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Einrichtung zur Kompensation von Meßfehlern Die Erfindung betrifft
eine Einrichtung zur ompensation von Meßfehlern, insbesondere für Längenmeßmaschinen,
bei denen das Äbbe'sche Komparatorprinzip nicht eingehalten ist. Sie ist ebenfalls
in Werkzeugmaschinen anwendbar.
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serhr genaue Längenmessungen werden heute weniger auf der Basis eines
Vergleichs zwischen Meßstrecke und einem als tänennormal dienenden Strichmaßstab
durchgeführt, sondern auf Grund der Meterdefinition als Vergleich zwischen Meßstrecke
und der Lichtwwellenlänge. Als Meßeinrichtung dienen hierzu Interferometer, die
als Lichtquelle monochromatische Spektrallampen, Kristall oer Gaslaser verwenden.
Bei diesen Messungen ist die Einhaltung des Abbe'schen Tlompzrat orprinzips, d.
h. die Forderung, daß Iteßstrecke und Vergleichsetrecke fluchtend hintereinander
angeordnet sind, unbedingt erforderlich, wenn man den Vorteil der hohen Meßgenauigkeit
des M.eßsystems vollständig nutzen will.
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Für Längenmeßmaschinen, in denen das Laserwegsystem zur Anwenndung
kommt, vmrde aber ein Meßaufbau nach dem Abbe'schen Komparatorsystem entweder die
Baugröße der Meßmaschine nachteilig beeinflussen oder die Meßmöglichkeiten stark
einschränken.
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Es erscheint daher sinnvoll, auch bei anwendung der interferometrischen
Längenmessung das Abbe'sche Komparatorprinzip zu verletzen und die Meßfehler durch
geeignete Einrichtungen zu kompensieren.
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Eine solche Einrichtung XJurde bereits für Steigungsmessungen
ein
Wälzschraubtrieben vorgeschlagenUm die Steigung eines Gewindes, bezogen auf die
Spindelachse, zu bestimmen, werden Spiegelsysteme in den Strahlengang eines Interferometers
eingesetzt. Diese bewir½en, daß der einer der Mutter bei einer rotierenden Spindel
im gleichen seitlichen Abstand von der Spindelachse gemessen wird. Durch Mittelung
zweiter Meßwerte erhält man die Steigung bezogen auf die Spindelachse. Diese inrichtung
hat jedoch den achtel, daß die handelsüblichen Ausführungen der Laserwegmeßsysteme
durch Sonderanfertigungen optischer Bauelemente, wie z. B. einen in seinem Tripelpunkt
durchbrochenen Tripelspiegel ergänzt werden müssen. Die Herstellung eines derartigen
Tripelspiegels erfordert hohe Präzision und ist daher zeit- und kostenaufwendig.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Einrichtung zwar für Gewindemessungen
brauchbar erscheint, für die einer Längenmeßmaschine anfallenden verschiedenen Meßaufgaben
aber nicht bzw.
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nicht vorteilhaft anwendbar ist.
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Bei einer bekannten I£ompensationseinrichtung zur 'uS-hebung von
Kippfehlern, in d er ein grünling und ein Kopieroriginal parallel und unbe':'eglich
übereinander im Bett einer Meßmaschine, Teilmaschine o. ä. angeordnet sind, werden
die durch Fhler in den Führungsbahnen verursachten Kippungen eines ffießschlittens
dadurch kompensiert, daß die zum fositionieren und Ausmessen erforderlichen Elemente,
wie z. B. Lichtquelle, Meßmikroskop und Einstellmikroskop gemeinsam auf einer Pendel
schwinge angeordnet sind, die in dem zu bewegenden Schlitten in
Richtung
der Meßachse schenkbar angeordnet ist.
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Der Nachteil dieser Einrichtung besteht darin, daß durch des am Meßschlitten
pendelnd aufgehängte Meßsystem zIar die Fehler der Führungsbahnen kompensiert werden,
aber die fehler infolge elastischer Verfer.mung des Grundbettes, die bei --:echselnder
Belastung der Meßmaschine entstehen, gehen nach wie vor in das M'eßergebnis ein.
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Bei einer anderen bekannten Einrichtung, bei der das Längenmeßsystem
ebenfalls parallel zur Meßachse liegt, ist zum Ausgleich kleiner Neigungen des Meßschlittens
ein pendelndes optisches Element im Strahlengang vorgesehen. Der Nachteil ist der
gleiche wie bei der vorher genannten Kompensationseinrichtung.
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Zweck der Erfindung ist es, den Vorteil der hohen Meßgenauigkeit
des Laserwegmeßsystems auch bei Anwendung dieses Me9systems in Längenmeßmaschinen
und Werkzeugmaschinen zu nutzen.
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Die rufgabe der Erfindung besteht darin, Meßfehler, die durch Führungsfehler
in der Meßeinrichtung sowie durch elastische Verformungen des Maschinenbettes entstehen,
von vornherein vollständig zu kompensieren.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei Längenmeßmaschinen
und Werkzeugmaschinen mit einem aue Beleuchtungseinrichtung, Interferometerfernrohr
und Reflexionssystem bestehenden Interferometer als Meßsystem das Interferometerfernrohr
am Maschinenbett pendelnd aufgehängt ist, die Pendelachse sich mit der Meßachse
schneidet und die Interferometerachse und die Meßachse in einer gemeinsamen lotrechten
Ebene
liegen, daß das Reflexionssystem an einem am Maschinenbett
längs verschiebbaren Meßwagen pendelnd auf gehängt ist, wobei die Pendelachse sich
mit der Meßachse schneidet und daß die eleuchtungseinrichtung fest oder pendelnd
am Maschinenbett angeordnet ist.
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Ebenso ist es möglich, das Interferometerfernrohr pendelnd am Heßwagen
und das Reflexionssystem pendelnd am Maschinenbett anzuordnen.
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Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung wird erreicht, wenn das
Interferometerfernrohr und/oder das Reflexionissystem an einer Schwinge BCT befestigt
ist, die an einem Pendel dreh bar gelagert und an einem Fest punkt B des Meßwagens
angekoppelt ist und der Schwerpunkt der Schwinge BCT im Drehpunkt liegt.
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Es ist auch vorteilhaft, die Brehachsen für Pendel und Schwinge als
Kreruzbandfedergelenke oder Rollbandfedergelenke auszubilden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Koppel der Schwinge als Federstab
oder als Schwingsstift, der die Schwinge mit einem festpunkt des Meßwagens über
zwei Zugfedern zwangsfrei und kraftschlüssig verbindet, ausgebildet ist.
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Zur Dämpfung der Bewegungen des Pendels ist eine geeignete Dämpfungseinrichtung
vorgesehen.
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Durch die Erfindung wird erreicht, daß die mit interferometrischen
Meßsystemen erzeilbare hohe Genauigkeit der Länren- bzw. Wegmessung nicht durch
Fehler in sen Führungs bahnen oder elastische Verformungen des Maschinenbettes der
Teßmaschinen
und Werkzeugmaschinen emindert wird und daß die handelsüblichen Ausführungen der
Laserwegmeßsysteme zur Anwendung kommen können.
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tfIit einem einzigen Tripelprisma sind alle bei einer Längenßmaschine
anfallenden Lleßaufgaben, wie hußen-, Innen-, Steigungs- und Teilungsmessungen durchführbar.
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Die Erfindung soll nachstehend an einem AusführungsbeispIel näher
erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Teig, 1 eine Längenrneßmaschine
in Seitenansicht; Fig. 2 die Längenmeßmaschine nach Fig. 1, wobei das Triwpelprisma
an einer Schwinge befestigt ist; Fig. 3 ein Rollbandfedergelenk.
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In Fig. 1 ist eine Längenmeßmaschine dargestellt, bei der das aus
Beleuchtungseinrichtung 1 (Laserlichtquelle), Interferometerfernrohr 2 und Reflexionssystem
3 bestehende interferometrische Meßsystem unterhalb der meßachse 4 angeordnet ist.
Das Reflexionssystem, welches als Planspiegel, Tripelspigel oder Oriwpelprisma ausgeführt
werden kann, ist so am Meßwagen 5 aufgehängt, daß sich die Pendelachse 6 mit der
Meßachse 4 schneidet. Das Pendel hängt infolge der Schwerkraftwirkung an jeder Stelle
des Meßwagens 5 genau senkrecht, unabhängig davon, ob der Meßviagen 5 durch eine
fehlerhafte Führung auf dem Maschinenbett 7 von einer TMeßstelle zur anderen geringe
Winkeländerungen erfahren hat. Auf diese Weise ist es möglich, durch Führungsfehler
hervorgerufene Meßfehler vollkommen zu kompensieren. Lageänderungen
des
Interferometerfernrohres 2, die durch Belastungsänderungen des Maschinenbettes 7
entstehen, können dadurch kompensiert werden, daß das Interferometerfernrohr 2 pendelnd
em I.aUchinenbett 7 aufgehängt wird, wobei sich die Pendelachse 8 mit der Meßachse
4 schneidet. Zur BPS:npfung der Bewegung der beiden Pendel ist eine geschwindigkeitsabhändige
Dämpfungseinrichtung 9 vorgesehen, die als Wirbelstrombremse oder Flüssigkeits-
bzw. Luftdämpfung ausgeführt ist.
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Die Beleuchtungseinrichtung 1 ist am Maschinenblatt 7 fest angebracht.
Sie kann aber auch pendelnd daran befestigt sein.
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Für die Längenmeßmaschine ist es hCuSig auf Grund der verschiedenen
Meßaufgaben nicht möglich, den Pendeldrehpunkt körperlich in der Ixeßachse unterzubringen.
r diesen Fall, der in Fig. 2 dargestell' ist, wird die Pendelachse 6; 8 höher oder
tiefer in einen meß'::agen- bzw. meßbettfesten Punkt gelegt und das Reflexionssystem
3 bzw. das Interferometerfernrohr 2 an einer zwangsläufig gesteuerten Schwinge BCT
befestigt, welche in Fig. 2 über eine gabelförmige Koppel 10 mit dem meßagenfesten
Koppelpunkt B in Verbindung steht. Der Drehpunkt C der Schwinge BCT liegt am Pendel
und der Schwerpunkt der Schwinge BCT in ihrem Drehpunkt C. Für die Punktion wird
vorausgesetzt, daß bei einer Kippung des Meßwagens 5 um den Punkt D in der Meßachse
4 das beispielsweise als Tripelprisma ausgebildete Reflexionssystem 3 genau lotrecht
unter dem Punkt D stehen bleibt, d. h. daß für das Reflexionssystem 3 keine horizontalen
Verschiebungen auftreten. Dies
wird erreicht, wenn die Strecke AD
gleich der Strecke CT und die Strecke AB gleich der Strecke BC ist. Eine Drehung
des Meßwagens 5 mit den Festpunkten A und B um eine beliebige Achs. senkrecht zur
Zeichenebene kann auf Grund der allgemein gültigen Lehrsätze der Bewegungslehre
als Drehung um die Achse D sowie als horizontale Bewegung parallel zur Meßachse
4 und vertikale Bewegung rechtwinklig zur Meßachse 4 zerlegt werden. Die horiz:ntale
Bewegung geht voll in die Messung ein und die vertikale Bewegung rechtwinklig zur
Meßachse ergibt einen vernachlässigbaren Meßfehler zweiter Ordnung. Auch eine derartig.
Einrichtung kompensiert die muTeßfehler erster ordnung, die durch Führungsfehler
des Meßschlittens entstehen würden.
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In analoger Weise können Fehler infolge elastischer Verformung des
Maschinenbettes vermieden werden.
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Die am unteren Ende des Pendels befindliche Pendelmasse 11 bewirkt
zusammen mit der Dämpfungseinrichtung 9 eine Unterdrückung der Schwingbewegung des
Pendels.
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Da Pendel und Schwinge nur sehr geringe Drehbewegungen ausführen,
werden deren Drehachsen zweckmäßig als Federgelenke, z. B. Kreuzbandfedergelenke
oder Rollbandfedergelenke (Fig. 3) ausgebildet. Diese Lagerungen sind völlig Spielfrei,
unempfindlich gegen Erschütterungen und keiner Abnutzung unterworfen. Beim Rollbandfedergelenk
treten außerdem keine Rückstellkräfte auf.
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Die am Beispiel der Längenmeßmaschine dargestellte Kompensationseinrichtung
ist selbstverständlich auch in
anderen Meßmaschinen (Meßkomparatoren),
z. B. Mehrkoordinatenmeßmaschinen, oder in Werkzeugmaschinen einsetzbar, die als
Meßsystem ein Interferometer besitzen oder mit einem Laserinterferometer geprüft
werden sollen.