CN102022962A - 长度测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及长度测量装置，它具有一个组件(1)，该组件包括一个支架(12)和一个固定其上的摩擦很小的比例尺(11)。支架(12)可位置固定地固定在被测物体(13)上，以便测定位置。此外，配置了一个夹具(3)，比例尺(11)用该夹具可在固定点(P)在避开支架(2)的情况下与被测物体(13)固定在一起。

Description

长度测量装置
技术领域
本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述的长度测量装置。
背景技术
正如EP 1 004 855 B1所述，这类长度测量装置用于测量长度和行程，特别是在机床加工时用于测量刀具相对于被加工的工件的相对运动，用于坐标测量仪，而且也扩大应用在半导体工业中。
长度测量装置具有一个由支架和比例尺组成的组件。支架的作用是使比例尺稳定并便于搬动。为了在被测物体上安装比例尺，支架具有固定在被测物体上的机构，例如螺纹孔以便与被测物体拧紧。支架用一种其膨胀系数与比例尺不同的材料制成。比例尺用紧固件固定在支架上，以便在温度变化时由于在支架和比例尺之间的不同的线膨胀而可在支架和比例尺之间实现尽可能无摩擦的移动。
在称为固定点的唯一部位上，比例尺与支架刚性连接。这种刚性连接是通过形状连接的方式来实现的。在这个位置上(从测量方向看去)，支架也刚性固定在被测物体上。
这种结构的缺点是，例如在用螺钉与被测物体连接时或在温度变化时，支架的张紧可导致固定点移动，从而导致测量不精确。
发明内容
所以本发明的目的在于提出一种具有高测量精度的、便于搬动和稳定的长度测量装置。
根据本发明，这个目的是通过权利要求1的特征来实现的。
本发明的诸多有利方案可从各项从属权利要求中得知。
根据本发明，长度测量装置具有一个由固定在支架上的比例尺组成的组件。比例尺用紧固件固定在支架上，该紧固件是这样设计的，即在温度变化时，支架相对于比例尺的线膨胀在测量方向内是尽可能没有摩擦的，因而是无力的，但是尽管如此，比例尺和支架作为一体的组件是可以搬动的。此时支架对比例尺起稳定作用。组件可固定在被测物体上，即支架具有用于固定在该被测物体上的紧固体，该紧固件可能特指螺钉。
使比例尺在测量方向内可移动地安装在该支架上的紧固件最好是一层能使比例尺吸附在支架上的夹层，该夹层例如可设计成液膜，比例尺通过该液膜借助毛细作用吸附到支架的表面上。
为了构成热零点，长度测量装置配有一个夹具，用该夹具可在避开支架的情况下把比例尺与被测物体固定在一个固定点上。这里所谓避开支架指的是该夹具不接触该支架并在比例尺和支架之间不作用约束力例如夹紧力。在固定点的位置上-从测量方向看去-，比例尺在测量方向内中间连接柔性紧固件的情况下也是被支撑着吸持在支架上的。如果该柔性紧固件为一层夹层，该夹层使比例尺的整个长度包括固定点大面积地吸附在支架上，这样支架支撑着比例尺的整个长度包括固定点，从而构成特别稳定的和抗振动的结构。
要指出的是，为了构成比例尺的热零点，该比例尺只在唯一的位置-从测量方向看去-与被测物体固定。而在全部其他位置，比例尺则是在测量方向内被隔离地固定在被测物体上。
一方面，夹具在比例尺的固定点上与比例尺连接，尤其是通过侧面夹紧在比例尺的相互相对的纵边上，另一方面，该夹具又可位置固定地固定在被测物体上。
如果比例尺用一种具有所谓零膨胀的材料制成，也即用一种线膨胀系数小于0.1×10-6K-1的材料制成，而支架则具有较大的线膨胀系数，这种结构是特别有利的。此时要考虑：
-如果测量分度设置在温度稳定的比例尺上，则可达到高精度和温度稳定的位置测量；
-通过用一种价格合理的材料制成支架，即可达到比例尺的稳定性；
-支架的热膨胀系数应与被测物体的热膨胀系数匹配。
附图说明
下面借助实施例来详细说明本发明。
其中附图表示：
图1第一长度测量装置；
图2图1长度测量装置的横截面II-II；
图3图1长度测量装置的示意俯视图；
图4该长度测量装置的透视图；
图5在固定点位置上用粘结连接的另一个长度测量装置的俯视图；
图6图5长度测量装置的截面图VI-VI；
图7在固定点位置上用形状连接的另一个长度测量装置的俯视图；
图8图7长度测量装置的截面图VIII-VIII。
具体实施方式
图1至4详细示出了本发明的第一实施例。其中，图1表示在测量方向X内延伸的长度测量装置的视图即图2的纵断面I-I，而图2则表示图1长度测量装置的横截面II-II，不带扫描装置。
这个长度测量装置由一个具有安装在支架12上的比例尺11的第一组件1以及一个在下面叫做扫描装置2的第二组件组成。为了在测量方向X内进行位置测量，组件1借助支架12固定在第一被测物体13上例如机床的床身上，而扫描装置2则固定在第二被测物体21上例如机床的刀架上。其中扫描装置2可在测量方向X内相对于组件1移动。
比例尺11由一种热膨胀系数α可忽略不计的材料制成，在0°至50°的温度范围内，α最好小于0.1×10-6K-1。这类材料尤指众所周知的商品名称为ZERODUR、SITAL和ULE的所谓零膨胀的玻璃。这类玻璃相对于金属具有的优点是，用普通的制造方法可制造良好的光学表面，在这种表面上可设置光学扫描的测量分度110。
例如比例尺11在其上侧带有反射光扫描刻线光栅形式的几纳米分度周期的光电扫描分度110。分度110是反射的相位衍射光栅或由在测量方向X内交替设置的反射和不反射的区域组成。在位置测量时，示意示出的扫描装置2对分度110进行扫描。
比例尺11是用第一紧固件固定在支架12上，该紧固件设计成使支架12相对于比例尺11不受阻碍地进行线膨胀。该紧固件最好是一层在测量方向X具有很小剪切刚度的粘附夹层，比例尺通过该夹层被粘附在支架12上。在所示例子中，该夹层为液膜14，比例尺11通过该液膜借助毛细作用吸附在支架12的表面上并大面积地贴合在支架12上。液膜14一方面把比例尺11牢固地吸附在支架12上，但另一方面又容许支架12在由于温度引起长度变化的情况下相对于比例尺11无摩擦地、因而无约束力地进行移动。特别是硅油适合作液膜14的材料。
支架12例如做成抗弯的和夹层或多层的结构，也即它由多个叠置的支架部分尤其是由第一支架部分121和第二支架部分122组成。第一支架部分是自稳定和抗弯的并用金属尤其是用在0°至50°温度范围内的热膨胀系数α约为12×10-6K-1的钢制成。第一支架部分121例如用螺钉或粘结固定在第一被测物体13上。为此，它在朝向它的被测物体13的一边具有在测量长度上延伸的固定面积，以便将其大面积地和抗振地固定在被测物体13上。
第二支架部分122用第二紧固件固定在第一支架部分121上。这个第二紧固件以有利的方式也是一层在测量方向X内具有很小剪切强度的例如高弹性粘结剂15形式的夹层。而这个第二支架部分122则起着中间支架的作用并形成液膜14的接触面。为此，第二支架部分122是一种例如用浮法玻璃制成的玻璃薄片，其热膨胀系数α在0°至50°的温度范围内约为7至9×10-6K-1。比例尺11用玻璃或玻璃陶瓷制成，且第二支架部分122用玻璃制成，是特别有利的，因为设置在两个玻璃面之间的液膜14具有这样的优点，即特别均匀而全面地并因而抗振地支承着比例尺11，从而提高了测量精度。
支架12的夹层结构还具有这样的优点，即由于温度变化所引起的不同的线膨胀不只是通过一个唯一的紧固件来补偿的。为此，所用材料的热膨胀系数从比例尺11至支架部分122是逐渐减小的，也即比例尺11的热膨胀系数小于第二支架部分122的热膨胀系数，第二支架部分122的热膨胀系数又小于第一支架部分121的热膨胀系数。比例尺11和第二支架部分122之间的不同的线膨胀通过例如夹层尤其是液膜14形式的第一紧固件进行无摩擦地补偿，而第二支架部分122和第一支架部分121之间的不同的线膨胀则通过例如夹层尤其是弹性粘结剂15形式的第二紧固件来补偿。
但支架12与可不同于图中示出的方式而做成整体。
为了构成比例尺11的所谓零点，比例尺11在固定点P借助夹具3例如通过螺钉31和/或销钉固定在被测物体13上。夹具3是这样设计的，即一方面比例尺11可单独地在固定点P位置固定地固定在该夹具上，另一方面在避开支架12的情况下，夹具3又可在测量方向X的某一位置固定在被测物体13上。所以夹具3从比例尺11到被测物体13构成搂抱状。比例尺11和支架12之间在测量方向X内的隔离作用例如通过液膜14来实现，通过夹具3的这种结构，在固定点P也保持隔离。为此，夹具3设计成不接触支架12并由此在比例尺11和支架12之间不引起例如夹紧力之类的约束力。通过这个措施，在比例尺11和被测物体13之间创造了一个完全隔离支架12的热稳定的固定点。
如图2横截面所示，像比例尺11与夹具3的固定那样，如果夹具3通过至少一个螺钉31或销钉固定在相同的位置-从测量方向X看去-，则是特别有利的。
比例尺11在固定点P位置固定地固定在夹具3上，而夹具3则布置在支架12侧旁向被测物体13延伸。为了避免在支架12上产生约束力，夹具3也在侧向离支架12一定的距离延伸。侧向限定垂直于测量方向X的方向并垂直于该方向，比例尺11、夹层14和支架12依序布置在该方向内。
在固定点P的位置-从测量方向X看去-，比例尺11也在夹入一层例如设计成液膜14的夹层的情况下支撑在支架12上。这样就构成一个特别稳定而又抗振的结构，因为比例尺11的整个长度包括固定点P全面地附着支撑在支架12上，所以支架12支撑比例尺11的整个长度包括固定点P。
夹具3与比例尺11的位置固定的固定是通过力连接方式来实现的，亦即比例尺被夹紧在它的两个相互平行延伸的纵边。比例尺11的这种夹紧是通过夹紧元件32夹紧比例尺11的一个纵边并用对应的纵边把比例尺11挤紧到挡块33上来实现的。夹紧元件32设计成滑块，该滑块借助至少一个螺钉34可垂直于测量方向X滑动，以使比例尺11通过相互对应的位置被位置固定地夹紧在夹具3上。
图3表示前述长度测量装置的示意俯视图。
图4表示该长度测量装置位于离测量方向未示出固定点有一定距离的某一位置的示意透视图。图中示出了由支架12即由第一支架部分121和第二支架部分122以及由比例尺11组成的组件1。为清晰起见，未示出夹层14和15。远离测量方向X的固定点，设置有比例尺11的支座4。支座4例如由带有导滚41的滚柱支座组成，所述导滚41在纵向侧接触比例尺11，这样比例尺11就可尽可能无摩擦地相对于支架12实现长度变化。所以支座4在支架12和比例尺11之间构成摩擦小的纵向导轨。为了调直比例尺11，可设置把比例尺11压到导滚41上的装置。这种压力可按熟知的方式通过弹力或磁力来产生，例如像文献EP 1 004 855 B1所述的那样。
下面比较详细地描述不同于上述实施方式的其它选择，其中，比例尺、支架、固定点和夹具分别沿用上述实施例的相同附图标记，因为在结构上是没有区别的。
比例尺11和夹具3之间在固定点P的力连接的另一种选择也可用粘结连接或形状连接的方式来实现位置固定的固定。
图5和6示意地示出了粘结方式的连接，即比例尺11在固定点P用粘结剂35固定在夹具3上，而夹具3则又是避开支架12固定在被测物体13上。
图7和8示意地示出了形状连接，即比例尺11在固定点P用形状连接啮合固定在夹具3上，而夹具3则又是避开支架12固定在被测物体13上。在本例中，夹具3的凸部36嵌入比例尺11的凹部37进行位置固定，由此产生的形状连接在测量方向X起位置固定的作用。
如果夹具3与比例尺11是固定在比例尺11的两个对称于比例尺11的中心和分度110的纵向边，则这两者的位置固定的全部方案都是特别有利的。所以局部连接的自持力对称作用在比例尺11上。
此外，如果夹具3在比例尺11上的固定是相对于比例尺11的高度的中心即在比例尺11的中性平面内进行，也是有利的。

Claims (10)

1.长度测量装置具有一个由支架(12)组成的组件(1)，在该支架上通过一个紧固机构(14)固定一个带有测量分度(110)的比例尺(11)，
其中紧固机构(14)是这样设计的，即在温度变化时，支架(12)可相对于比例尺(11)产生温度引起的线膨胀，且
组件(1)可用支架(12)固定在被测物体(13)上，
其特征为，
该长度测量装置在测量方向(X)的某一位置具有一个夹具(3)，比例尺(11)可用该夹具与被测物体(13)在避开支架(12)的情况下固定在固定点(P)。
2.按权利要求1的长度测量装置，其特征为，支架(12)与比例尺(11)具有不同的热膨胀系数。
3.按权利要求2的长度测量装置，其特征为，比例尺(11)用热膨胀系数小于0.1×10-6K-1的材料制成，而支架(12)则具有较大的热膨胀系数。
4.按权利要求3的长度测量装置，其特征为，支架(12)由这样相互连接的多个支架部分(121、122)组成，即在温度变化时，可在这多个支架部分(121、122)之间产生线膨胀，且与比例尺(11)连接的支架部分(122)的热膨胀系数小于可固定在被测物体(13)上的支架部分(121)的热膨胀系数。
5.按前述权利要求任一项的长度测量装置，其特征为，该紧固机构是一层夹层(14)，尤其是一层液膜，比例尺(11)通过该夹层粘附吸持在支架(12)上。
6.按权利要求5的长度测量装置，其特征在于，比例尺(11)整个长度包括固定点(P)用夹层(14)大面积地粘附吸持在支架(12)上，从而使支架(12)支撑比例尺(11)整个长度包括固定点(P)。
7.按前述权利要求任一项的长度测量装置，其特征为，比例尺(11)在固定点(P)位置固定地固定在夹具(3)上，而夹具(3)则布置在支架(12)侧旁并从支架(12)侧旁相隔一定距离延伸到被测物体(13)。
8.按前述权利要求任一项的长度测量装置，其特征为，夹具(3)设计成可在固定点(P)在比例尺(11)和夹具(3)之间产生形状连接。
9.按前述权利要求1至7任一项的长度测量装置，其特征为，夹具(3)设计成可在固定点(P)在比例尺(11)和夹具(3)之间产生力连接。
10.按前述权利要求1至7任一项的长度测量装置，其特征为，夹具(3)设计成可在固定点(P)在比例尺(11)和夹具(3)之间产生材料连接。
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