DE9309310U1 - Position measuring device - Google Patents
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Description
DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 15. Juni 1993DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 15 June 1993
LagemeßeinrichtungPosition measuring device
Die Erfindung betrifft eine Lagemeßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a position measuring device according to the preamble of claim 1.
Bei derartigen Meßeinrichtungen wird eine Relativbewegung - z.B. zweier Maschinen-Bauteile - gemessen. Die Maschinenbauteile können durch Maschinenbett und Maschinenschlitten gebildet werden. Zum Schütze der im allgemeinen sehr genauen Meßeinrichtung ist der Maßstab in einem Hohlprofil eingebettet und die Abtasteinheit ist ebenfalls innerhalb des Hohlprofiles angeordnet.With such measuring devices, a relative movement - e.g. of two machine components - is measured. The machine components can be formed by a machine bed and a machine slide. To protect the generally very precise measuring device, the scale is embedded in a hollow profile and the scanning unit is also arranged within the hollow profile.
Bei Vorrichtungen dieser Genauigkeitsklasse ist die Auswahl der verschiedenen Materialien von großer Bedeutung, da Werkstoffe mit unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten kombiniert werden müssen. Aus den verschiedensten Gründen können nur in denFor devices of this accuracy class, the selection of the different materials is of great importance, since materials with different expansion coefficients must be combined. For a variety of reasons, only in the
seltensten Fällen Werkstoffe gleicher oder ähnlicher Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden.
Am häufigsten kombiniert man Grauguß (Maschinenteile), Aluminium (Hohlprofile) und Stahl oder Glas
für den Maßstab, wenn Werkstücke aus Stahl bearbeitet werden sollen, da deren Ausdehnungskoeffizienten
annähernd gleich hoch sind (EP 0 118 607 Bl).In very rare cases, materials with the same or similar expansion coefficients are used.
Most frequently, grey cast iron (machine parts), aluminium (hollow profiles) and steel or glass are combined for the scale when steel workpieces are to be machined, since their expansion coefficients are approximately the same (EP 0 118 607 Bl).
Aus dieser Druckschrift und aus der EP 0 202 630 ist auch die gegensätzliche Alternative bekannt, nämlich den Maßstab aus einem Material herzustellen, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient möglichst nahe Null ist. Dort sind auch geeignete Materialien angegeben.The opposite alternative is also known from this publication and from EP 0 202 630, namely to manufacture the scale from a material whose thermal expansion coefficient is as close as possible to zero. Suitable materials are also specified there.
Es ist ferner bekannt, Maßstab und Grundkörper längsverschieblich, z.B. über eine hochelastische Zwischenschicht, zu verbinden, Längenänderungen durch Verbiegung des Grundkörpers bleiben damit ohne Einfluß auf den Maßstab (DE-PS 11 76 382). Des weiteren ist aus der US-PS 3,816,002 eine Meßeinrichtung bekannt, deren Gehäuse an dem Schlitten einer Werkzeugmaschine befestigt ist. Der Maßstab wird innerhalb des Gehäuses an einem Ende fixiert, während das andere Ende des Maßstabes in einer Art Spannvorrichtung innerhalb des Gehäuses gelagert ist. Mit dieser Spannvorrichtung werden über eine Feder die temperaturabhängigen Längenänderungen des Gehäuses kompensiert. Der Maßstab bleibt durch diese Anordnung von den temperaturbedingten Längenänderungen des Gehäuses unbeeinflußt, es verändert sich jedoch seine Länge dabei entsprechend seinem eigenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Das kann zu Meßfehlern führen. Dieses Verfahren istIt is also known to connect the scale and base body so that they can be moved longitudinally, e.g. via a highly elastic intermediate layer, so that changes in length due to bending of the base body have no effect on the scale (DE-PS 11 76 382). Furthermore, a measuring device is known from US-PS 3,816,002, the housing of which is attached to the slide of a machine tool. The scale is fixed at one end within the housing, while the other end of the scale is mounted in a type of clamping device within the housing. This clamping device compensates for the temperature-dependent changes in the length of the housing via a spring. The scale remains unaffected by the temperature-related changes in the length of the housing due to this arrangement, but its length changes according to its own thermal expansion coefficient. This can lead to measurement errors. This method is
daher nur bedingt anwendbar, wenn die durch Temperaturgang bedingten Fehler berücksichtigt werden.therefore only partially applicable if the errors caused by temperature variation are taken into account.
Zur Erfassung dieser Einflußgrößen müssen Fehlerkompensationsrechnungen durchgeführt werden.To capture these influencing factors, error compensation calculations must be carried out.
Aufgabe der Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und eine Lagemeßeinrichtung zu schaffen, bei der thermische Störeinflüsse verhindert, und temperaturbedingte Korrekturrechnungen weitestgehend entfallen können.The object of the invention is to avoid the aforementioned disadvantages and to create a position measuring device in which thermal interference is prevented and temperature-related correction calculations can be largely eliminated.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the features of claim 1.
Bei der Lagemeßeinrichtung ist es von erheblichem Vorteil, daß der Maßstab seine Länge im thermischen Arbeitsbereich zusammen mit dem bearbeiteten Werkstoff in gleicher Weise ändert.In the position measuring device, it is a considerable advantage that the scale changes its length in the thermal working range together with the material being processed.
Anhand der Zeichnungen soll an Beispielen die Erfindung noch näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail using examples and drawings.
Es zeigen
25Show it
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Figur 1 eine Längenmeßeinrichtung, teilweise geschnitten,Figure 1 shows a length measuring device, partially sectioned,
Figur 2 die Draufsicht auf eine Längenmeßeinrichtung gemäß Figur 1,Figure 2 shows a top view of a length measuring device according to Figure 1,
Figur 3 eine Variante einer Meßeinrichtung undFigure 3 shows a variant of a measuring device and
Figur 4 einen Ausschnitt einer Meßeinrichtung gemäß Figur 3.Figure 4 shows a section of a measuring device according to Figure 3.
Die in Figur 1 gezeigte Meßeinrichtung ist eine sogenannte offene Längenmeßeinrichtung, deren Teilungsträgerkörper 2 an einem Maschinen-Bauteil 6 befestigt ist. In einer nicht näher bezeichneten Längsnut des Teilungsträgerkörpers 2 ist ein Teilungsträger 1 in Form eines flexiblen Maßbandes eingeschoben. An einem seiner Endpunkte ist der Teilungsträger 1 mit einer Klemmeinrichtung 3 über seinen Teilungsträgerkörper 2 an dem Maschinen-Bauteil 6 fixiert. Am anderen Ende des Teilungsträgers 1 greift eine Spanneinrichtung 3a an, mit deren Hilfe der flexible Teilungsträger 1 mit einer genau berechneten Spannkraft gehalten wird. Die Spanneinrichtung 3a ist mit Schrauben am Maschinen-Bauteil 6 angebracht. Eine Abtasteinrichtung 8 ist an einem weiteren Maschinen-Bauteil 6a befestigt, und tastet bei Relativbewegungen zwischen den Bauteilen 6 und 6a den Teilungsträger 1 ab.The measuring device shown in Figure 1 is a so-called open length measuring device, the graduation carrier body 2 of which is attached to a machine component 6. A graduation carrier 1 in the form of a flexible measuring tape is inserted into a longitudinal groove of the graduation carrier body 2 (not specified in more detail). At one of its end points, the graduation carrier 1 is fixed to the machine component 6 via its graduation carrier body 2 with a clamping device 3. A clamping device 3a engages the other end of the graduation carrier 1, with the help of which the flexible graduation carrier 1 is held with a precisely calculated clamping force. The clamping device 3a is attached to the machine component 6 with screws. A scanning device 8 is attached to another machine component 6a and scans the graduation carrier 1 during relative movements between the components 6 and 6a.
Der bandförmige Teilungsträger 1 besteht aus einer speziellen Legierung, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten etwa zwischen 2,5*10~6&Kgr;~&khgr; und 3,5*10"6K~i aufweist. Der thermische Ausdehnungskoeffizient eines derartigen Teilungsträgers 1 ist so gewählt, daß die temperaturbedingte Ausdehnung eines solchen Teilungsträgers 1 praktisch genau dem des zubearbeitenden Werkstoffes entspricht. Bei thermisch bedingten Längenänderungen des Werkstoffes ändert sich daher die Länge des Teilungsträgers 1 in gleicher Weise und die Spanneinrichtung 3a fängt die Längenänderung des Maschinen-Bauteiles 6 demgegenüber auf. Die Spanneinrichtung 3aThe band-shaped graduation carrier 1 consists of a special alloy which has a thermal expansion coefficient of approximately between 2.5*10~ 6 &Kgr;~ &khgr; and 3.5*10" 6 K~ i . The thermal expansion coefficient of such a graduation carrier 1 is selected so that the temperature-related expansion of such a graduation carrier 1 corresponds practically exactly to that of the material to be processed. In the event of thermally induced changes in the length of the material, the length of the graduation carrier 1 therefore changes in the same way and the clamping device 3a absorbs the change in length of the machine component 6. The clamping device 3a
ist so dimensioniert, daß die dabei am Teilungsträger 1 auftretenden Spannkräfte nicht zu einer unzulässigen Dehnung führen. Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, daß für die Messungen während des Betriebes der Maschine, an der die erfindungsgemäße Meßeinrichtung angebaut ist, immer eine ausreichend genaue Meßbasis vorhanden ist.is dimensioned in such a way that the clamping forces occurring on the graduation carrier 1 do not lead to an inadmissible expansion. This measure ensures that a sufficiently accurate measuring basis is always available for the measurements during operation of the machine to which the measuring device according to the invention is attached.
Figur 2 zeigt die vorbeschriebene offene Längenmeßeinrichtung in der Draufsicht, so daß Einzelheiten wie Teilungsträger 1, Teilungsträgerkörper 2, Klemmeinrichtung 3 und die Spanneinrichtung 3a erkannt werden können.Figure 2 shows the previously described open length measuring device in plan view, so that details such as graduation carrier 1, graduation carrier body 2, clamping device 3 and the tensioning device 3a can be recognized.
Die in Figur 3 dargestellte Variante einer Lagemeßeinrichtung zeigt einen Teilungsträger 1 aus Glas, Keramik oder einem anderen Werkstoff, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient ebenfalls in dem vorgenannten Bereich liegt. Im Handel ist ein derartiger Werkstoff unter der Bezeichnung Pyrex zu beziehen, welche ein Warenzeichen der Firma Corning Incorporated, Corning, NY 14831 ist. Die Befestigung des Teilungsträgers 1 erfolgt hier mittels eines hochelastischen Klebers 4 im Inneren eines verwindungssteifen Gehäuses 2, welches hier den Teilungsträgerkörper darstellt. Bei gleichmäßiger Temperaturänderung über die gesamte Maßstablänge hat diese Befestigungsart die gleichen Eigenschaften, als wäre der Teilungsträger 1 an einem Punkt in der Mitte fest mit dem Gehäuse 2 verbunden. Das Gehäuse 2 (Teilungsträgerkörper) kann sich gleichmäßig von der Mitte aus in Meßrichtung ausdehnen, so daß es im Teilungsträger 1 nur zu vernachlässigbaren Spannungen kommt, die seine Länge nur unwesentlich verändern.The variant of a position measuring device shown in Figure 3 shows a graduation carrier 1 made of glass, ceramic or another material whose thermal expansion coefficient is also in the above-mentioned range. Such a material is commercially available under the name Pyrex, which is a trademark of Corning Incorporated, Corning, NY 14831. The graduation carrier 1 is attached here using a highly elastic adhesive 4 inside a torsion-resistant housing 2, which here represents the graduation carrier body. With a uniform temperature change over the entire length of the scale, this type of attachment has the same properties as if the graduation carrier 1 were firmly connected to the housing 2 at a point in the middle. The housing 2 (graduation carrier body) can expand evenly from the center in the measuring direction, so that only negligible stresses occur in the graduation carrier 1, which only change its length insignificantly.
Die Befestigung des Gehäuses 2 an einem der Maschinen-Bauteile 6, deren Relativbewegung gemessen werden soll, erfolgt über Spannpratzen 5.The housing 2 is attached to one of the machine components 6 whose relative movement is to be measured using clamps 5.
In Figur 4 ist eine weitere Variante einer Meßeinrichtung gezeigt. Hier ist der Teilungsträger 1 an einem seiner Enden mit einer Klemmeinrichtung 3 fest auf das Gehäuse 2 aufgespannt. Von dieser Einspannstelle aus ist der Teilungsträger 1 nur mit Hilfe einer hochelastischen Klebeschicht 4 am Gehäuse 2 abgestützt, so daß sich das Gehäuse 2 ungehindert bei Temperaturgang ausdehnen oder zusammenziehen kann. Das Gehäuse 2 wird wiederum durch Spannpratzen 5 am zugehörigen Maschinen-Bauteil 6 fest verankert. Durch eine gezielte Wahl der Lage der Befestigungspunkte A und B des Teilungsträgers 1 am Gehäuse 2 und des Gehäuses 2 am Maschinen-Bauteil 6 kann unter Berücksichtigung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuses 2 und des Maschinen-Bauteiles 6 auch eine gewisse Temperaturkompensation bei thermisch bedingten Längenänderungen der Maschinen-Bauteile erzielt werden.Figure 4 shows another variant of a measuring device. Here, the graduation carrier 1 is clamped firmly onto the housing 2 at one of its ends using a clamping device 3. From this clamping point, the graduation carrier 1 is only supported on the housing 2 using a highly elastic adhesive layer 4, so that the housing 2 can expand or contract unhindered with temperature changes. The housing 2 is in turn firmly anchored to the associated machine component 6 using clamping claws 5. By carefully selecting the position of the fastening points A and B of the graduation carrier 1 on the housing 2 and of the housing 2 on the machine component 6, a certain temperature compensation can also be achieved in the event of thermally induced changes in the length of the machine components, taking into account the thermal expansion coefficients of the housing 2 and the machine component 6.
In geeigneter Weise kann der Teilungsträger 1 selbst als Maßstab ausgebildet sein - muß also kein Verbundelement aus Teilungsträger und Teilungsträgerkörper sein. In diesem Fall kann der Maßstab 1 aus demselben Material bestehen, welches bearbeitet werden soll. Hier bietet sich für Maschinen, mit denen einkristallines Silizium bearbeitet wird also ein Maßstab 1 aus einkristallinem Silizium an. Bei Temperaturänderungen ändert sich dann der Maßstab in gleicher Weise wie das Silizium.In a suitable manner, the graduation carrier 1 itself can be designed as a scale - it does not have to be a composite element made up of the graduation carrier and the graduation carrier body. In this case, the scale 1 can be made of the same material that is to be processed. For machines that process monocrystalline silicon, a scale 1 made of monocrystalline silicon is therefore suitable. When the temperature changes, the scale then changes in the same way as the silicon.
Claims (6)
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| DE (1) | DE9309310U1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0736750A2 (en) * | 1995-04-06 | 1996-10-09 | Dr. Johannes Heidenhain GmbH | Position measuring device |
| DE10244636B4 (en) * | 2001-09-27 | 2009-04-02 | Mitutoyo Corp., Kawasaki | Linear displacement measuring device |
-
1993
- 1993-06-23 DE DE9309310U patent/DE9309310U1/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0736750A2 (en) * | 1995-04-06 | 1996-10-09 | Dr. Johannes Heidenhain GmbH | Position measuring device |
| EP0736750A3 (en) * | 1995-04-06 | 1998-07-01 | Dr. Johannes Heidenhain GmbH | Position measuring device |
| DE10244636B4 (en) * | 2001-09-27 | 2009-04-02 | Mitutoyo Corp., Kawasaki | Linear displacement measuring device |
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