DE4113841C2 - Einrichtung zur Messung einer translatorischen Wegänderung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung einer translatorischen, von einem rotierenden Spiegelelement in einem Interferometer erzeugten Wegänderung.

Als Meßwertaufnehmer für Drehbewegungen und in Verbindung mit mechanischen Meßeinrichtungen, wie Meßzahnstangen oder Ge­ windespindeln, für lineare Bewegungen werden Drehgeber und Winkelmeßgeräte verwendet. Solche Geräte werden bei der Automation im allgemeinen Maschinenbau, bei Robotern und Handhabungsgeräten, Verstell- und Verschubeinrichtungen so­ wie Geräten der Informationstechnik, Antennen, Richtgeräten aber auch bei Prüf- und Meßgeräten aller Art eingesetzt.

Beim inkrementalen Messen werden die Ausgangssignale inkre­ mentaler Drehgeber und Winkelmeßgeräte einer Zähl-Elektronik zugeführt, in welcher der Meßwert durch Zählen einzelner "Inkremente" ermittelt wird. Beim inkrementalen Drehgeber ist die Welle mit spielfrei eingestellten Kugellagern in einem Flansch gelagert und trägt eine Teilscheibe aus Glas, auf welcher eine Radialgitter-Teilung aufgebracht ist. Die lichtundurchlässigen Striche, die etwa doppelt so breit sind wie die lichtdurchlässigen Lücken dazwischen bestehen aus Chrom, welches im Vakuum auf den Glaskörper nach dem DIADUR-Verfahren aufgedampft wurde. In geringem Abstand zur Teilung ist auf dem Flansch eine Abtastplatte angeordnet, welche auf kleinen Feldern jeweils die gleiche Gitterteilung trägt wie die Teilscheibe. Auf den vier Feldern der Abtastplatte sind die Striche aber jeweils um ein Viertel einer Teilungsperi­ ode zueinander versetzt angeordnet. Zusätzlich ist auf der Teilscheibe wie auf der Abtastscheibe ein Feld mit einer Re­ ferenzmarke aufgebracht, welche bei gröberen Teilungen durch einen Einzelstrich, bei feinen Teilungen durch eine Strich­ gruppe gebildet ist.

Alle diese Felder werden von einem parallelen Lichtbündel durchflutet, welches von einer Lichtquelle und einer Linse erzeugt wird. Der Lichtstrom wird bei der Drehung der Teil­ scheibe moduliert und trifft auf Photoelemente, welche zwei elektrische, annähernd sinusförmige Signale und ein Referenz­ markensignal erzeugen. Die zwei sinusförmigen Signale sind zueinander um 90° elektrisch phasenverschoben; eine Signa­ lperiode von 360° entspricht einem Drehwinkel um eine Tei­ lungsperiode der Radialgitter-Teilung.

Bei derart aufgebauten inkrementalen Drehgebern ist die Her­ stellung aufwendig und außerdem sind eine hohe Winkelauflö­ sung sowie eine nicht-lineare Winkelcodierung ausgesprochen schwer zu realisieren; aus diesem Grund sind daher auf diese Weise hergestellte inkrementale Drehgeber teuer.

Bei Interferometern nach Michelson, bei welchen rotierende Retroreflektoren zur Erzeugung von Wegdifferenzen verwendet werden, wird die Wegmessung mittels einer Laserstrahlung durchgeführt. Die Laserstrahlung durchläuft das Interferome­ ter, und aus dem resultierenden Interferenzsignal ergibt sich über die Kenntnis der Wellenlänge der Laserstrahlung die Wegdifferenz. Nachteilig bei dieser Art der Wegmessung ist, daß dazu entweder ein Referenzinterferometer für die Laserstrahlung mit dem Signalinterferometer gekoppelt wer­ den muß, oder daß die Laserstrahlung durch das Signalinter­ ferometer zu führen ist. Im zweiten Fall muß ein gesonderter Bereich des Strahlteilers für die Laserstrahlung geeignet sein. Dadurch wird entweder der Bereich der Signalstrahlung eingeengt, oder es müssen als Strahlteiler, Spiegel, Linsen, u.ä. größere Komponenten verwendet werden. Ferner ist es aufwendig, einen Strahlteiler herzustellen, welcher in zwei geometrisch getrennten Bereichen unterschiedliche optische Eigenschaften hat, da die Signalstrahlung meist im Infraro­ ten liegt, während der Laser meist einen HeNe-Laser mit einer Wellenlänge von 632.8 nm ist. Weiterhin ist nachteilig, daß preiswerte Laserröhren in der Regel eine geringe Lebens­ dauer haben, daß jedoch langlebige Röhren teuer sind.

In DE 36 24 874 A1 ist ein Winkelgeber mit zwei auf einer Ach­ se zueinander verdrehbaren Teilen beschrieben, von welchen der eine Teil ein Leseteil und der andere Teil eine Endlosspur trägt. Von der Endlosspur werden dem Leseteil Informationen übergeben,mit welcher die Stellung der Spur zum Leseteil ange­ geben wird. Hierbei ist die Endlosspur vorzugsweise auf einem kreisscheibenförmigen Träger ausgebildet und mit einem Code beschrieben, welcher ohne weitere Umrechnungen eine direkte Information über die Stellung der Spur und des Lesekopfs zu­ einander gibt.

Ferner ist aus DE 38 09 639 A1 eine Vorrichtung zur indirekten Wegmessung, insbesondere bei der Positionierung von Roboter­ achsen bekannt, bei welcher eine mit digitaler Weginformation versehene Speicherscheibe vorgesehen ist, der mindestens ein Abtastkopf in der Weise zugeordnet ist, daß Speicherscheibe und Abtastkopf relativ zueinander bewegbar sind, indem der Ab­ tastkopf ortsfest angebracht und die Speicherscheibe relativ dazu drehbar ist. Ferner ist zur indirekten Wegmessung einer mit einer Antriebsspindel versehenen translatorischen Bewe­ gungsachse die Speicherscheibe fest und konzentrisch mit der Antriebsspindel verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Messen einer translatorischen von einem rotierenden Spiegelelement in einem Interferometer erzeugten Wegänderung zu schaffen, welche bei einem geringen technischen Aufwand mit hoher Zuverlässig­ keit arbeitet. Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe bei einer Einrichtung zur Messung einer translatorischen Wegänderung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbil­ dungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 und 3.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann zur Erzeugung einer Taktfolge in Form von auf konzentrischen Krei­ sen aufgebrachten Taktspuren auf einem sich synchron mit dem rotierenden Spiegelelement drehenden Speichermedium die Ein­ richtung zum Messen einer translatorischen Wegänderung vor­ übergehend mit einem Interferometer als Referenz-Wegmeßsystem ausgerüstet werden.

Durch eine Referenzmessung wird dann auf der Taktspur des Speichermediums eine Impulsfolge aufgezeichnet, welche der ge­ lesenen Wegänderung entspricht. Mittels einer Signalelektro­ nik, welche einem Lesekopf zum Lesen der aufgebrachten Takt­ spuren nachgeordnet ist, wird dann aus diesen Taktspuren die translatorische Wegänderung ermittelt. Hierbei kann zu einer gemäß der Erfindung nur einmal notwendigen Abspeicherung einer Impulsfolge beispielsweise ein Laser verwendet werden.

Gemäß der Erfindung ist somit der Laser in einem im Betrieb verwendeten Interferometer durch eine Konserve eines erzeugten Signals ersetzt, wobei die Konserve immer wieder gelesen wer­ den kann. Zur Erzeugung dieser Konserve kann beispielsweise ein auswechselbares Speichermedium in ein Aufzeichnungsinter­ ferometer eingebaut werden, das bezogen auf seine Winkelstel­ lung gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung in einer definierten Lage mittels Paß- und Zentriereinrichtungen gehaltert ist. Ein solches aus dem Aufzeichnungs-Interferome­ ter entnommenes, mit einer Impulsfolge versehenes Speicherme­ dium kann dann anschließend fest in einem Betriebs-Interfero­ meter untergebracht werden.

Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind zu einer absoluten Winkelmessung eine oder mehrere Im­ pulsfolgen auf dem kreisscheibenförmigen Speichermedium co­ diert in einer oder mehreren Spuren untergebracht.

Die Erfindung kann ferner in vorteilhafter Weise insbesondere bei optischen Interferometern nach Michelson mit rotierenden Retroreflektoren eingesetzt werden, wie beispielsweise in DE 34 31 040 A1 beschrieben ist. Bei solchen Interferometern, bei welchen durch ein oder mehrere Spiegelelemente in Form der vorstehend erwähnten rotierenden Retroreflektoren eine Wegän­ derung erzeugt wird, werden mittels mit den rotierenden Spie­ gelelementen starr gekoppelter Speichermedien und diesen fest zugeordneten Leseköpfen Drehwinkel gemessen. Aus den gemessenen Drehwinkeln wird dann in einer zugeordneten Signalelektronik die Wegänderung in dem Interferometer bestimmt.

Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfin­ dung anhand von Interferometern nach Michelson mit rotieren­ den Retroreflektoren unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines gemäß der Erfin­ dung ausgestatteten Interferometers mit einem rotierenden Retroreflektor, und

Fig. 2 eine Ausführungsform eines gemäß der Erfin­ dung ausgestatteten Interferometers mit zwei rotierenden Retroreflektoren.

In Fig. 1 weist ein Interferometer einen Strahlteiler 1 auf, welcher unter 45° zu zwei zueinander senkrechten Spiegeln 21 und 22 angeordnet sind, welche zusammen aus einem Winkelspie­ gel 2 gebildet sind. Ferner sind bei dem Interferometer ein feststehend angeordneter Retroreflektor 31, ein drehbarer Retroreflektor 32, welcher eine Drehachse 32D aufweist, ein starr mit der Drehachse 32D gekoppelter Motor 4, ein starr mit der Drehachse 32D verbundenes Speichermedium 5 in Form eines kreisförmigen WORM-(Wright Once Read Multiple-)Spei­ chers, eines optischen Speichers oder einer Magnetplatte, ein dem Speichermedium ortsfest zugeordneter Lesekopf 6 mit einer dem Lesekopf 6 nachgeordneten Signalelektronik 7 sowie eine Sammellinse 8 und ein Detektor 9 vorgesehen. Während des Betriebs rotieren der Retroreflektor 32, das Speichermedium 5 und der Läufer des Elektromotors 4 synchron. Während der Fertigung eines Interferometers wird beispiels­ weise auf dem Speichermedium 5 synchron zur Rotation eine Impuls folge abgespeichert, die aus dem Interferogramm eines in das (oder ein entsprechendes) Interferometer eingestrahl­ ten Lasers gewonnen wird. Bei der Auswahl des Lasers, der Frequenz der Impuls folge sowie der Auswahl der Impulse pro Umdrehung wird in einer bei Interferometern bekannten Weise verfahren. Als Speichermedium 5 wird vorzugsweise ein opti­ scher WORM-Speicher angesehen, jedoch eignen sich auch ande­ re optische Speicher, beispielsweise in Form von Compact Disk oder Magnetspeicher in Form von Floppy oder Floptical Disk oder auch Fixed Disk. Grundsätzlich kann jeder Speicher verwendet werden, dessen Inhalt durch eine Relativbewegung zwischen dem Speichermedium 5 und dem Lesekopf 6 ausgelesen wird. Dies erfolgt in technisch bekannter Weise, was bedeu­ tet, daß auch alle heute bekannten Winkelcodierer oder Dreh­ winkelgeber sich eignen, wenn der abgespeicherte Winkelcode oder Takt dem aus dem Lasersignal erzeugten Takt entspricht.

Während eines Betriebs wird bei einer Rotation des Retrore­ flektors 32, des Speichermediums 5 und des Läufers des Mo­ tors 4 mittels des Lesekopfs 6 die gespeicherte Impuls folge ausgelesen; diese Impulsfolge wird genauso wie die sonst üb­ liche Impuls folge des Lasers in bekannter Weise in der dem Lesekopf 6 nachgeordneten Signalelektronik 7 verarbeitet. Hierbei kann der gelesene Takt sowohl zur Triggerung eines im einzelnen nicht dargestellten Analog-Digital-Umsetzers als auch zur Regelung des Motors 4 verwendet werden. Ferner kann auch ein höherfrequenter Takt aus dem Lasersignal gewon­ nen und aufgezeichnet werden, da sich ein solcher höherfre­ quenter Takt besser für eine Motorregelung eignet; durch Herunterteilen kann aus dem höherfrequenten Takt ein für eine Analog-Digital-Umsetzung benötigter, niederfrequenterer Takt abgeleitet werden.

Bei Interferometern, bei welchen Wegunterschiede durch ro­ tierende Spiegel, insbesondere durch rotierende Retroreflek­ toren erzeugt werden, ist zu beachten, daß die Frequenz der Laser-Interferogramme nicht notwendig konstant ist. Vielmehr erzeugt beispielsweise ein mit konstanter Drehgeschwindig­ keit rotierender Retroreflektor ein Laser-Interferogramm, das sinusförmig frequenzmoduliert ist. Dadurch kommt es zu einer festen Phasenbeziehung zwischen dem optischen Wegun­ terschied und der Frequenz des Laser-Interferogramms. Daher ist selbstverständlich das Interferometer konstruktiv so auszuführen, daß eine einwandfreie und zuverlässige Justie­ rung und Fixierung der einzelnen Komponenten gewährleistet und damit die richtige Zuordnung von Takt und einer daraus abgeleiteten Wegmessung sichergestellt ist. Das bedeutet, daß bei der Generierung der Taktspur auf dem Speichermedium die mechanische Justierung der einzelnen Komponenten diesel­ be sein muß wie während eines Meßbetriebs. Hierzu können in bekannter Weise beispielsweise Paßstifte oder ähnliche Zen­ triereinrichtungen verwendet werden, welche eine starre, re­ produzierbare Verbindung zwischen dem Retroreflektor 32, dem Speichermedium 5 und der Retroreflektor-Drehachse 32D ge­ währleisten; ferner ist dadurch auch die Justierung des Le­ sekopfs 6 bezüglich der Winkelstellung der Drehachse 32D si­ chergestellt.

Ein in Fig. 2 dargestelltes Interferometer weist statt eines ortsfest angeordneten Retroreflektors 31 einen weiteren ro­ tierbaren Retroreflektor 31′ auf, dessen Drehachse 31D′ starr mit einem weiteren Motor 4′ gekoppelt ist. Ferner ist mit der Drehachse 31D′ ein weiteres Speichermedium 5′ ver­ bunden, das in Aufbau und Ausführung dem bereits in Verbin­ dung mit Fig. 1 im einzelnen beschriebenen Speichermedium 5 entspricht. Bei der Ausführungsform des Interferometers nach Fig. 2 ist auch dem starr mit der Drehwelle 31D′ verbundenen Speichermedium 5′ ortsfest ein Lesekopf 6′ zugeordnet, des­ sen Ausgang ebenfalls mit der Signalelektronik 7 verbunden ist.

Während eines Betriebs laufen die beiden Retroreflektoren 31′ und 32 bezüglich der Wegänderung gegenphasig aber syn­ chron, d. h., während durch den einen Retroreflektor der Weg verringert wird, wird er durch den anderen vergrößert. Daher erfolgt eine Wegmessung, wie bereits anhand von Fig. 1 be­ schrieben mit dem Speicherelement 5, welchem in der be­ schriebenen Weise eine Taktfolge aufgebracht ist, sowie mit Hilfe des dem Speichermedium 5 zugeordneten Lesekopfs 6 und der dem Lesekopf nachgeordneten Steuerelektronik 7. Der Syn­ chronlauf der beiden Motore 4 und 4′ ist vorzugsweise da­ durch sichergestellt, daß die Motore 4 und 4′ Schrittschalt­ motore mit einer hohen Schrittzahl sind, welche mittels des­ selben Taktes, der beispielsweise von einem Rechner erzeugt wird, gesteuert werden. Beispielsweise ist jedoch auch eine Synchronisierung der Motore 4 und 4′ über hoch auflösende Winkelgeber möglich. Ferner kann auch die Synchronisation über die Steuerelektronik 7 dadurch erfolgen, daß auf dem mit der Drehwelle des Motors 4′ starr verbundenen Speicher­ medium 5′ eine der Taktfolge auf dem Speichermedium 5 ent­ sprechende Taktfolge aufgebracht ist, welche mittels des dem Speichermedium 5′ fest zugeordneten Lesekopfs 6′ gelesen und der auch diesem Lesekopf 6′ nachgeordneten Steuerelek­ tronik 7 zugeführt wird. Allerdings kann auch nur ein Motor 4 vorgesehen sein und über entsprechende Getriebe kann in bekannter Weise auf mechanischem oder elektromechanischem Weg der Antrieb der beiden Retroreflektoren 31′ und 32 in der Weise erfolgen, daß die Drehbewegungen dieser beiden Re­ flektoren 31′ und 32 synchron sind. In entsprechender Weise kann bei Interferometern verfahren werden, welche mehr als zwei rotierende Retroreflektoren aufweisen.

In einer entsprechend modifizierten Weise kann eine Wegmes­ sung bei allen Interferometern durchgeführt werden, bei wel­ chen die Wegänderung über eine Drehbewegung erzeugt wird, so beispielsweise auch bei Doppelpendel-Interferometern. Hier­ bei ist die Taktspur auf dem Speichermedium der Drehbewe­ gung anzupassen, was beispielsweise automatisch der Fall ist, wenn zur Erzeugung der Taktspur ein Laser verwendet wird.

Ein besonderer Vorteil bei dieser Art der Wegmessung besteht darin, daß auch weitere Informationen auf dem Speichermedi­ um abgelegt werden können, so beispielsweise die Markie­ rung einer Null- oder Startstellung oder auch andere für die Steuerung des Interferometers nutzbare Daten. Außerdem kön­ nen beide Seiten des Mediums genutzt werden, so beispiels­ weise auch zur Erhöhung der Schreibdichte, indem die Spuren auf beiden Seiten mit einem Versatz von einer halben Schritt­ weite beschrieben werden.

Ferner können mehrere unterschiedliche Taktfolgen auf ver­ schiedenen Spuren abgespeichert werden. Dies ist besonders dann vorteilhaft und nützlich, wenn die Interferometer die Einstellung verschiedener spektraler Auflösungen ermögli­ chen, was wiederum unterschiedliche Wegdifferenzen und damit Interferogamme mit einer unterschiedlichen Anzahl von Meß­ punkten zur Folge hat. Hierbei kann für jede Einstellung eine entsprechende Taktfolge auf unterschiedlichen Spuren des Speichermediums abgespeichert werden. Ferner können in bekannter Weise mehrere fest zugeordnete Leseköpfe oder auch ein zur jeweiligen Drehachse radial verstellbarer Lesekopf verwendet werden.

Bei Interferometern mit rotierenden Retroreflektoren kann bekanntlich die spektrale Auflösung durch die Neigung der Drehachse gegenüber der optischen Achse verändert werden. Hierbei kann dann ein fester Lesekopf vorgesehen sein, der bei Neigung der Drehachse automatisch über unterschiedliche Spuren des Speichermediums positioniert wird, da dieses aufgrund der Neigung der Drehachse ebenfalls verschoben wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird nur eine einzige Taktfolge für alle möglichen, spektralen Auflö­ sungen abgespeichert. Eine solche Taktfolge wird dadurch ge­ wonnen, indem zur Aufzeichnung das Interferometer auf die höchste Auflösung, d. h. die größte Wegdifferenz eingestellt wird. In dieser Einstellung ist dann die Anzahl Impulse pro Umdrehung aus dem Interferogramm die höchste Impulsanzahl so daß also nur eine Taktfolge mit höchster Schreibdichte auf­ gezeichnet wird. Im Meßbetrieb ist dann diese Taktfolge ohne eine Veränderung für die höchste Auflösung geeignet. Für Messungen mit einer geringeren, beispielsweise mechanisch eingestellten Auflösung, wird diese Taktfolge gelesen und in der nachgeordneten Signalelektronik 7 in bekannter Weise der eingestellten spektralen Auflösung entsprechend herunterge­ teilt, d. h. in eine Taktfolge mit einer geringeren Frequenz umgewandelt.

Ferner kann das Gerät mechanisch immer auf die höchste spek­ trale Auflösung eingestellt belassen werden. Messungen mit einer geringeren Auflösung erfolgen dann dadurch, daß nur über einen entsprechenden Teil der Drehbewegung Daten aufge­ zeichnet werden. In diesem Fall ist die vorgesehene Taktfol­ ge auf dem Speichermedium für alle Messungen identisch und wird mittels einer Zählung zur Steuerung der gewünschten Auflösung verwendet.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß auf­ grund der hohen Schreibdichte moderner Speichermedien die geometrischen Maße sehr klein gehalten werden können. Hier­ für soll ein nachstehend wiedergegebenes Zahlenbeispiel die­ nen. Ein Floptical Disk, welcher über eine Laserdiode posi­ tioniert, und welcher einen magnetischen Datenspeicher dar­ stellt, hat zur Zeit beispielsweise eine Schreibdichte von 24175 Bit pro Inch oder 950 Bit/mm. Bei einer spektralen Auflösung von etwa 1 cm^-1 bei einer Wellenlänge von 2 µm wer­ den beispielsweise 8192 Datenpunkte aufgezeichnet. Die hier­ zu benötigte Taktfolge müßte also 8192 Impulse liefern; die­ se lassen sich auf einer Spurlänge von 8,7 mm aufzeichnen. Überstreicht nun der Meßweg einen Drehwinkel von 120°, so ergibt sich eine Gesamtspurlänge von ca. 26 mm. In diesem Fall müßte der Radius des kreisscheibenförmigen Speicherele­ ments nur 4,2 mm betragen. Bekanntlich wird auch hier der Meßwert gleicher Weglängen, d. h. der ZPD-(Zero Phase Diffe­ rence-)Wert aus dem digitalisierten Interferogramm bestimmt.

Claims (3)

1. Einrichtung zur Messung einer translatorischen, von einem rotierenden Spiegelelement (32) in einem Interferometer er­ zeugten Wegänderung

• - mit einem magnetischen, optischen oder opto-magnetischen, kreisscheibenförmigen, sich synchron mit dem rotierenden Spie­ gelelement (32) drehenden Speichermedium (5), auf welchem auf konzentrischen Kreisen Taktspuren aufgebracht sind, welche aus einem Interferogramm abgeleitet werden, das mittels eines vor­ übergehend in das Interferometer eingebauten Referenzlasers gewonnen wird,
• - mit einem Lesekopf (6) zum Lesen der aufgebrachten Taktspu­ ren, und
• - mit einer nachgeordneten Signalelektronik (7), welche aus den Taktspuren die translatorische Wegänderung ermittelt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der zu einer absoluten Drehwinkelmessung eine oder mehrere Impuls folgen auf dem kreisscheibenförmigen Speichermedium (5) codiert in einer oder mehreren Spuren untergebracht sind.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der das Speichermedium (5) auswechselbar ist und bezogen auf dessen Winkelstellung in definierter Lage mittels Paß- oder Zentrier­ einrichtungen in einem weiteren Interferometer zur Messung einer translatorischen Wegänderung einbaubar ist.