DD210746A1

DD210746A1 - Anordnung zur kompensation von umwelteinfluessen bei laengenmessgeraeten

Info

Publication number: DD210746A1
Application number: DD24372582A
Authority: DD
Inventors: Manfred Steinbach
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1982-10-01
Filing date: 1982-10-01
Publication date: 1984-06-20
Also published as: JPS5984104A; DE3326867A1; GB8326199D0; GB2127969A

Abstract

Anordnung zur Kompensation von Umwelteinfluessen bei mit interferometrischen Messystemen ausgeruesteten Laengenmessgeraeten, insbesondere Koordinatenmessgeraeten, mit dem Ziel , die Messgenauigkeit zu erhoehen. Die Aufgabe umfasst die vollstaendige Kompensation des Einflusses der Umweltfaktoren auf die Messergebnisse. Die Erfindung umfasst eine Anordnung mit interferometrischem Messystem, Korrektur- und Auswerteeinrichtung, bei welcher auf dem Schlitten des Messgeraetes vorzugsweise parallel zum Messobjekt oder zu den Verschieberichtungen des Schlittens aus Material unterschiedlicher thermischer Ausdehnung bestehende Hilfsmassstaebe angeordnet sind, die Markierungen besitzen. Die Hilfsmassstaebe sind an einem Ende miteinander fest verbunden. Diese Hilfsmassstaebe werden zur Ermittlung des Einflusses der Umweltfaktoren und zur Reduktion der zu messenden Groessen auf Normalbedingungen innerhalb geeigneter Zeitintervalle ausgemessen.

Description

243725 4

Titel der Erfindung:

Anordnung zur Kompensation von Umwelteinflüssen bei Längenmeßgeräten

Anwendungsgebiet der Erfindung;

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kompensation von Umwelteinflüssen bei mit interferometrischen Wegmeßsystemen ausgerüsteten Längenmeßgeräten«

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:

Aus der DD-PS 120 082 ist ein interferometrisches Meßsy-, stern mit einer Einrichtung zur Kompensation des Einflusses der Umwelt bedingungen auf die Messung-von Verschiebungen und Längen von Meßobjekten bekannt. Dabei umfaßt eine Zusatzimpulse erzeugende Korrekturvorrichtung ein zweites Interferometer, welches aus einem Strahlenteilerelement und zwei, mittels fester Einstellmarken einstellbarer, in der Nähe der Meßstrecke angeordneter Reflektoren besteht. Zugehörige fotoelektrische Wandler zur Erzeugung einer von den jeweiligen Umweltbedingungen.abhängigen Anzahl von Differenzimpulsen sind vorgesehen.

Diese Zusatzimpulse werden mittels eines Zweirichtungszählers gezählt.und mittels eines Rechners werden die ermittelten Meßwerte auf Norma!bedingungen bezogen..Um gleiche thermische Verhältnisse zu erzielen, sind u. a. die festen Einstellmarken auf dem das Meßobjekt und den Meßreflektor tragenden Schlitten angeordnet.

A J 71

Diese Einrichtung erfordert jedoch einen erheblichen optisch-mechanischen Aufwand und setzt die Gleichheit der thermischen Ausdehnungskoeffizienten in Meß- und Korrekturstrecke im Meßgerät voraus. So werden prinzipiell lediglich Änderungen der Umwelt bedingungen, welche die Wellenlänge des verwendeten Lichtes beeinflussen, kompensiert.

Bei der optisch-interferometrischen Teilvorrichtung nach der DE-A^S 1.235.601 ist die gesamte Teilvorrichtung in einem luftdicht abgeschlossenen Behälter untergebracht. Der mit der Teilung versehene Gegenstand und der Reflektor des die Teilschritte festlegenden Teilungsinterferometers sind auf einem verschiebbaren Schlitten angeordnet. Die übrigen optischen Teile des Interferometers sowie das Reißerwerk befinden sich stationär auf einer Grundplatte. Die Schlittenvorschubbewegung wird in Abhängigkeit von einer fotoelektrischen Überwachung der Interferenzstreifen gesteuert, welche am Ausgang des Teilungsinterferometers vorgesehen ist. Zur Kompensation der durch Änderung der Umwelt bedingungen in dem Behälter sich ergebenden, die Teilungsgenauigkeit beeinträchtigenden Einflüsse ist im Behälter ein weiteres, von einer gesonderten Lichtquelle versorgtes Interferometer mit einer auf dem Schlitten in der Nähe des zu teilenden Gegenstandes gelegenen Inter-5 ferenzstandardeinhe.it angeordnet, welche zwei in einem vorgegebenen Abstand gehaltene Reflektoren umfaßt. Über Detektoren und eine Steuereinrichtung ist eine·ständige Regelung des Luftdruckes im Behälter erzielbar.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Teilvorrichtung besteht darin, daß das gesamte interferometrische Meßsystem in einem abgeschlossenen Behälter untergebracht ist, wodurch die gesamte Vorrichtung kompliziert und von außen schwer zugänglich ist. Auch lassen sich lediglich die die Wellenlänge des Lichtes beeinflussenden UmweItfaktoren kom-

4073

243725 4

pensieren. Einflüsse auf die Genauigkeit, die auf unterschiedliche Wärmedehnungen verschiedener Werkstoffe zurückzuführen sind, werden nicht kompensiert.

Ziel der Erfindung:

Es ist der Zweck der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und die Meßgenauigkeiten von mit interferometrischen Meßsystemen ausgerüsteten Längen- und Koordinatenmeßgeräten zu erhöhen·

Darlegung des Wesens der Erfindung: _; . . /., . ..

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Kompensation von Umwelteinflüssen bei Längen- und Koordinatenmeßgeräten zu schaffen, mit welcher sowohl die die Wellenlänge des im Interferometer verwendeten Lichtes beeinflussenden Umweltfaktoren als auch durch unterschiedliehe thermische Ausdehnungskoeffizienten zwischen Meßobjekt und Normal oder Gerät bedingte Meßungenauigkeiten kompensierbar sind. .; ν '; .. ,

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei.einer Anordnung zur Kompensation von Umwelteinflüssen bei Längenmeßgeräten mit interferometrischen Meßsystemen dadurch'gelöst, daß auf dem Schlitten vorzugsweise parallel zum Meßobjekt oder zu den Verschiebeeinrichtungen des Schlittens aus Material unterschiedlicher thermischer Ausdehnung bestehende Hilfsmaßstäbe angeordnet sind, die in möglichst großem Abstand Markierungen zur Antastung mit der optischen Antasteinrichtung und zur Durchführung von Längenmessungen an diesen Hilfsmaßstäben besitzen, und welche vor- . zugsweise an einem Ende miteinander fest verbunden sind.

Dabei ist es vorteilhaft, daß der eine Hilfsmaßstab einen sehr kleinen und der andere Hilfsmaßstab einen sehr großen oder einen dem Meßobjekt nahe kommenden Y/ärmedehnungskoeffizienten besitzt, und daß die Hilfsmaßstäbe in der Pokalebene des Objektives der Antasteinrichtung angeordnet sind.'

4073

.-♦- 243725 4

Eine günstige konstruktive Lösung ergibt sich, wenn die Markierungen mindestens eines der Hilfsmaßstäbe lös- und auswechselbar am Maßstab angeordnet sind.

Es ist weiterhin vorteilhaft, daß die Markierungen auf Teilungsträgern, die durch Klemm- oder KIebeverbindungen mit den Hilfsmaßstäben verbunden sind, angeordnet sind.

Dabei wird durch das interferometrische Meßsystem, z.B«, im Laserwegmeßsystem, die Strecke zwischen dem Vergleichs spiegel und dem Meßspiegel als Differenz des Abstandes des Vergleichsspiegels von der Interferenzebene des Inter ferometers und des Abstandes des Meßspiegels von der Interferenzebene gemessen, wobei dieses Meßergebnis von den .Umweltbedingungen, die die Wellenlänge des verwendeten Lichtes beeinflussen, sowie von den thermischen Verhältnissen am Meßobjekt abhängig ist. Durch Messung der Länge des Hilfsmaßstabes mit dem sehr kleinen Wärmedehnungskoeffizienten wird der Einfluß der die Wellenlänge bestimmenden Umweltfaktoren ermittelt.

Durch Messung des Hilfsmaßstabes mit bekanntem oder großem Ausdehnungskoeffizienten und unter Verwendung der Messungen am Hilfsmaßstab mit sehr kleinem Ausdehnungskoeffizienten wird mit Hilfe der Auswerteeinrichtung auch eine vollständige. Temperaturkorrektion des zu messenden Abstandes auf dem Meßobjekt erzielt, und es wird dieser Abstand mittels der Auswerteeinrichtung auf Uormalbedingungen umgerechnet»

Die Erfindung zeichnet sich vorallem durch eine besondere Einfachheit aus, indem lediglich zwei zusätzliche Hilfsmaßstäbe mit unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten am Schlitten des Meßgerätes angebracht werden, deren Längen mit dem ohnehin vorhandenen Meßsystem gemessen werden. Selbst bei fehlender Kenntnis des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Meßobjektes ist eine volle Fehlerkompensation erreichbar.

4073

243725 4

Ausführungsbeispiel;

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigen Figur 1 die Anordnung der Hilfsmaßstäbe in Aufsicht, Figur 2 eine schematische Ansicht der Anordnung, I^?igur 3 die Kopplung der Hilf smaßstäbe in paralleler

und

Figur 4 die Kopplung der Hilfsmaßstäbe in senkrechter Anordnung.

Nach den Figuren 1 und 2 besitzt ein Längenmeßgerät 1 ein aus kohärenter Lichtquelle 2, Interferometer 3 mit Meß- und Vergleichsstrahlengang und f otoelektrischein Wandler 4 bestehendes interferometrisches Meßsystem, sowie eine optische Antasteinrichtung 5 zum Antasten von Markierungen am zu prüfenden Meßobjekt 6 oder an den Maßstäben 10 und 11. Das Meßobjekt 6 ist auf einem, auf dem Meßgerät 1 verschiebbar gelagerten Schlitten 7 angeordnet, an dem sich ein Meßspiegel 8 für einen Interferometerstrahlengang befindet. An der-Antasteinrichtung 5 befindet sich ein Vergleichsspiegel 9 eines Vergleichsstrahlenganges.

lieben oder in der Uähe des Meßobjektes 6, 'welches in Figur 1 der Einfachheit halber als ein mit Strichen versehener Maßstab dargestellt ist, sind auf dem Schlitten zwei Hilfsmaßstäbe 10 und 11, vorzugsweise parallel zum Meßobjekt 6 oder zu den Verschieberichtungen des Schlittern 7, insbesondere bei Mehrkoordinatenmeßgeräten, angeordnet. Diese Hilfsmaßstäbe 10 und 11 bestehen aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten und besitzen in einem möglichst großen Abstand Markierungen 12, 13, 14, 15 die zur Antastung mit der Antasteinrichtung 5 und zur Längenmessung an diesen Hilfsmaßstäben 10; 11. benutzt werden, v/ie die Figuren 3 und 4 zeigen, sind diese Hilfsmaßstäbe 10; 11 an. einem Ende fest miteinander verbunden. Gemäß der Ausführung von Figur 4 können die 5 Hillsmaßstäbe 16 und 17 übereinander angeordnet werden«

4073

η Π λ Ω Q 0 * Π ί -. ['. λ 'λ \ ΐ

243725 4

Die Hilfsmaßstäbe müssen nicht unbedingt fest miteinander an einem Ende verbunden sein. Die feste Verbindung schafft den Vorteil, daß zur Kompensation weniger "Messungen erforderlich sind. Ohne Verbindung müßten die Markierungen 12, 13, 14, 15 gemessen werden· Mit Verbindung genügt es, nur die Markierungen 13 und 14 zu messen.

Die Markierungen 12, 13, 14, 15 können lös- und auswechselbar an den Hilfsmaßstäben 10, 11, 16, 17 oder auf Teilungsträgern 18, welche durch Klemm- oder Klebeverbindungen mit den Hilfsmaßstäben verbunden sind, angeordnet sein.

Zur Erzielung einer hohen Meßgenauigkeit ist es vorteilhaft, wenn der eine Hilfsmaßstab 10 einen sehr kleinen, der andere Hilfsmaßstab 11 einen sehr großen oder einen dem Meßobjekt 6 nahekommenden Wärmedehnungskoeffizienten besitzt. So kann z. B. der Hilfsmaßstab 10 aus Quarz bestehen. ·

Bei der Durchführung der Messungen wird durch das interferometrische Meßsystem der Abstand I^ des Meßspiegels vom Vergleichsspiegel 9 als Differenz Io = Lp - I* der Abstände I₂ und I₁ des Vergleichsspiegel 9 und des Meßspiegels 8 von der Interferenzebene 19 des Interferometers 3 bestimmt, wobei das Meßergebnis vor allem abhängig ist von der Wellenlänge λ des verwendeten Lichtes, von der Lufttemperatur t und der Luftfeuchte r, von dem Luft-5 druck ρ und vom COp-Gehalt c der Luft. Es gilt also

I = 1q3^^{1 + a}1 ^{+ a}2 ^{Δΐ+ a}3 ^^{r + a}4 ^ ^{p+ a}5 ^ ⁰^

¹3 ⁼ ^03 * ^K» wobei a., a₂...a,- Konstanten und l_Qo die auf Normalbedingungen bezogene Länge von !U sind.

Durch Messung des Abstandes l^der Markierungen 12 und auf deni Hilfsmaßstab 10, der einen vernachlässigbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, ist der Paktor K ermittelbar.

4073

-τ- 243725 4

Die am Meßobjekt 6 zu messende Größe 1, (Figur 2) ist unter gegebenen Umweltbedingungen 1- = 1_Q4 „ K(1 + c£.At), wobei Iq. die auf Nor'malbedingungen bezogene zumessende Größe von 1, (länge), A t die Temperaturdifferenz und .. der Wärmedehnungskoeffizient des Meßobjektes 6 sind. Mit Hilfe der Messung der Länge 1,- des Hilfsmaßstabes 11 und mit der Voraussetzung, daß I₁- = I₀,- .K, thermisch unabhängig, d.h. tt r » 0 oder 0£ c^<<<ⁱ^₆ ist, was bei Quarz nahezu zutrifft, wird 4 t ermittelt. So kann bei bekanntem o£, und ^ . die auf Normalbedingungen reduzierte Größe Iq. des Meßobjektes 6 mit Hilfe der Auswerteeinrichtung 20 ermittelt werden.

Die Anordnung erlaubt es ebenfalls, auch wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient oL . des Meßobjektes 6 nicht bekannt ist, eine vollständige Temperaturkorrektion des Meßergebnisses durchzuführen, nämlich dann, wenn der Hilfsmaßstab 11 aus gleichem Material besteht wie das Meßobjekt 6. Dann ist o£. = 06g_e .

Es ist dann ' ;. "

¹5 " ¹05 * ^K

I₆ = I₀₆(I +öi₄ it) .K und

Damit ist die auf Korma!bedingungen reduzierte Größe I₀₄ des Meßobjektes 6

(1 + Od₄At) . K,

wobei I₄ die gemessene Größe am Prüfling ist. Somit gestattet die Anordnung der zusätzlichen Hilfsmaßstäbe 10 und 11 eine vollständige Korrektion der Messungen unabhängig von den herrschenden Umweltbedingungen unter der Voraussetzung, daß sich die Umweltbedingungen innerhalb der Intervalle für die Kompensationsmessungen nicht wesentlich ändern.

4073

Claims

243725 4 Erflndungsanspruch:

1. Anordnung zur Kompensation von Umwelteinflüssen bei Längenmeßgeräten, die mit interferometrischen Meßsystemen ausgerüstet sind,

umfassend eine kohärente Lichtquelle,

Interferometer mit Referenzspiegeln für einen Meß- und Vergleichsstrahlengang und einen, einen Meßspiegel tragenden Schlitten, auf dem das Meßobjekt angeordnet ist, und daß eine optische Antasteinrichtung zur Antastung von Objekt- und Vergleichsmarken vorgesehen ist, und daß im Interferenzraum des Interferometer die Umwandlung der bei der Verschiebung des Spiegel entstehenden, der Inkrementezahl des Verschiebeweges proportionalen Helligkeitsschwankungen in elektrische Signale bewirkende, fotoelektrische Wandler vorgesehen sind, die mit einer Korrektur- und Auswerteeinrichtung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Schlitten (7) vorzugsweise parallel zum Meßobjekt (6) oder zu den Verschieberichtungen des Schlittens (7) aus Material unterschiedlicher thermischer Ausdehung bestehende Hilfsmaßstäbe (10; 11; 16; 17) angeordnet sind, die in möglichst großem Abstand Markierungen (12; 13; H; 15) zur Antastung mit der optischen Antasteinrichtung (5) und zur Durchführung von Längenmessungen an diesen Hilfsmaßstäben besitzen und welche vorzugsweise an einem Ende miteinander fest verbunden sind.

2. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Hilfsmaßstab (10) einen sehr kleinen und der andere Hilfsmaßstab (11) einen sehr großen oder einen dem Meßobjekt (6) nahe kommenden Wärmedehnungskoeffizienten besitzt, und daß die Hilfsmaßstäbe (TO; 11; 16; 17) in der Fokalebene des Objektives der Antasteinrichtung (5) angeordnet sind.

4073

⁰I

243725 4

Anordnung nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungen mindestens eines der Hilf smaßstäbe lös- und auswechselbar am Meßstab angeordnet sind.

Anordnung nach Punkt 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungen auf Teilungsträgern (18), die
durch Klemm- oder Klebeverbindungen mit den Hilfsmaßstäben (17) verbunden sind, angeordnet sind.

- Hierzu 1 Blatt Zeichnungen -

WG/Grü/Fch

4073

iRQEl1982*Q&^fo3--