DE102008030985A1

DE102008030985A1 - Messanordnung zur Positionsmessung

Info

Publication number: DE102008030985A1
Application number: DE200810030985
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Pucher; Stefan KÜHNHAUSER; Florian MSc Bart
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2010-01-07

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Messanordnung für ein Positionsmesssystem zur Ermittlung der Position zweier zueinander beweglicher Bauteile durch Abtastung einer Maßverkörperung mittels einer Abtasteinrichtung, mit einem zu messenden Bauteil, einem Trägerkörper, der eine Maßverkörperung oder eine zur Abtastung einer Maßverkörperung vorgesehene Abtasteinrichtung trägt, und mindestens einer Schraube, die jeweils einen Flanschbereich des zu messenden Bauteiles und des Trägerkörpers durchgreift und die beiden Flanschbereiche gegeneinander verspannt, um den Trägerkörper und das zu messende Bauteil aneinander zu befestigen. Dabei ist vorgesehen, dass die Schraube (5) auf mindestens einen der Flanschbereiche (1, 2) über ein zusätzliches Zwischenelement (4) einwirkt, welches einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten (alpha4) aufweist als das Material der Flanschbereiche (1, 2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung gemäß Patentanspruch 1.
Eine derartige Messanordnung bildet einen Bestandteil eines Positionsmesssystems, mit dem durch Abtastung einer Maßverkörperung mittels einer hierfür vorgesehenen Abtasteinrichtung die Position zweier zueinander beweglicher Bauteile, z. B. zweier zueinander beweglicher Maschinenteile einer Werkzeugmaschine, ermittelbar ist; bzw. die Messanordnung ist als ein Bestandteil eines solchen Positionsmesssystems vorgesehen.
Bei einem solchen Positionsmesssystem wird dem einen der zueinander beweglichen Bauteile eine Maßverkörperung, z. B. gebildet durch eine Messteilung, und dem anderen der zueinander beweglichen Bauteile eine Abtasteinrichtung, z. B. gebildet durch eine Abtastplatte, zugeordnet, mit der die Maßverkörperung abtastbar ist, z. B. durch induktive, magnetische oder fotoelektrische Abtastung. Die Maßverkörperung kann hierbei sowohl als eine Inkrementalteilung ausgebildet sein, durch deren Abtastung Positionsänderungen der beiden Bauteile zueinander erfassbar sind, als auch als eine absolut codierte Messteilung, durch deren Abtastung unmittelbar die jeweilige aktuelle Lage der beiden zueinander beweglichen Bauteile bestimmbar ist. Im erstgenannten Fall weist die Maßverkörperung gegebenenfalls zusätzlich zu der Inkrementalteilung Referenzmarken auf, um die durch Abtastung der Inkrementalteilung gewonnenen Positionsänderungen der beiden zueinander beweglichen Bauteile auf eine Referenzposition beziehen zu können und somit Aussagen über die Lage der beiden Bauteile zueinander treffen zu können.
Weiterhin kann es sich bei dem Positionsmesssystem vorliegend sowohl um ein Längenmesssystem als auch um ein Winkelmesssystem handeln.
Die konkrete Ausgestaltung des Positionsmesssystems, in dem die erfindungsgemäße Messanordnung verwendet werden soll, ist vorliegend nicht entscheidend, so dass diesbezüglich auf das Fachbuch Digitale Längen- und Winkelmesstechnik: Positionsmesssysteme für den Maschinenbau und die Elektronikindustrie von Alfons Ernst (Landsberg/Lech 1998) verwiesen wird. Denn die vorliegende Erfindung ist vom Erfindungsprinzip her unabhängig von dem bei der Positionsmessung verwendeten Messverfahren.
Von Bedeutung ist vorliegend vielmehr die Ausgestaltung der Befestigung zwischen dem jeweiligen zu messenden Bauteil und dem Trägerkörper der zugeordneten Komponente der Messanordnung, also einer Maßverkörperung oder einer zur Abtastung einer Maßverkörperung vorgesehenen Abtasteinrichtung.
Zur Befestigung eines eine Maßverkörperung oder eine Abtasteinrichtung tragenden Trägerkörpers an einem zugeordneten Bauteil, z. B. einem Maschinenbauteil, ist es bekannt, eine Schraubverbindung zu verwenden. Hierbei besteht jedoch das Problem, dass Temperaturänderungen zu einer Längenänderung der Schraube führen können, die von der temperaturbedingten Änderung der Ausdehnung der über die Schraube miteinander verbundenen Elemente (zu messendes Bauteil einerseits und Trägerkörper andererseits) abweicht, da die letztgenannten Elemente typischerweise aus einem anderen Material (insbesondere einem Glas oder glasartigen Werkstoff, wie z. B. Zerodur) bestehen als die Schraube, für die z. B. Stahl oder Invar (eine Eisen-Nickel-Legierung) geeignete Materialien darstellen. Dies kann eine temperaturbedingte Verlagerung der Position der am Trägerkörper vorgesehenen Maßverkörperung bzw. Abtasteinrichtung zur Folge haben, was insbesondere dann die Messgenauigkeit des Positionsmesssystems beeinträchtigt, wenn eine Messrichtung des Positionsmesssystems mit der Erstreckungsrichtung der Schraube bzw. mit der Richtung zusammenfällt, entlang der das zu messende Bauteil und der zugehörige Trägerkörper des Positionsmesssystems mittels der Schraube gegeneinander verspannt werden.
Ausgehend von den vorstehend beispielhaft genannten Materialien der zueinander beweglichen Bauteile einerseits und der Schraube andererseits kann die Schraube dabei insbesondere einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen als die besagten Bauteile.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Messanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Genauigkeit einer Positionsmessung durch Temperaturschwankungen möglichst wenig beeinträchtigt wird.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Schaffung einer Messanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Danach stützt sich die mindestens eine Schraube, über die das zu messende Bauteil und ein zugeordneter Trägerkörper des Positionsmesssystems (mit einer bestimmten Spannkraft) gegeneinander verspannt sind, über ein Zwischenelement (in Richtung der Vorspannkraft der Schraubverbindung) an dem zu messenden Bauteil und/oder dem Trägerkörper ab, welches Zwischenelement (entlang der Erstreckungsrichtung der Schraube und somit entlang der Wirkrichtung der Vorspannkraft) einen größeren thermischen Längenausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material des zu messenden Bauteils und/oder das Material des zugeordneten Trägerkörpers, jedenfalls soweit dies die mittels der Schraube gegeneinander verspannten Bereiche (Flanschbereiche) des zu messenden Bauteils und des Trägerkörpers betrifft.
Die Bereiche des zu messenden Bauteils sowie des zugeordneten Trägerkörpers, die sich – entlang der Erstreckungsrichtung der Schraube (axiale Richtung) betrachtet – zwischen den Enden der Schraube befinden und auf die die von der Schraube ausgeübte Vorspannkraft einwirkt, um das zu messende Bauteil und den Trägerkörper gegeneinander zu verspannen und somit aneinander zu befestigen, werden hier als Flanschbereiche bezeichnet.
Indem das Material des mindestens einen Zwischenelementes (Kompensationselement) sowie dessen Ausdehnung in axialer Richtung geeignet gewählt werden, lassen sich dessen (durch das verwendete Material bestimmter) thermischer Längenausdehnungskoeffizient und dessen axiale Ausdehnung in der Richtung, entlang der die Vorspannkraft der Schraube wirkt, so aufeinander abstimmen, dass sich bei Temperaturschwankungen die Änderung der (effektiven) Länge der Schraube in axialer Richtung einerseits sowie die Änderung der axialen Ausdehnung der beiden Flanschbereiche und der weiteren zwischen den Stützabschnitten der verwendeten Schraube verspannten Elemente, darunter insbesondere das Zwischenelement, andererseits gegeneinander aufheben. Mit anderen Worten ausgedrückt, sollte eine durch Temperaturschwankungen verursachte Änderung der axialen Ausdehnung der Schraube möglichst genauso groß sein wie die Summe der Änderungen der axialen Ausdehnung der zwischen den Enden der Schraube verspannten Elemente, darunter insbesondere der Flanschbereich des zu messenden Bauteiles, der Flanschbereich des Trägerkörpers sowie das Zwischenelement.
Somit lässt sich das Zwischenelement derart ausgestalten, dass thermische Längenänderungen der Schraube in axialer Richtung durch die Summe der Längenänderungen der zwischen den Enden der Schraube verspannten Elemente, darunter das besagte Zwischenelement, möglichst weitgehend kompensiert wird. Hierdurch werden örtliche Verlagerungen der am Trägerkörper der Messanordnung vorgesehenen Maßverkörperung bzw. Abtasteinrichtung bezüglich des zu messenden Bauteiles minimiert und somit deren Auswirkungen auf die Messgenauigkeit unterdrückt.
Unter der (effektiven) Länge bzw. Ausdehnung der Schraube in axialer Richtung wird dabei vorliegend jeweils deren Länge zwischen den Stützabschnitten der Schraube (wie z. B. Schraubenkopf und Mutter) verstanden, über die die Schraube auf die zu verspannenden Flanschbereiche einwirkt. In entsprechender Weise bezieht sich die axiale Ausdehnung der mittels der Schraube gegeneinander verspannten Elemente, insbesondere der Flanschbereiche und des Zwischenelementes, auf deren axiale Ausdehnung zwischen den besagten Stützabschnitten der Schraube.
Vorteilhaft wirkt die Schraube auf mindestens einen der Flanschbereiche über ein solches Zwischenelement ein, dessen Ausdehnung in axialer Richtung der Schraube und dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient – durch Verwendung eines Materials mit einem entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten – derart gewählt sind, dass die Spannkraft der Schraubverbindung bei Temperaturänderungen an der Schraubverbindung, insbesondere an den beiden Flanschbereichen, der Schraube und dem Zwischenelement, zumindest annähernd konstant bleibt.
In realen Messanordnungen lässt sich in der Regel keine exakte Kompensation thermischer Längenänderungen der Schraube mittels eines zugeordneten Zwischenelementes erreichen. Denn in einer Messanordnung treten, wie in jedem realen System, Toleranzen auf, etwa Fertigungstoleranzen hinsichtlich der axialen Ausdehnung der Schraube und der mittels der Schraube verspannten Flanschbereiche, Toleranzen hinsichtlich der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Elemente der Messanordnung (etwa aufgrund von Schwankungen in der Materialzusammensetzung, aufgrund von Abweichungen in der jeweiligen Vorbehandlung eines Elementes, aufgrund von Materialalterung usw.). Darüber hinaus können Temperaturänderungen an den einzelnen mittels der Schraube verspannten Elementen lokal unterschiedlich sein, so dass die Qualität der Kompensation eine thermischen Längenänderung der Schraube mittels des Zwischenelementes auch vom jeweiligen Temperaturprofil abhängt.
Zur Reduzierung der Einflüsse solcher Effekte ist dem Zwischenelement gemäß einer ersten Variante der Erfindung mindestens ein Federmittel zugeordnet, dessen Deformierbarkeit in axialer Richtung der Schraubverbindung unter der Wirkung äußerer Kräfte substanziell größer ist als die Deformierbarkeit der gegeneinander verspannten Flanschbereiche des zu messenden Bauteiles und des Trägerkörpers sowie die Deformierbarkeit der Schraube. Indem sich die Schraube zusätzlich über ein Federmittel an dem zu messenden Bauteil bzw. dem zugeordneten Trägerkörper abstützt, werden die Auswirkungen temperaturbedingter Längenänderungen der Schraube auf die gegeneinander verspannten Flanschbereiche gedämpft und wirken sich – soweit sie durch das verwendete Zwischenelement nicht ohnehin kompensiert werden – nur geringfügig auf die Ausdehnung der Flanschbereiche in axialer Richtung aus. Dies wird weiter unten anhand von Schraubenkennlinien noch näher erläutert werden.
Von Bedeutung ist hierbei, dass die Deformierbarkeit der Federmittel unter der Wirkung äußerer Kräfte substanziell größer ist als die Deformierbarkeit der Flanschbereiche bzw. umgekehrt die Steifigkeit der Flanschbereiche substanziell größer ist als die Steifigkeit der Federmittel. Vorteilhaft beträgt die Steifigkeit der Federmittel weniger als Einhundertstel der Steifigkeit der Flanschbereiche in axialer Richtung.
Um zu verhindern, dass es aufgrund thermisch bedingter Änderungen der Ausdehnung der Federmittel in radialer Richtung, also senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Schraube, zu ungewollten Änderungen der Vorspannkraft der Federmittel kommt, sind diese vorteilhaft an mindestens einem axialen Ende fest, z. B. stoffschlüssig, mit einem zugeordneten Adapterstück verbunden. Dieses Adapterstück kann als ein von dem zu messenden Bauteil sowie dem Trägerkörper der Messanordnung separates Bauteil ausgebildet sein, um eine eigenständige Handhabung der Federmittel zu ermöglichen. Ein entsprechendes Adapterstück kann beispielsweise mit den Federmitteln durch ein Klebemittel verbunden sein oder einstückig an diesen angeformt sein, auch wenn für die Federmittel einerseits und das Adapterstück andererseits vorteilhaft unterschiedliche Materialien verwendet werden. Insbesondere kann das Adapterstück aus demselben Material bestehen wie dasjenige Flanschteil, an dem das Adapterstück anliegt, so dass Temperaturänderungen zu einer gleichmäßigen Änderung der Ausdehnung des Adapterstückes einerseits sowie des zugeordneten Flanschbereiches andererseits führen und demnach keine Relativbewegung des Adapterstückes bezüglich des Flanschteiles in radialer Richtung zur Folge haben.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung bilden die Federmittel zugleich das Zwischenelement. D. h., sie dienen nicht nur zum Toleranzausgleich sondern weisen zudem einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der – bei Verwendung einer Feder geeigneter Ausdehung in axialer Richtung – zugleich auch die erforderliche Kompensation von Längenänderungen der Schraube bewirkt. Durch eine einstückige Ausbildung von Federmittel und Zwischenelement wird die Zahl der Setzflächen minimiert und somit auch Reibung reduziert.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren deutlich werden.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Positionsmesssystems zur Bestimmung der Position zweier zueinander beweglicher Bauteile;
2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schraubverbindung zur Befestigung eines Trägerkörpers des Positionsmesssystems an einem der zu messenden Bauteile unter Verwendung eines Zwischenelementes;
3 eine erste Abwandlung der Schraubverbindung aus 2;
4a eine perspektivische Darstellung eines Zwischenelementes aus 3 zusammen mit einem Adapterstück;
4b eine zweite perspektivische Darstellung des Zwischenelementes aus 3 zusammen mit einem Adapterstück;
5a ein Spannungsdreieck einer Schraubverbindung;
5b ein Spannungsdreieck einer Schraubverbindung mit einem zusätzlichen Federmittel;
6 eine zweite Abwandlung der Schraubverbindung aus 2;
7 eine perspektivische Darstellung eines alternativ ausgebildeten Zwischenelementes der Schraubverbindung aus 6.
1 zeigt schematisch ein Positionsmesssystem zur Bestimmung der Position zweier zueinander beweglicher Bauteile M1, M2, zum Beispiel zweier Maschinenteile einer Werkzeugmaschine. Zur Erfassung der Position der beiden Bauteile M1, M2 zueinander ist an jedem der beiden Bauteile M1, M2 jeweils ein Trägerkörper T1 bzw. T2 vorgesehen, von denen einer eine Maßverkörperung K und der andere eine Abtasteinrichtung A in Form einer Abtastplatte zur Abtastung jener Maßverkörperung K trägt. Im Ausführungsbeispiel ist dabei die Abtasteinrichtung A an dem Trägerkörper T1 eines ersten der zueinander beweglichen Bauteile M1, M2 angeordnet und die zugeordnete Maßverkörperung K am Trägerkörper T2 des zweiten der zueinander beweglichen Bauteile M1, M2. Dabei kann aber auch umgekehrt dem ersten Bauteil M1 die Maßverkörperung K und dem zweiten Bauteil M2 die Abtasteinrichtung A zugeordnet sein.
Das in 1 dargestellte Positionsmesssystem ist so ausgebildet, dass sich hiermit die Lage der beiden Bauteile M1, M2 zueinander entlang einer Ebene (xy-Ebene) bestimmen lässt. Hierzu ist am dem zweiten Bauteil M2 zugeordneten Trägerkörper T2 eine entsprechende flächige Maßverkörperung K, zum Beispiel in Form eines Kreuzgitters, vorgesehen. Diese wird durch eine Abtasteinrichtung A (Abtastplatte) abgetastet, die am dem ersten Bauteil M1 zugeordneten Trägerkörper T1 angeordnet ist.
Obwohl in 1 beispielhaft ein Kreuzgitter als Maßverkörperung K dargestellt ist, können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch andere Maßverkörperungen Anwendung finden. Sowohl Maßverkörperungen in Form einer Inkrementalteilung (eindimensional oder zweidimensional, wie z. B. in Form eines Kreuzgitters), mit denen Änderungen der Position der beiden Bauteile M1, M2 zueinander bestimmbar sind, als auch absolut kodierte Maßverkörperungen, mit denen jeweils unmittelbar die Lage der beiden Bauteile zueinander ermittelbar ist. Bei Maßverkörperungen in Form einer Inkrementalteilung kann der jeweiligen Maßverkörperung K außerdem mindestens eine Referenzmarke zugeordnet sein, um eine Referenzposition zu definieren, auf die die jeweiligen Positionsänderungen beziehbar sind.
Auch hinsichtlich der bei Abtastung der Maßverkörperung K mittels der Abtasteinrichtung A verwendeten (physikalischen) Messprinzipien gibt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung keine Einschränkung; es können insbesondere die in diesem Zusammenhang bekannten, üblichen induktiven, magnetischen und fotoelektrischen Verfahren zur Abtastung der Maßverkörperung K mittels der Abtasteinrichtung A zur Anwendung kommen.
Von Bedeutung ist vorliegend die konkrete Ausgestaltung der Befestigung zumindest eines der Trägerkörper T1, T2 am zugeordneten Bauteil M1, M2, wobei hier beispielhaft die Verbindung zwischen dem ersten Bauteil M1 und dem zugeordneten Trägerkörper T1 genauer betrachtet wird. Im Ausführungsbeispiel der 1 trägt jener Trägerkörper T1 die Abtasteinrichtung A (Abtastplatte) des Positionsmesssystems; es kann jedoch dort stattdessen ebenso die Maßverkörperung K vorgesehen sein.
Zur Verbindung des ersten Trägerkörpers T1 mit dem zugeordneten Bauteil M1 liegen jene beiden Elemente M1, T1 über einander zugewandte Oberflächen 100, 200 aneinander an und sind im Bereich ihrer aneinander anliegenden Oberflächen 100, 200 mittels einer in 1 nur angedeuteten, anhand der nachfolgenden Figuren näher zu erläuternden Schraubverbindung miteinander verbunden, mit welcher die zwischen den Enden der verwendeten Schraube(n) liegende Flanschbereiche 1, 2 des Trägerkörpers T1 und des zugeordneten Bauteiles M1 gegeneinander verspannt werden.
Der zweite Trägerkörper T2 und das zugehörige Bauteil M2 können ebenfalls als separate Bauelemente über geeignete Verbindungsmittel aneinander befestigt sein; jedoch können der zweite Trägerkörper T2 und das zugehörige Bauteil M2 auch durch ein einzelnes Bauelement gebildet werden. In diesem Fall ist das zweite Bauteil M2 gleichzeitig als Trägerköper T2 ausgebildet.
Wie anhand 1 deutlich wird, fällt die Richtung a, entlang der sich die zur Verbindung des ersten Trägerkörpers T1 und des zugeordneten Bauteiles M1 verwendeten Schrauben erstrecken und entlang der dementsprechend auch die von den Schrauben zur Verspannung der Flanschbereiche 1, 2 ausgeübten Kräfte wirken (axiale Richtung a der Schraubverbindung), mit einer Messrichtung x des Positionsmesssystems zusammen. Denn jene axiale Richtung a der Schraubverbindung erstreckt sich parallel zur Messebene (xy-Ebene) des Positionsmesssystems. Bei einer derartigen Anordnung ist von besonderer Bedeutung, dass äußere Einflüsse, insbesondere Temperaturänderungen, möglichst nicht zu einer Änderung der Lage der am Trägerkörper T1 vorgesehenen Komponente der Positionsmesseinrichtung (Maßverkörperung K oder Abtasteinrichtung A) relativ zu dem zugeordneten Bauteil M1 führen, was die Messgenauigkeit der Positionsmesseinrichtung beeinträchtigen würde.
Dieses Problem besteht allgemein, sofern zumindest eine Komponente der axialen Richtung a der Schraubverbindung mit einer Messrichtung des Positionsmesssystems zusammenfällt, sich also im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf die Messebene (xy-Ebene) projizieren lässt. Das heißt, die vorstehend erläuterte Beeinträchtigung der Messgenauigkeit als Folge von Temperaturänderungen kann nicht nur dann auftreten, wenn die axiale Richtung a der Schraubverbindung parallel zu einer Messrichtung verläuft, also im Fall der 1 parallel zur Messebene (xy-Ebene), sondern auch dann, wenn die axiale Richtung a der Schraubverbindung schräg zu einer Messrichtung verläuft und dabei eine auf die Messrichtung projizierbare Komponente aufweist.
Beim Zusammenfallen zumindest einer Komponente der axialen Richtung a der Schraubverbindung mit einer Messrichtung des Positionsmesssystems können Temperaturschwankungen vor allem deshalb die Messgenauigkeit des Positionsmesssystems beeinträchtigen, weil die mittels der Schraubverbindung zu verbindenden Elemente (zu messendes Bauteil M1 und Trägerkörper T1) in der Regel aus einem anderen Material bestehen als die zur Verbindung dieser beiden Elemente verwendete Schraube, so dass die besagten Elemente hinsichtlich ihrer Längenausdehnung unterschiedlich auf Temperaturänderungen reagieren.
Die Messgenauigkeit kann aber auch dann nachteilig beeinträchtigt werden, wenn die Richtung a der Schraubverbindung senkrecht zur Messrichtung verläuft. In diesem Fall können Temperaturschwankungen zu Verkippungen der gegeneinander verspannten Flanschbereiche führen.
So bestehen die zur Verbindung eines Trägerkörpers eines Positionsmesssystems an einem zugeordneten Bauteil verwendeten Schrauben regelmäßig aus Stahl bzw. Invar (einer Eisen-Nickel-Legierung mit der Zusammensetzung FeNi36), während die mittels der Schraube zu verspannenden die Flanschbereiche des Trägerkörpers verbreitet aus Glas, glasartigen Werkstoffen bzw. Glaskeramiken mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten nahe Null, insbesondere kleiner als 0.1·10^–6 1/K in einem Bereich von 0 bis 50°C bestehen, wie zum Beispiel SCHOTT's Zerodur oder CORNING's ULE (Ultra Low Expansion glass). Dank ihrer thermischen Nullausdehnung und Homogenität haben sich derartige Gläser bzw. Glaskeramiken als Spiegelträger sowie als Präzisionskomponenten in der Lithographie durchgesetzt. In der Lithografie kommt das Material in Wafer-Steppern und Wafer-Scannern zum Einsatz, um eine exakte und reproduzierbare Positionierung der Wafer zu erreichen. Es dient als Basismaterial für Optiken sowie für mechanische Konstruktionen. Die Erfindung eignet sich somit besonders zur Montage eines eine Maßverkörperung oder eines eine Abtasteinrichtung tragenden Trägerkörpers an einem Bauteil einer Lithografie-Einrichtung, da viele der genauigkeitsbestimmenden Bauteile einer Lithographie-Einrichtung aus einem Material mit Nullausdehnung bestehen, nämlich aus einer. Glaskeramik mit einem Ausdehnungskoeffizienten kleiner als = 0.1·10^–6 1/K.
2 zeigt für eine einzelne Schraube 5 weitere Details einer Schraubverbindung, die bei einem Positionsmesssystem der in 1 gezeigten Art zur Verbindung eines der zu messenden Bauteile M1 mit dem zugeordneten Trägerkörper T1 des Positionsmesssystems zur Anwendung kommen kann. Dabei wird nachfolgend die durch das eine zu messende Bauteil M1, den zugeordneten Trägerkörper T1 sowie die Komponenten der Schraubverbindung gebildete Baugruppe, welche einen Bestandteil des vollständigen Positionsmesssystems bildet, als Messanordnung bezeichnet.
Gemäß 2 durchgreift eine zur Verbindung jener beiden Elemente M1, T1 dienende Schraube 5 mit ihrem Schaft 50 einander überdeckende (miteinander fluchtende) Durchgangsöffnungen 10, 20 im Trägerkörper T1 und im zugeordneten Bauteil M1 und liegt mit ihren beiden Enden jeweils in einer Ausnehmung 15, 25 des Trägerkörpers T1 bzw. des zugeordneten Bauteiles M1.
In der bauteilseitigen Ausnehmung 25 befindet sich dabei ein mit einem Schraubenkopf 50 und einem Betätigungsabschnitt 55a versehenes axiales Ende der Schraube 5, während in der trägerkörperseitigen Ausnehmung 15 auf das (mit einem Außengewinde 52 versehene) andere axiale Ende der Schraube 5 eine Mutter 58 aufgeschraubt ist. Zwischen jenen beiden Ausnehmungen 15, 25 bzw. zwischen dem Schraubenkopf 55 und der Mutter 58 liegen die von den Durchgangsöffnungen 10, 20 und dem Schaft 50 der Schraube 5 durchgriffenen Flanschbereiche 1, 2 der miteinander zu verbindenden Elemente T1, M1. Diese Flanschbereiche 1, 2 sind mittels der Schraube 5 so gegeneinander verspannt, dass das zu messende Bauteil M1 und der zugehörige Trägerkörper T1 an ihren einander zugewandten Oberflächen 100, 200, welche eine Grenzfläche zwischen den beiden Flanschbereichen 1, 2 bilden, definiert aneinander anliegen. Hierfür ist insbesondere eine möglichst exakt planare Ausgestaltung jener Oberflächen 100, 200 vorteilhaft.
Zum Aufbringen der Spannkräfte, mittels derer die beiden zu verbindenden Elemente M1, T1 bzw. genauer deren Flanschbereiche 1, 2 gegeneinander verspannt sind, und zwar in Erstreckungsrichtung der Schraube 5 (axiale Richtung a der Schraubverbindung), stützen sich der Kopf 55 der Schraube 5 sowie die zugeordnete Mutter 58 jeweils an einem der beiden miteinander zu verbindenden Elemente M1, T1 ab; und zwar in der Anordnung gemäß 2 beispielhaft der Kopf 55 der Schraube 5 an einer Wand 26 der zugeordneten bauteilseitigen Ausnehmung 25 und die Mutter 58 an einer Wand 16 der zugeordneten trägerkörperseitigen Ausnehmung 15. Von Bedeutung ist hierbei, dass sich die Schraube 5 mit den zwei in axialer Richtung a der Schraubverbindung voneinander beabstandeten Stützabschnitten (wie zum Beispiel einem Schraubenkopf, einer Mutter oder einem sonstigen an der Schraube 5 vorgesehenen Anschlag, insbesondere in Form eines Gewindestückes) in einander entgegengesetzten Richtungen parallel zur Axialen a so an den beiden aneinander zu befestigenden Elementen M1, T1 abstützt, dass deren Flanschbereiche 1, 2 mittels der Schraubverbindung gegeneinander verspannt werden.
Von Bedeutung ist weiter, dass sich die Schraube 5 nicht mit beiden axial voneinander beabstandeten Stützabschnitten (Schraubenkopf 55 und Mutter 58) jeweils direkt an einem der miteinander zu verbindenden Elemente M1, T1 abstützt, sondern dass zumindest einer der Stützabschnitte, hier ein Stützabschnitt in Form des Schraubenkopfes 55, über ein Zwischenelement 4 (Kompensationselement) auf eines der zu verbindenden Elemente M1, T1, hier auf das zu messende Bauteil M1, einwirkt.
Dieses Zwischenelement 4 ist so ausgewählt, dass bei Temperaturänderungen in einem relevanten Temperaturbereich, vorliegend beispielsweise im Temperaturbereich von etwa 17°C bis 30°C, thermisch bedingte Längenänderungen der Schraube 5 zwischen Ihren beiden axial beabstandeten Stützabschnitten, also zwischen dem Schraubenkopf 55 und der Mutter 58, durch das Zwischenelement 4 kompensiert werden. Das bedeutet, dass die Summe der thermisch bedingten Längenänderungen der zwischen jenen beiden Stützabschnitten 55, 58 aufgenommenen Elemente (Flanschbereiche 1, 2 sowie Zwischenelement 4) möglichst identisch mit der Längenänderung der Schraube 5 in axialer Richtung a ist; eine Forderung, die selbstverständlich nur im Rahmen unvermeidbarer Toleranzen erfüllbar ist.
In der Praxis wird das verwendete Zwischenelement 4 thermisch bedingte Längenänderungen der Schraube 5 nicht so exakt kompensieren können, dass eine thermisch bedingte Änderung der Länge der Schraube 5 zwischen ihren axial beabstandeten Stützabschnitten (Schraubenkopf 55 und Mutter 58) genau identisch ist mit der jeweiligen thermisch bedingten Längenänderung der Flanschbereiche 1, 2 und des Zwischenelementes 4 in axialer Richtung a.
Vorliegend ist das Zwischenelement 4 daher zweiteilig ausgestaltet und umfasst (zur Kompensation von Längenänderungen der Schraube 5) ein erstes Zwischenelementteil 6 in Form einer den Schaft 50 der Schraube umschließenden Hülse sowie (zum Ausgleich von Toleranzen) ein axial dahinter angeordnetes Federmittel 7 in Form einer, hier durch eine Mehrzahl von Tellerfedern gebildeten oder alternativ als Schraubenfeder ausgebildeten, Druckfeder,
Das (als Hülse ausgebildete) erste Teil 6 des Zwischenelementes 4 besteht beispielsweise aus Aluminium, während das Federmittel 7 beispielsweise aus Stahl besteht, also aus einem Material, das auch für die Schraube 5 verwendet werden kann.
Vorliegend sind das Material – und somit der sich hieraus ergebende thermische Ausdehnungskoeffizient – des Zwischenelementteiles 6 und dessen Länge in axialer Richtung a der Schraubverbindung so aufeinander abgestimmt, dass thermisch bedingte Längenänderungen jenes Zwischenelementteiles 6 – zusammen mit den sich aus deren jeweiligen Materialien ergebenden Längenänderungen der Flanschbereiche 1, 2 sowie des Federmittels 7 – in axialer Richtung a gerade identisch zu der jeweils entsprechenden thermisch bedingten Längenänderung der Schraube 5 zwischen ihren Stützabschnitten (Kopf 55 und Mutter 58) sind, soweit dies im Rahmen unvermeidbarer Toleranzen möglich ist.
Hierdurch verbleibt die Schraubverbindung auch bei durch Temperaturschwankungen ausgelösten Längenänderungen der Schraube 5 in axialer Richtung in ihrem definiert verspannten Zustand und Temperaturänderungen haben keine substanzielle Auswirkung auf die Messgenauigkeit der Messanordnung.
Für eine hochgenaue und temperaturunabhängige Positionsmessung ist es besonders vorteilhaft, dass für zumindest einen der Flanschbereiche 1, 2 der zu verbindenden Elemente M1, T1, insbesondere für beide Flanschbereiche, ein Material vorgesehen ist, wie zum Beispiel Glas oder glasartigen Werkstoffen, das bei Temperaturänderungen nur möglichst geringe Änderungen seiner Ausdehnung erfährt, also einen möglichst kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Insbesondere ist der thermische Ausdehnungskoeffizient der Flanschbereiche 1, 2 in der Regel deutlich kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient des für die Schraube 5 verwendeten Materials (zum Beispiel Stahl bzw. Invar), so dass das verwendete Zwischenelementteil 6 einen entsprechend größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Material der Schraube 5 haben sollte, um die gewünschte Kompensation thermisch bedingter Längenänderungen der Schraube 5 (unter Berücksichtigung des geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Flanschbereiche 1, 2) erreichen.
Die Federmittel 7, als eine weitere Komponente des Zwischenelementes 4, welche derart angeordnet ist, dass das erste Zwischenelementteil 6 und die Federmittel 7 in axialer Richtung a hintereinander liegen, dient insbesondere zur Minimierung des Effektes von Toleranzen, die keine exakte Kompensation thermisch bedingter Längenänderungen der Schraube 5 durch das Zwischenelement 4 zulassen.
Die Federmittel 7 reduzieren die Steifigkeit der Schraubverbindung und können die Effekte ausgleichen, wonach aufgrund von Toleranzen bzw. aufgrund lokaler Temperaturunterschiede thermisch bedingte Längenänderungen der Schraube 5 vom Zwischenelement 4 nicht exakt kompensierbar sind, so dass diese Effekte im Ergebnis nur eine minimale Rückwirkung auf die Flanschbereiche 1, 2 haben. Deren möglichst exakte Positionierung auch bei sich ändernden Temperaturen ist wiederum mitbestimmend für die Genauigkeit des Positionsmesssystems.
Sowohl die Funktion des Zwischenelementes 4 bei der Kompensation thermisch bedingter Längenänderungen der Schraube 5 als auch die Funktion der Federmittel 7 beim Toleranzausgleich werden nachfolgend anhand der 3 bis 5b für ein weiteres Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
3 zeigt eine Abwandlung der Messanordnung aus 2, wobei der wesentliche Unterschied darin besteht, dass als Zwischenelement 4 hier Federmittel 8 in Form einer Feder dienen, die sowohl die Funktion einer Kompensation temperaturbedingter Längenänderungen der Schraube 5 übernimmt als auch die Funktion des Toleranzausgleichs, welche Funktionen beim Ausführungsbeispiel der 2 auf ein Zwischenelementteil 6 und separate Federmittel 7 verteilt waren.
Hierzu besteht die als Zwischenelement 4 dienende Feder 8 zum einen aus einem Material, welches aufgrund seines thermischen Ausdehnungskoeffizienten zur Kompensation temperaturbedingter Längungänderungen der Schraube 5 geeignet ist; und die Feder 8 ist weiterhin hinreichend elastisch („weich”), um Toleranzen ausgleichen zu können, die einer exakten Kompensation temperaturbedingter Längungen der Schraube 5 entgegenstehen. Dies wird anhand konkreter Materialangaben für sämtliche relevanten Elemente der Anordnung aus 3 weiter unten noch näher erläutert werden.
Die das Zwischenelement 4 bildende Feder 8 ist vorliegend im Wesentlichen hohlzylindrisch als eine Hülse ausgebildet und erstreckt sich mit ihrer Außenwand 80 zwischen einem ersten axialen Ende 8a und einem zweiten axialen Ende 8b. Sie wirkt mit ihrem ersten Federende 8a – über ein noch näher zu beschreibendes Adapterstück 3 – auf die zu verspannenden Flanschbereiche 1, 2 ein; und das zweite Federende 8b ist jenen Flanschbereichen 1, 2 abgewandt.
Die Feder 8 weist in ihrem von der Außenwand 80 umschlossenen Innenraum eine Materialeinziehung 85 auf, die sich von dem zweiten Federende 8b in Richtung auf das erste Federende 8a erstreckt und die – vom zweiten Federende 8b her betrachtet – vor dem ersten Federende 8a einen Anschlag 86 in Form einer Schulter ausbildet, über den die Schraube 5 mit ihrem Kopf 55 auf das Federelement 8 einwirken kann.
Die das Zwischenelement 4 bildende Feder 8 ist somit in axialer Richtung a der Schraubverbindung in zwei axial hintereinander angeordnete Bereiche 82, 84 unterteilt, von denen der erste axiale Bereich 82 sich zwischen dem ersten Federende 8a und dem Anschlag 86 der Feder 8 erstreckt und der zweite axiale Bereich 84 sich zwischen jenem Anschlag 86 und dem zweiten Federende 8b erstreckt.
Dabei trägt nur der zwischen dem Anschlag 86 und dem ersten Federende 8a liegende erste axiale Bereich 82 der Feder 8 (als ein Zwischenelement) zur Kompensation temperaturbedingter Längenänderungen der Schraube 5 bei; denn nur dieser erste axiale Bereich 82 der Feder 8 liegt – ebenso wie die beiden Flanschbereiche 1, 2 und das Adapterstück 3 – zwischen den beiden Stützabschnitten der Schraube 5, nämlich dem Schraubenkopf 55 und der zugeordneten Mutter 58, über die die Vorspannkraft der Schraube in die Schraubverbindung eingeleitet wird.
Somit wird also das Zwischenelement 4 hier nicht durch die gesamte Feder 8 gebildet sondern nur durch den ersten axialen Bereich 82 der Feder 8, jedenfalls soweit es die Wirkung des Zwischenelementes 4 als Mittel zur Kompensation thermisch bedingter Längenänderungen der Schraube 5 betrifft.
Der zweite axiale Bereich 84 der Feder 8 trägt jedoch gemeinsam mit deren erstem axialen Bereich 82 zum Ausgleich von Toleranzen bei, da die Elastizität bzw. Nachgiebigkeit der Feder 8 durch die gesamte Ausdehnung der Feder 8 in axialer Richtung a mitbestimmt wird; denn über die Materialeinziehung 85 ist ja der auf die Feder 8 einwirkende Schraubenkopf 55 mit dem zweiten Federende 8b wirkverbunden.
Wie insbesondere anhand einer Zusammenschau der 3 mit den 4a und 4b deutlich wird, stützt sich die Feder 8 mit ihrem ersten axialen Ende 8a nicht unmittelbar an der zugeordneten, als Stützfläche dienenden Wand 26 eines der Flanschbereiche 1, 2 ab, sondern vielmehr indirekt über das bereits erwähnte Adapterstück 3. Mit diesem Adapterstück 3 ist die Feder 8 fest verbunden, insbesondere stoffschlüssig, z. B. durch Kleben.
Das Adapterstück 3 besteht aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der zumindest von der Größenordnung her mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten desjenigen Flanschbereiches 2 übereinstimmt, an dessen als Stützfläche dienender Wand 26 das Adapterstück 3 anliegt. Insbesondere können das Adapterstück 3 und jener Flanschbereich 2 aus demselben Material bestehen, also hier aus Glas bzw. einem glasartigen Werkstoff, wie z. B. Zerodur. Hierdurch soll vermieden werden, dass es bei Temperaturschwankungen zu Relativbewegungen des Adapterstückes 3 bezüglich des zugeordneten Flanschbereiches 2 in radialer Richtung r, also senkrecht zur Axialen a, kommt.
Die Vermeidung von Relativbewegungen in radialer Richtung r an der als Stützfläche dienenden Wand 26 des zweiten Flanschbereiches 2 ist auch der Grund dafür, dass sich die als Zwischenelement 4 dienende Feder 8 mit ihrem ersten Federende 8a nicht unmittelbar an der besagten Stützfläche des zugeordneten Flanschbereiches 2 abstützt, sondern vielmehr mittelbar über das Adapterstück 3. Durch die feste, stoffschlüssige Verbindung der Feder 8 mit dem Adapterstück 3 im Bereich des ersten Federendes 8a, z. B. durch Kleben, ist die Feder 8 im Bereich ihres ersten Federendes 8a in radialer Richtung r definiert fixiert.
Das Adapterstück 3 ist im Ausführungsbeispiel derart in radialer Richtung (d. h., senkrecht zur Richtung a der Vorspannkraft der Schraubverbindung bzw. senkrecht zur hiermit zusammenfallenden axialen Richtung a der Schraube) elastisch ausgebildet, dass es unterschiedliche temperaturbedingte Änderungen der radialen Ausdehnungen der Feder 8 einerseits und des Flanschbereiches 1, 2, an dem es anliegt, andererseits ausgleichen kann. Dieser radiale Ausgleich erfolgt zwischen dem dem Adapterstück 3 zugewandten Federende 8a und der als Stützfläche dienenden Wand 26 des zugeordneten Flanschbereiches 2 über die Länge L3, welche dem Abstand zwischen dem besagten Federende 8a und der besagten Wand 26 entspricht. Der radiale Ausgleich ist verknüpft mit einer Verformung, insbesondere der Bildung einer Ausbuchtung, am Adapterstück 3. Diese kann in der Weise erfolgen, dass das Adapterstück 3 eine leicht trichterförmige Gestalt annimmt, wobei die großflächigere Stirnseite des gebildeten Trichters an der dem Federende 8a zugewandten axialen Stirnseite des Adapterstückes 3 liegt.
Hiermit werden Relativbewegungen des Adapterstückes 3 bezüglich des zugeordneten Flanschbereiches 2 an dessen dem Adapterstück 3 zugewandter Oberfläche 26 (Grenzfläche) und auch Relativbewegungen des Adapterstückes 3 bezüglich des zugeordneten Endes 8a der Feder 8 bzw. des Zwischenelementes 4 in rdialer Richtung jeweils vermieden.
Grundsätzlich könnte die Feder 8 mit ihrem ersten Federende 8a auch unmittelbar an einem Wandabschnitt des zugeordneten Flanschbereiches 2 fixiert werden, z. B. durch eine Klebverbindung. Dies hätte jedoch den Nachteil, dass sich die zur Herstellung einer Schraubverbindung zwischen den beiden Flanschbereichen 1, 2 und damit zwischen dem Trägerkörper T1 und dem zu messenden Bauteil M1 dienenden Komponenten der Schraubverbindung nicht mehr vollständig von den zu verbindenden Elementen M1, T1 lösen ließen, da ja zumindest die Feder 8 dauerhaft an einem der Flanschbereiche 1, 2 fixiert wäre.
Für die Auswahl eines geeigneten Materials der Feder 8, um hiermit eine optimale Kompensation temperaturbedingter Längenänderungen der Schraube 5 zu erreichen, gelten nachfolgende Überlegungen.
Seien L₁, L₂, L₃, L₄, L₅ definiert als die – jeweils in axialer Richtung a der Schraubverbindung gemessenen – Längen der beiden Flanschbereiche 1, 2, des Adapterstückes 3 und des als Zwischenelement 4 wirksamen ersten axialen Bereiches 82 der Feder 8 sowie der Schraube 5 zwischen ihren beiden Stützabschnitten 55 (Kopf der Schraube) und 58 (Mutter); und seien weiterhin α₁, α₂, α₃, α₄ und α₅ die thermischen Längenausdehnungskoeffizienten der besagten Elemente 1, 2, 3, 4, 5, so ergibt sich Folgendes:
Zum einen gilt, dass die Länge L₅ der Schraube 5 zwischen den beiden Stützabschnitten der Schraube 5, also zwischen dem Schraubenkopf 55 und der Mutter 58, gleich der Summe der Längen L₁, L₂, L₃ und L₄ der beiden Flanschbereiche 1, 2, des Adapterstückes 3 und des als Zwischenelement 4 wirksamen ersten axialen Bereiches 82 der Feder 8 in axialer Richtung a sein muss, also L5 = L1 + L2 + L3 + L4 (1).
Weiterhin gilt wegen der geforderten Kompensation thermisch bedingter Längenänderungen durch geeignete Auswahl der als Zwischenelement 4 dienenden Feder 8, dass ΔL5 = ΔL1 + ΔL2 + ΔL3 + ΔL4, (2)wobei für eine gegebene Temperaturänderung T – T₀ ΔLi = αi·Li·(T – T0) (3)mit i = 1, 2, ..., 5. Eliminiert man in der aus einer Verknüpfung von (2) und (3) resultierenden Gleichung den Faktor (T – T₀), welcher eine Temperaturabweichung von einem Normal- bzw. Sollwert T₀ bezeichnet, so ergibt sich α5·L5 = α1·L1 + α2·L2 + α3·L3 + α4·L4 (4).
Ersetzt man darin die Länge L₅ (Schraubenlänge) durch die Summe L₁ + L₂ + L₃ + L₄, entsprechend Gleichung (1), so erhält man α5·(L1 + L2 + L3 + L4) = α1·L1 + α2·L2 + α3·L3 + α4·L4 (5).
Dies ergibt nach Auflösung der Gleichung nach der Länge L₄:
Bei gegebenen Werten für die thermischen Ausdehnungskoeffizienten α₁, α₂, α₃ und α₅ der beiden Flanschbereiche 1, 2, des Adapterstückes 3 sowie der Schraube 5, die von dem jeweils verwendeten Material abhängen, und bei vorgegebenen axialen Längen L₁, L₂, L₃ der beiden Flanschbereiche 1, 2 und des Adapterstückes 3, lässt sich hieraus die effektive axiale Länge L₄ des Zwischenelementes 4 in Abhängigkeit von dessen thermischem Ausdehnungskoeffizienten α₄ bestimmen.
Unter der effektiven Länge L₄ des Zwischenelementes 4, die nachfolgend auch als thermische Kompensationslänge bezeichnet wird, wird die Länge L₄ desjenigen Abschnittes des Zwischenelementes 4 verstanden, der zwischen den beiden Stützabschnitten der Schraube 5 (Kopf 55 und Mutter 58) liegt, zwischen denen die Flanschbereiche 1, 2, das Adapterstück 3 und das Zwischenelement 4 verspannt sind, wie anhand 3 dargestellt.
Die effektive Länge L₅ der Schraube 5 zwischen ihren beiden Stützabschnitten 55, 58 ist aus der Gleichung für L₄ eliminiert worden, was eine Bestimmung von L₄ über jene Gleichung handhabbar macht, da ja die effektive Schraubenlänge L₅ in axialer Richtung a erst nach Herstellung einer jeweiligen Schraubverbindung tatsächlich bekannt ist und in jedem Einzelfall in Abhängigkeit von den Bedingungen bei Herstellung der Schraubverbindung variieren kann.
Verwendet man beispielhaft bei einer Anordnung gemäß 3 für die Flanschbereiche 1, 2 und das Adapterstück 3 jeweils Zerodur als Material, so weisen diese Elemente 1, 2, 3 jeweils einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_Z auf, für den gilt α_Z = 0.02·10^–6 1/K. (Dieser Wert wäre in den obigen Gleichungen jeweils für die Parameter α₁ und α₂ zu verwenden.) Besteht weiterhin die Schraube 5 aus Invar (FeNi36), so gilt hierfür α₁ = 1.36·10^–6 1/K. (Dieser Wert wäre in den obigen Gleichungen für den Parameter α₅ zu verwenden.)
Sind somit die Längen L₁, L₂, L₃ sowie die thermischen Ausdehnungskoeffizienten α₁, α₂, α₃, α₅ aufgrund der gewählten Dicken der Flanschbereiche 1, 2 und des Adapterstückes 3 in axialer Richtung sowie aufgrund der Materialauswahl für die Flanschbereiche 1, 2, das Adapterstück 3 und die Schraube 5 vorgegeben, so erlaubt die resultierende Gleichung (6) eine einfache Bestimmung einer für die gewünschte thermische Kompensation geeigneten effektiven Länge L₄ des Zwischenelementes 4 in Abhängigkeit von dem für das Zwischenelement 4 verwendeten Material und dessen thermischem Ausdehnungskoeffizienten α₄.
Wird beispielsweise für die das Zwischenelement bildende Feder 8 das Material Ti6Al4V (Titanlegierung) verwendet, so ergibt sich ausgehend von dessen thermischem Ausdehnungskoeffizienten α_T = 9.10·10^–6 1/K aus der obigen Gleichung (6) sofort ein definierter Wert für die thermische Kompensationslänge L₄ (effektive Länge des Zwischenelementes 4), mit der die gewünschte Kompensation thermisch bedingter Längenänderungen der Schraube 5 erreichbar ist.
Wie bereits erwähnt, lässt sich aufgrund unvermeidbarer Toleranzen bezüglich der Eigenschaften der mittels der Schraubverbindung zu verspannenden Elemente 1, 2 und auch der Komponenten der Schraubverbindung selbst sowie aufgrund möglicher lokaler Temperaturunterschiede im Bereich der Schraubverbindung eine wirklich vollständige Kompensation von Längenänderungen der Schraube 5 auch durch ein optimal ausgewähltes Zwischenelement 4 nicht erreichen.
Um die Folgen solcher Toleranzen sowie lokaler Temperaturunterschiede zu minimieren, umfasst das Zwischenelement 4 vorteilhaft federelastische Mittel, über die die verwendete Schraube auf die Flanschbereiche 1, 2 einwirkt, wobei die federelastischen Mittel im Fall der Anordnung aus 2 durch separate Federmittel 7 gebildet sind, während im Fall der 3 das Zwischenelement 4 durch Federmittel 8 gebildet wird.
Die Funktion solcher federelastischer Mittel, die weiter oben bereits anhand der Messanordnung aus 2 qualitativ beschrieben worden ist, soll nachfolgend anhand der Spannungsdreiecke der 5a und 5b näher erläutert werden.
5a zeigt ein Spannungsdreieck einer Schraubverbindung, beispielsweise der in den 2 und 3 dargestellten Art, jedoch ohne federelastischen Mittel. Zur Konstruktion des Spannungsdreiecks der 5a, ausgehend von der Messanordnung der 2 oder der 3, kann man sich die jeweiligen dortigen federelastischen Mittel 7 bzw. 8 durch ein starres Element ersetzt denken; oder alternativ werden die jeweiligen federelastischen Mittel 7 bzw. 8 weggelassen und es wird eine entsprechend kürzere Schraube verwendet.
Bei einer solchen klassischen Schraubverbindung (ohne federelastische Mittel) ergibt sich ein Spannungsdreieck der in 5a dargestellten Art, worin F_S die Vorspannkraft der Schraubverbindung bezeichnet, worin F_F die Vorspannkraft an den Flanschbereichen sowie gegebenenfalls an weiteren mittels der Schraube verspannten Elementen (Zwischenelementteil 6 in 2 bzw. Adapterstück 3 in 3) bezeichnet und worin u_S die Längenänderung (Längung) der verwendeten Schraube bei einer jeweiligen Vorspannkraft F_S und u_F die Längenänderung (Stauchung) der Flansche und gegebenenfalls weiterer zusammen hiermit verspannter Elemente bei einer jeweiligen Vorspannkraft F_F angibt.
Im Proportionalbereich einer Schraubverbindung, in dem die jeweilige Vorspannung F_S bzw. F_F proportional zur Längenänderung u_S bzw. u_F ist, ergibt sich ein Spannungsdreieck, wobei die Winkel γ_S und γ_F, unter denen dessen Schenkel die Basis des Dreiecks schneiden, umso größer sind, je steifer das dem jeweiligen Schenkel zugeordnete Element (Schraube einerseits und Flanschbereiche andererseits) ist.
Kommt es bei einer Schraubverbindung thermisch bedingt zu einer Längenänderung ΔL_S der verwendeten Schraube, so ist hiermit eine Längenänderung ΔL_F der mittels der Schraube gegeneinander verspannten Flanschbereiche und gegebenenfalls weiterer verspannter Elemente verbunden, die sich aus der mit der Längenänderung der Schraube verbundenen Änderung ΔF der Vorspannkraft ergibt und die sich aus dem Spannungsdreieck gemäß 5a ablesen lässt.
Bei dem Spannungsdreieck gemäß 5a ist aus der Steigung der beiden Schenkel des Spannungsdreiecks, genauer aus der Steigung c_S = tan γ_S = F_S/u_S des die Schraubverbindung repräsentierenden Schenkels sowie aus der Steigung c_F = tan γ_F = F_F/u_F des die Flansche repräsentierenden Schenkels, die Steifigkeit der Anordnung abzulesen, wobei c_S die Steifigkeit der Schraubverbindung und c_F die Steifigkeit der zu verspannenden Flansche angibt. Je größer die Steigung c_S bzw. c_F des entsprechenden Schenkels ist, desto größer ist die hiermit verbundene Steifigkeit; d. h., desto größere Änderungen der jeweiligen Vorspannkraft F_S bzw. F_F sind mit entsprechenden Längenänderungen u_S bzw. u_F verbunden.
5b zeigt das Spannungsdreieck einer gegenüber 5a abgewandelten Anordnung, bei der die zur Herstellung der Schraubverbindung verwendete Schraube 5 mit ihren Stützabschnitten (Schraubenkopf 55 sowie Mutter 58) nicht unmittelbar auf die zu verspannenden Elemente (Flanschbereiche 1, 2 sowie gegebenenfalls Adapterstück 3 oder dergleichen) einwirkt, sondern bei der vielmehr ein Federmittel (z. B. Federelement 7 aus 1 bzw. Feder 8 aus 2) vorgesehen ist, das zwischen mindestens einem Stützabschnitt der verwendeten Schraube 5 und die zu verspannenden Elemente 1, 2, ... geschaltet ist. D. h., die Schraube 5 wirkt bei einer Anordnung, wie sie dem Spannungsdreieck der 5b zugrunde liegt, über mindestens ein Federmittel auf die mittels der Schraube zu verspannenden Elemente, insbesondere auf die Flanschbereiche 1, 2, ein.
Dies hat zur Folge, dass die Schraubverbindung entsprechend weicher ausgelegt ist, d. h., der die Schraubverbindung repräsentierende Schenkel des Spannungsdreiecks der 5b weist eine deutlich kleinere Steigung c_S' = tan γ_S' auf als im Fall der 5a. Dies bedeutet wiederum, dass Längenänderungen u_S der Schraube mit entsprechend kleineren Änderungen der Vorspannung F_S der Schraubverbindung verknüpft sind.
Wie sich aus dem Spannungsdreieck der 5b ablesen lässt, geht in einem solchen Fall mit einer thermisch bedingten Längenänderung ΔL_S' der Schraube eine deutlich kleinere Längenänderung ΔL_F' der Flanschbereiche einher als im Fall einer ungefederten Schraubverbindung, wie sie durch das Spannungsdreieck der 5a repräsentiert wird.
Somit wirkt ein in die Schraubverbindung integriertes Federmittel, etwa das Federelement 7 aus der Anordnung gemäß 2 oder die Feder 8 aus der Anordnung gemäß 3, als ein Mittel zum Toleranzausgleich, welches bei nicht vollständiger Kompensation thermisch bedingter Längenänderungen der Schraube 5 durch das hierfür vorgesehene Zwischenelement 4 die mit jener unvollständigen Kompensation verbundenen Rückwirkungen auf die zu verspannenden Flanschbereiche 1, 2 minimiert. Hierdurch werden wiederum die Auswirkungen von Temperaturänderungen auf die Messgenauigkeit der Messanordnung minimiert, zu der die gegeneinander verspannten Flanschbereiche 1, 2 als Bestandteile gehören.
In den 6 und 7 ist eine Abwandlung der in den 3, 4a und 4b dargestellten Messanordnung hinsichtlich der Ausbildung des Zwischenelementes 4 gezeigt, welches im Fall der 6 und 7 – ebenso wie im Fall der 3, 4a und 4b – durch ein Federelement 9 gebildet wird. Die 6 und sieben zeigen dabei zwei Varianten jenes Federelementes 9, die aber auf dem gleichen, nachfolgend erläuterten Konstruktionsprinzip beruhen.
Das z. B. aus Aluminium bestehende Federelement 9 aus den 6 und 7 umfasst einen (durch mehrere in axialer Richtung a erstreckte Stege gebildeten) elastischen Federkörper 90, der in axialer Richtung a der Schraubverbindung zwischen zwei im Wesentlichen starren Endabschnitten 93, 93' des Federelementes 9 verläuft. Über den einen Endabschnitt 93 wirkt das Federelement 9 auf die zu verspannenden Flanschbereiche 1, 2 ein, wobei es sich vorliegend beispielhaft mit diesem Endabschnitt 93 unmittelbar an einem zugeordneten Flanschbereich 2, nämlich dem Flanschbereich 2 des zu messenden Bauteiles M1 abstützt. Auf den anderen Endabschnitt 93' des Federelementes 9 wirkt die Schraube 5 über einen Stützabschnitt ein, und zwar im Ausführungsbeispiel mit ihrem Schraubenkopf 55.
Der Federkörper 90 des Federelementes 9 ist mit den beiden in axialer Richtung a voneinander beabstandeten Endabschnitten 93, 93' des Federelementes 9 fest verbunden. Hierzu kann der Federkörper 90 an den Endabschnitten 93, 93' einstückig angeformt sein oder in sonstiger Weise, insbesondere stoffschlüssig (z. B. durch Schweißen), hiermit verbunden sein. Die Endabschnitte 93, 93' können dabei aus demselben Material bestehen wie der Federkörper 90 des Federelementes 9; oder es können hierfür unterschiedliche Materialien verwendet werden, wobei auch in diesem Fall nach der so genannten Mehrkomponententechnik eine einstückige Anformung der Endabschnitte 93, 93' am Federkörper 90 vorgesehen sein kann.
So kann gegebenenfalls der an einem Flanschbereich 2 anliegende Endabschnitt 93 des Federelementes 9 als ein Adapterstück dienen und hierzu aus einem Material bestehen, das denselben oder zumindest einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie das Material des Flanschbereiches 2. Insbesondere können hierbei der Flanschbereich 2 und der hierauf einwirkende Endabschnitt 93 des Federelementes 9 aus demselben Material gefertigt sein.
Die vorliegend beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispiele einer Messanordnung für ein Positionsmesssystem haben jeweils gemeinsam, dass sie als Komponenten folgendes umfassen: eines der zueinander beweglichen Bauteile (zu messendes Bauteil); einen Trägerkörper, der eine Maßverkörperung oder eine zur Abtastung einer Maßverkörperung vorgesehene Abtasteinrichtung trägt; mindestens einer Schraube, die jeweils einen Flanschbereich eines der zueinander beweglichen Bauteile (also des zumessenden Bauteiles) und des Trägerkörpers durchgreift und der die beiden Flanschbereiche in axialer Richtung der Schraube mit einer Spannkraft gegeneinander verspannt, um den Trägerkörper und das eine der zueinander beweglichen Bauteile (das zu messende Bauteil) aneinander zu befestigen, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient (α₅) des Materials der Schraube (5) größer ist als der jeweilige thermische Ausdehnungskoeffizient (α₁, α₂) des Materials des jeweiligen Flanschbereiches (1, 2). Ferner wirkt die Schraube (5) auf mindestens einen der Flanschbereiche (1, 2) über ein zusätzliches Zwischenelement (4) ein, dessen Material einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α₄) aufweist als das Material jedes der Flanschbereiche (1, 2).

Claims

Messanordnung zur Ermittlung der Position zweier zueinander beweglicher Bauteile durch Abtastung einer Maßverkörperung mittels einer Abtasteinrichtung, mit – einem Trägerkörper (T1), der die Maßverkörperung (K) oder die zur Abtastung der Maßverkörperung vorgesehene Abtasteinrichtung (A) trägt, und – mindestens einer Schraube (5), die jeweils einen Flanschbereich (1, 2) des Trägerkörpers (T1) und eines der zueinander beweglichen Bauteile (M1, M2) durchgreift und die beiden Flanschbereiche (1, 2) gegeneinander verspannt, um den Trägerkörper und das eine der zueinander beweglichen Bauteile aneinander zu befestigen, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient (α₅) der Schraube (5) größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient (α₁, α₂) des jeweiligen Materials der Flanschbereiche (1, 2) und die Schraube (5) auf mindestens einen der Flanschbereiche (1, 2) über ein zusätzliches Zwischenelement (4) einwirkt, das einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α₄) aufweist als das jeweilige Material der Flanschbereiche (1, 2).
Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Ausdehnung des Zwischenelementes (4) in axialer Richtung (a) und dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient (α₄) derart gewählt sind, dass die Spannkraft, mit der die Schraube (5) die beiden Flanschbereiche (1, 2) gegeneinander verspannt, bei Temperaturänderungen (T – T₀) zumindest annähernd konstant bleibt.
Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient (α₄) des Zwischenelementes (4) größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient (α₅) der Schraube (5).
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung (L₄) des Zwischenelementes (4) entlang der axialen Richtung (a), entlang der die Schraube (5) auf die Flanschbereiche (1, 2) einwirkt, sowie der thermische Ausdehnungskoeffizient (α₄) des Materials, aus dem das Zwischenelement (4) besteht, so aufeinander abgestimmt sind, dass bei Temperaturänderungen (T – T₀) die Änderung der Länge der Schraube (5) in axialer Richtung (a) im Wesentlichen genauso groß ist wie die Summe der Änderungen der Ausdehnung (L₁, L₂, L₃, L₄) der mittels der Schraube (5) gegeneinander verspannten Elemente (1, 2, 3, 4), darunter die Flanschbereiche (1, 2) und das Zwischenelement (4).
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Flanschbereiche (1, 2) aus einem Glasmaterial mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α₁, α₂) kleiner als 0.1·10^–6 1/K besteht.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Flanschbereiche (1, 2) in axialer Richtung (a) der Schraube (5) zwischen zwei Stützabschnitten (55, 58) der Schraube (5) liegen, über die die Schraube (5) auf die Flanschbereiche (1, 2) einwirkt, um diese zu verspannen.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schraube (5) mindestens ein Federmittel (7, 8, 9) zugeordnet ist, über das die Schraube (5) entlang der Richtung (a) der Vorspannkraft der Schraubverbindung auf einen der Flanschbereiche (1, 2) einwirkt.
Messanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Deformierbarkeit der Federmittel (7, 8, 9) entlang der axialen Richtung (a) der Schraube (5) substanziell größer ist als die Deformierbarkeit der Flanschbereiche (1, 2) entlang dieser Richtung (a).
Messanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Deformierbarkeit der Federmittel (7, 8, 9) entlang der axialen Richtung (a) der Schraube (5) unter der Wirkung einer vorgegebenen Kraft mindestens um den Faktor 100 größer ist als die Deformierbarkeit der Flanschbereiche (1, 2) entlang dieser Richtung (a).
Messanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (4) und das Federmittel (8, 9) ein einstückig geformtes Bauelement bilden.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Federmittel (8, 9) durch zumindest einen Teilbereich des Zwischenelementes (4) gebildet wird.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (4) durch zumindest einen Teilbereich des Federmittels (8, 9) gebildet wird
Messanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Federmittel (8) an einem Adapterstück (3) fixiert ist, über welches das Federmittel (8) an einem der Flanschbereiche (1, 2) anliegt.
Messanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Adapterstück (3) derart radial elastisch ausgebildet ist, dass es unterschiedliche temperaturbedingte Änderungen der radialen Ausdehnung des Federmittels (8) einerseits und des Flanschbereiches (1, 2), an dem es anliegt, andererseits ausgleichen kann.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Adapterstück (3) aus demselben Material besteht wie der Flanschbereich (2), an dem das Adapterstück (3) anliegt.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (4) rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse der Schraube (5) ausgebildet ist.