DE4424649C2 - Positionsmeßeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionsmeßeinrichtung, bestehend aus zwei relativ zueinander verschiebbaren Teilen, mit einem an dem einen Teil angebrachten Maßstab großer Länge und mit einem an dem anderen Teil an­ gebrachten Ablesegerät.

Die angegebenen Teile sind z. B. das feststehende Bett und der hierzu längsverschiebbare Tisch eines Gerätes, z. B. einer Werkzeugmaschine oder Meßma­ schine mit großem Arbeitsbereich.

Bei auftretenden Temperaturänderungen erfahren der Maßstab, sowie deren Trägerteile auf Grund unter­ schiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten und/oder unterschiedlicher Massenverhältnisse relativ zuein­ ander unterschiedliche Längenänderungen, die sich dahingehend auswirken, daß der Maßstab verformt wird, so lange, bis die innere Spannungskraft des Maßstabes die Reibungskraft an den Verbindungs­ elementen überwindet und anschließend eine Ver­ schiebung des Maßstabes einsetzt.

Es ist bereits bekannt, zur Vermeidung von thermi­ schen Spannungen einen Maßstab auf seinem Träger mit Hilfe einer elastischen Klebeschicht zu befe­ stigen, wie dies in der DE 25 05 587 A1 beschrieben ist. Weiterhin ist vorgeschlagen worden, anstelle der durchgängigen elastischen Klebeschicht mehrere, durch Zwischenräume unterbrochene Gummistücke zu verwenden, auf die der Maßstab aufgespannt wird und die für einen Ausgleich der thermischen Spannung zwischen Maßstab und Fassung sorgen sollen. Auch bei dieser, z. B. in der DE 33 12 534 A1 beschrie­ benen Art der Befestigung verbleiben jedoch Rest­ kräfte in einer Größenordnung, die den Maßstab in einem nicht tolerierbaren Ausmaß verformen. Nach­ teilig ist hier vor allem, daß der Maßstab auch nach einem Temperaturausgleich nicht wieder repro­ duzierbar in seine Ausgangslage zurückkehrt, son­ dern auf Grund von Reibungskräften eine undefinier­ te neue Lage einnimmt. Als Folge von länger an­ dauernden Zwangskräften sind auch Verformungen be­ obachtet worden, die sich als Fließen des Maßstab­ materials deuten lassen. All dies kann zu Meßfeh­ lern bei der Positionsmessung in Längsrichtung des Maßstabes führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Positionsmeßeinrichtung zu schaffen, bei der die negativen Auswirkungen thermischer Spannungen re­ duziert bzw. eliminiert sind.

Diese Aufgabe wird durch eine Positionsmeßeinrich­ tung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen darin, daß durch das Luftpolster die Reibung zwischen der Unterseite des Maßstabes und der Ober­ fläche des Maschinen-Bettes aufgehoben wird und dadurch Längenänderungen durch thermische Span­ nungen vermieden werden.

Mit Hilfe der Zeichnungen soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles noch näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 einen Maßstab;

Fig. 2 ein endseitiges Befestigungs­ stück;

Fig. 3 eine Seitenansicht des Be­ festigungsstückes und

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV/IV.

In Fig. 1 ist ein Maßstab 1 dargestellt, der auf einem Bett 2 einer nicht näher gezeigten Maschine angeordnet ist, und der eine Meßteilung 3 trägt. Da der Maßstab 1 über eine große Meßlänge von mehreren Metern verfügt, müssen für seine Befestigung am Bett 2 besondere Maßnahmen getroffen werden.

In etwa der Mitte des Maßstabes 1 ist ein Fi­ xierungselement 4 vorhanden, mit dem der Maßstab 1 fest auf dem Bett 2 der Maschine verbunden ist. Die Fixierung kann dabei mit Spannpratzen 5 und Schrau­ ben 6 erfolgen oder durch andere Mittel, die ein geeignetes Fixierelement 4 bilden.

Dieser Befestigungspunkt am Bett 2 der Maschine legt die Lagebeziehung zwischen Maßstab und Bett ein für allemal fest. Auch bei Temperaturverän­ derungen bleibt dieser Fixpunkt erhalten.

Ausgehend von diesem Fixpunkt in der Mitte des Maß­ stabes 1 liegen seine Teilstücke links und rechts frei auf dem Bett 2 auf. Bei Temperaturgang ver­ schieben sie sich in Meßrichtung X, also in Rich­ tung der Längserstreckung des Maßstabes 1. Das Bett 2 der Maschine unterliegt bei Temperaturgang eben­ falls thermisch bedingten Abmessungsänderungen.

Da der Maßstab 1 aus Stahl, das Bett 2 jedoch aus Granit besteht, treten aufgrund der unterschied­ lichen Temperaturkoeffizienten unterschiedliche Abmessungsänderungen auf. Bei Maschinen großer Meß­ längen zeigt sich, daß nach einer Temperaturab­ weichung von mehr als 0,3 K, gemessen auf der Ma­ schinenoberfläche, die mit einem Laserinterferome­ ter kalibrierte Länge bis zu 1,5 µm/m abweicht. Bedingt durch die Reibung zwischen Maßstab 1 und Bett 2 geht der Maßstab 1 auch nach Erreichen der Solltemperatur nicht mehr auf die ursprüngliche Länge zurück. Durch sogenanntes Abklopfen des Maß­ stabes 1 kann zwar eine Annäherung an die ursprüng­ liche Gesamtlänge erreicht werden, der innere Ver­ lauf der Abweichung ist jedoch nicht mehr mit dem kalibrierten Verlauf identisch. Diese Messungen bestätigen die eingangs gemachten Aussagen.

Um die Abmessungsänderungen besser unter Kontrolle zu haben, sind an den Enden des Maßstabes 1 beson­ dere Befestigungselemente 7 vorgesehen.

Diese Befestigungselemente 7 ermöglichen dem Maß­ stab 1 freie Bewegungen in Meßrichtung X, verhin­ dern aber Bewegungen quer zur Meßrichtung X, was nämlich sogenannte Säbelfehler zur Folge hätte. Da der Maßstab 1 ja in seiner Mitte am Bett 2 fixiert ist, würden Bewegungen quer zur Meßrichtung X zu Verbiegungen von diesem Fixpunkt aus erfolgen, der Maßstab 1 würde "Säbel-förmig".

Um dies zu verhindern, enthalten die endseitigen Befestigungselemente 7 zylindrische Stäbe 8, die Querschnittsverringerungen 9 aufweisen.

Die zylindrischen Stäbe 8 sind so mit dem Maßstab 1 und den Befestigungselementen 7 verbunden, daß eine Längsdehnung des Maßstabes 1 durch die Quer­ schnittsverringerungen 9 möglich ist, daß jedoch Querbewegungen des Maßstabes 1 zuverlässig verhin­ dert werden. Derartige Maßnahmen werden als quer­ kraftfreie Aufhängung bezeichnet.

Ferner weisen die Befestigungselemente 7 ein Gelenk 10 auf, welches über Federn 11 den Maßstab 1 ein­ seitig mit definierter Kraft auf das Bett 2 drückt, ohne dessen Längsverschieblichkeit gegenüber dem Bett 2 zu beeinträchtigen. Das Gelenk 10 kann als Doppelkegel-Stift ausgebildet sein, welcher in sich gegenüber liegenden Bohrungen gehalten ist; aber auch andere federbelastete Gelenke sind realisier­ bar, z. B. ein Kugellager.

Damit die temperaturbedingten Abmessungsänderungen jedoch eliminiert oder zumindest auf ein vertretbares Maß reduziert werden, sind an der Unterseite des Maßstabes 1 in Längsrichtung Kanäle 12 eingearbeitet.

In diese Kanäle 12 wird von einer nicht dargestell­ ten Druckluftquelle Preßluft eingespeist. Die Preß­ luft kann temperiert sein. Die Preßluft kann per­ manent oder sporadisch nach einer temperaturbeding­ ten Störung in die Kanäle 12 eingespeist werden.

Durch die Fixierung in der Maßstabmitte bildet sich ein keilförmiges Luftpolster, welches von der Mitte des Maßstabes 1 her, bis zu seinen Enden auf maxi­ mal 10 µm ansteigt.

Diese Verbiegung senkrecht zur Oberfläche des Bet­ tes 2 ist meßtechnisch zu vertreten, da ein dadurch entstehender etwaiger Fehler keinesfalls die Meß­ genauigkeit so beeinflußt, wie die vorbeschriebenen Längenänderungen, die nach Temperaturschwankungen aufgrund der Reibung zwischen der Unterseite des Maßstabes 1 und der Oberseite des Bettes 2 auf­ treten würden.

Durch das Luftpolster und die da­ mit zusammenhängenden Maßnahmen wird die Reibung zwischen den Kontaktflächen des Maßstabes 1 und des Bettes 2 praktisch aufgehoben, so daß temperatur- und dadurch reibungsbedingte Abmessungsänderungen eliminiert werden.

Die Kanäle 12 können durch eine Anzahl von Bohrun­ gen ersetzt werden. Selbstverständlich können Ka­ näle 12 oder Bohrungen auch im Bett 2 der Maschine angeordnet sein. Aus diesen und anderen Varianten wird der Fachmann nach Art des Anwendungsfalles die geeignete Variante auswählen.

Selbstverständlich kann anstelle von Luft jedes andere geeignete Fluid eingespeist werden. Die Ein­ speisung kann an beliebiger Stelle durch Leitungen 13 erfolgen.

Claims (7)

1. Positionsmeßeinrichtung mit einem Maßstab (1) und einer Abtasteinrichtung (A) zum Ablesen des Maßstabes (1), bei der der Maßstab (1) am Bett (2) einer Maschine flächig aufliegt und die Ab­ tasteinrichtung (A) am dazu längsverschieblichen Tisch (T) der Maschine angeordnet ist, bei der der Maßstab (1) etwa auf halber Länge am Bett (2) der Maschine fixiert ist, wobei diese beiden Elemente (1, 2) aus Werkstoffen mit unterschied­ lichen Temperaturkoeffizienten bestehen, und bei der die Enden des Maßstabes (1) quer zur Meß­ richtung (X) am Bett (2) fixiert, jedoch in Meß­ richtung (X) beweglich gehaltert sind, und bei der im Auflagebereich von Maßstab (1) und Bett (2) der Maschine Öffnungen (12) vorhanden sind, durch die tragendes Fluid zwischen Maßstab (1) und Bett (2) einbringbar ist.

2. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Unterseite des Maß­ stabes (1), von den Enden ausgehend, Kanäle (12) eingearbeitet sind.

3. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Unterseite des Maß­ stabes (1) Bohrungen eingearbeitet sind.

4. Positionsmeßeinrichtungen nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen Bett (2) und Maßstab (1) das tragende Fluid permanent oder spo­ radisch eingebracht wird.

5. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das tragende Fluid tempe­ riert ist.

6. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das tragende Fluid Luft oder ein anderes Gas ist.

7. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das tragende Fluid eine Flüssigkeit ist.