DE19510998C2 - Positionsmeßeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionsmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Positionsmeßeinrichtung wird insbe­ sondere bei einer Bearbeitungsmaschine zur Messung der Relativlage eines Werkzeugs bezüglich eines Werkstücks eingesetzt.

Bei einer solchen Positionsmeßeinrichtung zum Mes­ sen der Relativlage zweier Objekte, beispielsweise zweier Maschinenteile einer Bearbeitungsmaschine, tastet eine mit dem ersten Objekt verbundene Ab­ tasteinheit einen Maßstab ab, der am zweiten Objekt befestigt ist, und aus einer Maßverkörperung und einem Trägerkörper besteht.

Während das zweite Objekt in Form des Maschinen­ teils im allgemeinen aus Grauguß oder Stahl be­ steht, verwendet man für den Trägerkörper der Maßverkörperung hauptsächlich Aluminium, da sich der Trägerkörper mit seinem - insbesondere bei ei­ ner gekapselten Positionsmeßeinrichtung komplizier­ ten - Querschnittsprofil am kostengünstigsten durch Strangpressen herstellen läßt.

Wird nun der Trägerkörper aus Aluminium beispiels­ weise mittels Schrauben starr am Maschinenteil aus Grauguß oder Stahl befestigt, so kommt es wegen ihrer sehr unterschiedlichen thermischen Ausdeh­ nungskoeffizienten bei Temperaturänderungen, die beim Bearbeitungsvorgang unvermeidlich sind, zu erheblichen Längskräften im Trägerkörper. Diese Längskräfte können undefinierte Verschiebungen des Trägerkörpers in den Schraubverbindungen bewirken, die Nullpunktsverschiebungen der Maßverkörperung und nichtreproduzierbare Spannungen in der Maßver­ körperung und damit Meßungenauigkeiten zur Folge haben.

In der DE 28 53 771 A1 ist eine Positionsmeßein­ richtung beschrieben, bei der ein Trägerkörper in Form eines Gehäuses für die Maßverkörperung und die Abtasteinheit an beiden Enden über zwei Befesti­ gungselemente mit einem Maschinenteil verbunden ist. Während das eine Ende des Gehäuses direkt mit dem ersten Befestigungselement verbunden ist, ist zwischen dem anderen Ende des Gehäuses und dem zweiten Befestigungselement ein Längenausgleichs­ element zur Temperaturkompensation angeordnet, so daß dieses Ende des Gehäuses mit einem translatori­ schen Freiheitsgrad in Längsrichtung gelagert ist. Diese relativ aufwendige Befestigungsart des Trä­ gerkörpers für die Maßverkörperung am Maschinenteil bedingt zudem, daß der Nullpunkt der Maßverkörpe­ rung am Befestigungspunkt des Trägerkörpers am er­ sten Befestigungselement liegen muß.

Aus den Druckschriften WO 89/03506 A1 und EP 126 888 A1 sind Meßeinrichtungen bekannt, bei denen mit Hilfe von Dehnstäben, deren thermische Ausdehnungs­ koeffizienten und Längen auf die Materialien der übrigen Bauelemente abgestimmt sind, temperaturbe­ dingte Längenänderungen ausgeglichen werden.

Ferner ist aus der DE 85 09 844 A1 eine Meßeinrich­ tung bekannt, bei der zwischen der Maßverkörperung und dem Gehäuse ein Zwischenträger angeordnet ist, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient zwischen dem der Maßverkörperung und dem des Gehäuses liegt.

Aus der DE 39 18 490 C1 ist noch eine Maßverkörpe­ rung bekannt, die aus einem Grundkörper und aus einem darauf angebrachten Teilungsträger mit einer Teilung besteht und an einem Maschinenteil be­ festigt wird; der Grundkörper und der Teilungsträ­ ger besitzen unterschiedliche thermische Ausdeh­ nungskoeffizienten. Der Teilungsträger wird mit dem Grundkörper durch eine galvanisch abgeschiedene Zwischenschicht kraftschlüssig verbunden und die Querschnitte des Teilungsträgers und des Grundkör­ pers sind so bemessen, daß der resultierende ther­ mische Ausdehnungskoeffizient der Maßverkörperung gleich dem thermischen Ausdehnungskoeffizient des Maschinenteils ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Positionsmeßeinrichtung der genannten Gattung einen Maßstab zu schaffen, der bei einfachem Aufbau in seinem thermischen Ausdehnungsverhalten dem des zugehörigen Objekts entspricht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merk­ male des Anspruches 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die vorgeschlagenen Maßnahmen die Maßverkörperung trotz unterschiedli­ cher thermischer Ausdehnungskoeffizienten die glei­ chen temperaturbedingten Längenänderungen wie das zugehörige Objekt erfährt. Der Maßstab besitzt so­ mit einen resultierenden thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten, der trotz unterschiedlicher Materia­ lien mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des zugehörigen Objekts übereinstimmt, so daß tem­ peraturbedingte Meßungenauigkeiten vermieden wer­ den. Da der Maßstab und das zugehörige Objekt das gleiche Temperaturverhalten aufweisen, ist die Be­ festigung des Maßstabes an diesem Objekt auf ein­ fache Weise, beispielsweise mittels Schraubverbin­ dungen, problemlos möglich. Zudem kann darüber­ hinaus der Nullpunkt des Maßstabes nach dem jewei­ ligen Anwendungszweck beliebig gewählt werden.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den abhängigen Ansprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Positionsmeßeinrichtung mit einem Maßstab im Quer­ schnitt;

Fig. 2 den schematischen Aufbau eines Maßstabes und

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie III/III in Fig. 2.

In der Fig. 1 ist eine gekapselte Positionsmeß­ einrichtung zum Messen der Relativlage zweier Ob­ jekte 1, 2 in einem Querschnitt dargestellt. An dem ersten Objekt 1 in Form des Bettes einer nicht dar­ gestellten Bearbeitungsmaschine ist ein Montage­ stück 3 mittels Schrauben 4 befestigt, das über einen doppelschwertförmigen Mitnehmer 5 mit einer Abtasteinheit 6 verbunden ist.

An dem zweiten Objekt 2 in Form eines Schlittens dieser Bearbeitungsmaschine ist ein Trägerkörper 7 in Form eines, mehrteiligen Gehäuses 8, 9 mittels Schrauben 10 befestigt.

Im Inneren des Gehäuses 8, 9 ist auf dem Trägerkör­ per 7 über ein Zwischenelement 12 mittels Klebe­ schichten 13a und 13b eine Maßverkörperung 14 mit einer Teilung geringfügig längsverschieblich ange­ ordnet. Die Teilung der Maßverkörperung 14 wird in bekannter Weise von der Abtasteinheit 6 im Inneren des Gehäuses 8, 9 abgetastet; der Mitnehmer 5 für die Abtasteinheit 6 greift durch einen von zwei Dichtlippen 15 verschlossenen Längsschlitz des Gehäuses 8, 9 hindurch.

Üblicherweise besteht das zweite Objekt 2 in Form des Schlittens der Bearbeitungsmaschine aus Stahl mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_ST = 11.10^-6K^-1 und das Gehäuse 8, 9 für die Maßver­ körperung 14 aus Aluminium mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_AL = 22.10^-6K^-1. Wegen der unvermeidbaren Temperaturänderungen während eines Bearbeitungsvorganges an der Bearbeitungsmaschine erfahren das zweite Objekt 2 und das Gehäuse 8, 9 aufgrund ihrer unterschiedlichen Ausdehnungskoeffi­ zienten α_ST, α_AL unterschiedliche thermische Län­ genänderungen, die zu den eingangs geschilderten undefinierten Verschiebungen und damit zu Meßunge­ nauigkeiten führen können.

Abgesehen von den vorerwähnten unterschiedlichen thermisch bedingten Längenänderungen ändert sich auch die Länge der Maßverkörperung 14 unterschied­ lich zu den anderen Bauteilen, da ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient α_GL = 7.10^-6K^-1 für Glas ist.

Letztendlich soll aber die temperaturbedingte Län­ genänderung der Maßverkörperung 14 die gleiche sein, wie die des Objektes 2, dessen Verlagerung gemessen werden soll.

Deshalb wird zwischen den Trägerkörper 7, der Teil des Objektes 2 (Maschinenschlitten) oder des Ge­ häuses 8, 9 sein kann, aber nicht sein muß, und der Maßverkörperung 14 ein Zwischenelement 12 einge­ fügt. Dieses Zwischenelement 12 hat einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_AL = 22.10^-6K^-1 als der Trägerkörper 7 und die Maßverkörperung 14 und führt aufgrund dessen den Längenausgleich her­ bei, ohne den es aufgrund der thermischen Längenän­ derungen sonst zu unterschiedlicher Ausdehnung bei Trägerkörper 7 und Maßverkörperung 14 kommen würde.

Damit dies gezielt geschehen kann, besteht die Ver­ bindung zwischen dem Trägerkörper 7 und dem Zwi­ schenelement 12 sowie die Verbindung zwischen dem Zwischenelement 12 und der Maßverkörperung 14 je­ weils aus elastischen Schichten 13a und 13b, die unterschiedliche E-Moduln aufweisen.

Die Schicht 13a zwischen dem Trägerkörper 7 und dem Zwischenelement 12 hat einen kleinen E-Modul, ist demgemäß verhältnismäßig elastisch, um eine mög­ lichst freie Längsverschieblichkeit des Zwischen­ elementes 12 zu ermöglichen.

Die Schicht 13b zwischen dem Zwischenelement 12 und der Maßverkörperung 14 ist weniger elastisch, das heißt deren E-Modul ist deutlich höher, so daß auf­ grund des höheren thermischen Ausdehnungskoeffi­ zienten α_AL des Zwischenelementes ein Mitnahme­ effekt entstehen kann, der die Maßverkörperung 14 effektiv auf die Länge des Trägerkörpers 7 dehnt, damit sie der thermisch bedingten Längenänderung der Maschine entspricht.

Es versteht sich, daß der Ausgleich der thermisch bedingten Längenänderungen zwischen Maschine und Maßverkörperung 14 auch von den Querschnitten der beteiligten Körper und den Querschnitten der Ver­ bindungsschichten abhängt. Diese müssen geeignet gewählt werden.

Grundsätzlich ist aber für eine einwandfreie Funk­ tion im Sinne der Erfindung erforderlich, daß für die Ausdehnungskoeffizienten des Trägerkörpers 7 α_ST, des Zwischenelementes 12 (α_AL) und der Maß­ verkörperung 14 (α_GL) gilt:

α_GL < α_ST < α_AL

Für die Elastizität der Schichten 13a und 13b gilt, daß der E-Modul der Schicht 13a kleiner ist als der E-Modul der Schicht 13b.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, kann die Verbin­ dungsschicht zwischen der Maßverkörperung 14 und dem Zwischenelement 12 auch aus mehreren Teil­ schichten 13ba, 13bb gebildet werden, die unter­ schiedliche E-Moduln aufweisen. Die Teilschichten 13ba, 13bb können dabei in Richtung der Längser­ streckung des Maßstabes 14 nebeneinander und/oder hintereinander angeordnet sein.

Bei einem derartigen Schichtaufbau übernimmt die Teilschicht 13ba mit einem niedrigeren E-Modul überwiegend die Aufgabe der Adhäsion und die Teil­ schichten 13bb mit dem höheren E-Modul die Aufgabe der Längenanpassung. Die Schichtdicken können dabei variiert werden um eine optimale Anpassung der Län­ genänderung von der Maßverkörperung 14 an den Trä­ gerkörper 7 zu erzielen.

Bei entsprechender baulicher Gestaltung können ab­ weichend von der Darstellung in Fig. 1 sowohl der Trägerkörper als auch das Zwischenelement wahlweise so ausgebildet sein, daß sie ein Gehäuse für die Maßverkörperung bilden.

Grundsätzlich ist aber auch eine offene Bauweise möglich, wenn zum Beispiel die Gehäuseteile 8 und 9 gemäß Fig. 1 bei entsprechend konstruktiver Ge­ staltung entfallen.

Der Trägerkörper kann auch selbst Bestandteil der Maschine sein, an die die Längenausdehnung der Maß­ verkörperung angepaßt wird.

Claims (11)

1. Positionsmeßeinrichtung zur Messung der Rela­ tivlage zweier Objekte wie Bett und Schlitten einer Maschine, mit einem Maßstab an einem der Objekte und einer diesen Maßstab abtastenden Abtasteinheit an dem anderen Objekt, bei der der Maßstab eine Maßverkörperung aufweist, die über wenigstens ein Zwischenelement an einem Trägerkörper längsverschieblich befestigt ist, und bei dem die Maßverkörperung, das Zwischen­ element und der Trägerkörper unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten α aufwei­ sen, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient α_AL des Zwischenelemen­ tes (12) größer ist als der thermische Ausdeh­ nungskoefftzient α_ST des Trägerkörpers (7), wobei dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient α_ST größer ist als der der Maßverkörperung (14), daß das Zwischenelement (12) mit dem Trä­ gerkörper (7) mittels einer Schicht (13a) mit kleinem E-Modul verbunden ist, und daß die Maß­ verkörperung (14) mit dem Zwischenelement (12) mittels einer weiteren Schicht (13b) verbunden ist, wobei der E-Modul wenigstens eines Teiles die­ ser Schicht (13b) deutlich größer ist, als der E-Modul der Schicht (13a), die das Zwischenele­ ment (12) mit dem Trägerkörper (7) verbindet.

2. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der E-Modul der Schicht (13b), die sich zwischen der Maßverkör­ perung (14) und dem Zwischenelement (12) befin­ det, so hoch ist, daß thermisch bedingte Län­ genänderungen des Zwischenelementes (12) ge­ zielt auf die Maßverkörperung (14) übertragen werden.

3. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die zwischen der Maß­ verkörperung (14) und dem Zwischenelement (12) befindliche Schicht aus wenigstens zwei in Richtung ihrer Längserstreckung nebeneinander und/oder hintereinander angeordneter Teil­ schichten (13ba, 13bb) mit unterschiedlichen E-Moduln besteht.

4. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Teilschichten (13bb) in Richtung ihrer Längser­ streckung unterbrochen ist.

5. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Teilschichten unterschiedliche Dicke aufweisen.

6. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der E-Modul der Schicht (13a), die sich zwischen dem Träger­ körper (7) und dem Zwischenelement (12) befin­ det, so gering ist, daß zwischen diesen Bautei­ len (7, 12) nahezu ungehindert eine thermisch bedingte Ausgleichsbewegung stattfinden kann.

7. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Schaffung eines Referenzpunktes - bevorzugt auf halber Länge des Maßstabes - die Maßverkörperung, das Zwi­ schenelement und der Trägerkörper an einem Punkt fest miteinander verbindbar sind.

8. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper als Gehäuse für die Maßverkörperung ausgebildet ist.

9. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß das Zwischenelement als Gehäuse für die Maßverkörperung ausgebildet ist.

10. Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprü­ che 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse die Maßverkörperung allseitig um­ schließt.

11. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper Be­ standteil eines der Objekte ist, deren Relativ­ lage gemessen wird.