DE3426981C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung dient vorzugsweise der genauen digitalen Wegmessung. Sie kann dann vorteilhaft angewendet werden, wenn Auflösungen bis zu λ/32 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 λ/32 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 Genauigeit 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 Feinmeßzeugfabrik Suhl produziert werden. In Abhängigkeit vom zu messenden Weg ändert sich die Selbstinduktivität bzw. die Gegeninduktivität.

Diese Meßwandler liefern ein analoges Ausgangssignal und besitzen Fehlergrenzen von ca. ± 0,5%. Aus diesem Grunde sind sie nur bei kleinen Meßbereichen für Präzisionsmessungen mit Fehler ± 0,1µm einsetzbar.

Weiterhin sind Vorrichtungen bekannt, welche als Maßverkörperung fotoelektrisch abgetastete Inkrementalmaßstäbe (Impulsmaßstäbe) besitzen. Mit solchen Meßsystemen werden Meßgenauigkeit von ± 1 µm erreicht (siehe Lieferüberschicht 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 geometrischen 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 Genauigkeit ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein optischer Teiler mit parallelem und monochromatischem Licht beleuchtet wird. Der optische Teiler besteht aus zwei Teilprismen. Das erste Prisma ist auf der großen Kathetenfläche 50% teilverspiegelt. An dieser Kathetenfläche ist die große Kathetenfläche eines zweiten Teilprismas gleicher Geometrie so angekittet, daß die kleinen Kathetenfläche beider Teilprismen sich in einer Ebene befinden. Die 60°- und 90°-Winkel beider Teilprismen werden so verändert, daß der Winkel α zwischen Hypotenuse des zweiten Teilprismas und beiden kleinen Kathetenflächen der Teilprismen so von 60° abweicht, daß der gewünschte Inter­ ferenzstreifenabstand vorhanden ist. Die kleinen Kathetenflächen der beiden Teilprismen sind zur Hälfte vollverspiegelt, wobei die Trennkante zwischen verspiegelter und unverspiegelter Fläche senkrecht zur Verbindungsschicht beider Teilprismen steht. Im optischen Teiler wird das mono­ chromatische 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.

Der Radius R des Meßaufsatzes 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 Führungsfehler 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, wobei die Winkel 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 Ausgangsmaterial zusätzlich moduliert werden, was die elektronische Auswertung erleichtern kann.

Die optischen Bauelemente, optischen Teiler, Tripelprismen und 90°C-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 Genauigkeit 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:

Fig. 1 Gesamtansicht der Vorrichtung,

Fig. 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 parallelem und monochromatischem Licht beleuchtet. Der optische Teiler besteht aus den Teilprismen 1 und 2. Das Teilprisma 1 ist auf der großen Kathethenfläche 50% teilverspiegelt. An dieser Kathetenfläche ist die große Kathetenfläche des Teilprismas 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°- und 90°-Winkel beider Teilprismen 1 und 2 werden in geeigneter Weise so verändert, daß der Winkel α zwischen der Hypotenusenfläche des Teilprismas 2 und den beiden kleinen Kathetenflächen der Teilprismen 1 und 2 von 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° phasenverschobenen 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 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 Fig. 2 so gewählt, daß

gilt. a₁ und a₂ sind die Abstände zwischen den Eintrittsflächen der Tripelprismen und dem Scheitelpunkt S als Berührungspunkt mit dem Meßobjekt. Zur Unterdrückung der Störinterferenzen wird gemäß Fig. 2 der Winkel bei beiden Tripelprismen 4 und 5 mit b = 90° + 3′ und gemäß Fig. 1 die Winkel β₄ und β₅ mit β₄ = β₅ = 90° gewählt. Die Anordnung nach Fig. 1 ist so gestattet, daß die Zentralstrahlen der Tripelprismen 4 und 5 mit der Symmetrieachse des Meßbolzens 8 fluchten. Der optische Teiler 1 und 2 ist, wie in Fig. 2 dargestellt, durch Klebung mittels des Distanzringes 20 fest mit der Halteplatte 12 verbunden, welche ihrererseits fest auf der Grundplatte 11 angeordnet ist. Die Halteplatte 12 ist wie Fig. 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 19 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 optischem 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.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen:

 1, 2 - Teilprismen (optischer Teiler)
 3 - 90°-Umlenkprisma
 4, 5 - Tripelprismen
 6 - Aufweitungsoptik
 7 - Laser
 8 - 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
a₁, a₂ - Abstände
α, β - Winkel

Claims (3)

1. Vorrichtung zur interferometrischen Wegmessung bestehend aus Laser, Aufweitungssystem, 90°-Umlenkprisma, Tripelprismen, Lichtleitkabel, Fotodetektoren und mechanischen Bauteilen und einem optischen Teiler vom Kösterstyp, der aus zwei Teilprismen besteht, wobei das erste Teilprisma einen Winkel von 30° aufweist und auf seiner großen Kathetenfläche 50% teilverspiegelt ist, diese mit der großen Kathetenfläche des zweiten Teilprisma verkittet ist, welches auch einen Winkel von 30° aufweist und die kleinen Kathetenflächen in einer Ebene liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die 60°- und 90°-Winkel beider Teilprismen (1) und (2) so verändert sind, daß der Winkel zwischen der Hypothenusenfläche und der kleinen Kathetenfläche des Teilprismas (2) entsprechend dem gewünschten Abstand der Interferenzstreifen ungleich 60° ist, die kleinen Kathetenflächen der Teilprismen (1) und (2) zur Hälfte eine Verspiegelungsschicht (18) tragen, wobe die Trennkante zwischen verspiegelter und unverspiegelter Fläche senkrecht zur Verbindungsschicht beider Teilprismen steht, der optische Teiler, bestehend aus Teilprisma (1) und (2) und mittels eines Distanzringes (20) mit einer Halteplatte (12) fest verbunden ist, die Halteplatte (12) fest mit einer Grundplatte (11) verbunden ist, die Halteplatte (12) eine Biegezunge (19) besitzt, an der Biegezunge (19) ein 90°-Umlenkprisma (3) mittels eines Distanzringes (23) fest angeordnet ist, an der Biegezunge (19) ein Piezoelement (16) mit einer Schwingmasse (17) angeordnet ist, an der Grundplatte (11) ein Spannschaft (9), in dem ein Meßbolzen (8) geführt ist, fest angebracht ist, daß mit dem Meßbolzen (8), der einen Meßaufsatz (10) trägt, 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 Tripelprismenhaltebügels (13) einerseits und den Tripelprismen (4, 5) andererseits liegt, daß die Winkel β zwischen 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 der Radius des Meßaufsatzes (10) gleich der Hälfte der Summe der Abstände zwischen den Eintrittsflächen der Tripelprismen und dem Scheitelpunkt (5) des Meßaufsatzes (10) ist, daß somit gilt, daß in der Ebene des Interferenzbildes mehrere Lichtleitkabel (14) enden und den Lichtleitkabeln (14) Fotodetektoren (15) nachgeschaltet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbolzen (8) aus Invar besteht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Tripelprismenhaltebügel (13) aus Kieselglas besteht.