PROCESS FOR INCREMENTALLY MEASURING GEOMETRICAL DIMENSIONS, AND DEVICES TO PERFORM THE PROCESS

Abstract: 1. Method for the stepwise optical measurement of geometrical parameters such as distances, angles and unevennesses on an object to be measured, preferably by means of a laser interferometer having a movable measurement base (A, A') which defines the starting point of the measurement, a measured value emitter (4, 11) connected to the movable measurement object and an evaluation device (5) for forming the measured value, characterised in that the position changes of the measurement base (A, A') and of the measured value emitter (4, 11) are sensed by the evaluation device (5) and that in forming the overall measured value the position changes of the measurement base (A, A') in the individual measurement steps are taken into account.

Description: Verfahren zum schrittweisen Messen von geometrischen Grössen und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum schrittweisen Messen von geometrischen Grössen, die sich durch Längenmessungen ermitteln lassen, sowie auf Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens. Strecken, die länger sind als die zur Verfügung stehenden Messnormale, lassen sich bekanntlich durch Aneinanderfügen mehrerer Teilmessungen ermitteln ("Laser-Interferometer", Sonderdruck aus der Siemens-Zeitschrift44 44 (1970), Beiheft "Nume- rische 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 kürzer ist, als die zu messende 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 liest die Messteilung ab. Die Anzahl 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 vernachlässigbar, wenn die Messunsicherheit nur /um oder Bruchteile davon betragen soll. Es ist die Aufgabe der Erfindung, die angegebenen Nachteile zu vermeiden und ein Messverfahren zu schaffen, das 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 ein Verfahren gelöst, dessen Verfahrensschritte im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegeben sind. Die Vorteile der Erfindung liegen im wesentlichen darin, dass die Gesamtmessung genauer wird als bei den bekannten Verfahren, und dass die Messung reproduzierbar wird. Durch das Betreiben des erfindungsgemässen Verfahrens 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 eine schematische Darstellung einer Laser Interferometermesseinrichtung gemäss dem Stand der Technik Figur 2 eine schematische Darstellung einer Laser Interferometermesseinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens Figur eine schematische Darstellung der 3a bis c Messschritte Figur 4 eine variierte Einzelheit der Mess einrichtung gemäss Fig. 2 Figur 3 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Messen kleiner Winkel Figur 6 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Messen von Ungeradheiten Die bekannten Laser-Interferometermesseinrichtungen arbeiten im Prinzip so, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Interferometrische Längenmessungen beruhen auf dem Vergleich der zu messenden Länge mit der Lichtwellenlänge A . Das kohä- rente Wellenfeld einer Lichtquelle (Laser 1') wird durch Spiegel, Prismen, Blenden oder ähnliches geteilt; die beiden Wellenfelder durchlaufen dann zwei verschiedene Strecken, eine feste Vergleichsstrecke und die veränderliche Messstrecke, und werden danach an einer bestimmten Stelle überlagert. Je nach der gegenseitigen Phasenbeziehung der Lichtwellen (Gangunterschied) 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 Laser strahl 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 4' und zurück durchläuft. Die beiden Strahlen werden am Teilerprisma 2' wieder vereinigt und die Interferenzerscheinungen mit Hilfe des Photodetektors Ph 2' ausgewertet. Beim Verschieben des Tripelprismas 4' um einen eg i wechselt die Helligkeit bzw. die Dunkelheit am Photodetektor wegen der Verdoppelung des Gangunterschiedes durch den Hin- und Rückweg der Lichtwelle Si-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. Ein Interferometer stellt gewissermassen ein inkrementales Linearmesssystem mit /2- (manchmal t/4-)Intervallen dar. Um bei einem solchen System die Verschiebungsrichtung erkennen zu können, ist ein zweites, gegenüber dem ersten um 2/2 phasenversetztes Signal erforderlich. Dieses Signal liefert ein im Interferometer abgeteilter, durch geeignete optische Hilfsmittel (z. B. Durchgang durch eine > /4 Phasenplatte) um x /4 phasenverschobener Teilstrahl, auf dem Photodetektor Ph 1'. Mit Hilfe eines elektronischen Richtungsdiskriminators lässt sich aus den beiden um n /2 versetzten Signalen die Verschiebungsrichtung des Spiegels 4' bestimmen. Damit Führungsfehler des Messschlittens MS' nicht zu Messfehlern Anlass geben, ist es notwendig, Reflektoren 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. Das erfindungsgemässe Messverfahren lässt sich besonders gut mit einer Laser-Interferometermesseinrichtung gemäss Fig. 2 durchführen. 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 Messstrecke 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 Umgebungseinfliisse 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 3 und einem evakuierten, längenveränderlichen Rohr 7 gebildet. Die Elemente (Photodetektoren o, 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. Im 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 4 als Reflektor angeordnet, dessen Verschiebung in Bezug auf die Messbasis A interferometrisch gemessen werden soll. Der Messschlitten MS kann beispielsweise der Werkzeugschlitten einer Bearbeitungsmaschine sein, die vermessen werden soll. teuer 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 4 bestimmt. Das Rohr ist mit strahlendurchlässigen Gläsern 9, 10 an den Stirnflächen verschlossen und evakuiert. Die Rohrlänge wird von der Servo-Nachfiihrregeleinrichtung 8 so eingestellt, dass sich zwischen dem einen Rohrende 10 und dem Reflektor 4 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 4 wie in Figur 4 dargestellt ist, innerhalb des evakuierten Rohres 7 angeordnet sein. Eine elastische Dichtung 7a dichtet das Rohr 7 am Schaft 4a des Reflektors 4 ab. In den Figuren 3a bis 3c sind die Messschritte zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens erläutert. In bekannter Weise wird der Laser 1 stationiert. Die Messbasis A wird zu Beginn der Messung fixiert und der Reflektor 4 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 4 zählt der Zähler 5 die Interferenzstreifendurchgänge, so dass deren Anzahl ein Mass für die Verschiebung des Reflektors 4 ist. Die maximale Distanz zwischen der Messbasis A und dem Reflektor 4 wird durch die maximale Auszugslänge des Rohres 7 festgelegt und bestimmt die Endposition des Reflektors 4 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 4 fixiert, der Hilfsschlitten HS mit der Messbasis A wird gelöst und auf den Reflektor 4 hin verfahren. Dabei verEirzt sich das evakuierte Rohr 7 unter Einwirkung der Servo-Nachführeinrichtung 8 gemäss Fig. 2, die den Luftspalt zwischen dem Rohrende 10 und dem Reflektor 4 konstant klein hält. Die durch diese Verschiebung der Messbasis A auftretenden Interferenzstreifendurchgänge werden mit negativem Vorzeichen gezählt, so dass bei Differenzbildung von dem 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 Menschlitten MS wieder gelöst. Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt 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 4 messen, liegt die gleiche Genauigkeit vor, so dass die "AnschluBSehler" Jeweils nur einen Schritt - ent sprechend 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: EMI8.1 wobei s die Gesamtstrecke, M die letzte Teilmessung, Rn die Nachführverschiebestrecken der Messbasis aus den einzelnen Messungen und i die Anzahl der Teilmessungen ist. Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens lassen sich auch andere geometrische Grössen messen, wenn anstelle eines Interferometers andere bzw. abgewandelte Messeinrich- tungen in der erfindungsgemässen Weise betrieben werden. In Figur 5 ist eine derartige Einrichtung zum Messen kleiner Winkel in Form einer Autokollimationseinrichtung W angegeben. Der jeweilige Messwert ob 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 dem erfindungsgemässen Verfahren. Dies ist schematisch in Fig. 6 gezeigt. Ein Lichtbündel 10 definiert die Bezugsgerade. Als Bezug fiir 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 A' bezeichnet und mit MS der Messschlitten des Messwertaufnehmers 11. Beim ersten Messschritt steht der Hilfsschlitten HS der Nessbasis A' 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 Läge des Lichtbündels 10 auf dem Messwertaufnehmer 11. Die so ermittelten Messwerte sind die Lageabweichungen des Messschlittens MS von dem Lichtbiindel 10. Anschliessend wird der Messschlitten MS- fixiert. Beim zweiten Messschritt fährt die Messbasis A auf dem Hilfsschlitten MS von Punkt a nach Punkt cO Die Richtung des Lichtbtindels 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 Parallelverschiebung wird durch den nun feststehenden Messwertaufnehmer 11 gemessen. Hat der Hilfsschlitten HS mit der Messbasis A den Punkt "c" erreicht, wird er fixiert. Wird nun für einen dritten Messschritt wieder der Messschlitten MS verfahren, so muss die Bezugspunktverschiebung aufgrund der Lageveränderung der Messbasis A' 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 giinstig, 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 3 integriert sein.

Claims: Ansprüche 1.) Verfahren zum schrittweisen Messen von geometrischen Grössen wie Strecken, Winkeln und Ungeradheiten an einem zu vermessenden Objekt, mit einer den Anfangs punkt der Messung festlegenden Messbasis, einem mit dem Messobjekt verbundenen Messwertgeber und einer Aus werteeinrichtung zur Bildung des Messwertes, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Messwertgeber (4, 11) als auch die Messbasis (A, A') verschiebbar sind, dass die Lageänderungen der Messbasis (A, A') und des Mess wertgebers (4, 11) von der Auswerteeinrichtung (5) erfasst werden und dass bei der Bildung des Gesamtmess wertes die Lageänderungen der Messbasis (A, A') bei den einzelnen Messschritten berücksichtigt werden. 2.) Laser-Interferometermesseinrichtung zur Durchfiihrung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass die Messbasis (A) von einem Interferometer messkopf und der Messwertgeber (4) von einem Reflektor gebildet werden, und dass der Messstrahlengang in einem längenveränderlichen evakuierten Hohlraum, vorzugs weise einem Rohr (7), verläuft. 3.) Laser-Interferometermesseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (4) ausser halb des evakuierten Rohres (7) angeordnet ist, und dass eine Servo-Nachführsteuerung (8) für das längen veränderliche Rohr (7) den Luftspalt zwischen dem einen Rohrende (10) und dem Reflektor (4) konstant klein hält. 4.) Messeinrichtung nach den Anspriichen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (5) einen Digitalrechner zur Messwertbildung und zur Steuerung der Messeinrichtung enthält. 5.) Messeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, dass der Digitalrechner ein Mikroprozessor ist. 6.) Ungeradheitsmesseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur schrittweisen Messung von Ungeradheiten die Messbasis (A') so ausgestaltet ist, dass die Richtung der Bezugsgeraden durch ein Pendel bestimmt wird. 7.) Ungeradheitsmesseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur schrittweisen Messung von Ungeradheiten die Messbasis (A') so ausgestaltet ist, dass die Richtung der Bezugs geraden durch die Oberfläche einer Fldssig- keit bestimmt ist. 8.) Ungeradheitsmesseinrichtung zur Durchfiihrung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur schrittweisen Messung von Ungeradheiten die Messbasis (A') so ausgestaltet ist, dass die Richtung der Bezugsgeraden durch einen Kreisel bestimmt ist.

Inventors: METZ, GERALD, ING.GRAD
Applicants: DR. JOHANNES HEIDENHAIN GMBH
Application year: 1980
Main classification: G01B9
IPC codes: G01B9