DD248865A1

DD248865A1 - Verfahren und einrichtung zum messen von laengen an messobjekten

Info

Publication number: DD248865A1
Application number: DD28990486A
Authority: DD
Inventors: Joachim Freitag; Gerd Schuchardt
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1986-05-05
Filing date: 1986-05-05
Publication date: 1987-08-19

Abstract

Die Erfindung dient zum Messen und Einstellen von Laengen, vorzugsweise an Messmaschinen und Werkzeugmaschinen im Mikrometerbereich. Ziel ist es, mit geringem Aufwand die Messgenauigkeit zu verbessern. Als Aufgabe steht eine Loesung zu finden, bei der der Einfluss der Stoergroesse Temperatur auf das Messergebnis minimiert ist, wobei die Temperatur an keiner Stelle der Einrichtung erfasst werden muss. Die Erfindung besteht darin, dass die Empfaengeranordnungen von zwei Abtasteinrichtungen fuer einen Rastermassstab sich auf Materialien befinden, die sich in Laengenausdehnungskoeffizienten wesentlich voneinander unterscheiden und dass der daraus resultierende Anzeigenunterschied am Ausgang von Auswerteeinrichtungen der Abtasteinrichtungen in einer gemeinsamen Korrektureinrichtung zu einem quasi fehlerfreien Messwert verarbeitet wird. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Messen und Einstellen von Längen, vorzugsweise an Meßmaschinen und Werkzeugmaschinen im Mikrometerbereich.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt sind translatorische inkrementale Meßsysteme, die aus einer Rasterteilung auf einem Teilungsträger, einer Abtasteinrichtung mit mindestens zwei Empfängeranordnungen und aus einer Auswerteeinrichtung bestehen, wobei die beiden Empfängeranordnungen zueinander einen hochgenauen und hochkonstanten Abstand aufweisen und dieser Abstand als Maßverkörperung dient. Die Rasterteilung stellt dabei ein Stützstellensystem dar, wobei den Stützstellen während der Messung die eigentlichen metrologischen Informationen zugewiesen werden. Dies erfolgt, indem mittels der zweiten Empfängeranordnung ein Korrekturwert ermittelt und dieser ausgewertet wird und die von der Einrichtung ausgegebene Sekundärfolge aus der Primärfolge unter Einbeziehung der ausgewerteten Korrekturwerte gebildet wird (ODWP 225497) A1. Infolge des hochkonstanten Basis-Abstandes ist ein solches System, ähnlich einem brechzahlkorrigierten Laser-Wegmeßsystem, ein absolut messendes System, das heißt, unabhängig von der Umgebungstemperatur wird hier die Position gemäß dem metrologischen Sollwert realisiert.

Im Gegensatz dazu sind die Längenmaße am Werkstück temperaturabhängig.

Dieses unterschiedliche Verhalten von Absolut-Meßsystem und Werkstück gegenüber der Störgröße Temperatur ist bei vielen Anwendungsfällen nicht vorteilhaft, weil entweder am Werkstück ein thermisch bedingter Meß- bzw. Bearbeitungsfehler entsteht, oder zur Vermeidung desselben die Störgröße Temperatur explizit ermittelt und berücksichtigt werden muß.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, mit geringem Aufwand die Meßgenauigkeit von Längenmeßsystemen zu verbessern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben und eine Einrichtung zu entwickeln, die den Einfluß der Störgröße Temperatur auf das Meßergebnte minimieren, wobei die Temperatur an keiner Stelle der Einrichtung erfaßt werden

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Einrichtung nach Anspruch 3.

Die erfindungsgemäße Lösung hat gegenüber konventionellen translatorischen Meßsystemen, bei denen zur Verminderung der Temperatureinflüsse der Teilungsträger aus einem Material gefertigt ist, dessen Längenausdehnungskoeffizient gleich dem des Meßobjektes ist, den Vorteil, daß derTeilungsfehler der Rasterteilung und damit auch seine thermisch bedingte Komponente nicht in die Positionsgenauigkeit des Systems eingeht.

Dadurch, daß die definierten Abstände der Empfängeranordnungen als Basis A aus einem Material realisiert sind, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient α ist, erreicht man über die funktionsgemäße quasi kettenmaßartige Aneinanderreihung dieser Basis A über der Meßlänge den Effekt, daß das System bezüglich thermischer Störgrößen so wirkt, als ob es über der gesamten Meßlänge aus einer Meßverkörperung aus einem Material mit diesem Ausdehnungskoeffizienten bestehen würde.

Solch ein Meßsystem mit einer Abtasteinrichtung mit der Basis A1 aus einem Material mit dem Ausdehnungskoeffizienten α, hat bei einer Übertemperatur von ΔΤ an einer Stelle X₀, bezogen auf einen Ursprung χ = O, folgenden Meßfehler:

Δχ, = X₀ · α, · ΔΤ (Gleichung 1)

Das Werkstück mit seinem Ausdehnungskoeffizienten a_w hat unter den gleichen Bedingungen folgende Ausdehnung:

AXw = Xo «w ΔΤ (Gleichung 2)

Um die Aufgabe der Erfindung zu lösen, müßte ein korrigiertes Meßsystem ebenfalls einen Meßfehler iXw haben.

Dies wird erreicht, indem man zum Ausgangssignal X₁ der Abtasteinrichtung 1 mit ihrer Auswerteeinrichtung 1, dessen Fehler Gleichung 1 angibt, die Korrekturgröße KORR

KORR = (OVv-O₁I-Xo-AT (Gleichung 3)

hinzufügt. Dazu müßte jedoch, wie bisher üblich, die Größe ΔΤ mittels einer Temperaturmeßeinrichtung erfaßt werden. Dann ist Ax_KOrr = Ax₁ + KORR = a„ X₀ ΔΤ = Ax_w.

Erfindungsgemäß wird nun jedoch eine zweite Abtasteinrichtung vor oder hinter der ersten fest angeordnet, bei der die Basis A2 aus einem Material mit dem Ausdehnungskoeffizienten a₂ besteht, wobei vorteilhafterweise die Differenz zwischen α-, und a₂ groß gewählt wird. Diese zweite Abtasteinrichtung hat dann analog zu Gleichung 1 folgenden Meßfehler:

Ax₂ = X₀ «2 · AT . (Gleichung 4)

Durch Subtraktion von Gleichungen 4 und 1 läßt sich nun die Größe ΔΤ darstellen als:

_ΔΤ= Ax₂ - Ax₁

(α₂ - Ci₁) · X₀

Damit ergibt sich für die notwendige Größe KORR nach Gleichung 3

_K0RR= ₌v^,,_u Gleichung 5

\a₂ - <*i) a₂ - αϊ

Das heißt, es ist nicht mehr die Größe AT zu ermitteln, sondern aus dem Anzeigenunterschied U = Ax₂ - Ax, der beiden Auswerteeinrichtungen der beiden Abtasteinrichtungen ergibt sich durch Multiplikation mit einer festen Zahl die richtige Korrekturgröße. Diese feste Zahl

a₂ - α,

enthalt die Größe a_w, die in Abhängigkeit vom Werkstück als Eingabegröße der Korrekturstufe einzugeben ist, wodurch die gesamte Einrichtung universell für alle Werkstoffarten anpaßbar ist. Um also das Signal KORR zu bilden und mit dem Signal Χι zu addieren, benötigt die Korrekturstufe also als Eingangsgrößen nur die Ausgangsgrößen X₁ und X₂ der Auswerteeinrichtungen, die Konstanten α_Ί und a₂ sowie die Eingabekonstante a_w.

Durch geeignete konstruktive Gestaltung der Abtasteinrichtung, die die Basis A enthält, kann außerdem die thermische Zeitkonstante für die vergegenständlichte Basis A an die der Werkstücke angeglichen werden. Dazu kann man zum Beispiel die gesamte Abtasteinrichtung definiert thermisch isolieren.

Dadurch kann der oben genannte vorteilhafte Effekt auch bei zeitlichen Temperaturänderungen optimal umgesetzt werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung bezüglich der Auswertung der Zählimpulse ergibt sich aus Unteranspruch 2.

Ausführungsbeispiel

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Fig. 1 zeigt ein Schema der erfindungsgemäßen Einrichtung. Sie besteht aus einem Teilungsträger 1, auf dem eine Rasterteilung 2 aufgebracht ist, deren Längsrichtung zur Meßrichtung χ und zur Längsrichtung eines zu messenden Werkstückes 3 parallel liegt. Parallel zur Rasterteilung 2 und in Meßrichtung χ hintereinander angeordnet, sind zwei Abtasteinrichtungen 4, 5 vorgesehen, die je zwei in Längsrichtung der Rasterteilung 2 liegende Empfängeranordnung 6, 7 und 8, 9 enthalten. Die Abtasteinrichtungen 4 und 5, beziehungsweise die Empfängeranordnungen 6,7,8 und 9, haben einen festen, definierten Abstand zueinander. Der Abstand A1 der Empfängeranordnungen 6 und 7 wird durch ein Material, wie zum Beispiel Quarzglas, mit dem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten Ct₁ und der Abstand A2 der Empfängeranordnungen 8 und 9 durch ein Material, wie zum Beispiel Flintglas, mit dem Längenausdehnungskoeffizienten a₂ vergegenständlicht. An die Abtasteinrichtungen 4 und 5 sind jeweils Auswerteeinrichtungen 10 und 11 angeschlossen, die mit einer gemeinsamen Korrektureinrichtung 12 in Verbindung stehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit dieser Einrichtung wie folgt durchführen:

Die Meßsignale X₁ und X₂ der Abtasteinrichtungen 4 und 5 werden den Auswerteeinrichtungen 10 und 11 zugeführt.

Auf Grund der Verwendung von Basismaterialien mit sich wesentlich voneinander unterscheidenden Längenausdehnungskoeffizienten α, und a₂ entsteh't bezüglich eines gemeinsamen Anfangsmaßes ein Anzeigeunterschied U an den Ausgängen der Auswerteeinrichtungen 10 und 11.

In der Korrektureinrichtung 12 wird zunächst die Differenz (x₂ - X₁) der Meßwerte, die in Form von Zählimpulsen die gemessene Länge verkörpern, aus den Ausgangssignalen X₁, X₂ der Auswerteeinrichtungen gebildet. Weiterhin wird in der Korrektureinrichtung 12 das Produkt dieser Differenz mit der Differenz (a_w — <*i) der vorher eingegebenen Längenausdehnungskoeffizienten a_w, ^₁ und a₂ gebildet. a_w entspricht dabei dem Längenausdehnungskoeffizienten des Werkstücks 3.

Im weiteren erfolgt in der Korrektureinrichtung 12 eine Division des bisher ermittelten Terms durch die Differenz der Längenausdehnungskoeffizienten a₂ und Ct₁. Zur Ermittlung des endgültigen korrigierten Meßwertes Xkorr wird dieser Quotient auf das Längeninkrement der Meßeinrichtung gequantelt und es werden jeweils beim Erreichen einer K-ten Stelle so viele Korrekturimpulse zur Zählimpulsfolge der ersten Auswerteeinrichtung 10 hinzugefügt oder unterdrückt, wie sich der gequantelte Quotient an der K-ten Stelle gegenüber der (K-1 )-ten Stelle verändert hat. Die Stellen, an denen eine derartige Korrektur vorgenommen wird, können vorteilhaft einen Abstand haben, der dem Abstand A1 der Empfängeranordnungen 6 und 7 gleich

Das Meßverfahren kann in der Meßgenauigkeit noch gesteigert werden, wenn die Einrichtung konstruktiv so gestaltet ist, daß die die Abstände A1 und A2 verkörpernden Materialien die gleiche thermische Zeitkonstante wie das Meßobjekt 3 haben.

Claims

1. Verfahren zum Messen von Längen an Meßobjekten, bei dem eine auf einem Teilungsträger befindliche Rasterteilung von zwei Abtasteinrichtungen abgetastet wird, wobei die Abtasteinrichtungen in Längsrichtung der Rasterteilung in einem festen Abstand hintereinander angeordnet sind und jede Abtasteinrichtung mindestens zwei in Längsrichtung der Rasterteilung liegende Empfängeranordnungen enthält, die sich auf einem Material mit definierten Längenausdehnungskoeffizienten befinden und deren definierte Abständezueinander die Basisfür den metrologischen Anschluß der Meßeinrichtung bilden, und bei dem die Signale aus den Abtasteinrichtungen jeweils in einer Auswerteeinrichtung zu Zählimpulsen weiterverarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß Materialien, auf denen sich die Empfängeranordnungen befinden, verwendet werden, deren Längenausdehnungskoeffizienten je Abtasteinrichtung sich wesentlich voneinander unterscheiden, daß die Signale der Auswerteeinrichtungen einer gemeinsamen Korrektureinrichtung zugeführt werden, in der fortlaufend an einer K-ten Stelle der Abtasteinrichtungen bezüglich der Rasterteilung die Differenz der Meßwerte aus den Ausgangssignalen der Auswerteeinrichtungen gebildet wird, in der diese Differenz mit der Differenz aus dem Längenausdehnungskoeffizienten des Meßobjektes und dem Längenausdehnungskoeffizienten des Materials, auf dem die Empfängeranordnungen der ersten Abtasteinrichtung befestigt sind, multipliziert wird, in der weiterhin eine Division durch die Differenz der Längenausdehungskoeffizienten der Materialien der Abtasteinrichtungen, auf denen die Empfängeranordnungen befestigt sind, erfolgt, und in der dieser Quotient auf das Längeninkrement der Meßeinrichtung gequantelt wird, und jeweils beim Erreichen einer K-ten Stelle so viele Korrekturimpulse zur Zählimpulsfolge der ersten Auswerteeinrichtung hinzugefügt oder unterdrückt werden, wie sich der gequantelte Quotient an der K-ten Stelle gegenüber der (K-1 )-ten Stelle verändert hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung von Ausgangssignalen an den Auswerteeinrichtungen an solchen Stellen der Abtasteinrichtungen bezüglich der Rasterteilung erfolgt, die einen Abstand haben, der gleich dem Abstand dertmpfängeranordnungen der ersten Abtasteinrichtung ist.

3. Einrichtung zum Messen der Längen an Meßobjekten, bestehend aus einem Teilungsträger mit einer Rasterteilung, dessen Längsrichtung zur Richtung der zu messenden Länge am Meßobjekt parallel liegt, weiterhin bestehend aus zwei Abtasteinrichtungen, die in Längsrichtung der Rasterteilung in einem festen Abstand, parallel zur Rasterteilung hintereinander angeordnet sind, wobei jede Abtasteinrichtung mindestens zwei in Längsrichtung der Rasterteilung liegende Empfängeranordnungen enthält, die sich auf Material mit definierten Längenausdehnungskoeffizienten in definierten Abständen befinden, und bestehend aus zwei Auswerteeinrichtungen, die jeweils mit den Abtasteinrichtungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenausdehnungskoeffizienten der Materialien, auf denen die Empfängeranordnungen befinden, sich wesentlich voneinander unterscheiden, und daß die Ausgänge der Abtasteinrichtungen mit einer gemeinsamen Korrektureinrichtung verbunden sind, die die temperaturbedingten Differenzen der Längenmeßwerte der Abtasteinrichtung verarbeitet.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Abstände der Empfängeranordnungen verkörpernden Materialien die gleiche thermische Zeitkonstante wie das Meßobjekt haben.

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