DE202004007647U1

DE202004007647U1 - Nachführbares Interferometer mit mechanisch und thermisch entkoppeltem, metrologischem Referenzelement (TRACER)

Info

Publication number: DE202004007647U1
Application number: DE200420007647
Authority: DE
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland
Priority date: 2004-05-10
Filing date: 2004-05-10
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2014-05-11

Abstract

Schwenkbare optische Abstandsmesseinrichtung mit einem in zwei Richtungen schwenkbaren Messstrahl, dadurch gekennzeichnet
– dass sich in der Nähe des Schnittpunktes ein kugelförmiges Referenzelement befindet,
– dass die Oberfläche des Referenzelementes so in den optischen Strahlengang integriert wird, dass sich die gemessenen Abstände des Retroreflektors auf die Oberfläche des Referenzelementes beziehen,
– dass das Referenzelement mechanisch nur durch ein sehr steifes Fundament und einen Pfosten an die Einrichtung zum Nachführen des Strahl gekoppelt ist, so dass die Kugel nicht durch wechselnde einwirkende Kräfte auf die Nachführeinrichtung räumlich verschoben wird.

Description

Die Erfindung betrifft die technische Ausführung eines hochgenauen interferometrischen Abstandsmesssystems, das einem bewegten Reflektor nachgeführt werden kann.
Stand der Technik
Bei den üblicherweise eingesetzten Systemen wird die Messgenauigkeit durch die mechanische Qualität der Bewegungsachsen und durch wechselnde Lasten beeinflusst.
Lasertracker, die einen optischen Retroreflektor (z. B. Tripelspiegel oder Katzenauge) durch Nachführung eines Laserstrahls verfolgen, sind Stand der Technik und weltweit tausendfach im Einsatz. Lasertracker verkörpern ein sphärisches Koordinatensystem. Durch Auswertung zweier Raumwinkel und der interferometrischen Abstandsinformation kann die Position des Reflektors im Raum bestimmt werden. Bisherige kommerzielle Lösungen zur Laserstrahlnachführung basieren auf zwei sich überkreuzenden, mechanischen Drehachsen. Durch kardanisch aufgehängte Spiegel oder Prismen wird der Laserstrahl in zwei Raumrichtungen abgelenkt. Hierbei muss die Position des Drehpunktes (als Schnittpunkt der Drehachsen) exakt justiert werden. Weiterhin geht die mechanische Genauigkeit der Lagerungen direkt in das Ergebnis ein. Durch thermische und mechanische Einflüsse verlagert sich zudem der Drehpunkt während der Messung, so dass mit Drifteffekten zu rechnen ist. Thermische Einflüsse können z. B. durch wechselnde Umgebungstemperatur, Abwärme der Antriebe und der Laserquelle oder der Wärmestrahlung von Maschinen oder Menschen in näherer Umgebung entstehen.
Mechanische Einflüsse auf die Lage der Drehachsen können aus wechselnden statischen Lasten während der Bewegung oder aus dynamischen Lasten während der Beschleunigung resultieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Genauigkeit der Abstandsmessung und die Stabilität des Referenzpunktes der Längenmessung zu steigern.
Dies wird durch die Verwendung eines sphärischen Referenzelementes erreicht, auf das sich der Messstrahl des Interferometers abstützt. Das Referenzelement ist von der mechanischen Struktur der Dreh-/Schwenk-Einheit entkoppelt. Thermische und mechanische Einwirkungen werden so minimiert. Das Interferometer wird näherungsweise um den Kugelmittelpunkt herum geführt. Durch den messtechnischen Bezug auf das Referenzelement wird die effektive Abstandsänderung des Retroreflektors von der Referenzkugel gemessen. Die relative Verschiebung des Interferometers entlang des Messstrahls beeinflusst das Messergebnis nicht. Auch dieser Ansatz wurde bereits in anderen Veröffentlichungen beschrieben und als Prototyp realisiert [1, 2]. In den bisher vorgestellten Lösungen wird die Referenzkugel jedoch gleichzeitig auch als mechanische Führung verwendet, wodurch Kräfte auf die Kugel eingeleitet werden, die zur Verschiebung des Kugelmittelpunktes führen können.
In der erfindungsgemäßen Lösung wird die Referenzkugel (2) mechanisch und thermisch vollständig von der mechanischen Nachführung des Laserinterferometers (1) entkoppelt. Die Referenzkugel ist durch einen thermisch Invarianten Pfosten (3) direkt mit einer massiven Grundplatte (4) verbunden. Hierdurch findet auch bei Einwirkung von mechanischen und thermischen Lasten auf die Nachführmechanik keine Verschiebung des Kugelmittelpunktes statt, solange nicht die massive Grundplatte deformiert wird. In der beschriebenen Bauform ist sowohl der Pfosten (3) in der Schwenkachse als auch die Grundplatte aus thermisch weitgehend invariantem Spezialstahl gefertigt.
Des Weiteren wird bei der erfindungsgemäßen Konstruktion die Kugel durch eine sehr steife formschlüssige Verbindung dauerhaft mit der Grundplatte verbunden. Sämtliche Justierungen, die zur näherungsweisen Ausrichtung des Schnittpunktes der Drehachsen zum Kugelmittelpunkt notwendig sind, sind auf Seite der Nachführeinrichtung angeordnet. Hierdurch beeinträchtigen selbst minimale Setzeffekte in den Führungen, Klemmungen oder Gewinden der Verstelleinrichtungen die Genauigkeit der Längenmessung nicht.
Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich bei der Nachführung des Laserstrahls eine räumliche Stabilität des Referenzelementes im Sub-Mikrometer-Bereich gewährleisten. Dadurch erschließen sich dem nachführbaren Interferometer Anwendungen zur Überprüfung und Kalibrierung von Werkzeugmaschinen und Messgeräten, in denen bisherige Systeme aufgrund ihrer unzureichenden Genauigkeit nicht eingesetzt werden konnten. So ist das erfindungsgemäße Interferometer erstmals in der Lage, auch für Messaufgaben höchster Präzision, wie z. B. bei der Kalibrierung von Zahnradnormalen auf Koordinatenmessgeräten [Anmeldung DE 10126753 ] oder für die hochgenaue Kalibrierung von Koordinatenmessgeräten und Werkzeugmaschinen [Anmeldung DE 19947374 ] eingesetzt zu werden.
Literatur

[1] Goto, M., Tinimura, Y., Kurosawa, T.: Calibration of coordinate system using laser trackers, ISMT Conference 1996 (Sep.30-Oct.3), Hayama, Japan
[2] Hughes, E.B., Wilson, A., Peggs, G.N., 2000, Design of a High-Accuracy CMM Based on Multi-Lateration Techniques, Annals of the CIRP, Vol. 49/1/2000, 391-394

Claims

Schwenkbare optische Abstandsmesseinrichtung mit einem in zwei Richtungen schwenkbaren Messstrahl, dadurch gekennzeichnet – dass sich in der Nähe des Schnittpunktes ein kugelförmiges Referenzelement befindet, – dass die Oberfläche des Referenzelementes so in den optischen Strahlengang integriert wird, dass sich die gemessenen Abstände des Retroreflektors auf die Oberfläche des Referenzelementes beziehen, – dass das Referenzelement mechanisch nur durch ein sehr steifes Fundament und einen Pfosten an die Einrichtung zum Nachführen des Strahl gekoppelt ist, so dass die Kugel nicht durch wechselnde einwirkende Kräfte auf die Nachführeinrichtung räumlich verschoben wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzelement durch Verwendung thermisch invarianter Werkstoffe so an der Grundplatte befestigt wird, dass sich eine thermische Belastung nicht auf die Position der Kugel auswirkt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine materialschlüssige Verbindung zwischen Grundplatte und Referenzkugel besteht und alle Vorrichtungen zum Justieren der Drehachsen zur Kugelmittenposition ausschließlich die relative Lage der Drehachsen in Bezug auf die ortsfeste Referenzkugel und Grundplatte betreffen.