DD136536B1

DD136536B1 - ARRANGEMENT FOR COMPENSATING FIRST-ORDER MEASUREMENT ERRORS

Info

Publication number: DD136536B1
Application number: DD20528778A
Authority: DD
Inventors: Gerhard Gramss
Original assignee: Gerhard Gramss
Priority date: 1978-05-10
Filing date: 1978-05-10
Publication date: 1980-07-23
Also published as: GB2020845B; DD136536A1; CS217421B1; DE2909573A1; GB2020845A; JPS54153056A

Description

Titel der Erfindung; Anordnung zur Kompensation von Meßfehlern erster Ordnung Title of the invention; Arrangement for compensating first-order measuring errors

Field of application of the invention;

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Kompensation von Meßfehlern erster Ordnung, welche infolge der Verletzung des Abbe'sehen Komparatorprlnäps entstehen, mittels optischer Teile, vorzugsweise für mit Interferometern ausgerüsteten Koordinatenmeßgeräten und Werkzeugmaschinen.The invention relates to an arrangement for the compensation of first-order measuring errors, which arise as a result of the violation of Abbe'sehen Komparatorprlnäps, by means of optical parts, preferably for equipped with interferometers Koordinatenmeßgeräten and machine tools.

Charakteristik der bekannten technischen lösungen; Präzisionslängenmessungen mit Koordinatenmeßgeräten werden heute meist auf Grund der Meterdefinition als Vergleich zwischen Meßstrecke und Lichtwellenlänge durchgeführt. Als Meßeinrichtung dienen hierzu Interferometer, die vorzugsweise Laser als Lichtquelle verwenden. Dazu wäre es notwendig, derartige Messungen bei Einhaltung des Abbe'sehen Koroparatorprinzips durchzuführen, um durch Führungsfehler bedingte Meßfehler erster Ordnung auszuschalten. Die Anwendung eines Laserwegmeßsystems an Koordinatenmeßmaschinen bei Einhaltung des Komparatorprinzips würde die Baugröße derartiger Maschinen nachteilig beeinflussen. Characteristic of the known technical solutions; Precision length measurements with coordinate measuring machines are today usually carried out on the basis of the definition of the meter as a comparison between the measuring path and the wavelength of light. The measuring device used for this purpose are interferometers which preferably use lasers as the light source. For this purpose, it would be necessary to carry out such measurements while adhering to the Abbe's Koroparatorprinzips to turn off due to guide error-related measurement errors first order. The application of a Laserwegmeßsystems to coordinate measuring while maintaining the Komparatorprinzips would adversely affect the size of such machines.

Weiterhin würde der frei im Raum verlaufende Laserstrahl durch Umwelteinflüsse in seiner op-cischen Länge beeinflußt. Es erscheint daher sinnvoll, auch bei Anwendung interferometrischer Längenmessung das Abbe'sehe Komparatorprinzip zu verletzen und durch geeigneteFurthermore, the free running in space laser beam would be influenced by environmental influences in its optical-cical length. It therefore makes sense to violate the Abbe'sehe comparator even when using interferometric length measurement and by appropriate

Einrichtungen die Meßfehler der ersten Ordnung zu kompensieren.Facilities to compensate for the measurement errors of the first order.

Aus DD 118 464 ist eine derartige Einrichtung bekannt. Im Maschinenbett ist eine Laser- und Interferometereinheit fest angeordnet, deren Meßstrahl von einem Tripelspiegel reflektiert wird, der pendelnd an einem Meßschlitten aufgehängt ist. Dabei liegt die Pendelachse in der Meßachse, und die Interferometerachse und die Meßachse liegen in einer gemeinsamen senkrechten Ebene. Durch die pendelnde Aufhängung des Tripeisρie ge Is soll vermieden werden, daß sich die durch Pührungsfehler bedingte Kippung des Meßschlittens auf das Meßergebnis negativ auswirkt.From DD 118 464 such a device is known. In the machine bed, a laser and interferometer unit is fixed, whose measuring beam is reflected by a triple mirror, which is suspended pendulum on a Meßschlitten. In this case, the pendulum axis lies in the measuring axis, and the interferometer axis and the measuring axis lie in a common vertical plane. Due to the pendulous suspension of the Tripeisρie ge Is to be avoided that the conditional by Pührungsfehler tilting of the measuring carriage on the measurement result has a negative effect.

Eine derartige Einrichtung besitzt jedoch erhebliche Nachteile, weil die Pendellage des Tripelspiegel nicht ausreichend reproduzierbar und durch Schwingungen leicht beeinflußbar ist.However, such a device has considerable disadvantages because the pendulum position of the triple mirror is not sufficiently reproducible and easily influenced by vibrations.

Aim of the invention;

Es ist das Ziel der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und die Meßgenauigkeit bei Koordinateraaeßmaschinen und die Einstellgenauigkeit bei Werkzeugmaschinen zu erhöhen.It is the object of the invention to eliminate the drawbacks of the prior art and to increase the accuracy of measurement in coordinate measuring machines and the setting accuracy of machine tools.

Explanation of the essence of the invention:

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Kompensation von Meßfehlern erster Ordnung zu schaffen, mit der mit optischen Mitteln eine Anpassung der- Kompensationswirkung an den Abstand von Meßstrahlengang zu Prüflingsachse erzielt wird.The invention has for its object to provide an arrangement for compensating first-order measurement errors, with the optical means an adjustment of the Kompensationswirkung is achieved at the distance from Meßstrahlengang to Prüflingsachse.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Anordnung zur Kompensation von Meßfehlern erster Ordnung bei einem aus Lichtquelle, Strahlenteiler und Interferometer bestehendem Meßsystem dadurch gelöst, daß im Meßstrahlengang des Meßsystems vor dem Reflexionsspiegel eine Planparallelplatte und ein Torsatzfernrohr angeordnet sind, die zusammen mit dem Reflexionsspiegel starr mit dem Schlitten verbunden sind.According to the invention the object is achieved in an arrangement for compensating first-order measuring errors in a measurement system consisting of light source, beam splitter and interferometer, that in the Meßstrahlengang of the measuring system in front of the reflection mirror a plane parallel plate and a Torsatzfernrohr are arranged, which together with the reflection mirror rigidly with the Sleds are connected.

Dabei ist es vorteilhaft, daß die Planparallelplatte und das Yorsatzfernrohr zwischen der lichtquelle und dem Reflexionsspiegel im Meßstrahlengang angeordnet sind, und daß die Planparallelplatte schräg, vorzugsweise unter 4-5 , im Meßstrahlengang gelegen ist»It is advantageous that the plane parallel plate and the Yorsatzfernrohr between the light source and the reflection mirror in the measuring beam path are arranged, and that the plane parallel plate is inclined, preferably below 4-5, located in Meßstrahlengang »

Vorteilhaft ist ferner, daß im Meßstrahlengang ein in seiner Vergrößerung variierbares, die Kompensationswirkung der Planparallelplatte veränderndes Vorsatzfernrohr vorgesehen ist, wobei die Vergrößerung in Abhängigkeit des Abstandes von Meßstrahlengang und Prüflingsachse einstellbar ist.A further advantage is that in the Meßstrahlengang a variable in its magnification, the compensating action of the plane parallel plate changing attachment telescope is provided, wherein the magnification in dependence of the distance of Meßstrahlengang and Prüflingsachse is adjustable.

Diese Anordnung hat gegenüber der bekannten Einrichtung erbebliche Vorteile. So zeichnet sie sich durch eine einfache und robuste Konstruktion aus, welche wenig Bauteile umfaßt. Bewegliche Teile sind nicht vorhanden. Durch eine Veränderung des effektiven Lichtweges ist die Kompensationswirkung in Abhängigkeit des Abstandes von Prüflingsachs« und Interferometerstrablengang einstellbar und so die Anwendung in mehreren übereinanderliegenden Meßebenen möglich. Wie auch bei der bekannten Einrichtung, kann die Anordnung und das Interferometer, gegen Umwelteinflüsse abgekapselt, im Meßgeräte- oder Werkzeugmaschinenbett eingebaut werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Anordnung unempfindlich gegen Parallelversetsungen des sie tragenden Schlittens in Seite und Höhe ist. Als separate Baueinheit kann die Anordnung nachträglich ohne großen Aufwand in Meßgeräte und Werkzeugmaschinen eingebaut werden. Die Anordnung ist ferner lageunabhängig.This arrangement has compared to the known device hereditary advantages. So it is characterized by a simple and robust construction, which includes few components. Moving parts are not available. By changing the effective light path, the compensation effect is adjustable as a function of the distance between Prüflingsachs «and interferometer beam path and so the application in several superimposed measuring levels possible. As with the known device, the arrangement and the interferometer, encapsulated against environmental influences, can be installed in the Meßgeräte- or machine tool bed. Another advantage is that the arrangement is insensitive to Parallelversetsungen of the carriage carrying them in side and height. As a separate unit, the arrangement can be retrofitted without great effort in measuring instruments and machine tools. The arrangement is also position independent.

Ausfübrungsbeispiel:

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Es zeigenThe invention will be explained below using an exemplary embodiment. Show it

Fig. 1 die Lage der Anordnung in einem Meßgerät, Pig. 2 schematisch den Aufbau und Strahlengang der der Anordnung und Pig. 3 den Strahlengang durch die Planparallelplatte.Fig. 1 shows the position of the arrangement in a measuring device, Pig. 2 schematically shows the structure and beam path of the arrangement and Pig. 3 the beam path through the plane parallel plate.

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Koordinatenmeßgerät besteht aus einem Gerätebett 1, auf dem sich ein verschiebbar gelagerter Schlitten 2 und ein Ständer 3 befinden. Im oberen Teil des Meßgerätes ist zwischen dem Ständer 3 und dem Schlitten 2 der zu messende Prüfling 4 angeordnet. Im Abstand f von der Prüflingsacbse, welche gleichzeitig die Meßachse ist, befindet sich im unteren Teil des Schlittens 2 der Meßstrahlengang 5 und starr am Schlitten 2 angeordnet die Anordnung zur Kompensation von Meßfehlern erster Ordnung, welche durch Führungsfehler des.Schlittens 2 oder durch Verformungen bedingt sind. Im Gerätebett 1 sind vorzugsweise die Lichtquelle 6, ein Interferometer und ein Strahlenteiler (nicht dargestellt) vorgesehen und mit diesen fest verbunden. Als Lichtquelle 6 wird vorteilhafterweise ein Laser verwendet.The coordinate measuring machine shown schematically in Fig. 1 consists of a device bed 1, on which a slidably mounted carriage 2 and a stand 3 are located. In the upper part of the measuring device 4 to be measured between the stator 3 and the carriage 2 is arranged. At a distance f from the Prüflingsacbse, which is also the measuring axis, located in the lower part of the carriage 2 of the measuring beam 5 and rigidly arranged on the carriage 2, the arrangement for the compensation of errors of the first order, which due to Führungsfehler des.Schlittens 2 or due to deformations are. In the device bed 1, the light source 6, an interferometer and a beam splitter (not shown) are preferably provided and fixedly connected thereto. As the light source 6, a laser is advantageously used.

Die im Meßstr^blengang 5 angeordnete Kompensationseinrichtung besteht aus einer Planparallelplatte 7 und einem Vorsatzfernrohr 8, welche optisch mit einem im Schlitten 2 vorgesehenen Reflexionsspiegel 9 zusammenwirken und zwischen dem Reflexionsspiegel 9 und der Lichtquelle 6 angeordnet sind (Figuren 1 und 2). Hierbei sind die optisch wirksamen Flächen derjpianparallelplatte 7 schräg, vorzugsweise 45° geneigt, im Meßstrahlengang 5 gelegen. Das Vorsatzfernrohr 8 besitzt vorteilhafterweise eine in Abhängigkeit des Abstandes f von Meßstrahlengang 5 und Prüflingsachse verstellbare Vergrößerung,The compensation device arranged in the measuring path 5 consists of a plane-parallel plate 7 and an attachment telescope 8, which cooperate visually with a reflection mirror 9 provided in the carriage 2 and are arranged between the reflection mirror 9 and the light source 6 (FIGS. 1 and 2). Here, the optically active surfaces of the jpianparallelplatte 7 obliquely, preferably 45 ° inclined, located in Meßstrahlengang 5. The attachment telescope 8 advantageously has an enlargement which can be adjusted as a function of the distance f from the measuring beam path 5 and the specimen axis,

Die Wirkungsweise der Anordnung kann wie folgt beschrieben werden:The operation of the arrangement can be described as follows:

Das von der Lichtquelle 6 ausgebende und den Strahlenteiler durchlaufende Licht des Meßstrahlengangs passiert auf seinem Wege das Vorsatzfernrohr 8 und die Planparallelplatte 7 und trifft auf den Reflexionsspiegel 9» welcher als Tripelspiegel ausgebildet ist. Vom Reflexionsspiegel 9The output from the light source 6 and the beam splitter traversing light of Meßstrahlengangs happens on his way the attachment telescope 8 and the plane-parallel plate 7 and strikes the reflecting mirror 9 which is designed as a triple mirror. From the reflection mirror 9

reflektiert, durchläuft es in entgegengesetzter Richtung die Planparallelplatte 7 und das Vorsatzfernrohr 8 zum Strahlenteiler (nicht dargestellt) zurück· Die mit dem Licht eines Referenzstrahlenganges (nicht dargestellt) gebildeten Interferenzen werden mit den für interferometrische Meßsysteme üblichen Mitteln zwecks Messung der Verschiebung oder Stellung des Schlittens 2 ausgewertet·In the opposite direction, the plane-parallel plate 7 and the attachment telescope 8 travel back to the beam splitter (not shown). The interferences formed with the light of a reference beam path (not shown) are compared with those conventionally used in interferometric measuring systems for measuring the displacement or position of the carriage 2 evaluated ·

Die Kompensationswirkung der Anordnung aus Planparallelplatte 7 und Vorsatzfernrohr 8, welche zusammen mit dem Schlitten 2 bei FübrungsungefcauigkeitenThe compensation effect of the arrangement of plane-parallel plate 7 and attachment telescope 8, which together with the carriage 2 in Fungungsungfcauigkeiten

oder Verformungen am Gerätebett 1 verkippen, entsteht dadurch, daß das"von der Lichtquelle 6 ausgehende, den Strahlenteiler durchlaufende kohärente Licht zweimal die Planparallelplatte 7 zu passieren hat. Bei der Verkippung verändert sich der effektive Glasweg des Lichtes durch die Planparallelplatte 7· Uiese Gläswegänderung ist proportional dem Kippwinkel f des Schlittens. Das im Meßstrahlengang 5 angeordnete Vorsatzfernrohr 8 vergrößert den Kippwinkel j auf optischem Weg Und erhöht die Effektivität der Planparallelplatte· Demzufolge kann, ^e nach Pernrohrvergrößerung P , bei gleichem Kippwinkel j des Schlittens 2 die optisch wirksame Dicke d der Planparallelplatte 7 scheinbar verändert werden.or tilting deformations on the device bed 1, arises from the fact that the coherent light "passing from the light source 6 has to pass twice through the plane-parallel plate 7. When tilted, the effective glass path of the light changes through the plane-parallel plate 7 proportional to the tilt angle f of the carriage The attachment telescope 8 arranged in the measurement beam path 5 increases the tilt angle j by optical means and increases the effectiveness of the plane parallel plate · Accordingly, after the tube enlargement P , at the same tilt angle j of the carriage 2, the optically effective thickness d of Plane parallel plate 7 seemingly changed.

In den Figuren 2 und 3 ist der Strahlengang in der Planparallelplatte 7 und im Vorsatzfernrohr 8 schematisch dargestellt. Bei vorhandener Kippung des Schlittens 2 tritt das Licht der Lichtquelle 6 unter dem Kippwinkel J in das Vorsatzfernrohr 8 ein und verläßt dieses unter einem Winkel ff * = (/* + 1) . JP gegenüber einem Lichtstrahl bei dB» Kippwinkel У = 0. Das Licht trifft dann auf die, den Glasweg bestimmende Planparallelplatte 7 mit der Dicke d und der Brechzahl n, wobei die Planparallelplatte 7 schräg, vorzugsweise unter 45 im Meßstrahlengang 5 angeordnet ist. Der Eintrittswinwinkel ist mit £ bezeichnet (Fig. 3). Die· wellenoptischeIn the figures 2 and 3, the beam path in the plane-parallel plate 7 and the attachment telescope 8 is shown schematically. If tilting of the carriage 2 is present, the light from the light source 6 enters the attachment telescope 8 at the tilt angle J and leaves it at an angle ff * = (/ * + 1). JP compared to a light beam at dB »tilt angle У = 0. The light then hits the, the glass path-determining plane parallel plate 7 with the thickness d and the refractive index n, wherein the plane-parallel plate 7 is obliquely, preferably below 45 disposed in Meßstrahlengang 5. The entry angle is designated by £ (Figure 3). The · wave-optical

Weglänge S zwischen zwei Festpunkten durch die um. den Winkel £ geneigte Planparallelplatte 7 errechnet sich entsprechend Fig. 3 nach der Beziehung S = a - b + nd^, worin η die Brechzahl des Glases für die Wellenlänge des verwendeten monochromatischen Lichtes ist·.Path length S between two fixed points by the order. Corresponding to FIG. 3, the plane angle plate 7, which is inclined at the angle erre, is calculated according to the relationship S = a-b + nd, in which η is the refractive index of the glass for the wavelength of the monochromatic light used.

Für kleine Änderungen des Lichteintrittswinkels £ ergeben sich durch Differentiation die Änderungen S der optischen Weglänge zuFor small changes in the light entrance angle ε, the changes S of the optical path length are due to differentiation

s = d . sin£ (1 ψ g-) AB₉ worin d dies = d. sin £ (1 ψ g-) AB ₉ where d is the

η - sin £ Dicke der Planparallelplatte ist·η - sin £ thickness of plane parallel plate is ·

Wenn sich z. B· durch unkontrollierte Kippung des Schlittens 2 der Reflexionsspiegel 9 effektiv von der Lichtquelle 6 entfernt und so die Weglänge S zunimmt,, muß diese optische Wegzunah^e durch -einen"negativen Werfc-^ S kompensiert werden. Das Vorzeichen von Δ s ist je nach Neigung der Planparallelplatte 7 zum Vorsatzfern. rohr 8 hin bzw, von ihm weg umkehrbar· Weiterhin kann durch Wahl des Vorsatzfernrohres 8 das Vorzeichen von λ S variiert werden.If z. B · effectively removed by uncontrolled tilting of the carriage 2, the reflecting mirror 9 from the light source 6 and so increases the path length S ,, this optical Wegzunah ^ e must be compensated by -a "negative Werfc- ^ S. The sign of Δ s, depending Further, the sign of λ S can be varied by selecting the attachment telescope 8.

* Nach der Anordnung gemäß den Figuren 1 und 2 ergibt sich für die kontinuierliche Kompensation der Fehler erster Ordnung durch Verletzung des Abbe*schen Komparatorprinzips um den Abstand f folgende Beziehung* According to the arrangement according to FIGS. 1 and 2, the first order error is obtained by violating the Abbe's comparator principle by the distance f for the continuous compensation

f = d . sin£ (1f = d. sin £ (1

n² - sin² εn ² - sin ² ε

Für Einkoordinatenmeßgeräte ist der Abstand f zwischen Prüflingsachse und Meßstrablengang 5 konstant. Bei Zwei- oder Dreikoordinatenmeßgeräten wird er mit der Wahl der Meßebene in verschiedenen Prüflingshöhen auch ständig* verändert. Wird die Vergrößerung P des Vorsatzfernrohres 8 mittels geeigneter Mittel kontinuierlich verändert, so ändert sich auch die Größe der Kompensationswirkung derFor Einkoordinatenmeßgeräte the distance f between Prüflingsachse and Meßstrablengang 5 is constant. In the case of two- or three-coordinate measuring instruments, it is also constantly changed * with the choice of the measuring level in different test object heights. If the magnification P of the attachment telescope 8 is continuously changed by suitable means, the size of the compensation effect of the

erfindungsgemäßen Anordnung und diese kann somit beliebigen Abständen f angepaßt werden. Das bedeutet z. B., daß für Dreikoordinatenmeßgeräte die Führungsfehler der x-y-Koordinaten für jede in der z-Koordinate zu wählende Meßebene eliminierbar sind.inventive arrangement and this can thus be adapted to any intervals f. This means z. B. that for Dreikoordinatenmeßgeräte the guiding errors of the x-y coordinates are eliminated for each in the z-coordinate to be selected measuring plane.

Durch eine Kopplung der Einstellmittel für die Fernrohrvergrößerung mit der Verstellung der Meßebene ist eine automatisierte Kompensation von Meßfehlern erster Ordnung erzielbar.By coupling the setting means for the telescope magnification with the adjustment of the measuring plane, an automatic compensation of measuring errors of the first order can be achieved.

Claims

Brfindungsanspruch:

1. Arrangement for the compensation of first-order measurement errors, which are due to violation of Abbe ¹ see comparator principle, in a consisting of light source, beam splitter and interferometer measuring system, preferably for coordinate and machine tools, wherein a reflection mirror of a Meßstrahlenganges and used for compensation components a movable carriage outside the Prüflingsachse (measuring axis) and the Lichtqaelle and the beam splitter are fixedly arranged in the device bed, characterized in that in the measuring beam path of the measuring system vod? the reflection mirror, a plane parallel plate and an attachment telescope are arranged, which are rigidly connected together with the reflection mirror with the carriage.

2 · Arrangement according to item 1, characterized in that the plane-parallel plate and the attachment telescope between the light source and the reflection mirror in the Meßstrahlengang are arranged, and that the plane parallel plate is oblique, preferably less than 45 °, in the Meßstrahlengang.

, Arrangement according to item 1 and 2, characterized in that in the Meßstrahlengang a variable in its magnification, the compensating action of the plane parallel plate changing attachment telescope is provided, wherein the magnification in dependence of the distance of measuring beam path and Prüflingsachse is adjustable.

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