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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine als Einheit ausgebildete lineare
Versatz- bzw. Wegmeßvorrichtung
(nachfolgend als Wegaufnehmer bezeichnet) mit einem Meßkopf, der
integral mit einem einen Hauptmaßstab beherbergenden Rahmenkörper ausgebildet
ist, wobei der Meßkopf
eine Bewegungsstrecke in Längsrichtung
auf der Basis des Ausmaßes
einer relativen Bewegung eines Indexmaßstabs mißt, welcher sich längs des
Hauptmaßstabs
bewegt.
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Bei
einer Werkzeugmaschine, einer industriellen Maschine oder dergleichen
wird, etwa zur Steuerung oder Regelung, eine Vorrichtung zum Messen einer
linearen Bewegungsstrecke von Meßobjekten (bewegten Elementen)
eingesetzt, die sich relativ zueinander bewegen. Als solcher Linearwegaufnehmer wird
allgemein ein als Einheit ausgebildeter linearer Maßstab verwendet,
bei dem ein länglicher
Rahmenkörper,
der einen Hauptmaßstab
beherbergt, und ein Meßkopfgehäuse, welches
einen Meßabschnitt, etwa
einen Indexmaßstab,
beherbergt, der relativ zum Rahmenkörper beweglich ist, integral
ausgebildet sind.
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Bei
dem als Einheit ausgebildeten linearen Maßstab ist der Hauptstab üblicherweise
in einem Rahmenkörper
aus Aluminium enthalten. Wie in 6 gezeigt,
ist der Rahmenkörper 10 direkt
hauptsächlich
an einem Schlittengleitteil der Werkzeugmaschine, industriellen
Maschine oder dergleichen mit Hilfe von Schrauben 12 an
mehreren Stellen befestigt (dies wird als Mehrpositionsbefestigung
bezeichnet). Alternativ ist der Rahmenkörper 10 gemäß Darstellung
in 7 an dem Schlittengleitteil mittels Schrauben 12 hauptsächlich an
seinen beiden Enden mit Hilfe von Befestigungsblöcken 14 befestigt
(dies wird als Doppelendenbefestigung bezeichnet).
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Da
jedoch hierbei der Rahmenkörper 10 aus Aluminium
besteht, während
das Teil, an dem dieser Rahmenkörper
befestigt wird, hauptsächlich
aus Eisen besteht, ergeben sich Probleme bei einer Änderung
der Umgebungstemperatur.
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Der
lineare Ausdehnungskoeffizient von Eisen beträgt etwa 11 × 10–6,
während
der entsprechende Wert für
Aluminium etwa 23 × 10–6 beträgt. Wenn
Aluminium an Eisen befestigt ist, unterliegt die Dehnung des Aluminiums
infolge der unterschiedlichen linearen Ausdehnungskoeffizienten
einer Beschränkung,
so daß thermisch
bedingte Spannungen auftreten. Dies kann zu einem Verbiegen oder
einer Torsion des Rahmenkörpers
infolge der Spannungen führen
und die Genauigkeit des Hauptmaßstabs
im Rahmenkörper
beeinträchtigen,
der sich diesem anpaßt.
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Insbesondere
bei der in 7 gezeigten Doppelendbefestigung
besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit, daß es zu einer Verbiegung oder
Torsion des Rahmenskörpers 10 mit
den damit verbundenen, gerade erwähnten Problemen kommt.
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8 zeigt
einen Befestigungsmechanismus der in 7 gezeigten
Doppelendbefestigungsart und ein Beispiel, wie sich der Rahmenkörper verbiegt,
wenn die Umgebungstemperatur ansteigt. In 8 sind der
Rahmenkörper 10 und
die Befestigungsblöcke 14 vollständig mittels
Schrauben 16 verbunden, und die Befestigungsblöcke 14 sind
an einer dazu passenden (Montage-)Fläche 8 (aus Eisen)
mit Hilfe der Schrauben 12 fixiert (siehe 7).
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Wenn
hierbei die Umgebungstemperatur ansteigt, dehnt sich der Rahmenkörper 10 in
Längsrichtung,
d. h. in der in der Figur mit Z bezeichneten Links-Rechts-Richtung,
und der Dehnungsbetrag ist größer als
der der Montagefläche 8.
Hierbei kann sich der Rahmenkörper 10 relativ
leicht in der Zeichnung nach oben, d. h. in einer +Y-Richtung, im
Querschnitt des Rahmenkörpers 10 dehnen.
Dagegen ist die Dehnung des Rahmenkörpers 10 in der Zeichnung
nach unten, d. h. in der –Y-Richtung, durch die Befestigungsblöcke 14 beschränkt, und
es tritt eine thermisch bedingte Spannung auf. Da die thermische Spannung
keine gleichförmig
in der Y-Richtung des Querschnitts verteilte Kraft ist, wird die
thermische Spannung zu einem Biegemoment bezüglich des Querschnitts, so
daß der
Rahmenkörper 10 sich
in +Y-Richtung bogenförmig
verbiegt. Wenn die Umgebungstemperatur abfällt, krümmt sich der Rahmenkörper 10 aus
gleichem Grund in der –Y-Richtung.
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Wenn
der Rahmenkörper 10 in
dieser Weise gekrümmt
ist, ist auch der Hauptmaßstab
innerhalb des Rahmenkörpers
gekrümmt,
was die Genauigkeit beeinträchtigt.
Wenn die thermische Spannung die Befestigungskraft übersteigt,
mit der der Rahmenkörper 10 und
die Befestigungsblöcke 14 befestigt
sind, tritt ein Versatz an der Verbindungsstelle auf, so daß sich die
relative Lage gegenüber
der Montagefläche 8 ändert. Dies
stellt einen Faktor der Unsicherheit des Ursprungs dar und führt zu dem
Problem einer mangelnden Wiederholbarkeit von Meßwerten bezüglich der Temperatur.
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Als
Mechanismus zu Vermeidung solcher Verlängerung des Rahmenkörpers offenbart
die
JP 8-14819 A eine
Technik, bei der eine Endbefestigung
18, wie sie in
9 gezeigt
ist, an beiden Enden vorgesehen ist. Bei dieser Endbefestigung
18 sind
wichtige Abmessungen, die die Steifigkeit in der Z-Richtung bestimmen,
t und L. L muß entsprechend
der in den vergangenen Jahren gewachsenen Forderung nach kompakter
Größe klein
sein, und um dabei das Auftreten thermischer Spannung zu vermindern,
muß auch
t klein sein. Deshalb ist es unmöglich,
eine ausreichende Steifigkeit zu erzielen, die externen Kräften, etwa
Vibrationen, standhält.
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Aus
der
DE 28 53 771 C3 ist
ein Linearwegaufnehmer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 bekannt. Bei diesem Stand der Technik ist der Rahmenkörper über den
Blattfedermechanismus nur in der Richtung, in der die thermische
Dehnung auftritt, beweglich, in dazu querliegenden Richtungen aber
starr. Da der Blattfedermechanismus das über ihn befestigte Ende des
Rahmenkörpers
bei Längsbewegungen
in einem Kreisbogen führt,
kann sich der Rahmenkörper
trotz des Blattfedermechanismus verbiegen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, unter Vermeidung der oben beschriebenen Probleme
des Standes der Technik einen als Einheit ausgebildeten Linearwegaufnehmer
zu schaffen, bei dem das Auftreten thermischer Spannung durch positives
Absorbieren einer Dehnung des Rahmenkörpers infolge einer Temperaturänderung
unter Sicherstellung der Steifigkeit verringert ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Linearwegaufnehmer gemäß Patentanspruch 1
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht zur Erläuterung
eines Befestigungsverfahrens gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 eine
vergrößerte Vorderansicht,
die die Anordnung wesentlicher Teile des Ausführungsbeispiels zeigt,
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3 eine
vergrößerte Vorderansicht,
die die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels
verdeutlicht,
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4 eine
graphische Darstellung, die Beispiele von Änderungen der Verbiegung eines
Rahmenkörpers
bei Temperaturänderungen
für den
Fall eines herkömmlichen
Befestigungsmechanismus zeigt,
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5 eine
graphische Darstellung von Beispielen der Änderung der Verbiegung des
Rahmenkörpers
bei Temperaturänderungen
bei Verwendung des Ausführungsbeispiels
der Erfindung,
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6 eine
perspektivische Ansicht einer Mehrpositionsbefestigung als einem
Beispiel einer herkömmlichen
Methode zur Befestigung eines als Einheit ausgebildeten linearen
Maßstabs,
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7 eine
perspektivische Ansicht einer Doppelendbefestigung als anderes Beispiel
einer herkömmlichen
Methode zur Befestigung eines als Einheit ausgebildeten linearen
Maßstabs,
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8 eine
Frontansicht zur Erläuterung
eines beim Stand der Technik auftretenden Problems, und
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9 eine
Frontansicht einer bekannten Endbefestigung.
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Gemäß Darstellung
in 1 ist ein Rahmenkörper 10 in seinem
Mittelabschnitt an einer zugehörigen
(in der Figur nicht dargestellten) Montagefläche mit Hilfe eines Mittelabschnitt-Befestigungsblocks 20 hoher
Steifigkeit befestigt, während
seine beiden Enden in Längenmeßrichtung
an der Montagefläche mittels
eines Paars Endbefestigungsblöcke 22 befestigt
sind.
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Wie
im einzelnen in 2 gezeigt, weist jeder der Endbefestigungsblöcke 22 einen
Parallel-Blattfedermechanismus 24 auf,
der in der Lage ist, eine thermische Dehnung des Rahmenkörpers 10 in der
Z-Richtung zu absorbieren, die durch das in der Figur gezeigte Z-Y-Koordinatensystem
definiert ist und der Längenmeßrichtung
entspricht. An einem Ende des Rahmenkörpers 10, wo ein solcher
Endbefestigungsblock befestigt ist, weist der Rahmenkörper 10 einen
Blattfedermechanismus 11 auf, der in der Lage ist, eine
Verbiegung eines Endes des Rahmenkörpers in der Y-Richtung senkrecht
zur Z-Richtung, in welcher die thermische Dehnung auftritt, zu absorbieren.
Die Länge
des Rahmenkörpers 10 in Z-Richtung
sei mit L0 bezeichnet.
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Der
Parallel-Blattfedermechanismus 24 des Endbefestigungsblocks 22 ist
aus zwei Blattfedern 24A und 248 gebildet, die
sich vertikal erstrecken, indem ein Einschnitt 22A und
eine Aushöhlung 228 in dem
Endbefestigungsblock 22 ausgebildet sind. Es sei hier angenommen,
daß die
Breite jeder der Blattfedern 24A und 248 in der
Z-Richtung T2 betrage. Es wird ferner angenommen, daß die Länge der
Aushöhlung 228 in
der Y-Richtung, d. h. die jeweilige Länge der Blattfedern 24A und 246 in
der Y-Richtung 12 sei.
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Der
Blattfedermechanismus 11 des Rahmenkörpers 10 ist von einer
Blattfeder 11A gebildet, die sich in Z-Richtung erstreckt,
indem die Höhe
des Endes des Rahmenkörpers 10 in
der Y-Richtung verkürzt
ist. Die Breite der Blattfeder 11A in der Y-Richtung sei
mit T1 bezeichnet. Der Abstand in Z-Richtung zwischen dem Ende des Rahmenkörpers 10 und
der Mitte (in Z-Richtung) der Aushöhlung 228 des Befestigungsblocks 22 an
diesem Ende betrage L1.
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Der
Zwischenabschnitt-Befestigungsblock 20 hat eine deutlich
höhere
Steifigkeit als die des Blattfedermechanismus 24 des Endbefestigungsblocks 22 oder
die des Blattfedermechanismus 11 des Rahmenkörpers 10.
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Die
Endbefestigungsblöcke 22 sind
an beiden Enden des Rahmenkörpers 10 mit
Schrauben befestigt, und der Zwischenabschnitt-Befestigungsblock 20 ist
an der Mitte des Rahmenkörpers 10 mittels
einer Schraube fixiert. Der Rahmenkörper 10 ist durch
Befestigung der drei Blöcke 20 und 22 an
der nicht gezeigten Montagefläche
fixiert.
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Unter
Bezugnahme auf 3 soll nachfolgend die Wirkungsweise
des beschriebenen Ausführungsbeispiels
erläutert
werden.
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Wenn
die Umgebungstemperatur gestiegen ist, tritt folgendes mechanische
Verhalten auf. Da die Steifigkeit im mittleren Abschnitt verglichen
mit beiden Enden sehr viel höher
ist, dehnt sich der Rahmenkörper 10 gleichförmig von
der Mitte nach links und rechts aus. Folglich ist der Ursprung der
Dehnung des Rahmenkörpers 10 fest
vorgegeben und die Stabilität
des Ursprungs bezüglich
der Temperaturänderung
gegenüber
dem Stand der Technik verbessert, so daß auch die Wiederholbarkeit
des Verhaltens verbessert ist. Dies gilt auch für den Fall, wo die relative
Steifigkeit zwischen dem linken und dem rechten Ende unterschiedlich
ist, etwa in Folge von Schwankungen der Federkonstanten der Blattfedermechanismen 11 und 24 am
linken bzw. am rechten Ende.
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Da
die Verlängerung
des Rahmenkörpers 10 von
der Biegung der Blattfedern 24A und 24B des Parallel-Blattfedermechanismus 24 im
jeweiligen Endbefestigungsblock 22 aufgefangen wird, kann das
Auftreten thermischer Spannung verringert werden. Da der Blattfedermechanismus 24 der
Endbefestigungsblöcke 22 parallele
Blattfedern aufweist, tritt bei Verlängerung des Rahmenkörpers 10 ein
Versatz auch in einer anderen Richtung als der Z-Richtung auf, nämlich nach
oben in 3. Da jedoch dieser Versatz durch die Biegung
der Blattfeder 11A des Blattfedermechanismus 11 an
beiden Enden des Rahmenkörpers 10 absorbiert
wird, tritt keine Verbiegung gegenüber der Mitte des Rahmenkörpers 10 als Ursprung
auf. Demgemäß sind ein
Verbiegen und das Auftreten von Spannung im Rahmenkörper infolge
der Temperaturänderung
reduziert, und die Beeinträchtigung
der Genauigkeit und des Versatzes des Rahmenkörpers infolge der Temperaturänderung ebenfalls
reduziert, wodurch die Stabilität
des Ursprungs verbessert wird.
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Da
außerdem
die Blattfedern 24A und 246 der Endbefestigungsblöcke 22 einen
Parallel-Blattfederaufbau aufweisen, ist es möglich, eine Abnahme der Steifigkeit
bezüglich
anderer Richtungen als der Längenmeßrichtung
(Z) zu minimieren. Nachdem somit die Eigenschaften bezüglich externer
Kräfte,
wie etwa der Vibrationsbeständigkeit,
beibehalten werden, ist es weiter möglich, das Temperaturverhalten zu
verbessern.
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Es
ist anzumerken, daß die
Position, an der der Zwischenabschnitt-Befestigungsblock 20 angeordnet
ist, nicht auf die Mitte des Rahmenkörpers 10 beschränkt ist,
sondern eine beliebige Position sein kann und seine Position an
den Ursprung der Verlängerung
des Rahmenkörpers 10 gesetzt
werden kann.
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Nachfolgend
wird ein Beispiel erläutert.
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Eisen
wurde als Material der Montagefläche verwendet,
während
Aluminium als das Material der Endbefestigungsblöcke 22 des Rahmens 10 benutzt wurde,
um die Verlängerung
des Rahmenkörpers 10 mit
einer Länge
von L0 = 530 mm zu absorbieren und seine Verbiegung bei einer Temperaturänderung
von 20°C
auf 40°C
zu reduzieren. Die jeweiligen Abmessungen in 2 waren L1
= 4,5 mm, T1 = 2 mm, 12 = 13 mm und T2 = 1,2 mm.
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Die 4 und 5 zeigen
die Ergebnisse von Untersuchungen der Änderung der Verbiegung des
Rahmenkörpers 10 bei
Temperaturänderung
von 20°C
auf 30°C
und weiter auf 40°C
für den
Fall der Befestigung des Wegaufnehmers an der Montagefläche 8 des
zugehörigen
aus Eisen bestehenden Teils. 4 zeigt
die Ergebnisse für
den Fall der Verwendung des herkömmlichen
Befestigungsmechanismus. Dabei zeigt sich, daß eine Auslenkung in +Y-Richtung
(siehe 8) um 80 bis 90 μm infolge des Temperaturanstiegs
auftrat. Im Gegensatz dazu zeigt 5 die Ergebnisse
beim beschriebenen Ausführungsbeispiel
der Erfindung, für
das sich eine Auslenkung in der Nähe von nur 10 bis 20 μm ergab;
dies bestätigt,
daß durch
die Erfindung eine Verbesserung auf ¼ der Auslenkung beim Stand
der Technik erreicht wird.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das voranstehende Ausführungsbeispiel
in vielfältiger Weise
abgewandelt werden. Beispielsweise ist das Material des Rahmenkörpers und
der Befestigungsblöcke
nicht auf Aluminium beschränkt.
Statt den mittleren Abschnitt des Rahmenkörpers mit Hilfe des Zwischenabschnitt-Befestigungsblocks 20 mit hoher
Steifigkeit zu befestigen und beide Enden mittels Endbefestigungsblöcken 22 gemäß der Erfindung
zu befestigen, kann ein Ende durch einen Befestigungsblock mit hoher
Steifigkeit und das andere Ende mit einem Befestigungsblock gemäß der Erfindung
befestigt werden.
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Durch
die Erfindung wird es möglich,
das Auftreten einer Auslenkung oder Verbiegung des Rahmenkörpers bzw.
Spannungen in dem Rahmenkörper
infolge einer Umgebungstemperaturänderung zu verringern und den
Versatz der relativen Position bezüglich der Montagefläche zu reduzieren.
Damit ergeben sich hervorragende Vorteile, weil es möglich ist,
die Beeinträchtigung
der Genauigkeit infolge von Temperaturänderungen zu verringern und
die Zuverlässigkeit
bezüglich
des mechanischen Verhaltens zu verbessern.