DE102009015507B4 - Method for measuring a roll angle and roll angle measuring device - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Messen eines Rollwinkels (α), mit den Schritten
(a) Richten eines ersten Lichtstrahls (24) auf einen ersten Ort (36) eines teilzylinderförmigen Abschnitts (18) eines Reflektors (12), so dass ein erster Reflexions-Lichtstrahl (38) entsteht, der unter einem ersten Reflexionswinkel (λ1) verläuft,
(b) Richten zumindest eines zweiten Lichtstrahls (26) auf einen vom ersten Ort (36) verschiedenen zweiten Ort (40) des teilzylinderförmigen Abschnitts (18), so dass ein zweiter Reflexions-Lichtstrahl (42) entsteht, der unter einem zweiten Reflexionswinkel (λ2) verläuft,
(c) Bewegen des Reflektors (12) entlang einer Linearführung (44) mit einer Führungsfläche, wobei der erste Lichtstrahl (24) und der zweite Lichtstrahl (26) so auf den Reflektor (12) gerichtet werden, dass eine Veränderung des Rollwinkels (α) dazu führt, dass sich der erste Reflexionswinkel (λ1) vergrößert und sich der zweite Reflexionswinkel (λ2) verkleinert,
(d) Messen zumindest einer Größe aus der eine Änderung des ersten Reflexionswinkels (λ1) und des zweiten Reflexionswinkels (λ2) herleitbar...
Method for measuring a roll angle (α), comprising the steps
(a) directing a first light beam (24) onto a first location (36) of a partially cylindrical section (18) of a reflector (12) to form a first reflection light beam (38) which is at a first reflection angle (λ 1 ). runs,
(b) directing at least one second light beam (26) to a second location (40) of the partially cylindrical section (18) that is different from the first location (36), so that a second reflection light beam (42) is produced, which is at a second reflection angle ( λ 2 ),
(C) moving the reflector (12) along a linear guide (44) with a guide surface, wherein the first light beam (24) and the second light beam (26) are directed onto the reflector (12), that a change in the roll angle (α ) causes the first reflection angle (λ 1 ) to increase and the second reflection angle (λ 2 ) to decrease,
(d) measuring at least one quantity from which a change of the first reflection angle (λ 1 ) and the second reflection angle (λ 2 ) can be deduced ...

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines Rollwinkels. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Rollwinkelmessvorrichtung.The The invention relates to a method for measuring a roll angle. According to one second aspect, the invention relates to a roll angle measuring device.

Der Rollwinkel muss beispielsweise bei Werkzeugmaschinen gemessen werden und gibt eine Verdrehung einer Führung um die Verschieberichtung an.Of the Roll angle, for example, must be measured on machine tools and gives a twist to a lead around the shift direction.

Aus der DE 199 26 546 C2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Lichtstrahl aus linear polarisiertem Licht von einer feststehenden Lichtquelle auf das zu bewegende Objekt gerichtet wird. Am zu bewegenden Objekt ist ein Analysator angeordnet, der die Intensität des Lichtstrahls in einer vorgegebenen Polarisationsrichtung misst. Ändert sich der Rollwinkel, so ändert sich der Winkel zwischen Polarisator und Analysator und die vom Detektor erfasste Intensität verändert sich ebenfalls. Auf diese Weise kann der Rollwinkel gemessen werden. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass dies relativ aufwändig ist und zur Durchführung besonders qualifiziertes Personal erfordert.From the DE 199 26 546 C2 For example, a method is known in which a light beam of linearly polarized light is directed from a fixed light source onto the object to be moved. On the object to be moved, an analyzer is arranged, which measures the intensity of the light beam in a predetermined direction of polarization. As the roll angle changes, the angle between polarizer and analyzer changes and the intensity detected by the detector also changes. In this way, the roll angle can be measured. A disadvantage of this method is that this is relatively complex and requires the implementation of particularly qualified personnel.

Aus der JP 09 054 102 AA sind eine Rollwinkelmessvorrichtung für ein Reibkraftmikroskop und ein zugehöriges Kalibrierverfahren bekannt, bei dem zwei Lichtstrahlen auf eine verspiegelte Zylindermantelfläche reflektiert werden. Aus der Differenz der Reflexionswinkel wird auf den Rollwinkel geschlossen.From the JP 09 054 102 AA are known a roll angle measuring device for a friction force microscope and an associated calibration method in which two light beams are reflected onto a mirrored cylinder jacket surface. From the difference of the reflection angle is closed on the roll angle.

Aus der DE 36 43 723 A1 sind ein Verfahren und eine Anordnung zur optischen Messung des Rollwinkels eines bewegten Maschinenteils bekannt. In der Druckschrift beschrieben wird das Projizieren einer vollständigen Ebene auf einen verspiegelten Zylinder, so dass in einem einzigen Aufbau die Rollwinkelmessung in zueinander senkrechten Verfahrenrichtungen möglich. Nachteilig hieran ist der hohe apparative Aufwand. Durch die Notwendigkeit einer Lichtebene ist zudem die Messgenauigkeit begrenzt.From the DE 36 43 723 A1 For example, a method and an arrangement for optically measuring the roll angle of a moving machine part are known. The document describes the projection of a complete plane onto a mirrored cylinder, so that the roll angle measurement in mutually perpendicular directions of the method is possible in a single construction. The disadvantage of this is the high expenditure on equipment. Due to the necessity of a light plane, the measurement accuracy is also limited.

Aus der US 6,741,364 B2 ist ein Verfahren zum Bestimmen des Rollwinkels zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Objekten bekannt, bei dem ein Laserstrahl auf eine Linse oder ein Prisma gerichtet wird. Nachteilig hieran ist, dass das Verfahren für Höchstpräzisionsmessungen nur wenig geeignet ist.From the US 6,741,364 B2 For example, a method for determining the roll angle between two relatively movable objects is known, in which a laser beam is directed onto a lens or a prism. The disadvantage of this is that the method is not very suitable for high-precision measurements.

Aus der US 3,790,284 A ist ein Interferometersystem zur Messung des Rollwinkels bekannt. Obwohl mit einem solchen System sehr hohe Genauigkeiten erzielbar sind, ist das System für eine Messung unter Werkstattbedingungen, beispielsweise in einer Werkzeugmaschine, nur wenig geeignet.From the US 3,790,284 A an interferometer system for measuring the roll angle is known. Although very high accuracies can be achieved with such a system, the system is not very suitable for measurement under workshop conditions, for example in a machine tool.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Rollwinkel mit einer hohen Genauigkeit und einem einfachen Messaufbau zu messen.Of the Invention is based on the object, the roll angle with a high Accuracy and a simple measurement setup to measure.

Die Erfindung löst das Problem insbesondere durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch eine Rollwinkelmessvorrichtung zum Messen des Rollwinkels mt den Merkmalen von Anspruch 5.The Invention solves the problem in particular by a method according to claim 1. According to a second Aspect dissolves the invention of the problem by a roll angle measuring device for Measuring the roll angle mt the features of claim 5.

Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass sie die Messung des Rollwinkels mit einer besonders hohen Genauigkeit erlaubt. So ist es möglich, den teilzylinderförmigen Abschnitt mit einer hohen Genauigkeit zu fertigen, so dass aus der Änderung der Reflexionswinkel mit hoher Genauigkeit auf den Rollwinkel geschlossen werden kann. Vorteilhaft ist zudem, dass die Krümmung des teilzylinderförmigen Abschnitts und eine Änderung des Rollwinkels zu einer großen Änderung der Reflexionswinkel führt. Das erhöht die Genauigkeit bei der Messung des Rollwinkels.Advantageous The invention is that they measure the roll angle with a particularly high accuracy. So it is possible, the partially cylindrical section to manufacture with high accuracy, so that out of the change the reflection angle closed with high accuracy on the roll angle can be. It is also advantageous that the curvature of the partially cylindrical section and a change the roll angle to a big change the reflection angle leads. That increases the accuracy in measuring the roll angle.

Es ist ein weiterer Vorteil, dass der Rollwinkel mit der Erfindung besonders ein fach gemessen werden kann.It Another advantage is that the roll angle with the invention especially a fold can be measured.

Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem teilzylinderförmigen Abschnitt insbesondere jeder Abschnitt des Reflektors verstanden, dessen Kontur dadurch beschrieben werden kann, dass eine gekrümmte Kurve entlang einer erzeugenden Strecke verschoben wird. Dies entspricht der allgemeinen Definition eines Zylinders, der ein Kreiszylinder sein kann, es aber nicht sein muss.in the The scope of the present description will be below the partially cylindrical section In particular, each section of the reflector understood, the contour characterized in that a curved curve along a generating Route is shifted. This corresponds to the general definition a cylinder, which can be a circular cylinder, but not have to be.

Unter dem Errechnen des Rollwinkels wird insbesondere verstanden, dass ein absoluter Wert für den Rollwinkel errechnet wird. Anderenfalls wird lediglich eine Veränderung des Rollwinkels bestimmt.Under the calculation of the roll angle is understood in particular that an absolute value for the roll angle is calculated. Otherwise, only one change of the roll angle determined.

Unter dem Reflektor wird insbesondere jedes Bauteil verstanden, das die Lichtstrahlen zurückwirft. Dabei handelt es sich bevorzugt um einen Spiegel.The reflector is understood in particular to mean any component which throws back the light rays. It is preferably a mirror.

Der erste Reflexionswinkel wird beispielsweise als der Winkel gemessen, den der erste Reflexions-Lichtstrahl zum ersten Lichtstrahl hat. Günstig ist, wenn der erste Reflexionswinkel in einem Koordinatensystem gemessen wird, dessen eine Achse senkrecht auf einer Verschieberichtung des Reflektors steht. Vorteilhaft ist, wenn beide Reflexionswinkel in einer Ebene gemessen werden, welche dadurch definiert wird, dass sie zum einen senkrecht auf der Ebene steht, welche die Lichtstrahlen enthält und zum anderen einen der beiden Lichtstrahlen beinhaltet.Of the first reflection angle is measured, for example, as the angle, which has the first reflection light beam to the first light beam. Cheap is when the first reflection angle in a coordinate system is measured, one axis perpendicular to a direction of displacement the reflector stands. It is advantageous if both reflection angles be measured in a plane defined by them on the one hand is perpendicular to the plane, which the light rays contains and on the other hand includes one of the two light beams.

Bevorzugt wird der Rollwinkel aus einer Reflexionswinkeldifferenz aus dem ersten Reflexionswinkel und dem zweiten Reflexionswinkel berechnet. Das hat den Vorteil, dass sich Fehlereinflüsse auf die Reflexionswinkel gegenseitig kompensieren. Die Bestimmung des Rollwinkels aus der Reflexionswinkeldifferenz ist daher besonders genau und wenig fehleranfällig.Prefers becomes the roll angle from a reflection angle difference from the calculated first reflection angle and the second reflection angle. This has the advantage of having an influence on the reflection angle compensate each other. The determination of the roll angle from the Reflection angle difference is therefore particularly accurate and less error prone.

Erfindungsgemäß ist der Abschnitt teilzylinderförmig. In diesem Fall lässt sich aus der Änderung der Reflexionswinkel besonders einfach der Rollwinkel errechnen. Prinzipiell kann der Abschnitt aber jede beliebige Kontur haben, sofern sie lokal in einer Umgebung des ersten Orts und des zweiten Orts durch eine Parabel angenähert werden kann.According to the invention Section partially cylindrical. In this case lets out of the change the reflection angle is particularly easy to calculate the roll angle. In principle, however, the section can have any contour, provided they are local in an environment of the first location and the second Local approximated by a parabola can be.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl so auf den teilzylinderförmigen Abschnitt gerichtet, dass zu Beginn der Messung der erste Reflexionswinkel dem zweiten Reflexionswinkel entspricht. Günstig ist es, wenn das Verfahren dann so fortgeführt wird, dass der erste Reflexionswinkel dem Negativen des zweiten Reflexionswinkels entspricht. Auf diese Weise lassen sich besonders genaue Messwerte für den Rollwinkel erhalten. Besonders günstig ist es, wenn beide Reflexionswinkel möglichst klein sind, also im Wesentlichen 0° betragen.According to one preferred embodiment become the first light beam and the second light beam on the part cylindrical Section directed that at the beginning of the measurement the first reflection angle corresponds to the second reflection angle. It is favorable if the procedure then continued is that the first angle of reflection to the negative of the second Reflection angle corresponds. This way you can be special accurate readings for get the roll angle. It is particularly favorable if both reflection angles preferably are small, so be substantially 0 °.

Erfindungsgemäß wird der Reflektor beispielsweise entlang einer Linearführung mit einer Führungsfläche bewegt, wobei der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstral bevorzugt so auf den Reflektor gerichtet werden, dass eine Verbindungsstrecke durch den ersten Ort und den zweiten Ort durch die Führungsfläche verläuft. Das führt dazu, dass ein Verkippen des Reflektors um den zu messenden Rollwinkel dazu führt, dass sich der zweite Reflexionswinkel auf entgegengesetzte Weise ändert wie der erste Reflexionswinkel. Das heißt in anderen Worten, dass sich der erste Reflexionswinkel vergrößert, wohingegen sich der zweite Reflexionswinkel verkleinert. Auf diese Weise bleiben Fehler, die durch eine mathematische Näherung des teilzylinderförmigen Abschnitts als parabelförmig entstehen, klein, so dass der Rollwinkel besonders genau berechnet werden kann.According to the invention For example, reflector moves along a linear guide with a guide surface, wherein the first light beam and the second light path are preferred be directed to the reflector so that a connecting link passes through the first place and the second place through the guide surface. The leads to, that a tilting of the reflector to the roll angle to be measured causes that the second reflection angle changes in the opposite way as the first reflection angle. In other words, that means the first reflection angle increases, whereas the second reflection angle increases Reflection angle reduced. In this way, errors remain through a mathematical approximation of the partially cylindrical Section as parabolic arise, small, so that the roll angle are calculated very accurately can.

Vorteilhaft ist zudem, wenn die Lichtstrahlen so auf den Reflektor gerichtet werden, dass die die Verbindungsstrecke zwischen erstem Ort und zweitem Ort im Wesentlichen parallel zu der erzeugenden Strecke der Kontur des Reflek tors verläuft. Im Wesentlichen parallel bedeutet, dass kleine Abweichungen, beispielsweise von unter 3° tolerabel sind.Advantageous is also when the rays of light are directed at the reflector be that the the connecting distance between first place and second place substantially parallel to the generating path of the Contour of Reflek gate runs. Essentially parallel means that small deviations, for example of less than 3 ° tolerable are.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigtin the Below, the invention will be described with reference to an exemplary embodiment with reference to the attached Drawings closer explained. It shows

1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Rollwinkelmessvorrichtung zum Messen eines Rollwinkels zu Beginn einer Messung, 1 a schematic view of a roll angle measuring device according to the invention for measuring a roll angle at the beginning of a measurement,

2 eine Ansicht der Rollwinkelmessvorrichtung gemäß 1 von der Seite, 2 a view of the roll angle measuring device according to 1 of the page,

3 die Rollwinkelmessvorrichtung gemäß 1 für den Fall, dass sich der Rollwinkel geändert hat, 3 the roll angle measuring device according to 1 in case the roll angle has changed,

4 eine schematische Ansicht der Situation gemäß 3 zum Berechnen des Rollwinkels, 4 a schematic view of the situation according to 3 for calculating the roll angle,

5 eine Draufsicht auf die zur Berechnung notwendigen Koordinatensysteme aus Blickrichtung der Lichtquelle und 5 a plan view of the necessary for the calculation of coordinate systems from the direction of the light source and

6 eine Ansicht eines Koordinatensystems zur Berechnung des Rollwinkels. 6 a view of a coordinate system for calculating the roll angle.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Rollwinkelmessvorrichtung 10, die einen Reflektor 12, eine Lichtquelle 14 und eine Auswerteeinheit 16 umfasst. 1 shows a roll angle measuring device according to the invention 10 that a reflector 12 , a light source 14 and an evaluation unit 16 includes.

Der Reflektor 12 besitzt einen teilkreiszylinderförmigen Abschnitt 18. Der teilkreiszylinderförmige Abschnitt 18 kann durch einen Schmiegekreis 20 beschrieben werden, der beispielsweise einen Radius von 10 mm hat.The reflector 12 has a part-circular cylindrical section 18 , The part-circular cylindrical section 18 can by a Schmiegekreis 20 be described, for example, has a radius of 10 mm.

Der Reflektor 12 ist an einer schematisch eingezeichneten Komponente 22 befestigt, die in eine Verschieberichtung V entlang einer in 2 eingezeichneten Führung (Bezugszeichen 44) verschoben werden kann. Die Lichtquelle 14 ist so angeordnet, dass sie bei einer derartigen Bewegung ortsfest bleibt.The reflector 12 is on a schematically drawn component 22 fastened in a direction of displacement V along an in 2 drawn guide (reference numeral 44 ) can be moved. The light source 14 is arranged so that it remains stationary in such a movement.

Die Lichtquelle 14 ist ausgebildet, um einen ersten Lichtstrahl 24 und einen in 1 vom ersten Lichtstrahl 24 verdeckten zweiten Lichtstrahl 26 auf den Reflektor 12 zu richten. Die Lichtstrahlen 24, 26 werden beispielsweise von Leuchtdioden erzeugt. Die Lichtquelle 14 ist Teil einer Messeinheit 28.The light source 14 is designed to be a first light beam 24 and one in 1 from the first ray of light 24 concealed second light beam 26 on the reflector 12 to judge. The rays of light 24 . 26 are generated for example by light emitting diodes. The light source 14 is part of a measurement unit 28 ,

Die Messeinheit 28 umfasst zudem eine Winkelmessvorrichtung 30, die einen ersten Winkelmesser 32.1 und einen zweiten Winkelmesser 32.2 aufweist. Die Winkelmesser 32.1, 32.2 sind mit der Auswerteeinheit 16 über ein Datenkabel 34 verbunden.The measuring unit 28 also includes an angle measuring device 30 that a first protractor 32.1 and a second protractor 32.2 having. The protractors 32.1 . 32.2 are with the evaluation unit 16 via a data cable 34 connected.

2 zeigt die Rollwinkelmessvorrichtung 10 von der Seite. Es ist zu erkennen, dass der erste Lichtstrahl 24 in einem ersten Ort 36 auf den Reflektor 12 auftrifft, so das ein erster Reflexions-Lichtstrahl 38 entsteht. Der zweite Lichtstrahl 26 trifft in einem zweiten Ort 40 auf den Reflektor 12 und es entsteht ein zweiter Reflexions-Lichtstrahl 42. 2 shows the roll angle measuring device 10 of the page. It can be seen that the first light beam 24 in a first place 36 on the reflector 12 incident, so that a first reflection light beam 38 arises. The second light beam 26 meets in a second place 40 on the reflector 12 and there is a second reflection light beam 42 ,

Der erste Winkelmesser 32.1 ist so angeordnet, dass er vom ersten Reflexions-Lichtstrahl 38 getroffen wird, wohingegen der zweite Winkelmesser 32.2 so angeordnet ist, dass er vom zweiten Reflexions-Lichtstrahl 42 getroffen wird. Dazu kann vorgesehen sein, dass der Reflektor 12 auf einer seiner der Komponente 22 zugewandten Seite leicht angeschrägt ist.The first protractor 32.1 is arranged so that it is from the first reflection light beam 38 whereas the second protractor is 32.2 is arranged so that it from the second reflection light beam 42 is taken. For this purpose, it can be provided that the reflector 12 on one of its component 22 facing side is slightly bevelled.

2 zeigt zudem schematisch eine Führung 44, auf deren Führungsfläche F die Komponente 22 in Verschieberichtung V geführt verschoben werden kann. 2 also shows schematically a guide 44 , on whose guide surface F the component 22 can be moved guided in the direction V.

3 zeigt den Fall, dass beim Verschieben entlang der Führung die Kompo nente 22 und damit der Reflektor 12 um einen Rollwinkel α verkippen. Es ändern sich dadurch die Reflexionswinkel λ1, λ2, die von den Winkelmessern 32.1, 32.3 gemessen werden. Aus diesen Winkeländerungen kann, wie im Folgenden gezeigt wird, der Rollwinkel α bestimmt werden. Die Winkeländerungen werden im Folgenden nicht, wie es auch möglich wäre, als Δλ1, Δλ2 bezeichnet, sondern auch als λ1, λ2, da die Ausgangswinkel jeweils als null gesetzt werden, um die Rechnung übersichtlicher zu machen. 3 shows the case that when moving along the guide, the compo nent 22 and thus the reflector 12 tilt by a roll angle α. It thereby change the reflection angle λ 1 , λ 2 , by the protractors 32.1 . 32.3 be measured. From these angular changes, as shown below, the roll angle α can be determined. In the following, the angle changes are not denoted as Δλ 1 , Δλ 2 , as it would also be possible, but also as λ 1 , λ 2 , since the output angles are each set to zero in order to make the calculation clearer.

Die im Folgenden durchgeführten Rechnungen beziehen sich jeweils auf zwei Lichtstrahlen und damit zwei Reflexions-Lichtstrahlen. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, dass mehr als zwei Lichtstrahlen verwendet werden, wobei der Rollwinkel dann durch Mittelung der einzelnen erhaltenen Ergebnisse berechnet wird.The in the following Invoices refer to two light beams and thus two Diffuse radiation. Of course it is also possible that more than two beams of light are used, with the roll angle then calculated by averaging the individual results obtained.

4 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den Reflektor 12, um die Berechnung des Rollwinkels α aus den von den Winkelmessern 32.1, 32.1 (3) gemessenen Winkeln zu erläutern. 4 schematically shows a cross section through the reflector 12 to calculate the roll angle α from that of the protractors 32.1 . 32.1 ( 3 ) to explain measured angles.

Der Reflektor 12 hat eine Oberfläche, die in dem eingezeichneten Koordinatensystem folgendermaßen definiert ist oder angenähert werden kann: z' = –k·x'2 (1),und zwar unabhängig von y', das heißt, dass die Oberfläche des Reflektors 12 sich einfach durch Translation des Profils gemäß Formel (1) in Richtung y' ergibt.The reflector 12 has a surface that is defined or can be approximated as follows in the drawn co-ordinate system: z '= -k x' 2 (1), regardless of y ', that is, the surface of the reflector 12 is simply by translation of the profile according to formula (1) in the direction y 'results.

Der Normalenvektor n ^', |n ^'| = 1, im ersten Ort 36 ergibt sich dann, unter Verwendung von ∂z'/∂x' = –2kx' gemäß Formel (1), zu

Figure 00100001
wieder unabhängig von y', das heißt, n ^' = f(x'). The normal vector n ^ ', | n ^' | = 1, in the first place 36 then results using ∂z '/ ∂x' = -2kx 'according to formula (1)
Figure 00100001
again independent of y ', that is, n ^ '= f (x').

Der Reflektor 12 mit dem Oberflächenprofil gemäß Formel (1) kann auch durch einen Abschnitt eines Zylinders approximiert werden. In diesem Fall gilt k = 12R , (3),wobei R der Radius des Zylinders in der x'-z'-Ebene gemäß 1 ist.The reflector 12 with the surface profile according to formula (1) can also be approximated by a section of a cylinder. In this case applies k = 1 2R , (3), where R is the radius of the cylinder in the x'-z 'plane according to 1 is.

4 zeigt schematisch den Auftreffpunkt r →1, an dem der erste Reflexions-Lichtstrahl 38 auf den ersten Winkelmesser 32.1 trifft. 4 schematically shows the point of impact r → 1 . at which the first reflection light beam 38 on the first protractor 32.1 meets.

5 zeigt das Koordinatensystem x-y-z für das Winkelmesssystem, sowie das Koordinatensystem x'-y'-z' des um den Rollwinkel α (Rotation um die z(=z')-Achse) rotierten Reflektors. Es sind auch die beiden Orte r →1 und r →2 für die Zweipunkt-Winkelmessung des ersten Reflexions-Lichtstrahls 38 und des zweiten Reflexions-Lichtstrahl 42 eingezeichnet. 5 shows the coordinate system xyz for the angle measuring system, and the coordinate system x'-y'-z 'of the rotated by the roll angle α (rotation about the z (= z') axis) reflector. These are also the two places r → 1 and r → 2 for the two-point angle measurement of the first reflection light beam 38 and the second reflection light beam 42 located.

Gezeigt sind das nicht rotierte Koordinatensystem x-y-z für das Winkelmesssystem, sowie der um den Rollwinkel α (Rotation um die z(=z')-Achse) rotierten Reflektor mit seinem Koordinatensystem x'-y'-z'. Die beiden Koordinatensysteme können durch folgende Transformationsgleichungen ineinander übergeführt werden:

Figure 00110001
Shown are the non-rotated coordinate system xyz for the angle measuring system, as well as the by the roll angle α (rotation about the z (= z ') - axis) rotated reflector with its coordinate system x'-y'-z'. The two coordinate systems can be converted into each other by the following transformation equations:
Figure 00110001

Das Verfahren beruht auf der Differenzbildung zwischen Winkelmessungen an den zwei verschiedenen Orten 36, 40 auf dem Reflektor 12, siehe 2. Die beiden Orte r →1 und r →2 für die Zweipunkt-Winkelmessung sind im Koordinatensystem x-y-z der Winkelmesser 32.1, 32.2 ortsfest und durch folgende Gleichungen gegeben:

Figure 00110002
wobei z1 und z2 die z-Koordinaten der Orte 36, 40 (2) sind, welche nicht bekannt sein müssen.The method is based on the difference between angle measurements at the two different locations 36 . 40 on the reflector 12 , please refer 2 , The two places r → 1 and r → 2 for the two-point angle measurement xyz is the protractor in the coordinate system 32.1 . 32.2 fixed and given by the following equations:
Figure 00110002
where z 1 and z 2 are the z coordinates of the locations 36 . 40 ( 2 ), which need not be known.

Im Koordinatensystem x'-y'-z' des um den Rollwinkel α rotierten Reflektors 12 (3) ergeben sich folgende Koordinaten für die Orte r →1' und r →2' der Zweipunkt-Winkelmessung gemäß der Formeln (5a) und (5b):

Figure 00120001
In the coordinate system x'-y'-z 'of the reflector rotated by the roll angle α 12 ( 3 ) results in the following coordinates for the places r → 1 ' and r → 2 ' the two-point angle measurement according to the formulas (5a) and (5b):
Figure 00120001

Diese folgen aus den Transformationsgleichungen (4a) und (4b) zwischen den Koordinatensystemen. Die Normalenvektoren n ^'1 und n ^'2 der Reflektoroberfläche in den Orten 36, 40, welche von den beiden Messstrahlen gemäß der Formel (6a) und (6b) getroffen werden, ergeben sich (im Koordinatensystem x'-y'-z' des Reflektors) aus (2) zu

Figure 00120002
These follow from the transformation equations (4a) and (4b) between the coordinate systems. The normal vectors n ^ ' 1 and n ^ ' 2 the reflector surface in the places 36 . 40 which are hit by the two measuring beams according to the formulas (6a) and (6b) result (in the coordinate system x'-y'-z 'of the reflector) from (2)
Figure 00120002

Die Normalenvektoren können über die Transformationsgleichungen (4a) und (4b) ins Koordinatensystem x-y-z des Winkelmesssystems rotiert werden:

Figure 00120003
mit der Relation 2sinαcosα = sin2α.The normal vectors can be calculated using the transformation equations ( 4a ) and (4b) are rotated into the coordinate system xyz of the angle measuring system:
Figure 00120003
with the relation 2sinαcosα = sin2α.

Wird ein Messstrahl mit normiertem Richtungsvektor u ^ an einem Oberflächenpunkt des Reflektors mit dem Normalenvektor n ^ reflektiert, so ergibt sich der normierte Richtungsvektor u ^r des reflektierten Strahls gemäß u ^r = u ^ – 2〈u ^n ^〉·u ^, (9),wobei 〈u ^n ^〉 das Vektorprodukt (inneres Produkt) symbolisiert.If a measuring beam with a normalized direction vector u ^ is reflected at a surface point of the reflector with the normal vector n ^, the normalized direction vector results u ^ r of the reflected beam according to u ^ r = u ^ - 2 <u ^ n ^> u, (9), where <u ^ n ^> symbolizes the vector product (inner product).

Nach Reflexion der beiden von der Messeinheit 28 ausgehenden Lichtstrahlen 24, 26 (Messstrahlen) an den Orten 36, 40 (Oberflächenpunkte des Reflektors 12) mit den Normalenvektoren n ^1 und n ^2 gemäß (8a) und (8b) ergeben sich folgende normierte Richtungsvektoren u ^1r bzw. u ^2r :

Figure 00130001
mit dem normiertem Richtungsvektor u ^ der beiden von der Messeinheit 28 ausgehenden Lichtstrahlen 24, 26 von
Figure 00130002
After reflection of the two of the measuring unit 28 outgoing light rays 24 . 26 (Measuring beams) in the places 36 . 40 (Surface points of the reflector 12 ) with the normal vectors n ^ 1 and n ^ 2 According to (8a) and (8b), the following normalized direction vectors result u ^ 1r respectively. u ^ 2r :
Figure 00130001
with the normalized direction vector u ^ of the two of the measuring unit 28 outgoing light rays 24 . 26 from
Figure 00130002

6 zeigt das Koordinatensystem x-y-z der Messeinheit 28 mit speziell definierten polaren Koordinaten λ und δ. Es gilt

Figure 00140001
6 shows the coordinate system xyz of the measuring unit 28 with specially defined polar coordinates λ and δ. It applies
Figure 00140001

Dabei entspricht λ dem Auslenkungswinkel des reflektierten Messstrahls in der x-z-Ebene der horizontalen Messachse des Winkelmessgeräts, δ entspricht dem Strahlauslenkungswinkel senkrecht zu dieser Ebene.there corresponds to λ the Deflection angle of the reflected measuring beam in the x-z plane the horizontal measuring axis of the angle measuring device, δ corresponds to the beam deflection angle perpendicular to this plane.

Aus der Transformationsgleichung (12) ergibt sich folgende Relation für die polare Koordinate λ eines vom Reflektor zurückgeworfenen Strahls mit normiertem Richtungsvektor u ^r :

Figure 00140002
From the transformation equation ( 12 ), the following relation results for the polar coordinate λ of a beam with normalized directional vector reflected by the reflector u ^ r :
Figure 00140002

Damit folgt aus den Formeln (10a) und (10b) tanλ1 = (1 – (2krsinα)2)–12krsin2α (14a)bzw. tanλ2 = –(1 – (2krsinα)2)–12krsin2α = –tanλ1 = tan(–λ1) (14b). Thus, from the formulas (10a) and (10b) tanλ 1 = (1 - (2krsinα) 2 ) -1 2krsin2α (14a) respectively. tanλ 2 = - (1 - (2krsinα) 2 ) -1 2krsin2α = -tanλ 1 = tan (-λ 1 ) (14b).

Damit ergibt sich die Reflexionswinkeldifferenz Δλ = λ1 – λ2 zu Δλ = λ1 – λ2 = 2arctan[(1 – (2krsinα)2)–12krsin2α (15) und schließlichThis results in the reflection angle difference Δλ = λ 1 - λ 2 Δλ = λ 1 - λ 2 = 2arctane [(1 - (2krsinα) 2 ) -1 2krsin2α (15) and finally

Figure 00150001
Figure 00150001

Die Differenzbildung Δλ = λ1 - λ2 eliminiert die Fehlereinflüsse der Reflektorneigung in Pitch (Rotation um die x'-Achse), die auch als Nicken bezeichnet werden kann, und Yaw (Rotation um die y'-Achse), was auch als Gieren bezeichnet werden kann, nahezu vollständig, wie auch die Einflüsse von Translationen des Reflektors. Damit ist die Reflexionswinkeldifferenz Δλ = λ1 – λ2 der Winkelauslenkungen der Reflexions-Lichtstrahlen 38, 42 in der x-z-Ebene der horizontalen Messachse der Messeinheit 28 eine eindeutige Funktion des Rollwinkels α des Reflektors 12.The difference Δλ = λ 1 - λ 2 eliminates the error influences of the reflector inclination in Pitch (rotation about the x'-axis), which can also be called nodding, and Yaw (rotation about the y'-axis), which also As yaw can be called, almost completely, as well as the influences of translations of the reflector. Thus, the reflection angle difference Δλ = λ 1 - λ 2 of the angular deflections of the reflection light beams 38 . 42 in the xz plane of the horizontal measuring axis of the measuring unit 28 a unique function of the roll angle α of the reflector 12 ,

Mit der Approximation α << π für kleine Winkel folgen sinα ≈ α und sin2α ≈ 2α. Mit (2krsinα)2 << 1 folgt

Figure 00150002
mit dem Radius R des Zylinders, der die parabolische Reflektoroberfläche approximiert. Für kleine Winkel lα ist die gemessene Differenz λ1 – λ2 der Winkelauslenkungen der reflektierten Messstrahlen in der x-z-Ebene der horizontalen Messachse des Winkelmessgeräts also eine Funktion erster Ordnung im Rollwinkel α des Reflektors.With the approximation α << π for small angles, sinα ≈ α and sin2α ≈ 2α follow. With (2krsinα) 2 << 1 follows
Figure 00150002
with the radius R of the cylinder approximating the parabolic reflector surface. For small angles lα, the measured difference λ 12 of the angular deflections of the reflected measuring beams in the xz plane of the horizontal measuring axis of the angle measuring device is thus a function of first order in the roll angle α of the reflector.

Im Folgenden wird gezeigt, dass der Rollwinkel α des Reflektors 12 mit der vorliegenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unabhängig von zusätzlichen Drehungen und Translationen bestimmt werden kann, wie die

  • – Kippung des Reflektors in Pitch, β (Rotation um die x'-Achse, Nicken)
  • – Kippung des Reflektors in Yaw, γ (Rotation um die y'-Achse, Gieren)
  • – laterale Verschiebung Δx des Reflektors in x' und die
  • – laterale Verschiebung Δy des Reflektors in y'.
In the following, it is shown that the roll angle α of the reflector 12 can be determined with the present embodiment of the method according to the invention, regardless of additional rotations and translations, as the
  • Tilting of the reflector in pitch, β (rotation about the x'-axis, nodding)
  • Tilting of the reflector in Yaw, γ (rotation about the y'-axis, yawing)
  • Lateral displacement Δx of the reflector in x 'and the
  • Lateral displacement Δy of the reflector in y '.

Diese Fehlereinflüsse werden nahezu vollständig eliminiert.These error influences will be almost complete eliminated.

Hierfür wurde die Strahlführung mittels Raytracing exakt gerechnet und das Verfahren virtuell realisiert. Für die Monte-Carlo-Simulationen wurden folgende realistische Parameter angenommen (variable Parameter wurden im den angegebenen Intervallen gleich verteilt):

  • – Roll α, Pitch β, Yaw γ: ±1000 aresec
  • – laterale Verschiebungen Δx, Δy: ±1 mm
  • – Zylinderradius Reflektor R: 1.0 m
  • – halber Abstand Messorte r: 15 mm
For this, the beam guidance using raytracing was calculated exactly and the procedure was realized virtually. The following realistic parameters were assumed for the Monte Carlo simulations (variable parameters were equally distributed in the given intervals):
  • Roll α, Pitch β, Yaw γ: ± 1000 aresec
  • - lateral displacements Δx, Δy: ± 1 mm
  • - Cylinder radius reflector R: 1.0 m
  • - half distance measuring locations r: 15 mm

Bei den ersten beiden Parameterbereichen wurden relativ große Werte angenommen, um die Grenzen des Verfahrens besser austesten zu können.at the first two parameter ranges became relatively large values accepted in order to better test the limits of the process.

7 zeigt die Differenz zwischen dem im virtuellen Experiment vorgegebenen Rollwinkel α des Reflektors und dem gemäß Näherungsgleichung (16) aus den simulierten Messdaten bestimmten Rollwinkel. Für die oben angenommenen Parameterbereiche beträgt die Standard-Unsicherheit uα der Rollwinkelbestimmung, bedingt durch die Einflüsse der zusätzlichen Drehungen und Translationen des Reflektors, lediglich 0,007 aresec. Diese sind damit für die praktische Realisierung des Verfahrens unerheblich. 7 shows the difference between the roll angle α of the reflector given in the virtual experiment and that according to the approximate equation ( 16 ) determined from the simulated measurement data roll angle. For the parameter ranges assumed above, the standard uncertainty u α of the roll angle determination, due to the influences of the additional rotations and translations of the reflector, is only 0.007 aresec. These are therefore irrelevant to the practical realization of the method.

1010
RollwinkelmessvorrichtungRoll angle measuring device
1212
Reflektorreflector
1414
Lichtquellelight source
1616
Auswerteeinheitevaluation
1818
Abschnittsection
2020
SchmiegekreisSchmiegekreis
2222
Komponentecomponent
2424
erster Lichtstrahlfirst beam of light
2626
zweiter Lichtstrahlsecond beam of light
2828
Messeinheitmeasuring unit
3030
WinkelmessvorrichtungAngle measuring device
3232
Winkelmesserprotractor
3434
Datenkabeldata cable
3636
erster Ortfirst place
3838
erster Reflexions-Lichtstrahlfirst Diffuse beam
4040
zweiter Ortsecond place
4242
zweiter Reflexions-Lichtstrahlsecond Diffuse beam
4444
Führungguide
FF
Führungsflächeguide surface
VV
Verschieberichtungdisplacement direction
αα
Rollwinkelroll angle
λλ
Reflexionswinkelangle of reflection
ΔλΔλ
ReflexionswinkeldifferenzReflection angle difference

Claims (8)

Verfahren zum Messen eines Rollwinkels (α), mit den Schritten (a) Richten eines ersten Lichtstrahls (24) auf einen ersten Ort (36) eines teilzylinderförmigen Abschnitts (18) eines Reflektors (12), so dass ein erster Reflexions-Lichtstrahl (38) entsteht, der unter einem ersten Reflexionswinkel (λ1) verläuft, (b) Richten zumindest eines zweiten Lichtstrahls (26) auf einen vom ersten Ort (36) verschiedenen zweiten Ort (40) des teilzylinderförmigen Abschnitts (18), so dass ein zweiter Reflexions-Lichtstrahl (42) entsteht, der unter einem zweiten Reflexionswinkel (λ2) verläuft, (c) Bewegen des Reflektors (12) entlang einer Linearführung (44) mit einer Führungsfläche, wobei der erste Lichtstrahl (24) und der zweite Lichtstrahl (26) so auf den Reflektor (12) gerichtet werden, dass eine Veränderung des Rollwinkels (α) dazu führt, dass sich der erste Reflexionswinkel (λ1) vergrößert und sich der zweite Reflexionswinkel (λ2) verkleinert, (d) Messen zumindest einer Größe aus der eine Änderung des ersten Reflexionswinkels (λ1) und des zweiten Reflexionswinkels (λ2) herleitbar ist und (e) Errechnen des Rollwinkels (α) aus der zumindest einen GrößeMethod for measuring a roll angle (α), comprising the steps of (a) directing a first light beam ( 24 ) to a first place ( 36 ) of a partially cylindrical section ( 18 ) of a reflector ( 12 ), so that a first reflection light beam ( 38 ), which extends at a first angle of reflection (λ 1 ), (b) straightening at least one second light beam ( 26 ) to one from the first place ( 36 ) different second place ( 40 ) of the partially cylindrical section ( 18 ), so that a second reflection light beam ( 42 ), which extends at a second angle of reflection (λ 2 ), (c) moving the reflector ( 12 ) along a linear guide ( 44 ) with a guide surface, wherein the first light beam ( 24 ) and the second light beam ( 26 ) so on the reflector ( 12 ), that a change of the roll angle (α) causes the first reflection angle (λ 1 ) to increase and the second reflection angle (λ 2 ) to decrease, (d) measuring at least one quantity from the one change of the first reflection angle (λ 1 ) and the second reflection angle (λ 2 ) can be deduced and (e) calculating the roll angle (α) of the at least one size Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Größe eine Reflexionswinkeldifferenz (Δλ) aus dem ersten Reflexionswinkel (λ1) und dem zweiten Reflexionswinkel (λ2) verwendet wird.A method according to claim 1, characterized in that a reflection angle difference (Δλ) from the first reflection angle (λ 1 ) and the second reflection angle (λ 2 ) is used as the size. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lichtstrahl (24) und der zweite Lichtstrahl (26) so auf den teil zylinderförmigen Abschnitt (18) gerichtet werden, dass zu Beginn der Messung der erste Reflexionswinkel (λ1) dem zweiten Reflexionswinkel (λ2) entspricht.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first light beam ( 24 ) and the second light beam ( 26 ) so on the part cylindrical section ( 18 ), that at the beginning of the measurement the first reflection angle (λ 1 ) corresponds to the second reflection angle (λ 2 ). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der erste Lichtstrahl (24) und der zweite Lichtstrahl (26) so auf den Reflektor (12) gerichtet werden, dass eine Verbindungsstrecke durch den ersten Ort (36) und den zweiten Ort (40) durch die Führungsfläche verläuft.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first light beam ( 24 ) and the second light beam ( 26 ) so on the reflector ( 12 ), that a link through the first location ( 36 ) and the second place ( 40 ) passes through the guide surface. Rollwinkelmessvorrichtung zum Messen eines Rollwinkels (α), mit: (a) einem Reflektor (12), der einen teilzylinderförmigen Abschnitt (18) aufweist, (b) einer Lichtquelle (14), die ausgebildet ist zum – Richten eines ersten Lichtstrahls (24) auf einen ersten Ort des teilzylinderförmigen Abschnitts (18), so dass ein erster Reflexions-Lichtstrahl (38) entsteht, der unter einem ersten Reflexionswinkel (λ1) verläuft, und – Richten zumindest eines zweiten Lichtstrahls (26) auf einen vom ersten Ort (36) verschiedenen zweiten Ort (40) des teilzylinderförmigen Abschnitts (18), so dass ein zweiter Reflexions-Lichtstrahl (42) entsteht, der unter einem zweiten Reflexionswinkel (λ2) verläuft, (c) einer Führung (44), entlang der der Reflektor (12) beweglich geführt ist, (d) einer Winkelmessvorrichtung zum Messen zumindest einer Größe aus der eine Änderung des ersten Reflexionswinkels (λ1) und eine Änderung des zweiten Reflexionswinkels (λ2) herleitbar ist, (e) einer Auswerteeinheit (16), die eingerichtet ist zum Errechnen des Rollwinkels (α) aus zumindest einen Größe, wobei (f) die Lichtquelle ausgebildet ist zum Richten des ersten Lichtstrahls (24) und des zweiten Lichtstrahls (26) so auf den Reflektor (12), dass eine Veränderung des Rollwinkels (α) dazu führt, dass sich der erste Reflexi onswinkel (λ1) vergrößert und sich der zweite Reflexionswinkel (λ2) verkleinert.Roll angle measuring device for measuring a roll angle (α), comprising: (a) a reflector ( 12 ), which has a partially cylindrical section ( 18 ), (b) a light source ( 14 ), which is designed to - directing a first light beam ( 24 ) to a first location of the partially cylindrical section ( 18 ), so that a first reflection light beam ( 38 ), which extends at a first angle of reflection (λ 1 ), and - directing at least one second light beam ( 26 ) to one from the first place ( 36 ) different second place ( 40 ) of the partially cylindrical section ( 18 ), so that a second reflection light beam ( 42 ), which runs at a second angle of reflection (λ 2 ), (c) a guide ( 44 ) along which the reflector ( 12 ) is movably guided, (d) an angle measuring device for measuring at least one variable from which a change of the first reflection angle (λ 1 ) and a change of the second reflection angle (λ 2 ) can be derived, (e) an evaluation unit ( 16 ) which is set up to calculate the roll angle (α) of at least one size, wherein (f) the light source is designed to direct the first light beam ( 24 ) and the second light beam ( 26 ) so on the reflector ( 12 ) that a change in the roll angle (α) causes the first reflection angle (λ 1 ) to increase and the second reflection angle (λ 2 ) to decrease. Rollwinkelmessvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (16) eingerichtet ist zum Errechnen des Rollwinkels (α) aus einer Reflexionswinkeldifferenz (Δλ) zwischen dem ersten Reflexionswinkel (λ1) und dem zweiten Reflexionswinkel (λ2).Roll angle measuring device according to claim 5, characterized in that the evaluation unit ( 16 ) is arranged to calculate the roll angle (α) from a reflection angle difference (Δλ) between the first reflection angle (λ 1 ) and the second reflection angle (λ 2 ). Rollwinkelmessvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der teilzylinderförmige Abschnitt (18) teilkreiszylinderförmig ist.Roll angle measuring device according to claim 5 or 6, characterized in that the partially cylindrical portion ( 18 ) Partial cylindrical. Rollwinkelmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (14) so eingerichtet ist, dass der erste Lichtstrahl (24) und der zweite Lichtstrahl (26) die Lichtquelle (14) im Wesentlichen parallel verlassen.Roll angle measuring device according to one of claims 5 to 7, characterized in that the light source ( 14 ) is set up so that the first light beam ( 24 ) and the second light beam ( 26 ) the light source ( 14 ) Leave substantially parallel.
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