DE19821558B4 - Maßstab und Verfahren zur Herstellung eines Maßstabes sowie Positionsmeßeinrichtung - Google Patents
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Abstract
Maßstab mit
einem Grundkörper
(10), auf dem mehrere Maßstab-Teilstücke (11,
12, 13) aus Glas aufgebracht sind und jedes Teilstück (11,
12, 13) eine Maßverkörperung
(14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstücke (11,
12, 13) an den Stoßstellen
miteinander verschweißt
sind.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Maßstab sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Maßstabes.
- Weiterhin betrifft die Erfindung eine Positionsmeßeinrichtung, in der ein derartiger Maßstab verwendet wird.
- Für Meßmaschinen und Werkzeugmaschinen werden Positionsmeßeinrichtungen großer Länge benötigt. Um die Herstellung der Maßstäbe dieser Positionsmeßeinrichtungen zu erleichtern, werden mehrere kurze Teilstücke gefertigt und diese Teilstücke zur gesamten Meßlänge auf einem Grundkörper zusammengesetzt.
- In der
DE 28 47 719 A ist eine Positionsmeßeinrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Maßstabes beschrieben. Die Teilstücke des Maßstabes werden mit dem Grundkörper durch Schweißen starr verbunden. Zu sätzlich können an den Stoßstellen der Teilstücke Punktschweißverbindungen angeordnet sein. Die Teilstücke des Maßstabes sind aus Metall. - Eine ähnliche Positionsmeßeinrichtung ist in der
DE 1 548 875 A beschrieben. Mehrere Teilstücke eines Maßstabes sind auf einem Grundkörper aufgeschweißt. Die Teilstücke bestehen aus einer dünnen Folie. - Weitere Positionsmeßeinrichtungen, bei denen ein Teilungsträger durch Schweißen auf einem Grundkörper befestigt ist, sind aus der
EP 0 624 780 A und der JP 8-145609 A bekannt. - Eine Positionsmeßeinrichtung, von der unsere Erfindung ausgeht, ist in der
DE 38 18 044 A beschrieben. Mehrere Teilstücke eines Maßstabes aus Glas sind auf einem Grundkörper in Meßrichtung aneinander angelegt und gleitend mit dem Grundkörper verbunden. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen und genauen Maßstab sowie eine Positionsmeßeinrichtung insbesondere für große Meßlängen zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 11 gelöst.
- Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines Maßstabes insbesondere für große Meßlängen anzugeben.
- Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 7 gelöst.
- Die besonderen Vorteile der Erfindung liegen darin, daß als Träger der Maßverkörperung relativ billiges Glas mit hochwertiger optischer und mechanischer Oberflächenqualität eingesetzt werden kann. Durch die erfindungsge mäße Verbindung der Maßstab-Teilstücke erhält man einen über die gesamte Meßlänge homogenen Maßstab.
- Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert.
- Es zeigt
-
1 eine Positionsmeßeinrichtung mit einem Maßstab aus mehreren Maßstab-Teilstücken, -
2 eine Verbindungsstelle zweier Maßstab-Teilstücke im Detail, -
3 eine weitere Verbindungsstelle zweier Maßstab-Teilstücke im Detail, -
4 eine weitere Verbindungsstelle zweier Maßstab-Teilstücke im Detail und -
5 zwei Maßstab-Teilstücke mit einer Verbindungsstelle zwischen einem Teilstück und einem Grundkörper. - Die Positionsmeßeinrichtung gemäß
1 besteht aus einem Maßstab1 und einer in Meßrichtung X relativ zum Maßstab1 verschiebbaren Abtasteinheit2 . Zur Positionsmessung an einer Meßmaschine oder einer Werkzeugmaschine ist der Maßstab1 an einem Bett und die Abtasteinheit2 an einem dazu bewegbaren Schlitten befestigt. - Der Maßstab
1 besteht aus einem Grundkörper10 , auf dem in Meßrichtung X hintereinander mehrere Maßstab-Teilstücke11 ,12 ,13 angeordnet sind. Der Grundkörper10 ist beispielsweise eine über die gesamte Meßlänge durchgehende Schiene aus Metall, insbesondere aus Stahl. Bei gekapselten Positionsmeßeinrichtungen kann der Grundkörper10 gleichzeitig das Gehäuse – beispielsweise aus Aluminium – bilden. - Jedes der Maßstab-Teilstücke
11 ,12 ,13 trägt eine Maßverkörperung in Form einer inkrementalen Teilung14 . Diese Teilung14 ist nach bekannten lithografischen Verfahren gefertigt und ist lichtelektrisch im Durchlichtverfahren abtastbar. Die Länge der Teilstücke11 ,12 ,13 ist auf die Länge der bei der Herstellung verwendeten Kopiereinrichtung beschränkt. - Die Teilstücke
11 ,12 ,13 sind mit dem Grundkörper10 über eine in Meßrichtung X elastische Schicht15 verbunden. Unterschiedliche Längenänderungen des Grundkörpers10 und der Teilstücke11 ,12 ,13 werden durch die Schicht15 ausgeglichen. - Die Teilstücke
11 ,12 ,13 bestehen aus transparentem Glas, insbesondere Floatglas oder Glaskeramik (Markenname: Zerodur) und sind an den Stoßstellen mittels Schweißen fest miteinander verbunden. Hierzu werden die Teilstücke11 ,12 ,13 zuerst auf die elastische Schicht15 aufgelegt und die Enden aneinander gestoßen, danach erfolgt das Verschweißen der Teilstücke11 ,12 ,13 miteinander. - Zur Erzeugung eines Fixpunktes zwischen den Teilstücken
11 ,12 ,13 und dem Grundkörper10 kann ein Teilstück12 an einer einzigen Position P durch Schweißen starr am Grundkörper10 befestigt werden. - Die Abtasteinheit
2 besteht aus zumindest einer Lichtquelle21 und zumindest einem Photodetektor22 . Die Lichtquelle21 ist auf einer Seite der Teil stücke11 ,12 ,13 und der Photodetektor22 auf der gegenüberliegenden Seite der Teilstücke11 ,12 ,13 angeordnet. - Als Schweißverfahren an den Stoßstellen der Teilstücke
11 ,12 ,13 und an dem Fixpunkt P können alle bekannten Verfahren eingesetzt werden, wie z.B. Widerstandsschweißen, Diffusionsschweißen und Laserschweißen. Da gemäß der Erfindung die Teilstücke11 ,12 ,13 bereits mit einer Teilung14 versehen sind, muß beim Schweißvorgang besonders darauf geachtet werden, daß die thermische Belastung der Teilung14 gering bleibt. Aus diesem Grund ist das Laserschweißen besonders geeignet. Die Laserstrahlung kann bis zum minimalen Durchmesser im Bereich der Wellenlänge fokussiert werden, wodurch minimale Bearbeitungszonen erzielt werden können. Die Intensität der Laserstrahlung kann einfach gesteuert werden, mit den hohen erzielbaren kontinuierlichen oder gepulsten Leistungen ist am Werkstück eine Intensität von 105 bis 1010 W/cm2 erreichbar. Diese gezielt steuerbaren hohen Intensitäten haben den Vorteil, daß die beim Schweißen erzeugte Wärme nur gezielt lokal und kurzzeitig aufgebracht werden muß, was eine minimale wärmebeeinflußte Zone und somit minimalen Verzug der Teilstücke11 ,12 ,13 zur Folge hat. - Bei der erfindungsgemäßen Anwendung des Laserschweißens ist es vorteilhaft, wenn der Laserstrahl eine Wellenlänge hat, für die das Glas der Teilstücke
11 ,12 ,13 transparent wirkt. Die Wellenlänge also so an das Material der Teilstücke11 ,12 ,13 angepaßt ist, daß im Glas selbst keine Wärmeabgabe erfolgt. Durch diese Maßnahme kann sichergestellt werden, daß die Wärmeabgabe ausschließlich an den zu verschweißenden Stoßstellen der Teilstücke11 ,12 ,13 erfolgt. Die Oberflächenrauhigkeit der Teilstücke11 ,12 ,13 an den Stoßstellen hat zur Folge, daß die Laserstrahlung ausschließlich an diesen Bereichen absorbiert wird und das Glasmaterial nur lokal erhitzt und verschweißt wird. - In
2 ist eine Verbindungsstelle zweier Teilstücke11 ,12 im Detail dargestellt. Die Oberflächen der beiden zu verschweißenden Enden sind zur besseren Absorption der Laserstrahlung durch Schleifen angerauht. Die beiden Enden werden aneinander gestoßen und der Laserstrahl16 auf die Stoßstelle gerichtet. Das Laserschweißen von Glas-Maßstäben11 ,12 hat den Vorteil, daß in der Regel beim Schweißvorgang keine Lageänderung der beiden Teilstücke11 ,12 erfolgt. Haben die Enden zu der Teilung14 eine definiert vorgegebene Lage, so ist eine Justierung des Stoßes nicht erforderlich, ein einfaches Aneinanderstoßen der beiden Enden ist ausreichend. Die Enden sind so bearbeitet, daß im aneinandergestoßenen Zustand der Enden die beiden aufeinanderfolgenden Teilstriche141 und142 beider Teilstücke11 ,12 den Sollabstand T aufweisen. Bei der dargestellten inkrementalen Teilung14 ist T die Teilungsperiode. Diese Methode ist bei Glas-Maßstäben11 ,12 besonders vorteilhaft realisierbar, da die Enden hochgenau bearbeitet werden können. Die Verschweißung kann je nach Fokussierung und Einfallswinkel des Laserstrahls16 über die gesamte Stoßstelle (Trennfläche) erfolgen, oder nur Teilbereiche bzw. Ränder der Trennfläche umfassen. - In
3 ist eine weitere Verbindungsstelle zweier Maßstab-Teilstücke11 ,12 dargestellt. Zwischen den Enden der Teilstücke11 ,12 ist eine die Laserstrahlung16 absorbierende Schicht17 vorgesehen. Die Schicht17 kann eine Dicke aufweisen, die einer Lücke zwischen zwei Teilstrichen entspricht, sie kann aber auch einer Breite eines Teilstriches entsprechen. Das Material der Schicht17 absorbiert die Laserstrahlung16 , wodurch die Schicht17 und das angrenzende Glas erwärmt und miteinander verschweißt wird. Die Schicht17 kann aus Silizium, Chrom, Nickel, CrNi oder MoTi bestehen. - Die Schicht
17 kann durch Aufdampfen oder chemische Abscheidung auf ein Ende oder auf beide Enden der Teilstücke11 ,12 aufgebracht werden. - Die Schicht
17 kann fest aber auch flüssig oder pastös sein und beim Schweißvorgang der Teilstücke11 ,12 verdampfen oder zumindest teilweise in die Gläser diffundieren, wodurch eine chemische Verzahnung der Teilstücke11 ,12 erfolgt. - Eine besonders stabile Verbindung erhält man, wenn als Schicht
17 ein Metalloxid (z.B. Platinoxid) Verwendung findet, da beim Schweißvorgang Metalloxide an den Endbereichen der Teilstücke11 ,12 in das Glas eindiffundieren. - Beim Laserschweißen besteht die Möglichkeit, die Schweißstelle auch in der Tiefe gezielt wählen zu können. So kann die Laserstrahlung
16 auf eine Ebene konzentriert werden, die außerhalb der die Teilung14 tragenden Oberfläche liegt. Dies hat den Vorteil, daß beim Schweißvorgang keine, bei der Abtastung störende Schweißstelle an der Oberfläche entstehen kann und die Teilung14 nicht beeinflußt wird. Ein Beispiel hierzu ist in4 dargestellt. Der Laserstrahl16 wird senkrecht zu der die Teilung14 tragenden Oberfläche ausgerichtet und auf eine Ebene unterhalb dieser Oberfläche fokussiert. Die Verschweißung erfolgt außerhalb der die Teilung14 tragenden Ebene. Die beiden zu verschweißenden Enden der Teilstücke11 ,12 können senkrecht (90°) zur Oberfläche verlaufen, oder von 90° abweichend, wie in4 dargestellt. - Bei dem Beispiel in
5 werden die beiden Teilstücke11 ,12 mit dem Laserstrahl16 an dem Grundkörper10 geschweißt. Der Laserstrahl16 ist auf die Verbindungsstelle fokussiert und die Wellenlänge ist an das Glasmaterial der Teilstücke11 ,12 angepaßt, so daß es beim Durchlaufen des Laserstrahls16 möglichst wenig Energie absorbiert und erst an der Grenzfläche Glas – Metall die Energie abgegeben wird. An dieser Grenzfläche entsteht eine chemische Verbindung durch Diffusion von Metalloxiden. Zur besseren Verschweißung können zusätzlich an der Grenzfläche Hilfsschichten eingebracht werden, beispielsweise durch Aufdampfen einer Chromschicht, die aufgrund ihres oxidischen Charakters eine Bindung zum Glas eingeht und auch wegen des metallischen Charakters eine Legierungsbildung zum metallenen Grundkörper10 ermöglicht. - Die in
5 dargestellte Schweißverbindung kann allein oder zusätzlich zu den in den2 bis4 beschriebenen Schweißverbindungen realisiert werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft – wie in1 dargestellt – wenn die Verschweißung der miteinander verschweißten Glas-Teilstücke11 ,12 ,13 mit dem Grundkörper10 nur an einer einzigen Position P (Referenzpunkt) erfolgt. Die Einheit der miteinander verschweißten Teilstücke11 ,12 ,13 kann auch nur an den beiden Enden mit dem Grundkörper10 verschweißt werden und im übrigen Bereich in Meßrichtung beispielsweise über eine Klebstoff- oder Flüssigkeitsschicht elastisch gelagert sein. Die Verschweißung kann auch an mehreren Positionen oder auch kontinuierlich über die gesamte Meßlänge erfolgen. - Eine starre Verbindung zwischen mehreren oder nur einem Glas-Teilstück
11 ,12 ,13 und einem Grundkörper10 , hergestellt durch Verschweißen an mehreren Positionen oder auch kontinuierlich über die gesamte Meßlänge, kann auch dazu dienen, um den Glas-Teilstücken11 ,12 ,13 bzw. dem nur einen Glas-Teilstück das Ausdehnungsverhalten des Grundkörpers10 aufzuzwingen. Dabei besteht der Grundkörper10 bevorzugt aus Metall. - Der Grundkörper
10 kann auch aus Metall, Keramik oder Glas bestehen. Der Grundkörper10 ist in besonders vorteilhafter Weise ein über die gesamte Meßlänge durchgehender Körper. Er kann auch direkt ein Bauteil einer Werkzeugmaschine oder Meßmaschine sein. Der Grundkörper10 kann auch eine Führung sein, die auf eine Werkzeugmaschine oder Meßmaschine aufsetzbar ist und zur Führung eines Maschinenteiles dient. - Die Maßvorkörperung kann eine inkrementale Teilung oder ein einspuriger bzw. mehrspuriger Code sein.
- Der verwendete Laser zur Erzeugung des Laserstrahls
16 kann ein CO2- oder ein YAG-Laser sein.
Claims (11)
- Maßstab mit einem Grundkörper (
10 ), auf dem mehrere Maßstab-Teilstücke (11 ,12 ,13 ) aus Glas aufgebracht sind und jedes Teilstück (11 ,12 ,13 ) eine Maßverkörperung (14 ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstücke (11 ,12 ,13 ) an den Stoßstellen miteinander verschweißt sind. - Maßstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstücke (
11 ,12 ,13 ) mit dem Grundkörper (10 ) über eine in Meßrichtung (X) elastische Schicht (15 ) verbunden sind. - Maßstab nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Schicht (
15 ) eine Klebstoffschicht ist. - Maßstab nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Teilstücken (
11 ,12 ,13 ) und dem Grundkörper (10 ) an zumindest einer Position (P) eine Schweißverbindung vorgesehen ist. - Maßstab nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßverkörperung eine lichtelektrisch abtastbare Teilung (
14 ) ist. - Maßstab nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (
10 ) aus Metall besteht. - Verfahren zur Herstellung eines Maßstabes (
1 ) mit den Verfahrensschritten: – Aufbringen einer Maßverkörperung (14 ) auf mehrere Maßstab-Teilstücke (11 ,12 ,13 ) aus Glas, – Auflegen der Teilstücke (11 ,12 ,13 ) auf einen Grundkörper (10 ), – Verschweißen der Teilstücke (11 ,12 ,13 ) an den Stoßstellen. - Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschweißen mittels eines Laserstrahls (
16 ) durch Laserschweißen erfolgt. - Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas der Maßstab-Teilstücke (
11 ,12 ,13 ) für die Wellenlänge des Laserstrahls (16 ) transparent ist und die Laserstrahlung an den zu verschweißenden Verbindungsstellen absorbiert wird. - Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (
16 ) durch das Glas auf eine Verbindungsstelle in einer Ebene konzentriert wird, die außerhalb der die Maßverkörperung (14 ) tragenden Oberfläche liegt. - Positionsmeßeinrichtung mit einem Maßstab (1), bestehend aus einem Grundkörper (
10 ), auf dem mehrere Maßstab-Teilstücke (11 ,12 ,13 ) aus Glas aufgebracht sind und jedes Teilstück (11 ,12 ,13 ) eine Maßverkörperung (14 ) aufweist, die von einer Abtasteinheit (2 ) mit einer Lichtquelle (21 ) und zumindest einem Photodetektor (22 ) zur Erzeugung von positionsabhängigen Abtastsignalen abtastbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstücke (11 ,12 ,13 ) an den Stoßstellen miteinander verschweißt sind.
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