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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Maßverkörperung mit einem Trägerkörper und
einer Messmittelschicht, die mindestens eine Skale mit einer Vielzahl
von Bezugsobjekten umfasst, wobei die Bezugsobjekte einen vorbestimmten
Abstand voneinander aufweisen, um für eine Längenmessung nutzbar zu sein.
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Um
auf Feinpositioniertischen oder ähnlichen
Anordnungen genaue Positionierungen in der Verschiebeebene zu ermöglichen,
werden hochgenaue Messsysteme benötigt. Solche Messsysteme umfassen
beispielsweise eine Maßverkörperung,
auf welcher eine Vielzahl von Bezugsobjekten angebracht ist, deren
während
einer Bewegung überstrichene
Anzahl von einem geeigneten Messsensor erfasst werden kann. Beispielsweise
kommen als Bezugsobjekte Rasterlinien zum Einsatz, die durch optoelektronische
Messsensoren erfasst werden. Die Bezugsobjekte können auf der Maßverkörperung
mit hoher Genauigkeit aufgebracht werden, so dass sich aus dem vorbestimmten
Abstand zwischen den Bezugsobjekten und der Anzahl der vom Messsensor gezählten Bezugsobjekte
eine zurückgelegte
Strecke mit hoher Genauigkeit bestimmen lässt. Auf diese Weise sind Positioniergenauigkeiten
im Mikrometerbereich möglich.
Das Problem der Positionsmessung unter Nutzung derartiger Maßverkörperungen
besteht insbesondere bei hohen Genauigkeitsanforderungen darin,
dass die Maßverkörperung
selbst ein temperaturabhängiges
Ausdehnungsverhalten besitzt, so dass insbesondere bei Temperaturanstieg Messungenauigkeiten
auftreten, die außerdem
nur schwer erfasst werden können.
Eine unerwünschte Temperaturerhöhung der
Maßverkörperung
kann bereits durch die Abwärme
hervorgerufen werden, die von Antriebseinheiten abgegeben wird,
welche auf den Feinpositioniertischen, also in unmittelbarer Nähe der Maßverkörperung
bewegt werden. Besonders problematisch ist dabei, dass an verschiedenen Stellen
einer großflächigen Maßverkörperung
unterschiedliche Temperaturen auftreten können, so dass eine Messwertkorrektur
durch eine allgemeine Temperaturmessung der Umgebung nicht mehr
den gewünschten
Erfolg bringt.
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Im
Stand der Technik werden daher unterschiedlichste Lösungen vorgeschlagen,
um die entstehende Abwärme
von Positioniersystemen abzuführen.
Beispielsweise ist es aus der
JP 2000 216 079 A bekannt, ein Kühlmedium
unmittelbar an die Spulensysteme eines Antriebssystems heranzuführen, um
die dort entstehende Wärme
möglichst
effektiv abzuführen.
Durch eine derartige Lösung
entsteht jedoch ein komplizierter Aufbau, wenn es sich um bewegte
Spulensysteme handelt, und es resiltiert eine unerwünscht hohe
Masse, da die Kühlsysteme
mitbewegt werden müssen.
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Die
DE 101 64 404 A1 beinhaltet
eine Einrichtung zum Temperieren von gekapselten linearen Längenmesssystemen,
bei der das gesamte Messsystem von einem Kühlmedium durchflossen wird. Als
Kühlmedium
wird bevorzugt Sperrluft eingesetzt. Damit sollen Fehler durch Temperaturschwankungen der
Sperrluft selbst, als auch durch Umgebungstemperaturschwankungen
gemindert werden. In der Druckschrift wird nur allgemein von einem
gekapselten Längenmesssystem
gesprochen, auf die Gestaltung der Maßverkörperung wird nicht eingegangen.
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Die
DE 38 12 956 A1 beschreibt
ein Verfahren zum Temperieren eines Koordinatenmessgerätes, bei
dem die Maßstäbe als mechanisch
stabile Hohlkörper
ausgebildet sind, welche von einer temperierten Flüssigkeit
durchströmt
werden. An jedem Hohlkörper
befinden sich Temperatursensoren, deren Daten von einer elektronischen
Steuerung ausgewertet werden, um den für jeden einzelnen Hohlkörper benötigten Kühlmittelbedarf
zur Verfügung
zu stellen. Einzelheiten zum Aufbau der verwendeten Maßstäbe werden
nicht angegeben.
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Bei
der Positionsmesseinrichtung nach der
DE 44 24 649 A1 befindet sich ein Stahlmaßstab auf einem
Granitmaschinenbett. Der eine Messlänge von mehreren Metern aufweisende
Maßstab
ist in seiner Mitte fest und an seinen beiden Enden in Messrichtung
beweglich am Maschinenbett fixiert. Bei auftretenden Temperaturänderungen
treten am Maßstab und
am Maschinenbett aufgrund ihrer unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten
unterschiedliche Abmessungsänderungen
auf. Zur Reduzierung dieser temperaturbedingten Abmessungsänderungen
sind an der Unterseite des Maßstabes
in Längsrichtung Kanäle eingearbeitet.
In diese Kanäle
kann beispielsweise temperierte Pressluft oder ein geeignetes anderes
Medium eingespeist werden. Die Einspeisung kann dabei permanent
oder sporadisch nach einer temperaturbedingten Störung erfolgen.
Durch die Fixierung in der Maßstabsmitte
bildet sich ein in Richtung der Maßstabsenden ansteigendes keilförmiges Luftpolster,
die Reibung zwischen den Kontaktflächen von Maßstab und Maschinenbett wird
aufgehoben, so dass temperatur- und dadurch reibungsbedingte Abmessungsänderungen
eliminiert werden können.
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Die
DE 37 22 518 C1 beschreibt
eine Längenmesseinrichtung
bestehend aus einem Messkopf und einem Referenzmaßstab zur
Anwendung bei Werkzeugmaschinen für die spanende Formung von Werkstücken. Die
Einrichtung besitzt einen relativ zum Werkstück linear verstellbaren Support
(Werkzeugträger)
und einen relativ zum Werkstück
ortsfesten Support-Träger.
Zur Kompen sation von durch Änderungen
der Umbebungstemperatur bedingten Messfehlern ist die Messeinrichtung
mit einem Wärmeaustauscher
gekoppelt, der die Arbeitstemperatur der Messeinrichtung regelt.
Als Wärmetauscher
dient ein von einem Wärmeträgermedium
durchstömter kanalähnlicher
Hohlraum des Support-Trägers. Die thermische
Kopplung zwischen Wärmetauscher
und Messeinrichtung wird dadurch erreicht, dass eine Wand des Hohlraumes
als Befestigungswand für
den Maßstab
der Messeinrichtung dient. Der als Maßverkörperung dienende Maßstab wird
nicht vom Wärmeträgermedium
durchströmt.
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Die
DE 43 09 648 A1 betrifft
eine gekapselte Wegmesseinrichtung mit einer Maßverkörperung; einer Abtasteinheit
und einem diese Teile umschließenden
Gehäuse,
in das zur Erhöhung
der Dichtwirkung Druckluft eingespeist wird. Da mögliche Temperaturunterschiede
zwischen der zugeführten
Druckluft und dem Messsystem zu fehlerhaften Messergebnissen führen würdem, erfolgt
eine entsprechende Temperierung der Druckluft. Dies geschieht dadurch,
dass die Druckluft durch mindestens einen, im Gehäuse eingebrachten
Kanal in das Gehäuseinnere eingespeist
wird. Die Kanallänge
ist dabei so bemessen, dass die Temperatur der Druckluft in etwa
auf die Temperatur des Gehäuses
gebracht werden kann. Es erfolgt eine Temperierung des gesamten,
innerhalb des Gehäuses
liegenden Messsystems.
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Die
DE 199 36 536 A1 bezieht
sich auf eine magnetische Maßverkörperung
und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen. Die Maßverkörperung umfasst
einen Grundkörper,
einen Teilungskörper
sowie ein Abdeckelement, wobei der Teilungskörper auf dem Grundkörper und über dem
Teilungskörper
das Abdeckelement angeordnet ist. Zwischen dem Abdeckelement und
dem Grundkörper
ist ein Lot eingebracht, dass den Grundkörper mit dem Abdeckelement
verbindet. Zwischen Teilungskörper
und den Bereichen mit dem Lot können
jeweils ein oder mehrere Kühlrippen
angeordnet sein. Durch die Kühlrippen
soll verhindert werden, dass die beim Lötprozess im Bereich des Lotes
auftretenden hohen Temperaturen auch auf den Teilungskörper einwirken
können. Auf
diese Art und Weise soll eine thermische Isolierung des Teilungskörpers von
den Bereichen mit dem Lot erreicht werden. Es erfolgt keine aktive
Kühlung der
Maßverkörperung
sondern lediglich eine passive Kühlung.
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Gelegentlich
wird auch vorgeschlagen, die gesamte Lauffläche der Feinpositioniertische
zu kühlen,
beispielsweise durch einen Luftstrom. In vielen Einsatzbereichen
ist eine derartige Luftkühlung
jedoch nicht zweckmäßig, da
durch die Luftströmung auch
umliegende Bauelemente gekühlt
werden oder unerwünschte
Luftbewegungen in Reinräumen
entstehen würden.
Außerdem
besitzen Feinpositioniertische oder ähnliche Anordnungen eine relativ
hohe Wärmekapazität, so dass
eine gezielte und schnelle Kühlung
einzelner Bereiche weitgehend ausgeschlossen ist. Selbst wenn die
Laufflächen
der Feinpositioniertische vollständig
gekühlt
werden, kann es daher zur lokalen Erwärmung der Maßverkörperung kommen,
so dass die oben genannten lokalen und nicht systematisch zu erfassenden
Messfehler auftreten.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine verbesserte
Maßverkörperung bereitzustellen,
welche besser gegen temperaturbedingte Materialausdehnungen geschützt ist,
um dadurch eine höhere
Messgenauigkeit zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Trägerkörper aus
einer die Messmittelschicht tragenden Messmittelplatte und einer
Temperierungsplatte besteht, dass die Temperierungsplatte ein Kanalsystem
umfasst, welches von einem Wärmeträgermedium
durchströmt
wird, und dass die Messmittelplatte mit der Vorderseite der Temperierungsplatte
gut wärmeleitend
verbunden ist, um die Messmittelschicht zu temperieren. Auf diese Weise
wird es möglich,
Wärme gezielt
von der Maßverkörperung,
insbesondere der Messmittelschicht abzutransportieren, sofern eine
Kühlung
gewünscht ist,
oder gegebenenfalls Wärme
zuzuführen,
wenn unter besonderen Umgebungsbedingungen eine Erwärmung der
Maßverkörperung
zur Beibehaltung der Messgenauigkeit erforderlich sein sollte. Die
Maßverkörperung
weist dadurch ein integriertes Temperierungssystem auf.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
es zweckmäßig, das
Kanalsystem rillenförmig
in eine Oberfläche
der Temperierungsplatte einzuarbeiten und dieses eingearbeitete
Kanalsystem mit der Messmittelplatte zu verschließen. Einerseits
vereinfacht sich dadurch die Herstellung der Maßverkörperung und andererseits ist
ein guter Wärmekontakt zwischen
dem Wärmeträgermedium
und der Messmittelplatte sichergestellt.
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Eine
abgewandelte Ausführungsform
besitzt weiterhin eine Koppelplatte, die an der Rückseite
der Temperierungsplatte befestigt ist. Die Koppelplatte dient der
Erhöhung
der Biegestabilität
des Trägerkörpers, wozu
die Koppelplatte beispielsweise eine Rippenstruktur zur Erzielung
einer hohen Biegesteifigkeit besitzt. Diese Koppelplatte kann auf
ihrer der Temperierungsplatte abgewandeten Seite auch Koppelelemente
aufweisen, die der Befestigung der Maßverkörperung auf einem Feinpositionierungstisch
oder einer ähnlichen
Anordnung dienen. Dies bringt außerdem den Vorteil mit sich,
dass auf Feinpositionierungstischen unterschiedliche Maßverkörperungen
aufgesetzt werden können,
die jeweils an vorhandene Kühlsysteme
angeschlossen werden und an die speziellen Positionierungsaufgaben
angepasst sind.
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Gemäß weitergebildeter
Ausführungsformen können Sensoren
zur Temperaturmessung integriert werden, welche mit der Regelung
für die
Zufuhr des Wärmeträgermediums
zusammenwirken. Wenn auch lokale Temperaturschwankungen sehr schnell ausgeglichen
werden müssen,
kann das Kanalsystem in zahlreiche Teilkanäle unterteilt sein, die unabhängig voneinander
mit Wärmeträgermedium
gespeist werden. Unter Einsatz einer geeigneten Regeleinheit kann
dadurch lokalen Temperaturänderungen
an der Maßverkörperung
gezielt entgegengewirkt werden, ohne dass die nicht von der Temperaturänderung
betroffenen Bereiche ebenfalls von dem eingespeisten Wärmeträgermedium
zu einer Temperaturänderung
veranlasst werden.
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Weitere
Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine
Maßverkörperung
mit einem integrierten Temperierungssystem in einer Ansicht von oben;
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2 die
Maßverkörperung
aus 1 in einer Seitenansicht;
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3 die
Maßverkörperung
aus den 1 und 2 in einer
perspektivischen Ansicht von unten.
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1 zeigt
eine Maßverkörperung
mit einem integrierten Temperierungssystem in einer vereinfachten
Ansicht von oben, wobei durch gestrichelte Linien auch Bauelemente
dargestellt sind, die im Inneren der Maßverkörperung liegen. Die Maßverkörperung
umfasst einen Trägerkörper 1,
der an seiner Oberseite eine Messmittelschicht 2 trägt. Die
Messmittelschicht 2 besitzt üblicherweise eine Vielzahl
von Bezugsobjekten oder Markierungspunkten (nicht dargestellt),
die in einem vorbestimmten Abstand voneinander angeordnet sind.
Eine häufige
Anwendungsform verwendet als Bezugsobjekte Rasterlinien, die im
Abstand weniger Mikrometer exakt auf der Oberfläche des Trägerkörpers 1 angebracht
sind.
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Der
Trägerkörper 1 kann
aus Metall, Glas, Keramik oder anderen Werkstoffen bestehen, wobei generell
Materialien ausgewählt
werden, die einen möglichst
kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Soweit als Bezugsobjekte Rasterlinien eingesetzt werden, kann die
Abtastung der Bezugsobjekte durch einen optoelektronischen Sensor
(nicht dargestellt) erfolgen. In anderen Anwendungsfällen sind
auf dem Trägerkörper schmale
Metalllinien aufgebracht, die von einem magnetischen Sensor abgetastet
werden können.
Auf die spezielle Anordnung der Bezugsobjekte und auf deren konkrete
Gestaltung kommt es für
die vorliegende Erfindung nicht an, so dass auf eine detaillierte
Beschreibung der Bezugsobjekte und der Abtastsensoren hier verzichtet werden
kann.
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In
den Trägerkörper 1 ist
mindestens ein Kanalsystem 3 integriert, welches von einem
Wärmeträgermedium
durchströmt
wird, um die Messmittelschicht 2 zu temperieren. Bei der
in 1 dargestellten Ausführungsform verläuft das
Kanalsystem spiralförmig.
Bei anderen Ausführungsformen
kann das Kanalsystem mäanderförmig oder
in anderer Weise geführt
werden, wobei sicherzustellen ist, dass alle für eine Positionsmessung wesentlichen
Bereiche der Messmittelschicht 2 temperiert werden können. Es
ist auch denkbar, das Kanalsystem 3 in einzelne Teilkanäle aufzuteilen,
um eine gezielte Temperierung unterschiedlicher Abschnitte der Maßverkörperung
vornehmen zu können.
In jedem Fall erfolgt die Temperierung der Messmittelschicht (wobei
es sich in den meisten Fällen
um eine Kühlung
handeln wird) aus dem Inneren des Trägerkörpers heraus. Gegenüber bekannten äußeren Kühlsystemen
beschränkt sich
die Kühlung
in diesem Fall auf die Maßverkörperung
selbst.
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Aus
der in 2 gezeigten Seitenansicht der Maßverkörperung
ist erkennbar, dass der Trägerkörper 1 in
mehrere Teilplatten untergliedert ist. Die Messmittelschicht 2 wird
von einer Messmittelplatte 5 getragen, an deren Unterseite
die Vorderseite einer Temperierungsplatte 6 angrenzt. Das
Kanalsystem 3 ist in die Temperierungsplatte 6 eingearbeitet.
Vorzugsweise können
die einzelnen Abschnitte des Kanalsystems 3 unmittelbar
in die Oberfläche
der Temperierungsplatte 6 eingebracht werden (durch Fräsen, Ätzen usw.).
Die zur Vorderseite der Temperierungsplatte 6 offenen Kanäle werden
dann durch die Messmittelplatte 5 abgeschlossen. Das Kanalsystem 3 besitzt zumindest
einen Zuflussanschluss und einen Abflussanschluss 7, durch
welche das Wärmeträgermedium
in das Kanalsystem 3 eingespeist werden kann. Dazu können Einschraubtüllen am
Trägerkörper befestigt
sein.
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Um
die mechanische Stabilität
der Maßverkörperung
zu erhöhen,
ist bei der dargestellten Ausführungsform
an der Rückseite
der Temperierungsplatte 6 weiterhin eine Koppelplatte 8 angebracht.
Die Koppelplatte 8 besitzt vorzugsweise eine konstruktive
Gestaltung, die zu einer erhöhten
Biegefestigkeit führt.
Dafür eignen
sich insbesondere Rippenstrukturen, die trotz geringen Gewichts
hohe Stabilitätswerte
bereitstellen. Außerdem
sind an der Koppelplatte 8 mehrere Koppelelemente 9 befestigt,
die eine Ankopplung der Maßverkörperung
an einen Feinpositioniertisch oder eine vergleichbare Anordnung
ermöglichen.
Die Koppelelemente 9 können
beispielsweise als Gewindestifte gestaltet sein, die in Gewindebuchsen 10 eingeschraubt
sind, welche ihrerseits in der Koppelplatte 8 befestigt
sind.
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3 zeigt
die Maßverkörperung
in einer Ansicht von unten. In dieser Darstellung ist die gewählte Rippenstruktur
der Koppelplatte 8 gut erkennbar. Die gezeichneten Positionen
der Koppelelemente 9 und der Zu- und Abflussanschlüsse 7 sind
nur beispielhaft und werden an den jeweiligen Einsatzfall angepasst.
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Weitere
Abwandlungen und veränderte
Ausführungsformen
sind denkbar. In jedem Fall ist sicherzustellen, dass die Maßverkörperung
ein integriertes Kanalsystem aufweist, durch welches ein Wärmeträgermedium
geführt
werden kann, um die Maßverkörperung
gezielt zu temperieren, insbesondere zu kühlen.
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- 1
- Trägerkörper
- 2
- Messmittelschicht
- 3
- Kanalsystem
- 5
- Messmittelplatte
- 6
- Temperierungsplatte
- 7
- Zu-
und Abflussanschluss
- 8
- Koppelplatte
- 9
- Koppelelemente
- 10
- Gewindebuchsen