DE4313318C1 - Vorrichtung zur Erfassung der Position von Führungen und deren fehlerhaften translatorischen und rotatorischen Abweichungen von der Fluchtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Position von Führungen, deren fehlerhafter translatorischer und rotatorischer Abweichungen von der Fluchtung und Abweichung von der Rechtwinkligkeit der Führungsbahn

Es ist bekannt, Messungen von Kippwinkeln, die beispielsweise bei Linearführungen infolge von Geradheitsabweichungen der Führungsbahn zu beobachten sind, mittels Laserstrahlen durchzuführen, wobei die Laserstrahlen an einem auf der Führung befestigten, aus zwei senkrecht zueinander angeordneten Spiegeln bestehenden Spiegelsystem um 180° umgelenkt und von einem Detektor erfaßt werden. Die durch die Drehung des Spiegelsystems als Folge der rotatorischen Bewegung der Führung verursachte Ablenkung der Laserstrahlen wird als Translation auf dem Detektor gemessen und zur Berechnung des Kippwinkels herangezogen. Aufgrund des technisch bedingten, begrenzten Auflösungsvermögens des Detektors sowie der minimalen Translationen der umgelenkten auf den Detektor auftreffenden Laserstrahlen sind der Auflösung des so ermittelten Kippwinkels enge Grenzen gesetzt.

Aus der DE-OS 15 48 350 ist eine Einrichtung zum Feststellen des Abstandes eines beweglichen Teiles von einer durch die feststehende Lage optischer Bauelemente vorgegebenen Geraden bekannt, die auf der Messung des Parallelverkehrs des die Gerade bildenden Lichtstrahls bei Reflexion an einem an dem beweglichen Teil angeordneten Winkelspiegel unter konstantem Winkel beruht. Jedoch sind mit dieser Vorrichtung Kippwinkel nur dann meßbar, wenn die Kippachse nicht mit der Kante des Winkelspiegels zusammenfällt.

Bekannt ist auch der Einsatz von Pentaprismen in der optischen Meßtechnik. Das Pentaprisma lenkt einen ankommenden Strahl um 90° ab und wird dementsprechend bei orthogonalen Meßverfahren zur Strahlablenkung verwendet und dient dabei lediglich als sogenanntes Rechtwinkligkeitsnormal.

So zeigt die US 4,892,407 optische Systeme zur Erfassung von Verkippungen eines Meßkopfes um drei Achsen, die mit Pentaprismen ausgerüstet sind.

Aus der DE 34 00 151 A1 ist bekannt, daß die Verschiebung eines Maschinenteils längs einer Führung interferometrisch erfaßt wird.

In Laser Magazin 6/92, Seiten 9-12, ist ein "Lasergeradheitsmeßgerät mit interner Strahllagekorrektur" beschrieben, bei dem die Messung der Geradheitsabweichung einer Linearführung mit Hilfe eines eine Referenzgerade bildenden Laserstrahls und eines auf einem Schlitten angeordneten flächenhaften Positionsdetektors erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine technisch einfache Vorrichtung zu schaffen, die die Position von Führungen und deren fehlerhaften translatorischen und rotatorischen Abweichungen von der Fluchtung erfaßt, wobei eine Steigerung der Auflösung der sehr kleinen Kippwinkel infolge rotatorischer Führungsfehler erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Erfassung der Position einer Führung, deren fehlerhafter translatorischer und rotatorischer Abweichungen von der Fluchtung und Abweichung von der Rechtwinkligkeit der Führungsbahn gelöst, mit einer festpositionierten Halterung an der senkrecht übereinander einer Laserdiode zur Erzeugung eines Laserstrahls und ein Detektor angeordnet sind, mit einer beweglichen Führung die einen Abtastkopf (Fokusin) trägt, dem ein außerhalb der Führung angeordneter ortsfester Maßstab zur Erfassung der Position D_z der Führung zugeordnet ist, und die einen Strahlteiler mit aufgesetztem Pentaprisma und einen zweiten, dem Stahlteiler nachgeordneten Detektor aufweist, wobei der Laserstrahl sich in dem Strahlteiler in einen durchgehenden Laserstrahl und in einen an der geneigten, halbdurchlässigen Spiegelfläche reflektierten Laserstrahl aufteilt, wobei der durchgehende Laserstrahl auf dem hinter dem Strahlteiler angeordneten Detektor die x- und y-Translation der Führung anzeigt, während der reflektierte Laserstrahl nach Umlenkung in dem Pentaprisma auf dem Detektor der Halterung Meßwerte liefert, die unter Berücksichtigung der gleichzeitig gemessenen Position D_z der Führung zur Bestimmung des Kippwinkels α der Führung bei Rotation um die x-Achse eines (x, y, z)-Koordinatensystems dienen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß an der Halterung ein weiterer Detektor waagerecht neben der Laserdiode angeordnet ist und daß die Führung einen zweiten, hinter dem ersten Strahlteiler angeordneten Strahlteiler und ein zugeordnetes zweites Pentaprisma aufweist, wobei der nachgeordnete Strahlteiler und das Pentaprisma in gekreuzter Anordnung zum ersten Strahlteiler und Pentaprisma stehen, und der an der halbdurchlässigen Spiegelfläche des zweiten Strahlteilers reflektierte Laserstrahl nach Umlenkung in dem gekreuzten Pentaprisma auf dem zweiten Detektor der Halterung Meßwerte zur Bestimmung des Winkels β der Führung bei Rotation um die y-Achse liefert.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gegeben, daß an der Halterung zusätzlich zu der bereits vorhandenen Laserdiode und dem zugeordneten Detektor eine zweite, rechtwinklig dazu angeordnete Laserdiode mit zugehörigem Detektor angebracht sind, daß weiterhin zusätzlich zu der bereits vorhandenen, in z-Richtung beweglichen Führung eine zweite, rechtwinklig zu der ersten Führung in x-Richtung bewegliche Führung mit Strahlteiler, Pentaprisma, Detektor und Abtastkopf vorgesehen sind, daß dem zweiten Abtastkopf ebenfalls ein ortsfester Maßstab zugeordnet ist, an dem die Position D_x der zweiten Führung bestimmbar ist, und daß der von der zweiten Laserdiode ausgehende Laserstrahl Meßwerte zur Bestimmung der y- und z-Translationen sowie des Winkels γ der zweiten Führung bei Rotation um die z-Achse liefert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine Vorrichtung zur Erfassung der Position von Führungen, deren fehlerhaften translatorischen und rotatorischen Abweichungen von der Fluchtung und Abweichung von der Rechtwinkligkeit der Führungsbahn geschaffen worden ist, bei der durch die erfindungsgemäße Verwendung von Pentaprismen zur Strahlumlenkung anstelle eines 90°-Umlenkspiegels bei einer Kippung der beweglichen Führung statt einer rein translativen Versetzung eine Verkippung des umgelenkten Laserstrahles erreicht wird. Dadurch läßt sich eine Steigerung des Auflösungsvermögens der in der Praxis sehr kleinen Kippwinkel erreichen. Außerdem kann aufgrund des angewandten Beam-Splittings anstelle herkömmlicher On- Line-Messungen die aufwendig stabilisierte, auf der beweglichen Führung angeordnete Laserdiode eingespart und durch den Verzicht die Führung miniaturisiert werden.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die nachfolgend näher beschrieben werden.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung von der Seite her gesehen,

Fig. 2 die Vorrichtung aus Fig. 1 bei Kippung der Führung um den Winkel α,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Weiterbildung der Vorrichtung aus Fig. 1 und

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung mit senkrecht zueinander angeordneten Laserdioden und beweglichen Führungen.

Fig. 1 zeigt in Seitenansicht eine meßtechnische Vorrichtung gemäß der Erfindung, die zur Bestimmung der z-Position, der fehlerhaften x- und y-Translationen sowie des aus der Rotation um die x-Achse eines neben der Vorrichtung dargestellten, rechtwinkligen (x, y, z)- Koordinatensystem sich ergebenden Kippwinkels α der Führung 5 geschaffen worden ist. Die Vorrichtung besteht aus einer festpositionierten Halterung 1, die eine Laserdiode 2 und senkrecht darüber einen positionsempfindlichen Detektor 3 trägt, der in diesem Zusammenhang ein Element zur Erfassung von Positionen darstellt, aus einer in z-Richtung beweglich schlittenähnlichen Führung 5, die mit einem Abtastkopf 6, einem Strahlteiler 8, einem Pentaprisma 9 und einem weiteren positionsempfindlichen Detektor ausgerüstet ist sowie aus einem ortsfesten Maßstab 7. Mit Hilfe des Abtastkopf 6 und des ortsfesten Maßstabs 7 erfolgt die Bestimmung der Position D_z der Führung 5 in z-Richtung.

Der aus der Laserdiode 2 austretende Laserstrahl 4 trifft auf den Strahlteiler 8 und wird an der um 45° gegen die xz-Ebene geneigten, halbdurchlässigen Spiegelfläche 13 in einen durch den Strahlteiler 8 durchgehenden Laserstrahl 11 und senkrecht nach oben reflektierten Laserstrahl 12 aufgeteilt. Der reflektierte Laserstrahl 12 tritt in ein auf dem Strahlteiler 8 aufgesetztes, beispielsweise aufgeklebtes Pentaprisma 9 ein, wird exakt um 90° umgelenkt und trifft auf den an der Halterung 1 angeordneten Detektor 3. Der durch den Strahlteiler 8 durchgehende Laserstrahl 11 trifft auf den hinter dem Strahlteiler 8 befindlichen Detektor 10, der die translativen Bewegungen der Führung 5 in x-und y-Richtung zur Anzeige bringt.

Die Erfassung des Kippwinkels α, der infolge rotatorischer Bewegungen der Führung 5 um die x-Achse auftritt, wird anhand von Fig. 2 erläutert. Fig. 2 zeigt im wesentlichen die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung, wobei die Führung 5 um den Winkel α gekippt ist; Abtastkopf 6 mit Maßstab 7 und der Detektor 10 auf der Führung 5 sind der Übersichtlichkeit wegen nicht in die Zeichnung aufgenommen. Kippt die Führung 5 und damit die Einheit Strahlteiler 8 - Pentaprisma 9 um den Winkel α, so wird der in den Strahlteiler 8 einfallende Laserstrahl 4 an der halbdurchlässigen Spiegelfläche 13 des Strahlteilers 8 um einen von 90° verschiedenen Winkel reflektiert. Da der aus dem Pentaprisma 9 austretende Laserstrahl 12 bekanntlich auf den in das Pentaprisma 9 eintretende Laserstrahl 12 senkrecht steht, weist der austretende Laserstrahl 12 gegenüber dem von der Laserdiode 2 ausgesandten Laserstrahl 4 einen Neigungswinkel δ auf. Dadurch ergibt sich auf dem Detektor 3 der Halterung 1 zusätzlich zu dem transversalen Versatz D_T ein von dem Austrittswinkel δ und der Position D_z der Führung 5 abhängiger Beitrag D_w. Bei geeigneter Wahl der Position D_z der Führung 5 ist mit dieser Anordnung eine Steigerung der Auflösung des Kippwinkels α möglich, die lediglich von den Abmessungen der aktiven Fläche des positionsempfindlichen Detektors 3 begrenzt wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Fig. 1 ist in Fig. 3 perspektivisch dargestellt. Sie ermöglicht neben der Erfassung der Position D_z, der Translationen in x- und y-Richtung und des Kippwinkels α noch die Bestimmung eines weiteren durch Rotation um die y-Achse verursachten Winkels β mit gleichem auflösungssteigerndem Effekt. An der Halterung 1 ist ein weiterer, positionsempfindlicher Detektor 14 waagerecht neben der Laserdiode 2 angeordnet und auf der linear geführten Führung 5 ist hinter der ersten Einheit Strahlteiler 8 - Pentaprisma 9 eine gleichartige zweite Einheit Strahlteiler 15 - Pentaprisma 16 in zu der ersten Einheit gekreuzter Anordnung angebracht.

Der Abtastkopf 6 bestimmt wie bisher über den ortsfesten Maßstab 7 die Position D_z der Führung 5. Der von der Laserdiode 2 ausgesandte Laserstrahl 4 trifft nach Durchlaufen der hintereinander angeordneten Strahlteiler 8, 15 als mit 17 bezeichneten Laserstrahl auf den Detektor 10 der Führung 5. Die dort gemessenen Abweichungen von der Nullage werden zur Ermittlung der Translationen der Führung 5 in x- und y-Richtung herangezogen. Durch die zusätzliche Nachschaltung einer zweiten Einheit Strahlteiler 15 - Pentaprisma 16 wird der den ersten Strahlteiler 8 durchdringende Laserstrahl 11 an der halbdurchlässigen Spiegelfläche 19 des zweiten Strahlteilers 15 in das liegend angeordnete zweite Pentaprisma 16 reflektiert. Der reflektierte Laserstrahl 18 gelangt nach 90°- Umlenkung von dort auf den zweiten Detektor 14 an der Halterung 1 und liefert die Meßwerte zur Bestimmung des durch Rotation der Führung 5 um die y-Achse verursachten Winkels β mit der bereits beschriebenen auflösungssteigernden Wirkung des Pentaprismas 16. Der Kippwinkel α wird, wie bereits aus Fig. 1 und 2 bekannt, durch den aus dem ersten Strahlteiler 8 ausgeschleusten Laserstrahl 12 an dem ersten Detektor 3 der Halterung 1 angezeigt, so daß aus den mit der beschriebenen Vorrichtung erfaßten Meßwerten und unter Zuhilfenahme eines geeigneten mathematischen Modells neben den Translationen in x- und y-Richtung und dem Kippwinkel α noch ein weiterer durch Rotation um die y-Achse verursachter Winkel β bestimmt werden kann.

Prinzipiell ist mit der Vorrichtung von Fig. 3 auch die Bestimmung des 3. Kippwinkels γ um die z-Achse möglich, ohne jedoch die durch ein Pentaprisma erzielbare auflösungssteigernde Wirkung zu erreichen.

Die in Fig. 4 in perspektivischer Ansicht schematisch dargestellte meßtechnische Vorrichtung ist eine zweckmäßige Weiterbildung der in Fig. 1 gezeigten Anordnung dergestalt, daß die Vorrichtung aus zwei unabhängig voneinander, rechtwinklig zueinander bewegliche Führungen 5, 22 besteht, denen zwei ebenfalls rechtwinklig zueinander an der festpositionierten Halterung 1 angebrachten Laserdioden 2, 20 und zugehörige positionsempfindliche Detektoren 9, 21 zugeordnet sind. Die Führungen 5, 22 tragen in bekannter Anordnung Strahlteiler 8, 23 mit aufgesetzten Pentaprismen, 9, 24, nachgeordnete positionsempfindliche Detektoren 10, 25 und Abtastköpfe 6, 26. Den Abtastköpfen 6, 25 sind ebenfalls in rechtwinkliger Anordnung ortsfeste Maßstäbe 7, 27 zugeordnet.

Die Bestimmung der Positionen D_z und D_x der beiden in z- bzw. x-Richtung beweglichen Führungen 5, 22, der x- und y-Translationen und des durch Rotation um die x-Achse verursachten Kippwinkels α der ersten Führung 5, sowie der y- und z-Translationen und des durch Rotation um die z-Achse verursachten Kippwinkels β der zweiten Führung 22 erfolgt in der bereits bekannten Weise:

Die beiden Abtastköpfe 6, 26 liefern die Positionen D_z und D_x der beiden Führungen 5, 22 in z- bzw. x-Richtung durch Abtasten der zugehörigen Maßstäbe 7, 22; die Meßwerte der x- und y-Translationen der in z-Richtung beweglichen Führung 5 werden an dem an der Führung 5 angeordneten Detektor 10, die Meßwerte des durch die Rotation um die x-Achse verursachten Kippwinkels α an dem Detektor 3 der Halterung 1 angezeigt. Analog erfassen der Detektor 25 an der in x-Richtung beweglichen Führung 22 die Meßwerte der y- und z-Translationen und der Detektor 21 an der Halterung 1 die Meßwerte des durch die Rotation um die z- Achse verursachten Kippwinkels β.

Mittels eines geeigneten mathematischen Modells lassen sich aus den erhaltenen Meßwerten die x- und y- Translationen und der Kippwinkel α, der Führung 5 sowie die y- und z-Translationen und der Kippwinkel β der Führung 22 berechnen. Außerdem läßt sich aus den Meßwerten die Abweichung von der Rechtwinkligkeit der Führungsbahnen ermitteln, was auch für die in Fig. 1 und Fig. 3 dargestellten Vorrichtungen gilt.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, die in Fig. 4 dargestellte meßtechnische Vorrichtung entsprechend der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung zu erweitern, wobei die beweglichen Führungen 5, 22 jeweils noch mit einem gekreuzt angeordneten Strahlteiler und zugehörigem Pentaprisma ausgestattet sind. Diese Variante ist nicht in der Zeichnung dargestellt.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Erfassung der Position einer Führung, deren fehlerhafter translatorischer und rotatorischer Abweichungen von der Fluchtung und Abweichung von der Rechtwinkligkeit der Führungsbahn, mit einer festpositionierten Halterung (1), an der senkrecht übereinander eine Laserdiode (2) zur Erzeugung eines Laserstrahls (4) und ein Detektor (3) angeordnet sind, mit einer beweglichen Führung (5), die einen Abtastkopf (6) trägt, dem ein außerhalb der Führung (5) angeordneter ortsfester Maßstab (7) zur Erfassung der Position D_z der Führung (5) zugeordnet ist, und die einen Strahlteiler (8) mit aufgesetztem Pentaprisma (9) und einen zweiten, dem Strahlteiler (8) nachgeordneten Detektor (10) aufweist, wobei der Laserstrahl (4) sich in dem Strahlteiler (8) in einen durchgehenden Laserstrahl (11) und in einen an der geneigten, halbdurchlässigen Spiegelfläche (13) reflektierten Laserstrahl (12) aufteilt, wobei der durchgehende Laserstrahl (11) auf dem hinter dem Strahlteiler (8) angeordneten Detektor (10) die x- und y-Translation der Führung (5) anzeigt, während der reflektierte Laserstrahl (12) nach Umlenkung in dem Pentaprisma (9) auf dem Detektor (3) der Halterung (1) Meßwerte liefert, die unter Berücksichtigung der gleichzeitig gemessenen Position D_z der Führung (5) zur Bestimmung des Kippwinkels α der Führung (5) bei Rotation um die x-Achse eines (x, y, z)- Koordinatensystems dienen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Halterung (1) ein weiterer Detektor (14) waagerecht neben der Laserdiode (2) angeordnet ist, und daß die Führung (5) einen zweiten, hinter dem ersten Strahlteiler (8) angeordneten Strahlteiler (15) und ein zugeordnetes zweites Pentaprisma (16) aufweist, wobei der nachgeordnete Strahlteiler (15) und das Pentaprisma (16) in gekreuzter Anordnung zum ersten Strahlteiler (8) und Pentaprisma (9) stehen, und der an der halbdurchlässigen Spiegelfläche (19) des zweiten Strahlteilers (15) reflektierte Laserstrahl (18) nach Umlenkung in dem gekreuzten Pentaprisma (16) auf dem zweiten Detektor (14) der Halterung (1) Meßwerte zur Bestimmung des Winkels β der Führung (5) bei Rotation um die y-Achse liefert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Halterung (1) zusätzlich zu der bereits vorhandenen Laserdiode (2) und dem zugeordneten Detektor (3) eine zweite, rechtwinklig dazu angeordnete Laserdiode (20) mit zugehörigem Detektor (21) angebracht sind, daß weiterhin zusätzlich zu der bereits vorhandenen, in z-Richtung beweglichen Führung (5) eine zweite, rechtwinklig zu der ersten Führung (5) in x-Richtung bewegliche Führung (22) mit Strahlteiler (23), Pentaprisma (24), Detektor (25) und Abtastkopf (26) vorgesehen sind, daß dem zweiten Abtastkopf (26) ebenfalls ein ortsfester Maßstab (27) zugeordnet ist, an dem die Position D_x der zweiten Führung (22) bestimmbar ist, und daß der von der zweiten Laserdiode (20) ausgehende Laserstrahl (28) Meßwerte, zur Bestimmung der y- und z-Translationen sowie des Winkels γ der zweiten Führung (22) bei Rotation um die z-Achse liefert.