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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der linearen Abmessung einer Probe entlang einer Messrichtung.
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Hierzu umfasst die Vorrichtung einen Rahmen mit einer neutralen Faser, wobei der Rahmen zur Aufnahme der Probe ausgelegt ist sowie eine relativ zum Rahmen in Messrichtung bewegbare Übertragungseinheit mit einer neutralen Faser, wobei die Übertragungseinheit dazu ausgelegt ist, die Probe anzutasten.
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Derartige Vorrichtungen finden als Dilatometer zur Messung und Bestimmung der temperaturabhängigen Längenänderung, also der linearen thermischen Ausdehnung, einer Probe Verwendung.
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In der
DD 281 023 A1 ist der Grundaufbau einer derartigen Vorrichtung dargestellt. Dabei bildet ein rohrförmiger Rahmen die Aufnahme der Probe und eine Schubstange die Übertragungseinheit zum Antasten der Probe. Die Bewegung der Schubstange relativ zu dem Rahmen erfolgt mittels einer lichtelektrischen Positionsmesseinrichtung. Die Positionsmesseinrichtung ist ein Tastsystem, dessen Tastspitze sich auf einer Seite der Schubstange am Rahmen abstützt und dessen relativ dazu bewegbare Einheit an der Schubstange durch Klemmen befestigt ist.
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Zwischen der Schubstange und dem rohrförmigen Rahmen ist gemäß der
DD 281 023 A1 eine Linearführung in Form einer Kugellagerung vorgesehen. Wie die
DE 37 14 988 A1 offenbart, können anstelle von Kugellagerungen auch Biegefeder-Anordnungen eingesetzt werden.
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Die
US 5,710,426 zeigt eine gattungsgleiche Vorrichtung, bei dem die lichtelektrische Positionsmesseinrichtung einen Maßstab und eine Abtasteinheit aufweist. Der Maßstab ist an der Außenseite einer rechteckförmigen Stange angeordnet, wobei diese Stange als Übertragungseinheit fungiert. Der Maßstab wird von einer Abtasteinheit abgetastet, die von der Stange beabstandet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung der linearen Abmessung bzw. Ausdehnung einer Probe anzugeben, mit der eine besonders genaue und reproduzierbare Positionsmessung ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Demnach umfasst die Vorrichtung zur Messung der linearen Abmessung einer Probe entlang einer Messrichtung einen Rahmen mit einer neutralen Faser, wobei der Rahmen zur Aufnahme der Probe ausgelegt ist.
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Die neutrale Faser, gemäß Wikipedia auch Nulllinie genannt, ist definiert als die Zone des Querschnitts eines Bauteils, dessen Länge sich bei einem Biegevorgang nicht ändert. Weist der Rahmen einen doppelsymmetrischen Querschnitt auf, z.B. rohrförmig, liegt die neutrale Faser in Höhe der Schwerachse und zwischen den Randfasern, welche gedehnt oder gestaucht werden.
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Der Rahmen bildet eine Aufnahme, die als Referenzposition zur definierten Positionierung der Probe dient. Zur Aufnahme der Probe weist der Rahmen vorzugsweise eine Auflagefläche auf, auf welche die Probe aufgelegt werden kann. Alternativ kann die Probe auch in anderer Weise am Rahmen aufgenommen und daran definiert positionierbar sein.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine relativ zum Rahmen in Messrichtung bewegbare Übertragungseinheit mit einer neutralen Faser, wobei die Übertragungseinheit dazu ausgelegt ist, die Probe anzutasten.
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Die neutrale Faser ist auch hier definiert als die Zone des Querschnitts eines Bauteils, dessen Länge sich bei einem Biegevorgang nicht ändert. Ist die Übertragungseinheit stangenförmig ausgebildet, liegt die neutrale Faser in Höhe der Schwerachse und im Mittelpunkt der Stange.
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Die Vorrichtung umfasst darüber hinaus eine lichtelektrische Positionsmesseinrichtung zur Messung der Bewegung der Übertragungseinheit relativ zum Rahmen. Die Positionsmesseinrichtung weist einen Maßstab und eine Abtasteinheit auf.
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Die Positionsmesseinrichtung umfasst eine neutrale Drehachse. Diese neutrale Drehachse ist die Achse um die sich der Maßstab relativ zur Abtasteinheit verdrehen kann, ohne dass dies einen Einfluss auf das Ergebnis der Positionsmessung hat. Sie verläuft senkrecht zur Messrichtung und liegt in einer Ebene parallel zur Ebene der Maßstruktur des Maßstabs. Die Lage der neutralen Drehachse ist abhängig vom Abtaststrahlengang und kann innerhalb des Maßstabs liegen oder innerhalb der Abtasteinrichtung, also geringfügig vom Maßstab entfernt. In der
WO 02/23131 A1 und der
EP 1 901 041 A2 sind Positionsmesseinrichtungen sowie ihre Lage der neutralen Drehachse beispielhaft beschrieben.
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Die Lage der neutralen Drehachse wird vom Hersteller der Positionsmesseinrichtung angegeben oder ist vom Anwender der Positionsmesseinrichtung selbst auf einfache Weise zu ermitteln. Hierzu werden Maßstab und Abtasteinrichtung zueinander um eine Drehachse, die senkrecht zur Messrichtung und parallel zur Maßstruktur liegt, geringfügig verkippt. Ändert sich bei dieser Verkippung der Positionsmesswert nicht, ist die aktuelle Drehachse die neutrale Drehachse. Typische Kippwinkel sind 1 bis 2 mrad.
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Die Positionsmesseinrichtung weist also eine neutrale Drehachse auf, die senkrecht zur Messrichtung verläuft und mit der Messrichtung eine Ebene aufspannt, die parallel zur Ebene der Maßstruktur des Maßstabs verläuft. Erfindungsgemäß ist nun die Positionsmesseinrichtung derart angeordnet, dass die neutrale Faser des Rahmens und die neutrale Faser der Übertragungseinheit in dieser aufgespannten Ebene der Positionsmesseinrichtung liegen.
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Zur hochgenauen reproduzierbaren Messung ist es besonders vorteilhaft, dass der Rahmen und die Übertragungseinheit gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Dies kann realisiert sein, indem gleiche Materialien Verwendung finden. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Rahmen und Übertragungseinheit ist insbesondere kleiner als 0,1 × 10–6K–1. Als Material eignet sich deshalb bevorzugt Glas oder einer Glaskeramik wie beispielsweise ZERODUR, SITAL oder ULE.
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Die neutrale Drehachse der Positionsmesseinrichtung ist vorzugsweise vom Maßstab beabstandet in Richtung der Abtasteinrichtung verlagert angeordnet. Dadurch kann der Maßstab mit seiner die Maßstruktur tragenden Oberfläche an einer Anbaufläche der Übertragungseinheit aufliegend montiert werden.
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Der Maßstab besteht vorzugsweise ebenfalls aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten kleiner als 0,1 × 10–6K–1, nämlich aus Glas oder einer Glaskeramik wie beispielsweise ZERODUR, SITAL oder ULE. Damit ist es nun auch möglich, den Maßstab an der Übertragungseinheit durch Ansprengen direkt und driftfrei zu befestigen.
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Zur stabilen und verformungsarmen Befestigung der Abtasteinheit am Rahmen eignet sich insbesondere eine Spannpratze, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Rahmens übereinstimmt.
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Die erfindungsgemäß ausgeführte Vorrichtung eignet sich besonders zur Verwendung als Dilatometer zur hochgenauen und reproduzierbaren Messung der linearen thermischen Ausdehnung einer Probe.
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Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1 eine Gesamtansicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer zu messenden Probe;
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2 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß 1 im Bereich der Positionsmesseinrichtung;
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3 eine Seitenansicht der Vorrichtung im Bereich der Positionsmesseinrichtung, und
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4 einen Querschnitt IV-IV der 3.
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Die Figuren zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der linearen Abmessung einer Probe 1 entlang einer Messrichtung X. Diese Vorrichtung ist besonders zur Verwendung als Dilatometer geeignet, also zur präzisen Messung der linearen thermischen Ausdehnung der Probe 1. Dabei wird die Längenausdehnung der Probe 1 in Abhängigkeit einer Temperaturänderung gemessen und aufgezeichnet.
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In 1 ist in perspektivischer Ansicht die gesamte Vorrichtung dargestellt. Eine weitere perspektivische Ansicht zeigt 2, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit in dieser Ansicht die Befestigung der Abtasteinheit 5.3 nicht dargestellt ist.
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Die Vorrichtung weist einen Rahmen 2 auf, der zur Aufnahme der Probe 1 ausgelegt ist. Der Rahmen 2 ist einteilig ausgeführt und besteht aus zwei symmetrisch zueinander verlaufenden Schenkeln 2.1 und 2.2, deren Verbindungsbereich die Aufnahme 2.3 in Form einer Auflagefläche für die Probe 1 bildet. Durch Ausbildung der Aufnahme 2.3 am Rahmen 2 ist eine definierte Positionierung der zu vermessenden Probe 1 am Rahmen gewährleistet.
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Durch den symmetrischen Aufbau des Rahmens 2 befindet sich die neutrale Faser F2 des Rahmens in der Symmetrielinie.
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Der Rahmen 2 besteht aus einem Material mit einem möglichst kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Rahmens 2 ist insbesondere kleiner als 0,1 × 10–6K–1. Als Material eignet sich deshalb bevorzugt Glas oder eine Glaskeramik wie beispielsweise ZERODUR, SITAL oder ULE.
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Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine relativ zum Rahmen 2 in Messrichtung X bewegbare Übertragungseinheit 3. Diese Übertragungseinheit 3 ist dazu ausgelegt, die Probe 1 zur Messung ihrer linearen Abmessung bzw. Ausdehnung anzutasten. Die Übertragungseinheit 3 ist eine mittig zwischen den beiden Schenkeln 2.1, 2.2 des Rahmens 2 angeordnete Stange, die sich in Messrichtung X erstreckt. Die neutrale Faser F3 der Übertragungseinheit 3 liegt in der neutralen Faser F2 des Rahmens 2.
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Die Übertragungseinheit 3 besteht aus einem Material, das den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie der Rahmen 2. Die Übertragungseinheit 3 besteht daher ebenfalls aus einem Material mit einem möglichst kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Übertragungseinheit 3 ist insbesondere kleiner als 0,1 × 10–6K–1. Als Material eignet sich deshalb ebenfalls bevorzugt Glas oder eine Glaskeramik wie beispielsweise ZERODUR, SITAL oder ULE.
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Die Übertragungseinheit 3 ist in Messrichtung X möglichst spielfrei am Rahmen 2 längsgeführt. Eine besonders spielfreie und zusätzlich auch reibungsfreie Längsführung ist durch Einsatz von Blattfeder-Anordnungen 4 erreichbar, wobei die Blattfedern einerseits am Rahmen 2 und andererseits an der Übertragungseinheit 3 fixiert sind. Alternativ können auch reibungsarme Kugelführungen oder Luftlager eingesetzt werden.
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Die Messung der Bewegung der Übertragungseinheit 3 relativ zum Rahmen 2 erfolgt mittels einer lichtelektrischen Positionsmesseinrichtung 5. Diese Positionsmesseinrichtung 5 besteht aus einem Maßstab 5.1 mit einer reflektierenden Maßstruktur 5.2 auf einer seiner ebenen Oberfläche und aus einer Abtasteinheit 5.3. Die Maßstruktur 5.2 ist eine inkrementale Teilung in Form eines Phasengitters, das von einer Lichtquelle der Abtasteinheit 5.3 beleuchtet wird und das auftreffende Lichtbündel positionsabhängig moduliert. Zur absoluten Positionsmessung kann die Maßstruktur 5.2 zusätzlich zur inkrementalen Teilung eine Referenzmarkierung oder einen absoluten ein- oder mehrspurigen Code umfassen.
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Die in den Figuren beispielhaft dargestellte Positionsmesseinrichtung 5 ist vom Typ LIP 382 der Firma DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH. Diese Positionsmesseinrichtung 5 weist eine neutrale Drehachse D auf, die senkrecht zur Messrichtung X verläuft und mit der Messrichtung X eine Ebene E aufspannt, die parallel zur Ebene der Maßstruktur 5.2 des Maßstabs 5 verläuft. Die Positionsmesseinrichtung 5 ist derart angeordnet, dass die neutrale Faser F2 des Rahmens 2 und die neutrale Faser F3 der Übertragungseinheit 3 in dieser aufgespannten Ebene E liegen. Die Lage der neutralen Drehachse D ist von der Maßstruktur 5.2 und somit vom Maßstab 5.1 beabstandet und in Richtung der Abtasteinheit 5.3 verlagert angeordnet. Dies kann bei der Montage des Maßstabs 5.1 an die Übertragungseinheit 3 in vorteilhafter Weise ausgenutzt werden, indem der Maßstab 5.1 mit seiner die Maßstruktur 5.2 tragenden Oberfläche mit einer parallel dazu verlaufenden Anbaufläche 3.1 der Übertragungseinheit 3 kontaktiert und daran fixiert wird. Diese Kontaktierung des Maßstabs 5.1 mit der Anbaufläche 3.1 der Übertragungseinheit 3 erfolgt im Ausführungsbeispiel nur partiell. Der Bereich des Maßstabs 5.1, welcher bei der Positionsmessung von der Abtasteinheit 5.3 abgetastet wird, kragt über das Ende der Übertragungseinheit hinaus. Diese Ausgestaltung ist aus der in 3 dargestellten Seitenansicht der Vorrichtung in Verbindung mit dem in 4 dargestellten Schnitt IV-IV ersichtlich.
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Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Maßstabs 5.1 entspricht dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Übertragungseinheit 3 und ist vorzugsweise kleiner als 0,1 × 10–6K–1. Der Maßstab 5.1 besteht bevorzugt aus Glas oder einer Glaskeramik wie beispielsweise ZERODUR, SITAL oder ULE. Aufgrund gleicher Ausdehnungkoeffizienten von Übertragungseinheit 3 und Maßstab 5.1 kann die Befestigung des Maßstabs 5.1 an der Anbaufläche der Übertragungseinheit 3 durch Ansprengen erfolgen. Beim Ansprengen sind zwei glatte und ebene Oberflächen durch deren molekularen Anziehungskräfte miteinander verbunden. Diese Anspreng-Verbindung kann bei Bedarf durch eine weitere Befestigung gesichert werden. Diese weitere Befestigung ist so auszuführen, dass möglichst keine die Positionsmessung störenden Querkräfte auf den Maßstab 5.1 und die Übertragungseinheit 3 eingeleitet werden. Hierzu eignet sich die Befestigung mittels Klemmen, indem der Maßstab 5.1 mittels zumindest einer Spannpratze an die Anbaufläche 3.1 der Übertragungseinheit 3 gedrängt wird.
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Die Abtasteinheit 5.3 ist am Rahmen 2 befestigt. Die Befestigung erfolgt insbesondere mittels zumindest einer Spannpratze 6, welche die Abtasteinheit 5.3 an eine ebene Anbaufläche des Rahmens 2 drängt und dort kraftschlüssig fixiert.
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Zur Vermeidung von störenden Querkräften besteht die zumindest eine Spannpratzen 6 aus einem Material, das den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie der Rahmen 2 und die Übertragungseinheit 3.
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Die Blattfeder-Anordnungen 4 sind ebenfalls mittels derartiger Spannpratzen einerseits am Rahmen 2 und andererseits an der Übertragungseinheit 3 kraftschlüssig fixiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DD 281023 A1 [0004, 0005]
- DE 3714988 A1 [0005]
- US 5710426 [0006]
- WO 02/23131 A1 [0015]
- EP 1901041 A2 [0015]
