DE102017223613A1

DE102017223613A1 - Wärmeausdehnungskoeffizienten-Messverfahren und Wärmeausdehnungskoeffizienten-Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102017223613A1
Application number: DE102017223613.2A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Hagino; Yuichiro Yokoyama
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2018-06-28
Also published as: US10627204B2; CN108226216B; CN108226216A; US20180180396A1; JP2018105654A; JP6990024B2

Abstract

Ein Stufenendmaß (10) und ein Referenz-Endmaß (20) werden parallel zueinander in eine temperaturgeregelte Kammer (30) eingesetzt. Eine Temperatur des Stufenendmaßes (10) wird mittels einer Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung (50) und der temperaturgeregelten Kammer (30) auf eine erste Temperatur und eine zweite Temperatur geändert. Ein Abstand zwischen einer ersten Oberfläche (11) und einer zweiten Oberfläche (12) des Stufenendmaßes (10) wird bei jeder der ersten und der zweiten Temperatur bezogen auf einen Abstand zwischen einer ersten Referenzoberfläche (21) und einer zweiten Referenzoberfläche (22) des Referenz-Endmaßes (20) relativ gemessen. Ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Messobjekts wird aus der Länge des Messobjekts bei der ersten Temperatur und der Länge des Messobjekts bei der zweiten Temperatur berechnet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmeausdehnungskoeffizienten- (WAK-) Messverfahren und eine Wärmeausdehnungskoeffizienten- (WAK-) Messvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Referenz-Maßlehren kommen in Prüf-Messvorrichtungen wie Koordinatenmessvorrichtungen zum Einsatz.
Einer Vielzahl von Längen entsprechende Stufenendmaße sowie verschiedene Endmaße, deren Ende-bis-Ende-Maß hochgenau kalibriert ist, werden als die Referenz-Maßlehre verwendet.
Die Stufenendmaße sind kammartige Komponenten mit abwechselnd angeordneten Vorsprüngen und Aussparungen, wobei eine Vielzahl von Referenzmaßen zwischen Endflächen der Vorsprünge definiert ist. Die Stufenendmaße werden durch abwechselndes Anordnen die Vorsprünge definierender Messblocks und die Aussparungen definierender Abstandsblocks und Befestigen der angeordneten Blocks auf einem Halter produziert. Alternativ werden die Stufenendmaße durch Schneiden einer einzigen Komponente in eine Form der kammartigen Komponente produziert.
Ein Kalibrierwert des Ende-bis-Ende-Maßes der Stufenendmaße ist als eine Länge bei einer bestimmten Temperatur definiert und ist häufig als eine Länge bei 20 °C (Industriestandardtemperatur) definiert.
Beim Prüfen einer Koordinatenmessvorrichtung muss die gemessene Länge zur Kalibrierung in eine Länge bei einer Temperatur umgewandelt werden. Eine solche Umwandlung wird gewöhnlich als eine Längen-Temperaturkorrektur bezeichnet. Dabei ist es erforderlich, dass ein Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) des Stufenendmaßes genau bekannt ist.
Der für die Temperaturkorrektur verwendete WAK ist für die meisten Referenz-Maßlehren einschließlich Stufenendmaßen in einer Kalibrierbescheinigung oder einer Prüfbescheinigung vermerkt. Ein solcher WAK ist mit einer Toleranz angegeben.
Wenn ein Stufenendmaß zum Prüfen einer Koordinatenmessvorrichtung verwendet wird, wird die Toleranz beim Ermitteln der Unsicherheit der Prüfung als ein Unsicherheitsfaktor angesehen. Demgemäß ist es erforderlich, dass der WAK des Stufenendmaßes hochgenau ermittelt wird, um die Unsicherheit bei der Prüfung zu verringern.
Den WAK eines Gegenstands einschließlich einer Referenz-Maßlehre erhält man durch Ändern der Temperatur des Gegenstands und Messen einer Längenänderung des Gegenstands infolge der Temperaturänderung.
Speziell ist ein WAK α durch eine Formel α = (ΔL / L) · (1 / ΔT) gegeben, wobei ΔT = T - To (T: eine aktuelle Temperatur, To: eine Referenztemperatur) die Temperaturänderung darstellt und ΔL = L - Lo (L: eine Länge des Gegenstands bei der aktuellen Temperatur T, Lo: eine Länge des Gegenstands bei der Referenztemperatur To) die Längenänderung (Wärmeausdehnung) darstellt.
Bei einer Referenz-Maßlehre wie einem Stufenendmaß ist die Länge L des Gegenstands über 10⁵- mal so groß wie die Längenänderung ΔL. Demgemäß hat die Genauigkeit des Werts der Länge L einen relativ geringen Einfluss auf den Wert des WAK α.
Demgemäß ist es, um den WAK α hochgenau zu berechnen, erforderlich, die Temperaturänderung ΔT und die Längenänderung ΔL hochgenau zu messen.
Zum Messen des WAK α eines Gegenstands wurde ein ein optisches Interferometer verwendendes Messverfahren vorgeschlagen (siehe Patentliteratur 1: JP 3897655 B ).
In Patentliteratur 1 werden zwei Paare optischer Interferometer, welche sich auf einer gemeinsamen Messachse gegenüberliegen, verwendet, um ein Ende-bis-Ende-Maß eines Messobjekts (z.B. Endmaßes) hochgenau zu messen. Dann wird das Messobjekt mittels einer mit dem Messobjekt in Kontakt gebrachten Wärmedurchdringungsplatte direkt erwärmt und wird seine Länge bei verschiedenen Temperaturen gemessen. Eine so erhaltene Wärmeausdehnung infolge einer Temperaturänderung wird verwendet, um den WAK zu berechnen.
Jedoch verwendet ein solches WAK-Messverfahren die Wärmedurchdringungsplatte zum Erwärmen des Messobjekts. Folglich wird nur eine Oberfläche des Messobjekts, die mit der Wärmedurchdringungsplatte in Kontakt steht, lokal erwärmt, was zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung des Messobjekts führt. Infolgedessen ist eine Wärmeausdehnung in dem Messobjekt nicht gleichmäßig, was bei der Messung des WAK zu einem Fehler führt.
Um ein solches Problem zu lösen, wurde ein Verfahren vorgeschlagen, welches zum Regeln einer Temperatur eines Stufenendmaßes eine temperaturgeregelte Kammer verwendet (siehe Patentliteratur 2: JP 2004-226369 A ).
Bei dem in Patentliteratur 2 offenbarten Verfahren wird das Stufenendmaß (Messobjekt) in die temperaturgeregelte Kammer eingesetzt. Ferner wird ein Messfühler einer externen Koordinatenmessvorrichtung durch eine Öffnung der temperaturgeregelten Kammer eingeführt und wird die Länge des Stufenendmaßes mittels des Messfühlers gemessen. Ein Temperatur-Sollwert des Innern der temperaturgeregelten Kammer wird geändert, um die Länge bei verschiedenen Temperaturen zu messen. Eine so erhaltene Wärmeausdehnung infolge einer Temperaturänderung wird verwendet, um einen WAK zu berechnen.
Bei einem solchen Messverfahren wird die Temperatur eines Gases im Innern der temperaturgeregelten Kammer auf einen konstanten Wert geregelt und wird die Temperatur des Stufenendmaßes über das Gas indirekt geändert. Folglich kann die Temperatur des Stufenendmaßes gleichmäßig werden, was eine hochgenaue WAK-Messung gestattet.
Jedoch wird bei dem Verfahren aus Patentliteratur 2 die Temperatur des Stufenendmaßes ganz allmählich geändert, weil die Temperatur über das Gas indirekt geändert wird. Ein solches Verfahren erfordert eine lange Zeit zum Stabilisieren der Temperatur des Stufenendmaßes auf dem Temperatur-Sollwert, und folglich ist es annähernd unmöglich, eine effiziente Messung zustandezubringen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung ist, ein Wärmeausdehnungskoeffizienten- (WAK-) Messverfahren und eine Wärmeausdehnungskoeffizienten- (WAK-) Messvorrichtung, welche fähig sind, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) in einer kurzen Zeit hochgenau zu messen, bereitzustellen.
Ein Aspekt der Erfindung ist ein Wärmeausdehnungskoeffizienten-Messverfahren zum Messen eines Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Messobjekts mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, welches Verfahren enthält: das Bereitstellen: einer für das Aufnehmen des Messobjekts konfigurierten temperaturgeregelten Kammer, welche eine einstellbare Innentemperatur hat; einer für das Messen eines Abstands zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche konfigurierten Abstandsmessvorrichtung, mindestens einer in die temperaturgeregelte Kammer eingesetzten und für das Erwärmen oder Abkühlen des Messobjekts konfigurierten Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung; und eines an dem Messobjekt angebrachten und für das Messen einer Temperatur des Messobjekts konfigurierten Messobjekt-Thermometers; das Einsetzen des Messobjekts in die temperaturgeregelte Kammer; das Erwärmen oder Abkühlen des Messobjekts mittels der temperaturgeregelten Kammer und der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung, nachdem ein Temperatur-Sollwert der temperaturgeregelten Kammer und der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung auf eine erste Temperatur eingestellt wurde; das Messen des Abstands zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, nachdem festgestellt wurde, dass eine mittels des Messobjekt-Thermometers gemessene Temperatur sich auf der ersten Temperatur stabilisiert hat; das Erwärmen oder Abkühlen des Messobjekts mittels der temperaturgeregelten Kammer und der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung, nachdem der Temperatur-Sollwert der temperaturgeregelten Kammer und der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung auf eine zweite Temperatur geändert wurde; das Messen des Abstands zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, nachdem festgestellt wurde, dass die mittels des Messobjekt-Thermometers gemessene Temperatur sich auf der zweiten Temperatur stabilisiert hat; und das Berechnen des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Messobjekts aus dem Abstand zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche bei der ersten Temperatur und dem Abstand zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche bei der zweiten Temperatur.
Bei dem obigen Aspekt wird die Temperatur des Messobjekts mittels der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung direkt geändert, während sie mittels der temperaturgeregelten Kammer indirekt geändert wird. Eine solche Erwärmung kann die zum gleichmäßigen Stabilisieren der Temperatur des Messobjekts auf dem Temperatur-Sollwert erforderliche Zeit verkürzen, was gestattet, den WAK des Messobjekts in einer kurzen Zeit hochgenau zu messen.
Bei dem obigen Aspekt ist es vorzuziehen, dass die mindestens eine Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung an mindestens einem Paar Seiten des Messobjekts an bezüglich einer Mittelachse des Messobjekts symmetrischen Positionen angebrachte Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen enthält.
Die obige Anordnung gestattet, die Temperatur des Messobjekts an den bezüglich der Mittelachse des Messobjekts symmetrischen Positionen zu ändern. Die Temperatur des Messobjekts kann somit gleichmäßig geändert werden, was die zum gleichmäßigen Stabilisieren des gesamten Messobjekts auf dem Temperatur-Sollwert erforderliche Zeit verkürzt und infolgedessen gestattet, den WAK des Messobjekts in einer kurzen Zeit zu messen.
Bei dem obigen Aspekt ist es vorzuziehen, dass ein Ausgang der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen der mittels des Messobjekt-Thermometers gemessenen Temperatur und dem Temperatur-Sollwert der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung eingestellt wird.
Die obige Anordnung gestattet, den Ausgang der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung als Reaktion auf eine größere Differenz zwischen der Messtemperatur des Messobjekts und dem Temperatur-Sollwert zu erhöhen und als Reaktion auf eine kleinere Differenz abzusenken. Eine derartige Erhöhung und Absenkung des Ausgangs gestattet das unverzügliche Ändern der Temperatur des Messobjekts und das Verhindern einer übermäßigen Änderung der Temperatur, was die zum Stabilisieren der Temperatur des Messobjekts auf dem Temperatur-Sollwert erforderliche Zeit verkürzt und infolgedessen gestattet, den WAK des Messobjekts in einer kurzen Zeit zu messen.
Bei dem obigen Aspekt ist es vorzuziehen, dass die Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung ihren Betrieb beendet, sobald eine Differenz zwischen der mittels des Messobjekt-Thermometers gemessenen Temperatur und dem Temperatur-Sollwert unter eine gewünschte Schwelle fällt.
Die obige Anordnung kann eine übermäßige Änderung der Temperatur des Messobjekts verhindern, was die zum Stabilisieren der Temperatur des Messobjekts auf dem Temperatur-Sollwert erforderliche Zeit verkürzt und infolgedessen gestattet, den WAK des Messobjekts in einer kurzen Zeit zu messen.
Bei dem obigen Aspekt ist es vorzuziehen, dass eine Wärmekapazität der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung kleiner als eine Wärmekapazität des Messobjekts ist.
Die obige Anordnung ermöglicht, dass die Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung die Temperatur des Messobjekts weniger beeinflusst, nachdem der Betrieb der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung beendet wurde, was die zum Stabilisieren der Temperatur des Messobjekts auf dem Temperatur-Sollwert erforderliche Zeit verkürzt und infolgedessen gestattet, den WAK des Messobjekts in einer kurzen Zeit zu messen.
Bei dem obigen Aspekt ist es vorzuziehen, dass das Verfahren außerdem das Bereitstellen einer Referenzlehre mit einer ersten Referenzoberfläche und einer zweiten Referenzoberfläche, welche der ersten Oberfläche beziehungsweise der zweiten Oberfläche entsprechen, wobei ein Abstand von der ersten Referenzoberfläche zu der zweiten Referenzoberfläche bekannt ist; das Einsetzen der Referenzlehre in die temperaturgeregelte Kammer zusammen mit dem Messobjekt; und das relative Messen des Abstands zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche bezogen auf einen Abstand zwischen der ersten Referenzoberfläche und der zweiten Referenzoberfläche enthält.
Die obige Anordnung gestattet, die Länge des Messobjekts unter Verwendung der Referenzlehre als Längen-Master zu messen. Eine solche relative Messung der Länge bezogen auf die Länge der Referenzlehre ermöglicht, dass ein Messergebnis nicht von der Skalengenauigkeit der Abstandsmessvorrichtung, sondern allein von der Genauigkeit der Referenzlehre abhängt. Die Länge des Messobjekts kann folglich hochgenau gemessen werden.
Bei dem obigen Aspekt ist es vorzuziehen, dass die Referenzlehre aus einem Material besteht, dessen Ausdehnungskoeffizient extrem niedrig oder gleich null ist und dessen Ausdehnung infolge einer Temperaturänderung zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur hinsichtlich der Genauigkeit vernachlässigbar ist, oder aus einem Material besteht, dessen Ausdehnungskoeffizient bekannt ist.
Die obige Anordnung kann eine Temperaturkorrektur der Länge der Referenzlehre zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur überflüssig machen, wenn die Referenzlehre aus einem Material besteht, dessen Ausdehnungskoeffizient extrem niedrig oder gleich null ist. Ferner kann, wenn die Referenzlehre aus einem Material mit einem bekannten Ausdehnungskoeffizienten besteht, eine hochgenaue Länge der Referenzlehre bei jeder der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur über eine Temperaturkorrektur berechnet werden. Da die genaue Referenzlehren-Länge bei jeder der Temperaturen in beiden Fällen bekannt sein kann, können die relative Messung bei der ersten Temperatur und die relative Messung bei der zweiten Temperatur hochgenau durchgeführt werden.
Bei dem obigen Aspekt ist es vorzuziehen, dass das Verfahren außerdem enthält: das Bereitstellen: einer in die temperaturgeregelte Kammer eingesetzten und für das Erwärmen oder Abkühlen der Referenzlehre konfigurierten Referenzlehren-Temperatureinstellvorrichtung; und eines an der Referenzlehre angebrachten und für das Messen einer Temperatur der Referenzlehre konfigurierten Referenzlehren-Thermometers; das Erwärmen oder Abkühlen des Messobjekts und der Referenzlehre mittels der temperaturgeregelten Kammer, der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung und der Referenzlehren-Temperatureinstellvorrichtung, nachdem ein Temperatur-Sollwert der temperaturgeregelten Kammer, der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung und der Referenzlehren-Temperatureinstellvorrichtung auf die erste Temperatur eingestellt wurde; das relative Messen des Abstands zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, nachdem festgestellt wurde, dass die mittels jedes des Messobjekt-Thermometers und des Referenzlehren-Thermometers gemessene Temperatur sich auf der ersten Temperatur stabilisiert hat; das Erwärmen oder Abkühlen des Messobjekts und der Referenzlehre mittels der temperaturgeregelten Kammer, der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung und der Referenzlehren-Temperatureinstellvorrichtung, nachdem der Temperatur-Sollwert der temperaturgeregelten Kammer, der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung und der Referenzlehren-Temperatureinstellvorrichtung auf die zweite Temperatur geändert wurde; das relative Messen des Abstands zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, nachdem festgestellt wurde, dass die mittels jedes des Messobjekt-Thermometers und des Referenzlehren-Thermometers gemessene Temperatur sich auf der zweiten Temperatur stabilisiert hat; und das Berechnen des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Messobjekts aus dem Abstand zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche bei der ersten Temperatur und dem Abstand zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche bei der zweiten Temperatur.
Die obige Anordnung gestattet, die Temperatur der Referenzlehre mittels der Referenzlehren-Temperatureinstellvorrichtung direkt zu ändern, während sie mittels der temperaturgeregelten Kammer indirekt geändert wird. Folglich kann die Zeit, bis die Temperatur der Referenzlehre sich gleichmäßig auf dem Temperatur-Sollwert stabilisiert hat, im Wesentlichen gleich der Zeit, bis das Messobjekt sich gleichmäßig auf dem Temperatur-Sollwert stabilisiert hat, gemacht werden, was das relative Messen der Länge des Messobjekts bezogen auf die Wärmeausdehnung der Referenzlehre gestattet. Der WAK des Messobjekts kann folglich mit einer höheren Genauigkeit gemessen werden.
Es ist zu beachten, dass die Referenzlehren-Temperatureinstellvorrichtung an einer Position, welche derjenigen der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung entspricht, angebracht ist und in Funktion und Eigenschaften der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung gleicht.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine für das Messen eines Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Messobjekts mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche konfigurierte Wärmeausdehnungskoeffizienten-Messvorrichtung, welche Vorrichtung enthält: eine für das Aufnehmen des Messobjekts konfigurierte temperaturgeregelte Kammer, welche eine einstellbare Innentemperatur hat; eine für das Messen eines Abstands zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche konfigurierte Abstandsmessvorrichtung; eine in die temperaturgeregelte Kammer eingesetzte und für das Ändern der Temperatur des Messobjekts konfigurierte Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung; und ein an dem Messobjekt angebrachtes und für das Messen einer Temperatur des Messobjekts konfiguriertes Messobjekt-Thermometer.
Gemäß dem obigen Aspekt lassen sich durch den im Zusammenhang mit dem WAK-Messverfahren erwähnten Prozess die gleichen Wirkungen und Vorteile wie diejenigen des oben beschriebenen WAK-Messverfahrens erzielen.
Bei dem obigen Aspekt ist es vorzuziehen, dass die Abstandsmessvorrichtung eine Koordinatenmessvorrichtung ist und die temperaturgeregelte Kammer mit einer Messöffnung versehen ist, durch welche ein Messfühler der Koordinatenmessvorrichtung in die temperaturgeregelte Kammer eingeführt wird, um zu einer Messoberfläche des Messobjekts zu gelangen.
Die obige Anordnung gestattet das Messen der Länge des Messobjekts mittels der Koordinatenmessvorrichtung. Der WAK des Messobjekts kann folglich ohne Verwendung eines kostspieligen optischen Interferometers hochgenau gemessen werden.
Die obigen Aspekte können ein Wärmeausdehnungskoeffizienten- (WAK-) Messverfahren und eine Wärmeausdehnungskoeffizienten- (WAK-) Messvorrichtung, welche fähig sind, einen WAK eines Messobjekts in einer kurzen Zeit hochgenau zu messen, bereitstellen.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Messvorrichtung gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
2 ist eine perspektivische Ansicht, welche ein Stufenendmaß (ein Messobjekt gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform) zeigt.
3 ist eine Draufsicht, welche das Stufenendmaß (das Messobjekt gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform) zeigt.
4 ist eine perspektivische Ansicht, welche ein Referenz-Endmaß (eine Referenzlehre gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform) zeigt.
5 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Anordnung einer temperaturgeregelten Kammer, des Stufenendmaßes und des Referenz-Endmaßes gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform zeigt.
6 ist ein Ablaufplan, welcher einen Messprozess gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform zeigt.
7 ist eine Seitenansicht, welche eine Anordnung der Vorrichtung gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform zeigt.
8 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Messvorgang gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform zeigt.
9 ist eine perspektivische Ansicht, welche ein Referenz-Endmaß (eine Referenzlehre gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung) zeigt.
10 ist eine Draufsicht, welche das Referenz-Endmaß (die Referenzlehre gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform) zeigt.

BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNGSFORM (VON AUSFÜHRUNGSFORMEN)
Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform beziehungsweise werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Erste beispielhafte Ausführungsform
Die 1 bis 5 zeigen eine erste beispielhafte Ausführungsform der Erfindung.
Wie in 1 gezeigt, ist eine Wärmeausdehnungskoeffizienten- (WAK-) Messvorrichtung 1 gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform dafür konfiguriert, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) α einer Referenz-Maßlehre in Form eines Stufenendmaßes 10 hochgenau zu messen.
Demgemäß enthält die WAK-Messvorrichtung 1 eine für das Aufnehmen des Stufenendmaßes 10 und Halten des Stufenendmaßes 10 auf einer vordefinierten Temperatur konfigurierte temperaturgeregelte Kammer 30, ein für das Unterbringen in der temperaturgeregelten Kammer 30 konfiguriertes Referenz-Endmaß 20 (eine Referenzlehre) und eine für das relative Messen einer Länge des Stufenendmaßes 10 bezogen auf das Referenz-Endmaß 20 konfigurierte Koordinatenmessvorrichtung 40.
Wie in 1 gezeigt, enthält die Koordinatenmessvorrichtung 40 einen Messtisch 41. Ein Kopf 44 ist über eine Säule 42 und eine Traverse 43 über dem Messtisch 41 gelagert. Ein sich nach unten erstreckender Stößel 45 ist an dem Kopf 44 vorgesehen. Ein Messfühler 46 ist an einem distalen Ende des Stößels 45 angebracht.
Die Säule 42 der Koordinatenmessvorrichtung 40 ist in einer Y-Achsen-Richtung relativ zu dem Messtisch 41 beweglich. Der Kopf 44 ist in einer X-Achsen-Richtung relativ zu der Traverse 43 beweglich. Der Stößel 45 ist in einer Z-Achsen-Richtung relativ zu dem Kopf 44 beweglich. Eine solche dreiachsige Bewegung gestattet dem Messfühler 46, sich relativ zu dem Messtisch 41 dreidimensional zu bewegen.
Die temperaturgeregelte Kammer 30 ist eine ein kastenförmiges Gehäuse aufweisende und für das Halten der Temperatur innerhalb des Gehäuses auf einer gewünschten Temperatur konfigurierte Vorrichtung. Die temperaturgeregelte Kammer 30 ist an einer Oberseite des Messtischs 41 so montiert und befestigt, dass eine Längsrichtung der temperaturgeregelten Kammer 30 auf die Y-Achsen-Richtung ausgerichtet ist.
Eine Oberseite der temperaturgeregelten Kammer 30 lässt sich öffnen und schließen, um das Stufenendmaß 10 und das Referenz-Endmaß 20 innerhalb der temperaturgeregelten Kammer 30 unterzubringen.
Eine Vielzahl von Messöffnungen 31, die jeweils einen Deckel haben, welcher sich öffnen und schließen lässt, ist an der Oberseite der temperaturgeregelten Kammer 30 vorgesehen.
Das Stufenendmaß 10 ist innerhalb der temperaturgeregelten Kammer 30 so gelagert, dass eine Längsrichtung Lt des Stufenendmaßes 10 entlang der Y-Achsen-Richtung verläuft. Das Referenz-Endmaß 20 ist so eingesetzt, dass es einer Oberseite des Stufenendmaßes 10 (d.h. einer der Messöffnung 31 gegenüberliegend angeordneten Seite des Stufenendmaßes 10) gegenüberliegt, und ist so gelagert, dass eine Längsrichtung Lr des Referenz-Endmaßes 2 entlang der Y-Achsen-Richtung (d.h. parallel zu dem Stufenendmaß 10) verläuft.
Wie in 2 gezeigt, enthält das Stufenendmaß 10 (das Messobjekt) einen sich in der Längsrichtung Lt erstreckenden quadratisch-säulenförmigen Körper. Eine Oberseite, eine Unterseite und Seitenflächen des Körpers liegen parallel zu einer senkrechten Richtung Ht oder einer Querrichtung Wt, welche die Längsrichtung Lt schneiden.
Eine Vielzahl von Vorsprüngen 13 jeweils in Form eines Endmaßes ist auf der Oberseite des Stufenendmaßes 10 in der Längsrichtung Lt ausgerichtet. Eine Länge jedes der Vorsprünge 13 in der Längsrichtung Lt ist mit Dp bezeichnet. Ein Maß einer zwischen in der Längsrichtung Lt einander gegenüberliegenden der Vorsprünge 13 definierten Aussparung ist mit Dc bezeichnet.
In der ersten beispielhaften Ausführungsform ist eine Oberfläche eines der Vorsprünge 13 an einem ersten Ende des Stufenendmaßes 10 als eine erste Oberfläche 11 bezeichnet, ist eine Oberfläche eines anderen der Vorsprünge 13 an einem zweiten Ende des Stufenendmaßes 10 als eine zweite Oberfläche 12 bezeichnet und wird ein Abstand zwischen der ersten Oberfläche 11 und der zweiten Oberfläche 12 als eine Länge Dx des Stufenendmaßes 10 gemessen.
Wie in 3 gezeigt, sind Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 an einer der Seitenflächen des Stufenendmaßes 10 nahe der ersten Oberfläche 11 und der zweiten Oberfläche 12 in der Längsrichtung Lt angebracht. Ferner sind weitere Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 ebenso an der anderen Seitenfläche nahe der ersten Oberfläche 11 und der zweiten Oberfläche 12 angebracht. Anders ausgedrückt, die Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 sind an dem Paar Seitenflächen des Stufenendmaßes 10 an bezüglich einer Mittelachse des Stufenendmaßes 10 symmetrischen Positionen in der Längsrichtung Lt angebracht.
Ferner ist ein Messobjekt-Thermometer 60 mittig an jeder der beiden Seitenflächen angebracht, um die Temperatur des Stufenendmaßes 10 zu messen.
Die Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50, welche für das Ändern der Temperatur des Stufenendmaßes 10 konfiguriert sind, liegen jeweils in Form einer Heizfolie mit einer kleinen Wärmekapazität gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform vor. Die Temperatur des Stufenendmaßes 10 steigt an, wenn die Heizfolie Wärme zuführt.
Die Messobjekt-Thermometer 60 sind für das Messen einer Oberflächentemperatur des Stufenendmaßes 10 konfiguriert. Ein Mittelwert der jeweiligen Messergebnisse der Messobjekt-Thermometer 60 wird als eine Messtemperatur ts1 erfasst.
In der ersten beispielhaften Ausführungsform sind die Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 und die Messobjekt-Thermometer 60 mit einem Temperatureinstellmechanismus 70 verbunden.
Der Temperatureinstellvorrichtung 70, welcher über eine Ausgangintensitätseinstellfunktion verfügt, ist für das Einstellen eines Ausgangs jeder der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 konfiguriert.
Ferner ist der Temperatureinstellvorrichtung 70, welcher außerdem über eine eine Überhitzung vermeidende Funktion verfügt, für das im Voraus erfolgende Einstellen einer Schwellentemperatur Δt und das Beenden eines Betriebs jeder der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50, sobald eine Differenz zwischen der Messtemperatur ts1 des Stufenendmaßes 10 und einem für die Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 eingestellten Temperatur-Sollwert unter eine Schwellentemperatur Δt fällt, konfiguriert. So kann verhindert werden, dass das Stufenendmaß 10 überhitzt wird.
Wie in 4 gezeigt, ist das Referenz-Endmaß 20 (die Referenzlehre) ein sich in der Längsrichtung Lr erstreckendes Endmaß. Eine Oberseite, eine Unterseite und Seitenflächen des Referenz-Endmaßes 20 liegen jeweils parallel zu einer senkrechten Richtung Hr oder einer Querrichtung Wr, welche die Längsrichtung Lr schneiden.
Eine erste Referenzoberfläche 21 und eine zweite Referenzoberfläche 22 des Referenz-Endmaßes 20 sind durch ein Paar Endflächen an beiden Enden in der Längsrichtung Lr definiert.
Ein Abstand zwischen der ersten Referenzoberfläche 21 und der zweiten Referenzoberfläche 22 (d.h. eine Länge) des Referenz-Endmaßes 20 ist mit Drx bezeichnet. Die Länge Drx des Referenz-Endmaßes 20 ist um ein vordefiniertes Maß (z.B. eine Länge Dp jedes der Vorsprünge 13) kürzer als die zu messende Länge Dx (das Nennmaß) des Stufenendmaßes 10 (d.h. des Messobjekts).
Die Länge Drx des Referenz-Endmaßes 20 ist bekannt. Ferner besteht das Referenz-Endmaß 20 aus einem Material, dessen Ausdehnungskoeffizient extrem niedrig oder gleich null ist und dessen Ausdehnung infolge einer Temperaturänderung zwischen einer ersten Temperatur t1 und einer zweiten Temperatur t2 wie später beschrieben hinsichtlich der Genauigkeit vernachlässigbar ist. Folglich kann bei relativer Messung bei jeder der ersten Temperatur t1 und der zweiten Temperatur t2 die bei jeder der Temperaturen t1 und t2 gemessene Länge Drx hochgenau berechnet werden.
Wie in 5 gezeigt, sind das Stufenendmaß 10 und das Referenz-Endmaß 20 parallel zueinander in die temperaturgeregelte Kammer 30 eingesetzt.
Um das Stufenendmaß 10 und das Referenz-Endmaß 20 zu halten, ist eine hochstabile Bodenplatte 32 in die temperaturgeregelte Kammer 30 eingesetzt. Ein Messobjektträger 80 und ein Referenzlehrenträger 90 sind auf eine Oberseite der Bodenplatte 32 gesetzt.
Der Messobjektträger 80 enthält einen ersten Messobjektträger 81 nahe der ersten Oberfläche 11 und einen zweiten Messobjektträger 82 nahe der zweiten Oberfläche 12.
Der Referenzlehrenträger 90 enthält einen ersten Referenzlehrenträger 91 nahe der ersten Referenzoberfläche 21 und einen zweiten Referenzlehrenträger 92 nahe der zweiten Referenzoberfläche 22.
WAK-Messvorgang
6 zeigt einen Prozess zur Messung des WAK α des Stufenendmaßes 10 mittels der WAK-Messvorrichtung 1.
Zu Beginn der Messung wird zuerst die WAK-Messvorrichtung 1 durch Befestigen der temperaturgeregelten Kammer 30 auf der Koordinatenmessvorrichtung 40 zusammengesetzt und werden das Stufenendmaß 10 und das Referenz-Endmaß 20 in die temperaturgeregelte Kammer 30 eingesetzt (Schritt S1).
Beim Einsetzen des Stufenendmaßes 10 und des Referenz-Endmaßes 20 in die temperaturgeregelte Kammer 30 werden zuerst der erste Messobjektträger 81 und der zweite Messobjektträger 82 eingesetzt, um das Stufenendmaß 10 zu halten. Anschließend werden der erste Referenzlehrenträger 91 und der zweite Referenzlehrenträger 92 so eingesetzt, dass sie sich über das Stufenendmaß 10 erstrecken, um das Referenz-Endmaß 20 zu halten.
Wie in 7 gezeigt, werden beim Einsetzen des Stufenendmaßes 10 und des Referenz-Endmaßes 20 die Position des Stufenendmaßes 10 in der Längsrichtung Lt und die Position des Referenz-Endmaßes 2 in der Längsrichtung Lr so eingestellt, dass die zweite Oberfläche 12 und die zweite Referenzoberfläche 22 in derselben Ebene liegen.
Die Länge Drx des Referenz-Endmaßes 20 ist um die Länge Dp jedes der Vorsprünge 13 kürzer als die Länge Dx des Stufenendmaßes 10. Folglich ist, wenn die zweite Referenzoberfläche 22 und die zweite Oberfläche 12 in derselben Ebene liegen, die erste Referenzoberfläche 21 gegenüber der ersten Oberfläche 11 um die Länge Dp jedes der Vorsprünge 13 versetzt, wobei eine Oberseite des Vorsprungs 13, welcher die erste Oberfläche 11 definiert, von dem Referenz-Endmaß 20 unbedeckt ist.
Wie wiederum in 6 gezeigt, wird, nachdem das Stufenendmaß 10 und das Referenz-Endmaß 20 eingesetzt wurden (Schritt S1), eine Messlänge (die Länge Dx des Stufenendmaßes 10) in die Koordinatenmessvorrichtung 40 eingegeben (Schritt S2).
Anschließend wird die Länge des Stufenendmaßes 10 bei jeder von vordefinierten verschiedenen Temperaturen zur Messung des WAK α relativ gemessen (Schritte S3 bis S12).
Zu Beginn wird, während alle Messöffnungen 31 geschlossen sind, die Temperatur im Innern der temperaturgeregelten Kammer 30 auf die erste Temperatur t1 geändert (Schritt S3). Die Temperatur der Luft im Innern der temperaturgeregelten Kammer 30 wird folglich allmählich erhöht, und das Stufenendmaß 10 wird über diese erwärmte Luft indirekt erwärmt.
Anschließend führen die Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50, um die Temperatur des Stufenendmaßes 10 unverzüglich auf die erste Temperatur t1 zu erhöhen, dem Stufenendmaß 10 Wärme zu.
Beim Erwärmen mittels der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 wird ein Temperatur-Sollwert der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 zuerst auf die erste Temperatur t1 eingestellt und wird eine Schwellentemperatur auf Δt eingestellt (Schritt S4).
Anschließend wird ermittelt, ob eine Differenz zwischen der Messtemperatur ts1 des Stufenendmaßes 10 und der ersten Temperatur t1 größer als die oder gleich der Schwellentemperatur Δt ist (d.h. t1 - ts1 ≥ Δt) (Schritt S5).
Wenn festgestellt wird, dass die Differenz größer als die oder gleich der Schwellentemperatur Δt ist, wird der Betrieb der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 gestartet, um das Stufenendmaß 10 direkt zu erwärmen (Schritt S6). Im Gegensatz dazu fährt der Prozess mit Schritt S13 (später beschrieben) fort, wenn festgestellt wird, dass die Differenz kleiner als die Schwellentemperatur Δt ist.
Ferner wird der Ausgang jeder der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 durch die Ausgangsintensitätseinstellfunktion des Temperatureinstellvorrichtung 70 in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Messtemperatur ts1 des Stufenendmaßes 10 und der ersten Temperatur t1 eingestellt. Anders ausgedrückt, der Ausgang wird als Reaktion auf eine größere Differenz zwischen der Messtemperatur ts1 und der ersten Temperatur t1 erhöht und wird als Reaktion auf eine kleinere Differenz abgesenkt. Anschließend wird ermittelt, ob die Differenz zwischen der Messtemperatur ts1 des Stufenendmaßes 10 und der ersten Temperatur t1 kleiner als die Schwellentemperatur Δt ist (d.h. t1 - ts1 < Δt) (Schritt S7), und wird der Betrieb der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 durch die eine Überhitzung vermeidende Funktion des Temperatureinstellvorrichtung 70 beendet, wenn ermittelt wird, dass die Differenz kleiner als die Schwellentemperatur Δt ist (Schritt S8). Anders ausgedrückt, die Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 werden in Betrieb gehalten, während der Ausgang der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 eingestellt wird, bis die Differenz zwischen der Messtemperatur ts1 und der ersten Temperatur t1 unter die Schwellentemperatur Δt fällt. Die Temperatur des Stufenendmaßes 10 kann folglich unverzüglich auf die erste Temperatur t1 erhöht werden.
Auch nach Beendigung des Betriebs der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 wird das Stufenendmaß 10 durch die Luft im Innern der temperaturgeregelten Kammer 30 erwärmt gehalten. Das Stufenendmaß 10 wird folglich indirekt erwärmt, bis die Messtemperatur ts1 die erste Temperatur t1 erreicht (Schritt S9).
Anschließend bleibt die WAK-Messvorrichtung 1, nachdem die Messtemperatur ts1 die erste Temperatur t1 erreicht hat, bis zum Ablauf einer voreingestellten Bereitschaftszeit Tm in Bereitschaft, was das Stabilisieren der Innentemperatur des Stufenendmaßes 10 gestattet (Schritt S10). Die Bereitschaftszeit Tm wird aus Erfahrung auf ungefähr 30 Minuten eingestellt.
Nachdem die Innentemperatur des Stufenendmaßes 10 sich in Schritt S10 stabilisiert hat, wird ein Koordinatensystem des Referenz-Endmaßes 20 und des Stufenendmaßes 10 ermittelt (Schritt S11).
Speziell wird, wie in den 1 bis 5 gezeigt, eine der Messöffnungen 31 nahe der ersten Oberfläche 11 geöffnet und wird der Messfühler 46 der Koordinatenmessvorrichtung 40 in diese eingeführt. Dann wird der Messfühler 46 mit drei oder mehr Punkten an der ersten Oberfläche 11 des Stufenendmaßes 10 in Kontakt gebracht, um die Position und die Neigung der ersten Oberfläche 11 zu erfassen, wie in 8 gezeigt. Ferner wird der Messfühler 46 mit zwei oder mehr Punkten an einer von einer Oberseite und einer von Seitenflächen des Vorsprungs 13, welcher die erste Oberfläche 11 definiert, in Kontakt gebracht, um eine Ausrichtung der Achse zu erfassen, und wird er mit einem oder mehr Punkten an den weiteren Oberflächen in Kontakt gebracht, um die Position und die Neigung des Vorsprungs 13 zu erfassen. So erhält man die dreidimensionalen Koordinaten des Mittelpunkts der ersten Oberfläche 11 und die Ausrichtung der Längsrichtung Lt des Stufenendmaßes 10. Es ist zu beachten, dass auch jedes andere Verfahren zur Koordinatensystem-Ermittlung, welches zum Ermitteln der dreidimensionalen Koordinaten und der Ausrichtung fähig ist, verwendet werden kann.
Entsprechend wird der Messfühler 46 mit der ersten Referenzoberfläche 21 und der angrenzenden Oberseite und einer der Seitenflächen des Referenz-Endmaßes 20 in Kontakt gebracht, um die dreidimensionalen Koordinaten des Mittelpunkts der ersten Referenzoberfläche 21 und die Ausrichtung des Referenz-Endmaßes 20 in der Längsrichtung Lr zu erhalten.
Ferner wird der Messfühler 46 durch eine der Messöffnungen 31 nahe der zweiten Oberfläche 12 eingeführt, um die zweite Oberfläche 12 des Stufenendmaßes 10 und die zweite Referenzoberfläche 22 des Referenz-Endmaßes 20 zu messen, wodurch man die dreidimensionalen Koordinaten der Mittelpunkte der zweiten Oberfläche 12 und der zweiten Referenzoberfläche 22 erhält.
Wie wiederum in 6 gezeigt, wird, nachdem die dreidimensionalen Koordinaten des Stufenendmaßes 10 und des Referenz-Endmaßes 20 ermittelt wurden, ein Maß jedes des Stufenendmaßes 10 und des Referenz-Endmaßes 20 relativ gemessen (Schritt S12).
Speziell kann in dem in Schritt S11 ermittelten Koordinatensystem ein Abstand zwischen der ersten Oberfläche 11 und der zweiten Oberfläche 12 (d.h. ein genauer Wert der Länge Dx) durch Berechnung aus dem Abstand zwischen der ersten Referenzoberfläche 21 und der zweiten Referenzoberfläche 22 (der Länge Drx des Referenz-Endmaßes 20) bezogen auf einen Abstand zwischen dem Mittelpunkt der ersten Oberfläche 11 und dem Mittelpunkt der ersten Referenzoberfläche 21 und einen Abstand zwischen dem Mittelpunkt der zweiten Oberfläche 12 und dem Mittelpunkt der zweiten Referenzoberfläche 22 relativ gemessen werden.
Nach Abschluss der relativen Messung des Abstands zwischen der ersten Oberfläche 11 und der zweiten Oberfläche 12 bei der ersten Temperatur t1 wird ermittelt, ob die Relativmessungs-Operationen bei der zweiten Temperatur t2 durchgeführt werden müssen (Schritt S13), und werden die oben beschriebenen Relativmessungs-Operationen (Schritte S3 bis S12) wiederholt.
Eine so erhaltene Länge Dx1 bei der ersten Temperatur t1 und eine so erhaltene Länge Dx2 bei der zweiten Temperatur t2 werden zur Berechnung des WAK α = [(Dx1 - Dx2) / D] / (t1 - t2) (D bezeichnet die Länge des Stufenendmaßes 10) eines zwischen der ersten Oberfläche 11 und der zweiten Oberfläche 12 definierten Abschnitts des Stufenendmaßes 10 verwendet (Schritt S14). Es ist zu beachten, dass die Länge D, welche gewöhnlich eine Nennlänge bei 20 °C (einer Industriestandardtemperatur) ist, eine der oder ein Mittelwert der gemessenen Längen Dx1 und Dx2 sein kann. Da in beiden Fällen die Länge D im Verhältnis zu der Wärmeverformung ΔD = (Dx1 - Dx2) groß genug ist, wird die Berechnung des WAK α durch die Beschaffenheit der Länge D nicht merklich beeinflusst.
Vorteile der ersten beispielhaften Ausführungsform
Die oben beschriebene erste beispielhafte Ausführungsform bietet die folgenden Vorteile.
In der ersten beispielhaften Ausführungsform wird das Stufenendmaß 10 mittels der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 direkt erwärmt, während es mittels der temperaturgeregelten Kammer 30 indirekt erwärmt wird. Eine solche Erwärmung kann die zum gleichmäßigen Stabilisieren der Temperatur des Stufenendmaßes 10 auf dem Temperatur-Sollwert erforderliche Zeit verkürzen, was gestattet, den WAK α des Stufenendmaßes 10 in einer kurzen Zeit hochgenau zu messen.
In der ersten beispielhaften Ausführungsform sind die Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 an dem Paar Seitenflächen des Stufenendmaßes 10 an den bezüglich der Mittelachse des Stufenendmaßes 10 symmetrischen Positionen in der Längsrichtung Lr angebracht und können sie folglich die Gesamtheit des Stufenendmaßes 10 gleichmäßig erwärmen. Eine solche Erwärmung kann die zum gleichmäßigen Stabilisieren der Temperatur des Stufenendmaßes 10 auf dem Temperatur-Sollwert erforderliche Zeit verkürzen, was gestattet, den WAK α des Stufenendmaßes 10 in einer kurzen Zeit hochgenau zu messen.
In der ersten beispielhaften Ausführungsform gestattet die Ausgangsintensitätseinstellfunktion des Temperatureinstellvorrichtung 70, den Ausgang der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Messtemperatur ts1 des Stufenendmaßes 10 und dem Temperatur-Sollwert einzustellen. Eine solche Einstellung kann die erforderliche Zeit, bis die Temperatur des Stufenendmaßes 10 den Temperatur-Sollwert erreicht, verkürzen, was gestattet, den WAK α des Stufenendmaßes 10 in einer kurzen Zeit hochgenau zu messen.
Ferner gestattet die eine Überhitzung vermeidende Funktion des Temperatureinstellvorrichtung 70 den Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 in der ersten beispielhaften Ausführungsform, ihren Betrieb zu beenden, wenn die Differenz zwischen der Messtemperatur ts1 des Stufenendmaßes 10 und dem Temperatur-Sollwert unter die Schwellentemperatur Δt fällt. Das Stufenendmaß 10 kann sich folglich in einer kürzeren Zeit auf dem Temperatur-Sollwert stabilisieren, ohne überhitzt zu werden.
Ferner liegen die Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 in der ersten beispielhaften Ausführungsform jeweils in Form der Heizfolie mit einer kleinen Wärmekapazität vor. Die Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 können somit die Temperatur des Stufenendmaßes 10 weniger beeinflussen, nachdem sie ihren Betrieb beendet haben, was der Temperatur des Stufenendmaßes 10 gestattet, sich in einer kürzeren Zeit auf dem Temperatur-Sollwert zu stabilisieren.
In der ersten beispielhaften Ausführungsform wird das Referenz-Endmaß 20 als ein Längen-Master verwendet und erfolgt die relative Messung der Länge bezüglich des Referenz-Endmaßes 20 beim Messen der Länge des Stufenendmaßes 10 mittels der Koordinatenmessvorrichtung 40. Folglich hängen die Ergebnisse der Längenmessung nicht von der Genauigkeit der Skala der Koordinatenmessvorrichtung 40 ab, sondern hängen sie allein von der Genauigkeit des Referenz-Endmaßes 20 ab, was ein hochgenaues Messen der Länge des Stufenendmaßes 10 gestattet.
Zweite beispielhafte Ausführungsform
Die 9 und 10 zeigen ein Referenz-Endmaß 20A gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
Die Komponenten der zweiten beispielhaften Ausführungsform einschließlich der WAK-Messvorrichtung 1 sind, abgesehen von dem Referenz-Endmaß 20A, die gleichen wie diejenigen der ersten beispielhaften Ausführungsform. Demgemäß wird/werden im Folgenden nur die abweichende(n) Komponente(n) beschrieben.
Wie in den 9 und 10 gezeigt, sind Referenzlehren-Temperatureinstellvorrichtungen 51 und Referenzlehren-Thermometer 61 an dem Referenz-Endmaß 20A an Positionen ähnlich denjenigen der entsprechenden Komponenten für das Stufenendmaß 10 angebracht. Speziell sind die Referenzlehren-Temperatureinstellvorrichtungen 51 an einem Paar Seitenflächen des Referenz-Endmaßes 20A nahe einer ersten Referenzoberfläche 21A und nahe einer zweiten Referenzoberfläche 22A angebracht und sind die Referenzlehren-Thermometer 61 mittig an den Seitenflächen angebracht.
Genauso wie die Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 liegen die Referenzlehren-Temperatureinstellvorrichtungen 51 jeweils in Form einer Heizfolie mit einer kleinen Wärmekapazität vor und steigt die Temperatur des Referenz-Endmaßes 20A an, wenn die Heizfolie Wärme zuführt.
Die Referenzlehren-Thermometer 61 sind für das Messen einer Oberflächentemperatur des Referenz-Endmaßes 20A konfiguriert, und ein Mittelwert der jeweiligen Messergebnisse der Referenzlehren-Thermometer 61 wird als eine Messtemperatur ts2 erfasst.
In der zweiten beispielhaften Ausführungsform sind die Referenzlehren-Temperatureinstellvorrichtungen 51 und die Referenzlehren-Thermometer 61 mit dem Temperatureinstellvorrichtung 70 verbunden. Der Temperatureinstelvorrichtung 70 verfügt über eine Ausgangsintensitätseinstellfunktion und eine eine Überhitzung vermeidende Funktion für die Referenzlehren-Temperatureinstellvorrichtungen 51.
In der zweiten beispielhaften Ausführungsform wird der gleiche Prozess wie in der ersten beispielhaften Ausführungsform durchgeführt, um eine Temperatur des Referenz-Endmaßes 20A in im Wesentlichen der gleichen Zeit wie diejenige des Stufenendmaßes 10 auf den Temperatur-Sollwert anzuheben. Der WAK α des Stufenendmaßes 10 kann folglich bezogen auf die Wärmeausdehnung des Referenz-Endmaßes 20A bei jeder der ersten Temperatur t1 und der zweiten Temperatur t2 mit einer höheren Genauigkeit gemessen werden.
Abwandlung(en)
Es versteht sich von selbst, dass der Umfang der Erfindung nicht auf die oben beschriebene(n) beispielhafte(n) Ausführungsform(en) beschränkt ist, sondern mit einer Aufgabe der Erfindung vereinbare Abwandlungen und dergleichen enthält.
Zum Beispiel können, obwohl die obige(n) beispielhafte(n) Ausführungsform(en) als jede der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 und der Referenzlehren-Temperatureinstellvorrichtungen 51 eine Heizfolie verwendet/verwenden, diese Elemente auch jeweils ein Heizband oder ein Heizmantel sein. Alternativ kann anstelle der obigen Heizvorrichtung auch eine Kühlvorrichtung wie ein Wasserkreislaufkühler verwendet werden. Ferner steht auch eine Heiz-/Kühlvorrichtung wie ein Peltier-Element zur Verfügung.
In der obigen beispielhaften Ausführungsform beziehungsweise den obigen beispielhaften Ausführungsformen können, obwohl die Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 an dem Paar Seitenflächen des Stufenendmaßes 10 an den bezüglich der Mittelachse des Stufenendmaßes 10 symmetrischen Positionen in der Längsrichtung Lt angebracht sind, diese Elemente auch an beliebigen Positionen wie über eine Mitte des Stufenendmaßes 10 hinweg einander gegenüberliegenden Positionen, wo sie dem Stufenendmaß 10 gleichmäßig Wärme zuführen können, angebracht sein.
In der obigen beispielhaften Ausführungsform beziehungsweise den obigen beispielhaften Ausführungsformen gestattet die Ausgangsintensitätseinstellfunktion des Temperatureinstellvorrichtung 70, den Ausgang der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Messtemperatur ts1 des Stufenendmaßes 10 und der ersten Temperatur t1 einzustellen. Alternativ kann der Ausgang zum Beispiel in Abhängigkeit von dem Temperatur-Sollwert von Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 eingestellt werden. Ferner kann der Ausgang der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 auch auf einen konstanten Wert eingestellt sein, ohne verstellt zu werden. In diesem Fall kann auf die Ausgangsintensitätseinstellfunktion des Temperatureinstellvorrichtung 70 verzichtet werden.
In der obigen beispielhaften Ausführungsform beziehungsweise den obigen beispielhaften Ausführungsformen gestattet die eine Überhitzung vermeidende Funktion des Temperatureinstellvorrichtung 70 den Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50, ihren Betrieb zu beenden, wenn die Differenz zwischen der Messtemperatur ts1 des Stufenendmaßes 10 und der ersten Temperatur t1 unter die voreingestellte Schwellentemperatur Δt fällt. Alternativ können die Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 ihren Betrieb beenden, zum Beispiel wenn die Messtemperatur ts1 des Stufenendmaßes 10 die erste Temperatur t1 erreicht. In diesem Fall kann auf die eine Überhitzung vermeidende Funktion des Temperatureinstellvorrichtung 70 verzichtet werden.
In der obigen beispielhaften Ausführungsform beziehungsweise den obigen beispielhaften Ausführungsformen sind die Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 und die Messobjekt-Thermometer 60 mit dem die Ausgangsintensitätseinstellfunktion und die eine Überhitzung vermeidende Funktion aufweisenden Temperatureinstellvorrichtung 70 verbunden. Alternativ kann zum Beispiel ein Steuergerät der Koordinatenmessvorrichtung 40 mit diesen Funktionen ausgestattet und mit den Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen 50 verbunden sein, was eine Ausgangsintensitätseinstellung und eine Vermeidung von Überhitzung gestattet. In diesem Fall kann auf den Temperatureinstellvorrichtung 70 verzichtet werden.
In der obigen beispielhaften Ausführungsform beziehungsweise den obigen beispielhaften Ausführungsformen bleibt die WAK-Messvorrichtung 1, nachdem festgestellt wurde, dass die Messtemperatur ts1 der Oberfläche des Stufenendmaßes 10 sich auf dem Temperatur-Sollwert stabilisiert hat, bis zum Ablauf der voreingestellten Bereitschaftszeit Tm in Bereitschaft, um die Innentemperatur des Stufenendmaßes 10 zu stabilisieren. Alternativ kann zum Beispiel ein Thermometer, welches zum Messen der Innentemperatur des Stufenendmaßes 10 fähig ist, als jedes der Messobjekt-Thermometer 60 verwendet werden, um die Bereitschaftszeit Tm zum Stabilisieren der Innentemperatur wegzulassen. Anders ausgedrückt, die Messobjekt-Thermometer 60 können zum Messen der Innentemperatur des Stufenendmaßes 10 verwendet werden, um festzustellen, dass die Messtemperatur ts1 im Innern sich auf dem Temperatur-Sollwert stabilisiert hat, so dass das Koordinatensystem vor Ablauf der Bereitschaftszeit Tm ermittelt werden kann.
In der obigen beispielhaften Ausführungsform beziehungsweise den obigen beispielhaften Ausführungsformen wird die Länge des Stufenendmaßes 10 bei den beiden Temperaturen wie der ersten Temperatur t1 und der zweiten Temperatur t2 berechnet, um den WAK α zu berechnen. Alternativ kann die Länge des Stufenendmaßes 10 zum Beispiel bei drei oder mehr Temperaturen gemessen werden, um den WAK α zu berechnen. In diesem Fall kann der WAK α aus einer Neigung einer aus dem Messergebnis der Länge des Stufenendmaßes 10 bei jeder der Temperaturen abgeleiteten Regressionslinie berechnet werden.
Ferner können, da der WAK α ein Temperaturverhalten hat, die Messergebnisse der Länge des Stufenendmaßes 10 bei drei oder mehr Temperaturen in ein Polynom eingesetzt werden, um den WAK α abzuleiten, oder in einen Funktionsausdruck eingesetzt werden, um den WAK α zu berechnen.
In der obigen beispielhaften Ausführungsform beziehungsweise den obigen beispielhaften Ausführungsformen ist das Stufenendmaß 10 das Messobjekt, aber alternativ kann das Messobjekt auch ein Endmaß oder irgendeine andere Referenz-Maßlehre sein.
Ferner ist die Referenzlehre nicht unbedingt das Referenz-Endmaß 20, sondern kann sie alternativ auch eine dedizierte Referenzlehre oder ein anderes Stufenendmaß 10 sein, welche beziehungsweise welches dem Messobjekt gleicht, aber in Form eines hochgenau kalibrierten Master-Endmaßes vorliegt.
Die obige Referenzlehre besteht bevorzugt aus einem Material, dessen Ausdehnungskoeffizient extrem niedrig oder gleich null ist und dessen Ausdehnung infolge der Temperaturänderung zwischen der ersten Temperatur t1 und der zweiten Temperatur t2 vernachlässigbar ist, oder aus einem Material, dessen Ausdehnungskoeffizient bekannt ist.
Obwohl die zweite Referenzoberfläche 22 des Referenz-Endmaßes 20 (der Referenzlehre) und die zweite Oberfläche 12 des Stufenendmaßes 10 (des Messobjekts) in der obigen beispielhaften Ausführungsform beziehungsweise den obigen beispielhaften Ausführungsformen in derselben Ebene angeordnet sind, können alternativ die erste Referenzoberfläche 21 und die erste Oberfläche 11 in derselben Ebene angeordnet sein oder können beide Enden der Referenzlehre in einer Draufsicht gegenüber beiden Enden des Messobjekts versetzt sein.
Jedoch wird, wenn eines der Enden der Referenzlehre in derselben Ebene wie ein entsprechendes der Enden des Messobjekts liegt, ein Längenunterschied zwischen der Referenzlehre und dem Messobjekt an den den in derselben Ebene liegenden Enden entgegengesetzten Enden maximiert, wodurch ein Raum für den Messfühler der Koordinatenmessvorrichtung zum Durchführen der Oberflächenerfassung maximiert wird.
In der obigen beispielhaften Ausführungsform beziehungsweise den obigen beispielhaften Ausführungsformen wird die Länge des Stufenendmaßes 10 bezogen auf das Maß des Referenz-Endmaßes 20 relativ gemessen, kann sie aber alternativ auch unter Verwendung einer Skalenmessfunktion der Koordinatenmessvorrichtung 40 gemessen werden. In diesem Fall enthält das Messergebnis jedoch unvermeidlich einen auf die Skalengenauigkeit der Koordinatenmessvorrichtung 40 zurückzuführenden Fehler. Demgemäß ist die relative Messung unter Verwendung zum Beispiel einer Referenzlehre zu bevorzugen.
In der obigen beispielhaften Ausführungsform beziehungsweise den obigen beispielhaften Ausführungsformen kann, obwohl die Koordinatenmessvorrichtung 40 zum Messen der Länge des Stufenendmaßes 10 verwendet wird, zum Beispiel ein optisches Interferometer oder ein Dehnungsmesser alternativ verwendet werden. In diesem Fall kann auf die Messöffnungen 31 zum Einführen des Messfühlers 46 der Koordinatenmessvorrichtung 40 in die temperaturgeregelte Kammer 30 verzichtet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 3897655 B [0013]
JP 2004226369 A [0016]

Claims

Wärmeausdehnungskoeffizienten-Messverfahren zum Messen eines Wärmeausdehnungskoeffizienten eines eine erste Oberfläche (11) und eine zweite Oberfläche (12) enthaltenden Messobjekts (10), welches Verfahren enthält: das Bereitstellen: einer für das Aufnehmen des Messobjekts (10) konfigurierten temperaturgeregelten Kammer (30), welche temperaturgeregelte Kammer (30) eine einstellbare Innentemperatur hat; einer für das Messen eines Abstands zwischen der ersten Oberfläche (11) und der zweiten Oberfläche (12) konfigurierten Abstandsmessvorrichtung (40), mindestens einer in die temperaturgeregelte Kammer (30) eingesetzten und für das Erwärmen oder Abkühlen des Messobjekts (10) konfigurierten Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung (50); und eines an dem Messobjekt (10) angebrachten und für das Messen einer Temperatur des Messobjekts (10) konfigurierten Messobjekt-Thermometers (60); das Einsetzen des Messobjekts (10) in die temperaturgeregelte Kammer (30); das Erwärmen oder Abkühlen des Messobjekts (10) mittels der temperaturgeregelten Kammer (30) und der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung (50), nachdem ein Temperatur-Sollwert der temperaturgeregelten Kammer (30) und der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung (50) auf eine erste Temperatur eingestellt wurde; das Messen des Abstands zwischen der ersten Oberfläche (11) und der zweiten Oberfläche (12), nachdem festgestellt wurde, dass die mittels des Messobjekt-Thermometers (60) gemessene Temperatur sich auf der ersten Temperatur stabilisiert hat; das Erwärmen oder Abkühlen des Messobjekts (10) mittels der temperaturgeregelten Kammer (30) und der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung (50), nachdem der Temperatur-Sollwert der temperaturgeregelten Kammer (30) und der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung (50) auf eine zweite Temperatur geändert wurde; das Messen des Abstands zwischen der ersten Oberfläche (11) und der zweiten Oberfläche (12), nachdem festgestellt wurde, dass die mittels des Messobjekt-Thermometers (60) gemessene Temperatur sich auf der zweiten Temperatur stabilisiert hat; und das Berechnen des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Messobjekts (10) aus dem Abstand zwischen der ersten Oberfläche (11) und der zweiten Oberfläche (12) bei der ersten Temperatur und dem Abstand zwischen der ersten Oberfläche (11) und der zweiten Oberfläche (12) bei der zweiten Temperatur.
Wärmeausdehnungskoeffizienten-Messverfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung (50) an mindestens einem Paar Seiten des Messobjekts (10) an bezüglich einer Mittelachse des Messobjekts (10) symmetrischen Positionen angebrachte Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtungen enthält.
Wärmeausdehnungskoeffizienten-Messverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Ausgang der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung (50) in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen der mittels des Messobjekt-Thermometers (60) gemessenen Temperatur und dem Temperatur-Sollwert der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung (50) eingestellt wird.
Wärmeausdehnungskoeffizienten-Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung (50) ihren Betrieb beendet, sobald eine Differenz zwischen der mittels des Messobjekt-Thermometers (60) gemessenen Temperatur und dem Temperatur-Sollwert unter eine gewünschte Schwelle fällt.
Wärmeausdehnungskoeffizienten-Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Wärmekapazität der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung (50) kleiner als eine Wärmekapazität des Messobjekts (10) ist.
Wärmeausdehnungskoeffizienten-Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, außerdem enthaltend: das Bereitstellen einer Referenzlehre (20, 20A) mit einer ersten Referenzoberfläche (21, 21A) und einer zweiten Referenzoberfläche (22, 22A), welche der ersten Oberfläche (11) beziehungsweise der zweiten Oberfläche (12) entsprechen, wobei ein Abstand von der ersten Referenzoberfläche (21, 21A) zu der zweiten Referenz (22, 22A) bekannt ist; das Einsetzen der Referenzlehre (20, 20A) in die temperaturgeregelte Kammer (30) zusammen mit dem Messobjekt (10); und das relative Messen des Abstands zwischen der ersten Oberfläche (11) und der zweiten Oberfläche (12) bezogen auf einen Abstand zwischen der ersten Referenzoberfläche (21, 21A) und der zweiten Referenzoberfläche (22, 22A).
Wärmeausdehnungskoeffizienten-Messverfahren nach Anspruch 6, wobei die Referenzlehre (20, 20A) aus einem Material, dessen Ausdehnungskoeffizient extrem niedrig oder gleich null ist und dessen Ausdehnung infolge einer Temperaturänderung zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur hinsichtlich der Genauigkeit vernachlässigbar ist, besteht oder aus einem Material, dessen Ausdehnungskoeffizient bekannt ist, besteht.
Wärmeausdehnungskoeffizienten-Messverfahren nach Anspruch 6 oder 7, außerdem enthaltend: das Bereitstellen: einer in die temperaturgeregelte Kammer (30) eingesetzten und für das Erwärmen oder Abkühlen der Referenzlehre (20A) konfigurierten Referenzlehren-Temperatureinstellvorrichtung (51); und eines an der Referenzlehre (20A) angebrachten und für das Messen einer Temperatur der Referenzlehre (20A) konfigurierten Referenzlehren-Thermometers (61); das Erwärmen oder Abkühlen des Messobjekts (10) und der Referenzlehre (20A) mittels der temperaturgeregelten Kammer (30), der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung (50) und der Referenzlehren-Temperatureinstellvorrichtung (51), nachdem ein Temperatur-Sollwert der temperaturgeregelten Kammer (30), der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung (50) und der Referenzlehren-Temperatureinstellvorrichtung (51) auf die erste Temperatur eingestellt wurde; das relative Messen des Abstands zwischen der ersten Oberfläche (11) und der zweiten Oberfläche (12), nachdem festgestellt wurde, dass die mittels jedes des Messobjekt-Thermometers (60) und des Referenzlehren-Thermometers (61) gemessene Temperatur sich auf der ersten Temperatur stabilisiert hat; das Erwärmen oder Abkühlen des Messobjekts (10) und der Referenzlehre (20A) mittels der temperaturgeregelten Kammer (30), der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung (50) und der Referenzlehren-Temperatureinstellvorrichtung (51), nachdem der Temperatur-Sollwert der temperaturgeregelten Kammer (30), der Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung (50) und der Referenzlehren-Temperatureinstellvorrichtung (51) auf die zweite Temperatur geändert wurde; das relative Messen des Abstands zwischen der ersten Oberfläche (11) und der zweiten Oberfläche (12), nachdem festgestellt wurde, dass die mittels jedes des Messobjekt-Thermometers (60) und des Referenzlehren-Thermometers (61) gemessene Temperatur sich auf der zweiten Temperatur stabilisiert hat; und das Berechnen des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Messobjekts (10) aus dem Abstand zwischen der ersten Oberfläche (11) und der zweiten Oberfläche (12) bei der ersten Temperatur und dem Abstand zwischen der ersten Oberfläche (11) und der zweiten Oberfläche (12) bei der zweiten Temperatur.
Wärmeausdehnungskoeffizienten-Messvorrichtung, konfiguriert für das Messen eines Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Messobjekts (10) mit einer ersten Oberfläche (11) und einer zweiten Oberfläche (12), welche Vorrichtung enthält: eine für das Aufnehmen des Messobjekts (10) konfigurierte temperaturgeregelte Kammer (30), welche temperaturgeregelte Kammer (30) eine einstellbare Innentemperatur hat; eine für das Messen eines Abstands zwischen der ersten Oberfläche (11) und der zweiten Oberfläche (12) konfigurierte Abstandsmessvorrichtung (40); eine in die temperaturgeregelte Kammer (30) eingesetzte und für das Ändern einer Temperatur des Messobjekts (10) konfigurierte Messobjekt-Temperatureinstellvorrichtung (50); und ein an dem Messobjekt (10) angebrachtes und für das Messen der Temperatur des Messobjekts (10) konfiguriertes Messobjekt-Thermometer (60).
Wärmeausdehnungskoeffizienten-Messvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Abstandsmessvorrichtung (40) eine Koordinatenmessvorrichtung enthält und die temperaturgeregelte Kammer (30) mit einer Messöffnung (31) versehen ist, durch welche ein Messfühler (46) der Koordinatenmessvorrichtung in die temperaturgeregelte Kammer (30) eingeführt wird, um zu einer Messoberfläche des Messobjekts (10) zu gelangen.