POSITION MEASURING DEVICE

Abstract: 1. Position measuring device for measuring the relative position of two objects, in which a measuring scale directly carrying a graduation is connected to the first object and a sensing unit sensing the graduation of the measuring scale is connected to the second object and the coefficients of thermal expansion of the measuring scale and the first object are different, characterized in that, to compensate for different thermal vibrations in length between the measuring scale (M) and the first object (S), the measuring scale (M) is connected rigidly to the first object (S) at least at both ends (Ma, Mb) and is acted upon at least one end (Mb) by a calibrated stressing device (K) only for a temperature compensation of the measuring scale (M) relative to the first object (S) preceding the rigid fixing on the first object (S).

Description: Positionsmesseinrichtung Die Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1. Einrichtungen bei Positionsmesseinrichtungen zur Kompensation von Fehlern, insbesondere von Teilungsfehlern eines Massstabs, Maschinenfehlern von Maschinenteilen und/oder temperaturbedingten Fehlern sind bereits bekannt. Aus der DE-PS 27 12 421 und dem GM 79 o6 759 ist eine gekapselte Längenmesseinrichtung bekannt, bei der ein Massstab auf einem Massstabträger längsverschieblich angeordnet und an beiden Enden mit einem zu messenden Maschinenteil über Befestigungselemente verbunden ist, die ihrerseits unabhängig vom Massstab- träger starr am Maschinenteil befestigt sind. Während das eine Ende des Massstabs direkt mit dem einen Befestigungselement verbunden ist, ist das andere Ende des Massstabs zur Korrektur von Teilungsfehlern und/oder von Maschinenfehlern über eine federbelastete Dehneinrichtung mit dem anderen Befestigungs element verbunden. Die Längenmesseinrichtung der DE-OS 29 11 o47 weist neben einer Dehneinrichtung noch eine zusätzliche Staucheinrichtung auf. In der Druckschrift der Fa. Dr. Johannes Heidenhain nInkrementales Längenmesssystem LIDA 225", Februar 1982, ist eine Längenmesseinrichtung beschieben, bei der ein Massband auf einem Massbandträger geringfügig längsverschieblich angeordnet und an beiden Enden mit einem zu messenden Maschinenteil über Befestigungselemente verbunden ist, die ihrerseits unabhängig vom Massbandträger starr am Maschinenteil befestigt sind. Während das eine Ende des Massbandes direkt mit dem einen Befestigungselement verbunden ist, ist das andere Ende über eine federbelastete Dehneinrichtung mit dem anderen Befestigungselement zur Einstellung des Sollmasses des Massbandes verbunden; nach dem Einstellen dieses Solimasses kann das der Dehneinrichtung zugeordnete Ende des Massbandes mit einem zusätzlichen Klemmelement am Maschinenteil befestigt werden. Die DE-PS 25 18 745 offenbart eine gekapselte Langen messeinrichtung1 deren Gehäuse an beiden Enden über 3e einen Winkel an einem Maschinenteil gelenkig befes tigt istEin Massstab ist im Gehäuse längsverschieb lich angeordnet und zur Korrektur von Teilungsfehlern und/ader Maschinenfehlern an beiden Enden jeweils über eine federbelastete Dehneinrichtung oder eine federbelastete Staucheinrichtung mit den Win keln verbunden. Aus der DE-PS 31 o6 701 ist eine Einrichtung bei einer Langenmesseinrichtung für Werkzeugmaschinen be kanne, bei der zur Kompensation thermischer Längen änderungen von Maschinenteilen ein Dehnstab aus einem Material mit hohem thermischen Ausdehnungs koeffizienten mit einem Ende an einem Maschinenteil und mit dem anderen Ende an einem Massstab befestigt ist, wobei die Wärmedehnung des Dehnstabes gleich derjenigen des Maschinenteils ist, so dass die Wärmedehnung des Maschinenteils von der Messeinrichtung erfasst wird. In der DE-OS 28 53 771 ist eine Längenmesseinrichtung beschrieben, deren Gehäuse zur Aufnahme eines Massstabs und einer Abtasteinheit an beiden Enden über Befestigungselemente mit einem zu messenden Maschinenteil verbunden ist. Während das eine Ende des Gehäuses direkt mit dem ersten Befestigungselement verbunden ist, ist zwischen dem anderen Ende des Gehäuses und dem zweiten Befestigungselement ein Längenausgleichselement zur Temperaturkompensation angeordnet, so dass dieses Ende des Gehäuses mit einem translatorischen Freiheitsgrad in Längsrichtung des Gehäuses gelagert ist. Der US-PS 38 16 oo2 entnimmt man eine Längenmesseinrichtung, deren Gehäuse zur Aufnahme eines Massstabs und einer Abtasteinheit mit einem Ende fest und mit dem anderen Ende zur Kompensation thermisch bedingter Längenänderungen längsverschieblich mit einem Maschinenteil verbunden ist. Der Massstab ist innerhalb des Gehäuses an einem Ende fixiert und mit dem anderen Ende über eine Spannvorrichtung mit dem Gehäuse verbunden. Mit dieser federbelasteten Spannvorrichtung bleibt der Massstab von den temperaturbedingten Längenänderungen des Gehäuses unbeeinflusst. In Räumen mit Bearbeitungsmaschinen, an denen derartige Positionsmesseinrichtungen eingesetzt werden, herrscht im allgemeinen keine konstante Temperatur vor. Ebenso ändern sich die Temperaturen der Werkzeugmaschinen, an denen die Positionsmesseinrichtun- gen angebracht sind, während der Bearbeitungsdauer von Werkstücken ständig. Da aus Kostengründen in den seltensten Fällen das Maschinenteil und der Massstab sowie das Gehäuse für den Massstab aus Materialien mit gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen werden, unterliegen bei den unvermeidlichen Temperaturänderungen insbesondere das Maschinenteil und der Massstab unterschiedlichen thermischen Längenänderungen, so dass Messungenauigkeiten auftreten können, die bei den heutigen Anforderungen an die Messgenauigkeit nicht mehr tragbar sind Am häufigsten kombiniert man Grauguss für die Maschinenteile, Aluminium für das Gehäuse und Glas oder Stahl für den Massstab miteinander. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positionsmesseinrichtung der genannten Gattung anzugeben, bei der durch Temperaturänderungen bedingte Messungenauigkeiten vermieden werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass mit einfachen Mitteln durch die starre Befestigung des Massstabs wenigstens an beiden Enden am zu messenden Objekt bei Temperatur änderungen sowohl das Objekt als auch der Massstab gleiche thermische Längenänderungen erfahren, so dass Messungenauigkeiten beispielsweise bei der Be Bearbeitung eines Werkstückes auf einer Werkzeugmaschine nicht mehr auftreten können. Wenigstens aneinem Ende ist der Massstab von einer kalibrierten Dehn- oder Staucheinrichtung beaufschlagt, so dass die Teilungslänae des Massstabs bei der Montage an einem Maschinenteil an die Temperatur des Ma schinenteils angepasst werden kann. Weitere vorteilhafte Ausbildungen entnimmt man den Unteransprüchen. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine Längsansicht einer Posi tionsmesseinrichtung an Maschinen teilen einer Maschine und Figur 2 eine Längsansicht einer weiteren Positionsmesseinrichtung an Maschi nenteilen einer Maschine. Nach Figur 1 ist an einem Schlitten S1 und an einem BettB1 einer nicht gezeigten Werkzeugmaschine eine Positionsmesseinrichtung mit einem Massstab M1 und einer den Massstab M1 abtastenden Abtasteinheit Al befestigt; der Schlitten S1 und das Bett B1 stellen das zu messende erste und zweite Objekt dar. Da der Massstab M1 beispielsweise aus Stahl und der Schlitten S1 beispielsweise aus Grauguss unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen, erfahren der Massstab M1 und der Schlitten S1 bei den unvermeidlichen Temperaturänderungen der Werkzeugmaschine während der Bearbeitungsdauer eines Werkstücks unterschiedliche thermische Längenänderungen, die Messungenauigkeiten zur Folge haben können. Gemäss Figur 1 ist bei dieser Positionsmesseinrichtung der Massstab M1 in Form eines flexiblen Massbandes aus Stahl an beiden Enden M1a,Mlb mittels Schrauben S1a1Sib starr mit zwei Refestingselemcnten Pla, Blb verbunden. Zwischen den beiden Befestigungselementen Bia, Bib ist ein biegesteifer Massstabträger G1 in Form eines Gehäuses zur Aufnahme des Massbandes M1 und der Abtasteinheit Al zur Abtastung der Teilung T1 des Massbandes Ml angeordnet. Das Massband M1 ist auf einer Innenfläche des Gehäuses G1 mittels einer nicht gezeigten elastischen Klebeschicht angeordnet, die eine gewisse Längsverschieblichkeit des Massbandes M1bezüglicb des Gehäuses G1 erlaubt. Das erste Befestigungselement Bla ist direkt auf beliebige Weise am ersten Ende Gla des Gehäuses G1 befestigt, während das zweite Befestigungselement Bib über Führungsbolzen FB1, die in Bohrungen im zweiten Ende G1b des Gehäuses G1 und im dem Gehäuse G1 zugewandten Teil des zweiten Befestigungselementes Bib eingesetzt sind, in Messrichtung X relativ beweglich zum Gehäuse G1 mit dem Gehäuse G1 verbunden ist. In zwei Gewindebohrungen GB1 des zweiten Befestigungselementes B1b sind jeweils eine Kalibrierschraube K1 angeordnet, die sich an der Endfläche E1 des zweiten Endes G1b des Gehäuses G1 abstützen. Zwei Zugfedern Fi, die mit dem zweiten Gehäuseende Glb und dem zweiten Befestigungselement Blb verbunden sind, bewirken die Anlage der Kalibrierschrauben K1 an der Endfläche E1 des zweiten Endes Glb des Gehäuses G1. Der Spalt U1 zwischen dem zweiten Gehäuseende Glb und dem zweiten Befestigungselement Blb ist mit einer elastischen Dichtung Dl nach aussen zur Kapselung gegen Verunreinigungen verschlossen. Das Massband M1 wird nun bei der Herstellung so gefertigt, dass die Teilungslänge der Teilung T1 kürzer als die erforderliche Teilungslänge ist. Zur Eichung des Massbandes M1 auf die richtige Teilungslänge bei einer Normaltemperatur wird das Massband M1 mittels eines Laserinterferometers vermessen und mittels der beiden Kalibrierschrauben K1 auf die richtige Teilungslänge bei dieser Normaltemperatur gedehnt. Da die Werkzeugmaschine, an der diese Positionsmesseinrichtung zum Einsatz kommen soll, im allgemeinen nicht diese Normaltemperatur aufweist, werden eine zweite Eichmessung bei einer beliebigen zweiten Temperatur durchgeführt und die Drehknöpfe DK1 der beiden Kalibrierschrauben K1 mit jeweils einer Temperaturskala TS1 versehen, die aus den beiden Temperaturmessungen durch Interpolation gewonnen wurde, so dass die Teilungslänge des Massbandes M1 bei der Montage am Schlitten S1 an die Temperatur des Schlittens S1 angepasst werden kann. Bei der Montage der bei der Herstellung auf die Normaltemperatur von beispielsweise 20 C¯geeichten Positionsmesseinrichtung an der Werkzeugmaschine wird zunächst die Temperatur des Schlittens S1 der Werkzeugmaschine gemessen. Diese gemessene Temperatur wird an der Positionsmesseinrichtung mittels der Temperaturskala TS1 der Kalibrierschrauben K1 eingestellt, woraufhin die beiden Befestigungselemente Bla, Blb auf einer Anbaufläche AF1 des Schlittens S1 starr mittels Schrauben Tla, Tlb befestigt werden; gleichfalls wird die Abtasteinheit Al über einen Mitnehmer N1, der durch einen von nicht gezeigten Dichtlippen verschlossenen Längsschlitz LS1 des Gehäuses G1 hindurchgreift, mit dem Bett B1 der Werkzeugmaschine verbunden. Anschliessend werden die beiden Kalibrierschrauben K1 gelöst, so aass kein Kontakt mehr zwischen der Endfläche El des zweiten Endes Glb des Gehäuses G1 und den beiden Kalibrierschrauben K1 besteht, um eine mechanische Überbes-tIun'1-ng zu vermeiden. Durch diese starre Befestigung der beiden Enden Mla, Mlb des Massstabs M1 am Schlitten S1 erfahren bei Temperaturänderungen sowohl der Schlitten S1 als auch das Massband M1 die gleichen thermischen Längenänderungen, so dass Messungenauigkeiten bei der Bearbeitung eines Werkstükkes nicht mehr auftreten können. Gemäss Figur 2 ist bei einer weiteren Positionsmesseinrichtung ein biegesteifer Massstab M2 aus Glas an beiden Enden M2a, M2b starr mit zwei Befestigungselementen B2a, B2b mittels einer Klebeschicht Ksa, Ksb verbunden, die sich zwischen den Stirnflächen MSa, MSb des Massstabs M2 und zugeordneten Druckflächen BDa, BDb der Befestigungselemente B2a, B2b befindet Zwischen den beiden Befestigungselementen B2a, B2b ist ein biegesteifer Massstabträger G2 in Form eines Gehäuses zur Aufnahme des Massstabes M2 und einer Abtasteinheit A2 zur Abtastung der Teilung T2 des Massstabes M2 angeordnet. Der Massstab M2 ist auf einer Innenfläche des Gehäuses G2 mittels einer nicht gezeigten elastischen Klebeschicht angeordnet, die eine 'gewisse Längsverschieblichkeit des Massstabes M2 bezüglich des Gehäuses G2 erlaubt. Das erste Befestigungselement B2a ist direkt auf beliebige Weise am ersten Ende G2a des Gehäuses G2 befestigt, während das zweite Befestigungselement B2b in Messrichtung X relativ beweglich zum Gehäuse G2 mit dem Gehäuse G2 verbunden ist. In zwei Bohrungen W2 des zweiten Befestigungselementes B2b sind jeweils eine Kalibrierschraube K2 angeordnet, die in zwei Gewindebohrungen GB2 in der Endfläche E2 des zweiten Endes G2b des Gehäuses G2 eingreifen. Der Spalt U2 zwischen dem zweiten Gehäuseende G2b und dem zweiten Befestigungselement B2b ist mit einer elastischen Dichtung D2 nach aussen zur Kapselung gegen Verunreinigungen verschlossen. Der biegesteife Massstab M2 wird nun bei der Herstellung so gefertigt, dass die Teilungslänge der Teilung T2 länger als die erforderliche Teilungslänge ist. Zur Eichung des Massstabs M2 auf die richtige Teilungslänge bei einer Normaltemperatur wird der Massstab M2 mittels eines Laserinterferometers vermessen und mittels der beiden Kalibrierschrauben K2 auf die richtige Teilungslänge bei dieser Normaltemperatur gestaucht. Da die Werkzeugmaschine, an der diese Positionsmesseinrichtung zum Einsatz kommen soll, im allgemeinen nicht diese Normaltemperatur aufweist, werden eine zweite Eichmessung bei einer beliebigen zweiten Temperatur durchgeführt und die Drehknöpfe DK2 der beiden Kalibrierschrauben K2 mit jeweils einer Temperaturskala TS2 versehen1 die aus den beiden Temperaturmessungen durch Interpolation gewonnen wurde, so dass die Teilungslänge des Massstabs M2 bei der Montage an einem Schlitten S2 an die Temperatur des Schlittens S2 angepasst werden kann. Bei der Montage der bei der Herstellung auf die Normaltemperatur von beispielsweise 200 C geeichten Positionsmesseinrichtung an der Werkzeugmaschine wird zunächst die Temperatur des Schlittens S2 der Werkzeugmaschine gemessen. Diese gemessene Temperatur wird an der Positionsmesseinrichtung mittels der Temperaturskala TS2 der Kalibrierschrauben K2 eingestellt, woraufhin die beiden Befestigungselemente B2a, B2b auf einer Anbaufläche AF2 des Schlittens S2 starr mittels Schrauben T2a, T2b befestigt werden; gleichfalls wird die Abtasteinheit A2 über einen Mitnehmer N2, der durch einen von nicht gezeigten Dichtlippen verschlossenen Längsschlitz LS2 des Gehäuses G2 hindurchgreift, mit dem Bett B2 der Werkzeugmaschine verbunden. Anschliessend werden die beiden Kalibrierschrauben K2 gelöst, so dass sie zur Stauchung des Massstabes M2 keinen Beitrag mehr liefern, um eine mechanische Überbe stimmung zu vermeiden. Durch diese starre Befestigung der beiden Enden M2a, M2b des Massstabes M2 am Schlitten S2 erfahren bei Temperaturänderungen sowohl der Schlitten S2 als auch der Massstab M2 die gleichen thermischen Längenänderungen, so dass Messungenauigkeiten bei der Bearbeitung eines Werkstückes nicht mehr auftreten können. In nicht gezeigter Weise können auch die beiden Stirnflächen MSa, MSb des biegesteifen Massstabs M2 nach Figur 2 zur Stauchung in Anlage an den zuge- hörigen Druckflächen BDa, BDb der beiden Befestigungselemente B2a, B2b durch einen U-förmigen Halter gehalten werden, der in den Befestigungselementen B2a, B2b auf beliebige Weise befestigt ist. In nicht dargestellter Weise kann der Massstab auch in einer Nut des Massstabträgers angeordnet sein, die den Massstab auf beiden Längsseiten formschlüssig, aber kräftefrei umschliesst. Bei grossen Messlängen kann der Massstab auch an mehreren Stellen starr am Schlitten der Maschine befestigt werden In diesem Fall besteht der Massstabträger aus mehreren Teilstücken, zwischen denen Befestigungselemente angeordnet sein können. Diese Befestigungselemente können wiederum mit einer Dehn- oder Staucheinrichtung versehen sein, so dass der Massstab auch in Teilbereichen auf die jeweils richtige Teilungslänge eingestellt werden kann Die Erfindung ist bei optischen, lichtelektrischen, magnetischen, induktiven oder kapazitiven, sowohl absoluten als auch inkrementalen Positionsmesseinrichtungen mit Erfolg einsetzbar.

Claims: Ansprüche 1. Positionsmesseinrichtung zur Messung der Relativ lage zweier Objekte, bei der ein unmittelbar eine Teilung aufweisender Massstab mit dem ersten Ob jekt und eine die Teilung des Massstabs abtasten de Abtasteinheit mit dem zweiten Objekt verbunden sind und die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Massstabs und des ersten Objekts sich vorein ander unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation unterschiedlicher thermischer Längenänderungen zwischen dem Massstab (M) und dem ersten Objekt (S) der Massstab (M) wenigstens an beiden Enden (Ma, Mb) starr am ersten Objekt (S) befestigt und wenigstens an einem Ende (Mb) von einer Spanneinrichtung (K) zu einer vorangehenden Temperaturkompensation des Massstabs (M) bezüg lich des ersten Objekts (S) beaufschlagbar ist. 2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass der Massstab (M) auf einem biege steifen Massstabträger (G) geringfügig längsver schieblich anqeordnet und wenigstens an beiden Enden (Ma, Mb) direkt mit jeweils einem Befesti gungselement (Ba, Bb) starr verbunden ist, dass jedes dieser Befestigungselemente (Ba, Bb) starr am ersten Objekt (S) befestigt ist und dass wenig stens ein Befestigungselement (Bb) die Spannein richtung (K) zur Peaufschlagung des Massstabs (M) aufweist. 3. Messeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der Massstab (M1) aus einem flexib len Massband und die Spanneinrichtung (I(1) aus einer Dehneinrichtung bestehen. 4. Messeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der Massstab (M2) biegesteif ausge bildet ist und dass die Spanneinrichtung (K2) aus einer Dehneinrichtung und/oder aus einer Stauch einrichtung besteht. 5. Messeinrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, da durch gekennzeichnet, dass die Dehneinrichtung (K1) aus wenigstens einem im Befestigungselement (Blb) angeordneten Zugelement besteht, das sich direkt am Massstabträger (G1) abstützt. 6. Messeinrichtung nach den Ansprüchen 2 und 4, da durch gekennzeichnet, dass der biegesteife Mass stab (M2) an beiden Enden (M2a, M2b) mit seinen Stirnflächen (MSa, MSb) an Druckflächen (BDa, BDb) der beiden Befestigungselemente (B2a, B2b) anliegt und dass die Staucheinrichtung (K2) aus wenigstens einem im Befestigungselement (B2b) angeordneten Druckelement besteht, das direkt am Massstabträ ger (G2) angreift. 7. Messeinrichtung nach den Ansprüchen 1, 3 und 5, da durch gekennzeichnet, dass der Massstab (M1) in Form des flexiblen Massbandes eine Teilung (T1) mit einem bestimmten Untermass aufweist und im gedehnten Zustand mittels einer Temperaturskala (TS1) der Dehneinrichtung (K1) bezüglich des ersten Objektes (S1) temperaturkompensierbar ist. 8. Messeinrichtung nach den Ansprüchen 1, 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der biegesteife Mass stab (M2) eine Teilung (T2) mit einem bestimmten Übermass aufweist und im gestauchten Zustand mit tels einer Temperaturskala (TS2) der Stauchein richtung (K2) bezüglich des ersten Objekts (S2) temperaturkompensierbar ist. 9. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Beaufschlagung des Massstabs (M) durch die Spanneinrichtung (K) im starr am ersten Objekt (S) befestigten Zustand des Massstabs (M) gegebenenfalls aufhebbar ist. Lo. Messeinrichtung nach den Ansprüchen 5 und 7, da durch gekennzeichnet, dass das Zugelement der Dehn einrichtung (K1) aus einer mit der Temperaturskala (TS1) versehenen Kalibrierschraube besteht. 11. Messeinrichtung nach den Ansprüchen 6 und 8, da durch gekennzeichnet, dass das Druckelement der Staucheinrichtung (K2 > aus einer mit der Tempera turskala (TS2) versehenen Kalibrierschraube be steht. 12. Messeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, dass der biegesteife Massstab (M2) an bei den Enden (M2a, M2b) mit seinen Stirnflächen (MSa, MSb) an den Druckflächen (BDa, BDb) der beiden Be- festigungselemente (B2a, B2b) mittels einer Klebe schicht (KSa, KSb) befestigt ist. 13. Messeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, dass der biegesteife Massstab (M2) an bei den Enden (M2a, M2b) mit seinen Stirnflächen (MSa, MSb) an den Druckflächen (BDa, BDb) der beiden Be festigungselemente (B2a, B2b) mittels eines Halters geklemmt ist. 14. Messeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der Massstabträger (G) aus wenig stens zwei aneinanderstossenden Teilstücken ge bildet ist.

Inventors: ERNST, ALFONS, DIPL.-ING, MILLER, WALTER, DR.
Applicants: DR. JOHANNES HEIDENHAIN GMBH
Application year: 1985
Main classification: G01B3
IPC codes: G01B5