DD220698A1 - DEVICE IN PARTICULAR FOR WAY MEASUREMENT - Google Patents
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Abstract
Ein optischer Teiler, bestehend aus zwei Teilprismen, wird mit parallelem Licht und monochromatischem Licht beleuchtet. Beide Buendel werden mittels eins 90-Umlenkprisma, das zu Schwingungen angeregt werden kann, umgelenkt und gelangen jeweils in ein Tripelprisma, werden noch einmal umgelenkt, reflektieren an einer verspiegelten Flaeche des optischen Teilers, durchlaufen den Weg zum Tripelprisma noch einmal und interferieren. Beide Tripelprismen sind an einem Prismenhaltebuegel, der mit einem Messbolzen verbunden ist, befestigt. Der Messbolzen ist gefuehrt. Mit der Vorrichtung koennen auch alle die Groessen digital gemessen werden, die sich auf einen Weg abbilden lassen.An optical divider, consisting of two partial prisms, is illuminated with parallel light and monochromatic light. Both bundles are deflected by means of a 90-deflecting prism, which can be excited to vibrate, each entering a triple prism, are deflected once again, reflect on a mirrored surface of the optical divider, go through the path to the triple prism again and interfere. Both triple prisms are attached to a prism holder which is connected to a measuring pin. The measuring bolt is guided. With the device also all the sizes can be measured digitally, which can be mapped on a path.
Description
Die vorliegende Erfindung dient vorzugsweise der genauen digitalen Wegmessung. Sie kann dann vorteilhaft angewendet werden, wenn Auflösungen bis zu ^ bei großen Meßbereichen von 10-20mm und mehr benötigt werden. Es können auch alle die Größen mittels der vorgeschlagenen Erfindung digital gemessen werden, die sich auf einen Weg abbilden lassen. Charakteristik der bekannten LösungenThe present invention is preferably for accurate digital path measurement. It can then be advantageously used when resolutions up to ^ are required for large ranges of 10-20 mm and more. It is also possible to digitally measure all the variables by means of the proposed invention, which can be imaged on a path. Characteristic of the known solutions
Es sind verschiedene Vorrichtungen und Geräte zur Wegmessung bekannt. Zur elektrischen Wegmessung werden häufig induktive Meßwandler benutzt, wie sie beispielsweise vom VEB Feinmeßzeugfabrik Suhl produziert werden. In Abhängigkeit vom zu messenden Weg ändert sich die Selbstinduktivität bzw. die Gegeninduktivität.Various devices and devices for measuring distance are known. For electrical displacement measurement inductive transducers are often used, as produced for example by the VEB Feinmeßzeugfabrik Suhl. Depending on the path to be measured, the self-inductance or the mutual inductance changes.
loiese Meßwandler liefern ein analoges Ausgangssignal und besitzen Fehlergrenzen von ca. ±0,5%. aus diesem Grunde sind sie nur bei kleinen Meßbereichen für Präzisionsmessungen mit Fehlern <±0,1m einsetzbar.Loiese transducers provide an analog output signal and have error limits of about ± 0.5%. For this reason, they can only be used with small measuring ranges for precision measurements with errors <± 0.1 m.
Weiterhin sind Vorrichtungen bekannt, welche als Maßverkörperung fotoelektrisch abgetastete Inkrementalmaßstäbe (Impulsmaßstäbe) besitzen.Furthermore, devices are known which have photoelectrically sampled incremental scales (pulse scales) as a material measure.
Mit solchen Meßsystemen werden Meßgenauigkeiten von ±1 μπι erreicht (siehe Lieferübersicht der Firma Heidenhain 1982). Höhere Genauigkeiten sind bei Meßbereichen von ca. 20 mm wegen der Teilungsfehler der Impulsmaßstäbe, der Führungsfehler sowie der thermischen Ausdehnung nur schwer zu erreichen.Measuring accuracies of ± 1 μπι are achieved with such measuring systems (see delivery overview of Heidenhain 1982). Higher accuracies are difficult to achieve with measuring ranges of approximately 20 mm because of the pitch errors of the pulse scales, the guide errors and the thermal expansion.
Zur Präzisionsmessung großer Längen (ca. 1 m) werden Interferometer unterschiedlichster Bauart eingesetzt, (Lit. Laser Interferometer Metrials M100E, Prospekt von Soro, Frankreich; Hewlett-Packard Prospekt zu 5526 A Laser Measurement System.)For precision measurement of long lengths (about 1 m), interferometers of various designs are used, (ref. Laser Interferometer Metrials M100E, prospectus of Soro, France, Hewlett-Packard prospectus for 5526 A Laser Measurement System.)
Hierbei handelt es sich um sehr aufwendige Apparaturen mit großen geometrischen Abmessungen. Sie sind für die Messung kleiner Längen somit ungeeignet.These are very complex equipment with large geometric dimensions. They are therefore unsuitable for the measurement of small lengths.
Ziel der Erfindung ist es, einen Wegmeßwandler (Feinzeiger) zu schaffen, der die Messung kleiner Wege bis ca. 20 mm mit einer hohen Auflösung von *». ermöglicht. Damit werden Wegmessungen mit höchster Genauigkeit, welche sowohl die induktiven Meßwandler als auch die inkrementalen Meßtaster nicht erlauben, möglich, wobei ein relativ zur erzielten Genauigkeit nur geringer apparativer Aufwand erforderlich ist.The aim of the invention is to provide a position transducer (pointer), the measurement of small paths to about 20 mm with a high resolution of * ». allows. Thus, path measurements with the highest accuracy, which do not allow both the inductive transducers and the incremental probe, possible, with a relative to the accuracy achieved only a small amount of equipment is required.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Wegmessung zu schaffen, welche bei Meßbereichen von etwa 20mm höchste Genauigkeiten ermöglicht.The invention has for its object to provide a device for path measurement, which allows for measuring ranges of about 20mm highest accuracies.
Die Erfindung beseitigt Nachteile der bekannten Lösungen, daß entweder höchste Genauigkeiten bei Meßbereichen von ca.The invention eliminates disadvantages of the known solutions, that either highest accuracies at measuring ranges of approx.
20mm nicht erreichbar sind oder der ökonomische Aufwand der Meßvorrichtung unvertretbar hoch ist.20mm are unreachable or the cost of the measuring device is unacceptably high.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein optischer Teiler mit parallelem und monochromatischem Licht beleuchtet wird. Der optische Teiler besteht aus zwei Teilprismen, wobei ein Teilprisma so gefertigt wird, daß es in dem technisch möglichen Maße Winkel von genau 90°, 60° und 30° besitzt. Dieses Prisma ist auf der großen Kathetenfläche 90% teilverspiegelt.According to the invention the object is achieved in that an optical divider is illuminated with parallel and monochromatic light. The optical divider consists of two partial prisms, a partial prism is made so that it has angles of exactly 90 °, 60 ° and 30 ° in the technically possible extent. This prism is 90% partially mirrored on the large surface of the catheter.
-2- 253 647 4-2- 253 647 4
An dieser Kathetenfläche ist die große Kathetenfläche eines zweiten Teilprismas gleicher Geometrie so angekittet, daß die kleinen Kathetenflächen beider Teilprismen sich in einer Ebene befinden. Die 60°-Winkel beider Teilprismen werden so verändert, daß der Winkel α zwischen Hypotenuse des zweiten Teilprismas und beiden kleinen Kathetenflächen der Teilprismen so von 60° abweicht, daß der gewünschte Interferenzstreifenabstand vorhanden ist. Die kleinen Kathetenflächen der beiden Teilprismen sind zur Hälfte vollversplegelt, wobei die Trennkante zwischen verspiegelter und unverspiegelter Fläche senkrecht zur Verbindungsschicht beider Teilprismen steht. Im optischen Teiler wird das monochromatische Parallelbündel in zwei gleiche Teilbündel aufgeteilt. Die Teilbündel werden jeweils mittels eines 90°-Umlenkprismas um 90° umgelenkt und gelangen jeweils in ein Tripelprisma. Nach der Reflexion in den Tripelprismen werden die Teilbündel nach Umlenkung am 90°- Umlenkprisma an den verspiegelten kleinen Kathetenflächen reflektiert, durchlaufen die Tripelprismen jeweils noch einmal und werden im optischen Teiler vereinigt. Die entstehende Interferenzerscheinung wird zur elektronischen Weiterverarbeitung mit Lichtleitkabel, denen Fotodetektoren nachgeschaltet sind, abgetastet. Beide Tripelprismen sind mittels Distanzringen an einem Tripelprismenhaltebügel befestigt. DerTripelprismenhaltebügel, der vorzugsweise aus Kieselglas besteht, ist mit einem Meßbolzen aus Invar fest verbunden. Der Meßbolzen seinerseits ist in einem Spannschaft, der mit der Grundpla|te fest verbunden ist, geführt. Zur Antastung des Meßobjektes trägt der Meßbolzen einen Meßaufsatz. Beide Tripelprismen werden bei einem Meßweg bezüglich des optischen Teilers gegenläufig bewegt, so daß eine doppelte Empfindlichkeit bewirkt wird. Der Radius R des Meßaufsatzes ist so gewählt, daß die Hälfte der Summe der Abstände zwischen den Eintrittsflächen der Tripelprismen und dem Scheitelpunkt S des Meßaufsatzes als Berührungspunkt mit dem Meßobjekt gleich dem Radius R des Meßaufsatzes ist. Bei einer solchen Anordnung werden die infolge der Führungsfehler auftretenden Meßfehler bei der Antastung ebener Meßflächen minimiert. Bei Interferometeranordnungen treten infolge der Reflexionen an den Grenzflächen zwischen zwei Medien unterschiedlicher Brechzahl immer Störinterferenzerscheinungen auf. Zur Unterdrückung des Einflusses solcher Störinterferenzerscheinungen werden entweder einer der Winkel zwischen den Reflexionsflächen der Tripelprismen oder die Winkel, die zu möglichen Kombinationen gehören, ungleich 90° gestaltet, wobei die Winkel beider Tripelprismen paarweise gleich sein müssen. Die Abweichung von dem 90°-Winkel wird so gewählt, daß die Störinterferenzstreifenabstände so4 klein sind, daß sie vom Fotodetektor nicht mehr störend aufgelöst werden.At this catheter surface, the large catheter surface of a second partial prism of the same geometry is cemented in such a way that the small catheter surfaces of both partial prisms are located in one plane. The 60 ° angle of both partial prisms are changed so that the angle α between the hypotenuse of the second partial prism and two small catheter surfaces of the prisms partial deviates from 60 °, that the desired interference fringe spacing is present. Half of the small catheter surfaces of the two partial prisms are fully laminated, with the separating edge between the mirrored and non-mirrored surface being perpendicular to the connecting layer of both partial prisms. In the optical divider, the monochromatic parallel beam is split into two equal sub-beams. The partial bundles are each deflected by 90 ° by means of a 90 ° deflection prism and are each directed to a triple prism. After reflection in the triple prisms, the partial beams are reflected after deflection at the 90 ° - deflecting prism on the mirrored small catheter surfaces, the triple prisms go through each again and are combined in the optical divider. The resulting interference phenomenon is scanned for further electronic processing with optical cables, which are followed by photodetectors. Both triple prisms are attached by spacers to a triple prism holder bracket. The triple prism support bracket, which is preferably made of silica glass, is fixedly connected to a measuring pin made of Invar. The measuring pin in turn is guided in a clamping shaft, which is firmly connected to the base plate. For probing the DUT, the measuring pin carries a measuring attachment. Both triple prisms are moved in opposite directions in a measuring path with respect to the optical divider, so that a double sensitivity is effected. The radius R of the Meßaufsatzes is chosen so that half the sum of the distances between the entrance surfaces of the triple prisms and the apex S of the Meßaufsatzes as a point of contact with the DUT is equal to the radius R of the Meßaufsatzes. With such an arrangement, the measurement errors occurring as a result of the guide errors in the probing flat measuring surfaces are minimized. In Interferometeranordnungen occur due to the reflections at the interfaces between two media of different refractive index always interfering interference phenomena. To suppress the influence of such Störinterferenzerscheinungen either one of the angles between the reflection surfaces of the triple prisms or the angles that belong to possible combinations, not equal to 90 ° designed, the angle of both triple prisms must be equal in pairs. The deviation from the 90 ° angle is chosen so that the Störinterferenzstreifenabstände 4 are so small that they are no longer disturbingly resolved by the photodetector.
Eine weitere Reduzierung der Meßfehler infolge Führungsfehler wird erreicht, indem die Anordnungzu erfolgt, daß die Zentralstrahlen beider Tripelprismen mit der Symmetrieachse des Meßbolzens fluchten.A further reduction of the measurement errors due to guide errors is achieved by arranging that the central beams of both triple prisms are aligned with the symmetry axis of the measuring bolt.
Eine Halteplatte, die mit der Grundplatte fest verbunden ist, dient mittels eines Distanzringes der Halterung des optischen Teilers. Die Halteplatte ist an einer Stelle zu einer Biegezunge verjüngt. Am freien Ende der Biegezunge ist wieder mittels eines Distanzringes das 90°-Umlenkprisma befestigt. Wird die Biegezunge beispielsweise mit Hilfe eines piezoelektrischen Schwingers zum Schwingen angeregt, kann das Ausgangssignal zusätzlich moduliert werden, was die elektronische Auswertung erleichtern kann.A holding plate, which is firmly connected to the base plate, is used by means of a spacer ring of the holder of the optical divider. The retaining plate is tapered at one point to a bending tongue. At the free end of the flexible tongue, the 90 ° deflection prism is again fastened by means of a spacer ring. If the bending tongue is excited to vibrate, for example with the aid of a piezoelectric oscillator, the output signal can be additionally modulated, which can facilitate the electronic evaluation.
Die optischen Bauelemente, optischer Teiler, Tripelprismen und 90°-Umlenkprisma, sind mit Hilfe von Distanzringen beispielsweise durch kleben mit ihrer Unterlage verbunden. Die Distanzringe bestehen vorteilhaft aus einem Material, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient zur Verringerung mechanischer Spannungen zwischen den Werten der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von optischen Bauteilen und Grundplatte liegt. Die Befestigung unter Ausnutzung der Distanzringe ermöglicht definierte Klebestellen, was wiederum minimale Temperaturabhängigkeiten bewirkt.The optical components, optical dividers, triple prisms and 90 ° deflecting prism, are connected by means of spacer rings, for example by gluing with their base. The spacer rings are advantageously made of a material whose coefficient of thermal expansion is to reduce mechanical stresses between the values of the thermal expansion coefficients of optical components and base plate. The attachment using the spacers allows defined splices, which in turn causes minimal temperature dependencies.
Ausfuhrungsbeispie!Ausfuhrungsbeispie!
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: Ftg. 1: Gesamtansicht der Vorrichtung Fig.2: Teilansicht der VorrichtungThe invention will be explained with reference to an embodiment. In the accompanying drawings: Fig. 1: Overall view of the device Fig. 2: Partial view of the device
Entsprechend Fig. 1 wird ein optischer Teiler, bestehend aus den Teilprismen 1,2, mitteis eines Lasers 7 sowie einer Aufweitungsoptik 6 mit parallelem und monochromatischem Licht beleuchtet. Der optische Teiler besteht aus den Teilprismen 1 und 2. Das Teilprisma 1 besitzt Winkel von 90°, 60° und 30°, die entsprechend den technischen Möglichkeiten mit maximaler Genauigkeit gefertigt werden. Dieses Teilprisma 1 ist auf der großen Kathetenfläche 50% tei!verspiegelt. An dieser Kathetenfläche ist die große Kathetenfläche des Teilprismas 2 angekittet. Das Teilprisma 2 besitzt die gleiche Geometrie wie Teilprisma 1. Beide Teilprismen sind so angekittet, daß die kleinen Kathetenflächen sich in einer Ebene befinden. Die 60°-Winkel beider Teilprismen 1 und 2 werden in geeigneter Weise so verändert, daß der Winkel α zwischen der Hypotenusenfläche des Teilprisma 2 und den beiden kleinen Kathetenflächen der Teilprismen 1 und 2 so von 60° abweicht, daß der gewünschte Interferenzstreifenabstand entsteht, die kleinen Kathetenflächen der beiden Teilprismen tragen zur Hälfte die Vollverspiegelungsschicht 18. Im optischen Teiler wird das monochromatische Parallelbündel in zwei gleiche Teilbündel aufgeteilt. Die Teilbündel werden durch das 90°-Umlenkprisma 3 um 90° umgelenkt. Ein Teilbündel wird im Tripelprisma 5 reflektiert, während das andere Teilbündel im Tripelprisma 4 umgelenkt wird. Nach nochmaliger Umlenkung am 90°- Umlenkprisma 3 werden beide Teilbündel an der Vollverspiegelungsschicht 18 reflektiert, durchlaufen die Tripelprismen 4 und 5 noch einmal und werden im optischen Teiler vereinigt. Die entstehende Interferenzerscheinung wird beispielsweise zur richtungsabhängigen Zählung mit zwei um 90° phasenverschoben angeordneten Lichtleitkabeln 14 abgetastet. Den Lichtleitkabeln 14 sind Fotodetektoren 15 nachgeschaltet. Die Tripelprismen 4 und 5 sind wie aus Fig. 2 ersichtlich mittels der Distanzringe 21 und 22 an dem Tripelprismenhaltebügel 13 fest angeklebt. DerTripelprismenhaltebügel 13, welcher aus Kieselglas besteht, ist fest mit dem Meßbolzen 8, der aus Invar gefertigt ist, verbunden. Der Meßbolzen 8 ist in einem Spannschaft 9, der in der Grundplatte 11 gehaltert ist, geführt. Zur Antastung des Meßobjektes 24 trägt der Meßbolzen 8 den Meßaufsatz 10. Der Radius R des Meßaufsatzes 10 ist nach Fig. 2 so gewählt, daß R-' gilt, a, und a2 sind die Abstände zwischen den Eintrittsflächen der Tripelprismen und dem Scheitelpunkt S als Berührungspunkt mit dem Meßobjekt. Zur Unterdrückung der Störinterferenzen wird gemäß Fig. 2 der Winkel β bei beiden Tripelprismen 4 und 5 mit β = 90° + 3' und gemäß Fig. 1 die Winkel ß4 und /35 rnit /S4 = ßs - 90° gewählt. Die Anordnung nach Fig. 1 ist so gestaltet, daß die Zentralstrahlen der Tripelprismen 4 und 5 mit der Symmetrieachse des Meßbolzens 8 fluchten. Der optische Teiler, bestehend aus den Teilprismen 1 und 2, ist, wie in Fig.2 dargestellt, durch Klebung mittels des Distanzringes 20 fest mit der Halteplatte 12 verbunden, welche ihrerseits fest auf der Grundplatte 11 angeordnet ist. Die Halteplatte 12 ist wie Fig. 1 zeigt, an einer Stelle zur Biegezunge 19 verjüngt. Am freien Ende der Biegezunge 19 ist mit Hilfe des Distanzringes 23 das Umlenkprisma 3 befestigt.According to FIG. 1, an optical divider, consisting of the partial prisms 1, 2, middle of a laser 7 and a widening optical system 6 is illuminated with parallel and monochromatic light. The optical divider consists of the partial prisms 1 and 2. The partial prism 1 has angles of 90 °, 60 ° and 30 °, which are manufactured according to the technical possibilities with maximum accuracy. This Teilprisma 1 is on the large Kathetenfläche 50% tei! Mirrored. At this catheter surface, the large catheter surface of the prism part 2 is cemented. The partial prism 2 has the same geometry as partial prism 1. Both partial prisms are cemented so that the small catheter surfaces are in one plane. The 60 ° angle of the two prisms 1 and 2 are suitably changed so that the angle α between the hypotenuse surface of the prism part 2 and the two small Kathetenflächen the subprisms 1 and 2 deviates from 60 ° so that the desired interference fringe spacing arises small cathetus surfaces of the two partial prisms carry half of the full mirroring layer 18. In the optical divider, the monochromatic parallel beam is divided into two equal sub-beams. The sub-beams are deflected by the 90 ° deflection prism 3 by 90 °. One sub-beam is reflected in the triple prism 5, while the other sub-beam is deflected in the triple prism 4. After another deflection at the 90 ° deflection prism 3, both partial beams are reflected on the full mirroring layer 18, go through the triple prisms 4 and 5 again and are combined in the optical splitter. The resulting interference phenomenon is scanned, for example, for direction-dependent counting with two optical fibers 14 arranged in phase quadrature by 90 °. The optical fibers 14 are followed by photodetectors 15. The triple prisms 4 and 5 are as shown in FIG. 2 can be firmly adhered by means of the spacers 21 and 22 on the triple prong bracket 13. The triple prism support bracket 13, which is made of silica glass, is fixedly connected to the measuring pin 8 made of Invar. The measuring pin 8 is guided in a clamping shank 9, which is held in the base plate 11. For measuring the object to be measured 24, the measuring pin 8 carries the measuring attachment 10. The radius R of the measuring attachment 10 is selected according to FIG. 2 such that R ', a, and a 2 are the distances between the entry surfaces of the triple prisms and the vertex S. as a point of contact with the DUT. In order to suppress the interfering interference, the angle β in FIG. 2 is chosen to be β = 90 ° + 3 'for both triple prisms 4 and 5 and the angles β 4 and / 3 5 / S 4 = β s -90 ° in FIG , The arrangement of FIG. 1 is designed so that the central rays of the triple prisms 4 and 5 are aligned with the axis of symmetry of the measuring bolt 8. The optical divider, consisting of the partial prisms 1 and 2, as shown in Figure 2, by bonding by means of the spacer ring 20 fixedly connected to the support plate 12, which in turn is fixedly arranged on the base plate 11. The holding plate 12 is as shown in FIG. 1, tapered at one point to the bending tongue 19. At the free end of the bending tongue 19, the deflection prism 3 is fixed by means of the spacer ring 23.
-з- 253 647 4-z- 253 647 4
Am freien Ende der Biegezunge 19 ist außerdem das Piezobiegeelement 16 mit der Schwingmasse 17 angeordnet. Das Piezobiegeelement 16 wird elektrisch zu Schwingungen angeregt. Sowohl die optischen Bauelemente — optischer Teiler, bestehend aus den Teilprismen 1 und 2, die Tripelprismen 4 und 5 sowie das 90°-Umlenkprisma 3 bestehen aus optischem Glas gleicher Sorte, beispielsweise aus BK7. Die Distanzringe 20,21,22 und 23 bestehen aus einem Material, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient in der Größe zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Grundplatte 11 bzw. Tripelprismenhaltebiigel 13 einerseits und optischem Teiler, bestehend aus den Teilprismen 1 und 2 90°-Umlenkprisma 3 bzw. Tripelprismen 4, 5 andererseits liegt.At the free end of the bending tongue 19, the piezoelectric bending element 16 is also arranged with the oscillating mass 17. The piezoelectric bending element 16 is electrically excited to oscillate. Both the optical components - optical divider, consisting of the partial prisms 1 and 2, the triple prisms 4 and 5 and the 90 ° Ummprpr 3 are made of optical glass of the same kind, for example from BK7. The spacers 20,21,22 and 23 are made of a material whose thermal expansion coefficient in the size between the thermal expansion coefficients of the base plate 11 and triple prism holding member 13 on the one hand and optical divider, consisting of the partial prisms 1 and 2 90 ° -Umlenkprisma 3 or Tripelprismen 4, 5 on the other hand lies.
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