DE10105309C2

DE10105309C2 - Selbstreinigendes Luftlager und Linearmotor

Info

Publication number: DE10105309C2
Application number: DE2001105309
Authority: DE
Inventors: Klaus Martin
Original assignee: LAT SUHL AG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2003-07-03
Anticipated expiration: 2021-02-03
Also published as: DE10105309A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein selbstreinigendes Luftlager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung einen Linearmotor mit einem derartigen Luftlager.

In modernen Antriebs- und Bewegungssystemen sind häufig besondere Lagerungen zu realisieren, die einerseits schnelle Bewegungen und hohe Beschleunigungen bei geringen Reibungs verlusten gestatten und andererseits eine präzise Positionie rung ermöglichen. Bei verschiedensten Anwendungen werden dafür sogenannte Luftlager eingesetzt, bei denen die bewegten Teile auf einem zwischen zwei Lagerelementen ausgebildeten Luftkissen gleiten. Dazu sind beispielsweise in Linearmotoren Luftaustrittsdüsen integriert, aus denen Druckluft austritt, um zwischen der Aktiveinheit und der Passiveinheit des Line armotors ein mitbewegtes Luftkissen aufzubauen.

In der DE 195 12 060 A1 ist eine spezielle Luftlagerdüse und ein Verfahren zu ihrer Herstellung beschrieben. Der dort beschriebene Stand der Technik soll u. a. gewährleisten, dass ein möglichst konstanter Luftstrom aus der Luftaustrittsdüse des Luftlagers austritt, um die Ausdehnung des Luftkissens über einen längeren Zeitraum konstant zu halten.

Wenn höhere Geschwindigkeiten und Beschleunigungen erzielt werden sollen, ist es zweckmäßig, das zwischen den Lagerele menten ausgebildete Luftkissen möglichst flach zu halten, um unerwünschte Kippmomente bei einwirkenden Beschleunigungs kräften gering zu halten und eine hohe Steifigkeit zu errei chen. Wenn der Luftspalt zwischen zwei Lagerflächen beispielsweise nur wenige Mikrometer beträgt, besteht das besondere Problem, dass bereits kleine Schmutzpartikel, die in diesen Luftspalt gelangen, Funktionsstörungen des Luftla gers oder auch Beschädigungen der Lagerflächen hervorrufen können. Derartige Schmutzpartikel können einen unruhigen Lauf des bewegten Lagerelements hervorrufen oder die Luftaus trittsdüse verstopfen, so dass das Luftpolster zusammenbricht und das Luftlager seine Funktion vollständig einstellt. Wenn Luftlager in Materialbearbeitungsmaschinen eingesetzt werden ist die Gefahr von Verschmutzungen besonders hoch, sobald eine spanende Materialbearbeitung erfolgt oder beispielsweise feinkörnige Stoffe zugeführt werden, die sich auf der Lauf fläche des Luftlagers absetzen können.

Es hat sich insbesondere gezeigt, dass die aus dem Luftspalt austretende Druckluft zwar einfache Staubkörnchen von der Lauffläche blasen kann, jedoch dieser Selbstreinigungseffekt zur Entfernung bestimmter Schmutzpartikel nicht ausreicht. Beispielsweise entstehen bei der Bearbeitung keramischer Materialien relativ scharfkantige Partikel, die nicht von der Lauffläche geblasen werden und sich regelrecht zwischen den Lagerflächen verkeilen können.

In der US 3,494,673 ist eine Reinigungsvorrichtung für eine Lagerfläche beschrieben. Daraus ist es bekannt, ein hydrosta tisches Lager mit einer zusätzlichen Reinigungsvorrichtung auszurüsten, um Schmutzpartikel von dem Luftlagerspalt fern zuhalten. Gemäß einer in dieser Druckschrift gezeigten Vari ante ist eine Nut vorgesehen, aus der Druckluft austritt, die durch Lippen und angrenzende Bürsten hindurchströmt. Um einen ausreichenden Reinigungseffekt zu erzielen, muss mit hohem Luftdruck gearbeitet werden, wodurch allerdings das ausgebil dete Luftlager in unterwünschter Weise beeinflusst wird. Gemäß einer zweiten Variante sind Bürsten für eine Grobreini gung vorgesehen, damit der für die nachfolgende Feinreinigung erforderliche Luftdruck geringer ausgelegt werden kann. Wenn allerdings von der Bürste bestimmte Schmutzpartikel nicht beseitigt werden können, besteht die Gefahr, dass der niedrig gewählte Reinigungsluftdruck nicht ausreichend groß ist, um diese Restpartikel von der Lauffläche zu entfernen. Weiterhin schlägt der Stand der Technik eine Variante vor, die separate Abluftöffnungen verwendet, um den durch die Reinigungsluft aufgebauten Druck wieder abbauen zu können. Damit erhöht sich jedoch der konstruktive Aufwand des Luftlagers erheblich. Außerdem kann nicht sichergestellt werden, dass diese Abluft rillen nicht durch Schmutzpartikel verstopfen. Schließlich gibt der Stand der Technik eine Variante an, bei welcher auf die Abluftöffnungen verzichtet wird. Dazu wird die Reini gungsluft aus einer Düse, die an der Seitenfläche des Luftla gers angeordnet ist, in einem spitzen Winkel auf die Laufflä che geblasen. Um diese Düsenanordnung zu ermöglichen, ist jedoch ein mehrteiliger, komplizierter Aufbau der Reinigungs einrichtung erforderlich. Durch die Positionierung der Luft austrittsdüse an der Seitenfläche des Luftlagers entsteht außerdem ein toter Winkel, der von dem Reinigungsluftstrom nicht erreicht wird. Insbesondere im Moment der Inbetrieb nahme eines solchen Luftlagers besteht daher die Gefahr, dass Schmutzpartikel, die sich in diesem toten Winkel befinden, nicht von der Lauffläche entfernt werden.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein verbessertes Luftlager bereitzustellen, welches das Eindringen von störenden Schmutzpartikeln in den Luftspalt verhindert und damit die Funktionssicherheit des Luftlagers erhöht.

Diese und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Reinigungsluftspalt im wesentlichen senk recht zur Lagerfläche verläuft und dass der geringste Abstand zwischen der Stirnseite des Ringdüsenkörpers und der Laufflä che etwa zehn mal größer ist als der im Betriebszustand ausgebildete Luftspalt.

Das erfindungsgemäße selbstreinigende Luftlager bietet vor allem den Vorteil, dass solche Luftlager auch in nicht völlig staubfreien Umgebungen eingesetzt werden können, dass der Luftspalt zwischen den Lagerflächen weiter verringert werden kann und dass die allgemeine Betriebssicherheit des Luftla gers gesteigert wird. Vorzugsweise wird der Reinigungsluft spalt das Luftlager vollständig umgeben. Bei bestimmten Anwendungen kann es jedoch auch ausreichend sein, wenn nur einige Bereiche des Luftlagers vom Reinigungsluftspalt umfasst sind, beispielsweise wenn das Luftlager nur in einer Dimension bewegt wird, so dass die Reinigung in der zweiten Dimension nicht benötigt wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Luftlagers besitzt einen Ringdüsenkörper, der den Luftlagerkörper umgreift und zur Ausbildung des Reinigungsluftspalts in der Nähe der Lagerflä che geringfügig vom Luftlagerkörper beabstandet ist. Ein solcher Aufbau ist einfach herzustellen, da bei geeigneter Profilierung des Ringdüsenkörpers der Reinigungsluftspalt automatisch zwischen dem Ringdüsenkörper und dem Luftlager körper entsteht, ohne dass zusätzliche Justagearbeiten notwendig sind.

Es ist vorteilhaft, wenn der Ringdüsenkörper einen Ringkanal besitzt, welcher der Zufuhr der Druckluft an den Reinigungs luftspalt dient. Außerdem ist es zweckmäßig, wenn die Stirn seite des Ringdüsenkörpers, die in der Nähe der Lagerfläche angeordnet ist, stumpfwinklig zur Lagerfläche verläuft so dass sich zwischen der Stirnseite und der Lauffläche des Luftlagers ein freier Querschnitt ausbildet, der mit steigen dem Abstand zum Luftlagerkörper zunimmt. Durch diese konstruktiven Gestaltungen wird sichergestellt, dass stets ausreichend Druckluft aus dem Reinigungsluftspalt austritt und dadurch eine Art Luftkeil um den eigentlichen Luftspalt entsteht, der auch größere Schmutzpartikel von der Lauffläche schieben kann, bevor die Lagerfläche und das Luftkissen den entsprechenden Abschnitt der Lauffläche erreichen. Außerdem werden störende Einflüsse der zusätzlich austretenden Druck luft auf das eigentliche Luftlager vermieden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Druckluft zufuhr zum Reinigungsspalt über einen separaten Versorgungs anschluss, unabhängig von der Versorgung der Luftaustritts düse des Luftlagers. Dadurch können einerseits ausreichende Luftmengen bereitgestellt werden und andererseits Druck schwankungen an der Luftaustrittsdüse des Luftlagers vermie den werden.

Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin einen luftgelager ten Linearmotor bereit, welcher ein erfindungsgemäßes Luftla ger der o. g. Art verwendet.

Weitere Einzeiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des selbstreinigenden Luftlagers, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht eines selbstreinigenden Luftlagers;

Fig. 2 eine Detailansicht eines Reinigungsluftspalts des in Fig. 1 gezeigten Luftlagers (Detail A);

Fig. 3 eine Detailansicht einer veränderten Ausführungsform mit einem schräg verlaufenden Reinigungsluftspalt.

Fig. 1 zeigt eine seitliche Schnittansicht eines selbstreini genden Luftlagers. Das Luftlager besitzt in herkömmlicher Weise einen Luftlagerkörper 1, in welchem eine Luftaustritts düse 2 integriert ist. An der Unterseite des Luftlagerkörpers 1 befindet sich eine Lagerfläche 3, welche die erste Lager fläche darstellt. Die zweite Lagerfläche wird durch eine Lauffläche 4 gebildet, die bei einem Linearmotor eine mit einer Zahnstruktur versehene und nachträglich durch Füll stoffe geebnete Oberfläche sein kann. Durch die aus der Luft austrittsdüse 2 austretende Druckluft wird zwischen der Lagerfläche 3 und der Lauffläche 4 ein Luftkissen aufgebaut, so dass ein Luftspalt 5 entsteht. Im Betriebszustand kann der Luftspalt 5 eine Dicke von beispielsweise 5 µm aufweisen. Die Luftaustrittsdüse 2 wird über einen Luftlageranschluss 6 mit Druckluft versorgt.

In erfindungsgemäßer Weiterbildung des Luftlagers ist am Luftlagerkörper 1 ein Ringdüsenkörper 7 befestigt, wobei der Ringdüsenkörper 7 an seiner unteren Stirnseite 8, also nahe bei der Lagerfläche 3, geringfügig vom Luftlagerkörper 1 beabstandet ist, so dass ein Reinigungsluftspalt 9 entsteht. Dabei kommt es nur entscheidend auf das Vorhandensein des Reinigungsluftspaltes 9 an, während für dessen spezielle Ausbildung bei anderen Ausführungsformen abweichende konstruktive Lösungen denkbar sind. Beispielsweise könnten der Ringdüsenkörper 7 und der Luftlagerkörper 1 einstückig ausgebildet sein, so dass der Reinigungsluftspalt 9 unmittel bar im Luftlagerkörper 1 integriert ist oder der Reinigungs luftspalt wird schräg nach außen gerichtet (siehe dazu Fig. 3).

Bei der in den Figuren gezeigten Ausführungsform ist im unteren Bereich des Ringdüsenkörpers 7 ein Ringkanal 10 angeordnet, über welchen die Druckluft an den Reinigungsluftspalt 9 geleitet wird. Der Ringkanal 10 wird über einen Ringdüsenan schluss 11 mit Druckluft versorgt. Es ist zweckmäßig, die Druckluft über diesen getrennten Versorgungsanschluss zuzu führen, um eine ausreichende Luftmenge bereitzustellen und um Störungen an dem eigentlichen Luftlageranschluss 6 zu vermei den. Bei entsprechender Dimensionierung können andere Ausfüh rungsformen jedoch auch eine gemeinsame Druckluftzufuhr für das Luftlager und den Reinigungsluftspalt verwenden. Gegebe nenfalls könnte auch ein Puffervolumen in den Luftlagerkörper integriert werden.

Fig. 2 zeigt in einer Detailansicht einen Abschnitt des bereits in Fig. 1 dargestellten Luftlagers, wobei dieser Abschnitt in Fig. 1 durch die Detailmarkierung A gekennzeich net ist. Es ist erkennbar, dass der im Ringdüsenkörper 7 angeordnete Ringkanal 10 unmittelbar in den zwischen Ringdü senkörper und Luftlagerkörper ausgebildeten Reinigungsluft spalt 9 übergeht, so dass sich bei einem Überdruck im Ringka nal 10 ein Reinigungsluftstrom ergibt, dessen Strömungsrich tung durch einen Pfeil dargestellt ist. Bei der gezeigten Ausführungsform ist weiterhin die Stirnseite 8 des Ringdüsen körpers 7 stumpfwinklig zur Lagerfläche 3 ausgebildet. Der freie Querschnitt zwischen der Lauffläche 4 und der Stirn seite 8 nimmt dadurch mit wachsendem Abstand zum Reinigungs spalt 9 zu. Der der austretenden Druckluft entgegen wirkende Strömungswiderstand nimmt daher deutlich ab, je größer die Entfernung vom Reinigungsluftspalt 9 ist. Dadurch ist sicher gestellt, dass die Reinigungsluft nicht in den zwischen der Lagerfläche 3 und der Lauffläche 4 aufgebauten Luftspalt 5 eindringt sondern nach außen abgeführt wird.

Da auch aus dem Luftspalt 5 eine bestimmte Luftmenge austritt, ist es erforderlich, diese ebenfalls nach außen abzuführen. Dazu ist die Stirnseite 8 gegenüber der Lagerflä che 3 zurückgesetzt, so dass der geringste Abstand zwischen der Stirnseite 8 und der Lauffläche 4 beispielsweise 50 µm beträgt. Dies trägt zusätzlich dazu bei, das Einströmen von Reinigungsluft in den Luftspalt 5 zu verhindern, so dass keinesfalls Schmutz- oder Staubpartikel in den Luftspalt 5 eingeblasen werden. Vielmehr ergibt sich ein eindeutig nach außen gerichteter Luftstrom, der bei einem mitbewegten Luft lager die Lauffläche 4 reinigt, bevor die Lagerfläche 3 neue Abschnitte der Lauffläche 4 erreicht.

Fig. 3 zeigt in einer Detailansicht den Bereich des Reini gungsluftspaltes 9 gemäß einer abgewandelten Ausführungsform. Der Reinigungsluftspalt 9 verläuft hierbei nicht senkrecht zur Lagerfläche 3 bzw. zur gegenüberliegenden Lauffläche 4 sondern ist schräg nach außen gerichtet. Die Bewegungsrich tung der aus dem Reinigungsluftspalt 9 austretenden Reini gungsluft muss bei dieser Führung nicht so stark umgelenkt werden, so dass eine höhere Strömungsgeschwindigkeit erzielt wird. Der gewünschte Reinigungseffekt wird dadurch weiter verbessert.

Wie bereits oben dargelegt wurde, sind andere Ausführungsfor men möglich, um den Reinigungsluftspalt zu erzeugen. Beispielsweise kann der Reinigungsluftspalt auch aus mehreren Teilspalten zusammengesetzt sein, die mehr oder weniger voneinander beabstandet sind. Dadurch kann sich bei bestimm ten Anwendungsfällen eine leichtere technische Realisierbar keit ergeben. Die Verwendung eines Reinigungsluftstroms bietet gegenüber der Verwendung von Reinigungsbürsten auch den Vorteil, dass der Reibungswiderstand sehr gering gehalten wird.

Das beschriebene Luftlager kann bei unterschiedlichsten Gerä ten und Lageranforderungen eingesetzt werden. Ein bevorzugter Einsatzfall ist die Verwendung des Luftlagerkörpers in einem Linearmotor, der beispielsweise in Bearbeitungsmaschinen eingesetzt wird, bei denen Verunreinigungen der Laufflächen aufgrund der ausgeführten Bearbeitungsschritte auftreten können.

Das selbstreinigende Luftlager kann baulich an bekannte Luft lager angepasst sein, wodurch ein einfacher Austausch in bestehenden Anwendungen ermöglicht wird.

Bezugszeichenliste

1

Luftlagerkörper

2

Luftaustrittsdüse

3

Lagerfläche

4

Lauffläche

5

Luftspalt

6

Luftlageranschluss

7

Ringdüsenkörper

8

Stirnseite

9

Reinigungsluftspalt

10

Ringkanal

11

Ringdüsenanschluss

Claims

1. Selbstreinigendes Luftlager, umfassend:
einen Luftlagerkörper (1) mit einer Lagerfläche (3) und einer oder mehreren Luftaustrittsdüsen (2);
einen Luftspalt (5), der zwischen der Lagerfläche (3) und einer gegenüberliegenden Lauffläche (4) durch zuge führte Druckluft ausgebildet wird;
einen Ringdüsenkörper (7) mit einer Stirnseite (8), der den Luftlagerkörper (1) umgreift und von diesem wenigs tens abschnittsweise geringfügig beabstandet ist, wobei der zwischen der Stirnseite (8) und der Lauffläche (4) ausgebildete freie Querschnitt mit steigendem Abstand zum Luftlagerkörper (1) zunimmt;
einen Reinigungsluftspalt (9), der zwischen dem Ringdü senkörper (7) und dem Luftlagerkörper (1) ausgebildet ist und aus welchem Druckluft austritt, die Schmutzpar tikel vom Luftspalt (5) fern hält;
einen Ringkanal (10), der zwischen dem Luftlagerkörper (1) und dem Ringdüsenkörper (7) ausgebildet ist und dessen Querschnitt wesentlich größer als der Querschnitt des über den Ringkanal (10) mit Druckluft versorgten Reinigungsluftspalts (9) ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
der Reinigungsluftspalt (9) im wesentlichen senkrecht zur Lagerfläche (3) verläuft;
der geringste Abstand zwischen der Stirnseite (8) des Ringdüsenkörpers (7) und der Lauffläche (4) etwa zehn mal größer ist als der im Betriebszustand ausgebildete Luftspalt (5).

2. Selbstreinigendes Luftlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite (8) des Ringdüsenkör pers (7) etwa 50 µm gegenüber der Lagerfläche (3) des Luftlagerkörpers (1) zurück gesetzt verläuft.

3. Selbstreinigendes Luftlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftzufuhr zum Reinigungsluftspalt (9) über einen eigenen Versorgungsan schluss (11) erfolgt, getrennt von der Druckluftzufuhr (6) zu den Luftaustrittsdüsen (2) des Luftlagers.

4. Selbstreinigendes Luftlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftlagerkörper (1) und der Reinigungsluftspalt (9) einen kreisförmigen Quer schnitt besitzen.

5. Selbstreinigendes Luftlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reinigungsluftspalt (9) in den Randbereich des Luftlagerkörpers (1) integriert ist.

6. Selbstreinigendes Luftlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reinigungsluftspalt (9) aus mehreren voneinander beabstandeten Teilspalten zusammengesetzt ist.

7. Luftgelagerter Linearmotor mit einem ruhenden Passivele ment und einem beweglichen Aktivelement, in welches mindestens ein Luftlager integriert ist, dadurch gekenn zeichnet, dass das Luftlager gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 als selbstreinigendes Luftlager ausgebildet ist.