DE2255545A1

DE2255545A1 - Einrichtung zum messen von verschiebungen

Info

Publication number: DE2255545A1
Application number: DE19722255545
Authority: DE
Inventors: Kurt Schuch
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1972-01-12
Filing date: 1972-11-13
Publication date: 1973-07-19
Also published as: FR2173941B3; FR2173941A1; CH548013A; DE2300562A1; DD103056A1; DD103056B1

Description

Einrichtung zum Messen von Verschiebungen.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen von Verschiebungen eines Gegenstandes gegenüber einem zweiten Gegenstand, vorzugsweise von geradlinigen Verschiebungen von Schlitten an Meßgeräten und Werkzeugmaschinen.

Es ist eine Einrichtung zum Messen von Verschiebungen eines Gegenstandes gegenüber einem zweiten Gegenstand bekannt, bei welcher der erste Gegenstand mit einem als Maßverkörperung dienenden Reflexionsraster und der zweite Gegenstand mit einem lichtelektrischen Abtastsystem verbunden ist. Dieses Abtastsystem besteht aus einer Lichtquelle, aus optischen Abbildungssystemen und aus lichtelektrischen Bauelementen. Mit Hilfe dieses optischen Abbildungssystems und der Lichtquelle wird eine Stelle des Rasters auf eine zweite Stelle des Rasters im Maßstab 1:1 nach dem Halbpupillenprinzip über reflektierende Mittel so abgebildet, daß sich das Bild der ersten Stelle des Rasters bei der Bewegung desselben gegenüber dem Abtastsystem gegensinnig zur zweiten Rasterstelle bewegt. Von der zweiten Rasterstelle aus wird das Licht auf lichtelektrische Elemente geworfen.

Bei der bekannten Einrichtung wird das Licht der Lichtquelle über einen Spiegel und über eine Linse, die zwischen dem Spiegel und dem Reflexionsraster angeordnet ist, auf das Raster geworfen. Das vom Raster zurückgeworfene Licht trifft nochmals auf diese Linse und wird über zwei Umlenkspiegel zu einer weiteren Linse geleitet und trifft auf eine weitere Rasterstella·

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Zwischen den Unlenkspiegeln ist eine weitere, als Feldlinse dienende Linse vorgesehen, die die Brennflächen der obigen beiden Linsen aufeinander abbildet.

Diese Einrichtung hat jedoch den erheblichen Nachteil, daß das gesamte optische System sehr empfindlich ist gegen Defokussierungen, die durch Führungsbahnfehler verursachte Abstand sand erungen zwischen dem Rastermaßstab und dem Abtastsystem bewirkt werden. Es müssen deshalb an die FührungBbahngenauigkeit hohe Anforderungen gestellt v/erden, um eine hohe Abtastgenauigkeit zu erzielen. Weiterhin ist die Zentrierung des gesamten aus Linsen und Spiegeln bestehenden optischen Systems nur mit erhöhtem Aufwand zu erzielen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß durch die gestockte Anordnung der einzelnen Spiegel und Linsen eine flache, gedrungene Bauweise nicht erzielbar ist.

Es ist deshalb Zweck der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und eine raumsparende, verlässige Einrichtung zum Messen von Verschiebungen zu schaffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Messen von Verschiebungen zu schaffen, die weitestgehend unempfindlich gegenüber Defokussierungen ist und bei welcher durch eine vorteilhafte Anordnung der optischen Bauelemente eine gedrungene Bauweise erzielbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Einrichtung zum Messen der Verschiebung eines Gegenstandes gegenüber einem zweiten Gegenstand, wobei mit Hilfe optischer Systeme und der Lichtquelle eine Stelle des Rastermaßstabes auf eine zweite Stelle des Raster-

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maßstabes nach dem Halbpupillenprinzip und über reflektierende Mittel abbildbar ist, dadurch gelöst, daß in dem Beleuchtungs-, und Abbildungsstrahlengang ein vorzugsweise symmetrisch aufgebautes telezentrisches Objektiv und zwischen diesem Objektiv und dem Reflexionsraster strahlenumlenkende Prismen vorgesehen sind, wobei eine Halbpupille des telezentrischen Objektivs für die Abbildung einer ersten Stelle des Rastermaßstabes und von der zweiten Halbpupille des Objektivs die eine Hälfte in Verbindung mit einem Kondensor als Beleuchtungsoptik und die andere Hälfte der zweiten Halbpupille zusammen mit einem weiteren optischen Glied als AbbildungsOptik für ein durch Überlagerung der zweiten Stelle des Rastermaßstabes mit dem Bild der ersten Stelle des Rastermaßstabes entstehendes Signalbild auf fc-toelektrische Empfänger vorgesehen sind. Dabei ist es vorteilhaft,, wenn in dem den Rastermaßstab abbildenden Strahlengang ein Pentaprisma und ein 90°-Umlenkprisma außerhalb der Glieder des telezentrischen Objektivs angeordnet sind.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht ferner darin, daß in dem parallelen Strahlengang des telezentrischen Objektivs eine telezentrische Halbkreisblende und ein bis zur optischen Achse in den Strahlengang hineinragendes verspiegeltes Dachprisma· zur Teilung in Halbpupillen, zur Einspiegelung des Beleuchtungsstrahlenganges und zur Ausspiegelung des das Signalbild abbildenden Strahlenganges vorgesehen sind, *

Die erfindungsgemäße Einrichtung besitzt den großen Vorteil, daß durch die Anordnung eines.telezentrischen Objektivs das gesamte optische'Abtastsystem weitgehend unempfindlich gegen durch Führungs·

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bahnfehler verursachte Abstandsänderungen zwischen dem Rastermaßstab und dem Abtastsystem ist und demzufolge hierbei keine Defokussierungen auftreten, die zu Änderungen des Abbildungsmaßstabes bei der Abbildung der einen Rasterstelle auf die zweite führen und an den lichtempfindlichen Empfängern unscharfe elektrische Signale entstehen lassen, deren Auswertung bzw, weitere Verarbeitung erhöhten Aufwand fordern würde. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die in einer Ebene angeordneten Bauelemente eine gedrungene, raumsparende Meßeinrichtung geschaffen wird. Auch ist eine einfache, ökonomische Zentrierung der optischen Bauelemente gewährleistet.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 die optischen Bauelemente der Einrichtung in Seitenansicht und

Pig. 2 die Anordnung der Bauelemente in Draufsicht.

Die Einrichtung zur Messung von Verschiebungen eines Gegenstandes gegenüber einem zweiten Gegenstand, z. B, eines Werkzeugmaschinenschlittens gegenüber dem Werkzeugmaschinenbett, zur Einstellung des Schlittens in eine bestimmte Position, umfaßt eine aus optischen und lichtelektrischen Bauelementen bestehende Abtastvorrichtung und einen, vorzugsweise im Werkzeugmaschinenbett angeordneten, als Reflexionsraster ausgebildeten und als Maßverkörperung dienenden Rastermaßstab V.

Das optische System zur Abbildung einer ersten Stelle des Rastermaßstabes 1 auf eine zweite Stelle besteht u. a, aus einer Beleuchtungsquelle 2, einem Kondensor 3» einem vor-

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zugsweise als Prisma mit spiegelnden Flächen ausgebildeten Umlenkglied 4 sowie einem symmetrisch gestalteten telezentrischen Objektiv, welches aus den Gliedern 5; 6; 7 und 8 ' besteht.. In der Mitte des telezentrischen Objektivs sind eine telezentrische Halbkreisblende 9 und ein bis zur Mitte in den Strahlengang des telezentrischen Objektivs hineinragendes versplegeltes Dachprisma 10 angeordnet.

Das von der Beleuchtungsquelle 2 ausgehende, den Kondensor 3 durchlaufende licht wird von der Fläche 11 des Umlenkgliedes 4 auf die Fläche 12 des Dachprismas geleitet, Yon dort aus erfolgt über eine Halbpupille des linken Teiles des telezentrischen Objektivs, also über die Glieder 5 und β .(Fig. 2), .und über ein Pentaprisma 13 die Auflichtbeleuchtung der ersten Stelle 14 des Rastermaßstabes 1. Nach Reflexion des Lichtes an dieser Stelle 14 erfolgt mit dem rückwärts verlau° fenden Strahlengang über die obere Halbpupille (Fig. 2) .des telezentrischen Objektivs und über ein 90°-Prisma 15 die Abbildung dieser ersten Stelle 14 auf die zweite Stelle 16 des Rastermaßstabes 1 (Fig. 1). Von hier aus werden sowohl die Stelle 16 des Rastermaßstabes -1 als auch das Bild der Stelle 14 über das 90°-Prisma 15 und eine Halbpupille der Glieder - 7 und 8 des telezentrischen Objektivs, über die. Fläche 17 des Dachprismas 10 und die Fläche 11 ^e des Umlenkgliedes 4 sowie über das optische Glied 18 auf die lichtelektrischen Empfänger 19 und 20 abgebildete Hierbei bewirken die beiden in dem Strahlengang angeordneten, sehwach ablenkenden Keile 21 und 22„ die für die abgebildeten

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Stellen 14 und 16 des Rastermaßstabes 1 eine Trennung in zwei Teilbilder mit 3T/4-Versetzung ergeben, den für die Bestimmung der Bewegungsrichtung des Abtastsystems gegenüber dem Rastermaßstab 1 erforderlichen Phasenversatz von "jt/2 an den lichtelektrischen Empfängern 19 und 20.

Durch die Anwendung des Halbpupillenprinzips sowohl im Beleuchtungs- als auch im Abbildungsstrahlengang in Verbindung mit einem symmetrischen telezentrischen Objektiv übernehmen Objektiv bzw. Teile dieses Objektives in vorteilhafter V/eise mehrere Punktionen. So wird mit der einen Halbpupille des linken Teils 5; 6 des telezentrischen Objektivs in Verbindung mit dem Kondensor 3 der Rastermaßstab 1 beleuchtet, über die obere Halbpupille (Fig. 2) des gesamten telezentrischen Objektives erfolgt die Abbildung der Stelle 14 des Raster*- maßstabes 1 auf die Stelle 16 im Abbildungsmaßstab 1s1, wobei durch die Verwendung eines telezentrischen Strahlenganges und der telezentrisehen Halbkreisblende 9 eine weitfjeher.de Unabhängigkeit des Abbildungsmaßstabes von Abstandsänderungen zwischen dem Abtastsystem und dem Rastermaßstab 1 erzielt wird. Diese Abstandsänderungen bev/irken auch Defokussierungen und sind durch Pührungsbahnfehler bedingt. Gegen diese Defokussierungen ist bekannterweiae die telezentrische Abbildung ' weiteatgehend unempfindlich. Die eine Halbpupille des rechten Teiles des telezentrischen Objektives bewirkt in Verbindung

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mit dem optischen Glied 18 die Abbildung der Stelle 16 des Raatermaßstabea 1 zusammen mit dem Bild der Stelle 14 des

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Rastermaßstabes 1^% auf die lichtelektrischen Empfänger 19 und 20. Durch diese kombinierte Art der Strahlenführung ist es möglich, eine raumsparende, gedrungene Bauweise bei der Einrichtung zum Messen von Verschiebungen zu verwirklichen. Des v/eiteren ist es mit einfachen Mitteln möglich,, die Bauteile 5; 6; 7; 8; 9; 10; 13; 15 zueinander gut zu zentrieren, in dem sie beispielsweise in einem Rohr angeordnet sind.

Die Weiterverarbeitung der an den lichtelektrischen Bauelementen 19 und 20 gewonnenen elektrischen Signale erfolgt in bekannter Weise, indem mit schaltungstechnischen Mitteln eine Impulsvervielfachung vorgenommen wird. Die gewonneiien wegproportionalen Zählimpulse werden über einen Zahlriehtungsdiskriminator einer Vor-Rückwärts-Zählerschaltung zugeführte

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Claims

Patentansprüche

1 ,J Einrichtung zum Messen der Verschiebung eines Gegenstandes gegenüber einem zweiten Gegenstand, wobei der erste Gegenstand mit einem als Reflexionsraster ausgebildeten und als Maßverkörperung dienenden Rastermaßstab verbunden ist, und der zweite Gegenstand mit einer Lichtquelle, mit optischen Systemen und lichtelektrischen Bauelementen versehen ist, und wobei mit Hilfe der optischen Systeme und der Lichtquelle eine Stelle des Rastermaßstabes auf eine zweite Stelle des Rastermaßstabes nach dem Halbpupillenprinzip und über reflektierende Mittel abbildbar ist und diese Abbildung der ersten Stelle sich bei der Bewegung des Rastermaßstabes gegensinnig zur zweiten Stelle bewegt, und daß das Licht von der zweiten Stelle des Rastermaßstabes auf lichtelektrische Bauelemente geworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengang ein vorzugsweise symmetrisch aufgebautes telezentrisches Objektiv und zwischen diesem Objektiv und dem Rastermaßstab (1) strahlenumlenkende Prismen( 13; 15) vorgesehen sind, wobei eine Halbpupille des telezentrisch^ Objektivs für die Abbildung einer ersten Stelle des Rastermaßstabes (1) auf eine zweite Stelle des Rastermaßstabes (1) und von der zweiten Halbpupille des Objektivs die eine Hälfte in Verbindung mit einem Kondensor (3) als Beleuchtungsoptik und die andere Hälfte der zweiten Halbpupille zusammen mit einem weiteren optischen Glied (18) als Abbildungsoptik für ein

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durch Überlagerung der zv/eiten Stelle des Rastermaßstabes mit dem Bild der ersten Stelle des Rastermaßstabes (1) entstehendes Signalbild auf fotoelektrische -Empfänger-(1-9;" 20) vorgesehen sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem den Rastermaßstab (1) abbildenden Strahlengang ein Pentaprisma (I3) und ein 90°-Prisma (15) außerhalb der Glieder des telezentrischen Objektivs angeordnet sind,
3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem parallelen Strahlengang des telezentri- sehen Objektivs eine telezentrisch^ Halbkreisblende (9) und ein bis zur optischen Achse in den" Strahlengang hineinragendes verspiegeltes Dachprisma (10) zur Teilung in Halbpupillen, zur .Einspiegelung des Beleuchtungsstrahlenganges und zur Ausspiegelung des das Signalbild abbildenden Strahlenganges vorgesehen sind. . .

Grü/Pi

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