DE19828815A1 - Laserinterferometer zur zweiachsigen Positionsmessung von bewegten Maschinenkomponenten - Google Patents

Abstract

Das erfindungsgemäße Laserinterferometer zur zweiachsigen Positionsmessung von bewegten Maschinenkomponenten besteht aus zwei orthogonal zueinander fixierten Planspiegeln mit zugehörigen Interferometerkomponenten. Es kann zum einen als Wegmeßsystem für vorzugsweise zweiachsige Maschinen eingesetzt werden, und zum anderen zur Prüfung von zwei- und dreiachsigen Maschinen mit eigenen Wegmeßsystemen. DOLLAR A Die Planspiegelkonstruktion ist so ausgelegt, daß das Spiegelpaar in mindestens drei Stellungen in die Maschine, in der es als Wegmeßsystem dienen soll, eingebaut werden kann. In diesen Stellungen werden die Geradheitsabweichungen der Planspiegel und die Rechtwinkligkeitsabweichungen der Planspiegel zueinander auf Umschlag relativ zu den Maschinenachsen oder einem sonstigen zweidimensionalen reproduzierbaren (aber nicht selbst kalibrierten) Bezugssystem kalibriert. Bei diesem Umschlagverfahren werden die Geradheits- und Rechtwinkligkeitsabweichungen der Bewegungsachsen der Maschine rechnerisch eliminiert und so hochgenau die Geradheits- und Rechtwinkligkeitsabweichungen der Planspiegel bestimmt und bei Bedarf korrigiert. Das erfindungsgemäße auf Umschlag kalibrierte Interferometer ist somit genauer als bisher eingesetzte zweiachsige Interferometer, die mittels separater, extern kalibrierter Geradheits- und Rechtwinkligkeitsnormale kalibriert werden mußten. DOLLAR A Bei der erfindungsgemäßen Ausführung des Planspiegelpaares sind die Spiegel in einem Winkel von 90 DEG einander zugewandt. ...

Description

Zweiachsige Laserinterferometer werden als Längenmeßsysteme in hochgenauen Fertigungs-, Manipulations- und Meßmaschinen eingesetzt. Als Referenz enthalten sie in der Regel zwei orthogonal zueinander aufgebaute Planspiegel, die im allgemeinen in Form von massiven Winkelspiegeln (flache Quader mit zwei benachbarten, verspiegelten Flächen) realisiert sind (Fig. 1, Detail 1). Die Planspiegel repräsentieren zwei hochgenaue Geradheitsreferenzen und eine hochgenaue Rechtwinkligkeitsreferenz. Die beiden La­ serinterferometer (bestehend aus den Komponenten Laser, Detektor, Strahlteiler und zwei Tripelreflektoren), die die Planspiegel interferometrisch-optisch antasten, verkörpern dabei mit ihrer Laserfrequenz die Längeneinheit in zwei Achsen.

Die Genauigkeit des Meßsystems muß durch eine Kalibrierung z. B. für Justier- und Korrekturzwecke ermittelt werden. Über einen Wellenlängenvergleich mit einem Referenzla­ ser läßt sich die Laserfrequenz überprüfen. Die Geradheiten und die Rechtwinkligkeit des Winkelspiegels können mit bekannten Normalen kalibriert werden. Diese bestehen wie­ derum aus Geradheits- und Rechtwinkligkeitsverkörperungen und sind separat mit zusätz­ lichen Laserinterferometer-Meßsystemen anzutasten. Diese externe Kalibrierung durch Ver­ gleich mit bekannten Normalen und die Übertragung der Ergebnisse auf das maschinenei­ gene Laserinterferometer-Meßsystem führen im allgemeinen aber zu Genauigkeitsverlu­ sten.

Eine alternative Kalibriermethode besteht in der Verwendung von zweidimensionalen Normalen in Form von Strich-, Kreis-, oder Punkt-Rasterplatten. Durch die Kreuzungspunkte der Striche bzw. durch Punkt- oder Kreisstrukturen als Meßmarken auf den Platten reprä­ sentieren sie Geradheiten in zwei Achsen und eine Rechtwinkligkeit. Diese Meßmarken werden mit dem maschineneigenen, oder einem zusätzlich installierten, üblicherweise optischen Sensorsystem (z. B. Kamera) angetastet. Die Positionen der Meßmarken werden vor dem Kalibriervorgang oder auch in situ durch Anwendung von sogenannten Umschlagverfahren auf der Maschine selbst oder auf einer anderen Maschine kalibriert. Bei den bekannten Rasterplatten ist allerdings ein vollständiger Umschlag nicht möglich: es können nur Drehungen und Verschiebungen in der Rasterplattenebene durchgeführt werden. Eine exakte Spiegelung der Geradheitsabweichungen und damit eine Eliminierung dieser Abweichungen ist demnach ausgeschlossen. Lediglich die Rechtwinklig­ keitsabweichungen lassen sich durch die Drehung und Verschiebung der Rasterplatten be­ seitigen. Dies hat auch bei dieser Kalibriermethode eine begrenzte Genauigkeit der Kalibrierung des Gerätemeßsystems zur Folge. Außerdem ist durch die im allgemeinen erforderliche Verschiebung der Rasterplatte der Kalibrierbereich eingeschränkt.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein hochgenaues Laserinterfero­ meter zur zweiachsigen Positionsmessung von bewegten Maschinenkomponenten zu schaffen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß anstatt der nachteiligen exter­ nen Kalibrierung eine interne "Selbstkalibrierung auf Umschlag" durchgeführt wird. Dazu wird das Laserinterferometer so ausgelegt, daß der Winkelspiegel in der Maschine selbst in verschiedenen Lagen eingebaut werden kann. Es erfolgt eine vollständige Umschlagkalibrierung des Winkelspiegels in mindestens drei Lagen.

Die Erfindung und deren Vorteile werden nachfolgend anhand der Fig. 1-5 der bei­ gefügten Zeichnungen am Beispiel einer Meßmaschine beschrieben.

Fig. 1 ist die Prinzipskizze einer zweiachsigen Meßmaschine mit einem Laserinter­ ferometer-Meßsystem bestehend aus einem Winkelspiegel und zwei Lasermeßeinheiten (2) zur Messung der Tischverschiebungen.

Fig. 2 zeigt die Ausführung des Winkelspiegels mit zwei nach außen orientierten Plan­ spiegeln ("vom Meßvolumen weggewandt") mit zwei Laserinterferometereinheiten.

Fig. 3 zeigt den Ablauf des Umschlagverfahrens zur Kalibrierung des Winkelspie­ gels (z. B. auf der Maschine selbst durchgeführt, zu der der Winkelspiegel gehört).

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Winkelspiegels mit nach innen ori­ entierten Spiegelflächen ("zum Meßvolumen hingewandt").

Fig. 5 zeigt die Anwendung eines Winkelspiegels nach Fig. 4 zur Kalibrierung von mehrachsigen Meß-, Manipulations- und Bearbeitungsmaschinen.

Durch diese selbstkalibrierende Vorgehensweise lassen sich sowohl die Geradheits­ abweichungen als auch die Rechtwinkligkeitsabweichungen hochgenau meßtechnisch er­ mitteln [1].

Die zweiachsige Meßmaschine (Fig. 1) besteht neben dem Maschinengerüst aus ei­ nem Winkelspiegel (1) mit zwei nach außen orientierten Planspiegeln (1a) und (1b). Der Winkelspiegel ist fest verbunden mit dem Meßschlitten, der aus Vereinfachungsgründen nicht eingezeichnet ist. Dessen Bewegungen in der X- und Y- Richtung werden durch die Interferometerkomponenten (2) über die Laserstrahlen (3), die die Planspiegel (zwei orthogonale Planspiegel bilden einen Winkelspiegel) antasten, gemessen. Das zu messende Objekt wird auf dem auch den Winkelspiegel tragenden Meßschlitten befestigt und mit einem über dem Tisch angebrachten optischen Sensor (4) (z. B. einer Kamera) angetastet. Nach Fig. 2 umfassen die Interferometerkomponenten im einzelnen die Laserlichtquelle (2a), den Strahldetektor (2b), den Strahlteiler (2c) und zwei Tripelreflektoren (2d). Zusammen mit dem Winkelspiegel (1) stellen sie das zweiachsige Planspiegel-Laserinterferometer-Meßsystem dar.

Dieses Laserinterferometer-Meßsystem muß erfindungsgemäß einen vollständigen Umschlag des Winkelspiegels zulassen. Dies bedeutet, daß der Winkelspiegel durch Dre­ hung um 180° um seine x- und y- Achse umgeschlagen werden kann und seine Planspiegel so in verschiedenen Lagen und Orientierungen mit den maschineneigenen Interferometer­ komponenten im Bezug auf die natürlichen (mechanischen) Achsbewegungen gemessen werden können. Durch eine mathematische Auswertung, z. B. durch paarweise Mittelung dieser Messungen werden Garadheitsabweichungen und Rechtwinkligkeitsabweichungen der Bewegungsachsen der Maschine eliminiert. Das Umschlagverfahren liefert also die reinen Geradheitsabweichungen der Planspiegel (1a) und (1b) und deren Rechtwinkligkeitsabweichungen zueinander. Durch diese interne Kalibrierung läßt sich gegenüber Kalibrierungen im Bezug zu anderen extern kalibrierten Normalen eine erhebliche Genauigkeitssteigerung der Spiegelkalibrierung erreichen. Der Winkelspiegel wird erfindungsgemäß zu einem Primärnormal, die Kalibrierung ist eine Absolutkalibrierung. Voraussetzungen für die Anwendung dieses selbstkalibrierenden Verfahrens sind:

• - Es müssen nach Fig. 3 vier einachsige Laserinterferometer-Meßsysteme vorgesehen werden.
• - Der Winkelspiegel muß in der Geradheit der wirksamen Flächen und der Rechtwink­ ligkeit dieser Flächen zueinander trotz der Manipulationen beim Umschlagen stabil bleiben.
• - Die Geradheits- und Rechtwinkligkeitsabweichungen der maßgeblichen Maschinenfüh­ rungen müssen im angestrebten Rahmen der Meßunsicherheiten reproduzierbar sein.

Sollten die Führungen der Maschine nach Fig. 1 die letzte Bedingung nicht einhalten, ist erfindungsgemäß ein zusätzliches, reproduzierbar antastbares Referenzobjekt (5) (z. B. eine Strichgitterplatte) notwendig, das mit dem zweiachsigen Interferometer als Referenz gemessen wird und durch Umschlag des Winkelspiegels die Ermittlung der Geradheitsabweichungen und der Rechtwinkligkeitsabweichung des Winkelspiegels ermöglicht. Dieses Referenzobjekt braucht nicht umgeschlagen zu werden, da bereits der Winkelspiegel erfindungsgemäß umgeschlagen wird. Da jedoch eine 180 Drehung um die Flächennormale des plattenförmigen Referenzobjektes einfacher ist als die Drehung des Winkelspiegels, kann es günstig sein, erfindungsgemäß nur je einmal den Winkelspiegel umzuschlagen (Drehung um eine Spiegelnormale) und für eine oder beide Stellungen des Winkelspiegels wiederum das Referenzobjekt in einer 0° und einer 180°-Lage zu messen (kein Umdrehen auf die Rückseite des Referenzobjektes, da dies bei optischen Platten im Allgemeinen nicht möglich ist).

In Fig. 3 ist eine mögliche Umschlagvariante aufgezeigt. Der Winkelspiegel wird aus Symmetriegründen in vier Stellungen gemessen (drei Stellungen sind mindestens notwendig [1]). Bei der erfindungsgemäßen Verwendung von vier Interferometer- Meßsystemen (2) sind jeweils nur zwei Systeme aktiv. Wenn nur zwei Systeme existieren, muß für jede neue Stellung mindestens ein System für den Kalibrierprozeß nach Fig. 3 umgesetzt werden. Die Ausrichtung der optischen Achsen dieser Systeme muß lediglich die Funktion der Interferometer gewährleisten. Die Unsicherheit dieser Ausrichtung geht nur als Einfluß 2. Ordnung in das Meßergebnis ein. Gemäß Fig. 3 ergibt sich die Stellung 2 des Winkelspiegels aus dessen Stellung 1 durch 180°-Drehung um seine X-Achse. Die Stellung 3 des Winkelspiegels erhält man aus der Stellung 2 entsprechend durch 180°-Drehung um seine Y-Achse und Stellung 4 wird schließlich durch eine weitere 180°-Drehung um die X- Achse erreicht.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsvariante des Winkelspiegels ausgeführt. Hierbei sind die wirksamen Flächen des Planspiegelpaares (1a) und (1b) in einem Winkel von 90° einander zugewandt. Die notwendige Stabilität ihrer Lage zueinander kann z. B. durch seitli­ che Versteifung mit Platten (6) erreicht werden.

Erst die Ausführung des Winkelspiegels gemäß Fig. 4 schafft die Voraussetzung für den Einsatz von Planspiegel-Interferometer-Meßsystemen zur Kalibrierung mehrachsiger Meß-, Manipulations- und Bearbeitungsmaschinen, die selbst andere Wegmeßsysteme be­ sitzen können. Durch die spezielle Anordnung der Planspiegel können die übrigen Interfero­ meterkomponenten (2) für beide Achsen in enger Nachbarschaft angeordnet werden. Diese kompakte Einheit der Laserinterferometerkomponenten kann dann sehr einfach in die zu kalibrierende Maschine eingebaut werden. Um eine Verschiebung der Interferometerkomponenten normal und parallel zu jedem der Planspiegel durch den gesamten Verfahrbereich der zu kalibrierenden Maschine zu ermöglichen, müssen die Versteifungsplatten (6) dreieckförmig ausgebildet sein und die Planspiegel um die Abmessungen der Laser-Interferometerkomponenten über die Versteifungsplatten hinausstehen. Mindestens muß so eine L-förmige Bewegungsbahn möglich sein, wobei die Schenkel des "L" in ihren Längen den Verfahrweglängen in X und Y der Maschine entsprechen müssen.

Die Kalibrierung mehrachsiger Maschinen mit dem Interferometersystem nach Fig. 4 erfolgt durch die Messung des Winkelspiegels ähnlich wie ein Prüfkörper [2] in mehreren Lagen und Orientierungen im Meßvolumen der zu kalibrierenden Maschine (Fig. 5). Der Winkelspiegel selbst wird dazu nach dem oben beschriebenen Umschlagverfahren für die Geradheits- und Rechtwinkligkeitsabweichungen seiner Spiegelflächen kalibriert. Dies kann auf derselben Maschine geschehen, die zu kalibrieren ist, aber auch auf einer anderen ausreichend reproduzierbaren Maschine. Das Kalibrierverfahren für Mehrachsmaschinen unter Verwendung von zweiachsigen Normalen ist in [2] und [3] beschrieben; dort entspricht dem zweiachsige Interferometer eine sogenannte L- bzw. T-Platte mit Kugeln oder Löchern als Antast-Formelemente [3]. Im Unterschied zu einer Maschinenkalibrierung mit Kugel- oder Lochplatte ist die erfindungsgemäße Kalibrierung einer Maschine mit zweiachsigem Laserinterferometer nicht auf wenige Stützstellen beschränkt. Gegenüber den bekannten Kalibrierverfahren [2, 3] wird durch die quasi kontinuierliche Antastung der Spiegel mit La­ sermeßsystemen mit praktisch unendlich großer Meßpunktdichte sowie durch den direkten Einsatz von Laserinterferometern die Genauigkeit der Kalibrierung mehrachsiger Maschinen erheblich gesteigert.

Literatur zum Stand der Technik

[1] Trapet, E.; Wäldele, F.: Offenlegungsschrift DE 40 06 835.8, Verfahren zur Kalibrie­ rung von zweidimensionalen Prüfkörpern mit Elimination systematischer Fehler des Meßgerätes
[2] Trapet, E.; Wäldele, F.: A Reference Artefact-Based Method to Determine the Pa­ rametric Error Components of Coordinate Measuring Machines and Machine Tools, in: Measurement 9 (1991), pages 17-22
[3] Trapet, E.: Offenlegungsschrift DE 195 07 806.3, Optimierter zweidimensionale Prüfkörper für Koordinatenmeßgeräte und Werkzeugmaschinen

Claims (8)

1. Laserinterferometer zur zweiachsigen Positionsmessung von bewegten Maschi­ nenkomponenten in einer Bezugsebene, wobei das Laserinterferometer ein Paar von unter 90° fest zueinander angeordneten und miteinander starr verbundenen Planspiegeln enthält, und wobei dieses Laserinterferometer im Bezug auf Achsgeradheiten und Rechtwinkligkeit dadurch kalibriert wird, daß das besagte Planspiegelpaar in mindestens drei Lagen relativ zu einem bezüglich Achsgeradheiten in der Bezugsebene und bezüglich Winkeln zwischen den Achsen in der Bezugsebene reproduzierbar arbeitenden Referenzkoordinatensystem "auf Umschlag" gemessen wird, und dadurch die Geradheitsabweichungen der Planspiegel in der Bezugsebene, sowie die Rechtwinkligkeitsabweichung der Planspiegel zueinander in der Bezugsebene bestimmt werden, wodurch sich in Verbindung mit der bekannten Laser- Lichtwellenlänge das vollständig und hochgenau kalibrierte Laserinterferometer zur zweiachsigen Positionsmessung ergibt.

2. Laserinterferometer zur zweiachsigen Positionsmessung von bewegten Maschi­ nenkomponenten nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß alle Interferometerkom­ ponenten bei dem zur Umschlagmessung nötigen zweimaligen Umklappen des Spiegelpaa­ res um nacheinander mindestens zwei in der Bezugsebene liegende orthogonale Achsen auch mitgedreht und wieder orthogonal zu den Spiegeloberflächen ausgerichtet werden.

3. Laserinterferometer zur zweiachsigen Positionsmessung von bewegten Maschi­ nenkomponenten nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß alle Interferometerkom­ ponenten bis auf das Planspiegelpaar mindestens doppelt vorhanden sind und so installiert sind, daß die Strahlverläufe jeweils entgegengesetzt sind und bei dem zur Umschlagmes­ sung nötigen zweimaligen Umklappen des Spiegelpaares um nacheinander mindestens zwei in der Bezugsebene liegende orthogonale Achsen keine Komponenten außer dem Planspiegelpaar mitgedreht werden, sondern lediglich zwischen den Interferometerkomponenten (Laser, Detektoren) umgeschaltet wird.

4. Laserinterferometer zur zweiachsigen Positionsmessung von bewegten Maschi­ nenkomponenten nach Ansprüchen 1-3, gekennzeichnet dadurch, daß zu dessen Kali­ brierung auf Umschlag die nicht notwendigerweise kalibrierten Achsen der bewegten Ma­ schinenkomponenten selbst als besagtes Referenzkoordinatensystem dienen, wobei die Interferometeranzeigen dann unmittelbar den jeweiligen Differenzen der Geradheits- und Rechwinkligkeitsabweichungen von den besagten Achsen und dem besagten Planspiegel­ paar entsprechen.

5. Laserinterferometer zur zweiachsigen Positionsmessung von bewegten Maschi­ nenkomponenten nach Ansprüchen 1-3, gekennzeichnet dadurch, daß zu dessen Kali­ brierung auf Umschlag eine nicht notwendigerweise kalibrierte Referenzplatte zum Einsatz kommt, wobei

• 1. besagte Referenzplatte mindestens zwei reproduzierbar antastbare, zueinander nähe­ rungsweise orthogonale Geradheitsverkörperungen enthält, und
• 2. besagte Geradheitsverkörperungen in beiden Bewegungsachsen jeweils den gesamten Verschiebeweg überdecken, und
• 3. besagte Geradheitsverkörperungen der Referenzplatte durch Antastung mit einem an den bewegten Gerätekomponenten angebrachten Tastsystem in den mindestens 3 Stel­ lungen (Umschlag) des Planspiegelpaares gemessen werden, und
• 4. diese Messung der Referenzplatte relativ zu dem durch das besagte Planspiegelpaar de­ finierten, im allgemeinen abweichungsbehafteten Koordinatensystem geschieht, und
• 5. besagte Referenzplatte nicht umgeschlagen wird, sondern (wie in Anspruch 1 beschrie­ ben) das Planspiegelpaar um nacheinander mindestens zwei in der Bezugsebene lie­ gende orthogonale Achsen umgeschlagen wird, entsprechend den besagten mindestens drei Stellungen des Planspiegelpaares.

6. Laserinterferometer zur zweiachsigen Positionsmessung von bewegten Maschi­ nenkomponenten nach Ansprüchen 1-5, gekennzeichnet dadurch,

• 1. daß die wirksamen Flächen des Planspiegelpaares einander zugewandt sind (das heißt, den Meßbereich mit einem Winkel von 90° zwischen sicheinschließen), und
• 2. daß die übrigen Interferometerkomponenten für beide Achsen in enger Nachbarschaft zueinander angeordnet sind, und
• 3. daß die Planspiegel von einer oder alternativ zwei dreieckförmigen Platten stabil zueinander fixiert werden, die orthogonal zu beiden Spiegelebenen sind, und
• 4. daß diese Platten so ausgelegt sind, daß die besagten übrigen Interferometerkompo­ nenten mindestens auf zwei zueinander orthogonalen Linien, von denen jede zu einem anderen der beiden Planspiegel parallel ist, ungehindert bewegt werden können, wobei in jeder Bewegungsachse jeweils der gesamte Verschiebeweg überdeckt wird.

7. Kalibrierverfahren für mehrachsige Meß-, Manipulations- und Bearbeitungsmaschinen, gekennzeichnet dadurch, daß ein Laserinterferometer zur zweiachsigen Positionsmessung der bewegten Maschinenkomponenten nach Ansprüchen 1-6 als zweidimensionales Normal in Analogie zu einer Kugel- oder Lochplatte (entsprechend der Literatur [2] und [3]) ein­ gesetzt wird, wobei das Planspiegelpaar in mehreren Aufstellungen im Arbeitsraum der zu kalibrierenden Maschinen fixiert wird, wobei die übrigen Interferometerkomponenten ent­ sprechend zum Planspiegelpaar ausgerichtet werden, und jeweils die Differenzen der vom Laserinterferometer und vom Maschinen-Positionsmeßsystem angezeigten Koordinaten­ werte zur Berechnung der Abweichungsparameter der Maschinengeometrie verwendet wer­ den.

8. Kalibrierverfahren für mehrachsige Meß-, Manipulations- und Bearbeitungsmaschinen nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch,

• 1. daß die Umschlagskalibrierung in den mindestens drei Stellungen des besagten Laserin­ terferometers auf der besagten zu kalibrierenden Meß-, Manipulations- oder Bearbei­ tungsmaschine selbst, in mindestens einer Bewegungsebene stattfindet,
• 2. daß dabei die Bewegungsachsen der jeweiligen zu kalibrierenden mehrachsigen Meß-, Manipulations- und Bearbeitungsmaschine selbst, das nicht notwendigerweise zuvor kali­ brierte, abweichungsbehaftete Referenzkoordinatensystem entsprechend Anspruch 1 bilden.