WO2005033621A1 - Führungskörper mit einer massverkörperung - Google Patents

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WO2005033621A1
WO2005033621A1 PCT/CH2004/000612 CH2004000612W WO2005033621A1 WO 2005033621 A1 WO2005033621 A1 WO 2005033621A1 CH 2004000612 W CH2004000612 W CH 2004000612W WO 2005033621 A1 WO2005033621 A1 WO 2005033621A1
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WO
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guide body
thermal energy
guide
material measure
partial areas
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PCT/CH2004/000612
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English (en)
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Hans-Martin Schneeberger
Lutz Ramonat
Hans Egger
Beat Neuenschwander
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Schneeberger Holding Ag
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Publication date
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    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26

Definitions

  • the invention relates to a guide body of a linear motion guide which has two guide bodies which are movable relative to one another along a guide axis and are guided to one another by means of rolling bodies and is provided with a measuring system with which measurements of the size of the body are made using a measuring standard attached to one of the guide bodies Relative movements can be determined, the material measure being generated directly on the guide body by thermal energy. Furthermore, the invention relates to such a material measure.
  • Rolling bearing linear guides are used in many areas of technology in which one component is to be moved in a straight line relative to another component and as far as possible without any friction losses.
  • Machine tools are an example of this.
  • Such guides have as a guide body a carriage or carriage which is guided on a rail via rolling bodies such as balls, rollers or needles.
  • the rolling elements circulate in self-contained rolling element revolutions of the carriage.
  • the guide bodies usually have a support area in which the rolling bodies rest on a support surface of the carriage and on the rail and thereby carry the load to be moved.
  • the rolling elements reach a first deflection channel from the supporting zone, in which the rolling elements are transferred from the supporting zone to the return channel.
  • the rolling elements After passing through the return channel, the rolling elements reach NEN second deflection channel again the supporting zone.
  • the rolling elements are not arranged in circulation but exclusively in one or more rows that run parallel to the longitudinal motion axis.
  • this description is only intended to be illustrative.
  • the use of the invention described below is of course not only possible for rotating roller bearing linear guides, but for all types of linear guides and also for other applications without having to change the invention.
  • linear motion guides are used for the highly precise linear movement of, for example, workpieces and / or tools, for example in machine tools or in any handling systems.
  • measuring systems are generally used.
  • a large number of measurement methods have already become known for this.
  • a first example of this are magnetic measuring methods with alternately applied to a carrier
  • the material measure in particular in the case of optical measuring methods, it is customary to provide the material measure as a separate component next to the rail of the linear motion guide or as an insert in the rail. In addition to high manufacturing and assembly costs, this also has the disadvantage of an increased risk of measurement inaccuracies. These can occur, for example, when the material measure shifts relative to the rail or due to different heat coefficients. cients and / or thermal loads of different degrees of thermal expansion take place.
  • DE 196 08 937 A1 proposes a method for producing a marking carrier for a length measuring device in which a laser partially melts the surface of the marking carrier with high-energy radiation and pulses of approximately 20 ns or less.
  • a disadvantage of this method is the requirement for a highly reflective surface to be generated before laser processing, which the laser melts and against which it creates less highly reflective surface structures. In order to create such highly reflective surfaces, it is necessary to polish the entire top of the rail with great technical effort before creating the material measure.
  • High-gloss polishing processes, as are proposed in DE 196 08 937 AI, are multi-stage and therefore time-consuming and expensive.
  • the invention is therefore based on the object of providing a measuring system which can be produced directly on one of the guide bodies with as little manufacturing effort as possible and nevertheless offers the possibility of highly precise measurements.
  • the material measure should be able to be produced on a surface, in particular on a surface that still has milling and / or grinding traces, with pre-polishing quite conceivable, but high polishing is not necessary.
  • the object is achieved according to the invention in the case of a linear motion control of the type mentioned at the outset in that the material measure is applied to a non-end-polished surface of the guide body by means of thermal energy.
  • the material measure is thus applied to a surface of the guide body provided with grinding and / or milling machining grooves.
  • lasers can be used for the processing, which have a pulse duration longer than 1 ns, in particular pulse durations of greater than or equal to 10 ns.
  • a lower limit of the pulse duration is given by the amount of energy required. Examples of this are, in particular, diode-pumped Nd: YAG lasers with a wavelength of 1064 nm, at most frequency-doubled or otherwise frequency-shifted.
  • diode-pumped Ti sapphire lasers with a wavelength of approx. 800 nm, possibly again frequency-doubled or otherwise frequency-shifted, or other, equivalent lasers can be used.
  • material of the guide body can be removed superficially with a laser in order to thereby produce partial or surface areas of the material measure of the optical measuring system.
  • these treated areas serve as low or non-reflective areas of an incremental material measure and appear in the measurement as dark areas. When exposed to light, they therefore have a measurable contrast to non-laser-treated surface areas of the material measure.
  • ns lasers can be used for this processing, which generate laser pulses in a range from approximately 5 ns to approximately 30 ns.
  • the main advantages of this type of laser are its high pulse energy and its low complexity, which is reflected in a higher operational reliability.
  • the risk of plasma formation of the heated material is less with nanosecond lasers than with lasers with even shorter pulse durations. Plasma formation could impair material removal.
  • each type can be used to create a sub-area of the dimensional standard that is deeper than non-laser-machined surface sections.
  • so-called ps or fs lasers can also be used to generate recessed partial areas, fs standing for femtoseconds and ps standing for picoseconds.
  • ps or fs lasers can also be used to generate recessed partial areas, fs standing for femtoseconds and ps standing for picoseconds.
  • post-treatment is preferably carried out only on the non-laser-processed sub-areas in order to increase their reflection properties and thus to increase the contrast to the laser-treated sub-areas.
  • This aftertreatment can be incomplete polishing or mechanical smoothing, for example smooth rolling, these partial areas or another method for reducing the surface roughness. In any case, however, this is significantly less complex than high-gloss polishing according to the prior art according to DE 196 08 937 AI.
  • the surface provided for the material measure is not polished or at most only slightly polished before the laser processing that the milling and / or grinding grooves in the surface structure are at least partially preserved can stay.
  • This allows process steps to increase the reflectivity to those in the Dimensional embodiment can also be restricted to highly reflective sections.
  • evaporation precipitation and / or melt spatter and, on the other hand, grinding grooves can be removed or reduced together - and not as required in DE 196 08 937 AI with separate process steps.
  • one or more lasers to produce both directed-reflective (reflecting) and diffuse-reflecting partial areas of an incremental measuring standard in the guide body, in particular t directly in a rail of a linear movement guide , If only one laser is used for this purpose, the most exact possible control of a variable laser intensity is expedient, with diode-pumped solid-state lasers being particularly suitable.
  • the laser radiation can be frequency multiplied or otherwise frequency converted.
  • the method is not limited to the use of lasers. Rather, other radiation sources can also be used for the heat treatment. Further details, features and advantages of the subject matter of the invention result from the following description of the associated drawings, in which - as an example - an apparatus and an associated process sequence for the present invention are explained.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of the laser treatment for applying a material measure according to the present invention
  • FIG. 2 shows a typical arrangement of a laser treatment device for applying a material measure according to the present invention
  • FIG. 3 shows an intensity profile for simultaneous production of depressions and melted, smoothed partial areas according to an alternative embodiment of the invention.
  • Linear motion guides on which a material measure is attached, are provided, for example, in machine tools for the linear movement of machine components and typically have a profiled guide rail 2 (FIG. 1) and a carriage which is longitudinally movable along the guide axis and is approximately U-shaped in cross section on.
  • the guide rail 2 is provided on each of its two side surfaces with a support surface 3, on which the carriage is supported via rolling elements and is longitudinally displaceable.
  • the carriage is longitudinally displaceable via balls.
  • one or several incremental measuring tracks 6 are provided on an upper side 4 of the rail.
  • one measurement track is assumed below that runs parallel to the guide axis. This has alternatingly uniformly reflecting first partial areas and diffusely reflecting and thus dark partial areas.
  • the reading head which has a light source for the targeted illumination of the material measure and a sensor for detecting the reflected light.
  • Such optical measuring systems are known per se.
  • a system such as that shown in FIGS. 1 and 2 can be used to generate such a measurement.
  • This is provided with a laser 8, the radiation of which is directed via several deflecting mirrors 9, 11 and a cylindrical lens 12 onto an upper side of a guide rail 2.
  • the focal line of the lens 12 is located on the top of the rail 2.
  • the rail 2 is fastened on a driven linear table 13, so that the rail 2 can be passed under the cylindrical lens 12 along its entire length. This makes it possible to provide the incremental measuring track 6 over the entire length of the rail 2.
  • short-pulse lasers can be provided.
  • energy intensities can be generated which clearly exceed a threshold intensity of the respective rail material for material removal. Due to the high intensity of the radiation, rapid melting of the material and a discharge of the molten material due to the high amount of energy result in deepened second surface areas be created. At even higher intensities, the material can be superficially converted into a vapor phase and discharged in this way. This also creates depressions in the second surface areas, which allow incident light to be reflected only diffusely. The laser-processed surface areas appear in the sensor's measurement signal as dark areas with a greatly reduced signal amplitude.
  • post-processing of partial areas will also be provided.
  • the surface roughness of partial areas is reduced in order to increase the reflection properties by using simple polishing processes - in the simplest case, the abrasion of only superficial deposits, etc. - or by mechanical smoothing, such as rolling.
  • Less preferred, but also conceivable, is to use one of the processing methods prior to laser processing instead of post-processing, but without the complex process of producing a highly polished surface.
  • both the directional-reflective (reflective) and the diffuse-reflective partial areas of the material measure are produced by laser processing.
  • these can each have a length of approximately 20-40 ⁇ m in the direction of the guide axis.
  • This is done particularly advantageously by an adapted distribution of the intensity of the laser radiation over the surface of at least two partial regions 6 ′ and 6 ′′.
  • the intensity of the pulsed laser 8 over the surface of a dark partial region is particularly high, namely clearly above the threshold intensity 20 for material removal.
  • adjacent area which is intended as a highly reflective (light) sub-area, the intensity drops.
  • this subrange lies at values which lie above a threshold intensity 21 for the melting of the material and below the threshold intensity 20 for material removal.
  • a light partial area is thus generated, which lies between an already existing dark partial area and a dark partial area created with this laser machining process.
  • the rail After the laser 8 has acted in this way over a predetermined time in a range, for example from 1 to 10 ns, the rail is displaced along the guide axis by a full division (consisting of two partial ranges). 3 it is shifted to the right. To generate the further sub-areas of the measuring track 6, this laser machining cycle is repeated with a frequency that corresponds to the number of divisions.
  • a method for producing a rail 2 for a linear motion guide is described again, which is provided with a material embodiment of a length measuring system, the rail being profiled in cross section, the cross sectional shape of the rail using a grinding method and / or milling processing method is generated, the rail is provided with an incremental or absolute material measure on one of its surfaces and a processing step is provided with which a material measure is produced by laser processing on the rail, which is characterized by a laser machining process which is carried out on a grinding wheel - or milling machining grooves provided surface of the rail.
  • This method can be characterized by laser processing, with which partial areas of the material measure 6 are formed by local surface melting of the rail 2. be fathered.
  • one of the methods described above can be characterized by the use of ps, fs or ns lasers 8 and / or by a distribution of the intensity of an instantaneous laser radiation which has an intensity over a length of a first surface area which is above a threshold intensity 20 of the rail material for material removal and, at the same time or in a timely manner over a length that follows in the direction of the guide axis, has an intensity that lies between the threshold intensity 20 for material removal and a threshold intensity 21 of the rail material for melting the material and / or due to a surface smoothing Processing method on the surfaces of the rail 2 provided as reflecting partial areas.

Abstract

Um bei einer Linearbewegungsführung, die zwei entlang einer Führungsachse relativ zueinander bewegliche und mittels Wälzkörper aneinander geführte Führungskörper (2) aufweist und mit einem Messsystem versehen ist, mit dem unter Verwendung einer an einem der Führungskörper angebrachten Massverkörperung (6) Messungen über die Grösse der Relativbewegungen bestimmbar sind, auf ein Polieren, zumindest aber ein Hochglanzpolieren verzichten zu können, wird vorgeschlagen, Teilbereiche der mit Schleif- und/oder Fräsbearbeitungsrillen versehenen Oberfläche des Führungskörpers mit Wärmeenergie zu beaufschlagen, wobei die mit Wärmeenergie beaufschlagten Teilbereiche des Führungskörpers (2) diffus-reflektive Oberflächeneigenschaften aufweisen, während die nicht mit Wärmeenergie beaufschlagten Teilbereiche im Vergleich dazu gerichtet-reflektive Eigenschaften aufweisen.

Description

FUHRUNGSKORPER MIT EINER MASSVERKORPERUNG
Die Erfindung betrifft einen Führungskörper einer Linearbe- wegungsführung, die zwei entlang einer Führungsachse relativ zueinander bewegliche und mittels Wälzkörper aneinander geführte Führungskörper aufweist und mit einem Messsystem versehen ist, mit dem unter Verwendung einer an einem der Füh- rungskorper angebrachten Massverkörperung Messungen über die Grosse der Relativbewegungen bestimmbar sind, wobei die Massverkörperung durch Wärmeenergie direkt auf dem Führungs- körper erzeugt ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine solche Massverkörperung.
Wälzlagerlinearführungen werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt, in denen ein Bauteil gegenüber einem anderen Bauteil geradlinig und möglichst ohne Reibungsverluste bewegt werden soll. Ein Beispiel hierfür sind Werkzeugma- schinen. Derartige Führungen weisen als Führungskörper einen Wagen oder Schlitten auf, der über Wälzkörper, wie Kugeln, Rollen oder Nadeln, an einer Schiene geführt ist. Die Wälzkörper zirkulieren hierbei in in sich geschlossenen Wälzkörperumläufen des Wagens. Die Führungskörper weisen üblicher- weise einen Tragbereich auf, in welchen die Wälzkörper an einer Tragfläche des Wagens und an der Schiene anliegen und hierdurch die zu bewegende Last tragen. Durch die Linearbewegung des Wagens gelangen die Wälzkörper aus der Tragzone in einen ersten Umlenkkanal, in dem die Wälzkörper von der Tragzone in den Rücklaufkanal überführt werden. Nach Durchlaufen des Rücklaufkanals erreichen die Wälzkörper über ei- nen zweiten Umlenkkanal wieder die Tragzone. Bei anderen Bauformen von Linearbewegungsführungen sind die Wälzkδrper nicht in Umläufen sondern ausschliesslich in einer oder mehreren Reihen angeordnet, die parallel zur Längsbewegungs- achse verlaufen. Diese Beschreibung soll allerdings nur zur Erläuterung dienen. Der Einsatz der im folgenden beschriebenen Erfindung ist selbstverständlich nicht nur für umlaufende Wälzlagerlinearführungen, sondern für alle Arten von Linearführungen und zudem auch für andere Anwendungen möglich, ohne die Erfindung ändern zu müssen.
Vorstehend beschriebene wie auch andere Linearbewegungsführungen werden zum hochgenauen linearen Verfahren von beispielsweise Werkstücken und/oder Werkzeugen, beispielsweise in Werkzeugmaschinen oder auch in beliebigen Handlingsystemen eingesetzt. Um eine hochgenaue Positionierung erreichen zu können, werden in der Regel Messsysteme eingesetzt. Hierzu sind bereits eine Vielzahl von Messverfahren bekannt geworden. Ein erstes Beispiel hierfür sind magnetische Mess- verfahren mit auf einem Träger alternierend aufgebrachten
Nord- und Südpolen. Ein anderes Messsystem basiert auf dem Durchlicht- oder Reflexionsmessverfahren mit beispielsweise Glasmassstäben, die in alternierender Weise Hell-/Dunkel- Markierungen als Massverkörperung aufweisen. Schliesslich sind auch Messverfahren bekannt geworden, bei denen die „Markierungen" induktiv abgetastet werden.
Insbesondere bei optischen Messverfahren ist es üblich, die Massverkörperung als gesondertes Bauteil neben der Schiene der Linearbewegungsführung oder als Einsatz in der Schiene vorzusehen. Neben einem hohen Fertigungs- und Montageaufwand hat dies auch den Nachteil einer erhöhten Gefahr von Mess- ungenauigkeiten. Solche können beispielsweise dann auftreten, wenn sich die MassVerkörperung gegenüber der Schiene verschiebt oder aufgrund von unterschiedlichen Wärmekoeffi- zienten und/oder Temperaturbelastungen unterschiedlich starke Wärmeausdehnungen stattfinden.
Es ist deshalb in der WO 91/16594 auch schon vorgeschlagen worden, eine Massverkörperung direkt in den Werkstoff der Schiene einer Linearbewegungsführung einzubringen. Als Fertigungsverfahren werden Ätzen oder Aufprägen von Magnetzuständen angegeben. Magnetzustände sind jedoch für optische Messverfahren ungeeignet. Um mit Ätzverfahren eine präzise Massverkorperung erstellen zu können, muss ein hoher Aufwand betrieben werden, u.a. durch die Erstellung einer präzisen Maske, mit der die zu ätzenden Teilbereiche von jenen Teilbereichen isoliert werden, die nicht zu ätzen sind.
In der DE 196 08 937 AI wird zur Herstellung eines Markierungsträgers für eine Längenmesseinrichtung ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein Laser mit hochenergetischer Strahlung und Impulsen von etwa 20 ns oder weniger die Oberfläche des Markierungsträgers partiell anschmilzt. Nach- teilig an diesem Verfahren ist allerdings das Erfordernis einer vor der Laserbearbeitung zu erzeugenden hochreflektierenden Oberfläche, die der Laser anschmilzt und gegenüber der er weniger stark reflektierende Oberflächenstrukturen erstellt. Um solche hochreflektierende Oberflächen zu erstellen, ist es erforderlich, vor der Erstellung der Massverkörperung die gesamte Oberseite der Schiene mit grossem technischen Aufwand zu polieren. Hochglanzpolierverfahren, wie sie in der DE 196 08 937 AI vorgeschlagen werden, sind mehrstufig und damit zeitaufwendig und teuer.
Ein weiterer Nachteil des in der DE 196 08 937 AI angegebenen Verfahrens kann darin gesehen werden, dass sich bei der Abtragung von metallischen Werkstoffen mittels den angegebenen Lasern oftmals Schmelze oder verdampfter Werkstoff un- mittelbar neben der Bearbeitungsstelle niederschlagen. Damit ist zu befürchten, dass die zuvor hochglanzpolierte Fläche auch in den nicht laserbearbeiteten Teilbereichen, d.h. auch auf den im hochpolierten Zustand zu belassenden Teilbereichen beeinträchtigt wird. Solche auf die Laserbearbeitung zurückzuführenden Verschmutzungen müssen dann mit einem zu- sätzlichen Aufwand, z.B. durch einen zusätzlichen und in der Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung zu vermeidenden zweiten Poliervorgang wieder entfernt werden.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Mess- System zur Verfügung zu stellen, das mit möglichst wenig Fertigungsaufwand direkt auf einem der Führungskörper erzeugbar ist und trotzdem die Möglichkeit für hochgenaue Messungen bietet . Insbesondere soll die Massverkörperung auf einer Oberfläche, insbesondere einer noch Fräs- und/oder Schleifspuren aufweisenden Oberfläche, herstellbar sein, wobei ein Vorpolieren durchaus denkbar, aber eine Hochpolitur nicht notwendig ist.
Die Aufgabe wird bei einer Linearbewegungsführung der ein- gangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Massverkörperung mittels thermischer Energie auf eine nicht-endpolierte Oberfläche des Führungskörpers aufgebracht ist. Die Massverkorperung ist somit auf einer mit Schleifund/oder Fräsbearbeitungsrillen versehenen Oberfläche des Führungskörpers aufgebracht.
Im Rahmen der Erfindung konnte überraschenderweise festgestellt werden, dass zwischen unterschiedlichen Teilungsfeldern einer Massverkörperung auch dann ausreichend Kontrast erzielt werden kann, wenn die Oberfläche des mit der Massverkörperung versehenen Führungskörpers nicht poliert ist. Die zur Einbringung der Massverkörperung vorgesehene Oberfläche des vorzugsweise gehärteten Führungskörpers kann für die Laserbearbeitung vielmehr eine Beschaffenheit haben, wie sie aus den vorausgegangen formgebenden Arbeitsverfahren re- sultiert. In der Regel werden die Schienen durch Fräs- oder eine Schleifbearbeitung endbearbeitet.
In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung können für die Bearbeitung Laser verwendet werden, die eine längere Impulsdauer als 1 ns, insbesondere Impulsdauern von grösser oder gleich 10 ns, aufweisen. Eine untere Grenze der Impulsdauer wird durch die erforderliche Energiemenge gegeben. Beispiele hierfür sind insbesondere diodengepumpte Nd:YAG Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm, allenfalls frequenzverdoppelt oder anderweitig frequenzverschoben. Alternativ können aber auch diodengepumpte Ti : Saphir Laser mit einer Wellenlänge von ca. 800 nm, eventuell wiederum frequenzverdoppelt oder anderweitig frequenzverschoben oder aber andere, gleichwer- tige Laser verwendet werden.
Gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann mit einem Laser oberflächlich Material des Führungskörpers abgetragen werden, um hiermit Teil- bzw. Flächenbereiche der Massverkörperung des optischen Messsystems zu erzeugen. In diesem Fall dienen diese behandelten Teilbereiche als gering- bzw. nicht-reflektive Teilbereiche einer inkre- mentellen Massverkörperung und erscheinen in der Messung als dunkle Teilbereiche. Sie weisen damit bei Lichteinstrahlung einen messbaren Kontrast zu nicht laserbehandelten Flächenbereichen der Massverkörperung auf.
Für diese Bearbeitung können beispielsweise ns-Laser verwendet werden, die Laserimpulse in einem Bereich von ca. 5 ns bis ca. 30 ns erzeugen. Wesentliche Vorteile dieses Lasertyps sind seine hohe Pulsenergie und seine geringe Komplexität, die in einer höheren Einsatzzuverlässigkeit zum Ausdruck kommt . Zudem ist bei Nanosekundenlasern die Gefahr einer Plasmabildung des erwärmten Werkstoffs geringer als bei Lasern mit noch kürzeren Pulsdauern. Eine Plasmabildung könnte die Materialabtragung beeinträchtigen. Mit diesem La- sertyp lässt sich mit einer geringen Anzahl an Laserimpulsen - allenfalls auch mit einem einzelnen Laserimpuls - jeweils ein gegenüber nicht-laserbearbeiteten Flächenabschnitten vertiefter Teilbereich der Massverkorperung erzeugen.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung können zur Erzeugung von vertieften Teilbereichen auch sogenannte ps- oder fs-Laser benutzt werden, wobei fs für Femtosekunden und ps für Pikosekunden steht . Mit diesen Lasertypen kann ein direktes Verdampfen des bestrahlten Werkstoffs erreicht werden, da hier die Laserenergie in sehr kurzer Zeit, nämlich Piko- oder Femtosekunden, in einer dünnen Schicht auf der Oberfläche des Fuhrungskorpers absorbiert und dadurch diese dünne Schicht so stark erhitzt wird, dass ein direktes Ver- dampfen stattfindet.
Vorzugsweise wird bei der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung eine Nachbehandlung nur der nicht-laserbearbeite- ten Teilbereiche zur Steigerung ihrer Reflexionseigenschaf- ten und damit zur Erhöhung des Kontrasts zu den laserbehandelten Teilbereichen durchgeführt. Diese Nachbehandlung kann ein unvollständiges Polieren oder mechanisches Ausglätten, beispielsweise ein Glattwalzen, dieser Teilbereiche oder ein sonstiges Verfahren zur Verringerung der Oberflächenrauig- keit sein. Dies ist aber in jedem Fall bedeutend weniger aufwendig als das Hochglanzpolieren gemäss dem Stand der Technik nach DE 196 08 937 AI.
Im Sinne einer Verringerung des Fertigungsaufwandes ist es bei den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn die für die Massverkörperung vorgesehene Fläche vor der Laserbearbeitung nicht oder höchstens nur so geringfügig poliert wird, dass die Fräs- und/oder Schleifrillen in der Oberflächenstruktur zumindest teilweise erhalten bleiben können. Damit können Verfahrensschritte zur Steigerung der Reflektivität auf die in der MassVerkörperung auch tatsächlich stark reflektiven Teilbereiche beschränkt werden. Zudem können hierdurch zum einen Verdampfungsniederschlag und/oder Schmelzspritzer und andererseits Schleifrillen gemeinsam - und nicht wie in der DE 196 08 937 AI erforderlich mit getrennten Verfahrensschritten - abgetragen oder vermindert werden.
Schliesslich ist es in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch möglich, mit einem oder mehreren Lasern so- wohl gerichtet-reflektive (spiegelnde) als auch diffus- reflektive Teilbereiche einer inkrementellen Massverkörperung in dem Führungskörper, insbesondere tdirekt in einer Schiene einer Linearbewegungsführung, zu erzeugen. Wird hierfür nur ein Laser verwendet, ist eine möglichst exakte Steuerung einer variablen Laserintensität zweckmässig, wobei sich in besonderem Masse diodengepumpte Festkörperlaser eignen.
Zur Optimierung der Wellenlänge kann in vorteilhaften Wei- terbildungen der Erfindung die Laserstrahlung frequenzvervielfacht oder anderweitig frequenzkonvertiert sein.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschriebenen, erfindungs- gemäss zu verwendenden Elemente unterliegen in ihrer Grosse,. Formgestaltung, Materialverwendung und technischen Kon- zeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem jeweiligen Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
Weiterhin ist das Verfahren nicht auf den Einsatz von Lasern beschränkt. Vielmehr können auch andere Strahlungsquellen für die Wärmebehandlung eingesetzt werden. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der dazugehörigen Zeichnungen, in denen - bei- spielhaft - eine Vorrichtung und ein dazugehöriger Verfahrensablauf zur vorliegenden Erfindung erläutert wird.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Laserbehandlung zum Aufbringen einer MassVerkörperung gemäss der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine typische Anordnung einer Laserbehandlungs- einrichtung zum Aufbringen einer Massverkörperung gemäss der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein Intensitätsprofil für ein gleichzeitiges Herstellen von Vertiefungen und aufgeschmolzenen, geglätteten Teilbereichen gemäss einer alternativen Ausführung der Erfindung.
Linearbewegungsführungen, auf denen eine Massverkörperung angebracht wird, werden beispielsweise in Werkzeugmaschinen zur linearen Bewegung von Maschinenkomponenten vorgesehen und weisen hierfür typischerweise eine profilierte Führungsschiene 2 (Fig. 1) und einen auf der Führungsschiene entlang einer Führungsachse längs verfahrbaren und im Querschnitt etwa U-förmigen Wagen auf. Die Führungsschiene 2 ist an ih- ren beiden Seitenflächen jeweils mit einer Tragfläche 3 versehen, an der sich der Wagen über Wälzkörper abstützt und längsverschiebbar ist. Im Ausführungsbeispiel ist der Wagen über Kugeln längsverschiebbar.
Auf einer Oberseite 4 der Schiene, neben einer Reihe von Befestigungsbohrungen 5, sind als Massverkörperung eine oder mehrere inkrementelle Messspuren 6 vorgesehen. Zur Vereinfachung wird nachfolgend nur von einer Messspur ausgegangen, die parallel zur Führungsachse verläuft. Diese weist in alternierender Weise gleichmässig reflektierende erste Teil- bereiche und diffus-reflektierende und somit dunkle Teilbereiche auf. Zum Lesen der Messspur 6 und damit zur Positionsbestimmung des Wagens relativ zur Schiene 2 ist dieser mit einem Lesekopf versehen, der zur gezielten Beleuchtung der Massverkörperung eine Lichtquelle und zur Detektion des reflektierten Lichts einen Sensor hat. Derartige optische MessSysteme sind an sich vorbekannt .
Zur Erzeugung einer solchen Massverkorperung kann eine Anlage benutzt werden, wie sie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist. Diese ist mit einem Laser 8 versehen, dessen Strahlung über mehrere Umlenkspiegel 9, 11 und eine Zylinderlinse 12 auf eine Oberseite einer Führungsschiene 2 gerichtet wird. Die Brennlinie der Linse 12 befindet sich hierbei auf der Oberseite der Schiene 2.
Die Schiene 2 ist auf einem angetriebenen Lineartisch 13 befestigt, so dass die Schiene 2 entlang ihrer gesamten Länge unter der Zylinderlinse 12 durchgeführt werden kann. Hiermit ist es möglich, über vorzugsweise die gesamte Länge der Schiene 2 diese mit der inkrementellen Messspur 6 zu versehen.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können Kurzpulslaser vorgesehen sein. Mit solchen ns-, ps- oder fs-Lasern können Energieintensitäten erzeugt werden, welche deutlich eine Schwellenintensität des jeweiligen Schienen-Werkstoffs für eine Materialabtragung überschreiten. Aufgrund der hohen Intensität der Strahlung können durch schnelles Schmelzen des Werkstoffs und einer auf- grund der hohen Energiemenge stattfindenden Austragung des geschmolzenen Werkstoffs vertiefte zweite Flächenbereiche geschaffen werden. Bei noch höheren Intensitäten kann der Werkstoff oberflächlich auch in eine Dampfphase überführt und auf diese Weise ausgetragen werden. Auch hierdurch entstehen in den zweiten Flächenbereichen Vertiefungen, die einfallendes Licht nur diffus reflektieren lassen. Die laserbearbeiteten Flächenbereiche erscheinen im Messsignal des Sensors somit als dunkle Stellen mit stark reduzierter Signalamplitude .
Zur Erhöhung des Kontrastes wird zusätzlich eine Nachbearbeitung von Teilbereichen vorgesehen sein. Insbesondere bei Anwendung von werkstoffabtragenden Laserbearbeitungsverfahren wird zur Steigerung der Reflexionseigenschaften durch Anwendung von einfachen Polierverfahren - im einfachsten Fall das Abreiben von nur oberflächlich aufliegenden Niederschlägen etc. - oder durch mechanisches Ausglätten, wie beispielsweise Walzen, die Oberflächenrauigkeit von Teilbereichen verringert werden. Weniger bevorzugt, jedoch auch denkbar, ist an Stelle einer Nachbearbeitung eines der Bearbei- tungsverfahren vor der Laserbearbeitung anzuwenden, wobei aber auf den aufwendigen Vorgang der Herstellung einer hochpolierten Oberfläche verzichtet wird.
In einer besonderen Form des Verfahrens gemäss der vorlie- genden Erfindung werden - wie in Fig. 3 gezeigt - sowohl die gerichtet-reflektiven (spiegelnden) , als auch die diffus- reflektiven Teilbereiche der Massverkörperung durch Laserbearbeitungen hergestellt . Im Ausführungsbeispiel können diese in Richtung der Führungsachse jeweils eine Länge von ca. 20 -40μm aufweisen. Besonders vorteilhaft geschieht dies durch eine angepasste Verteilung der Intensität der Laserstrahlung über die Oberfläche von zumindest zwei Teilbereichen 6' und 6". Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist die Intensität des gepulsten Lasers 8 über der Fläche eines dunklen Teilbereichs besonders hoch, nämlich deutlich über der Schwellenintensität 20 für eine Materialabtragung. Zur be- nachbarten Fläche hin, welcher als stark reflektierender (heller) Teilbereich vorgesehen ist, fällt die Intensität ab. Sie liegt bei diesem Teilbereich bei Werten, die über einer Schwellenintensität 21 für das Aufschmelzen des Werkstoffs und unterhalb der Schwellenintensität 20 für Materialabtragung liegen. Es wird somit ein heller Teilbereich erzeugt, der zwischen einem bereits existierenden dunklen Teilbereich und einem mit diesem Laserbearbeitungsvorgang erzeugten dunklen Teilbereich liegt.
Nachdem der Laser 8 auf diese Weise über eine vorbestimmte Zeit in einem Bereich, beispielsweise von 1 bis 10 ns, eingewirkt hat, wird die Schiene entlang der Führungsachse um eine volle (aus zwei Teilbereichen bestehende) Teilung ver- schoben. In der Darstellung von Fig. 3 wird sie nach rechts verschoben. Zur Erzeugung der weiteren Teilbereiche der Messspur 6 wird dieser Laserbearbeitungszyklus mit einer der Anzahl der Teilungen entsprechenden Häufigkeit wiederholt.
Nachfolgend wird nochmals das bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer Schiene 2 für eine Linearbewegungsführung beschrieben, die mit einer MassVerkörperung eines Längenmess- systems versehen ist, wobei die Schiene im Querschnitt pro- filiert ist, hierbei die Querschnittsform der Schiene unter Benutzung eines Schleifverfahrens und/oder Fräsbearbeitungs- verfahrens erzeugt wird, die Schiene auf einer ihrer Oberflächen mit einer inkrementellen oder absoluten Massverkörperung versehen und ein Bearbeitungsschritt vorgesehen ist, mit dem durch Laserbearbeitung auf der Schiene eine Massverkörperung erzeugt wird, das gekennzeichnet ist durch einen Laserbearbeitungsvorgang, der auf einer mit Schleif- oder Fräsbearbeitungsrillen versehenen Oberfläche der Schiene erfolgt . Dieses Verfahren kann gekennzeichnet sein durch eine Laserbearbeitung, mit der Teilbereiche der Massverkörperung 6 durch lokales oberflächiges Aufschmelzen der Schiene 2 er- zeugt werden. Weiterhin kann eines der vorstehend beschriebenen Verfahren gekennzeichnet sein durch die Verwendung von ps-, fs- oder ns-Lasern 8 und/oder durch eine Verteilung der Intensität einer momentanen Laserstrahlung, die über eine Länge eines ersten Flächenbereichs eine Intensität aufweist, die oberhalb einer Schwellenintensität 20 des Schienenwerkstoffs für eine Materialabtragung liegt und zeitgleich oder zeitnah über eine sich in Richtung der Führungsachse nachfolgende Länge eine Intensität aufweist, die zwischen der Schwellenintensität 20 für eine Materialabtragung und einer Schwellenintensität 21 des Schienenwerkstoffs für ein Aufschmelzen des Werkstoffs liegt und/oder durch ein oberflächenglättendes Bearbeitungsverfahren auf den als spiegelnde Teilbereiche vorgesehenen Flächen der Schiene 2.
Bezugszeichenliste
2 Führungsschiene 3 Tragfläche 4 Oberseite 5 Befestigungsbohrungen 6 Massverkörperung, Messspuren 6 ' Teilbereich der Messspur 6" Teilbereich der Messspur 8 Laser 9 Umlenkspiegel
11 Umlenkspiegel
12 Linse
13 Lineartisch 20 Schwellenintensität für Materialabtragung
21 Schwellenintensität des Schienenwerkstoffs für ein Aufschmelzen des Werkstoffs

Claims

Patentansprüche
Linearbewegungsführung, die zwei entlang einer Führungsachse relativ zueinander bewegliche und mittels Wälzkδrper aneinander geführte Führungskörper (2) aufweist und mit einem Messsystem versehen ist, mit dem unter Verwendung einer an einem der Führungskörper ange- brachten Massverkörperung (6) Messungen über die Grosse der Relativbewegungen bestimmbar sind, wobei die Massverkorperung (6) durch Wärmeenergie direkt auf dem Fuhrungskorper (2) erzeugt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Massverkörperung (6) auf der mit Schleifund/oder Fräsbearbeitungsrillen versehenen Oberfläche des Führungskörpers (2) ausgebildet ist, - die Massverkörperung (6) Teilbereiche der mit
Schleif- und/oder Fräsbearbeitungsrillen versehenen Oberfläche des Führungskörpers und mit Wärmeenergie beaufschlagte Teilbereiche aufweist, wobei die mit Wärmeenergie beaufschlagten Teilbereiche des Führungskörpers (2) diffus-reflektive Oberflächeneigenschaften aufweisen, während die nicht mit Wärmeenergie beaufschlagten Teilbereiche im Vergleich dazu gerich- tet-reflektive Eigenschaften aufweisen.
2. Linearbewegungsführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Teilbereiche der Massverkörperung (6) mittels eines Lasers (8) mit Wärmeenergie beaufschlagt sind.
3. Linearbewegungsführung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Teilbereiche der mit Schleif- und/oder Fräsbearbeitungsrillen versehenen Oberfläche des Führungskörpers (2) , nach dem Beaufschlagen der anderen Teilbereiche mit Wärmeenergie, nachbehandelt sind.
4. Linearbewegungsführung nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung durch ein direktes Verdampfen des bestrahlten Werkstoffs erreicht wird, wobei die Laserenergie in sehr kurzer Zeit in einer dünnen Schicht auf der Ober- fläche des Führungskörpers absorbiert und dadurch diese dünne Schicht so stark erhitzt wurde, so dass ein direktes Verdampfen stattgefunden hat.
5. Linearbewegungsführung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Massverkörperung auch Teilbereiche des Führungskörpers (2) aufweist, bei denen gerichtet-reflektive Oberflächeneigenschaften mittels Beaufschlagung mit Wärmeenergie erzeugt sind.
6. Verfahren zur Erzeugung einer Massverkörperung auf einer Linearbewegungsführung, die zwei entlang einer Führungsachse relativ zueinander bewegliche und mittels Wälzkörper aneinander geführte Führungskörper (2) aufweist und mit einem Messsystera versehen ist, wobei durch die Massverkörperung (6) Messungen über die Grosse der Relativbewegungen bestimmbar sind, wobei die Massverkörperung (6) durch Wärmeenergie direkt auf dem Führungskörper (2) erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die Massverkörperung (6) auf der mit Schleifund/oder Fräsbearbeitungsrillen versehenen Oberfläche des Führungskörpers (2) ausgebildet wird, die MassVerkörperung (6) Teilbereiche der mit Schleif- und/oder Fräsbearbeitungsrillen versehenen Oberfläche des Führungskörpers und mit Wärmeenergie beaufschlagte Teilbereiche aufweist, wobei - die mit Wärmeenergie beaufschlagten Teilbereiche des Fuhrungskorpers (2) di fus-reflektive Oberflächeneigenschaften aufweisen, während die nicht mit Wärmeenergie beaufschlagten Teilbereiche im Vergleich dazu gerich- tet-reflektive Eigenschaften aufweisen, - die genannten Teilbereiche der Massverkorperung (6) mittels eines Lasers (8) mit Wärmeenergie beaufschlagt sind, die genannten Teilbereiche der mit Schleifund/oder Fräsbearbeitungsrillen versehenen Oberfläche des Führungskörpers (2) , nach dem Beaufschlagen der anderen Teilbereiche mit Wärmeenergie, nachbehandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung durch ein direktes Verdampfen des bestrahlten Werkstoffs erreicht wird, wobei die Laserenergie in sehr kurzer Zeit in einer dünnen Schicht auf der Oberfläche des Führungskörpers absorbiert und da- durch diese dünne Schicht so stark erhitzt wird, so dass ein direktes Verdampfen stattfindet. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Laserstrahls auch Teilbereiche des Führungskörpers (2) bearbeitet werden, so dass bei diesen gerichtet-reflektive Oberflächeneigenschaften mittels Beaufschlagung mit Wärmeenergie erzeugt werden.
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