DE2909573A1

DE2909573A1 - Anordnung zur kompensation von messfehlern erster ordnung

Info

Publication number: DE2909573A1
Application number: DE19792909573
Authority: DE
Inventors: Gerhard Gramss
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1978-05-10
Filing date: 1979-03-12
Publication date: 1979-11-15
Also published as: DD136536B1; DD136536A1; CS217421B1; GB2020845B; JPS54153056A; GB2020845A

Description

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Titel der Erfindung; Anordnung zur Kompensation von Meßfehlern erster Ordnung

Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Kompensation von Meßfehlern erster Ordnung, welche infolge der Verletzung des Abbe'sehen Komparatorprinzips entstehen, mittels optischer Teile, vorzugsweise für mit Xnterferometern ausgerüsteten Koordinatenmeßgeräten und Werkzeugmaschinen·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen;

Präzisionslängenmessungen mit Koordinatenmeßgeräten werden heute meist aufgrund der Meterdefinition als Vergleich zwischen Meßstrecke und Lichtwellenlänge durchgeführt« Als Meßeinrichtung dienen hierzu Interferometer, die vorzugsweise Laser als Lichtquelle verwenden« Dazu wäre es notwendig, derartige Messungen bei Einhaltung des Abbe'sehen Konparatorprinzips durchzuführen, um durch Führungsfehler bedingte Meßfehler erster Ordnung auszuschalten· Die Anwendung eines Laserwegmeßsjstems an Koordinatenmeßmaschinen bei Einhaltung des Komparatorprinzips würde die Baugroße derartiger Maschinen nachteilig beeinflussen«

Weiterhin würde der frei im Baum verlaufende Laserstrahl durch Umwelteinflüsse in seiner optischen Länge beeinflußt« Es erscheint daher sinnvoll, auch bei Anwendung interferometrieeher Längenmessung das Abbe'sehe Komparatorprinzip zu verletzen und durch geeignete

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Einrichtungen die Meßfehler der ersten Ordnung zu kompensieren·

Aus DD 118 464 ist eine derartige Einrichtung bekannt. Im Maschinenbett ist eine laser- und Interferometereinheit fest angeordnet, deren Meßstrahl von einem Tripelspiegel reflektiert wird, der pendelnd an einem Meßschlitten aufgehängt ist· Dabei liegt die Pendelachse in der Meßachse, und die Interferometerachse und die Meßachse liegen in einer gemeinsamen senkrechten Ebene· Durch die pendelnde Aufhängung des Tripelspiegel soll vermieden werden, daß sich die durch Führungsfehler bedingte Kippung des Meßsehlittens auf das Meßergebnis negativ auswirkt·

Eine derartige Einrichtung besitzt jedoch erhebliche

Nachteile, weil die Pendellage des Tripelspiegel nicht ausreichend reproduzierbar und durch Schwingungen leicht beeinflußbar ist«

Ziel der Erfindung:

Es ist das Ziel der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und die Meßgenauigkeit bei Koordinatenmeßmaschinen und die Einstellgenauigkeit bei Werkzeugmaschinen zu erhöhen·

Darlegung des Wesens der Erfindung> Hex Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung

zur Kompensation von Meßfehlern erster Ordnung zu schaffen, mit der mit optischen Mitteln eine Anpassung der Kompensationswirkung an den Abstand von Meßstrahlengang zu Prüflings achse erzielt wird«

Erfindungegemäß wird die Aufgabe bei einer Anordnung

zur Kompensation von Meßfehlern erster Ordnung bei einem aus lichtquelle, Strahlenteiler und Interferometer bestehendem Meßajsten dadurch gelöst, daß im Meßstrahlengang

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des Meßsystems vor dem Reflexionsspiegel eine Planparallelplatte usd ein Vorsatzfernrobr angeordnet sind, die zusammen mit dem Reflexionsspiegel starr mit dem Schlitten verbunden sind·

Dabei ist es vorteilhaft, daß die Planparallelplatte und das Vorsatzfernrohr zwischen der Lichtquelle und dem Reflexionsspiegel im Meßstrahlengang angeordnet sind, und daß die Planparallelplatte schräg, vorzugsweise unter 45°, im Meßstrahlengang gelegen ist·

Vorteilhaft ist ferner, daß im Meßstrahlengang ein

in seiner Vergrößerung variierbares, die Kompensationswirkung der Planparallelplatte veränderndes Vorsatzfernrohr vorgesehen ist, wobei die Vergrößerung in Abhängigkeit des Abstandes von Meßstrahlengang und Prüflingsachse einste11-bar ist·

Biese Anordnung hat gegenüber der bekannten Einrichtung erhebliche Vorteile· So zeichnet sie sich durch eine einfache und robuste Konstruktion aus, welche wenig Bauteile umfaßt· Bewegliche Teile sind nicht vorhanden« Durch eine Veränderung des effektiven Lichtweges ist die Kompensationswirkung in Abhängigkeit des Abstandes von Prüflingsachse und Interferometerstraljlengang einstellbar und so die Anwendung in mehreren übereinanderliegenden Heßebenen möglich· Wie auch bei der bekannten Einrichtung, kann die Anordnung und das Interferometer, gegen Umwelteinflüsse abgekapselt, Im Heßgeräte- oder Werkzeugmaschinenbett eingebaut werden· Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Anordnung unempfindlich gegen Parallelversetzungen des sie tragenden Schlittens in Seite und Höhe ist· Als separate Baueinheit kann die Anordnung nachträglich ohne großen Aufwand in Heßgeräte und Werkzeugmaschinen eingebaut werden· Die Anordnung ist ferner lageunabhängig·

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Ausführungsbeispielt

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert «erden· Es zeigen Fig. 1 die Lage der Anordnung in einem Meßgerät ?ig· 2 schematisch den Aufbau und Strahlengang

der Anordnung und

Fig« 3 den Strahlengang durch die Planparallelplatte· Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Koordinatenmeßgerät besteht aus einem Gerätebett 1, auf dem sich ein verschieb» bar gelagerter Schlitten 2 und ein Ständer 3 befinden· Im oberen Teil des Heßgerätes ist zwischen dem Ständer 3 und dem Schlitten 2 der zu messende Prüfling 4 angeordnet. Im Abstand f von der Prüflingsachse, welche gleichzeitig die Meßachse ist, befindet sich im unteren Teil des Schlittens 2 der Heßstrahlengang 5 und starr am Schlitten 2 angeordnet die Anordnung zur Kompensation von Heßfehlern erster Ordnung, welche durch Führungsfehler des Schlittens oder durch Verformungen bedingt sind· Im Gerätebett 1 sind vorzugsweise die lichtquelle 6, ein Interferometer und ein Strahlenteiler (nicht dargestellt) vorgesehen und mit diesen fest verbunden* Als Lichtquelle 6 wird vorteilhafterweise ein Laser verwendet.

Die im Heßstrahlengang 5 angeordnete Kompensationeinrichtung besteht aus einer Planparallelplatte 7 und einem Vorsatzfernrohr 8, welche optisch mit einem im Schlitten 2 vorgesehenen Reflexionsspiegel 9 zusammenwirken und zwischen dem Reflexionsspiegel 9 und der Lichtquelle 6 angeordnet sind (Figuren 1 und 2)· Hierbei sind die optisch wirksamen Flächen der Planparallelplatte 7 schräg, vorzugsweise 45° geneigt, im Meßstrahlengang 5 gelegen* Das Vorsatzfernrohr 8 besitzt vorteilhafterweise eine in Abhängigkeit des Abstandes f vom Heßstrahlengang 5 und Prüflingsachse verstellbare Vergrößerung.

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Die Wirkungsweise der Anordnung kann wie folgt beschrieben werden:

Das von der Lichtquelle 6 ausgehende und den Strahlenteiler durchlaufende Licht des Meßstrahlengangs passiert auf seinem Wege das Vorsatzfernrohr δ und. die Planparallelplatte 7 und trifft auf den Reflexionsspiegel 9, welcher als XrlpeIspiegel ausgebildet ist« Vom Reflexionsspiegel 9 reflektiert, durchläuft es in entgegengesetzter Richtung die Planparallelplatte 7 und das Vorsatzfernrohr zum Strahlenteiler durchlaufende kohärente Licht zweimal die FlanparaXIeIplatte 7 zu passieren hat· Bei der Verkippung verändert sich der effektive Glasweg des Lichtes durch die FlanparaHelplatte 7· Diese Glaswegänderung ist proportional dem Kippwinkel f des Schlittens· Das im lleßstrahlengang 5 angeordnete Vorsatzfernrohr 8 vergrößert den Kippwinkel Ψ auf optischem Weg und erhöht die Effektivität der Planparallelplatte. Demzufolge kann, je nach Fernrohrvergrößerung Γ , bei gleichem Kippwinkel f des Schlittens 2 die optisch wirksame Dicke d der FlanparaHelplatte 7 scheinbar verändert werden·

In den Figuren 2 und 3 ist der Strahlengang in der Planparallelplatte 7 und im Vorsatzfernrohr 8 schematisch dargestellt« Bei vorhandener Kippung des Schlittens 2 tritt das Licht der Lichtquelle 6 unter dem Kippwinkel Ψ in das Vorsatzfernrohr 8 ein und verläßt dieses unter einem Winkel f ^ = C/⁷+ 1) · f gegenüber einem Lichtstrahl bei dem Kippwinkel ^ = 0· Das Licht trifft dann auf die, den Glasweg bestimmende Planparallelplatte 7 »it der Dicke d und der Brechzahl n, wobei die FlanparaHelplatte 7 schräg, vorzugsweise unter 45° im Strahlengang 5 angeordnet ist« Der Eintrittswinkel ist mit £ bezeichnet (Fig· 3)· Die wellenoptische Weg-

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länge S zwischen zwei Festpunkten durch die um den Winkel S geneigte Planparallelplatte 7 errechnet eich entsprechend Fig· 3 nach der Beziehung S = a - b + nd^, worin η die Brechzahl des Glases für die Wellenlänge des verwendeten monochromatischen Lichtes ist·

Für kleine Änderungen des LichteintrittswinkeIs £ ergeben sich durch Differentiation die Änderungen S der optischen Weglänge zu

s * d . sin € (1 - AS, worin d die

ΏΓ - sin^

Dicke der Planparallelplatte ist·

Wenn sich z. B· durch unkontrollierte Kippung des Schlittens 2 der Reflexionsspiegel 9 effektiv von der Lichtquelle 6 entfernt und so die Weglänge S zunimmt, muß diese optische Wegzunahme durch einen negativen Wert- Δ S kompensiert werden· Das Vorzeichen von Δ S ist je nach neigung der Planparallelplatte 7 zum Vorsatzfernrohr 8 hin bzw· von ihm weg umkehrbar« Weiterhin kann durch Wahl des Vorsatzfernrohres 8 das Vorzeichen von Δ S variiert werden·

Fach der Anordnung gemäß den Figuren 1 und 2 ergibt sich für die kontinuierliche Kompensation der Fehler erster Ordnung durch Verletzung des Abbe'sehen Komparatorprinzips um den Abstand f folgende Beziehung

f - d . sin Ε (1 - ( P +1).

n^d sin^

Tür Siskoordinatenmeßgeräte ist der Abstand f zwischen Prüflings«ch8β und Meßstrahlengang 5 konstant· Bei Zwei- oder Dreikoordinatenmeßgeräten wird er mit der Wahl der Meßebene in verschiedenen Prüflingshohen auch ständig verändert. Wird die Vergrößerung P des Vorsatzfernrohrββ 8 mittels geeigneter Mittel kontinuierlich

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verändert, so ändert sich auch die Größe der !Compensationswirkung der erfindungsgemäßen Anordnung und diese kann somit beliebigen Abständen f angepaßt werden· Das bedeutet z* B., daß für Dreikoordinatenmeßgeräte die Führungsfehler der x-j-Koordinaten für jede in der z-Koordinate zu wählende ließebene eliminierbar sind·

Durch eine Kopplung der Einstellmittel für die Fernrohrvergrößerung mit der Verstellung der Meßebene ist eine automatisierte Kompensation von Meßfehlern erster Ordnung erzielbar·

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Claims

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Patentansprüche;

/Ί7) Anordnung zur Kompensation von Meßfehlern erster Ordnung, die infolge Verletzung des Abbe»sehen Komparatorprinzips bedingt sind, bei einem aus Lichtquelle, Strahlenteiler und Interferometer bestehenden Maßsystem, vorzugsweise für Koordinatenmeßgeräte und Werkzeugmaschinen, wobei ein Reflexionsspiegel eines Meßstrahlenganges und die zur Kompensation benutzten Bauteile an einem beweglichen Schlitten außerhalb der Prüflingsachse (Meßachse) und die Lichtquelle und der Strahlenteiler fest im Gerätebett angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßstrahlengang des Meßsystems vor den Reflexionsspiegel eine Planparallelplatte und ein Torsatzfernrohr angeordnet sind, die zusammen mit dem Reflexionsspiegel starr mit dem Schlitten verbunden sind·
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Planparallelplatte und das Vorsatzfernrohr zwischen der Lichtquelle und dem Reflexionsspiegel im Meßstrahlengang angeordnet sind, und daß die Planparallelplatte schräg, vorzugsweise unter 45°, im Meßstrahlengang gelegen ist.

3· Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßstrahlengang ein in seiner Vergrößerung variierbares, die Kompensationswirkung der Planparallelplatte veränderndes Vorsatzfernrohr vorgesehen ist, wobei die Vergrößerung in Abhängigkeit des Abstandes von Meßstrahlengang und Prüflingsachse einstellbar ist.

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