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Technisches Gebiet:
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Kombination aus einer interferometrischen
Schritteinrichtung und einer Kugelschritt lehre, die eine Normallehre
zum Kalibrieren, Messen oder Prüfen
der Genauigkeit der Längenmessung
einer Koordinatenmeßmaschine,
einer Werkzeugmaschine, eines Bearbeitungszentrums, usw. ist und
Verfahren hierfü
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Technischer Hintergrund:
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Eine
Koordinatenmeßmaschine
gemäß der früheren Technik
ist eine Maschine zum Messen der Abmessungen und Form eines Werkstücks mit
Hilfe eines Computers unter Verwendung von Koordinatenpunkten X,
Y und Z, die in einem dreidimensionalen Raum eingestreut sind. Um
genauer zu sein, werden das zu vermessende Werkstück, das
auf einen Tisch gesetzt ist, und ein Fühler, der am Ende einer Z-Achse
der Meßmaschine
angebracht ist, relativ in den dreidimensionalen Richtungen X, Y
und Z bewegt, Kontaktmomente des Fühlers mit dem Werkstück werden
ermittelt, Koordinatenwerte in den Richtungen der Bewegungsachsen
werden unter Verwendung der Momente als elektrische Trigger gelesen,
und die Abmessungen und Form des Werkstücks werden unter Verwendung
des Computers gemessen.
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Im
allgemeinen sind Koordinatenmeßmaschinen
erforderlich, um ein Werkstück
mit besonders hoher Genauigkeit zu vermessen. Um eine Messung mit
hoher Genauigkeit zu garantieren, muß eine Koordinatenmeßmaschine
häufig
einer genauen Prüfung
unterzogen werden, und Werte, die durch die Messung mit der Koordinatenmeßmaschine
erhalten wer den, werden unter Verwendung der genauen Prüfergebnisse
als Kalibrierwerte kalibriert, oder die Koordinatenmeßmaschine
wird feineingestellt. Diese Genauigkeitsprüfung erfordert die Verwendung
einer Lehre als das Normal. Die Lehre ist erforderlich, um eine
Bewertung von durch den Fühler
der Koordinatenmeßmaschine
detektierten Werten zu ermöglichen,
wenn er dreidimensional bewegt wird.
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Ein
erstes wichtiges Ziel für
Forscher war es, wie der Fehler jeder Achse in der Koordinatenmeßmaschine
gemessen werden sollte. Deshalb wurde zunächst eine Lehre zum Zweck des
Messens derartiger Fehler der Koordinatenmeßmaschine erfunden. Es ist
nun weitläufig
bekannt, daß die
Fehler im Grunde durch Vermessen einer Kugel oder von Kugeln gemessen
werden sollten. Aus diesem Grund hat sich die Forschung einem zweiten
Ziel zugewandt, und zwar einer Bestimmung, wie die Kugel oder Kugeln
in einer Lehre zur Messung und Bewertung angeordnet sein sollten.
Es sind verschiedene Versuche vorgenommen worden, um die Kugeln
in einer einzigen gleichen Ebene anzuordnen und sie im dreidimensionalen
Raum anzuordnen.
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Da
eine Kugellehre Kugeln verwendet, sind Kugelschrittlehren mit jeweils
mehreren geradlinig angeordneten Kugeln verwendet worden, wie es
in 9 und 10 gezeigt ist. Die in 9 gezeigte Kugelschrittlehre 86 umfaßt einen
Lehrenrahmenkörper 80,
in dem drei kreisförmige
Bohrungen 81 ausgebildet sind, einen Kugelaufnahmeabschnitt 82,
der am mittleren Grund jeder kreisförmigen Bohrung ausgebildet
ist, Fühlereinführungsnuten 83, 83,
die um und quer durch den Kugelaufnahmeabschnitt und in der Längsrichtung
des Lehrenrahmenkörpers
gegenüberliegend
ausgebildet sind, Fühlereinführungsnuten 84, 84,
die einander gegenüberliegend
in der Richtung senkrecht zu der Richtung ausgebildet sind, in der
die zuerst erwähnten
Fühlereinführungsnuten angeordnet sind,
und eine hochgenaue Kugel 85, die am Kugelaufnahmeabschnitt 82 befestigt
ist.
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Eine
Koordinatenmeßmaschine
wird beispielsweise unter Verwendung dieser Kugelschrittlehre 86 kalibriert,
indem die Kugelschrittlehre 86 auf einen Tisch gesetzt
und an diesem fixiert wird, der Fühler der Koordinatenmeßmaschine
in Kontakt gebracht wird mit mindestens vier Punkten am Außenumfang
einer Kugel 85, d.h. beispielsweise einer am weitesten
rechts in der Figur, um die Mittellage dieser Kugel durch Berechnung
zu messen, und sukzessive die Lagen der restlichen Kugeln auf die
gleiche Weise gemessen werden. Der Abstand zwischen benachbarten
Kugeln, der aus den Kugellagen erhalten wird, ist durch eine hochgenaue
Koordinatenmeßmaschine
kalibriert worden. Die Meßergebnisse
werden mit dem kalibrierten Abstandswert verglichen, um die Koordinatenmeßmaschine
zu kalibrieren.
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Bei
einer weiteren, in 10(a) gezeigten Kugelschrittlehre
nach dem Stand der Technik sind drei Stützen 93, an denen
jeweils eine Kugel 92 befestigt ist, auf einem Grundrahmenkörper 91 befestigt.
Jede Stütze 93 ist
teilweise derart freigeschnitten, daß sie eine Blattfederwirkung
aufweist, so daß die
auf der Spitze der Stütze
getragene Kugel 92 seitlich schwingen kann. Zwischen der
mittleren Kugel und jeder der rechten und linken Kugeln ist ein
Verbindungsrohr 94 angebracht, dessen entgegengesetzte
Endflächen,
die in Kontakt mit den Kugeln stehen, eine Form aufweisen, die zur
Außenform
der Kugeln 92 paßt.
Zwei Stützrahmen 96 steigen
von den entgegengesetzten Enden des Grundrahmenkörpers 91 aus an, und
ein Druckaufbringungsrohr 95 ist zwischen jede der rechten
und linken Kugeln und jedem Stützrahmen
angeordnet. Die Verbindungsrohre werden durch in die Stützrahmen
hineingedrehte Schrauben 97 gepreßt. Der Abstand zwischen benachbarten
Kugeln kann gemäß der effektiven Länge der
Verbindungsrohre 94 bestimmt werden. Die Endflächen der
Druckaufbringungsrohre 95, die in Kontakt mit den Kugeln 92 stehen,
weisen eine Form auf, die, ähnlich
wie die Endflächen
der Verbindungsrohre 94, zur Außenform der Kugeln 92 paßt.
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10(b) ist eine Draufsicht, die einen Teil von 10(a) zeigt, und Fühlereinführungsnuten 98 sind
wie gezeigt an Abschnitten ausgebildet, an denen die Verbindungsrohre 94 und
Druckaufbringungsrohre 95 an den Kugeln 92 anliegen,
und haben die gleiche Funktion wie die Fühlereinführungsnuten 83 der
in 9 gezeigten Kugelschrittlehre 86. Der
Abstand zwischen benachbarten Kugeln 92 der Kugelschrittlehre 99 ist
ebenfalls durch eine hochgenaue Koordinatenmeßmaschine kalibriert worden. Die
Kugellagen werden sukzessive auf die gleiche Weise wie bei der in 9 gezeigten Kugelschrittlehre
gemessen, und die Meßergebnisse
werden mit dem kalibrierten Abstandswert verglichen, damit die Kugelschrittlehre 99 eine
Koordinatenmeßmaschine kalibrieren
kann.
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Bei
den in 9 und 10 gezeigten Kugelschrittlehren
ist die Genauigkeit des Abstandes ziemlich hoch, da der Abstand
zwischen benachbarten Kugeln durch eine hochgenaue Koordinatenmeßmaschine
gemessen wird. Wenn jedoch eine Temperaturdifferenz zwischen den
oberen und unteren Seiten und/oder zwischen den rechten und linken
Seiten des Rahmenkörpers
aufgrund äußerer thermischer Turbulenz
erzeugt wird, verursacht die Temperaturdifferenz eine Wärmeausdehnung
des Rahmenkörpers.
Infolgedessen zeigt der Rahmenkörper
eine Bimetallwirkung und wird verbogen, so daß die Genauigkeit der Kugelschrittlehre
abnimmt.
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Die
vorliegende Erfindung kann die obigen Probleme lösen und zielt darauf, eine
Kugelschrittlehre bereitzustellen, bei der Abmessungsänderungen
des Abstandes zwischen benachbarten Kugeln weniger leicht verursacht
werden können,
selbst wenn eine Rahmenkonstruktion durch ih re eigene Bimetallwirkung
verbogen wird, die aus einer Wärmeausdehnung
resultiert, die durch die Temperaturdifferenz zwischen den oberen
und unteren Seiten und/oder zwischen den rechten und linken Seiten
der Rahmenkonstruktion aufgrund äußerer thermischer Turbulenz
hervorgerufen wird, und sehr klein sind, selbst wenn die Rahmenkonstruktion,
die als elastischer Tragbalken dient, durch ihre eigene statische Last
elastisch verformt wird.
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Aus
der
DE 297 22 450
U1 ist eine Kugelschrittlehre mit einer Lehrenrahmenkonstruktion
bekannt, die einen H-förmigen
Querschnitt sowie mehrere Bohrungen aufweist, die in vorbestimmten
Intervallen in einem horizontalen Rahmen der Lehrenrahmenkonstruktion
in einer axialen Richtung des horizontalen Rahmens ausgebildet sind.
Mehrere Kugeln sind auf einer neutralen Achse des Flächenträgheitsmomentes
der Lehrenrahmenkonstruktion vorgesehen.
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Aus
der
DE 195 07 805
A1 ist es bekannt, Kugeln durch Klemmung an der Lehrenrahmenkonstruktion
zu befestigen und durch Bohrungen um die Kugel herum das Antasten
derselben zu ermöglichen.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, Vorrichtungen und Verfahren zur Verfügung zu
stellen, mit denen der Abstand zwischen Kugeln einer Kugelschrittlehre
genau gemessen werden kann.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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Da
die Mittelpunkte aller Kugeln auf der neutralen Achse des zweiten
Flächenmomentes
der Lehrenrahmenkonstruktion vorhanden sind, sind die Abmessungen
der Kugelintervalle schwierig zu verändern, selbst wenn die Rahmenkonstruktion
durch äußere thermische
Turbulenz verbogen wird. Da außerdem
die Rahmenkonstruktion ein elastischer Tragbalken ist, wird sie
wie ein Balken durch ihre eigene statische Last elastisch verformt.
Jedoch können
diese Änderungen
in den Kugelintervallen klein eingerichtet werden.
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Durch
Vorsehen von Fixierungsflächen
parallel zu der Achse, entlang der die Kugeln angeordnet sind, um
zu verhindern, daß eine
die Kugelintervalle messende interferometrische Schritteinrichtung
rollt, kann außerdem
eine genaue Kugelschrittlehre erhalten werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen:
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1(a) ist eine Draufsicht, die eine Ausführungsform
einer Kugelschrittlehre gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, 1(b) ist eine Seitenansicht
der Kugelschrittlehre in 1(a), und 1(c) ist eine Perspektivansicht der Kugelschrittlehre
in 1(a).
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2 ist
eine Frontansicht, die eine interferometrische Schritteinrichtung
zum Messen des Abstandes zwischen benachbarten Kugeln unter Verwendung
der Kugelschrittlehre gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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3 ist
eine Ansicht der interferometrischen Schritteinrichtung in 2 von
unten.
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4 ist
eine Seitenansicht von rechts der interferometrischen Schritteinrichtung
in 2.
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5 ist
eine Seitenansicht von links der interferometrischen Schritteinrichtung
in 2.
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6(a) ist eine Querschnittsansicht, die
einen Spiegelhalter zeigt, der für
die interferometrische Schritteinrichtung in 2 verwendet
wird, 6(b) ist eine Seitenansicht
von links des Spiegelhalters in 6(a), 6(c) ist eine Seitenansicht von rechts des
Spiegelhalters in 6(a), und 6(d) ist eine Draufsicht, die den Kontaktzustand
zwischen einem V-förmigen
Kanal und einer kleinen Kugel des Spiegelhalters in 6(a) zeigt.
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7 ist
eine vergrößerte Seitenansicht,
die einen Wellenabschnitt des Spiegelhalters in 2 zeigt.
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8 ist
eine erläuternde
Ansicht, die das Prinzip eines optischen Systems zur interferometrischen
Messung zeigt, wenn angenommen wird, daß die interferometrische Schritteinrichtung
von 2 verwendet wird.
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9(a) ist eine Draufsicht, die eine Kugelschrittlehre
nach dem Stand der Technik zeigt, 9(b) ist
eine Querschnittsansicht der Kugelschrittlehre in 9(a) und 9(c) ist eine Längsschnittansicht der Kugelschrittlehre
in 9(a).
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10(a) ist eine Querschnittsansicht, die eine
andere Kugelschrittlehre nach dem Stand der Technik zeigt, und 10(b) ist eine Draufsicht der Kugelschrittlehre
in 10(a).
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Beste Art und Weise zur
Ausführung
der Erfindung:
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Anhand
der Zeichnungen wird eine Kugelschrittlehre gemäß der vorliegenden Erfindung
beschrieben. 1 zeigt eine Ausführungsform
der Kugelschrittlehre gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei der eine Lehrenrahmenkonstruktion 1 einen
rechten vertikalen Rahmen 2, einen linken vertikalen Rahmen 3 und
einen horizontalen Rahmen 4 umfaßt, der den rechten und den
linken vertikalen Rahmen 2 und 3 auf ihren jeweiligen
mittleren Höhen
verbindet, und im Querschnitt eine H-Form bildet, wie es in 1(b) und 1(c) gezeigt
ist.
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In
dem horizontalen Rahmen 4 der Lehrenrahmenkonstruktion 1 sind
Bohrungen 6 zum Einsetzen von Kugeln 5 ausgebildet,
die in vorbestimmten Intervallen entlang der Richtung der Mittelachse
des horizontalen Rahmens angeordnet sind. Die Kugeln 5 sind
unter Druck in die Bohrungen 6 eingesetzt und integral
mit der Lehrenrahmenkonstruktion 1. Die Kugeln 5 sind
unter Druck derart in die Lehrenrahmenkonstruktion 1 eingesetzt
und an dieser befestigt, daß die
Mittelpunkte der Kugeln 5 auf einer neutralen Achse L des
Flächenträgheitsmomentes
der Lehrenrahmenkonstruktion 1 mit H-förmigem Querschnitt vorhanden
sind.
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Es
sind vier Nuten 7 um jede unter Druck in die Bohrung 6 der
Lehrenrahmenkonstruktion 1 eingesetzte Kugel 5 herum
ausgebildet, und diese sind Zwischenräume, die notwendig sind, damit
ein beweglicher Fühler
einer Koordinatenmeßmaschine
die Kugel 5 berühren
kann, wenn die Kugelintervalle der Kugelschrittlehre 10 unter
Verwendung der Koordinatenmeßmaschine
gemessen werden.
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In 1(a) ist die Achse L die neutrale Achse
des Flächenträgheitsmomentes
der Lehrenrahmenkonstruktion 1, wie es oben beschrieben
ist, und die Mittelpunkte aller Kugeln 5 sind auf der Achse
L angeordnet. Deshalb ist die Achse L auch die Mittelachse, entlang
der die Kugeln 5 angeordnet sind.
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Die
oberen Endflächen 11 und 12 der
vertikalen Rahmen 2 und 3 im Gebrauchszustand
der Lehrenrahmenkonstruktion 1 und die oberen und die unteren
Flächen 13 des
horizontalen Rahmens 4, die parallel zur Achse L liegen,
dienen als Fixierungsflächen,
um zu verhindern, daß eine
interferometrische Schritteinrichtung zum Vermessen einer Kugelschrittlehre
rollt. Eine der Flächen
ist als eine Rollverhinderungsfläche
in Hinblick auf die Abmessungen des H-förmigen Querschnitts, die Form
und Abmessungen der interferometrischen Schritteinrichtung usw. oder
vom Standpunkt der baulichen Konstruktion aus geeignet ausgewählt.
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Bei
der derart aufgebauten Kugelschrittlehre 10 werden, da
die Mittelpunkte aller Kugeln 5 auf der neutralen Achse
des Flächenträgheitsmomentes
der Lehrenrahmenkonstruktion 1 angeordnet sind, Abmessungsänderungen
des Abstandes zwischen benachbarten Kugeln weniger leicht verursacht,
selbst wenn die Lehrenrahmenkonstruktion durch ihre eigene Bimetallwirkung
verbogen wird, die aus einer Wärmeausdehnung
resultiert, die durch die Temperaturdifferenz zwischen den oberen
und unteren Seiten und/oder zwischen den rechten und linken Seiten
der Lehrenrahmenkonstruktion aufgrund äußerer thermischer Turbulenz
hervorgerufen wird. Obwohl außerdem
die Lehrenrahmenkonstruktion der Kugelschrittlehre 10 durch
ihre eigene statische Last elastisch verformt wird, da sie ein elastischer
Tragbalken ist, können
jedoch Änderungen
der Kugelintervalle sehr klein eingerichtet werden, selbst wenn
eine derartige elastische Verformung hervorgerufen werden sollte. Deshalb
ist die Kugelschrittlehre äußerst genau.
Eine Koordinatenmeßmaschine
kann mit der Kugelschrittlehre selbst durch ein herkömmliches
Kalibrierverfahren genau kalibriert werden.
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Nach
der Herstellung der obig aufgebauten Kugelschrittlehre 10 muß die Lage
jeder Kugel kalibriert werden. Die Kugellagen sind bisher unter
Verwendung einer Koordinatenmeßmaschine
so genau wie möglich
gemessen worden. Da jedoch die Genauigkeit der gemessenen Lagen
in die Genauigkeit der genauen Koordinatenmeßmaschine fällt, ist die Kugelschrittlehre
nach dem Stand der Technik nur als eine Normallehre zum Kalibrieren
von Koordinatenmeßmaschinen
wirksam, deren Genauigkeit niedriger ist als die der genauen Koordinatenmeßmaschine.
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Im
allgemeinen wird der Fehler einer Normallehre zum Kalibrieren eines
Meßgeräts vorzugsweise im
Bereich von ungefähr
1/5 bis ungefähr
1/10 besser als der des Meßgeräts kalibriert.
In den letzten Jahren ist die Genauigkeit von Koordinatenmeßmaschinen
beträchtlich
gesteigert worden. Es ist eine Koordinatenmeßmaschine mit einem Fehler
von nicht mehr als 1 μm
für 500
mm Messung erhältlich.
Jedoch gibt es keine Koordinatenmeßmaschine mit einem Fehler
von 0,2 μm,
d.h. 1/5 des vorstehend erwähnten
Fehlers von 1 μm.
In dem Fall, daß eine
Kalibrierung einer Koordinatenmeßmaschine mit einem Fehler
von 1 μm
unter Verwendung einer Normallehre mit einem Fehler von 1 μm durchgeführt wird,
wird im Hinblick auf eine Längennachvollziehbarkeit
ein Widerspruch entstehen.
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Um
den obigen Widerspruch aufzulösen, wird
deshalb vorzugsweise eine interferometrische Schritteinrichtung 20,
wie sie beispielsweise in 2 bis 8 gezeigt
ist, verwendet, so daß eine
interferometrische Längenmessung
unter Verwendung einer Lichtwellenlänge, die das Längennormal
ist, direkt als das Maßnormal
durchgeführt
werden, wenn der Abstand zwischen benachbarten Kugeln gemessen wird,
und so daß eine
genauere Kalibrierung schnell unter Beachtung des Abbe'schen Prinzips während der
Abstandsmessung bewirkt werden kann.
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2 ist
eine Frontansicht der interferometrischen Schritteinrichtung 20,
bei der Kugeln 5 und 5' der Kugelschrittlehre 10 in
mit zwei Punkten unterbrochenen Linienzügen gezeigt sind. 3 ist
eine Ansicht davon von unten. 4 ist eine
Seitenansicht der Schritteinrichtung von rechts, und 5 ist eine
Seitenansicht von dieser von links, in der die H-förmige Rahmenkonstruktion
und Kugel 5 oder 5' der
Kugelschrittlehre 10 ebenfalls als mit zwei Punkten unterbrochene
Linienzüge
gezeigt sind. 6 zeigt ein optisches Reflexionssystem,
das für
die interferometrische Schritteinrichtung 20 verwendet wird,
und 7 ist eine vergrößerte Seitenansicht einer Welle,
die für
die interferometrische Schritteinrichtung 20 verwendet
wird.
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Wie
es in 2 bis 5 gezeigt ist, umfaßt die Lichtwellen-Interferenz-Schritteinrichtung 20 eine obere
Platte 21, einen ersten Abstandshalter 22, der an
der oberen Platte befestigt ist, und drei kugelförmige Körper 23, wie Stahl-
oder Keramikkugeln, die an der unteren Fläche des ersten Abstandshalters 22 befestigt
und konzentrisch in Winkelintervallen von 120 Grad angeordnet sind.
Eine Sitzfläche,
die durch die drei kugelförmigen
Körper 23 gebildet
ist und mit der Kugel 5 oder 5' in Eingriff steht, wird Kugelsitz
mit drei Kugeln genannt und kann die Kugel 5 stabil darauf
tragen.
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Ein
zweiter Abstandshalter 24 ist zusätzlich zum ersten Abstandshalter 22 an
der oberen Platte 21 der interferometrischen Schritteinrichtung 20 befestigt.
Am unteren Abschnitt des zweiten Abstandshalters 24 sind
zwei zylindrische Bohrungen mit einem entfernten Umfangssegment
angeordnet, die parallel zueinander und zur Achse L gemeinsam mit den
Kugeln 5 liegen. Ein zylindrischer Stab 25 ist
unter Druck in jede der zylindrischen Bohrungen eingesetzt und ragt
aus den Umfangssegmenten der zylindrischen Bohrungen hervor und
berührt
die Kugel 5' an
insgesamt zwei Punkten. Es ist bevorzugt, zylindrische Walzen für ein Wälzlager
als die zylindrischen Stäbe 25 zu
verwenden. Eine Konstruktion als ein Ersatz für die Konstruktion der parallel
angeordneten zylindrischen Stäbe 25 ist
derart, daß V-förmige Flächen durch
zwei einander schneidende Ebenen angeordnet sind, oder derart, daß die untere
Fläche
des Abstandshalters 24 derart ausgebildet ist, daß sie eine
V-förmige
Kerbe aufweist. Bei jeder der beiden Ersatzkonstruktionen kann ein
Kontakt mit der Kugel 5 oder 5' an zwei Punkten erzielt werden,
um die gleiche Wirkung, wie sie oben beschrieben ist, zu erhalten.
Jedoch ist die Verwendung der zylindrischen Stäbe 25, die aus zylindrischen
Walzen für
ein Wälzlager
gebildet sind, wie es oben beschrieben wurde, gegenüber der
Verwendung der beiden Ersatzanordnungen in dem Aspekt überlegen,
daß eine
Verringerung einer Reibungskraft in bezug auf die Kugeloberfläche ermöglicht wird.
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Die
interferometrische Schritteinrichtung 20 ist auf den beiden
benachbarten Kugeln 5 und 5' der Kugelschrittlehre 10 auf
eine überspannende
Art und Weise angeordnet. Bekanntlich gibt es sechs Freiheitsgrade für die Lage
und Stellung eines starren Körpers
im Raum. Um die Schritteinrichtung 20 relativ zur Kugelschrittlehre 10 vollständig zu
fixieren, ist deshalb eine weitere Punktfixierung zusätzlich zu
der Fünfpunktfixierung,
nämlich
die Dreipunktfixierung durch den Kugelsitz mit drei Kugeln und die
Zweipunktfixierung der Kugel 5' durch die zylindrischen Stäbe 25 erforderlich.
Die sechste Fixierung wird durch eine kleine Kugel 26 erzielt,
die von der oberen Platte 21 nach unten hervorragt, so
daß sie
an der Endfläche
von einem der vertikalen Rahmen anliegt, die als eine Fläche dient,
die verhindert, daß die
Kugelschrittlehre 10 rollt. Die kleine Kugel 26 ist
am unteren Ende einer Stellschraube 27 befestigt. Die Stellschraube 27 steht
schraubenartig mit der oberen Platte 21 in Eingriff und
wird, nachdem sie vertikal eingestellt worden ist, relativ zur oberen
Platte 21 mittels einer Mutter 28 gesperrt. Wie
es vorstehend beschrieben wurde, kann die obere Fläche des
horizontalen Rahmens anstelle der Endfläche des vertikalen Rahmens
als die Rollverhinderungsfläche
verwendet werden.
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Indem
die interferometrische Schritteinrichtung 20 wie oben beschrieben
aufgebaut worden ist und die interferometrische Schritteinrichtung 20 auf eine überspannende
Art und Weise auf die beiden Kugeln 5 und 5' gesetzt worden
ist, können
die sechs Freiheitsgrade eines starren Körpers im Raum vollständig fixiert
werden. Dadurch kann eine Koordinatenmeßmaschine mit Leichtigkeit
genau kalibriert werden.
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Spiegelträgerarme 30 erstrecken
sich von beiden Seiten der oberen Platte 21 der interferometrischen
Schritteinrichtung 20. Wie es in 6(a) bis 6(d) gezeigt ist, ist ein Spiegelhalter 31 an
jedem Spiegelträgerarm 30 angeordnet
und befestigt.
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Wie
es in 6 gezeigt ist, ist ein reflektierender Spiegel 32 am
Spiegelhalter 31 befestigt. Ein Federeingriffsstift 33 ist
am Spiegelhalter 31 befestigt. Eines der Hakenteile einer
Zugfeder 34 steht mit dem Federeingriffsstift 33 in
Eingriff. Das andere Hakenteil der Zugfeder 34 steht mit
einem Federanschlag 39 eines Federeingriffarms 35 in
Eingriff, der an der Rückfläche des
Spiegelträgerarms 30 befestigt
ist. Die Zugfeder 34 verläuft durch eine Durchgangsbohrung 47,
die in dem Spiegelträgerarm 30 ausgebildet
ist und spannt den Spiegelhalter 32 in einer Richtung nach
links in 6(a) vor, wobei der Mittelpunkt
des Spiegelhalters mit dem Schnittpunkt von V-förmigen Kanälen 36 ausgerichtet
ist.
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Wie
es in 6(c) gezeigt ist, sind drei
V-förmige
Kanäle 36 radial
in Winkelintervallen von 120 Grad in der Fläche des Spiegelhalters 31 auf
der abgewandten Fläche
zu derjenigen ausgebildet, auf der der reflektierende Spiegel 32 montiert
ist. Eine kleine Kugel 37 ist in jedem V-förmigen Kanal 36 angeordnet
und durch die Zugkraft der Zugfeder an zwei Punkten in engen Kontakt
mit diesem gebracht. Da es drei kleine Kugeln 37 gibt,
ist der Spiegelhalter 31 relativ zum Spiegelträgerarm 30 an
insgesamt sechs Punkten stabil fixiert. Jede kleine Kugel 37 ist
an der Spitze einer Stellschraube 38 befestigt, die schraubenartig
mit dem Spiegelträgerarm 30 in
Eingriff steht.
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Da
eine Träger-
und Stellvorrichtung in einem optischen Reflexionssystem wie oben
beschrieben aufgebaut ist, kann die Reflexionsfläche des reflektierenden Spiegels 32 derart
eingestellt werden, daß sie
exakt mit der Linie A-A in 3 übereinstimmt,
die durch den Mittelpunkt des Kugelsitzes mit drei Kugeln der interferometrischen
Schritteinrichtung 20 verläuft, indem die drei Stellschrauben 38 verdreht
und eingestellt werden, und kann leicht derart eingestellt werden,
daß sie
eine Stellung senkrecht zur Interferenzlichtachse aufweist. Ferner
können
ein Corner Cube, der allgemein als eine optische reflektierende
Einrichtung verwendet wird, oder andere reflektierende Einrichtungen
anstelle des vorstehend erwähnten
reflektierenden Spiegels verwendet werden.
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Wenn
das Kugelintervall in der Kugelschrittlehre 10 unter Verwendung
der interferometrischen Schritteinrichtung 20 gemessen
wird, wird eine bekannte interferometrische Meßvorrichtung 40 verwendet.
Wie es in 8 veranschaulicht ist, die das Prinzip
eines optischen Systems zeigt, umfaßt die Vorrichtung einen Licht-Sender-Empfänger 41,
einen ersten Halbspiegel 42, einen zweiten Halbspiegel 43, ein
erstes reflektierendes Prisma 44 und ein zweites reflektierendes
Prisma 45. Lichtstrahlen von den ersten und zweiten Halbspiegeln 42 und 43 werden
auf die reflektierenden Spiegel 32 und 32' projiziert,
die auf den entgegengesetzten Seiten der interferometrischen Schritteinrichtung 20 angeordnet
sind. Auf der Grundlage des von dem Licht-Sender-Empfänger empfangenen,
reflektierten Lichtes können
die Lagen der reflektierenden Spiegel 32 und 32' und die Mittellagen
der Kugeln 5 genau gemessen werden.
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Die
Lagen der Reflexionsflächen
der reflektierenden Spiegel 32 und 32', die durch
eine erste Kugel 5 und eine zweite Kugel 5' der Kugelschrittlehre 10 positioniert
und bestimmt werden, werden als ein Nullpunkt festgelegt, der der
Ursprung der Messung ist. Die interferometrische Schritteinrichtung 20 wird
dann in die Position der zweiten und einer dritten Kugel bewegt,
um die Lagen auf die gleiche Weise zu messen, wie es oben beschrieben
wurde und durch die mit zwei Punken unterbrochenen Linienzüge in 8 gezeigt
ist. Die Bewegung und die Messung werden wiederholt, um die Lagen
der jeweiligen Kugeln der Kugelschrittlehre zu messen, wodurch die Messung
der Kugelintervalle ermöglicht
wird. Das Intervall zwischen dem letzten Paar Kugeln kann gemessen
werden, indem die Richtung der Kugelschrittlehre geändert wird,
und die interferometrische Messung auf die gleiche Weise, wie oben
beschrieben wurde, durchgeführt wird.
Somit können
alle Kugelintervalle unter Verwendung der Lichtwellenlänge direkt
als das Maßnormal
kalibriert werden. Diese Messung ist genauer als die herkömmliche
Messung unter Verwendung einer Koordinatenmeßmaschine. Daher kann eine äußerst genaue
Kugelschrittlehre erhalten werden.
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Wenn
es notwendig ist, wird die gleiche interferometrische Messung mit
der umgekehrt gerichteten Kugelschrittlehre durchgeführt, wodurch
die Kugelintervalle in den beiden Richtungen gemessen werden, und
die beiden Meßwerte
werden gemittelt. Infolgedessen kann eine genauere Kugelschrittlehre erhalten
werden.
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Die
interferometrische Schritteinrichtung 20 wird angehoben,
um die Behinderung zwischen den Kugeln 5 und der interferometrischen
Schritteinrichtung 20 zu vermeiden, und horizontal und
nach unten in die nächste
Kugelposition bewegt. Die vertikale Bewegung kann unter Verwendung
der Funktion der Z-Achse einer Koordinatenmeßmaschine und einer Einspannung
einer Welle 50 mit der Z-Achse erzielt werden. Die horizontale
Bewegung kann auch unter Verwendung der Funktion der X-Achse der Koordinatenmeßmaschine
und direktes Bewegen der interferometrischen Schritteinrichtung 20 erzielt
werden. Wenn eine Koordinatenmeßmaschine
vom Typ mit sich bewegendem Tisch verwendet wird, wird die Kugelschrittlehre 10 unter
Verwendung der X-Achsen-Funktion horizontal bewegt.
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Selbst
wenn die interferometrische Schritteinrichtung 20 in 3 oder 4 beispielsweise seitlich
geneigt ist, kann, da eine Linie, die die Mitten der reflektierenden
Spiegel 32 und 32' verbindet,
immer um die Achse geneigt ist, die durch die Kugeln 5 und 5' verläuft, das
Abbe'sche Prinzip
beachtet werden, wodurch jederzeit eine genaue Messung ermöglicht wird.
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7 ist
eine erläuternde
Ansicht, die den Montagezustand zwischen der oberen Platte 21 der interferometrischen
Schritteinrichtung 20 und der Welle 50 zum Bewegen
der interferometrischen Schritteinrichtung 20 zeigt, wenn
die vorstehend erwähnte
interferometrische Messung bewirkt wird. Wie gezeigt, ist es bevorzugt,
in der oberen Platte 21 eine Bohrung 20 für die Welle 50 auszubilden,
wobei ein kleiner Paßspalt 51 zwischen
der Welle und der oberen Platte zurückbleibt, und einen kleinen
Spalt 54 zwischen der unteren Fläche und der oberen Platte 21 und
einem am unteren Ende der Welle 50 gebildeten Flansch 53 zu
belassen. Dies ist eine Gegenmaßnahme,
um keine weitere Fixierung zusätzlich zur
Sechspunktfixierung der Kugelschrittlehre 10 zu bilden,
wenn das untere Ende der Z-Achse der Koordinatenmeßmaschine
mit der Welle 50 am oberen Teil 55 der Welle verbunden
ist. Es ist somit erforderlich, den Spalt in der radialen Richtung
der Bohrung 29 für
die Welle 50 relativ zur oberen Platte 21 zu erhalten,
wenn die Interferenzmessung vorgenommen wird. Wenn die Welle 50 fest
an der oberen Platte 21 befestigt ist, ist es erforderlich,
eine Gegenmaßnahme
vorzunehmen, wie beispielsweise das Vorsehen einer Stützeinrichtung,
die es ermöglicht,
daß ein Spalt
zwischen dem oberen Teil 55 der Welle 50 und dem
unteren Ende der Z-Achse der Koordinatenmeßmaschine bleibt.
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Industrielle Anwendbarkeit:
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Da
die Kugelschrittlehre gemäß der vorliegenden
Erfindung wie oben beschrieben aufgebaut ist, werden Abmessungsänderungen
des Abstandes zwischen benachbarten Kugeln weniger leicht verursacht,
selbst wenn ihre Rahmenkonstruktion durch ihre eigene Bimetallwirkung
verbogen wird, die aus einer Wärmeausdehnung
resultiert, die durch die Temperaturdifferenz zwischen den oberen
und unteren Seiten und/oder zwischen den linken und rechten Seiten
der Rahmenkonstruktion aufgrund von äußerer thermischer Turbulenz
hervorgerufen wird. Wenn ferner die Rahmenkonstruktion, die als
ein elastischer Tragbalken dient, durch ihre eigene statische Last
elastisch verformt wird, zeigt die Kugelschrittlehre eine sehr kleine Änderung
des Kugelintervalls. Außerdem
gestattet die Kugelschrittlehre, daß eine Lichtwellenlänge, die
das Längennormal
ist, direkt als das Maßnormal
verwendet werden kann, wenn der Abstand zwischen benachbarten Kugeln
gemessen wird.
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Da
sich die Kugelintervalle weniger leicht ändern, kann die Kugelschrittlehre
als eine zuverlässige Normallehre
zum Kalibrieren von Koordinatenmeßmaschinen verwendet werden.