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Bezeichnung: Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Gerad-
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linigkeit einer Bewegung
Verfahren und Vorrichtung
zur Messung der Geradlinigkeit einer Bewegung Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Messung der Geradlinigkeit von Bewegungen im Bereich des
Maschinenbaus, der Fertigungstechnik und der Fahrzeugtechnik. Beispielsweise tritt
in der Fertigungstechnik das Problem auf, die Geradlinigkeit, mit welcher ein auf
eine Schleifmaschine aufgespanntes Werkstück an der Schleifscheibe vorbei bewegt
wird, zu messen.
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Zur Messung der Geradlinigkeit einer Bewegung sind verschiedene Verfahren
bekannt. Vor Einführung des Lasers in die Meßtechnik wurden hierzu optische Strahlengänge
zwischen Retroreflektoren benutzt. Eine Querbewegung eines sich entlang des geraden
Strahlengangs bewegenden Meßschlittens konnte beispielsweise visuell über einen
Meßmarkenversatz bestimmt werden. Daneben waren noch interferentielle Verfahren
bekannt geworden, die jedoch nicht zu Meßgeräten führten.
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Nach der Einführung des Lasers wurde eine Reihe von Verfahren bekannt,
welche die Geradlinigkeit des Laserstrahls benutzten und Abweichungen eines Meßschlittens
von der Strahlachse nachwiesen. Auch die interferentiellen Verfahren wurden weiterentwickelt
und führten zu Geräten, deren wohl bekanntestes Beispiel das Hewlett-Packard-Interferoineter
ist.
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Weitere Verfahren, die zum Stand der Technik gehören, werden in dem
Aufsatz von P. Langenbeck (Feinwerktechnik & Meßtechnik 85 (1977) Seiten 177
- 179) beschrieben und zitiert.
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Alle diese Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, daß neben dem eigentlichen
Meßgerät ein besonderer Meßschlitten oder Meßkopf am geradlinig bewegten Objekt
befestigt werden muß.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren und eine
Vorrichtung anzugeben, die auf einen solchen zusätzlichen Meßschlitten oder Meßkopf
verzichtet. Erfindungs-
gemäß wird dies dadurch gelöst, daß die
diffus streuende Oberfläche des sich geradlinig bewegenden Objekts von einem Laserstrahl
beleuchtet wird und die Phase einzelner Laser-Speckle des rückgestreuten Lichts
mit einem Interferometer gemessen wird.
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Dies wird anhand der folgenden Figuren erläutert.
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Fig. 1: Vorrichtung zur Messung der Geradlinigkeit einer Bewegung
durch Gleichlichtmessung.
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Fig. 2: Vorrichtung zur Messung der Geradlinigkeit einer Bewegung
mittels Heterodyn-Verfahren.
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Die Zahlen bedeuten: 1 ... Laser 2 ... Laserstrahl 3 ... Strahlteiler
4 ... Referenzstrahl 5 ... Meßstrahl 6 ... Meßobjekt 7 ... Bewegungsrichtung 8 ...
Abbildungsoptik 9 ... Lochblende 10 ... Fotoempfänger 11 ... Elektronischer Zähler
12 ... Frequenzmodulator 13 ... Strahlteiler 14 ... Fotoempfänger 15 ... Elektronischer
Differenzzähler 16 ... Elektronischer Diskriminator 17 ... Mikrorechner In Fig.
1 beleuchtet der vom Laser 1 austretende Strahl 2 zunächst ein Michelson-Interferometer.
Dort wird der Laserstrahl 2 von einem Strahlteiler 3 in einen Referenzstrahl 4 und
einen Meßstrahl 5 geteilt. Der Meßstrahl 5 beleuchtet
die Oberfläche
des Meßobjekts 6, welches sich geradlinig in Richtung 7 bewegt. Den vom Meßstrahl
5 ausgeleuchteten Teil der Objektoberfläche bildet eine Optik 8 auf einer Lochblende
9 ab. Dieses Bild besteht aus einer fleckigen Helligkeitsverteilung, den sogeannten
"Laser-Speckle". Diese Erscheinung tritt immer auf, wenn diffus streuende Oberflächen
von kohärentem Licht beleuchtet werden und besteht aus einer Vielzahl heller Flecken
("Speckle"), deren mittlerer Durchmesser durch X t/D gegeben ist. Dies und weitere
Eigenschaften der Laser-Speckle sind wohlbekannt und zum Beispiel in der Monographie
"Laser Speckle und Related Phenomena't (Springer Verlag, 1975, Herausgeber J.C.
Dainty) beschrieben.
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Die Öffnung der Lochblende 9 ist kleiner als der mittlere Speckledurchmesser.
Dadurch ist gewährleistet, daß der Fotoempfänger 1o die Interferenz immer nur einer
Laser Speckle mit dem Referenzstrahl 4 registriert. Das Uberraschende ist nun, daß
selbst dann, wenn die Objektoberfläche, wie in Fig. 1 angedeutet, stark gegen den
Meßstrahl geneigt ist, bei einer Bewegung senkrecht zum Meßstrahl sich die Speckle-Phase
nicht verändert. Erfolgt die Bewegung 7 hingegen unter einem Winkel ungleich 9o°
zum Meßstrahl, ändert sich die Speckle-Phase. Die physikalische Erklärung hierfür
ist sehr einfach: das rückgestreute Licht ist dopplerverschoben und die Dopplerverschiebung
verschwindet, wenn Beleuchtungs- und Beobachtungsrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung
liegen.
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Diese Erscheinung kann man mit einer Anordnung nach Fig. 1 zur Messung
der Geradlinigkeit einer Bewegung nutzen. In Fig. 1 ist der Meßstrahl senkrecht
zur Bewegung 7 orientiert. Bewegt sich das Objekt 6 nicht genau in diese Richtung,
führt dies zu einer Phasenänderung in den Laser-Speckle und führt durch die Interferenz
mit dem Referenzstrahl zu entsprechendem Hell-Dunkel-Wechsel an der Lochblende.
Diese werden vom fotoelektrischen Empfänger 1o re-
gistriert und
vom elektronischen Zähler 11 gezählt und geben ein Maß für die Abweichung der Bewegung
des Objekts 6 von der zum Meßstrahl 5 senkrecht stehenden Richtung.
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In der Anordnung nach Fig. 1 erfolgt das Zählen der Hell-Dunkel-Wechsel
im wesentlichen durch eine sehr störanfällige Gleichlichtmessung. Dies läßt sich
durch ein Heterodyn-Verfahren nach Fig. 2 vermeiden: Im Referenzstrahlengang befindet
sich nunmehr ein Frequenzmodulator 12, der die Frequenz fR des Referenzlichts gegenüber
der Frequenz des Meßlichts um die Heterodynfrequenz fH verändert.
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Dies kann durch bekannte Verfahren der optischen Heterodyntechnik
(z.B. mittels polarisationsoptischer oder akustooptischer Verfahren) erreicht werden.
Ein Teil des frequenzverschobenen Referenzlichts gelangt über den Strahlteiler 3
und den Strahlteiler 13 zu dem Fotoempfänger 14, ebenso ein Teil des Meßlichts,
der beispielsweise an einer der ebenen Grenzflächen des Strahlteilers 3 reflektiert
wurde. Diese beiden Lichtbündel interferieren und erzeugen am Fotoempfänger 14 ein
elektrisches Wechselsignal mit der Frequenz fH. Dies ist das elektronische Bezugssignal.
Das elektronische Meßsignal entsteht wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben,
wobei hier hinzukommt, daß sich nun die Speckle-Phase gegenüber dem Referenzstrahl
auch bei exakt geradliniger Bewegung des Objekts 6 senkrecht zum Meßstrahl 5 ändert
und zwar entsprechend der erzeugten Heterodynfrequenz. In diesem Fall entsteht am
Fotoempfänger 1o ein Wechselsignal mit der Frequenz f , Der Differenzzähler 15 bildet
die Differenz der zwei Fotoempfängersignale aus lo und 14.Das Zählergebnis gibt
die jeweilige Abweichung der Bewegung von der geradlinigen Bewegung senkrecht zur
Meßachse an, mit einer Empfindlichkeit von X/2 je Einheit, wobei A die Wellenlänge
des vom Laser 1 emittierten Lichts ist.
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Ein solches Heterodyn-Verfahren läßt sich auch auf folgende Weise
realisieren: Erfolgt die Bewegung des Objekts 6 nicht
senkrecht
zur Meßstrahlrichtung, dann ist das Licht in den Speckle des remittierten Lichts
dopplerverschoben, entsprechend der Geschwindigkeitskomponente des Objekts in Richtung
des Meßstrahls. Erfolgt die Bewegung des Objekts mit konstanter Geschwindigkeit,
liefert der Fotoempfänger 1o ein Signal konstanter Frequenz. Abweichungen von dieser
Frequenz entsprechen dann Abweichungen von der Geradlinigkeit der Bewegung.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß es nicht notwendig ist, daß Objektoberfläche
und Meßblende 9 abbildungsmässig zueinander konjugiert sind. Selbst starke Defokussierung
stört die Messung nicht. Die Optik 8 dient in erster Linie dazu, das rückgestreute
Licht zu sammeln, um ausreichende Intensität für den Fotoempfänger 10 zu haben.
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Ein entscheidender Aspekt dieses Verfahrens beruht auf den Laser-Speckle:
Von Speckle zu Speckle ist die Anfangsphase zufällig. Nur solange man innerhalb
einer hellen Speckle bleibt, gibt die Interferenz mit dem Referenzlicht entsprechend
stark ausgeprägte Maxima und Minima. Man kann also immer nur innerhalb einer hellen
Speckle messen und nicht fortlaufend. Die gesamte Messung setzt sich also aus Einzelmessungen
zusammen, die jeweils innerhalb einer hellen Speckle erfolgen. Hierzu dient ein
elektrischer Diskriminator 16, der beim Absinken der Signalmodulation unter einen
vorgegebenen Wert die Messung automatisch beendet und bei Vorliegen hinreichender
Signalmodulation die Messung erneut startet. Die Einzelergebnisse werden von einem
Mikrorechner 17 registriert.
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