DE8502346U1

DE8502346U1 - Interferometer-Meßeinrichtung zum Messen von geometrischen Größen

Info

Publication number: DE8502346U1
Application number: DE19858502346
Authority: DE
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1985-01-30
Filing date: 1985-01-30
Publication date: 1989-08-24

Description

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 3. Juli 1989

Interferometer-Meßeinrichtung zum Messen von geometrischen Größen ^>

Die Erfindung bezieht sich auf eine Interferometer-Mefieinrichtung zum Messen von geometrischen Größen, die sich durch Längenmessungen ermitteln lassen.

Für die Messung langer Strecken findet vielfach die interferometrische Längenmessung Anwendung. Dabei ist es notwendig/ störende Einflüsse der unmittelbaren Umgebung auf den Brechungsindex der Luft zu eliminieren oder bei der Meßwertbildung mit &ogr;inzubeziehen. Im praktischen Einsatz sind beide Methoden für lange Meßstrecken schwierig zu verwirklichen. Deshalb hat man versucht, eine lange Meßstrecke schrittweise zu vermessen,

Die zu vermessende Strecke wird dabei in kleine Meßstrecken aufgeteilt. Die Meßwerte dieser Teilmeßstrecken werden zu einem Gesamtmeßwert aufsummiert .

In der EP-PS 00 53 199 ist bereits eine Meßeinrichtung beschrieben, bei der eine Meßbasis und ein Meßwertgeber in Meßrichtung verschiebbar angeordnet sind. Die aktive Meßstrecke ist dabei vor Umwelteinflüssen geschützt. Bei diesem Meßverfahren bewegen sich die Meßbasis und der Meßwertgeber schrittweise abwechselnd entlang der zu vermessenden Strecke. In einem Rechner werden die einzelnen Meßwerte der Meßschritte zu einem Gesamtwert aufsummiert.

t t ·

Diese Meßeinrichtung hat den Nachteil, daß der Basisschlitten vor der Bewegung des MeßSchlittens abgesetzt werden muß. Diese Absetzvorgänge - z. B. durch Abschalten des tragenden Luftfilmes - bewirken unter Umständen auch Verlagerungen des Meßschlittens in Meßrichtung, die möglicherweise von der Meßeinrichtung nicht erfaßt werden.

Des weiteren ist eine kontinuierliche Vermessung, z. B. von Teilungen, nicht durchführbar, line der·* artige Vermessung wird aber des öfteren bei einer rechnergestützten Vermessung gefordert.

Die DE-AS 11 54 646 zeigt eine Vorrichtung zur kon-

tinuierlichen Längenmessung mittels Interferenzen in einem über die Kohärenzlänge hinausgehenden Meßbereich. Einer kontinuierlich bewegten Meßbasis sind zwei wechselweise bewegbare Meßelemente derart zugeordnet, daß jeweils der Abstand zwischen bewegter Meßbasis und ruhendem Meßelement erfaßt wird. Der offenbarte Aufbau zur Durchführung der kontinuierlichen Längenmessung ist äußerst umfangreich und kompliziert. Durch eine Vielzahl mechanischer und optischer Bauelemente werden Positionierfehler aufsummiert. Eine Kompensation von äußeren und vom System selbst herrührenden Einflu&bgr;faktoren ist iLicht vorgesehen. Die Meßstrecken der Interferometer-Meßeinrichtung können nur mit großem Aufwand mit bekannten Mitteln abgeschirmt werden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Interferometer-Meßeinrichtung zu schaffan, mit der eine kontinuierliche Messung von Strecken mit hoher Genauigkeit möglich wird.

4*1 * t t t I · I

• · · · ItItIt I

Diese Aufgabe wird durch eine Interferometer-Meßeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.

Die Vorteile der Erfindung liegen im wesentlichen darin, daß mit relativ geringem Aufwand erreicht wird, daß äußere und vom System selbst herrührende Einflüsse das Gesamtergebnis möglichst wenig beeinflussen«

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 eine bekannte Laserinterfero-

meter-Meßeinrichtung;

Figur 2 eine Laserinterferometer-Meß-

einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Figur 3 eine weitere Laserinterferometer-Meßeinrichtung gemäß der Erfindung;

Figur 4a bis 4e

Meßschritte zu Figur 2 und Figur 3; Figur 5 eine Abschirmung für die Meßstrecken mit Kompensationseinrichtung;

Figur S vergrößerte Einzelheiten der Meß- P

einrichtung nach Figur 5. fj

Bei der bekannten Meßeinrichtung in Figur 1 ist der Laser 1' wie üblich ortsfest angebracht. Die Meßbasis besteht aus einem Basisschlitten BS', welcher ein Interferometer mit den Elemeten tei!durch-

31

lässiger Spiegel 2', Tripelprisma 3' und einen evakuierten, längenveränderlichen Hohlkörper 4' aufweist. Die Elemente wie Photodetektoren 6. dgl. des bekannten Laserinterferometers sind nicht gezeigt. Der Basisschlitten BS¹ läßt sich entlang der Meßstrecke verschieben. Der Meßwertgeber besteht aus einem Meßschlitten MS', auf dem ein weiteres Tripelprisma 5* als Reflektor fest angeordnet ist, dessen Verschiebung in Bezug auf die Meßbasis interferometrisch gemessen wird, über eine Servo-Nachführregeleinrichtung läßt sich die Auszugslänge des evakuierten Hohlkörpers 4· bestimmen, sie ist von der Stellung des Meßschlittens MS',also des Reflektors 5', abhängig. Bei Verschiebungen des Reflektors 5* zählt ein Zähler 6* die Interferenzstreifendurchgänge, so daß deren Anzahl ein Maß für die Verschiebung des Reflektors 5' ist. Die maximale Distanz zwischen dem Basisschlitten BS* und dem Reflektor 5* wird durch die maximale Auszugslänge des Hohlkörpers 4' festgelegt und bestimmt die Endposition des Reflektors 5* bei jeder Teilmessung. Der Meßwert, d.h. die als Maß für die gemessene Strecke ermittelte Anzahl von InterferenzStreifendurchgängen wird im Zähler 6* gespeichert, der dazu mit einem Datenspeieher versehen ist. Das Ergebnis der ersten Teilmessung liegt damit fest und ist abgespeichert.

Bei der zweiten Teilmessung wird vorerst der Meßschlitten MS¹ des Reflektors 5' fixiert, der Basisschlitten BS¹ wird gelöst und auf den Reflektor 5' hin verfahren. Dabei verkürzt sich der evakuierte Hohlkörper 4¹ unter Einwirkung der Servo-Nachführeinrichtung, die den Luftspalt zwischen dem Rohrende und dem Reflektor 5* konstant klein hält. Die durch diese Verschiebung des Basisschlittens BS¹ auftretenden Interferenzstreifendurchgänge werden mit

• · ff» «···

negativem Vorzeichen gezählt, so daß bei Differenzbildung von dem im Datenspeicher abgespeicherten Meßwert und der Restweganzeige die Distanz bekannt ist/ um die der Basisschlitten BS' verschoben wurde. Anschließend wird der Basisschlitten BS¹ wieder fixiert und der Meßschlitten MS* wieder gelöst. Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden, ohne daß die Messung von den Umweltbedingungen der Atmo-sphäre beeinflußt wird.

Bei der Laser-Interferometer-Meßeinrichtung in Figur 2 ist der Laser 1 auch ortsfest angebracht. Die in Meßrichtung X bewegliche Meßbasis besteht aus einem Basisschlitten BS, welcher die zur Teilung und Umlenkung des Laserstrahls benötigten Spiegel 2a, 2b, 7, 8, ein Spiegelsystem 9, die Tripelprismen 3a, 3b zur Erzeugung der Referenzstrahlen, Photodetektoren Ph1a bis Ph2b zum Ermitteln der Streifendurchgänge Hell-Dunkel sowie eine Zähleinheit 6 zum vorzeichenrichtigen Zählen dieser erfaßten He11-Dunkel-Zyklen trägt. Der Meßwertgeber besteht aus den Meßschlitten MSa und Mob, welcher je ein Tripelprisma 5a und 5b trägt, damit der auftreffende Strahl definiert parallel zu diesem zurückreflektiert wird. Damit zufällige räumliche und zeitliche Schwankungen der Luftparameter Druck, Temperatur, Feuchtigkeit und Kohlendioxydgehalt keinen Einfluß auf das Gesamtergebnis haben, sind die Meßstrecken A, B sowie cie Strecken zur Referenzmessung nach außen hin abgekapselt und vorzugsweise evakuiert. Diese Abkapseleinrichtung wird von längenveränderlichen Hohlkörpern 4a, 4b und einem Gehäuse 10 gebildet.

Bei der Anordnung nach Figur 2 können Beschleunigungskräfte, hervorgerufen durch die schrittweise Bewegung der Meßschlitten MSa, MSb, klein gehalten

• · * · «kit*·

werden.

Abweichend von Figur 2 ist es auch denkbar, daß der Laser Bestandteil des Basisschlittens ist; nur ein Tripelprisma und somit nur ein Referenzstrahlengang vorliegt; der Zähler und die gesamte Auswerteeinheit im Basisschlitten integriert ist. Zur Teilung des vom Laser kommenden Strahles und ZM* Bildung 4&bgr;? RaforanzBtrahlenaangaa sind an— to stelle der gezeigten Anordnung auch anderer an sich bekannte Anordnungen möglich.

In Figur 3 trägt abweichend von Figur 2 der Basisschlitten BS die Tripelprismen 5a, 5b und die MeB-schlitten MSa, MSb beinhalten je einen Interferometer-MeBkopf.

Der Meßablauf für beide gezeigten Ausführungsformen ist gleich und wird anhand der Figur 4 erklärt. In

Figur 4a bis 4e sind die Meßschritte schematisch

aufgezeigt. Ein Prüfling 11 als zu verfassender Körper liegt fest auf einer als Ebenheitsreferenz dienenden, vorzugsweise aus Granit gefertigten Basisplatte 12. Der Basisschlitten BS wird zu Beginn der Messung zum Anfangspunkt des Prüflings 11 eingerichtet und fixiert. Die MeBschütten MSa und MSb werden in einer Anfangsposition fixiert, so daß der Basisschlitten zwischen ihnen in Meßrichtung X etwa mittig fixiert liegt und die Auszugslänge der in Figur 2 und 3 gezeigten Hohlkörper 4a, 4b minimal ist. Das bedeutet auch, daß die Meßstrecke A - zwischen dem Meß schütten MSa und dem Ba sis schütten BS - und die Meß strecke B - zwischen dem Meß schütten MSb und

I*

dem Basisschlitten BS - etwa gleich sind. Der Zähler wird auf einen Anfangswert, vorzugsweise auf Null, gesetzt, bevor mit der Messung begonnen wird. Der Basisschlitten BS fährt nun über den gesamten Meßbereich stetig mit konstanter Geschwindigkeit V in Meßrichtung X. Der Meßschlitten MSa fährt mit der doppelten Geschwindigkeit 2V in Meßrichtung X bis zur maximalen Auszugslänge des Hohlkörpers 4a und wird dort fixiert. Ab jenem Zeitpunkt/ als der Basisschlitten BS und der Meßschlitten MSa freigegeben wurden, wurde die Längenänderung der Meßstrecke B vom Zähler erfaßt. In Figur 4b ist nun jener Zustand zu sehen, in dem die Längenänderungen beider Meßstrecken A und B erfaßt werden. Diese &Mgr;&agr;&bgr;&iacgr; 5 nähme ist angebracht, damit bei der übergabe des Meßwertes der Meßstrecke B in einen Speicher, und in der kurzen Verzögerungszeit bis der Meßschlitten MSb gelöst und der Meßschlitten MSa fixiert ist, jede Verschiebung der Schlitten MSa, MSb und der in dieser Zeit vom Basisschlitten BS zurückgelegte Weg exakt erfaßt und verarbeitet werden. Dieser Weg, der in dieser kurzen Zeit vom Basisschlitten BS zurückgelegt wird, wird hier als Synchronisationsweg S bezeichnet.
25

In Figur 4c ist nun der Meßschlitten MSa fixiert und der Meßschlitten MSb bewegt sich mit der Geschwindigkeit 2V in Meßrichtung X, d.h. daß die Wegänderung des Basisschlittens BS nur noch vom Meßschlitten MSa aufgenommen und vom Zähler 6 erfaßt wird. Nachdem zwischen Basisschlitten BS und Meß schlitten MSb die minimale Auezugsläncre des Hohlkörpers erreicht wurde, werden wieder beide Längenänderungen der Meßstrecken A und B synchron erfaßt, bis der Meßschlitten MSb fixiert, der Meßschlitten MSa gelöst und der Meßwert der

Meßstrecke A in den Speicher übergeben wurde. Im gezeigten Zustand Figur 4e ist der Anfangszustand • Figur 4a wieder erreicht und ein neuer Meßzyklus beginnt. Dieser Meßzyklus kann beliebig oft durchgeführt werden. Die im Zähler gezählten und im Speicher registrierten Hell-Dunkel-Streifendurchgänge werden in einer Auswerteeinheit vorzeichenrichtig verarbeitet und zu einem Gesamtmeßwert auf' summiert.

Für die Erfassung und die übergabe der Meßwerte in die Auswerteeinheit kann es vorteilhaft sein, daß nicht nur ein Zähler, sondern für die Meßstrecke A und die Meßstrecke B je ein Zähler zur

Verfugung steht.

Die Figuren 5 und 6 zeigen vorteilhafte Konstruktionen, die bewirken/ daß äußere und vom System herrührende Einflüsse das Gesamtmeßergebnis mögliehst wenig verfälschen. Der Prüfling 11 liegt auf der Basisplatte 12 fest. Diese Basisplatte 12 stellt die Ebenheitsreferenz und die vertikal stützende Führungskomponente dar. Als seitliche Führungskomponente dient ein Granit-Lineal. Bei den angenommenen Geschwindigkeiten V1=2V bzw. V2=2V sind die Relativgeschwindigkeiten der schlitten zur Basisplatte 12 in beiden Meßabschnitten A, &iacgr;&agr; gleich, d.h. V2-V*V-V1, wobei V die Geschwindigkeit des Basisschlittens BS darstellt/ V1 die Geschwindigkeit des Meßschlittens MSb und V2 die Geschwindigkeit des Meßschlittens MSa. Sind die den evakuierten Raum bildenden Hohlkörper 4a, 4b gleichartig/ d.h. gleiche Dimensionierung/ gleiche Lagerung und Dichtung/ so werden die durch Reibung und Verformungsarbeit erzeugten und auf den Basisschlitten BS wirkenden Kräfte in erster Näherung gleich Null/ da Druck bzw. Zug gleich groß/ aber in MeS-

richtung X jeweils gegensinnig gerichtet. Die Hohlkörper 4a, 4b und der Kompensationskolben 13 sind in gezeigter Weise als teleskopartige Rohrsysterae ausgeführt· Es kann aber auch je ein elastischer Spiralfeder-Balg Verwendung finden. Abgedichtet werden diese Systeme mittels Festkörperdichtungen 14 oder Flüssigkeitsdichtungen/ welche auch gleichzeitig zu einer reibungsarmen Führung und Lagerung dienen. Wie aus Figur 5 und 6 ersichtlich, ist es vorteilhaft, für die Meßstrecken A und B zwei kommunizierende Vakuum-Kammern zu verwenden, einmal wegen der besseren Vakuum-Kontrolle, da nur eine Vakuumpumpe 16 erforderlich wird, zum anderen wogen der meßtechnisch günstigen Unterbringung der Reflektoren 5a, 5b. Die Eigenschaften dieser Reflekcoren 5a, 5b dürfen sich durch Umwelteinflüsse nicht ändern, des weiteren sollten die Reflektoren 5a, 5b nach der Lehre von Abbe möglichst nahe der zu vermessenden Prüflingsoberfläche angebracht sein.

Basisschlitten BS und beide Meßschlitten MSa, MSb bewegen sich in bereits aufgezeigter Weise in Meßrichtung X. Um die Einwirkungen auf das Gesamtsystem, hervorgerufen durch Aufrechterhaltung des Vakuums und durch Beschleunigungskräfte, zu eliminieren, werden die Hohlkörper 4a, 4b durch Halterungen 17, 17a, 17b elastisch mit den Schlitten BS, MSa, MSb verbunden. Um die Halterungen 17, 17a, 17b nicht gegenüber axial wirkender Luftdruck-Komponenten abstützen zu müssen, werden die Hohlkörper 4a, 4b mittels einer Druckleitung 18 mit dem separaten Kompensationskolben 13 und der Vakuumpumpe verbunden. Ein Seilzug 19 stellt die mechanische Verbindung der verschiebbaren Hohlkörper 4a, 4b mit dem . Kompensationskolben 13 dar. Diese so erhaltene

I 1 I I > ■> « «· «·

Kompensation ist weitgehend unabhängig von der Stellung der Schlitten BS, HSa und MSb. Optimale Kompensation liegt vor, wenn die Anordnung folgendermaßen dimensioniert ist:
F1 = F1', F2 = F2^f also A1 = A1', A2 = A2' wobei F=A-Ap und F = wirkende Kraft am Ende

des Hohlkörpers, hervorgerufen durch das Vakuum im Hohlkörper

A = wirksame Fläche

&rgr; = Druckänderung

Durch die beschriebene Anrodnung können keine unbeeinflußbaren Kräfte von einem Schlitten BS, MSa, MSb auf den anderen, oder von einem Schlitten BS, MSa, MSb auf den Prüfling 11 bzw. auf die Basis 12 übertragen werden. Difc elastische Verbindung der Schlitten ist durch die Dichtungen 14 und die elastischen Abstützungen 20, 20a, 20b der Halterungen 17, 17a, 17b gewährleistet. Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Konstruktion besteht darin, daß bei hermetischer Abdichtung der Hohlkörper 4a, 4b und des Kompensationskolbens 13 die Vakuumpumpe 16 entfallen kann. In nicht gezeigter Heise ist es auch möglich, daß die Halterungen in einer Hilfsftihrung unabhängig von der Basis geführt werden. Dadurch wird es auch möglich, daß jede Halterung eine separate Antriebseinheit erhält. Eine weitere vorteilhafte nicht gezeigte Ausführung besteht darin, daß der Kompensationskolben durch ein Stützsystem fest am Basisschlitten angebracht ist.

Bei der Beschreibung wurden die Geschwindigkeiten mit V1 = 2V bzw. V2 = 2V angenommen. Bei der praktischen Ausführung ist diese Beziehung nicht unbedingt

• rrrr it · · · · ·· · ·

• ir <r if ·

Vo

Bedingung. Wenn die angegebene Beziehung nicht eingehalten wird, ist aber mit dem Verlust einiger angeführter Vorteile zu rechnen. Der Beginn und das Ende der Gesamtmeßstrecke kann durch Referenzmarken, Näherungsschalter und ähnliche Anordnungen bestimmt werden. Das heißt, daß der Basisschlitten nicht exakt zusi Auf an?/spunk t eingerichtet werfen roue, sondern es genügt, ihn z. B. vor der Referenzmarke anzuordnen. Beim Oberfahren dieser Referenzmarke wird der Zähler auf einen Bezugswert gesetzt. Der Basisschlitten kann auch über den Gesamtmeßweg hinaus verfahren werden, eine zweite Referenzmarke, welche am Ende der Gesamtmeß strecke angeordnet ist, unterbricht die Meßwertübertragung .

Als Ebenheitsreferenz für den Prüfling 11 wird in gezeigter Heise die Basisplatte 12 angesehen, dies gilt nur, wenn diese Basisplatte 11 auch gleichzeitig zur Führung der Schlitten BS, MSa, MSb dient. Es sind aber auch andere Möglichkeiten zur Fixierung eines Prüflings parallel zur Schlittenführung möglich.

Das Einfügen der Synchronisierungsschritte Fig. 4b, 4d ist zur Erhöhung der Meßsicherheit angebracht, für das eigentliche Meßverfahren mit der erfindungsgemäßen Einrichtung aber nicht zwingend notwendig.

Claims

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 3. Juli 1939 Ansprüche sssasnsss

1. Interferometer-Meßeinrichtung zum Messen von geometrischen Größen, insbesondere von Langen/ bei der die zu bestimmende Größe durch Teilmessungen mittels einer in Meßrichtung kontinuierlieh verschiebbaren Meßbasis und einem, mit der Meßbasis zusammenwirkenden, ebenfalls in Meßrichtung verschiebbaren Meßwertgeber, bestehend aus zwei Meßelercenten, derart ermittelt wird, daß sich die zwei Meßelemente abwechselnd gleichsinnig bewegen, und daß jeweils der Abstand zwischen bewegter Meßbasis und ruhendem Meßelement erfaßt wird und zur Bildung des Gesamtmeßwertes die Abstände zwischen Meßbasis und Meßwertgeber bei den einzelnen Teilschritten vorzeichenrichtig berücksichtigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig der Meßbasis (BS) je ein Meßelement (MSa,5a bzw. MSb,5b) in Meßrichtung X angeordnet ist, und daß die so gebildeten Meßstrecken (A,B) von längenveränderlichen, evakuierten Hohlkörpern (4a,4b) umgeben sind.

2. Interferometer-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente (MSa,5a bzw. MSb,5b) sowie die längenveränderlichen Hohlkörper (4a,4b) mit ihren Dichtungen (14) und Halterungen (17,17a,17b) beidseitig der Meßbasis (BS) gleichartig aufgebaut sind.

3. Interferometer-Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbasis von

einem Basisschlitten (BS) mit zwei Interferometer-Meßköpfen (2a, 3a, PhIa, Ph2a, 9 bzw. 2b, 3b, Phib, Ph2b, 9) und der Meßwertgeber (MS) von zwei Meßelementen gebildet wird, die jeweils einen Meßschlitten (MSa, MSb) mit darauf angebrachtem Reflektor (5a, 5b) aufweisen.

4. interferometer-Meßeinrlchtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbasis von einem Basisschlitten (BS) mit zwei darauf befindlichen Reflektoren (5a, 5b) und der Meßwertgeber (MS) von zwei Meßelementen gebildet wird, die jeweils einen Meßschlitten (MSa, MSb) mit darauf angebrachtem Interferometer-Meßkopf (2a, 3a, PhIa,

Ph2a, 9 bzw. 2b, 3b, PhIb, Ph2b, 9) aufweisen.

5. Interferometer-Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkörper (4a, 4b) für die Meßstrecken (A,B) miteinander kommunizieren und mit zumindest einem Kompensationskolben (13) in Wirkverbindung stehen, so daß auch bei Längenänderungen der Hohlkörper (4a, 4b) in diesen weitgehend konstante Druckverhältnisse gegeben sind.