DE3426981A1 - Vorrichtung insbesondere zur wegmessung - Google Patents

Description

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Vorrichtung insbesondere zur Wegmessung

Die vorliegende Erfindung dient vorzugsweise der genauen digitalen Wegmessung, Sie kann dann vorteilhaft angewendet werden, wenn Auflösungen bis zu ^ bei großen Meßbereichen

von 10-20 mm und mehr benötigt werden. Es können auch alle die Größen mittels der vorgeschlagenen Erfindung digital gemessen werden, die sich auf einem Weg abbilden lassen«,

Ein derartiger Wegmeßwandler (Feinzeiger) soll die Messung kleiner Wege bis ca. 20 mm mit einer hohen Auflösung von -Ä ermöglichen. Damit werden Wegmessungen mit höchster Genauigkeit, welche sowohl die induktiven Meßwandler als auch die inkrementalen Meßtaster nicht erlauben, möglich, wobei ein relativ zur erzielten Genauigkeiten nur geringer apparativer Aufwand erforderlich ist.

Es sind verschiedene Vorrichtungen und Geräte zur Wegmessung bekannt. Zur elektrischen Wegmessung werden häufig induktive Meßwandler benutzt, wie sie beispielsweise vom VEB Peinmeßzeugfabrik Suhl produziert werden. In Abhängigkeit vom zu messenden Weg ändert sich die Selbstinduktivitat bzw. die Gegeninduktivitat.

Diese Meßwandler liefern ein analoges Ausgangssignal und besitzen Fehlergrenzen von ca. i 0,5%· Aus diesem Grunde sind sie nur bei kleinen Meßbereichen fü» Präzisionsmeseungen mit Fehler £ 0,1 /um einsetzbar.

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Α.·

Weiterhin sind Vorrichtungen bekannt, welche als Maßverkörperung fotoelektrisch abgetastete Inkrementalmaßstäbe (Impulsmaßstäbe) besitzen·

Mit solchen Meßsystemen werden Meßgenauigkeiten von ί 1/um erreicht (siehe Lieferübersicht der Firma Heidenhain 1982). Höhere Genauigkeiten sind bei Meßbereichen von ca· 20 mm wegen der Teilungsfehler der Impulsmaßstäbe, der Führungsfehler sowie der thermischen Ausdehnung nur schwer zu erreichen·

Zur Präzisionsmessung großer Längen (ca, 1 m) werden Interferometer unterschiedlichster Bauart eingesetzt, (Lit. Leser Interferometer Metrials L100E, Prospekt von Sore, Frankreich} Hewlett-Packard Prospekt zu 5526 A Laser Measurment System).

Hierbei handelt es sich um sehr aufwendige Apparaturen mit großen geoemtrischen Abmessungen· Sie sind für die Messung kleiner Längen somit ungeeignet·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Wegmessung zu schaffen, welche bei Meßbereichen von etwa 20 mm höchste Genauigkeiten ermöglicht·

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein optischer Teiler mit parallelen und monochromatischen Licht beleuchtet wird· Der optische Teiler besteht aus zwei Teilprismen, wobei ein Teilprisma so gefertigt wird, daß es in dem technisch möglichen Maße Winkel von genau 90°, 60° und 30° besitzt· Dieses Prisma ist auf der großen Kathetenfläche 50% teilverspiegelt· An dieser Katheten-

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fläche ist die große Kathetenfläche eines zweiten Teilprismas gleicher Geometrie so angekittet, daß die kleinen Kathetenflächen beider Teilprismen sich in einer Ebene befinden· Die 60°-Winkel beider Teilprismen werden so verändert, daß der WinkelcCzwischen Hypotenuse des zweiten Teilprismas und beiden kleinen Kathetenflächen der Teilprismen so von 60° abweicht, daß der gewünschte Interferenzstreifenabstand vorhanden ist. Die kleinen Kathetenflächen der beiden Teilprismen sind zur Hälfte vollver— spiegelt, wobei die Trennkante zwischen verspiegelter und unverspiegelter Fläche senkrecht zur Verbindungsschicht beider Teilprismen steht. Im optischen Teiler wird das monochromatische Parallelbündel in zwei gleiche Teilbündel aufgeteilt. Die Teilbündel werden jeweils mittels eines 90°- Umlenkprismas um 90° umgelenkt und gelangen jeweils in ein Tripelprisma. Nach der Reflexion in den Tripelprismen werden die Teilbündel nach Umlenkung am 90°-Umlenkprisma an den verspiegelten kleinen Kathetenflächen reflektiert, durchlaufen die Tripelprismen jeweils noch einmal und werden im optischen Teiler vereinigt. Die entstehende Interferenzerscheinung wird zur elektronischen Weiterverarbeitung mit Lichtleitkabel, denen Fotodetektoren nachgeschaltet sind, abgetastet. Beide Tripelprismen sind mittels Distanzringen an einem Tripelprismenhaltebügel befestigt.

Der Tripelprismenhaltebügel, der vorzugsweise aus Kieselglas besteht, ist mit einem Meßbolzen aus Invar fest verbunden« Der Meßbolzen einerseits ist in einem Spannschaft, der mit der Grundplatte fest verbunden ist, geführt. Zur Antastung des Meßobjektes trägt der Meßbolzen einen Meßaufsatz. Beide Tripelprismen werden bei einem Meßweg bezüglich des optischen Teilers gegenläufig bewegt, so daß eine doppelte Empfindlichkeit bewirkt wird.

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Der Radius R des Meßaufsatzee ist so gewählt, daß die Hälfte der Summe der Abstände zwischen den Eintrittsflächen der Tripelprismen und dem Scheitelpunkt S des Meßaufsatzes als Berührungspunkt mit dem Meßobjekt gleich dem Radius R des Meßaufsatzes ist· Bei einer solchen Anordnung werden die infolge der Führungefehler auftretenden Meßfehler bei der Antastung ebener Meßflächen minimiert. Bei Interferometeranordnungen treten infolge der Reflexionen an den Grenzflächen zwischen zwei Medien unterschiedlicher Brechzahl immer Störinterferenzerscheinungen auf. Zur Unterdrückung des Einflusses solcher Störinterferenzerscheinungen werden entweder einer der Winkel zwischen den Reflexionsflächen der Tripelprismen oder die Winkel, die zu möglichen Kombinationen gehören, ungleich 90° gestaltet,

/je wobei die Winkll beider Tripelprismen paarweise gleich sein müssen. Die Abweichung von dem 90° Winkel wird so gewählt, daß die Störinterferenzstreifenabstände so klein sind, daß sie vom Fotodetektor nicht mehr störend aufgelöst werden,

Eine weitere Reduzierung der Meßfehler infolge Führungsfehler wird erreicht, indem die Anordnung so erfolgt, daß die Zentralstrahlen beider Tripelprismen mit der Symmetrieachse des Meßbolzens fluchten.
Eine Halteplatte, die mit der Grundplatte fest verbunden ist, dient mittels eines Distanzringes der Halterung des optischen Teilers, Die Halteplatte ist an einer Stelle zu einer Biegezunge verjüngt. Am freien Ende der Biegezunge ist wieder mittels eines Distanzringes das 90° Umlenkprisma befestigt. Wird die Biegezunge beispielsweise mit Hilfe eines piezoelektrischen Schwingers zum Schwingen angeregt, kann das Ausgangssignal zusätzlich moduliert werden, was die elektronische Auswertung erleichtern kann.

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Die optischen Bauelemente, optischer Teiler, Tripelprismen und 90° Umlenkprisma, sind mit Hilfe von Distanzringen beispielsweise durch Kleben mit ihrer Unterlage verbunden. Die Distanzringe bestehen vorteilhaft aus einem Material, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient zur Verringerung mechanischer Spannungen zwischen den Werten der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von optischen Bauteilen und Grundplatte liegt. Die Befestigung unter Ausnutzung der Distanzringe ermöglicht definierte Klebestellen, was wiederum minimale Temperaturabhängigkeiten bewirkt.

Die Erfindung beseitigt Nachteile der bekannten Lösungen, daß entweder höchste Genauigkeiten bei Meßbereichen von ca, 20 mm nicht erreichbar sind oder der ökonomische Aufwand der Meßvorrichtung unvertretbar hoch ist,

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Figur 1: Gesamtansicht der Vorrichtung Figur 2: Teilansicht der Vorrichtung

Entsprechend Fig, 1 wird ein optischer Teiler, bestehend aus den Teilprismen 1, 2, mittels eines Lasers 7 sowie einer Aufweitungsoptik 6 mit parallelen und monochromatischen Licht beleuchtet. Der optische Teiler besteht aus den Teilprismen 1 und 2. Das Teilprisraa 1 besitzt Winkel von 90°, 60° und 30°, die entsprechend den technischen Möglichkeiten mit maximaler Genauigkeit gefertigt werden. Dieses Teilprisma 1 ist auf der großen Kathetenfläche 50 % teilver-

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spiegelt. An dieser Kathetenfläche ist die große Kathetenfläche des Teilpriamas 2 angekittet. Das Teilprisma 2 besitzt die gleiche Geometrie wie das Teilprisma 1. Beide Teilprismen sind so angekittet, daß die kleinen Kathetenflächen sich in einer Ebene befinden.

Die 60° -Winkel beider Teilprismen 1 und 2 werden in geeigneter Weise so verändert, daß der Winkeltzwischen der Hypotenusenfläche des Teilprismas 2 und den beiden kleinen Kathetenflächen der Teilprismen 1 und 2 so von 60° abweicht, daß der gewünschte Interferenzstreifenabstand entsteht. Die kleinen Kathetenflächen der beiden Teilprismen tragen zur Hälfte die Vollverspiegelungsschicht 18, Im optischen Teiler, bestehend aus den Teilprismen 1 und 2, wird das monochromatische Parallelbündel in zwei gleiche Teilbündel aufgeteilt. Die Teilbündel werden durch das 90° -Umlenkprisma 3 um 90° umgelenkt. Ein Teilbündel wird im Tripelprisma 5 reflektiert, während das andere Teilbündel im Tripelprisma 4 umgelenkt wird, Nach nochmaliger Umlenkung am 90° -Umlenkprisma 3 werden beide Teilbündel an der Vollverspiegelungsschicht 18 reflektiert, durchlaufen die Tripelprismen 4 und 5 noch einmal und werden im optischen Teiler vereinigt. Die entstandene Interferenzerscheinung wird beispielsweise zur richtungsabhängigen Zählung mit zwei um 90° phasenverschoben angeordneten Lichtleitkabeln 14 abgetastet. Den Lichtleitkabeln 14 sind Fotodetektoren 15 nachgeschaltet. Die Tripelprismen 4 und 5 sind wie aus Fig. 2 ersichtlich mittels der Distanzringe 21 und 22 an dem Tripelprismenhaltebügel 13 fest angeklebt. Der Tripelprismenhaltebügel 13, welcher aus Kieselglas besteht, ist fest mit dem Meßbolzen 8, der

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aus Invar gefertigt ist, verbunden· Der Meßbolzen 8 ist in einem Spannschaft 9, der in der Grundplatte 11 gehaltert ist, geführt. Zur Antastung des Meßobjektes 24 trägt der Meßbolzen 8 den Meßaufsatz. Der Radius R des Meßaufsatzes 10 ist nach Pig. 2 so gewählt, daß R - — gilt, a^j und ag sind die Abstände zwischen den Eintrittsflächen der Tripelprismen und dem Scheitelpunkt S als Berührungspunkt mit dem Meßobjekt. Zur Unterdrückung der Störinterferenzen wird gemäß Pig. 2 der Winkel bei beiden Tripelprismen 4 und 5 mit β = 90° + 3' und gemäß Pig. 1 die Winkel β ₄ und β ₅ mit β ^- ß₅= 90° gewählt. Die Anordnung nach Pig. 1 ist so gestaltet, daß. die Zentralstrahlen der Tripelprismen 4 und 5 mit der Symmetrieachse des Meßbolzene 8 fluchten. Der optische Teiler 1 und 2 ist, wie in Pig. 2 dargestellt, durch Klebung mittels des Distanzringes 20 fest mit der Halteplatte 12 verbunden, welche ihrerseits fest auf der Grundplatte angeordnet ist. Die Halteplatte 12 ist wie Pig. 1 zeigt, an einer Stelle zur Biegezunge 19 verjüngt. Am freien Ende der Biegezunge 19 ist mit Hilfe des Distanzringes 23 das Umlenkprisma 3 befestigt. Am freien Ende der Biegezunge ist außerdem das Piezobiegeelement 16 mit der Schwingmasse 17 angeordnet. Das Piezobiegeelement 16 wird elektrisch zu Schwingungen angeregt.

Sowohl die optischen Bauelemente - optischer Teiler, bestehend aus den Teilprismen 1 und 2, die Tripelprismen 4 und 5 sowie das 90° Umlenkprisma 3 bestehen aus optischen Glas gleicher Sorte, beispielsweise aus BK7. Die Distanzringe 20, 21, 22 und 23 bestehen aus einem Material, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient in der Größe zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Grundplatte 11 bzw. Tripelprismenhaltebügel 13 einerseits und optischen Teiler, bestehend aus den Teilprismen 1 und 2, 90° Umlenkprisma 3 bzw. Tripelprismen 4, 5 andererseits liegt.

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Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1,2 - Teilprismen (optischer Teiler)

3 - 90° -Umlenkprisma

4,5 - Tripelprismen

6 - Aufweitungsoptik

7 - Laser

3 - Meßbolzen

9 ~ Spannschaft mit Führung

10 - Meßaufsatz

11 - Grundplatte

12 ~ Halteplatte

13 - Tripelprismenhaltebügel

14 - Lichtleitkabel

15 - Fotodetektoren

16 - Piezobiegeelement

17 - Schwingermasse

18 - Spiegelschicht

19 - Biegezunge 20, 21, 22, 23 - Distanzringe 24 - Meßobjekt

S - Scheitelpunkt

R - Radius des Meßaufsatzes

a.-, a_? - Abstände

oC , β - Winkel

-Λλ

Leerseite -

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   (ΐ· Vorrichtung zur Wegmessung bestehend aus Laser, Aufweitungssystem, optischem Teiler, 90° - Umlenkprisma, Tripelprismen, Lichtleitkabel, fotodetektoren und mechanischen Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Teiler, aus zwei Teilprismen (1) und (2) besteht, wobei das Teilpriama (1) einen Winkel von 30° aufweist und auf der großen Kathetenfläche 50 % teilverspiegelt ist, daß diese Kathetenfläche mit der großen Kathetenfläche eines zweiten Teilprismas (2) verkittet ist, daß dieses Teilprisma (2) einen Winkel von 30° aufweist, daß die kleinen Kathetenflächen sich in einer Ebene befinden und die 60° - und 90° - Winkel beider Teilprismen (1) und (2) so verändert sind, daß der Winkel zwischen der Hypothenusenflache und der kleinen Kathetenfläche des Teilprismas (2) entsprechend dem gewünschten Abstand der Interferenzstreifen ungleich 60° ist, daß die kleinen Kathetenflächen der Teilprismen (1) und (2) zur Hälfte eine Verspiegelungsschicht (18) tragen, wobei die Trennkante zwischen verspiegelter und unverspiegelter Fläche senkrecht zur Verbindungsschicht beider Teilprismen steht, daß der op«r tische Teiler, bestehend aus Teilprisma (1) und (2) mittels eines Distanzringes (20) mit einer Halteplatte (12) fest verbunden ist, daß die Halteplatte (12) fest mit einer Grundplatte (11) verbunden ist, daß die Halteplatte (12) eine Biegezunge (19) besitzt, daß an der Biegezunge (19) ein 90° -Umlenkprisma (3) mittels eines Distanzringes (23) fest angeordnet ist, daß an der Biegezunge (19) ein Piezoelement (16) mit einer Schwingmasse (17) angeordnet ist, daß an der Grundplatte (11) ein Spannschaft (9), in dem ein Meßbolzen (8) geführt ist, fest angebracht ist, daß mit dem Meßbolzen (8)

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   ein Tripelprismenhaltebügel (13) fest verbunden ist, daß an dem Tripelprismenhaltebügel (13) seinerseits mittels Distanzringen (21,22) Tripelprismen fest angeordnet sind, daß deren Zentralstrahlen mit der Symmetrieachse des Meßbolzens (8) fluchten, daß das Material der Distanzringe (20,21,22,23) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der zwischen denen der Materialien von Grundplatte (11) einerseits und dem optischen Teiler, bestehend aus den Teilprismen (1,2) und dem 90° -Umlenkprisma (3) andererseits sowie zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien des Tripelprismenhaltebügel (13) einerseits und den Tripelprismen (4,5) andererseits liegt, daß die Winkeißzwischen Dachkante und Reflexionsfläche der Tripelprismen (4,5) einen Winkel ungleich 90° besitzen, daß der Winkel zwischen beiden Dachkantenflächen der Tripelprismen (4,5) gleich 90° ist, daß die Hälfte der Summe der Abstände zwischen den Eintrittsflächen der Tripelprismen und dem Scheitelpunkt (5) eines Meßaufsatzes (10) ist, daß somit ·— a R gilt, daß im Interferenzbild mehrere Lichtleitkabel (14) angeordnet sind und den Lichtleitkabeln (14) Fotodetektoren (15) angeschaltet sind,
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbolzen (8) aus Invar besteht·
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Tripelprismenhaltebügel (13) aus Kieselglas besteht«

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