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Die Erfindung betrifft ein Positionsmessgerät mit einer
Vorrichtung zur Montageunterstützung
gemäß dem Anspruch
1, sowie ein Verfahren zur Montage eines Positionsmessgerätes gemäß dem Anspruch
9.
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Derartige Positionsmessgeräte dienen
zur Bestimmung der Lage zweier relativ zueinander beweglicher Maschinenteile,
etwa zur Messung der Verschiebung eines Maschinenbettes einer Werkzeugmaschine
relativ zu einem entsprechendem Maschinenschlitten. Zu diesem Zweck
wird an eines der zueinander beweglichen Maschinenteile, zum Beispiel
an dem Maschinenbett, ein Trägerprofil
des Positionsmessgerätes
befestigt, in welchem eine Maßverkörperung
angeordnet ist. Die Maßverkörperung kann
etwa ein Glasmaßstab
oder ein Stahlband sein, auf dem feine Strichteilungen aufgebracht
sind.
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Diese Maßverkörperung wird im Messbetrieb von
einem Abtastkopf abgetastet, der Bestandteil einer bewegbaren Abtasteinheit
des Positionsmessgerätes
ist. Diese bewegbare Abtasteinheit ist ihrerseits wieder an einem
Maschinenteil, zum Beispiel an dem Maschinenschlitten der oben genannten
Werkzeugmaschine fixiert.
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Die Abtasteinheit kann sich im Messbetrieb, z.
B. durch Rollen, an einer Lauffläche
am Trägerprofil
oder an der Maßverkörperung
abstützten,
so dass eine Eigenführung
der Abtasteinheit im Betrieb gegeben ist. Für diesen Fall muss zur Vermeidung
von Spannungen eine relativ weiche Kupplung zwischen dem Maschinenschlitten
und dem Abtastkopf vorgesehen werden. Bei hochpräzisen Positionsmessgeräten ist
jedoch häufig
eine Eigenführung
der Abtasteinheit an der Maßverkörperung
bzw. am Trägerprofil
unerwünscht,
um Messfehler, die durch die Kupplung verursacht werden, zu vermeiden.
Es wird daher in vielen Fällen
eine berührungslose
Abtastung vorgenommen, bei der die Abtasteinheit ohne Führung an
der Maßverkörperung
bzw. am Trägerprofil entlang
der Maßverkörperung
bewegt wird, wobei die Bewegung vom Maschinenschlitten eingeleitet
wird.
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Für
eine einwandfreie Messung ist es erforderlich, dass sich der Abtastkopf
in engen Toleranzen präzise
entlang der Maßverkörperung
bewegt. Die Maßverkörperung,
ist üblicherweise
mit dem Trägerprofil
verbunden, welches nicht selten auch als Gehäuse zum Schutz gegen Umwelteinflüsse dient.
In der Praxis haben derartige Trägerprofile
meistens Maßabweichungen
in Form von Säbelfehlern,
Welligkeiten oder Verdrehungen. Diese Maßabweichungen des Trägerprofils
werden durch die Verbindung auf die Maßverkörperung übertragen, so dass auch diese
von der Idealform abweicht, wodurch das Messergebnis beeinträchtigt wird.
Besonders störend
wirken sich die oben genannten Maßabweichungen bei längeren Positionsmessgeräten, die
etwa einen Messbereich von 20 m oder 30 m abdecken, aus.
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Aus der
DE 37 13 548 A1 ist eine
Montagevorrichtung für
ein Positionsmessgerät
bekannt, bei der durch einen Hilfswagen eine Ausrichtung des Positionsmessgerätes vorgenommen
werden kann. Allerdings ist es mit dieser vorbekannten Vorrichtung nicht
möglich,
Maßabweichungen
des Trägerprofils bzw.
der Maßverkörperung
merklich zu reduzieren.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Positionsmessgerät
zur Bestimmung der Lage zweier relativ zueinander beweglicher Maschinenteile
zu schaffen, mit dem das Trägerprofil
und damit die Maßverkörperung
des Positionsmessgeräts
parallel zur Bahn der Abtasteinrichtung ausgerichtet werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Positionsmessgerät
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie durch ein Montageverfahren gemäß dem Anspruch
9 gelöst.
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Danach umfasst das Positionsmessgerät eine steife
Führungseinheit,
welche zur Montage des Positionsmessgerätes spielfrei, aber entlang
der Messrichtung verschiebbar im Trägerprofil, also zwischen zwei
Schenkeln des , Trägerprofils,
oder um das Trägerprofil
umgreifend angeordnet werden kann. Das Trägerprofil kann beispielsweise
ein strangepresstes Aluminiumprofil oder ein extrudiertes Kunststoffprofil
sein. Zu Beginn der Montage wird die bewegbare Montageeinheit, welcher
die Führungseinheit
zugeordnet ist, fest mit einem Maschinenteil, etwa dem Maschinenschlitten
einer Werkzeugmaschine verbunden. Die Montageeinheit selbst ist ebenfalls
in einer vergleichsweise steifen Ausführung realisiert. Danach wird
die Führungseinheit
beispielsweise durch einen Verriegelungsmechanismus im oder am Trägerprofil
spielfrei festgelegt. Durch schrittweises Bewegen der Führungseinheit
entlang der Messrichtung wird das vergleichsweise biegeweiche Trägerprofil
samt der darin befindlichen Maßverkörperung
geradlinig ausgerichtet, wobei nach jedem Bewegungsschritt das Trägerprofil
am jeweiligen Befestigungspunkt des entsprechenden Maschinenteiles,
z. B. dem Maschinenbett, fixiert wird. Die Führungseinheit bzw. die gesamte
Montageeinheit verformt sich, bedingt durch die große Steifigkeit,
dabei praktisch nicht. Durch diese Vorgehensweise wird das gesamte
Trägerprofil
und somit auch die Maßverkörperung
parallel zur Messrichtung verformt bzw. ausgerichtet und in diesem
Zustand fixiert. Gleichzeitig wird mit dieser Methode die Maßverkörperung
parallel zur Abtasteinrichtung ausgerichtet.
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Nach erfolgter Montage kann die Führungseinheit
gelöst
werden, das heißt,
dass deren Führungselemente,
etwa Laufrollen, keinen Kontakt mehr zum Trägerprofil haben. Die Abtasteinheit
kann dann berührungslos
und präzise
entlang der Maßverkörperung,
ohne Eigenführung,
bewegt werden.
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Das erfindungsgemäße Positionsmessgerät hat den
Vorteil, dass bei der Montage auch Maßabweichungen des Trägerprofils
und der damit verbundenen Maßverkörperung
korrigiert werden können, auch
wenn das Trägerprofil
mit der Maßverkörperung vor
der Montage Maßabweichungen,
wie Säbelfehler,
Welligkeiten oder Verdrehungen, aufweist.
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Mit Vorteil ist die spielfreie Festlegung
der Führungseinheit
am Trägerprofil
dergestalt, dass während
der Montage alle drei rotatorischen und zwei translatorische Freiheitsgrade
der Bewegung unterbunden werden, so dass nur noch eine translatorische
Bewegung in Messrichtung möglich
ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst das Positionsmessgerät Führungselemente, die als Laufrollen
ausgestaltet sind.
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Darüber hinaus kann mit einer Ausbildung des
erfindungsgemäßen Positionsmessgerätes die Montageeinheit
für den
Transport so gehemmt werden, dass in diesem Zustand gleichzeitig
eine Transportsicherung gegeben ist. Bei dieser Ausgestaltung der
Erfindung sind die Führungselemente
mit Vorteil als Gleitelemente ausgebildet. Infolge der vergleichsweise
hohen Reibkraft zwischen dem Trägerprofil und
der Gleitelemente im festgelegtem Zustand der Führungseinheit kann auf diese
Weise auch die Funktion einer Transportsicherung erfüllt werden. Das
heißt,
dass vor dem Transport des Positionsmessgerätes die Führungseinheit im Trägerprofil
derart festgelegt wird, dass eine Bewegung der Montageeinheit in
allen Richtungen, auch in der Messrichtung unterbunden wird. Für die Montage
kann es von Vorteil sein, wenn der Verriegelungsmechanismus danach
etwas gelockert wird, um in diesem Zustand eine leichtere Verschiebung
in Messrichtung zu ermöglichen.
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Weitere Vorteile der Erfindung werden
bei der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der
Figuren deutlich werden.
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Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Explosionszeichnung eines erfindungsgemäßen Positionsmessgeräts,
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2 eine
schematische Detailansicht des Verriegelungsblocks und des Führungswagens
im Trägerprofil,
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3a eine
schematische Ansicht eines Trägerprofils
mit überproportional
dargestellten Formabweichungen zu Beginn des Montagevorganges,
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3b eine
schematische Ansicht eines Trägerprofils
am Ende des Montagevorganges,
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4 eine
alternative Ausgestaltung der Erfindung mit Gleitschuhen.
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5 eine
schematische Ansicht eines Trägerprofils
mit überproportional
dargestellten Formabweichungen zu Beginn des Montagevorganges, für eine alternative
Ausgestaltung der Erfindung
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Gleichwirkende Teile sind in den
Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In der 1 ist
eine perspektivische Explosionszeichnung des Positionsmessgerätes gezeigt.
An einem Trägerprofil 1 ist
ein Maßstabshalter 1.2 befestigt,
an dem wiederum ein Maßstab 1.1 fixiert
ist. Selbstverständlich
kann der Maßstab 1.1 alternativ auch
direkt auf dem Trägerprofil 1 befestigt
sein. Der Maßstab 1.1 besteht
im gezeigten Beispiel aus Stahl und ist mit optisch auswertbaren
Teilungsstrichen versehen. Alternativ dazu kann auch ein Glasmaßstab mit
Teilungsstrichen oder aber ein magnetisierter Maßstab verwendet werden. Das
Trägerprofil weist
zwei Schenkel 1.3, 1.4 auf, die sich parallel
zum Maßstab 1.1 in
Messrichtung x erstrecken. Die Schenkel 1.3, 1.4 haben
jeweils einen Vorsprung 1.
31, 1.41, der
sich ebenfalls entlang der Messrichtung x erstreckt.
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Darüber hinaus umfasst das Positionsmessgerät eine Montageeinheit,
welche im ersten Ausführungsbeispiel
als Abtasteinheit 2 ausgeführt ist. Das heißt, dass
in diesem Ausführungsbeispiel
Bauteile der Montageeinheit im Normalbetrieb auch Funktionen für die Abtastung
des Maßstabs 1.1 übernehmen.
Diese Abtasteinheit 2 besteht aus einem Montagefuß 2.1,
einem Verriegelungsblock 2.2, einer als Führungswagen 2.3 ausgebildeten
Führungseinheit, einem
Abtastkopf 2.4 und einem Schwert 2.5. Falls das
Positionsmessgerät
gegenüber
Umwelteinflüssen
weitgehend abgeschirmt sein muss, können nach bekannter Bauweise
Dichtlippen an den Schenkeln 1.3, 1.4 angebracht
werden, die am Schwert 2.5 der Abtasteinheit 2 anliegen.
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Der Montagefuß 2.1 wird vor dem
Betrieb des Positionsmessgerätes
an ein Maschinenteil beispielsweise an einen Maschinenschlitten 4 (siehe 3a, 3b) geschraubt.
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Der Verriegelungsblock 2.2 besteht
aus einem Grundkörper 2.21 in
dem, jeweils in y-Richtung verschiebbar, vier Verriegelungsbolzen 2.23 gelagert sind.
Die Bewegung der Verriegelungsbolzen 2.23 in y-Richtung
kann durch Drehung der Stellschrauben 2.22 hervorgerufen
werden. In der 2 ist
eine Detailansicht des Verriegelungsblocks 2.2 und des
Führungswagens 2.3 im
Schnitt gezeigt. Durch entsprechende Drehung der Stellschraube 2.22 wird
deren Ende entsprechend der Pfeilrichtung in die Hülse 2.24 hinein
bewegt, so dass über
die schrägen
Flächen
der Verriegelungsbolzen 2.23 in y-Richtung eine Bewegung
der Verriegelungsbolzen 2.23 erzeugt wird. Damit die Verriegelungsbolzen 2.23 nach erfolgter
Montage bzw. bei Zurückdrehen
der Stellschraube 2.22 wieder in ihre Ausgangsstellung
zurückkehren,
sind diese über
eine Rückholfeder 2.25 miteinander
verbunden.
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Der Führungswagen 2.3 besteht,
gemäß der 1, aus vier im wesentlichen
quaderförmigen
Körpern 2.31 aus
Stahl. Die Körper
weisen Ausnehmungen 2.32 auf, darüber hinaus werden von den Körpern 2.31 jeweils
drei Laufrollen 2.33 aufgenommen, die als Kugellager ausgebildet
sind. Die Körper 2.31 sind
durch Blatt-, bzw. Spiralfedern 2.34 miteinander verbunden.
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Zwischen den Körpern 2.31 ist ein
Abtastkopf 2.4 angeordnet, der im Zusammengebauten Zustand
des Positionsmessgerätes
dem Maßstab
1.1 gegenüber
liegt und im Betrieb dessen Teilungsstriche optoelektronisch abtastet.
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Die 3a zeigt
die Anbausituation eines bereits zusammengebauten Positionsmessgeräts zu Beginn
der Montage an eine Werkzeugmaschine. Die Maßabweichungen des Trägerprofils 1,
insbesondere der Säbelfehler
bzw. die Durchbiegung in z-Richtung, sind dabei zur Veranschaulichung überproportional
groß dargestellt.
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Zunächst wird das Trägerprofil 1 an
das Maschinenbett 3 am Punkt F, mit einer Schraube befestigt.
Die übrigen
Schraubverbindungen an den Punkten F2 bis
Fn sind noch lose.
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Sodann werden die Stellschrauben 2.22 (2) so gedreht, dass sich
das Ende der Stellschrauben 2.22 parallel zur z-Richtung
in die Hülse hinein
bewegt. Durch die schrägen
Berührflächen, sowohl
an den Stellschrauben 2.22 als auch an den Verriegelungsbolzen 2.23,
wird durch die Drehung der Stellschrauben 2.22 eine Bewegung
der Verriegelungsbolzen 2.23 nach außen, parallel zur y-Achse hervorgerufen.
Durch diese Bewegung verursachen die Verriegelungsbolzen 2.23 ihrerseits
eine Bewegung der Körper 2.31 des
Führungswagens 2.3,
wobei diese Bewegung sowohl eine z- als auch eine y-Richtungskomponente
aufweist. Die Stellschrauben 2.22 werden so lange betätigt, bis
die Laufrollen 2.33 fest an den Schenkeln 1.3, 1.4 bzw.
an den Vorsprüngen 1.31, 1.34 anliegen.
Somit ist die gesamte Abtasteinheit 2 spielfrei am Trägerprofil 1 festgelegt.
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Der Montagefuß 2.1 wird dann fest
mit dem Maschinenschlitten 4 verbunden, so dass die Abtasteinheit 2 mit
dem Montagefuß 2.1 durch
eine Verfahrbewegung des Maschinenschlittens 4 in x-Richtung
verschoben werden kann.
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Bedingt durch die steife Bauweise
der gesamten Abtasteinheit 2 und die vergleichsweise großen Abstände der
Laufrollen zueinander können
relativ große
Kräfte
und/oder Biegemomente in bzw. um alle Achse in das Trägerprofil 1 von
der Abtasteinheit 2 eingeleitet werden, ohne dass im Führungswagen 2.3 bzw.
in der gesamten Abtasteinheit 2 nennenswerte Verformun gen
auftreten. Das Trägerprofil 1 ist
im Vergleich zur Abtasteinheit 2, insbesondere zum steifen
Führungswagen 2.3,
biegeweich und lässt
sich deshalb im entsprechenden Bereich verformen. Üblicherweise
weichen die Maße
des Trägerprofils 1 nur
Bruchteile von Millimetern von der Sollform ab, so dass in diesem
Zusammenhang auch nur von Verformungen in dieser Größenordnung
auszugehen ist. Im gezeigten Beispiel weicht das Trägerprofil 1 in
x-Richtung über
eine Länge
von 500 mm um 0,36 mm in z-Richtung von einer idealen Geraden ab.
Um diesen Säbelfehler
zu korrigieren, muss eine Kraft von etwa 12 N in das Trägerprofil 1 eingeleitet werden.
Diese Kraft verursacht im Abtastwagen 2, insbesondere im
Schwert 2.5, eine äußerst geringfügige Dehnung
von rechnerisch 0,00077 mm, wobei im Führungswagen 2.3 selbst
praktisch keine Verformungen feststellbar sind.
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Der nach der oben beschriebenen Methode festgelegte
Führungswagen 2.3 ist
also translatorisch sowohl in y- als auch in z-Richtung und rotatorisch
bezüglich
der Momente um die x, y und z-Achse spielfrei gelagert. Nunmehr
ist also lediglich eine Verschiebung der Abtasteinheit 2 in
x-Richtung möglich.
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Sobald also der Führungswagen 2.3 derart festgelegt
ist, wird, wie in den 3a und 3b gezeigt, wird die gesamte
Abtasteinheit 2 schrittweise durch Verfahren des Maschinenschlittens 4 in
x-Richtung verschoben. Die Anzahl der Schritte entspricht dabei der
Anzahl n der Punkte F1 bis Fn.
Die Bewegung der Abtasteinheit 2 führt zu einer Ausrichtung und
Verformung des Trägerprofils 1 und
damit auch des Maßstabes 1.1.
Nach jedem Schritt wird am jeweiligen Punkt F; eine Fixierung des
Trägerprofils 1 am
Maschinenbett 3 vorgenommen, so dass die zwangsweise Ausrichtung
und Verformung des Trägerprofils 1 auf
diese Weise festgehalten wird. Entsprechend wird das Trägerprofil 1 an
den weiteren Punkten am Maschinenbett 3 befestigt.
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Nachdem mit dieser Methode das Trägerprofil 1 auch
am letzten Punkt Fn fixiert ist, werden
erneut die Stellschrauben 2.22 gedreht, allerdings nun
mit entgegengesetztem Drehsinn, so dass sich die Enden der Stellschrauben 2.22 aus
der Hülse 2.24 heraus
bewegen (2), und die
Rückholfeder
2.25 die Verriegelungsbolzen 2.23 zusammenzieht.
Bedingt durch die Federn 2.34 bewegen sich auch die Körper 2.31 des
Führungswagens 2.3 wieder
zusammen, so dass alle Laufrollen 2.33 den Kontakt zum
Trägerprofil 1 verlieren.
Nachdem auf diese Weise der Führungswagen 2.3 frei
im Trägerprofil 1 bewegbar
ist, kann der Messbetrieb aufgenommen werden. Der Abtastkopf 2.4 kann
nunmehr ohne direkte Führung am
Trägerprofil 1 oder
am Maßstab 1.1 präzise entlang
des Maßstabes 1.1 in
x-Richtung bewegt werden.
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In einer alternativen Ausführungsform
wird nach erfolgter Montage der komplette Führungswagen 2.3 von
der Abtasteinheit 2 gelöst
und aus dem Trägerprofil 1 entfernt.
Diese Variante hat den Vorteil, dass der Führungswagen 2.3 für die Montage
von weiteren Positionsmessgeräten
wieder verwendet, und die Masse der verfahrbaren Abtasteinheit 2 auf diese
Weise reduziert werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung können
gemäß der 4 als Führungselemente Gleitschuhe 2.33 direkt
an den Verriegelungsbolzen 2.23 ausgebildet sein. Die Verriegelungsbolzen 2.23 und
damit auch die Gleitschuhe 2.33 können durch Bewegung der Stellschraube 2.22 an
Vorsprünge 1.31, 1.41 des
Trägerprofils 1 gedrückt werden.
Durch die schrägen
Flächen
der Gleitschuhe 2.33 und der Vorsprünge 1.31, 1.41 können hier
sowohl Kräfte
in y- als auch in z-Richtung in das Trägerprofil 1 eingeleitet
werden. Die Hemmung der Bewegung der Abtasteinheit 2 in
x-Richtung hängt
von den Reibverhältnissen
zwischen den Gleitschuhen 2.33 und den Vorsprüngen 1.31, 1.41 ab.
Im gezeigten Beispiel bestehen die Gleitschuhe 2.33 im
Wesentlichen aus Polytetrafluorethylen, welches einen geringen Reibungskoeffizienten
hat.
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Diese Ausführungsvariante kann sowohl
zur Transportsicherung als auch zur Montageunterstützung des
Positionsmessgerätes
verwendet werden. Dabei wird vor dem Transport des Positionsmessgerätes der
Verriegelungsmechanismus derart betätigt, dass die Gleitschuhe 2.33 so
stark gegen die Vorsprünge 1.31, 1.41 gedrückt werden,
dass eine Reibkraft entsteht, die so groß ist, dass auch bei Einwirkung
der beim Transport üblichen äuße ren Stöße keine
Bewegung der Abtasteinheit 2 in x-Richtung relativ zum
Trägerprofil 1 möglich ist.
Bezüglich
der y- und z-Richtung ist aufgrund der formschlüssigen Verbindung ohnehin eine
Bewegung der Abtasteinheit 2 im Trägerprofil 1 ausgeschlossen.
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Für
den Zweck der Montage wird dann die Flächenpressung zwischen den Gleitschuhen 2.33 und
den Vorsprüngen 1.31, 1.41 durch
Betätigung der
Stellschraube 2.22 etwas reduziert, so dass eine Verschiebung
des Abtastwagens 2 in x-Richtung möglich ist. Der Ausricht- und
Befestigungsvorgang des Positioniergerätes verläuft dann analog zur oben beschriebenen
Methode.
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Alternativ zur Verwendung von Stellschrauben 2.22 können auch
Exzenter- oder Nockenkörper verwendet
werden, durch deren Drehung die Verriegelungsbolzen 2.23 bewegt
werden. Mit Vorteil sind die Exzenterkörper so ausgebildet, dass sie
zwei stabile einrastbare Stellungen (Stellung für die Montage und Stellung
für den
Messbetrieb) ermöglichen.
Falls durch den Verriegelungsblock 2.2 auch eine Transportsicherung
möglich
ist, kann dies in einer dritten stabilen Stellung berücksichtigt
werden.
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In der 5 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
gezeigt. Hier umfasst das Positionsmessgerät eine Montageeinheit, welche
in diesem zweiten Ausführungsbeispiel
als Montagewinkel 5 ausgeführt ist. Der Montagewinkel 5 besteht
aus einem Montagefuß 5.1 und
einer als biegesteife Führungsplatte 5.3 ausgestalteten Führungseinheit.
Die Führungsplatte 5.3 weist
drei Laufrollen 5.33 auf. Die Laufrollen 5.33 sind
so angeordnet, dass sie das Trägerprofil 1 spielfrei
umgreifen. Die Position zumindest einer der Achsen der Laufrollen 5.33 kann
zu diesem Zweck einstellbar sein, z . B. durch eine exzentrische
Lagerung oder durch einen Gewindemechanismus. Die Montage des Positionsmessgeräts erfolgt
bei dieser Anordnung analog zum ersten Ausführungsbeispiel. Alternativ
zu dieser Ausführung
können
auch vier oder mehr Laufrollen 5.33 verwendet werden. Die
Laufrollen 5.33 können
in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung teilweise oder in
ihrer Gesamtzahl durch Gleitschuhe ersetzt werden. Die Anordnung
gemäß der 5 hat unter anderem den
Vorteil, dass für
die Montage ein Schmiermittel auf das Trägerprofil 1 im Berührbereich
der Laufrollen 5.33 oder Gleitschuhe aufgetragen werden
kann, ohne dass die Gefahr besteht, dass der Maßstab 1.1 durch dieses
Schmiermittel verunreinigt werden könnte.