-
-
Verfahren zum Messen von geometrischen Größen und
-
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens =================================================
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen von geometrischen Größen,
die sich durch Längenmessungen ermitteln lassen, sowie auf Einrichtungen zur Durchführung
des Verfahrens.
-
Für die Messung langer Strecken findet vielfach die interferometrische
Längenmessung Anwendung.
-
Dabei ist es notwendig, störende Einflüsse der unmittelbaren Umgebung
auf den Brechungsindex der Luft zu eliminieren oder bei der Meßwertbildung mit einzubeziehen.
Im praktischen Einsatz sind beide Methoden für lange Meßstrecken schwierig zu verwirklichen.
Deshalb hat man versucht, eine lange Meßstrecke schrittweise zu vermessen.
-
Die zu vermessende Strecke wird dabei in kleine Meßstrecken aufgeteilt.
Die Meßwerte dieser Teilmeßstrecken werden zu einem Gesamtmeßwert aufsummiert.
-
In der EP-PS oo 53 199 ist bereits eine Meßeinrichtung beschrieben,
bei der eine Meßbasis und ein
Meßwertgeber in Meßrichtung verschiebbar
angeordnet sind. Die aktive Meßstrecke ist dabei vor Umwelteinflüssen geschützt.
Bei diesem Meßverfahren bewegen sich die Meßbasis und der Meßwertgeber schrittweise
abwechselnd entlang der zu vermessenden Strecke. In einem Rechner werden die einzelnen
Meßwerte der Meßschritte zu einem Gesamtmeßwert aufsummiert.
-
Diese Meßeinrichtung hat den Nachteil, daß der Basisschlitten vor
der Bewegung des Meßschlittens abgesetzt werden muß. Diese Absetzvorgänge - z.B.
-
durch Abschalten des tragenden Luftfilmes - bewirken unter Umständen
auch Verlagerungen des Meßschlittens in Meßrichtung, die möglicherweise von der
Meßeinrichtung nicht erfaßt werden.
-
Des weiteren ist eine kontinuierliche Vermessung, z.B. von Teilungen,nicht
durchführbar. Eine derartige Vermessung wird aber des öfteren bei einer rechnergestützten
Vermessung gefordert.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung, Nachteile bekannter Meßverfahren
zu vermeiden und ein Meßverfahren zu schaffen, das bei hoher Genauigkeit eine kontinuierliche
Messung von Strecken ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, dessen Verfahrensschritte
im Anspruch 1 angegeben sind.
-
Vorteilhafte Einrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens finden
sich in den Unteransprüchen.
-
Die Vorteile der Erfindung liegen im wesentlichen darin, daß die Gesamtmessung
zumindest ebenso genau ist, wie bei bekannten Verfahren bzw. Einrichtungen,
und
daß durch die stetige Bewegung des Basisschlittens in Meßrichtung eine kontinuierliche,
auch rechnergestützte Vermessung möglich wird.
-
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
-
Es zeigen Figur 1 eine bekannte Laserinterferometer-Meßeinrichtung;
Figur 2 eine Laserinterferometer-Meßeinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens; Figur 3 eine weitere Laserinterferometer-Meßeinrichtung gemäß der Erfindung;
Figur 4a bis 4e Meßschritte zu Figur 2 und Figur 3; Figur 5 eine Abschirmung für
die Meßstrecken mit Kompensationseinrichtung; Figur 6 vergrößerte Einzelheiten der
Meßeinrichtung nach Figur 5 Bei der bekannten Meßeinrichtung in Figur 1 ist der
Laser 1' wie üblich ortsfest angebracht. Die Meßbasis besteht aus einem Basisschlitten
BS', welcher ein Interferometer mit den Elementen teildurch-
lässiger
Spiegel 2', Tripelprisma 3' und einen evakuierten, längenveränderlichen Hohlkörper
4' aufweist. Die Elemente wie Photodetektoren o. dgl. des bekannten Laserinterferometers
sind nicht gezeigt.
-
Der Basisschlitten BS' läßt sich entlang der Meßstrecke verschieben.
Der Meßwertgeber besteht aus einem Meßschlitten MS', auf dem ein weiteres Tripelprisma
5' als Reflektor fest angeordnet ist, dessen Verschiebung in Bezug auf die Meßbasis
interferometrisch gemessen wird. Über eine Servo-Nachführregeleinrichtung läßt sich
die Auszugslänge des evakuierten Hohlkörpers 4' bestimmen, sie ist von der Stellung
des Meßschlittens MS',also des Reflektors 5', abhängig. Bei Verschiebungen des Reflektors
5' zählt ein Zähler 6' die Interferenzstreifendurchgänge, so daß deren Anzahl ein
Maß für die Verschiebung des Reflektors 5' ist. Die maximale Distanz zwischen dem
Basisschlitten BS' und dem Reflektor 5' wird durch die maximale Auszugslänge des
Hohlkörpers 4' festgelegt und bestimmt die Endposition des Reflektors 5' bei jeder
Teilmessung. Der Meßwert, d.h. die als Maß für die gemessene Strecke ermittelte
Anzahl von Interferenzstreifendurchgängen wird im Zähler 6' gespeichert, der dazu
mit einem Datenspeicher versehen ist. Das Ergebnis der ersten Teilmessung liegt
damit fest und ist abgespeichert.
-
Bei der zweiten Teilmessung wird vorerst der Meßschlitten MS' des
Reflektors 5' fixiert, der Basisschlitten BS' wird gelöst und auf den Reflektor
5' hin verfahren. Dabei verkürzt sich der evakuierte Hohlkörper 4' unter Einwirkung
der Servo-Nachführeinrichtung, die den Luftspalt zwischen dem Rohrende und dem Reflektor
5' konstant klein hält. Die durch diese Verschiebung des Basisschlittens BS' auftretenden
Interferenzstreifendurchgänge werden mit
negativem Vorzeichen gezählt,
so daß bei Differenzbildung von dem im Datenspeicher abgespeicherten Meßwert und
der Restweganzeige die Distanz bekannt ist, um die der Basisschlitten BS' verschoben
wurde.
-
Anschließendwird der Basisschlitten BS' wieder fixiert und der Meßschlitten
MS' wieder gelöst. Dieser Vqrgang kann beliebig oft wiederholt werden, ohne daß
die Messung von den Umweltbedingungen der Atmosphäre beeinflußt wird.
-
Bei der Laser-Interferometer-Meßeinrichtung in Figur 2 ist der Laser
1 auch ortsfest angebracht. Die in Meßrichtung X bewegliche Meßbasis besteht aus
einem Basisschlitten BS, welcher die zur Teilung und Umlenkung des Laserstrahls
benötigten Spiegel 2a, 2b, 7, 8, ein Spiegelsystem 9, die Tripelprismen 3a, 3b zur
Erzeugung der Referenzstrahlen, Photodetektoren Ph1a bis Ph2b zum Ermitteln der
Streifendurchgänge Hell-Dunkel sowie eine Zähleinheit 6 zum vorzeichenrichtigen
Zählen dieser erfaßten Hell-Dunkel-Zyklen trägt.
-
Der Meßwertgeber besteht aus den Meßschlitten MSa und MSb, welcher
je ein Tripelprisma 5a und 5b trägt, damit der auftreffende Strahl definiert parallel
zu diesem zurückreflektiert wird. Damit zufällige räumliche und zeitliche Schwankungen
der Luftparameter Druck, Temperatur, Feuchtigkeit und Kohlendioxydgehalt keinen
Einfluß auf das Gesamtergebnis haben, sind die Meßstrecken A, B sowie Oie Strecken
zur Referenzmessung nach außen hin abgekapselt und vorzugsweise evakuiert. Diese
Abkapseleinrichtung wird von längenveränderlichen Hohlkörpern 4a, 4b und einem Gehäuse
10 gebildet.
-
Bei der Anordnung nach Figur 2 können Beschleunigungskräfte, hervorgerufen
durch die schrittweise Bewegung der Meßschlitten MSa, MSb, klein gehalten
werden.
-
Abweichend von Figur 2 ist es auch denkbar, daß der Laser Bestandteil
des Basisschlittens ist; nur ein Tripelprisma und somit nur ein Referenzstrahlengang
vorliegt; der Zähler und die gesamte Auswerteeinheit im Basisschlitten integriert
ist.
-
Zur Teilung des vom Laser kommenden Strahles und zur Bildung des Referenzstrahlenganges
wäre anstelle der gezeigten Anordnung auch eine an sich bekannte Anordnung mittels
Kösters-Prisma aus DE-PS 14 73 812 und DE-AS 12 55 931 einzusetzen.
-
In Figur 3 trägt abweichend von Figur 2 der Basisschlitten BS die
Tripelprismen 5a, 5b und die Meßschlitten MSa, MSb beinhalten je einen Interferometer-Meßkopf.
-
Der Meßablauf für beide gezeigten Ausführungsformen ist gleich und
wird anhand der Figur 4 erklärt. In Figur 4a bis 4e sind die Meßschritte zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch aufgezeigt. Ein Prüfling 11 als zu
vermessender Körper liegt fest auf einer als Ebenheitsreferenz dienenden, vorzugsweise
aus Granit gefertigten Basisplatte 12. Der Basisschlitten BS wird zu Beginn der
Messung zum Anfangspunkt des Prüflings 11 eingerichtet und fixiert. Die Meßschlitten
MSa und MSb werden in einer Anfangsposition fixiert, so daß der Basisschlitten zwischen
ihnen in Meßrichtung X etwa mittig fixiert liegt und die Auszugslänge der in Figur
2 und 3 gezeigten Hohlkörper 4a, 4b minimal ist. Das bedeutet auch, daß die Meßstrecke
A - zwischen dem Meßschlitten MSa und dem Basisschlitten BS - und die Meßstrecke
B - zwischen dem Meßschlitten MSb und
dem Basisschlitten BS - etwa
gleich sind. Der Zähler wird auf einen Anfangswert, vorzugsweise auf Null, gesetzt,
bevor mit der Messung begonnen wird. Der Basisschlitten BS fährt nun über den gesamten
Meßbereich stetig mit konstanter Geschwindigkeit V in Meßrichtung X. Der Meßschlitten
MSa fährt mit der doppelten Geschwindigkeit 2V in Meßrichtung X bis zur maximalen
Auszugslänge des Hohlkörpers 4a und wird dort fixiert. Ab jenem Zeitpunkt, als der
Basisschlitten BS und der Meßschlitten MSa freigegeben wurden, wurde die Längenänderung
der Meßstrecke B vom Zähler erfaßt. In Figur 4b ist nun jener Zustand zu sehen,
in dem die Längenänderungen beider Meßstrecken A und B erfaßt werden. Diese Maßnahme
ist angebracht, damit bei der Übergabe des Meßwertes der Meßstrecke B in einen Speicher,
und in der kurzen Verzögerungszeit bis der Meßschlitten MSb gelöst und der Meßschlitten
MSa fixiert ist, jede Verschiebung der Schlitten MSa, MSb und der in dieser Zeit
vom Basis schlitten BS zurückgelegte Weg exakt erfaßt und verarbeitet werden. Dieser
Weg, der in dieser kurzen Zeit vom Basis schlitten BS zurückgelegt wird, wird hier
als Synchronisationsweg S bezeichnet.
-
In Figur 4c ist nun der Meßschlitten MSa fixiert und der Meßschlitten
MSb bewegt sich mit der Geschwindigkeit 2V in Meßrichtung X, d.h. daß die Wegänderung
des Basis schlittens BS nur noch vom Meßschlitten MSa aufgenommen und vom Zähler
6 erfaßt wird. Nachdem zwischen Basisschlitten BS und Meßschlitten MSb die minimale
Auszuqslänqe des Hohlkörpers erreicht wurde, werden wieder beide Längenänderungen
der Meßstrecken A und B synchron erfaßt, bis der Meßschlitten MSb fixiert, der Meßschlitten
MSa gelöst und der Meßwert der
Meßstrecke A in den Speicher übergeben
wurde. Im gezeigten Zustand Figur 4e ist der Anfangszustand Figur 4a wieder erreicht
und ein neuer Meßzyklus beginnt. Dieser Meßzyklus kann beliebig oft durchgeführt
werden. Die im Zähler gezählten und im Speicher registrierten Hell-Dunkel-Streifendurchgänge
werden in einer Auswerteeinheit vorzeichenrichtig verarbeitet und zu einem Gesamtmeßwert
aufsummiert.
-
Für die Erfassung und die Übergabe der Meßwerte in die Auswerteeinheit
kann es vorteilhaft sein, daß nicht nur ein Zähler, sondern für die Meßstrecke A
und die Meßstrecke B je ein Zähler zur Verfügung steht.
-
Die Figuren 5 und 6 zeigen vorteilhafte Konstruktionen, die bewirken,
daß äußere und vom System herrührende Einflüsse das Gesamtmeßergebnis möglichst
wenig verfälschen. Der Prüfling 11 liegt auf der Basisplatte 12 fest. Diese Basisplatte
12 stellt die Ebenheitsreferenz und die vertikal stützende Führungskomponente dar.
Als seitliche Führungskomponente dient ein Granit-Lineal. Bei den angenommenen Geschwindigkeiten
V1=2V bzw. V2=2V sind die Relativgeschwindigkeiten der Schlitten zur Basisplatte
12 in beiden Meßabschnitten A, B gleich, d.h. V2-V=V-V1, wobei V die Geschwindigkeit
des Basisschlittens BS darstellt, V1 die Geschwindigkeit des Meßschlittens MSb und
V2 die Geschwindigkeit des Meßschlittens MSa. Sind die den evakuierten Raum bildenden
Hohlkörper 4a, 4b gleichartig, d.h. gleiche Dimensionierung, gleiche Lagerung und
Dichtung, so werden die durch Reibung und Verformungsarbeit erzeugten und auf den
Basisschlitten BS wirkenden Kräfte in erster Näherung gleich Null, da Druck bzw.
Zug gleich groß, aber in Meß-
richtung X jeweils gegensinnig gerichtet.
Die Hohlkörper 4a, 4b und der Kompensationskolben 13 sind in gezeigter Weise als
teleskopartige Rohr systeme ausgeführt. ES kann aber auch je ein elastischer Spiralfeder-Balg
Verwendung finden. Abgedichtet werden diese Systeme mittels Festkörperdichtungen
14 oder Flüssigkeitsdichtungen, welche auch gleichzeitig zu einer reibungsarmen
Führung und Lagerung dienen. Wie aus Figur 5 und 6 ersichtlich, ist es vorteilhaft,
für die Meßstrecken A und B zwei kommunizierende Vakuum-Kammern zu verwenden, einmal
wegen der besseren Vakuum-Kontrolle, da nur eine Vakuumpumpe 16 erforderlich wird,
zum anderen wegen der meßtechnisch günstigen Unterbringung der Reflektoren 5a, 5b.
Die Eigenschaften dieser Reflektoren 5a, 5b dürfen sich durch Umwelteinflüsse nicht
ändern, des weiteren sollten die Reflektoren 5a, 5b nach der Lehre von Abbe möglichst
nahe der zu vermessenden Prüflingsoberfläche angebracht sein.
-
Basis schlitten BS und beide Meßschlitten MSa, MSb bewegen sich in
bereits aufgezeigter Weise in Meßrichtung X. Um die Einwirkungen auf das Gesamtsystem,
hervorgerufen durch Aufrechterhaltung des Vakuums und durch Beschleunigungskräfte,
zu eliminieren, werden die Hohlkörper 4a, 4b durch Halterungen 17, 17a, 17b elastisch
mit den Schlitten BS, MSa, MSb verbunden. Um die Halterungen 17, 17a, 17b nicht
gegenüber axial wirkender Luftdruck-Komponenten abstützen zu müssen, werden die
Hohlkörper 4a, 4b mittels einer Druckleitung 18 mit dem separaten Kompensationskolben
13 und der Vakuumpumpe 16 verbunden. Ein Seilzug 19 stellt die mechanische Verbindung
der verschiebbaren Hohlkörper 4a, 4b mit dem Kompensationskolben 13 dar. Diese so
erhaltene
Kompensation ist weitgehend unabhängig von der Stellung
der Schlitten BS, MSa und MSb. Optimale Kompensation liegt vor, wenn die Anordnung
folgendermaßen dimensioniert ist: F1 = F1', F2 = F2' also A1 = Al', A2 = A2', wobei
F = A p au und F = wirkende Kraft am Ende des Hohlkörpers, hervorgerufen durch das
Vakuum im Hohlkörper A = wirksame Fläche iXp = Druckänderung Durch die beschriebene
Anordnung können keine unbeeinflußbaren Kräfte von einem Schlitten BS, MSa, MSb
auf den anderen, oder von einem Schlitten BS, MSa, MSb auf den Prüfling 11 bzw.
auf die Basis 12 übertragen werden. Die elastische Verbindung der Schlitten ist
durch die Dichtungen 14 und die elastischen Abstützungen 20, 20a, 20b der Halterungen
17, 17a, 17b gewährleistet. Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Konstruktion
besteht darin, daß bei hermetischer Abdichtung der Hohlkörper 4a, 4b und des Kompensationskolbens
13 die Vakuumpumpe 16 entfallen kann. In nicht gezeigter Weise ist es auch möglich,
daß die Halterungen in einer Hilfsführung unabhängig von der Basis geführt werden.
Dadurch wird es ailch möglich, daß jede Halterung eine separate Antriebseinheit
erhält. Eine weitere vorteilhafte nicht gezeigte Ausführung besteht darin, daß der
Kompsensationskolben durch ein Stützsystem fest am Basisschlitten angebracht ist.
Selbstverständlich ist es auch möglich, daß die Meßschlitten nicht in gezeigter
Weise hintereinander angeordnet sind, sondern sich beidseitig des Basisschlittens
befinden, sich aber in Meßrichtung X bewegen.
-
Es ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren gut zum rechnergestützten
Vermessen von Maßstabsverkörperungen eingesetzt werden kann, wobei der Basisschlitten
BS den benötigten Meßwertaufnehmer zum Abtasten des Maßstabes beinhaltet.
-
Bei der Beschreibung wurden die Geschwindigkeiten mit V1=2V bzw. V2=2V
angenommen. Bei der praktischen Ausführung ist diese Beziehung nicht unbedingt Bedingung.
Wenn die angegebene Beziehung nicht eingehalten wird, ist aber mit dem Verlust einiger
angeführter Vorteile zu rechnen. Der Beginn und das Ende der Gesamtmeßstrecke kann
durch Referenzmarken, Näherungsschalter und ähnliche Anordnungen bestimmt werden.
Das heißt, daß der Basisschlitten nicht exakt zum Anfangspunkt eingerichtet werden
muß, sondern es genügt, ihn z.B. vor der Referenzmarke anzuordnen. Beim Überfahren
dieser Referenzmarke wird der Zähler auf einen Bezugswert gesetzt.
-
Der Basisschlitten kann auch über den Gesamtmeßweg hinaus verfahren
werden, eine zweite Referenzmarke, welche am Ende der Gesamtmeßstrecke angeordnet
ist, unterbricht die Meßwertübertragung.
-
Als Ebenheitsreferenz für den Prüfling 11 wird in gezeigter Weise
die Basisplatte 12 angesehen, dies gilt nur, wenn diese Basisplatte 11 auch gleichzeitig
zur Führung der Schlitten BS, MSa, MSb dient.
-
Es sind aber auch andere Möglichkeiten zur Fixierung eines Prüflings
parallel zur Schlittenführung möglich.
-
Das Einfügen der Synchronisationsschritte nach Fig.
-
4b,4d ist zur Erhöhung der Meßsicherheit angebracht, für das eigentliche
Meßverfahren aber nicht zwingend notwendig.
-
Das angegebene Verfahren zur Messung geometrischer Größen ist nicht
nur bei interferometrischen Meßeinrichtungen durchführbar, es ist auch möglich,
es u.a. bei lichtelektrischen Meßeinrichtungen anzuwenden.