DE2250095A1

DE2250095A1 - Vorrichtung zum messen der verlagerung eines messpunktes in mindestens zwei koordinatenrichtungen

Info

Publication number: DE2250095A1
Application number: DE2250095A
Authority: DE
Inventors: Nisl Abramson; Bertil Colding; Unto Dipl Ing Sandstroem
Original assignee: LASERGRUPPEN KONSULT AB
Current assignee: LASERGRUPPEN KONSULT AB
Priority date: 1971-10-13
Filing date: 1972-10-12
Publication date: 1973-04-19
Also published as: GB1408414A; FR2162852A5; SE354115B; US3815996A; JPS4862455A

Description

Vorrichtung zum Messen der Verlagerung eines Meßpunktes in mindestens zwei Koordinatenrichtungen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Verlagerung eines Punktes in mindestens zwei vorzugsweise zueinander rechtwinkligen Koordinatenrichtungen unter Benutzung von Interferometern und eines mittels eines Lasers erzeugten Laserstrahls.

Bei den bis jetzt bekannten Vorrichtungen dieser Art werden Interferometer benutzt, um Verlagerungen entlang Führungen von hoher Genauigkeit zu messen. Bezüglich der Genauigkeit der Führungen müssen sehr hohe Anforderungen erfüllt werden, denn bei einer ungenügenden Genauigkeit trifft der von den Interferometern reflektierte Strahl nicht mit dem Bezugsstrahl zusammen. Daher sind diese bekannten Vorrichtungen von komplizierter Konstruktion, und wenn sie zuverlässig arbeiten sollen, benötigt man teure Zusatzeinrichtungen.

Durch die Erfindung ist nunmehr eine Vorrichtung der genannten Art geschaffen worden, deren Konstruktion im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen erheblich vereinfacht ist, bei der die Aufrechterhaltung der erforderlichen Genauigkeit gewährleistet ist, und bei der bestimmte neuartige Punktionen vorgesehen sind. Zu der Vorrichtung nach der Erfindung

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gehören ein Strahlunterteilungsprisma, das in einem von einem Laser erzeugten Laserstrahl angeordnet ist, ferner ein erstes Interferometer im Weg eines der von dem Strahlunterteilungsprisma zurückgeworfenen Strahlen sowie ein zweites Interferometer im Weg des von dem Strahlunterteilungsprisma zurückgeworfenen zweiten Strahls, das längs einer der Koordinatenrichtungen, z.B. längs der Y-Achse, bewegbar ist; dem ersten Interferometer ist eine Strahlreflexionseinrichtung zugeordnet, die zusammen mit dem zweiten Interferometer zwangsläufig bewegbar ist, und es sind Detektoren vorhanden, die einem von der Strahlreflexionseinrichtung ausgehenden Meßstrahl bzw. einem Bezugsstrahl zugeordnet sind und es ermöglichen, eine Verlagerung der Strahlreflexionseinrichtung und damit auch des zweiten Interferometers längs der genannten einen Koordinatenrichtung zu messen; dem zweiten Interferometer ist eine Strahlreflexionseinrichtung zugeordnet, die an dem Meßpunkt angeordnet wird und es mit Hilfe von Detektoren, die einem von der Strahlreflexionseinrichtung an dem Meßpunkt ausgehenden Meßstrahl bzw. einem Bezugsstrahl zugeordnet sind, ermöglicht, eine Verlagerung des Meßpunkts in der zweiten Koordinatenrichtung, z.B. längs der X-Achse, zu messen; weiterhin ist eine Einrichtung zum Feststellen eines Mittelpunktes vorhanden, die in dem Weg des Meßstrahls angeordnet ist, welcher von der am Meßpunkt angeordneten Strahlreflexionseinrichtung ausgeht, und die dazu dient, die Lage des Meßstrahls festzustellen; schließlich ist eine Antriebseinrichtung vorhanden, die in Abhängigkeit von Abweichungen von einem Kullsignal betätigt wird, das durch die Einrichtung zum Feststellen des Mittelpunkts angezeigt wird, und die dazu dient, das zweite Interferometer in der zweiten Koordinatenrichtung zu verstellen, bis die Einrichtung zum Feststellen des Mittelpunktes erneut das Nullsignal anzeigt. Die Verwendung der Einrichtung bzw. eines Detektors zum Feststellen des Mittelpunktes ermöglicht es hierbei, außerdem Abweichungen oder Verlagerungen in einer dritten Koordinatenrichtung anzuzeigen.

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Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine erfindungsgemäße Meßvorriehtung in einem schematischen Grundriß.

Gemäß der Zeichnung weist die Vorrichtung eine mit zwei Führungen 21 und 22 versehene Unterstützung 19 auf. Durch die Führungen 21 und 22 wird ein Schlitten 8 genau geführt. Auf der Unterstützung 19 ist ein Laser 1 mit elektri- · sehen Anschlüssen 23 so angeordnet, daß er einen Laserstrahl in Richtung auf den Schlitten 8 abgibt. Im Weg dieses Strahls ist auf der Unterstützung 19 ein Strahlunterteilungsprisma 2 angeordnet. Der durch das Prisma 2 abgelenkte Strahl trifft auf ein dem Prisma 2 benachbartes erstes Interferometer mit zwei Prismen 3 und 4 und dann auf ein Reflexionsprisma 5. Der durch das Prisma 3 zurückgeworfene Strahl trifft'auf das Reflexionsprisma 5, von dem aus er in Richtung auf ein weiteres Prisma 4 zurückgeworfen wird. Das Prisma 5 ist vorzugsweise als Prisma mit einer kubischen Ecke ausgebildet, d.h. es weist drei jeweils im rechten Winkel zueinander verlaufende reflektierende Flächen auf. Ein solches Prisma führt zu einer Parallelität zwischen dem einfallenden und dem zurückgeworfenen Strahl, und gleichzeitig pflanzen sich die beiden Strahlen in Beziehung zu einer Symmetrieachse innerhalb des Prismas längs gleich langer Strecken fort. Der von dem Prisma 5 zurückgeworfene Meßstrahl wird durch das Prisma 4 so unterteilt, daß die beiden Teilstrahlen auf zwei Detektoren 6 und 7 fallen, und der Bezugsstrahl, d.h. der durch das Prisma 2 abgelenkte Strahl, durchläuft das Prisma 3 und wird dann durch das Prisma 4 so unterteilt, daß die Teilstrahlen auf den Detektor 6 bzw. den Detektor 7 fallen. An dem Unterteilungspunkt in dem Prisma 4 treten Interferenzen zwischen dem Meßstrahl und dem Bezugsstrahl auf, und diese Interferenzen richten sich nach dem Unterschied zwischen den von diesen Strahlen zurückgelegten Strecken. Die Interferenzen werden mit Hilfe der Detektoren 6 und 7 auf bekannte Weise nachgewiesen, und sie

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können mit Hilfe einer Recheneinrichtung 24 registriert werden. Die angezeigte Strecke entspricht der Verlagerung des Schlittens 8, der das Prisma 5 des Interferometers trägt, und gemäß der Zeichnung handelt es sich hierbei um eine Verlagerung in der Y-Richtung.

Der Teil des Laserstrahls, der das Prisma 2 durchläuft, ohne abgelenkt zu werden, trifft auf ein zweites Interferometer mit zwei Strahlunterteilungsprismen 12 und 13» die auf dem Schlitten 8 angeordnet sind, und gelangt τοη dort au^s zu einem an einem Meßpunkt 20 angeordneten Prisma 14 mit einer kubischen Ecke, das es ermöglicht, die Bewegung des Meßpunktes 20 zu messen. Bei dem Eingangsprisma 12 des zweiten Interferometers handelt es sich vorzugsweise um ein eine Strahlunterteilung bewirkendes fünfeckiges Prisma. Ein boI-ches Prisma gewährleistet, daß der Meßstrahl genau im rechten Winkel zum einfallenden Strahl verläuft, so daß gleichzeitig sichergestellt ist, daß die der Messung zugrunde liegenden Koordinatenrichtungen im rechten Winkel zueinander verlaufen. Der durch das fünfeckige Prisma 12 abgelenkte Strahl trifft auf das Prisma 14 in Form einer kubischen Ecke und wird in Richtung auf das Strahlunterteilungeprisma 13 des zweiten Interferometers zurückgeworfen, wo er mit dem Bezugsstrahl vereinigt wird, der das Prisma 12 durchlaufen hat, ohne abgelenkt zu werden. Die hierbei auftretenden Interferenzstreifen werden durch weitere Detektoren 15 und 16 nachgewiesen und können durch eine Anzeigeeinrichtung 23, z.B. eine Recheneinrichtung, angezeigt werden. Mit Hilfe dieses zweiten Interferometers kann die Verlagerung des Meßpunktes 20 in der X-Richtung gemessen werden.

Im Strahlengang zwischen dem Prisma 14 in form einer kubischen Ecke und dem Strahlunterteilungspriema 13 ist ein weiteres Strahlunterteilungsprisma 17 angeordnet. Ein durch das Prisma 17 abgelenkter Strahl trifft auf einen Mittelpunktdetektor 18, der so ausgebildet ist, daß er ein Nullsignal erzeugt, sobald der abgelenkte Strahl auf Beinen Mittel-

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,14.

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pnnkt trifft, d.h.. wenn der Meßstrahl den Mittelpunkt des
Prismas 17 und daher auch den Mittelpunkt des Prismas 13
durchläuft. Bei jeder Verlagerung des Meßpunkts 20 in der Y-Bichtung wird auch, der durch das als kubische Ecke ausgebildete Prisma 14 reflektierte Meßstrahl gegenüber dem Mittelpunkt des M^ttelpunktdetektors 18 verlagert, so daß ein Ausgangssignal erzeugt wird, das über eine Leitung 26 und einen Yerstärker 27 einem auf der Unterstützung 19 angeordneten Mortar 9 zugeführt wird, der durch das in der Leitung 26 erscheinende Steuersignal gesteuert wird und eine Antriebseinrichtung für den Schlitten 8, z.B. eine Gewindespindel 10,
aiEferei-bt, die mit einer an dem Schlitten 8 befestigten Mutter 1t zusammenarbeitet. Hierbei wird der Schlitten 8 jeweils in einer solchen Richtung verstellt, daß das Ausgangssignal des lElirtelpunktdetektors 18 in Richtung auf den Wert UuIl verkleinert wird, d.h. daß der Schlitten der Verlagerung des Meßpunk- -fces 20 folgt.

Zusammenfassend kann man daher feststellen, daß es die lieschriebene Vorrichtung ermöglicht, Verlagerungen in der X-3i.eh.tung, die durch die Anzeigeeinrichtung 25 angezeigt werden, und Verlagerungen in der Y-Richtung, die durch die Anzei- :geeinrichtung 24 angezeigt werden, zu messen. Außerdem wird der Schlitten 8 in der Y-Richtung automatisch so verstellt, daß die Bewegung des Meßpunktes 20 ausgeglichen wird, d.h. derart, daß der Schlitten jeweils auf die gleiche Höhe mit dem Meßpunkt gebracht wird.

Natürlich kann der Mittelpunktdetektor 18 auch Verlagerungen des Meßpunktes 20 in einer zu den X- und Y-Richtungen rechtwinkligen Richtuhg, d.h. in der Z-Riehtung, unter Vermittlang durch, eine weitere Anzeigeeinrichtung 28 anzeigen.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ermöglicht es somit, unabhängig von geraden führungen Verlagerungen in zwei oder dxei Koordinatenrichtungen zu messen. Zu den Anwendungsgebieten der Erfindung gehören Messungen, die z.B. in einer Werkstatt längs des Bodens durchgeführt werden, Geländemessungen

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sowie die Bestimmung von Koordinaten, z.B. die genaue Positionierung einer Feder, die gegenüber einem Zeichentisch automatisch gesteuert wird, wobei die Vorrichtung mit einem Rechengerät zusammenarbeitet. Ferner kann man die Vorrichtung beim Messen gerader Strecken, z.B. bei Werkzeugmaschinen und Walzwerken, benutzen.

Patentansprüche t

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Claims

paieit.aispeuc.ee

Vorrichtung, zum Messen der Verlagerung eines Meßpunktes in mindestens zwei, vorzugsweise zueinander rechtwinkligen Koordinatenrichtungen mit Hilfe von Interferometern und eines durch einen Laser erzeugten Laserstrahls, dadurch gekennzeichnet , daß in dem durch den Laser (1] erzeugten Laserstrahl ein Strahlunterteilungsprisma (2) angeordnet ist, daß im Weg eines der von dem Strahlunterteilungsprisma ausgehenden Strahlen ein erstes Interferometer (5,4,5) angeordnet ist, daß im Weg eines zweiten, von dem Strahlunterteilungsprisma ausgehenden Strahls ein zweites Interferometer (12, 13» 14) angeordnet und so eingerichtet ist, daß es längs einer Koordinatenrichtung (Y) bewegbar ist, daß zu dem ersten Interferometer eine Strahlreflexionseinrichtung (5) gehört, die zusammen mit dem zweiten Interferometer zwangsläufig bewegbar ist, daß Detektoren (6, 7) vorhanden sind, die dazu dienen, mit einem von der Strahlrefiexionseinrichtung ausgehenden Meßstrahl bzw. einem Bezugsstrahl zusammenzuarbeiten, und die so ausgebildet sind, daß sie es ermöglichen, eine Verlagerung der Strahlreflexionseinrichtung und damit auch des zweiten Interferometers längs der Koordinatenrichtung zu messen, daß zu dem zweiten Interferometer eine an dem Meßpunkt (20) angeordnete Strahlreflexionseinrichtung (14) gehört, daß Detektoren (15, 16) vorhanden sind, die dem von der Strahlreflexionseinrichtung ausgehenden Meßstrahl bzw. einem Bezugsstrahl zugeordnet und so ausgebildet sind* daß sie es ermöglichen, eine Verlagerung des Meßpunktes in einer zweiten Koordinatenrichtung (X) zu messen, daß Einrichtungen (17, 18) zum Feststellen eines Mittelpunktes vorhanden sind, die im Weg des Meßstrahls angeordnet sind, der von der an dem Meßpunkt angeordneten Strahlreflexionseinrichtung ausgeht, und die dazu dienen, die Lage des Meßstrahls festzustellen, und daß eine Antriebseinrichtung (9, 10, 11) vorhanden ist, die in Abhängigkeit von Abweichungen von einem Nullsignal gesteuert wird, das durch die Einrichtung zum Feststellen des Mit-

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telpunktes angezeigt wird, um das zweite Interferometer in der einen Eoordinatenrichtung zu verstellen, Ms die Einrichtung zum Feststellen des Mittelpunktes wieder das Nullsignal erzeugt.

2· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung (17t 19) sub Feetetellen des Mittelpunktes so ausgebildet ist, daß sie Abweichungen oder Verlagerungen in einer dritten Koordinatenrichtung (Z) anzeigt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß zu der Einrichtung (17, 1Θ) zum Feststellen des Mittelpunktes ein Strahlunterteilungsprisma (17) und ein Mittelpunktdetektor (18) gehören, und daß das Strahlunterteilungsprisma in dem Meßstrahl angeordnet ist, der durch die Strahlreflexionseinrichtung (14) zurückgeworfen wird, so daß ein Strahl in Richtung auf den Mi,ttelpunJctdetektor umgelenkt wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß als Eingangsprisma dee zweiten Interferometers ein fünfeckiges Prisma (12) vorhanden ist.

Der Patentanwalt ι

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