Messungen mit Autokollimatoren

Der aus dem Autokollimator austretende parallele Strahl wird von beiden Oberflächen des Keils reflektiert. Der Keilwinkel δ ist gegeben durch:

δ = d / (2nf)

mit
d – Verschiebung des reflektierten Bildes
n – Brechungsindex des Glases
f – Brennweite des Autokollimators

Für die schnelle Messung in der optischen Fertigung kann die Verschiebung d für eine gegebene Winkeltoleranz und Brennweite f berechnet und auf das beleuchtete Fadenkreuz in Form einer Lochblende übertragen werden, so dass die Bestimmung des Bauteils auf einer “gut” und “schlecht” Basis erfolgen kann:

A) Keil außerhalb der Toleranz
B) Keil am Toleranzlimit
C) Keil innerhalb der Toleranz

Der Ablenkungswinkel durch den Keil ist für kleine Winkel gegeben durch:

γ = d(n-1) / (2nf)

Die reflektierten Bilder von den 90°-Seiten (die unempfindlich gegen Drehung um die Dachkante sind) werden um einen Betrag x verzerrt, wenn eine Abweichung vom 90°-Winkel α vorliegt.

Das Vorhandensein einer Höhenverschiebung um den Betrag y beweist ebenfalls einen Pyramidenfehler ϓ:

n – Brechungsindex des Glases
f – Brennweite des Autokollimators

Das 90°-Prisma wird auf eine ebene Fläche gestellt. Der austretende Strahl des Autokollimators wird an der Prismenseite und der ebenen Fläche reflektiert und kehrt auf dem ursprünglichen Weg zurück, wenn der Winkel genau 90° beträgt. Im Okular ist keine Verschiebung zu erkennen. Abweichungen von 90° können im Okular gemessen werden.

Die Fehlergröße:

α = d / (4f)

wobei f= Brennweite des Autokollimators. Das Vorzeichen -/+ des Fehlers wird durch Defokussieren des Okulars bestimmt: Bewegt man die Brennebene des Okulars in Richtung Objektivlinse, ergibt sich ein negativer Fehler, wenn der Abstand d kleiner wird.

Bei der Messung des 45°-Winkels eines Prismas sind zwei Methoden möglich:

a) Relative Messung des 45°-Winkels

Zur Messung des 45°-Winkels wird ein Referenzprisma verwendet. Beide Prismen werden auf eine präzise Ebene gelegt. Der 90°-Winkel des zu prüfenden Prismas muss zuerst geprüft werden, da der Fehler dieses Winkels die Messung beeinflusst.

b) Absolute Messung des 45°-Winkels

Der Autokollimator wird auf eine Seite des 90°-Winkels gerichtet. Es werden zwei Bilder von beiden Seiten des Prismas erzeugt. Die interne Reflexion im Prisma erzeugt eine Verschiebung d, die vom Fehler des 45°-Winkels α abhängt:

α = d/(4nf) ± δ/2

wobei δ der Fehler des 90°-Winkels ist.

Ein Spiegel wird entweder entlang der Oberfläche bewegt oder an einem beweglichen Teil der zu messenden Maschine angebracht. Der Spiegel wird von Kugeln oder Stiften getragen, die in einem als Basislänge bezeichneten Abstand b angeordnet sind. Abweichungen von der Geradheit führen zu einer Verkippung des Spiegels. Die Abweichung von der Geradheit ist gegeben durch:

h = b tan α

wobei:
α = Spiegelneigung
b = Basislänge

Wenn computergesteuerte oder elektronische Autokollimatoren verwendet werden, können die Messwerte automatisch an den Computer übertragen werden. Das Softwareprogramm ermöglicht die Geradheitsmessung an Gleitbahnen von Werkzeugmaschinen, Wellen, Linearführungen, Rollen usw.

Der Basisspiegel wird entlang von Diagonalen und Rechtecken über die zu messende Oberfläche bewegt. Entlang jeder Linie wird eine Geradheitsmessung durchgeführt. Aus den Daten werden die Form der Oberfläche und die Abweichungen von der Ebenheit berechnet.

Die Daten können in einen Computer eingegeben werden, um eine Topografie der zu prüfenden Oberfläche zu erstellen.

Die Referenzfläche wird auf den Autokollimator ausgerichtet. Der Autokollimator wird in dieser Position fixiert. Der Spiegel wird auf die nächste Fläche übertragen, die auf denselben Autokollimator ausgerichtet ist.

Nachdem das erste Lager auf den Autokollimator ausgerichtet ist, wird der Spiegel auf das nächste Lager übertragen. Die Abweichung von der Parallelität wird abgelesen und das Lager ausgerichtet.

An einem Ende des Autokollimatortubus sind zusätzliche Achromate angebracht. Das beleuchtete Bild des Autokollimators wird in die Brennebene des Achromaten projiziert. Dieses Bild wird vom Scheitelpunkt der Linse und dem Krümmungsmittelpunkt der Linsenoberfläche zurückgeworfen. Die lineare Verschiebung zwischen diesen beiden Positionen – wo ein scharfes Bild im Okular zu sehen ist – ergibt den Krümmungsradius.

Es können sowohl konkave als auch konvexe Flächen gemessen werden. Auch sphärische und zylindrische Oberflächen können gemessen werden. Bei konvexen Flächen muss die hintere Brennweite des Achromats länger sein als der zu prüfende Radius.

Für die Messung sehr langer Krümmungsradien können fokussierende Autokollimatoren mit ausziehbaren Rohren verwendet werden. Durch Herausziehen des Tubus mit dem Autokollimationskopf kann der Autokollimator auf den Scheitelpunkt und den Krümmungsmittelpunkt der Linse fokussiert werden. Da der nächstgelegene Fokuspunkt für einen fokussierenden Autokollimator in einigen Metern Entfernung liegt und die Fokussierung auf den Scheitelpunkt praktisch schwierig ist, wird folgende Konfiguration empfohlen:

Das zu prüfende Objektiv wird mit dem Scheitelpunkt in einem Abstand f von der Autokollimatorlinse positioniert.

(f ist die wirksame Brennweite EFL des Autokollimators). Nach der Fokussierung im Krümmungsmittelpunkt der Linse ergibt sich der Radius wie folgt:

R = f²/d

wobei d = Verschiebung des Auszugsrohrs, abgelesen an der Skala.

Das Anlagemaß, auch als Auflagemaß oder Flanschbrennweite bezeichnet, ist der Abstand zwischen der Auflagefläche des Objektivanschlusses und der Bildebene. Die Überprüfung und Einstellung dieses Abstands ist besonders bei Kameraobjektiven wichtig. Die Bildebene wird durch einen Spiegel ersetzt, der auf einer verstellbaren Vorrichtung montiert ist.

Für die Prüfung des Anlagemaßes wird ein Standard-Autokollimator (1) verwendet, wenn das zu prüfende Objektiv auf unendlich eingestellt ist. Für die Prüfung des Objektivs bei anderen Entfernungen als unendlich wird empfohlen:

• Achromaten, die am Autokollimator für kurze Entfernungen angebracht sind (2)
• ein fokussierender Autokollimator für unendliche und große Entfernungen (3)

Die normalerweise verwendete Strichplatte ist ein Siemensstern. Wenn das Fadenkreuz in der gegebenen Entfernung scharf zu sehen ist, ist das Kameraobjektiv richtig eingestellt. Abweichungen können mit einer verstellbaren Lehre gemessen und das Objektiv entsprechend eingestellt werden.

Autokollimatoren können für die Messung von Zentrierfehlern in Transmission (siehe Kollimatoranwendungen) oder in Reflexion verwendet werden:

Für die Messung in Reflexion werden zusätzliche Achromate am Autokollimator angebracht. Der Präzisions-Drehhalter ist mit einem Futter ausgestattet, das genau auf der Drehachse läuft. Die zu prüfende kugelförmige Oberfläche befindet sich auf der vorderen Fläche des Spannfutters und wird mit Hilfe einer kleinen Vakuumvorrichtung in Kontakt gehalten. Bei der Drehung reflektiert die zu prüfende Oberfläche das Bild des Fadenkreuzes. Dieses Bild beschreibt einen Kreis mit einem Durchmesser, dessen Größe der Dezentrierung abhängt.