Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Kalibriereinrichtungen der Arbeitsgruppe Winkelmesstechnik

• Winkelkomparator WMT 220
  
  
• Winkelkomparator WMT 905
  
  
• Elektronische Autokollimatoren
  
  
• Normalmesseinrichtung Rechter Winkel + Geradheit
  
  
• Optischer Teilkopf

Winkelkomparator WMT 220

Winkelmesstische oder Indextische, bei denen der Vollwinkel 2 π rad (360°) als natürliches Primärnormal durch Anwendung der Kreisteilung genutzt wird, sind die wichtigsten Winkelkomparatoren. Die PTB besitzt drei derartige Präzisionswinkelmesstische mit eingebauten Gitterteilkreisen und photoelektrisch-inkrementaler Messwertauslesung. Der neueste Winkelkomparator (Firma Heidenhain, Traunreut) wurde 1994 im PTB-Reinraumzentrum installiert.

Dieser Winkelkomparator ist derzeit die genaueste Normalmesseinrichtung für den ebenen Winkel.

Technische Daten des WMT 220:

Die folgende Abbildung zeigt den schematischen Aufbau des Winkelkomparators in einer Schnittdarstellung.

Der Komparator steht auf einer massiven, schwingungsisolierten Granitplatte. Er enthält einen Luftlager-Rotor mit axialem Planlager und zylindrischem Radiallager, welche die hohe Tragfähigkeit und Rundlaufgenauigkeit sichern. Der Rotor enthält als Winkelmesssystem eine ringförmige Teilscheibe aus Glas, auf der sich eine radiale Reflexions-Phasengitterteilung mit 131 072 Teilungsperioden auf einem Kreis von ca. 400 mm Durchmesser befindet. Zur Abtastung dieser Teilung dienen acht Abtastköpfe, die gleichmäßig über dem Umfang der Teilung angebracht sind. Der Winkelmesswert wird schließlich durch Mittelwertbildung aus allen Abtastköpfen gewonnen.

Für den Antrieb des Winkelkomparators stehen zwei alternative Möglichkeiten zur Verfügung: Für dynamische Messungen ist der Komparator mit einem berührungslosen elektromagnetischen Tangential-Direktantrieb ausgestattet, während für statische Messungen ein spielfreier Reibrad-Tangentialantrieb mit einem zusätzlichen Piezoelement zur genauesten Positionierung zur Verfügung steht.

Der innere Rotorteil mit dem Aufnahmetisch kann rechnergesteuert vom äußeren Rotorteil durch einen axialen Luftspalt entkoppelt und relativ zu diesem in eine beliebige Winkellage verdreht werden. Diese Einrichtung ermöglicht einerseits die Kalibrierung von Winkelmessgeräten und −normalen in verschiedenen Relativlagen zum Winkelkomparator und damit eine Verringerung der Messunsicherheit und andererseits die Kalibrierung des WMT 220 selbst gegen ein zweites Winkelmesssystem nach dem so genannten Rosettenmessverfahren.

Zusätzlich ist es auch möglich, die Abweichungen des Komparators durch ein s.g. Selbstkalibrierverfahren zu ermitteln. Bei diesem Verfahren, bei dem kein zweites Winkelmesssystem erforderlich ist, werden während einer Teilkreisumdrehung neben den acht Messabtastköpfen weitere acht s.g. Kalibrierabtastköpfe ausgelesen, die so angeordnet sind, dass alle Teilwinkel 360°/2n von n = 1 bis 7 zu einem Referenz-Abtastkopf gebildet werden.

Die Abschätzung der Messunsicherheit des WMT 220 erfolgt aus der Analyse der verschiedenen Kalibrierergebnisse und der Einbeziehung weiterer Messunsicherheitseinflüsse.

Die folgenden Bilder zeigen zwei typische Messaufbauten auf dem Winkelkomparator zur hochgenauen Kalibrierung eines Autokollimators und eines inkrementalen Winkelmesssystems.

Messaufbau zur Kalibrierung eines hochauflösenden Autokollimators.	Messaufbau zur Kalibrierung eines inkrementalen Winkelmesssystems.

Bei Kalibrierungen von Winkelnormalen und -geräten wird die erreichbare Messunsicherheit im wesentlichen von den messtechnischen Eigenschaften des Kalibriergegenstandes und von den Messbedingungen bei der Maßübertragung bestimmt. Detaillierte Angaben über Messunsicherheiten finden Sie in dem Dienstleistungsangebot der AG.

Weitere Informationen:

• Six nanoradian in 2π radian - a primary standard for angle measurement; Proc. 2nd Euspen Int. Conf. (Turin, Italy) 2001, 326-329
• Calibration of high-resolution electronic autocollimators against an angle comparator; Metrologia 40 (2003), 288-294

Winkelkomparator WMT 905

Das Bild zeigt den Messaufbau zur Kalibrierung eines Spiegelpolygons auf dem Winkelkomparator WMT 905 mit Hilfe eines elektronischen Autokollimators vom Typ Elcomat 2000 zur optischen Antastung der Polygonspiegelflächen.

Bei dem Winkelkomparator WMT 905 handelt es sich um ein Produkt der Fa. Heidenhain, die messtechnische Basis ist ein photoelektrisches Winkelmesssystem vom Typ RON 905. Die Glasscheibe des Winkelmesssystems mit einer Gitterteilung von 36″ ist fest mit einem rotatorischen Luftlager verbunden und wird von vier unter 90° angeordneten Abtastköpfen zeitgleich ausgelesen. Die Drehbewegung des WMT 905 erfolgt über eine Kombination aus einem mechanischen Reibradantrieb und einem elektronischen Piezoantriebssystem, wobei ersterer für kontinuierlichen Bewegung über große Bereiche und letzterer zur Feinpositionierung in kleinen Schritten eingesetzt wird. Der Antrieb ist so konzipiert, dass die Übertragung von radialen Querkräften auf den Luftlagerrotor weitestgehend vermieden wird.

Eine in der PTB zusätzlich eingebaute Einrichtung erlaubt eine definierte Relativbewegung zwischen dem Messobjekt und dem Messsystem des WMT 905 und damit die Anwendung von Fehlertrennverfahren.

Technische Daten des WMT 905:

Auf dem WMT 905 werden typischerweise folgende Winkelnormale und -messgeräte kalibriert: Spiegelpolygone, Winkelendmaße, Prismen, Autokollimatoren (von nicht höchster Genauigkeit), Drehgeber (von nicht höchster Genauigkeit), Winkelinterferometer.

Bei Kalibrierungen von Winkelnormalen und -geräten wird die erreichbare Messunsicherheit im wesentlichen von den messtechnischen Eigenschaften des Kalibriergegenstandes und von den Messbedingungen bei der Maßübertragung bestimmt. Detaillierte Angaben über Messunsicherheiten finden Sie in dem Dienstleistungsangebot der AG.

Elektronische Autokollimatoren

In der PTB werden handelsübliche Autokollimatoren vom Typ Elcomat HR und Elcomat 2000/3000 der Firma Möller-Wedel Optical, Hamburg, verwendet, die in der AG mit einer erweiterten Messunsicherheit von 0,007″ bzw. 0,02″ (k = 2) auf dem Winkelkomparator WMT220 kalibriert sind.

Das Bild zeigt den Aufbau zur Kalibrierung eines elektronischen Neigungsmessers mit einem Autokollimator im kleinen Messbereich von ± 420″.

Weitere Informationen:

• Calibration of high-resolution electronic autocollimators against an angle comparator; Metrologia 40 (2003), 288-294.
• POSTER

Normalmesseinrichtung Rechter Winkel + Geradheit

Das Bild zeigt den Messaufbau zur Kalibrierung einer 90°-Hartgesteinplatte auf der Normalmesseinrichtung.

Die Normalmesseinrichtung besteht aus einem luftgelagerten Messschlitten, der auf einem 1100 mm langen Hartgesteinlineal geführt wird und dessen Position mittels eines inkrementalen Längenmesssystems erfasst wird. Der Messschlitten trägt ein induktives Längenmesssystem zur taktilen Antastung der Kalibriergegenstände.

Die Kalibriergegenstände liegen auf einem Winkel-Indextisch, der eine 90°-Drehung der zwei Messflächen - parallel zur Führungsleiste - realisiert. Die tatsächliche Drehung des Winkel-Indextisches wird mit einem optischen 90°-Spiegelblock und einem Autokollimator gemessen. Der zu kalibrierende Winkel zwischen den beiden Messflächen errechnet sich aus den Anstiegskurven der taktilen Messung und der Winkelmessung mit dem AK. Die Geradheitsmessung erfolgt entweder durch die Umschlagsmessung gegen ein Geradheitslineal (Fehlertrennverfahren) oder durch direkte Vergleichsmessung gegen das Hartgesteinlineal.

Die Geradheitsabweichung der Normalmesseinrichtung beträgt 1,4 μm über 1000 mm Messlänge.

Erweiterte Messunsicherheiten (k = 2) der beteiligten Messsysteme:

Auf der Normalmesseinrichtung werden Rechtwinkligkeits- und Geradheitsnormale mit einer maximaler Schenkellänge von 1000 mm kalibriert. Detaillierte Angaben über Messbereiche und Messunsicherheiten finden Sie in dem Dienstleistungsangebot der AG.

Weitere Informationen:

• Poster NME90°
• Poster Umschlagsmessung

Optischer Teilkopf

Das Bild zeigt den Messaufbau zur Kalibrierung eines Neigungsmessgerätes auf dem optischen Teilkopf.

Der optische Präzisionsteilkopf OTEMA der Fa. Ernst Leitz GmbH Wetzlar dient der Kalibrierung von Neigungsmessgeräten mit einem Messbereich von > 1200″. Über den Gesamtmessbereich von 360° erfolgt die Ablesung der mit der Teilkopfspindel verbundenen Glasteilscheibe optisch nach dem Prinzip der mikroskopischen Doppelablesung, d.h. Exzentrizitätsfehler des Teilkopfes werden kompensiert. Die in sphärischen Präzisionswälzlagern praktisch spielfrei gelagerte Teilkopfspindel ist im Bereich von 100° schwenkbar. Der optische Teilkopf wird mit Hilfe von Spiegelpolygonen und Autokollimatoren der Arbeitsgruppe kalibriert.

Technische Daten:

Bei Kalibrierungen von Winkelmessgeräten wird die erreichbare Messunsicherheit im wesentlichen von den messtechnischen Eigenschaften des Kalibriergegenstandes und von den Messbedingungen bei der Maßübertragung bestimmt. Detaillierte Angaben über Messunsicherheiten finden Sie in dem Dienstleistungsangebot der AG.