DE3711466A1

DE3711466A1 - Vorrichtung zur verbindung von koerpern

Info

Publication number: DE3711466A1
Application number: DE19873711466
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dipl Ing Meier
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Priority date: 1987-04-04
Filing date: 1987-04-04
Publication date: 1988-10-27
Also published as: FR2613525A1; US4826303A; FR2613525B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbinden von Körpern, welche die aus den thermisch bedingten Spannungen resultierenden Zwangskräfte auf die verbundenen Körper minimiert.

Die bisher bekannten Einrichtungen zur Verbindung zweier Körper, bei denen die thermischen Spannungen minimiert werden sollen, nutzen zum größten Teil radial nachgiebige Verbindungselemente, die eine ansonsten starre Verbindung sicherstellen. Wie an einem Radioteleskop in EP-PS 00 63 063 beschrieben, wird dabei ein Verbindungspunkt festgehalten, während die anderen Befestigungspunkte jeweils eine Veränderung in radialer Richtung zulassen. Dabei werden radial nachgiebige Befestigungselemente mit der Wirkungsweise von Blattfedern verwendet. Auch aus Proceedings of SPIE (Volume 250 [1980] auf Seiten 24-26 und Volume 450 [1983] auf Seiten 34-38) ist bekannt, einen Glasspiegel an einer metallischen Tragstruktur über radial flexible Elemente zu befestigen. Diese Art der Befestigung führt zu sehr komplizierten Befestigungssystemen, welche zudem eine gewisse Neigung zu Schwingungen aufweisen.

Des weiteren ist aus DE-PS 31 19 299 eine Verbindung durch eine elastische Klebverbindung bekannt. Die Anwendung der Klebtechnik hat jedoch mehrere Nachteile. Zum einen ist eine ideale Klebspaltdicke von Null nicht erreichbar, zum anderen haben die Klebstellen eine geringere Steifigkeit und sind nicht lösbar.

In der DE-PS 36 34 196 ist eine Einrichtung beschrieben, die einen thermischen Ausgleich bei der Verbindung zweier Körper beschreibt, welche punktförmig wirkt. Dabei werden thermisch bedingte Deformationen durch eine feste Ankopplung erreicht, wodurch eine Befestigung an Punkten möglich ist, die exakt dieselbe thermische Ausdehnung wie der zu befestigende Körper haben.

Die Korrektur von Oberflächendeformationen mittels piezoelektr. Material wird in der DE-PS 30 12 830 beschrieben, wobei eine aktive Einstellung erfolgt.

Bei Werkzeugmaschinen ist bekannt (DE-PS 10 10 802, DE-PS 25 58 625) mittels Dehnstäben eine Kompensation der Wärmeausdehnung zu erreichen. Diese Bauweise führt zu sehr voluminösen Konstruktionen und kann nur punktuell wirken. Dieses Prinzip findet auch bei Uhrpendeln Anwendung.

Bis auf die in der DE-PS 36 34 196 beschriebene Einrichtung beinhalten alle Befestigungsarten aber den Nachteil, daß bei thermischen Veränderungen durch Verlagerung der Befestigungspunkte entweder Zwangskräfte von der Struktur des Trägers auf das Bauelement übertragen werden können oder die Steifigkeit der Verbindung sehr gering ist. Auch bei relativ geringen Zwangskräften können schon unzulässige Verformungen auftreten, wodurch die Verwendbarkeit nicht mehr vorhanden oder wenigstens sehr stark eingeschränkt sein kann. Insbesondere bei der Anwendung an optischen Elementen, wie zum Beispiel an Teleskopspiegeln, an deren Flächenform extrem hohe Anforderungen gestellt werden, welche im Bereich von einigen Nanometern liegen, führen bereits geringe Krafteinwirkungen zu feststellbaren Deformationen der Oberfläche, welche die Brauchbarkeit des Elementes stark herabsetzen. Werden nun zusätzlich erhöhte Steifigkeits- und Festigkeitsanforderungen gestellt, so lassen sich mit den genannten Befestigungsmethoden die Forderungen nicht erfüllen.

Aus der DE-PS 9 18 051 ist nun bekannt, einen Ausgleichskörper so zu bemessen und anzuordnen, daß sich durch Temperatureinflüsse bedingte Längenänderungen einer Tragkonstruktion und eines Ausgleichskörpers in bezug auf eine Meßstrecke gegenseitig aufheben. An den Enden dieser Tragkonstruktion befinden sich zwei Meßschenkel mit Ausgleichsgestänge. Diese Erfindung, wie auch die in der Einleitung beschriebenen Lehren, bedient sich zwecks Angleichung des Ausdehnungskoeffizienten zweier Werkstoffe mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten.

Des weiteren sind Klemmverbindungen allgemein bekannt. So sind keilförmige Zuganker aus der Möbelindustrie bekannt, wo sie zur Verbindung von z. B. Schrankeinzelteilen verwendet werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine über eine große Länge feste Verbindung zwischen zwei Körpern zu schaffen, welche bei Bedarf lösbar ist und bei hoher Steifigkeit möglichst geringe thermisch bedingte Zwangskräfte ausübt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des ersten Anspruches dadurch gelöst, daß die miteinander zu verbindenden Körper mindestens eine entlang der Verbindungsnaht verlaufende Ausnehmung aufweisen, in welcher ein keilförmiger Zuganker für eine Verbindung sorgt, wobei er sich über mindestens ein thermisches Ausgleichselement so an die Körper abstützt, daß über einen vorgewählten Temperaturbereich die vom keilförmigen Zuganker ausgeübte Kraft gleich bleibt.

Bei der praktischen Anwendung des Verbindungsankers mit Temperaturkompensation ist zu beachten, daß das bekannte Prinzip der Temperaturkompensation

mit

α _b - linearer Ausdehnungskoeffizient der zu verbindenden Segmente l _b - zu beachtende Bauteillänge der zu verbindenden Segmente α _i - linearer Ausdehnungskoeffizient der verbindenden Ausgleichselemente l _i - zu beachtende Bauteillänge der verbindenden Ausgleichselemente α _k - linearer Ausdehnungskoeffizient des keilförmigen Zugankers l _k - zu beachtende Bauteillänge des keilförmigen Zugankers

nirgendwo verletzt wird. Dies bedeutet, daß die Dicke der Ausgleichselemente auf dem keilförmigen Zuganker über die Länge des Verbindungsankers nicht konstant ist. Ihre Bestimmung ist im allgemeinen jedoch wegen der einfachen geometrischen Verhältnisse recht einfach. Im allgemeinen, wenn die beiden zu verbindenden Körper aus einem homogenen Stoff wie Glas oder Zerodur bestehen, kann aus jeweils einer Messung an den beiden Enden der Befestigungsstrecke und des Verbindungsankers die Dicke der Ausgleichsbeläge bestimmt werden. Im allgemeinen wird man deshalb die Dimensionierung rechnerisch ermitteln. Bestehen die beiden zu verbindenden Körper aus unterschiedlichen homogenen Stoffen, so ermöglicht die Erfindung durch eine separate Betrachtung der beiden Seiten auch hier eine Lösung. Lediglich bei inhomogenen Körpern muß über die gesamte Länge des Keils ein Profil der auftretenden Ausdehnungskoeffizienten ermittelt werden und dies bei der Anfertigung der Ausgleichsbeläge und des keilförmigen Zugankers berücksichtigt werden. Das sich dabei ergebende Profil wird vorteilhafterweise derart beim Bau des Verbindungsankers berücksichtigt, daß die Struktur nur zwischen dem Zuganker und den Ausgleichselementen auftritt und auf der Außenfläche eine ansonsten glatte Oberfläche gegeben ist.

Wenn man einen thermischen Ausgleich über einen zweiten Temperaturbereich erreichen möchte, so reicht eine Berücksichtigung des linearen Ausdehnungskoeffizienten α nicht aus. Der Ausdehnungskoefizient α ist eine temperaturabhängige Stoffeigenschaft und in verschiedenen Temperaturbereichen unterschiedlich. Die in den Tabellen angegebenen mittleren Werte

reichen dann nicht aus, und man muß durch eine geeignete Kombination mehrerer Ausgleichsbeläge auf dem Basiskörper eine Angleichung der Ausdehnungskoeffizienten in dem zu kompensierenden Temperaturbereich durch Optimierung erreichen.

Eine zweite wesentliche Bedingung ergibt sich aus der Forderung, daß die Differenz der zu beachtenden Bauteillänge der zu verbindenden Teile entspricht. Dies drückt sich formelmäßig wie folgt aus:

Die keilförmige Ausführung des Zugankers ist notwendig, um eine feste, auf einer großen Länge wirkende Befestigung zu erhalten.

Durch die temperaturkompensierte Befestigung läßt sich bei entsprechender Bearbeitung der aneinanderliegenden Teilflächen der zu befestigenden Bauteile an deren Naht die Forderung nach einer Spaltdicke von nahezu Null im Gegensatz zur Klebtechnik realisieren. Außerdem wird durch die auf die gesamte Verbindungslänge der Naht der miteinander verbundenen Bauteile durch die keilförmige Bauform des Zugankers eine hohe Steifigkeit erreicht.

Mit der erfinderischen Einrichtung können nicht nur Körper mit gleichem Ausdehnungskoeffizienten verbunden werden. Die Erfindung ist auch anwendbar für eine Verbindung von Körpern mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, was sich sehr deutlich aus den allgemeinen Formeln zur praktischen Anwendung ergibt.

Der Ausgleich zwischen Bauteil und Verbindungsanker kann auch durch nur einen Ausgleichsbelag auf dem keilförmigen Zuganker erfolgen, wenn durch eine Oberflächenbehandlung dafür gesorgt wird, daß man die gleiche Reibungszahl µ zwischen den Kontaktflächen der Bauteile und des Verbindungsankers sicherstellt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Länge des Verbindungsankers mit der Länge der Naht zwischen den zu verbindenden Körpern übereinstimmt. Die Kräfte, welche für eine feste Verbindung zwischen den zu befestigenden Körpern notwendig sind, können dann optimal über eine große Fläche verteilt werden und die auftretende Belastung an den Einschnitten der zu befestigenden Körper minimal gehalten werden. Durch die Verwendung von zwei Verbindungsankern in Verbindung mit einem Formschluß zwischen den Zugankern kann eine optimale Lagestabilität der Nähte zueinander erreicht werden. Der zum Formschluß verwendete Körper sollte aus dem oder den Materialien der zu befestigenden Körper bestehen.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform besteht der Verbindungsanker aus einem keilförmigen Zuganker, welcher zwischen sich und den Kontaktflächen der zu verbindenden Körper jeweils ein Ausgleichselement aufweist. Die Kontaktfläche des Ausgleichselementes mit den zu befestigenden Körpern kann dann aus einem Material bestehen, welches eine sehr kleine Reibungszahl µ hat. Dieser Aspekt sollte vor allem dann berücksichtigt werden, wenn man den Ausgleichsbelag aus mehreren Materialien mit jeweils unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten aufbaut. Dieser Mehrschichtaufbau der Ausgleichsbelege wird sich immer dann ergeben, wenn eine Temperaturkompensation des Zugankers mit den zu befestigenden Körpern über einen weiten Temperaturbereich angestrebt wird.

Da durch die Verwendung des keilförmigen Verbindungsankers vorteilhaft meist sehr große Teile miteinander verbunden werden können, ist es ein besonderer Vorzug dieser Einrichtung, daß die miteinander befestigten Körper wieder zerstörungsfrei demontiert werden können und nach einem Transport am Verwendungsort eine kontrollierte Montage erfolgen kann. Dies wird allerdings im optischen Bereich sehr selten möglich sein.

Aufgrund der sehr hohen Genauigkeitsanforderungen wird die Erfindung besonders vorteilhaft beim Bau von Teleskopspiegeln Verwendung finden können. Dort kann man mit dieser Einrichtung sehr vorteilhaft Segmente zu einem Großspiegel zusammensetzen. Die dabei erreichbaren Größen der Hauptspiegel werden sehr viel größer sein als die vorhandenen, massiven Spiegel aus einem Guß.

Die Erfindung wird im folgenden in den Zeichnungen 1-3 näher beschrieben und dargestellt, wobei im einzelnen zeigt

Fig. 1 das Prinzip der Temperaturkompensation;

Fig. 2 die Aufsicht auf zwei Großoptik-Segmente;

Fig. 3 die Ansicht eines Schnittes durch die Verbindung zweier Großoptik-Segmente aus Fig. 2.

In Fig. 1 ist das allgemeine Prinzip der Temperaturkompensation in einer Zeichnung dargestellt. Ist α₂ der lineare Ausdehnungskoeffizient und l₂ die bei der Rechnung zu berücksichtigende Länge des ersten Werkstoffes (1) und α₃ der lineare Ausdehnungskoeffizient und l₃ die bei der Rechnung zu berücksichtigende Länge des zweiten Werkstoffes (2), so muß die Differenz der Produkte α₂l₂ und a₃l₃ mit dem Produkt aus dem linearen Ausdehnungskoeffizienten α₁ und der bei der Rechnung zu berücksichtigenden Länge l₁ bei einer optimalen Temperaturkompensation übereinstimmen. Außerdem muß die Differenz der beiden Längen l₂ und l₃ des temperaturkompensierten Verbindungsankers der Länge l₁ entsprechen.

In Fig. 3 ist die Benutzung eines temperaturkompensierten keilförmigen Verbindungsankers (9) zu einer Verbindung von zwei Segmenten (7 und 8) zur Herstellung einer Großoptik (Spiegel) gezeigt. Bei diesem Anwendungsfall ist es wesentlich, daß die Naht (11) keinen Temperaturgang aufweist. Die Bearbeitung der Spiegeloberfläche erfolgt dabei nach dem festen Zusammenfügen der Segmente (7 und 8) des Spiegels.

Die Ausgleichselemente (10) befinden sich zu beiden Seiten des keilförmigen Zugankers (13). Findet nun eine entsprechende Kombination der beiden Werkstoffe von Zuganker (13) und Ausgleichselemente (10) bezüglich ihrer verwendeten Länge statt, so ergibt sich an der Naht (11) bei unterschiedlichen Temperaturen keine Veränderungen hinsichtlich der dort wirkenden Kräfte.

Fig. 2 stellt einen Schnitt durch die beiden Segmente (7, 8) des Spiegels dar. Der keilförmige Verbindungsanker (9) verbindet die beiden Segmente (7, 8) aus Zerodur. Der Zuganker (13) des Verbindungsankers (9) besteht aus Invar und stützt sich über keilförmige Aluminiumklötze, welche die Ausgleichselemente (10) beiderseits des Verbindungsankers (9) darstellen, ab. Bei der Prüfung, ob die Bedingungen für eine Temperaturkompensation erfüllt sind, sind folgende Größen einzusetzen.

α₁- linearer Ausdehnungskoeffizient des Materials der Spiegelsegmente (hier Zerodur) l₁- Abstand (16) zwischen der Naht (11) und der Verbindungsstelle von dem Segment (7) mit dem Verbindungsanker (9) α₂- linearer Ausdehnungskoeffizient des Zugankers (13) des Verbindungsankers (9) (hier Invar) l₂- Abstand (14) zwischen der Naht (11) und der Verbindungsstelle der beiden Werkstoffe des Verbindungsankers (9) α₃- lineare Ausdehnungskoeffizienten des Ausgleichsbelages (10) des Verbindungsankers (9) (hier Aluminium) l₃- Abstand (15) zwischen der Verbindungsstelle der beiden Werkstoffe des Verbindungsankers (9) und der Verbindungsstelle von dem Segment (7 oder 8) mit dem Verbindungsanker (9)

Im beschriebenen Beispiel sind

a₁∼0,1 · 10^{-6 1}/o _k
α₂∼2,4-2,8 · 10^{-6 1}/o _k
a₃∼20-26 · 10^{-6 1}/o _k
1. Bed. α₁ · l₁=α₂ · l₂-α₃ · l₃
2. Bed. l₁=l₂-l₃

Zu beachten ist, daß die oben angegebenen Zahlen nur angenähert gelten. Die wahre Längenausdehnungszahl α (linearer Ausdehnungskoeffizient) ist eine temperaturabhängige Stoffeigenschaft, und sie ändert sich nur in gewissen Bereichen annähernd linear mit der Temperatur. Daraus ergibt sich, daß gegebenenfalls der Ausgleichsbelag aus mehreren Schichten unterschiedlicher Stoffe mit unterschiedlicher Dicke aufgebaut sein muß, um in dem relevanten Temperaturbereich eine möglichst große Übereinstimmung mit den nichtlinearen Änderungen des Ausdehnungskoeffizienten des oder der zu verbindenden Werkstoffe zu erhalten.

Nachdem die einzelnen Segmente mit den jeweils zwei temperaturkompensierten keilförmigen Verbindungsankern (9) in ihrer Lage endgültig nach vorheriger Einschiebung eines Formschlusses in Form eines Zerodurzylinders (17) zur Verkeilung gebracht wurden, kann die Endbearbeitung des Spiegels erfolgen.

Claims

1. Vorrichtung zum Verbinden von Körpern, welche die aus den thermisch bedingten Spannungen resultierenden Zwangskräfte auf die verbundenen Körper minimiert, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander zu verbindenden Körper (7, 8) mindestens eine entlang der Verbindungsnaht (11) verlaufende Ausnehmung aufweisen, in welcher ein keilförmiger Zuganker (13) für eine Verbindung sorgt, wobei er sich über mindestens ein thermisches Ausgleichselement (10) so an die Körper (7, 8) abstützt, daß über einen vorgewählten Temperaturbereich die vom keilförmigen Zuganker (13) ausgeübte Kraft gleich bleibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien und die quer zur Verbindungsnaht (11) gemessenen Längen des Zugankers (13) mit mindestens einem Ausgleichselement (10) so gewählt sind, daß die zwischen den Abstützstellen des Zugankers gemessene Länge über den Temperaturbereich dem Abstand der zugeordneten Kontaktflächen der Körper entsprechen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Ausgleichselement (10) auf den Zuganker (13) fest zu einem Verbindungsanker (9) verbunden ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsbeläge (10) an beiden Seiten als Auflagefläche auf den zu verbindenden Körpern (7 und 8) vorhanden sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichskörper (10) auf dem keilförmigen Zuganker (13) des Verbindungsankers (9) aus mehreren Werkstoffen derart aufgebaut ist, daß eine Temperaturkompensation über einen weiten Temperaturbereich erfolgt.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichskörper (10) an den Kontaktflächen zu den zu verbindenden Körpern (7 und 8) aus einem Werkstoff mit kleiner Reibungszahl µ gefertigt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Verbindungsankers (9) mit der Länge der Naht (11) zwischen den zu verbindenden Körpern (7 und 8) übereinstimmend ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Demontage und wiederholte Montage des Verbindungsankers (9) zwischen den zu verbindenden Körpern (7 und 8) möglich ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander zu verbindenden Körper (7 und 8) Segmente eines Großspiegels sind.