DE8503401U1 - Vorrichtung zur Messung von Verschiebungen bei der Einstellung und Steuerung von Werkzeugmaschinen - Google Patents

Description

PATENfAWWAtTE —_ WlOENMAYEMSIH i F.H wniAMSON-HIMMELSTJERNA „,. ~„.>.~ ^₁... *.,.„., .^,,,, e, _0·&bgr;000MÜNCHEN2? DtPl.. PWfS. rnicninnirnuiiWnnoiiLi . TEUEFUN: Ö BWZS sw Bl Dfl. TAM A von BULOW TELEGfIAMM SAMPAl OPL.-ING . OtPl. -VWBTSCH ING TELEX 521 4S40agu a

_ 8 — TELEFAX: 0&iacgr;»2&bgr; 94 6S

&Igr;&EEgr;&Lgr; ZECHEN: UNSEB ZEICHEN , OATUU:

G 85 03 401.0 A 10Ü08/21-S 85 GM 8. Januar 1987

vS/l/ro

AG für industrielle Elektronik

AGIE Losone bei Locarno

CH-6616 Losone-Locarno

j£vorrichtung zur Messung

von Verschiebungen bei der Einstellung und Steuerung von Werkzeugmaschinen >>

1- Einleitung

Die Erfindung bezieht sich auf J-ei-n—Verfahren—urrdj eine Vorrichtung zur Messung von Verschiebungen bei der Einstellung und Steuerung von Werkzeugmaschinen oder bewegbaren Teilen davon, die mit einer Meßskala bestückt sind.

Eingfo derartige Vorrichtung ■ bekannt, beispielsweise aus der im Anhang angegebenen Litefaturstelle [23· Hierbei werden eine Skala und ein Gegenmuster

1)1·· ·

· B
&bgr; · I

&PSgr; ·

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• &bgr; C

in unmittelbare Nachbarschaft gebracht und deren Relativverschiebungen zueinander gemessen. Die Genauigkeit der Messung hängt jedoch von der gegenseitigen räumlichen Nähe von Skala und Gegenmuster ab. Da die Skala und das Gegenmuster relativ zueinander verschiebbar sein müssen, können sie nicht beliebig nahe aneinander gebracht werden. Hierdurch ist in der Regel die maximale Meßgenauigkeit auf etwa 2 mm beschränkt.

Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, e— .een-?—s©w-i-e-l die eingangs genannte Vorrichtung unter möglichst weitgehender Beibehaltung ihrer bisherigen Vorteile zu verbessern, beispielsweise die damit erzielbare Meßgenauigkeit zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird (ee- durch gelöst, daß kohärente Wellen von einej^-SiTrahlenquelle auf die Meßskala gestrahlj^_>teirSen und die Strahlenintensität oderlj^feeTisitätsver teilung im Interferenzraum gemes^en""wird.

tTt—g-a——4-i-ese—A--

durch eine kohärente Strahlenquelle gelöst, mit welcher ?'

die Meßskala bestrahlt wird und durch wenigstens einen j

im Interferenzraum in Wellenausbreitungsrichtung hinter '

der Meßskala angeordneten Fühler zum Messen der ■ Strahlenintensität oder -Intensitätsverteilung.

Als kohärente Wellen können grundsätzlich jede Art von interferenzfähigen Wellen verwendet werden. Bevorzugt werden jedoch elektromagnetische Wellen verwendet, besonders bevorzugt die von einem Laser ausgestrahlten Wellen. Vorzugsweise wird hierzu ein He-Ne-Laser oder ein Halbleiterlaser verwendet. I

&iacgr;

- 10 -

Das eingangs aufgeworfene Problem wird also grundsätzlich durch Einsatz eines optischen Meßverfahrens und einer optischen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gelöst, wobei eine Skala als Träger der Präzision im Fernbereich verwendet wird. Die erfindungsgemäße Lösung macht - im Gegensatz zum eingangs genannten bekannten Meßverfahren bzw. der Meßvorrichtung - eine hohe Meßgenauigkeit nicht von einem unmittelbaren Nebeneinanderliegen von Skala und Gegenmuster abhängig.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung mit den Figuren 1 bis 14 noch näher erläutert.

&igr; &igr;

I I I

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- ii. -

2. Projektion eines Musters von Intereferenzstreifen auf die Skala

2.1 Prinzip

Die Uebertragungsunktion einer aus geradlinigen Strichen bestehenden Skala von Periode &rgr; wird durch nachstehende For mel angegeben:

t(x) = £ &phgr; [

(wobei die Ordnungen ±2, +4 ... nicht existieren).

(Fig. 1)

Wenn eine ebene Welle u = expfi (k x+k y+k &zgr; )J auf diese Skala

&khgr; y &zgr; ·*

fällt, beträgt die Amplitude unmittelbar hinter der Skala s(x) = u t(x). Es seien u^ und Uo zwei ebene, untereinander kohärente Wellen endlicher Strahlbreite, die am Ort der Skala ein Muster von Interferenzstreifen bilden, deren Schrittlänge bzw. Periode ebenfalls &rgr; ist (vgl. Fig. 2):

(Fig. 2)

Wenn der Einfallwinkel richtig gewählt wird, erfolgt eine Ueberlagerung der gebeugten ' Wellen hinter der Skala, insbesondere ist die Ordnung 0 von U₁ mit der Ordnung +1 von u„ und die Ordnung 0 von U₂ mit der Ordnung -1 von U^ überlagert* Wenn nun das Lineal bzw. die Skala um Ax verschoben wird, ändert sich

' die Phase der Ordnungen +1 und -1 um ±21C &Dgr;&khgr;/&rgr;. Dank dem Interierenzphänomen werden diese Phasenänderungen in messbare Intensitätsänderungen umgesetzt:

= ± U *■ A-

z> ^K ir*

Wie ersichtlich ändert sich die Intensität der beiden überlagerten Ordnungen sinusförmig, wenn die Skala verschoben wird. Die von dei Ueberlagerung der anderen Ordnungen erzeugte Intensität kann auf gleiche Weise berechnet werden. Es wird bemerkt, daß die Ordnungen ±2, +4 usw. für ein symmetrisches Rechteckgitter nicht existieren, so gibt es beispielsweise keine Interferenz zwischen der Ordnung -2 und der Ordnung -1.

2.2. Technisches Ausführungsbeispiel

Gemäß Fig. 3 sendet ein Laser eine ebene, linear polarisierte kohärente Welle endlicher Breite aus. Nachdem der Laserstrahl zweigeteilt wurde, lässt man die beiden so erhaltenen Strahlen (mit einer Strahlbreite vom beispielsweise lmm) interferieren, u.m ein Muster von Interferenzstreifen mit Periode &rgr; auf der Skala - ebenfalls mit Periode &rgr; - zu erhalten. Um dies zu erreichen, verwendet man einen Separatorwürfel, wie es in Fig. 3 gezeigt wird. Die gewünschte Schrittlänge bzw. Periode des Interferenzstreifen-Musters wird erhalten, indem der Einfallwinkel des Laserstrahls auf die Oberfläche des Würfels eingestellt wird. Mit einer Skala von Schrittlänge &rgr; = 20,um wird der zwischen den beiden Strahlen gebildete Winkel aC gleich X /p = 0,0316 rad.

(Fig. 3)

Um die Richtung der Bewegung der Skala detektieren zu können und um die Position der Skala innerhalb einer Gitterperiode mit gleichbleibender Genauigkeit interpolieren zu können,

- 13 -

werden zwei in Quadratur liegende, d.h. um 90° phasenverschobene, Signale I, und I- benötigt. Diese Signale werden
unter Verwendung verschiedener Polarisation des Lichtes
und mit Hilfe entsprechender optischer Elemente wie folgt
erzeugt.Für die Beleuchtung der Skala werden zwei orthogonal linear polarisierte Strahlen verwendet. Gemäß Fig. 3
werden diese nach dem Separatorwürfel durch zwei senkrecht
zueinander stehende Linearpolarisatoren aus dem unter 45°
dazu polarisierten Laserstrahl erzeugt. Hinter der Skala
im Strahlengang der Ordnung 0 von u, und der Ordnung +1
von u_ ist ein weiterer Separatorwürfel angeordnet und
dessen beide Ausgangsstrahlen treffen auf die Detektoren
D, und D„. Damit das von diesen Detektoren detektierte
Licht der Interferenz der Ordnung 0 von U₁ und der Ordnung

1 \

+1 von u- entspricht, sind zwischen dem zweiten Separatorwürfel und den Detektoren D, und D_ je ein LinearpoLarisator unter 45° bezüglich der orthogonalen Linearpolarisa- |

tionen angeordnet. Die anderen Beugungsordnungen fallen &iacgr;

nicht auf die Öffnung der Detektoren. Die 90° Phasenverschiebung zwischen den Signalen I, und I_ der beiden
Detektoren D, und D- wird durch ein \/4-Plättchen vor
einem der beiden Linearpolarisatoren, hier demjenigen vor
D_, erzielt. Dieses J./4-Plättchen bewirkt wegen seiner j

optischen Anisotropie (Doppelbrechung) eine zusätzliche |

optische Phasenverschiebung von 90° zwischen den beiden |

orthogonalen Linearpolarisationen, hier der den zweiten &rgr;

Separatorwürfel verlassenden, auf den Detektor D- gerichte- &igr; ten Ordnungen 0 von u, und +1 von u_. <

Es ist vorteilhaft, zusätzlich über ein Refernzsignal I_D \

zu verfügen, um von eventuellen Fluktuationen der Intensi- !

tat unabhängig zu sein. Dies wird dadurch erreicht, daß >

die beiden Strahlen der Ordnung 0 von u&ldquor; und der Ordnung -1 I

&iacgr; von u, auf den Referenzfetektor &Oacgr;-, fallen ohne zu inter- K

1 -tv %

ferieren, da sie orthogonal polarisiert sind und sich kein §

Polarisator vor dem Detektor D_R befindet. Das von D_R gelieferte Referenzsignal I_R entspricht deshalb der inter-

/IL

- 14 -

ferenzlosen Überlagerung der Ordnung 0 von ü&ldquor; und der Ordnung -1 von u, .

2.3. Resultate

Ausgehend von den Signalen &igr; , l und I , die von den drei vorangehend erwähnten Detektoren D₁, D und D_ geliefert werden, wird nun die Auflösung der Vorrichtung geschätzt.

In Fig. 4 wird gezeigt, dass die Signale I. und I₂ beim Verschieben der Skala annähernd in Quadratur liegen. Es kann bemerkt werden, dass diese Signale tatsächlich sinusförmig variieren und dass ein Zyklus (Periode) einer Verschiebung der Skala um 20,um entspricht.

(Fig. 4)

Es kann noch bemerkt werden, dass beim Verschieben der Skala über eine Distanz von 4 cm eine Aenderung der mittleren detektierten Intensität um ±15 % beobachtet wurde. Diese Aenderung wird von Unvollkommenheiten der Skala sowie von Inhomogenitäten des Glases verursacht.

Um die Vorrichtung zu testen, wurde die Skala schrittweise um 1/um verschoben (dies ist die kleinste Verschiebung, welche vom verfügbaren Verschiebungs-Werktisch "Micro-Contröle" ermöglicht wird). Die Resultate wurden auf Fig. 5 übertragen. Die Tatsache, dass die beiden Signale I, und Io nicht die gleiche Amplitude aufweisen und nicht genau in Quadratur liegen (vgl. Fig. 5), ist nicht störend, weil das zur Phasenbestimmung verwendete Verfahren gemäß Literaturstelle £lj diese Abweichungen berücksichtigt. Das Referenzsignal I₀ wurde auf Fig. 5 nicht übertragen, weil es während der Messungen praktisch konstant blieb.

- 15 (Fig. 5)

Die Unsicherheit der Messpunkte der Fig. 5 wurde auf +1 % (obere Grenze) geschätzt. Wenn man annimmt, dass das Signal nahe diir maximalen Neigung seiner Kennlinie liegt (das eine oder andere Signal befindet sich ja immer in dieser Lage), stellt man fest, dass eine Verschiebung der Skala um 1 /Um eine Intensitätsänderung von 2ö % zur Folge hat. Wefiü eine Hessunsicherheit von ^fI % angenommen wird, wird die Auflösung auf 2/20, d.h. auf 1/10/um geschätzt, also um wenigstens eine Größenordnung höher als bei dem eingangs genannten klassischen Verfahren.

(Fig. 6)

Fig. 5 zeigt auch, dass die Modulationstiefe sehr gut ist Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass nur die Ueberlagerung von zwei Ordnungen detektiert wird. Würde man hingegen die gesamte Intensität des Lichts sammeln, das die Skala durchquert, könnte die Modulationstiefe höchstens 63 % betragen.

In Fig. 7 wird die Aenderung der Signalhöhe bei Verschiebungen um 40/um (40 1- /Um-Schritte auf einmal) gezeigt. Wenn die Verschiebungen tatsächlich von 40,_um wären, sollten keine Aenderungen der Signalhöhe beobachtet werden; es ist also experimentell feststellbar, dass der Werktisch bei einer Verschiebung von 1 mm einen Fehler von etwa 1 /um aufweist.

(Fig. 7)
2.4 Vom Richtfehler der Skala verursachter Fehler

a) Wenn die Skala senkrecht zur Messrichtung bewegt wird und wenn die Winkelhalbierende des Winkels zwischen den beiden einfallenden Strahlen nicht zur Skala orthogonal ist, sondern mit der Senkrechten zur Skala einen Winkel &psgr; bildet, erhält man für die Verschiebung einen Messfehler

- 16 Mit &Dgr;&zgr; - 100/um und ß= 0,1° erhält man &Dgr;* &mdash; 0,2/uüi,

(Fig. 8)

b) Es muß auch dafür gesorgt werden, daß der Winkel zwischen der Richtung der Interferenzstreifen und den Strichen der Skala kleiner ist als p/2£ (p = Schrittlänge der Skala, 2 = beleuchtete Breite der Skala), da sonst die Modulationstiefe der Signale verschwindend klein wird. Technisch kann diese Bedingung ohne Schwierigkeiten erfüllt werden.

c) Die Messung der Verschiebung in Richtung &khgr; ist unempfindlich gegenüber den Verschiebungen der Skala nach oben oder nach unten (Richtung y).

2.5 Von der Aenderung der Wellenlänge verursachter Fehler

Eine Aenderung von \ hat selbstverständlich eine Aenderung der Periode der Interferenzstreifen zur Folter

&rgr; = &lgr;/eC und bei 0<= konstant &Dgr; p/p = &Dgr;&lgr;/&KHgr;

Wenn &Dgr;&rgr;/&rgr; * 1 % und die Breite des Interferenzstreifenmusters auf der Skala 100p beträgt, wird die Modulationstiefe der Signale verschwindend klein.

2.6 Von der Aenderung des Winkels verursachter Fehler

Wenn >. konstant bleibt, hat eine Aenderung des Winkels eine Aenderung von &rgr; um

zur Folge. Jedenfalls ist c< unabhängig von allen beweglichen Teilen der Vorrichtung und es sollte nicht schwierig sein, diesen Wert konstant zu halten.

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&bgr; a · &ogr; · * · t

3. Projektion des kohärenten filtrierten Bildes der Skala>auf ein Gegenmuster

3.1 Prinzip

Das Schema der Vorrichtung wird in Fig. 9 dargestellt.

(Fig. 9)

In diesem Fall wird nur die Interferenz zwischen den Ordnungen +1 and -1 verwendet. Die anderen Ordnungen werden mit der Blende B ausgeblendet. In den Ebenen jedes der beiden Gegenmuster erhält man so (unter Verwendung eines Strahlteilers) jeweils ein Muster von sinusförmigen ,Interferenzstreifen, das ein Abbild durch die Ordnungen +1 und -1 des in der konjugierten Bi ldebene ~&Rgr;·&eeacgr; gebildeten Musters ist. Es seien

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die komplexen Amplituden der Ordnungen +1 und -1: ihre Interferenz ergibt ein Muster mit der Periode p/2.

I ( &khgr; ) &Lgr;/ 1 + cos ( hffx/p)

Eine Verschiebung der Skala um p/2 ergibt also eine Verschiebung der Interferenzstreifen um eine Periode. (Bei einer Längsverschiebung der Skala ändern sich die Phasen der +1. und -1.Ordnung entgegengesetzt zueinander.)

3.2 Technisch verwendete Vorrichtung

Bei dem in Fig. 9 dargestellten AusfUhrungsbeispiel wurde eine Skala mit einer Schrittlänge von 20,um verwendet, die auf einem motorgetriebenen Werktisch angeordnet war. Die Linse hatte eine Brennweite f von 12 mm und die Gegenmuster - entsprechend der Skalenabbildung - eine Schrittlänge 60 ,um. Sie waren so angeordnet, daß zwei um etwa 90° phasenvereohobene Signale I- und I erhalten wurden (vgl. Fig. 9). (Bezüglich der Interferenzstreifenmuster waren die Gegenmuster gegeneinander um 90°, d.h. um eine /4-Periode verschoben«)

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&bull; it*i &igr;

- 18 -

3.3 Resultate

In Fig. 10 ist erkennbar, dass man zwei in Quadratur liegende Signale erhalten kann. Der Messfehler auf der Intensität wird auf 1=1% geschätzt, was die Auflösung auf 2/50, d.h. 1/25 ,um bringt.

(Fig. 10)

Es ist auch zu bemerken, dass die Modulationstiefe nicht maximal ist und dass eine Gleichspannungs-Komponente existiert. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass, wenn ein binäres Muster von Periode &rgr; durch Interferenzstreifen gleicher Periode beleuchtet wird, die durchgelassene Intensität nie gleich Null wird:
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-} Joe - V 4 &ogr;&igr;* (&lgr;.·*·&eegr;~) -*C«a>

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Im Idealfall erhält man also eine Modulationstiefe 2/TT = 0,63. Im vorliegenden Fall (Fig. 10) beträgt die Modulationstiefe lediglich 50 %, diese Abweichung ist mit Verunreinigungen auf der Oberfläche der Skala und der Linse (Staub usw.) erklärbar. Zudem ist die Filterung in der Fourier-Ebene nicht perfekt.

3.4 Vom Richtfehler der Skala verursachter Fehler

a) Es ist nötig, dass der einfallende Strahl senkrecht zur Skala sei, sonst hat eine seitliche Verschiebung der Skala um /I &zgr; einen Messfehler &Dgr; &khgr; zur Folge:

&Dgr; ^x = A-B .

mit ß = Winkel zwischen dem Laserstrahl und der Senk rechten zur Skala.

&bull; · · I * ■

- 19 -

b) Die Skala darf sich nicht um die Achse &zgr; drehen, sonst werden die Interferenzstreifen, die sich in der Bildebene (d.h. in der Ebene der Gegenmuster) befinden, ebenfalls eine Drehung erfahren und der Kontrast wird sinken.

4. Interferenz von zwei von der Skala diffraktierten Wellen 4.1. Technisches Ausführungsbeispiel

Eine andere Variante der Vorrichtung wird in Fig. 11 dargestellt.

(Fig. 11)

Hier werden riede-um die Ordnungen +1 und -1 verwendet, die jedoch mittels eines nicib&mdash;polarisierenden Separationswürfels überlagert werden. Die Phasenverschiebung erfolgt mittels einer Viertelwellenplatte (&lgr;/4-Plättchen). Im übrigen wird auf die Ausführungen unter der Ziffer 2 verwiesen. Wegen der orthogonalen Polarisation der beiden (den Ordnungen +1 und -1 zugeordneten) Wellenzüge ist deren Interferenz erst hinter dem 45°-Polarisator möglich. Jeder der beiden den Separatorwürfel verlassenden Teilstrahlen setzt sich aus Anteilen der +lten und -lten Beugungsordnung zusammen. Diese Anteile sind genau auf die sehr kleine Öffnung des ihnen zugeordneten Detektors D₁ bzw. D_g ausgerichtet.

4.2. Resultate

In Fig. 12 ist erkennbar, dass die Kennlinien tatsächlich sinusförmig sind und die Modulationstiefe sehr gut ist (C£ 90 %). Man erkennt, dass die Höhe der Kennlinien sich von einer Periode zur nächsten ändert (1 Periode = 10/Um). Dies «iu durch die Tatsache verursacht, dass die Leistung des Lasers noch nicht stabilisiert war. Tatsächlich sinktlauch die intensität der Refernz.

&bull; · I » I t

- 20 -

Eine Verschiebung um 1 ,um entspricht einer Intensitätsänderung um 50 %. Somit kann man mit einer Unsicherheit von +1 % auf der Intensitätsmessung eine Verschiebung von 2/50, d.h, l/25/^uai auflösen.

(Fig. 12) &Lgr;.3 Fehler

Wie bei den vorangehenden Vorrichtungen muss der Laserstrahl

senkrecht zur Skala liegen, sonst hat eine Verschiebung der Skala um &bgr; &zgr; (nach vorne oder nach hinten) einen Messfehler zur FoI^e.

&Dgr; x =A^z-^tanß ( ^= Winkel zwischen dem Laserstrahl und

der Senkrechten zur Skala)

Eine Aenderung von &lgr; ändert den Austrittswinkel der Ordnungen (+1 und -1), aber nicht ihre relative Phase. Diese Aenderung hat also keinerlei Einfluss auf die Messung.

4.4 Das vorstehend beschriebene Verfahren zur Interpolation der Position innerhalb einer Gitterperiode durch Messung der optischen Phase ermöglicht bei der Verwendung von zv/ei oder mehreren Meßskalen bzw. Maßstäben mit geringfügig verschiedener Gitterkonstante die absolute Bestimmung der Position längs des Maßstabes ohne Zählen der Perioden. Die Periode der Schwebung zwischen den beiden ersten Gittern ist so zu wählen, daß sie so vislo Gitterperioden enthält wie der Auflösung innerhalb einer Gitterp-^riode (Interpclationsgenauigkeit) entspricht, und so weiter. Bei einer Interpolationsgenauigkeit von 100 erhält tian mit drei Strichgittern mit Perioden im Verhältnis von 1 : 1,01 : 1,0001 bereits eine Auflösung von 1'000'000 Punkten.

Dieses Verfahren entspricht einer Art von kombinierter analoger und digitaler Codierung der Position längs des

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- 21 -

ganzen Maßstabes. Die Auflösung ist gegeben durch die Interpolationsgenauigkeit als Basis und der Anzahl Gitter (Spuren) als Exponent. Die absolute Genauigkeit ist gegeben durch die (kleinste) Gitterkonstante und die Interpolationsgenauigkeit.

Die verschiedenen Strichgitter sind auf dem gleichen Träger in geringem Abstand angebracht (z.B. 1 mm breite Gitter in 0,5 Hirn Abstanu). Ihre relative Lage ist deshalb unveränderlich. Sie können gemeinsam von einer Quelle beleuchtet und durch dieselbe Optik mit verschiedenen Detektoren beobachtet werden.

Beispiele

Interpolation 1/100 Periode (3,6°), zwei Gitter mit 20,0 u und 20,2 um Gitterkonstante:

Eine Periode der Signale entspricht 10 ^m Verschiebung (siehe oben). Die absolute Genauigkeit beträgt demnach 0,1 um und die Auflösung 10&Oacgr;00, was einer Länge von 1 mm entspricht. Das heißt, daß innerhalb eines Millimeters die absolute Position mit einer Genauigkeit von 0,1 um bestimmt werden kann. Eine Erweiterung der absoluten Positionsmessung ist möglich durch Anbringen eines zusätzlichen klassischen Messystems (z.B. optischer Binärcode) mit einer Auflösung von mindestens 0,5 mm (Überlappung).

Interpolation 1/200 Periode (1,8°), drei Gitter mit 40.000 um und 40,001JAm Gitterkonstante:

Eine Periode der Signale entspricht 20 Um Verschiebung. Die absolute Genauigkeit beträgt demnach 0,1 um und die Auflösung 8¹OOO¹OOO, was einer Länge von 0,8 m entspricht'. Das heißt, daß innerhalb einer Strecke von 0,8 m die absolute Position mit einer Genauigkeit von O₁IUm bestimmt werden kann.

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- 22 5. Resultate mit einer Skala von &rgr; = 4,1/_Um Schrittlänge

Die drei vorangehend beschriebenen Vorrichtungen wurden auch mit einer holographischen Skala von Schrittlänge &rgr; * 4,1/U"» realisiert.

5.1 Projektion eines Musters von Intereferenzstreifen auf

die Skala

Die Schwierigkeiten, die bei der Projektion eines Iiiterferenzstreifen-Musters von Schrittlänge &rgr; = 4,1/Um mit der zum Erhalt einer guten Modulationstiefe benötigten Präzision angetroffen wurden, sind nicht wesentlich grosser als diejenigen für eine Schrittlänge von &rgr; = 20 am.

Die Resultate werden in Fig. 13 dargestellt. Die Unsicherheit der Intensitätsmessung ist wiederum ±1 %, was die Auflösung auf 1/50/um einstellt.

(Fig. 13)

5.2 Projektion des kohärenten filtrierten Bildes der Skala

auf das Gegenmuster

Bei dieser Vorrichtung ist nachteilig, dass mit einer fein geteilten Skala eine Linse von kleiner Brennweite benötigt wird, wenn die Gegenmuster nicht allzu weit entfernt angeordnet werden sollen. Es ist auch ?.u bemerken, dass die Gegenmuster eine Schrittlänge aufweisen müssen, die grosser ist als diejenige der Skala, sonst wird ihre Positionierung schwierig.

Unter Verwendung einer Linse von kurzer Brennweite und von Gegenmustern grosser Schrittlänge erhält man Strahlen, die am Ausgang aus der Linse stark divergieren . Hierbei müssen grossflächige Gegenmuster und Detektoren verwendet werden, um die grösstmögliche Intensität zu erhalten. Aus diesen Gründen und wegen der geringeren Modulationstiefe ist diese Vorrichtung mehr für gröber geteilte Skalen geeignet.

- 23 5.3 Xnterferenz von zwei von der Skala diffraktierten Wellen

Die Vorrichtung wurde ohne Schwierigkeiten realisiert und die Resulatate werden in Fig. 14 dargestellt. Die eingezeichneten Kennlinien haben keine große Bedeutung, da nur zwei Messpunkte pro Periode vorliegen (Schrittlänge der Periode ⁼ etws 2 **&pgr;&igr;· es konnten mechanisch nur Verschiebungen von mindestens 1 um Länge realisiert werden). Durch diese beiden Punkte können unendlich viele sinusförmige Kennlinien gezeichnet werden. Die in Fig. 14 dargestellten Kennlinien wurden eingezeichnet, indem ungefähr der Modulationstiefe entsprochen wurde, die auf dem Oszilloskop während der Verschiebung der Skala gemessen wurde.

6. Schlussfolgerungen

Alle Ausführungsbeispiele verwenden eine Quelle von kohärentem Licht und liefern zwei sinusförmige, um etwa 90° phasenverschobene Signale und ein Referenzsignal. Die Voraussetzungen sind also erfüllt, um die Position der Skala nach bekannten Methoden, zum Beispiel mit dem phasenbestimmenden Mikroprozessorsystem gemäß Literaturstelle fl], mit hoher Genauigkeit bstimmen zu können.

Es wurde gezeigt, daß es möglich ist, bei Verwendung einer Skala mit einer Periode von &rgr; = 20 ^tm mit jedem der drei beschriebenen Ausführungsbeispiele, jedoch mit verschieden großem Aufwand, eine Auflösung von mindestens 0,1JUm zu erhalten. Außerdem sind die Ausführungsbeispiele auf unerwünschte Verschiebungen der Skala und der optischen Bauteile mehr oder weniger unempfindlich. Während des Betriebes der Werkzeugmaschine auftretende Erschütterungen in anderen Richtungen als in der Messrichtung beeinträchtigen also die Messgenauigkeit pt'aktiech nicht.

- 24 -

Besonders vorteilhaft sind die unter den Ziffern 2 und 4 beschriebenen Ausführungsbeispiele. Diese haben gegenüber den handelsüblichen Vorrichtungen insbesondere die folgenden Vorteile:

1. Beseitigung des Problems des Nebeneinanderstellens von I; Muster und Gegenmuster.

I' 2. Einfachheit der Vorrichtung dank des Fehlens eines Abbildungssystems.

3. Möglichkeit, die Periode der Skala zu vermindern und somit die Auflösung zu vergrössern.

Und für das unter Ziffer 4 beschriebene Ausführungsbeispiel ausserdem:

4. Unabhängigkeit von der Änderung der Wellenlänge der Lichtquelle.

Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung eignen sich in besonderem Maße für elektroerosive Schneid- und Senkanlagen.

Mittels einer den Intensitätsmeßfühlern nachgeschalteten elektronischen Signalverarbeitungseinrichtung läßt sich die Verschiebung (Richtung, Genauigkeit bzw. Interpolation innerhalb einer Periode) bequem bestimmen.

7. Literatur

(1) R. Dändliker und A. Bertholds, "Microprocessor based phase determination for high resolution optical sensors", Proc. of the Journees d'Electronique 1984 (Presses Polytechniques Romandes, Lausanne 1984), pp 239-245

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- 25 -

(2) Katalog "Visualisations numeriques, Haidenhain 5041, Haidenhain 7010" Firma Dr. Johannes Haidenhain GmbH, Nansenstraße, D-8225 Traunreut

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PATENTANWÄLTE FR vonSAMSONHIMMELSTJERNA

DIPL PHYS

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DATUU/OATE

8. Januar 1987

Bezugszeicherixiste

1 Skala

4 Laser

6 45° polarisierter Laserstrahl

8 S<· paratorwurf el

10 Polariaator

12 Polarisator

14 Analysator

16 &lgr;/4 Plättchen

18 45" Analysator

20 Separatorwürfel

22 Linse

24 Blende

26 Strahlteiler

28 Gegenmuster

30. Gegenmuster

32 Blende

34 45° Analysator

D, Fühler

D₂ Fühler

D&ldquor; Fühler

Il MII * * HII I *

Claims (1)

1. SAMSÖM^:ÄB-ÜIlöW =

   &ldquor;»«ra SAMSÖMÄBÜIlöW

   FR von SAMSON-HIMMELSTJEHNA D-&bgr;&Ogr;&Ogr;&Ogr; MÜNCHEN 22

   CHPL-PHYS DATCMTA MUiA I TCl/ A W7I r I TELEFON: O 89/22 94 61

   DR. TAM AXEL von BULOW " " · PATENTAN WALTSKANZLCI TELEGRAMM:SAMPAT

   DIPL-ING OlPL-WIRTSCR-ING . TELEX; 521 4940 ei S3 d

   ; FAX: O 89/29 94 65

   IHfl ZEICHEN/YOUH BEF UNSER ZEICHEN/OUH REF QATUM/OATE

   G 85 03 401.0 A 10008/21-S 85 GM 8. Januar 1987

   vS/l/ro

   AG für industrielle Elektronik AGIE Losone bei Locarno CH-6616 Losone-Locarno

   Vorrichtung zur Messung von Verschiebungen

   bei der Einstellung und Steuerung

   von Werkzeugmaschinen

   Schutzansprüche

   1. Vorrichtung zur Messung von Verschiebungen bei der Einstellung und Steuerung von mit einer Meßskala bestückten Werkzeugmaschinen oder bewegbaren Teilen davon, gekennzeichnet durch eine auf die Meßskala optisch ausgerichtete Strahlenquelle für koherente Wellen und eine in der Wellenausbreitungsrichtung hinter der Meßskala im Interferenzraum angeordnete Einrichtung zur Messung der Strahlenintensitat oder -intensitätsverteilung.

   2. Vorrichtung nach Anspruch I₇ dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenquelle ein Laser ist.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1_;-&mdash;fcs-

   gekennzeichnet durch folgende in Wellen-Ausbreitungsrich' ung nacheinander angeordnete Elemente:

   die mit einem periodischen Strichmuster versehene Meßskala in der Obiektebene,
   k - eine Linseneinrichtung,

   eine nur die +lte rnd -lte Eeugungsordnung durchlassende Blende in der Brennebene der Linseneinrichtung,
   einen Strahlteiler,

   - in jeder der beiden Bildebenen ein Strich-Geg^nmuster, dessen Periode gleich der Periode des Bildes der Meßskala ist, wobei die beiden Strich-Gegenmuster bezüglich des Meßskalenbildes um eine viertel Periode gegeneinander verschoben sir.d und - jeweils einen Intensitätsmeßfühler nach jedem Scrich-Gegenmuster.

   . Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende, in Wellenausbreitungsrichtung nacheinander angeordnete Elemente:

   a) einen, linear polarisiertes Licht abstrahlenden Laser, ; , b) ein Strahlteilerwürfel, der zum einfallenden Läserstrahl derart geneigt ist, daß die beiden aus ihm austretenden Teilwellen auf die nachge-

   ordnete, als Strichmuster ausgebildete Meßskala auf treffen und dabei einen Winkel von e*-=7-/pi mit X: Laserwellenlänge und p: Periode des Strichmusters, einschließen,

   c) je einen linearen Polarisator in jedem der beiden StrahlengSnge zwischen dem Strahlteilerwürfel und der Meßskala, wobei die Durchlaßebenen der beiden Polarisatoren orthogonal zueinander und unter 45= zur Schwingungsebene des vom Laser abgestrahlten Lichtes angeordnet sind,

   d) ein Strahlteiler in einem der beiden Strahlengänge, die sich hinter der Meßskala durch die Überlagerung der den Beugungsordnungen 0, +1 oder -1 zugeordneten Wellenzüge von selbst ergeben,

   e) ein \/4-Plättchen in einem der beiden den Strahlteiler verlassenden Strahlengänge,

   f) je einen linearen Analysator in jedem der beiden Strahlengänge zwischen dem Strahlteiler und den beiden Intensitätsmeßfühlern, wobei die Durchlaßebenen der beiden Analysatoren parallel zur Schwingungsebene des vom Laser abgestrahlten Lichtes angeordnet sind, |

   g) je einen Intensitätsmeßfühler am Ende jedes f den Strahlteiler verlassenden Strahlenganges ₍

   und I

   % h) einen Referenz-Intensitätsmeßfühler im anderen i

   der beiden Strahlengänge, die sich hinter der |

   Meßskala durch die Überlagerung der den S

   Beugungsordnungen 0, +1 oder -1 von selbst er- i

   geben. . |

   ■ &igr;

   5. Vorrichtung nach Anspruch 2_t &mdash; |

   gekennzeichnet durch S

   folgende in Wellausbreitungsrichtung nacheinander I

   angeordnete Elemente: · - . §

   a) einen linear ploarisiertes Licht abstrahlenden

   Laser,

   b) die als periodisches Strichmüster ausgebildete Meßskala,

   c) eine nur die der + lten und der -lten Beugungsordnung zugeordneten Wellenzüge durchlassende Blende,

   d) je einen Polarisator in jedem der beiden Strahiengänge zwischen der Blende und dem strahiteilerwürfel, wobei die Durchlaßebenen der beiden Polarisatoren orthogonal zueinander und unter 45? zur Schwingungsebene des vom Laser abgestrahlten Lichtes angeordnet sind,

   e) einen im Strahlengang der beiden von der Blende durchgelassenen Wellenzüge derart angeordneten Strahlteilerwürfel, daß zwei Interferenz-Teil-Wellenzüge aus ihm austreten, die sich jeweils aus einander überlagerten Anteilen der beiden in den Strahlteilerwürfel eintretenden Wellenzüge zusammensetzen,

   f) ein %/4-Plättchen in einem der beiden den Strahlteilerwürfel verlassenden Strahiengänge, "

   g) einen linearen Polarisator, der beide Strahlengänge zwischen dem Strahlteilerwürfel und den beiden Intensitätsmeßfühlern erfaßt und dessen Durchlaßebene parallel zur Schwingungsebene des vom Laser abgestrahlten Lichtes angeordnet ist,

   h) je einen Intensitätsmeßfühler am Ende jedes den Strahlteilerwürfel verlassenden Strahlenganges -und . :

   i) einen Referenz-Intensitätsmeßfühler im Strahlengang sines vom StrahLteilerwürfel reflektier-

   ten Teilstrahles eines der beiden auf ihn auftreffenden Strahlen-

   e. &bgr;

   -&dgr;-1

   6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche

   1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßskala eine Transmissions- oder Reflexions-Skala ist.

   7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche

   1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß neben der einen eine periodische Skalenteilung (z.B. Strichgitter) aufweisenden Meßskala ein oder mehrere weitere

   derartige Meßskalen in geringem gegenseitigem Ab-10

   stand auf demselben Träger angebracht sind und sich die Meßskalen untereinander im wesentlichen nur durch eine geringfügig größere/kleinere Skalenperiode (z.B. Gitterkonstante) unterscheiden.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch

   eine Differenz zwischen den Skalenperioden derart, daß die Periode der Schwebung zwischen den ersten beiden Meßskalen so viele Meßskalenperioden enthält, wie der Auflösung innerhalb einer Meßskalen-

   Periode (Internpolationsgenauigkeit) entspricht.