Simultane Längen- und Winkelmessung
mit dem Dreistrahl-Laserinterferometer SP 5000 TR – Präzision neu definiert
Präzision ist ein entscheidender Faktor in der modernen Industrie und Forschung.
In vielen High-Tech-Branchen wie Maschinenbau, Halbleiterfertigung und Optik werden die Anforderungen an Messunsicherheit und Prozesskontrolle immer anspruchsvoller. Die fortschreitende Miniaturisierung und die Notwendigkeit, Bauteile aller Größenordnungen mit höchster Präzision zu fertigen, erfordern modernste Messtechnik. Viele konventionelle Messsysteme können mit diesen Entwicklungen jedoch nicht Schritt halten.
"Eine reine Längenmessung OHNE gleichzeitige Winkelmessung ist heute nicht mehr state of the art.
Werden Verkippungen während der Messung nicht korrekt erfasst, führt dies zu Messfehlern.Ich bin überzeugt, dass die dynamische und synchrone Erfassung von Längen-, Nick- und Gierwinkelwerten einen erheblichen Mehrwert bietet.
Werden sämtliche Messwerte schnell erfasst, werden auch Umwelteinflüsse minimiert."
Dr. Denis Dontsov, Geschäftsführer, SIOS Meßtechnik GmbH
Die Herausforderungen
Thermische Einflüsse in der laserinterferometrischen Längen- und Winkelmessung
In industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen bestehen Messeinrichtungen selten aus einem einzigen Werkstoff.
Granit, Edelstahl, Titan, Invar, Aluminium, Keramik und Glas sind die Werkstoffe, die sehr häufig in verschiedenen Kombinationen und Zusammensetzungen in einem Messaufbau zu finden sind. Diese weisen unterschiedliche Längenausdehnungskoeffizienten und Wärmeleitfähigkeiten auf. Sie reagieren mit verschiedenen Zeitkonstanten auf Temperaturänderungen.
Häufig kennen Anwender jedoch nur die allgemeine Messraumklasse oder die mittlere Temperaturkonstanz über 24 Stunden. Kurzfristige Temperaturschwankungen oder das Tag-Nacht-Verhalten eines Messraums werden oft nicht berücksichtigt, was zu unerwarteten Messabweichungen führt.
Werden Längen- und Winkelmessungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchgeführt, können Temperaturveränderungen die Ergebnisse erheblich verfälschen. Eine verlässliche Analyse aller Messdaten wird dadurch erschwert.
Fazit: Eine schnelle und simultane Erfassung mehrerer Freiheitsgrade ermöglicht eine zusammenhängende Analyse von Messabweichungen. Dadurch können die Einflüsse von Temperaturfluktuationen auf verschiedene Messgrößen reduziert werden, da diese gleichzeitig gemessen werden.
Die Lösung
Welche Vorteile bietet die simultane Längen- und Winkelmessung?
Um diesen Herausforderungen zu begegnen, hat unser Entwicklerteam das Dreistrahl-Laserinterferometer SP 5000 TR entwickelt. Es erfasst Längen, Nick- und Gierwinkel* gleichzeitig, gut korreliert und konsistent.
Die hohe Datensynchronität ermöglicht dynamische Messungen, die Drifteffekte minimieren und Messprozesse beschleunigen. Zudem erlaubt die externe Triggerung eine Erfassung der Messwerte „on the fly“ bei Objektgeschwindigkeiten von bis zu 3 m/s.
Da Platz oft eine begrenzende Ressource in Messumgebungen ist, wurde das SP 5000 TR besonders kompakt konzipiert. Die faseroptische Ankopplung des Laserinterferometers gewährleistet maximale Präzision in einer platzsparenden Bauform.
Sollen Messwerte miteinander verrechnet werden, spielt die erreichbare Auflösung eine entscheidende Rolle.
Beispielsweise erfordert eine Längenmessung mit einer angestrebten Messunsicherheit von 10 nm und einem Abbe-Offset von 100 mm eine Winkelauflösung von mindestens 0,1 µrad.
Das SP 5000 TR erfüllt diese Anforderungen und ermöglicht hochpräzise Messungen in unterschiedlichen Anwendungsbereichen.
*optional können mit dem Zubehör RAS 175 auch Rollwinkel gemessen werden
Kein Zeitverlust durch zeitversetzte Messungen
Simultane Erfassung von Länge und Winkel sorgt für eine konsistente Datengrundlage und reduziert Messfehler.
Minimierte thermische Einflüsse
Schnelle Datenerfassung und hohe Synchronität ermöglichen eine präzise Korrektur von Drifteffekten.
Platzsparende Integration
Die kompakte Bauweise und faseroptische Ankopplung ermöglichen den Einsatz auch in beengten Produktionsumgebungen.
Höchste Auflösung für zuverlässige Ergebnisse
Extrem feine Winkelauflösung und geringste Messunsicherheit garantieren präzise Messergebnisse selbst bei anspruchsvollen Anwendungen.
Funktionsweise des Dreistrahl-Laserinterferometers
Wie funktioniert das Messprinzip des SP 5000 TR?
Das Funktionsprinzip des interferenzoptischen Messsystems basiert – wie alle Laser Interferometer der SIOS – auf der Anwendung des Michelsons-Interferometerprinzipes.
Das Dreistrahl-Laserinterferometer SP 5000 TR vereint drei Interferometer in einem Gerät. In allen drei Messkanälen wird gleiche hochstabile Langzeit-Laserfrequenzstabilität von 2·10-8 des He-Ne-Lasers genutzt. So können simultan drei Längenwerte mit Nanometergenauigkeit erfasst werden. Aus der Differenz von jeweils zwei Längenwerten und dem kalibrierten Strahlabstand lässt sich der entsprechende Winkel hochgenau bestimmen, dadurch wird die gleichzeitige Messung von Position, Nicken und Gieren möglich. Auf diese Weise werden hochpräzise simultane Weg- und Winkelmessungen möglich.
Durch den optionalen Einsatz der Rollwinkelmesssensoren RAS 175 W kann eine Rollwinkelmessung integriert werden.
Das Laser-Interferometer verfügt über einen Wegmessbereich über 5 Meter und einen Winkelmessbereich von ± 12,5° mit einem Reflektor. Dabei beträgt die Winkelauflösung bis zu 0,01 µrad unter stabilen Umweltbedingungen. Beim Standard-Dreistrahl-Interferometer beträgt der Strahlabstand der drei Laserstrahlen zueinander jeweils 12 mm. Durch die simultane und hochsynchrone Messwerterfassung kommt es selbst bei einer hohen Objektgeschwindigkeit von bis zu 3 m/s zu keiner Verfälschung der Ergebnisse.
Weitere technische Informationen können Sie dem Datenblatt entnehmen.
Das Interferometer-System ist modular aufgebaut und kann dadurch an die unterschiedlichsten Messaufgaben angepasst werden.
Die Lichtwellenleiterkopplung des Sensorkopfes und die integrierte Strahlrichtungsdetektion unterstützen die einfache Handhabung und präzise Justage.
Das Design des Dreistrahl-Laserinterferometers SP 5000 TR ist kompakt und robust. Dadurch ist es ideal für hochgenaue Messungen in Industrie und Forschung geeignet.
Ausführungen als OEM-Gerät, auch für Einsätze im Vakuum, sind auf Anfrage möglich.
Ausrichtung des Laser Interferometer Systems
Wie gelingt die optimale Justage des SP 5000 TR für präzise Messungen?
Zur Richtungsjustage der Messstrahlen dient standardmäßig ein Justiergelenk. Es ermöglicht auf einfache Weise die parallele Ausrichtung der Messstrahlen zur Führungs- bzw. Messrichtung.
Durch die im Interferometersensor integrierten optischen Justierhilfen kann die korrekte Ausrichtung des Messaufbaus einfach und schnell mit Hilfe der grafischen Softwareoberfläche des SIOS Signal Monitors durchgeführt werden.
Auf diese Weise können justagebedingte Messfehler minimiert werden.
Kompensation von Umweltfaktoren
Wie kompensiert das SP 5000 TR Umwelteinflüsse während der Messung?
Damit die hochpräzisen Längen- und Winkelmessungen nicht durch Wärmeeintrag unvorteilhaft beeinflusst werden, wird der als Lichtquelle genutzte stabilisierte He-Ne-Laser außerhalb des Sensors in unkritischer Entfernung platziert. Da der Laserstrahl durch einen faseroptischen Lichtwellenleiter zum Sensorkopf gelangt, befinden sich in diesem lediglich optische Bauelemente, die dessen Funktionalität bestimmen, aber keine Wärme verursachen. Insbesondere mit Blick auf die Anwendung im industriellen Umfeld sind der Interferometer Sensor und die Kabel darüber hinaus komplett geschützt. So können den robusten Dreistrahl-Interferometern auch potenziell schmutzigere Einsatzumgebungen nichts anhaben.
Das Messergebnis wird durch schwankende Umgebungsfaktoren wie Lufttemperatur, Luftdruck oder Luftfeuchte stark beeinflusst. Mit Hilfe von kabelgebundenen oder drahtlosen Messsensoren und -fühlern werden die Umweltgrößen erfasst und das Messergebnis entsprechend korrigiert. Dadurch wird eine sehr hohe Messgenauigkeit erreicht.
Präzise Messraumüberwachung für zuverlässige Messergebnisse
Warum ist die Überwachung der Umgebungsparameter im Messbereich so wichtig?
Gerade im industriellen Umfeld finden Messungen nicht immer unter idealen Laborbedingungen oder in optimierten Messräumen statt.
Die Überwachung der Umgebungsbedingungen ist jedoch von entscheidender Bedeutung.
SIOS bietet Ihnen das Equipment und die Software zur lückenlosen Überwachung Ihrer Messraumumgebung.
LCS-Temp – Mobiles Set zur Rundum-Überwachung von Messräumen
Das LCS-Temp Standardset enthält acht Temperatursensoren mit Werkprüfzeugnis in einem
praktischen Transportkoffer, vier Stative sowie die Softwareerweiterung der LCS-Desk.
Mehr Informationen zur Überwachung von Umgebungsparameter in der Messumgebung finden Sie unter dem Menüpunkt: Umweltmesstechnik.
Case Studies
Praktische Anwendungen des Dreistrahl-Laserinterferometers
Die präzise Längenmessung stellt eine besondere Herausforderung dar, wenn der Messreflektor nicht fluchtend zur Bewegungsachse positioniert werden kann. Dieser Versatz führt zum sogenannten Abbe-Fehler, der die Messunsicherheit erheblich beeinträchtigen kann.
Die Abbildung zeigt, dass es in der Regel geometrisch nicht möglich ist, die Messachse des Interferometers direkt in die Antriebsachse der zu messenden Führung zu legen. Der Abstand zwischen der Antriebsachse und der Messachse in Verbindung mit der Verkippung des Reflektors führt somit zu einer Messabweichung, die unter Umständen sehr groß sein kann und oft unbekannt bleibt.
Mit dem Dreistrahl-Laserinterferometer SP 5000 TR ist es möglich, den Abbe-Fehler rechnerisch zu kompensieren.
Die Dreistrahltechnologie ermöglicht die gleichzeitige Erfassung von Längen- und Winkelwerten mit höchster Präzision. Dadurch können die durch den Abbe-Offset verursachten Messabweichungen massiv verringert werden.
Neben dem Abbe-Fehler ist der zweite geometrische Fehler, der bei der Messung auftritt, der Ausrichtfehler. Dieser ist längenabhängig und wird als eine relative Größe µm/m angeben. Gleichzeitig ist er aber gerade bei kurzen Messstrecken schwer zu erkennen.
Die in der Tabelle aufgeführten Berechnungsbeispiele zeigen, welche Fehler bei einer rein visuellen Ausrichtung eines Laserstrahls auftreten können. Verschiebt sich der Strahl auf dem Messspiegel vom Anfang bis zum Ende der Messstrecke um 0,5 mm, so ergibt sich bei einer Entfernung von 500 mm ein Fehler von 0,5 µm/m (Beispiel 1). Wird die gleiche Verschiebung bei 50 mm beobachtet, ist der Fehler linear größer und mit 50 µm/m sehr hoch (Beispiel 2).
Das Dreistrahl-Laserinterferometer SP 5000 TR bietet eine anwenderfreundliche Lösung für den Ausrichtfehler, da das System über eine integrierte Ausrichthilfe verfügt, die die Feinjustage des Laserstrahls erleichtert. Ein Zielkreuz in der Software zeigt komfortabel an, ob das Ziel lotrecht getroffen wurde, so dass dieser Fehlereinfluss vernachlässigbar wird.
Messungen in dynamischen Anwendungen erfordern häufig leichtes Messequipment, damit diese Bewegungen nicht durch das Eigengewicht beeinflusst werden. Dies gilt insbesondere für schnelle, komplexe Bewegungen, wie sie in der Forschung und in der industriellen Fertigung auftreten.
Das Dreistrahl-Laserinterferometer SP 5000 TR bietet in Kombination mit dem speziell entwickelten Leichtbaureflektor eine maßgefertigte Lösung für diese Anforderungen. Der Leichtbaureflektor minimiert die Massenträgheit und ermöglicht damit schnelle und präzise Messungen selbst bei hochdynamischen Bewegungen.
Einsatzmöglichkeiten
Hochdynamische Anwendungen
Das SP 5000 TR kann selbst bei schnellen Bewegungen präzise Winkeländerungen bis 3 m/s messen.
Große Winkelmessbereiche
Mit einem Messbereich von ±12,5° bietet das System die Flexibilität, auch komplexe Bewegungsabläufe vollständig zu erfassen.
Sub-Mikrorad-Auflösung
Eine Auflösung von 0,01 µrad gewährleistet eine extrem feine Erfassung kleinster Winkeländerungen.
Leichtbau
Mit nur 25 g Eigengewicht hat der Leichtbaureflektor kaum Einfluss auf den Messaufbau.
Oberflächen optischer Qualität mit schlechten Reflexionseigenschaften, die sich verkippen, stellen eine besondere Herausforderung für präzise Messungen dar.
Das Dreistrahl-Laserinterferometer SP 5000 TR in Kombination mit einem Linsenvorsatz bietet hier eine präzise und zuverlässige Lösung. Der Linsenvorsatz ermöglicht die Messung auf Oberflächen wie z. B. Aluminium und gewährleistet eine zuverlässige Winkelmessung, auch bei schnellen Bewegungen.
Einsatzmöglichkeiten
Hochdynamische Bewegungen
Der Linsenvorsatz ermöglicht präzise Messungen selbst bei schnellen Kippbewegungen optischer Oberflächen mit schlechten Reflexionseigenschaften.
Sub-Mikrorad-Auflösung
Mit einer Auflösung von 0,01 µrad können auch kleinste Winkeländerungen erfasst werden.
Optimale Strahlführung
Der Linsenvorsatz sorgt für eine ideale Fokussierung und Reflexion des Laserstrahls, wodurch Messfehler minimiert werden.
Bei besonders hohen Anforderungen an die Messwertstabilität über längere Zeiträume kommen Laserinterferometer zum Einsatz, die nach dem Differenzprinzip arbeiten. Dabei sind Mess- und Referenzstrahl so angeordnet, dass der Abstand zwischen ihnen minimal wird.
Das Laserinterferometer SP 5000 DI/TR als Differenzversion des Dreistrahl-Interferometers ist hierfür die richtige Wahl.
Einsatzmöglichkeiten
Hochstabile Messanordnungen
Der Einfluss der Totstrecke der Messung entfällt durch das Differenzprinzip vollständig, ebenso wie die Bewegungen des Sensors relativ zum Messaufbau.
Langzeitstabilität
Das System bietet höchste Messwertstabilität, auch bei Messungen, die über Stunden oder Tage durchgeführt werden müssen.
Messungen im Vakuum stellen besondere Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe sowie an die Sauberkeit bei der Herstellung der Sensorik. Die Konstruktion muss so ausgelegt sein, dass Lufteinschlüsse im Sensorkopf vermieden werden und eine geringe Ausgasung der Werkstoffe erreicht wird.
Ein weiteres Problem besteht in der Handhabung des Sensors bei der Durchführung in die Vakuumkammer. Daher wurden Lösungen entwickelt, die im Servicefall eine Trennung des Sensors von der Durchführung ermöglichen und somit den Montageaufwand minimieren.
Das speziell angepasste Dreistrahl-Laserinterferometer SP 5000 TR für Vakuumanwendungen bis 1 × 10-7 mbar mit allen spezifischen Anforderungen wird auf Anfrage zusammengestellt.
Einsatzmöglichkeiten
Vakuumoptimierte Werkstoffe
Die Ausführung in Aluminium, Edelstahl oder Invar gewährleistet Stabilität und Zuverlässigkeit im Vakuum.
Höchste Präzision
Durch das Messen im Vakuum entfallen die Umgebungseinflüsse auf die Messung, was aktuell die Grenze der minimal erreichbaren Messunsicherheit darstellt.
In der modernen Fertigung von Linearachsen sind präzise und schnelle Abnahmemessungen essenziell. Besonders bei hoher Taktung müssen Messungen dynamisch, simultan und mit höchster Präzision erfolgen, um alle relevanten Freiheitsgrade einer Achse zu erfassen.
Das Dreistrahl-Laserinterferometer SP 5000 TR in Kombination mit der InfasAXIS Software, bietet hierfür eine optimale Lösung. Dieses System ermöglicht die simultane Erfassung aller relevanten Parameter einer Linearachse in Echtzeit.
Einsatzmöglichkeiten:
Simultane Messungen
Erfassung aller relevanten Freiheitsgrade für die Position in Achsrichtung.
Hohe Taktzeiten
Optimiert für schnelle Produktionszyklen mit bis zu 3 m/s Messgeschwindigkeit
Normgerechte Messungen
Die InfasAXIS Zertifikate nach DIN ISO 230-1 Norm gewährleisten höchste Qualität der Abnahmemessungen.
Bei lichtwellenleitergekoppelten Sensoren kann der Messaufbau durch geometrische Gegebenheiten erschwert werden. Das SP 5000 TR verfügt über verschiedenstes Zusatzequipment, wie beispielsweise zum Verkleinern der Strahlabstände bei sehr kleinen Messobjekten oder den Strahlumlenkvorsätzen. Dadurch können selbst schwer zugängliche Stellen erreicht werden, ohne eine aufwändige Sonderkonstruktion zu benötigen.
Auf Anfrage kann das Dreistrahl-Laserinterferometer SP 5000 TR für jeden Einsatzort speziell angepasst werden, um die unterschiedlichsten Messaufgaben optimal zu lösen.
Einsatzmöglichkeiten:
Messungen unter eingeschränkten Zugangsbedingungen
Die Umlenkoptik erlaubt eine präzise Ausrichtung des Laserstrahls, selbst wenn der Messort räumlich begrenzt oder schwer erreichbar ist.
Kompensation von Versatzfehlern
Durch die Kombination von Längen- und Winkelmessung wird der Abbe-Fehler zuverlässig korrigiert.
Weitere Informationen zum Interferometer System
Detaillierte Informationen zum Dreistrahl-Laserinterferometer SP 5000 TR wie technisches Datenblatt, Fachartikel, Maßskizzen, CAD-Daten, Zubehör und Software finden Sie auf der Produktdetailseite.
Für welche Anwendungen ist das Messsystem geeignet?
Typische Einsatzgebiete für das SP 5000 TR
Charakterisierung von Präzisionsführungen und Lineartischen
Analyse und Kompensation von Führungsfehlern
Kalibrierung von Maschinenachsen
Validierung von Positioniersystemen und Achsmodulen
Forschung und Entwicklung im Bereich Maschinenbau, Nanopositionierung und Präzisionstechnik
Unser Webinar-Tipp:
Hochpräzise simultane Weg- und Winkelmessung
SIOS-Experten geben Einblicke in die Theorie und Praxis der Längen- und Winkelmesstechnik. Sie erfahren u. a., welche Faktoren Einfluss auf Messunsicherheiten haben, wie man einen abbefehlerfreien Messaufbau realisiert oder Abbe-Fehler kompensiert.
Die simultane, präzise Längen- und Winkelmessung hat Ihr Interesse geweckt?
Wir beraten Sie gern zur optimalen Integration des SP 5000 TR in Ihre Anwendung – ob im Prüflabor, in der Produktionsumgebung oder in der Forschung. Ruf Sie einfach an oder nutzen Sie das folgende Formular. Wir melden uns bei Ihnen.
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