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Einrichtung zur Weg- und/oder Geschwindigkeitsmessung bei Werkstücken
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Weg-und/oder Geschwindigkeitsmessung
bei Werkstücken, die insbesondere für Steuerungen automatischer Werkzeugmaschinen
geeignet ist.
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Für Präzisionsmessungen sind allgemein Interferometer gebräuchlich
So kann beispielsweise mit dem Interferometer nach der deutschen Auslegeschrift
1022032 der Brechungsindex einer Probe bestimmt werden, indem man den Strahlengang
durch die Probe mit einem Strahlengang durch ein Vergleichsmedium interferieren
läßt.
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Es sind auch Wegmeßeinrichtungen für Werkstücke bekannt, die nach
dem Interferometerprinzip arbeiten. Eine Einrichtung zur Längenmessung (deutsche
Auslegeschrift 1 017 799) arbeitet beispielsweise mit einem Interferometer und einer
Quelle für inkohärentes monochromatisches Licht, wobei die Lichtintensität des Interferenzfeldes
durch periodisches Ändern des optischen Weges moduliert wird, der von den Strahlen
mindestens eines der beiden untereinander interferierenden Strahlenbündel zurückgelegt
wird. Die Werkstücksgeschwindigkeit wird dabei nicht erfaßt. Diese Wegmeßeinrichtung
ist, abgesehen von der durch die natürliche Linienbreite von inkohärentem monochromatischem
Licht begrenzten Genauigkeit, infolge des Modulators und eines für die Auswertung
erforderlichen Wechselrichters aufwendig. Meist erfordern solche Einrichtungen für
die Auswertung auch noch einen Verstärker.
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Seit als Lichtquellen Laser zur Verfügung stehen, die bekanntlich
den Vorteil aufweisen, monochromatisches kohärentes Licht auszusenden, ist man bestrebt,
den Laser für Meßeinrichtungen nach dem Interferometerprinzip heranzuziehen, da
man so schärfere Maxima und Minima erhalten kann (»Funktechnik«, Heft 21 von 1962,
S. 707).
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Ein bekanntes Laserinterferometer, das zur Wiederholung des historischen
Michelson-Versuchs vorgeschlagen wird (»radio mentor«, Heft 1 von 1963, S. 36, sowie
»Electronics« vom 24. November 1961, S. 54 bis 57), arbeitet mit zwei rechtwinklig
zueinander aufgestellten Lasern, deren Strahlengang auf eine Fotozelle gelenkt wird,
an der eine elektronische Mischstufe angeschlossen ist, die zwischen den interferierenden
Wellen die Differenz bildet. Falls eine Äthertrift existiert, müßte dann bei einer
Wiederholung des Versuchs mit einer um 900 gedrehten Anordnung eine abweichende
Differenzfrequenz gewonnen werden. Wie ersichtlich, mißt diese Einrichtung keinen
Weg, sondern eine Frequenz- bzw. eine Laufzeitänderung.
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Bei Einsatz von Lasern sind schon Arbeiten an »Fabry-Perot-Resonatoren«,
die räumlich relativ zur Wellenlänge groß sind, vorgenommen worden (»radio mentor«,
Heft 12 von 1962, S. 1016 bis 1020). Solche Resonatoren, bei denen man bekanntlich
eine Strahlung zwischen zwei halbdurchlässigen Flächen spiegelt und die reflektierte
Strahlung interferieren läßt, eignen sich für eine genaue Messung von Wellenlängen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aufbauend von den Erfahrungen
mit bekannten Laser interferometern für Steuerungen automatischer Werkzeugmaschinen
eine weitgehend trägheitslose Weg-und Geschwindigkeitsmessung eines Werkstückes
zu ermöglichen. Von dieser Einrichtung wird erwartet, daß sie eine größere Genauigkeit
als die bekannten mechanischen und optischen Längen- und Wegmesser höchster Präzision
erbringt.
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Die geschilderte Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst,
daß ein an sich bekannter Laserstrahl, vorzugsweise einer Gaslaseranordnung, durch
ein Interferometer geführt ist, dessen einer Spiegel mit dem zu überwachenden Werkstück
gekoppelt ist, und daß im Ausgangsinterferenzstrahl ein optischelektrischer Empfänger
und/oder ein Spektrometer vorzugsweise unter Verwendung eines weiteren Gaslasers
mit nachgeschaltetem optisch-elektrischen Empfänger liegt.
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Die Einrichtung gemäß der Erfindung stellt mit Hilfe von Lasern mit
hoher Präzision den Ort des Werkstückes durch Interferenz und die Bewegungsrichtung
sowie die Geschwindigkeit des Werkstückes durch den Dopplereffekt fest. Es bedeutet
einen erheblichen Vorteil, daß dabei nicht mit analogen Größen, wie etwa der Amplitude
des Interferenzstrahles,
sondern digital, nämlich mit »hell« oder
»dunkel«, gearbeitet wird. Diese Signale können mit einem einfachen optisch-elektrischen
Empfänger, wie ihn beispielsweise eine Fotozelle darstellt, in Strom- bzw.
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Spannungsimpulse umgesetzt werden.
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Die Interferenz des Laserstrahles kommt in einem Interferometer zustande,
dessen einer Spiegel mit dem Werkstück direkt gekoppelt ist. Im Mittelfeld einer
Ebene senkrecht zum- Strahlengang am Ausgang des Interferometers erscheinen dann
bei Werkstücksbewegung nacheinander helle oder dunkle Stellen, abhängig von der
Weglänge des reflektierten Laserstrahles. Dabei ergibt sich Auslöschung bzw.
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Verstärkung des Strahles in Abhängigkeit von der Phase zwischen Laserstrahl
und reflektiertem Strahl.
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Durch ein Spektrometer, das prinzipiell ein Prisma sein kann, erfolgt
eine frequenzabhängige Strahlauslenkung. Durch den-Dopplereffekt ergibt sich in
Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und der Bewegungsrichtung des Werkstückes eine
Frequenzänderung und somit durch das Spektrometer eine veränderte Strahlauslenkung.
Einer Werkstücksbewegung in Strahlrichtung bzw. gegen die Strahlrichtung des Lasers
entspricht eine Verschiebung zu niedrigeren bzw. höheren Frequenzen als der des
Lasers. Jeder Frequenz entspricht außerdem eine bestimmte Geschwindigkeit.
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Besonders geeignet ist als Spektrometer für die Einrichtung nach
der Erfindung ein Laser, der als Frequenzindikator dient und dessen Abstand der
Energieniveaus mit Hilfe zeitlich periodisch veränderlicher magnetischer oder elektrischer
Felder, die die Lasersubstanz transversal oder der Länge nach durchsetzen, periodisch
geändert wird. Zur Erzeugung solcher Felder kamin eiS elektrisches Mittelfrequenzfeld
mit zeitlich sägezahnförmig veränderlicher Amplitude dienen. Deckt sich' bei dem
so durchgestimmten Laser die Eigenfrequenz mit der Frequenz des einfallenden Strahles,
so entlädt sich der als Spektrometer verwendete Laser und gibt einen Lichtblitz
ab. Diesem Zeitpunkt der Entladung entspricht eine bestimmte Amplitude des Mittelfrequenzfeldes
und damit ein bestimmter Abstand der Energieniveaus im Laser. Durch jeden Energieniveauabstand
liegt eine Laserfrequenz fest, und wegen des Dopplereffekts besteht eine Beziehung
zwischen der Laserfrequeuz bei Entladung und tler Geschwindigkeit des Werkstückes.
Läßt man während der Anstiegsdauer eines Sägezahnimpulses einen Zeitzähler laufen,
so kann dem Zeitpunkt des Entladevorganges eine Werkstücks geschwindigkeit, zugeordnet
werden. Beim Durchstimmen des als Indikator dienenden Lasers wird die Geschwindigkeit
nur einmal gemeldet. Für weitgehend kontinuierliche Geschwindigkeitsmeldung ist
die Periode der Sägezahnimpulse entsprechend kurz zu wählen. - ~ Zur Auswertung
des Dopplereffekts werden bei den relativ niedrigen Werkstücksgeschwindigkeiten
von dem Spektrometer höchstes Auflösungsvermögen in einem nur kleinen Frequenzbereich
gefordert. Deshalb kommen als Spektrometer auch die in der Optik bekannte Lummerplatte
und das Perot-Fabry-Spektrometer in Frage. Solche Spektrometer bringen durch Reflexion
eines Eingangsstrahles an zwei planparallelen Begrenzungsplatten viele parallele
Strahlen zur Interferenz. In der Brennebene einer in den Ausgangsstrahlen liegenden
Linse bilden sich konzentrisch ringförmige -Kurvensysteme ab, die in der
Optik als
Kurven gleicher Neigung bekannt sind. Für geringfügig verschiedene Wellenlängen
entstehen Ringsysteme mit etwa gleichem Streifen abstand.
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Diese Ringsysteme sind gegeneinander frequenz--abhängig verschoben.
Durch vereinfachende Ausblendung der oberen und unteren Kurventeile aus diesem Bild
erreicht man z. B. mit einem Raster aus Fotozellen eine optisch-elektrische Umsetzung.
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Eine elektrische Verschaltung der Zellen längs der Form der Kurvensysteme
liefert die Möglichkeit, stufenweise optischen Kurvenbildern elektrische Impulse
zuordnen zu können. Den einzelnen Ausgangsleitungen entsprechen dabei bestimmte
Geschwindigkeiten und Richtungen.
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Zur weiteren Erläuterung der Einrichtung nach der Erfindung wird
im folgenden ein Ausführungsbeispiel beschrieben, das in Fig. 1 schematisch dargestellt
ist.
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Zur Erzeugung eines monochromatischen, kohärenten Lichtstrahles dient
ein kontinuierlich arbeitender Laser 1. Besonders geeignet ist ein Gaslaser, der
z. B. mit Helium und Neon gefüllt ist. Auf der Oberfläche eines ringförmigen Quarzglasgefäßes
2 sind Kupfermanschetten 3 angebracht, an die ein Hochfrequenzgenerator4 zum Pumpen
des Lasers angeschlossen ist. Zwischen einem Spiegel 5 und einer teildurchlässigen
spiegelnden Schicht 8 bilden sich im Laser stehende Wellen aus, die durch die Schicht
8 einen Teil ihrer Energie als Laserstrahl abgeben. Der Spiegel 5 ist auf einem
magnetostriktiven Block 6 aufgebracht, der aus Nickelblech besteht oder mit Blechen
aus geglühtem Kobaltstahl aufgebaut ist.
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Der Block ist mit einer Spule7 versehen, die mit Erregerstrom über
die Klemmen 7a von einem einstellbaren Konstantstromgerät versorgt zu denken ist.
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Durch geeignete Wahl der Stromstärke läßt sich der Abstand zwischen
den Spiegeln 5 und 8 fein einstellen.
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Der Laserstrahl9 wird durch ein Interferometer an sich bekannter
Art geführt. In diesem trifft der Strahl 9 auf einen zur Strahlrichtung um 450 geneigten
halbdurchlässigen Spiegel 10. Ein den Spiegel durchdringender Teilstrahl 12 wird
zu einem Spiegel 13 geführt, der mit einem Werkstück 14 gekoppelt ist. Der Strahl
12 wird dort reflektiert und am Spiegel 11 abgelenkt. Der vom Spiegel 11 kommende
Strahl und ein direkt aus dem Strahl 9 am Spiegel 10 in Richtung 15 abgelenkter
Strahl interferieren.
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In Richtung 15 trifft der Strahl unter 450 auf einen halbdurchlässigen
Spiegel 16. Im Strahlengang eines den Spiegel 16 durchdringenden Strahles 17 liegt
zur Abbildung des aus konzentrischen Kurven besteheñden Interferenzbildes eine Linse
18. Zur Umsetzung der optischen Interferenzstreifen in elektrische Impulse dient
ein Umsetzer, z. B. eine Fotozelle 19. Die Oberfläche der Fotozelle wird durch die
Öffnung einer Blende 20 abhängig vom Ort des Werkstückesl4 belichtet bzw. nicht
belichtet. Die Blende dient dazu, die benachbarten Interferenzstreifen von dem Umsetzer
abzuschirmen, um Störungen zu vermeiden. Bei Belichtung erzeugt die Fotozelle 19
elektrische Impulse, die von den beiden Klemmen 21 einer zählenden Wegmeßeinrichtung
zugeführt werden.
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Ein Teilstrahl 22 wird einem Laser 23 zugeführt, der wieder ein Gaslaser
schon beschriebener Art sein kann. Dieser Laser dient als Frequenzindikator bzw.
als Spektrometer. Mit Spulen24 und 25 wird ein
Mitteifrequenzfeld
mit sägezahnförmig ansteigender Amplitude angelegt, das von einem Generator 26 eingespeist
wird. Dieser Generator liefert über Klemmein 27 eine Zeitzählspannung, die mit der
Dauer eines Sägezahnanstieges periodisch ist. Stimmt die Frequenz des Lasers 23
mit der des Strahles 22 überein, so entlädt sich der Laser 23 und sendet zu einem
optisch-elektrischen Umsetzer 28 einen Lichtblitz aus. Als Umsetzer kann wieder
eine Fotozelle dienen.
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Der entstehende Spannungs- bzw. Stromimpuls ist über die Klemmen 29
einem Synchrongerät zuzuführen, das auch mit den Klemmen 27 zur Zuführung der Zeitzählspannung
verbunden ist.
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An Hand von Fig.2 soll das Prinzip der Geschwindigkeitsmessung bei
Verwendung der Lummerplatte oder des Perot-Fabry-Spektrometers erklärt werden.
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Im Strahlengang nach einer Lummerplatte oder eines Perot-Fabry-Spektrometers
wird mit einer Blende hinter einer Abbildungslinse aus dem Bild der Kurven gleicher
Neigung 31 der gestrichelte Kurventeil links der Linie 32-32 ausgeblendet. Von einem
Raster aus Fotozellen 34 wird nur der Bildbereich zwischen den Linien 33 verarbeitet.
Es sind solche Fotozellen des Rasters 34 elektrisch in Reihe geschaltet, die etwa
die Form der Kurven ergeben.
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Das ist in der Zeichnung durch fett ausgezogene Raster angedeutet.
Die übrigen Rasterfelder sind ebenso zu verschalten. Solche Reihenschaltungen sind
weiter untereinander parallel oder in Reihe zu schalten, zwischen denen der Streifenabstand
liegt.
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Für die elektrische Verschaltung eignen sich gedruckte Schaltungen.
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Einer zum gezeichneten Kurvenbild verschobenen Streifenanordnung
entspräche eine andere Frequenz und somit eine andere Geschwindigkeit. Es würde
eine andere Schaltungseinheit im Raster erregt.
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Prinzipiell läßt sich eine Einrichtung gemäß der Erfindung auch mit
einem Messer aufbauen, wobei Hochfrequenzstrahlung entsprechend zu verarbeiten ist.
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Für den mit dem Werkstück gekoppelten Spiegel des Interferometers
gibt es verschiedene Anordnungen. Er kann z. B. an der Werkstückseinspannvorrichtung
oder an dem Schlitten für den Vorschub angebracht sein.
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Um bei allen Werkstücksgeschwindigkeiten in einem günstigen Auflösungsbereich
arbeiten zu können und um z. B. keinen zu großen Strahlauslenkungsbereich zu erhalten,
ist es vorteilhaft, die Laserfrequenz so anzugleichen, daß man immer in einem günstigen
Arbeitsbereich liegt, z. B. durch eine magnetostriktive Feinverstellung des Abstandes
der Laserspiegel. Bekanntlich wird in einer Lasersubstanz durch lawinenartige Verstärkung
bei bestimmter Phasenbeziehung eine stehende Welle zwischen spiegelnden Flächen
erzeugt, die in einem Vielfachen des der halben Wellenlänge entsprechenden Abstandes
angeordnet sind. Durch ein Fenster bzw. durch
einen halbdurchlässigen Spiegel kann
der monochromatische Laserstrahl austreten.
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Mit drei dem Werkstück zugeordneten aufeinander senkrecht stehenden
Spiegeln und drei Strahlsystemen ist man in der Lage, eine Werkstücksbewegung in
drei Koordinaten zu verfolgen, womit eine beliebige, räumliche Bewegung erfaßbar
ist.
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Bei der bisher beschriebenen Einrichtung muß der zurückgelegte Weg
durch Zählung der einzelnen Impulse registriert werden, um die augenblickliche Stellung
des Werkstückes angeben zu können. Erzeugt man jedoch eine Schwebung durch thberlagerung
zweier Laserstrahlen unterschiedlicher Frequenzen mit geringer Frequenzabweichung,
so erhält man die Möglichkeit, den Ort durch die Amplitudengröße der Schwebung unmittelbar
zu bestimmen. Dieses Meßverfahren ist jeweils für eine Schwebungshalbwelle eindeutig.
Amplitudenverkleinerungen durch vergrößerte Spiegelentfernung sind innerhalb einer
halben Schwebungswelle wegen äußerst geringer Strahlverbreiterung kohärenten Lichtes
zu vernachmassigen.
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Es ist auch erklärlich, daß die Einrichtung nach der Erfindung zur
Geschwindigkeitsmeldung für alle beweglichen Körper geeignet ist, die Laserstrahlen
reflektieren und deren Entfernung keine zu große Strahlverbreiterung oder Absorption
ergibt. Zur Wegmeldung ist die beschriebene Einrichtung für solche beweglichen und
reflektierenden Körper geeignet, deren Entfernung einmal vor der weiteren Messung
bekannt ist.