DD234070A1 - INTERFEROMETRIC MULTI COORDINATE MEASURING DEVICE - Google Patents

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DD234070A1
DD234070A1 DD27263785A DD27263785A DD234070A1 DD 234070 A1 DD234070 A1 DD 234070A1 DD 27263785 A DD27263785 A DD 27263785A DD 27263785 A DD27263785 A DD 27263785A DD 234070 A1 DD234070 A1 DD 234070A1
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Hans-Joachim Buechner
Gerd Jaeger
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Ilmenau Tech Hochschule
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Abstract

Die Erfindung kann als Messsystem in Zwei- und Dreikoordinatenmesseinrichtungen eingesetzt werden, sie kann aber auch zur Kontrolle von nach anderen Messprinzipien arbeitenden Zwei- und Dreikoordinatenmesseinrichtungen oder zur Messsteuerung bzw. zur Kalibrierung des Bewegungsablaufs von Robotern eingesetzt werden. Es wird eine interferometrische Mehrkoordinatenmesseinrichtung angegeben, die trotz wesentlich entfeinerten konstruktiv-technologischen Aufwandes des oder der Fuehrungssysteme des Arbeitsmittels ein Hoechstmass an Messgenauigkeit garantiert. Weiterhin wird durch die vorgeschlagene Loesung die interferometrisch-inkrementale Messung in translatorisch bewegten, aber nicht in getrennten karthesischen Koordinaten gefuehrten Antriebssystemen ueberhaupt erst moeglich gemacht. Es wird fuer jede Koordinatenrichtung ein an sich bekanntes Interferometer zur inkrementalen Abtastung veraenderlicher Interferenzstrukturen mit Blende zwischen Interferometerteiler und Strahlteiler und in das Interferometer integrierten CCD-Zeilen so angeordnet, dass zwischen den Messstrahlen der Interferometer ein gegenseitiger Winkel von 90 eingestellt ist und den Messstrahlen im Falle einer Zweikoordinatenmesseinrichtung ebene Langspiegel bzw. im Falle einer Dreikoordinatenmesseinrichtung ebene Flaechenspiegel zugeordnet sind.The invention can be used as a measuring system in two-coordinate and three-coordinate measuring devices, but it can also be used to control two- and three-coordinate measuring devices operating according to different measuring principles or for measuring control or for calibrating the sequence of movements of robots. An interferometric multi-coordinate measuring device is specified, which guarantees a maximum degree of measuring accuracy despite substantially less complicated constructional and technological expenditure of the operating system or systems. Furthermore, the proposed solution, the interferometric-incremental measurement in translationally moving, but not in separate Cartesian coordinates guided drive systems made possible in the first place. It is for each coordinate direction a per se known interferometer for incremental scanning veraenderlicher interference structures with aperture between interferometer and beam splitter and integrated into the interferometer CCD lines arranged so that between the measuring beams of the interferometer is set a mutual angle of 90 and the measuring beams in the case a two-coordinate measuring device level long mirror or in the case of a three-coordinate measuring device are assigned flat surface levels.

Description

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische Mehrkoordinatenmeßeinrichtung zu schaffen, bei der Meßspiegel besonderer Konfiguration verwendet werden und dennoch eine Winkelbeweglichkeit dieser Meßspiegel erlaubt ist, ohne die inkrementale Meßwerterfassung außer Takt zu bringen. Die erlaubte Winkelbeweglichkeit der Meßspiegel soll in einer solchen Größenordnung sein, daß sie in Fertigungslinien mittlerer Qualität bequem erreicht wird und damit auf die Anwendung kostenintensiver Präzisionstechnologien verzichtet werden kann. Weiterhin stellt sich die Erfindung die Aufgabe, den vorhandenen Kippfehler des Führungssystems interferometrisch zu erfassen, damit er rechentechnisch korrigiert werden kann. Die technischen Ursachen der Mängel der bereits bekannten Lösungen sind in der Art und Weise der Abtastung des verwendeten Inkrementalgitters begründet. Bekanntlich gibt es bei interferometrischen Inkrementalverfahren zwei Möglichkeiten zur Gewinnung des inkrementalen Meßsignals. Die erste Möglichkeit besteht darin, daß im Interferometer eine endliche Gitterkonstante erzeugt wird und die Abtastung des Gitters an zwei örtlich versetzt angeordneten Punkten erfolgt. Im zweiten Falle wird im Interferometer eine sehr große Gitterkonstante eingestellt, so daß die Anordnung der Abtastpunkte weitgehend unkritisch ist, und die 90°-Phasenverschiebung der inkrementalen Meßsignale wird mit polarisationsoptischen Mitteln erzeugt. Gemeinsam ist beiden Verfahren, daß das jeweils eingestellte Gitter während der Messung unverändert erhalten bleiben muß. Deshalb werden in allen für technische Zwecke eingesetzten Interferometern im Meßarm der Interferometer kippinvariante Tripelprismen, Tripelspiegel oder sog. Katzenaugen-Reflektoren verwendet, um die Einhaltung der eingestellten Gitterkonstante zu gewährleisten. Interferometer mit Tripelreflektoren im Meßarm haben aber den Nachteil, daß eine Verschiebung des Tripelreflektors nur in Meßrichtung, nicht aber senkrecht dazu gestattet ist, weil Versetzungen des Tripelreflektors senkrecht zur Meßrichtung Parallelversetzungen des reflektierten Meßstrahls gegenüber dem einfallenden Meßstrahl hervorrufen und dadurch im Extremfalle die Interferenz unterbrochen wird. Angewendet auf die Mehrkoordinatenmeßtechnik bedeutet das, daß an die Verwendungen Tripelprismen in Interferometern stets auch die Bedingung geknüpft ist, die resultierende translatorische Bewegung des Arbeitsmittels aus zwei getrennten Translationsbewegungen in karthesischen Koordinaten zu erzeugen.The invention has for its object to provide an interferometric Mehrkoordinatenmeßeinrichtung be used in the measuring mirror particular configuration and yet an angular mobility of these measuring mirrors is allowed without bringing the incremental data acquisition out of tact. The allowed angular mobility of the measuring mirrors should be of such an order of magnitude that they are conveniently achieved in production lines of medium quality and thus can be dispensed with the application of cost-intensive precision technologies. Furthermore, the invention has the object to detect the existing tilt error of the guide system interferometrically so that it can be corrected computationally. The technical causes of the deficiencies of the already known solutions are based on the way in which the incremental grid used is scanned. Known, there are in interferometric incremental two possibilities for obtaining the incremental measurement signal. The first possibility is that a finite lattice constant is generated in the interferometer and the scanning of the lattice takes place at two locally offset points. In the second case, a very large lattice constant is set in the interferometer, so that the arrangement of the sampling points is largely uncritical, and the 90 ° phase shift of the incremental measuring signals is generated by polarization optical means. Common to both methods is that the respectively set grid must remain unchanged during the measurement. Therefore, in all interferometers used for technical purposes in the measuring arm of the interferometer tilt-inverted triple prisms, triple mirrors or so-called cat-eye reflectors are used to ensure compliance with the set lattice constant. Interferometer with triple reflectors in the measuring arm have the disadvantage that a displacement of the triple reflector is only allowed in the measuring direction, but not perpendicular thereto, because displacements of the triple reflector perpendicular to the measuring direction cause parallel displacements of the reflected measuring beam relative to the incident measuring beam and thus the interference is interrupted in an extreme case , Applied to the Mehrkoordinatenmeßtechnik means that the uses of triple prisms in interferometers always the condition is linked to produce the resulting translational movement of the working fluid from two separate translation motions in Cartesian coordinates.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer Zweikoordinatenmeßeinrichtung für jede Koordinatenrichtung ein an sich bekanntes Interferometer zur Abtastung veränderlicher Interferenzstrukturen angeordnet ist und zwischen den Meßstrahlen dieser Interferometer ein gegenseitiger Winkel von 90° eingestellt ist und den Meßstrahlen dieser Interferometer ebene Langspiegel zugeordnet sind.According to the invention, this object is achieved in that in a two-coordinate for each coordinate direction a per se known interferometer for scanning variable interference structures is arranged and between the measuring beams of these interferometers a mutual angle of 90 ° is set and the measuring beams of these interferometers are assigned flat long mirror.

Ferner ist bei einer Dreikoordinatenmeßeinrichtung ebenfalls für jede Koordinatenrichtung ein Interferometer zur Abtastung veränderlicher Interferenzstrukturen angeordnet und den Meßstrahlen dieser Interferometer sind ebene Flächenspiegel zugeordnet. Further, in a Dreikoordinatenmeßeinrichtung also an interferometer for scanning of variable interference structures is arranged for each coordinate direction and the measuring beams of these interferometers are assigned flat surface mirrors.

Im Interferometer zur Abtastung veränderlicher Interferenzstrukturen wird durch Einführung einer Blende zwischen Interferometerteiler und Strahlteiler die Interferenzstruktur punktförmig abgetastet, wodurch Änderungen der Gitterkonstante der Interferenzstruktur während des Meßvorganges keine Störungen bei der Gewinnung der inkrementalen Meßsignale verursachen. Dadurch ist es möglich, im Meßarm der Interferometer ebene Spiegel als Meßspiegel zu verwenden, ohne an die Bedingung gebunden zu sein, diese während der Meßbewegung streng parallel führen zu müssen. Ein ebener Spiegel kann - im Gegensatz zu Tripelreflektoren - ohne Behinderung des Meßvorganges auch senkrecht zur Meßrichtung in beliebigen Grenzen verschoben werden.In the interferometer for scanning variable interference structures, the interference structure is sampled punctiform by introducing a diaphragm between the interferometer splitter and the beam splitter, whereby changes in the grating constant of the interference structure during the measurement process cause no interference in the recovery of the incremental measurement signals. This makes it possible to use in the measuring arm of the interferometer plane mirror as a measuring mirror, without being bound by the condition that they must perform strictly parallel during the measuring movement. A plane mirror can - in contrast to triple reflectors - without hindrance of the measuring process also be moved perpendicular to the measuring direction in any limits.

Bekanntlich entsteht bei interferometrischen Messungen infolge Kippung des ebenen Meßspiegels ein größerer Meßfehler als bei nicht verkipptem Meßspiegel. Um diesen Fehler auszuschalten, sind in beide wegmessende Interferometer jeweils zwei CCD-Zeilen integriert, die der Erfassung der Winkelposition der Meßspiegel und der daraus abgeleiteten rechnerischen Korrektur der Position des Arbeitsmittels dienen. Gleichzeitig aber stellen die CCD-Zeilen ein raumfestes Winkel-Bezugssystem für die Meßspiegel dar, mit dem das Arbeitsmittel, z. B. nach einem technischen Defekt, wieder in die Null-Winkelposition zurückgeführt werden kann.As is known, in the case of interferometric measurements due to tilting of the flat measuring mirror, a larger measuring error is produced than in the case of a non-tilted measuring mirror. In order to eliminate this error, two CCD lines are integrated into both distance-measuring interferometers, which serve to detect the angular position of the measuring mirrors and the mathematical correction of the position of the working medium derived therefrom. At the same time, however, the CCD lines represent a space-fixed angle reference system for the measuring mirrors, with which the working medium, for. B. after a technical defect, can be returned to the zero-angle position.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1: Ausführung einer Zweikoordinatenmeßeinrichtung Fig. 2: Ausführung einer DreikoordinatenmeßeinrichtungThe invention will be explained with reference to several embodiments. In the accompanying drawings: Fig. 1: embodiment of a two-coordinate measuring device Fig. 2: embodiment of a three-coordinate measuring device

In Fig. 1 sind auf dem Winkel 5, der einen Teil des in (x,y)-Richtung bewegten Arbeitsmittels darstellt, die im Winkel von 90° zueinander angeordneten ebenen Langspiegel Mx und My befestigt. Auf dem gestellfesten Block 6 befindet sich das Interferometer Ix für die x-Koordinate und das Interferometer ly für die y-Koordinate. Beide Interferometer werden von dem vornehmlich von einem Laser kommenden monochromatischen Strahlbündel 4 beleuchtet, das in einem Teilerwürfel 8 in die Teilbündel 9 und 10 geteilt wird, die in die Interferometer Ix und ly eintreten. Die Interferometer Ix und ly sind identisch aufgebaut. Das Teilbündel 10 wird im Interferometerteiler 1 an der Teilerschicht 7 in den Meßstrahl lMy und in den Referenzstrahl lRy aufgeteilt. Der Referenzstrahl lRy fällt auf den als ebenen Spiegel ausgebildeten Referenzspiegel 12 und der Meßstrahl lMy trifft auf den als ebenen Langspiegel ausgebildeten Meßspiegel My. Nach Reflexion beider Strahlen kommt es an der Teilerschicht 7 zu ihrer Wiedervereinigung, wobei das streifenförmige Interferenzgitter 20 entsteht. Bei Kippbewegungen des Arbeitsmittels 5, die bei dessen Bewegung immer entstehen, ändert sich auch die Winkellage des ebenen Langspiegels My in bezug zum ankommenden Meßstrahl lMy, so daß der am Meßspiegel My reflektierte Meßstrahl — hier nicht dargestellt — ebenfalls winkelversetzt gegenüber lMy in das Interferometer ly zurückkehrt. Zwischen dem ersten Strahlspalter 30 und dem Strahlteiler 2 befindet sich eine Blende 3, durch die das Interferenzgitter 20 punktförmig abgetastet wird. Das im Interferometer ly durch die Blende 3 hindurchtretende Bündel 13 wird im Strahlteiler 2 in die Teilbündel 14 und 15 aufgeteilt, die hier nicht dargestellten fotoelektrischen Empfängern zugeleitet werden. Infolge der punktförmigen Abtastung des Interferenzgitters durch die Blende 3 wird ein Invarianz der Meßsignalgewinnung in bezug auf Änderungen des Interferenzgitters 20 jeglicher Art erzielt. Infolgedessen sind die optischen Signale der Teilbündel 14 und 15 unabhängig von jeglichen Kippbewegungen des Arbeitsmittels 5 in jedem Moment exakt phasengleich. Die für dieIn Fig. 1 are on the angle 5, which is a part of the moving in (x, y) direction working means, attached at an angle of 90 ° to each other arranged flat longitudinal mirror M x and M y . On the frame fixed block 6 is the interferometer I x for the x-coordinate and the interferometer l y for the y-coordinate. Both interferometers are illuminated by the monochromatic beam 4 predominantly coming from a laser, which is divided in a splitter cube 8 into the sub-beams 9 and 10 which enter the interferometers I x and l y . The interferometers I x and l y are constructed identically. The sub-beam 10 is split in the interferometer splitter 1 at the splitter layer 7 in the measuring beam l My and in the reference beam l Ry . The reference beam I Ry is incident on the reference mirror 12 formed as a plane mirror, and the measuring beam I My strikes the measuring mirror M y formed as a plane long mirror. After reflection of both beams, it comes to the splitter layer 7 to their reunion, whereby the strip-shaped interference grating 20 is formed. When tilting the working means 5, which always occur during its movement, the angular position of the planar long mirror M y varies with respect to the incoming measuring beam l My, so that the reflected on the measurement mirror M y measuring beam - not shown here - likewise angularly offset from l My returns to the interferometer I y . Between the first beam splitter 30 and the beam splitter 2 there is a diaphragm 3, by means of which the interference grating 20 is scanned in a punctiform manner. The light passing in the interferometer y l through the aperture 3 bundle 13 is divided in the beam splitter 2 in the sub-beams 14 and 15, which are fed not shown photoelectric receivers. As a result of the punctiform sampling of the interference fringe through the diaphragm 3, an invariance of the Meßsignalgewinnung is achieved with respect to changes of the interference grid 20 of any kind. As a result, the optical signals of the sub-beams 14 and 15, regardless of any tilting movements of the working means 5 in each moment exactly in phase. The for the

Vor-Rückwartszählung erforderliche ^-Phasenverschiebung wird aus den optischen Signalen 14 und 15 mit hier nicht dargestellten polarisationsoptischen Mitteln erzeugt. Auch diese optischen Signale sind unabhängig von Kippbewegungen des Arbeitsmittels 5 hinsichtlich ihrer 90°-Phasenlage in jedem Moment exakt phasenkonstant. Der im Interferometer Ix in den ersten Strahlspalter 30 eintretende und mit der Interferenzstruktur modulierte Strahl 20 wird im ersten Strahlspalter 30 in Strahlen 32 und 33 gespalten und Strahl 33 tritt in einen zweiten Strahlspalter 34 ein, an dessen Teilerschicht er in Strahlen 35 und 36 aufgespalten wird. Strahl 36 fällt auf die CCD-Zeilen 38 und Strahl 35 auf CCD-Zeile 40. Die Richtungen der zellenförmigen Anordnungen der fotoelektrischen Abtastelemente auf den CCD-Zeilen 38 und 40 stehen senkrecht aufeinander. Dadurch kann das Arbeitsmittel 5 um Achsen in beliebiger räumlicher Lage kippen, es wird durch Abfrage beider CCD-Zeilen 38 und 40 stets der resultierende Kippwinkel erfaßt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 3 eine Dreikoordinatenmeßeinrichtung gemäß der Erfindung. In diesem Falle werden als Meßspiegel drei ebene, jeweils unter einem Winkel von 90° zueinander angeordnete Flächenspiegel Mx, MY, M2 verwendet. Damit spannen diese Flächenspiegel Mx, Myr Mz ein räumliches (x,y,z)-Koordinatensystem auf. Jedem Flächenspiegel Mx, My, Mz ist ein Interferometer Ix, ly, lz zugeordnet. Die Interferometer Ix, ly, lz befinden sich gemeinsam auf dem gestellfesten Block 6. Die Bestrahlung der Interferometer Ix, ly, lz erfolgt über die monochromatischen Laserstrahlbündel 4X, 4y, 4Z, die im Interferometerteiler 1 an der ersten Teilerschicht 7 in Referenzstrahlen und Meßstrahlen lMx, lMy, lMz geteilt und den ebenen Referenzflächen und Meßflächen Mx, My, M2 zugeleitet werden. Die Meßstrahlen JMx, JMy und JMz treffen in den Punkten Px, Py und Pz auf die ebenen Meßflächen Mx, My, Mz und werden von dort in die Interferometer Ix, ly, lz zurück reflektiert. Dabei tritt der Meßstrahl JMz durch eine Aussparung im Block 6 hindurch und gelangt danach auf die Meßfiäche Mz. Die an der Teilerschicht 7 jedes Interferometers wiedervereinigten Strahlen werden durch die Blende 3 punktförmig abgetastet. Das durch die Blende 3 hindurchtretende Strahlbündel 13 wird im Strahlteiler 2 in Teilbündel 14 und 15 geteilt, die nach polarisationsoptischer Behandlung zur Erzeugung der 90°-Phasenverschiebung fotoelektrischen Empfängern zugeleitet werden.Pre-backward counting required ^ phase shift is generated from the optical signals 14 and 15 with polarization optical means not shown here. These optical signals are independent of tilting movements of the working means 5 in terms of their 90 ° phase position in each moment exactly phase constant. The beam 20 entering the first beam splitter 30 in the interferometer I x and modulated with the interference structure is split into beams 32 and 33 in the first beam splitter 30 and beam 33 enters a second beam splitter 34, at the splitter layer of which it is split into beams 35 and 36 becomes. Beam 36 is incident on CCD lines 38 and beam 35 on CCD line 40. The directions of the cell arrays of the photoelectric sensing elements on CCD lines 38 and 40 are perpendicular to each other. As a result, the working means 5 tilt about axes in any spatial position, it is always detected by query both CCD lines 38 and 40, the resulting tilt angle. In a further embodiment, Fig. 3 shows a three-coordinate measuring device according to the invention. In this case, three level, each at an angle of 90 ° to each other arranged surface mirror M x , M Y , M 2 are used as a measuring mirror. Thus, these surface mirrors M x , M yr M z span a spatial (x, y, z) coordinate system. Each surface mirror M x , M y , M z is associated with an interferometer I x , l y , l z . The interferometers I x , l y , l z are located together on the frame fixed to block 6. The irradiation of the interferometer I x , l y , l z via the monochromatic laser beam 4 X , 4 y , 4 Z , in the interferometer splitter 1 on the first divider layer 7 in reference beams and measuring beams l Mx , l My , l Mz divided and the flat reference surfaces and measuring surfaces M x , M y , M 2 are fed. The measuring beams J Mx , J My and J Mz meet at the points P x , P y and P z on the flat measuring surfaces M x , M y , M z and from there into the interferometer I x , l y , l z back reflected. In this case, the measuring beam J Mz passes through a recess in the block 6 and then passes to the Meßfiäche M z . The beams reunited at the divider layer 7 of each interferometer are scanned in a punctiform manner by the aperture 3. The passing through the aperture 3 beam 13 is divided in the beam splitter 2 into sub-beams 14 and 15, which are fed to polarization-optical treatment for generating the 90 ° phase shift photoelectric receivers.

Selbstverständlich kann auch bei der Dreikoordinatenmeßeinrichtung die Erfassung der Kippwinkel der Meßspiegel wie in Fig. 1 über die Zwischenschaltung eines ersten Strahlspaltes 30 zwischen den Interferometerteiler 1 und den Strahlteiler 2 und einen dem ersten Strahlspalter 30 nachgeschalteten zweiten Strahlspalter 34 sowie der Anordnung zweier gekreuzter CCD-Zeilen 38 und 40 in den beiden Ausgängen 35 und 36 des zweiten Strahlspaltes 34 vorgenommen werden.Of course, in the Dreikoordinatenmeßeinrichtung detecting the tilt angle of the measuring mirror as in Fig. 1 via the interposition of a first beam gap 30 between the interferometer 1 and the beam splitter 2 and a second beam splitter 30 downstream of the second beam splitter 34 and the arrangement of two crossed CCD lines 38 and 40 are made in the two outputs 35 and 36 of the second jet gap 34.

Claims (2)

Erfindungsanspruch:Invention claim: 1. Interferometrische Mehrkoordinatenmeßeinrichtung, bestehend aus einem Arbeitsmittel, dessen Bewegung in der Ebene oder im Räume hauptsächlich translatorisch erfolgt und Laser-Wegmeßsystemen, bestehend aus monochromatischer Laser-Strahlungsquelle, Interferometer zur inkrementalen Abtastung veränderlicher Interferenzstrukturen mit Blende zwischen Interferometerteiler und Strahlteiler und in das Interferometer integrierten CCD-Zeilen, strahlteilenden und strahlumlenkenden optischen Bauelementen, gekennzeichnet dadurch, daß bei einer Zweikoordinatenmeßeinrichtung für jede Koordinatenrichtung ein an sich bekanntes Interferometer (Jx), (Jv) angeordnet ist und zwischen den Meßstrahlen (JMx), (Jmy) ein gegenseitiger Winkel von jeweils 90° eingestellt ist und den Meßstrahlen (Jmx), (Jiviy) ebene Langspiegel (Mx), (My) zugeordnet sind.1. Interferometric Mehrkoordinatenmeßeinrichtung, consisting of a working means whose movement in the plane or in the spaces is mainly translational and laser Wegmeßsystemen consisting of monochromatic laser radiation source, interferometer for incremental scanning of variable interference structures with aperture between the interferometer splitter and beam splitter and integrated into the interferometer CCD lines, beam-splitting and beam-deflecting optical components, characterized in that in a two-coordinate measuring device for each coordinate direction a per se known interferometer (J x ), (J v ) is arranged and between the measuring beams (J Mx ), (Jmy) a mutual Angle is set by 90 ° and the measuring beams (Jmx), (Jiviy) level long mirror (M x ), (M y ) are assigned. 2. Interferometrische Mehrkoordinatenmeßeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei einer Dreikoordinatenmeßeinrichtung für jede Koordinatenrichtung ein Interferometer (Jx), (Jy), (Jz) angeordnet ist und den Meßstrahlen (JMx), (JMy), (JMz) ebene Flächenspiegel (Mx), (My), (Mz) zugeordnet sind.2. Interferometric Mehrkoordinatenmeßeinrichtung according to claim 1, characterized in that in a Dreikoordinatenmeßeinrichtung for each coordinate direction, an interferometer (J x ), (J y ), (J z ) is arranged and the measuring beams (J Mx ), (J My ), ( J Mz ) are associated with flat area mirrors (M x ), (M y ), (M z ). Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Mehrkoordinatenmeßeinrichtungen werden in vielen Fertigungsbereichen der Volkswirtschaft für Meß- und Steuerungsprozesse eingesetzt. Als Zweikoordinatenmeßeinrichtungen werden sie seit jeher für verstellbare Mikroskoptische und (x.y)-Koordinatenmeßgeräte verwendet. Ein neues Einsatzgebiet kam durch die Entwicklung der Mikroelektronik hinzu, indem für den Repeat-Prozeß Zweikoordinatenpositioniereinrichtungen erforderlich waren, die über hochgenaue Zweikoordinatenmeßeinrichtungen verfugen mußten. Sinngemäß können diese Einrichtungen natürlich auch für die zweidimensionale Vermessung der Strukturen mikroelektronischer Schaltkreise verwendet werden. Auf dem Gebiet der Dreikoordinatenmeßtechnik ist in den vergangenen Jahren durch die Entwicklung der inkrementalen 3D-Koordinatenmeßmaschinen eine neue Generation von Meßgeräten entstanden, mit denen komplexe Meßaufgaben an Werkstücken gelöst werden können. Hier ergibt sich die Notwendigkeit, das 3D-Meßsystem an der fertigen Meßmaschine zu kalibrieren. Ähnliche 3D-Meßaufgaben ergeben sich aus dem Einsatz der Robotertechnik in den Gebieten der Mikroelektronik und des feinmechanisch-optischen Präzisionsgerätebaus. Hier sind Positionierungen der Roboterhand im μηΊ-Bereich erforderlich, die in einer offenen Steuerkette aufgrund des in den Gelenken der Roboter stets vorhandenen Spiels nicht oder nur unzureichend durchgeführt werden können. Zur Lösung derartiger Meßaufgaben ist der Einsatz eines interferometrischen 3D-Meßsystems an der Roboterhand oder zur Kalibrierung des Programmablaufs unerläßlich.Multi-coordinate measuring devices are used in many manufacturing sectors of the national economy for measuring and control processes. As two-coordinate measuring devices, they have always been used for adjustable microscope stages and (x.y) coordinate measuring machines. A new field of application has been added by the development of microelectronics in that the repeat process required two-coordinate positioning devices which had to have high-precision two-coordinate measuring devices. Naturally, these devices can of course also be used for the two-dimensional measurement of the structures of microelectronic circuits. In the field of three-coordinate measuring technology, the development of incremental 3D coordinate measuring machines has in recent years given rise to a new generation of measuring instruments with which complex measuring tasks on workpieces can be achieved. Here arises the need to calibrate the 3D measuring system on the finished measuring machine. Similar 3D measurement tasks result from the use of robotics in the fields of microelectronics and precision engineering optical precision equipment. Positioning of the robot hand in the μηΊ range is required here, which can not be performed in an open timing chain due to the play that is always present in the joints of the robots, or can only be performed inadequately. To solve such measurement tasks, the use of an interferometric 3D measuring system on the robot hand or for calibrating the program sequence is essential. Weiterhin sind neuere Entwicklungen zu einem Oberflächenmotor bekannt, bei dem ein Objekttisch in einer Ebene durch Magnetfelder verschoben wird. Im Unterschied zu anderen (x.yJ-Verschiebeeinrichtungen verfügt dieser Oberflächenmotor nicht über zwei getrennte und sich in übereinanderliegenden Ebenen befindliche karthesische (x,y)-Führungen, sondern der Objekttisch gleitet vorwiegend translatorisch auf einer Ebene und kann in dieser Ebene willkürlich verschoben werden. Wenn die Bewegung dieses Objekttisches interferometrisch meßbar gemacht wird, kann er als schnelle und hochpräzise Positioniereinrichtung verwendet werden.Furthermore, more recent developments are known to a surface engine, in which a stage in a plane is displaced by magnetic fields. In contrast to other (x.yJ-displacement devices, this surface motor does not have two separate Cartesian (x, y) guides in superimposed planes, but the stage slides predominantly translationally on one plane and can be moved arbitrarily in this plane. If the movement of this object table is made interferometrically measurable, it can be used as a fast and high-precision positioning device. Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions Es sind Interferometer für zweidimensionale Längenmessungen bekannt, z. B. DE-PS 21 64 898, DE-OS 1 673 843 und Jen. Rundschau, 22 (1977), H. 4, S. 159—166. Diesen interferometrischen Zweikoordinatenmeßeinrichtungen ist gemeinsam, daß die Verschiebung des Objekttisches in der Ebene abgeleitet wird aus zwei translatorischen und senkrecht zueinander erfolgenden Verschiebungen. Diese Verschiebungen werden durch zwei getrennte und sich in übereinanderliegenden Ebenen befindlichen lineare (x,y-)-Führungssysteme erzeugt. Für jede Verschieberichtung ist jeweils ein Interferometer zur Wegmessung vorhanden und so angeordnet, daß der Meßstrahl des Interferometers in die Führungsrichtung fällt und auf ein kippinvariantes reflektierendes Element, i. a. einen Tripelreflektor, auftrifft und von dort in das Interferometer zurückgeworfen wird. Voraussetzung für eine präzise Messung bzw. Positionierung ist, daß die Meßstrahlen beider Interferometer exakt senkrecht aufeinander stehen. Die Einhaltung dieser Forderung ist aber im fertigen Betriebszustand eines solchen Zweikoordinatenmeßsystems schwer zu kontrollieren, da die Meßstrahlen für eine solche Prüfung nicht frei zugänglich sind. Ein weiterer Nachteil dieses Systems ergibt sich daraus, daß jede mechanische Führung mit einem Führungsspiel behaftet ist und dieses Führungsspiel Kippungen gegenüber der Führungsrichtung verursacht. Im vorliegenden Falle bedeutet das, daß Kippungen, die durch Bewegung des Oberschlittens verursacht werden, in bezug auf die Koordinatenrichtung des Unterschlittens zu Fehlern erster Ordnung führen.There are known interferometer for two-dimensional length measurements, z. For example, DE-PS 21 64 898, DE-OS 1 673 843 and Jen. Rundschau, 22 (1977), H. 4, pp. 159-166. These interferometric two-coordinate measuring devices have in common that the displacement of the object table in the plane is derived from two translational and mutually perpendicular displacements. These displacements are generated by two separate linear (x, y) guiding systems located on superimposed planes. For each displacement direction, an interferometer for measuring distance is present in each case and arranged so that the measuring beam of the interferometer falls in the guide direction and on a kippinvariantes reflective element, i. a. a triple reflector, impinges and thrown back into the interferometer. Precondition for a precise measurement or positioning is that the measuring beams of both interferometers are exactly perpendicular to each other. However, compliance with this requirement is difficult to control in the finished operating state of such a two-coordinate measuring system, since the measuring beams are not freely accessible for such testing. Another disadvantage of this system results from the fact that each mechanical guide is subject to a guide game and this guide game causes tilting with respect to the guide direction. In the present case, this means that tilts caused by movement of the upper slide lead to first-order errors with respect to the coordinate direction of the sub-tray. In Jen. Rundschau, 22 (1977), H. 4, S. 168-174 wird über eine (x,y)-Positioniereinrichtung berichtet, bestehend aus zwei Antriebsschlitten, die jeweils in (x,y-)Koordinaten bewegt werden. Im Unterschied zu den vorgenannten Meßsystemen werden jedoch hier zur interferometrischen Wegmessung als reflektierende optische Elemente im Meßarm der Interferometer auf dem Arbeitstisch befestigte hochebene Winkelspiegelleisten verwendet. Um jedoch Kippungen der ebenen Meßspiegel zu vermeiden, die unweigerlich zu Fehlen: ':>< :-< der inkrementalen Abtastung der im Interferometer erzeugten Interferenzstruktur führen würden, müssen „Arbeitstisch und Antriebsschlitten einseitig in horizontaler und vertikaler Richtung durch Wälzlager höchster.Präzision geführt" werden.In Jen. Rundschau, 22 (1977), H. 4, pp. 168-174 is reported on a (x, y) -positioning device, consisting of two drive carriages, which are respectively moved in (x, y) coordinates. In contrast to the aforementioned measuring systems, however, high-level angle mirror strips mounted on the work table are used here for the interferometric distance measurement as reflective optical elements in the measuring arm of the interferometer. However, in order to avoid tilting of the plane measuring mirrors, which would inevitably lead to absence of the incremental scanning of the interferential structure produced in the interferometer, "work table and drive carriage must be guided unilaterally in horizontal and vertical direction by rolling bearings of the highest precision." become. Es wurde bereits ein Interferometer, insbesondere zur inkrementalen Abtastung veränderlicher Interferenzstrukturen, vorgeschlagen, bei dem sich zwischen dem Interferometerteiler und dem Strahlteiler eine Blende befindet und der Strahl durch die Blende im Strahlteiler in Teilstrahlen geteilt wird und in den Strahlwegen dieser Teilstrahlen je ein fotoelektrischer Empfänger angeordnet ist. Weiterhin befindet sich zwischen dem Interferometerteiler und dem Strahlteiler ein erster Strahlspalter und diesem nachgef jhaltet ein zweiter Strahlspalter und der in den zweiten Strahlspalter eintretende Strahl wird in Teilstrahlen gespalten und in den Strahlwegen dieser Teilstrahlen ist je eine zellenförmige Anordnung aus integrierten fotoelektrischen Abtastelementen angeordnet und die Richtungen beider Zeilen stehen senkrecht aufeinander.An interferometer has already been proposed, in particular for the incremental scanning of variable interference structures, in which a diaphragm is located between the interferometer splitter and the beam splitter and the beam is divided into partial beams by the diaphragm in the beam splitter and a respective photoelectric receiver is arranged in the beam paths of these partial beams is. Furthermore, located between the interferometer and the beam splitter, a first beam splitter and this nachgef jhaltet a second beam splitter and the beam entering into the second beam splitter is split into sub-beams and in the beam paths of these sub-beams each have a cellular arrangement of integrated photoelectric sensing elements is arranged and the directions both lines are perpendicular to each other. Ziel der ErfindungObject of the invention Ziel der Erfindung ist es, eine interferometrische Mehrkoordinatenmeßeinrichtung zu schaffen, die trotz wesentlich entfeinerten konstruktiv-technologischen Aufwandes der Führungssysteme für das Arbeitsmittel ein Höchstmaß an Meßgenauigkeit garantiert. Weiterhin wird durch die vorgeschlagene Lösung die interferometrisch-inkrementaie Messung in translatorisch bewegten, aber nicht in getrennten karthesischen Koordinaten geführten Antriebssystemen überhaupt erst möglich gemacht.The aim of the invention is to provide an interferometric Mehrkoordinatenmeßeinrichtung that guarantees a maximum degree of accuracy despite much less sophisticated constructive-technological effort of the guide systems for the working fluid. Furthermore, the proposed solution makes the interferometric-incremental measurement in translationally moving, but not in separate Cartesian coordinates guided drive systems possible in the first place.
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