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Meßeinrichtung und Verfahren zur Bestimmung der räumlichen
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Lage eines Körpers Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung und
ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Lage eines Körpers in einem dreiachsigen
Bezugssystem, irsbesondere zur Bestimmung der translatorischen Fehler von Mehrkoordinaten-Meßmaschinen
oder -WerkzeugmascSinen, mittels mindestens eines Interferometersystems, das eine
monochromatische Lichtquelle und einen bezugsfest angeordneten Strahlenteiler aufweist,
der das Licht in einen Referenzstrahl und einen Meßstrahl aufteilt, und mit einem
an dem Körper angebrachten Tripelspiegel und einem bezugsfesten Planspiegel, die
den Meßstrahl zur Überlagerung mit dem Referenzstrahl reflektieren, wobei der überlagerte
Lichtstrahl einem fotoelektrischen Empänger zugeführ wird.
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Mit Interferometersystemen arbeitende Längenmeßeinrichtungen, die
Laser als Lichtquelle benutzen, werden u. a. zur Bestimmung der translatorischen
Fehler von Mehrkoordinaten-Maschinen eingesetzt, beispielsweise zur Bestimmung der
Fehler von Meßmaschinen oder von Werkzeugmaschinen. Interferometersysteme sind
jedoch
in ihrem üblichen Aufbau nur zur Längenmessung in einer Richtung bestimmt, so daß
eine räumliche Fehlerermittlung nur mit drei getrennten Meßanordnungen möglich ist.
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Die gleichzeitige Messung aller drei translatorischen Fehler von Mehrkoordinaten-Maschinen,
insbesondere Meßmaschinen, ist bis jetzt nur in Form der Antastung räumlicher Normale
(beispielsweise Kugelreihen) den Genauigkeitsanforderungen gerecht geworden. Diese
räumlichen Normale sind jedoch in der Größe begrenzt und weisen Kalibrierpunkte
mit festen Abständen auf. Dadurch ist die Messung zunächst auf wenige, durch die
konstruktive Gestaltung des Normals vorgegebene Punkte beschränkt. Der Meßvorgang
wird verhältnismäßig umstärdlich, wenn das Normal mehrfach im Arbeitsraum der Maschine
versetzt werden muß.
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Bei einer bekannten Meßeinrichtung der eingangs genannten Art (F.
Ertl, Betrachtungen zur Genauigkeit von 3-Koordinaten-Meßmaschinen, Industrie Anzeiger,
1975, Seite 197) wird zur Bestimmung der drei translatorischen Fehler von Meßmaschinen
nur ein einziges Interferometersystem verwendet, bei iem ein Laserstrahl, der der
Längenmessung in Strahllängsrichtung dient, zugleich als ideale Bezugsgerade verwendet
wird (Tooling-Laser-Prinzip). Die beiden translatorischen-Fehler, die nicht mit
der Laserstrahlrichtung zusammenfallen, werden durch einen fotoelektrischen Positionsdetektor
und durch zwei Winkelmeßeinrichtungen am Lasergerät ermittelt. Diese Meßeinrichtung
weist jedoch bei der Geradheitsmessung eine wesentlich höhere Meßunsicherheit auf
als die herkömmlichen Meßmethoden zur Ermittlung nur eines Geradheitsfehlers (wie
z.B. die Messung der Geradheit mit einem mechanischen Normal aus Glas oder Stein
und einem Meßtaster).
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Meßeinrichtung der eingangs
genannten Art zu schaffen, mit der eine gleichzeitige
Bestimmung
der Lage eines Körpers in den drei Achsen eines Bezugsystems, insbesondere die Bestimmung
der drei translatorischen Fehler von Mehrkoordinaten-Maschinen mit der Genauigkeit
herkömmlicher Meßeinrichtungen zur Ermittlung der Einzelfehler möglich ist, wobei
die Meßeinrichtung zugleich einfach handhabbar sein soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein von der
monochromatischen Lichtquelle gelieferter Lichtstrahl in einem Dreifach-Strahlteiler
in drei parallele Lichtstrahlen aufgeteilt wird, daß die drei Lichtstrahlen drei
Interferometersystemen zugeführt werden, deren Meßstrahlen auf den gemeinsamen Tripelspiegel
fallen, daß auf der dem Tripelspiegel zugekehrten Seite des Planspiegels jeweils
ein Keil im Strahlengang des Meßstrahls des zugeordneten Interferometersystems angeordnet
ist, daß die drei Keile zueinander um die Maßachse der Interferomete systeme versetzt
angeordnet sind, und daß die Ausgangssignale der drei fotoelektrischen Empfänger
einer gemeinsamen Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt werden.
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Mit den drei Meßstrahlen erfolgen gleichzeitig drei. Längenmessungen,
wobei jede dieser Messungen von der Lage des Tripelspiegels in Richtung des entsprechenden
Meßstrahlsabhängt. Aus den drei gemessenen Längen läßt sich die Lage des Tripelspiegels
im Bezugssystem durch drei lineare Gleichungen beschreiben, so daß in der Signalverarbeitungseinrichtung
mit einfachen Rechenoperationen die Lage des Körpers bestimmt bzw. im speziellen
Anwendungsfall die drei translatorischen Fehler der Mehrkoordinaten-Maschine ermittelt
werden können.
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Dadurch wird die zur Messung von Positions- und Geradheitsabweichungen
an Meßmaschinen oder Werkzeugmaschinen erforderliche Zeit wesentlich verringert,
da der Aufwand zur
Messung der drei translatorischen Fehler mit
der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung kaum größer ist als die Messung nur der Positionsabweichungen
(d. h. einfache LEngenmessung) mit einer herkömmlichen Meßeinrichtung, z.B. einem
einfachen Læserinterferometer.
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Durch die gleichzeitige Messung aller drei translatorischen Fehler
für jeden einzelnen Meßpunkt wird es möglich, die Gesamtheit der translatorischen
Fehler einer Maschine im Raum anzugeben. Die mit bisherigen Methoden an einem Kalibrierpunkt
gemessenen Fehler gehören demgegenüber in der Regel nicht zusammen, da sie in größerem
zeitlichem Abstand und durch getrenntes Anfahren des Kalibrierpunktes gemessen werden
mußten. Dieser zeitliche Abstand bedingt einen Fehlereinfluß durch eine mögliche
Temperaturdrift, während das getrennte Anfahren des Xalibrierpunktes zusätzliche
Fehler durch die Maschinenstreuung bedingt.
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Die bisher übliche Ausrichtung eines Laserinterferometers zur Messung
der Positionsabweichung erfolgte nach Augenmaß. Für kleinere-Verfahrwege ist dieses
Verfahren unzureichend, da die Richtungsabweichung zwischen Laserstrahl und Verfahrweg
so groß wird, daß ein unzulässig hoher Kosinusfehler entsteht. Durch die gleichzeitige
Messung sowohl der;Geradheits- als auch der Positionsabweichung bei der erfindungsgemäßen
Meßeinrichtung kann der Kosinusfehler in sehr einfacher Weise rechnerisch korrigiert
werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand
von Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführrngsbeispiel näher
erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.
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Es zeigt: Fig. 1 eine erfindungsgemäße Meßeinrichtung bei der Abnahme
einer Dreikhordinaten-Meßmaschine,
Fig. 2 den Strahlengang bei der
Meßeinrichtung, wie sie in Fig. 1 verwendet wird, Fig. 3 eine Draufsicht auf die
Keilplatte und Fig. 4 in einer schematischen Darstellung den Einfluß einer Verschiebung
des Tripelspiegels auf den optischen Weg des Meßstrahls.
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Ein von einem Laser 1, vorzugsweise einem He-Ne-Laser erzeugter monochromatischer
Lichtstrahl hoher Kohärenz wird in einem Dreifach-Strahlteiler 2 mittels teilverspiegelter
Winkelprismen 3 in drei parallele Lichtstrahlen zerlegt, die in einem weiteren Strahlenteiler
4 in bekannter Weise jeweils in einen Meßstrahl und einen Referenzstrahl aufgespalten
werden. Wie man aus Fig.1 erkennt, ist ein den Strahlteiler 4 enthaltendes Gehäuse
5 auf einem Tisch 6 einer Meßmaschine angeordnet, wodurch das Bezugssystem für die
Messung festgelegt ist.
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Der jeweilige Referenzstrahl wird an einem Planspiegel 7 reflektiert,
während der Meßstrahl jeweils durch einen Keil 8 einer Keilplatte 14 hindurchtritt,
wo er abgelenkt wird, wie aus Fig. 2 zu erkennen ist. Nach Reflektion an einem Tripelprisma
9 oder Tripelspiegel, der an einer Pinole 1o der Meßmaschine angebracht ist, tritt
der parallel zu sich selbst reflektierte Meßstrahl wieder in die Keilplatte 14 ein
. Er wird an der teilverspiegelten Rückseite ii der Keilplatte 14 in sich reflektiert
und läuft wieder zurück zum Strahlteiler 4.
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Zum Betrieb des Interferometersystems kann entweder ein 2-Frequenz-Laser
1 verwendet werden, dessen einer Teilstrahl in der Zeichenebene (Fig. 2) und dessen
anderer Teilstrahl senkrecht zur Zeichenebene polarisiert ist, oder es kann ein
1-Frequenz-Laser 1 verwendet werden, dessen Licht mit 45° bezüglich der Zeichenebene
polarisiert ist.
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Unabhängig von der Art des verwendeten Lasers 1 erzeugt der Strahlteiler
4 Referenzstrahlen, die in der Zeichenebene polarisiert sind und Meßstrahlen, die
senkrecht dazu polarisiert sind.
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Der Strahlteiler 4 enthält an der der Keilplatte 14 und der dem Planspiegel
7 zugewandten Seite je eine /4-Platte, die für eine Drehung der Polarisationsebene
der zurückkommenden Meß- und Referenzstrahlen um jeweils 900 sorgen, so daß der
Meßstrahl nach Durchlaufen der Meßstrecke im Strahlteiler 4 reflektiert wird, während
der Referenzstrahl nach Durchlaufen der Referenzstrecke durch den Strahlteiler 4
ungehindert hindurchtritt. Der Referenzstrahl wird mit dem von der Meßstrecke zurückkehrenden
Meßstrahl vereinigt. Der vereinigte oder überlagerte Lichtstrahl gelangt in einen
fotoelektrischen Empfängerl2, der einen Polarisator aufweist, der die Interferenz
der beiden Lichtstrahlen herbeiführt. Ein im Empfänger 12 angeordneter, nachgeschalteter
Fotodetektor empfängt ein moduliertes Signal, das ein Maß für die Änderung der optischen
Weglänge in der Meßstrecke ist.
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In Fig. 2 ist der Verlauf der Meß- und Referenzstrahlen für einen
der drei aus dem Strahlteiler 2 austretenden Lichtstrahlen dargestellt. Dieser Strahlengang
verläuft für die beiden anderen aus dem Strahlteiler 2 austretenden Lichtstrahlen
ebenfalls in der beschriebenen Weise, wobei die hierfür erforderlichen Keile 8 an
der gemeinsamen Keilplatte 14 ausgebildet sind, die in Fig. 3 in Draufsicht dargestellt
ist. Die Keilplatte 14 besteht aus einer Planparallelplatte mit aufgesetzten, jeweils
um 1200 zueinander um die Meßachse des Interferometersystems versetzten Keilen 8.
Die Keilplatte 14 ist an der dem Strahlteiler 4 zugewandtenSeite in Form eines dreizackigen
Sterns teilverspiegelt, wobei die verspiegelten Bereiche jeweils hinter den länglichen
schraffierten Zonen 8.1, 8.2 und 8.3 der Fig. 3 liegen. Die schraffierten Kreise
8.11, 8.22 und 8.33 in Fig.3 bezeichnen die Austrittsstelle, an der die Meßstrahlen
Jeweils
aus den Keilen 8 austreten. In diesen Bereichen ist die
Rückseite der Keilplatte 14 nicht verspiegelt.
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Die länglichen schraffierten Zonen 8.1, 8.2 und 8.3 bezeichnen die
Bereiche, in denen der am Tripelspiegel 9 reflektierte Meßstrahl wieder in den jeweiligen
Keil 8 eintritt, bevor er an der in diesem Bereich verspiegelten Rückseite 11 der
Keilplatte 14 reflektiert wird. Aus der schematischen Darstellung in Fig. 4 erkennt
man, daß sich bei einer seitlichen Verlagerung des Tripelspiegels 9 diese Eintrittsstelle
verschiebt und daß sich dabei die optische Weglänge des Meßstrahls ändert.
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Die optische Achse 15 des Interferometersystems verläuft senkrecht
zu der teilverspiegelten Rückseite 11 der Keilplatte 14.
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Jeder der drei Meßstrahlen wird durch den zugehörigen Keil 8 um einen
Winkel α gegenüber der Achse 15 gebrochen. Wird der Tripelspiegel 9 um einen
Weg #@ quer zur Achse 15 verschoben, dann ändert sich der optische Weg des Meßstrahls
um # W = 4- # z ' sindC . Die optischen Wege der beiden anderen Meßstrahlen ändern
sich dabei ebenfalls, jedoch um den halben Betrag in entgegengesetzter Richtung.
Bezeichnet man mit #WI , #WII und #WIII die Änderungen der optischen Weglängen der
drei Meßstrahlen I, II und III und # # x, # y, # z z die Komponenten eines Vektors,
der die Verschiebung des Tripelspiegels 9 beschreibt, dann gilt 12 . oos α
. # x = # WI + #WII + #WIII
12 .sin α. # z = -#WI - #WII + 2 . # WIII Die zu einem integrierten System
zusammengefaßten drei interferometrischen Längenmeßeinrichtungen sind sowohl
gegen
die Verschiebung des Tripelspiegels 9 in Richtung der optischen Achse 15 des Systems
als auch in je einer zur optischen Achse 15 senkrechten Richtung empfindlich.
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Aus der Änderung der drei optischen Weglängen, die in den drei foteoelektrischen
Empfängern 12 erfaßt und als Ausgangssignal an die Signalverarbeitung 13 geliefert
werden, wird dort durch Auswertung der vorgenannten Gleichungen die Lageänderung
des Tripelspiegels 9 in Richtung der drei Achsen x, y und z ermittelt.
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Da die Änderungen der optischen Weglängen # WI, # WII und # WIII annähernd
gleich groß sind, würde eine rein rechnerische Bildung der Differenz zweier annähernd
gleich großer digitaler Werte eine sehr hohe Stellenzahl erfordern, wenn der Digitalisierungsfehler
klein bleiben soll. Sehr hohe Stellenzahl bedeutet für den Digitalzähler zugleich
hohe Zählgeschwindigkeit. Diese Schwierigkeiten werden vermieden, wenn die Bildung
der Differenz vor der Digitalisierung, also im analogen Teil der Signalverarbeitungseinrichtung
wie nachstehend beschrieben in zwei Stufen erfolgt.
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In der ersten Stufe bildet man durch elektrische tberlagerung analog
die zwei den Differenzen #WIII - # WI und # WIII - Z WII entsprechenden Signale.
Dann werden in der zweiten Stufe
4 WIII' 4 W111 - WT und # WIII - # WII entsprechenden analogen Signale digitalisiert
und Digitalzählern zugeführt. Am Ausgang der Zähler stehen nun die Werte: # DI =
# WIII - # WI # DII = # WIII - # WII und # DIII = # WIII in digitaler Form zur Verfügung.
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Entsprechend den früher genannten Gleichungen können nun mit Hilfe
eines Rechners die Komponenten a x, dy, dz des Vektors, der die Verschiebung des
Tripelspiegels besohreibt, ermittelt werden:
12 # oos α #
# x = - # DI - # DII + 3 # # DIII
12 .sin α # z = # DI + # DII.
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L e e r s e i t e