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Die Erfindung betrifft ein Koordinatenmessgerät, das eine Einrichtung zum Bestimmen von Koordinaten einer momentanen Position eines Sensors aufweist. Die Bestimmungseinrichtung weist einen Messwertgeber auf, der bei einer Bewegung des Sensors entlang der Koordinatenachse mitbewegt wird, oder sie weist einen Messwertgeber auf, der (in Bezug auf die Koordinatenachse) nicht mitbewegt wird, wenn der Sensor entlang der Koordinatenachse bewegt wird. Z. B. weist die Bestimmungseinrichtung außerdem in an sich bekannter Weise einen Maßstab auf, wobei der Messwertgeber bei einer Bewegung relativ zu dem Maßstab Messsignale erzeugt, aus denen sich die Verschiebung des Messwertgebers bzw. des Maßstabes von einer Datenverarbeitungsanlage des Koordinatenmessgeräts berechnen lässt. Es sind jedoch auch andere Ausgestaltungen der Koordinaten-Bestimmungseinrichtung möglich.
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Koordinatenmessgeräte sind Temperaturänderungen ausgesetzt, beispielsweise durch Änderung der Umgebungstemperatur, aber auch durch Wärme, die beim Betrieb des Koordinatenmessgeräts selbst entsteht. Dadurch dehnen sich die Teile des Koordinatenmessgerätes aus (bzw. kontrahieren diese Teile), die eine Basis des Koordinatenmessgeräts (welche z. B. auf einer Granitplatte oder anderen erschütterungsarmen Unterlagen angeordnet ist) mit dem Sensor verbinden. Diese Teile schließen insbesondere die Bewegungsmechanik zum Bewegen des Sensors und z. B. auch einen langgestreckten Träger ein, der den Sensor trägt. Abhängig von der beim jeweiligen Typ des Koordinatenmessgeräts vorhandenen Ausgestaltung und Anordnung des Messwertgebers tragen daher unterschiedliche Teile des Koordinatenmessgeräts (genauer gesagt deren Expansions- und Kontraktionsverhalten aufgrund von Temperaturänderungen) zu einer Positionsänderung des Sensors bei, welche ohne eine Kompensation zu einem Fehler der Koordinaten-Bestimmungseinrichtung führen würde.
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Es ist möglich, diesen Effekt messtechnisch zu bestimmen und/oder zu berechnen und aus den vom Messwertgeber gelieferten Signalen einen entsprechend korrigierten Wert zu ermitteln.
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EP 0256 317 B1 beschreibt einen Lesekopf mit einer Optik zum Ablesen von Messpunkten auf einem Maßstab einer Werkzeugmaschine. Der Maßstab ist über einen Trägerstab mit einer Halterung am vorderen Endteil des Spindelstocks verbunden. Da der Trägerstab in dem auftretenden Temperaturbereich sich praktisch nicht ausdehnt, führt der Maßstab Bewegungen des vorderen Endteils des Spindelstocks aufgrund von Temperaturänderungen mit aus.
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Der Lesekopf bewegt sich nicht mit, wenn sich der Spindelstock in der Richtung der Maßstabsachse bewegt. Der Lesekopf ist über einen weiteren Trägerstab starr mit dem Maschinenständer verbunden, wobei der Spindelstock in der Richtung der Maßstabsachse relativ zu dem Maschinenständer verschiebbar geführt ist. Das Gehäuse des Lesekopfes ist über zwei Blattfedern an der Seitenwand des Ständers befestigt.
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Auch der Ständer kann sich erwärmen. Der weitere Trägerstab unterliegt praktisch keiner Wärmeausdehnung. Daher wirken sich Wärmedehnungen des Ständers nicht auf die Lage des Lesekopfes aus.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Koordinatenmessgerät bautechnisch so konstruiert sein, dass bei einer Expansion oder Kontraktion der genannten Teile, die den Sensor mit der Basis verbinden, auch eine Expansion oder Kontraktion von Teilen einer Kompensationseinrichtung stattfindet, die den Messwertgeber in eine entsprechende korrigierte Position bezüglich der Koordinatenachse bringen, deren Koordinate mit Signalen des Messwertgebers bestimmt werden soll. Diese Koordinate entspricht dann der momentanen Position des Sensors. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine solche Form der Kompensation.
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Aus dem Stand der Technik ist eine solche Kompensation aus der
US 4,815,213 bekannt. Diese Druckschrift beschreibt eine Vorrichtung zum Kompensieren der Messmittel zum Bestimmen der Position eines Sensors im Hinblick auf Temperaturunterschiede. Die Vorrichtung ist Teil eines Gerätes zum Messen einer ausgewählten Koordinate eines Punktes an einem Werkstück. Ein Messwertgeber, der sich bei Bewegung des Sensors relativ zu einem Maßstab bewegt, wird von einem Stab getragen, welcher sich in Richtung der geradlinigen Linearachse des Maßstabes erstreckt. Der Stab besteht aus einem Material, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient entweder sehr viel niedriger oder sehr viel höher als der thermische Ausdehnungskoeffizient von Teilen des Koordinatenmessgerätes ist, welche ohne diese Kompensation einen Positionsfehler des Sensors bewirken würden. Ob der thermische Expansionskoeffizient des Stabes höher oder niedriger ist, hängt davon ab, ob der Messwertgeber an den genannten Teilen des Koordinatenmessgerätes befestigt ist oder relativ zu diesen Teilen beweglich und an ruhenden Teilen des Koordinatenmessgerätes befestigt ist.
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Bei der Erzeugung der Messsignale durch den Messwertgeber können nicht nur in Längsrichtung eines Maßstabes, der sich geradlinig in Richtung der Koordinatenachse erstreckt, relative Positionsfehler auftreten. Vielmehr ist auch eine Verkippung und/oder Verdrehung des Messwertgebers um Achsen möglich, die quer zu der Längsachse des Maßstabes verlaufen. Auch solche Verkippungen oder Verdrehungen können zu einem Messfehler führen, insbesondere durch fehlerhafte Ablesung eines Maßstabes. Die in der
US 4,815,213 beschriebenen Arten der Befestigung des Messwertgebers gewährleisten nicht die stabile verkippungs- oder verdrehungsfreie Positionierung des Messwertgebers relativ zu dem Maßstab.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Koordinatenmessgerät der eingangs genannten Art anzugeben, wobei auch bei einer Verschiebung des Messwertgebers relativ zu einem zugeordneten, für die Messwertgewinnung durch den Geber genutzten Teil des Koordinatenmessgeräts aufgrund einer Temperaturkompensation eine Orientierung bzw. Drehstellung des Messwertgebers in gewünschter Form erhalten bleibt oder angepasst wird.
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Bei dem Sensor zum mechanischen und/oder optischen Abtasten eines Messobjekts, der zumindest entlang einer Koordinatenachse geradlinig bewegbar ist, kann es sich z. B. um einen beliebigen vorbekannten Sensor handeln. Für die Erfindung ist es nicht wesentlich, wie der Sensor gestaltet ist.
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Der Sensor kann geradlinig entlang einer Koordinatenachse bewegbar sein. Dies bedeutet aber nicht, dass das KMG eine Linearführung zum geradlinigen Bewegen des Sensors in genau der Richtung der Koordinatenachse (Richtung schließt den Fall einer parallelen Bewegung ein) aufweisen muss. Vielmehr kann die Bewegung des Sensors entlang der Koordinatenachse z. B. auch durch Überlagerung von geradlinigen Bewegungskomponenten in anderen Richtungen erfolgen. Dabei muss die Bewegung in Richtung der Koordinatenachse auch nicht kontinuierlich erfolgen, sondern kann z. B. auch stufenartig aus den geradlinigen Bewegungen in anderen Richtungen zusammengesetzt sein. Auch eine Bewegung des Sensors auf gekrümmten Bahnen ist möglich.
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Die Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen von Koordinaten einer momentanen Position des Sensors bezüglich der Koordinatenachse weist einen Messwertgeber auf, der relativ zu dem Sensor ruht, wenn der Sensor entlang der Koordinatenachse bewegt wird, d. h. der Messwertgeber wird mitbewegt. Alternativ oder zusätzlich weist die Bestimmungseinrichtung einen Messwertgeber auf, der bei einer Bewegung des Sensors entlang der Koordinatenachse nicht mitbewegt wird. In beiden Fällen kann für die Erzeugung des vom Geber zu erzeugenden Messsignals (wie aus dem Stand der Technik bekannt) z. B. ein Maßstab an einem dem Messwertgeber gegenüberliegenden Teil des KMG zugeordnet sein. Der Maßstab wird in dem Fall, dass der Messwertgeber mit dem Sensor mitbewegt wird, nicht mitbewegt. In dem Fall, dass der Messwertgeber bei einer Bewegung des Sensors entlang der Koordinatenachse nicht mitbewegt wird, wird das Teil mit dem Maßstab mitbewegt. Bei dem Maßstab handelt es sich z. B. um einen geradlinig in Richtung der Koordinatenachse verlaufenden Maßstab. Es sind jedoch auch andere Bestimmungseinrichtungen möglich. Z. B. könnte der Maßstab zweidimensional ausgestaltet sein.
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Ferner ist eine Stelleinrichtung zum Einstellen einer Position des Messwertgebers vorgesehen, um Effekte von Temperaturänderungen, wie in der Einleitung dieser Beschreibung beschrieben, zu kompensieren. Dabei kann die Stellrichtung, in der die Positionsänderung stattfindet, parallel zu der Koordinatenachse sein. Auch wenn dies der Regelfall ist, sind andere Konstruktionen von Koordinatenmessgeräten möglich. Z. B. kann ein langgestreckter Sensorträger, dessen thermische Ausdehnung zu kompensieren ist und der den Sensor trägt, sich nicht exakt in der Richtung der Koordinatenachse erstrecken. In diesem Fall kann auch die Stellrichtung anders gewählt werden, z. B. um die Längenänderung des Sensorträgers gleichzeitig bezüglich zwei zueinander senkrecht stehenden Koordinatenachsen auszugleichen. Zumindest aber sollte die Stellrichtung eine Wegkomponente in Richtung der Koordinatenachse haben.
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Erfindungsgemäß ist zusätzlich zu der Stelleinrichtung eine Halteeinrichtung zum Halten des Messwertgebers vorgesehen, wobei die Halteeinrichtung ausgestaltet ist, den Messwertgeber während einer von der Stelleinrichtung verursachten Positionsänderung des Messwertgebers zu halten.
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Durch die Kombination aus Stelleinrichtung und zusätzlicher Halteeinrichtung kann eine gewünschte Orientierung (insbesondere eine gewünschte Drehstellung um eine bestimmte Drehachse, die z. B. senkrecht zur Koordinatenachse verläuft) beibehalten oder in vorgegebener Weise verändert werden. Ferner hat die zusätzliche Halteeinrichtung den Vorteil, dass sie zumindest einen Teil des Gewichts des Messwertgebers tragen kann. Die Stelleinrichtung (die auch als Kompensationseinrichtung bezeichnet werden kann) kann daher konstruktiv einfacher ausgestaltet sein. Da der thermische Expansionskoeffizient des Materials der Stelleinrichtung sowie die Abmessungen der Stelleinrichtung exakt auf die zu kompensierende Längenausdehnung/Kontraktion der relevanten Teile des KMG angepasst sein sollten, wird dies durch eine einfache Konstruktion erleichtert.
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Bei der Stelleinrichtung handelt es sich insbesondere um ein passives Bauelement oder eine Kombination von passiven Bauelementen, das/die also lediglich aufgrund seiner/ihrer Abmessungen und aufgrund des thermischen Expansionskoeffizienten des oder der Materialien der Stelleinrichtung die Funktion der Temperaturkompensation erfüllt/erfüllen.
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Die Halteeinrichtung weist einen Haltebereich auf, der mit dem Messwertgeber verbunden ist, so dass der Messwertgeber gehalten wird. Z. B. handelt es sich bei dem Haltebereich um ein Ende eines Bauteils, welches beispielsweise mit dem Messwertgeber verschraubt ist. Ferner weist die Halteeinrichtung einen Befestigungsbereich auf, der an einem Teil des KMG befestigt ist. Dieser Befestigungsbereich einerseits und der Haltebereich andererseits verändern ihre Position relativ zueinander, wenn die Stelleinrichtung die Position des Messwertgebers verändert, d. h. wenn sich die Temperatur ändert.
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Auf diese Weise können der Haltebereich und der Befestigungsbereich insbesondere entlang der Koordinatenachse relativ zueinander beweglich sein. Unter ”entlang der Koordinatenachse” wird eine Beweglichkeit bzw. Bewegung exakt auf der Koordinatenachse oder parallel zu der Koordinatenachse verstanden. Dies gilt nicht nur für den Haltebereich und den Befestigungsbereich bzw. deren Relativbewegung.
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Die Halteeinrichtung kann jedoch in unterschiedlicher Weise ausgestaltet sein, um die Relativbeweglichkeit von Haltebereich und Befestigungsbereich zu ermöglichen.
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Insbesondere kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Halteeinrichtung zwei parallel zueinander verlaufende und voneinander beabstandete Stege aufweisen. Unter einem Steg wird ein Materialbereich (der optional auch aus verschiedenen Komponenten zusammengesetzt sein kann, z. B. aus einem Bündel Blattfedern, die sich in einer Richtung quer zur Längserstreckung des Steges nebeneinander befinden und die z. B. an einem Ende mit dem Befestigungsbereich und am anderen Ende mit dem Haltebereich verbunden, z. B. verschraubt sind) verstanden, der sich in einer Längsrichtung erstreckt und der zumindest in einer der sich quer zur Längsrichtung erstreckenden Richtungen wesentlich kleiner ist als in der Längsrichtung. Andere mögliche Begriffe für ”Steg” sind z. B. langgestrecktes Element oder stabförmiges Element. Dabei muss sich der Steg nicht geradlinig in der Längsrichtung erstrecken. Vielmehr führt gerade die durch die Stelleinrichtung bewirkte Temperaturkompensation dazu, dass der Steg sich im Allgemeinen nicht geradlinig in seiner Längserstreckung erstreckt.
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Z. B. weist jeder der Stege eine Dicke in der Stellrichtung von mindestens 0,3 mm und vorzugsweise z. B. 0,5 mm auf, wobei die Dicke z. B. maximal 2 mm ist, wenn der Steg aus Metall gefertigt ist. Bei der Verwendung von Blattfedern, wie erwähnt, kann der Steg auch eine größere Dicke aufweisen. Die Länge der Stege beträgt z. B. jeweils 20 bis 30 mm. Die Breite der Stege kann z. B. im Bereich von 5 bis 15 mm liegen.
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Vorzugsweise sind der Haltebereich, der Befestigungsbereich und die zwei voneinander beabstandeten Stege Bereiche desselben Materialstücks (z. B. aus Metall), d. h. diese Bereiche sind einstückig. Dadurch wird die Stabilität der Halteeinrichtung erhöht und es können Brüche bei Belastung vermieden werden. Es können auch mehr als zwei jeweils voneinander beabstandete Stege den Befestigungsbereich und den Haltebereich verbinden.
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Die Stege sind in der Stellrichtung, d. h. insbesondere parallel zu der Koordinatenachse, reversibel (insbesondere elastisch) verformbar.
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In einer speziellen Ausgestaltung werden lediglich die Stege reversibel verformt, während der Haltebereich und der Befestigungsbereich unverformt bleiben, wenn die Stelleinrichtung eine Positionsänderung des Messwertgebers durchführt.
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Alternativ oder zusätzlich zu der Ausgestaltung der Halteeinrichtung mit zwei parallelen Stegen kann die Halteeinrichtung eine Linearführung aufweisen (z. B. eine ölgelagerte oder luftgelagerte Linearführung), die den Haltebereich bei einer Bewegung relativ zu dem Befestigungsbereich geradlinig in der Stellrichtung führt. Ein Teil der Linearführung kann z. B. im Querschnitt schwalbenschwanzförmig ausgestaltet sein und sich senkrecht zu der Querschnittsebene bei unveränderter Querschnittsform in der Richtung erstrecken, in der der Haltebereich linearbeweglich ist. Außerdem kann eine entsprechende Aufnahme zur Führung des schwalbenschwanzförmigen Bereichs vorgesehen sein, die den Bereich in der Linearrichtung geradlinig führt. Die Stelleinrichtung, die z. B. durch einen in der Stellrichtung langgestreckten Stab gebildet ist, ist z. B. mit dem Haltebereich verbunden. Die Verbindung kann z. B. durch Hartlöten hergestellt sein, um die Positionsänderung sowohl auf Druck als auch auf Zug zu gewährleisten. Bei geeigneten Materialpaaren (Material der Stelleinrichtung einerseits und des Haltebereichs andererseits) können die Materialien auch miteinander verschweißt sein. Auch Verschrauben oder Festklemmen ist möglich.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Koordinatenmessgeräts mit folgenden Schritten:
- – Anordnen eines Sensors zum mechanischen und/oder optischen Abtasten eines Messobjekts an einer Bewegungseinrichtung, so dass der Sensor zumindest entlang einer Koordinatenachse bewegbar ist,
- – Vorsehen einer Einrichtung zum Bestimmen von Koordinaten einer momentanen Position des Sensors bezüglich der Koordinatenachse, wobei als Bestandteil der Einrichtung ein Messwertgeber vorgesehen wird, der bei einer von der Bewegungseinrichtung verursachten Bewegung des Sensors, entlang der Koordinatenachse mitbewegt wird, oder wobei als Bestandteil der Einrichtung ein Messwertgeber vorgesehen wird, der nicht mitbewegt wird, wenn der Sensor durch die Bewegungseinrichtung entlang der Koordinatenachse bewegt wird,
- – Vorsehen einer Halteeinrichtung und Verbinden des Messwertgebers mit der Halteeinrichtung, so dass der Messwertgeber durch die Halteeinrichtung gehalten wird, und
- – Vorsehen einer Stelleinrichtung zum Einstellen einer Position des Messwertgebers in einer Stellrichtung, insbesondere entlang der Koordinatenachse, abhängig von der Temperatur,
wobei die Halteeinrichtung derart ausgestaltet wird, dass sie den Messwertgeber während einer von der Stelleinrichtung verursachten Positionsänderung hält.
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Weitere Ausgestaltungen des Herstellungsverfahrens ergeben sich aus den in dieser Beschreibung beschriebenen Varianten der Ausgestaltung eines Koordinatenmessgerätes.
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Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
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1 ein Koordinatenmessgerät (kurz: KMG) mit drei jeweils paarweise senkrecht zueinander stehenden Bewegungsachsen,
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2 eine vergrößerte Darstellung eines Teils des in 1 dargestellten Koordinatenmessgeräts, wobei der Teil den Messkopf und fest mit dem Messkopf verbundene Teile sowie einen anderen Teil des KMG zeigt, gegenüber denen der Messkopf linear und geradlinig bewegt werden kann,
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3 eine Ausschnittsvergrößerung eines Bereichs in 2, in dem sich eine Halteeinrichtung mit von der Halteeinrichtung gehaltenem Messwertgeber befindet,
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4 eine Stelleinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und eine Halteeinrichtung, die mit der Stelleinrichtung zusammenwirkt, und
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5 eine alternative Ausgestaltung einer Halteeinrichtung mit daran befestigtem Messwertgeber.
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Der in 1 dargestellte Teil 1 eines KMG weist eine Basis 15 auf, die beispielsweise durch das Portal eines KMG in Portalbauweise gebildet ist. Die Basis 15 stützt sich (nicht dargestellt) z. B. an ihrer Unterseite an einer Basisplatte und/oder an einem Messtisch zum Auflegen eines Messobjekts ab. Wie durch Bezugszeichen 14 angedeutet ist, weist das KMG einen ersten Schlitten auf, der in einer horizontal verlaufenden Richtung (X-Achse des Koordinatensystems des KMG) relativ zu der Basis 15 beweglich ist. An dem Schlitten ist ein weiterer Teil 13 des KMG befestigt, der sich in einer anderen horizontalen Richtung (Y-Richtung des KMG-Koordinatensystems), die senkrecht zu der ersten horizontalen Richtung ist, erstreckt. Gegen den weiteren Teil ist eine hoch (in Z-Richtung des Koordinatensystems des KMG) aufragende Konstruktion 9 in der Y-Richtung beweglich gelagert.
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An der Konstruktion 9 ist wiederum eine Schlittenführung 10 angeordnet, an der ein Schlitten 7 in Z-Richtung beweglich geführt ist, wobei an dem Schlitten 7, ein Sensorträger 4, daran ein Messkopf 5 und daran wiederum ein Taststift 3 mit Tastkugel 6 zum mechanischen Antasten des durch das KMG zu vermessenden Objekts angebracht sind. An Stelle des Messkopfes 5 könnte z. B. auch eine optisch arbeitende Messeinrichtung angeordnet sein. Auch ist es möglich, dass das Koordinatenmessgerät lediglich die Beweglichkeit in Z-Richtung ermöglicht und optional entweder die Beweglichkeit in X-Richtung oder Y-Richtung, d. h. die Bewegungseinrichtungen für die anderen Beweglichkeiten sind nicht vorhanden.
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Alle möglichen Bewegungen des KMG sind vorzugsweise motorisch angetrieben.
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Im Folgenden wird die Temperaturkompensation in Z-Richtung anhand von 2 und 3 näher beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine Temperaturkompensation in Z-Richtung beschränkt. Vielmehr könnte sich z. B. der in 2 näher dargestellte Sensorträger 4 mit seiner Längsachse auch in Y-Richtung erstrecken oder abgewinkelt sein, so dass er sich sowohl in Z- als auch in Y-Richtung erstreckt. In diesem Fall könnte die erfindungsgemäße Temperaturkompensation z. B. für die Y-Richtung oder sowohl für die Z- als auch für die Y-Richtung vorgenommen werden. Z. B. ist dann für jede zu kompensierende Koordinatenachse jeweils ein Messwertgeber vorgesehen, der von einer erfindungsgemäßen Halteeinrichtung gehalten wird.
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2 zeigt wiederum den Schlitten 7, einen sich mit seiner Längsrichtung in Z-Richtung erstreckenden Sensorträger 4, einen an dessen freiem Ende angeordneten Messkopf 5, der einen Taststift 3 mit am freien Ende liegender Tastkugel 6 aufweist. Der Schlitten 7 ist von der Führung 10 in Z-Richtung linear beweglich geführt. Der motorische Antrieb für diese Bewegung in Z-Richtung ist nicht dargestellt.
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Die Bewegung des Schlittens und damit des Messkopfes 5 in Z-Richtung erfolgt relativ zu einem nicht mitbewegten Teil 21, das jedoch, wie aus 1 erkennbar ist, gemeinsam mit dem Schlitten 7 z. B. in Y-Richtung oder in X-Richtung bewegt werden kann. An dem Teil 21 erstreckt sich in Z-Richtung ein Maßstab 23. An dem Schlitten ist über eine noch näher zu beschreibende Halteeinrichtung 25 ein Messwertgeber 27 befestigt, der sich folglich bei einer Bewegung des Schlittens 7 in Z-Richtung mitbewegt. Daher kann der Messwertgeber 27 mit dem nicht mitbewegten Maßstab 23 zusammenwirken und Signale erzeugen, aus denen sich die Position des Messkopfes 5 und damit der Tastkugel 6 berechnen lassen. Ein kurzes Stück einer Signalleitung 31 zur Übertragung der Signale des Messwertgebers 27 zu einer Auswertungseinrichtung ist aus 3 erkennbar.
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Außerdem weist der Schlitten 7 an seinem in 2 links vorne dargestellten Ende einen Vorsprung 28 auf, der z. B. durch eine an dem Schlitten 7 befestigte Metallplatte realisiert ist. Der Vorsprung 28 und die Halteeinrichtung 25 sind über einen Stab 26 miteinander verbunden. Die Länge des Stabes 26 und dessen Material sind so gewählt, dass eine Längenänderung des Sensorträgers 4 in Z-Richtung aufgrund einer Temperaturänderung durch eine Längenänderung des Stabes 26 kompensiert wird. In dem Ausführungsbeispiel bedeutet dies, dass sich bei Verlängerung des Sensorträgers 4 auch die Position des Messkopfes 5 in Z-Richtung nach rechts in 2 verschiebt. Ohne Kompensation würde dies zu einem Messfehler führen. Da der Sensorträger 4 länger ist als der Stab 26, ist aber das Material des Stabes 26 so gewählt, dass es einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als das Material des Sensorträgers 4. Der Stab 26 dehnt sich daher stärker aus und verschiebt den Messwertgeber 27 in Z-Richtung etwa genauso weit, wie sich das freie Ende des Sensorträgers 4 verschoben hat. Der Messwertgeber 27 stellt daher aufgrund der Kompensation die richtige veränderte Position des Messkopfes 5 fest.
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Da die Auslegung der Temperaturkompensation an sich bekannt ist, insbesondere die Verwendung eines Stabes, die Wahl der Länge des Stabes und die Wahl des Materials, wird hier nicht näher darauf eingegangen. Selbstverständlich aber kann bei der Auslegung der Temperaturkompensation nicht nur die Länge eines Sensorträgers berücksichtigt werden. Die Auslegung ist von der jeweiligen Konstruktion abhängig. In dem in 2 dargestellten Fall z. B. ist für die Auslegung außer dem Material des Sensorträgers und dessen Länge auch noch das Material des Schlittens 7 relevant, da sich der Stab 26 über die Länge des Schlittens 7 hinweg erstreckt und an dem Vorsprung 28 abstützt.
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In 3 ist der Bereich um den Messwertgeber und die Halteeinrichtung 25 vergrößert dargestellt. Man erkennt unten in 3 hinter dem Messwertgeber 27 verlaufend den Maßstab 23. Der Messwertgeber 27 ist über eine Verschraubung 39 mit einem Haltebereich 35 der Halteeinrichtung 25 verschraubt. Die Halteeinrichtung 25 ist mit Ausnahme der für die Verschraubung benötigten Teile wie Schrauben, Beilagscheiben oder dergleichen) einstückig gefertigt und weist außer dem Haltebereich 35 zwei Stege 36a, 36b sowie einen Befestigungsbereich 33 auf. Die zwei Stege 36a, 36b verbinden den Haltebereich 35 mit dem Befestigungsbereich 33. Der Befestigungsbereich 33 ist über eine Verschraubung (dargestellt sind zwei Schrauben 34) mit dem Schlitten 7 verbunden.
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3 zeigt die Stege 36a, 36b in einer Form, die darauf hinweist, dass durch eine Längenausdehnung des Stabes 26 eine Verschiebung des Haltebereichs 35 nach rechts vorne in 3 stattgefunden hat. Der Verlauf der Stege 36a, 36b von oben, d. h. vom Befestigungsbereich 33, nach unten, d. h. zum Haltebereich 35, ist dementsprechend leicht geschwungen, d. h. S-förmig. Da der Stab 26 fest mit dem Haltebereich 35 verbunden ist, kann diese Verformung wieder rückgängig gemacht werden, wenn sich der Stab 26 kontrahiert, weil die Temperatur sich erniedrigt. Grundsätzlich sind auch Stelleinrichtungen denkbar, die einen negativen Temperaturkoeffizienten haben, d. h. mit zunehmender Temperatur eine Kontraktion ausführen.
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4 zeigt eine Halteeinrichtung 25, wie in 3 beschrieben, jedoch ist die Stelleinrichtung zur Kompensation von Temperaturänderungen anders ausgeführt. Die Stelleinrichtung 40 gemäß 4 weist zwar wiederum einen Stab 43 auf, der an einem Ende mit dem Haltebereich 35 der Halteeinrichtung 25 verbunden ist. Die Positionsveränderung des Haltebereichs 35 findet jedoch nicht allein aufgrund einer Längenänderung des Stabes 43 statt.
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Die im Folgenden beschriebene Stelleinrichtung 40 kann nicht nur mit der in 4 dargestellten Halteeinrichtung 25 kombiniert werden. Vielmehr kann sie z. B. auch mit der anhand von 5 noch zu beschreibenden Halteeinrichtung kombiniert werden oder auch mit anderen Halteeinrichtungen.
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Die Stelleinrichtung 40 weist einen Abstützungsbereich 45 auf, der in dem speziellen Ausführungsbeispiel blockförmig ausgestaltet ist. Mit dem Abstützungsbereich 45 stützt sich die Stelleinrichtung 40 an einem Teil des Koordinatenmessgerätes ab, insbesondere z. B. an dem Schlitten 7 gemäß 2 und 3.
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An dem Abstützungsbereich 45 ist das eine Ende des Stabes 43 befestigt. Das andere Ende des Stabes 43 ist wie erwähnt an dem Haltebereich 35 (oder an einem Haltebereich einer anderen Halteeinrichtung) befestigt. Die Abstützung des Abstützungsbereichs 45 ist jedoch nicht derart ausgestaltet, dass sie den Abstützungsbereich 45 fest in Position und Ausrichtung zu dem abstützenden Teil hält. Vielmehr kann sich die Position und Ausrichtung, wie anhand dem in 4 im Hintergrund dargestellten Zustand erkennbar ist, verändern. Die Abstützung besteht im Ausführungsbeispiel lediglich darin, dass eine Torsion des Abstützungsbereichs 45 um eine in 4 vertikal verlaufende Torsionsachse verhindert wird.
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Der Abstützungsbereich 45 kann jedoch auch frei, d. h. ohne Abstützung gegen andere Teile des Koordinatenmessgeräts, ausgeführt und angeordnet sein. In diesem Fall liegt die Abstützungsfunktion des Abstützungsbereichs 45 lediglich darin, dass sich die Mehrzahl von Stäben der Stelleinrichtung 40 gegen den Abstützungsbereich 45 abstützen.
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Außer dem Stab 43 ist noch zumindest ein weiterer Stab 41, 42 vorhanden, im dargestellten Ausführungsbeispiel also zwei Stäbe 41, 42. Dieser zumindest eine Stab 41, 42 stützt sich an einem Ende seiner Längserstreckung an dem Befestigungsbereich 33 der Halteeinrichtung ab (oder an dem Befestigungsbereich 33 einer anderen Halteeinrichtung oder alternativ an einem Teil des KMG ab, an dem der Befestigungsbereich 33 befestigt ist). Am anderen Ende in Längserstreckung ist der zumindest eine Stab 41, 42 an dem Abstützungsbereich 45 befestigt. Dabei verlaufen der erste Stab 43 einerseits und der zumindest eine weitere Stab 41, 42 andererseits in einem Abstand zueinander und etwa parallel zueinander. Durch den Abstand kann, wie noch erläutert wird, eine entsprechend verstärkte Positionsveränderung des Haltebereichs erreicht werden.
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Der erste Stab 43 und der zumindest eine weitere Stab 41, 42 sind aus verschiedenen Materialien hergestellt, die unterschiedlich große thermische Ausdehnungskoeffizienten haben. Dabei kann, je nach Konstruktion des KMG und Anordnung der Stelleinrichtung an Teilen des KMG, sowohl der Fall verwirklicht werden, in dem der Ausdehnungskoeffizient des ersten Stabes 43 größer ist, als auch der Fall verwirklicht werden, in dem der Ausdehnungskoeffizient des Stabes 43 kleiner ist.
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Aufgrund der unterschiedlich großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ändern sich Längen der Stäbe 41, 42, 43 in unterschiedlicher Weise, wenn sich die Temperatur ändert.
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4 zeigt zwei Zustände. Bei dem im Hintergrund dargestellten Zustand handelt es sich um einen entspannten Zustand, in dem die Längen aller Stäbe 41, 42, 43 gleich groß ist. Bei dem im Vordergrund dargestellten Zustand handelt es sich um einen nach einer Temperaturänderung erreichten Zustand, in dem sich die Längen der Stäbe 41, 42, 43 in unterschiedlicher Weise verändert haben.
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Der im Hintergrund dargestellte Zustand entspricht z. B. einer normalen Raumtemperatur von z. B. 20°C. Der im Vordergrund dargestellten Zustand dagegen zeigt das Ergebnis einer Temperaturveränderung, aufgrund der sich die Länge des Stabes 41 stärker verlängert hat als die Länge des Stabes 42. Aufgrund des Abstandes der Enden der Stäbe 41, 42, 43 zueinander an dem Abstützungsbereich 45 wird der Unterschied in der Längenänderung entsprechend mechanisch übersetzt und führt zu einer Positionsänderung des Haltebereichs 35, wie dargestellt.
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Die anhand von 4 beschriebene Konstruktion der Stelleinrichtung hat den Vorteil, dass sie in Längsrichtung der Stäbe verhältnismäßig kurz gebaut sein kann, d. h. wenig Platz einnimmt. Auch kann, wie erwähnt, auf eine gesonderte Abstützung des Abstützungsbereichs verzichtet werden, so dass lediglich Befestigungen an dem Befestigungsbereich der Halteeinrichtung oder damit fest verbunden Teilen des KMG und an dem Haltebereich der Halteeinrichtung oder damit fest verbundenen Teilen des KMG erforderlich sind.
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5 zeigt eine alternative Halteeinrichtung und Teile des KMG, an der die Halteeinrichtung befestigt ist bzw. mit denen ein Messwertgeber 57 zusammenwirkt.
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An einem Teil 59 des KMG ist ein Befestigungsbereich 51 der Halteeinrichtung 50 befestigt. Über eine Führung 56 und einen z. B. schwalbenschwanzförmig in die Führung 36 eingreifenden vorspringenden Bereich 55 ist mit dem Befestigungsbereich 51 ein Haltebereich 52 verbunden. Die Führung 56 und der vorspringende Bereich 55 ermöglichen eine lineare geradlinige Bewegung des Haltebereichs 52 relativ zu dem Befestigungsbereich 51, wobei die Bewegungsrichtung senkrecht zu der Bildebene von 5 verläuft.
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An dem Haltebereich 52 ist ein Messwertgeber 57 befestigt. Ferner ist an einem weiteren Teil 60 des KMG, das bei Bewegung eines nicht dargestellten Sensors des KMG eine Relativbewegung bezüglich dem Teil 59 ausführt, ein Maßstab 53 angeordnet, der sich ebenfalls in der Richtung senkrecht zu der Bildebene von 5 erstreckt. Der Sensor kann ähnlich wie in 2 und 3 gezeigt mit dem Teil 59 verbunden sein. Alternativ kann der Sensor aber auch mit dem Teil 60 verbunden sein.
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Nicht dargestellt in 5 ist die zugehörige Stelleinrichtung zur Temperaturkompensation, welche sich an dem Haltebereich 52 oder damit fest verbundenen Teilen einerseits abstützt und die sich an dem Befestigungsbereich 51 oder damit fest verbundenen Teilen andererseits abstützt.
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Der Sensorträger 4 gemäß 2 oder ein anderes Teil des KMG, an dem der Sensor befestigt ist, kann z. B. aus Stahl gefertigt sein, z. B. aus Edelstahl. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 und 3, aber auch bei anderen Ausführungsformen, kann der Stab der Stelleinrichtung dann z. B. aus Aluminium gefertigt sein, wobei der Schlitten z. B. aus Grauguss besteht.
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Gegenüber den vor der Figurenbeschreibung oder auch in der Figurenbeschreibung beschriebenen Ausführungsformen können Modifikationen vorgenommen werden und/oder zusätzliche Merkmale vorgesehen sein. Z. B. kann der zeitliche Verlauf der Temperaturkompensation durch die Stelleinrichtung an die langsame Temperaturänderung von Teilen des KMG mit großer Wärmekapazität angepasst werden. Hierzu wird zumindest ein Teil der Stelleinrichtung, z. B. der Stab 26 gemäß 2, gegen die Umgebung wärmegedämmt, z. B. durch Umhüllung mit einem wärmedämmenden Material.
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Stäbe der Stelleinrichtungen können z. B. einen kreisrunden Querschnitt quer zur Längserstreckung aufweisen oder auch jeden anderen möglichen Querschnitt.
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Anders als in den beigefügten Ansprüchen definiert, ist es auch möglich, die Stellfunktion, d. h. die Funktion der Temperaturkompensation, in die erfindungsgemäße Halteeinrichtung zu integrieren. Z. B. ist hierzu ein erster Steg, der den Befestigungsbereich mit dem Haltebereich verbindet, aus einem anderen Material ausgeführt als ein zweiter Steg, der den Befestigungsbereich mit dem Haltebereich verbindet. Durch Wahl der Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten für die beiden Stege kann die gewünschte Temperaturkompensation durch Positionsänderung des Haltebereichs erzielt werden. Der erste Steg dehnt sich z. B. bei einer Temperaturerhöhung stärker aus als der zweite Steg. Durch zusätzliche Einrichtungen, wie z. B. eine Kulissenführung, die die aufgrund der Temperaturkompensation bewirkte Bewegung des Haltebereichs auf einer vorgegebenen Bahn führt, kann verhindert werden, dass der Haltebereich und der Messwertgeber durch die Temperaturkompensation verkippt oder verdreht werden. Insbesondere kann so erreicht werden, dass sich der Messwertgeber bei einer Temperaturkompensation auf einer geraden Linie bewegt.
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Zusätzlich zu einem Stab der Stelleinrichtung (oder anders als gemäß den beigefügten Ansprüchen) kann eine andere Konstruktion zur Temperaturkompensation gewählt werden, z. B. eine Konstruktion mit zumindest einem Bimetallelement.
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Bei den anhand von 2 bis 5 beschriebenen Ausführungsformen der Kombination aus Halteeinrichtung und Stelleinrichtung handelt es sich um Konstruktionen, bei denen die Längenausdehnung der Stelleinrichtung und die Richtung, in der die Halteeinrichtung eine haltende Kraft auf den Messwertgeber ausübt, in einer Ebene liegen. Es finden daher keine Bewegungen in Richtungen quer zu dieser Ebene statt. Insbesondere finden keine Verdrehungen oder Verkippungen statt. Abhängig von der Ausgestaltung und Anordnung des Messwertgebers und sonstiger Teile der Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung von Koordinaten bezüglich zumindest einer Koordinatenachse des KMG können aber solche zusätzlichen Freiheitsgrade der Bewegung erwünscht sein. Die Erfindung ist daher nicht auf die eingeschränkten Freiheitsgrade beschränkt, die für die Ausführungsformen gemäß 2 bis 5 gelten. Z. B. kann bei der Temperaturkompensation eine Verdrehung des Messwertgebers um eine definierte Drehachse und um einen der Temperaturänderung entsprechenden Drehwinkel ausgeführt werden.
