Die vorliegende Erfindung betrifft eine Koordinatenmessmaschine, insbesondere zur Messung der Abweichungen von Präzisionsteilen von der Sollform.
Es sind Koordinatenmessmaschinen zur genauen Messung von Teilen bekannt (z. B. die Dreikkordinatenmessmaschine, Modell Hydroptic-6A der Firma Societe Genevoise SIP). Sie enthält ein Gestell mit einem Messtisch, Tragböcken mit einem Querhaupt, an dem ein Schlitten angeordnet ist, in dem ein Messkopf mit Hilfe einer Spindel verschoben werden kann, Mess- und Ablesungseinrichtungen für jede Koordinatenrichtung sowie Korrekturglieder, die von Korrekturkurven gesteuert werden, für jede Koordinate. Der Messtisch ist an dem Gestell verschiebbar angeordnet. Auf dem Tisch wird das zu messende Objekt angeordnet. Das Querhaupt ist an den Tragböcken montiert, welche an dem Gestell befestigt sind.
An dem Querhaupt ist ein Schlitten verschiebbar angeordnet, der einen mit Hilfe einer Spindel verschiebbaren Messkopf trägt. Der Schlitten kann sich an dem Querhaupt in horizontaler Richtung verschieben, während der Messkopf in bezug auf den Schlitten in vertikaler Richtung bewegbar ist. Für jede der Koordinaten X, Y, Z sind in der Maschine optische Mess- und Ablesevorrichtungen mit Rastermasstäben und optisch-elektronischen Systemen zur Zählung der Masstabstriche vorgesehen.
Die Mess- und Ablesevorrichtungen sind mit einem Korrekturglied versehen, das mit einer Korrekturkurve kinematisch verbunden ist. Die Abweichung des Profils der Korrekturkurve von der Richtung der Verschiebung ist in jedem Punkt dem Maschinenfehler proportinal. Bei der Messung in Richtung der Koordinate X , d. h. der Bewegungsrichtung des Tisches, ist der feststehende Teil der Mess- und Ablesevorrichtung am Gestell und der bewegliche Teil - der Masstab - am Tisch angeordnet.
Bei der Messung am Messtisch der Koordinatenmessmaschine befestigten Objekte werden der Tisch, der Messkopf und die Spindel in die Messlage gebracht, und auf Anzeigeschirmen und/oder auf elektronischen Anzeigeeinrichtungen der Mess- und Ablesevorrichtungen werden die Zahlenwerte der Koordinaten angezeigt. Der Abstand zwischen zwei zu messenden Punkten in einer Koordinatenrichtung wird als Differenz zwischen den entsprechenden Werten der Koordinaten dieser Punkte bestimmt.
Den optischen Mess- und Ablesevorrichtungen, mit denen die genannte Koordinatenmessmaschine ausgerüstet ist, liegt das Strichmass, d. h. ein materielles Längennormal zugrunde.
Der Grösse der Verschiebung der Masstäbe, die mit den beweglichen Organen der Maschine verbunden sind, wird mittels des optisch-elektronischen Systems zur Zählung der Masstabstriche bestimmt, die aus zwei Skalen, einer photoelektrischen Abtasteinrichtung und einem elektronischen Zähler bestehen. ZurBestimmung des Wertes einer Koordinate muss man die Anzeige von drei Skalen ablesen und diese summieren. Die Genauigkeit der Bestimmung der Länge mitteh der Strichskalen ist nicht höher als 1,5-2Fm pro 1 m Länge.
Das Vorhandensein von Vorrichtungen zur Unterteilung der Skalenintervalle trägt jedoch einen zusätzlichen Fehler in das Messergebnis ein.
Die unter der Verwendung von Strichmassen gebauten Ablesevorrichtungen lassen sich ausserdem schlecht automatisieren und die Leistungsfähigkeit dieser Vorrichtungen ist gering. Das Strichmass als materielles Längennormal verändert mit der Zeit seine Länge. Die Konstruktion der optischen Mess- und Ablesevorrichtungen in den genannten Maschinen ist kompliziert; sie erfordert viel Platz für deren Unterbringung sowie leistungsstarke Lichtquellen mit einer starken Wärmeentwicklung, was zu Wärmeverformungen der Maschinenteile und folglich zu einer Senkung der Messgenauigkeit führt.
Die Konstruktion der optischen Mess- und Ablesevorrichtungen gestattet es nicht, die Arbeitsfläche des Strichmasses in einer Ebene anzuordnen, die durch die Messlinie der Maschine geht. Dadurch ist es nicht möglich, den Einfluss der Führungsfehler der beweglichen Teile der Messmaschine auf die Genauigkeit der Messung zu eliminieren; das Abbe'sche Komparatorprinzip wird also verletzt. Da es unmöglich ist, in solchen Systemen eine gleitende Null vorzusehen, wird die Durchführung der Messungen kompliziert, und die Arbeitsproduktivität ist gering. Die Notwendigkeit, arithmetische Operationen zur Bestimmung von Effektivgrössen der Verschiebungen durchzuführen, wirkt ermüdend auf den Operateur und kann Fehler verursachen.
Zweck der Erfindung ist die Beseitigung der genannten Nachteile.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktionsmässig einfache Koordinatenmessmaschine zu schaffen, die eine hohe Messgenauigkeit erlaubt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Mess- und Ablesevorrichtung ein digitales Laserinterferometer ist, wobei der bewegliche Teil ein den Messlichtstrahl umkehrender Reflektor ist, während der feststehende Teil die übrigen Teile des Interferometers umfasst.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, welche zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Teiles der Koordinatenmessmaschine, der das Gestell mit dem Messtisch, eine Messvorrichtung und ein Korrekturglied umfasst;
Fig. 2 eine schematische Darstellung desselben Teiles der Koordinatenmessmaschine mit einer anderen Ausführungsform des Korrekturgliedes.
Die erfindungsgemässe Koordinatenmessmaschine enthält ein Gestell 1 (Fig. 1) mit Führungen, in denen ein Tisch 2 gelagert ist, auf welchem das zu messende Objekt 3 angeordnet wird. Ausserdem enthält sie eine Mess- und Ablesevorrichtung in Form eines Laserinterferometers, dessen Hauptteil 4 am Gestell 1 derart befestigt ist, dass seine Visierachse 5 in der durch die Messlinie parallel zur Richtung der Verschiebung des Tisches und senkrecht zum Tisch verlaufende Ebene liegt.
Als diese Messlinienebene der Maschine bei der Verschiebung des Tisches dient die Vertikalebene, die durch die Mitte des Tisches 2 geht und parallel zu der Richtung der Verschiebung des Tisches 2 liegt. Die Unterbringung der Visierachse 5 des Interferometers 4 in der Messlinienebene der Maschine vermindert um das drei- bis vierfache die Anforderungen, die an die Genauigkeit der Herstellung der Führungen in bezug auf deren Geradlinigkeit gestellt werden müssen.
Der Reflektor 6 des Laserinterferometers ist am Tisch 2 befestigt. Zwischen dem Laserinterferometer und dem Reflektor 6 ist im Gang des Messtrahls des Laserinterferometers ein Korrekturorgan 7 angeordnet, wobei als solcher ein afokales System dient, das in vorliegendem Fall aus einer feststehenden durchsichtigen keilförmigen Platte 8, die am Tisch 2 befestigt ist, und einer beweglichen durchsichtigen keilförmigen Platte 9 besteht. Die Platte 9 ist über eine Rolle 10 mit dem Korrekturglied, und zwar mit einem Korrekturkurve 11 kinematisch verbunden, das am Gestell 1 befestigt ist; mit dem Tisch 2 ist diese Platte durch die Führung 12 verbunden, die in einer zu der Visierachse 5 des Interferometers senkrecht angeordneten Ebene liegt.
Das Korrekturorgan 7 (Fig. 2) (afokales System) kann auch in Form einer durchsichtigen, beispielsweise aus Glas bestehenden planparallelen Platte 13 ausgeführt werden, die im Gang des Strahls des Laserinterferometers angeordnet und mit einem Hebel 14 starr verbunden ist, der über die Rolle 15 mit dem Korrekturkurve 11 kinematisch verbunden wird, das feststehend am Gestell 1 befestigt ist. Die Schwenkachse 16 der planparallelen Platte 13 ist über einen Träger 17 mit dem Tisch 2 starr verbunden und kann beispielsweise zur Arbeitsfläche des Tisches 2 parallel liegend angeordnet sein.
Ausserdem enthält die erfindungsgemässe Koordinatenmessmaschine ein in den Zeichnungen nicht dargestelltes Querhaupt, das auf Tragböcken montiert ist, die am Gestell befestigt sind, sowie einen am Querhaupt angeordneten Schlitten mit einem Messkopf. Der Schlitten kann sich auf dem Querhaupt verschieben, während der Messkopf am Schlitten in vertikaler Richtung verschiebbar angeordnet ist.
Für jede Koordinate sind in der Messmaschine Mess- und Ablesevorrichtungen und Korrektureinrichtungen vorgesehen.
Mess- und Ablesevorrichtungen der Koordinatenmessmaschine in Form eines Laserinterferometers mit einer Korrektureinrichtung sind bedeutend einfacher im Vergleich zu den bisher verwendeten optischen Mess- und Ablesevorrichtungen; es wird folglich auch die Konstruktion der ganzen Koordinatenmessmaschine, deren Bedineung usw. vereinfacht. Die Verwendung einer leistungsschwächeren Wärmequelle - eines Lasers - in dem Interferometer anstelle von leistungsstarken Glühlampen, die in den bisherigen optischen Mess- und Ablesevorrichtungen verwendet werden, sowie eine bedeutende Entfernung zwischen der Wärmequelle und dem Tisch 2, dem Schlitten und der Spindel vermindert stark die Temperaturverformungen der Koordinatenmessmaschine und erhöht deren Genauigkeit.
Die Messgenauigkeit vermindert sich mit der Zeit nicht, weil als Längennormal eine natürliche Konstante, und zwar die Lichtwellenlänge dient.
Die Koordinatenmessmaschine funktioniert wie folgt.
Betrachten wir als Beispiel die Messung der Entfernung zwischen zwei Bohrungsachsen in einem Werkstück mit Hilfe der erfindungsgemässen Koordinatenmessmaschine. Zur Durchführung der Messung wird das Werkstück 3 auf der Arbeitsfläche des Tisches 2 derart angeorndet, dass er in bezug auf die Richtung der Verschiebung des Tisches 2, des Schlittens und des Messkopfes orientiert ist (Lagenänderung nach den Koordinaten X, Y, Z), wonach das Werkstück befestigt wird.
Die Spindelachse wird mit der Achse einer der Bohrungen des Werkstückes 3 vereinigt. Die Zahlenanzeige am Laserin terferometer wird auf Null gebracht. Danach wird der Tisch 2 in seine Verschiebe-Richtung solange verschoben, bis die
Spindelachse mit der Achse der zweiten Bohrung des Werk stückes 3 vereinigt ist. Dann wird der Tisch 2 zum Stehen gebracht.
Gleichzeitig mit dem Beginn der Bewegung des Tisches 2 ändert sich der Abstand zwischem dem feststehenden Interfe rometerhauptteil 4 und dem Reflektor 6. Die Änderung finde immer statt, wenn sich der Tisch 2 bewegt, weil das Laserinter ferometerhauptteil 4 am Gestell 1 feststehend angeordnet ist, während der Reflektor 6 am Tisch 2 starr befestigt ist und mit diesem verschoben wird. Während der Verschiebung des
Tisches 2 geht der Strahl des Laserinterferometerhauptteils 4 durch das Korrekturorgan 7, trifft auf den Reflektor 6 auf und kehrt zum Interferometerhauptteil 4 zurück, nachdem er erneut das Korrekturorgan 7 durchlaufen hat.
Bei einer Änderung des Abstandes zwischen dem Interfero meterhauppteil 4 und dem Reflektor 6 ändert sich auch die
Gangdifferenz der interferierenden Teilbündel des Interfero meters und über das Feld des Interferometers 4 laufen Interfe renzstreifen. Die Anzahl K der in einem Punkt durchlaufenden
Streifen ist mit der Abstandsänderung L durch die Beziehung L
2n verbunden, worin X beispielsweise die Wellenlänge der Strah lung eines Helium-Neon-Lasers im Vakuum ist, der Lamb-dip.
stabilisiert ist; sie beträgt 0,63299138 llm; n ist der Brechungsindex des Mediums, durch welches der Messtrahl des Laserinterferometers geht.
Bei der Verschiebung des Tisches 2 wird die keilförmige durchsichtige Platte 9 in den am Tisch 2 befestigten Führungen 12 durch die Rolle 10 verschoben, die ständig gegen die Korrekturkurve 11 gedrückt wird.
Die Grösse der Verschiebung der keilförmigen Platte 9 in jedem Punkt längs der Verschiebung des Tisches 2 ist dem Maschinenfehler in diesem Punkt proportional. Der Brechungsindex des Materials der keilförmigen Platte 9, die beispielsweise aus Glas besteht, ist grösser als der Brechungsindex des Mediums, in dem die Messung vorgenommen wird. Durch Änderung der Weglänge, die der Strahl beim Laufen vom Interferometerhauptteil 4 bis zum Reflektor 6 und zurück in einem optisch dichteren Medium zurücklegt, ändert man die Gangdifferenz der interferierenden Teilbündel und folglich die Anzahl der durchlaufenden Interferenzstreifen im Feld des Interferometers 4, wobei diese Zahl der zu messenden Grösse proportional ist.
Die Verschiebung der keilförmigen Platte 9 in den Führungen 12 führt zur Änderung der Länge des Weges der vom Messtrahl des Laserinterferometers in einem optisch dichteren Medium zurückgelegt wird; das führt folglich zur Änderung der Anzahl der im Feld des Interferometers 4 durchgehenden Interferenzstreifen, was einer bestimmten Änderung der Messlänge in jedem Punkt längs der Verschiebung des Tisches 2 gleichkommt.
Die Verschiebungsgrösse der keilförmigen Platte 9 in jedem Punkt längs der Verschiebung des Tisches 2 ist dem Maschinenfehler in diesem Punkt proportional; folglich ist auch die Änderung der Messgrösse, bezogen auf die Länge der Verschiebung des Tisches 2, dem Maschinenfehler in jedem Punkt längs der Verschiebung der Tische proportional und zwar gleich. Auf diese Weise korrigiert die Bewegung der keilförmigen Platte 9, die durch die Kurve 11 und die Rolle 10 erhalten wird, den Maschinenfehler. Die gleiche Wirkung zur Korrektur des Maschinenfehlers wird auch durch das Korrekturorgan 7 vorgenommen, das aus einer planparallelen durchsichtigen Platte 13 besteht, die durch die Zusammenwirkung der Rolle 15 und der Korrekturkurve 11 während der Verschiebung des Tisches 2 auf dem Gestell 1 um die Achse 16 geschwenkt wird.
Die Schwenkung der Platte 13 wird durch den Hebel 14 verwirklicht. Bei Schwenkung der planparallelen Platte 13 auf der Achse 16, die an dem am Tisch 2 befestigten Träger 17 angebracht ist, vergrössert sich die Länge des Messtrahlenganges des Laserinterferometers in einem dichteren optischen Medium und folglich wird eine automatische Korrektur des Maschinenfehlers vorgenommen, ähnlich, wie das bei der Beschreibung der Arbeit des Korrekturorgans 7 dargelegt wurde, das aus keilförmigen durchsichtigen Platten 8 und 9 besteht. Die Anzahl der durch das Feld des Interferometers gegangenen Interferenzstreifen ist der Verschiebung des Tisches 2 von der Achse der ersten Bohrung des Werkstückes 3 bis zur Achse der zweiten Bohrung unter Berücksichtigung der vorgenommenen Korrektur des Maschinenfehlers proportional.
Die Operationen zur Berechung der Grösse der Verschiebung aus der Anzahl der Interferenzstreifen K wird automatisch durch einen Reversierzähler (in den Zeichnungen nicht angedeutet) des digitalen Laserinterferometers vorgenommen.
Nachdem der Tisch 2 zum Stehen gebracht ist, wenn die Achse der Spindel der Koordinatenmessmaschine mit der Achse der zweiten Bohrung des Werkstückes 3 zusammenfällt, ist an der digitalen Anzeige des Laserinterferometers der Ist Wert des Abstandes zwischen den Achsen der ersten und der zweiten Bohrung des Werkstückes 3 abzulesen, der in Millimeter mit einer Auflösung von 0,0001 mm ausgedrückt wird.
Die Messung längs der Achsen Y und Z wird dement sprechend durch die Verschiebung des Schlittens bei feststehendem Tisch und Verschiebung des Messkopfes in bezug auf den Schlitten bei feststehendem Schlitten und Tisch 2 vorgenommen. Die Wirkungsweise der Korrektureinrichtungen für alle drei Achsen ist die gleiche.
Mit Hilfe der Koordinatenmessmaschine kann man Messungen sowohl in einem absoluten Bezugssystem wie auch nach dem Prinzip des Grössenzuwachses von Punkt zu Punkt durchführen. Das wird durch das Vorhandensein einer gleitenden Null bei der Ablesung der Koordinaten, d. h. durch die Möglichkeit gewährleistet, die Information des digitalen Anzeigers für verschiedene Bezugspunkte darzustellen.
Das trägt zu einer bedeutenden Steigerung der Arbeitsproduktivität bei der Durchführung von Messungen bei, verbessert gleichzeitig die Arbeitsbedingungen des Operateurs und vermindert die ermüdende Wirkung der Maschine auf ihn. Es wird voll und ganz die Möglichkeit für das Entstehen von Fehlern bei einer arithmetischen Berechnung der Messwerte ausgeschlossen, wie sie bei der Verwendung von Koordinatenmessmaschinen mit konventionellen optischen Mess-Systemen unbedingt durchgeführt werden muss. Die Einstellung der Visierachsen der Laserinterferometer in den Messlinienebenen der Maschine parallel zur Verschiebungsrichtung der Reflekttoren ermöglicht es, die Fehlerkorrektur der Verschiebung des Tisches 2, des Messkopfes und der Spindel nur in einer Ebene vorzunehmen, wodurch die Messgenauigkeit wesentlich erhöht wird.
Durch die Verwendung eines digitalen Laserinterferometers als Mess- und Ablesevorrichtung zur Messung von Verschiebungen mit einer Auflösung der Zählung von beispielsweise 0,0001 mm unter Anordnung der Visierachse des Interferometers in der zugehörigen Messlinie der Maschine parallel zur Richtung der Verschiebung des zugehörigen Reflektors, und durch die Verwendung einer Korrektureinrichtung die im Messtrahlengang des Interferometers in Form vor zwei keilförmigen durchsichtigen Platten oder einer planparallelen durchsichtigen Platte angeordnet ist, die mit einem Korrekturlineal kinematisch verbunden sind, haben wir eine Koordinatenmessmaschiene von hoher Messgenauigkeit erhalten.
Die Genauigkeit der Koordinatenverschiebungen über alle drei Koordinaten ist nicht schlechter als 0,001 mm und die Auflösung der Zählung bei allen Verschiebungen beträgt mindestens 0,0001 mm.
Die Genauigkeit der Mess- und Ablesungsvorrichtungen wird mit der Zeit nicht beeinträchtigt.
Es werden Forderungen, die an die Genauigkeit der Herstellung von Tisch, Schlitten und Spindel gestellt werden, um das 3- bis 4-fache erniedrigt, wobei die Messgenauigkeit der Maschine erhalten bleibt.
Es wird eine Möglichkeit für das Entstehen von Fehlern bei derArbeit der Maschine ausgeschlossen, weil arithmetische Berechnungen bei der Längenmessung nicht mehr gemacht werden.
Es wird die Ablesung der Information über die Grösse der Verschiebungen dadurch vereinfacht, dass die Schirme mit mehreren Skalen nicht mehr verwendet werden und digitale Anzeiger nicht zur Anwendung kommen.
Es wird die Arbeitsproduktivität beim Betrieb der Maschine erhöht. Es vermindert sich wesentlich die ermüdende Wirkung der Maschine auf den Operateur, weil es nicht mehr erforderlich ist, die Information über die Grössen der Verschiebungen sorgfältig auf den Skalen zu fixieren. Die Konstruktion der Maschine wird vereinfacht; es ist praktisch keine Wartung der Mess- und Ablesevorrichtungen erforderlich, weil es nicht mehr notwendig ist, die Mess- und Ablesevorrichtungen sorgfältig gegen Verunreinigungen zu schützen und periodisch unter Anwendung hochqualifizierter Arbeitskräfte zu säubern.
Es wird dadurch möglich, den Einfluss des Verschleisses der Führungen bei einem längeren Betrieb der Maschine auf die Messgenauigkeit der Maschine zu kompensieren.