetektor 7' strahllageempfindlich ausgebildet ist. Der Vorteil in
dieser Doppelanordnung besteht darin, daß außerdem auch noch klare Aussagen über
den Anteil einer Parallelverschiebung des beweglichen Maschinenteils in Horizontal-
und in Vertikalrichtung gewonnen werden können, gesonderte Messungen also in dieser
Hinsicht nicht mehr nötig sind.
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Abschließend sei der Vollständigkeit halber noch darauf hingewiesen,
daß die Rollwinkelmessung nicht nur für geradlinig auf einer Bettführung oder dergleichen
bewegliche Maschinenteile geeignet ist, sondern daß damit auch der Rollwinkel solcher
Maschinenteile gemessen werden kann, die nicht auf einer Bettführung parallel zu
sich selber
verfahren werden, sondern die frei im Raum geradlinig
bewegt werden, dabei aber systembedingt irgendwelche Schwenkbewegungen vollführen.
Gedacht ist hierbei in erster Linie an Rollwinkelmessungen an Roboterköpfen, insbesondere
von Meßrobotern, die mit einem Tastfinger an einem Referenzlineal entlang bewegt
werden und dabei zwar mit der Tasterspitze eine Gerade entlangfahren, jedoch im
größeren Ausmaße Schwenkbewegungen und auch Hubbewegungen quer zur Bewegungsrichtung
ausführen. Mit einer solchen Rollwinkelmessung kann ein Meßroboter auf Meßgenauigkeit
überprüft werden.
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