DE602005003445T2

DE602005003445T2 - Elastische Befestigung und Befestigungsverfahren für eine Längenmesseinrichtung

Info

Publication number: DE602005003445T2
Application number: DE602005003445T
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Kawada; Hiroatsu Mori
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2004-07-20
Filing date: 2005-07-18
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2025-07-19
Also published as: US7356940B2; DE602005003445D1; EP1703248B1; CN1724972A; EP1703248A1; US20060016088A1; JP2006030086A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elastische Haltevorrichtung und ein Befestigungsverfahren zur Befestigung einer Längenmesseinrichtung an einem zu messenden Objekt, welches einen von dem der Messeinrichtung unterschiedlichen linearen Expansionskoeffizienten aufweist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine elastische Haltevorrichtung für eine Längenmesseinrichtung, welche dazu geeignet ist, gemeinsam mit einer aus Glas gefertigten Hauptskala, die in einem aus Aluminium gefertigten Gehäuse enthalten ist, als eine Linearskala vom Baugruppentyp dauerhaft an einem im Wesentlichen aus Eisen bestehenden Maschinenkörper angebracht zu werden, und welche große thermische Verspannungen absorbieren kann, welcher durch die unterschiedlichen linearen Expansionskoeffizienten hervorgerufen wird. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Befestigung einer Längenmesseinrichtung unter Verwendung der elastischen Haltevorrichtung.
Eine als Baugruppe ausgebildete lineare Skala (im Folgenden als lineare Skala bezeichnet) mit einem mehrere Befestigungspunkte aufweisenden Aufbau, so wie er in 1 gezeigt ist, wurde als Linearskala für eine Rückkopplungssteuerung bekannt, welche in relativ großen Werkzeugmaschinen oder industriellen Maschinen verwendet wird, bei der die Erzeugung von Vibrationen, Stößen oder Ähnlichem zu erwarten ist.
Im Allgemeinen umfasst die lineare Skala 10 (eine Längenmesseinrichtung) einen Rahmen 12, der aus Aluminium gefertigt ist, und einen Detektorkopf 16. Der Rahmen 12 enthält eine aus Glas gefertigte Hauptskala. Der Detektionskopf 16 enthält eine Detektionseinheit, wie beispielsweise eine Indexskala, welche in Bezug auf den Rahmen 12 relativ verschoben werden kann. Sowohl der Rahmen 12, als auch der Detektionskopf 16 sind mit Hilfe von beispielsweise Schrauben 20 fest mit einem Verschiebeeinheitsteil eines Maschinenkörpers (nicht dargestellt) befestigt.
Wenn sich die Umgebungstemperatur der linearen Skala 10, welche auf die oben beschriebene Weise fest angebracht ist, ändert, wird aufgrund des Unterschieds der linearen Expansionskoeffizienten zwischen dem Aluminiumrahmen 12 der linearen Skala 10 und dem Maschinenkörper aus Eisen eine thermische Verspannung erzeugt. Dadurch werden im Rahmen 12 und in der Glasskala, die im Rahmen 12 enthalten ist, Durchbiegungen und Störungen erzeugt. Darüber hinaus können sich die Schrauben 20, welche den Rahmen 12 fest befestigen, lockern und die relative Position des Rahmens 12 in Bezug zum Maschinenkörper kann sich ändern. Dies kann zu einem Verlust an Messgenauigkeit führen. Aus diesem Grund sollte eine Vorrichtung zur Reduzierung der thermischen Verspannungen im Befestigungsbereich des Rahmens 12 vorgesehen werden.
Um die oben genannten Probleme zu lösen, hat der vorliegende Anmelder in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2003-97936 ein Beispiel für eine Haltevorrichtung für den Rahmen 12 vorgeschlagen. Diese Haltevorrichtung ist in 2 (in perspektivischer Ansicht), 3 (in vergrößerter Frontansicht eines III-Teils von 2). und 4 (eine schematische Darstellung des Betriebszustands) dargestellt.
Bei diesem Beispiel ist zur dauerhaften Befestigung in einem zentralen Bereich des Rahmens 12 ein in einem mittleren Bereich liegender Befestigungsblock 30 vorgesehen, damit die relative Ausrichtung im Verhältnis zu einer Anschlussplatte 8 des Maschinenkörpers beibehalten wird. Zusätzlich ist an jedem der beiden Enden des Rahmens 12 ein endseitiger Befestigungsblock 32 vorgesehen. Der endseitige Befestigungsblock 32 umfasst einen Mechanismus 34 mit parallelen Blattfedern (parallel plate spring mechanism), der über einen Blattfedermechanismus 13 (plate spring mechanism) des Rahmens 12 mit dem Rahmen 12 verbunden ist, um die thermisch bedingte Verspannung zu verringern.
Falls der oben beschriebene Befestigungsblock 32 verwendet wird, wird die thermisch bedingte Verspannung über die Deformation einer Blattfeder 13A des Blattfedermechanismusses 13 und die Blattfedern 34A und 34B des Mechanismus 34 mit parallelen Blattfedern, absorbiert und verringert (entlastet), so wie dies in 4 dargestellt ist. Da der Rahmen 12 darüber hinaus dauerhaft mittels des im mittleren Bereich liegenden Befestigungsblocks 30 an seiner Mitte befestigt ist, bleibt die relative Ausrichtung im Verhältnis zur Anschlussplatte 8 unverändert.
Wie dies allgemein bei Blattfedern der Fall ist, hängen jedoch die Eigenschaften des Blattfedermechanismus und des parallelen Mechanismus mit Blattfedern, die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2003-97936 offenbart sind, stark von den Materialien der Teile, den Dicken T1 und T2 der Blattfedern, den Längen L1 und L2 der Blattfedern und Ähnlichem ab. Daher gibt es hinsichtlich der Größen und der Bearbeitungsgenauigkeiten Grenzen und die Teile sind schwierig herzustellen. Daher ist es beispielsweise schwierig, eine Verringerung der Größe der endseitigen Befestigungsblöcke 32 in der Querschnittsrichtung von 3 und eine Verringerung der Bauteilkosten zu erzielen.
US-A-4912856 offenbart die Verwendung einer metallischen Blattfeder, um auf eine Skala, welche sich in einem Gehäuse, das auf einem zu messenden Objekt befestigt ist, einen Druck auszuüben. US 4776098 offenbart die Verwendung von Längen kompensierenden Elementen in den Befestigungselementen, um die Skala an einem Objekt zu befestigen.
Darüber hinaus muss eine bauteilartige lineare Skala für eine manuell gesteuerte Werkzeugmaschine unter relativ extremen Temperaturbedingungen eingesetzt werden können. Um den Federmechanismus für derartige bauteilartige lineare Skalen für manuell gesteuerte Werkzeugmaschinen einsetzen zu können, sollten der Temperaturbereich und die Grenzen der verwendbaren Längen verbessert werden.
In Anbetracht der oben beschriebenen Probleme stellen unterschiedliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Befestigungsverfahren für eine Längenmesseinrichtung zur Verfügung, bei dem die Größen und die Bearbeitungsgenauigkeiten der Längenmesseinrichtung weniger eingeschränkt sind, welches auf einfache Weise hergestellt werden kann und welches in relativ extremen Temperaturumgebungen bei einer manuell gesteuerten Werkzeugmaschine oder Ähnlichem eingesetzt werden kann und bei dem die Größe und die Kosten verglichen mit Mechanismen mit parallelen Blattfedern verringert werden können. Um die obige Aufgabe zu lösen, stellen unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung eine elastische Haltevorrichtung zur Verfügung, welche zur Befestigung einer Längenmesseinrichtung an einem zu messenden Objekt verwendet wird und die in einer Längsrichtung der Längenmesseinrichtung elastisch verformbar ist. Die elastische Haltevorrichtung umfasst eine Blattfeder, welche U-förmig geformt ist und an beiden Enden Befestigungsbereiche aufweist, wobei ein Befestigungsbereich starr mit der Längenmesseinrichtung verbunden ist und der andere Befestigungsbereich starr mit dem zu messenden Objekt verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfeder eine metallfolienartige Blattfeder ist, die durch eine gebogene Platte ausgebildet ist, und deren Befestigungsbereiche zumindest ein Loch aufweisen, welches an beiden Enden durch die Blattfeder hindurch geht, um diese mit Hilfe von Schrauben starr mit der Längenmesseinrichtung bzw. mit dem zu messenden Objekt zu verbinden.
Unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung stellen ebenfalls ein Verfahren zur Befestigung einer Längenmesseinrichtung unter Verwendung der oben beschriebenen elastischen Haltevorrichtung zur Verfügung.
Unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung stellen weiterhin ein Verfahren zur Befestigung einer Längenmesseinrichtung unter Verwendung der obigen Haltevorrichtung und von dauerhaften metallfolienartigen Haltevorrichtungen, die nicht über eine Blattfederfunktionalität verfügen, zur Verfügung.
Gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung wird eine elastische Haltevorrichtung, welche einen metallfolienartigen Blattfedermechanismus aufweist, welcher in einer Längsrichtung der Längenmesseinrichtung elastisch verformbar ist, verwendet, um die Längenmesseinrichtung an einem zu messenden Objekt zu befestigen, welches einen unterschiedlichen linearen Expansionskoeffizienten aufweist. Dadurch sind die Größen und die Bearbeitungsgenauigkeiten der Haltevorrichtung weniger eingeschränkt, und die elastische Haltevorrichtung kann auf einfache Weise hergestellt werden. Darüber hinaus kann die elastische Haltevorrichtung unter relativ extremen Temperaturbedingungen bei einer manuell gesteuerten Werkzeugmaschine oder Ähnlichem eingesetzt werden. Darüber hinaus können die Größen und die Kosten der elastischen Haltevorrichtung im Verhältnis zu einem Mechanismus mit parallelen Federn verringert werden.
Diese und weitere neue Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mittels der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele deutlich.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei ähnliche Elemente in den Figuren mit gleichartigen Bezugszeichen versehen wurden. Es zeigen:
1 eine perspektivische Explosionsansicht, die ein Konfigurationsbeispiel einer konventionellen bauteilartigen linearen Skala zeigt;
2 eine perspektivische Ansicht, die ein Vergleichsbeispiel eines Rahmenbefestigungsmechanismusses, wie er vom vorliegenden Anmelder vorgeschlagen wird, zeigt;
3 eine vergrößerte Draufsicht auf einen III-Bereich von 2;
4 eine schematische Zeichnung, die den Betriebszustand des in den 2 und 3 gezeigten Vergleichsbeispiels darstellt;
5 eine frontale Ansicht, die eine teilweisen Aufbau gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
6A, 6B und 6C schematische perspektivische Ansichten, die die Eigenschaften der metallfolienartigen Befestigungen zeigen;
7 eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die ein Ende eines Aluminiumrahmens zeigt und
8 eine schematische Ansicht, die den Betriebszustand gemäß dem Ausführungsbeispiel zeigt.
Unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben.
5 zeigt in schematischer Ansicht einen Zustand, bei dem eine bauteilartige lineare Skala (eine Längenmesseinrichtung) 10 unter Verwendung einer elastischen Haltevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung an einer damit zu verbindenden Maschine (mating machine; ein zu messendes Objekt) befestigt ist.
In diesem Ausführungsbeispiel ist eine in Form eines metallfolienartigen Teils ausgebildete dauerhafte Haltevorrichtung 40 in der Mitte des Aluminiumrahmens 12 in dauerhafte Weise befestigt. Weiterhin ist ein aus einem folienartigen Metall (sheet metal) gefertigter gebogener Träger 42 oder 44 in der Längsrichtung des Rahmens 12 an jedem der Mehrzahl von Orten angeordnet, wobei die Mehrzahl von Orten die beiden Enden des Rahmens 12 mit umfassen (in 5 ist jedoch nur ein Ende dargestellt).
6A bis 6C stellen schematische perspektivische Ansichten der metallfolienartigen Teile 40, 42 bzw. 44 dar. Bei den Löchern, die in 6A bis 6C durch einen Kreis dargestellt sind, handelt es sich um Öffnungen, die mit einem Gewinde versehen sind. Die dauerhafte Haltevorrichtung 40 und die gebogene Trägerhaltevorrichtung 42 sind aus einem metallfolienartigen Teil gefertigt. Ein Ende der dauerhaften Haltevorrichtung 40 oder der gebogenen Trägerhaltevorrichtung 42 ist mit Hilfe einer Schraube 22 starr an einer seitlichen Oberfläche des Aluminiumrahmens 12 befestigt und das dazu andere Ende ist mit Hilfe einer weiteren Schraube 22 starr an einer damit zu verbindenden Maschine (ein zu messendes Objekt) befestigt, so wie dies in 5 dargestellt ist.
Die gebogene Trägerhaltevorrichtung 44 (curved beam fixture) ist an dem Längsende des Aluminiumrahmens 12 angeordnet. Ein Ende der gebogenen Trägerhaltevorrichtung 44 ist mit einer Schraube 22 starr mit einem, in der perspektivischen Ansicht der 7 vergrößert dargestellten unteren Rahmenteil 12A verbunden. Das dazu andere Ende der gebogenen Trägervorrichtung 44 ist mit einer weiteren Schraube 22 starr mit der damit zu verbindenden Maschine (mating machine) verbunden.
Gemäß dem oben beschriebenen Befestigungsverfahren bewegt sich der mittlere Bereich des Rahmens 12 gemeinsam mit der Maschine M, wenn sich die Umgebungstemperatur der damit zu befestigenden Maschine M, auf der der Aluminiumrahmen 12 sicher befestigt ist, ändert. In den anderen Bereichen des Rahmens 12 wird/werden die gebogene(n) Trägerhaltevorrichtung(en) 44 durch den relativen Längenunterschied, der durch die unterschiedlichen thermischen Expansionskoeffizienten des Rahmens 12 und der damit zu verbindenden Maschine M verursacht werden, elastisch verbogen (die Bewegung der Kanten ist in 8 schematisch dargestellt), so dass dadurch der relative Längenunterschied durch diesen Mechanismus absorbiert wird. Die gebogene Trägerhaltevorrichtung 42, die in dem mittleren Bereich zwischen der Mitte und dem Endbereich angeordnet ist, absorbiert ebenfalls relative Längenunterschiede in der gleichen Weise, wie oben beschrieben. Dadurch kann der Bezugsort für die Ausdehnung und das Zusammenziehen des Aluminiumrahmens 12 klar definiert werden, und darüber hinaus kann auch die Erzeugung thermisch bedingter Verspannungen unterdrückt werden.
Der oben beschriebene, in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2003-97936 offenbarte Mechanismus mit parallelen Bandfedern kann für Aluminiumrahmen 12 angewendet werden, die eine Länge von ungefähr einen Meter aufweisen. Wenn eine elastische Haltevorrichtung verwendet wird, die einen ähnlichen Mechanismus aufweist, wie der vom vorliegenden Anmelder in japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2004-301541 vorgeschlage ne Mechanismus, kann ein Aluminiumrahmen 12 mit einer größeren Gesamtlänge verwendet werden. Da jedoch ein Block extern an den seitlichen Oberflächen des Aluminiumrahmens 12 befestigt werden muss, vergrößert sich die Größe des Querschnitts einer Skaleneinheit.
Im Falle einer elastischen Haltevorrichtung, welche den gebogenen Trägermechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung nutzt, ist es demgegenüber nicht erforderlich, dass die Größe des Querschnitts einer Skaleneinheit groß sein muss. Darüber hinaus kann die elastische Haltevorrichtung für längere Rahmen verwendet werden (beispielsweise ungefähr zwei Meter).
Da konventionelle Mechanismen mit parallelen Blattfedern mittels abtragender oder ähnlicher Verfahren aus einem blockartigen Material hergestellt werden, ist deren Herstellung schwierig. Demgegenüber kann der gebogen Trägermechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung durch Metallplattenbearbeitung hergestellt werden, und dadurch ist seine Herstellung einfacher, als dies bei konventionellen Mechanismen der Fall ist, was zu einer Verringerung der Kosten führt.
Da der gebogene Trägermechanismus einen größeren Längenunterschied als konventionelle Mechanismen mit parallelen Blattfedern absorbieren kann, kann der gebogene Trägermechanismus mit weniger Einschränkungen hinsichtlich der Größe und der Kosten für eine manuell gesteuerte Werkzeugmaschine eingesetzt werden, bei der die Längenmesseinrichtungen bei relativ extremen Temperaturbedingungen betrieben wird, oder kann für Aluminiumrahmen 12 eingesetzt werden, die eine größere Länge aufweisen, wobei die erlaubte Größe der elastischen Verbiegung zur Absorption der Längenunterschiede des Rahmens 12 geändert werden muss.
Der U-förmig gebogene Träger wurde im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel als metallfolienartige Blattfeder ausgeführt. Es kann jedoch eine beliebig ausgebildete Blattfeder verwendet werden, solange die Blattfeder durch Metallplattenbearbeitung hergestellt werden kann. Obwohl die Größe der absorbierbaren Längenänderungen kleiner als bei den U-förmigen gebogenen Trägern ist, kann eine Blattfeder verwendet werden, welche beispielsweise in einer im Wesentlichen senkrecht liegenden Richtung verborgen wird, so wie dies bei parallelen Blattfedern der Fall ist.
Der Ort, an dem der Aluminiumrahmen 12 mittels permanenter Haltevorrichtungen 42, die keine Blattfederfunktion aufweisen, befestigt ist, ist nicht auf die Mitte des Aluminiumrahmens 12 beschränkt. Selbstverständlich kann der Befestigungsbereich auf einen beliebigen Ort entlang der Längsrichtung geändert werden.

Claims

Elastische Haltevorrichtung (42, 44) zur Befestigung einer Längenmesseinrichtung (12) an einem zu messenden Objekt (M), wobei die Haltevorrichtung in einer Längsrichtung der Längenmesseinrichtung elastisch verformbar ist, wobei die elastische Haltevorrichtung (42, 44) umfasst: eine Blattfeder, welche U-förmig geformt ist und an beiden Enden Befestigungsbereiche aufweist, wobei ein Befestigungsbereich starr mit der Längenmesseinrichtung verbunden ist und der andere Befestigungsbereich starr mit dem zu messenden Objekt verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfeder eine durch eine gebogene Platte gebildete metallfolienartige Blattfeder ist und die Befestigungsbereiche zumindest ein Loch aufweisen, welches an jedem Ende der Blattfeder vorgesehen ist, um jedes Ende mit Hilfe von Schrauben (22) starr mit der Längenmesseinrichtung (12) bzw. dem zu messenden Objekt (M) zu verbinden.
Verfahren zur Befestigung einer Längenmesseinrichtung an einem zu messenden Objekt, aufweisend: Verwendung einer elastischen Haltevorrichtung, welche eine Blattfeder mit einer U-förmigen Form sowie Befestigungsbereiche an beiden Enden aufweist, und starre Befestigung eines Befestigungsbereichs an der Längenmesseinrichtung und starre Befestigung des anderen Befestigungsbereichs an dem zu messenden Objekt, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfeder eine durch eine gebogene Platte gebildete metallfolienartige Blattfeder ist und die Befestigungsbereiche an jedem Ende zumindest ein durch die Platte hindurch gehendes Loch aufweisen; und wobei die elastische Haltevorrichtung mittels Schrauben (22) starr mit der Längenmesseinrichtung (12) und dem zu messenden Objekt (M) verbunden ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die elastische Haltevorrichtung weiterhin eine dauerhafte metallfolienartige Haltevorrichtung (40) aufweist, welche keine Blattfederfunktion aufweist.