Die
Erfindung betrifft eine Messanordnung gemäß Patentanspruch 1.The
The invention relates to a measuring arrangement according to claim 1.
Eine
derartige Messanordnung bildet einen Bestandteil eines Positionsmesssystems,
mit dem durch Abtastung einer Maßverkörperung mittels einer hierfür vorgesehenen
Abtasteinrichtung die Position zweier zueinander beweglicher Bauteile,
z. B. zweier zueinander beweglicher Maschinenteile einer Werkzeugmaschine, ermittelbar
ist; bzw. die Messanordnung ist als ein Bestandteil eines solchen
Positionsmesssystems vorgesehen.A
Such measuring arrangement forms part of a position measuring system,
with the by scanning a material measure by means of a designated
Scanning device the position of two mutually movable components,
z. B. two mutually movable machine parts of a machine tool, determined
is; or the measuring arrangement is as a part of such
Position measuring system provided.
Bei
einem solchen Positionsmesssystem wird dem einen der zueinander
beweglichen Bauteile eine Maßverkörperung,
z. B. gebildet durch eine Messteilung, und dem anderen der zueinander
beweglichen Bauteile eine Abtasteinrichtung, z. B. gebildet durch
eine Abtastplatte, zugeordnet, mit der die Maßverkörperung abtastbar ist, z. B.
durch induktive, magnetische oder fotoelektrische Abtastung. Die
Maßverkörperung
kann hierbei sowohl als eine Inkrementalteilung ausgebildet sein,
durch deren Abtastung Positionsänderungen
der beiden Bauteile zueinander erfassbar sind, als auch als eine
absolut codierte Messteilung, durch deren Abtastung unmittelbar
die jeweilige aktuelle Lage der beiden zueinander beweglichen Bauteile
bestimmbar ist. Im erstgenannten Fall weist die Maßverkörperung
gegebenenfalls zusätzlich
zu der Inkrementalteilung Referenzmarken auf, um die durch Abtastung
der Inkrementalteilung gewonnenen Positionsänderungen der beiden zueinander
beweglichen Bauteile auf eine Referenzposition beziehen zu können und
somit Aussagen über
die Lage der beiden Bauteile zueinander treffen zu können.at
Such a position measuring system becomes the one of each other
movable components a material measure,
z. B. formed by a measurement division, and the other of each other
movable components a scanning device, for. B. formed by
a scanning, assigned, with which the material measure is scanned, z. B.
by inductive, magnetic or photoelectric scanning. The
Measuring standard
can be designed both as an incremental graduation,
by their sampling position changes
the two components are detectable to each other, as well as a
absolutely coded measuring graduation, by their sampling directly
the respective current position of the two mutually movable components
is determinable. In the former case, the material measure
optionally in addition
to the incremental graduation reference marks on to the by sampling
the incremental division obtained position changes of the two to each other
be able to refer to a reference position movable components and
thus statements about
to be able to meet the position of the two components to each other.
Weiterhin
kann es sich bei dem Positionsmesssystem vorliegend sowohl um ein
Längenmesssystem als
auch um ein Winkelmesssystem handeln.Farther
it can be present in the position measuring system both to a
Length measuring system as
also act around an angle measuring system.
Die
konkrete Ausgestaltung des Positionsmesssystems, in dem die erfindungsgemäße Messanordnung
verwendet werden soll, ist vorliegend nicht entscheidend, so dass
diesbezüglich
auf das Fachbuch Digitale Längen-
und Winkelmesstechnik: Positionsmesssysteme für den Maschinenbau und die
Elektronikindustrie von Alfons Ernst (Landsberg/Lech 1998) verwiesen
wird. Denn die vorliegende Erfindung ist vom Erfindungsprinzip her
unabhängig
von dem bei der Positionsmessung verwendeten Messverfahren.The
Concrete embodiment of the position measuring system in which the measuring arrangement according to the invention
is not critical here, so that
in this regard
to the textbook Digital Längen-
and angle measuring technology: Position measuring systems for mechanical engineering and the
Electronic industry directed by Alfons Ernst (Landsberg / Lech 1998)
becomes. Because the present invention is based on the principle of the invention
independently
from the measuring method used in the position measurement.
Von
Bedeutung ist vorliegend vielmehr die Ausgestaltung der Befestigung
zwischen dem jeweiligen zu messenden Bauteil und dem Trägerkörper der
zugeordneten Komponente der Messanordnung, also einer Maßverkörperung
oder einer zur Abtastung einer Maßverkörperung vorgesehenen Abtasteinrichtung.From
Significance is present rather the design of the attachment
between the respective component to be measured and the carrier body of
associated component of the measuring arrangement, ie a material measure
or a scanning device provided for scanning a material measure.
Zur
Befestigung eines eine Maßverkörperung
oder eine Abtasteinrichtung tragenden Trägerkörpers an einem zugeordneten
Bauteil, z. B. einem Maschinenbauteil, ist es bekannt, eine Schraubverbindung
zu verwenden. Hierbei besteht jedoch das Problem, dass Temperaturänderungen
zu einer Längenänderung
der Schraube führen
können,
die von der temperaturbedingten Änderung
der Ausdehnung der über
die Schraube miteinander verbundenen Elemente (zu messendes Bauteil
einerseits und Trägerkörper andererseits)
abweicht, da die letztgenannten Elemente typischerweise aus einem
anderen Material (insbesondere einem Glas oder glasartigen Werkstoff,
wie z. B. Zerodur) bestehen als die Schraube, für die z. B. Stahl oder Invar
(eine Eisen-Nickel-Legierung)
geeignete Materialien darstellen. Dies kann eine temperaturbedingte
Verlagerung der Position der am Trägerkörper vorgesehenen Maßverkörperung
bzw. Abtasteinrichtung zur Folge haben, was insbesondere dann die
Messgenauigkeit des Positionsmesssystems beeinträchtigt, wenn eine Messrichtung des
Positionsmesssystems mit der Erstreckungsrichtung der Schraube bzw.
mit der Richtung zusammenfällt, entlang
der das zu messende Bauteil und der zugehörige Trägerkörper des Positionsmesssystems
mittels der Schraube gegeneinander verspannt werden.to
Attachment of a measuring standard
or a carrying carrier carrying body on an associated
Component, eg. As a machine component, it is known a screw
to use. However, there is the problem that temperature changes
to a change in length
lead the screw
can,
that of the temperature-related change
the extent of the over
the screw interconnected elements (component to be measured
on the one hand and the carrier body on the other)
differs since the latter elements typically from a
other material (in particular a glass or vitreous material,
such as B. Zerodur) exist as the screw for the z. Steel or invar
(an iron-nickel alloy)
represent suitable materials. This can be a temperature related
Displacement of the position of the measure body provided on the carrier body
or scanning device result, what in particular the
Measuring accuracy of the position measuring system impaired if a measuring direction of the
Position measuring system with the extension direction of the screw or
coincides with the direction, along
the component to be measured and the associated support body of the position measuring system
be braced against each other by means of the screw.
Ausgehend
von den vorstehend beispielhaft genannten Materialien der zueinander
beweglichen Bauteile einerseits und der Schraube andererseits kann
die Schraube dabei insbesondere einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten
aufweisen als die besagten Bauteile.outgoing
of the above exemplified materials of each other
movable components on the one hand and the screw on the other
the screw in particular a larger thermal expansion coefficient
have as the said components.
Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Messanordnung der eingangs
genannten Art zu schaffen, bei der die Genauigkeit einer Positionsmessung
durch Temperaturschwankungen möglichst
wenig beeinträchtigt
wird.Of the
Invention is based on the problem, a measuring arrangement of the above
called type, in which the accuracy of a position measurement
as possible by temperature fluctuations
little affected
becomes.
Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
die Schaffung einer Messanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.This
Problem is inventively
the creation of a measuring arrangement with the features of the claim
1 solved.
Danach
stützt
sich die mindestens eine Schraube, über die das zu messende Bauteil
und ein zugeordneter Trägerkörper des
Positionsmesssystems (mit einer bestimmten Spannkraft) gegeneinander
verspannt sind, über
ein Zwischenelement (in Richtung der Vorspannkraft der Schraubverbindung)
an dem zu messenden Bauteil und/oder dem Trägerkörper ab, welches Zwischenelement
(entlang der Erstreckungsrichtung der Schraube und somit entlang
der Wirkrichtung der Vorspannkraft) einen größeren thermischen Längenausdehnungskoeffizienten
aufweist als das Material des zu messenden Bauteils und/oder das
Material des zugeordneten Trägerkörpers, jedenfalls
soweit dies die mittels der Schraube gegeneinander verspannten Bereiche (Flanschbereiche)
des zu messenden Bauteils und des Trägerkörpers betrifft.After that
supports
the at least one screw, over which the component to be measured
and an associated carrier body of the
Position measuring system (with a certain clamping force) against each other
are tense, over
an intermediate element (in the direction of the preload force of the screw connection)
on the component to be measured and / or the carrier body, which intermediate element
(Along the extension direction of the screw and thus along
the direction of action of the biasing force) has a greater thermal expansion coefficient
has as the material of the component to be measured and / or the
Material of the associated carrier body, anyway
as far as the by the screw against each other strained areas (flange areas)
relates to the component to be measured and the carrier body.
Die
Bereiche des zu messenden Bauteils sowie des zugeordneten Trägerkörpers, die
sich – entlang der
Erstreckungsrichtung der Schraube (axiale Richtung) betrachtet – zwischen
den Enden der Schraube befinden und auf die die von der Schraube
ausgeübte
Vorspannkraft einwirkt, um das zu messende Bauteil und den Trägerkörper gegeneinander
zu verspannen und somit aneinander zu befestigen, werden hier als
Flanschbereiche bezeichnet.The
Areas of the component to be measured and the associated carrier body, the
yourself - along the
Extent direction of the screw (axial direction) considered - between
located on the ends of the screw and on those of the screw
practiced
Biasing force acts to the component to be measured and the carrier body against each other
to brace and thus attach to each other, are here as
Flange areas designated.
Indem
das Material des mindestens einen Zwischenelementes (Kompensationselement)
sowie dessen Ausdehnung in axialer Richtung geeignet gewählt werden,
lassen sich dessen (durch das verwendete Material bestimmter) thermischer
Längenausdehnungskoeffizient
und dessen axiale Ausdehnung in der Richtung, entlang der die Vorspannkraft
der Schraube wirkt, so aufeinander abstimmen, dass sich bei Temperaturschwankungen
die Änderung
der (effektiven) Länge
der Schraube in axialer Richtung einerseits sowie die Änderung
der axialen Ausdehnung der beiden Flanschbereiche und der weiteren
zwischen den Stützabschnitten der
verwendeten Schraube verspannten Elemente, darunter insbesondere
das Zwischenelement, andererseits gegeneinander aufheben. Mit anderen
Worten ausgedrückt,
sollte eine durch Temperaturschwankungen verursachte Änderung
der axialen Ausdehnung der Schraube möglichst genauso groß sein wie
die Summe der Änderungen
der axialen Ausdehnung der zwischen den Enden der Schraube verspannten
Elemente, darunter insbesondere der Flanschbereich des zu messenden
Bauteiles, der Flanschbereich des Trägerkörpers sowie das Zwischenelement.By doing
the material of the at least one intermediate element (compensation element)
and its extension in the axial direction are chosen to be suitable,
can be its (determined by the material used) thermal
Coefficient of linear expansion
and its axial extent in the direction along which the biasing force
the screw acts, so coordinate that in case of temperature fluctuations
the change
the (effective) length
the screw in the axial direction on the one hand and the change
the axial extent of the two flange areas and the other
between the support sections of the
used screw tightened elements, including in particular
the intermediate element, on the other hand cancel each other. With others
In words,
should be a change caused by temperature changes
the axial extent of the screw should be as large as possible
the sum of changes
the axial extent of the strained between the ends of the screw
Elements, including in particular the flange of the measured
Components, the flange of the carrier body and the intermediate element.
Somit
lässt sich
das Zwischenelement derart ausgestalten, dass thermische Längenänderungen
der Schraube in axialer Richtung durch die Summe der Längenänderungen
der zwischen den Enden der Schraube verspannten Elemente, darunter
das besagte Zwischenelement, möglichst
weitgehend kompensiert wird. Hierdurch werden örtliche Verlagerungen der am
Trägerkörper der
Messanordnung vorgesehenen Maßverkörperung
bzw. Abtasteinrichtung bezüglich
des zu messenden Bauteiles minimiert und somit deren Auswirkungen auf
die Messgenauigkeit unterdrückt.Consequently
let yourself
the intermediate element designed such that thermal length changes
the screw in the axial direction by the sum of the length changes
the elements clamped between the ends of the screw, underneath
the said intermediate element, if possible
is largely compensated. As a result, local shifts of the am
Carrier body of
Measurement arrangement provided material measure
or scanning device with respect to
of the component to be measured minimized and thus their effects on
the measuring accuracy is suppressed.
Unter
der (effektiven) Länge
bzw. Ausdehnung der Schraube in axialer Richtung wird dabei vorliegend jeweils
deren Länge
zwischen den Stützabschnitten
der Schraube (wie z. B. Schraubenkopf und Mutter) verstanden, über die
die Schraube auf die zu verspannenden Flanschbereiche einwirkt.
In entsprechender Weise bezieht sich die axiale Ausdehnung der mittels
der Schraube gegeneinander verspannten Elemente, insbesondere der
Flanschbereiche und des Zwischenelementes, auf deren axiale Ausdehnung
zwischen den besagten Stützabschnitten
der Schraube.Under
the (effective) length
or expansion of the screw in the axial direction is present in each case
their length
between the support sections
the screw (such as screw head and nut) understood over the
the screw acts on the flange areas to be clamped.
Correspondingly, the axial extent of the means
the screw against each other strained elements, in particular the
Flange areas and the intermediate element, on the axial extent
between said support sections
the screw.
Vorteilhaft
wirkt die Schraube auf mindestens einen der Flanschbereiche über ein
solches Zwischenelement ein, dessen Ausdehnung in axialer Richtung
der Schraube und dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient – durch
Verwendung eines Materials mit einem entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten – derart gewählt sind,
dass die Spannkraft der Schraubverbindung bei Temperaturänderungen
an der Schraubverbindung, insbesondere an den beiden Flanschbereichen,
der Schraube und dem Zwischenelement, zumindest annähernd konstant
bleibt.Advantageous
the screw acts on at least one of the flange areas
such intermediate element, whose extension in the axial direction
the screw and its thermal expansion coefficient - through
Use of a material with a corresponding coefficient of expansion - are chosen such
that the clamping force of the screw connection with temperature changes
at the screw connection, in particular at the two flange areas,
the screw and the intermediate element, at least approximately constant
remains.
In
realen Messanordnungen lässt
sich in der Regel keine exakte Kompensation thermischer Längenänderungen
der Schraube mittels eines zugeordneten Zwischenelementes erreichen.
Denn in einer Messanordnung treten, wie in jedem realen System,
Toleranzen auf, etwa Fertigungstoleranzen hinsichtlich der axialen
Ausdehnung der Schraube und der mittels der Schraube verspannten
Flanschbereiche, Toleranzen hinsichtlich der thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der einzelnen Elemente der Messanordnung (etwa aufgrund von Schwankungen
in der Materialzusammensetzung, aufgrund von Abweichungen in der
jeweiligen Vorbehandlung eines Elementes, aufgrund von Materialalterung
usw.). Darüber
hinaus können
Temperaturänderungen
an den einzelnen mittels der Schraube verspannten Elementen lokal
unterschiedlich sein, so dass die Qualität der Kompensation eine thermischen
Längenänderung
der Schraube mittels des Zwischenelementes auch vom jeweiligen Temperaturprofil
abhängt.In
real measurement arrangements leaves
As a rule, no exact compensation of thermal changes in length
reach the screw by means of an associated intermediate element.
Because in a measuring arrangement occur, as in any real system,
Tolerances, such as manufacturing tolerances with respect to the axial
Extension of the screw and tightened by the screw
Flange areas, tolerances in terms of thermal expansion coefficients
the individual elements of the measuring arrangement (for example due to fluctuations
in the material composition, due to deviations in the
respective pretreatment of an element, due to material aging
etc.). About that
can out
temperature changes
locally on the individual elements clamped by the screw
be different, so that the quality of the compensation is a thermal
change in length
the screw by means of the intermediate element and the respective temperature profile
depends.
Zur
Reduzierung der Einflüsse
solcher Effekte ist dem Zwischenelement gemäß einer ersten Variante der
Erfindung mindestens ein Federmittel zugeordnet, dessen Deformierbarkeit
in axialer Richtung der Schraubverbindung unter der Wirkung äußerer Kräfte substanziell
größer ist
als die Deformierbarkeit der gegeneinander verspannten Flanschbereiche
des zu messenden Bauteiles und des Trägerkörpers sowie die Deformierbarkeit
der Schraube. Indem sich die Schraube zusätzlich über ein Federmittel an dem
zu messenden Bauteil bzw. dem zugeordneten Trägerkörper abstützt, werden die Auswirkungen
temperaturbedingter Längenänderungen
der Schraube auf die gegeneinander verspannten Flanschbereiche gedämpft und
wirken sich – soweit
sie durch das verwendete Zwischenelement nicht ohnehin kompensiert
werden – nur
geringfügig
auf die Ausdehnung der Flanschbereiche in axialer Richtung aus.
Dies wird weiter unten anhand von Schraubenkennlinien noch näher erläutert werden.to
Reduction of influences
Such effects is the intermediate element according to a first variant of
Invention associated with at least one spring means whose deformability
in the axial direction of the screw under the action of external forces substantially
is larger
as the deformability of the mutually braced flange areas
the component to be measured and the carrier body and the deformability
the screw. In addition, by the screw on a spring means on the
is supported to be measured component or the associated carrier body, the effects
temperature-related changes in length
damped the screw on the mutually braced flange and
affect - as far as
they are not compensated anyway by the intermediate element used
be - only
slight
to the extent of the flange in the axial direction.
This will be explained in more detail below with reference to screw characteristics.
Von
Bedeutung ist hierbei, dass die Deformierbarkeit der Federmittel
unter der Wirkung äußerer Kräfte substanziell
größer ist
als die Deformierbarkeit der Flanschbereiche bzw. umgekehrt die
Steifigkeit der Flanschbereiche substanziell größer ist als die Steifigkeit
der Federmittel. Vorteilhaft beträgt die Steifigkeit der Federmittel
weniger als Einhundertstel der Steifigkeit der Flanschbereiche in
axialer Richtung.From
Significance here is that the deformability of the spring means
Substantial under the influence of external forces
is larger
as the deformability of the flange areas or vice versa the
Rigidity of the flange is substantially greater than the stiffness
the spring means. Advantageously, the stiffness of the spring means
less than one-hundredth of the stiffness of the flange areas in
axial direction.
Um
zu verhindern, dass es aufgrund thermisch bedingter Änderungen
der Ausdehnung der Federmittel in radialer Richtung, also senkrecht
zur Erstreckungsrichtung der Schraube, zu ungewollten Änderungen der
Vorspannkraft der Federmittel kommt, sind diese vorteilhaft an mindestens
einem axialen Ende fest, z. B. stoffschlüssig, mit einem zugeordneten
Adapterstück
verbunden. Dieses Adapterstück
kann als ein von dem zu messenden Bauteil sowie dem Trägerkörper der
Messanordnung separates Bauteil ausgebildet sein, um eine eigenständige Handhabung
der Federmittel zu ermöglichen.
Ein entsprechendes Adapterstück
kann beispielsweise mit den Federmitteln durch ein Klebemittel verbunden
sein oder einstückig
an diesen angeformt sein, auch wenn für die Federmittel einerseits
und das Adapterstück
andererseits vorteilhaft unterschiedliche Materialien verwendet
werden. Insbesondere kann das Adapterstück aus demselben Material bestehen
wie dasjenige Flanschteil, an dem das Adapterstück anliegt, so dass Temperaturänderungen
zu einer gleichmäßigen Änderung
der Ausdehnung des Adapterstückes
einerseits sowie des zugeordneten Flanschbereiches andererseits
führen
und demnach keine Relativbewegung des Adapterstückes bezüglich des Flanschteiles in
radialer Richtung zur Folge haben.Around
to prevent it due to thermally induced changes
the expansion of the spring means in the radial direction, that is perpendicular
to the extension direction of the screw, to unwanted changes of
Preload force of the spring means comes, these are beneficial to at least
an axial end, z. B. cohesively, with an associated
adapter piece
connected. This adapter piece
can as a component to be measured and the carrier body of
Measuring arrangement be formed separate component to a stand-alone handling
to allow the spring means.
A corresponding adapter piece
For example, it can be connected to the spring means by an adhesive
be or in one piece
be formed on these, even if for the spring means on the one hand
and the adapter piece
on the other hand advantageously used different materials
become. In particular, the adapter piece may consist of the same material
like that flange part against which the adapter piece rests, so that temperature changes
to a uniform change
the extension of the adapter piece
on the one hand and the associated flange area on the other
to lead
and therefore no relative movement of the adapter piece with respect to the flange in
radial direction result.
Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung bilden die Federmittel zugleich das
Zwischenelement. D. h., sie dienen nicht nur zum Toleranzausgleich
sondern weisen zudem einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
auf, der – bei
Verwendung einer Feder geeigneter Ausdehung in axialer Richtung – zugleich
auch die erforderliche Kompensation von Längenänderungen der Schraube bewirkt.
Durch eine einstückige Ausbildung von
Federmittel und Zwischenelement wird die Zahl der Setzflächen minimiert
und somit auch Reibung reduziert.According to one
Development of the invention, the spring means at the same time form the
Intermediate element. That is, they are not just for tolerance compensation
but also have a thermal expansion coefficient
on, the - at
Use of a spring suitable extension in the axial direction - at the same time
also causes the required compensation of changes in length of the screw.
By a one-piece training of
Spring means and intermediate element, the number of setting surfaces is minimized
and thus reduces friction.
Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Figuren deutlich werden.Further
Details and advantages of the invention will become apparent in the following
Description of exemplary embodiments
be clear from the figures.
Es
zeigen:It
demonstrate:
1 eine
schematische Darstellung eines Positionsmesssystems zur Bestimmung
der Position zweier zueinander beweglicher Bauteile; 1 a schematic representation of a position measuring system for determining the position of two mutually movable components;
2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Schraubverbindung zur Befestigung eines Trägerkörpers des Positionsmesssystems
an einem der zu messenden Bauteile unter Verwendung eines Zwischenelementes; 2 a first embodiment of a screw for fastening a support body of the position measuring system to one of the components to be measured using an intermediate element;
3 eine
erste Abwandlung der Schraubverbindung aus 2; 3 a first modification of the screw 2 ;
4a eine
perspektivische Darstellung eines Zwischenelementes aus 3 zusammen
mit einem Adapterstück; 4a a perspective view of an intermediate element 3 together with an adapter piece;
4b eine
zweite perspektivische Darstellung des Zwischenelementes aus 3 zusammen
mit einem Adapterstück; 4b a second perspective view of the intermediate element 3 together with an adapter piece;
5a ein
Spannungsdreieck einer Schraubverbindung; 5a a voltage triangle of a screw connection;
5b ein
Spannungsdreieck einer Schraubverbindung mit einem zusätzlichen
Federmittel; 5b a voltage triangle of a screw with an additional spring means;
6 eine
zweite Abwandlung der Schraubverbindung aus 2; 6 a second modification of the screw 2 ;
7 eine
perspektivische Darstellung eines alternativ ausgebildeten Zwischenelementes
der Schraubverbindung aus 6. 7 a perspective view of an alternatively formed intermediate element of the screw from 6 ,
1 zeigt
schematisch ein Positionsmesssystem zur Bestimmung der Position
zweier zueinander beweglicher Bauteile M1, M2, zum Beispiel zweier
Maschinenteile einer Werkzeugmaschine. Zur Erfassung der Position
der beiden Bauteile M1, M2 zueinander ist an jedem der beiden Bauteile
M1, M2 jeweils ein Trägerkörper T1
bzw. T2 vorgesehen, von denen einer eine Maßverkörperung K und der andere eine
Abtasteinrichtung A in Form einer Abtastplatte zur Abtastung jener
Maßverkörperung
K trägt.
Im Ausführungsbeispiel
ist dabei die Abtasteinrichtung A an dem Trägerkörper T1 eines ersten der zueinander
beweglichen Bauteile M1, M2 angeordnet und die zugeordnete Maßverkörperung
K am Trägerkörper T2
des zweiten der zueinander beweglichen Bauteile M1, M2. Dabei kann
aber auch umgekehrt dem ersten Bauteil M1 die Maßverkörperung K und dem zweiten Bauteil
M2 die Abtasteinrichtung A zugeordnet sein. 1 schematically shows a position measuring system for determining the position of two mutually movable components M1, M2, for example, two machine parts of a machine tool. For detecting the position of the two components M1, M2 relative to each other, a support body T1 or T2 is provided on each of the two components M1, M2, one of which is a material measure K and the other is a scanning device A in the form of a scanning plate for scanning that material measure K. wearing. In the exemplary embodiment, the scanning device A is arranged on the support body T1 of a first of the mutually movable components M1, M2 and the associated material measure K on the support body T2 of the second of the mutually movable components M1, M2. In this case, conversely, the first component M1, the material measure K and the second component M2, the scanning A be assigned.
Das
in 1 dargestellte Positionsmesssystem ist so ausgebildet,
dass sich hiermit die Lage der beiden Bauteile M1, M2 zueinander
entlang einer Ebene (xy-Ebene) bestimmen lässt. Hierzu ist am dem zweiten Bauteil
M2 zugeordneten Trägerkörper T2
eine entsprechende flächige
Maßverkörperung
K, zum Beispiel in Form eines Kreuzgitters, vorgesehen. Diese wird
durch eine Abtasteinrichtung A (Abtastplatte) abgetastet, die am
dem ersten Bauteil M1 zugeordneten Trägerkörper T1 angeordnet ist.This in 1 shown position measuring system is designed so that hereby the position of the two components M1, M2 to each other along a plane (xy-plane) can be determined. For this purpose, a corresponding flat measuring scale K, for example in the form of a cross lattice, is provided on the second component M2 associated carrier body T2. This is scanned by a scanning device A (scanning plate), which is arranged on the first component M1 associated carrier body T1.
Obwohl
in 1 beispielhaft ein Kreuzgitter als Maßverkörperung
K dargestellt ist, können
im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch andere Maßverkörperungen
Anwendung finden. Sowohl Maßverkörperungen in
Form einer Inkrementalteilung (eindimensional oder zweidimensional,
wie z. B. in Form eines Kreuzgitters), mit denen Änderungen
der Position der beiden Bauteile M1, M2 zueinander bestimmbar sind,
als auch absolut kodierte Maßverkörperungen,
mit denen jeweils unmittelbar die Lage der beiden Bauteile zueinander
ermittelbar ist. Bei Maßverkörperungen
in Form einer Inkrementalteilung kann der jeweiligen Maßverkörperung
K außerdem
mindestens eine Referenzmarke zugeordnet sein, um eine Referenzposition
zu definieren, auf die die jeweiligen Positionsänderungen beziehbar sind.Although in 1 By way of example, a cross lattice is shown as a material measure K, other dimensional standards may also be used in the context of the present invention. Both dimensional scales in the form of an incremental graduation (one-dimensional or two-dimensional, such as in the form of a cross lattice), with which changes in the position of the two components M1, M2 are mutually determinable, as well as absolutely coded material measures, with each directly the position of two components to each other can be determined. In the case of material measures in the form of an incremental graduation, the respective measuring standard K can also be assigned at least one reference mark in order to define a reference position to which the respective position changes can be referred.
Auch
hinsichtlich der bei Abtastung der Maßverkörperung K mittels der Abtasteinrichtung
A verwendeten (physikalischen) Messprinzipien gibt es im Rahmen
der vorliegenden Erfindung keine Einschränkung; es können insbesondere die in diesem
Zusammenhang bekannten, üblichen
induktiven, magnetischen und fotoelektrischen Verfahren zur Abtastung
der Maßverkörperung
K mittels der Abtasteinrichtung A zur Anwendung kommen.Also
with respect to the sampling of the material measure K by means of the scanning device
A used (physical) measuring principles are in the frame
no restriction on the present invention; especially in this
Connection known, usual
inductive, magnetic and photoelectric scanning methods
the measuring standard
K by means of the scanner A are used.
Von
Bedeutung ist vorliegend die konkrete Ausgestaltung der Befestigung
zumindest eines der Trägerkörper T1,
T2 am zugeordneten Bauteil M1, M2, wobei hier beispielhaft die Verbindung
zwischen dem ersten Bauteil M1 und dem zugeordneten Trägerkörper T1
genauer betrachtet wird. Im Ausführungsbeispiel
der 1 trägt
jener Trägerkörper T1
die Abtasteinrichtung A (Abtastplatte) des Positionsmesssystems;
es kann jedoch dort stattdessen ebenso die Maßverkörperung K vorgesehen sein.Of importance in the present case is the concrete embodiment of the attachment of at least one of the support body T1, T2 on the associated component M1, M2, in which case, for example, the connection between the first component M1 and the associated support body T1 is considered in more detail. In the embodiment of 1 that carrier body T1 carries the scanner A (scanning plate) of the position measuring system; However, it may also be provided there the measuring standard K instead.
Zur
Verbindung des ersten Trägerkörpers T1
mit dem zugeordneten Bauteil M1 liegen jene beiden Elemente M1,
T1 über
einander zugewandte Oberflächen 100, 200 aneinander
an und sind im Bereich ihrer aneinander anliegenden Oberflächen 100, 200 mittels
einer in 1 nur angedeuteten, anhand der
nachfolgenden Figuren näher
zu erläuternden
Schraubverbindung miteinander verbunden, mit welcher die zwischen
den Enden der verwendeten Schraube(n) liegende Flanschbereiche 1, 2 des
Trägerkörpers T1
und des zugeordneten Bauteiles M1 gegeneinander verspannt werden.For connecting the first carrier body T1 to the associated component M1, those two elements M1, T1 lie over surfaces facing one another 100 . 200 to each other and are in the area of their abutting surfaces 100 . 200 by means of an in 1 only indicated, with reference to the following figures to be explained in more detail screwed together, with which the lying between the ends of the screw (n) used flange 1 . 2 the support body T1 and the associated component M1 are braced against each other.
Der
zweite Trägerkörper T2
und das zugehörige
Bauteil M2 können
ebenfalls als separate Bauelemente über geeignete Verbindungsmittel
aneinander befestigt sein; jedoch können der zweite Trägerkörper T2
und das zugehörige
Bauteil M2 auch durch ein einzelnes Bauelement gebildet werden.
In diesem Fall ist das zweite Bauteil M2 gleichzeitig als Trägerköper T2 ausgebildet.Of the
second carrier body T2
and the associated one
Component M2 can
also as separate components via suitable connecting means
be attached to each other; However, the second carrier body T2
and the associated one
Component M2 can also be formed by a single component.
In this case, the second component M2 is simultaneously formed as Trägerköper T2.
Wie
anhand 1 deutlich wird, fällt die Richtung a, entlang
der sich die zur Verbindung des ersten Trägerkörpers T1 und des zugeordneten
Bauteiles M1 verwendeten Schrauben erstrecken und entlang der dementsprechend
auch die von den Schrauben zur Verspannung der Flanschbereiche 1, 2 ausgeübten Kräfte wirken
(axiale Richtung a der Schraubverbindung), mit einer Messrichtung
x des Positionsmesssystems zusammen. Denn jene axiale Richtung a
der Schraubverbindung erstreckt sich parallel zur Messebene (xy-Ebene)
des Positionsmesssystems. Bei einer derartigen Anordnung ist von
besonderer Bedeutung, dass äußere Einflüsse, insbesondere
Temperaturänderungen,
möglichst
nicht zu einer Änderung
der Lage der am Trägerkörper T1
vorgesehenen Komponente der Positionsmesseinrichtung (Maßverkörperung
K oder Abtasteinrichtung A) relativ zu dem zugeordneten Bauteil
M1 führen,
was die Messgenauigkeit der Positionsmesseinrichtung beeinträchtigen
würde.As based on 1 becomes clear falls the direction a, along which extend the used for connecting the first support body T1 and the associated component M1 screws and along the accordingly also of the screws for clamping the flange 1 . 2 applied forces act (axial direction a of the screw), with a measuring direction x of the position measuring system together. Because that axial direction a of the screw extends parallel to the measuring plane (xy plane) of the position measuring system. In such an arrangement is of particular importance that external Influences, in particular temperature changes, as far as possible do not lead to a change in the position of the support body T1 provided on the component of the position measuring device (measuring scale K or scanner A) relative to the associated component M1, which would affect the accuracy of the position measuring device.
Dieses
Problem besteht allgemein, sofern zumindest eine Komponente der
axialen Richtung a der Schraubverbindung mit einer Messrichtung
des Positionsmesssystems zusammenfällt, sich also im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
auf die Messebene (xy-Ebene)
projizieren lässt.
Das heißt,
die vorstehend erläuterte Beeinträchtigung
der Messgenauigkeit als Folge von Temperaturänderungen kann nicht nur dann
auftreten, wenn die axiale Richtung a der Schraubverbindung parallel
zu einer Messrichtung verläuft,
also im Fall der 1 parallel zur Messebene (xy-Ebene),
sondern auch dann, wenn die axiale Richtung a der Schraubverbindung
schräg
zu einer Messrichtung verläuft
und dabei eine auf die Messrichtung projizierbare Komponente aufweist.This problem generally exists if at least one component of the axial direction a of the screw connection coincides with a measuring direction of the position measuring system, ie can be projected onto the measuring plane (xy plane) in the present exemplary embodiment. That is, the above-described deterioration of the measurement accuracy due to temperature changes can not only occur when the axial direction a of the screw connection is parallel to a measuring direction, that is, in the case of 1 parallel to the measuring plane (xy-plane), but also when the axial direction a of the screw extends obliquely to a measuring direction and thereby has a projected on the measuring direction component.
Beim
Zusammenfallen zumindest einer Komponente der axialen Richtung a
der Schraubverbindung mit einer Messrichtung des Positionsmesssystems
können
Temperaturschwankungen vor allem deshalb die Messgenauigkeit des
Positionsmesssystems beeinträchtigen,
weil die mittels der Schraubverbindung zu verbindenden Elemente
(zu messendes Bauteil M1 und Trägerkörper T1)
in der Regel aus einem anderen Material bestehen als die zur Verbindung
dieser beiden Elemente verwendete Schraube, so dass die besagten
Elemente hinsichtlich ihrer Längenausdehnung
unterschiedlich auf Temperaturänderungen
reagieren.At the
Coincidence of at least one component of the axial direction a
the screw connection with a measuring direction of the position measuring system
can
Temperature fluctuations above all therefore the measuring accuracy of the
Affect position measuring system,
because the elements to be connected by means of the screw connection
(Component M1 to be measured and carrier T1)
usually made of a different material than the compound
of these two elements used screw, so the said
Elements in terms of their length extension
different on temperature changes
react.
Die
Messgenauigkeit kann aber auch dann nachteilig beeinträchtigt werden,
wenn die Richtung a der Schraubverbindung senkrecht zur Messrichtung
verläuft.
In diesem Fall können
Temperaturschwankungen zu Verkippungen der gegeneinander verspannten
Flanschbereiche führen.The
Measuring accuracy can also be adversely affected,
if the direction a of the screw connection is perpendicular to the direction of measurement
runs.
In this case, you can
Temperature fluctuations to tilts of mutually braced
Lead flange areas.
So
bestehen die zur Verbindung eines Trägerkörpers eines Positionsmesssystems
an einem zugeordneten Bauteil verwendeten Schrauben regelmäßig aus
Stahl bzw. Invar (einer Eisen-Nickel-Legierung mit der Zusammensetzung
FeNi36), während
die mittels der Schraube zu verspannenden die Flanschbereiche des Trägerkörpers verbreitet
aus Glas, glasartigen Werkstoffen bzw. Glaskeramiken mit einem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten nahe Null, insbesondere kleiner als 0.1·10–6 1/K
in einem Bereich von 0 bis 50°C
bestehen, wie zum Beispiel SCHOTT's Zerodur oder CORNING's ULE (Ultra Low
Expansion glass). Dank ihrer thermischen Nullausdehnung und Homogenität haben
sich derartige Gläser
bzw. Glaskeramiken als Spiegelträger sowie
als Präzisionskomponenten
in der Lithographie durchgesetzt. In der Lithografie kommt das Material
in Wafer-Steppern und Wafer-Scannern zum Einsatz, um eine exakte
und reproduzierbare Positionierung der Wafer zu erreichen. Es dient
als Basismaterial für
Optiken sowie für
mechanische Konstruktionen. Die Erfindung eignet sich somit besonders
zur Montage eines eine Maßverkörperung
oder eines eine Abtasteinrichtung tragenden Trägerkörpers an einem Bauteil einer
Lithografie-Einrichtung,
da viele der genauigkeitsbestimmenden Bauteile einer Lithographie-Einrichtung aus einem
Material mit Nullausdehnung bestehen, nämlich aus einer. Glaskeramik
mit einem Ausdehnungskoeffizienten kleiner als = 0.1·10–6 1/K.Thus, the screws used to connect a support body of a position measuring system to an associated component regularly made of steel or Invar (an iron-nickel alloy with the composition FeNi36), while the means of the screw to be clamped the flange portions of the support body made of glass, glassy Materials or glass-ceramics with a coefficient of thermal expansion close to zero, in particular less than 0.1 · 10 -6 1 / K in a range of 0 to 50 ° C, such as SCHOTT's Zerodur or CORNING's ULE (ultra low expansion glass). Thanks to their zero thermal expansion and homogeneity, such glasses or glass ceramics have established themselves as mirror carriers as well as precision components in lithography. In lithography, the material is used in wafer steppers and wafer scanners in order to achieve an exact and reproducible positioning of the wafers. It serves as base material for optics as well as for mechanical constructions. The invention is therefore particularly suitable for mounting a measuring body or a support body carrying a scanning device on a component of a lithographic device, since many of the accuracy-determining components of a lithography device consist of a material with zero expansion, namely from a. Glass-ceramic with a coefficient of expansion smaller than = 0.1 · 10 -6 1 / K.
2 zeigt
für eine
einzelne Schraube 5 weitere Details einer Schraubverbindung,
die bei einem Positionsmesssystem der in 1 gezeigten
Art zur Verbindung eines der zu messenden Bauteile M1 mit dem zugeordneten
Trägerkörper T1
des Positionsmesssystems zur Anwendung kommen kann. Dabei wird nachfolgend
die durch das eine zu messende Bauteil M1, den zugeordneten Trägerkörper T1
sowie die Komponenten der Schraubverbindung gebildete Baugruppe,
welche einen Bestandteil des vollständigen Positionsmesssystems
bildet, als Messanordnung bezeichnet. 2 shows for a single screw 5 Further details of a screw connection, which in a position measuring system of 1 shown type for connecting one of the components to be measured M1 with the associated support body T1 of the position measuring system can be used. In the following, the assembly formed by the component M1 to be measured, the assigned carrier body T1 and the components of the screw connection, which forms a component of the complete position measuring system, is referred to as a measuring arrangement.
Gemäß 2 durchgreift
eine zur Verbindung jener beiden Elemente M1, T1 dienende Schraube 5 mit
ihrem Schaft 50 einander überdeckende (miteinander fluchtende)
Durchgangsöffnungen 10, 20 im
Trägerkörper T1
und im zugeordneten Bauteil M1 und liegt mit ihren beiden Enden
jeweils in einer Ausnehmung 15, 25 des Trägerkörpers T1
bzw. des zugeordneten Bauteiles M1.According to 2 engages through a screw used to connect those two elements M1, T1 5 with her shaft 50 each other overlapping (aligned) through holes 10 . 20 in the support body T1 and the associated component M1 and lies with its two ends in each case in a recess 15 . 25 the carrier body T1 or the associated component M1.
In
der bauteilseitigen Ausnehmung 25 befindet sich dabei ein
mit einem Schraubenkopf 50 und einem Betätigungsabschnitt 55a versehenes
axiales Ende der Schraube 5, während in der trägerkörperseitigen
Ausnehmung 15 auf das (mit einem Außengewinde 52 versehene)
andere axiale Ende der Schraube 5 eine Mutter 58 aufgeschraubt
ist. Zwischen jenen beiden Ausnehmungen 15, 25 bzw.
zwischen dem Schraubenkopf 55 und der Mutter 58 liegen
die von den Durchgangsöffnungen 10, 20 und
dem Schaft 50 der Schraube 5 durchgriffenen Flanschbereiche 1, 2 der
miteinander zu verbindenden Elemente T1, M1. Diese Flanschbereiche 1, 2 sind
mittels der Schraube 5 so gegeneinander verspannt, dass
das zu messende Bauteil M1 und der zugehörige Trägerkörper T1 an ihren einander zugewandten
Oberflächen 100, 200,
welche eine Grenzfläche
zwischen den beiden Flanschbereichen 1, 2 bilden,
definiert aneinander anliegen. Hierfür ist insbesondere eine möglichst
exakt planare Ausgestaltung jener Oberflächen 100, 200 vorteilhaft.In the component-side recess 25 is one with a screw head 50 and an operation section 55a provided axial end of the screw 5 while in the carrier body side recess 15 on the (with an external thread 52 provided) other axial end of the screw 5 A mother 58 is screwed on. Between those two recesses 15 . 25 or between the screw head 55 and the mother 58 are those of the through holes 10 . 20 and the shaft 50 the screw 5 penetrated flange areas 1 . 2 the elements T1, M1 to be connected together. These flange areas 1 . 2 are by means of the screw 5 clamped against each other so that the component to be measured M1 and the associated support body T1 at their mutually facing surfaces 100 . 200 which has an interface between between the two flange areas 1 . 2 form, defined abut each other. For this purpose, a design of those surfaces which is as exactly planar as possible is particularly preferred 100 . 200 advantageous.
Zum
Aufbringen der Spannkräfte,
mittels derer die beiden zu verbindenden Elemente M1, T1 bzw. genauer
deren Flanschbereiche 1, 2 gegeneinander verspannt
sind, und zwar in Erstreckungsrichtung der Schraube 5 (axiale
Richtung a der Schraubverbindung), stützen sich der Kopf 55 der
Schraube 5 sowie die zugeordnete Mutter 58 jeweils
an einem der beiden miteinander zu verbindenden Elemente M1, T1
ab; und zwar in der Anordnung gemäß 2 beispielhaft
der Kopf 55 der Schraube 5 an einer Wand 26 der
zugeordneten bauteilseitigen Ausnehmung 25 und die Mutter 58 an
einer Wand 16 der zugeordneten trägerkörperseitigen Ausnehmung 15.
Von Bedeutung ist hierbei, dass sich die Schraube 5 mit
den zwei in axialer Richtung a der Schraubverbindung voneinander
beabstandeten Stützabschnitten
(wie zum Beispiel einem Schraubenkopf, einer Mutter oder einem sonstigen
an der Schraube 5 vorgesehenen Anschlag, insbesondere in
Form eines Gewindestückes)
in einander entgegengesetzten Richtungen parallel zur Axialen a
so an den beiden aneinander zu befestigenden Elementen M1, T1 abstützt, dass
deren Flanschbereiche 1, 2 mittels der Schraubverbindung
gegeneinander verspannt werden.For applying the clamping forces, by means of which the two elements M1, T1 to be joined or, more precisely, their flange areas 1 . 2 are braced against each other, in the extension direction of the screw 5 (axial direction a of the screw), the head is supported 55 the screw 5 as well as the assigned mother 58 each at one of the two elements M1, T1 to be connected to each other; in the arrangement according to 2 by way of example the head 55 the screw 5 on a wall 26 the associated component-side recess 25 and the mother 58 on a wall 16 the associated carrier body side recess 15 , Of importance here is that the screw 5 with the two spaced apart in the axial direction of the screw a support portions (such as a screw head, a nut or other on the screw 5 provided stop, in particular in the form of a threaded piece) in opposite directions parallel to the axial a so on the two elements to be fastened to each other M1, T1 is supported, that the flange portions 1 . 2 be braced against each other by means of the screw connection.
Von
Bedeutung ist weiter, dass sich die Schraube 5 nicht mit
beiden axial voneinander beabstandeten Stützabschnitten (Schraubenkopf 55 und
Mutter 58) jeweils direkt an einem der miteinander zu verbindenden Elemente
M1, T1 abstützt,
sondern dass zumindest einer der Stützabschnitte, hier ein Stützabschnitt
in Form des Schraubenkopfes 55, über ein Zwischenelement 4 (Kompensationselement)
auf eines der zu verbindenden Elemente M1, T1, hier auf das zu messende
Bauteil M1, einwirkt.Of importance is further that the screw 5 not with both axially spaced support portions (screw head 55 and mother 58 ) is respectively supported directly on one of the elements M1, T1 to be connected to one another, but that at least one of the support sections, here a support section in the form of the screw head 55 , via an intermediate element 4 (Compensation element) on one of the elements to be connected M1, T1, here on the component to be measured M1, acts.
Dieses
Zwischenelement 4 ist so ausgewählt, dass bei Temperaturänderungen
in einem relevanten Temperaturbereich, vorliegend beispielsweise
im Temperaturbereich von etwa 17°C
bis 30°C,
thermisch bedingte Längenänderungen
der Schraube 5 zwischen Ihren beiden axial beabstandeten
Stützabschnitten,
also zwischen dem Schraubenkopf 55 und der Mutter 58,
durch das Zwischenelement 4 kompensiert werden. Das bedeutet,
dass die Summe der thermisch bedingten Längenänderungen der zwischen jenen
beiden Stützabschnitten 55, 58 aufgenommenen
Elemente (Flanschbereiche 1, 2 sowie Zwischenelement 4)
möglichst
identisch mit der Längenänderung
der Schraube 5 in axialer Richtung a ist; eine Forderung,
die selbstverständlich nur
im Rahmen unvermeidbarer Toleranzen erfüllbar ist.This intermediate element 4 is selected so that when temperature changes in a relevant temperature range, in this example, for example, in the temperature range of about 17 ° C to 30 ° C, thermally induced changes in length of the screw 5 between your two axially spaced support sections, ie between the screw head 55 and the mother 58 , through the intermediate element 4 be compensated. This means that the sum of the thermally induced length changes between those two support sections 55 . 58 recorded elements (flange areas 1 . 2 as well as intermediate element 4 ) as identical as possible to the change in length of the screw 5 in the axial direction is a; a requirement that, of course, can only be fulfilled within the bounds of unavoidable tolerances.
In
der Praxis wird das verwendete Zwischenelement 4 thermisch
bedingte Längenänderungen
der Schraube 5 nicht so exakt kompensieren können, dass
eine thermisch bedingte Änderung
der Länge
der Schraube 5 zwischen ihren axial beabstandeten Stützabschnitten
(Schraubenkopf 55 und Mutter 58) genau identisch
ist mit der jeweiligen thermisch bedingten Längenänderung der Flanschbereiche 1, 2 und
des Zwischenelementes 4 in axialer Richtung a.In practice, the intermediate element used 4 thermally induced changes in length of the screw 5 can not compensate so precisely that a thermally induced change in the length of the screw 5 between their axially spaced support sections (screw head 55 and mother 58 ) is exactly identical to the respective thermally induced change in length of the flange areas 1 . 2 and the intermediate element 4 in the axial direction a.
Vorliegend
ist das Zwischenelement 4 daher zweiteilig ausgestaltet
und umfasst (zur Kompensation von Längenänderungen der Schraube 5)
ein erstes Zwischenelementteil 6 in Form einer den Schaft 50 der Schraube
umschließenden
Hülse sowie
(zum Ausgleich von Toleranzen) ein axial dahinter angeordnetes Federmittel 7 in
Form einer, hier durch eine Mehrzahl von Tellerfedern gebildeten
oder alternativ als Schraubenfeder ausgebildeten, Druckfeder,In the present case is the intermediate element 4 therefore designed in two parts and includes (to compensate for changes in length of the screw 5 ) a first intermediate element part 6 in the form of a shaft 50 the sleeve enclosing screw and (to compensate for tolerances) an axially behind it arranged spring means 7 in the form of a, here formed by a plurality of disc springs or alternatively designed as a helical spring, compression spring,
Das
(als Hülse
ausgebildete) erste Teil 6 des Zwischenelementes 4 besteht
beispielsweise aus Aluminium, während
das Federmittel 7 beispielsweise aus Stahl besteht, also
aus einem Material, das auch für
die Schraube 5 verwendet werden kann.The (formed as a sleeve) first part 6 of the intermediate element 4 For example, consists of aluminum, while the spring means 7 For example, made of steel, that is, a material that also for the screw 5 can be used.
Vorliegend
sind das Material – und
somit der sich hieraus ergebende thermische Ausdehnungskoeffizient – des Zwischenelementteiles 6 und
dessen Länge
in axialer Richtung a der Schraubverbindung so aufeinander abgestimmt,
dass thermisch bedingte Längenänderungen
jenes Zwischenelementteiles 6 – zusammen mit den sich aus
deren jeweiligen Materialien ergebenden Längenänderungen der Flanschbereiche 1, 2 sowie
des Federmittels 7 – in
axialer Richtung a gerade identisch zu der jeweils entsprechenden
thermisch bedingten Längenänderung
der Schraube 5 zwischen ihren Stützabschnitten (Kopf 55 und
Mutter 58) sind, soweit dies im Rahmen unvermeidbarer Toleranzen
möglich
ist.In the present case, the material - and thus the resulting thermal expansion coefficient - of the intermediate element part 6 and whose length in the axial direction a of the screw connection is coordinated so that thermally induced changes in length of that intermediate element part 6 - Together with the resulting from their respective materials changes in length of the flange 1 . 2 and the spring means 7 - In the axial direction a just identical to the respective corresponding thermally induced change in length of the screw 5 between their support sections (head 55 and mother 58 ), insofar as this is possible within the bounds of unavoidable tolerances.
Hierdurch
verbleibt die Schraubverbindung auch bei durch Temperaturschwankungen
ausgelösten Längenänderungen
der Schraube 5 in axialer Richtung in ihrem definiert verspannten
Zustand und Temperaturänderungen
haben keine substanzielle Auswirkung auf die Messgenauigkeit der
Messanordnung.As a result, the screw remains even when triggered by temperature fluctuations length changes of the screw 5 in the axial direction in their defined strained state and temperature changes have no substantial effect on the measurement accuracy of the measuring arrangement.
Für eine hochgenaue
und temperaturunabhängige
Positionsmessung ist es besonders vorteilhaft, dass für zumindest
einen der Flanschbereiche 1, 2 der zu verbindenden
Elemente M1, T1, insbesondere für beide
Flanschbereiche, ein Material vorgesehen ist, wie zum Beispiel Glas
oder glasartigen Werkstoffen, das bei Temperaturänderungen nur möglichst
geringe Änderungen
seiner Ausdehnung erfährt,
also einen möglichst
kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Insbesondere
ist der thermische Ausdehnungskoeffizient der Flanschbereiche 1, 2 in
der Regel deutlich kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient
des für
die Schraube 5 verwendeten Materials (zum Beispiel Stahl
bzw. Invar), so dass das verwendete Zwischenelementteil 6 einen
entsprechend größeren thermischen
Ausdehnungskoeffizienten als das Material der Schraube 5 haben
sollte, um die gewünschte
Kompensation thermisch bedingter Längenänderungen der Schraube 5 (unter
Berücksichtigung
des geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Flanschbereiche 1, 2)
erreichen.For a highly accurate and temperature-independent position measurement, it is particularly advantageous that for at least one of the flange areas 1 . 2 the material to be joined M1, T1, in particular for both Flanschbereiche, a material is provided, such as glass or glassy materials, which undergoes only minimal changes in its expansion with temperature changes, that has the smallest possible thermal expansion coefficient. In particular, the thermal expansion coefficient of the flange areas 1 . 2 usually much smaller than the thermal expansion coefficient of the screw 5 used material (for example, steel or Invar), so that the intermediate element part used 6 a correspondingly larger thermal expansion coefficient than the material of the screw 5 should have the desired compensation thermally induced changes in length of the screw 5 (taking into account the low thermal expansion coefficient of the flange areas 1 . 2 ) to reach.
Die
Federmittel 7, als eine weitere Komponente des Zwischenelementes 4,
welche derart angeordnet ist, dass das erste Zwischenelementteil 6 und
die Federmittel 7 in axialer Richtung a hintereinander
liegen, dient insbesondere zur Minimierung des Effektes von Toleranzen,
die keine exakte Kompensation thermisch bedingter Längenänderungen
der Schraube 5 durch das Zwischenelement 4 zulassen.The spring means 7 , as another component of the intermediate element 4 , which is arranged such that the first intermediate element part 6 and the spring means 7 In the axial direction a are behind one another, in particular to minimize the effect of tolerances, which is not an exact compensation thermally induced changes in length of the screw 5 through the intermediate element 4 allow.
Die
Federmittel 7 reduzieren die Steifigkeit der Schraubverbindung
und können
die Effekte ausgleichen, wonach aufgrund von Toleranzen bzw. aufgrund
lokaler Temperaturunterschiede thermisch bedingte Längenänderungen
der Schraube 5 vom Zwischenelement 4 nicht exakt
kompensierbar sind, so dass diese Effekte im Ergebnis nur eine minimale
Rückwirkung
auf die Flanschbereiche 1, 2 haben. Deren möglichst
exakte Positionierung auch bei sich ändernden Temperaturen ist wiederum
mitbestimmend für
die Genauigkeit des Positionsmesssystems.The spring means 7 reduce the stiffness of the screw and can compensate for the effects, which due to tolerances or due to local temperature differences thermally induced changes in length of the screw 5 from the intermediate element 4 are not exactly compensated, so that these effects in the result only a minimal retroactive effect on the flange 1 . 2 to have. Their exact positioning as possible even with changing temperatures is in turn co-determining the accuracy of the position measuring system.
Sowohl
die Funktion des Zwischenelementes 4 bei der Kompensation
thermisch bedingter Längenänderungen
der Schraube 5 als auch die Funktion der Federmittel 7 beim
Toleranzausgleich werden nachfolgend anhand der 3 bis 5b für ein weiteres
Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden.Both the function of the intermediate element 4 in the compensation of thermally induced changes in length of the screw 5 as well as the function of the spring means 7 in tolerance compensation will be described below with reference to 3 to 5b be explained in more detail for another embodiment.
3 zeigt
eine Abwandlung der Messanordnung aus 2, wobei
der wesentliche Unterschied darin besteht, dass als Zwischenelement 4 hier
Federmittel 8 in Form einer Feder dienen, die sowohl die
Funktion einer Kompensation temperaturbedingter Längenänderungen
der Schraube 5 übernimmt
als auch die Funktion des Toleranzausgleichs, welche Funktionen
beim Ausführungsbeispiel
der 2 auf ein Zwischenelementteil 6 und separate
Federmittel 7 verteilt waren. 3 shows a modification of the measuring arrangement 2 , the main difference being that as an intermediate element 4 here spring means 8th serve in the form of a spring, both the function of compensation for temperature-induced changes in length of the screw 5 takes over as well as the function of the tolerance compensation, which functions in the embodiment of 2 on an intermediate element part 6 and separate spring means 7 were distributed.
Hierzu
besteht die als Zwischenelement 4 dienende Feder 8 zum
einen aus einem Material, welches aufgrund seines thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zur Kompensation temperaturbedingter Längungänderungen der Schraube 5 geeignet
ist; und die Feder 8 ist weiterhin hinreichend elastisch
(„weich”), um Toleranzen
ausgleichen zu können,
die einer exakten Kompensation temperaturbedingter Längungen
der Schraube 5 entgegenstehen. Dies wird anhand konkreter
Materialangaben für
sämtliche
relevanten Elemente der Anordnung aus 3 weiter
unten noch näher
erläutert
werden.For this purpose, there is the intermediate element 4 serving spring 8th on the one hand from a material which due to its thermal expansion coefficient to compensate for temperature-induced elongation changes of the screw 5 suitable is; and the spring 8th is still sufficiently elastic ("soft") to compensate for tolerances, the exact compensation of temperature-induced elongations of the screw 5 conflict. This is based on concrete material information for all relevant elements of the arrangement 3 will be explained in more detail below.
Die
das Zwischenelement 4 bildende Feder 8 ist vorliegend
im Wesentlichen hohlzylindrisch als eine Hülse ausgebildet und erstreckt
sich mit ihrer Außenwand 80 zwischen
einem ersten axialen Ende 8a und einem zweiten axialen
Ende 8b. Sie wirkt mit ihrem ersten Federende 8a – über ein
noch näher
zu beschreibendes Adapterstück 3 – auf die
zu verspannenden Flanschbereiche 1, 2 ein; und
das zweite Federende 8b ist jenen Flanschbereichen 1, 2 abgewandt.The the intermediate element 4 forming spring 8th is present in the form of a hollow cylinder substantially as a sleeve and extends with its outer wall 80 between a first axial end 8a and a second axial end 8b , It works with her first spring end 8a - About an adapter to be described in more detail 3 - on the flange areas to be clamped 1 . 2 one; and the second end of the spring 8b is those flange areas 1 . 2 away.
Die
Feder 8 weist in ihrem von der Außenwand 80 umschlossenen
Innenraum eine Materialeinziehung 85 auf, die sich von
dem zweiten Federende 8b in Richtung auf das erste Federende 8a erstreckt
und die – vom
zweiten Federende 8b her betrachtet – vor dem ersten Federende 8a einen
Anschlag 86 in Form einer Schulter ausbildet, über den
die Schraube 5 mit ihrem Kopf 55 auf das Federelement 8 einwirken
kann.The feather 8th points in her from the outside wall 80 enclosed interior a material collection 85 up, extending from the second spring end 8b towards the first end of the spring 8a extends and the - from the second spring end 8b considered - before the first spring end 8a a stop 86 in the form of a shoulder over which the screw 5 with her head 55 on the spring element 8th can act.
Die
das Zwischenelement 4 bildende Feder 8 ist somit
in axialer Richtung a der Schraubverbindung in zwei axial hintereinander
angeordnete Bereiche 82, 84 unterteilt, von denen
der erste axiale Bereich 82 sich zwischen dem ersten Federende 8a und
dem Anschlag 86 der Feder 8 erstreckt und der
zweite axiale Bereich 84 sich zwischen jenem Anschlag 86 und
dem zweiten Federende 8b erstreckt.The the intermediate element 4 forming spring 8th is thus in the axial direction a of the screw in two axially successively arranged areas 82 . 84 divided, of which the first axial area 82 between the first end of the spring 8a and the stop 86 the feather 8th extends and the second axial region 84 between the stop 86 and the second end of the spring 8b extends.
Dabei
trägt nur
der zwischen dem Anschlag 86 und dem ersten Federende 8a liegende
erste axiale Bereich 82 der Feder 8 (als ein Zwischenelement)
zur Kompensation temperaturbedingter Längenänderungen der Schraube 5 bei;
denn nur dieser erste axiale Bereich 82 der Feder 8 liegt – ebenso
wie die beiden Flanschbereiche 1, 2 und das Adapterstück 3 – zwischen
den beiden Stützabschnitten
der Schraube 5, nämlich
dem Schraubenkopf 55 und der zugeordneten Mutter 58, über die
die Vorspannkraft der Schraube in die Schraubverbindung eingeleitet
wird.It only carries between the stop 86 and the first end of the spring 8a lying first axial region 82 the feather 8th (As an intermediate element) to compensate for temperature-induced changes in length of the screw 5 at; because only this first axial area 82 the feather 8th lies - as well as the two flange areas 1 . 2 and the adapter piece 3 - between the two support sections of the screw 5 , namely the screw head 55 and the associated mother 58 , via which the preload force of the screw is introduced into the screw connection.
Somit
wird also das Zwischenelement 4 hier nicht durch die gesamte
Feder 8 gebildet sondern nur durch den ersten axialen Bereich 82 der
Feder 8, jedenfalls soweit es die Wirkung des Zwischenelementes 4 als
Mittel zur Kompensation thermisch bedingter Längenänderungen der Schraube 5 betrifft.Thus, therefore, the intermediate element 4 not here by the entire spring 8th formed but only through the first axial region 82 the feather 8th at least as far as the effect of the intermediate element 4 as a means for compensating thermally induced changes in length of the screw 5 concerns.
Der
zweite axiale Bereich 84 der Feder 8 trägt jedoch
gemeinsam mit deren erstem axialen Bereich 82 zum Ausgleich
von Toleranzen bei, da die Elastizität bzw. Nachgiebigkeit der Feder 8 durch
die gesamte Ausdehnung der Feder 8 in axialer Richtung
a mitbestimmt wird; denn über
die Materialeinziehung 85 ist ja der auf die Feder 8 einwirkende
Schraubenkopf 55 mit dem zweiten Federende 8b wirkverbunden.The second axial area 84 the feather 8th but contributes together with their first axial area 82 to compensate for tolerances, since the elasticity or compliance of the spring 8th through the entire extent of the spring 8th is determined in the axial direction a; because about the material collection 85 is the one on the pen 8th acting screw head 55 with the second spring end 8b operatively connected.
Wie
insbesondere anhand einer Zusammenschau der 3 mit den 4a und 4b deutlich
wird, stützt
sich die Feder 8 mit ihrem ersten axialen Ende 8a nicht
unmittelbar an der zugeordneten, als Stützfläche dienenden Wand 26 eines
der Flanschbereiche 1, 2 ab, sondern vielmehr
indirekt über
das bereits erwähnte Adapterstück 3.
Mit diesem Adapterstück 3 ist
die Feder 8 fest verbunden, insbesondere stoffschlüssig, z.
B. durch Kleben.As in particular by means of a synopsis of 3 with the 4a and 4b becomes clear, the spring is supported 8th with its first axial end 8a not directly on the associated, serving as a support surface wall 26 one of the flange areas 1 . 2 but rather indirectly via the aforementioned adapter piece 3 , With this adapter piece 3 is the spring 8th firmly connected, in particular cohesively, z. B. by gluing.
Das
Adapterstück 3 besteht
aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten,
der zumindest von der Größenordnung
her mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten desjenigen Flanschbereiches 2 übereinstimmt,
an dessen als Stützfläche dienender
Wand 26 das Adapterstück 3 anliegt.
Insbesondere können
das Adapterstück 3 und
jener Flanschbereich 2 aus demselben Material bestehen,
also hier aus Glas bzw. einem glasartigen Werkstoff, wie z. B. Zerodur.
Hierdurch soll vermieden werden, dass es bei Temperaturschwankungen
zu Relativbewegungen des Adapterstückes 3 bezüglich des
zugeordneten Flanschbereiches 2 in radialer Richtung r,
also senkrecht zur Axialen a, kommt.The adapter piece 3 consists of a material with a thermal expansion coefficient, at least of the order of magnitude with the coefficient of thermal expansion of that flange region 2 coincides, at its serving as a support surface wall 26 the adapter piece 3 is applied. In particular, the adapter piece 3 and that flange area 2 consist of the same material, so here glass or a glassy material such. Eg Zerodur. This is to avoid that there are fluctuations in temperature relative movements of the adapter piece 3 with regard to the assigned flange area 2 in the radial direction r, that is perpendicular to the axial a, comes.
Die
Vermeidung von Relativbewegungen in radialer Richtung r an der als
Stützfläche dienenden
Wand 26 des zweiten Flanschbereiches 2 ist auch
der Grund dafür,
dass sich die als Zwischenelement 4 dienende Feder 8 mit
ihrem ersten Federende 8a nicht unmittelbar an der besagten
Stützfläche des
zugeordneten Flanschbereiches 2 abstützt, sondern vielmehr mittelbar über das
Adapterstück 3.
Durch die feste, stoffschlüssige
Verbindung der Feder 8 mit dem Adapterstück 3 im
Bereich des ersten Federendes 8a, z. B. durch Kleben, ist
die Feder 8 im Bereich ihres ersten Federendes 8a in
radialer Richtung r definiert fixiert.The avoidance of relative movements in the radial direction r on the serving as a support surface wall 26 of the second flange area 2 is also the reason that the as an intermediate element 4 serving spring 8th with her first spring end 8a not directly on the said support surface of the associated flange region 2 supported, but rather indirectly via the adapter piece 3 , Due to the solid, cohesive connection of the spring 8th with the adapter piece 3 in the area of the first spring end 8a , z. B. by gluing, is the spring 8th in the area of their first spring end 8a Fixed in the radial direction r defined.
Das
Adapterstück 3 ist
im Ausführungsbeispiel
derart in radialer Richtung (d. h., senkrecht zur Richtung a der
Vorspannkraft der Schraubverbindung bzw. senkrecht zur hiermit zusammenfallenden
axialen Richtung a der Schraube) elastisch ausgebildet, dass es
unterschiedliche temperaturbedingte Änderungen der radialen Ausdehnungen
der Feder 8 einerseits und des Flanschbereiches 1, 2,
an dem es anliegt, andererseits ausgleichen kann. Dieser radiale
Ausgleich erfolgt zwischen dem dem Adapterstück 3 zugewandten Federende 8a und
der als Stützfläche dienenden
Wand 26 des zugeordneten Flanschbereiches 2 über die
Länge L3, welche
dem Abstand zwischen dem besagten Federende 8a und der
besagten Wand 26 entspricht. Der radiale Ausgleich ist
verknüpft
mit einer Verformung, insbesondere der Bildung einer Ausbuchtung,
am Adapterstück 3.
Diese kann in der Weise erfolgen, dass das Adapterstück 3 eine
leicht trichterförmige
Gestalt annimmt, wobei die großflächigere
Stirnseite des gebildeten Trichters an der dem Federende 8a zugewandten
axialen Stirnseite des Adapterstückes 3 liegt.The adapter piece 3 is in the exemplary embodiment in the radial direction (ie, perpendicular to the direction a of the biasing force of the screw or perpendicular to the coincident axial direction a of the screw) elastically formed that there are different temperature-induced changes in the radial dimensions of the spring 8th on the one hand and the flange area 1 . 2 on which it rests, on the other hand can compensate. This radial compensation takes place between the adapter piece 3 facing spring end 8a and the wall serving as a support surface 26 the assigned flange area 2 over the length L3, which is the distance between said spring end 8a and the said wall 26 equivalent. The radial compensation is associated with a deformation, in particular the formation of a bulge, on the adapter piece 3 , This can be done in such a way that the adapter piece 3 assumes a slightly funnel-shaped shape, wherein the larger-scale end face of the funnel formed at the end of the spring 8a facing axial end face of the adapter piece 3 lies.
Hiermit
werden Relativbewegungen des Adapterstückes 3 bezüglich des
zugeordneten Flanschbereiches 2 an dessen dem Adapterstück 3 zugewandter
Oberfläche 26 (Grenzfläche) und
auch Relativbewegungen des Adapterstückes 3 bezüglich des
zugeordneten Endes 8a der Feder 8 bzw. des Zwischenelementes 4 in
rdialer Richtung jeweils vermieden.This will be relative movements of the adapter piece 3 with regard to the assigned flange area 2 on the adapter piece 3 facing surface 26 (Interface) and also relative movements of the adapter piece 3 with respect to the associated end 8a the feather 8th or the intermediate element 4 avoided in the radial direction.
Grundsätzlich könnte die
Feder 8 mit ihrem ersten Federende 8a auch unmittelbar
an einem Wandabschnitt des zugeordneten Flanschbereiches 2 fixiert
werden, z. B. durch eine Klebverbindung. Dies hätte jedoch den Nachteil, dass
sich die zur Herstellung einer Schraubverbindung zwischen den beiden Flanschbereichen 1, 2 und
damit zwischen dem Trägerkörper T1
und dem zu messenden Bauteil M1 dienenden Komponenten der Schraubverbindung
nicht mehr vollständig
von den zu verbindenden Elementen M1, T1 lösen ließen, da ja zumindest die Feder 8 dauerhaft
an einem der Flanschbereiche 1, 2 fixiert wäre.Basically, the spring could 8th with her first spring end 8a also directly on a wall portion of the associated flange area 2 be fixed, for. B. by an adhesive bond. However, this would have the disadvantage that the for producing a screw connection between the two flange portions 1 . 2 and thus between the support body T1 and the component to be measured M1 serving components of the screw connection could no longer be completely solved by the elements to be connected M1, T1, since at least the spring 8th permanently on one of the flange areas 1 . 2 would be fixed.
Für die Auswahl
eines geeigneten Materials der Feder 8, um hiermit eine
optimale Kompensation temperaturbedingter Längenänderungen der Schraube 5 zu
erreichen, gelten nachfolgende Überlegungen.For the selection of a suitable material of the spring 8th to provide an optimal compensation of temperature-induced changes in length of the screw 5 To reach, the following considerations apply.
Seien
L1, L2, L3, L4, L5 definiert
als die – jeweils
in axialer Richtung a der Schraubverbindung gemessenen – Längen der
beiden Flanschbereiche 1, 2, des Adapterstückes 3 und
des als Zwischenelement 4 wirksamen ersten axialen Bereiches 82 der
Feder 8 sowie der Schraube 5 zwischen ihren beiden
Stützabschnitten 55 (Kopf
der Schraube) und 58 (Mutter); und seien weiterhin α1, α2, α3, α4 und α5 die
thermischen Längenausdehnungskoeffizienten
der besagten Elemente 1, 2, 3, 4, 5,
so ergibt sich Folgendes:
Zum einen gilt, dass die Länge L5 der Schraube 5 zwischen den beiden
Stützabschnitten
der Schraube 5, also zwischen dem Schraubenkopf 55 und
der Mutter 58, gleich der Summe der Längen L1,
L2, L3 und L4 der beiden Flanschbereiche 1, 2,
des Adapterstückes 3 und
des als Zwischenelement 4 wirksamen ersten axialen Bereiches 82 der
Feder 8 in axialer Richtung a sein muss, also L5 = L1 +
L2 + L3 + L4 (1). Let L 1 , L 2 , L 3 , L 4 , L 5 be defined as the lengths of the two flange areas measured in the axial direction a of the screw connection 1 . 2 , the adapter piece 3 and as an intermediate element 4 effective first axial region 82 the feather 8th as well as the screw 5 between their two support sections 55 (Head of the screw) and 58 (Mother); and let α 1 , α 2 , α 3 , α 4 and α 5 be the thermal expansion coefficients of said elements 1 . 2 . 3 . 4 . 5 , the following results:
First, that the length L 5 of the screw 5 between the two support sections of the screw 5 So between the screw head 55 and the mother 58 , equal to the sum of the lengths L 1 , L 2 , L 3 and L 4 of the two flange portions 1 . 2 , the adapter piece 3 and as an intermediate element 4 effective first axial region 82 the feather 8th in the axial direction must be a, so L 5 = L 1 + L 2 + L 3 + L 4 (1).
Weiterhin
gilt wegen der geforderten Kompensation thermisch bedingter Längenänderungen
durch geeignete Auswahl der als Zwischenelement 4 dienenden
Feder 8, dass ΔL5 = ΔL1 + ΔL2 + ΔL3 + ΔL4, (2)wobei
für eine
gegebene Temperaturänderung
T – T0 ΔLi = αi·Li·(T – T0) (3)mit
i = 1, 2, ..., 5. Eliminiert man in der aus einer Verknüpfung von
(2) und (3) resultierenden Gleichung den Faktor (T – T0), welcher eine Temperaturabweichung von
einem Normal- bzw. Sollwert T0 bezeichnet,
so ergibt sich α5·L5 = α1·L1 + α2·L2 + α3·L3 + α4·L4 (4). Furthermore, due to the required compensation thermally induced changes in length by suitable selection of the as an intermediate element 4 serving spring 8th that .DELTA.L 5 = ΔL 1 + ΔL 2 + ΔL 3 + ΔL 4 , (2) for a given temperature change T - T 0 .DELTA.L i = α i · L i · (T - T 0 ) (3) with i = 1, 2, ..., 5. In the equation resulting from a combination of (2) and (3) one eliminates the factor (T - T 0 ), which is a temperature deviation from a normal or setpoint T 0 , it follows α 5 · L 5 = α 1 · L 1 + α 2 · L 2 + α 3 · L 3 + α 4 · L 4 (4).
Ersetzt
man darin die Länge
L5 (Schraubenlänge) durch die Summe L1 + L2 + L3 + L4, entsprechend Gleichung
(1), so erhält
man α5·(L1 + L2 + L3 + L4) = α1·L1 + α2·L2 + α3·L3 + α4·L4 (5). If one replaces the length L 5 (screw length) with the sum L 1 + L 2 + L 3 + L 4 , according to equation (1), one obtains α 5 · (L 1 + L 2 + L 3 + L 4 ) = α 1 · L 1 + α 2 · L 2 + α 3 · L 3 + α 4 · L 4 (5).
Dies
ergibt nach Auflösung
der Gleichung nach der Länge
L4: This yields after resolution of the equation according to the length L 4 :
Bei
gegebenen Werten für
die thermischen Ausdehnungskoeffizienten α1, α2, α3 und α5 der
beiden Flanschbereiche 1, 2, des Adapterstückes 3 sowie
der Schraube 5, die von dem jeweils verwendeten Material abhängen, und
bei vorgegebenen axialen Längen
L1, L2, L3 der beiden Flanschbereiche 1, 2 und
des Adapterstückes 3,
lässt sich
hieraus die effektive axiale Länge
L4 des Zwischenelementes 4 in Abhängigkeit
von dessen thermischem Ausdehnungskoeffizienten α4 bestimmen.For given values for the thermal expansion coefficients α 1 , α 2 , α 3 and α 5 of the two flange areas 1 . 2 , the adapter piece 3 as well as the screw 5 , which depend on the particular material used, and at predetermined axial lengths L 1 , L 2 , L 3 of the two flange portions 1 . 2 and the adapter piece 3 , This can be the effective axial length L 4 of the intermediate element 4 depending on its thermal expansion coefficient α 4 determine.
Unter
der effektiven Länge
L4 des Zwischenelementes 4, die
nachfolgend auch als thermische Kompensationslänge bezeichnet wird, wird die
Länge L4 desjenigen Abschnittes des Zwischenelementes 4 verstanden,
der zwischen den beiden Stützabschnitten
der Schraube 5 (Kopf 55 und Mutter 58)
liegt, zwischen denen die Flanschbereiche 1, 2,
das Adapterstück 3 und
das Zwischenelement 4 verspannt sind, wie anhand 3 dargestellt.Under the effective length L 4 of the intermediate element 4 , hereinafter also referred to as thermal compensation length, becomes the length L 4 of that portion of the intermediate element 4 understood, between the two support sections of the screw 5 (Head 55 and mother 58 ), between which the flange areas 1 . 2 , the adapter piece 3 and the intermediate element 4 are strained, as by reference 3 shown.
Die
effektive Länge
L5 der Schraube 5 zwischen ihren
beiden Stützabschnitten 55, 58 ist
aus der Gleichung für
L4 eliminiert worden, was eine Bestimmung
von L4 über
jene Gleichung handhabbar macht, da ja die effektive Schraubenlänge L5 in axialer Richtung a erst nach Herstellung
einer jeweiligen Schraubverbindung tatsächlich bekannt ist und in jedem
Einzelfall in Abhängigkeit
von den Bedingungen bei Herstellung der Schraubverbindung variieren
kann.The effective length L 5 of the screw 5 between their two support sections 55 . 58 has been eliminated from the equation for L 4 , which makes a determination of L 4 manageable over that equation, since the effective screw length L 5 in the axial direction a is actually known only after production of a respective screw connection and in each individual case depending on the Conditions during manufacture of the screw connection may vary.
Verwendet
man beispielhaft bei einer Anordnung gemäß 3 für die Flanschbereiche 1, 2 und
das Adapterstück 3 jeweils
Zerodur als Material, so weisen diese Elemente 1, 2, 3 jeweils
einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten αZ auf,
für den
gilt αZ = 0.02·10–6 1/K.
(Dieser Wert wäre
in den obigen Gleichungen jeweils für die Parameter α1 und α2 zu
verwenden.) Besteht weiterhin die Schraube 5 aus Invar
(FeNi36), so gilt hierfür α1 =
1.36·10–6 1/K.
(Dieser Wert wäre
in den obigen Gleichungen für
den Parameter α5 zu verwenden.)Used by way of example in an arrangement according to 3 for the flange areas 1 . 2 and the adapter piece 3 each Zerodur as a material, so exhibit these elements 1 . 2 . 3 each have a thermal expansion coefficient α Z on, for which applies α Z = 0.02 · 10 -6 1 / K. (This value would be used in the equations above for the parameters α 1 and α 2, respectively.) If the screw continues to exist 5 from Invar (FeNi36), then α 1 = 1.36 · 10 -6 1 / K. (This value would be used in the equations above for parameter α 5. )
Sind
somit die Längen
L1, L2, L3 sowie die thermischen Ausdehnungskoeffizienten α1, α2, α3, α5 aufgrund
der gewählten
Dicken der Flanschbereiche 1, 2 und des Adapterstückes 3 in
axialer Richtung sowie aufgrund der Materialauswahl für die Flanschbereiche 1, 2,
das Adapterstück 3 und
die Schraube 5 vorgegeben, so erlaubt die resultierende
Gleichung (6) eine einfache Bestimmung einer für die gewünschte thermische Kompensation
geeigneten effektiven Länge
L4 des Zwischenelementes 4 in Abhängigkeit
von dem für
das Zwischenelement 4 verwendeten Material und dessen thermischem
Ausdehnungskoeffizienten α4.Are thus the lengths L 1 , L 2 , L 3 and the thermal expansion coefficients α 1 , α 2 , α 3 , α 5 due to the selected thicknesses of the flange 1 . 2 and the adapter piece 3 in the axial direction as well as due to the material selection for the flange areas 1 . 2 , the adapter piece 3 and the screw 5 given, the resulting equation (6) allows a simple determination of a suitable for the desired thermal compensation effective length L 4 of the intermediate element 4 as a function of that for the intermediate element 4 used material and its thermal expansion coefficient α 4 .
Wird
beispielsweise für
die das Zwischenelement bildende Feder 8 das Material Ti6Al4V
(Titanlegierung) verwendet, so ergibt sich ausgehend von dessen
thermischem Ausdehnungskoeffizienten αT =
9.10·10–6 1/K
aus der obigen Gleichung (6) sofort ein definierter Wert für die thermische
Kompensationslänge
L4 (effektive Länge des Zwischenelementes 4),
mit der die gewünschte
Kompensation thermisch bedingter Längenänderungen der Schraube 5 erreichbar
ist.For example, for the spring forming the intermediate element 8th the material Ti6Al4V (titanium alloy) is used, it follows, based on its thermal expansion coefficient α T = 9.10 · 10 -6 1 / K from the above equation (6) immediately a defined value for the thermal compensation length L 4 (effective length of the intermediate element 4 ), with the desired compensation thermally induced changes in length of the screw 5 is reachable.
Wie
bereits erwähnt,
lässt sich
aufgrund unvermeidbarer Toleranzen bezüglich der Eigenschaften der mittels
der Schraubverbindung zu verspannenden Elemente 1, 2 und
auch der Komponenten der Schraubverbindung selbst sowie aufgrund
möglicher
lokaler Temperaturunterschiede im Bereich der Schraubverbindung eine
wirklich vollständige
Kompensation von Längenänderungen
der Schraube 5 auch durch ein optimal ausgewähltes Zwischenelement 4 nicht
erreichen.As already mentioned, due to unavoidable tolerances with respect to the properties of the elements to be clamped by means of the screw connection 1 . 2 and also the components of the screw connection itself as well as due to possible local temperature differences in the area of the screw connection a really complete compensation of changes in length of the screw 5 also by an optimally selected intermediate element 4 do not reach.
Um
die Folgen solcher Toleranzen sowie lokaler Temperaturunterschiede
zu minimieren, umfasst das Zwischenelement 4 vorteilhaft
federelastische Mittel, über
die die verwendete Schraube auf die Flanschbereiche 1, 2 einwirkt,
wobei die federelastischen Mittel im Fall der Anordnung aus 2 durch
separate Federmittel 7 gebildet sind, während im Fall der 3 das
Zwischenelement 4 durch Federmittel 8 gebildet
wird.To minimize the consequences of such tolerances as well as local temperature differences, the intermediate element comprises 4 advantageous resilient means over which the screw used on the flange areas 1 . 2 acts, wherein the elastic means in the case of the arrangement of 2 by separate spring means 7 are formed while in the case of 3 the intermediate element 4 by spring means 8th is formed.
Die
Funktion solcher federelastischer Mittel, die weiter oben bereits
anhand der Messanordnung aus 2 qualitativ
beschrieben worden ist, soll nachfolgend anhand der Spannungsdreiecke
der 5a und 5b näher erläutert werden.The function of such resilient means, the above already based on the measuring arrangement 2 has been described qualitatively, is below based on the voltage triangles of 5a and 5b be explained in more detail.
5a zeigt
ein Spannungsdreieck einer Schraubverbindung, beispielsweise der
in den 2 und 3 dargestellten Art, jedoch
ohne federelastischen Mittel. Zur Konstruktion des Spannungsdreiecks
der 5a, ausgehend von der Messanordnung der 2 oder
der 3, kann man sich die jeweiligen dortigen federelastischen
Mittel 7 bzw. 8 durch ein starres Element ersetzt
denken; oder alternativ werden die jeweiligen federelastischen Mittel 7 bzw. 8 weggelassen
und es wird eine entsprechend kürzere
Schraube verwendet. 5a shows a voltage triangle of a screw, for example, in the 2 and 3 shown, but without elastic means. To construct the voltage triangle of 5a , starting from the measuring arrangement of 2 or the 3 , you can get the respective local elastic means 7 respectively. 8th think of being replaced by a rigid element; or alternatively, the respective resilient means 7 respectively. 8th omitted and a correspondingly shorter screw is used.
Bei
einer solchen klassischen Schraubverbindung (ohne federelastische
Mittel) ergibt sich ein Spannungsdreieck der in 5a dargestellten
Art, worin FS die Vorspannkraft der Schraubverbindung
bezeichnet, worin FF die Vorspannkraft an
den Flanschbereichen sowie gegebenenfalls an weiteren mittels der
Schraube verspannten Elementen (Zwischenelementteil 6 in 2 bzw.
Adapterstück 3 in 3)
bezeichnet und worin uS die Längenänderung
(Längung)
der verwendeten Schraube bei einer jeweiligen Vorspannkraft FS und uF die Längenänderung
(Stauchung) der Flansche und gegebenenfalls weiterer zusammen hiermit
verspannter Elemente bei einer jeweiligen Vorspannkraft FF angibt.In such a classic screw (without resilient means) results in a voltage triangle of in 5a illustrated type, wherein F S denotes the biasing force of the screw, wherein F F, the biasing force on the flange portions and optionally further clamped by means of the screw elements (intermediate element part 6 in 2 or adapter piece 3 in 3 ) Denotes and wherein u S the change in length (elongation) of the screw used in a respective biasing force F S and u F indicates the change in length (compression) of the flanges and optionally further together hereby strained elements at a respective biasing force F F.
Im
Proportionalbereich einer Schraubverbindung, in dem die jeweilige
Vorspannung FS bzw. FF proportional
zur Längenänderung
uS bzw. uF ist,
ergibt sich ein Spannungsdreieck, wobei die Winkel γS und γF,
unter denen dessen Schenkel die Basis des Dreiecks schneiden, umso
größer sind,
je steifer das dem jeweiligen Schenkel zugeordnete Element (Schraube
einerseits und Flanschbereiche andererseits) ist.In the proportional range of a screw connection in which the respective preload F s or F F is proportional to the change in length u S or u F , a voltage triangle results, the angles γ S and γ F , below which the legs intersect the base of the triangle The stiffer the element associated with the respective leg (screw on the one hand and flange areas on the other hand), the greater the larger they are.
Kommt
es bei einer Schraubverbindung thermisch bedingt zu einer Längenänderung ΔLS der verwendeten Schraube, so ist hiermit
eine Längenänderung ΔLF der mittels der Schraube gegeneinander
verspannten Flanschbereiche und gegebenenfalls weiterer verspannter
Elemente verbunden, die sich aus der mit der Längenänderung der Schraube verbundenen Änderung ΔF der Vorspannkraft
ergibt und die sich aus dem Spannungsdreieck gemäß 5a ablesen
lässt.If, in the case of a screw connection, a change in length ΔL S of the screw used is thermally induced, then a change in length ΔL F of the flange areas braced against one another by the screw and, if appropriate, further strained elements is connected, resulting from the change .DELTA.F of the change associated with the change in length of the screw Preload force results and resulting from the voltage triangle according to 5a read.
Bei
dem Spannungsdreieck gemäß 5a ist
aus der Steigung der beiden Schenkel des Spannungsdreiecks, genauer
aus der Steigung cS = tan γS =
FS/uS des die Schraubverbindung
repräsentierenden
Schenkels sowie aus der Steigung cF = tan γF =
FF/uF des die Flansche
repräsentierenden
Schenkels, die Steifigkeit der Anordnung abzulesen, wobei cS die Steifigkeit der Schraubverbindung und
cF die Steifigkeit der zu verspannenden
Flansche angibt. Je größer die
Steigung cS bzw. cF des
entsprechenden Schenkels ist, desto größer ist die hiermit verbundene
Steifigkeit; d. h., desto größere Änderungen
der jeweiligen Vorspannkraft FS bzw. FF sind mit entsprechenden Längenänderungen
uS bzw. uF verbunden.For the voltage triangle according to 5a is from the slope of the two legs of the voltage triangle, more precisely from the slope c S = tan γ S = F S / u S of the leg representing the screw connection and from the slope c F = tan γ F = F F / u F of the flanges leg to read the rigidity of the assembly, where c S indicates the stiffness of the screw and c F, the rigidity of the flanges to be clamped. The greater the slope c S or c F of the corresponding leg, the greater is the associated rigidity; ie, the greater changes in the respective preload force F S or F F are associated with corresponding changes in length u S or u F.
5b zeigt
das Spannungsdreieck einer gegenüber 5a abgewandelten
Anordnung, bei der die zur Herstellung der Schraubverbindung verwendete
Schraube 5 mit ihren Stützabschnitten
(Schraubenkopf 55 sowie Mutter 58) nicht unmittelbar
auf die zu verspannenden Elemente (Flanschbereiche 1, 2 sowie
gegebenenfalls Adapterstück 3 oder
dergleichen) einwirkt, sondern bei der vielmehr ein Federmittel
(z. B. Federelement 7 aus 1 bzw. Feder 8 aus 2)
vorgesehen ist, das zwischen mindestens einem Stützabschnitt der verwendeten
Schraube 5 und die zu verspannenden Elemente 1, 2,
... geschaltet ist. D. h., die Schraube 5 wirkt bei einer
Anordnung, wie sie dem Spannungsdreieck der 5b zugrunde
liegt, über
mindestens ein Federmittel auf die mittels der Schraube zu verspannenden
Elemente, insbesondere auf die Flanschbereiche 1, 2,
ein. 5b shows the voltage triangle opposite one 5a modified arrangement in which the screw used to make the screw 5 with its support sections (screw head 55 as well as mother 58 ) not directly on the elements to be clamped (flange 1 . 2 and optionally adapter piece 3 or the like), but rather a spring means (eg spring element 7 out 1 or spring 8th out 2 ) is provided, which between at least one support portion of the screw used 5 and the elements to be braced 1 . 2 , ... is switched. That is, the screw 5 acts in an arrangement such as the voltage triangle of 5b is based on at least one spring means on the means of the screw to be clamped elements, in particular on the flange 1 . 2 , one.
Dies
hat zur Folge, dass die Schraubverbindung entsprechend weicher ausgelegt
ist, d. h., der die Schraubverbindung repräsentierende Schenkel des Spannungsdreiecks
der 5b weist eine deutlich kleinere Steigung cS' =
tan γS' auf
als im Fall der 5a. Dies bedeutet wiederum,
dass Längenänderungen
uS der Schraube mit entsprechend kleineren Änderungen
der Vorspannung FS der Schraubverbindung
verknüpft
sind.This has the consequence that the screw is designed correspondingly softer, ie, the leg representing the screw of the voltage triangle of 5b has a much smaller pitch c S '= tan γ S ' than in the case of 5a , This in turn means that changes in length u S of the screw are associated with correspondingly smaller changes in the preload F s of the screw connection.
Wie
sich aus dem Spannungsdreieck der 5b ablesen
lässt,
geht in einem solchen Fall mit einer thermisch bedingten Längenänderung ΔLS' der
Schraube eine deutlich kleinere Längenänderung ΔLF' der Flanschbereiche
einher als im Fall einer ungefederten Schraubverbindung, wie sie
durch das Spannungsdreieck der 5a repräsentiert
wird.As can be seen from the voltage triangle of 5b In such a case, with a thermally induced change in length ΔL S 'of the screw, a significantly smaller change in length ΔL F ' of the flange regions is associated than in the case of an unsprung screw connection, as represented by the voltage triangle of FIG 5a is represented.
Somit
wirkt ein in die Schraubverbindung integriertes Federmittel, etwa
das Federelement 7 aus der Anordnung gemäß 2 oder
die Feder 8 aus der Anordnung gemäß 3, als ein
Mittel zum Toleranzausgleich, welches bei nicht vollständiger Kompensation
thermisch bedingter Längenänderungen
der Schraube 5 durch das hierfür vorgesehene Zwischenelement 4 die
mit jener unvollständigen
Kompensation verbundenen Rückwirkungen
auf die zu verspannenden Flanschbereiche 1, 2 minimiert.
Hierdurch werden wiederum die Auswirkungen von Temperaturänderungen
auf die Messgenauigkeit der Messanordnung minimiert, zu der die gegeneinander
verspannten Flanschbereiche 1, 2 als Bestandteile
gehören.Thus acts an integrated into the screw spring means, such as the spring element 7 from the arrangement according to 2 or the spring 8th from the arrangement according to 3 , as a means for tolerance compensation, which in case of incomplete compensation thermally induced changes in length of the screw 5 through the intermediate element provided for this purpose 4 the associated with that incomplete compensation effects on the flange areas to be clamped 1 . 2 minimized. This in turn minimizes the effects of temperature changes on the measurement accuracy of the measuring arrangement to which the mutually braced flange 1 . 2 belong as ingredients.
In
den 6 und 7 ist eine Abwandlung der in
den 3, 4a und 4b dargestellten
Messanordnung hinsichtlich der Ausbildung des Zwischenelementes 4 gezeigt,
welches im Fall der 6 und 7 – ebenso
wie im Fall der 3, 4a und 4b – durch
ein Federelement 9 gebildet wird. Die 6 und
sieben zeigen dabei zwei Varianten jenes Federelementes 9,
die aber auf dem gleichen, nachfolgend erläuterten Konstruktionsprinzip
beruhen.In the 6 and 7 is a modification of the in the 3 . 4a and 4b illustrated measuring arrangement with respect to the formation of the intermediate element 4 shown, which in the case of 6 and 7 - as in the case of 3 . 4a and 4b - By a spring element 9 is formed. The 6 and seven show two variants of that spring element 9 , but based on the same, explained below design principle.
Das
z. B. aus Aluminium bestehende Federelement 9 aus den 6 und 7 umfasst
einen (durch mehrere in axialer Richtung a erstreckte Stege gebildeten)
elastischen Federkörper 90,
der in axialer Richtung a der Schraubverbindung zwischen zwei im
Wesentlichen starren Endabschnitten 93, 93' des Federelementes 9 verläuft. Über den
einen Endabschnitt 93 wirkt das Federelement 9 auf
die zu verspannenden Flanschbereiche 1, 2 ein,
wobei es sich vorliegend beispielhaft mit diesem Endabschnitt 93 unmittelbar
an einem zugeordneten Flanschbereich 2, nämlich dem
Flanschbereich 2 des zu messenden Bauteiles M1 abstützt. Auf
den anderen Endabschnitt 93' des
Federelementes 9 wirkt die Schraube 5 über einen
Stützabschnitt
ein, und zwar im Ausführungsbeispiel
mit ihrem Schraubenkopf 55.The Z. B. made of aluminum spring element 9 from the 6 and 7 comprises a (formed by a plurality of webs in the axial direction a formed) elastic spring body 90 in the axial direction a of the screw connection between two substantially rigid end sections 93 . 93 ' of the spring element 9 runs. About the one end section 93 the spring element acts 9 on the flange areas to be clamped 1 . 2 a, wherein it is present example with this end portion 93 directly on an associated flange area 2 namely the flange area 2 supported by the component M1 to be measured. On the other end section 93 ' of the spring element 9 the screw acts 5 via a support section, in the exemplary embodiment with its screw head 55 ,
Der
Federkörper 90 des
Federelementes 9 ist mit den beiden in axialer Richtung
a voneinander beabstandeten Endabschnitten 93, 93' des Federelementes 9 fest
verbunden. Hierzu kann der Federkörper 90 an den Endabschnitten 93, 93' einstückig angeformt
sein oder in sonstiger Weise, insbesondere stoffschlüssig (z. B.
durch Schweißen),
hiermit verbunden sein. Die Endabschnitte 93, 93' können dabei
aus demselben Material bestehen wie der Federkörper 90 des Federelementes 9;
oder es können
hierfür
unterschiedliche Materialien verwendet werden, wobei auch in diesem
Fall nach der so genannten Mehrkomponententechnik eine einstückige Anformung
der Endabschnitte 93, 93' am Federkörper 90 vorgesehen
sein kann.The spring body 90 of the spring element 9 is with the two in the axial direction a spaced apart end portions 93 . 93 ' of the spring element 9 firmly connected. For this purpose, the spring body 90 at the end sections 93 . 93 ' be integrally formed or in any other way, in particular cohesively (eg., By welding), be connected thereto. The end sections 93 . 93 ' can consist of the same material as the spring body 90 of the spring element 9 ; or different materials can be used for this purpose, wherein also in this case, according to the so-called multi-component technique, a one-piece molding of the end sections 93 . 93 ' on the spring body 90 can be provided.
So
kann gegebenenfalls der an einem Flanschbereich 2 anliegende
Endabschnitt 93 des Federelementes 9 als ein Adapterstück dienen
und hierzu aus einem Material bestehen, das denselben oder zumindest einen ähnlichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie das Material des
Flanschbereiches 2. Insbesondere können hierbei der Flanschbereich 2 und
der hierauf einwirkende Endabschnitt 93 des Federelementes 9 aus
demselben Material gefertigt sein.If necessary, this can be done on a flange area 2 adjoining end section 93 of the spring element 9 serve as an adapter and this consist of a material that has the same or at least a similar coefficient of thermal expansion as the material of the flange 2 , In particular, in this case, the flange area 2 and the end portion acting thereon 93 of the spring element 9 be made of the same material.
Die
vorliegend beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispiele einer Messanordnung
für ein Positionsmesssystem
haben jeweils gemeinsam, dass sie als Komponenten folgendes umfassen:
eines der zueinander beweglichen Bauteile (zu messendes Bauteil);
einen Trägerkörper, der
eine Maßverkörperung oder
eine zur Abtastung einer Maßverkörperung
vorgesehene Abtasteinrichtung trägt;
mindestens einer Schraube, die jeweils einen Flanschbereich eines
der zueinander beweglichen Bauteile (also des zumessenden Bauteiles)
und des Trägerkörpers durchgreift
und der die beiden Flanschbereiche in axialer Richtung der Schraube
mit einer Spannkraft gegeneinander verspannt, um den Trägerkörper und
das eine der zueinander beweglichen Bauteile (das zu messende Bauteil)
aneinander zu befestigen, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient
(α5) des Materials der Schraube (5)
größer ist
als der jeweilige thermische Ausdehnungskoeffizient (α1, α2)
des Materials des jeweiligen Flanschbereiches (1, 2).
Ferner wirkt die Schraube (5) auf mindestens einen der
Flanschbereiche (1, 2) über ein zusätzliches Zwischenelement (4)
ein, dessen Material einen größeren thermischen
Ausdehnungskoeffizienten (α4) aufweist als das Material jedes der Flanschbereiche (1, 2).The presently described different embodiments of a measuring arrangement for a position measuring system have in common that they comprise as components: one of the mutually movable components (component to be measured); a carrier body, which is a material measure or carries a provided for scanning a material measure scanning device; at least one screw, each of which engages through a flange region of one of the mutually movable components (ie the component to be measured) and of the carrier body and which clamps the two flange regions in the axial direction of the screw with a clamping force against each other, around the carrier body and the one of the mutually movable components ( the component to be measured) to each other, whereby the thermal expansion coefficient (α 5 ) of the material of the screw ( 5 ) is greater than the respective thermal expansion coefficient (α 1 , α 2 ) of the material of the respective flange region ( 1 . 2 ). Furthermore, the screw acts ( 5 ) on at least one of the flange areas ( 1 . 2 ) via an additional intermediate element ( 4 ) whose material has a larger thermal expansion coefficient (α 4 ) than the material of each of the flange portions ( 1 . 2 ).
