DE19745216A1 - Luftlager und Verfahren zum Einstellen eines Luftlagers - Google Patents
Luftlager und Verfahren zum Einstellen eines LuftlagersInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luftlager mit einem
ortsfesten und einem beweglichen Lagerkörper und mehreren,
sich zu einem zwischen den beiden Lagerkörpern ausgebildeten
Lagerspalt öffnenden Zuleitungen für unter Druck zugeführte
Luft.
Derartige Luftlager sind als ebene Plattenlager,
zylindrische Lager, kegelige Lager oder sphärische Lager
weithin bekannt. Bei den vorbekannten Lagern wird in der
Regel Luft über in dem ortsfesten Lagerkörper ausgebildete
Strömungskanäle in den zwischen dem ortsfesten und dem
beweglichen Lagerkörper ausgebildeten Lagerspalt geleitet.
Hierzu weisen die Strömungskanäle eine Vielzahl von
Auslaßöffnungen zu dem Lagerspalt auf. Bei einem kegeligen
Lager bzw. einem zylindrischen Lager sind in der Regel an
verschiedenen Stellen in axialer Richtung mehrere, auf dem
Umfang verteilt angeordnete Auslaßöffnungen vorgesehen. Bei
einem ebenen Plattenlager werden die Auslaßöffnungen in
Linien mit gleichmäßigem Abstand zueinander oder flächig
verteilt ausgebildet. Die Strömungskanäle kommunizieren mit
einem zentralen Speiser, der mit einer Zufuhrquelle für die
zugeführte Luft verbunden ist. In dem Luftlager verteilt
sich die zugeführte Luft in den Strömungskanälen und tritt
aus den Auslaßöffnungen aus. Dadurch bildet sich im
Lagerspalt ein Luftkissen aus, auf dem die Lagerkräfte von
einem Lagerkörper auf den anderen berührungsfrei übertragen
werden.
Um eine derartige berührungsfreie Übertragung zu
gewährleisten, muß der Lagerspalt kontrolliert werden. Bei
einem zylindrischen oder kegeligen Lager müssen die Achsen
der beiden Lagerkörper koaxial zueinander verlaufen. Der
zwischen den beiden Lagerkörpern ausgebildete ringförmige
Lagerspalt muß zur Vermeidung von Unwuchten über den
gesamten Umfang eine konstante Stärke aufweisen. Auch bei
ebenen oder sphärischen Lagern muß der zwischen dem
ortsfesten und dem beweglichen Lagerkörper ausgebildete
Lagerspalt eingestellt werden, um eine Berührung der
Lagerkörper zu vermeiden. Ebene Plattenlager bzw. sphärische
Plattenlager werden insbesondere in der Meßtechnik
eingesetzt. Dadurch ergibt sich das Erfordernis, nicht nur
die Ausrichtung der Lagerkörper zueinander einzustellen,
sondern auch die Höhe des die beiden Lagerkörper trennenden
Lagerspaltes.
Aus der GB 1,085,403 ist ein zylindrisches Luftlager
bekannt, bei dem an dem ortsfesten Lagerkörper
Druckmeßfühler vorgesehen sind. Die einzelnen Druckmeßfühler
sind auf dem Umfang verteilt angeordneten Meßstellen
zugeordnet. Durch die Druckmeßfühler wird die
Druckverteilung im Lagerspalt in Umfangsrichtung gemessen,
um die konzentrische Lage eines ortsfesten Lagerdorns zu
einer beweglichen Lagerbuchse zu überwachen.
Eine derartige Überwachung des Lagerspaltes ist auch für
ebene Plattenlager bekannt, beispielsweise aus dem Beitrag
"Luftgelagerte Bauelemente im Feingerätebau",
Feingerätetechnik 6. Jg., Heft 7, Seite 291-298. Dort wird
beschrieben, daß die Größe des Lagerspaltes einer
Tischführung über Druckdosen eingestellt werden kann, welche
die Luftzufuhr zu den Auslaßöffnungen in den Lagerspalt
steuern. Auch hierzu ist es erforderlich, den im Lagerspalt
herrschenden Druck über besondere Kanäle auf die Druckdosen
zu übertragen, welche die Luftzufuhr für die in einem Gebiet
der Tischführung liegenden Auslaßöffnungen steuern. Bei
steigender Belastung des Tisches steigt auch der Druck in
dem Lagerspalt, so daß das von den Druckmeßdosen abgegebene
Steuersignal auf ein Ventil der Zuleitung derart einwirkt,
daß deren Strömungsquerschnitt erweitert wird.
Die Verwendung von Druckmeßdosen zur Einstellung des
Lagerspaltes ist aufwendig. Darüber hinaus wird durch die
Meßstellen eine Ausnehmung in der Lagerfläche erzeugt, die
im Hinblick auf eine gleichmäßige Druckverteilung im
Lagerspalt möglichst eben und glatt sein sollte. Auch
Schroter "Ausgleichsvorgänge und Strömungsgeräusche bei
aerostatischen Lagern mitflächig verteilten Mikrodüsen",
VDI-Verlag 1994, beschreibt die nachteilige Wirkung der
Druckmessung im Lagerspalt auf das dynamische Verhalten der
Luftlager. Dementsprechend ist aus heutiger Sicht das
Einstellen der Lagerflächen mittels Vermessen der
Druckverteilung in dem Lagerspalt nicht zu empfehlen.
Ferner muß die Lagerspaltgeometrie eingestellt werden.
Bei aerostatischen Lagern kann die Geometrie des
Lagerspaltes und somit die Ausrichtung der Lagerflächen
zueinander entweder durch Selbsteinstellung des beweglichen
Lagerkörpers oder durch Justierung der beiden Lagerkörper
zueinander beeinflußt werden.
Eine Selbsteinstellung wird durch Gelenke oder elastische
Komponenten erreicht, die eine Beweglichkeit des beweglichen
Lagerkörpers nur innerhalb bestimmter Grenzen zulassen. Bei
ebenen Lagern drückt beispielsweise eine gestellfeste
Einstellschraube mit einer kugeligen Stirnseite zentral in
eine konkave oder kegelige Fläche auf der Rückseite des
selbsteinstellenden beweglichen Lagerkörpers. Diese
Gelenkstelle besitzt drei rotatorische Freiheitsgrade.
Entsprechend richtet sich der Lagerkörper selbsttätig in den
zwei erforderlichen Winkeln parallel zu der Lagerfläche des
ortsfesten Lagerkörpers aus. Die Einstellschraube ermöglicht
außerdem die Einstellung der Lagerhöhe. Eine Fehlausrichtung
der Lagerflächen zueinander kann aber auch bei einem
selbsteinstellenden Lager nicht gänzlich vermieden werden,
da auch bei sehr guter Schmierung eine
Selbsteinstellbewegung im Mikrometerbereich aufgrund des
Stick-Slip-Effektes nur begrenzt möglich ist. Ein weiterer
Nachteil der Selbsteinstellung bei ebenen aerostatischen
Lagern ist die hohe Kippanfälligkeit bei der Inbetriebnahme,
insbesondere bei senkrecht eingebauten Lagerkörpern.
Bei der hierzu alternativen Justierung werden Justierhilfen,
wie beispielsweise Einstellschrauben, Einstellexenter,
Einstellkeile, und dergleichen, verwendet, die eine kraft- bzw.
formschlüssige Sicherung der Lagerkörper zueinander
bewirken. Bei ebenen Lagern legt beispielsweise die
Kombination aus drei Zug- und einer Druckschraube die
Position des Lagers fest. Die Auswirkung beim
Justiervorgang, d. h. die aktuelle Einstellung der
Lagerflächen zueinander, wird im allgemeinen mit
Wegmeßgeräten beobachtet. Nachteilig bei der Justierung ist
der hohe zeitliche Aufwand. Bei der Verwendung von tastenden
Meßgeräten kann es aufgrund der Tastkräfte zu
Fremdeinflüssen bei der Einstellung der Lagerspaltgeometrie
kommen. Die diesen Nachteil vermeidenden berührungsfreien
Meßgeräte sind teuer, so daß die Justierung erhebliche
Kosten verursacht. Im übrigen sind die bei der Justierung
verwendeten Meßgeräte und Justierhilfen häufig beim Einsatz
des Luftlagers in der Praxis unbrauchbar, da sie anfällig
gegenüber Erschütterungen und Verschmutzungen sind. Eine
Überwachung der Einstellung der Lagerflächen im späteren
Betrieb ist somit nicht immer möglich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Luftlager zu schaffen, dessen Lagerflächen zueinander auf
einfache Weise eingestellt werden können. Darüber hinaus
soll mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren angegeben
werden, mit dem die Lagerflächen der beiderseitigen
Lagerkörper zuverlässig und auf einfache Weise eingestellt
werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung
gelöst durch ein Luftlager gemäß Anspruch 1, das dadurch
gekennzeichnet ist, daß einzelne Zuleitungen unabhängig
voneinander mit einer Zufuhrquelle für die zugeführte Luft
verbunden sind und daß den einzelnen Zuleitungen ein Mittel
zum Messen des Durchsatzes zugeordnet ist.
Diese Maßnahme bietet vielfältige Vorteile. Aufgrund der
Tatsache, daß für einen bestimmten Lagertyp eine über die
Lagerspalthöhe aufgetragene Luftverbrauchskurve erstellt
werden kann (vgl. Fig. 6 sowie die Ausführungen hierzu),
kann einem bestimmten, gemessenen Luftverbrauch ein
bestimmter Betriebspunkt zugeordnet werden. Hierdurch ist
zum einen die Bestimmung der Lagerspalthöhe möglich. Dies
bedeutet, daß eine Änderung der Lagerspalthöhe oder ein
Verkippen eines Luftlagers, dessen Öffnungen durch getrennte
Zuleitungen oder getrennte, jeweils bestimmten Bereichen
zugeordnete Zuleitungen versorgt werden, auf einfache Weise
erfaßt werden kann. Ferner bietet die Messung des
Luftdurchsatzes die Möglichkeit, die auf das Lager wirkenden
Kräfte berührungslos und ohne konstruktive Veränderungen an
den einzelnen Komponenten des Luftlagers zu erfassen.
Schließlich legt die erfindungsgemäße Messung des
Durchsatzes in den einzelnen Zuleitungen die Grundlage
dafür, daß der entsprechende Durchsatz jeweils gezielt
eingestellt wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den
weiteren Ansprüchen beschrieben.
Bevorzugt ist den einzelnen Zuleitungen ferner ein Mittel
zum Einstellen des Durchsatzes zugeordnet. Da einzelne
Zuleitungen unabhängig voneinander mit einer Zufuhrquelle
für die zugeführte Luft verbunden sind, kann die in einem
Bereich, in dem die mit einer einzelnen Zuleitung
kommunizierenden Auslaßöffnungen angeordnet sind, der
Durchsatz eingestellt werden. Somit läßt sich ein über die
Lagerfläche veränderlicher Durchsatz bei dem
erfindungsgemäßen Luftlager darstellen. Dieser veränderliche
Durchsatz kann genutzt werden, um die Lagerflächen
zueinander einzustellen. Die genaue Einstellung der Lage der
Lagerflächen zueinander ist dadurch möglich, daß den
einzelnen Zuleitungen ein Mittel zum Bestimmen oder
Einstellen des Durchsatzes zugeordnet ist. Dieses Mittel
kann beispielsweise ein in den Strömungsquerschnitt einer
Zuleitung eingebautes verstellbares Ventil sein, durch das
sich bei gegebener Druckdifferenz zwischen den
Auslaßöffnungen und der Zufuhrquelle ein vorbestimmter
Durchsatz ergibt. Hierdurch kann bei einer einmal bestimmten
Einstellung der Lagerflächen zueinander der mit dem Meßgerät
ermittelte Durchsatz kontrolliert eingestellt werden, um die
gewünschte Einstellung der Lagerflächen zueinander zu
erhalten.
Bei der Verwendung eines thermischen Durchflußmeßgerätes zum
Messen des Durchsatzes kann die Ansprechzeit beim Einregeln
der Stellung der Lagerflächen zueinander besonders kurz
gehalten werden. Dementsprechend weist das erfindungsgemäße
Luftlager gemäß einer bevorzugten Ausführungsform als Mittel
zum Messen des Durchsatzes ein thermisches Durchflußmeßgerät
auf.
Der Abstand und die Lage der Lagerflächen zueinander kann
besonders zügig eingestellt werden, wenn zumindest eine
Einstellsicherung vorgesehen ist, mit der eine gefundene
Einstellung der Lagerkörper zueinander gesichert werden
kann. Mit einer derartigen Einstellsicherung wird erreicht,
daß die beiderseitigen Lagerkörper bereits vor dem Ausbilden
eines Luftkissens in dem Lagerspalt in der richtigen Lage
zueinander angeordnet sind. Ein nachfolgendes Einlassen von
Luft in den Lagerspalt führt somit zwangsläufig zur
Ausbildung des gewünschten Lagerspalts, um eine
berührungsfreie Lagerung der beiderseitigen Lagerkörper zu
bewirken.
Besondere Vorteile entfalten die erfindungsgemäßen
Maßnahmen, wenn eine mehrere Auslaßöffnungen aufweisende
Lagerfläche eines Lagerkörpers in Flächenbereiche unterteilt
ist, wobei die Auslaßöffnungen jeweils eines Flächenbereichs
miteinander verbunden sind und über eine gemeinsame
Zuleitung mit Druckluft versorgt werden. Hierbei sind die
einzelnen Zuleitungen unabhängig voneinander mit einer
Zufuhrquelle für die zugeführte Luft verbunden, und den
einzelnen Zuleitungen ist jeweils ein Mittel zum Messen des
Durchsatzes zugeordnet. In dieser Ausführungsform wird eine
besonders wirksame und einfache Einstellung der
Lagergeometrie ermöglicht.
Es wird nämlich in diesem Fall bevorzugt, daß die
vorangehend erwähnte Einstellsicherung jeweils in den
Flächenschwerpunkten der Flächenbereiche angeordnet ist.
Hierdurch kann durch die Veränderung des Durchsatzes in
einer der Zuleitungen eine Kippbewegung um eine Achse
ausgeführt werden, die durch die Angriffspunkte der
Einstellsicherungen in den anderen Flächenbereichen
verläuft. Der Durchsatz ändert sich dann im Bereich der
beiden anderen Flächenbereiche nicht, so daß eine gezielte
Einstellung der Lagergeometrie erfolgen kann.
Eine besonders wirkungsvolle Einstellung der Lage der
beiderseitigen Lagerkörper ist bei einem ebenen, einem
sphärischen, einem prismatischen oder einem
rotationssymmetrischen Luftlager gegeben, so daß derartige
Lagergeometrien bevorzugt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum
Einstellen des Lagerspaltes zwischen einem ortsfesten und
einem beweglichen Lagerkörper eines Luftlagers mit
mindestens einer sich zu dem zwischen den beiden
Lagerkörpern ausgebildeten Lagerspalt öffnenden Zuleitung
für unter Druck zugeführte Luft. Ein einfaches und
wirkungsvolles Verfahren zum Erfassen der
Lagerspaltgeometrie wird gemäß der vorliegenden Erfindung
dadurch geschaffen, daß der Durchsatz einzelner Zuleitungen
gemessen wird.
In vorteilhafter Weise wird das erfindungsgemäße Verfahren
dadurch weitergebildet, daß die Lagerspalthöhe anhand der
Summe der Einzeldurchsätze bestimmt wird. Wie der
Darstellung gemäß Fig. 6 zu entnehmen ist, kann für jedes
Lager eine typische Tragzahlkurve ermittelt werden.
Dementsprechend ergibt sich bei konstant gehaltenem
Versorgungsdruck mit zunehmender Lagerspalthöhe ein
zunehmender Luftverbrauch bei abnehmender Tragkraft. Die
Tragkraft ist bei der gezeigten Tragzahlkurve relativ mit
Bezug auf die maximale Tragkraft dargestellt, die bei einer
theoretischen Lagerspalthöhe von 0 µm erzielt werden kann.
Die maximale Tragkraft F0 ist die Kraft, die ein Luftlager
tragen kann, wenn der Lagerspalt gegen Null geht, und kann
bei idealisierter Annahme berechnet werden, und zwar aus dem
Produkt von Lagerfläche und Überdruck, der in der
Zufuhrquelle für die zugeführte Luft herrscht.
Auch der Luftverbrauch ist relativ zu einem unendlichen
Luftverbrauch aufgetragen, der sich bei dem angenommenen
konstanten Versorgungsdruck der Zufuhrquelle bei einer
freien Abströmung aus den Auslaßöffnungen ergibt. Die freie
Abströmung ist dann gegeben, wenn der Lagerspalt unendlich
groß ist, d. h. die Lagerflächen der beiderseitigen
Lagerkörper unendlich weit voneinander entfernt sind.
Mit Kenntnis des obigen Zusammenhangs ist es möglich, einen
gewünschten Betriebspunkt hinsichtlich Tragkraft und
Spalthöhe an einem Luftlager einzustellen. Dazu muß
lediglich der gesamte Luftverbrauch in den Zuleitungen des
Lagers während der Einstellung der Lagerflächen zueinander
ermittelt werden. Ist ein vorbestimmter Luftverbrauch
erreicht, so befindet sich das Lager in dem dazugehörigen
Betriebspunkt.
Aufgrund der in Fig. 6 dargestellten Zusammenhänge kann
somit anhand der Summe der Einzeldurchsätze in den einzelnen
Zuleitungen die Höhe des Lagerspaltes anhand der gemessenen
Durchsätze vorherbestimmt werden. Alternativ oder ergänzend
ist auch die Erfassung der Lagerspaltgeometrie, insbesondere
der Parallelität des Lagerspalts, möglich, die aus dem
Vergleich der Einzeldurchsätze bestimmt wird.
In vorteilhafter Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren
ferner bei einer Anordnung eingesetzt werden, die mehrere
Luftlager aufweist. Hierbei kann die Lage des beweglichen
Körpers bezüglich dem unbewegten Körper durch die Auswertung
von Luftverbrauchsänderungen der einzelnen Lager erfolgen.
Beispielsweise kann bei einem Schlitten, der sich auf einer
Führung bewegt und über eine Reihe von Luft lagern gelagert
ist, die Erfassung der Momentanposition dadurch erfolgen,
daß der Durchsatz der einzelnen Lager bestimmt wird, was die
Erfassung der jeweils wirkenden Kräfte und die Erfassung der
Position des Schlittens ermöglicht. Hierdurch ist in
vorteilhafter Weise eine beruhrungslose Ermittlung der
Position gewährleistet.
Das erfindungsgemäße Luftlager läßt sich allgemein in
vorteilhafter Weise zur Bestimmung der auf das Lager
wirkenden Kräfte verwenden. Insbesondere bei luftgelagerten
Bearbeitungsmaschinen und Meßgeräten ist es erforderlich,
den Bruch des Werkzeugs bzw. die Werkzeugabnutzung oder das
Versagen einer Meßspitze meßtechnisch zu erfassen. Dies
erfolgt im Stand der Technik durch Messen der Passivkräfte.
Hierzu geeignete Kraftsensoren sind meist sehr aufwendig und
teuer. Darüber hinaus ist in der Regel eine tastende Anlage
an dem luftgelagerten Maschinenteil bzw. Meßschlitten
erforderlich, wodurch die Führung des Bearbeitungswerkzeuges
bzw. der Meßspitze gestört wird.
Da der Durchsatz in den einzelnen Zuleitungen von
Auslaßöffnungen von der Ausrichtung der Lagerflächen
zueinander und somit von der Lagerspaltgeometrie abhängt und
eine auf einen Bearbeitungs- oder Meßschlitten wirkende
Passivkraft verändernd auf die Lagerspaltgeometrie wirkt,
kann die wirkende Passivkraft durch das Mittel zum Messen
des Durchsatzes quantitativ bestimmt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der
zugehörigen Zeichnungen, in der ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Luftlagers schematisch dargestellt
ist. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht durch ein
Luftlager;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel
einer Einstellsicherung, die an dem in Fig. 1
dargestellten Luftlager vorgesehen ist;
Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teilbereichs
der in Fig. 3 dargestellten Einstellsicherung
entlang der Linie III-III gemäß Fig. 2;
Fig. 4 eine Unteransicht einer Lagerhälfte mit
angedeuteten Bereichen, die jeweils getrennt mit
Luft versorgt werden, sowie die Angriffspunkte der
einzelnen Einstellvorrichtungen;
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer Anordnung
zur Lagerung eines (nicht gezeigten) Schlittens;
und
Fig. 6 die Beziehung zwischen der Tragkraft bzw. dem
Luftverbrauch und der Lagerspalthöhe.
Das in Fig. 1 dargestellte Luftlager besteht aus einem
ortsfesten Lagerkörper 2 und einem beweglichen Lagerkörper
4, die einander gegenüberliegend angeordnet sind und durch
einen Lagerspalt 6 berührungsfrei voneinander beabstandet
sind. Dies erfolgt durch ein Luftkissen, das zwischen den
beiden Lagerkörpern 2, 4 durch Luft ausgebildet wird, die
durch Zuleitungen 8 zugeführt wird. Bei dem in Fig. 1
dargestellten Luftlager kann es sich beispielsweise um ein
Luftlager handeln, dessen Lagerkörper 2 zumindest teilweise
aus einem porösen Sintermaterial gebildet wird. Ein
derartiges Luftlager ist in der DE 34 39 648 beschrieben.
Zwischen den durch Sintern teilweise miteinander in
Berührung stehenden Körnchen des Ausgangsmaterials strömt
die Luft durch eine Vielzahl von Öffnungen in den Lagerspalt
6 und bildet hierdurch das Luftkissen aus. Weitere
Möglichkeiten, wie ein Lagerkörper eines Luftlagers über
seine Fläche verteilt mit einer Vielzahl von äußerst kleinen
Öffnungen versehen werden kann, sind in der EP 0 672 839
sowie der DE 44 36 156 beschrieben. Auf die genannten
Dokumente wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen, und
deren Offenbarung wird zum Gegenstand dieser Anmeldung
gemacht. Derartige Lager, bei denen die Auslaßöffnungen
flächig über den Flächenbereich verteilt sind, werden auch
als Vieldüsenlager bezeichnet.
Zur Einstellung der Lage von Lagerflächen 10, 12 der
Lagerkörper 2, 4 sind bei dem in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel eines ebenen Luftlagers mit einer
kreisrunden Lagerfläche an der Unterseite mehrere
Angriffspunkte 14 von Einstellvorrichtungen ausgebildet, die
unter Bezugnahme auf die Fig. 4 noch im einzelnen erläutert
werden. Diese sind jeweils in den Flächenschwerpunkten der
(in dem gezeigten Fall drei) einzelnen Bereiche des
Luftlagers angeordnet, die jeweils mit einer Luftzuleitung
versorgt werden. Insbesondere befinden sich in jedem der
drei Kreissektoren mehrere winzig kleine Auslaßöffnungen,
wobei die Auslaßöffnungen eines Bereichs miteinander
verbunden sind.
Die Unterteilung einer Lagerfläche in mehrere
Flächenbereiche kann dabei in unterschiedlicher Weise
erfolgen. Wie erwähnt, können in der Lagerfläche 10
beispielsweise in einem Vollmaterial mehrere winzig kleine
Öffnungen mittels eines Lasers ausgebildet werden, der das
Material, das zwischen der Lagerfläche 10 und jeweils
ausgebildeten Sacklöchern verbleibt, durchstößt. Bei dieser
Ausbildung eines Lagerkörpers werden die einzelnen
Sacklöcher durch mehrere Nuten derart verbunden, daß sie
jeweils an die Mündungsstelle der Zuleitung 8 angeschlossen
sind. Wie erwähnt, werden jeweils die Auslaßöffnungen eines
Flächenbereichs in dieser Weise mit einer eigenen Zuleitung
verbunden. Die Abgrenzung zwischen den Auslaßöffnungen bzw.
den Verbindungsnuten einzelner Flächenbereiche erfolgt
beispielsweise durch Gummiringe, welche die Flächenbereiche
im Bereich der Verbindungsstelle zwischen dem mit den
Auslaßöffnungen versehenen Bauteil und dem mit den
Zuführleitungen und deren Mündungen versehenen Bauteil
abdichten.
Bei Luftlagern aus porösem Sintermaterial sind aufgrund der
porösen Struktur des Materials ursprünglich sämtliche
Auslaßöffnungen miteinander verbunden. Die Trennung in
einzelne Flächenbereiche erfolgt durch die Ausbildung von
luftundurchlässigen Stegen in dem porösen Sintermaterial. In
Fig. 1 ist ein derartiger Steg mit der Referenznummer 15
angedeutet.
Erfindungsgemäß werden die Auslaßöffnungen jeweils eines auf
diese Weise gebildeten Flächenbereichs über eine eigene
Zuleitung mit Druckluft versorgt. Dies erfolgt durch die
angedeuteten Zuleitungen 8. Jede einzelne Zuleitung 8 weist
wiederum ein Mittel zum Einstellen des Durchsatzes auf, was
im vorliegenden Fall durch ein verstellbares Ventil 16
gebildet ist. Ferner weist jede Zuleitung 8 ein Mittel zum
Messen des Durchsatzes auf, das vorliegend durch ein
thermisches Durchflußmeßgerät 18 gebildet ist.
In der in Fig. 1 gezeigten schematischen Schnittansicht
eines Ausführungsbeispieles eines Luftlagers ist auf dem
ortsfesten Lagerkörper 2 ein schematisch dargestelltes
luftgelagertes Bauteil 20 gezeigt. Dieses kann
beispielsweise ein Meßschlitten einer Meßvorrichtung sein.
Zum Einstellen der Geometrie des Lagerspaltes 6 wird von
einer nicht dargestellten Zufuhrquelle unter Druck stehende
Luft durch die einzelnen Zuleitungen 8 geführt. Der
bewegliche Lagerkörper 4 wird zusammen mit dem darauf
befindlichen Bauteil 20 angehoben. Eine gleichmäßige Höhe
des Lagerspaltes über den gesamten, zwischen den beiden
Lagerflächen 10 eingeschlossenen Raum, wird dadurch erzielt,
daß, unter Überwachung mittels der Durchflußmeßgeräte, der
Durchsatz an unter Druck stehender Luft in jeder einzelnen
Zuleitung 8 durch das jeweilige Ventil 16 eingestellt wird.
Diese Einstellung kann über berührungsfreie Meßgeräte, die
die Lagerspaltgeometrie erfassen, überwacht werden. Dabei
kann der in Fig. 6 dargestellte Zusammenhang zwischen
Luftverbrauch und Lagerspalthöhe genutzt werden, indem die
Summe der Einzeldurchsätze pro Zuleitung über die gemessene
Lagerspalthöhe auftragen ist. Der in Fig. 6 dargestellte
Zusammenhang wird als Eichkurve für ein bestimmtes Luftlager
einmalig aufgenommen und kann, wie vorangehend beschrieben,
zur Erfassung und Einstellung der Lagerspaltgeometrie
verwendet werden.
Bei unveränderter Belastung des Bauteils 20 auf das Lager,
beispielsweise bei einem Meßtisch, kann somit, nach einem
erstmaligen Vermessen, die gewünschte Lagerspaltgeometrie,
in der Regel die Parallelität des Lagerspalts,
reproduzierbar durch Einstellen der einzelnen Durchsätze in
den jeweiligen Zuleitungen 8 eingestellt werden. In gleicher
Weise kann ein Lagerspalt 6 konstanter Höhe zwischen den
beiderseitigen Lagerkörpern 2, 4 zuverlässig durch
Einstellen des Durchsatzes erzielt werden.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind als
Durchflußmeßgeräte 18 thermische Durchflußmeßgeräte
vorgesehen. Die Durchflußmeßgeräte weisen einen erhitzten
Draht auf, der von der Luft in der jeweiligen Zuleitung 8
angeströmt wird. Zu Kompensation der hierdurch abgeführten
Wärmemenge wird die Leistung des thermischen
Durchflußmeßgerätes erhöht, wobei diese Leistungserhöhung
zur Bestimmung des Durchflusses herangezogen wird. Derartige
thermische Durchflußmeßgeräte haben eine sehr kurze
Ansprechzeit, so daß im Falle wechselnder Belastung des
Luftlagers die gewünschte Lagerspaltgeometrie in kurzer Zeit
eingestellt werden kann. Alternativ können sog.
Schwebekörper-Durchflußmesser verwendet werden. Diese weisen
einen definierten Konus auf, der von einem Gas durchströmt
wird, so daß sich eine Schwebekugel in einer Höhe einstellt,
anhand der der aktuelle Luftverbrauch abgemessen werden
kann.
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Luftlagers weist außerdem eine
Einstellsicherung 22 auf, auf deren Darstellung in Fig. 1
aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet worden ist.
Einzelheiten der Einstellsicherung 22 sind den Fig. 2 und 3
zu entnehmen. Die nachfolgend beschriebene Einstellsicherung
ist im übrigen von der erfindungsgemäßen Messung des
Luftdurchsatzes in einzelnen Leitungen unabhängig und kann
bei beliebigen Lagern, insbesondere Luftlagern in
vorteilhafter Weise eingesetzt werden.
Die Einstellsicherung ist in einem eigenen Gestell
ausgebildet, das auf derjenigen Seite des Lagerkörpers 2
angeordnet ist, die dem Lagerspalt gegenüberliegt. Bei der
Darstellung gemäß Fig. 1 handelt es sich somit um die
Unterseite. Durch die nachfolgend beschriebene
Einstellsicherung wird die Lage des Lagerkörpers 2 insgesamt
so eingestellt, daß sich die gewünschte Lagerspaltgeometrie
ergibt.
Die Einstellsicherung besteht im wesentlichen aus einer mit
einer mit einem Lagerkörper 4 im Gewindeeingriff stehenden
Einstellschraube 24 und einem sich auf dem anderen
Lagerkörper 2 abstützenden Gegenstück 26. Eine Stirnseite
der Einstellschraube 24 weist eine konvexe Stirnfläche 28
auf. Korrespondierend zu dieser konvexen Stirnfläche 28 ist
an dem Gegenstück 26 eine konkave Aufnahmefläche 30 zur
Aufnahme der konvexen Stirnfläche 28 ausgebildet.
An der anderen Stirnseite der Einstellschraube 24 ist eine
in Radialrichtung der Einstellschraube 24 verlaufende Nut 32
eingeformt, wie der Darstellung gemäß Fig. 3 zu entnehmen
ist. Über diese Nut 32 steht ein Zustellelement 34 im
Eingriff mit der Zustellschraube 24. Das Zustellelement 34
weist eine Ringfläche 36 auf, mit der das Zustellelement 34
an einer in dem einen Lagerkörper 4 ausgebildeten Ausnehmung
40 flächig anliegt. Das Zustellelement 34 weist außerdem
Funktionsflächen 42 für den Eingriff eines nicht
dargestellten Werkzeugs auf. An der anderen Stirnseite ist
an dem Zustellelement 34 eine in die Nut 32 eingreifende
Feder 44 vorgesehen.
Zum Verstellen der Einstellsicherung 22 wird das
Zustellelement 34 gedreht. Diese Drehübertragung wird durch
den Eingriff von Feder 44 in die Nut 32 auf die
Einstellschraube 24 übertragen, die über ein Mikrogewinde
mit dem einen Lagerkörper 4 im Gewindeeingriff steht.
Aufgrund der Steigung des Mikrogewindes wird die
Einstellschraube 24 in axialer Richtung durch die Drehung am
Zustellelement 34 verstellt. Da die Einstellschraube 24 über
die konvexe Stirnfläche 28 an dem Gegenstück 26 anliegt,
verändert sich durch diese Zustellbewegung der
Einstellschraube 24 auch der Abstand der beiderseitigen
Lagerkörper 2, 4. Da aber andererseits die Berührung der
beiderseitigen Lagerkörper 2, 4 über den Eingriff der
konvexen Stirnfläche 28 in die konkave Aufnahmefläche 30
erfolgt, ist eine Schwenkbewegung des ortsfesten
Lagerkörpers 2 um den beweglichen Lagerkörper 4 möglich.
Das in Fig. 2 und 3 gezeigte Ausführungsbeispiel einer
Einstellsicherung ermöglicht es, vor Zuleiten von Druckluft
durch die Zuleitungen 8 einen Lagerspalt zwischen den
beiderseitigen Lagerkörpern 2, 4 einzustellen. Dadurch wird
ein schonenderes Anheben des beweglichen Lagerkörpers 4 und
den darauf angeordneten Meßtisch möglich. Außerdem ergibt
sich der Vorteil, daß die Höhe des Lagerspaltes 6 im
wesentlichen durch die Einstellsicherung vorgegeben ist. Bei
senkrecht eingebauten Luft lagern nimmt somit die
Lagerspalthöhe bereits vor dem Ausbilden eines Luftkissens
in dem Lagerspalt 6 einen Wert im Bereich des Sollwertes an,
wodurch die Einstellung der Lagerspaltgeometrie durch die
einzelnen Durchsätze von Druckluft erleichtert wird. Die
Einstellsicherung ermöglicht eine schnellere Einstellung des
gewünschten Betriebspunktes durch Verändern der Durchsätze
in den einzelnen Zuleitungen 8.
Bei dem in Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
weist sowohl das Zustellelement 34 als auch die
Einstellschraube 22 sowie das Gegenstück 26 eine zentrale
Ausnehmung 46 auf. Bei parallel zueinander ausgebildeten
Lagerflächen 10, 12, d. h. bei konstanter Höhe des
Lagerspaltes 6, und beim Eingriff von konvexer Stirnfläche
28 und Aufnahmefläche 30 kann eine in Fig. 2 dargestellte
Konterschraube 48 durch die zentrale Ausnehmung 46 von
Zustellelement 34, Einstellschraube 24 und Gegenstück 26 mit
einem an dem ortsfesten Lagerkörper ausgebildeten Gewinde 50
in Gewindeeingriff gebracht werden. Durch diese
Konterschraube ist es möglich, den durch die
Einstellschraube vorgegebenen Abstand zwischen den beiden
Lagerflächen 10, 12 kraftschlüssig zu verspannen. Eine
derartige Verspannung bringt den Vorteil, daß sich die Lage
durch die Verspannung auch bei einem wiederholten Be- und
Entlüften nicht mehr ändert. Dadurch bleiben die
Lagereigenschaften über lange Zeit konstant. Dies ist
beispielsweise beim Aufrüsten eines durch das Luftlager
gelagerten Meßschlittens vorteilhaft.
In Fig. 4 ist schließlich eine Rückansicht auf eine
kreisrunde Lagerhälfte für ein weiteres Ausführungsbeispiel
dargestellt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind mit
14.1 bis 14.3 die Angriffspunkte der in den Fig. 2 und 3
beschriebenen Einstellvorrichtungen bezeichnet. Diese
Angriffspunkte befinden sich jeweils in den
Flächenschwerpunkten von drei durch gestrichelte Linien
voneinander getrennten Segmenten, die jeweils über eine
eigene Zuführleitung mit Luft versorgt werden. Wie
vorangehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 erwähnt,
erfolgt bei einem Lagerkörper 2 aus porösem Sintermaterial
die Ausbildung der voneinander hinsichtlich der
Luftzuführung getrennten Bereiche durch luftundurchlässige
Stege 15. Diese sind in der Unteransicht von Fig. 4
angedeutet.
Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel ermöglicht
eine besonders wirkungsvolle Einstellung der
Lagerspaltgeometrie. Diese Einstellung kann man sich
idealisiert wie folgt vorstellen:
Sofern die Lagerspalthöhe beispielsweise auf der
Verbindungslinie A-A der Angriffspunkte 14.1 und 14.2 dem
Sollwert entspricht, kann durch Veränderung des Durchsatzes
in dem Bereich, in dem der Angriffspunkt 14.3 liegt, eine
Kippbewegung des beweglichen Lagerkörpers um den ortsfesten
Lagerkörper 2 erzielt werden, die um die Verbindungslinie
der Angriffspunkte 14.1 und 14.2 erfolgt. Da die
Angriffspunkte 14.1 und 14.2 jeweils in den
Flächenschwerpunkten der einzelnen Segmente liegen, führt
eine Verdrehung der Verstelleinrichtung im Angriffspunkt
14.3 lediglich zu einer Änderung des Luftverbrauchs in dem
Flächensegment, in dem der Punkt 14.3 liegt. Die Erfassung
des geänderten Luftverbrauchs wird erfindungsgemäß für die
Einstellung der Lagergeometrie verwendet. In vorteilhafter
Weise bleibt der Luftverbrauch in den Segmenten mit den
Angriffspunkten 14.1 und 14.2 gleich, so daß die Einstellung
wesentlich vereinfacht und beschleunigt werden kann. Es
versteht sich, daß die vorangehenden Ausführungen in
gleicher Weise für die Einstellungen an den Angriffspunkten
14.1 bzw. 14.2 gelten.
Sofern andererseits der Durchsatz durch jede einzelne
Zuleitung 8 bei einem bestimmten Betriebspunkt vorgegeben
ist, kann eine Veränderung der Passivkräfte, z. B. zur
Werkzeugbruchkontrolle bzw. Werkzeugabnutzungskontrolle,
über die Veränderung des Durchsatzes pro Zuleitung 8
überwacht werden. Bei einer Kippung um die gedachte Achse
der Verbindungslinie der Angriffspunkte 14.1, 14.2 wird
lediglich eine Änderung des Durchsatzes für den Bereich mit
dem Angriffspunkt 14.3 festgestellt. Aus der festgestellten
Änderung des Durchsatzes läßt sich somit ableiten, ob ein
Werkzeugbruch stattgefunden hat. Außerdem kann aufgrund der
örtlichen Verteilung der Punkte 14 auf der Lagerfläche 10
aufgrund der Veränderung des Durchsatzes in dem Bereich des
jeweiligen Angriffspunktes 14 auf die Bewegungsrichtung der
Lagerkörper zueinander geschlossen werden.
In Fig. 5 ist eine weitere vorteilhafte
Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Erfassung des
Luftdurchflusses in einzelnen Segmenten eines Luftlagers
oder auch für eines von mehreren Luft lagern schematisch
dargestellt. In der Zeichnung ist eine klammerartig
ausgebildete Führung 52 gezeigt, in deren von den einzelnen
Schenkeln umschlossenem Innenraum ein (nicht gezeigter)
Schlitten geführt wird. Die Führung 52 ist im wesentlichen
in Form eines umgekehrten U mit einem an der Oberseite
befindlichen mittleren Schenkel 54, sich zwei davon
erstreckenden seitlichen Schenkeln 56 und zwei daran
parallel zum mittleren Schenkel 54 angebrachten Fortsätzen
58 aufgebaut. Wie insbesondere für die linken und unteren
Abschnitte der Führung 52 zu erkennen ist, sind zu der
gesamten Innenseite der Führung 52 hin mehrere Luftlager
angeordnet, deren einer, mit den Auslaßöffnungen versehener
Lagerkörper 2 jeweils zu erkennen ist.
Die bisherige Schilderung der Erfindung bezog sich im
wesentlichen auf die Einstellung eines einzelnen Luftlagers,
insbesondere dessen Lagergeometrie. Sobald, beispielsweise
durch geeignete Einstellung der Einstellvorrichtungen an den
drei Angriffspunkten 14.1 bis 14.3, die Lage und
Orientierung durch Messung und Regelung der jeweiligen
Durchflußmengen des einzelnen Lagerkörpers eingestellt ist,
können die beispielsweise drei Zuleitungen zu einer einzigen
Zuleitung zusammengefaßt werden. Wenn, wie im Fall des
Beispiels gemäß Fig. 5, mehrere Luftlager verwendet werden,
kann nunmehr die gesamte Durchflußmenge eines einzelnen
Lagers für einen Vergleich mit den Durchflußmengen der
anderen Lager oder mit Hilfe des in Fig. 6 gezeigten, für
das einzelne Lager ermittelten Zusammenhangs dazu verwendet
werden, die Position eines gelagerten Bauteils zu erfassen.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 bedeutet dies, daß
mittels der Messung der Durchflußmengen die auf die
einzelnen Lager 2 wirkenden Kräfte erfaßt werden können, was
eine Bestimmung der Stellung eines gelagerten Bauteils
ermöglicht. Wie ohne weiteres ersichtlich ist, wirkt auf das
gemäß Fig. 5 vordere, untere Lager eine höhere Kraft, wenn
sich der Schwerpunkt des gelagerten Schlittens im vorderen
Bereich befindet. Folglich kann von einer verringerten
Durchflußmenge ohne weiteres auf eine höhere, auf das Lager
2 wirkende Kraft geschlossen werden. Insbesondere kann
anhand der in Fig. 6 dargestellten Funktionen die wirkende
Kraft recht genau bestimmt werden, so daß mittels der
Erfassung sämtlicher, auf die einzelnen Lager wirkender
Kräfte eine sehr gute Bestimmung der momentanen Position
eines gelagerten Bauteils ermöglicht wird.
Die Auswertung der auf die einzelnen Lager wirkenden Kräfte
kann automatisiert erfolgen, indem die Durchflußmengen in
entsprechenden Dateien den jeweiligen Kräften zugeordnet
werden, und während des Betriebs anhand der aktuellen
Durchflußmengen die Kräfte und damit die Stellung des
gelagerten Bauteils ermittelt werden. Diese Auswertung kann
auch anhand digitaler Bildverarbeitungsverfahren erfolgen.
Beispielsweise können als Alternative zu den erwähnten
thermischen Durchflußmeßgeräten sog. Schwebekörper-Durchfluß
messer verwendet werden. Diese weisen einen
definierten Konus auf, der von einem Gas durchströmt wird,
so daß sich eine Schwebekugel in einer Höhe einstellt,
anhand der der aktuelle Luftverbrauch abgemessen werden
kann. Bei Verwendung mehrerer derartiger Durchflußmesser
kann, wie erwähnt, die Erfassung der Stellungen der
einzelnen Schwebekörper durch digitale Bildverarbeitung
erfolgen und die Ermittlung der aktuellen Kräfte und damit
der Position des gelagerten Bauteil ermöglichen.
Claims (13)
1. Luftlager mit einem ortsfesten und einem beweglichen
Lagerkörper (2; 4) und mindestens einer sich zu einem
zwischen den beiden Lagerkörpern (2; 4) ausgebildeten
Lagerspalt (6) öffnenden Zuleitung (8) für unter Druck
zugeführte Luft,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zuleitung (8) mit einer Zufuhrquelle für die zugeführte Luft verbunden ist, und
daß der Zuleitung ein Mittel (16) zum Messen des Durchsatzes zugeordnet ist.
daß die Zuleitung (8) mit einer Zufuhrquelle für die zugeführte Luft verbunden ist, und
daß der Zuleitung ein Mittel (16) zum Messen des Durchsatzes zugeordnet ist.
2. Luftlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Zuleitung außerdem ein Mittel (18) zum Einstellen
des Durchsatzes zugeordnet ist.
3. Luftlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das Mittel zum Messen des
Durchsatzes ein thermisches Durchflußmeßgerät (18) ist.
4. Luftlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest eine Einstellsicherung
(22) vorgesehen ist, mit der eine gefundene Einstellung
der Lagerkörper (2; 4) zueinander gesichert werden kann.
5. Luftlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß eine mehrere Auslaßöffnungen
aufweisende Lagerfläche (10; 12) eines Lagerkörpers
(2; 4) in Flächenbereiche unterteilt ist, und die
Auslaßöffnungen jeweils eines Flächenbereiches
miteinander verbunden sind und über eine gemeinsame
Zuleitung (8) mit Druckluft versorgt werden, und daß die
einzelnen Zuleitungen (8) unabhängig voneinander mit
einer Zufuhrquelle für die zugeführte Luft verbunden
sind, und daß den einzelnen Zuleitungen jeweils ein
Mittel (16) zum Messen des Durchsatzes zugeordnet ist.
6. Luftlager nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einstellvorrichtungen in den
Flächenschwerpunkten der Flächenbereiche angeordnet
sind.
7. Luftlager nach zumindest einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerkörper
(2; 4) eine ebene, eine sphärische, eine prismatische
oder eine rotationssymmetrische Lagerfläche aufweisen.
8. Luftgelagerter Schlitten, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens ein Luftlager nach einem der Ansprüche 1-7
vorgesehen ist.
9. Verfahren zum Einstellen des Lagerspaltes zwischen einem
ortsfesten und einem beweglichen Lagerkörper (2; 4)
eines Luftlagers mit mindestens einer sich zu dem
zwischen den beiden Lagerkörpern (2; 4) ausgebildeten
Lagerspalt (6) öffnenden Zuleitung (8) für unter Druck
zugeführte Luft,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Durchsatz der Zuleitung (8) gemessen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Lagerspalthöhe anhand der Summe der Einzeldurchsätze
bestimmt wird, und/oder die Lagerspaltgeometrie,
insbesondere die Parallelität des Lagerspalts, aus dem
Vergleich der Einzeldurchsätze bestimmt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Regelung des Versorgungsdruckes
anhand eines Sollwertes für den Durchsatz vorgesehen
ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß mehrere Luftlager verwendet werden,
und daß die Lage des beweglichen Körpers bezüglich dem
unbewegten Körper durch die Auswertung der aktuellen
Luftverbrauchswerte und/oder der
Luftverbrauchsänderungen der einzelnen Luftlager
erfolgt.
13. Verwendung eines Luftlagers nach einem der Ansprüche 1
bis 7 zur Bestimmung der auf das Lager wirkenden Kräfte.
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