DE4421212C2 - Vorrichtungen zur Abstandsmessung in Art einer Laserinterferometer-Anordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft vier alternative Vorrichtungen zur Ab­ standsmessung mittels einer Laserinterferometer-Anordnung gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, wie sie aus dem gattungsbildend zugrundegelegten VDI-Bericht 751 (1989), Seite 83 bis 161, insbesondere Bild 16, als bekannt hervorgehen. Die zugrundegelegte Schrift offenbart ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung zur Abstandsmessung bei gleich­ zeitigem Auftreten von Lateralverschiebungen des Meß-Tripel­ reflektors. Dies ist in dem im folgenden beschriebenen Aufga­ benumfeld von Bedeutung.

Die Überprüfung den Genauigkeit von Werkzeugmaschinen, Koor­ dinatenmeßgeräten und Industrierobotern (gemäß z. B. den Richtlinien VDI/VDE 2617, Blatt 3, VDI/DGQ 3441, VDI/VDE 2861, Blatt 1 bis 3) findet bisher nur entlang den horizon­ talen und vertikalen Maschinen-Hauptachsen statt, wobei meist nur eine Meßlinie im mittleren Bereich des Bearbeitungs-/Meß­ volumen ausgewählt wird Teilweise werden weitere achs­ parallele Meßlinien in den Extrembereichen des Volumens (oben/unten, vorne/hinten) zusätzlich ausgewählt, um eine Be­ urteilung der Genauigkeit annähernd im gesamten Volumen zu ermöglichen. Diese achsparallele Prüfung ist jedoch für die Maschinen vergleichsweise unkritisch, da dann nur jeweils eine Maschinenachse in Bewegung bzw. "im Spiel" ist.

Eine Messung und Beurteilung entlang einer diagonalen Meßli­ nie enthält dagegen auf einen Schlag die evtl. Fehlerein­ flüsse von allen Achsen und insgesamt die Überlagerung aller 21 Abweichungskomponenten (vgl. Richtlinie VDI/VDE 2617, Blatt 3) der Maschine, d. h. die Maschine ist bei dieser Prü­ fung sehr stark aber realitätsnah gefordert. Entsprechend wurden Vorschläge für diagonale Positionsmessungen gemacht und praktisch durchgeführt (vgl. die Beiträge von Schüßler "Lasermeßtechnik zur Abnahme großer Koordinatenmeßgeräte" in VDI-Bericht Nr. 751 (1989), S. 83-161 und "Vermessung von Robotern und großen Koordinatenmeßgeräten mittels axialer und raumschräger Laserinterferometer-Messungen" in Technisches Messen 55 (1988), Heft 10, S. 377-382). In die amerika­ nische Norm ANSI B5.54 des American National Standards Insti­ tut (ANSI) hat dieser Gedanke ebenfalls Eingang gefunden (vgl. Seite 69 und 71, Abschn. 5.9 "Volumetric Performance und Abschn. 5.9.2 "Diagonal Displacement Measurements").

Das besondere Problem bei raumschrägen Messungen an Koordina­ tenmeßgeräten, Industrierobotern und teilweise Werkzeugma­ schinen liegt darin, daß die gerade Bahn während der Bewegung nur mit einer gewissen Lateralabweichung eingehalten wird und erst beim Annähern an eine Zielposition die gerade Bahnlinie wieder erreicht wird. Die Lateralabweichungen können im schnellen dynamischen Betrieb bis zu 10 mm und mehr errei­ chen, so daß i.a. bei einem normalen Laserinterferometer keine ausreichende Strahlüberdeckung zwischen Meß- und Referenz­ strahl auftritt bzw. der Meßstrahl unterbrochen wird. Nur gute dreiachsige Bahnsteuerungen sind für das genaue Abfahren einer diagonalen Linie in vollem Maße fähig.

Bei handbedienten Koordinatenmeßgeräten kann der Bedienungs­ mann i.a. nur nacheinander die drei Verfahrachsen (über Hand­ räder oder durch direktes Verschieben) verfahren. Bei ge­ schickter, aber nervenaufreibender Verschiebeweise in Schrit­ ten von jeweils etwa 10 mm nacheinander für die drei Achsen bleibt er in einem Lateralbereich von ca. 4 mm. Es wäre für ihn hilfreich, in größeren Schritten von z. B. 50 mm die Ach­ sen zu verfahren mit einem notwendigen Lateralbereich von ca. 15 mm.

Von Fa. Hewlett-Packard wird dennoch für Werkzeugmaschinen ein normales Laserinterferometer mit einer kippbaren zusätz­ lichen Umlenkspiegeleinrichtung angeboten (gemäß Norm AINSI B5.54, vgl. Firmenprospekt Dynamik-Kalibriersystem HP 5529 A, Fa. Hewlett-Packard Deutschland, Böblingen, Ausgabe 10.1992, speziell: Kit für Diagonal-Messungen HP 19768 A), um den Strahl in die gewünschte Orientierung und Lage umzulenken. Dies reicht jedoch nur für Lateralversatz-Werte bis ca. 1 mm und erfordert eine gute Bahnsteuerung. Darüber hinaus sind aufwendigere Lösungen erforderlich. Bisher sind vier - allerdings unbefriedigende - Lösungen dieser Strahl-Proble­ matik bekannt

• a) Beim einfachen Planspiegelinterferometer (vgl. z. B. Bild 19 auf Seite 37 in "Dokumentation: Laserinterferometrie in der Längenmeßtechnik", VDI-Bericht Nr. 548, Düsseldorf, 1985:) wird als verschieblicher Meß-Reflektor ein (einseitiger) Planspiegel verwendet. Evtl. Kippfehler (infolge von unvermeidlichen Maschinen-Fehlern) werden innerhalb gewisser Winkelgrenzen prinzipiell durch die zweimalige Reflexion des Meßstrahles auf dem Planspiegel im Hinblick auf die Interferenz-Signalbildung ausgegli­ chen. Als prinzipieller Nachteil ist der Meßort auf dem Planspiegel-Reflektor nicht definiert, so daß sich uner­ kannte beträchtliche Meßfehler infolge der Maschinen-Kipp­ winkel einschleichen. Bei größeren Kippwinkeln reicht ent­ fernungsabhängig die Strahlüberlappung für eine ordnungs­ gemäße Interferenzbildung nicht mehr aus.
• b) Beim aktiv gesteuerten Reflektorträger nach Baechler (vgl. Firmenprospekt: "Automatisch ausrichtbarer Reflektorträger für HP-(Laser-)Meßsystem 5528", Fa. Baechler & Fils, Genf Schweiz, 1985) wird der übliche kleine verschiebliche Meß- Tripelreflektor in einem kreuztischartigen Reflektorträger durch Servomotoren laufend aufgrund von Signalen eines strahllage-empfindlichen Fotodetektors im rücklaufenden Meßstrahl so nachgeführt, daß eine Strahl- und Interfe­ renzsignal-Unterbrechung vermieden wird. Der Arbeitsbe­ reich beträgt in beiden Lateralrichtungen ca. ± 50 mm. Die Dynamik liegt allerdings für einen Hub von 10 mm nur unter 1 Hz. Nachteilig ist darüber hinaus das große Gewicht (ca. 4 kg) und die Zugkraft der Steuerkabel.
• c) Von Schüßler (vgl. "Lasermeßtechnik zur Abnahme großer Ko­ ordinatenmeßgeräte", in VDI-Bericht Nr. 751 (1989), S. 83-161, dort Bild 16) wurde erstmals eine Variante mit gro­ ßem Meß-Tripelreflektor zur Strahlfaltung und einem großen ortsfesten Planspiegel als eigentlichem Meß-Reflektor vor­ geschlagen. Bei dieser einfachen Planspiegelanordnung wird der Planspiegel jedoch nur einmal vorderseitig vom Meß­ strahl beaufschlagt, so daß dessen Kippfehlereinflüsse wäh­ rend der Meßdauer leicht zu einer Interferenz-Signalunter­ brechung führen können. Weiterhin ist der anfängliche Aus­ richtaufwand bis zum Erreichen eines (im Prinzip instabi­ len) Interferenzsignales beträchtlich.

Für den praktischen Einsatz wird in den meisten Fällen eine technische Lösung mit einem zulässigen Lateral-Versatz mit einem Radius von 10 mm ausreichen.

In der Patentschrift DE 40 13 399 C1 vom 26.04.90 "Interfero­ meter nach Michelson zur Erzeugung optischer Wegunterschiede" wird eine Einrichtung zur spektralen Untersuchung von Strah­ lung beschrieben, welche durch modularen Aufbau aus seinen Unteransprüchen den Anforderungen nach optimaler Auflösung oder Meßbereich angepaßt werden kann. In seiner Grundanord­ nung verwendet es in zwei, im wesentlichen symmetrisch ausge­ bildeten Meßarmen jeweils zwei ortsfest entfernt angeordnete, rotierende Retroreflektoren und dazwischen liegend einen ortsfesten nahen Retroreflektor. Die beiden Meßarme leiten ihren Meßstrahlanteil nach jeweils drei Strahlfaltungen auf die beiden Seiten einer beidseitig verspiegelten, planparal­ lelen Platte, die in der Symmetrieebenen verschiebbar angeord­ net ist. Der Meßeffekt zur spektralen Untersuchung besteht in der Erzeugung von gegensinnig gleichen Strahllängenänderungen in den beiden Meßarmen, indem die vier entfernt angeordneten, gekippten Retroreflektoren paarweise synchron um eine schräg­ gestellte Achse rotieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsmäßig zugrundege­ legte Laserinterferometer zu einem universal einsetzbaren, lateral-toleranten Laserinterferometer ohne die genannten Nachteile von Kippempfindlichkeit, Justageprobleme, Signalin­ stabilität, Gewicht bei ausreichend großem Lateralversatz weiterzuentwickeln und darzustellen.

Die Aufgabe wird alternativ durch die vier Vorrichtungen mit den kennzeichnenden Merkmalen von Haupt-Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4 im wesentlichen dadurch gelöst, daß der Meßstrahl durch einen großen Meß-Tripelreflektor auf eine planparal­ lele, beidseitig verspiegelte Planspiegelschicht oder einen Planspiegel zurückgefaltet wird, die/der als zusätzlicher ortsfester Referenzreflektor an der Strahlteilereinheit zwi­ schen Strahlteilereinheit und Meß-Tripelreflektor angeordnet ist und mindestens zweimal vom Meßstrahl oder Referenzstrahl beaufschlagt wird. Diese Planspiegelschicht wird unter Ver­ wendung von polarisierenden Strahlteiler-Würfeln bei Haupt- Anspruch 1 vom Meßstrahl hinterseitig (d. h. vom Strahlteiler kommend bzw. von hinten) einmal und vorderseitig (d. h. vom Meß-Tripelreflektor kommend bzw. von vorne) einmal beauf­ schlagt, bei Haupt-Anspruch 2 vom Referenzstrahl hinterseitig (d. h. von hinten) zweimal und vom Meßstrahl vorderseitig (d. h. von vorne) zweimal, bei Haupt-Anspruch 3 unter Verwen­ dung von speziellen Prismen-Strahlteilern vom Referenzstrahl hinterseitig (d. h. von hinten) einmal und vom Meßstrahl vor­ derseitig (d. h. von vorne) einmal und bei Haupt-Anspruch 4 nur vom Meßstrahl vorderseitig (d. h. von vorne) zweimal. Durch die mindestens zweimalige Beaufschlagung des Planspie­ gels - gleichgültig ob von der gleichen Seite oder von ver­ schiedenen Seiten - wird die störende Empfindlichkeit gegen Kipp-Winkeländerungen und der hohe Ausrichtaufwand der opti­ schen Bauteile beseitigt. Der große Meß-Tripelreflektor kann als Tripelprisma aus Vollmaterial oder als Tripelspiegel in Hohlausführung ausgebildet sein, was für Preis und Gewicht von Vorteil sein kann. Weiterhin genügt als großer Meß-Tri­ pelreflektor bei Anspruch 2 eine vergleichsweise ungenaue Ausführung (10 bis 20′′ zulässiger Reflexionsfehler gegen 180°) gegenüber der sonst erforderlichen Präzisionsausführung (typisch 1′′). In jedem Falle kann die für Maschinenmessungen notwendige Kippunempfindlichkeit eines Tripelreflektors als Meßreflektor voll ausgenutzt werden. Dagegen lassen sich große planparallele Planspiegel vergleichsweise einfach und preiswert herstellen und für die Ver- bzw. Entspiegelung be­ schichten.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den gemeinsa­ men Unteransprüchen 5 bis 21 entnehmbar. Die Planspiegel­ schicht ist vorzugsweise als planparalleler, beidseitig ver­ spiegelter Planspiegel gestaltet. Als polarisierender Strahl­ teiler können alternativ ein Würfel oder verschiedene spezi­ elle Prismenanordnungen eingesetzt werden. Diese und die wei­ teren vorteilhaften Ausgestaltungen sowie verschiedene Lösun­ gen zur Strahlzuführung und zur räumlichen Ausrichtung für verschiedene Raumrichtungen werden als Ausführungsbeispiele anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine lateraltolerante Laserinterferometer-Anordnung mit großem Meß-Tripelreflektor zur einfachen Strahl­ faltung des Meßstrahles, ortsfester beidseitiger Planspiegelschicht und polarisierendem Strahlteiler- Würfel,

Fig. 2 eine lateraltolerante Laserinterferometer-Anordnung mit großem Meß-Tripelreflektor zur zweifachen Strahl­ faltung der Meßstrahles, ortsfestem beidseitigen Planspiegel und
a) polarisierendem Strahlteiler-Würfel mit Umlenk­ spiegel
b) polarisierendem Strahlteiler-Trapezprisma,

Fig. 3 eine lateraltolerante Laserinterferometer-Anordnung mit großem Meß-Tripelreflektor zur einfachen Strahl­ faltung der Meßstrahles, ortsfestem beidseitig ver­ spiegeltem Planspiegel und polarisierendem Strahltei­ ler als flaches Doppeltrapez-Prisma,

Fig. 4 eine lateraltolerante Laserinterferometer-Anordnung mit großem Meß-Tripelreflektor zur einfachen Strahl­ faltung des Meßstrahles, ortsfestem einseitig bidi­ rektional verspiegeltem Planspiegel und polarisieren­ dem Strahlteiler als Köster-Prisma,

Fig. 5 eine lateraltolerante Laserinterferometer-Anordnung

• - Erfassung der Lage der Meßstrahles hinter dem als semitransparent ausgeführten Planspiegel mittels strahllageempfindlichem Fotodetektor,
• - zugleich schematische Darstellung eines koaxialen großen Planspiegels mit Bohrung oder entspiegelter Zone für Strahldurchlaß (gestrichelt),

Fig. 6 eine lateraltolerante Laserinterferometer-Anordnung

• - Erfassung der Lage der Meßstrahles vor dem Plan­ spiegel über semitransparenten Teilerspiegel mit­ tels strahllageempfindlichem Fotodetektor,
• - zugleich schematische Darstellung der Strahlzufüh­ rung mittels einem dreh- und kippbaren Umlenkspie­ gel (für Azimutwinkel α, Elevationswinkel ε) und rollbarer (Rollwinkel ρ) Einheit aus Strahlteiler und Planspiegel zum Zwecke der Polarisationsanpas­ sung,

Polarisationsanpassung alternativ über ein Paar von λ/4-Platten 46/47 (gestrichelt),

Fig. 7 eine lateraltolerante Laserinterferometer-Anordnung mit Strahlteiler-Würfel und schematischer Darstellung der Strahlzuführung um-die-Ecke, Polarisationsanpas­ sung durch Rollung des Laserkopfes (Rollwinkel ρ) oder durch ein Paar λ/4-Platten 48/49 und

Fig. 8 Lateraltolerante Laserinterferometer-Anordnung mit großem Meß-Tripelreflektor zur zweifachen Strahlfal­ tung des Meßstrahles, ortsfester einseitiger Plan­ spiegelschicht und polarisierendem Strahlteiler-Wür­ fel.

In der ersten Grundausführung nach Fig. 1 ergibt sich die Strahlführung gemäß der Variante von Haupt-Anspruch 1. Der vom Laserkopf 40 mit Laserquelle 41 und Signalempfänger 42 kommende Strahl wird in der Teilerschicht (gestrichelt) der polarisierenden Strahlteilereinheit 31 in Meß- und Referenz­ strahl aufgespalten. Der Referenzstrahl durchläuft den unte­ ren Referenz-Tripelreflektor 314 und kehrt zum Signalempfän­ ger 42 zurück. Der Meßstrahl läuft geradeaus durch die λ/4-Platte 313 zum großen Meß-Tripelreflektor 20 und wird zur Vorderseite der beidseitigen, bidirektional wirksamen Plan­ spiegelschicht 10 umgefaltet. Die Planspiegelschicht ist etwa senkrecht zum Meßstrahl zwischen Strahlteilereinheit und Meß- Tripelreflektor angeordnet und ragt teilweise in die Ausgangsöffnung der Stahlteilereinheit 31 hinein. Auf dem Rückweg ändert er wegen des zweimaligen Durchlaufens der λ/4-Platte seine Polarisationsrichtung und wird über den oberen Referenz-Tripelreflektor 312 auf die Hinterseite der Planspiegelschicht 10 geleitet, von wo er nach erneuter Ände­ rung seiner Polarisationsrichtung direkt zum Signalempfänger 42 gelangt und mit dem Referenzstrahl interferiert.

In dieser Fig. 1 ist zur Vereinfachung der Darstellung ein Heterodyn-Interferometer angenommen, bei dem sich Referenz- und Meßstrahl durch ihre Polarisationsrichtung und durch ihre Frequenz (daher auch Zweifrequenz-System) unterscheiden; dann genügt ein Meß-Signalempfänger 42. Alle Anordnungen lassen sich jedoch ohne weiteres auch mit Homodyn-Systemen mit nur einer Frequenz (auch Einfrequenz-System) anwenden; dann sind jedoch mehrere Meß-Signalempfänger erforderlich.

Zur Funktionsweise des Stahlversatz-Ausgleiches zeigt Fig. 1 einen Ausgangszustand des Meßstrahls in ausgezogener Linie, bei dem der Meßstrahl von vorne etwa in der Mitte und von hinten am Rand auf die Planspiegelschicht auftrifft. Bei la­ teralem Verschieben des Meß-Tripelreflektors 20 um den Wert (+v) in der Papierebene wandert der Meßstrahl auf dem Plan­ spiegel von Punkt P um den Wert (2_*v) zum Punkt P′, für eine entgegengesetzte Verschiebung (-v) zum Punkt P′′ (gepunktete Linien). Dies gilt in der gleichen Weise auch für die Rich­ tung (+w bzw. -w) senkrecht zur Papierebene. Der maximal mög­ liche Lateralversatz des Meß-Tripelreflektors v_max ist durch die Größe von Planspiegel und Tripelreflektor (jeweils Durch­ messer D, Strahldurchmesser d) gegeben. Es gilt ungefähr v_max = (D - d)/4 in beliebigen Richtungen senkrecht zur X-Achse als Meßrichtung.

In der zweiten Grundausführung nach Fig. 2a ergibt sich die Strahlführung gemäß der Variante von Haupt-Anspruch 2. Der vom Laserkopf 40 mit Laserquelle 41 und Signalempfänger 42 kommende Strahl wird in der polarisierenden Strahlteilerein­ heit 32 in Meß- und Referenzstrahl aufgespalten. Der Refe­ renzstrahl wird durch den unterseitigen Umlenkspiegel/Um­ lenkprisma 324 zum erstenmal auf die hintere Planspiegel­ schicht 12 und wegen der langen λ/4-Platte 323 durch den obe­ ren Tripelreflektors 322 zum zweitenmal - in der Papierebene um den Strahlabstand a versetzt - auf die hintere Planspie­ gelschicht geleitet und kehrt danach zum Signalempfänger 42 zurück. Der Meßstrahl läuft geradeaus durch die lange λ/4-Platte 323 zum großen Meß-Tripelreflektor 22 zum erstenmal auf die vorderseitige Planspiegelschicht und nach Durchlaufen des gleichen Tripelreflektors 322 zum zweitenmal - in der Papierebene um den Strahlabstand a versetzt - auf die vor­ dere Planspiegelschicht 12 umgefaltet. Auf dem zweiten Rück­ weg ändert er wegen Durchlaufens der λ/4-Platte seine Polari­ sationsrichtung und gelangt direkt zur Signalbildung zum Signalempfänger 42, wo er mit dem Referenzstrahl interfe­ riert. Als Alternative zur Strahlteilereinheit nach Fig. 2a kann auch die Variante gemäß Fig. 2b mit einem polarisieren­ den Strahlteilertrapez 326 mit oberseitigem Dreikantprisma 325 dienen, wobei der Tripelreflektor 322 und die lange λ/4-Platte 323 übernommen werden. Wegen der zweifachen Beauf­ schlagung der Planspiegelschicht durch Meß- und Referenz­ strahl liefern diese beiden Ausführungen die doppelte Auflö­ sung, erlauben aber auch - bei gleicher Laser-Kohärenzlänge - nur die halbe Meßstrecke.

In der dritten Grundausführung nach Fig. 3 und 4 ergibt sich die Strahlführung gemäß der Variante von Haupt-Anspruch 3. In Fig. 3 ist die polarisierende Strahlteilereinheit 33 aus zwei trapezförmigen Prismen 331, 332 zusammengesetzt, die in ihrer Trennschicht polarisierend wirken. Die Höhe (2a) ergibt sich aus dem erforderlichen strahlabstand a zwischen hin- und rücklaufendem Strahl (konstruktionsbedingt im Laser­ kopf, meist ca. 12 mm). Die Scheibendicke (e) braucht nur etwa dem Strahldurchmesser (d = ca. 5 mm) entsprechen und kann preiswert unter 45° "von der Stange" abgeschnitten wer­ den. Die λ/4-Platte 335 überdeckt beide Prismenteile. Der Referenzstrahl läuft vom Laser 41 durch das untere Prisma 331 auf die hintere Planspiegelfläche 13 und wegen des zweimali­ gen Durchlaufens der λ/4-Platte über das obere Prisma 332 zurück zum Signalempfänger 42 im Laserkopf 40. Der Meßstrahl läuft zunächst geradeaus zum Meß-Tripelreflektor 20, wird auf die vordere Planspiegelfläche umgefaltet und läuft durch das obere Prisma 332 zurück zum Signalempfänger, wo er mit dem Referenzstrahl interferiert.

Anstelle dieser speziellen Prismen-Variante kann auch gemäß Fig. 4 das polarisierende Köster-Prisma mit den beiden Hälf­ ten 341/342 und der gemeinsamen λ/4-Platte 343 (vgl. z. B. in der Laserinterferometer-Anordnung gemäß Firmenschrift "Laser­ interferometer 200", Fa. Feinmeß Dresden, Dresden, 1991) verwendet werden. Meß- und Referenzstrahlen laufen dann sinn­ gemäß ebenso kreuzweise zurück durch das Köster-Prisma wie in Fig. 3.

In der vierten Grundausführung nach Fig. 8 ergibt sich die Strahlführung gemäß der Variante von Haupt-Anspruch 4. Der vom Laserkopf 40 mit Laserquelle 41 und Signalempfänger 42 kommende Strahl wird in der polarisierenden Strahlteilerein­ heit 38 in Meß- und Referenzstrahl aufgespalten. Der Refe­ renzstrahl wird durch den unterseitigen Referenz-Tripelre­ flektor 384 direkt ohne Reflexion am Planspiegel zum zum Sig­ nalempfänger 42 zurückgeleitet. Der Meßstrahl lauft geradeaus durch die λ/4-Platte 383 über den großen Meß-Tripelreflektor 22 zum erstenmal auf die vorderseitige Planspiegelschicht 12 und nach Durchlaufen des oberen Referenz-Tripelreflektors 382 zum zweitenmal - in der Papierebene um den Strahlabstand a versetzt - auf die vordere Planspiegelschicht 12. Auf dem zweiten Rückweg ändert er wegen Durchlaufens der λ/4-Platte seine Polarisationsrichtung und gelangt direkt zur Signalbil­ dung zum Signalempfänger 42, wo er mit dem Referenzstrahl interferiert.

In Fig. 2 und 8 sind die jeweils zwei Meß- bzw. Referenz­ strahlen in der Papierebene mit einem Strahlabstand a ge­ zeichnet. Dies erfordert gegenüber den Varianten nach Fig. 1, 3 und 4 für den gleichen Lateralversatz v_max einen größeren Durchmesser [D′ = (D + a)] von Planspiegel 12 und Meß- Tripelreflektor 22. Er verringert sich auf [D′′ = √(D² + a²)], wenn die zweifach hin- und rücklaufenden Referenz- und Meßstrahlen nicht in der Papierebene, sondern vor und hinter der Papierebene im Strahlabstand a geführt werden. Dazu muß lediglich der Laserkopf um 90° gerollt angeordnet sein.

Als praktische Standardausführung für die Planspiegelschicht kann die Ausführung nach Fig. 3, 5, 6 und 7 angesehen wer­ den, bei denen die Planspiegelschicht als dicker planparalle­ ler Planspiegel mit vorder- und hinterseitig außen verspie­ gelten Flächen ausgeführt ist. In Fig. 4 ist als Alternative die Planspiegelschicht auf einer Seite eines dicken Planspie­ gels angeordnet mit einer bidirektional wirkenden Verspiege­ lung, während die andere Fläche entspiegelt ist. Je nach Her­ stellgenauigkeit der Ebenheit bzw. Planparallelität und der Beschichtungsmöglichkeit kann die eine oder die andere Lösung herstellungstechnisch günstiger sein.

Bei der Anordnungen nach Fig. 2 und 8 ist ein ungenau gear­ beiteter Meß-Tripelreflektor 22 ausreichend, da die doppelten Reflexionen von Meß- und Referenzstrahl (auf vorderer bzw. hinterer Fläche der planparallelen Planspiegelschicht) die Fehler des Meß-Tripelreflektors innerhalb gewisser Grenzen voll ausgleichen. Da große Tripelreflektoren mit zunehmender Baugröße überproportional teurer werden und große Planspiegel aufgrund der einfachen Geometrie preiswerter herzustellen sind, kommt diesem Aspekt eine wirtschaftliche Bedeutung zu (teure Normalausführung mit Winkelfehler 1′′, hier preiswerte Ausführung mit 20′′). Daher kommt ggfs. auch ein genereller Einsatz dann infrage, wenn kein besonderer Lateralversatz zu verkraften ist.

In den Varianten Fig. 1, 3 und 4 mit Würfel-Teiler, Doppel- Trapezprisma und Köster-Prisma ist allerdings ein genauer großer Meß-Tripelreflektor erforderlich, da die Strahlen nur einmal vorderseitig und einmal hinterseitig auf den Planspie­ gel auftreffen.

Für besonders große Werte des Lateralversatzes - bei gleich großem Meß-Tripelreflektor - kann der Planspiegel 15 + 16 konzentrisch um den Meßstrahl herum ausgeführt sein (Fig. 5 gestrichelt). Er enthält dann im einfachen Fall in der Mitte eine kreisförmige Bohrung 17 oder eine kreisförmige entspie­ gelte Zone, durch die der Meßstrahl jeweils ungehindert durchtreten kann. Der Lateralversatz des Meß-Tripelreflekto­ res müßte dann allerdings so gesteuert werden, daß der Meß­ strahl nie in dieses "Loch" fällt.

Die Meßrichtung wird durch die Normalenrichtung der Planspie­ gelschicht/des Planspiegels vorgegeben. Daher muß der La­ serkopf 40 und die Strahlteilereinheit (30 ff.) etwa paral­ lel dazu ausgerichtet und in der gewünschten Meßlinie der Maschine angeordnet sein. Hilfreich ist dazu eine zweiachsige Fein-Justageeinrichtung (z. B. Stellschrauben) am Planspiegel (10 ff.), der im übrigen eine feste Einheit mit der Stahltei­ lereinheit bilden sollte.

Die Zuführung des Laserstrahls vom Laserkopf 40 kann - wie im Beitrag "Lasermeßtechnik zur Abnahme großer Koordinaten­ meßgeräte", VDI-Bericht Nr. 751 (1989), S. 83-161 zusammen­ fassend dargestellt - auf verschiedene Weise erfolgen: Der gesamte Laserkopf wird mittels mechanischer Schwenkeinheit in die richtige Orientierung und Lage gebracht oder die Umlen­ kung erfolgt über ein oder zwei Umlenkspiegel oder über fle­ xible Glasfaser-Kabel. In Fig. 6 ist schematisch eine Anord­ nung mit drehbarem Umlenkspiegel 8 dargestellt, bei der der vom Laser kommende Strahl quer eingeleitet wird. Zur Einstel­ lung des Azimutwinkles α müssen Laserkopf 40 und Umlenkspie­ gel 8 in der Papierebene geschwenkt werden. Zur Einstellung des Elevationswinkles ε dient die Verdrehung des Umlenkspie­ gels 8. Zur Anpassung an die Polarisationsrichtung im polari­ sierenden Strahlteiler muß dann die Einheit aus Strahlteiler mit angeflanschtem Planspiegel um die Strahlachse gerollt werden (Rollwinkel ρ). Diese Anordnung hat gegenüber der von Fa. Hewlett-Packard (Kit für Diagonal-Messungen HP 10768 A) angebotenen den Vorteil, daß beliebige Elevationswinkel ε = 0 bis 360°, also auch nach unten, eingestellt werden können.

Gemäß Anspruch 20 kann anstelle der mechanisch-aufwendigen Rollung der Strahlteilereinheit zur Sicherstellung des rich­ tigen Polarisationszustandes im Strahlteiler ein Paar von λ/4-Platten dienen, eine 46 am Laserkopf und die andere 47 mitdrehend am Strahlteiler, die nach deren Anwendung zur Axialspielmessung gemäß Deutschem Patent 37 08 295 (1987) im Zwischenbereich einen zirkular polarisierten Strahlzustand bewirken, der für die verschiedenen Elevationswinkel unemp­ findlich ist. Sie sorgen dafür, daß stets die richtige Pola­ risationsrichtung in den Strahlteiler und auf den Empfänger eintrifft.

Gemäß den Anspruch 21 kann anstelle eines externen drehbaren Umlenkspiegels 8 (s. Fig. 6) für die Einstellung des Elevati­ onswinkels ε auch unmittelbar die Teilerschicht des Stahltei­ lers-Würfels 371 genutzt werden (Fig. 7). Dazu wird der Laserkopf nicht wie in Fig. 6 in Geradeaus-Richtung, sondern um-die-Ecke in die Strahlteilereinheit 37 eingeleitet. Die Anbringung des zweiten Referenz-Tripelreflektors 374 und die Laser-Einleitung werden gewissermaßen vertauscht. Der wei­ tere Strahlverlauf bleibt wie zu Fig. 1 erläutert erhalten. Zur Sicherstellung des richtigen Polarisationszustandes im Strahlteiler muß hier entweder der Laserkopf 40 um seine Längsachse gerollt werden oder ein Paar von λ/4-Platten zwi­ schen Laserkopf und Strahlteiler - entsprechend den Ausfüh­ rungen zu Fig. 6 - angeordnet werden, von denen die eine 48 am Laserkopf und die andere 49 mitdrehend am Stahlteiler be­ festigt ist. Sie bewirken wieder, daß auf dem Weg dazwischen ein zirkularer Polarisationszustand vorhanden ist, der bezüg­ lich einer Elevationsdrehung ε unempfindlich ist.

Da der Auftreffpunkt des Meßstrahles auf dem Planspiegel (10 ff.) nicht ohne weiteres erkennbar ist und man nicht ab­ schätzen kann, wieviel Reserve noch für einen evtl. weiteren Lateralversatz zur Verfügung steht, kann es wertvoll sein, diesen Auftreffpunkt (Punkt P in Mittellage, P′ und P′′ in Randlage, z. B. Fig. 1, 6 und 7) ) auf dem Planspiegel zu er­ fassen. Dazu bieten sich zwei Möglichkeiten zur Strahllageer­ fassung mittels strahllageempfindlicher Fotodetektoren an: Bei der Fig. 5 wird der Planspiegel 15 vorderseitig ganzflä­ chig semitransparent ausgeführt und hinterseitig nur im Bereich des hinteren Meßstrahl-Auftreffpunktes (ca. 6 bis 10 mm Durchmesser) totalverspiegelt und im übrigen entspie­ gelt. So kann der hinter dem Planspiegel 15 angeordnete strahllageempfindliche Fotodetektor 5 anhand eines Strahlan­ teiles (ca. 10%) die Lage des Meßstrahles (Punkt P) erkennen. Bei Fig. 6 wird vor dem Planspiegel (16) über einen unter 45° stehenden Teilerspiegel 6 ein Strahlanteil (ca. 10%) auf den strahllageempfindlichen Fotodetektor 7 umgelenkt (Punkt Q). Soll der Fotodetektor lediglich eine Zentrierstellung anzei­ gen, so genügt ein kleinbauender Fotodetektor (ca. 10 mm Durchmesser).

Gemäß Anspruch 11 ist es auch möglich, das Lateral-Signal des strahllageempfindlichen Fotodetektors 5 bzw. 7 als Maß für die lateralen Bahnabweichungen der Maschine zu nutzen. Da­ durch wird aus der eindimensionalen Längenmeßeinrichtung eine dreidimensionale Meßeinrichtung, mit der in einem Meßlauf drei Komponenten - innerhalb des lateralen Verschiebeberei­ ches gemäß der Planspiegel- bzw. Meß-Tripelreflektor­ größe - simultan bestimmt werden können. Der Fotodetektor muß dann über die erforderliche Auflösung und Genauigkeit verfügen.

Bei der Nutzanwendung dieser lateraltoleranten Laserinterfe­ rometer-Anordnungen zur Messung entlang raumschräger Meßli­ nien insbesondere an Koordinatenmeßgeräten sollten folgende wesentlichen Aspekte beachtet und die Ausrichtung von Strahl und Optikteilen maschinenorientiert beispielhaft anhand von Fig. 1 bzw. 6 vorgenommen werden.

• 1. Vorzugsweise sollten die flächen- bzw. raumdiagonalen Meßlinien innerhalb des quaderförmigen Meßvolumen gemessen werden. Deren Lage und Orientation wird durch zwei diago­ nale Anfangs- und Endpunkte vorgegeben. Daraus folgen für jede Diagonale eindeutige Azimut- und Elevationswinkel.
• 2. Der Meß-Tripelreflektor wird raumschräg am bewegten Meß­ kopf so montiert, daß sein zentralsymmetrischer Punkt bzw. seine Tripelspitze (beim Tripelspiegel) im gewünsch­ ten Meßpunkt, z. B. anstelle einer Tastkugel, liegt.
• 3. Auf dem Planspiegel wird im mittigen Auftreffpunkt P ein einfaches vorläufiges Strichkreuz (z. B. auf Millimeterpa­ pier) befestigt (entfällt beim Fototektor mit elektroni­ scher Zentrierstellung).
• 4. Der Meß-Tripelreflektor wird in den unteren Anfangspunkt gefahren und in dieser Stellung vor dem mittleren Strahl- Auftreffpunkt T (Fig. 1) auf dem Meß-Tripelreflektor eine vorläufige ortsfeste Lochblende befestigt, die als orts­ fest er Durchstoßpunkt für den Laserstrahl während der Justage dient.
• 5. Die Baueinheit aus Strahlteiler und Planspiegel wird etwa entsprechend Azimut- und Elevationswinkeln α, ε vor die Lochblende gesetzt und ausgerichtet.
• 6. Der Laserkopf wird vor dem Strahlteiler ausgerichtet, so daß der Strahl durch die Lochblende und auf das Strich­ kreuz im Auftreffpunkt P bzw. Fotodetektor-Zentrum fällt.
• 7. Der Meß-Tripelreflektor wird bis zum Endpunkt gefahren.
  Danach wird der Laser im Azimut- und Elevationswinkel so nachjustiert, daß der Strahl durch die ortsfeste Loch­ blende und auf die Mitte des Strichkreuzes P bzw. Fotode­ tektor-Zentrum fällt.
• 8. Ziel ist eine optimale Strahlüberlappung am Strahlteiler und damit ein optimales Interferenzsignal über die ge­ samte Meßstrecke.
• 9. Vor Durchführung von Messungen werden die Ausrichthilfen Lochblende und Fadenkreuz entfernt.
• 10. Evtl. Kippbewegungen der Meß-Tripelreflektors aufgrund der unvermeidbaren Maschinenfehler haben keine Einfluß auf die Meßgenauigkeit der Längenmessung.

Claims (21)

1. Vorrichtung in Art einer Laserinterferometer-Anordnung bestehend aus Laserkopf mit Laserquelle und Signalempfänger, polarisierendem Strahlteiler und einem verschieblichen Meß- Tripelreflektor und mit einer ortsfesten Planspiegelschicht, dadurch gekennzeichnet, daß der polari­ sierende Strahlteiler (31) als Teilerwürfel (311) ausgebildet ist und ihm ein erster Referenz-Tripelreflektor (314) für den Referenzstrahl und ein zweiter Referenz-Tripelreflektor (312) für den Meßstrahl, eine λ/4-Platte (313) fest sowie eine beidseitig reflektierende Planspiegelschicht (10) senkrecht zum Meßstrahl justierbar zugeordnet sind, daß der Meß-Tri­ pelreflektor (20) den Meßstrahl einmal zur Planspiegelschicht zurückfaltet und daß der Meßstrahl vorderseitig von vorne und nach Durchlaufen der Strahlteilereinheit (31) hinterseitig von hinten je einmal etwa senkrecht auf die Planspiegel­ schicht fällt.

2. Vorrichtung in Art einer Laserinterferometer-Anordnung bestehend aus Laserkopf mit Laserquelle und Signalempfänger, polarisierendem Strahlteiler und einem verschieblichen Meß- Tripelreflektor und mit einer ortsfesten Planspiegelschicht dadurch gekennzeichnet, daß der polari­ sierende Strahlteiler (32) als Teilerwürfel (321) ausgebildet ist und ihm ein gemeinsamer Referenz-Tripelreflektor (322) für den Referenzstrahl und den Meßstrahl, ein Umlenk-Prisma (324) oder Umlenk-Spiegel und eine lange λ/4-Platte (323) fest sowie eine beidseitig reflektierende Planspiegelschicht (10/12) senkrecht zum Meßstrahl justierbar zugeordnet sind, daß der Meß-Tripelreflektor (20/22) den Meßstrahl zweimal zur Planspiegelschicht (10/12) zurückfaltet und daß der Referenz­ strahl hinterseitig von hinten zweimal und der Meßstrahl vor­ derseitig von vorne zweimal - jeweils nach zwischenzeitli­ chem Durchlaufen der Strahlteilereinheit (32) - etwa senk­ recht auf die Planspiegelschicht fällt.

3. Vorrichtung in Art einer Laserinterferometer-Anordnung bestehend aus Laserkopf mit Laserquelle und Signalempfänger, polarisierendem Strahlteiler und einem verschieblichen Meß- Tripelreflektor und mit einer ortsfesten Planspiegelschicht dadurch gekennzeichnet, daß der polari­ sierende Strahlteiler als Doppeltrapez-Prisma (33 mit 331/332) oder Köster-Prisma (34 mit 341/342) ausgebildet ist und ihm eine λ/4-Platte (335 oder 343) fest sowie eine beid­ seitig reflektierende Planspiegelschicht (10, 13, 14) senk­ recht zum Meßstrahl justierbar zugeordnet sind, daß der Meß- Tripelreflektor den Meßstrahl einmal zum Planspiegel zurück­ faltet und daß der Referenzstrahl hinterseitig von hinten einmal und der Meßstrahl vorderseitig von vorne einmal etwa senkrecht auf die Planspiegelschicht fällt.

4. Vorrichtung in Art einer Laserinterferometer-Anordnung bestehend aus Laserkopf mit Laserquelle und Signalempfänger, polarisierendem Strahlteiler und einem verschieblichen Meß- Tripelreflektor und mit einer ortsfesten Planspiegelschicht dadurch gekennzeichnet, daß der polari­ sierende Strahlteiler (38) als Teilerwürfel (381) ausgebildet ist und ihm ein erster Referenz-Tripelreflektor (384) für den Referenzstrahl und ein zweiter Referenz-Tripelreflektor (382) für den Meßstrahl, eine λ/4-Platte (383) fest sowie eine Planspiegelschicht (10/12) senkrecht zum Meßstrahl justierbar zugeordnet sind, daß der Meß-Tripelreflektor den Meßstrahl zweimal - nach zwischenzeitlichem Durchlaufen der Strahl­ teilereinheit (38) - zur Planspiegelschicht zurückfaltet und daß der Meßstrahl vorderseitig von vorne zweimal etwa senkrecht auf die Planspiegelschicht fällt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Meß- Tripelreflektor (20, 22) als volles Tripelprisma oder als hohler Tripelspiegel ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Plan­ spiegelschicht (10) als beidseitig verspiegelte Planplatte (12, 13, 15, 16) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Plan­ spiegelschicht (10) als einseitig bidirektional verspiegelte Planplatte (14) ausgebildet ist, deren andere Fläche entspie­ gelt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Plan­ spiegelschicht (10) oder der Planspiegel (15) vorderseitig gänzlich und hinterseitig nur im Auftreffbereich von hinteren Referenz-/Meßstrahlen verspiegelt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Plan­ spiegelschicht (10) oder der Planspiegel (15) vorderseitig gänzlich teilverspiegelt und hinterseitig nur im Auftreffbe­ reich von Referenz-/Meßstrahlen vollverspiegelt ist und daß hinterseitig mittig ein strahllageempfindlicher Fotodetektor (5) zur Erfassung dem Meßstrahl-Lage angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Plan­ spiegelschicht (10) oder dem Planspiegel (16) ein Teilerspie­ gel (6) und ein strahllageempfindlicher Fotodetektor (7) zur Erfassung der Meßstrahl-Lage fest zugeordnet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 sowie 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Late­ ral-Signal des strahllageempfindlichen Fotodetektors (5, 7) als Maß für die lateralen Bahnabweichungen einer Maschine ge­ nutzt wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Plan­ spiegelschicht (10) oder der Planspiegel (15/16) eine mittige Bohrung (17) zum Durchlaß des Meßstrahles aufweist und kon­ zentrisch um den austretenden Meßstrahl angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Plan­ spiegelschicht oder der Planspiegel (10, 15/16) eine mittige, beidseitig lokal entspiegelte Zone zum Durchlaß des Meßstrah­ les aufweist und konzentrisch um den austretenden Meßstrahl angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Plan­ spiegelschicht oder der Planspiegel (10, 12, 13, 14, 15/16) zusammen mit dem polarisierenden Strahlteiler eine bauliche Einheit bildet.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Plan­ spiegelschicht oder der Planspiegel (10, 12, 13, 14, 15/16) gegenüber dem polarisierenden Strahlteiler fein-verstellbar ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit aus polarisierendem Strahlteiler und Planspiegel oder Planspiegelschicht (10, 12, 13, 14, 15/16) gegenüber dem vom Laserkopf (40) kom­ menden Laserstrahl fein-verstellbar ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahl­ zuführung zur Strahlteilereinheit (31/32/10) über ein oder zwei kippbare oder drehbare Umlenkspiegel (8) erfolgt.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahl­ zuführung zur Strahlteilereinheit (31/32/10) um die Strahl­ achse gerollt werden kann.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 ist 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahl­ zuführung zur Strahlteilereinheit (31/32/10) über ein flexi­ bles Glasfaser-Kabel erfolgt.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Laserkopf (40) und polarisierendem Strahlteiler (31/32) eine erste λ/4-Platte (46) am Laserkopf und eine zweite λ/4-Platte (47) am Strahlteiler angebracht sind.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser­ strahl bezüglich der Meßrichtung um-die-Ecke in den Strahl­ teiler eingeleitet wird und daß zwischen Laserkopf (40) und polarisierendem Strahlteiler (37, 31/32) eine erste λ/4-Platte (48) am Laserkopf und eine zweite λ/4-Platte (49) am Strahlteiler angebracht sind.