ES2979359T3

ES2979359T3 - Aparato de medición de longitud

Info

Publication number: ES2979359T3
Application number: ES21201946T
Authority: ES
Inventors: Tarek Nutzinger; Hermann Meyer
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2021-01-18
Filing date: 2021-10-11
Publication date: 2024-09-25
Anticipated expiration: 2041-10-11
Also published as: EP4030147A1; US20220228847A1; JP2022111044A; US11609079B2; DE102021200417B3; EP4030147B1; CN114812339A

Abstract

Un dispositivo de medición de longitud comprende una escala (12), un carro de escaneo (16) para escanear una graduación de medición (14) de la escala (12), y un acoplamiento (20) que comprende un elemento de acoplamiento (22). El elemento de acoplamiento (22) está unido a un impulsor (26) a través de una junta de estado sólido (30). La junta de estado sólido (30) está diseñada para soportar el elemento de acoplamiento (22) de modo que pueda girar libremente con respecto al impulsor (26) alrededor de un primer eje de rotación (R1), que discurre perpendicular a un plano (S) de la graduación de medición (14). El elemento de acoplamiento (22) tiene una densidad menor que el acero y/o un módulo de elasticidad mayor que el acero. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Aparato de medición de longitud

CAMPO DE LA TÉCNICA

La presente invención se refiere a un aparato de medición de longitud según el preámbulo de la reivindicación 1.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Aparatos de medición de longitud de este tipo sirven para medir longitudes y recorridos, y se utilizan en particular en máquinas de procesamiento para medir el movimiento relativo de una herramienta con respecto a una pieza de trabajo que ha de ser procesada, en máquinas de medición de coordenadas y cada vez más en la industria de semiconductores.

El documento EP 3228993 A1 da a conocer un aparato de medición de longitud que consta de una escala y un carro de exploración que explora la escala. El carro de exploración es rígido en la dirección de medición mediante un acoplamiento, pero por lo demás está fijado de manera móvil a un impulsor. El acoplamiento comprende un elemento de unión que discurre en la dirección de medición y que está montado de forma giratoria en una primera articulación giratoria del carro de exploración y en una segunda articulación giratoria del impulsor. Entre el elemento de unión y el impulsor está previsto un primer medio de resorte que ejerce una fuerza de presión sobre el carro de exploración y lo presiona contra una superficie de guiado. Además, entre el elemento de unión y el carro de exploración está previsto un segundo medio de resorte que ejerce una fuerza de presión sobre el carro de exploración e igualmente presiona contra la superficie de guiado. El primer medio de resorte está dispuesto a una distancia del segundo medio de resorte en la dirección de medición.

A partir de los documentos EP 2037 230 B1, EP 1180662 B1 y DE 3624485 A1 son conocidos otros aparatos de medición de longitud con un acoplamiento.

El documento DE 29 29 989 A1 da a conocer un aparato de medición de longitud según el preámbulo de la reivindicación 1.

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se basa en la misión de proporcionar un aparato de medición de longitud que tenga una construcción simple y compacta y con el cual sea posible una medición precisa de la posición.

Este misión se logra, de acuerdo con la invención, mediante un aparato de medición de longitud con las características de la reivindicación 1.

El aparato de medición de longitud configurado de acuerdo con la invención comprende un soporte que se extiende longitudinalmente en la dirección de medición, con una escala dispuesta en el mismo, un carro de exploración para explorar una división de medición de la escala, donde el carro de exploración está guiado longitudinalmente en la dirección de medición sobre al menos una superficie de guiado, y un acoplamiento a través del cual el carro de exploración está acoplado a un impulsor de manera rígida en la dirección de medición y de manera flexible transversalmente a la misma. El acoplamiento comprende un elemento de acoplamiento que está dispuesto entre un primer punto de acoplamiento en el carro de exploración y un segundo punto de acoplamiento en el impulsor. El elemento de acoplamiento está fijado al impulsor en el segundo punto de acoplamiento a través de una articulación de cuerpo sólido. La articulación de cuerpo sólido es un resorte de lámina. La articulación de cuerpo sólido está configurada para hacer que el elemento de acoplamiento pueda girar libremente con respecto al impulsor en torno a un primer eje de giro que discurre perpendicularmente a un plano de la graduación de medición. El elemento de acoplamiento tiene una densidad menor en comparación con el acero y/o un módulo de elasticidad mayor en comparación con el acero.

Por ejemplo, el elemento de acoplamiento tiene una densidad en el intervalo de 10 a 80 %, en el intervalo de 20 a 70 % o en el intervalo de 25 a 65 % de la densidad del acero.

Por ejemplo, el elemento de acoplamiento tiene un módulo de elasticidad en el intervalo de 100 a 500 GPa, en el intervalo de 160 a 440 GPa o en el intervalo de 250 a 350 GPa.

Resulta ventajoso que el acoplamiento comprenda una bola a través de la cual se acople el elemento de acoplamiento con el primer punto de acoplamiento del carro de exploración, que el elemento de acoplamiento comprenda una zona de recepción para recibir la bola y que la zona de recepción carezca de un vástago de tope y/o de un vástago para un apoyo de bola y esté configurada de manera que la bola se pueda mover en una dirección perpendicular a la dirección de medición.

Resulta ventajoso, además, que el acoplamiento comprenda un elemento en forma de placa para unir la articulación de cuerpo sólido con el elemento de acoplamiento y que el elemento de acoplamiento presente varios elementos en forma de clavija que se extienden al menos parcialmente a través de aberturas del elemento en forma de placa respectivamente asociadas a los mismos.

Preferiblemente, el elemento de acoplamiento es, en gran parte o en su totalidad, de cerámica.

Como alternativa, el elemento de acoplamiento puede ser, en gran parte o en su totalidad, de material sintético reforzado con fibra de carbono (CFRP, por sus siglas en inglés).

Con la invención se consigue, por un lado, una rigidez propia relativamente elevada y, por otro lado, una masa relativamente pequeña del elemento de acoplamiento. Así se puede desplazar significativamente la posición de la banda de frecuencia de la frecuencia propia del sistema hacia frecuencias más altas. Esto permite a su vez un comportamiento en frecuencia del aparato de medición de longitud mejorado en comparación con el estado de la técnica. Además, para realizar el acoplamiento se puede prescindir de un sistema (adicional) de masa-resorte cuyas frecuencias propias conducen a un deterioro significativo de la precisión de medida en determinadas bandas de frecuencia. En consecuencia, por un lado se consigue una construcción sencilla y compacta, y por otro lado es posible una medición precisa de la posición.

De las reivindicaciones dependientes se desprenden configuraciones ventajosas de la invención.

Otras particularidades y ventajas de la presente invención se explican recurriendo a la siguiente descripción de posibles ejemplos de realización de la invención, en combinación con las figuras.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Se muestra en:

La figura 1, una vista lateral de un aparato de medición de longitud de acuerdo con un ejemplo de realización; la figura 2, una sección transversal del aparato de medición de longitud conforme a la figura 1 en la zona del elemento de acoplamiento;

la figura 3, una vista lateral del elemento de acoplamiento del aparato de medición de longitud conforme a la figura 1;

la figura 4, otra vista lateral del elemento de acoplamiento del aparato de medición de longitud conforme a la figura 1 para ilustrar una unión de la articulación de cuerpo sólido con el elemento de acoplamiento;

la figura 5, una vista en perspectiva del elemento de acoplamiento del aparato de medición de longitud conforme a la figura 1;

la figura 6, una vista lateral de un elemento de acoplamiento de un aparato de medición de longitud de acuerdo con el estado de la técnica;

la figura 7, otra vista lateral del elemento de acoplamiento del aparato de medición de longitud de acuerdo con el estado de la técnica para ilustrar una unión de una articulación de cuerpo sólido con el elemento de acoplamiento; y

la figura 8, una vista en perspectiva del elemento de acoplamiento del aparato de medición de longitud de acuerdo con el estado de la técnica, con un vástago de tope y un vástago para un apoyo de bola.

DESCRIPCIÓN DE LAS FORMAS DE REALIZACIÓN

A elementos iguales o con igual funcionalidad se les han dado en las figuras los mismos números de referencia.

A continuación se explica un ejemplo de realización recurriendo a las figuras 1 a 5. Las figuras 6 a 8 muestran componentes (elementos) de un aparato de medición de longitud conocido. El aparato de medición de longitud de acuerdo con el ejemplo de realización sirve para medir la posición relativa de dos objetos que se pueden desplazar uno con respecto a otro en la dirección X de medición. Para medir la posición, en uno de estos objetos se fija una escala 12 del aparato de medición de longitud y en el otro de estos objetos se fija un carro 16 de exploración del aparato de medición de longitud. La escala 12 es explorada por el carro 16 de exploración, que se puede mover en la dirección X de medición con relación a la escala 12. El aparato de medición de longitud presenta un soporte 10 que se extiende longitudinalmente en la dirección X de medición. La escala 12 tiene una graduación 14 de medición, que es explorada por el carro 16 de exploración. Para ello, el carro 16 de exploración incluye una unidad de iluminación que emite un haz de luz que es modulado por la graduación 14 de medición en función de la posición y finalmente incide sobre sensores de exploración fotosensibles del carro 16 de exploración. La unidad de iluminación y los sensores de exploración del carro 16 de exploración no están mostrados en las figuras.

La escala 12 está dispuesta en el soporte 10. Como se muestra en la figura 2, el soporte 10 es un perfil hueco en el cual están alojados de manera protegida la escala 12 y el carro 16 de exploración. La escala 12 está unida al soporte 10 de manera conocida, por ejemplo mediante encolado o sujeción por presión. El soporte 10, configurado como perfil hueco, presenta en su dirección longitudinal, discurriendo en la dirección X de medición, una ranura que está cerrada por labios 11 de estanqueidad inclinados en forma de tejado, a través de la cual pasa un impulsor 26 con una pieza central 28.1 en forma de orza. El impulsor 26 tiene una zona 28.2 de montaje con la cual se puede fijar a uno de los objetos a medir, por ejemplo a un patín de una máquina herramienta.

Para un exacto guiado en paralelo, se guía el carro 16 de exploración a lo largo de la escala 12 sobre la misma y/o sobre el soporte 10. En el ejemplo de realización mostrado, el carro 16 de exploración está soportado mediante elementos de guiado sobre varias superficies 18.1 a 18.3 de guiado. Las superficies 18.1 a 18.3 de guiado están formadas por bandas de guiado fijadas al soporte 10. Las superficies 18.2, 18.3 de guiado están dirigidas paralelamente a un plano S de la graduación 14 de medición. La superficie 18.1 de guiado está dirigida perpendicularmente a este plano S. Los elementos de guiado pueden ser elementos deslizantes, pero en particular cilindros o rodillos con cojinetes de bolas.

Por medio de un acoplamiento 20 el carro 16 de exploración está acoplado al impulsor 26 de manera rígida en la dirección X de medición y de manera flexible transversalmente a la misma. El acoplamiento 20 comprende un elemento 22 de acoplamiento que está dispuesto entre un primer punto P1 de acoplamiento en el carro 16 de exploración y un segundo punto P2 de acoplamiento en el impulsor 26 (véase la figura 3). El elemento 22 de acoplamiento está fijado al impulsor 26 en el segundo punto P2 de acoplamiento a través de una articulación 30 de cuerpo sólido, que es un resorte de lámina. La articulación 30 de cuerpo sólido está configurada para hacer que el elemento 22 de acoplamiento pueda girar libremente con respecto al impulsor 26 en torno a un primer eje R1 de giro que discurre perpendicularmente al plano S de la graduación 14 de medición. En particular, el resorte de lámina es de acero.

El elemento 22 de acoplamiento tiene una densidad menor en comparación con el acero y/o un módulo de elasticidad mayor en comparación con el acero. Por ejemplo, el elemento 22 de acoplamiento tiene una densidad en el intervalo de 10 a 80 %, en el intervalo de 20 a 70 % o en el intervalo de 25 a 65 % de la densidad del acero. Además, el elemento 22 de acoplamiento tiene, por ejemplo, un módulo de elasticidad en el intervalo de 100 a 500 GPa, en el intervalo de 160 a 440 GPa o en el intervalo de 250 a 350 GPa. En el ejemplo de realización mostrado, el elemento 22 de acoplamiento es, en gran parte o preferiblemente en su totalidad, de cerámica.

Haciendo referencia a la figura 3, el elemento 22 de acoplamiento está configurado de manera acodada en ángulo, esencialmente con forma de L. Además, el elemento 22 de acoplamiento está configurado en forma de horquilla, estando dispuestas secciones superiores del elemento 22 de acoplamiento a ambos lados de la graduación 14 de medición (véase la figura 2). El elemento 22 de acoplamiento se extiende entre el primer y el segundo puntos P1, P2 de acoplamiento. El primer punto P1 de acoplamiento y el segundo punto P2 de acoplamiento están dispuestos desplazados entre sí en una dirección Z que discurre perpendicularmente al plano S de la graduación 14 de medición.

Preferiblemente, el primer punto P1 de acoplamiento está dispuesto, por un lado, en el plano S de la graduación 14 de medición o al menos cerca de este plano S (en la dirección Z) y, por otro lado, a ambos lados de la graduación 14 de medición (en la dirección Y). Esto está ilustrado en particular en la figura 2.

El acoplamiento 20 mostrado en la figura 3 comprende una bola 32, por medio de la cual el elemento 22 de acoplamiento está acoplado al primer punto P1 de acoplamiento en el carro 16 de exploración. El elemento 22 de acoplamiento comprende una zona Q de recepción para recibir la bola 32. A diferencia del estado de la técnica, la zona Q de recepción carece de un vástago de tope y/o de un vástago para un apoyo de bola, y está configurada de manera que la bola 32 se puede mover en una dirección perpendicular a la dirección X de medición (es decir, en el plano YZ). Para ello al menos la zona Q de recepción debería tener cerámica.

Gracias al acoplamiento en el primer punto P1 de acoplamiento, explicado haciendo referencia a la figura 3, se puede prescindir del uso de un vástago de tope o de un vástago para un apoyo de bola (véanse los elementos 2 y 4 en la figura 8). Esto permite un importante ahorro de costes, en comparación con el estado de la técnica, en la fabricación del aparato de medición de longitud.

Haciendo referencia a la figura 4, el acoplamiento 20 comprende un elemento 34 en forma de placa, en particular una placa de acero, para unir la articulación 30 de cuerpo sólido con el elemento 22 de acoplamiento. El elemento 34 en forma de placa está configurado con una forma esencialmente cuadrangular cuando se observa en la dirección del eje Y. El elemento 22 de acoplamiento presenta varios elementos 24.1 a 24.3 en forma de clavija, que se extienden al menos parcialmente a través de aberturas 36.1 a 36.3 del elemento 34 en forma de placa, respectivamente asociadas a los mismos. En la figura 4 se muestra el estado unido de la articulación 30 de cuerpo sólido. En el estado unido, la articulación 30 de cuerpo sólido está dispuesta entre el elemento 34 en forma de placa y una zona opuesta a este (véase la zona A en la figura 5) del elemento 22 de acoplamiento. Además, en el estado unido, el elemento 34 en forma de placa está fijado al elemento 22 de acoplamiento por medio de un tornillo 38.

Haciendo referencia a la figura 5, el elemento 22 de acoplamiento presenta de un primer a un tercer elementos 24.1 a 24.3 en forma de clavija. Los elementos 24.1 a 24.3 en forma de clavija están dispuestos uno encima de otro en la dirección Z. El primer elemento 24.1 en forma de clavija está configurado con forma de estrella, para poder colocar el elemento 34 en forma de placa a través de una abertura (perforación) 36.1 del elemento 34 en forma de placa, asociada al primer elemento 24.1 en forma de clavija. El segundo y el tercer elementos 24.2, 24.3 en forma de clavija descansan en cada caso por ambos lados sobre el borde de una abertura (perforación) 36.2, 36.3 respectivamente asociada al segundo y tercer elementos 24.2, 24.3 en forma de clavija, para impedir un giro del elemento 34 en forma de placa en torno a un segundo eje R2 de giro que discurre en una dirección Y paralela al plano S de la graduación 14 de medición (véase la figura 3), y compensar una tolerancia de distancia (esencialmente en la dirección Z). Como se muestra en la figura 5, el primer elemento 24.1 en forma de clavija está configurado de manera que puede descansar esencialmente en todo su contorno sobre el borde de la abertura 36.1. Además, el segundo y el tercer elementos 24.2, 24.3 en forma de clavija están configurados de manera que descansan sobre dos puntos, opuestos en la dirección X, del borde de la abertura 36.2 o respectivamente 36.3. En la dirección Z, sin embargo, el segundo y el tercer elementos 24.2, 24.3 en forma de clavija no descansan sobre los bordes de las dos aberturas 36.2, 36.3. En la figura 5 se muestra también una abertura 40 dispuesta entre el primer y el segundo elementos 24.1, 24.2 en forma de clavija. La abertura 40 sirve para recibir el tornillo 38 (véase la figura 4).

La función descrita en relación con la figura 5 también se consigue si se suprime uno de los dos elementos 24.2, 24.3 en forma de clavija.

Haciendo referencia a la figura 5, el segundo y tercer elementos 24.2, 24.3 en forma de clavija están dispuestos en lados opuestos de la abertura 40, o respectivamente en lados opuestos del primer elemento 24.1 en forma de clavija. Ventajosamente, los elementos 24.1 a 24.3 en forma de clavija son elementos producidos por conformación en la zona A del elemento 22 de acoplamiento orientada hacia el elemento 34 en forma de placa. Esto elimina la necesidad, requerida en la técnica anterior, de estampar vástagos para unir la articulación 30a de cuerpo sólido con el elemento 22a de acoplamiento (véanse los elementos 24.1a a 24.3a en la figura 7). Para conseguir un acoplamiento mejorado (o robusto) del elemento 22 de acoplamiento al segundo punto P2 de acoplamiento, al menos los elementos 24.1 a 24.3 en forma de clavija deberían tener también cerámica.

En las figuras 6 a 8, a elementos correspondientes o análogos se les han dado los mismos números de referencia que en las figuras 1 a 5, pero junto con la letra a, o los mismos números de referencia que en las figuras 1 a 5, a trazos. El uso de cerámica para la mayor parte (o la parte principal) del elemento de acoplamiento permite una elevada dureza y una excelente calidad superficial del mismo, al menos en el primer y el segundo puntos P1, P2 de acoplamiento. La graduación 14 de medición puede ser una graduación incremental. Como alternativa, la graduación 14 de medición también puede ser una graduación absoluta, por ejemplo configurada como código pseudoaleatorio.

La invención permite una medición de la posición con resolución particularmente elevada, cuando la graduación 14 de medición está configurada de manera que pueda ser explorada por medios ópticos. Como alternativa, la graduación de medición 14 también puede estar configurada de manera que pueda ser explorada por medios magnéticos, inductivos o capacitivos.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Aparato de medición de longitud, con

un soporte (10) que se extiende longitudinalmente en la dirección (X) de medición, con una escala (12) dispuesta en el mismo,

un carro (16) de exploración para explorar una división (14) de medición de la escala (12), donde el carro (16) de exploración está guiado longitudinalmente en la dirección (X) de medición sobre al menos una superficie (18.1 - 18.3) de guiado,

un acoplamiento (20) a través del cual el carro (16) de exploración está acoplado a un impulsor (26) de manera rígida en la dirección (X) de medición y de manera flexible transversalmente a la misma, donde el acoplamiento (20) comprende un elemento (22) de acoplamiento que está dispuesto entre un primer punto (P1) de acoplamiento en el carro (16) de exploración y un segundo punto (P2) de acoplamiento en el impulsor (26), donde el elemento (22) de acoplamiento está fijado al impulsor (26) en el segundo punto (P2) de acoplamiento a través de una articulación (30) de cuerpo sólido,

caracterizado por que

la articulación (30) de cuerpo sólido es un resorte de lámina, donde la articulación (30) de cuerpo sólido está configurada para hacer que el elemento (22) de acoplamiento pueda girar libremente con respecto al impulsor (26) en torno a un primer eje (R1) de giro que discurre perpendicularmente a un plano (S) de la graduación (14) de medición, y el elemento (22) de acoplamiento tiene una densidad menor en comparación con el acero y/o un módulo de elasticidad mayor en comparación con el acero.

2. Aparato de medición de longitud según la reivindicación 1, donde el elemento (22) de acoplamiento tiene una densidad en el intervalo de 10 a 80 %, en el intervalo de 20 a 70 % o en el intervalo de 25 a 65 % de la densidad del acero.

3. Aparato de medición de longitud según la reivindicación 1 ó 2, donde el elemento (22) de acoplamiento tiene un módulo de elasticidad en el intervalo de 100 a 500 GPa, en el intervalo de 160 a 440 GPa o en el intervalo de 250 a 350 GPa.

4. Aparato de medición de longitud según una de las reivindicaciones precedentes, donde el elemento (22) de acoplamiento está configurado de manera acodada en ángulo, con forma de L.

5. Aparato de medición de longitud según una de las reivindicaciones precedentes, donde el primer punto (P1) de acoplamiento y el segundo punto (P2) de acoplamiento están dispuestos desplazados entre sí en una dirección (Z) que discurre perpendicularmente al plano (S) de la graduación (14) de medición.

6. Aparato de medición de longitud según una de las reivindicaciones precedentes, donde el acoplamiento (20) comprende una bola (32) a través de la cual el elemento (22) de acoplamiento está acoplado al carro (16) de exploración en el primer punto (P1) de acoplamiento, donde el elemento (22) de acoplamiento comprende una zona (Q) de recepción para recibir la bola (32), donde la zona (Q) de recepción carece de un vástago de tope y/o de un vástago para un apoyo de bola y está configurada de manera que la bola (32) se puede mover en una dirección perpendicular a la dirección (X) de medición.

7. Aparato de medición de longitud según la reivindicación 6, donde al menos la zona (Q) de recepción tiene cerámica.

8. Aparato de medición de longitud según una de las reivindicaciones precedentes, donde el acoplamiento (20) comprende un elemento (34) en forma de placa para unir la articulación (30) de cuerpo sólido con el elemento (22) de acoplamiento, donde el elemento (22) de acoplamiento presenta varios elementos (24.1 - 24.3) en forma de clavija que se extienden al menos parcialmente a través de aberturas (36.1 - 36.3) del elemento (34) en forma de placa, respectivamente asociadas a los mismos.

9. Aparato de medición de longitud según la reivindicación 8, donde el elemento (22) de acoplamiento presenta al menos un primer y un segundo elementos (24.1, 24.2) en forma de clavija que están dispuestos uno encima de otro en una dirección (Z) que discurre perpendicularmente al plano (S) de la graduación (14) de medición, donde el primer elemento (24.1) en forma de clavija está configurado con forma de estrella para colocar el elemento (34) en forma de placa a través de una abertura (36.1) del elemento (34) en forma de placa asociada al primer elemento (24.1) en forma de clavija, donde el segundo elemento (24.2) en forma de clavija descansa por ambos lados sobre el borde de una abertura (36.2) asociada al segundo elemento (24.2) en forma de clavija, para evitar un giro del elemento (34) en forma de placa en torno a un segundo eje (R2) de giro que discurre en una dirección (Y) paralela al plano (S) de la graduación (14) de medición, y compensar una tolerancia de distancia.

10. Aparato de medición de longitud según la reivindicación 8 o 9, donde los elementos (24.1 - 24.3) en forma de clavija son elementos producidos por conformación en una zona (A) del elemento (22) de acoplamiento orientada hacia el elemento (34) en forma de placa.

11. Aparato de medición de longitud según una de las reivindicaciones 8 a 10, donde al menos los elementos (24.1 -24.3) en forma de clavija tienen cerámica.

12. Aparato de medición de longitud según una de las reivindicaciones 8 a 11, donde el elemento (34) en forma de placa es una placa de acero.

13. Aparato de medición de longitud según una de las reivindicaciones precedentes, donde el elemento (22) de acoplamiento es, en gran parte o en su totalidad, de cerámica.

14. Aparato de medición de longitud según una de las reivindicaciones precedentes, donde el resorte de lámina es de acero.