CH670307A5

CH670307A5 -

Info

Publication number: CH670307A5
Application number: CH327285A
Authority: CH
Inventors: Heinz Priplata
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1984-09-03
Filing date: 1985-07-29
Publication date: 1989-05-31
Also published as: DE3520693A1; DD226641A1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur interferentiellen Zweikoordinatenmessung gemäss den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2.

Längenmessmaschinen dienen vorwiegend der Erfassung von Längenmassen zwischen zwei Punkten längs einer Koordinatenachse. Erweiterte Anwendungsmöglichkeiten erreicht man dabei durch die Schaffung einer Messmöglichkeit in einer zur genannten Koordinatenachse senkrecht verlaufenden zweiten Koordinatenachse. Bei bekannten Längenmessmaschinen werden dazu zwei optische Messsysteme oder ein optisches und ein chemisches oder zwei optoelek-trische Messsysteme miteinander gekoppelt. Die erstgenannten Einrichtungen bedürfen doppelter manueller Ablesung und sind nicht automatisierbar, so dass rationelle Messungen nicht durchführbar sind. Die letztgenannte Einrichtung ist automatisierbar, verursacht jedoch einen erheblichen technischen Aufwand.

Aus der US-PS 3 820 902 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum Messen linearer Verschiebungen von Teilen an Messgeräten und Maschinen mittels eines Laserinterferome-ters bekannt, bei welchem das den Laser verlassende Lichtbündel in einem Strahlenteiler in drei Teilbündel aufgespalten wird, die je einem, am verschiebbaren Teil angeordneten Reflektor zugeleitet werden. Der beim Messen ausserhalb der Messachse auftretende Komparatorfehler wird dadurch kompensiert, dass zwei Interferometerstrahlen-gänge symmetrisch zur Messachse und mit ihr in einer Ebene liegend vorgesehen sind. Aus den hieraus erhaltenen Informationen wird der Komparatorfehler ermittelt und bei den Messergebnissen berücksichtigt. Mit einem dritten Strahlengang und einem dritten Reflektor wird interferentiell die zu bestimmende Messgrösse ermittelt.

Nachteilig ist, dass nur in einer Koordinatenachse gemessen werden kann. Eine ähnliche Einrichtung ist in der DE-OS 3 124 357 beschrieben, bei welcher die Verschiebung eines, einen Taster tragenden Schlittens mittels zweier symmetrisch zur Verschiebeachse vorgesehener Interferometer-strahlengänge gemessen wird.

Die US-PS 3 815 996 beschreibt eine iriterferentielle Einrichtung zur Messung einer Schlittenbewegung in zwei senkrechten Koordinatenachsen (X; Y). Sie umfasst einen Laser als Lichtquelle und mehrere, den Koordinatenachsen zugeordnete Strahlenteiler, Reflektoren, fotoelektrische Sensoren und Auswerter für die Messwerte zur Ermittlung der Verschiebungen entlang der Achsen X und Y.

Nachteilig ist hierbei der grosse technische Aufwand an hochgenauen optischen Bauelementen, weil zwei vollständige Interferometerstrahlengänge (für jede Achse einer) mit den notwendigen Sensoren zu realisieren sind. Auftretende Schlittenkippungen entlang den Führungen können nicht ermittelt und bei den Messungen der Schlittenbewegung berücksichtigt werden.

Eine ähnliche Einrichtung ist in dem DE-GM 6 608 924 beschrieben, die eine Lichtquelle, Teilerwürfel, Umlenkprismen und Tripelprismen als Reflektoren umfasst und mit welcher Längen und Verschiebungen gemessen werden können. Auch hier ist der technische Aufwand, wie bei der Einrichtung nach der US-PS 3 815 998 sehr gross. Eine Eliminierung des Komparatorfehlers ist nicht möglich.

Ein Interferometer für zweidimensionale Längenmessungen ist in der DE-OS 2 164 898 beschrieben, das gekennzeichnet ist durch einen ersten Lichtreflektor, welcher an einem ersten, in Richtung einer ersten Achse ( Y) zweier Koordinaten beweglichen Support montiert ist, und durch ein erstes Interferometersystem zur Längenmessung in dieser ersten Achse. Zur Längenmessung in einer zweiten Achse (X) ist ein zweites Interferometersystem vorgesehen, welches einen zweiten Lichtreflektor umfasst, der an einem zweiten, entlang dem ersten Support in Richtung der X-Achse verschiebbaren, zweiten Support montiert ist. Für beide Interfe-rometersysteme, deren optische Achsen sich in einem Messpunkt schneiden, ist eine einzige, kohärente Lichtquelle vorgesehen. Zur Kompensation der Verdrehung des Supports während der Verschiebung sind gesonderte Interferometerstrahlengänge mit Reflektor und Strahlenteiler vorhanden.

Diese Anordnung erlaubt zwar die Messung der Verschiebung des Tisches in der Mittelachse, in welcher Reflektoren angeordnet sind, und schaltet damit weitgehend den Komparatorfehler aus, ist aber in ihrem optischen Aufbau sehr aufwendig und kompliziert.

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere den gerätetechnischen Aufwand bei der Zweikoordinatenmessung bei Messmaschinen zu verringern und die Messgenauigkeit und den Automatisierungsgrad zu erhöhen.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur interferentiellen Zweikoordinatenmessung zu schaffen, bei welchen unter Einhaltung des Komparatorprinzips für beide Koordinatenachsen mit zwei zu einer Achse symmetrisch verlaufenden Interferometer-strahlengängen hochgenaue Messungen bei geringem gerätetechnischen Aufwand durchführbar sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur interferentiellen Zweikoordinatenmessung mittels zweier, von einem feststehenden Strahlenteiler mit Referenzreflektor ausgehender, an je einem Messreflektor reflektierter und auf je einem Fotoempfänger geleiteter Messstrahlengänge, wobei die von den Fotoempfängern erzeugten elektrischen Signale einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Verschiebungen eines ersten und eines orthogonal dazu verschiebbar gelagerten, zweiten Schlittens zugeführt werden, dadurch gelöst, dass bei der Messung der Verschiebung des ersten Schlittens in einer X-Koordinate zunächst der zweite, orthogonal zum ersten Schlitten gelagerte zweite Schlitten, der einen Messreflektor trägt, in seiner Stellung arretiert wird und die von den beiden Messstrahlengängen zugeordneten Fotoempfängern erzeugten, elektrischen Signale einer Auswerteeinrichtung zugeleitet werden und durch Mittelwertbildung aus den Signalen ein der Verschiebung in der X-Koordi-nate proportionaler Messwert bestimmt wird ;

- dass bei der Messung der Verschiebung des zweiten Schlittens in einer orthogonal zur X-Koordinate verlaufenden Y-Koordinate der erste Schlitten in seiner Stellung arretiert wird ; die von dem, dem zweiten Schlitten zugeordneten Messstrahlengang zugeordneten Fotoempfänger erzeugten elektrischen Signale der Auswerteeinrichtung zugeleitet werden und daraus ein der Verschiebung in der Y-Koordinate proportionaler Messwert bestimmt wird.

Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, umfassend eine kohärente Lichtquelle und einen feststehenden Strahlenteiler mit Referenzreflektor, welche zusammen mit einem Umlenkelement auf dem Grundbett einer Messmaschine angeordnet sind, und zwei Messreflektoren sowie zwei, parallel zur Verschieberichtung eines ersten Schlittens geführte Messstrahlengänge, denen jeweils ein Fotoempfänger zugeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Messreflektor des einen Messstrahlenganges und ein sich im zweiten Messstrahlengang zugeordneter zweiter Messreflektor auf einem, auf dem ersten Schlitten orthogonal zu dessen Verschieberichtung verschiebbar gelagerten zweiten Schlitten angeordnet sind, dass beide Schlitten in beliebiger Stellung arretierbar sind und dass jedem Messstrahlengang ein Fotoempfänger zugeordnet ist, der mit einer Auswerteeinrichtung verbunden ist.

Nach dem Verfahren und mit der Einrichtung lassen sich durch alternierende Messungen in der X- und Y-Koordinate die y-Signale beliebigen x-Signalen zuordnen, wobei gleichzeitig die Kippfehler des ersten Schlittens entlang der X-Koordinate im Messergebnis berücksichtigt werden können. Die x- oder/und y-Signale werden wechselweise (alternierend) von einem Rechner oder einer Auswerteeinrichtung übernommen. Durch dieses Verfahren und die Einrichtung lässt sich mit Hilfe nur eines Laserwegmesssystems die Messung in zwei Koordinaten bei einer Längenmessma-schine bei gleichzeitiger Ausschaltung des in der x-y-Ebene auftretenden Komparatorfehlers mit geringem technischem Aufwand und weitestgehend automatisiert realisieren.

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung ist schematisch eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt.

Die Einrichtung umfasst eine kohärente Lichtquelle 1 und einen Strahlenteiler 2 mit einem Referenzreflektor 3 zur Erzeugung des Referenzstrahlenganges, welche zusammen mit einem Umlenkelement 4, einem Spiegel oder Umlenkprisma, auf dem Grundbett 5 einer Messmaschine angeordnet sind. Auf dem Grundbett 5 sind ferner Führungen 6; 7 und Halterungen 8 ; 9 für ein Messobjekt 10 vorgesehen, wobei auf den Führungen 7 ; 8 ein in einer X-Koordinate verschiebbarer erster Schlitten 11 gelagert ist. Senkrecht zu den Führungen 6; 7 ist auf dem Schlitten 11 ein in einer Y-Koordinate verschiebbarer zweiter Schlitten 12 oder eine Pinole verschiebbar gelagert, welcher vorzugsweise einen Taster 13 zur Antastung des Messobjektes 10 besitzt. Der Schlitten 11 trägt ferner einen Messreflektor 14 und ein Umlenkelement 15. Auf dem zweiten Schlitten 12 ist ein weiterer Messreflektor 16 angeordnet.

Das von der Lichtquelle 1, z.B. einem Laser, ausgehende Lichtbündel wird an der Teilerfläche 17 des Strahlenteilers 2 in zwei Messstrahlengänge aufgespalten. Ein erster der Messung in der X-Koordinate dienender Messstrahlengang wird über das Umlenkelement 4 dem Messreflektor zugeleitet und von dort reflektiert über das Umlenkelement 4 zur Teilerfläche 18 des Strahlenteilers 2 gelenkt. An dieser Teilerfläche 18 wird auch aus dem ersten Messstrahlengang ein erster Referenzstrahlengang abgezweigt, der über den Referenzreflektor 3 zur Teilerfläche 18 geführt wird, an welcher dieser mit dem reflektierten ersten Messstrahlengang zur Interferenz gebracht wird. Das Licht wird einem Fotoempfänger 19 zur Umsetzung in elektrische Signale zugeführt, welche der Verschiebung des Schlittens 11 in der X-Koordinate proportional sind.

Die Messung der Verschiebung des Schlittens 12 orthogonal zum Schlitten 11 in der Y-Koordinate erfolgt mit Hilfe eines zweiten, über das Umlenkelement 15 und den Messreflektor 16 geführten Messstrahlenganges. Das an der Teilerfläche 17 mit dem Referenzstrahlengang zur Interferenz gebrachte Licht des zweiten Strahlenganges wird einem Fotoempfänger 20 zugeführt, der der Verschiebung des Schlittens 12 in der Y-Koordinate proportional elektrische Signale erzeugt. In jedem der Messstrahlengänge sind an sich bekannte polarisationsoptisch wirksame Bauelemente 21 ; 22 und 23 ; 24 angeordnet, die durch ihre unterschiedliche Drehung der Polarisationsebene der Strahlenbündel die beiden Messstrahlengänge trennen.

Die Fotoempfänger 19 ; 20 sind mit einem Rechner oder einer Auswerteeinrichtung 25 verbunden, in der die entsprechenden x- und y-Messwerte der Verschiebung der Schlitten

11 und 12 ermittelt werden.

Die Messung der Verschiebung der Schlitten 11 und 12 entlang den Koordinaten X und Y kann wie folgt durchgeführt werden: Bei der Messung der Verschiebung des ersten Schlittens 11 in der X-Koordinate wird der auf diesem Schlitten 11 gelagerte zweite Schlitten 12, der den Messreflektor 16 trägt, in seiner Stellung arretiert. Die von den, dem ersten und dem zweiten Messstrahlengang zugeordneten Fotoempfängern erzeugten elektrischen Signale werden dem Rechner oder der Auswerteeinrichtung 25 zugeführt. Hier wird durch Mittelwertbildung aus diesen Signalen ein komparatorfehlerfreier x-Messwert, der der Verschiebung entlang der X-Koordinate proportional ist, bestimmt.

Bei der Messung der Verschiebung des zweiten Schlittens

12 in einer orthogonal zur X-Koordinate verlaufenden Y-Koordinate wird der erste Schlitten 11 in seiner jeweiligen Stellung auf den Führungen 6; 7 arretiert, und es wird die Stellung bzw. Verschiebung des Schlittens 12 mit dem zweiten Messstrahlengang und dem Messreflektor 16 gemessen. Die von dem, dem zweiten Messstrahlengang zugeordneten Fotoempfänger 20 erzeugten elektrischen

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Signale werden der Auswerteeinrichtung 25 zugeleitet und daraus ein der Verschiebung des zweiten Schlittens 12 proportionaler y-Messwert bestimmt.

Die Messung der Verschiebung des ersten Schlittens 11 entlang der X-Koordinate kann auch mit nur einem der beiden Messstrahlengänge bei arretiertem Schlitten 12 erfolgen. In diesem Falle erfolgt jedoch keine Kompensation eventuell auftretender Komparatorfehler.

Dieses Verfahren lässt sich zur Messung von diskontinuierlich durchzuführenden Messungen an Messobjekten 10, z.B. für Steigungs- und Teilungsmessungen, zur Messung von radialen Abweichungen in definierten Abständen xi oder s auch zur Messung von Steuernocken und Kurvenscheiben in festgelegten x-Abständen rationell einsetzen. Eine Steuerung der entsprechenden Mess- und Verschiebungsschritte der Schlitten kann ein Rechner übernehmen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zur interferentiellen Zweikoordinatenmessung mittels zweier, von einem feststehenden Strahlenteiler mit Referenzreflektor ausgehender, an je einem Messreflektor reflektierter und auf je einen Fotoempfänger geleiteter Messstrahlengänge, wobei die in den Fotoempfängern erzeugten elektrischen Signale einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Verschiebungen eines ersten und eines orthogonal dazu verschiebbar gelagerten, zweiten Schlittens zugeführt werden,

gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- bei der Messung der Verschiebung des ersten Schlittens in einer X-Koordinate wird zunächst der zweite, orthogonal zum ersten Schritt gelagerte zweite Schlitten, der einen Messreflektor trägt, in seiner Stellung arretiert; die von den den beiden Messstrahlengängen zugeordneten Fotoempfängern erzeugten, elektrischen Signale werden einer Auswerteeinrichtung zugeleitet, und durch Mittelwertbildung aus den Signalen wird ein der Verschiebung in der X-Koordinate proportionaler Messwert bestimmt;

- bei der Messung der Verschiebung des zweiten Schlittens in einer orthogonal zur X-Koordinate verlaufenden Y-Koor-dinate wird der erste Schlitten in seiner Stellung arretiert; die von dem, dem zweiten Schlitten zugeordneten Messstrahlengang zugeordneten Fotoempfänger erzeugten, elektrischen Signale werden der Auswerteeinrichtung zugeleitet und daraus ein der Verschiebung in der Y-Koordinate proportionaler Messwert bestimmt.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, umfassend eine kohärente Lichtquelle und einen feststehenden Strahlenteiler mit Referenzreflektor, welche zusammen mit einem Umlenkelement auf dem Grundbett einer Messmaschine angeordnet sind, und zwei Messreflektoren sowie zwei, parallel zur Verschieberichtung eines ersten Schlittens geführte Messstrahlengänge, denen jeweils ein Fotoempfänger zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Messreflektor des einen Messstrahlenganges und ein sich im zweiten Messstrahlengang befindliches Umlenkelement auf dem ersten Schlitten und ein, dem zweiten Messstrahlengang zugeordneter, zweiter Messreflektor auf einem, auf dem ersten Schlitten orthogonal zu dessen Verschieberichtung verschiebbar gelagerten zweiten Schlitten angeordnet sind, dass beide Schlitten in beliebiger Stellung arretierbar sind und dass jedem Messstrahlengang ein Fotoempfänger zugeordnet ist, der mit einer Auswerteeinrichtung verbunden ist.