DE19712953A1 - Verfahren zur Bestimmung und Erfassung von hochgenauen Meßwerten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und Erfas­ sung von hochgenauen Meßwerten eines Maßstabes einer Meßein­ richtung.

Solche Maßstäbe von Meßeinrichtungen dienen der Längenmessung und sind aus dem Stand der Technik in vielfältiger Ausgestal­ tung und Anwendung bekannt. So beschreibt beispielsweise die DE 40 06 776 C1 ein mechanisches Meßwerkzeug zur Längenmessung, welches als ein Meßschieber aufgebaut ist und eine gerade, prismatische Schiene aufweist, auf der ein Schieber als Meß­ wertaufnehmer spielfrei gleitend geführt ist. Die Schiene, oder auch Stab oder dergleichen, besitzt auf ihrer Oberseite ein Strichgitter, welches mit einer in dem Schieber untergebrachten elektronischen Anzeigeeinrichtung mit digitaler Ziffernanzeige zusammenwirkt. Die Schiene wird in ihrer Gesamtheit zusammen mit dem aufgetragenen oder aufgeklebten Strichgitter als Maß­ stab bezeichnet.

Trotz der guten Handhabung und der vielfältigen Einsatzmöglich­ keiten haftet einer vorstehend geschilderten Meßeinrichtung der Nachteil an, daß die Anforderungen an die Meßgenauigkeit oft unzureichend sind, weil das Zusammenspiel zwischen Maßstab und Meßwertaufnehmer (Schieber) individuelle Ungenauigkeiten zu­ läßt. Nur mit einem in der Herstellung und Montage von Maßstä­ ben und Meßwertaufnehmern wirtschaftlich nicht mehr zu recht­ fertigenden Aufwand ließen sich solche Meßungenauigkeiten teil­ weise beheben.

Die EP 0 461 300 A1 offenbart ein Verfahren und eine elektroni­ sche Schieblehre zum Messen einer Länge. Auch hier ist wieder in üblicher Weise ein Stab mit einer Längsmarkierung als Maß­ stab eingesetzt, auf dem ein Schieber oder Läufer als Meßwert­ aufnehmer längsverschieblich angeordnet ist. Der Meßwertauf­ nehmer besitzt zwei in Längsrichtung gegeneinander versetzte Sensoren, so daß die von den Sensoren erzeugten Signale in ih­ ren Nulldurchgängen nicht zusammenfallen. Um die Längen auch bei erheblicher Drift der Gleichspannungssignale messen zu kön­ nen, werden die Nulldurchgänge der Signale dadurch ermittelt, daß zunächst die Maximal- und die Minimalwerte der Signalwerte ermittelt und die Nulldurchgänge dann als arithmetischer Mit­ telwert bestimmt werden. Durch Mittelung einer größeren Anzahl von Nulldurchgängen wird dann der jeweilige Nullpegel ermit­ telt. Gleichspannungskomponenten und kurzzeitige Störungen spielen keine Rolle mehr, weil die Maximal- und die Minimal­ werte bei den gemessenen Signalen immer charakteristisch her­ vortreten. Es findet also eine relativ sichere und zuverlässige Verarbeitung der Sensorsignale statt, wodurch insgesamt die Meßgenauigkeit erhöht wird.

Aber auch dieser geschilderten Meßeinrichtung haftet trotz der verbesserten Meßgenauigkeit der Nachteil an, daß der Grundfeh­ ler, nämlich die durch das Zusammenwirken von Maßstab und Meß­ wertaufnehmer auftretenden Meßungenauigkeiten, nicht behoben sind.

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik ist es deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs dargestellten Art zu schaffen, welches durch ein Korrektursystem eine deut­ lich höhere Meßgenauigkeit bei Meßeinrichtungen mit Maßstäben zur Längenmessung bringt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausge­ staltungen dieser im Patentanspruch 1 genannten Lösung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung handelt es sich um ein Korrek­ tursystem an Maßstäben der unterschiedlichsten Längenmeßsyste­ me. Dadurch wird die Meßgenauigkeit auf die in der heutigen Technik geforderten Werte erreicht, indem der Grundbaustein von Meßeinrichtungen in eine höhere Qualität gebracht wird. Durch diese erhöhte Grundgenauigkeit, die mit einfachen technischen Mitteln und wirtschaftlich sinnvoll erzielbar ist und den Maß­ stab und den Meßwertaufnehmer gleichermaßen betrifft, werden hochgenaue Meßwerte als Ergebnis einer Messung von Werkstücken erreicht.

Von einem fixen Nullpunkt aus werden auf dem Maßstab in extrem kleinen Schritten von 0,001 mm, 0,01 mm oder 0,1 mm die Daten des Verfahrweges des Meßwertaufnehmers auf dem Maßstab ausgele­ sen. Statt der genannten Schritte sind natürlich auch Zwischen­ werte und andere Abstufungen möglich. Die jeweiligen Daten wer­ den in einer elektronischen Ziffernanzeige (Display) angezeigt. Gleichzeitig wird auf dem zu korrigierenden Meßsystem aus Maß­ stab und Meßwertaufnehmer als Referenzsystem ein HeNe-Laserin­ terferometer oder ein anderes geeignetes Hochpräzisionsmeßgerät angebracht, welches die Schritte des Verfahrweges parallel ver­ mißt. Die erfaßten Differenzen zum Referenzsystem werden in einem geeigneten Medium, wie einem Chip oder dergleichen, ge­ speichert.

Nach dem Vermessen des gesamten Meßsystems werden die Korrek­ turwerte über einen Korrekturrechner dem Meßsystem als Korrek­ turdaten präzise der jeweiligen Meßposition zugeführt.

Der fixe Nullpunkt wird jeweils nach dem Einschalten der Meß­ einrichtung angetastet, damit das Meßsystem aus Maßstab und Meßwertaufnehmer seine Position erkennt, und anschließend an jeder Position genullt. Das Display zeigt nun die korrigierten, hochgenauen Meßwerte an.

Von Bedeutung bei diesem Korrektursystem ist auch die Erfassung von Klimawerten durch geeignete Sensoren und deren entsprechende Auswertung und Verarbeitung, wodurch die Meßergebnisse unabhän­ gig von Temperatur- oder Feuchteschwankungen hochgenau angege­ ben werden. Die Sensoren können sowohl die Temperatur der Meß­ einrichtung als auch die der Werkstücke erfassen.

In der Zeichnung ist ein Beispiel der Erfindung schematisch und nur auf das Wesentliche bezogen dargestellt.

Ein Maßstab 1 einer Längenmeßeinrichtung steht mit einem Meß­ wertaufnehmer 2 in einer Wirkverbindung, um die auf dem Maßstab 1 aufgetragene Längenmarkierung 7 (Strichgitter) bei entspre­ chender Verschiebung als ein Maß des Verfahr- oder Verschiebe­ weges aufzunehmen. Der Meßwertaufnehmer 2 ist dabei in beiden Richtungen auf dem Maßstab 1 gleitend verschiebbar. Mit dem Meßwertaufnehmer 2 ist eine elektronische Anzeige 3 verbunden, die im Beispiel als digitale Ziffernanzeige 10 in bekannter Sieben-Segment-Technik dargestellt ist. Auf diese Weise werden in üblicher Art die von dem Meßwertaufnehmer 2 aufgenommenen Verfahrwege als Meßwerte dem Bediener angezeigt. Die Umsetzung der Längenmarkierung 7 des Maßstabes 1 in die richtigen Meßwer­ te erfolgt durch einen im Meßwertaufnehmer 2 angeschlossenen Rechner 8 mit Zählwerk (Addierer). Durch geeignete Einrichtun­ gen werden auch die Richtungen des Verfahrweges erkannt und in positive oder negative Meßwerte zum richtigen Endmaß verrech­ net.

An den Meßwertaufnehmer 2 der Meßeinrichtung ist ein Reflektor 4 eines HeNe-Laserinterferometers 5 mechanisch in der Weise an­ gebunden, daß gleichzeitig mit der Verschiebung des Meßwertauf­ nehmers 2 auf dem Maßstab 1 eine parallele Verschiebung des Re­ flektors 4 des Laserinterferometers 5 stattfindet. Das Laserin­ terferometer 5 ist also als zweites, hochpräzises Meßgerät ein­ gesetzt und erfaßt die gleichen Verfahrwege und Maßstabsposi­ tionen wie der Meßwertaufnehmer 2 (auch Meßkopf genannt) der Meßeinrichtung.

Die Bestimmung und Erfassung von hochgenauen Meßwerten ge­ schieht nun dadurch, daß der Meßwertaufnehmer 2 auf einen fe­ sten Nullpunkt 6 auf dem Maßstab 1 eingestellt wird. Von diesem festen Nullpunkt 6 wird der Meßwertaufnehmer 2 auf dem Maßstab 1 verschoben, wobei die Meßdaten des Verfahr- oder Verschiebe­ weges in sehr kleinen Schritten von beispielsweise 0,001 mm, 0,01 mm oder 0,1 mm ausgelesen werden. Die von dem Meßwertauf­ nehmer 2 erreichten Meßdaten werden dem Bediener in der digita­ len Ziffernanzeige 3, 10 angezeigt.

Gleichzeitig ist auf dem zu korrigierenden Meßsystem aus Maß­ stab 1 und Meßwertaufnehmer 2 ein zweites Präzisionsmeßgerät 5, beispielsweise ein HeNe-Laserinterferometer, angebracht. Zu diesem Zweck ist der Reflektor 4 des Laserinterferometers 5 mit dem Meßwertaufnehmer 2 fest verbunden. Der Reflektor 4 steht mit dem HeNe-Laserinterferometer 5 durch die Strahlengänge 11 und 12 in Wirkverbindung. Der Aufbau und die Funktion des La­ serinterferometers 5 als Michelson-Interferometer sind aus der Praxis und Literatur allgemein bekannt, beispielsweise aus "Fertigungsmeßtechnik, 1984, Kapitel 7.1.2 Laserinterferometer als Meßsystem, H. Golüke, ab Seite 264". Deshalb wird an dieser Stelle auf eine nähere Beschreibung des Laserinterferometers verzichtet.

Durch die Verschiebung des Meßwertaufnehmers 2 auf dem Maßstab 1 wird parallel und gleichzeitig der Reflektor 4 verschoben, wodurch die zurückgelegte Meßstrecke über den Referenzstrahl 11 des Laserinterferometers 5 exakt und präzise zugeordnet zu je­ dem Längsmarkierungspunkt 7 des Maßstabes 1 vermessen wird. Dieser durch das Laserinterferometer 5 parallel zum Meßwertauf­ nehmer 2 ermittelte Meßwert wird als Referenzwert in einem Speicher 13 abgelegt und dem Rechner 8 als eine Meßgröße zu­ geführt. Der von dem Laserinterferometer 5 als zweites Präzi­ sionsmeßgerät ermittelte Meßwert sei 10,000, wie er im Speicher 13 dargestellt ist.

Gleichzeitig habe der Meßwertaufnehmer 2 an gleicher Maßstabs­ position den Meßwert: 10,008 erreicht, wie dies im Speicher 9 des Meßwertaufnehmers 2 dargestellt ist. Auch dieser Meßwert wird dem Rechner 8 zugeführt, der aus den gemessenen und abge­ speicherten Meßwerten das Korrekturdatum: 0,008 errechnet. Dieses Korrekturdatum gilt natürlich präzise zu einer bestimm­ ten Position des Meßwertaufnehmers 2 auf dem Maßstab 1, was durch den festen Nullpunkt bestimmt wurde. Der Rechner 8 er­ rechnet nunmehr aus dem Korrekturdatum 0,008 zu dem Meßwert 10,008 des Meßwertaufnehmers 2 den tatsächlichen, korrigierten und für die bestimmte Maßstabsposition hochgenauen Meßwert 10,000, der in der digitalen Ziffernanzeige 3, 10 dem Bediener angezeigt wird.

Bei dem oben geschilderten Verfahren handelt es sich im Prinzip um eine externe Korrekturdateneingabe zu einem bestehenden Meß­ system, um dadurch dem von seiner Herstellung ungenauen Meßsy­ stem eine höhere Genauigkeit zu verleihen.

Die in der Figur getrennt gezeichneten Speicher 9 und 13 können natürlich auch als ein Speicher ausgebildet sein, der von dem Rechner 8 oder allgemein einem Meßwertauswertesystem beauf­ schlagt wird.

Eine auch von schwankenden Klimabedingungen freie Meßwerterfas­ sung wird zudem dadurch erzielt, wenn ein Temperatursensor 14 die momentan herrschende Temperatur des Maßstabes 1 aufnimmt und dem Rechner 8 zur Kompensation und Ermittlung des realen Meßwertes zuführt. Gleichzeitig oder alternativ kann ein weite­ rer Sensor 15 auch die Temperatur des zu vermessenden Werk­ stückes aufnehmen und zur Kompensation an den Rechner 8 weiter­ geben. Auf diese Weise können auch andere beeinflussende Klima­ werte, wie beispielsweise die relative Luftfeuchte, erfaßt und berücksichtigt werden.

Das Verfahren zur Bestimmung und Erfassung von hochgenauen Meß­ werten ist an Maßstäben 1 von unterschiedlichen Meßeinrichtun­ gen anwendbar. Solche Einsatzgebiete sind insbesondere Meßmit­ tel, wie Meßuhren, Meßschieber und Mikrometer, aber auch Meßma­ schinen und Werkzeugmaschinen mit eingesetzten Maßstäben. Die Systeme der Maßstäbe 1 können ebenfalls vielfältig sein und beispielsweise kapazitive Systeme, Stahl- oder Glasmaßstäbe sein.

Sämtliche in der Figur dargestellten und in der Beschreibung sowie der Zusammenfassung erläuterten Einzelheiten sind für die Erfindung und die Bestimmung des Schutzumfanges wichtig.

Claims (6)

1. Verfahren zur Bestimmung und Erfassung von hochgenauen Meßwerten eines Maßstabes einer Meßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet,
daß die dem Maßstab (1) fest vorgegebenen Meßwerte positions­ genau durch ein zweites Präzisionsmeßsystem (5) überprüft wer­ den,
daß die so erhaltenen Differenzmeßwerte als Korrekturdaten gespeichert und jedem Meßwert auf dem Maßstab (1) positions­ genau zugeordnet werden,
und daß die so ermittelten hochgenauen Meßwerte einer Meßwert­ anzeige (3) zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß durch eine Meßwertaufnahme (2) von einem festen Nullpunkt (6) auf dem Maßstab (1) ausgehend in kleinen Schritten entlang des Verfahrweges auf dem Maßstab (1) die fest vorgegebenen Meßwerte ausgelesen werden,
daß parallel dazu das zweite Präzisionsmeßsystem (5) jeden der Schritte entlang des Verfahrweges auf dem Maßstab (1) eigen­ ständig vermißt,
daß aus den durch das zweite Präzisionsmeßsystem (5) erfaßten Meßwerten im Verhältnis zu den fest auf dem Maßstab (1) vorge­ gebenen Meßwerten Korrekturdaten ermittelt werden,
und daß die Korrekturdaten gespeichert und mit den von der Meß­ wertaufnahme (2) erfaßten Meßwerten präzise zur jeweiligen Meß­ position auf dem Maßstab (1) zu korrigierten hochgenauen Meß­ werten errechnet werden, die einer Meßwertanzeige (3, 10) zu­ geführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als zweites Präzisionsmeßsystem (5) ein Laserinterferometer eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Nullpunkt (6) auf dem Maßstab (1) nach jedem Ein­ schalten der Meßeinrichtung angetastet wird und anschließend an jeder Position auf dem Maßstab (1) genullt wird.

5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Sensor (14, 15) die jeweilige Temperatur und/oder die jeweilige relative Luftfeuchte erfaßt wird bzw. werden und die ermittelten Klimawerte einem Rechner (8) zur Kompensa­ tion und Korrektur der erfaßten Meßwerte zugeführt werden.

6. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5 an Maßstäben für Meßuhren, Meßschieber, Mikrometer, Meßgeräte und Meßmaschinen sowie Werkzeugmaschinen mit Maßstäben (1).