DE8132163U1 - Vorrichtung zum schrittweisen Messen von geometrischen Größen - Google Patents

Description

- 1 DR. JOHANNES HEIDENHAIN GMBH 29. Oktober 1981

Vorrichtung zum schrittweisen Messen von geometrischen Größen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum schrittweisen Messen von geometrischen Größen, die sich durch Längenmessungen ermitteln lassen.

Strecken, die langer sind als die zur Verfügung stehenden Meßnormale, lassen sich bekanntlich durch Aneinanderfügen mehrerer Teilmessungen ermitteln ("Laser-Interferometer"_t Sonderdruck aus der "Siemens-Zeitschrift" kk (1970), Beiheft "Numerische Steuerungen", Seite 5). Dabei sind die Anschlußfehler nicht vernachlässigbar klein. Messungen die auf dem fortlaufenden Aufaddieren von Zählinkrementen beruhen - wie etwa das inkrementale Meßverfahren - sind besonders fehlerbehaftet, wenn die Meßteilung kurzer ist, als die zu messend« Strecke. Bei derartigen Meßverfahren bildet im allgemeinen der Beginn der Meßteilung die Meßbasis, die den Anfangspunkt der Meßstrecke festlegt. Eine Ableseeinrichtung ist relativ zur Meßteilung beweglich und Ixest die Meßteilung ab. Die Anzahl

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der gezählten Inkremente wird aufsummiert. Ist die zu ermittelnde Strecke größer als die Länge der Meßteilung« muß am Ende der Meßteilung der gezählte Wert gespeichert werden und der Anfangspunkt der Meßteilung muß bei der zweiten Teilmessung dort angeordnet werden, wo die erste Teilmessung beendet wurde. Dieses Anschließen des Teilungsnullpunktes exakt an den Endpunkt der vorangegangenen Teilmessung - also die Verschiebung der Meßbasis - ist im allgemeinen sehr schwierig und führt leicht zu Fehlern. Diese Fehler sind nicht mehr vernachlässig" bar, wenn die Meßunsicherheit nur /um oder Bruchteile davon betragen soll.

^s ist die Aufgabe der Erfindung, die angegebenen Nachteile zu vermeiden und eine Meßvorrichtung zu schaffen, die die schrittweise Messung von Strecken ermöglicht, ohne daß die Anschlußfehler der Teilmessungen größer werden, als durch die Auflösung' der Meßeinrichtung gegeben ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Verrichtung gelöst, deren Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegeben sind«

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Die Vorteile der Erfindung liegen im wesentlichen darin, daß die Gesantmessung genauer wird als bei den bekannten Meßvorrichtungen und daß die Messung reproduzierbar wird.

Mit Einrichtungen gemäß den Unteransprüchen ergeben sich weitere Vorteile, da sich die schädlichen Umgebungseinflüsse nicht auf die Messung auswirken.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung noch näher erläutert werden*

Es zeigt

Figur 1

Figur 2

Figur 3a bis c

Figur 4 Figur 5

Figur 6

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eine schematische Darstellung

einer Laser-Interferometermeß-

einrichtung gemäß dem Stand

der Technik

eine schematische Darstellung

einer Laser-Interferometermeß e inri ch tung

eine schematische Darstellung der Meßschritte

eine variierte Einzelheit der Meßeinrichtung gemäß Figur 2 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Messen kleiner Winkel

eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Messen von Ungeradheiten

Die bekannten Laser-Xnterferometermeßeinrichtungen arbeiten im Prinzip so, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Interferometrische Längenmessungen beruhen auf dem Vergleich der zu messenden Länge mit der Lichtwellenlänge Λ . Das kohärente Wellenfeld einer Lichtquelle (Laser 1¹) wird durch Spiegel, Prismen, Blenden oder ähnliches geteilt; die bei den Wellenfelder durchlaufen dann zwei verschieden Strecken, eine feste Vergleichsstrecke und die ver änderliche Meßstrecke, und werden danach an einer bestimmten Stelle überlagert. Je nach der gegenseitigen Phasenbeziehung der Lichtwellen (Gang-

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unterschied) herrscht am Ort der Überlagerung Helligkeit oder Dunkelheit. Zur laserinterferometrischen Längenmessung wird im allgemeinen eine abgewandelte Form des Michelson-Interferometers, das zur Strahlenteilung eine teildurchlässig verspiegelte Fläche einer Teilerplatte oder eines Teilerprismas benutzt, verwendet.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung wird der Laserstrahl durch ein Teilerprisma 2· in zwei Strahlen aufgeteilt, von denen der eine eine feststehende Strecke zum Tripelprisma 3* und zurück und der andere die veränderliche Strecke zum Tripelprisma h¹ und zurück durchläuft. Die beiden Strahlen werden am Teilerprisma 2¹ wieder vereinigt und die Interferenzerscheinungen mit Hilfe des Photodetektors Ph 2' ausgewertet. Beim Verschieben des Tripelprismas 4· um einen Weg i-\ wechselt die Helligkeit bzw. die Dunkelheit am Photodetektor wegen der Verdoppelung des Gangunterschiedes durch den Hin- und Rückweg der Lichtwelle 2i-mal. Ein Streifendurchgang entspricht also einer Spiegelverschiebung um die halbe Lichtwellenlänge im betreffenden Medium. Die Anzahl der Hell-Dunkel-Hell-Zyklen kann mit einem elektronischen Zähler 5' erfaßt werden.

E±n Interferometer stellt gewisss ermaß en ein in<krementales Linearmeßsystem mit λ/2- (manchmal λ /h-) Intervallen dar. Um bei einem solchen System die Verschiebungsrichtung erkennen zu können, ist ein zweites, gegenüber dem ersten um 5ϊ /2 phasenversetztes Signal erforderlich. Dieses Signal liefert ein im Interferometer abgeteilter, durch, geeignete optische Hilfsmittel (z. B. Durchgang

durch eine λ /h Phasenplatte) um λ /^* phasenverschobener Teilstrahl, auf dem Photodetektor Ph 1·. Mit Hilfe eines elektronischen Richtungsdiskriminators läßt sich aus den beiden um 17/2 versetzten Signalen die Verschiebungsrichtung des Spiegels V bestimmen.

Damit Führungsfehler des Meßschlittens MS¹ nicht zu Meßfehlern Anlaß geben, ist es notwendig, Re flektoren zu benutzen, die kippungsunabhängig sind. Dazu gehören z. B. Tripelspiegel und Tripelprismen (Würfeleckprismen), die einfallende Strahlen unabhängig von der Lage des Spiegels bzw* des Prismas stets parallel zu sich selbst reflektieren. Längere Strecken lassen sich durch Aneinanderfügen mehrerer Teilmessungen ermitteln, wobei es zu den eingangserwähnten Anschlußfehlern kommen kann.

Besonders gute Meßergebnisse werden erziehlt, wenn man zur Messung eine Laser-Interferometermeßeinrichtung gemäß Fig. 2 benutzt. Die in Fig. 2 dargestellte Einrichtung hat zudem noch den Vorteil, daß Einflüsse, die den Brechungsindex des vom Laserstrahl durchlaufenen Mediums verändern könnten nicht zur Wirkung gelangen, da sich bei den einzelnen Teilmessungen die Meßstrecke im wesentlichen im Vakuum befindet.

!Es sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, die Einflüsse der Umgebung auf den Brechungsindex des vom Meßstrahl durchlaufenen Mediums zu eliminieren. In der eingangs zitierten Literaturstelle werden durch einen Rechner die Meßdaten mit Korrekturwerten multipliziert. Dazu sind an der gesamten Meß-

strecke Meßwertaufnehmer vorgesehen, die die Umgebungsverhältnisse des durchlaufenen Mediums ermitteln und an den Rechner weiterleiten, der daraus die Korrekturwerte ermittelt und den Meßwerten zuschlägt.

Eine weitere Möglichkeit der Eliminierung der Umgebungseinflüsse auf den Brechungsindex des durchlaufenen Mediums besteht in der Abkapselung der Meßstrecke. Vorschläge zu derartigen Lösungen finden sich beispielsweise in der DE-AS 12 55 931, DE-OS 16 98 010 und der DE-PS 21 09 954.

Alle diese Lösungen sind jedoch nicht brauchbar, wenn eine längere Strecke gemessen werden soll, als die maximale Auszugslänge jener Abkapseleinrichtungen«

Bei dem Laser-Interferometer in Fig. 2 ist der Laser 1 wie üblich ortsfest angebracht. Die Meßbasis A wird von dem Interferometer mit den Elementen teildurchlässiger Spiegel 2, Tripelprisma und einem evakuierten, längenveränderlichen Rohr gebildet. Die Elemente (Photodetektoren ο* dgl.) zum ermitteln der Streifendurchgänge sind nicht mehr gezeigt, da sie in Fig. 1 bereits erläutert sind und bekanntermaßen zu jeder derartigen Meßeinrichtung gehören. Lichtsender und Empfänger sind in einem Gehäuse des Lasers 1 untergebracht. Xm Gegensatz zum Stand der Technik ist die Meßbasis A jedoch nicht ortsfest angeordnet, sondern entlang der Meßstrecke mittels eines Hilfsschlittens HS verschiebbar. Auf einem Meßschlitten MS ist ein weiteres Tripelprisma k als Reflektor angeordnet, dessen Verschiebung in Bezug auf die Meßbasis A

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interferometrisch gemessen werden soll. Ber Meßschlitten MS kann beispielsweise der Werkzeugschlitten einer Bearbeitungsmaschine sein, die vermessen wenden soll. Über eine Servo-Nachführregeleinrichtung 8 läßt sich die Auszugslänge des evakuierten Rohres 7 bestimmen. Die Länge des Auszuges wird von der Stellung des Meßschlittens MS also des Reflektors h bestimmt. Das Rohr ist mit strahlendurchlässigen Gläsern 9» 10 an den Stirnflächen verschlossen und evakuiert. Die Rohrlänge wird von der Servo-Nachführregeleinrichtung 8 so eingestellt, daß sich zwischen dem einen Rohrende und dem Reflektor h ein möglichst kleiner Luftspalt ergibt. Die verbleibende Luftstrecke ist so kurz, daß die Messung davon nur so gering beeinflußt wird, daß dieser Fehler vernachlässigbar ist.

Soll auch dieser Fehler noch vermieden werden, kann der Reflektor h wie in Figur h dargestellt ist, · innerhalb des evakuierten Rohres 7 angeordnet sein. Eine elastische Dichtung fa. dichtet das Rohr 7 am Schaft 4a des Reflektors k ab.

In den Figuren 3a bis "}c sind die Meßschritte zur Durchführung des vorteilhaften Verfahrens erläutert. In bekannter Weise wird der Laser 1 stationiert. Die Meßbasis A wird zu Beginn der Messung fixiert und der Reflektor k auf dem Meßschlitten MS in die Anfangsposition gebracht, Im allgemeinen wird nun die Anzeige D des Zählers 5 auf den Wert "Null" gestellt und mit der Messung begonnen.

Bei Verschiebungen des Reflektors k zählt der Zähler 5 die Interferenzstreifendurchgänge, so daß

AKB«*..« *

- β -

;. deren Anzahl ein Maß für die Verschiebung des Re-

^: flektors k ist. Die maximale Distanz zwischen der

■| Meßbasis A und dem Reflektor k wird durch die

'■ maximale Auszugslänge des Rohres 7 festgelegt und

bestimmt die Endposition des Reflektors h bei jeder Teilmessung. Der Meßwert, d. h. die als Maß für die gemessene Strecke ermittelte Anzahl von Interferenzstreifendurchgängen wird im Zähler 5 gespeichert, der dazu mit einem Datenspeicher S versehen ist. Das Ergebnis der ersten Teilmessung liegt damit fest und ist abgespeichert.

Bei der zweiten Teilmessung wird vorerst der Meßschlitten MS des Reflektors k fixiert, der Hilfsschlitten HS mit der Meßbasis A wird gelöst und auf den Reflektor h hin verfahren. Dabei verkürzt sich das evakuierte Rohr 7 unter Einwirkung der Servo-Nachführeinrichtung 8 gemäß Fig. 2, die den Luftspalt zwischen dem Rohrende 10 und dem Reflektor k konstant klein hält. Die durch diese Verschiebung der Meßbasis A auftretenden Interferenzstreif endurcligänge werden mit negativem Vorzeichen gezählt, so daß bei DiefferenzbildunG von •iem im Datenspeicher S abgespeicherten Meßwert und der Restweganzeige die Distanz bekannt ist, um die die Meßbasis A verschoben wurde. Anschließend wird die Meßbasis A wieder fixiert und der Meßschlitten MS wieder gelöst. Dieser Vorgang kann beliebig oft widerholt werden, ohne daß die Messung von den Umgebungsbedingungen der Atmosphäre beeinflußt wird. Da die Verschiebung der Meßbasis A von den gleichen Elementen gemessen wird, die die Verschiebung des Reflektors h messen, liegt die ,"lsiehe Genauigkeit vor, so daß die "Anschlußfehler" jeweils nur einen

Schritt - entsprechend der Auflösung der Meßeinrichtung - betragen.

Die gesamte Meßstrecke läßt sich durch die Summe ausdrücken, die aus allen Verschiebestrecken der Meßbasis A und der letzten Teilmessung gebildet wird*

Mathematisch läßt sich dies einfach durch folgende Formel ausdrücken: s = M + ^- Rn,

n=o

wobei s die Gesamtstrecke, M die letzte Teilemessung, Rn die Nachführverschiebestrecken der Meßbasis aus den einzelnen Messungen und i die Anzahl der Teilmessungen ist.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich auch andere geometrische Größen messen, wenn abgewandelte Meßeinrichtungen benutzt werden.

In Figur 5 ist eine derartige Einrichtung zum Messen kleiner Winkel in Form einer Autokollimationseinrichtung W angegeben. Der jeweilige Meßwert ^ ist ein Maß für den Winkel, unter dem sich die optischen Achsen des Hilfsschlittens HS und des Meßschlittens MS schneiden. Der Meßvorgang selbst erfolgt in der gleichen Weise, wie zu Figur 3a - 3c angegeben ist.

Eine weitere Möglichkeit besteht in der Messung von Ungeradheiten mit einer abgewandelten Vorrichtung. Dies ist schematisch in Fig. 6 gezeigt. Ein Lichtbündel 10 definiert die Bezugsgerade. Als Bezug für die Richtung des Lichtbündels 10 darf

nicht die Richtung der zu messenden Oberfläche herangezogen werden, sondern es muß eine von ihr unabhängige Richtung, z. B. die Richtung der Schwerkraft herangezogen werden, was beispielsweise durch die Verwendung eines Pendels realisiert werden kann. Mit HS ist der Hilfsschlitten der Meßbasis A¹ bezeichnet und mit MS der Meßsehlitten des Meßwertaufnehmers 11.

Beim ersten Meßschritt steht der Hilfsschlitten HS der Meßbasis A¹ erst auf dem Ausgangspunkt "a", der Meßschlitten MS fährt von Punkt "b" nach Punkt "d". Bei Ungeradheiten entlang des Weges des Meßschlittens MS verändert sich die Lage des Lichtbündeis 10 auf dem Meßwertaufnehmer 11. Die so ermittelten Meßwerte sind die Lageabweichungen des Meßschlittens MS von dem Lichtbündel 10, Anschliessend wird der Meßschlitten MS fixiert.

Beim zweiten Meßschritt fährt die Meßbasis A' auf dem Hilfsschlitten HS von Punkt "a" nach Punkt "c". Die Richtung des Lichtbündels 10 bleibt dabei trotz eventueller Ungeradheiten erhalten, da der Lichtsender 1 an einer nicht näher bezeichneten Pendelaufhängung angebracht ist. Es findet lediglich eine Parallelverschiebung des Lichtbündels 10 statt. Diese Paral1elverschiebung wird durch den nun feststehenden Meßwertaufnehmer 11 gemessen. Hat der Hilfsschlitten HS mit der Meßbasis A¹ den Punkt "c" erreicht, wird er fixiert.

Vird nun für einen dritten Meßschritt wieder der Meßschlitten MS verfahren, so muß die Bezugspunktverschiebung aufgrund der Lageveränderung der Meß-

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basis A¹ bei der Messung berücksichtigt werden« Dies geschieht in analoger Weise, wie zu den Figuren 3a bis 3c bereits beschrieben wurde.

Auch bei den Meßverfahren gemäß Figur 5 und 6 ist es vorteilhaft, die jeweilige Teilmeßstrecke in einem längenveränderlichen» evakuierten Rohr verlaufen zu lassen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die zu Figur 5 beschriebene Messung kleiner Winkel nicht mit einer Autokollimationseinrichtung, sondern mit einer Laserwinkelmeßeinrichtung vorgenommen wird, was durch bekannte Zusatzeinrichtungen zu einer Laser-Interferometermeßeinrichtung möglich ist.

Bei der Verwendung der beschriebenen Einrichtungen zum Messen von Längen, Winkeln und Ungeradheiten ist es besonders günstig, wenn das Meßverfahren von einem Digitalrechner automatisch gesteuert abläuft, wobei der Rechner auch die Meßlänge s ausrechnen und in der Anzeige D ausgeben kann. Der Digitalrechner kann als Mikroprozessor in dem Zähler 5 integriert sein.

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- 14 Zusammenfassung

Vorrichtung zum schrittweisen Messen von geometrischen Größen

S SS S S SS SS SS SSS S S SS S SS S SS SS S S SS SSS SS SS

Die Erfindung betrifft eine Meßvorr-iehtung zur schrittweisen Messung von geometrischen Größen.

Eine Meßbasis (A, A¹) und ein Meßwertgeber {k, 11) bestimmen jeweils eine Teilmessung. Die Meßbasis (A, A¹) und der Meßwertgeber (4, 11) sind zur Durchführung von Teilmessungen verschiebbar. Sowohl die Verschiebung des Meßwertgebers (4, 11) als auch die Verschiebung der Meßbasis (A, A¹) werden von einer Auswerteeinrichtung (5) erfaßt. Bei der Ermittlung der Gesamtmeßstrecke wird bei der Zusammenfassung der einzelnen TeiImessungen die jeweilige Lageänderung der Meßbasis (A, A¹ ) von der Auswerteeinrichtung (5) rechnerisch berück-

15 sichtigt.

Claims (4)

- 12 -Neue Ansprüche

1.) Vorrichtung zum schrittweisen Messen von geometrischen Größen wie Strecken* Winkeln und Ungeradheiten an einem zu vermessenden Objekt, mit einer den Anfangspunkt der Messung festlegenden Meßbasis, einem mit den Meßobjekt verbundenen Meßwertgeber und einer Auswerteeinrichtung zur Bildung des Meßwertes, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Meßwertgeber (4, 11) auf einem Meßschlitten <MS) als auch die Meßbasis (A, A¹) auf einem Hilfsschlitten (HS) meßbar verschieblich sind, und daß die Auewerteeinrichtung (5) ortsfest angeordnet ist.

2·) Laser-Interferometermeßeinrichtung als Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbasis (A) von einem Interferometermeßkopf und der Meßwertgeber (Ί) von einem Reflektor gebildet werden, und daß der Meß strahlengang in einem längenveränderlichen evakuierten Hohlraum, vorzugsweise einem Rohr (7), verläuft.

3·) Laser-Interferometermeßeinrichtung nach An-Spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Re flektor (k) außerhalb des evakuierten Rohres (7) angeordnet ist, welches einen Servo-Nachführsteuerungsbaustein (8) für das längenveränderliche Rohr (7) aufweist, und daß der Luftspalt zwischen dem einen Rohr (1O) und dem Re flektor (k) konstant klein ist.

4.) Heßeinrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3„ dadurch gekennzeichnet, daß In der Auswerteeinrichtung (5) ein Digitalrechenbaustein und ein Meß elnri chtungsβ teuerungsbaus t«in eingebaut ist.

5·) Meßeinrichtung nach Anspruch k_f dadurch gekennzeichnet, daß der Digitalrechner ein Mikroprozessor ist. 10

6·) Ungeradheitsnießeinrichtung als Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbasis (A¹) einen pendelnd aufgehängten Baustein aufweist, in dem ein Bezugsstrahlengang (10) verläuft.

7·) Ungeradheitsmeßeinrichtung als Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbasis (A¹) einen Kreiselbaustein aufweist