Laser-Interferometer der neuen Generation

Autoren: Dr. Denis Dontsov, Dr. Ilko Rahneberg, Enrico Langlotz, SIOS Meßtechnik GmbH

Das kompakte SP-NG Interferometer bei einer Diagonalmessung in einem Bearbei-tungszentrum

Steigende Anforderungen an die Genauigkeiten von Koordinatenmessgeräten, Werkzeugmaschinen und Positioniervorrichtungen mit Bewegungsbereichen über mehrere Meter stellen eine Herausforderung an Messsysteme zur Abnahme und Kalibrierung dieser Anlagen dar. Laserinterferometer der neuen Generation bieten in diesem Zusammenhang einzigartige Eigenschaften, die einen großen Längenmessbereich mit einer außerordentlich hohen Auflösung verbinden. Durch die Verwendung der Wellenlänge von He-Ne-Lasern als langzeitstabile Maßverkörperung sind die Messsysteme auf nationale Standards rückführbar und deshalb bestens für Kalibrierungen und Aufgaben in der Metrologie geeignet. Die Basis für die Interferometer bildet das Einstrahl-Konzept der SIOS Meßtechnik GmbH, das eine exzellente Linearität über den gesamten Messbereich mit einer einfachen Justage verbindet.

 

Das universale Interferometer der Serie SP – NG

 Das Grundsystem der Serie SP-NG basiert auf dem bewährten Konzept der kompakten Einstrahl-Laserinterferometer der SIOS Meßtechnik GmbH. Diese Interferometer zeichnen sich dadurch aus, dass für die interferometrische Längenmessung lediglich ein Messstrahl Verwendung findet, der vom Messreflektor in sich selbst zurückreflektiert wird. Dadurch ergibt sich ein definierter Antastpunkt am Messobjekt. Es ist deshalb möglich, die messtechnische Anordnung so zu gestalten, dass der Laserstrahl genau fluchtend zur Messachse liegt. Hierdurch kann der Abbé-Fehler, der als typische Fehlerquelle bei allen Längenmessungen problematisch ist, minimiert werden. Mit einem kleinen Reflektor, der bis zu ±12,5° verkippen darf, können Messaufbauten schnell und einfach justiert werden. Das Messprinzip des Interferometers ermöglich auch den Einsatz eines einfachen Planspiegels als Reflektor, wenn eine große Verschiebung des Messobjektes quer zur Strahlrichtung, im Aufbau stattfindet. Mit der umweltkorrigierten Lichtwellenlänge eines stabilisierten He-Ne-Lasers als natürlicher hochstabiler Maßverkörperung verfügen diese Sensoren über Nanometergenauigkeit und eine hervorragende Linearität. Die Lichtquelle befindet sich außerhalb des Sensors in der Auswerteelektronik und die Lichtzuführung erfolgt generell über Lichtwellenleiter. Dadurch wird die Größe des Sensorkopfes nur durch optische Elemente bestimmt und ist sehr kompakt gestaltet.

Die herausragenden Möglichkeiten einer Längenmessung mit einem Interferometer liegen in der Verbindung zwischen der Messauflösung im Sub-Nanometerbereich und großen Messlängen von einigen Metern. Diese Verbindung ist möglich, weil die Messsysteme über mehrere messtechnisch relevante Optionen im Gerätekonzept verfügen.

Für Messungen über größere Längen dominieren bei der Längenmessung die Anforderungen an die genaue Erfassung der Umweltparameter in der Luft, die Wellenlängenstabilität und die Materialtemperatur. Deshalb werden die SP-NG Interferometer mit einer hochgenauen Umweltkompensation ausgestattet, die maßgeblich für die Messabweichung ist.

Bei kurzen Messstrecken können sehr oft vernachlässigte und messmittelunabhängige Ausrichtfehler die Messunsicherheit maßgeblich bestimmen. Stimmt die Messrichtung mit der Bewegungsrichtung eines Objektes bei einer kurzen Führung nicht überein, können diese Fehler das Messergebnis dominieren. Das SP-NG Interferometer verfügt in der Standardversion über eine integrierte Ausrichtoptik, die bei diesen Anwendungen unverzichtbar ist. Der reflektierte Messstrahl wird ausgewertet und eine Abweichung zwischen der Messrichtung und der Objektbewegung wird visualisiert. Die geometrische Ausrichtung des Systems kann fehlerfrei erfolgen.

Folgende Tabelle stellt Anforderungen an Längenmesssysteme und Optionen eines SP-NG Interferometers zusammen, die für eine genaue Längenmessung erforderlich sind. Die angegebenen Messaufgaben sind nur beispielhaft dargestellt und leiten sich von Erfahrungswerten ab.

Messaufgabe Anforderungen an ein Messsystem Realisierung im SP-NG Interferometer
Längenmessung und Kalibrierung über einige Meter, > 0,5 m – Hohe Genauigkeit der
Maßverkörperung
– Langzeitstabile frequenzstabilisierte Laser
– Hochgenaue Erfassung der Lufttemperatur, der
Materialtemperatur, des Luftdruckes
– Einstrahl-Interferometer, Messstrahl definiert die
Messachse und Abbe-Fehler können minimiert
werden.
– Robustes Gehäuse
Längenmessungen und Kalibrierung im Bereich 100 mm bis 500 mm – Hohe Genauigkeit der
Maßverkörperung
– Ausrichtung des Systems
– Langzeitstabile frequenzstabilisierte Laser
– Hochgenaue Erfassung der Lufttemperatur, der
Materialtemperatur, des Luftdruckes
– Integrierte Ausrichtoptik
– Abbe-Fehler Minimierung durch einen
strahldefinierten Messort
Längenmessung und Kalibrierung bis 100 mm – Hohe Systemstabilität
– Hohe Auflösung und Linearität
– Messachse und Bewegungsachse sind in Flucht ausgerichtet
– Abbe-Fehlerfreie Messung
– Integrierte Ausrichtoptik
– Rauscharme Signalauswertung mit Sub-Nanometer Auflösung
– Stabiler Aufbau des Sensorkopfes
– Werkstoffauswahl für den Sensor ist möglich
– Michelson-Interferometerprinzip und eine dadurch definierte Interferometer-Totstrecke

Der Mess- und Kalibriervorgang mit dem SP-NG Interferometer kann auch mit der Positioniersteuerung der Anlage synchronisiert werden. Umfangreiche Möglichkeiten zur galvanisch getrennten Triggerung des Systems wie:

  • Start/Stopp-Triggerung
  • Triggerung der Einzelmesswerte
  • Substitution der Abtastfrequenz

erlauben eine Steuerung der Messwertaufnahme. Dadurch können Messungen über größere Entfernungen „on-the-fly“ und dadurch zeitsparend erfolgen. Eine Übertragung der Messwerte erfolgt über eine schnelle USB-Schnittstelle zu einem Laptop oder Rechner.

 

Das Konzept für große Längen

Das Long-Range Interferometer für Messbereiche bis 80 m

Mit einer Objektiv-Option und einer speziellen Ausführung des SP-NG Sensorkopfes können Messungen bis 80 m durchgeführt werden.

Für dieses Long-Range Interferometer sind verschiedene optische Reflektoren einsetzbar. Für Standardmessungen über größere Längen wird ein spezieller Reflektor verwendet, bei dem kein Glasmedium zwischen den reflektieren Flächen eingeschlossen ist. Dieser Reflektor besteht aus drei hochgenauen Spiegeln, die in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind. Es erfolgt hiermit keine zusätzliche Verfälschung der Messwerte durch einen Übergang zwischen Luft und Reflektormedium für den Messstrahl. Die maximale Verkippung des Reflektors um die Reflektormitte kann bis zu ±22,5° betragen Der Einsatz solcher stark kippinvarianten Reflektoren vereinfacht die Justage und Einrichtung des Interferometers erheblich. Der zulässige Bewegungsbereich des Long-Range-Reflektors quer zu Messstrahl beträgt bis ±1,5 mm.  Der Umwelterfassung wird bei größeren Längen eine hohe Bedeutung beigemessen. Deshalb können die Systeme optional mit mehreren drahtgebundenen oder auch drahtlosen Temperatursensoren ausgestattet werden, um die Temperaturverteilung in großen Räumen aufnehmen zu können.

Anwendungsgebiete der Long-Range Interferometer sind laserinterferometrische Messungen an Führungen, die Kalibrierung von Hochpräzisionsachsen an Mess- und Werkzeugmaschinen sowie Koordinatenmessgeräten bei Zwei- oder Mehrkoordinatenmessungen.

 

Das OEM-Konzept

SP-NG Systeme als Einbau-Variante

Das Konzept des SP-NG Messystems ermöglich einen Sensoraufbau mit einer langzeitstabilen Justage-Option des Messtrahls. Diese Lösung kommt zum Einsatz, wenn die Interferometer als eine OEM-Komponente in einem kundenspezifischen Aufbau einsetzt werden. In Abbildung 3 sind zwei zueinander ausgerichtete Systeme dargestellt, deren Strahljustage über Spezialoptiken gewährleistet ist.

Die Messsysteme in dieser Ausführung werden beim Einbau in einer Anordnung ausgerichtet und die Justage bleibt über lange Zeiträume temperatur- und stressresistent. Im OEM-Segment ist eine Ausführung aus dem an einen Messaufbau angepassten Werkstoffen möglich, um einen driftarmen Messaufbau zu erhalten.

 

 

 

Höchste Genauigkeit für große Messbereiche

Die neue Generation der Laserinterferometer, stellt ein wertvolles Werkzeug für alle Anwendungen dar, bei denen genaue Längenmessungen erforderlich sind. Die Systeme zeichnen sich durch hohe Präzision und Auflösung sowie große Störfestigkeit aus. Die Lichtwellenleiterkopplung zur Übertragung des Laserlichts verhindert Wärmequellen im Sensorkopf und ermöglicht dessen flexible Anordnung im Raum sowie schnelle und einfache Justage. Eine hohe Kippinvarianz und geringe Empfindlichkeit gegenüber einem Lateralversatz des Messreflektors machen diese Interferometer zu einem vielseitig einsetzbaren Werkzeug für die Inbetriebnahme, Justage und Kalibrierung von Präzisionsführungen, Koordinatenmessgeräten und Werkzeugmaschinen. Diese Messsysteme sind äußerst vielfältig einsetzbar und lassen sich problemlos an unterschiedlichste Messaufgaben anpassen.

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