CN1257381C - 整体型线性位移测量装置、端部夹具及固定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种整体型线性位移测量装置、端部夹具及固定方法。固定到框架体在长度测量方向上的一端的端部固定块具有能够吸收框架体热膨胀的平行板簧机构。框架体具有设置在由端部固定块所固定的框架体一端的板簧机构，板簧机构能够吸收框架体一端在垂直于热膨胀发生方向的方向上的偏转。

Description

整体型线性位移测量装置、 端部夹具及固定方法

技术领域

本发明涉及一种具有与容纳主刻度尺的框架体一体形成的探测头的整体型线性位移测量装置，其中，探测头基于沿着主刻度尺移动的分度刻度尺的相对移动量来探测纵向移动量，并涉及用于该装置的端部夹具以及利用该夹具的固定方法。

背景技术

在机床、工业机器等中，用于探测彼此相对移动的要测量目标(移动元件)的线性位移的装置用于诸如控制的目的。作为这种线性位移探测装置，一般使用整体型线性刻度尺，其中一体形成有容纳主刻度尺的细长框架体和容纳诸如分度刻度尺的探测部分的探测头，该探测头能够相对于框架体相对移动。

在整体型线性刻度尺中，主刻度尺一般结合到铝制的框架体内。框架体10大部分用螺钉12在多个位置处直接固定到机床、工业机器等的分段滑动部分(stage-sliding portion)上，如图6所示(这种类型称为多位置固定型)。或者，框架体10用螺钉12主要在其两端通过用于固定的固定块14固定到分段滑动部分上，如图7所示(这种类型称为两端固定型)。

然而，框架体10由铝制成，而框架体所固定的配合元件主要由铁制成，因此，由于周围温度的变化而发生如下问题。

即，一般来说，制成配合元件的铁的线性膨胀系数为11×10^-6，而制成框架体10的铝的线性膨胀系数为23×10^-6。在铝固定到铁上的情况下，铝的伸长由于线性膨胀系数的不同而受到限制，因此出现热应力。存在由于热应力而导致框架体内出现偏转和扭曲的可能性，并且由于框架体内的主刻度尺与框架体相配，因此精度下降。

尤其是，对于图7所示的两端固定型，该结构使得偏转或扭矩易于在框架体10内发生，从而明显发生上述趋势。

图8示出图7所示两端固定型的固定机构以及在周围温度升高情况下框架体偏转状态的示例。在图8中，框架体10和固定块14用螺钉16完全连接，而固定块14用螺钉12固定到配合表面(铁)8上(见图7)。

当周围温度在这种情况下升高时，框架体10趋于在图中左右方向(该方向设定为Z向)上伸长，而其伸长量大于配合表面8的伸长量。此时，框架体10在框架体10横截面图中向上方向(该方向设定为+Y方向)的位置处相对容易伸长。然而，框架体10在图中向下方向(该方向设定为-Y方向)上的伸长被固定块14约束，从而产生热应力。此外，由于热应力不是均匀分布在横截面Y方向上的力，因此这个热应力转化为相对横截面的弯曲力矩，从而框架体10在+Y方向上弯曲。当周围温度相反地下降时，框架体10由于相同的原因而在-Y方向上弯曲。

当框架体10如此弯曲时，其内部的主刻度尺也弯曲，导致精度下降。当热应力超过用于紧固框架体10和固定块14的紧固力时，在接合处发生偏移，从而与配合元件8的相对位置关系改变，这就构成了原点不确定的一个因素，并导致测量值相对于温度的可再现性变差的问题。

作为用于吸收框架体这种伸长的机构，JP-A-8-14819公开了一种技术，其中在每端设置诸如图9中所示的端部夹具18。在该端部夹具18中，决定Z方向上的刚度的重要尺寸为t和L。有必要使得L的尺寸较小，以符合近年来紧凑尺寸的要求，而为了降低在这种状态下出现热应力，也需要使t较小。在这种情况下，不可能获得能够承受诸如振动之类的外力的充分刚度。

发明内容

本发明就是为克服上述传统问题。本发明的目的是提供一种整体型线性位移测量装置，该装置能够通过主动吸收框架体由于环境温度的变化而造成的伸长来降低热应力的出现，同时确保了刚度，并提供了一种用于该装置的端部夹具和利用该夹具的固定方法。

为了实现上述目的，根据本发明，提供了一种整体型线性位移测量装置，其包括：在长度测量方向延伸并容纳主刻度尺的框架体；以及在框架体的长度测量方向上固定到一端上的第一端部夹具，该第一端部夹具具有能够吸收框架体热膨胀的平行板簧机构，其中，框架体具有设置在由第一端部夹具所固定的框架体一端上的板簧机构，并且该板簧机构能够吸收框架体一端在垂直于热膨胀发生方向的方向上的偏转；其中该平行板簧机构固定到该板簧机构上。

上述整体型线性位移测量装置优选地还包括：在框架体长度测量方向上固定到另一端上的第二端部夹具，该第二端部夹具具有能够吸收框架体热膨胀的平行板簧机构。

另外，上述整体型线性位移测量装置优选地还包括：固定到框架体长度测量方向上的大致中部上的中间部分固定块，并且该中间部分固定块具有比第一端部夹具更高的刚度。

另外，为了实现上述目的，提供了一种用于整体型线性位移测量装置的端部夹具，以用于在框架体长度测量方向上固定到一端上，从而将框架体固定到要被测量的物体上，该框架体容纳主刻度尺并在长度测量方向上延伸，所述端部夹具包括：能够吸收框架体热膨胀的平行板簧机构，其中所述框架体具有设置在由所述端部夹具所固定的框架体一端上的板簧机构，并且该板簧机构能够吸收框架体一端在垂直于热膨胀发生方向的方向上的偏转；其中该框架体通过该平行板簧机构和该板簧机构固定到所述端部夹具，并且该平行板簧机构固定到该板簧机构上。

此外，为了实现上述目的，提供了一种固定整体型线性位移测量装置的方法，其包括以下步骤：将要被测量的物体用第一端部夹具固定到框架体上，其中框架体在长度测量方向上延伸并容纳主刻度尺，该第一端部夹具在框架体长度测量方向上固定到一端上并具有能够吸收框架体热膨胀的平行板簧机构，其中所述框架体具有设置在由该第一端部夹具所固定的框架体一端上的板簧机构，并且该板簧机构能够吸收框架体一端在垂直于热膨胀发生方向的方向上的偏转；其中该框架体通过该平行板簧机构和该板簧机构固定到所述端部夹具，并且该平行板簧机构固定到该板簧机构上。

固定整体型线性位移测量装置的上述方法优选地还包括以下步骤：将要被测量的物体用第二端部夹具固定到框架体上，该第二端部夹具在框架体长度测量方向上固定到另一端上并具有能够吸收框架体热膨胀的平行板簧机构。

上述固定整体型线性位移测量装置的方法优选地还包括以下步骤：将要被测量的物体用中间部分固定块固定到框架体上，该中间部分固定块固定到框架体长度测量方向上的大致中间位置并具有比第一端部夹具更高的刚度。

附图说明

图1是说明根据本发明实施例的固定方法的透视图；

图2是示出根据该实施例的主要部分结构的放大正视图；

图3是说明根据本实施例的操作的放大正视图；

图4是说明在使用传统固定机构情况下周围温度变化时框架体偏转变化的示例的视图；

图5是说明在使用本发明实施例的情况下周围温度变化时框架体偏转变化的示例的视图；

图6是示出作为固定整体型线性刻度尺的传统方法的一个示例的多位置固定型的透视图；

图7是示出作为固定整体型线性刻度尺的传统方法的另一示例的两端固定型的透视图；

图8是解释传统问题的前视图；以及

图9是示出JP-A-8-14819中所提出的端部夹具的正视图。

具体实施方式

现在参照附图给出本发明实施例的描述。

如图1所示，框架体10的中间部分用具有较高刚度的中间部分固定块20固定到配合表面8上，且其在长度测量方向上的两端用一对端部固定块22固定到配合表面8上。如图2中详细示出的，每个端部固定块22具有能够吸收框架体10在Z方向上的热膨胀的平行板簧机构24。在框架体10的端部固定块22所固定的那一端，框架体10具有能够吸收框架体端部在垂直于发生热膨胀的Z方向的Y方向上偏转的板簧机构11。在此，假设框架体10在长度测量方向(Z方向)上的长度为L0。

端部固定块22的平行板簧机构24如下形成，即通过在端部固定块22中设置切口22A和空腔22B而使得两个板簧24A和24B垂直延伸而形成。在此，假设每个板簧24A和24B在长度测量方向(Z方向)上的宽度为T2。还假设空腔22B在垂直于长度测量方向的方向(Y方向)上的长度(即，每个板簧24A和24B在垂直于长度测量方向的方向上的长度)为L2。

框架体10的板簧机构11通过形成于左右方向(Z方向)延伸的板簧11A而构成，这是通过使框架体10端部在垂直于长度测量方向的方向上的高度缩短而实现的。在此，假设板簧11A在垂直于长度测量方向的方向(Y方向)上的宽度为T1。还假设框架体10的端部和固定到该端部上的端部固定块22的空腔22B的长度测量方向上的中间之间在长度测量方向上的距离为L1。

作为中间部分固定块20，使用如下的中间部分固定块20，即，其刚度远远高于端部固定块22的平行板簧机构24的刚度，或者远远高于框架体10的板簧机构11的刚度。

端部固定块22用螺钉固定到框架体10的两端上，而中间部分固定块20用螺钉固定到框架体10的中间。框架体10通过将三个固定块20和22固定到配合表面(未示出)上而固定，如图1所示。

以下，将参照图3给出本实施例的工作的描述。

例如，在周围温度升高的情况下，发生以下机械状况。即，由于与两端相比，在中间部分的刚度远远高出，因此，框架体10相对于中间向左侧和右侧均匀伸长。于是，框架体10的伸长原点被设定，改善了原点相对于温度变化的稳定性，并且改善了状况的可重现性。在左端和右端之间由于左侧和右侧板簧机构11和24的弹性系数变化而造成相对刚度不同的情况下，这也是可以实现的。

另外，由于框架体10的伸长由设置在相应端部固定块22内的平行板簧机构24的板簧24A和24B的偏转而吸收，故有可能降低热应力的产生。由于端部固定块22的平行板簧机构24为平行板簧，当框架体10出现伸长时，在除长度测量方向之外的方向上(图3的向上方向上)也会发生位移。然而，由于该位移由框架体10两端的板簧机构11的板簧11A的偏转所吸收，因此作为原点的框架体10的中间不会出现偏转。于是，降低了框架体由于温度变化而出现的偏转和应变，并且可以降低由于温度变化而造成的精度下降和框架体的偏移，由此提高了原点的稳定性。

另外，由于端部固定块22的板簧24A和24B具有平行的板簧结构，因此有可能使刚度相对于除长度测量方向之外的方向的衰减最小。于是，在保持相对于外力的特性，如抗振特性之后，可以进一步改善温度特性。

应指出的是中间部分固定块20所设置的位置不局限于框架体10的中间，而可以设定在任意位置，且其位置可以设定到框架体10的伸长原点上。

[示例]

铁用作配合元件的材料，而铝用作框架体10的端部固定块22的材料，以便在周围温度从20℃变化到40℃时吸收总长L0＝530mm的框架体10的伸长并减小其偏转。图2中相应的尺寸设定为L1＝4.5mm、T1＝2mm、L2＝13mm、T2＝1.2mm。

图4和5示出了在装置固定到由铁制成的配合元件的配合表面8上的状态下，当周围温度从20℃变化到30℃并进一步变化到40℃时，框架体10偏转变化的考察结果。在使用传统固定机构的图4中，由于周围温度上升而在图8中+方向上的偏转出现80到90μm，相反，在使用本发明实施例的图5中，偏转变化在10到20μm附近，且可以确认到改进为降低到传统水平的1/4。

虽然已经给出了本发明的具体描述，但是本发明不局限于上述实施例，而是在不背离本发明要点的范围内可以作出各种改进。

例如，框架体和固定块的材料不限于铝。另外，取代根据本发明的将中间部分通过具有较高刚度的中间部分固定块固定且将两端通过端部固定块固定，根据本发明，一端可以通过具有较高刚度的固定块固定，而另一端可以通过端部固定块固定。

根据本发明，有可能减小由于周围温度变化造成的框架体的偏转或应变的发生，并降低与配合表面的相对位置关系的偏移。于是，提供了显著的优点，即，有可能减小由于周围温度变化而造成的精度下降，并有可能改善与机械状况相关的可靠性。

Claims (7)

1.一种整体型线性位移测量装置，包括：

在长度测量方向延伸并容纳主刻度尺的框架体；以及

固定到所述框架体在长度测量方向上的一端上的第一端部夹具，且该夹具具有能够吸收所述框架体热膨胀的平行板簧机构，

其中，所述框架体具有板簧机构，该板簧机构设置在由所述第一端部夹具固定的所述框架体的一端，且能够吸收所述框架体一端在垂直于热膨胀发生方向的方向上的偏转；

其中该平行板簧机构固定到该板簧机构上。

2.如权利要求1所述的整体型线性位移测量装置，其特征在于，还包括：

固定到所述框架体在长度测量方向上的另一端的第二端部夹具，该第二端部夹具具有能够吸收所述框架体热膨胀的平行板簧机构。

3.如权利要求1所述的整体型线性位移测量装置，其特征在于，还包括：

固定到所述框架体在长度测量方向上的中间位置处的中间部分固定块，该中间部分固定块具有比所述第一端部夹具更高的刚度。

4.一种用于整体型线性位移测量装置的端部夹具，用于固定到框架体长度测量方向上的一端上，从而将所述框架体固定到要测量的物体上，该框架体容纳主刻度尺并在长度测量方向上延伸，所述端部夹具包括：

能够吸收所述框架体的热膨胀的平行板簧机构，

其中，所述框架体具有板簧机构，该板簧机构设置在由所述端部夹具固定的所述框架体的一端，且能够吸收所述框架体一端在垂直于热膨胀发生方向的方向上的偏转；

其中所述框架体通过该平行板簧机构和该板簧机构固定到所述端部夹具，并且该平行板簧机构固定到该板簧机构上。

5.一种固定整体型线性位移测量装置的方法，包括以下步骤：

将要被测量的物体用第一端部夹具固定到框架体上，其中框架体在长度测量方向上延伸并容纳主刻度尺，所述第一端部夹具固定到所述框架体在长度测量方向上的一端上并具有能够吸收所述框架体热膨胀的平行板簧机构，

其中，所述框架体具有板簧机构，该板簧机构设置在由所述第一端部夹具固定的所述框架体的一端，且能够吸收所述框架体一端在垂直于热膨胀发生方向的方向上的偏转；

其中所述框架体通过该平行板簧机构和该板簧机构固定到所述端部夹具，并且该平行板簧机构固定到该板簧机构上。

6.如权利要求5所述的固定整体型线性位移测量装置的方法，还包括以下步骤：

将要被测量的所述物体用第二端部夹具固定到所述框架体上，所述第二端部夹具固定到所述框架体在长度测量方向上的另一端上并具有能够吸收所述框架体的热膨胀的平行板簧机构。

7.如权利要求5所述的固定整体型线性位移测量装置的方法，还包括以下步骤：

将要被测量的所述物体用中间部分固定块固定到所述框架体上，所述中间部分固定块固定到所述框架体在长度测量方向上的中间部分并具有比所述第一端部夹具更高的刚度。

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