CH669846A5

CH669846A5 -

Info

Publication number: CH669846A5
Application number: CH273785A
Authority: CH
Inventors: Rene Prof Dr Daendliker; Jean-Francois Dr Willemin
Original assignee: Agie Ag Ind Elektronik
Priority date: 1985-02-07
Filing date: 1985-06-26
Publication date: 1989-04-14
Also published as: DE3504194A1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Verschiebungen bei der Einstellung und Steuerung von Werkzeugmaschinen oder bewegbaren Teilen davon, die mit einer Messskala bestückt sind.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind bekannt, beispielsweise aus dem Katalog «Visualisations numériques, Haidenhain 5041, Haidenhain 7010» der Firma Dr. Johannes Haidenhain GmbH, Nansenstrasse, D-8225 Traunreut. Hierbei werden eine Skala und ein Gegenmuster in unmittelbare Nachbarschaft gebracht und deren Relativverschiebungen zueinander gemessen. Die Genauigkeit der Messung hängt jedoch von der gegenseitigen räumlichen Nähe von Skala und Gegenmuster ab. Da die Skala und das Gegenmuster relativ zueinander verschiebbar sein müssen, können sie nicht beliebig nahe aneinander gebracht werden. Hierdurch ist in der Regel die maximale Messgenauigkeit auf etwa 2 mm beschränkt.

Die Erfindung befasst sich mit der Aufgabe, das eingangs genannte Verfahren, sowie die eingangs genannte Vorrichtung unter möglichst weitgehender Beibehaltung ihrer bisherigen Vorteile zu verbessern, beispielsweise die damit erzielbare Messgenauigkeit zu erhöhen.

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Diese Aufgabe wird in verfahrensmässiger Hinsicht dadurch gelöst, dass kohärente Wellen von einer Strahlenquelle auf die Messskala gestrahlt werden und die Strahlenintensität oder Intensitätsverteilung im Interferenzraum gemessen wird.

In vorrichtungsmässiger Hinsicht wird diese Aufgabe durch eine kohärente Strahlenquelle gelöst, mit welcher die Messskala bestrahlt wird und durch wenigstens einen im Interferenzraum in Wellenausbreitungsrichtung hinter der Messskala angeordneten Fühler zum Messen der Strahlenintensität oder -Intensitätsverteilung.

Als kohärente Wellen können grundsätzlich jede Art von interferenzfähigen Wellen verwendet werden. Bevorzugt werden jedoch elektromagnetische Wellen verwendet, besonders bevorzugt die von einem Laser ausgestrahlten Wellen. Vorzugsweise wird hierzu ein He-Ne-Laser oder ein Halbleiterlaser verwendet.

Das eingangs aufgeworfene Problem wird also grundsätzlich durch Einsatz eines optischen Messverfahrens und einer optischen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gelöst, wobei eine Skala als Träger der Präzision im Fernbereich verwendet wird. Die erfindungsgemässe Lösung macht - im Gegensatz zum eingangs genannten bekannten Messverfahren bzw. der Messvorrichtung - eine hohe Messgenauigkeit nicht von einem unmittelbaren Nebeneinanderliegen von Skala und Gegenmuster abhängig.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung mit den Figuren 1 bis 14 noch näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die Übertragungsfunktion einer aus geradlinigen Strichen bestehender Skala.

Fig. 2 Die gebeugten Wellen hinter der Skala, wenn zwei untereinander kohärente Wellen U1 und U2 am Ort der Skala ein Muster von Interferenzstreifen bilden.

Fig. 3 wie mit einem Separatorwürfel eine ebene, polarisierte, kohärente Welle eines Laserstrahles in 2 Strahlen aufgeteilt wird, um auf der Skala ein Muster von Interferenzstreifen zu erhalten.

Fig. 4 dass die Signale 11 und 12 beim Verschieben der Skala annähernd in Quadratur liegen.

Fig. 5 die Messwerte der Signale II und 12 bei einer schrittweisen Verschiebung der Skala um jeweils 1 (im.

Fig. 6 die Messwerte und Messungenauigkeit in Abhängigkeit der Verschiebung der Skala und der Intensitätsänderung.

Fig. 7 die Änderung der Signalhöhe bei schrittweiser Verschiebung um jeweils 40 (im.

Fig. 8 wie ein Messfehler durch einen Richtfehler der Skala verursacht wird.

Fig. 9 das Prinzip einer Vorrichtung zur Projektion des kohärenten filtrierten Bildes der Skala auf ein Gegenmuster.

Fig. 10 dass man nach Korrektur die 2 Signale in Quadratur liegend erhalten kann.

Fig. 11 eine andere Variante der Vorrichtung zur Projektion des kohärenten filtrierten Bildes der Skala auf ein Gegenmuster.

Fig. 12 dass die Kennlinien sinusförmig sind und eine gute Modulationstiefe aufweisen.

Fig. 13 die Resultate bei Projektion eines Musters von Interferenzstreifen mit einer Schrittlänge von 4,1 ^im.

Fig. 14 die Kennlinien bei Interferenz von zwei von der Skala diffraktierten Wellen.

Die Übertragungsfunktion einer aus geradlinigen Strichen bestehenden Skala von Periode p wird durch nachstehende Formel angegeben:

3

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4

t(x)

2 [ 71

2nix — 2rax 1 6raa 1 — 6raa e he --e --e + •

P P 3 p 3 p

(wobei die Ordnungen ±2, ±4.. .nicht existieren). (Fig. 1) s

Wenn eine ebene Welle u = exp[i (kxx+kyy+ kzz)] auf diese Skala fällt, beträgt die Amplitude unmittelbar hinter der Skala s(x) = u t(x). Es seien ui und U2 zwei ebene, untereinander kohärente Wellen endlicher Strahlbreite, die am Ort der Skala ein Muster von Interferenzstreifen bilden, deren io Schrittlänge bzw. Periode ebenfalls p ist (vgl. Fig. 2):

ui = e

„ ./cos8z x\ _ .1 cos0z x\

2m + — 2 m

\ 2PI u2 = e ' X 2p*

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Wenn der Einfallwinkel richtig gewählt wird, erfolgt eine Überlagerung der gebeugten Wellen hinter der Skala, insbesondere ist die Ordnung O von ui mit der Ordnung +1 von U2 20 und die Ordnung O von U2 mit der Ordnung — 1 von ui überlagert. Wenn nun das Lineal bzw. die Skala um Ax verschoben wird, ändert sich die Phase der Ordnungen +1 und — 1 um ±27iAx/p. Dank dem Interferenzphänomen werden diese Phasenänderungen in messbare Intensitätsänderungen 25 umgesetzt:

1 / 4 I(x- Ax) = -( 1 + — cos 2\ n2

2%-

(x - Ax)

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Wie ersichtlich ändert sich die Intensität der beiden überlagerten Ordnungen sinusförmig, wenn die Skala verschoben wird. Die von der Überlagerung der anderen Ordnungen erzeugte Intensität kann auf gleiche Weise berechnet werden. 35 Es wird bemerkt, dass die Ordnung ±2, ±4 usw. für ein symmetrisches Rechteckgitter nicht existieren, so gibt es beispielsweise keine Interferenz zwischen der Ordnung -2 und der Ordnung-1.

Gemäss Fig. 3 sendet ein Laser eine ebene, linear polari- 40 sierte kohärente Welle endlicher Breite aus. Nachdem der Laserstrahl zweigeteilt wurde, lässt man die beiden so erhaltenen Strahlen (mit einer Strahlbreite vom beispielsweise 1 mm) interferieren, um ein Muster von Interferenzstreifen mit Periode p auf der Skala - ebenfalls mit Periode p - zu 45 erhalten. Um dies zu erreichen, verwendet man einen Separatorwürfel, wie es in Fig. 3 gezeigt wird. Die gewünschte Schrittlänge bzw. Periode des Interferenzstreifen-Musters wird erhalten, indem der Einfallwinkel des Laserstrahls auf die Oberfläche des Würfels eingestellt wird. Mit einer Skala so von Schrittlänge p = 20 (im wird der zwischen den beiden Strahlen gebildete Winkel a gleich X/p = 0,0316 rad. (Fig. 3)

Um die Richtung der Bewegung der Skala detektieren zu können und um die Position der Skala innerhalb einer Gitterperiode mit gleichbleibender Genauigkeit interpolieren zu 55 können, werden zwei in Quadratur liegende, d.h. um 90° phasenverschobene, Signale Ii und I2 benötigt. Diese Signale werden unter Verwendung verschiedener Polarisation des Lichtes und mit Hilfe entsprechender optischer Elemente wie folgt erzeugt. Für die Beleuchtung der Skala werden zwei 60 orthogonal linear polarisierte Strahlen verwendet. Gemäss Fig. 3 werden diese nach dem Separatorwürfel durch zwei senkrecht zueinander stehende Linearpolarisatoren aus dem unter 45° dazu polarisierten Laserstrahl erzeugt. Hinter der Skala im Strahlengang der Ordnung 0 von ui und der Ord- 6s nung +1 von U2 ist ein weiterer Separatorwürfel angeordnet und dessen beide Ausgangsstrahlen treffen auf die Detektoren Di und D2. Damit das von diesen Detektoren detek-

tierte Licht der Interferenz der Ordnung 0 von ui und der Ordnung +1 von U2 entspricht, sind zwischen dem zweiten Separatorwürfel und den Detektoren Di und D2 je ein Linear-polarisator unter 45° bezüglich der orthogonalen Linearpolarisationen angeordnet. Die anderen Beugungsordnungen fallen nicht auf die Öffnung der Detektoren. Die 90° Phasenverschiebung zwischen den Signalen Ii und I2 der beiden Detektoren Di und D2 wird durch ein V4-Plättchen vor einem der beiden Linearpolarisatoren, hier demjenigen vor D2, erzielt. Dieses X/4-Plättchen bewirkt wegen seiner optischen Anisotropie (Doppelbrechung) eine zusätzliche optische Phasenverschiebung von 90° zwischen den beiden orthogonalen Linearpolarisationen, hier der den zweiten Separatorwürfel verlassenden, auf den Detektor D2 gerichteten Ordnungen 0 von ui und +1 von u2.

Es ist vorteilhaft, zusätzlich über ein Referenzsignal Ir zu verfügen, um von eventuellen Fluktuationen der Intensität unabhängig zu sein. Dies wird dadurch erreicht, dass die beiden Strahlen der Ordnung 0 von U2 und der Ordnung -1 von ui auf den Referenzdetektor Dr fallen ohne zu interferieren, da sie orthogonal polarisiert sind und sich kein Polarisator vor dem Detektor Dr befindet. Das von Dr gelieferte Referenzsignal Ir entspricht deshalb der interferenzlosen Überlagerung der Ordnung 0 von U2 und der Ordnung -1 von ui.

Ausgehend von den Signalen Ii, I2 und Ir, die von den drei vorangehend erwähnten Detektoren Di, D2 und Dr geliefert werden, wird nun die Auflösung der Vorrichtung geschätzt.

In Fig. 4 wird gezeigt, dass die Signale Ii und I2 beim Verschieben der Skala annähernd in Quadratur liegen. Es kann bemerkt werden, dass diese Signale tatsächlich sinusförmig variieren und dass ein Zyklus (Periode) einer Verschiebung der Skala um 20 (im entspricht. (Fig. 4)

Es kann noch bemerkt werden, dass beim Verschieben der Skala über eine Distanz von 4 cm eine Änderung der mittleren detektierten Intensität um ±15% beobachtet wurde. Diese Änderung wird von Unvollkommenheiten der Skala sowie von Inhomogenitäten des Glases verursacht.

Um die Vorrichtung zu testen, wurde die Skala schrittweise um 1 p,m verschoben (dies ist die kleinste Verschiebung, welche vom verfügbaren Verschiebungs-Werktisch (Micro-Contrôle) ermöglicht wird). Die Resultate wurden auf Fig. 5 übertragen. Die Tatsache, dass die beiden Signale Ii und I2 nicht die gleiche Amplitude aufweisen und nicht genau in Quadratur liegen (vgl. Fig. 5), ist nicht störend, weil das zur Phasenbestimmung verwendete Verfahren diese Abweichungen berücksichtigt; siehe: R. Dändliker und A. Bert-holds, «Microprocessor based phase détermination for high resolution optical sensors», in Proc. of the Journées d'Electro-technique 1984, S. 239-245 (Presses Polytechniques Romandes, Lausanne 1984). Das Referenzsignal IR wurde auf Fig. 5 nicht übertragen, weil es während der Messungen praktisch konstant blieb.

Die Unsicherheit der Messpunkte der Fig. 5 wurde auf ± 1% (obere Grenze) geschätzt. Wenn man annimt, dass das Signal nahe der maximalen Neigung seiner Kennlinie liegt (das eine oder andere Signal befindet sich ja immer in dieser Lage), stellt man fest, dass eine Verschiebung der Skala um 1 (im eine Intensitätsänderung von 20% zur Folge hat. Wenn eine Messunsicherheit von ± 1% angenommen wird, wird die Auflösung auf 2/20, d.h. auf 1/10 [im geschätzt, also um wenigstens eine Grössenordnung höher als bei dem eingangs genannten klassischen Verfahren. (Fig. 6)

Fig. 5 zeigt auch, dass die Modulationstiefe sehr gut ist. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass nur die Überlagerung von zwei Ordnungen detektiert wird. Würde man hingegen die gesamte Intensität des Lichts sammeln, das die

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Skala durchquert, könnte die Modulationstiefe höchstens 63% betragen.

In Fig. 7 wird die Änderung der Signalhöhe bei Verschiebungen um 40 (im (401- (im-Schritte auf einmal) gezeigt. Wenn die Verschiebungen tatsächlich von 40 (im wären, sollten keine Änderungen der Signalhöhe beobachtet werden; es ist also experimentell feststellbar, dass der Werktisch bei einer Verschiebung von 1 mm einen Fehler von etwa 1 (im aufweist. (Fig. 7)

Wenn die Skala senkrecht zur Messrichtung bewegt wird und wenn die Winkelhalbierende des Winkels zwischen den beiden einfallenden Strahlen nicht zur Skala orthogonal ist, sondern mit der Senkrechten zur Skala einen Winkel ß bildet, erhält man für die Verschiebung einen Messfehler

Ax = tanß*Az

Mit Az = 100 (im und ß = 0,1° erhält man Ax = 0,2 (im. (Fig. 8)

Es muss auch dafür gesorgt werden, dass der Winkel zwischen der Richtung der Interferenzstreifen und den Strichen der Skala kleiner ist als p/21 (p = Schrittlänge der Skala, 1 = beleuchtete Breite der Skala), da sonst die Modulationstiefe der Signale verschwindend klein wird. Technisch kann diese Bedingung ohne Schwierigkeiten erfüllt werden.

Die Messung der Verschiebung in Richtung x ist unempfindlich gegenüber den Verschiebungen der Skala nach oben oder nach unten (Richtung y).

Eine Änderung von X hat selbstverständlich eine Änderung der Periode der Interferenzstreifen zur Folge :

p = X/a und bei a = konstant Ap/p = AX/X

Wenn Ap/p = 1% und die Breite des Interferenzstreifenmusters auf der Skala 100 p beträgt, wird die Modulationstiefe der Signale verschwindend klein.

Wenn X konstant bleibt, hat eine Änderung des Winkels eine Änderung von p um

Ap/p = Aa/a zur Folge. Jedenfalls ist a unabhängig von allen beweglichen Teilen der Vorrichtung und es sollte nicht schwierig sein, diesen Wert konstant zu halten.

Projektion des kohärenten filtrierten Bildes der Skala auf ein Gegenmuster:

Das Schema der Vorrichtung wird in Fig. 9 dargestellt. (Fig. 9)

In diesem Fall wird nur die Interferenz zwischen den Ordnungen +1 und — 1 verwendet. Die anderen Ordnungen werden mit der Blende B ausgeblendet. In den Ebenen jedes der beiden Gegenmuster erhält man so (unter Verwendung eines Strahlteilers) jeweils ein Muster von sinusförmigen Interferenzstreifen, das ein Abbild durch die Ordnungen +1 und -1 des in der konjugierten Bildebene 7tl gebildeten Musters ist. Es seien

2m Kzz 2m— 2jti Kzz - 2ra-

e •e p und e •e p die komplexen Amplituden der Ordnungen +1 und — 1 :

ihre Interferenz ergibt ein Muster mit der Periode p/2.

l(x) ~1+ cos (4rac/p)

Eine Verschiebung der Skala um p/2 ergibt also eine Ver- ' Schiebung der Interferenzstreifen um eine Periode. (Bei einer

Längsverschiebung der Skala ändern sich die Phasen der +1. und -1. Ordnung entgegengesetzt zueinander.)

Bei dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde eine Skala mit einer Schrittlänge von 20 (im verwendet, die. auf einem motorgetriebenen Werktisch angeordnet war. Die Linse hatte eine Brennweite f von 12 mm und die Gegenmuster - entsprechend der Skalenabbildung - eine Schrittlänge 60 (im. Sie waren so angeordnet, dass zwei um etwa 90° phasenverschobene Signale Ii und h Fig. 9). (Bezüglich der Interferenzstreifenmuster waren die Gegenmuster gegeneinander um 90°, d.h. um eine '/i-Periode verschoben.)

In Fig. 10 ist erkennbar, dass man zwei in Quadratur liegende Signale erhalten kann. Der Messfehler auf der Intensität wird auf I = 1% geschätzt, was die Auflösung auf 2/50, d. h. 1/25 (im bringt. (Fig. 10)

Es ist auch zu bemerken, dass die Modulationstiefe nicht maximal ist und dass eine Gleichspannungs-Komponente existiert. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass,

wenn ein binäres Muster von Periode p durch Interferenzstreifen gleicher Periode beleuchtet wird, die durchgelassene Intensität nie gleich Null wird:

d + 7i

I ~ J (1 + cos x) dx = % + sin (a + n) — sin a a

Im Idealfall erhält man also eine Modulationstiefe 2/n = 0,63. Im vorliegenden Fall (Fig. 10) beträgt die Modulationstiefe lediglich 50%, diese Abweichung ist mit Verunreinigungen auf der Oberfläche der Skala und der Linse (Staub usw.) erklärbar. Zudem ist die Filterung in der Fourier-Ebene nicht perfekt.

Es ist nötig, dass der einfallende Strahl senkrecht zur Skala sei, sonst hat eine seitliche Verschiebung der Skala um Az einen Messfehler Ax zur Folge:

Ax = Az • tan ß

mit ß = Winkel zwischen dem Laserstrahl und der Senkrechten zur Skala.

Die Skala darf sich nicht um die Achse z drehen, sonst werden die Interferenzstreifen, die sich in der Bildebene (d. h. in der Ebene der Gegenmuster) befinden, ebenfalls eine Drehung erfahren und der Kontrast wird sinken.

Eine andere Variante der Vorrichtung wird in Fig. 11 dargestellt. (Fig. 11)

Hier werden wiederum die Ordnungen +1 und -1 verwendet, die jedoch mittels eines nicht-polarisierenden Separationswürfels überlagert werden. Die Phasenverschiebung erfolgt mittels einer Viertelwellenplatte (X/4-Plättchen). Im übrigen wird auf die Ausführungen unter der Ziffer 2 verwiesen. Wegen der orthogonalen Polarisation der beiden (den Ordnungen +1 und -1 zugeordneten) Wellenzüge ist deren Interferenz erst hinter dem 45°-Polarisator möglich. Jeder der beiden den Separatorwürfel verlassenden Teilstrahlen setzt sich aus Anteilen der + lten und -lten Beugungsordnung zusammen. Diese Anteile sind genau auf die sehr kleine Öffnung des ihnen zugeordneten Detektors Di bzw. D2 ausgerichtet.

In Fig. 12 ist erkennbar, dass die Kennlinien tatsächlich sinusförmig sind und die Modulationstiefe sehr gut ist (=90%). Man erkennt, dass die Höhe der Kennlinien sich von einer Periode zur nächsten ändert (1 Periode = 10 (im). Dies wird durch die Tatsache verursacht, dass die Leistung des Lasers noch nicht stabilisiert war. Tatsächlich sinkt auch die Intensität der Referenz.

Eine Verschiebung um 1 (im entspricht einer Intensitätsänderung um 50%. Somit kann man mit einer Unsicherheit von s

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± 1% auf der Intensitätsmessung eine Verschiebung von 2/50, d. h. 1/25 (im auflösen. (Fig. 12)

Wie bei den vorangehenden Vorrichtungen muss der Laserstrahl senkrecht zur Skala liegen, sonst hat eine Verschiebung der Skala um Az (nach vorne oder nach hinten) einen Messfehler zur Folge.

Ax = Az • tanß (ß = Winkel zwischen dem Laserstrahl und der Senkrechten zur Skala)

Eine Änderung von X ändert den Austrittswinkel der Ordnungen (+1 und — 1), aber nicht ihre relative Phase. Diese Änderung hat also keinerlei Einf luss auf die Messung.

Das vorstehend beschriebene Verfahren zur Interpolation der Position innerhalb einer Gitterperiode durch Messung der optischen Phase ermöglicht bei der Verwendung von zwei oder mehreren Messskalen bzw. Massstäben mit geringfügig verschiedener Gitterkonstante die absolute Bestimmung der Position längs des Massstabes ohne Zählen der Perioden. Die Periode der Schwebung zwischen den beiden ersten Gittern ist so zu wählen, dass sie so viele Gitterperioden enthält wie der Auflösung innerhalb einer Gitterperiode (Interpolationsgenauigkeit) entspricht, und so weiter. Bei einer Interpolationsgenauigkeit von 100 erhält man mit drei Strichgittern mit Perioden im Verhältnis von 1 :1,01 :1,001 bereits eine Auflösung von 1 000 000 Punkten.

Dieses Verfahren entspricht einer Art von kombinierter analoger und digitaler Codierung der Position längs des ganzen Massstabes. Die Auflösung ist gegeben durch die Interpolationsgenauigkeit als Basis und der Anzahl Gitter (Spuren) als Exponent. Die absolute Genauigkeit ist gegeben durch die (kleinste) Gitterkonstante und die Interpolationsgenauigkeit.

Die verschiedenen Strichgitter sind auf dem gleichen Träger in geringem Abstand angebracht (z. B. 1 mm breite Gitter in 0,5 mm Abstand). Ihre relative Lage ist deshalb unveränderlich. Sie können gemeinsam von einer Quelle beleuchtet und durch dieselbe Optik mit verschiedenen Detektoren beobachtet werden.

Interpolation 1/100 Periode (3,6°), zwei Gitter mit 20,0 (im und 20,2 (im Gitterkonstante:

Eine Periode der Signale entspricht 10 (im Verschiebung (siehe oben). Die absolute Genauigkeit beträgt demnach 0,1 (im und die Auflösung 10 000, was einer Länge von 1 mm entspricht. Das heisst, dass innerhalb eines Millimeters die absolute Position mit einer Genauigkeit von 0,1 (im bestimmt werden kann. Eine Erweiterung der absoluten Positionsmessung ist möglich durch Anbringen eines zusätzlichen klassischen Messystems (z. B. optischer Binärcode) mit einer Auflösung von mindestens 0,5 mm (Überlappung).

Interpolation 1/200 Periode (1,8°), drei Gitter mit 40 000 (im und 40 001 (im Gitterkonstante :

eine Periode der Signale entspricht 20 (im Verschiebung. Die absolute Genauigkeit beträgt demnach 0,1 (im und die Auflösung 8 000 000, was einer Länge von 0,8 m entspricht. Das heisst, dass innerhalb einer Strecke von 0,8 m die absolute Position mit einer Genauigkeit von 0,1 (im bestimmt werden kann.

Die drei vorangehend beschriebenen Vorrichtungen wurden auch mit einer holographischen Skala von Schrittlänge p = 4,1 (im realisiert.

Die Schwierigkeiten, die bei der Projektion eines Interfe-renzstreifen-Musters von Schrittlänge p = 4,1 (im mit der zum Erhalt einer guten Modulationstiefe benötigten Präzision angetroffen wurden, sind nicht wesentlich grösser als diejenigen für eine Schrittlänge von p = 20 [im.

Die Resultate werden in Fig. 13 dargestellt. Die Unsicherheit der Intensitätsmessung ist wiederum ± 1%, was die Auflösung auf 1/50 (im einstellt. (Fig. 13)

Bei dieser Vorrichtung ist nachteilig, dass mit einer fein geteilten Skala eine Linse von kleiner Brennweite benötigt wird, wenn die Gegenmuster nicht allzu weit entfernt angeordnet werden sollen. Es ist auch zu bemerken, dass die Gegenmuster eine Schrittlänge aufweisen müssen, die grösser ist als diejenige der Skala, sonst wird ihre Positionierung schwierig.

Unter Verwendung einer Linse von kurzer Brennweite und von Gegenmustern grosser Schrittlänge erhält man Strahlen, die am Ausgang aus der Linse stark divergieren. Hierbei müssen grossflächige Gegenmuster und Detektoren verwendet werden, um die grösstmögliche Intensität zu erhalten. Aus diesen Gründen und wegen der geringeren Modulationstiefe ist diese Vorrichtung mehr für gröber geteilte Skalen geeignet.

Die Vorrichtung wurde ohne Schwierigkeiten realisiert und die Resultate werden in Fig. 14 dargestellt. Die eingezeichneten Kennlinien haben keine grosse Bedeutung, da nur zwei Messpunkte pro Periode vorliegen (Schrittlänge der Periode = etwa 2 (im, es konnten mechanisch nur Verschiebungen von mindestens 1 (im Länge realisiert werden).

Durch diese beiden Punkte können unendlich viele sinusförmige Kennlinien gezeichnet werden. Die in Fig. 14 dargestellten Kennlinien wurden eingezeichnet, indem ungefähr der Modulationstiefe entsprochen wurde, die auf dem Oszil-loskop während der Verschiebung der Skala gemessen wurde.

Alle Ausführungsbeispiele verwenden eine Quelle von kohärentem Licht und liefern zwei sinusförmige, um etwa 90° phasenverschobene Signale und ein Referenzsignal, die Voraussetzungen sind also erfüllt, um die Position der Skala nach bekannten Methoden, zum Beispiel mit dem phasenbestimmenden Mikroprozessorsystem gemäss R. Dändliker und A. Bertholds, wie oben zitiert, mit hoher Genauigkeit bestimmen zu können.

Es wurde gezeigt, dass es möglich ist, bei Verwendung einer Skala mit einer Periode von p = 20 (im mit jedem der drei beschriebenen Ausführungsbeispiele, jedoch mit verschieden grossem Aufwand, eine Auflösung von mindestens

0.1.(im zu erhalten. Ausserdem sind die Ausführungsbeispiele auf unerwünschte Verschiebungen der Skala und der optischen Bauteile mehr oder weniger unempfindlich. Während des Betriebes der Werkzeugmaschine auftretende Erschütterungen in anderen Richtungen als in der Messrichtung beeinträchtigen also die Messgenauigkeit praktisch nicht.

Besonders vorteilhaft sind die unter den Ziffern 2 und 4 beschriebenen Ausführungsbeispiele. Diese haben gegenüber den handelsüblichen Vorrichtungen insbesondere die folgenden Vorteile :

1. Beseitigung des problems des Nebeneinanderstellens von Muster und Gegenmuster.

2. Einfachheit der Vorrichtung dank des Fehlens eines Abbildungssystems.

3. Möglichkeit, die Periode der Skala zu vermindern und somit die Auflösung zu vergrössern.

Und für das unter Ziffer 4 beschriebene Ausführungsbeispiel ausserdem:

4. Unabhängigkeit von der Änderung der Wellenlänge der Lichtquelle.

Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung eignen sich in besonderem Masse für elektroerosive Schneid- und Senkanlagen.

Mittels einer den Intensitätsmessfühlern nachgeschalteten elektronischen Signalverarbeitungseinrichtung lässt sich die Verschiebung (Richtung, Genauigkeit bzw. Interpolation innerhalb einer Periode) bequem bestimmen.

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3 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Messung von Verschiebungen bei der Einstellung und Steuerung von mit einer Messskala bestückten Werkzeugmaschinen oder bewegbaren Teilen davon, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Messskala von einer Strahlenquelle kohärente Wellen gestrahlt werden und die Strahlenintensität oder -intensitätsverteilung im Interferenzraum gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Wellen elektromagnetische Wellen verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Interferenzraum zwei unterschiedlichen Beugungsordnungen zugeordnete Wellenzüge einander überlagert werden und die durch diese Interferenz bewirkte Intensitätsverteilung gemessen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die der + lten und der -lten Beugungsordnung zugeordneten Wellenzüge einander überlagert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die der Oten und der + lten oder -lten Beugungsordnung zugeordneten Wellenzüge einander überlagert werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Interferenz der den unterschiedlichen Beugungsordnungen zugeordneten Wellenzüge erhaltene Interferenzwellenzug in zwei Interferenz-Teilwellenzüge aufgespalten und die Intensität oder Intensitätsverteilung der beiden Interferenz-Teilwellenzüge bei einer gegenseitigen Phasenverschiebung von einer viertel Periode gemessen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenseitige Phasenverschiebung von einer viertel Periode unter Verwendung von verschiedenen Polarisations-zuständen der Wellenzüge und mit Hilfe optischer Polarisationselemente wie Polarisatoren und doppelbrechende Viertelwellenplatte erzeugt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerung der Wellenzüge und die Aufspaltung der Interferenz-Wellenzüge gleichzeitig durchgeführt wird.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6 oder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass

- als Strahlenquelle eine ebene Lichtwelle abstrahlende Quelle und als Messskala ein periodisches Strichmuster verwendet werden,

- die abgestrahlte Lichtwelle in zwei Teilwellen aufgespalten wird und

- die Teilwellen derart auf der Messskala einander überlagert werden, dass das von ihnen auf der Messskala erzeugte Interferenzstreifenmuster die gleiche Periode wie das Skalen-Strichmuster hat und die zwei unterschiedlichen Beugungsordnungen der beiden Teilwellen zugeordneten Wellenzüge in Ausbreitungsrichtung nach der Messskala übereinander fallen.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass

- als Strahlenquelle eine, eine ebene Lichtwelle abstrahlende Quelle und als Messskala ein periodisches Strichmuster verwendet werden,

- die Lichtwelle auf die Messskala gerichtet wird und

- aus den hierdurch entstehenden Interferenzstreifenmustern alle Ordnungen mit Ausnahme der +lten und -lten Ordnung ausgeblendet werden.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens eine im Interferenzraum in Strahlenausbreitungsrichtung nach der Messskala angeordnete Einrichtung zur Messung der Strahlenintensität oder -intensitätsverteilung.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlenquelle ein Laser ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 4 und 6 oder nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch folgende in Wellen-Ausbreitungsrichtung nacheinander angeordnete Elemente:

- die mit einem periodischen Strichmuster versehene Messskala in der Objektebene,

- eine Linseneinrichtung,

- eine nur die + Ite und -Ite Beugungsordnung durchlassende Blende in der Brennebene der Linseneinrichtung,

- einen Strahlteiler,

- in jeder der beiden Bildebenen ein Strich-Gegenmuster, dessen Periode gleich der Periode des Bildes der Messskala ist, wobei die beiden Strich-Gegenmuster bezüglich des Messskalenbildes um eine viertel Periode gegeneinander verschoben sind und

- jeweils einen Intensitätsmessfühler nach jedem Strich-Gegenmuster.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch folgende, in Wellenausbreitungsrichtung nacheinander angeordnete Elemente:

a) einen, linear polarisiertes Licht abstrahlenden Laser,

b) ein Strahlteilerwürfel, der zum einfallenden Laserstrahl derart geneigt ist, dass die beiden aus ihm austretenden Teilwellen auf die nachgeordnete, als Strichmuster ausgebildete Messskala auftreffen und dabei einen Winkel von d=X/p, mit X: Laserwellenlänge und p: Periode des Strichmusters, einschliessen,

c) je einen linearen Polarisator in jedem der beiden Strahlengänge zwischen dem Strahlteilerwürfel und der Messskala, wobei die Durchlassebenen der beiden Polarisatoren orthogonal zueinander und unter 45° zur Schwingungsebene des vom Laser abgestrahlten Lichtes angeordnet sind,

d) ein Strahlteiler in einem der beiden Strahlengänge, die sich hinter der Messskala durch die Überlagerung der den Beugungsordnungen 0, +1 oder -1 zugeordneten Wellenzüge von selbst ergeben,

e) ein X/4-Plättchen in einem der beiden den Strahlteiler verlassenden Strahlengänge,

f) je einen linearen Analysator in jedem der beiden Strahlengänge zwischen dem Strahlteiler und den beiden Intensitätsmessfühlern, wobei die Durchlassebenen der beiden Analysatoren parallel zur Schwingungsebene des vom Laser abgestrahlten Lichtes angeordnet sind,

g) je einen Intensitätsmessfühler am Ende jedes den Strahlteiler verlassenden Strahlenganges und h) einen Referenz-Intensitätsmessfühler im anderen der beiden Strahlengänge, die sich hinter der Messskala durch die Überlagerung der Beugungsordnungen 0, +1 oder -1 von selbst ergeben.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch folgende in Wellausbreitungsrichtung nacheinander angeordnete Elemente:

a) einen linear polarisiertes Licht abstrahlenden Laser,

b) die als periodisches Strichmuster ausgebildete Messskala,

c) eine nur die der + lten und der -lten Beugungsordnung zugeordneten Wellenzüge durchlassende Blende,

d) je einen Polarisator in jedem der beiden Strahlengänge zwischen der Blende und dem Strahlteilerwürfel, wobei die Durchlassebenen der beiden Polarisatoren orthogonal zueinander und unter 45° zur Schwingungsebene des vom Laser abgestrahlten Lichtes angeordnet sind,

e) einen im Strahlengang der beiden von der Blende durchgelassenen Wellenzüge derart angeordneten Strahlteiler-

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s

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15

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30

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Würfel, dass zwei Interferenz-Teil-Wellenzüge aus ihm austreten, die sich jeweils aus einander überlagerten Anteilen der beiden in den Strahlteilerwürfel eintretenden Wellenzüge zusammensetzen,

f) ein Ä/4-Plättchen in einem der beiden den Strahlteilerwürfel verlassenden Strahlengänge,

g) einen linearen Polarisator, der beide Strahlengänge zwischen dem Strahlteilerwürfel und den beiden Intensitätsmessfühlern erfasst und dessen Durchlassebene parallel zur Schwingungsebene des vom Laser abgestrahlten Lichtes angeordnet ist,

h) je einen Intensitätsmessfühler am Ende jedes den Strahlteilerwürfel verlassenden Strahlenganges und i) einen Referenz-Intensitätsmessfühler im Strahlengang eines vom Strahlteilerwürfel reflektierten Teilstrahles eines der beiden auf ihn auftreffenden Strahlen.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Messskala eine Transmissions- oder Reflexions-Skala ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass den Intensitätsmessfühlern eine zur Bestimmung der Verschiebung ausgelegte elektronische Signalverarbeitungseinrichtung nachgeschaltet ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass neben der eine periodische Skalenteilung z. B. Strichgitter aufweisenden Messskala ein oder mehrere weitere derartige Messskalen vorgesehen sind und sich die Messskalen untereinander im wesentlichen nur durch eine geringfügig grössere/kleinere Skalenperiode z. B. Gitterkonstante unterscheiden.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine Differenz zwischen den Skalenperioden derart, dass die Periode der Schwebung zwischen den ersten beiden Messskalen so viele Messskalenperioden enthält, wie der Auflösung innerhalb einer Messskalenperiode, d. h. der Interpolationsgenauigkeit entspricht.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Messskalen in geringem gegenseitigem Abstand auf demselben Träger angebracht sind.