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Optische Gerade Die Erfindung betrifft eine. Einrichtung zum Feststellen
des Abstandes eines bereglichen Teiles von einer durch die feststehende Lage optischer
Bauelemente vorgegebenen Geraden mittels eines mit dem beweglictnen Teil verbundenen
Hehrfachspiegels. Die Bewegung des Teils erfolgt dabei annähernd längs der genannten
Geraden.
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Es sind bereits verschiedene Einrichtungen bekannt geworden, um eine
Gerade auf optischem Vlege zu verwirklichen. Einmal sind für diesen Zweck Zielfernrohre
bekannt, bei denen durch die Abbildungsoptik im Zusammenwirken mit einer Marke in
der Ebene eines reellen Zwischenbildes die Zielgerade festgelegt ist. Nachteilig
an diesen Zielfernrohren ist, daß sie ohne Veratellung der optischen Elemente das
Objekt. nur über einen kleinen Entfernungsbereich scharf zu sehen gestatten. Sobald
aber zwecks Nachfokussierens die optischen Elemente verstellt werden, besteht immer
die Gefahr, da# sich auch die Zielgerade dabei verlagert. Bin weiterer Nachteil
der Zielfernrohre besteht darin, da# ihre Empfindlichkeit mit größer werdender Entfernung
zum MeBobjekt abnimmt.
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Man hat auch schon versucht, einen größeren Entfernungsbereich bei
vollkommen feststehenden optischen Elementen zu überbrücken. So ist ein kegelförmiges,
brechendes oder auch reflektierendes Bauelement bekannt goworden, welches infolge
seiner Gestalt eine kontinuierliche Folge von "Brennpunkten" längs seiner Symmetrieachse
besitzt und auf diese Weise sine Zielgerade definiert (J. O. S. A. August 1954,
ßoite 592 - 597):
Nachteilig dabei ist aber, daß jeder Meßentfernung
nur eine bestimmte Zone dieses Bauelements zugeordnet ist, weshalb die fAnordnung
licheschwach ist und infolgedessen doch wieder nur eine geringe Entfernung überbrückbar
ist.
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Ein anderer Vorschlag geht dahir., mittels eines umfangreichen Linsen-und
Spiegelsystems eine optische Abbildung vorzunehmen, bei der jedes in der Nähe der
Zielachse befindliche Objekt symmetrisch zu dieser Zielachse zur Abbildung gelangt
(DBP 875 270). Abgesehen von den hierzu erforderlichen optischen Aufwand hat diese
Einrichtung auch noch den, .
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Nachteil, daß sich sowohl am Anfang wie auch am Ende der Zielachse
feststehende optische Bauelemente befinden müssen. Diese bedingen eine mechanische
Halterung, die mindestens die. gesamte MeBentfernung überbrückt Entweder können
damit nur ganz kurze Meßstrecken überbrückt werden oder die Gefahr der Verbiegung
des mechanischen Halters übersteigt jedes zuläsaige Maß. Forner ist bekannt, Interferenzstreifen
einer Ybunsschen Dopelspalt-Anordnung zu lokalisieren (J.O.S.A. Dezember 1950, alite
809-816). Diese Anordung hat aber wiederum den Nachteil einer mit der Meßentfernung
veränderlichen Empfindlichkeit. AuBerden gilt fur sie, wie für jede interferometrische
Methode (z. B. auch fUr die nach DAS 1 013436), da# sie lichtschwach ist, da dies
die für interferometrische Anordnungen notwendigen kleinen Offnungswinkel zusammen
mit den herkömmlichen Lichtquellen relativ kleiner Leuchtdichte notwendigerweise
mit sich brachten. Zwar stehen seit einiger Zeit auch Lichtquellen extrem hoher
Leuchtdichte in Form der Laser zur Verfügung, die aufgrund ihrer bekannten Eigenschaften
dazu geeignet sind, bei interferometrischen Methoden Lichtquelle mit Kollimator
zu ersetzen. Sie ergeben dabei trots der kleinen Offnungswinkel lichtstarke Anordnungen.
Die Erfindung
gelant jedoch aufsrund des Vorhandenseins der Laser
zu einem anderen Ergebnis. Sie beruht auf der Erkenntnis, daß es bei Verwendung
zu eines Lasers nicht mehr notvrendig ist, auf die optisch aufwendigen und schwierig
zu justierenden interferometrischen Anordnungen zurückzugreifen. Sie verwendet den
Laser vielmehr rein geometrisch optisch in der toise, da# dessen paralleles Lichtbündel
auf nur eine Flache des eingangs erwähnten Mehrfachspiegels, und zwar eines Winkel-
oder Tripelspiegels, auftritt, und dfffß Mittel vorgesehen sind, welche den Parallelversatz
des unter konstantem Winkel reflektierten Lichtbündels zu messon gestatten. Die
Anordnung Ubertrifft in ihrer Einfachheit der Handhabung und Betriobasicherhoit
die bekannten Anordnungen. Die Empfindlichait ist gleichbleibend boch über einem
weiten Entfernungsbereich.
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Sofern die Mittel sus Messen des Parallelversatzes des Laserlichtbündels
mit dem das B aussendenden Laser starr verbunden sind, ist der Versatz des reflektierten
Bündels gegenüber diesen Me#mitteln außerdem invariant gegenüber Kippungen des Mehrfachspiegels
um seine Scats bzw. Spitze. Überdies tritt dann eine Verdoppelung der Empfindlich
keit ein, weil der Versatz des reflektierten Bündels gegenüber den Me#mitteln den
doppelten Betrag des Versatzes des Mehrfachspiegels ausmacht.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
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Es doigt : Fig. 1 : sine schematische Darstellung der Einrichtung,
Fig. 2 u. 3 : die Wirkung von Lageveränderungen des Tripel-Fig. 4: eine Einzelheit
aus Fig. 1, Fig. 5: eine Anwendung der beschriebenen Einrichtung zur
genauen
Prüfung oder Steuerung eines Maschinentisches in zwei Koordinaten. itn Laser 1 sendet
ein weitgehendes paralleles Lichtbündel 2 aus, das auf eine der drei Flächen des
Tripelspiegels 3 auftrifft. Die drei Flachan stehen in bakannter Weise auf einander
senkrecht. Nach Reflexion an don drei Flächen des Spiegels 3 wird das LichtbUndel
in der gleichen Richtung, aber vereetzt, zurückgeworfen. Die Versetzung hänst von
dem Abstand der Spitze des Tripelspiegels 3 vom einfallenden Bündel 21 (Fig. 2),
nicht dagegen von der Winkellage des Tripelspiegels 3 (Fig. 3) ab. Das reflektierte
LichtbUndel durchsetzt zwei planparallele Glasplatton 4 und 5, die un die Achsen
6 und 7 drehbar sind und deren Drehung durch nicht dargestellte Mittel gemessen
werden kann. In dieser Fora stollen sie an sich bakannts Planplattenmikrometer dar.
Das Lichtbündel tritt daraufhin durch sine Sektorenblendt in Po= einer Halbkreisblende
8. Diese ist in Fig. 4 in Fortpflanzungsrichtung des Lichtbündels 2 gesehen dargestellt.
Si, rotiort aufgrund des Antriebs durch einen Synchronmotor 9 fortwährend um eine
zur Fortpflanzungsrichtung des L@cht-@ bündels parallele Achse. Das Lichtbündel
2 trifft nach Durchlaufen der Halbkreisblende 8 auf eine. Fotozelle 10.
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Die Toile 1 u. 4 bis 10 sind au einer Baueinheit 11 zusammengefaßt.
Relativ zu dieser Baueinheit 11 ist der Tripelspiegel 3 etwa in Richtung der der|
Fortpflanzungarichtung des LichtbUndels 2 beweglich gefuhrt, etwa dadurch, da# er
zwecks Prüfung der Geradheit einer Schlittenführung auf don chlitte gese@zt ist,
dosses Löngsbeweglichkeit annähernd mit der Fortpflanzungsrichtung des Lichtbündels
2 zusammenfällt. Die Bewegungen
der Spitze des Tripelspiegels 3
in Richtung senkrecht zu dix-set nonnenen Führung relativ zur Baueinheit 11 können
nun auf fols-zende Weise seaessen werden : Das von der Fotozelle 10 Gelieferte Signal
wildeiner elektrischen Schaltung 12 zugeführt, die einen auf die Umlauffrequenz
der Blende 8 abgestimmten Wechselstromverstärker sowie zwei phasenempfindliche Verstärker
enthalt, die ihr Referenzsignal von dem den Synchronmotor 9 speisendon Iletz 13
erhalten. Der eine dieser phasenenpfindlichon Verstärker torstsrkt das selektivvorverstärkte
Signal der Fotozelle 10 j. wesentlichen während einer Halbperiode des Umlaufs der
Blende 3, wobei die Mitte dieser Halbperiode mit der Senkrechtstellung der Vante
14 der Blende 8 zusammenfällt, der andere dieser phasenempfindlichen Verstärker
verstarkt das selektivvorverstärkte Signal der Fotozelle 10 im wesentlichen während
einer Halbperiode des Umlaufs der Blende 8, wobei die Hitte dieser Halbperiode mit
der Waagrechtstellung der Kante 14 der Blende 8 zusammenfällt. Die so verstärkten
Signale vrorden auf Anzeige-Instruments 15 und 16 Gegeben, die die Abweichung der
Mitte des Strahlenbündels 2 von der Drehachse der Blende 8 angeben. Außer den Anzeige-Instrunenten
15 und 16 können davon noch automatische Nachführeinrichtungen für die Drehung der
Planparallelplatten 4 und 5 gesteuert werden, so da# der Modulationsgrad des auf
die Fotozelle 10 f@llenden Lichtbündels automatisch auf Null zurückgeführt wird,
wobei die seitliche Versetzung nun an don Planplattenmikrometern ablesbar ist.
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Die Änderung der seitlichen Versetzung des Lichtbündels beträgt in
Ubrigen das Doppelte der Änderung der seitlichen Versetzung der Spitze des Tripelspiegels
3. Sofern man sich mit Messungen in einer Querkoordinat. begnügt (nur waagerecht
oder nur senkrecht), genügt selbstverstandlich
statt des Tripelspiegels
ein Winkelspiegel. In diesel Fall kdnnen in der Schaltung 12 natürlich die phasenempfindlichen
Verstärker wegfallen. Es genügt ein blo#er Wechselstromverstärker mit einem Anzeige-Instrument.
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Ein bloßer Wechseletromverstarker mit nur einem Anzeige-Instrument
würde aber auch dann genügen, wenn man in zwei Querkoordinaten messen will (sowohl
waagerecht wie auch senkrecht). Da durch ein solches Anzeige-Instrument der Modulationsgrad
des Lichtbiindels ohne Bezug auf die Drehstellung der Blende 8 angezeigt suris,
müßte in diesen Fall durch mehrmaliges abwechselndes Verstellen der beiden Planplatten
4 und 5 der Modulationsgrad schrittweise auf Null zurückgeführt werden. Die i Fig.
1 gezeigte Einrichtung mit zwei Anzeige-Instrumenten 15 und 16 hat dem gegenüber
den Vorteil der leichteren Rückführbarkeit auf Null, bedingt allerdings einen höheren
elektronischen Aufwand.
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In Fig. 5 ist die Anwendung der erfindungsgemä#en Einrichtung zur
Steuorung oder Prüfung einer Maschine gezoigt. Bekanntlich werden an die Führungen
der verachiebbaren Tische von Meßaaschinen, aber auch von Bearbeitungsmaschinen,
immer höhere Anforderungen gestellt. Es lä#t sich auf mechanischem Wege kaum noch
eine Steigerung der derzeit erzielten , Führungsgenauigkeiten erwarten, insbesondere
nicht über grö#ere Führurgßlon wie sie bei grö#eren Maschinen mit 10 oder mehr Metern
Arbeitsboreich vorkommen. Gemä# der im folgenden beschriebenen erfindungsgemä#en
Einrichtung ist man nicht mehr auf die Genauigkeit der Führungen angewiesen, sondern
man ist in der Laye, trotz fehlorhafter ..
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Führungen gonaue Positionswerte des Tisches zu messen oder einzuregeln.
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In Fig. 5 sind mit 17, 18, 19 Einrichtungen der in Fig. 1 beschriebenen
Art angedeutet. 20, 21, 22 sind die zuGehorigen Tripelspietel. Letztere sind auf
einen in Pfeilrichtung 23 beweglichen Hilfstisch 24 befestigt; nit Hilfe der drei
Einrichtungen 17/20, 18/21, 19/22 lä#t sich sowohl die Querabweichung des Schlittens
24 von seiner Bewegungsrichtung 23 in zwei Koordinaten, wie auch seine genaue Winkellage.
in Raum in drei Roordinaten bestimmen. Durch ein Jjaser-Interferoaeter 25 beliebiger
bekannter Bauart nit Tripelspiegel 26 laßt sich außerdem die Bewegurg des Tisches
24 in Pfeilrichtung 23 messen. Auf dem Hilfstisch 24 sind wiederum drei don Einrichtungen
17,18, 19 iihnliche Einrichtungen 27,28, 29 sovie ein den Iaser-Interferometer 25
ahnliches Laserinterferometer 30 befestigt. Die auf den Hilfstisch 24 befestigten
Einrichtungenarbeitennit Tripelspiegeln 31, 32, 33t 34 zuaamaen, die auf dem eigentlichen
Maschinentisch 37 befestigt sind, dessen Bowegung gemessen, geprüft oder geregelt
werden soll. Er ist längsbeweglich in Pfeilrichtung 35 und 36 geführt. Wie leicht
zu sehen ist, lie#e sich die Anordnung selbstverständlich auch auf drei Bewegungakoordinaten
des Tisches 37 erweitern. Aus den von den Einrichtungen 17, 18, 19, 25, 27, 28,
29, 30 gelieferten Lagewerten für die Spiegel 20, 21, 22, 26, 31, 32, 33, 34 lä#t
sich die Position des Tisches 37 relativ zu einem angenommenen Me#- oder Bearbeitungawerkzeuc
38 nit höchster Genauigkeit bestimmen, ohne daB die nichas nischen Führungen für
den Tisch 37 (und auch für den Hilfstisch 24) genau sein müssen. Die Umrechnung
der Lagewerte der Spiegel in die Lagekoordinaten des Tisches 37 geschieht zweckmä#igerweise
mit Hilfe einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage.Gegebenenfallsinsbesonderej
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